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Die vorliegende Erfindung betrifft
generell eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen
und zum Aufprägen
der Spannungspulse auf eine Brennstoffzelle, sowie ein Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellen sind bereits seit
langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie
in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
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In einer Brennstoffzelle, beispielsweise
einer PEM-Brennstoffzelle, wird durch eine chemische Reaktion Strom
erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff
und ein Oxidationsmittel wie beispielsweise Sauerstoff in elektrische
Energie und ein Reaktionsprodukt wie beispielsweise Wasser umgewandelt.
Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil,
einer Membran und einem Kathodenteil. Die Membran besteht aus einem gasdichten
und protonenleitenden Material und ist zwischen der Anode und der
Kathode angeordnet, um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird
der Brennstoff zugeführt,
während
auf der Seite der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt wird.
An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen, d.h.
Wasserstoffionen erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode
bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff,
und es bildet sich Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen
lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten,
beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
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Will man die Brennstoffzelle mit
einem leicht verfügbaren
oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol, Benzin oder
dergleichen betreiben, muss man diese Kohlenwasserstoffe in einer Anordnung
zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches
Gas umwandeln. Dabei entsteht im wesentlichen Wasserstoff, Kohlendioxid
und auch in gewissem Umfang Kohlenmonoxid (CO), das ein für die Brennstoffzelle schädliches
Gas darstellt und deshalb vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle
möglichst
weitgehend entfernt werden sollte.
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In der Brennstoffzelle kann das Kohlenmonoxid
ab einer bestimmten Konzentration dazu führen, dass sich die von der
Brennstoffzelle abgegebene Leistung verringert und folglich der
Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark reduziert wird.
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Um eine solch schädliche Einflussnahme von Kohlenmonoxid
(CO) auf die Brennstoffzelle verhindern zu können, ist in der
DE 197 10 819 C1 , deren
Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird,
eine Brennstoffzelle beschrieben worden, bei der Leistungseinbussen
auf Grund von am Anodenkatalysator absorbierten Verunreinigungen
vermieden werden sollen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Brennstoffzelle
mit Mitteln verbunden ist, die der Anode der Brennstoffzelle einen
positiven Spannungspuls aufprägen.
Durch die Aufprägung
des Spannungspulses wird eine pulsförmige Änderung des Anodenpotenzials
bewirkt, die dazu führt,
dass das in der Brennstoffzelle befindliche Kohlenmonoxid oxidiert
wird. Die Spannungspulse können
auf die Brennstoffzelle aufgeprägt
werden, indem eine externe Gleichspannungsquelle über einen Schalter
zeitweilig mit der Brennstoffzelle verbunden wird.
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In der
DE 197 10 819 C1 ist zwar
bereits in allgemeiner Weise beschrieben worden ist, dass die Oxidation
von Kohlenmonoxid vorteilhaft über
das Aufprägen
von Spannungspulsen auf die Brennstoffzelle erfolgen kann. Das in
dieser Druckschrift beschriebene Beispiel einer dazu vorgesehenen
Schaltungsanordnung weist aber noch eine Reihe von Nachteilen auf.
So kann beispielsweise die elektrische Energie, die für die Aufprägung des
Spannungspulses auf die Brennstoffzelle aufgewandt wird, nicht weiter
verwertet werden, geht also verloren. Auch ist zur Bereitstellung
der elektrischen Energie für
die Spannungspulsgenerierung immer eine separate, externe Spannungsquelle
erforderlich. Schließlich
ist es mit der bekannten Schaltungsanordnung nicht möglich, die
auf die Brennstoffzelle aufgeprägten
Spannungspulse in ihrer Größe und Form
steuern oder regeln zu können,
um diese an verschiedene Betriebszustände und Betriebssituationen
anpassen zu können.
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Ausgehend vom dem in der
DE 197 10 819 beschriebenen
Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu
Grunde, eine verbesserte Schaltungsanordnung sowie ein verbessertes Brennstoffzellensystem
bereitzustellen, mit dem insbesondere die vorstehend beschriebenen
Nachteile vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung gelöst
durch eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen
und zum Aufprägen
der Spannungspulse auf eine Brennstoffzelle, mit einem Pulsgenerator
zum Erzeugen der Spannungspulse, einem mit dem Pulsgenerator verbundenen
Lade-/Entladekreis, in dem wenigstens eine Brennstoffzelle und wenigstens
eine Kapazität vorgesehen
ist, und mit einer Schalteranordnung zum Schalten des Lade/Entladekreises
in Bezug auf die Kapazität
in einen Ladekreis oder einen Entladekreis.
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Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
wird es zum einen möglich,
Spannungspulse auf eine Brennstoffzelle aufprägen zu können, wodurch die weiter oben
beschriebenen Vorteile im Hinblick auf die Oxidation von schädlichen
Stoffen wie beispielsweise Kohlenmonoxid erreicht werden können. Die
Spannungspulse werden dabei vorteilhaft der Anode der Brennstoffzelle
aufgeprägt.
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Durch diese Aufprägung wird eine pulsförmige Änderung
des Anodenpotenzials bewirkt.
