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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Brennstoffzellensystem, mit einer oder mehreren Brennstoffzelle(n),
wobei jede Brennstoffzelle eine Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit
sowie einen Anodenkatalysator aufweist. Weiterhin verfügt das Brennstoffzellensystem über eine
Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum Aufprägen der
Spannungspulse auf die Brennstoffzelle(n).
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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 aus der
Luft, in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt, wie beispielsweise
Wasser, umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen
aus einem Anodenteil, einer Membran (Elektrolyt) 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, beziehungsweise 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.
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Will man die Brennstoffzelle mit
einem leicht verfügbaren
oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol, Benzin, Diesel
oder dergleichen betreiben, muß man
den Kohlenwasserstoff in einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten
eines Brennstoffs zunächst
in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Dabei wird dieses im wesentlichen
zu Wasserstoff und Kohlendioxid zersetzt. Weiterhin entsteht ebenfalls
Kohlenmonoxid, das ein für
die Brennstoffzelle schädliches
Gas darstellt, da es den Katalysator auf der Anodenseite unwirksam
macht und deshalb vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle
entfernt werden muß.
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In der Brennstoffzelle kann das Kohlenmonoxid,
aber auch andere für
die Brennstoffzelle schädliche
Stoffe, 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
auf die Brennstoffzelle zu verhindern, ist in der
DE 197 10 819 C1 eine Brennstoffzelle beschrieben,
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 Anodenpotentials
bewirkt. Durch diese pulsförmigen Änderungen
des Anodenpotentials wird erreicht, daß das in der Brennstoffzelle
befindliche Kohlenmonoxid oxidiert wird (Entgiftung der Brennstoffzelle).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Brennstoftzellensystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden,
daß die
Spannungspulse zur Entgiftung der Brennstoffzelle auf einfache Weise auf
die Brennstoffzelle aufgeprägt
werden können.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die
Merkmale des Brennstoffzellensystems gemäß Schutzanspruch 1 und Schutzanspruch
2. Weitere Vorteile, Merkmale, Effekte, Details und Aspekte der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der
Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im
Zusammenhang mit dem ersten Erfindungsaspekt beschrieben sind, gelten
dabei selbstverständlich
auch für
den zweiten Erfindungsaspekt, und jeweils umgekehrt.
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Der Grundgedanke der vorliegenden
Erfindung besteht wie bei der
DE 197 10 819 C1 , deren Offenbarungsgehalt
insoweit in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit einbezogen
wird, darin, daß die
Brennstoftzelle(n), beziehungsweise der Anodenkatalysator der Brennstoffzelle(n), über das
Aufprägen
der Spannungspulse von schädlichen
Bestandteilen, insbesondere von Kohlenmonoxid, befreit wird/werden
(Entgiftung), in dem dieses) oxidiert wird/werden. Durch die Aufprägung der
Spannungspulse wird eine pulsförmige Änderung
des Anodenpotentials bewirkt. Die vorliegende Erfindung beschreibt
insbesondere vorteilhafte Ausgestaltungen einer für das Aufprägen der
Spannungspulse vorgesehenen Schaltungsanordnung.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird
ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit wenigstens einer
Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle eine Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit sowie
einen Anodenkatalysator aufweist, und mit einer Schaltungsanordnung
zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum Aufprägen der Spannungspulse auf
die Brennstoffzelle. Das Brennstoftzellensystem ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß die
Schaltungsanordnung einen Pulsgenerator zum Erzeugen von veränderlichen
pulsförmigen
Signalen aufweist, daß die
Schaltungsanordnung wenigstens ein Schalterelement aufweist, das
durch die pulsförmigen
Signale geöffnet
und geschlossen wird und daß über die
pulsförmigen
Signale Spannungspulse erzeugt werden, mittels derer elektrochemisch oxidierbare
Stoffe auf der Anode oxidiert werden oder oxidierbar sind.
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Ein Grundgedanke des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
besteht darin, daß wenigstens
ein Schalterelement der Schaltungsanordnung über die pulsförmigen Signale
geöffnet
und geschlossen wird. Über
das Schalterelement werden dann entsprechende Komponenten in der
Schaltungsanordnung angesprochen oder aktiviert, die eine Entgiftung
der Brennstoffzelle bewirken. Dies wird an Hand einiger nicht ausschließlicher
Beispiele im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
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Ein weiterer Grundgedanke des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
liegt darin, daß die
pulsförmigen
Signale mittels eines Pulsgenerators erzeugt werden, wobei der Pulsgenerator
derart ausgebildet ist, daß veränderliche
pulsförmige
Signale erzeugt werden können.
Durch die Veränderlichkeit
der pulsförmigen
Signale kann die Wirkung der Schaltungsanordnung optimiert werden,
so daß eine Entgiftung
der Brennstoffzelle mit hohem Wirkungsgrad möglich wird.
