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DE2424032A1 - BATTERY-DRIVEN BACKUP UNIT FOR A FUEL CELL POWER GENERATOR - Google Patents

BATTERY-DRIVEN BACKUP UNIT FOR A FUEL CELL POWER GENERATOR

Info

Publication number
DE2424032A1
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Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery
fuel cell
output
voltage
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE2424032A
Other languages
German (de)
Inventor
William John Maver
Paul Rudolf Rey
David Eugene Rosati
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RTX Corp
Original Assignee
United Aircraft Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US00371196A external-priority patent/US3823358A/en
Priority claimed from US37120073 external-priority patent/US3821626A/en
Application filed by United Aircraft Corp filed Critical United Aircraft Corp
Publication of DE2424032A1 publication Critical patent/DE2424032A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Description

United Aircraft CorporationUnited Aircraft Corporation

400 Main Street . ηι~ι*,θ n * a n w a f t400 Main Street. ηι ~ ι *, θ n * an waft

pipl.-lng. Rolfpipl.-lng. Rolf

East Hartford,Connecticut 06108East Hartford, Connecticut 06108

Anwaltsakte U 113Lawyer file U 113

13. Mai 1974May 13, 1974

BÄTTERIEGETRIEBENE STÜTZUNGSEINHEIT FÜR EINEN BRENNSTOFFZELLENLEISTUNGSGENERATOR. BATTERY-DRIVEN SUPPORT UNIT FOR A FUEL CELL POWER GENERATOR.

Die Erfindung betrifft die Anwendung billiger Batterien zur Erzeugung einer grosoen, kurzzeitigen Leistungsanhebung von Brennst of fz el len.l«istungsgeneratoren.The invention relates to the use of cheap batteries for generating a large, short-term increase in the power of fuel of fz el len. energy generators.

Insbesondere sind eine oder mehrere Speicher oder andere wiederaufladbare Batterien parallel zu einer Brennstoffzelle geschaltet und liefern zusätzlichen Strom an eine Last, wenn der Strombedarf der Last die Spannung der Brennstoffzelle unterhalb ein^n vorbestimmten Wert fallen lässt. Die Speicherbatterien werden vom Ausgang der Brennstoffzelle wieder aufgeladen, wenn die Batterien keinen Strom an die Last abgeben.In particular, one or more memories or others are rechargeable Batteries connected in parallel to a fuel cell and deliver additional power to a load when the load's power requirements drop the fuel cell voltage below a ^ n drops a predetermined value. The storage batteries are recharged from the output of the fuel cell when the batteries do not deliver current to the load.

Eine Brennstoffzelle ist eine primäre elektrische Zelle oder Batterie, in welcher die reagierenden Chemikalien nicht in der Zelle verbleiben, entweder in Form von Elektroden oder Lösungen, aber viel-mehr durch die Zelle hindurch strömen. Gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in der Brennstoffzelle miteinander um elektrischen Strom zu erzeugen, welcher einer Last zugeführt werden kann. Der Aufbau und der Betrieb von Brennstoffzellen ist bekannt und wird nicht im einzelnen beschrieben werden.A fuel cell is a primary electrical cell or battery, in which the reacting chemicals do not remain in the cell, either in the form of electrodes or solutions, however much more flow through the cell. Gaseous hydrogen and oxygen react with each other in the fuel cell to generate electric power which is supplied to a load can. The structure and operation of fuel cells is known and will not be described in detail.

In herkömmlichen Anlagen wird die von der Brennstoffzelle gelieferte Gleichspannung und damit der Gleichstrom, mit Hilfe eines Umformers in Wechselstromleistung umgewandelt und, der Wechselstrom wird der Last zugeführt. Die Last kann oft ein Motor oder eine andere einen hohen Strom aufnehmende Vorrichtung sein, welche während einer kurzen Zeitperiode den fünf- oder.sechsfachen Motoren-In conventional systems, the one supplied by the fuel cell is used Direct voltage and thus direct current, converted into alternating current power with the help of a converter, and alternating current is applied to the load. The load can often be a motor or other high current consuming device, which during a short period of time five or six times the engine

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strom aufnehmen kann. Um diesen zusätzlichen Strombereitzusteilen, kann der Umformer, welcher die Wechselspannungsleistung an die Last abgibt, leicht genügend überdimensioniert werden, um solche Überlasten zu bewältigen, aber es wäre viel teurer um die Grosse und Leistungsmöglichkeiten der Brennstoffselle zu vergrössern um die.se zusätzliche Leistung aufzubringen. Die Parallelschaltung von Speicherbatterien zum Brennstoffzellenausgang wird die erforderliche, zusätzliche Energie zu einem im Vergleich zu den Brennstoff ζellenkosten kleinen Bruchteil liefern.can absorb electricity. In order to allocate this additional electricity, the converter that delivers the AC power to the load can easily be oversized enough to accommodate such Overloads to cope with, but it would be much more expensive to increase the size and power capabilities of the fuel cell die.se to provide additional service. The parallel connection of Storage batteries for the fuel cell output, the required, deliver additional energy at a fraction of the cost of the fuel cell.

