DE10065269C1 - Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zu ihrem Betrieb

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Abstract

Eine Brennstoffzellenanordnung (1) umfaßt eine Brennstoffzellen-Stromquelle (10), Peripherieaggregate und eine der Brennstoffzellen-Stromquelle zugeordnete gesteuerte Wasserstoffquelle (11), die auf der Hydrolyse eines Hybrids beruht, ferner eine elektronische Steuerschaltung (12) zur Steuerung der Brennstoffzellen-Stromquelle (10) und eine elektronische Steuerschaltung (13) zur Steuerung der Wasserstoffquelle (11). Die Steuerschaltung (12) der Brennstoffzellen-Stromquelle (10) und die Steuerschaltung (13) der Wasserstoffquelle (11) sind miteinander gekoppelt (14) und die Steuerungen der Stromquelle und der Wasserstoffquelle erfolgen in gegenseitiger Abstimmung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanordnung einschließlich einer Brennstoffzellen-Stromquelle, Peripherieaggregaten und einer der Brennstoffzellen- Stromquelle zugeordneten gesteuerten Wasserstoffquelle, die auf der Hydrolyse eines Hydrids beruht, ferner mit einer elektronischen Steuerschaltung zur Steuerung der Brennstoffzellen-Stromquelle, wobei diese Schaltung wenigstens eine Anschlußklemme für ein Betriebssignal aufweist, und mit einer elektronischen Steuerschaltung zur Steuerung der Wasserstoffquelle, wobei diese Schaltung wenigstens eine Eingangs­ klemme für ein Betriebssignal der Steuerschaltung der Brennstoffzellen-Stromquelle und wenigstens eine mit der Wasserstoffquelle verbundene Ausgangsklemme für Steuer­ signale, mit denen der Betriebszustand der Wasserstoffquelle beeinflußbar ist, aufweist; und bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Betrieb der Brennstoffzellenanordnung.
Die Brennstoffzellenanordnungen, auf die sich die Erfindung bezieht, können eine oder mehrere Brennstoffzellen, insbesondere in Reihenschaltung in Form eines Brennstoffzellenstapels, mit Peripherieaggregaten wie z. B. Ventilen, Lüftern, Steuerun­ gen zur Leistungsbeeinflussung usw. sein. Sie benötigen für ihren Betrieb gasförmigen Wasserstoff.
Es ist an sich bekannt, als Wasserstoffquelle Borhydride zu verwenden, wobei Metallionen zur Ladungskompensation dienen. Das hierfür bekannteste Hydrid ist Natriumborhydrid NaBH4, es kommen aber beispielsweise auch LiBH4, Al(BH4)3, Mg(BH4)2 usw. in Frage. Diese Substanzen können in wässeriger, bevorzugt leicht alkalischer Lösung oder auch in sonstigen geeigneten Lösungsmitteln gelöst eingesetzt werden. Die Hydrolysierung des Hydrids wird in Gang gesetzt durch die Anwesenheit eines Katalysators oder durch ein saures Medium. Als Literatur kann beispielsweise hingewiesen werden auf den Aufsatz von Schlesinger u. a. "Sodiumborohydride, its Hydrolysis and its Use as a Reducing Agent and in the Generation of Hydrogen" in J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 215-219. Auch die Verwendung solcher Substanzen als Wasserstoffquelle für Brennstoffzellen ist bekannt.
Bei der Gaserzeugung aus einer Flüssigkeit aufgrund katalytischer Reaktion ist es weiterhin bekannt, die Reaktion durch den Gasdruck über dem Flüssigkeitsspiegel und eine hierdurch bewirkte Flüssigkeitsverdrängung vom Katalysator weg in Behälter­ abteile mit geringerem Gasdruck zu steuern. Durch den Druck des erzeugten Gases, wenn dieses nicht benötigt und somit nicht abgezogen wird, wird hierbei die Flüssigkeit aus dem Bereich eines Katalysatorbetts verdrängt, bei anschließendem Abzug des Gases kehrt die Flüssigkeit zurück und kommt wieder in Kontakt mit dem Katalysatorbett. Eine derartige Steuerung erweist sich jedoch als relativ träg und unempfindlich gegen verschiedene den Betrieb beeinflussende Reaktionsparameter.