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Die Erfindung ist nicht auf bestimmte
Typen von Pulsgeneratoren beschränkt.
Wichtig ist lediglich, daß der
Pulsgenerator pulsförmige
Signale erzeugen kann und daß die
pulsförmigen
Signale geeignet sind, das wenigstens eine Schaltelement in entsprechender
Weise zu öffnen
und/oder zu schließen.
Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, daß der Pulsgenerator
entsprechende Spannungspulse erzeugt, wobei die Spannungspulse ein Öffnen beziehungsweise
Schließen
des Schalterelements bewirken. Ebenso ist es denkbar, daß der Pulsgenerator
pulsförmige
Signale auf Lichtbasis, Funkbasis oder dergleichen erzeugt.
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Durch den in der Schaltungsanordnung
vorgesehenen Pulsgenerator wird es folglich ermöglicht, die auf die Brennstoffzelle(n)
aufgeprägten
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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Vorteilhaft kann der Pulsgenerator
zur Erzeugung von im wesentlichen rechteckigen, pulsförmigen Signalen
ausgebildet sein. Derartige Signale ermöglichen auf Grund ihrer steilen
Flanken ein genaues Schalten innerhalb der Schaltungsanordnung. Vorteilhaft
können
die pulsförmigen
Signale eine variable Pulsdauer und/oder einen variablen Pulsabstand
und/oder eine variable Pulsfrequenz und/oder eine variable Pulsamplitude
aufweisen. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Werte der
einzelnen Parameter beschränkt.
Vorteilhafte Pulsdauern können
sich beispielsweise – jedoch
nicht ausschließlich – im Bereich
zwischen 10 Millisekunden und 2 Sekunden bewegen. Nicht ausschließliche Beispiele
für geeignete
Pulsabstände
liegen im Bereich zwischen 500 Millisekunden und 10 Sekunden.
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Der Pulsgenerator kann vorteilhaft
eine Schaltung zur Kalibrierung der Pulsdauer der pulsförmigen Signale
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 mehr oder weniger „starre" Möglichkeit
zur Erzeugung pulsförmiger Signale.
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In weiterer Ausgestaltung kann der
Pulsgenerator eine Schaltung zum variablen Einstellen der Verhältnisse
von Pulsdauer zu Pulsabstand aufweisen. Durch eine solche Schaltung
wird es möglich, daß innerhalb
der Pulsfrequenz, die wiederum fest vorgegeben sein kann, das Verhältnis 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 regelbare
elektrische Widerstände,
die beispielsweise einen Schleifkontakt zum Abgreifen von Teilwiderständen aufweisen.
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Potentiometer können beispielsweise als Schiebewiderstände, Drehwiderstände, digitale
Potentiometer oder dergleichen ausgebildet sein.
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In weiterer Ausgestaltung kann der
Pulsgenerator einen Zählerbaustein
aufweisen, der mit einer Schaltung zum Kalibrieren der Pulsdauer
verbunden ist. Mit Hilfe eines solchen Zählerbausteins und einer wie
oben beschriebenen entsprechenden Schaltung können die benötigten pulsförmigen Signale
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, pulsförmige Signale
mit jeder beliebigen Pulsdauer und jedem Pulsabstand einstellen
zu können.
Bei Verwendung von zwei 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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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird
ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit wenigstens einer
Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle eine Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit sowie
einen Anodenkatalysator aufweist, und mit einer Schaltungsanordnung
zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum Aufprägen der Spannungspulse auf
die Brennstoffzelle. Dieses Brennstoffzellensystem ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß die
Schaltungsanordnung wenigstens ein Schalterelement aufweist, das
zur Erzeugung der Spannungspulse geöffnet und geschlossen wird
und daß die
Schaltungsanordnung wenigstens eine Kapazität aufweist, über die
die Spannungspulse erzeugt werden, mittels derer elektrochemisch
oxidierbare Stoffe auf der Anode oxidiert werden oder oxidierbar
sind.
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Bei dieser Ausführungsform wird zunächst, beispielsweise über eine
geeignete Spannungsquelle, die Kapazität geladen. Wenn das Schalterelement mittels
der aufgeprägten
pulsförmigen
Signale geschlossen wird, fließt
ein sehr großer
Strom, wenn während
des Pulsens die Kapazität
und die Brennstoffzelle(n) im Serie geschaltet ist/sind und dadurch die
Spannung erhöht
wird. Dadurch wird eine schnelle und vollständige Entgiftung der Brennstoffzelle(n) bewirkt.
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Nach Beendigung des Pulsvorgangs
kann die Kapazität über eine
geeignete Spannungsquelle nachgeladen werden, wie im weiteren Verlauf
der Beschreibung noch mehr erläutert
wird. Vorzugsweise wird die Kapazität zwischen zwei Pulsvorgängen wieder
aufgeladen.
