Stromversorgung mittels Brennstoffzellen

Beschreibung-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung gemäß den Oberbegriffliehen Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Bereitstellung einer elektrischen Stromversorgung erfolgt meistens mittels Verbindungen zu einem Stromnetz oder in e- lektrische Vorrichtungen eingesetzte Batterien und Akkumulatoren.

Stand der Technik

Batterien und Akkumulatoren lassen sich auch durch Brennstoffzellenanordnungen ersetzen. Brennstoffzellen bestehen üblicherweise aus einer ersten und einer Elektrodenanordnung, von denen eine als Anode und die andere als Kathode dient. Zwi- sehen den beiden Elektrodenanordnungen befindet sich eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) mit katalytischer Eigenschaft, welche als protonendurchlässige Membran mit katalytischer Beschichtung dient. Weiterhin müssen ein Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, und ein Reaktant, der zur Stromer- zeugung mit Protonen, die aus dem Brennstoff stammen und durch die Membran hindurchgetreten sind, reagiert, bereitgestellt und zugeführt werden. Durch serielle und parallele Verschal- tung mehrerer Brennstoffzellen kann eine Stromversorgung mit den jeweils gewünschten Leistungsmerkmalen hergestellt werden.

Eine für eine solche statische Verschaltung ausgelegte Anordnung von Brennstoffzellen wird beispielsweise in der DE 3907485 Al offenbart.

Eine solche Anordnung weist jedoch Nachteile auf. So kann der Ausfall einer einzigen Brennstoffzelle das gesamte Aggregat unbrauchbar machen, weil z.B. bei einer Reihenschaltung nicht mehr die angestrebte AusgangsSpannung erreicht werden kann. Weiterhin ist der Innenwiderstand einer Brennstoffzelle und somit die bereitgestellte Zellspannung spürbar vom Stromfluss, und damit der angelegten Last abhängig. Dies kann einerseits das Ausgangsspannungsniveau der Stromversorgung beeinflussen und andererseits dazu führen, dass die einzelnen Zellen in einer festen Verschaltung nicht mehr im optimalen Arbeitsbereich betrieben werden können.

Lediglich im Hinblick auf den Betrieb bei niedrigen Lasten ist ein Lösungsansatz dazu aus der DE 10260013 Al bekannt, bei dem im Niederlastbetrieb die Erzeugung elektrischer Energie mit- tels einer Brennstoffzelle komplett aufgehoben und durch eine Sekundärbatterie ersetzt wird.

Aufgabenstellung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu beheben und eine verbesserte Stromversorgung mittels Brennstoffzellen bereitzustellen, die sich adaptiv der aktuellen Last anpassen und auf Lastwechsel reagieren kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromversorgung mittels Brennstoffzellen gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ausgegangen wird dabei von einer Anordnung von mehreren Brennstoffzellen oder fest verschalteten Gruppen von Brennstoffzellen, die durch eine Steuereinrichtung über verlustarme Schal- ter unterschiedlich verschaltet werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden diese Schalter als Halbleiterbauelemente, insbesondere in CMOS-Technologie gefertigt. Die Verwendung dieser erprobten Mikrostrukturtechnologie sorgt nicht nur für kurze Schaltzeiten bei geringer Leistungsaufnahme der Schalter, sondern ermöglicht auch eine kostengünstige Fertigung der Anordnung.

Zur Erzielung einer besonders kompakten Ausführungsform und zur vollen Ausnutzung des Potentials der Mikrostrukturtechnologie ist es von Vorteil, chipintegrierte Brennstoffzellen zu verwenden. Besonders geeignet sind dabei solche chipinte- rierten Brennstoffzellen, bei denen der Brennstoff (H2) und/ oder der Reaktant (02) in einer als Brennstoff-Bereitstel- lungseinrichtung ausgebildeten Elektrode und/oder einer dazu benachbarten Schicht integriert ist, da sich dann Zuführungen für diese Materialien aus externen Reservoiren erübrigen, was eine weitere Miniaturisierung und kompakte Bauweise ermöglicht. Dies ist gerade für mobile Anwendungen von hoher Bedeu- tung. Denkbar ist auch der Einsatz autarker Brennstoffzellen, wie sie in der EP1575116A1 offenbart sind.