Es ist bekannt,- Batterien zu benutzen, um die Änderungen der Brennstoffzellenausgangsleistung zu minimisieren, wenn aber grosse Mengen von Energie bereitgestellt werden müssen, werden die Batterien teuer und der Lade- Entlade- Wirkungsgrad ist klein. Desweitern sind in bekannten Systemen das Batterieladegerät .-und seine Steuerung gross und komplex.It is known to use batteries to minimize, if large, changes in fuel cell output Amounts of energy need to be provided by the batteries expensive and the charge-discharge efficiency is small. Furthermore, the battery charger and its Control large and complex.

Bekannte BatLerieunterstützungssysteree leiden auch unter dem Nachteil, dass die Stütznngsbatterien dauernd angeschlossen sind, wenn eine überlast auftritt. Wenn die Überlast bestehen bleibt, werüen die Batterien vollständig entladen und können den Spitzenstroru nicht mehr bereitstellen, bis sie wieder vollständig geladen sir-d. Beschädigungen am System können ä.uch auftreten, wenn die Spitzenstrombatterie vollständig entladen wez-den kann.Well-known battery support systems also suffer from the disadvantage that the backup batteries are always connected in the event of an overload. If the overload persists, werüen the batteries are completely discharged and can no longer provide the peak current until they are fully charged again. Damage to the system can also occur if the peak current battery can be fully discharged.

Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile der bekannten Vorrichtungen und stellt eine Spitzenstrombatterieeinheit bereit, welche parallel zu einer Brennstoffzelle geschaltet ist um einer Last während eines festen Zeitintervals Strom zuzuführen, nur wenn die Brennstoffzellenspannung unter einen vorbestimmten Wert fällt. Die elektrische Verbindung wird mittels eines Schalttransistors, welcher in Reihe mit der Spitzenstrombatterie geschaltet ist, hergestellt und umfasst desweitern eine Diode um die Spitzenstrombatterie von der Brennstoffzelle abzutrennen, wenn die Brennstoffzeil en spannung die Leerlaufspannung der Batterie übersteigt. Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle muss über einen vorgewählten Wert ansteigen und 4nn wieder unter diesen Wert fallen, ehe die Spitzenstrombatterie wieder Strom an die Last abgeben kann. Wenn durch einen Fehler Schwingungen im Spitzenstrom auftreten, wird die Spitzenstromeinheit 'abgeschaltet um die Entladung der Batterie und Schaden am System zu verhindern. Die Spitzenstrombatterie wirdThe present invention overcomes the disadvantages of the known devices and provides a peak current battery unit, which is connected in parallel to a fuel cell by one To supply power to the load during a fixed time interval only when the fuel cell voltage falls below a predetermined value. The electrical connection is made by means of a switching transistor, which is connected in series with the peak current battery, and further includes a diode to isolate the peak battery from the fuel cell when the fuel cell The voltage exceeds the open circuit voltage of the battery. the The output voltage of the fuel cell must be above a preselected Increase value and 4nn fall below this value again before the peak current battery can deliver current to the load again. if Due to an error, oscillations in the peak current occur, the peak current unit is switched off to discharge the battery and prevent damage to the system. The peak power battery will

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mittels Leistung gepuffert, welche von der Brennstoffzelle über einen .Umformer mittels eines gesteuerten Gleichrichters geliefert wird, welcher von einem Schwingkreis gesteuert wird, der bei niedriger Batteriespannung frei schwingt und welcher abgeschaltet wird, wenn die Batteriespannung einen vorbestimmten Wert erreicht. Die Aufladung der Batterie wird verhindert, wenn die Batterie der Last Strom zuführt.buffered by means of power, which is supplied by the fuel cell a converter supplied by means of a controlled rectifier which is controlled by an oscillating circuit which oscillates freely when the battery voltage is low and which is switched off when the battery voltage reaches a predetermined value. The battery will not be charged when the battery is running out Load current supplies.

Die Erfindung wird nun an Kind der beiliegenden Zeichnungen, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform des zugehörigen Stromkreises als Blockdiagramm dargestellt ist, beispielsweise beschrieben.The invention will now be made to the child of the accompanying drawings, in which a preferred embodiment of the associated circuit is shown as a block diagram, for example described.

Es ist bekannt, dass eine Batterie oder eine Reihe von Batterien parallel zu einer Brennstoffzelle geschaltet werden können, um zusätzlichen Strom an eine Last während Übergangsbedingungen, wie etwa beim Starten eines Motors, wenn zusätzlicher Strom erfordert ist, zu liefern. Während des normalen Betriebes ist die Brennstoffzellenspannung höher als die Batteriespannung und es wird kein Strom von der Batterie aus zugeführt. Wenn der von der Last geforderte Strom zunimmt, etwa nach dem Starten eines Motors, nimmt der von der Brennstoffzelle gelieferte Strom zu und die Brennstoffzellenspannung fällt unter die Batteriespannung. Die Batterie liefert dann zusätzlichen Motorstar.tstrom um eine ausreichende Spannung für den Betrieb des Motors aufrechtzuerhalten. Wenn der Motor vollständig gestartet ist, nimmt die von der Brennstoffzelle gelieferte Spannung wieder zu und die Batterie wird von der Last abgeschaltet.It is known that a battery or series of batteries can be connected in parallel to a fuel cell in order to additional power to a load during transient conditions, such as when starting a motor when additional power is required is to deliver. The fuel cell voltage is during normal operation higher than the battery voltage and no power is supplied from the battery. If the one demanded by the load Current increases, for example after starting an engine, decreases the power supplied by the fuel cell and the fuel cell voltage falls below the battery voltage. The battery then supplies additional motor start current by a sufficient amount Maintain voltage to run the engine. When the engine is fully started, the fuel cell picks up supplied voltage is applied again and the battery is disconnected from the load.