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Die Erfindung ist nicht auf eine
bestimmte Anzahl von Kondensatoren oder auf bestimmte Kondensatortypen
beschränkt.
Die Kapazität
kann vorzugsweise als Ultrakondensator ausgebildet sein. Derartige
Kondensatoren, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind,
verfügen
neben einer hohen Kapazität
auch über
eine hohe Ladungsdichte. Sie sind somit geeignet, innerhalb kurzer
Zeiten große
Energien speichern, beziehungsweise abgeben zu können. Ultrakondensatoren werden
häufig
auch als Superkondensatoren oder Doppelschichtkondensatoren bezeichnet
und liegen in bezug auf ihre Energiedichte sowie Zugriffszeit auf
den Energieinhalt zwischen großen
Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren und kleineren Akkumulatoren.
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Ebenso ist es denkbar, Kondensatoren
mit veränderlicher
Kapazität
zu verwenden. Solche Kondensatoren haben den Vorteil, daß die beim
Pulsen abgegebenen Spannungen und damit die die Brennstoffzelle(n)
durchfließenden
Ströme
den jeweils vorherrschenden Betriebsbedingungen und Anforderungen
gezielt angepaßt
werden können.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf bestimmte Typen von Brennstoffzellen beschränkt.
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In bevorzugter Weise kann die vorliegende Erfindung
in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet
werden. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad,
verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten
auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß. Ein weiterer
Vorteil von PEM-Brennstoffzellen
ist deren niedrige Betriebstemperatur von 80 °C. Selbstverständlich kann
die Erfindung auch in Verbindung mit anderen Brennstoftzellentypen
verwendet werden, beispielsweise DMFC-Brennstoffzellen (Direct Methanol
Fuel Cell), SOFC-Brennstoffzellen (Solid
Oxide Fuel Cell) und dergleichen.
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Vorteilhaft kann die Schaltungsanordnung gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Pulsgenerator zum Erzeugen
von veränderlichen
pulsförmigen
Signalen aufweisen, wobei das wenigstens eine Schalterelement zur
Erzeugung von Spannungspulsen über
die pulsförmigen
Signale geöffnet
und geschlossen wird. Zu der vorteilhaften Ausgestaltung sowie der
Wirkungsweise des Pulsgenerators wird auf die weiter vorstehenden
Ausführungen
im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung vollinhaltlich
Bezug genommen und hiermit verwiesen.
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Vorteilhaft kann im Brennstoffzellensystem mehr
als eine Brennstoffzelle vorgesehen sein. Dabei ist die Erfindung
nicht auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnung von Brennstoffzellen
beschränkt.
So ist es beispielsweise denkbar, daß im Brennstoffzellensystem
mehrere Einzelbrennstoffzellen vorhanden sind. Weiterhin kann das
Brennstoftzellensystem beispielsweise ein oder mehrere Brennstoftzellenmodule
mit jeweils einer oder mehreren Brennstoffzellen aufweisen. Derartige
Brennstoffzellenmodule werden üblicherweise
als Brennstoffzellen-Stack bezeichnet. Selbstverständlich sind
auch beliebige Kombinationen zwischen Einzelbrennstoffzelle(n) und
Brennstoffzellenmodul(en) denkbar.
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Vorteilhaft können die von der Schaltungsanordnung über die
pulsförmigen
Signale erzeugten Spannungspulse auf jedes Brennstoftzellenmodul, beziehungsweise
jede Brennstoffzelle, unabhängig von
anderen Brennstoffzellenmodulen, beziehungsweise Brennstoffzellen,
aufgeprägt
werden oder aufprägbar
sein. Eine solche Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems führt zu einer
ganzen Reihe von Vorteilen. Wenn die Spannungspole auf die Brennstoffzelle(n)
aufgeprägt
werden, führt
dies zwar zu einer Erhöhung
des Potentials, beispielsweise des Anodenpotentials, innerhalb der
Brennstoffzelle, jedoch auch zu einer Reduzierung der Brennstoffzellen-Klemmspannung.
Wenn nun alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems gleichzeitig
mit 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
unter Umständen
von Nachteil.
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Wenn nun die einzelnen Brennstoffzellen
beziehungsweise 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 derartig ausgebildeten
Brennstoffzellensystem immer solche Brennstoftzellenmodule, die
gerade nicht mit Spannungspulsen beaufschlagt werden, dazu verwendet
werden, um elektrische Energie zur Erzeugung von Spannungspulsen
für solche
Brennstoftzellenmodule beziehungsweise Brennstoffzellen bereitzustellen, denen
entsprechende Spannungspulse zur Entgiftung aufgeprägt werden
sollen.