Solche Reaktionsparameter, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen, sind beispielsweise die Temperatur und der Zustand der Lösung. Die Katalysatormenge und die Reaktionsraumgröße müssen den ungünstigsten Bedingungen angepaßt sein. Dies kann aber zu nicht steuerbarer Überproduktion im Fall günstiger Bedingungen, also hoher Reaktionsgeschwindigkeit, führen.
Vorteilhafterweise werden sowohl die Brennstoffzellen-Stromquelle als auch die Wasserstoffquelle durch elektronische Steuerschaltungen gesteuert. Die Stromquelle liefert einen sich einsteifenden Strom an einen Verbraucher wie eine Glühlampe, oder sie erhält beispielsweise für den Betrieb eines Fahrzeugs ein Leistungsanforderungs­ signal durch eine Steuerungsmaßnahme des Fahrzeugführers. Die Gaserzeugung in der Wasserstoffquelle muß dem Brennstoffbedarf der Stromquelle zeitgerecht angepaßt sein und ihm also im Fall von Änderungen folgen.
Durch die Erfindung sollen die Möglichkeiten für eine sachgerechte Steuerung oder auch Regelung geschaffen werden.
Dies erfolgt gemäß einem ersten Schritt der Erfindung durch eine Brennstoff­ zellenanordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ausgangsklemme der Steuerschaltung der Brennstoffzellen-Stromquelle mit der entsprechenden Eingangs­ klemme der Steuerschaltung der Wasserstoffquelle direkt oder über Zwischenglieder gekoppelt ist. Hierdurch ist es möglich, daß man die Wasserstoffquelle direkt in Abhän­ gigkeit von der an die Brennstoffzellen-Stromquelle gerichteten Stromanforderung steuert, die sich auf ein externes Signal oder auch einfach auf den Widerstand des angeschlossenen Verbrauchers bezieht. Weiterhin entsteht erhöhter Wasserstoffver­ brauchs, während der Anodenraum der Brennstoffzellenstromquelle mit Wasserstoff gespült wird, um eindiffundierte Inertgase und Wasseransammlungen zu entfernen, oder während eines kurzzeitigen Kurzschlusses einer oder mehrerer Brennstoffzellen, der von der Steuerschaltung der Brennstoffzellen Stromquelle absichtlich ausgeführt wird, um diese Brennstoffzellen zu regenerieren. Da das vorhersehbare Eintreten dieser Ereignisse der Steuerschaltung rechtzeitig mitgeteilt wird, kann diese die erforderliche Wasserstoffproduktion einjustieren. Außer dieser monologartigen Steuerung ist als zweiter Schritt der Erfindung auch eine dialogartige Steuerung der Wasserstoffquelle und der Stromquelle dadurch möglich, daß die Steuerschaltung der Wasserstoffquelle wenigstens eine Ausgangsklemme für ein Betriebszustandssignal der Wasserstoffquelle aufweist und die Steuerschaltung der Brennstoffzellen-Stromquelle wenigstens eine damit verbundene Steuer-Eingangsklemme für dieses Betriebszustandssignal aufweist und durch dieses Signal die Steuerung der Brennstoffzellen-Stromquelle und/oder ihrer Peripherieaggregate beeinflußt. Man kann hierdurch mit Betriebsdaten der Wasserstoff­ quelle auch den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromquelle steuern. Schließlich ist es gemäß einem dritten Schritt der Erfindung auch möglich, daß die Steuerschaltung der Brennstoffzellen-Stromquelle eine Steuer-Eingangsklemme für ein Leistungsanforde­ rungssignal aufweist und die Steuerschaltung der Wasserstoffquelle eine Steuer- Eingangsklemme für ein Gasfluß-Anforderungssignal aufweist und diese beiden Steuer- Eingangsklemmen der beiden Steuerschaltungen miteinander gekoppelt sind. Bei diesem Fall eines Leistungsanforderungssignals an die Stromquelle steuert dieses Signal über die Wasserstoffquellen-Steuerschaltung auch die Wasserstoffquelle, die hierdurch sehr schnell reagieren kann.