Der oben beschriebene Betrieb erfordert eine Batterie mit sehr " kleinem Innenwiderstand, sodass seine Leerlaufspannung unterhalb der normalen Betriebsspannung der Brennstoffzelle bleiben wird. Wenn dies nicht der Fall ist, dann wird die Batterie versuchen, einen Teil des normalen Belastungsstromes bereitzustellen, und wird sehr schnell entladen werden. Die meisten billigen Batterien für diese kleine Energieanforderungen haben eine zu hohe Leerlaufspannung., Um diesen Nachteil zu überwinden, wird ein Pestkörperschalter, wie etwa ein Transistor in Reihe mit der Batterie geschaltet, welcher es erlaubt die Batterie schnell einzuschalten um zusätzlichen Strom zu liefern, wenn dies erforderlich ist, welcher aber während des normalen Betriebs die Batterie von dem Stromkreis trennt. Steuerstromkreise werden benutzt um die notwendigen Sig-The operation described above requires a battery with a very "small internal resistance, so its open-circuit voltage is below." the normal operating voltage of the fuel cell will remain. If not, the battery will try to provide part of the normal load current, and will be discharged very quickly. Most cheap batteries for these small energy requirements have an open circuit voltage that is too high., To overcome this disadvantage, a body switch, such as a transistor, is connected in series with the battery, which allows the battery to be switched on quickly to provide additional power when required, but which one disconnects the battery from the circuit during normal operation. Control circuits are used to provide the necessary signal

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nale zum öffnen und Schliessen des Transistorschalters zur richtigen Zeit zu liefern.nale for opening and closing the transistor switch to the correct one Time to deliver.

In der Zeichnung ist eine typische Brennstoffzelle 10 dargestellt, welche eine Gleichspannung erzeugt und einem Umformer 16 über Leitungen 12 und 14 mit den dargestellten Polaritätenjstrom zuführt. Der Umformer 16 wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um, typischenEfceiphasenwechselstrom mit drei Drähten, so wie es durch die drei Drähte 18, welche aus dem Umformer herauskommen, dargestellt ist. Die drei-Phasenwechselstromleistung wird dann einer Last zugeführt, welche zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung als Motor angenommen wird, welche aber auch jede andere bekannte Belastung sein kann.In the drawing, a typical fuel cell 10 is shown, which generates a direct voltage and feeds it to a converter 16 via lines 12 and 14 with the polarity current shown. The converter 16 converts direct voltage to alternating voltage, typical electric phase alternating current with three wires, as shown by the three wires 18 coming out of the converter is. The three-phase AC power then becomes one Load supplied, which is assumed for the purpose of the present description as a motor, but which also any other known Can be a burden.

Parallel zur Brennstoffzelle 10 liegt eine Batterie 20 welche aus einer oder mehreren in Reihe geschalteten Speicherbatterien bestehen kann. Die Batterie 20 ist an die Gleichspannungsleitung 12 über eine Diode 22 angeschlossen und die negative Klemme der Batterie 20 ist über einen Schalttransistor 24 und eine Leitung 26 an die negative Leitung 14 angeschlosoen. Während des normalen Betriebes ist die von der Brennstoffzelle 10 auf der Leitung 12 erzeugte Spannung höher als die der Batterie 20 und deshalb ist die Dioda 22 gesperrt. Der Transistorschalter 24 ist normalerweise geöffnet, das heisst, der Transistor 24 ist nichtleitend.Kein Strom wird zu diesem Zeitpunkt von der Batterie 20 bereitgestellt.Parallel to the fuel cell 10 is a battery 20 which consists of one or more storage batteries connected in series can. The battery 20 is connected to the DC voltage line 12 connected through a diode 22 and the negative terminal of the battery 20 is connected to the negative line 14 via a switching transistor 24 and a line 26. During normal The operation is from the fuel cell 10 on the line 12 The voltage generated is higher than that of the battery 20 and therefore the Dioda 22 is blocked. The transistor switch 24 is normally open, that is, the transistor 24 is non-conductive Power is provided by the battery 20 at this point in time.

Wenn die Last zusätzlichen Strom über die Möglichkeiten der Brennstoffzelle 10 fordert, fällt die Spannung auf den Leitungen 12 und 14 ab und der Schalter 24 wird geschlossen, wodurch die Batterie 20 über die Diode 22, und den Umformer 16 der Last Strom zuführen kann.When the load additional electricity beyond the capabilities of the fuel cell 10 calls for the voltage on lines 12 and 14 to drop and switch 24 to close, removing the battery 20 via the diode 22 and the converter 16 of the load can supply current.