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Vorzugsweise kann/können die
Brennstoffzelle(n) über
das wenigstens eine Schalterelement kurzgeschlossen werden oder
kurzschließbar
sein. Durch den Kurzschluß der
Brennstoffzelle(n) fließt darin
ein hoher Strom, der insbesondere das Anodenpotential der Brennstoffzelle(n)
in einer Weise verschiebt, daß die
die Katalysatorplätze
blockierenden schädliche
Bestandteile, beispielsweise Kohlenmonoxid oder dergleichen, mittels
Oxidation entfernt werden können.
Wenn die Brennstoffzelle(n) auf solch eine Weise entgiftet werden
soll/sollen, ist es vorteilhaft, wenn im Brennstoffzellensystem
eine größere Anzahl
von Brennstoffzellen vorhanden ist, beispielsweise mehr als zehn
Brennstoffzellen, die zu einem oder mehreren Brennstoffzellen-Stack
zusammengefaßt
sind.
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In weiterer Ausgestaltung kann in
der Schaltungsanordnung wenigstens eine Spannungsquelle vorgesehen
sein. Bei dieser Ausführungsform wird/werden
die Brennstoffzelle(n) über
die Spannungsquelle währen
des Pulsens (Aufprägen
der Spannungspulse) aktiv kurzgeschlossen.
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Bei der Spannungsquelle kann es sich
beispielsweise um einen Akkumulator, eine Batterie, beispielsweise
eine Fahrzeugbatterie, eine Brennstoffzelle oder um eine andere
Spannungsquelle handeln.
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Wenn das Schalterelement mittels
der pulsförmigen
Signale geschlossen ist, fließt
ein sehr großer
Strom, wenn Spannungsquelle(n) und Brennstoffzelle(n) in Serie geschaltet
sind und dadurch die Spannung erhöht wird. Dies bewirkt eine
schnelle und vollständige
Entgiftung der Brennstoffzelle(n). Bei Einsatz einer derartigen
Spannungsquelle ist es vorteilhaft, wenn im Brennstoftzellensystem
nur eine geringe Anzahl von Brennstoffzellen, vorteilhaft weniger
als zehn Brennstoffzellen, insbesondere nur eine einzige Brennstoffzelle
vorhanden ist.
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Vorzugsweise kann eine Spannungsquelle vorgesehen
sein, die zum Nachladen der wenigstens einen Kapazität ausgebildet
ist. Bei dieser Ausführungsform
wird zunächst,
beispielsweise über
die entsprechende Spannungsquelle, die Kapazität geladen. Während des
Pulsens wird die Kapazität
dann über
die Brennstoffzelle(n) entladen, wodurch diese mit dem zuvor beschriebenen
vorteilhaften Effekt kurzgeschlossen wird/werden. Die Spannungsquelle kann
wiederum in der weiter oben beschriebenen Weise ausgebildet sein.
Vorteilhaft wird die Kapazität zwischen
zwei Pulsvorgängen
von der Spannungsquelle wieder aufgeladen.
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Vorzugsweise können in der Schaltungsanordnung
zwei oder mehr Schalterelemente vorgesehen sein. Dabei können die
Schalterelemente vorteilhaft unabhängig voneinander mit pulsförmigen Signalen
beaufschlagt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schalterelemente
im Gegentakt geschaltet werden oder schaltbar sind. Auf diese Weise kann
die Schaltungsanordnung kontinuierlich jeweils zwischen zwei Zuständen hin
und hergeschaltet werden.
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Vorteilhaft kann die Schaltungsanordnung eine
erste Masche aufweisen, in der die wenigstens eine Kapazität, die wenigstens
eine Brennstoffzelle und ein erstes Schalterelement verschaltet
sind.
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In weiterer Ausgestaltung kann die
Schaltungsanordnung eine zweite Masche aufweisen, in der die wenigstens
eine Kapazität,
die Spannungsquelle und das zweites Schalterelement verschaltet sind.
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Über
die Schaltung der Schalterelemente kann für die wenigstens eine Kapazität entweder
ein Ladekreis oder ein Entladekreis erzeugt wird. Auf diese Weise
kann die Schaltungsanordnung zwischen zwei Zuständen hin und hergeschaltet
werden. Im ersten Zustand (Ladekreis) wird die Kapazität über die
Spannungsquelle geladen. Im zweiten Zustand (Entladekreis) werden
die Schalterelemente derart geschaltet, daß die Brennstoffzelle über die
Kapazität kurzgeschlossen
wird. Dadurch wird ein sehr hoher Strom erzeugt, der zu einer Entgiftung
der Brennstoffzelle(n) führt,
in dem schädliche
Bestandteile, etwa Kohlenmonoxid oder dergleichen, die sich auf dem
Katalysator befinden, mittels Oxidation entfernt werden.