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Durch den in der Schaltungsanordnung
vorgesehenen Pulsgenerator wird es ermöglicht, die Spannungspulse
regeln beziehungsweise steuern zu können, so dass je nach Betriebssituation
und Betriebszustand Spannungspulse mit unterschiedlicher Größe und Form
erzeugt und auf die Brennstoffzelle aufgeprägt werden können.
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Schließlich wird es durch die Verwendung
einer Kapazität
im Lade-/Entladekreis möglich,
elektrische Energie zu speichern. Wenn der Brennstoffzelle, insbesondere
der Anode, Spannungspulse aufgeprägt werden, erhöht sich
deren Anodenpotenzial. Gleichzeitig wird die Klemmenspannung der
Brennstoffzelle verringert, da Strom aus der Brennstoffzelle abgezogen
wird. Diese elektrischen Ladungen können von der Kapazität gespeichert
werden. Über
die Spannungspulse wird die Brennstoffzelle so lange polarisiert,
bis das Potenzial zur Oxidation der schädlichen Stoffe, beispielsweise
von Kohlenmonoxid, erreicht ist. Befindet sich Kohlenmonoxid innerhalb
des Anodenraums der Brennstoffzelle, kann dieses oxidiert werden,
was zu einer Entgiftung der Brennstoffzelle führt.
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Um die Kapazität laden zu können, wird
der Lade-/Entladekreis über
die Schalteranordnung während
der Spannungspulsaufprägung
derart geschaltet, dass er in Bezug auf die Kapazität einen
Ladekreis bildet. Durch die Verwendung wenigstens eines Kondensators
wird erreicht, dass die bei der Aufprägung von Spannungspulsen auf
die Brennstoffzelle frei werdenden elektrischen Ladungen nicht verloren gehen,
sondern weiter genutzt werden können.
Um diese Ladungen nutzen zu können,
was einer Entladung der Kapazität
entspricht, wird die Schalteranordnung nach der Spannungspulsaufprägung derart geschaltet,
dass der Lade-/Entladekreis als Entladekreis fungiert.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorteilhaft kann in dem Entladekreis
eine Last vorgesehen sein. An diese Last kann die in der Kapazität gespeicherte
Energie abgegeben werden. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte
Ausgestaltungsformen der Last beschränkt.
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So ist es beispielsweise denkbar,
dass die Last als Lastwiderstand und/oder sonstiger nutzbarer elektrischer
Verbraucher ausgebildet ist. Wenn die Last als Lastwiderstand ausgebildet
ist, wird die Kapazität
bei Aufprägung
von Spannungspulsen auf die Brennstoffzelle geladen und anschließend über den Lastwiderstand
wieder entladen. Die übertragene elektrische
Ladung wird dabei im Lastwiderstand in Wärme umgesetzt. Es ist jedoch
auch möglich,
die in der Kapazität
gespeicherte Energie sinnvoll zu nutzen. Hierbei kann an die Stelle
des Lastwiderstands ein nützlicher
Verbraucher wie beispielsweise eine aufladbare Batterie oder dergleichen
treten, die dann über
die Kapazität
geladen werden kann. Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung ist
jedoch auch jeder andere geeignete Verbraucher denkbar.
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Vorzugsweise kann die Kapazität als UltraCap-Kondensator
ausgebildet sein. Derartige Kondensatoren, die an sich aus dem Stand
der Technik bekannt sind, verfügen
neben einer hohen Kapazität auch über eine
besonders hohe Leistungsdichte. Sie sind somit geeignet, innerhalb
kurzer Zeiten große Energiemenge
zu speichern oder abgeben zu können.
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Vorteilhaft kann der Pulsgenerator
zur Erzeugung von im wesentlichen rechteckigen Spannungspulsen ausgebildet
sein. Derartige Spannungspulse, die vorzugsweise als positive Spannungspulse ausgebildet
sind, ermöglichen
auf Grund ihrer steilen Flanken ein besonders genaues Schalten innerhalb der
Schaltungsanordnung.
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Vorteilhaft können die Spannungspulse eine variable
Pulsdauer und/oder einen variablen Pulsabstand aufweisen. Die Definition
dieser Begriffe ergibt sich dabei aus der 1, die den zeitlichen Verlauf der Spannung
schematisch wiedergibt. Darin ist die Pulsdauer des Spannungspulses
mit D und der Pulsabstand als zeitlicher Zwischenraum zwischen zwei Pulsen
mit A bezeichnet. Der Buchstabe F in 1 bezeichnet
die Pulsfrequenz. Der zeitliche Abstand (Periode) zwischen dem Beginn
eines Pulses und dem Beginn des unmittelbar darauf folgenden Pulses entspricht
dabei dem Kehrwert der Pulsfrequenz F. Die Erfindung ist nicht auf
bestimmte Pulsdauern, Pulsabstände
oder Pulsfrequenzen beschränkt.
Vorteilhafte Pulsdauern können
sich beispielsweise im Bereich zwischen 10 msec und 2 sec, vorzugsweise in
einem Bereich zwischen 100 und 500 msec bewegen. Beispiele für geeignete
Pulsabstände
liegen im Bereich zwischen 2 und 7 Sekunden, vorteilhaft zwischen
4 und 5 Sekunden.