Die Verwendung von Metallhydriden und insbesondere Palladiumhydrid für eine Elektrode, die als Brennstoff- Bereitstellungseinrichtung ausgelegt ist, hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen. Der spezifische Widerstand von mit Wasserstoff beladenem Palladium ist empfindlich von dem Beladungsgrad abhängig, so dass es durch eine einfache Wider-

Standsmessung möglich ist, den aktuellen Ladezustand einer gegebenen Brennstoffstelle mittels einer Erfassungseinheit auszulesen, wenn man einen integrierten PalladiumwasserstoffSpeicher beispielsweise mit Goldleiterbahnen kontaktiert. Bei die- ser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, eine Steuerelektronik vorzusehen, die den Ladezustand einer oder mehrerer gegebener Brennstoffzellen als Kriterium zur Auswahl der in eine gegebene Schaltkonfiguration einzubeziehende Brennstoffzelle verwendet.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die an der Stromversorgung anliegende Last durch eine Erfassungseinheit gemessen wird und diese Information genutzt wird, um die Verschaltung der einzelnen Brennstoffzellen des Feldes zu optimieren.

Weiter besteht die Möglichkeit, die AusgangsSpannung der durch die Brennstoffzellen gebildeten Stromversorgung selbst mittels einer Erfassungseinheit zu überwachen und die Verschaltung beim Abweichen von einem Sollwert entsprechend anzupassen. Dies führt zu einer diskreten änderung des Spannungswertes. Wird eine weitere Spannungsstabilisierung angestrebt, kann eine integrierte Schaltung zur Spannungsstabilisierung oder Spannungsregelung, insbesondere eine DC-DC WandlerSchaltung, der gesamten BrennstoffZellenanordnung oder auch einzelnen Bestandteilen dieser Anordnung bis hin zu einzelnen Brennstoffzellen nachgeschaltet werden. Insbesondere ist die Spannungsstabilisierung auf 3.3 bzw. 5 V von technologischem Interesse.

Die Ausgangsspannung, die durch die Steuereinrichtung -ggf. unter Einbeziehung einer oder mehrerer zusätzlicher DC-DC- Wandlerschaltungen- eingestellt wird, braucht dabei nicht zeitlich konstant zu sein. Die erfindungsgemässe variable Ver-

Schaltung erlaubt es vielmehr, zeitabhängige Ausgangsspannungsprofile bereitzustellen, bei denen die Zeitauflösung nur durch die Schaltzeiten der Schalter limitiert ist und der Betrag der maximalen Spannungsamplitude durch die konkret ver- wendete BrennstoffZellenanordnung vorgegeben ist.

Weiterhin erlaubt die erfindungsgemässe Verschaltung der Brennstoffzellen auch eine reversible Auftrennung des Systems in zwei Teilsysteme. Sieht man mehr als zwei Stromversorgungs- kontakte vor, ist denkbar, mittels der einen Brennstoffzellen- anordnung simultan zwei sehr unterschiedliche Spannungssigna- Ie, z.B. eine auf 3.3 V stabilisierte Spannung und eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Amplitude von IV bereitzustellen. Integriert man auf einem entsprechen- den Chip noch einen Sensor/Aktuator einschliesslich Elektronik und Funkeinheit, so lassen sich Sensor und Elektronik und Funkeinheit mit unterschiedlichen Spannungen versorgen.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Systems, bei der sämtliche Bauelemente auf demselben Halbleiterkörper angeordnet sind.

Ausführuncrsbeispiel

Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig 1: Prinzipskizze des Aufbaus einer einzelnen Brennstoffzelle in bevorzugter Ausführung.

Fig 2: Die Strom-Spannungskennlinie einer Brennstoffzelle

Fig 3: Prinzipskizze einer erfindungsgemässen Anordnung von zwei Brennstoffzellen.

Fig 4: Prinzipskizze zur Verdeutlichung einer erfindungsgemäs- sen Anpassung der Verschaltung der Brennstoffzellen an den Ladungszustand der Zellen

Fig 5: Prinzipskizze zur Verdeutlichung einer erfindungsgemässen Anpassung der Verschaltung der Brennstoffzellen an einen erfolgten Lastwechsel.