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Vorzugsweise kann das wenigstens
eine Schalterelement als Transistor und/oder als IGCT ausgebildet
sein. Transistoren lassen sich über
die Spannungspulse auf besonders einfache Weise zwischen einem leitenden
Zustand (geschlossener Schalter) und einem sperrenden Zustand (geöffneter Schalter)
hin und herschalten. Die Transistoren sind vorzugsweise als MOSFET-Transistoren,
IGBT's (Isolated
Gate Bipolar Transistor) oder dergleichen ausgebildet. Bei einem
IGCT handelt es sich um einen „Integrated
Gate Commutated Turn-Oft Tyristor".
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In weiterer Ausgestaltung kann/können die Brennstoftzelle(n)
weiterhin in einem Verbraucherkreis mit wenigstens einem Verbraucher
geschaltet sein. Bei dem Verbraucher handelt es sich um dasjenige
Bauteil, das mit der Brennstoffzelle betrieben wird. Beispielsweise
kann der Verbraucher als elektrischer Antrieb für ein Fahrzeug (Elektromotor),
als elektrische Komponente in einem Fahrzeug oder dergleichen ausgebildet
sein. Elektrische Komponenten sind beispielsweise Pumpen, Radios,
elektrische Fensterheber und dergleichen. Selbstverständlich kann
der Verbraucher auch auf jede andere Art und Weise ausgebildet sein.
Ebenso ist die Erfindung nicht auf den Einsatz von Brennstoffzellen
in Fahrzeugen beschränkt.
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Zusätzlich kann in dem Verbraucherkreis noch
ein weiteres Schalterelement vorgesehen sein. Dieses kann beispielsweise
wie weiter oben beschrieben ausgebildet sein. Das zusätzliche
Schalterelement ist vorzugsweise derart geschaltet, daß es geöffnet ist,
wenn das Schalterelement in der Schaltungsanordnung über die
pulsförmigen
Signale geschlossen ist.
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Grundsätzlich kann mit der vorliegenden
Erfindung jede Form von Stoffen vom Katalysator einer Brennstoffzelle
entfernt werden, die auf elektrochemische Weise oxidierbar sind.
Deshalb ist die Erfindung nicht auf bestimmte Stoffe beschränkt. Nachfolgend
werden einige nicht ausschließliche
Beispiele für
Stoffe beschrieben, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
vom Anodenkatalysator einer Brennstoffzelle entfernt werden können.
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Vorteilhaft kann mittels der Schaltungsanordnung
zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum Aufprägen der Spannungspulse auf
die Brennstoffzelle als elektrochemisch oxidierbarer Stoff Kohlenmonoxid
oxidiert werden oder oxidierbar sein.
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In weiterer Ausgestaltung können mittels
der Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum
Aufprägen
der Spannungspulse auf die Brennstoffzelle als elektrochemisch oxidierbare
Stoffe schwefelhaltige Stoffe und/oder Verbindungen oxidiert werden
oder oxidierbar sein.
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In weiterer Ausgestaltung ist es
auch möglich,
daß mittels
der Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum
Aufprägen der
Spannungspulse auf die Brennstoffzelle als elektrochemisch oxidierbare
Stoffe stickstoffhaltige Stoffe, beispielsweise Ammoniak oder dergleichen, und/oder
Verbindungen oxidiert werden können.
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Vorteilhaft können weiterhin Mittel zum Temperieren
zumindest einzelner Komponenten der Schaltungsanordnung vorgesehen
sein. Je nach Komponente und Betriebszustand des Brennstoffzellensystems
kann es erforderlich sein, zumindest einzelne Komponenten der Schaltungsanordnung
zu erwärmen
beziehungsweise zu kühlen.
Dies kann über entsprechend
ausgestaltete Mittel zum Temperieren realisiert werden, wobei die
Erfindung nicht auf bestimmte Mittel beschränkt ist. Grundsätzlich ist
jede Art von Kühleinrichtung
beziehungsweise Heizeinrichtung möglich. Um den konstruktiven
Aufwand sowie den Energieverbrauch des Brennstoffzellensystems so
gering wie möglich
zu halten, können
die Mittel zum Temperieren vorzugsweise Bestandteile zum Betrieb
der Brennstoffzelle sein oder aber auf solche Bestandteile zurückgreifen.
Dies soll an Hand zweier nicht ausschließlicher Beispiele verdeutlicht
werden. Beispielsweise ist es möglich,
zumindest einzelne Komponenten der Schaltungsanordnung über eine Kühleinrichtung
der Brennstoffzelle mit zu kühlen. Wenn
die Komponenten der Schaltungsanordnung beispielsweise erwärmt werden
sollen, kann dies vorteilhaft über
die Abwärme
der Brennstoffzelle realisiert werden. Die Umschaltung zwischen
Erwärmung und
Kühlung
beziehungsweise die Regelung der einzelnen Temperiervorgänge kann
mit Hilfe einer intelligenten Regelung (Regeleinrichtung) erfolgen.