Aufgrund dieser Kooperation der Steuerschaltungen ist es vorteilhaft, wenn beide Steuerungen auf einer gemeinsamen Platine untergebracht sind und eventuell nur einen gemeinsamen Mikroprozessor verwenden. Beide Systeme, die Stromquelle und die Wasserstoffquelle, brauchen für den Startvorgang Fremdenergie aus einer Startbatterie. Auch hier ist es sinnvoll, nur eine einzige Batterie für beide Systeme zu verwenden. Während des Betriebs erhalten diese dann die elektrische Energie für die Pumpe, Ventile und weitere Aggregate durch die Stromerzeugung der Brennstoffzellen- Stromquelle. Vorzugsweise umfaßt die Wasserstoffquelle einen Tank für eine das hydrolysierbare Hydrid enthaltende Flüssigkeit und ist mit Einrichtungen versehen, die gesteuert die Hydrolysierung bewirken, insbesondere mit Katalysatorbetten oder durch die Verwendung saurer Medien wie Phosphorsäure, Ameisensäure, Essigsäure oder Salzsäure. Im Fall solcher saurer Medien beruht die Auswahl der Säuren auf den folgenden drei Gesichtspunkten: möglichst geringe Masse und geringes Volumen für die Lieferung der notwendigen Wasserstoffionenmenge, aus Sicherheitsgründen geringe, aber für die Reaktion ausreichende Säurestärke, und Vermeidung von nichtlösli­ chen Endprodukten.
Bei Verwendung von Katalysatorbetten wird die Konstruktion bevorzugt, daß einzelne unterschiedliche Katalysatorbetten in getrennten Reaktionskammern an­ geordnet sind, die über getrennt steuerbare Ventile in einen Kreislauf der das Hydrid enthaltenden Flüssigkeit einbeziehbar sind. Durch eine solche Einteilung des gesamten Reaktionsraums in mehrere einzeln beschickbare Kammern kann man bei relativ frischer Lösung und hoher Temperatur sowie bei relativ geringer Abweichung vom Solldruck im Gasraum die Reaktionskammern mit kleinem Katalysatorbett, im entgegengesetzten Fall die Reaktionskammern mit großem Katalysatorbett und als Grenzfall alle Reaktions­ kammern verwenden. Der Druck im Gefäß kann hierdurch gut unter Kontrolle gehalten werden und Überdrücke, die für das Gefäß und die Ausgangsdruckregelung kritisch wären, bzw. Druckmangel, der für die Brennstoffzelle kritisch wäre, treten nicht mehr auf.