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Der Pulsgenerator kann vorteilhaft
eine Schaltung zur Kalibrierung der Pulsdauer der Spannungspulse
aufweisen. Bei Verwendung einer solchen Schaltung kann die Pulsfrequenz
beispielsweise fest vorgegeben sein. Auch die Pulsdauer und der Pulsabstand
sind im wesentlichen festgelegt. Über die Schaltung wird lediglich
die Pulsdauer kalibriert, was bedeutet, dass eine Feineinstellung
der Pulsdauer vorgenommen werden kann. Bei dieser Ausgestaltungsform
handelt es sich um eine weitgehend „starre" Möglichkeit
zur Erzeugung von Spannungspulsen.
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In weiterer Ausgestaltung kann der
Pulsgenerator eine Schaltung zum variablen Einstellen des Verhältnisses
von Pulsdauer zu Pulsabstand der Spannungspulse aufweisen. Durch
eine solche Schaltung wird es möglich,
dass innerhalb der Pulsfrequenz, die wiederum fest vorgegeben sein
kann, das Verhältnis,
das auch Duty Cycle genannt wird, zwischen Pulsdauer und Pulsabstand
beliebig eingestellt werden kann.
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Die im Hinblick auf die beiden genannten Schaltungen
beschriebene Einstellung der Pulsdauer und/oder des Pulsabstands
kann beispielsweise über ein
oder mehrere Potentiometer erfolgen. Potentiometer sind an sich
aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei handelt es sich um stetig
regelbare elektrische Widerstände,
die einen Schleifkontakt zum Abgreifen von Teilwiderständen aufweisen.
Potentiometer können
beispielsweise als Schiebe- oder Drehwiderstände ausgebildet sein.
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In weiterer Ausgestaltung kann der
Pulsgenerator einen Zählerbaustein
aufweisen, der mit der Schaltung zur Kalibrierung der Pulsdauer
verbunden ist. Mit Hilfe eines solchen Zählerbausteins und einer wie
oben beschriebenen entsprechenden Schaltung können die benötigten Spannungspulse
erzeugt werden. Der Zählerbaustein
kann beispielsweise über
einen sogenannten „Clock-Eingang" verfügen, über den
die von der Schaltung abgehenden Signale in den Zählerbaustein
eingespeist werden. Bei Zählerbausteinen,
die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind, handelt es sich
allgemein um sequentielle Schaltungen zum Zählen von Impulsen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
kann der Pulsgenerator jeweils eine oder beide der vorgenannten
Schaltungen aufweisen. Im letztgenannten Fall wird es möglich, Spannungspulse
mit jeder beliebigen Pulsdauer und jedem beliebigen Pulsabstand einstellen
zu können.
Bei Verwendung beider Schaltungen kann der Pulsgenerator vorteilhaft
ein Schalterelement zum wahlweisen Umstellen zwischen den beiden
Schaltungen aufweisen. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte
Schalterelementtypen beschränkt.
Beispielsweise kann das Schalterelement als Transistorschaltung
oder dergleichen ausgebildet sein.
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In weiterer Ausgestaltung kann die
Schalteranordnung für
die Schaltung des Lade/Entladekreises ein Treiberelement und einen
oder mehrere Transistoren aufweisen. Bei Verwendung einer solchen Schalteranordnung
können
die in den beiden vorstehend beschriebenen Schaltungen erzeugten
Impulse zunächst
auf das Treiberelement geschaltet werden. Das Treiberelement sorgt
für ein überlappungsfreies Hin-
und Herschalten des/der Transistors/Transistoren zwischen Lade-
und Entladezyklus der Kapazität.
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Der oder die Transistoren kann/können vorteilhaft
als Feldeffekttransistoren, beispielsweise als MOSFET-Transitoren,
ausgebildet sein.
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Das in der Schalteranordnung für die Schaltung
des Lade/Entladekreises vorgesehene Treiberelement kann wie ein
Wechselschalter fungieren, der einzelne Transistoren leitend und
andere Transistoren sperrend schaltet. Dies soll an Hand eines konkreten
Beispiels erläutert
werden.
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Beispielsweise kann die Schalteranordnung ein
Treiberelement und zwei Transistoren aufweisen. Um Spannungspulse
auf die Brennstoffzelle aufprägen
zu können,
kann einer der Transistoren über
das Treiberelement leitend geschaltet werden, während der andere Transistor
sperrend geschaltet wird. Dadurch wird der Lade-/Entladekreis in
einen reinen Ladekreis umgewandelt, so dass die Kapazität, beispielsweise
der UltraCap-Kondensator, geladen werden kann. Durch die Aufprägung der
Spannungspulse beispielsweise auf die Anode der Brennstoffzelle, erhöht sich
das Anodenpotenzial, wobei gleichzeitig die Klemmenspannung verringert
und Strom aus der Brennstoffzelle gezogen wird. Diese elektrischen
Ladungen werden in der Kapazität
gespeichert. Die Kapazität
kann anschließend,
wenn keine Spannungspulse aufgeprägt werden, entladen werden.