Zu diesem Zweck verfügt
die intelligente Regelung vorteilhaft über geeignete Programmittel
beziehungsweise Software.
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In weiterer Ausgestaltung kann eine
Regeleinrichtung zum Regeln zumindest einzelner Komponenten der
Schaltungsanordnung und/oder zum Regeln der wenigstens einen Brennstoffzelle
und/oder zum Regeln der Mittel zum Temperieren vorgesehen sein.
Bei der Regeleinrichtung handelt es sich vorteilhaft um eine Art
Steuereinrichtung, die ganz besonders bevorzugt als zentrale Steuereinrichtung
des Brennstoffzellensystems ausgebildet sein kann. Eine solche Steuereinrichtung
verfügt
vorteilhaft über
wenigstens eine Rechnereinheit, in der geeignete Programmittel beziehungsweise
Software abgelegt sind, um die einzelnen Regelschritte durchzuführen und/oder
zu überwachen.
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Vorteilhaft kann die Regeleinrichtung
zur Regelung von Pulsparametern der im Pulsgenerator erzeugten pulsförmigen Signale
ausgebildet sein. Über eine
solche Regelung, die bevorzugt wiederum intelligent erfolgt, können die
Pulsparameter, insbesondere Pulsweite, Pulsfrequenz, Pulsamplitude,
Pulsdauer und dergleichen variiert und auf die entsprechenden Anforderungen
und Betriebszustände
des Brennstoffzellensystems angepaßt und eingestellt werden.
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Vorteilhaft kann ein wie vorstehend
beschriebenes Brennstoffzellensystem in einem oder für ein Fahrzeug
verwendet werden. Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie
im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit die größten Einsatzmöglichkeiten.
Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen
sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer,
Mobiltelefone, elektrische Geräte
und dergleichen bis hin zu Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die
Brennstoffzellentechnologie besonders für die dezentrale Energieversorgung
von Häusern,
Industrieanlagen oder dergleichen.
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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 in
schematischer Form eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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2 in
schematischer Form eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
und
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3 in
schematischer Form eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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Baugleiche Bauelemente in allen Ausführungsformen
sind dabei mit identischen Bezugsziffern versehen.
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Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß 1 weist zunächst wenigstens
eine Brennstoffzelle 11 auf. Hierbei kann das Brennstoffzellensystem 10 entweder
eine oder mehrere Brennstoffzellen 11, beispielsweise einen
Brennstoffzellen-Stack aufweisen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind vorteilhaft mehrere
Brennstoffzellen 11, bevorzugt mehr als zehn Brennstoffzellen 11 vorgesehen,
wobei der besseren Übersicht
halber jedoch nur eine einzige Brennstoffzelle 11 dargestellt
ist. Die Brennstoffzellen 11 sind in einem Verbraucherkreis 30 mit
wenigsten einem Verbraucher 31 geschaltet. Der Verbraucher 31 kann
ein beliebig ausgebildeter elektrischer Verbraucher sein. Weiterhin
ist im Verbraucherkreis 30 noch ein Schalterelement 32 vorgesehen,
beispielsweise ein Transistor.
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Das Brennstoffzellensystem 10 weist
weiterhin eine Schaltungsanordnung 20 zum Erzeugen von pulsförmigen Signalen 21 und
zum Aufprägen
von über
die pulsförmigen
Signale 21 erzeugten Spannungspulse auf die Brennstoftzelle(n) 11 auf.
In der Schaltungsanordnung 20 ist ein Schalterelement 22 vorgesehen,
das über
die pulsförmigen
Signale 21 geöffnet
und geschlossen wird. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem
Schalterelement 22 um einen Transistor, etwa einen IGBT
oder dergleichen.
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Die pulsförmigen Signale 21 werden
von einem Pulsgenerator 40 erzeugt. Dabei ist der Pulsgenerator 40 derart
ausgebildet, daß pulsförmige Signale 21 mit
veränderlichen
Parametern erzeugt werden können.
Auf diese Weise wird es möglich,
die Pulsparameter an die jeweils vorherrschenden, aber auch an die
sich ändernden
Anforderungen und Betriebszustände
des Brennstoffzellensystems 10 anzupassen.
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Darüber hinaus ist im Brennstoffzellensystem 10 eine
Regeleinrichtung 50 vorgesehen, über die einzelne Komponenten
des Brennstoffzellensystems 10 geregelt werden können. Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Regeleinrichtung 50 über entsprechende Regelleitungen 51, 52, 53, 54, 55,
die in gestrichelter Form dargestellt sind, mit dem Schalterelement 22,
dem Pulsgenerator 40, der/den Brennstoffzelle(n) 11,
dem Schalterelement 32 sowie mit Mitteln 60 zum
Temperieren einzelner Komponenten der Schaltungsanordnung 20 verbunden.