Fig 6: Prinzipskizze zur Verdeutlichung einer erfindungsgemässen Anpassung der Verschaltung der Brennstoffzellen an einen Wechsel der AusgangsSpannung.

Fig 7: Prinzipskizze zur Verdeutlichung der erfindungsgemässen Spannungsstabilisierung mittels eines DC-DC Wandlers.

Wie aus Figur 1 hervorgeht, besteht eine Brennstoffzelle im wesentlichen aus einer ersten Elektrode 3 und einer zweiten Elektrode 4 bzw. entsprechenden Elektrodenanordnungen. Die beiden Elektroden (3,4) sind zumindest durch eine Protonen durchlassende Schicht 5 in Form vorzugsweise einer katalyti- schen Membran ausgebildet. Die Elektroden 3, 4 sind als Anode bzw. Kathode ausgebildet und weisen elektrische Anschlüsse 8 auf. Beim Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode 3 direkt auf einem Träger 2 angeordnet, so dass eine direkte Verbindung zu einem entsprechend leitfähigen Bereich des Trägers 2 erfolgen kann. Für den Anschluss der zweiten Elektrode 4 wird bei- spielsweise eine Kontaktierung 8 in From einer Leiterbahn ausgebildet, die von der zweiten Elektrode 4 aus zu der Oberfläche des Trägers 2 führt. Der Träger 2 besteht in besonders bevorzugter Ausführungsform aus einem Polysilizium 6 mit ent-

sprechender Dotierung bzw. Ausbildung entsprechend dotierter Bereiche. Da Polysilizium 6 bildet eine übergangsschicht zu einer darunter angeordneten integrierten Schaltung 7 (IC), die beispielsweise zur Verschaltung der Brennstoffzelle oder zur Spannungsstabilisierung dienen kann oder die Schaltung, die durch Brennstoffzellen mit Strom zu versorgen ist, ist.

Figur 2 zeigt die typische Strom-Spannungskennlinie einer Brennstoffzelle. Man erkennt sofort die Problematik, dass bei einem höheren Stromfluss, also höherer Last, die von der Brennstoffzelle bereitgestellte AusgangsSpannung absinkt.

Anhand der Figur 3, in der wie in allen folgenden Figuren gestrichelte Linien eine Signalkommunikation andeuten, wird nun die erfindungsgemäße Anordnung schematisch unter Verwendung von Schaltsymbolen erklärt: Die Brennstoffzellen (1,1) sind miteinander durch Schalter (S1-S5) so verschaltbar, dass sie durch die Steuereinrichtung (12), welche die Schalterpositionen bestimmt, parallel, in Reihe, einzeln oder gar nicht zur Energieversorgung der an den Anschlusskontakten (10,11) angeschlossenen Last beitragen können. Konkret ergibt sich:

eine Reihenschaltung der Brennstoffzellen, wenn nur die Schalter S2, S4 und S5 geschlossen sind - eine Parallelschaltung der Brennstoffzellen, wenn nur die Schalter S1-S4 geschlossen sind

- Einzelbetrieb der linken Brennstoffzelle, wenn nur die Schalter Sl und S4 geschlossen sind

Einzelbetrieb der rechten Brennstoffzelle, wenn nur die Schalter S2 und S3 geschlossen sind

- Abkopplung von der Last, wenn alle Schalter offen sind.

Die Figur 4 zeigt schematisch ein einfaches Beispiel für die Funktionsweise der Ladungsüberwachung. Angenommen wird wieder die einfache Anordnung von zwei Brennstoffzellen (1/1) und eine Last, für die die Versorgung durch eine Brennstoffzelle die optimale Betriebsbedingung darstellt. Diese Versorgung sei zunächst durch Schliessen der Schalter Sl und S4 durch die Steuereinrichtung (12), die mit den Schaltern (S1-S5) in Signal- kommunikation steht und deren Schaltpositionen bestimmt, gewährleistet. Erfasst die Erfassungseinrichtung für den Ladezu- stand (13) der Zellen nun die Unterschreitung einer gegebenen Ladungsschwelle für die verwendete Brennstoffzelle, wird diese Information an die Steuereinrichtung (12) weitergegeben, die daraufhin durch Schliessen der Schalter S2 und S3 und gleichzeitiges öffnen der Schalter Sl und S4 die Brennstoffzelle, durch die die elektrische Energie bereitgestellt wird, austauscht. Ebenso ist denkbar, dass bei Verfügbarkeit von mehreren unbelasteten Brennstoffzellen diejenige verwendet wird, deren Ladezustand noch am höchsten ist.