Dazu werden die Transistoren über
das Treiberelement derart geschaltet, dass der zunächst leitende
Transistor sperrt und dass der zuvor sperrende Transistor leitend
geschaltet wird. Dadurch wird der Lade-/Entladekreis als reiner
Entladekreis ausgebildet, so dass die Kapazität entladen und die in der Kapazität gespeicherte
elektrische Energie für
beliebige Verbraucher beziehungsweise einen Lastwiderstand genutzt werden
kann.
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Vorteilhaft kann im Entladekreis
eine Anordnung zum zeitlichen Glätten
des während
der Entladung der Kapazität über die
Last abgegebenen elektrischen Stroms vorgesehen sein. Eine solche
Glättung
des Stroms ist in der Regel dann erforderlich, wenn über die
in der Kapazität
gespeicherte elektrische Ladung nutzbare Verbraucher betrieben werden
sollen. Üblicherweise
erfolgt die Ladung beziehungsweise Entladung einer Kapazität entlang
eines nicht linearen kurvenförmigen
Verlaufs. Eine solche Entladungskurve ist jedoch für nachgeschaltete
Verbraucher häufig
wenig geeignet. Durch eine entsprechende Anordnung zum Glätten des
von der Kapazität
abgegebenen Stroms kann erreicht werden, dass die von der Kapazität abgegebene
Energie entsprechend dem Bedarf des jeweils nachgeschalteten Verbrauchers
in zeitlich „gestreckter„ Form
zur Verfügung
gestellt wird.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit einer
oder mehreren Brennstoffzellen und einer wie vorstehend beschriebenen
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum zumindest zeitweiligen Aufprägen der
Spannungspulse auf die Brennstoffzelle(n).
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Bei einem solchen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
kann zunächst
auf einfache Weise erreicht werden, dass durch das Aufprägen von
Spannungspulsen eine Vergiftung der Brennstoffzelle(n) durch darin
befindliches Kohlenmonoxid oder dergleichen verhindert bzw. rückgänig gemacht wird.
Weiterhin können
die während
des Aufprägens der
Spannungspulse aus der oder den Brennstoffzelle(n) freigesetzten
elektrischen Ladungen zwischengespeichert und anschließend beliebigen
Verbrauchern zur Verfügung
gestellt werden. Schließlich
ist es möglich,
der oder den Brennstoffzelle(n) Spannungspulse aufprägen zu können, die
an eine jeweils vorherrschende Betriebssituation angepaßt sind.
Zu den Vorteilen, Wirkungen, Effekten und der Funktionsweise des
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
wird ebenfalls auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsformen
des erfindungsgemäßen Brennstoftzellensystem
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorteilhaft kann der Pulsgenerator
zum Bezug der zur Erzeugung der Spannungspulse benötigten elektrischen
Energie mit einer oder mehreren Brennstoffzellen verbunden sein.
Auf diese Weise kann auf eine separate Leistungsquelle in Form einer Batterie,
wie dies beispielsweise in Bezug auf die
DE 197 10 819 beschrieben war, verzichtet
werden. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems
kann nämlich
die zur Erzeugung der Spannungspulse erforderlich Energie vom Brennstoftzellensystem
selbst bereitgestellt werden.
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Es ist jedoch auch möglich, dass
der Pulsgenerator zum Bezug der zur Erzeugung der Spannungspulse
benötigten
elektrischen Energie mit einer Batterie verbunden ist. Eine solche
Ausgestaltungsform des Brennstoffzellensystems ist beispielsweise während des
Startvorgangs, das heißt
während
des Hochfahrens des Brennstoffzellensystems, von Vorteil. Während des
Startvorgangs produziert die Brennstoffzelle noch nicht in ausreichendem
Maße elektrische
Energie. Allerdings kann gerade in dieser Phase die Situation auftreten,
dass die Brennstoffzelle mit einem erhöhten Kohlenmonoxidgehalt oder
anderen Schadstoffen belastet wird. In diesem Fall können über die
zusätzliche
Batterie auch während
des Startvorgangs des Brennstoffzellensystems Spannungspulse auf
die Brennstoffzelle(n) aufgeprägt werden,
so dass eine Entgiftung der Brennstoffzelle(n) über die Oxidation der schädlichen
Stoffe auf Grund des sich ändernden
Potenzials, insbesondere des Anodenpotenzials, innerhalb der Brennstoffzelle zu
jeder Zeit möglich
ist.