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Über
die Mittel 60 zum Temperieren können einzelne Komponenten der
Schaltungsanordnung 20 erwärmt beziehungsweise gekühlt werden.
Im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 erfolgt die Kühlung beziehungsweise
Erwärmung über entsprechende Kühl- beziehungsweise
Heizkreisläufe
für die
Brennstoffzelle(n) 11, so daß die Mittel 60 zum
Temperieren in geeigneter Weise mit der/den Brennstoftzelle(n) 11 verbunden
sind. Beispielsweise ist es denkbar, daß eine Kühlung einzelner Komponenten
der Schaltungsanordnung 20 über eine Kühleinrichtung (nicht dargestellt)
für die
Brennstoffzelle(n) 11 erfolgt. Zur Erwärmung einzelner Komponenten
der Schaltungsanordnung 20 kann vorteilhaft die während des
Betriebs der Brennstoftzelle(n) 11 in dieser/diesen entstehende Abwärme genutzt
werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die Mittel 60 zum Temperieren über entsprechende Temperierleitungen 61, 62 mit
dem Schalterelement 22 sowie dem Pulsgenerator 40 verbunden,
so daß diese
Komponenten in geeigneter Weise gekühlt beziehungsweise erwärmt werden
können.
Selbstverständlich
können
die Mittel 60 zum Temperieren auch mit jeder anderen Komponente
der Schaltungsanordnung 20 verbunden sein. Die Temperierleitungen 61, 62 sind
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
in Form von strichpunktierten Linien dargestellt.
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Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des
Brennstoffzellensystems 10 beschrieben. Wenn das Schalterelement 22 geöffnet ist,
das heißt
der Transistor sperrt oder nicht leitend ist, kann/können die
Brennstoffzelle(n) 11 im Betrieb, beispielsweise durch
kohlenmonoxidhaltigen Brennstoff, vergiftet werden, indem sich das
Kohlenmonoxid auf freien Plätzen
des Anodenkatalysators der Brennstoffzelle(n) 11 anlagert
und diese freien Plätze
blockiert. Um das schädliche
Kohlenmonoxid durch Oxidation vom Anodenkatalysator entfernen zu
können,
was auch als Entgiften der Brennstoftzelle(n) 11 bezeichnet wird,
müssen
der/den Anode(n) der Brennstoffzelle(n) 11 Spannungspulse
aufgeprägt
werden, damit das Anodenpotential bis auf einen bestimmten Wert verschoben
wird, bei dem eine Oxidation des Kohlenmonoxids stattfinden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird dazu das Schalterelement 22 geschlossen.
Das bedeutet, daß der
Transistor 22 über
die pulsförmigen
Signale 21 leitend geschaltet wird. Dadurch wird/werden
die Brennstoftzelle(n) 11 zeitweilig kurzgeschlossen. Durch
den Kurzschluß können die
Kohlenmonoxidablagerungen vom Anodenkatalysator entfernt werden.
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Das optional vorgesehene Schalterelement 32 im
Verbraucherkreis 30 kann dabei so geschaltet werden, daß dieses
während
des Zeitraums, in dem das Schalterelement 22 geschlossen
ist (der Transistor leitend ist), geöffnet ist.
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In 2 ist
eine andere Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems 10 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 weist
einen Grundaufbau wie jenes aus 1 auf,
so daß zur
Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle auf die Ausführungen
zu 1 verwiesen wird.
Zusätzlich
ist in der Schaltungsanordnung 20 noch eine Spannungsquelle 24 vorgesehen,
die beispielsweise als Autobatterie, Akkumulator, Brennstoffzelle
und dergleichen ausgebildet sein kann. Die Spannungsquelle 24 ist derart
in der Schaltungsanordnung 20 angeordnet, daß sie im
Hinblick auf die Brennstoffzelle 11 entgegengesetzt gepolt
ist. Die Spannungsquelle 24 kann über eine geeignete Regelleitung 56 mit
der Regeleinrichtung 50 verbunden sein.
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Während
des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 kann zum Zwecke
der Entgiftung der Brennstoffzelle 11 zunächst wieder
das Schalterelement 22 geschlossen werden. Dies geschieht
dadurch, daß das
als Transistor ausgebildete Schalterelement 22 über die
pulsförmigen
Signale 21 zunächst
leitend geschaltet wird. Dadurch werden die Spannungsquelle 24 und
die Brennstoffzelle 11 in Serie geschaltet, wodurch die
Spannung erhöht
wird und wodurch ein sehr großer
Strom fließt,
der in der oben beschriebenen Weise eine Entgiftung der Brennstoffzelle 11 bewirkt.
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Bei einer derartigen Ausgestaltung
des Brennstoffzellensystems 10 sind vorzugsweise nur sehr
wenige Brennstoffzellen 11 vorgesehen, vorzugsweise weniger
als zehn Brennstoffzellen, ganz besonders bevorzugt nur eine Brennstoffzelle 11.