Die Wasserstoffquelle besteht aus mehreren sperrigen Bauteilen wie Reaktions­ kammern, Filtern, Schläuchen, Ventilen, einer Pumpe und der elektronischen Steuer­ schaltung. Zur Beherrschung der Baugröße und zur Schaffung unempfindlicher Struktu­ ren wird nun bevorzugt, daß der Tank ein Gehäuse aufweist, das im Betrieb bis zu einem gegebenen Pegel mit der das Hydrid enthaltenden Flüssigkeit gefüllt ist und über diesem Pegel ein Puffer-Gasvolumen enthält, wobei, falls vorhanden, die getrennten Reaktions­ kammern und ihre Ventile sowie eine in den Kreislauf einbezogene Pumpe im Tank­ gehäuse über oder unter dem Flüssigkeitspegel angeordnet sind, und sich, umgeben vom Puffer-Gasvolumen, die elektronischen Steuerschaltungen, eine Gasauslaß- Einrichtung mit einem Ventil und einem Tröpfchenfilter, sowie ein über eine Datenleitung mit den Steuerschaltungen verbundener Drucksensor und eventuelle weitere Bauteile im Tankgehäuse über dem Flüssigkeitspegel befinden. Durch diese Integrierung innerhalb des Tankgehäuses besetzen diese nur ihr tatsächliches Volumen, während der dazwischenliegende Raum voll ausgenützt ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Be­ zugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung und teilweise geschnitten eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 in vergleichbarer Darstellung eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Brennstoffzellenanordnung anhand des Beispiels einer Verwendung für einen elektromotorischen Antrieb. Eine in der Zeichnung dargestellte Brennstoffzellenanordnung 1 wird beim beschriebenen Beispiel zum Speisen eines Elektromotors 2 verwendet, der - wiederum beispielhaft - der Antrieb eines Fahrzeugs ist. Die Fahrleistung wird bestimmt durch die Einstellung eines Gebers 3, bei einem Fahrzeug als "Gashebel" bezeichnet, der in der Zeichnung als veränderlicher Widerstand dargestellt ist. Mit seiner Hilfe wird ein Leistungsanforde­ rungssignal an die Brennstoffzellenanordnung 1 gegeben, mit dessen Hilfe die Aus­ gangsspannung der Anordnung 1 an Leistungsausgangsklemmen 4 und damit die Motorleistung beeinflußt werden kann.
Die Brennstoffzellenanordnung 1 enthält als Hauptbestandteile eine Stromquelle in Form eines Brennstoffzellenstapels 10 und eine Wasserstoffquelle 11. In an sich bekannter Weise müssen von diesen beiden Einheiten 10 und 11 Parameter abgefragt und der Betrieb gesteuert werden, wozu die Anordnung eine elektronische Steuer­ schaltung 12 für den Brennstoffzellenstapel und eine elektronische Steuerschaltung 13 für die Wasserstoffquelle aufweist. Die beiden elektronischen Steuerschaltungen 12 und 13 sind auf einer gemeinsamen Platine untergebracht und sind miteinander verkoppelt, wie durch eine Steuerleitung 14 in der Zeichnung symbolisiert ist. Eine Abstimmung der beiderseitigen Steuerungen aufeinander ist so vorgesehen, daß in Abhängigkeit einerseits von dem abgenommenen elektrischen Strom und andererseits von den sonstigen Betriebsparametern die Wasserstofferzeugung auf den dem abgenommenen Strom im wesentlichen proportionalen Wasserstoffverbrauch abgestimmt wird. Abwei­ chungen von der Proportionalität können durch Spülen oder durch kurzzeitige Regenerierungs-Kurzschlüsse auftreten. Es ist sinnvoll, diese Ereignisse der Steuerung der Wasserstoffquelle ebenfalls zu übergeben.
Die Wasserstoffquelle 11 ist als Tank ausgebildet, mit einem mit Ausnahme der Leitungsdurchleitungen geschlossenen Gehäuse 19, in dem eine wässerige Lösung von NaBH4 bis zu einem Pegel 21 enthalten ist. Über eine Ansaugleitung 22 wälzt eine Pumpe 23 die Lösung 20 um, indem sie sie unter dem Pegel ansaugt und über ein Katalysatorbett 28 in den Tankvorrat zurückleitet. Der Katalysator bewirkt die Hydrolysie­ rung des NaBH4 in der Lösung, wodurch einerseits Wasserstoffgas und andererseits Natriumborat, also ein wasserlösliches, inertes Salz, entstehen. Als Katalysator sind verschiedene Materialien geeignet, beispielsweise Ruthenium, Kobalt oder Raney-Nickel.