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Vorteilhaft kann das Brennstoffzellensystem ein
oder mehrere Brennstoffzellenmodule mit jeweils einer oder mehreren
Brennstoffzellen aufweisen. Üblicherweise
bestehen Brennstoftzellensysteme nicht nur aus einer einzigen Brennstoffzelle
sondern aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Dabei werden mehrere
Brennstoffzellen zu sogenannten Brennstoffzellen-Stacks zusammengefügt. Das
Brennstoffzellensystem kann über
ein oder mehrere solcher Brennstoffzellen-Stacks verfügen, die
dann als einzelne Brennstoffzellenmodule zu einem Gesamtsystem zusammengefügt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die von
der Schaltungsanordnung erzeugten Spannungspulse lediglich auf einen
Teil der Brennstoffzellenmodule beziehungsweise Brennstoffzellen
unabhängig
von anderen Brennstoffzellenmodulen beziehungsweise Brennstoffzellen
des Brennstoffzellensystems aufgeprägt werden. Eine solche Ausgestaltung
des Brennstoffzellensystems führt
zu einer ganzen Reihe von Vorteilen. Wenn die Spannungspulse auf
die Brennstoffzelle(n) aufgeprägt
werden, führt
dies zwar zu einer Erhöhung
des Potenzials, beispielsweise des Anodenpotenzials, innerhalb der
Brennstoffzelle, jedoch auch zu einer Reduzierung der Brennstoffzellen-Klemmenspannung.
Wenn nun alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems gleichzeitig
mit den Spannungspulsen beaufschlagt würden, könnte dies zu jeweils kurzzeitigen
Totalausfällen
des Brennstoffzellensystems führen.
Wenn Brennstoffzellen zum Antrieb elektrischer Verbraucher, beispielsweise zum
Antrieb von Elektromotoren in einem Automobil, verwendet werden,
wäre ein
solcher, wenn auch nur kurzzeitiger Totalausfall des Brennstoffzellensystems oder
aber auch nur eine kurzzeitige erhebliche Leistungseinbuße des Brennstoffzellensystems
von erheblichem Nachteil.
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Wenn nun lediglich einzelne Brennstoffzellenmodule
unabhängig
voneinander mit Spannungspulsen beaufschlagt werden, führt dies
dazu, dass solche kurzzeitigen Totalausfälle immer nur in einem kleinen
Teilbereich des Brennstoffzellensystems auftreten, so dass die Leistungseinbußen des
gesamten Systems minimal gehalten werden können.
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Weiterhin können in einem derart ausgebildeten
Brennstoffzellensystem immer solche Brennstoffzellenmodule, die
gerade nicht mit Spannungspulsen beaufschlagt werden, dazu verwendet
werden, um elektrische Energie zur Erzeugung von Spannungspulsen
für solche
Brennstoffzellenmodule bereitzustellen, denen entsprechende Spannungspulse
zur Entgiftung aufgeprägt
werden sollen.
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Vorteilhaft kann eine wie vorstehend
beschriebene erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Aufprägen
von Spannungspulsen auf eine oder mehrere Brennstoffzellen in einem
Brennstoffzellensystem, insbesondere einem wie vorstehend beschriebenen
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem,
verwendet werden. Vorteilhaft kann ein solches Brennstoftzellensystem
in einem oder für
ein Fahrzeug verwendet werden.
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Auf Grund der rasanten Entwicklung
der Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche
Verwendung zur Zeit besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch
andere Einsatzmöglichkeiten
denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für mobile
Geräte wie
Computer oder dergleichen bis hin zu stationären Einrichtungen wie Kraftwerksanlagen.
Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik besonders für die dezentrale
Energieversorgung von Häusern,
Industrieanlagen oder dergleichen.
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In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung
in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet.
Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad,
verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten
auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß. Außerdem arbeiten
sie auf einem für
den mobilen Einsatz vorteilhaften Temperaturniveau.
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Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise
an Hand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 den
schematischen zeitlichen Verlauf von Spannungspulsen, die auf eine
Brennstoffzelle aufgeprägt
werden können,
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2 in
schematischer Form eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
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3 in
schematischer Ansicht den Aufbau eines in der Schaltungsanordnung
vorgesehenen Pulsgenerators und
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4 ein
erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
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In 2 ist
eine Schaltungsanordnung 10 zum Erzeugen von Spannungspulsen 40 und
zum Aufprägen
der Spannungspulse 40 auf eine oder mehrere Brennstoffzellen 51 eines
Brennstoffzellensystems 50 (siehe 4) dargestellt. Der besseren Übersicht
halber ist in 2 nur
eine einzige Brennstoffzelle 51 gezeigt.
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Die Schaltungsanordnung 10 weist
einen Pulsgenerator 30 auf, der in Verbindung mit 3 detaillierter beschrieben
wird und der im wesentlichen rechteckförmige Spannungspulse 40 erzeugt. Die
Spannungspulse 40 weisen, wie dies in 1 dargestellt ist, eine definierte Pulsfrequenz
F, eine Pulsdauer D sowie einen Pulsabstand A auf.
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Gemäß 3 kann die Erzeugung der Rechteck-Spannungspulse 40 auf
verschiedene Weise erfolgen. Zunächst
wird der Pulsgenerator 30 über eine elektrische Leitung 31 mit
elektrischer Energie versorgt, die in rechteckförmige Spannungspulse 40 umgewandelt
werden soll. Dazu sind in dem Pulsgenerator 30 jeweils
eine Schaltung 33 und eine Schaltung 34 vorgesehen,
die über
ein Schalterelement 35 wahlweise angesteuert werden können.