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In 3 ist
schließlich
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffzellensystems 10 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 weist
wiederum eine oder mehrere Brennstoftzelle(n) 11 auf. Weiterhin
ist eine Schaltungsanordnung 20 vorgesehen, über die
Spannungspulse erzeugt und auf die Brennstoffzelle(n) 11 aufgeprägt werden
können.
Die Schaltungsanordnung 20 weist zwei Schalterelemente 22, 23 in
Form von Transistoren auf. Weiterhin sind in der Schaltungsanordnung 20 ein
Pulsgenerator 40, Mittel 60 zum Temperieren sowie
eine Regeleinrichtung 50 vorgesehen, zu deren Aufbau und
grundsätzlicher
Funktionsweise auf die vorstehenden Ausführungen zu den Ausführungsbeispielen
gemäß 1 und 2 verweisen wird.
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Die Schaltungsanordnung 20 weist
eine erste Masche 25 auf, in der wenigstens eine Kapazität 27,
beispielsweise ein sogenannter Ultrakondensator, die Brennstoftzelle(n) 11 sowie
ein erstes Schalterelement 22 verschaltet sind. Alle diese
Komponenten sind über
entsprechende Regelleitungen 58, 53, 51 mit
der Regeleinrichtung 50 verbunden. Weiterhin weist die
Schaltungsanordnung 20 eine zweite Masche 26 auf,
in der die wenigstens eine Kapazität 27, eine Spannungsquelle 28,
beispielsweise eine wie in bezug auf 2 beschriebene
Spannungsquelle, sowie das zweite Schalterelement 23 verschaltet
sind. Die Spannungsquelle 28 sowie das Schalterelement 23 sind
ebenfalls über
Regelleitungen 57, 59 mit der Regeleinrichtung 50 verbunden. Ebenso
sind auch die Mittel 60 zum Temperieren sowie der Pulsgenerator 40 über Regelleitungen 54, 52 mit
der Regeleinrichtung 50 verbunden.
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Beide Schalterelemente 22, 23 können über die
pulsförmigen
Signale 21 unabhängig
voneinander geschaltet werden. Dabei sieht die Schaltung der Schalterelemente 22, 23 vor,
daß die
beiden Maschen 25, 26 entweder als Ladekreis oder
als Entladekreis für
die Kapazität 27 fungieren.
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Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des
Brennstoffzellensystems 10 gemäß 3 beschrieben.
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Im ersten Zustand der Schaltungsanordnung 20 ist
das Schalterelement 22 geöffnet und das Schalterelement 23 geschlossen
(Transistor 22 sperrt und Transistor 23 ist leitend
geschaltet). Die Kapazität 27 wird über die
Spannungsquelle 28 geladen.
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Im zweiten Zustand der Schaltungsanordnung 20 wird
die Brennstoffzelle 11 kurzgeschlossen, indem das Schalterelement 22 geschlossen
(Transistor 22 ist leitend) und das Schalterelement 23 geöffnet (Transistor 23 ist
gesperrt) wird. Dabei ist vorteilhaft der „+"-Pol der Kapazität 27 mit dem „–"-Pol der Brennstoffzelle 11 verbunden.
Der „–"-Pol der Kapazität 27 ist
mit dem „+"-Pol der Brennstoffzelle 11 verbunden.
Dadurch fließt
durch die Brennstoffzelle 11 ein sehr hoher Strom, der
in der weiter oben bereits beschriebenen Weise eine Entgiftung der
Brennstoffzelle 11 bewirkt.
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Über
die pulsförmigen
Signale 21 werden die Schalterelemente 22, 23 vorteilhaft
im „Gegentakt" geschaltet, um abwechselnd
die beiden zuvor beschriebenen Zustände der Schaltungsanordnung 20 zu
erreichen.
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 11
- Brennstoffzelle
- 20
- Schalteranordnung
zum Erzeugen und Aufprägen
von Spannungspulsen
- 21
- pulsförmiges Signal
- 22
- Schalterelement
(Transistor)
- 23
- Schalterelement
(Transistor)
- 24
- Spannungsquelle
- 25
- erste
Masche
- 26
- zweite
Masche
- 27
- Kapazität
- 28
- Spannungsquelle
- 30
- Verbraucherkreis
- 31
- Verbraucher
- 32
- Schalterelement
- 40
- Pulsgenerator
- 50
- Regeleinrichtung
- 51
- Regelleitung
- 52
- Regelleitung
- 53
- Regelleitung
- 54
- Regelleitung
- 55
- Regelleitung
- 56
- Regelleitung
- 57
- Regelleitung
- 58
- Regelleitung
- 59
- Regelleitung
- 60
- Mittel
zum Temperieren
- 61
- Temperierleitung
- 62
- Temperierleitung