Das Katalysatorbett 28 ist in mehrere voneinander getrennte Reaktions­ kammern 29 unterteilt, die jeweils unterschiedliche Mengen des Katalysators enthalten und über ein jeweiliges Ventil 30 an den Ausgang der Pumpe 23 angeschlossen sind. Durch Steuerung der Pumprate der Pumpe 23 und der Ventile 30 sowie in Abhängigkeit von Parametern wie dem NaBH4-Gehalt der Lösung und deren Temperatur wird die Gaserzeugung auf den momentanen Bedarf und den vorhersehbaren zukünftigen Bedarf abgestimmt.
Das entstehende Gas füllt das Volumen 31 im Gehäuse 19, das als Puffer- Gasvolumen dient. In diesem Puffervolumen 31 kann der Druck höher vorgesehen werden, als ihn die Brennstoffzelle benötigt. Durch die Verzögerung der Beendigung der Wasserstofferzeugung bei einer plötzlichen Abschaltung der Stromabnahme einerseits und durch die Verzögerung des Beginns der höheren Wasserstofferzeugung im Fall einer plötzlich höheren Stromabnahme steigt bzw. sinkt der Druck des Volumens 31, wodurch die Pufferwirkung erzielt wird. Die Verzögerungen ergeben sich aus der benötigten Zeitdauer, bis die Lösung in die Reaktionskammern 29 gepumpt bzw. wieder aus ihnen entfernt ist, was teils durch Abfließen, teils durch Rückwärtspumpen mit der Pumpe 23 erfolgt. Darüber hinaus kann nicht die gesamte Lösung abgepumpt werden, da aufgrund der Kapillarwirkung etwas Lösung vom Katalysatorbett aufgesaugt wird. Diese wird in jedem Fall abreagieren. Am Gasausgang befindet sich für die schließliche Druckanpassung ein Druckminderer 32 in Form eines Proportionalventils, das durch eine Ventilsteuerung 33 entsprechend den Vorgaben durch die Steuerschaltungen 12 und 13 gesteuert wird.
Das erzeugte Gas enthält zunächst neben dem Wasserdampf auch noch kleine Tröpfchen aus der Lösung. Diese Tröpfchen sind alkalisch und wären geeignet, die Membranen im Brennstoffzellenstapel 10 zu vergiften. Das Wasserstoffgas wird deshalb durch einen Filter 34 geleitet, der aus einem mechanischen Feinfilter und einem nachgeschalteten sauren Ionenaustauscher besteht. Schließlich wird das Wasserstoff­ gas an einem Gasnippel 35 unter dem für den erforderlichen Gasfluß benötigten Druck abgegeben.
Der Druck-Variationsbereich im Puffer-Gasvolumen kann zweckmäßigerweise von 0,5 bis 10 bar betragen. Zu seiner Erfassung befindet sich innerhalb des Gehäuses 19 ein Drucksensor 38, der sein Meßergebnis an die Steuerschaltung 13 meldet. Weiterhin vorhanden ist ein Temperatursensor 39, der die Temperatur der Lösung 20 an die Steuerschaltung 13 meldet. Beide Meßgrößen werden in die Regelstrategie miteinbezogen.
Die verschiedenen Bestandteile des Gaserzeugers, beispielsweise die Pumpe 23, das Katalysatorbett 28 mit den Reaktionskammern 29, die Ventile 30, der Druck­ minderer 31 mit der Ventilsteuerung 32, der Filter 33 und die Sensoren 38 und 39, diese Elemente verbindende Rohr- und Schlauchleitungen und außerdem die Steuerschaltun­ gen 12 und 13 sind im Gehäuse 19 des Tanks der Wasserstoffquelle 11 untergebracht. Diese stellt also nach außen nur ein geschlossenes Gehäuse mit einigen Anschlüssen dar, während die sperrigen Teile alle innerhalb des Tanks und insbesondere über dem Pegel 21 im Gasvolumen 31 angeordnet sind. Die Zwischenräume zwischen diesen sperrigen Teilen erfüllen also mit die Funktion des Puffervolumens oder des Flüssigkeitsspeichervolumens.