Ein Spannungsvergleicher 32 ist an die Brennstoffzelle angeschlossen um die Ausgangsspannung über die Leitungen 28 und 30 zu messen. Die Brennstoffzellenspannung wird mit einer Bezugsspannung -V verglichen. Der Spannungsvergleicher 32 kann aus einem Operationsverstärker bestehen, welcher als Differentialverstärker benutzt wird um die Spannung der Leitungen 12 und 14 von der Masse zu isolieren und eine der Gleichspannung der Brennstoffzelle proportionale Spannung zu erzeugen. Diese Ausgangsspannung wird mit der Bezugs spannung -V verglichen, und wenn die Spannung an den Lei-A voltage comparator 32 is connected to the fuel cell to measure the output voltage across lines 28 and 30. The fuel cell voltage is compared with a reference voltage -V compared. The voltage comparator 32 can consist of an operational amplifier exist, which is used as a differential amplifier to the voltage of the lines 12 and 14 from the ground to isolate and one proportional to the direct voltage of the fuel cell To create tension. This output voltage is compared with the reference voltage -V, and if the voltage on the lines

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_ tr _
•j
_ tr _
• j

tungen 12 und 14 unterhalb die Bezugsspannung fällt, erzeugt der Spannungsvergleicher 32 eine Stufenspannung/ welche einem Kondensator 34 zugeführt wird um einen Spannungsimpuls zu erzeugen, welcher seinerseits über eine Diode 36 einem monostabilen Multivibrator 38 zugeführt wird.lines 12 and 14 falls below the reference voltage, generates the Voltage comparator 32 a step voltage / which a capacitor 34 is supplied to generate a voltage pulse, which in turn via a diode 36 to a monostable multivibrator 38 is fed.

Eine Ausfuhrungsform eines spezifischen Multivibrators ist in der Figur dargestellt, aber es ist selbstverständlich, dass andere Typen von Multivibratoren oder impulserzeugenden Kreisen benutzt werden können. Nach der Figur wird der Spannungsimpuls dem Eingang eines Verstärkers 40 zugeführt, dessen Ausgang durch die positive Rückkopplung zum Eingang des Verstärkers 40 gesättigt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 40 wird an seinem Eingang mit der Spannung am Kondensator 46 verglichen, welcher sich mit einer durch die Reihenschaltung der Widerstände 42, 44 bestimmten Geschwindigkeit auflädt. Wenn die Spannung am Kondensator 46 genügend gross wird, wird der Ausgang des Verstärkers 40 sich mit entgegengesetzter Polarität, sättigen. Wenn der Verstärker einmal gesättigt ist, ist der Spannungsimpuls am Eingang verschwunden. Der Kondensator 46 wird sich dann bis auf Massepotential entladen, wodurch der Multivibrator in einen Zustand zurückgesetzt wird, in dem er auf einen nachfolgenden Impulsformspannungsvergleicher 32 ansprechen kann.An embodiment of a specific multivibrator is in Figure shown, but it will be understood that other types of multivibrators or pulse generating circuits are used can be. According to the figure, the voltage pulse is fed to the input of an amplifier 40, the output of which by the positive Feedback to the input of amplifier 40 becomes saturated. The output signal of the amplifier 40 is at its input with the Voltage across the capacitor 46 compared, which is determined by the series connection of the resistors 42, 44 speed charges. When the voltage on capacitor 46 becomes sufficiently large, the output of amplifier 40 becomes opposite Polarity, saturate. Once the amplifier is saturated, the voltage pulse at the input has disappeared. The condenser 46 is then discharged to ground potential, whereby the Multivibrator is reset to a state in which it responds to a subsequent pulse shape voltage comparator 32 can.

Wenn der nachfolgende Spannungsimpuls ankommt, bevor der Multivibrator zurückgesetzt ist, wird der Multivibrator nicht für einen weiteren Zyklus ansprechen.When the following voltage pulse arrives before the multivibrator is reset, the multivibrator will not respond for another cycle.

Der Ausgangssignal des Multivibrators 38 ist ein Impuls mit einer Einschaltzeit /£it, welche einstellbar sein kann, zwischen ungefähr einer halben und fünf Sekunden durch Veränderung des Potentiometers 42. Dia Rückstellzeit des Multivibrators ist ungefähr gleich der Zeit t. Das Äusgangssignal des Multivibrators 38 ist ein logisches Steuersignal, welches die Einschaltung des Transistorschalters 24 bewirkt. Das Ausgangssignal des Multivibrators kann auch Neben-Spitzenstrombatterieeinheiten über eine Leitung 47 zugeführt werden, um die Steuerung von mehreren parallelen Spitzenstromeinheiten mit einem logischen Steuersignal zu erlauben. Das Ausgangssignal des Multivibrators wird einer optischen Trennstufe 48 zugeführt, welche aus· einem optisch gekoppelten Transistor bestehen kann. Die Trennung ist wünschenswert, weil die ElektronikThe output signal of the multivibrator 38 is a pulse with a switch-on time / £ it, which can be set between approximately half a second and five seconds by changing the potentiometer 42. The reset time of the multivibrator is approximately equal to the time Z ± t. The output signal of the multivibrator 38 is a logic control signal which causes the transistor switch 24 to be switched on. The output signal of the multivibrator can also be fed to secondary peak current battery units via a line 47 in order to permit the control of several parallel peak current units with a logic control signal. The output signal of the multivibrator is fed to an optical isolating stage 48, which can consist of an optically coupled transistor. The separation is desirable because of the electronics

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der Treiberstufe sich auf einem anderen Potential befinden kann als die gemeinsame Klemme der Brennstoffzelle.the driver stage can be at a different potential than the common terminal of the fuel cell.