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Bei der Schaltung 33 handelt
es sich um eine solche Schaltung, bei der bei fest vorgegebener
Pulsfrequenz F und im wesentlichen vorgegebener Pulsdauer D sowie
Pulsabstand A die Pulsdauer D kalibriert, das heißt fein
eingestellt werden kann. Die Kalibrierung beziehungsweise Feineinstellung
kann beispielsweise mit Hilfe eines oder mehrerer nicht dargestellter
Potentiometer erfolgen. Die so eingestellten Signale werden über einen
Clock-Eingang 37 einem Zählerbaustein 36 zur
Verfügung
gestellt. Auf diese Weise werden die Spannungspulse in rechteckförmige Spannungspulse 40 mit
der gewünschten Pulsdauer
D und dem gewünschten
Pulsabstand A umgewandelt werden. Bei entsprechender Stellung eines
zweiten Schalterelements 38 können die so erzeugten Spannungspulse 40 über eine
elektrische Leitung 32 aus dem Pulsgenerator 30 abgeführt und anderen
Bauelementen der Schaltungsanordnung 10 zugeführt werden.
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Bei umgekehrter Stellung der Schalterelemente 35 und 38 ist
es jedoch auch möglich,
die rechteckförmigen
Spannungspulse 40 über
die Schaltung 34 zu erzeugen. Die Schaltung 34 kann unter
Verwendung eines oder mehrerer nicht dargestellter Potentiometer
derart ausgestaltet sein, dass über
sie innerhalb einer vorgegebenen Pulsfrequenz F das Verhältnis (Duty
Cycle) der Pulsdauer D zum Pulsabstand A beliebig variiert und eingestellt
werden kann. Über
die Schaltung 34 wird es somit möglich, Spannungspulse mit beliebiger
Pulsdauer und beliebigem Pulsabstand zu erzeugen.
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Zurückkommend auf 2 werden die so erzeugten Spannungspulse 40 vom
Pulsgenerator 30 an einen Lade-/Entladekreis 11, 12 der
Schaltungsanordnung 10 gegeben. Dies erfolgt über eine
Schalteranordnung 20. In dem Lade-/Entladekreis 11, 12 sind
eine oder mehrere Brennstoffzellen 51 angeordnet. Weiterhin
ist in dem Lade- /Entladekreis 11, 12 eine
als UitraCap-Kondensator ausgebildete Kapazität 13 vorgesehen.
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Die Schalteranordnung 20 verfügt über ein Treiberelement 21 sowie
zwei Transistoren 22, 23, die vorzugsweise als
Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Über das Treiberelement 21 können die Transistoren 22, 23 entweder
leitend oder sperrend geschaltet werden.
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Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der
Schaltungsanordnung 10 beschrieben. Wenn die Brennstoffzelle 51 mit
Spannungspulsen 40 beaufschlagt werden soll, wird das Treiberelement 21 derart
angesteuert, dass der Transistor 22 leitend und der Transistor 23 sperrend
geschaltet wird. Dadurch wird der Lade-/Entladekreis 11, 12 in
Bezug auf die Kapazität 13 als
reiner Ladekreis 11 geschaltet. Die Brennstoffzelle 51 wird
also gleichsam über
die Kapazität 13 kurzzeitig
kurzgeschlossen. Die Spannungspulse 40 werden somit über die
vom Treiberelement 21 an den Transistor 22 gegebenen
Steuersignale mittelbar auf die Brennstoffzelle 51 aufgeprägt. Dadurch
wird das Brennstoffzellenpotenzial, beispielsweise das Anodenpotenzial,
erhöht,
was gleichzeitig zu einer Reduzierung der Klemmenspannung der Brennstoffzelle 51 führt, da
Strom aus der Brennstoffzelle 51 gezogen wird. Durch das
sich ändernde
Potenzial kann in der Brennstoffzelle 51 vorhandenes Kohlenmonoxid
oxidiert werden, so dass die Brennstoffzelle 51 entgiftet
wird.
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Da der Transistor 23 sperrend
geschaltet ist, wird durch die in der Brennstoffzelle 51 ablaufenden Vorgänge der
Kondensator 13 geladen. Die beim Aufprägen der Spannungspulse 40 auf
die Brennstoffzelle 51 frei werdenden elektrischen Ladungen gehen
somit nicht verloren, sondern können
in dem Kondensator 13 zwischengespeichert werden.
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Um den Kondensator 13 später entladen
zu können,
wird erneut die Schalteranordnung 20 betätigt. Dazu
wird das Treiberelement 21 derart geschaltet, dass der
Transistor 22 sperrend und der Transistor 23 leitend
geschaltet wird. Dadurch wird der Lade-/Entladekreis 11, 12 als
reiner Entladekreis 12 geschaltet, so dass der Kondensator 13 entladen
und die darin gespeicherte elektrische Ladung einer Last 14 zur
Verfügung
gestellt werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Last 14 als
Lastwiderstand dargestellt. Die elektrische Ladung aus dem Kondensator 13 wird
in diesem Lastwiderstand 14 in Wärme umgewandelt. Es ist jedoch auch
denkbar, die Last 14 in Form eines sinnvollen Verbrauchers
wie beispielsweise einer aufladbaren Batterie oder dergleichen auszugestalten,
so dass die im Kondensator 13 gespeicherte Energie bei
dessen Entladung sinnvoll genutzt werden kann.