Von den elektronischen Steuerschaltungen 12 und 13 gehen eine Anzahl von Meß- und Befehlsdatenleitungen aus, die teilweise nur schematisch dargestellt und nicht sämtlich mit Bezugszeichen versehen sind. Es sind derartige Leitungen einerseits von den Sensoren 38 und 39 zur Steuerschaltung 13 und andererseits von dieser Steuer­ schaltung 13 zu der Pumpe 23, den Ventilen 30 und der Ventilsteuerung 33 dargestellt. Die Steuerschaltung 12, die den Gasfluß und die Kühlung im Brennstoffzellenstapel 10 steuert, empfängt vom einem Leistungssensor 41 Signale, die den Strom und die Spannung an den Ausgangsklemmen des Stapels 10 melden, sowie ein Leistungs­ anforderungssignal vom Geber 3. Der Leistungssensor 41 ist schematisch als Sensor dargestellt, der ein Stromsignal und ein Spannungssignal liefert, jedoch genügt auch ein einfaches Stromsignal. Das Leistungsanforderungssignal vom Geber 3 wird auch der Steuerschaltung 13 eingespeist, desgleichen die Daten vom Leistungssensor 41. Über die Steuerleitung 14 tauschen die beiden Steuerschaltungen auch noch weitere Daten aus, die zu auswertbaren Ergebnissen führen. Aufgrund dieser Eingaben bei der Steuerschaltung 13 kann die Gasproduktion durch Pumprate und Wahl der Reaktions­ räume genau und schnell eingestellt werden.
Ist die Lösung verbraucht und wird hierdurch der Wasserstoffdruck zu gering, so muß der Brennstoffzellenstapel 10 seine Abgabeleistung reduzieren und ab einem unteren Grenzwert ganz abschalten, da sonst die Gefahr einer Unterversorgung einiger Zellen mit Wasserstoff besteht, was die Zellen irreversibel schädigen kann.
Aufgrund der Erfassung der abgegebenen Ladungsmenge in Amperesekunden seit der letzten neuen Befüllung des Tanks mit frischer Lösung kann das System die noch vorhandene Energiereserve berechnen und anzeigen. Beim Frischbefüllen des Tanks ist also ein entsprechendes Startsignal an die elektronischen Schaltungen 12 und 13 zu geben.
Der entstehende Wasserstoff enthält je nach Temperatur im Volumen 31 auch noch Wasserdampf. Dieser ist prinzipiell von Vorteil für die Brennstoffzellen im Stapel 10, da er das Austrocknen der Membranen verhindert. Der Feuchtigkeitsgehalt des Wasserstoffs schwankt jedoch stark mit der Temperatur, die beim Start niedrig ist und später beispielsweise 50 bis 70°C beträgt. Mit der Variation der Feuchtigkeitsmenge schwankt auch die optimale Betriebstemperatur der Brennstoffzellen. Die Steuer­ schaltung 13 der Wasserstoffquelle meldet deshalb die Temperatur im Tank an die Steuerschaltung 12 des Brennstoffzellenstapels, damit dessen Soll-Betriebstemperatur angepaßt wird.
Fig. 2 zeigt ein in zwei Hinsichten abgewandeltes System. Der elektrische Verbraucher ist kein Motor, sondern eine Glühlampe 43 ohne eine Möglichkeit der Einstellung der Lichtstärke. Es fehlt also der Geber 3 von Fig. 1. Erfaßt wird nur die elektrische Istleistung. Und die Wasserstofferzeugung erfolgt nicht durch katalytische Reaktion, sondern in an sich bekannter Weise durch saures Medium. In saurem Medium setzt die Hydrolyse des NaBH4 auch ohne Katalysator ein. Gemäß Fig. 2 befindet sich die Lösung 20 innerhalb des Gehäuses 19 in einem inneren Behälter 44, aus dem sie mit Hilfe der Ansaugleitung 22 und der Pumpe 23 über eine Ausgangsleitung 45 dosiert in ein Säurebad 46 gepumpt wird.