Das Ausgangssignal des optisch gekoppelten Transistortrenners 40 wird über einen Verstärker 50 dem Transistor 24 zugeführt, um denselben einzuschalten. Wenn der Transistor 24 leitend ist, wird der Widerstand des Transistor 24 im wesentlichen Null und ein geschlossener Weg wird für den Strom der Batterie 20 bereitgestellt. Deshalb wird dem Umformer von der Batterie 20 Strom über die Diode · 22 zugeführt, wenn der Transistor 24 leitend ist. Weil der Transistor 24 nur leitend wird,wenn ein Ausgangssimpuls vom Multivibrator 38 vorliegt und dies während einer Zeit von einer halben bis fünf Sekunden, wird der Strom von der Batterie 20 zur Last nur während der durch das Ausgangssignal des Multivibrators 38 bestimmten Zeit fLiessen. Wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle sich während dieser Zeitperiode auf ein ausreichend hohes Nivsau steigert, wird kein zusätzlicher Strom von der Batterie 20 erfordert sein. Wenn zu einer späteren Zeit die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 10 unterhalb den Wert, welcher durch die Bezugsspannung -V bestimmt ist, fällt, wird ein weiteres Signal von aem Spannungsvergleicher 32 und dem Multivibrator 38 erzeugt, welches den Transistor 24 einschaltet und wieder die Lieferung von Strom durch die Batterie 20 bewirkt, Wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 10 unterhalb der Bezugsspannung bleibt, oder über die Bezugsspannung ansteigt und dann wieder unter die Bezugsspannung fällt, bevor der Multivibrator 38 wieder zurückgesetzt ist, wird kein zusätzliches Ausgangssignal vom Multivibrator erzeugt und der Transistor 24 bleibt im nichtleitenden Zustand, wodurch der Stromkreis der Batterie 20 geöffnet bleibt. Somit wird die Batterie 20 der Last über den Umformer 16 nur Strom zuführen, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter einen vorgegebenen Wert, welcher durch die Bezugsspannung -V-bestimmt ist, fällt, und der Strom wird nur während einem Zeitinterval geliefert, welcher durch die vom Multivibrator 38 erzeugten Impulse bestimmt ist. Der Multivibrator 38 muss zurückgesetzt werden und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle muss über den Bezugswert ansteigen bevor ein zweiter Stromimpuls von den Batteien 20 der Last zugeführt werden kann.The output of the optically coupled transistor isolator 40 is fed through an amplifier 50 to the transistor 24 in order to turn the same on. When transistor 24 is conductive, will the resistance of transistor 24 is substantially zero and a closed path is provided for battery 20 current. Therefore, current is supplied to the converter from the battery 20 via the diode 22 when the transistor 24 is conductive. Because the transistor 24 only becomes conductive when there is an output pulse from the multivibrator 38 and this for a period of half a time up to five seconds, the current from the battery 20 to the load is only during the period determined by the output of the multivibrator 38 Time flows. When the output voltage of the fuel cell rises to a sufficiently high level during this time period, no additional current is required from the battery 20 be. If at a later time the output voltage of the fuel cell 10 falls below the value which is determined by the reference voltage -V, a further signal from aem Voltage comparator 32 and the multivibrator 38 generated, which turns on the transistor 24 and again the supply of current caused by the battery 20 when the output voltage of the fuel cell 10 remains below the reference voltage, or rises above the reference voltage and then falls back below the reference voltage before the multivibrator 38 is reset again no additional output signal is generated by the multivibrator and the transistor 24 remains in the non-conductive state, whereby the circuit of the battery 20 remains open. Consequently the battery 20 will only supply current to the load via the converter 16 when the output voltage of the fuel cell falls below a predetermined value, which is determined by the reference voltage -V-, falls, and the current is only supplied during a time interval, which is determined by the pulses generated by the multivibrator 38. The multivibrator 38 must be reset and the output voltage of the fuel cell must rise above the reference value before a second current pulse from the batteries 20 can be supplied to the load.

Die Rückstellzeit des Multivibrators 38 ist notwendig, weil die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ansteigen wird, wenn derThe reset time of the multivibrator 38 is necessary because the Output voltage of the fuel cell will increase when the

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Transistorschalter 24 die Batterie parallel zur Brennstoffzelle spaltet und der Spannungsvergleicher 32 würde den Transistorschalter 24 bei einer hohen Frequenz schalten, so wie die Brennstoffzellenausgangsspannung abwechselnd über und unterhalb der Bezugsspannung -V schwingen würde. Transistor switch 24 the battery in parallel with the fuel cell splits and the voltage comparator 32 would turn the transistor switch 24 switch at a high frequency, such as the fuel cell output voltage would oscillate alternately above and below the reference voltage -V.