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In 4 ist
schließlich
ein Brennstoffzellensystem 50 dargestellt, in dem eine
wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 10 vorgesehen
ist. Das Brennstoffzellensystem 50 weist eine Anzahl von
Brennstoffzellen 51 auf. Im vorliegenden Beispiel sind
der Einfachheit halber nur drei Brennstoffzellen 51 dargestellt.
In der Praxis weisen derartige Brennstoftzellensysteme 50 in
der Regel eine Anzahl von Brennstoffzellenmodulen auf, wobei jedes
Brennstoffzellenmodul üblicherweise aus
einer Anzahl von Brennstoffzellen besteht, die zu sogenannten Brennstoffzellen-Stacks
zusammengefasst sind. Solche Brennstoffzellensysteme 50 können beispielsweise
verwendet werden, um elektrische Energie zum Betrieb eines elektrischen
Antriebs in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen bereitzustellen.
Die einzelnen Brennstoffzellen 51 sind mit Zuleitungen 52 und
Ableitungen 53 verbunden, über die ein geeigneter Brennstoff
und ein geeignetes Oxidationsmittel zugeführt beziehungsweise abgeführt wird.
Der Einfachheit halber sind die Leitungen für den Brennstoff und die Leitungen
für das
Oxidationsmittel nicht separat voneinander dargestellt worden. Die
einzelnen Brennstoffzellen 51 können als sogenannte PEM-Brennstoffzellen
ausgebildet sein und verfügen über eine
Kathode, eine Anode sowie eine dazwischen liegende Membran. Um bei
Vorhandensein von schädlichen Kohlenmonoxid-Konzentrationen
oder anderen Stoffen in den Brennstoffzellen 51 eine Entgiftung
herbeiführen
zu können,
sind die einzelnen Brennstoffzellen 51 mit einer wie vorstehen beschriebenen
Schaltungsanordnung 10 verbunden, über die im wesentlichen rechteckförmige Spannungspulse 40 auf
die Anoden der Brennstoffzellen 51 aufgeprägt werden
können.
Die zur Erzeugung der Spannungspulse 40 erforderliche elektrische
Energie für
den Pulsgenerator 30 in der Schaltungsanordnung 10 wird über die
Brennstoffzelten 51 selbst zur Verfügung gestellt. Dazu sind die
einzelnen Brennstoffzellen 51 über entsprechende elektrische Verbindungsleitungen 55 mit
der zuführenden
elektrischen Verbindungsleitung 31 des Pulsgenerators 30 verbunden.
Die einzelnen von den Brennstoffzellen 51 abführenden
elektrischen Verbindungsleitungen 55 sind über ein
geeignetes Schalterelement 56 mit der elektrischen Leitung 31 verbunden.
Auf diese Weise kann ausgewählt
werden, welche der Brennstoffzellen 51 jeweils zur Bereitstellung
der elektrischen Energie für
den Pulsgenerator 30 verwendet wird. Auf ähnliche
Weise können
die von der Schaltungsanordnung 10 erzeugten Spannungspulse 40 auf
die Brennstoffzellen 51 aufgeprägt werden. Dazu werden die
Spannungspulse 40 über
die von der Schaltungsanordnung 10 abführende elektrische Leitung 32 einem
Schalterelement 59 und über
entsprechende elektrische Verbindungsleitungen 60, die
mit dem Schalterelement 59 verbunden sind, den jeweiligen
Brennstoffzellen 51 aufgeprägt. Durch die Verwendung eines
solchen Schalterelements 59 wird es möglich, dass einzelne Brennstoffzellen 51 gezielt mit
den Spannungspulsen 40 beaufschlagt werden können.
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In 4 ist
weiterhin eine Batterie 54 dargestellt. Die Batterie 54 ist über eine
elektrische Verbindungsleitung 57 und ein Schalterelement 58 mit
der Schaltungsanordnung 10 verbunden.
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Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der
vorstehend beschriebenen Anordnung erläutert. Insbesondere während der
Startphase des Brennstoffzellensystems 50 kann die Situation
auftreten, dass die einzelnen Brennstoffzellen 51 noch
nicht in ausreichender Menge elektrische Energie erzeugen, dennoch
aber die einzelnen Brennstoffzellen 51 mit zu hohen Kohlenmonoxid-Konzentrationen
vergiftet werden. Um auch in diesem Zustand eine Entgiftung der
Brennstoffzellen 51 erreichen zu können, ist die Batterie 54 vorgesehen.
Diese Batterie 54 stellt dann insgesamt die elektrische
Energie zur Verfügung,
die zur Erzeugung der Spannungspulse erforderlich ist, die auf die
einzelnen Brennstoffzellen 51 aufgeprägt werden sollen. Durch eine
entsprechende Schaltung des Schalterelements 58 wird die
von der Batterie 54 erzeugte Spannung auf die Schaltungsanordnung 10 geschaltet.