Als weitere Variation der Anordnung von Fig. 2 kann anstelle des Säurebads 46 auch eine Lösung oder eine Suspension von Katalysatormaterial verwendet werden, das sich im entsprechenden Abteil des Tanks befindet. Letzteres ist insbesondere dann gegenüber in einem in Katalysatorbetten festgelegtem Katalysator vorteilhaft, wenn durch diese nur geringe Kosten und Entsorgungsprobleme bei Auswechseln der verbrauchten Lösung mit den in ihr enthaltenen Katalysatorpartikeln entstehen.
Aufgrund der dargestellten Anordnung entfallen auch die verschiedenen Reaktionskammern 29. Die Steuerung ist insofern allgemein vereinfacht, jedoch ist trotzdem die Kommunikation zwischen den Steuerschaltungen 12 und 13 von Vorteil.
In in der Zeichnung nicht dargestellter Weise kann die Steuerung der Stroment­ nahme auch extern z. B. durch eine Taktung durchgeführt werden. Hierbei wird typi­ scherweise ein MOS-FET (Transistor) in den Leistungskreis eingebaut, der mittels PWM (Pulsweiten-Modulation) angesteuert wird und im Rhythmus von Puls und Pause leitend wird und wieder sperrt; diese Bauteile werden sinnvollerweise nicht im Tank unterge­ bracht, da sie externer Kühlung bedürfen.

Claims (22)

1. Brennstoffzellenanordnung (1) einschließlich einer Brennstoffzellen-Stromquelle (10), Peripherieaggregaten und einer der Brennstoffzellen-Stromquelle zu­ geordneten gesteuerten Wasserstoffquelle (11), die auf der Hydrolyse eines Hydrids beruht,
ferner mit einer elektronischen Steuerschaltung (12) zur Steuerung der Brennstoffzellen-Stromquelle (10), wobei diese Schaltung wenigstens eine Anschlußklemme für ein Betriebssignal aufweist,
und mit einer elektronischen Steuerschaltung (13) zur Steuerung der Wasser­ stoffquelle (11), wobei diese Schaltung wenigstens eine Eingangsklemme für ein Betriebssignal der Steuerschaltung (12) der Brennstoffzellen-Stromquelle und wenigstens eine mit der Wasserstoffquelle verbundene Ausgangsklemme für Steuersignale, mit denen der Betriebszustand der Wasserstoffquelle beeinflußbar ist, aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemme der Steuerschaltung (12) der Brennstoffzellen-Stromquelle (10) mit der entsprechenden Eingangsklemme der Steuerschaltung (13) der Wasserstoffquelle (11) gekoppelt ist (14).
2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (13) der Wasserstoffquelle (11) wenigstens eine Aus­ gangsklemme für ein Betriebszustandssignal der Wasserstoffquelle aufweist und die Steuerschaltung (12) der Brennstoffzellen-Stromquelle (10) wenigstens eine damit verbundene (14) Steuer-Eingangsklemme für dieses Betriebs­ zustandssignal aufweist und durch dieses Signal die Steuerung der Brennstoffzellen-Stromquelle und/oder ihrer Peripherieaggregate beeinflußt.
3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (12) der Brennstoffzellen-Stromquelle (10) eine Steuer-Eingangsklemme für ein Leistungsanforderungssignal (von 3) aufweist und die Steuerschaltung (13) der Wasserstoffquelle (11) eine Steuer Eingangs­ klemme für ein Gasfluß-Anforderungssignal aufweist und diese beiden Steuer- Eingangsklemmen der beiden Steuerschaltungen miteinander gekoppelt sind.
4. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Steuerschaltungen (12, 13) Mikro­ prozessorschaltungen sind und auf einer gemeinsamen Platine untergebracht sind.
5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden elektronischen Steuerschaltungen (12, 13) einen gemeinsamen Mikroprozessor verwenden.
6. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen-Stromquelle (10), die Wasserstoff­ quelle (11) und ihre Steuerschaltungen (12, 13) an eine gemeinsame Startbat­ terie angeschlossen sind.
7. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffquelle (11) einen Tank (19) für eine das hydrolysierbare Hydrid enthaltende Flüssigkeit (20) umfaßt und mit gesteuert die Hydrolysierung bewirkenden Einrichtungen (28, 29; 45, 46) versehen ist.
8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Hydrolysierung bewirkenden Einrichtungen Katalysatorbetten (28) sind.
9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Hydrolysierung bewirkenden Einrichtungen (45) zur Zugabe von hydrolysierbarem Hydrid (20) zu einer Säure (46) oder zu nicht gebundenem Katalysatormaterial sind.
10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Katalysatorbetten mit unterschiedlicher Katalysatormenge jeweils selektiv mit der das Hydrid enthaltenden Flüssigkeit kontaktierbar sind (28, 29).
11. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Katalysatorbetten in getrennten Reaktionskammern (29) an­ geordnet sind, die über getrennt steuerbare Ventile (30) in einen Kreislauf der das Hydrid enthaltenden Flüssigkeit (20) einbeziehbar sind.
12. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank ein Gehäuse (19) aufweist, das im Betrieb bis zu einem gegebenen Pegel (21) mit der das Hydrid enthaltenden Flüssigkeit (20) gefüllt ist und über diesem Pegel ein Puffer-Gasvolumen (31) enthält.
13. Brennstoffzellenanordnung nach dem auf Anspruch 10 rückbezogenen An­ spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Reaktionskammern (29) und ihre Ventile (30) sowie eine in den Kreislauf einbezogene Pumpe (23) im Tankgehäuse (19) über oder unter dem Flüssigkeitspegel angeordnet sind.
14. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Tankgehäuse (19) über dem Flüssigkeitspegel (21), umgeben vom Puffer-Gasvolumen (31), die elektronischen Steuerschaltungen (12, 13), eine Gasauslaß-Einrichtung (32-35) mit einem Ventil (32) und einem Tröpfchenfilter (34), sowie ein über eine Datenleitung mit den Steuerschaltungen (12, 13) verbundener Drucksensor (38) befinden.
15. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Steuerschaltungen (12, 13) über eine Datenleitung mit zumindest einem im Tank angeordneten Temperatursensor (39) verbunden sind.
16. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Steuerschaltungen (12, 13) eine Einrichtung (41) zur Messung der von der Brennstoffzellen-Stromquelle (10) abgegebenen elektrischen Ladungsmenge und eine Einrichtung zum Inbezie­ hungsetzen dieser Ladungsmenge zur vom Vorrat (20) an hydrolysierbarem Hydrid über die Wasserstofferzeugung und die Brennstoffzellen-Stromquellere­ aktion insgesamt lieferbaren Ladungsmenge enthält.
17. Verfahren zum Betrieb der eine Brennstoffzellen-Stromquelle und eine Wasser­ stoffquelle umfassenden Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wasserstoffquelle (11) direkt in Abhängigkeit von der an die Brennstoffzellen-Stromquelle (10) gerichteten Leistungsanforderung (2, 41) steuert.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Betriebs­ daten der Wasserstoffquelle (11) auch den Betrieb der Brennstoffzellen- Stromquelle (10) steuert.
19. Verfahren nach Anspruch 18 zum Betrieb der Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Brennstoffzellen-Strom­ quelle (10) zusätzlich in Abhängigkeit vom Druck des erzeugten Wasserstoffs im Puffer-Gasvolumen (31) des Tanks steuert.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einem Druckabfall unter gegebene Schwellen die weitere elektrische Leistungsabgabe drosselt und schließlich sperrt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß man die Solltemperatur der Brennstoffzellen-Stromquelle (10) in Abhängigkeit von der Isttemperatur der Wasserstoffquelle (11) steuert.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangssubstanz für die Hydridhydrolysierung eine wässerige Lösung (20) eines Metallborhydrids, vorzugsweise Natriumborhydrid NaBH4, verwendet.
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