Eine Sicherung 52, welche zwischen einem Abgriff der Batterie 20 und den Verstärker 50 geschaltet ist und über die dem Verstärker 50 Leistung zugeführt wird, wird durchbrennen und den gesamten Spitzenstromzyklus unterbrechen, wenn das System anfängt zu schwingen, d.h. wenn die Brennstoffzellenausgangsspannung während einer kurzen Zeitperiode Öfters über die Bezugsspannung ansteigt und dann wieder unterhalb dieselbe fällt. Die Sicherung 52 kann in Abhängigkeit von der bestimmten Betriebsweise des Systems ausgelegt werden um ihr Durchbrennen zu ermöglichen und daduch die vollständige Entladung der Batterie zu verhindern, wenn feststeht, wegen der immer wieder geforderten Einschaltung der Batterie, dass ein Fehler im System vorliegt.A fuse 52, which is between a tap of the battery 20 and the amplifier 50 is connected and through which the amplifier 50 is supplied with power, will burn out and the whole Interrupt the peak current cycle when the system begins to oscillate, i.e., when the fuel cell output voltage rises above the reference voltage several times for a short period of time and then falls below it again. The fuse 52 can be designed depending on the particular mode of operation of the system to allow it to burn out and thereby prevent the battery from being completely discharged, if it is established because of the repeatedly requested switching on the battery that an error exists in the system.

Die Batterie 20 kann vom Ausgang des Umformers 16 geladen werden. Ein Gleichrichter 54 ist an den Ausgang 18 des Umformers 16 angeschlossen und richtet die Wechselspannung gleich. Vom Gleichrichter 54 wird über einen gesteuerten Gleichrichter 56 und durch die Batterie 20 Strom zugeführt, mit einer Rückleitung zum Gleichrichter über eine Leitung 58 von der negativen Klemme der Batterie 20. Ein spannungsgesteuerter Schwingkreis 60 ist derart angeschlossen, dass er den Spannungsabfall an der Batterie 20 über Leitungen 62 und 58 misst. Wenn die Batteriespannung niedrig ist, erzeugt der Schwingkreis 60 eine Impulsreihe, welche den gesteuerten Gleichrichter 56 einschaltet, s.odass Ladestromimpülse vom Gleichrichter 54 zum Laden der Batterie 20 geliefert werden. Wenn die Spannung an der Batterie 20 einen vorgegebenen Wert erreicht, wird der Schwingkreis 60 abgeschaltet und kein zusätzlicher Ladestrom kann durch den gesteuerten Gleichrichter 56 hindurch. :Eine zusätzliche Leitung 66 verbindet den Ausgang des Verstärkers 50 mit dem Schwingkreis 60. Ein Impuls am Ausgang des Verstärkers 50,welcher den Transistor 24 einschaltet, wird auch dem Schwingkreis 60 zugeführt um den Schwingkreis auszuschalten, und die Ladung der Batterien za verhindern, während die Batterie der Last Strom zuführt.The battery 20 can be charged from the output of the converter 16. A rectifier 54 is connected to the output 18 of the converter 16 and rectifies the alternating voltage. The rectifier 54 is via a controlled rectifier 56 and through the Battery 20 is supplied with power, with a return line to the rectifier via line 58 from the negative terminal of battery 20. On The voltage-controlled resonant circuit 60 is connected in such a way that it detects the voltage drop across the battery 20 via lines 62 and 58 measures. When the battery voltage is low, the resonant circuit 60 generates a train of pulses which the controlled rectifier 56 switches on, see that charging current pulses are supplied by the rectifier 54 for charging the battery 20. When the voltage on the battery 20 reaches a predetermined value, the resonant circuit 60 is switched off and no additional charging current can pass through the controlled rectifier 56. : An additional line 66 connects the output of the amplifier 50 with the resonant circuit 60. A pulse at the output of the amplifier 50, which turns on the transistor 24, is also fed to the resonant circuit 60 in order to switch off the resonant circuit and prevent the batteries from being charged, while the battery is supplying power to the load.

Der Schwingkreis 60 ist derart aufgebaut, dass er frei läuft, wennThe resonant circuit 60 is constructed in such a way that it runs freely when

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die Spannung an der Batterie 20 niedrig ist und abgeschaltet wird, wenn die Batteriespannung einen spezifischen Einstellpunkt erreicht. Ein Verfahren zur Gewinnung dieses Resultates ist die Anwendung einer Zenerdiode zur Begrenzung der dem Schwingkreis 60 zugeführten Sapnnung. Die Batterie 20 wird während dem Anfang des Ladevorgangs mit maximaler Stromstärke geladen, und dann gepuffert bis die Batterie fast vollständig geladen ist.the voltage on the battery 20 is low and is switched off, when the battery voltage reaches a specific set point. One method of obtaining this result is application a Zener diode to limit the resonance circuit 60 supplied voltage. The battery 20 is charged with maximum amperage during the beginning of the charging process, and then buffered until the battery is almost fully charged.