Die Schaltungsanordnung 10 kann dann unmittelbar die Spannungspulse
erzeugen, die den einzelnen Brennstoffzellen 51 aufgeprägt werden,
so dass diese auf Grund einer Änderung
des Brennstoftzellenpotenzials, das zu einer Oxidation des Kohlenmonoxids
führt,
entgiftet werden. Wenn die Brennstoffzellen 51 genügend elektrische
Energie erzeugen, so dass die Erzeugung der Spannungspulse 40 über die
von den Brennstoffzellen 51 erzeugte elektrische Energie
erfolgen kann, kann das Schalterelement 58 so geschaltet
werden (wie in 4 gezeigt), dass
die Erzeugung der Spannungspulse 40 über die Schaltungsanordnung 10 erfolgt.
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Durch die Verwendung der Schalterelemente 56 und 59 wird
es möglich,
dass die einzelnen Brennstoffzellen 51, beziehungsweise
die einzelnen Brennstoffzellenmodule, unabhängig voneinander mit Spannungspulsen 40 beaufschlagt
werden können. Würden alle
Brennstoffzellen 51 gleichzeitig mit den Spannungspulsen 40 beaufschlagt,
würde dies
zu einem kurzzeitigen Totalausfall des Brennstoffzellensystems 50 führen, was
von erheblichem Nachteil ist. Durch die Tatsache, dass nur einzelne
Brennstoffzellen 51 beziehungsweise Brennstoffzellenmodule
mit Spannungspulsen 40 beaufschlagt werden, während die
restlichen Brennstoffzellen 51 beziehungsweise Brennstoffzellenmodule
im Normalbetrieb weiterlaufen, wird erreicht, dass das gesamte Brennstoffzellensystem 50 nur
einen minimalen, nicht spürbaren Leistungsabfall
aufweist, wenn nur jeweils einzelne Brennstoffzellen 51 oder
Brennstoffzellenmodule entgiftet werden.
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Durch die Verwendung eines Schalterelements 56 wird
auf der anderen Seite sichergestellt, dass die Schaltungsanordnung 10 über die
Brennstoffzellen 51 immer mit ausreichender elektrischer Energie
versorgt wird. Wenn die für
die Schaltungsanordnung 10 erforderliche elektrische Energie über die
Brennstoffzellen 51 selbst zur Verfügung gestellt wird, würde bei
gleichzeitiger Aufprägung
von Spannungspulsen 40 auf alle Brennstoffzellen 51 die
Situation auftreten, dass in diesen während der Beaufschlagung mit
den Spannungspulsen 40 ein Totalausfall aufträte beziehungsweise
die Leistung der Brennstoffzellen 51 in erheblichem Maße reduziert würde. Dies
hätte zur
Folge, dass in diesen Zeiträumen
keine beziehungsweise nur eine geringe elektrische Leistung von
den Brennstoffzellen 51 zur Verfügung gestellt werden könnte. Damit
wäre jedoch
die Schaltungsanordnung 10 nicht in der Lage, die für die Entgiftung
erforderlichen Spannungspulse 40 zu erzeugen. Durch eine
entsprechende Auswahl beziehungsweise Stellung des Schalterelements 56 kann erreicht
werden, dass die Schaltungsanordnung 10 immer von einer
Brennstoffzelle 51 beziehungsweise einem Brennstoffzellenmodul
mit elektrischer Energie versorgt wird, die beziehungsweise das
gerade nicht mit Spannungspulsen beaufschlagt wird, also im Normalbetrieb
arbeitet.
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Die Stellung des Schalterelements 56 erfolgt vorzugsweise
koordiniert mit der Stellung des Schalterelements 59, so
dass immer solche Brennstoffzellen 51 beziehungsweise Brennstoffzellenmodule über das
Schalterelement 56 mit der zur Schaltungsanordnung 10 hinführenden
Leitung 31 verbunden sind, die gerade nicht über das
Schalterelement 59 mit der von der Schaltungsanordnung 10 abführenden
Leitung 32 verbunden sind.
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- 10
- Schaltungsanordnung
- 11
- Ladekreis
- 12
- Entladekreis
- 13
- Kapazität
- 14
- Last
- 20
- Schalteranordnung
- 21
- Treiberelement
- 22
- Transistor
- 23
- Transistor
- 30
- Pulsgenerator
- 31
- elektrische
Leitung (Zuleitung elektrischer Energie)
- 32
- elektrische
Leitung (Ableitung der Spannungspulse)
- 33
- Schaltung
- 34
- Schaltung
- 35
- Schalterelement
- 36
- Zählerbaustein
- 37
- Clock-Eingang
- 38
- Schalterelement
- 40
- Spannungspuls
(rechteckig)
- 50
- Brennstoffzellensystem
- 51
- Brennstoffzelle
- 52
- Brennstoff-/Oxidationsmittelzuleitung
- 53
- Brennstoff-/Oxidationsmittelableitung
- 54
- Batterie
- 55
- elektrische
Verbindungsleitung
- 56
- Schalterelement
- 57
- elektrische
Verbindungsleitung
- 58
- Schalterelement
- 59
- Schalterelement
- 60
- elektrische
Verbindungsleitung
- D
- Pulsdauer
- A
- Pulsabstand
- F
- Pulsfrequenz