Die Figur 5 zeigt schematisch ein einfaches Beispiel für die

Funktionsweise der Lastüberwachung. Angenommen wird wieder die einfache Anordnung von zwei Brennstoffzellen (1,1) und zunächst eine Last, für die die Versorgung durch eine Brennstoffzelle die optimale Betriebsbedingung darstellt. Diese Versorgung sei zunächst durch Schliessen der Schalter Sl und S4 durch die Steuereinrichtung (12), die mit den Schaltern (S1-S5) in Signalkommunikation steht und deren Schaltpositionen bestimmt, gewährleistet. Erfasst die Erfassungseinrichtung für die aktuelle Last (14) nun beispielsweise einen Anstieg der Last, so dass die Betriebsbedingungen der belasteten

Brennstoffzellen den optimalen Bereich verlassen, wird diese Information an die Steuereinrichtung (12) weitergegeben, die

daraufhin durch Schliessen der Schalter S2 und S3 die Last auf mehr Brennstoffzellen verteilt.

Die Figur 6 zeigt schematisch ein einfaches Beispiel für die Funktionsweise der Ausgangsspannungsüberwachung. Dabei sind nur die Schalter S6-S11 eingezeichnet, die in diesem Beispiel betätigt werden. Angenommen wird hier eine Anordnung von sechs Brennstoffzellen (1) und zunächst eine Last, für die die Versorgung durch zwei aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Brennstoffzellen gebildete Kaskaden zu optimalen Betriebsbedingung der Brennstoffzellen führt. Dazu sind nur die Schalter S5 und S6 geschlossen. Erfasst die Erfassungseinrichtung für die aktuelle Ausgangsspannung (15) nun einen starken Abfall der Spannung, so wird diese Information an die Steuereinrich- tung (12) weitergegeben, die daraufhin durch Schliessen der Schalter S7-S10 und öffnen der Schalter Sil und S6 die Ausgangsspannung wieder erhöht.

Die Figur 7 zeigt das Prinzip einer nachgeschalteten Span- nungsstabilisierung mittels eines DC-DC-Wandlers (16) . Ausgegangen wird hier von mehreren Kaskaden von Brennstoffzellen, die als Funktion der Last zu- bzw. abgeschaltet werden, wie vorstehend anhand des in der Figur 4 dargestellten einfachen Beispiel verdeutlicht wurde. Kommt es nun zu einem Lastwechsel und wird eine der Kaskaden zugeschaltet, wird der Strom durch jede einzelne der Kaskaden reduziert, so dass man an einem anderen Punkt der Strom-Spannungskennlinie arbeitet. Als Konsequenz würde ein solches Zu- bzw. Abschalten zu einer spürbaren änderung der AusgangsSpannung führen. Prinzipiell lässt sich dieser Effekt durch die änderung der Zahl von Brennstoffzellen, die in den einzelnen Kaskaden in Reihe geschaltet sind, kompensieren, wie es vorstehend anhand der Figur 5 geschildert wurde, allerdings nur in diskreten Schritten. Für eine verbes-

serte Stabilisierung ist es deshalb zweckmäßig, eine DC-DC- Wandlerschaltung (16) der BrennstoffZeilenanordnung nachgeordnet einzuseten.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind lediglich die prinzipiellen Funktionsweisen der jeweiligen Bauelemente skizziert. Weitere für die Funktion erforderliche Bauelemente sind gemäß dem Wissen des Fachmanns einzusetzen.

Bezugszeichenliste

1 Brennstoffzelle

2 Träger 3 erste Elektrode

4 zweite Elektrode

5 protonendurchlässige Schicht

6 Polysilizium

7 integrierte Schaltung 8 elektrischer Leiter

9 Last

10 Anschlusskontakt

11 Anschlusskontakt

12 Steuereinrichtung 13 Erfassungseinrichtung für den Ladezustand

14 Erfassungseinrichtung für die aktuelle Last

15 Erfassungseinrichtung für die aktuelle Ausgangsspannung

16 DC-DC-Wandler