Eine Diode 68 ist vorzugsweise parallel zum Emitterkollektorstrecke des Transistors 24 geschaltet um einen Schutz gegen hohe Rückspannungen zu liefern.A diode 68 is preferably parallel to the emitter-collector path of transistor 24 is switched to provide protection against high reverse voltages.

Mit der Anwendung des vorliegenden Spitzenstrombatteriesystern= für Brennstoffzellen v/erden zwei unerwünschte Bedingungen vermieden, nämlich ein Motor wird nicht hängen bleiben, d.h. seine Nenndrehzahl nicht erreichen können, wegen der ungenügenden Wechselspannung und durch zu niedrige Wechselspannung des Wechselspannungsspeisesystems hervorgerufenen Flimmern von Lampen wird minimisiert.With the application of the present peak current battery system = for Fuel cells avoid two undesirable conditions, Namely, a motor will not get stuck, i.e. it will not be able to reach its nominal speed, because of the insufficient AC voltage and too low alternating voltage of the alternating voltage supply system Flicker caused by lamps is minimized.

Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind die, dass das System ausgelegt werden kann um längere Übergangsüberlasten ohne Überdimensionierung der Bennstoffzelle zu verkraften.. So kann z.B. die Last aus einem grossen Motor bestehen, welcher mit Unterbrechungen läuft, wie etwa der Motor eines Druckluftkompressors. Ein Spitzenstrombatteriesystem könnte die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle während den Ersten paar Minuten des Betriebes unterstützen, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ihren Nennwert wegen tiefer Temperaturen nicht erreicht. Ein abgeändertes Spitzenstrombatteriesystem kann auch während dem Starten der Brennstoffzelle oder des Leistungsgenerators benutzt werden, um die Gleichstromleistung für Nebenaggregate oder Verluste des Generators bereitzustellen.Other advantages of the present invention are that the system can be designed to cope with longer transitional overloads without oversizing the fuel cell. the load consists of a large motor that runs intermittently, such as the motor of an air compressor. A Peak battery system could power the fuel cell output support during the first few minutes of operation, when the output voltage of the fuel cell is at its nominal value not reached due to low temperatures. A modified peak battery system can also be used while the fuel cell is starting up or the power generator can be used to generate the direct current power for ancillary units or losses of the generator provide.

Andere Anordnungen der Brennstoffzelle, der Batterieladevorrichtung und des Umformers sind auch möglich. So kann in einem Zweistufenumformer, welcher aus einer Reglerstufe und einer Umformstufe besteht, die Batterie parallel zum Ausgang der Reglerstufe geschaltet werden. Mit dieser Anordnung braucht der Regler nicht für die Spitzenleistung ausgelegt zu sein, weil die Spitzenleistung von der Batterie direkt in die Umformerstufe eingespeist wird. Diese Anordnung führt nicht nur zu einer billigen Reglerstufe, sondern vermei-Other arrangements of the fuel cell, the battery charger and the converter are also possible. So in a two-stage converter, which consists of a regulator stage and a converter stage, the battery connected in parallel to the output of the regulator stage will. With this arrangement, the controller does not need to be rated for the peak power, because the peak power of the Battery is fed directly into the converter stage. This arrangement not only leads to a cheap controller stage, but also avoids

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det auch die Spitzenleistungsverluste, welche im Regler auftreten würden, was zu einem wirkungsvolleren System führt.also detects the peak power losses that would occur in the controller, resulting in a more efficient system.

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Claims (13)

- 10 -- 10 - PATENTANSPRÜCHEP ATENT CLAIMS Spitzenstrombatterieeinheit für eine Brennstoffzelle, kennzeichnet durch eine Brennstoffzelle mit zv/ei Ausgangsklemmen zur Stromzufuhr an eine Last, eine Zusatzstrom an die Last liefernde, parallel zu den Ausgangsklemmen der Brennstoffzelle geschaltete Batterie, eine in Reihe mit der Batterie geschaltete hochohmige Schaltervorrichtung, eine parallel zu den Ausgangsklemmen der Brennstoffzelle geschaltete, einen Ausgangsimpuls von festliegender Dauer bei Abfall der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter einen vorgegebenen Wert erzeugende Vorrichtung und den Ausgangsimpuls an die Schaltervorrichtung zur Einschaltung der Schaltervorrichtung und zum Durchlassen von Strom von der Batterie zur Last während der Dauer der Ausgangsimpulse führende Vorrichtung.Peak current battery unit for a fuel cell, characterized by a fuel cell with two / one output terminals for supplying power to a load, supplying additional power to the load, connected in parallel to the output terminals of the fuel cell Battery, a high-resistance switch device connected in series with the battery, one in parallel with the output terminals of the fuel cell switched, an output pulse of fixed Duration when the output voltage of the fuel cell drops below a predetermined value generating device and the output pulse to the switch device for switching on the switch device and means for passing current from the battery to the load for the duration of the output pulses. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltervorrichtung ein normalerweise nichtleitender Transistor ist, der vom Ausgangsimpuls leitend gemacht wird.2. Device according to claim 1, characterized in that the switch device is a normally non-conductive Is transistor, which is made conductive by the output pulse. 3. Vorrichtung nach Anspruch .1 oder 2, gekennzeichnet durch einen hinter die Brennstoffzelle zur Aufnahme des von de^ Brennstoffzelle gelieferten Stromes geschalteten Umformer, dessen Ausgang an die Last angeschlossen ist und durch ein ein Teil des Umformerausgangsstromes zum Laden der Batterie bei Abfall der Batteriespannung unter einen vorgegebenen Wert bereitstellendes. Batterieladegerät.3. Apparatus according to claim .1 or 2, characterized through one behind the fuel cell to accommodate the de ^ Fuel cell supplied current switched converter, the output of which is connected to the load and through a part of the Converter output current for charging the battery when the Providing battery voltage below a predetermined value. Battery charger. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine mit der Batterie in Reihe geschaltete, den Stromfluss von der Brennstoffzeile zur Batterie verhindernde Diode.4. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized by one connected in series with the battery, the current flow from the Fuel line to the battery preventing diode. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine die Batterie nach Eintreten eines Selbsterregungszustandes in der Vorrichtung von der Last abschaltende Trennvorrichtung.5. Apparatus according to claim 1 to 4, characterized by the battery after the occurrence of a self-excitation state disconnecting device in the device that disconnects from the load. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel zu den Ausgangsklemmen der Brennstoffzelle geschaltete Vorrichtung zum Erzeugen des Ausgangsimpulses eine an die Ausgangsklemme der Brennstoffzelle angeschlossene,ein Triggersignal beim Abfall der Brennstoffzellenspannung unter einen vorgegebenen Wert erzeugende Spannungsvergleichsvorrichtung und einen an die Spannungsvergleichsvorrichtung zur Aufnahme des Triggersignals und Erzeugung eines einzigen Ausgangsimpulses angeschlossenen Multivibrator umfasst.6. Apparatus according to claim 1 to 5, characterized in that the parallel to the output terminals of the fuel cell switched device for generating the output pulse one connected to the output terminal of the fuel cell, a trigger signal when the fuel cell voltage drops below one predetermined value generating voltage comparison device and one connected to the voltage comparison device for receiving the trigger signal and generating a single output pulse Includes multivibrator. 409882/0753409882/0753 • ■ ' - li ·• ■ '- li · 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine die Ladung der Batterie bei eingeschalteter Schaltervorrichtung verhindernde Vorrichtung.7. The device according to claim 6, characterized by the charge of the battery when the switch device is switched on preventive device. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieladevorrichtung einen an den Ausgang des Umformers angeschlossenen Gleichrichter zur Umformung des Ausgangswechselstromes des Umformers in Gleichstrom und eine die Gleichspannung vom Gleichrichter zur Batterie führende Vorrichtung.8. The device according to claim 6, characterized in that the battery charger is connected to the output of the converter connected rectifier for converting the output alternating current of the converter into direct current and a device carrying the direct voltage from the rectifier to the battery. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8,'gekennzeichnet durch eine zweite zwischen den Gleichrichter und die Batterie geschaltete Schaltervorrichtung, wobei der Batterieladestromkreis einen die zweite Schaltervorrichtung öffnenden und schliessenden Schwingkreis umfasst, wodurch der Ladestrom der Batterie in Form von Stromiiüpulsen zugeführt wird.9. Apparatus according to claim 8, 'characterized by a second switch device connected between the rectifier and the battery, the battery charging circuit having a second switch device opening and closing oscillating circuit includes, whereby the charging current of the battery in the form of Stromiiulsuls is fed. 10. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Multivibrator ein einen Ausgangsimpuls von vorgegebener Dauer erzeugender monostabilerMultivibrator ist, mit einer Rückstellzeit von etwa gleicher Dauer wie die Impulsdauer, wobei der Multivibrator auf zusätzliche Triggersignale nicht anspricht, ' bis er zurückgesetzt ist.10. The device according to claim 6 to 9, characterized in that the multivibrator has an output pulse of a predetermined value Is a duration-generating monostable multivibrator, with a reset time of approximately the same duration as the pulse duration, where the multivibrator does not respond to additional trigger signals, ' until it is reset. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10-, gekennzeichnet durch eine die Impulsdauer des Ausgangsimpulses zwischen ungefähr 0,5 bis 5 Sekunden verändernde Vorrichtung.11. The device according to claim 10, characterized by a device varying the pulse duration of the output pulse between approximately 0.5 to 5 seconds. 12. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 11, gekennzeichnet durch eine zwischen den Impulsschaltkreis und die erste Schaltervorrichtung geschaltete optische Trennvorrichtung.12. The device according to claim 6 to 11, characterized by one between the pulse circuit and the first switch device switched optical separator. 13. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass- die Vorrichtung zum Trennen der Batterie von der Last nach dem Auftreten eines Selbsterregungszustandes im System eine Schmelzsicherung ist, welche nach der Erzeugung mehrerer Ausgangsimpulse innerhalb einer spezifischen Zeitperiode schmilzt.13. The device according to claim 6 to 12, characterized in that the device for disconnecting the battery from the load after the occurrence of a self-excitation state in the system is a fuse, which after the generation of several output pulses melts within a specific period of time. 409882/0753409882/0753 LeerseiteBlank page
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