DE10119339A1

DE10119339A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Druckregulation in Brennstoffzellensystemen

Info

Publication number: DE10119339A1
Application number: DE10119339A
Authority: DE
Inventors: Axel Heitzler; Christopher Hebling; Andreas Schmitz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2021-04-21
Also published as: DE10119339B4; WO2002086996A1; US20040157097A1; US7618730B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Polyelektrolytmembran-Brennstoffzelle sowie ein Verfahren, mit dem der Druck innerhalb der Brennstoffzelle über die Menge des eingeleiteten Brennstoffs reguliert werden kann. Diese Regulation erfolgt über Drucksensoren, die über eine elektronische Steuereinheit gesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle sowie ein Verfahren, mit dem der Druck innerhalb der Brenn stoffzelle über die Menge des eingeleiteten Brenn stoffs reguliert werden kann. Diese Regulation er folgt über Drucksensoren, die über eine elektronische Steuereinheit gesteuert werden.

Miniaturisierte Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellen (PEMFC) werden bei einem leichten Überdruck von typischerweise 50-100 mbar betrieben. Bei diesen Brennstoffzellensystemen wird ein nur ge ringer Überdruck verwendet, da aufgrund der Miniatu risierung eine geringe mechanische Belastbarkeit im Vergleich zu größeren Systemen vorliegt. Gleichzeitig sprechen auch Sicherheitsgründe für einen Betrieb bei geringen Überdrücken.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoff zellen wird der Brennstoff zunächst einem Druckspei cher entnommen, der unter starkem Überdruck steht. Bei Verwendung von Wasserstoff wird beispielsweise Metallhydrid in einem Druckspeicher mit etwa 2-10 bar Überdruck eingesetzt. Für die Zuführung des Brenn stoffs aus diesem Druckspeicher in die Brennstoffzel le ist nun eine Druckminderung notwendig. Nach dem Stand der Technik erfolgt diese Druckreduzierung mit tels voluminöser und schwerer Druckminderer. Das Prinzip dieser Druckminderer basiert auf einer inter nen Membran, die je nach dem Differenzdruck das Ein laßventil mechanisch öffnet und schließt, so daß hin ter dem Druckminderer ein definierter konstanter Überdruck herrscht (Dubbel-Taschenbuch für den Ma schinenbau, Abschnitt G 157, 16. Auflage). Dies führt jedoch dazu, daß sehr großflächige Membranen benötigt werden, die im Gegensatz zu Erfordernissen der Minia turisierung der Brennstoffzelle stehen. Die Realisie rung kompakter Brennstoffzellensysteme ist auf diese Weise daher nicht möglich.

Der vorliegenden Anmeldung lag daher die Aufgabe zu grunde, diese Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Brennstoffzellensystem bereitzu stellen, bei dem trotz miniaturisierter Bauweise die Druckregulation in einem integrierten Brennstoffzel lensystem ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch das gattungsgemäße Brenn stoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das gattungsgemäße Verfahren zur Druckregulati on in Brennstoffzellensystemen mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Die weiteren Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Die Verwendung der Brennstoffzellensysteme wird in den Ansprüchen 10 und 11 beschrieben.

Erfindungsgemäß weist das gattungsgemäße Brennstoff zellensystem ein Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs in die Brennstoffzelle, einen Drucksensor sowie eine elektronische Steuereinheit für die Schal tung des Mikroventils in Abhängigkeit von den durch den Drucksensor gelieferten Signalen auf. Der minde stens eine Drucksensor kann dabei an einer beliebigen Stelle im Inneren der Brennstoffzelle angebracht sein. Der Drucksensor wird von einer elektronischen Steuereinheit ausgelesen, die wiederum ein Mikroven til für die Zuleitung des Brennstoffs regelt. Sowohl das mindestens eine Mikroventil als auch der minde stens eine Drucksensor sind dabei über Signalleitun gen mit der elektronischen Steuereinheit verbunden. Das Einlaßventil wird dabei geöffnet oder geschlos sen, je nach dem Innendruck, der vom Drucksensor re gistriert wird. Die Regelung erfolgt dabei in der Weise, daß der Drucksensor einen Druck p_B erfaßt und in ein elektronisches Signal umwandelt, diese elek tronischen Signale von der Steuereinheit ausgewertet werden und anhand dieser Auswertung die Schaltung des Mikroventils für die Zuleitung des Brennstoffs er folgt. Dabei bewegt sich der Druck p_B innerhalb zwei er Grenzdrücke p₀ und p₁, wobei p₀ den Mindestdruck und p₁ den Maximaldruck darstellen. Anhand dieser Re gelungsstrategie wird gewährleistet, daß der Druck im Gasraum der Brennstoffzelle zwischen diesen beiden Drücken p₀ und p₁ liegt. Auf diese Weise wird ein ge taktetes Öffnen und Schließen des Einlaßventils er reicht, wodurch in der Summe eine Minderung des Druk kes realisiert wird. Eine typische Taktrate bei mi niaturisierten Brennstoffzellen beträgt 1-2 Hz. Es sind aber ebenso andere Taktraten und Regelungsstra tegien im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Da während des Betriebs der Brennstoffzelle und ins besondere während des Öffnens des Einlaßventils Druckdifferenzen innerhalb des Gasraumes auftreten, ist es vorteilhaft, den Drucksensor am Ende des Strö mungsweges des einströmenden Brennstoffs anzubringen. Ebenso ist aber auch jede andere Position für den Drucksensor innerhalb der Brennstoffzelle denkbar. Gleichzeitig ist es auch möglich, mehrere Drucksenso ren an unterschiedlichen Positionen innerhalb einer Brennstoffzelle anzubringen. Damit können eventuelle Druckdifferenzen innerhalb des Systems besser erfaßt werden und umfassende Systemdaten an die elektroni sche Steuerungseinheit übermittelt werden.

Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Brennstoffzel lensystem ein Auslaßventil auf, das ebenfalls über Signalleitungen mit der elektronische Steuereinheit verbunden ist. Die Steuerung der Auslaßventile er folgt dabei in analoger Weise wie bei den Einlaßven tilen. Vorteil dieser Weiterbildung ist das eine ex aktere und schnellere Beeinflussung der Druckverhält nisse ermöglicht wird.

Bei dem Einlaßventil handelt es sich typischerweise um ein Ventil mit zwei Öffnungen und zwei Schaltposi tionen (2/2-Wege-Ventil). Wenn das System des Brenn stoffzellensystems nicht in Betrieb ist, d. h. Gerät und Brennstoffzelle sind ausgeschaltet, befindet sich dieses Ventil im geschlossenen Zustand. Ventile die ser Art werden gemäß dem Stand der Technik in stark miniaturisierter Form hergestellt. Ein typisches Bei spiel hierfür ist ein Mikroventil der Firma Hörbiger, welches Außenmaße von 10 × 16 × 7 mm aufweist. Bevor zugterweise werden Ventile verwendet, welche zum Öffnen und Schließen eine geringe Leistungsaufnahme be nötigen, um den hierdurch auftretenden Stromverbrauch zu minimieren. Ebenso können aber auch Ventile mit mehr als zwei Öffnungen in Schaltposition zum Einsatz kommen. Als Ventile können neben Mikroventilen dabei ebenso solche mit einer größeren Dimensionierung ein gesetzt werden, die kommerziell erhältlich sind.

Bevorzugt werden Regelventile verwendet, die ein kon tinuierliches Öffnen und damit verbunden eine konti nuierliche Steigerung der Brennstoffzuleitung ermög lichen. Damit kann bei dieser Anwendung der Gasfluß zum einen besser reguliert und damit auch die Druck differenzen innerhalb des Gasraums effizienter ver mindert werden. Mittels Regelventilen ist es möglich, den Gasfluß derart einzustellen, daß gerade das durch Reaktion verbrauchte Brennstoffgas ersetzt wird. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Ver fahrens kann das Brennstoffzellensystem hinter dem Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs zusätz lich eine Drossel zur Minderung des Druckstoßes beim Einströmen des Brennstoffs aufweisen. Ein solches Re duzierstück kann beispielsweise mittels einer sehr schmalen Verengung oder einer Düse realisiert werden.

Bevorzugt findet das erfindungsgemäße Brennstoffzel lensystem als kompakte Energieversorgungsquelle Ver wendung. Hierzu zählen die Energieversorgung von por tablen elektronischen Vorrichtungen, z. B. portable Kleincomputer, aber auch von stationären elektroni schen Geräten, wie z. B. Sensoren oder Funkanlagen. Der Leistungsbereich der Brennstoffzellensysteme als Energieversorgungsquelle liegt dabei bevorzugt im Be reich zwischen 0,1 und 100 W.

Anhand der nachfolgenden Figur soll das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem näher beschrieben werden, ohne es auf diese Ausbildungsgestaltung festzulegen.

Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzel lensystem bei dem als Brennstoffspeicher ein mit Me tallhydrid gefüllter Druckspeicher (1) fungiert. Die sem Druckspeicher für den Brennstoff ist einem Mikro ventil (2) vorgeschaltet, das den Durchfluß der Was serstoffmenge regelt. Gleichzeitig ist das Mikroven til (2) über eine Drossel (3) zur Minderung des Druckstoßes beim Einströmen des Brennstoffs mit der elektronischen Steuereinheit (4) über eine Signallei tung (5) elektronisch verbunden, wobei die Steuerein heit das Mikroventil in Abhängigkeit von den von dem in der Brennstoffzelle (6) befindlichen Drucksensoren (7, 8) gelieferten elektronischen Signale regelt. Diese Drucksensoren können an unterschiedlichen Posi tionen innerhalb der Brennstoffzelle angebracht sein, wobei die einzelnen Drucksensoren über Signalleitun gen (9, 10) mit der Steuereinheit verbunden sind. Ebenso weist das Brennstoffzellensystem ein Mikroven til für den Auslaß (11) des überschüssigen Brenn stoffs auf, der das ebenfalls über die Steuereinheit, mit der es über eine Signalleitung (12) elektronisch geschaltet wird.

Claims

1. Brennstoffzellensystem mit einer Polymerektrolyt membran-Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem mindestens ein Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs in die Brennstoffzelle, einen Drucksensor sowie ei ne elektronische Steuereinheit für die Schaltung des Mikroventils in Abhängigkeit von den durch den Drucksensor gelieferten Signalen aufweist.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzel lensystem zusätzlich mindestens ein Mikroventil für die Ableitung von Brennstoff und/oder Reak tionsprodukten aus der Brennstoffzelle aufweist.

3. Brennstoffzelle nach mindestens einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem minde stens einen Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs und der Brennstoffzelle eine Dros sel, z. B. eine Düse oder eine schmale Verengung angeordnet ist.

4. Brennstoffzelle nach mindestens einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroventile mindestens zwei Öffnungen und mindestens zwei Schaltpositionen aufweisen.

5. Brennstoffzelle nach mindestens einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflußrate durch die Mikroventile regelbar ist.

6. Verfahren zur Druckregulation in Brennstoffzel lensystemen mit einer Polymerektrolytmembran- Brennstoffzelle, mindestens einem Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs, einer elek tronischen Steuereinheit und einem Drucksensor, bei dem der Druck in der Brennstoffzelle über die Menge des eingeleiteten Brennstoffs regu liert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzelle der Druck pB über mindestens einen Drucksensor gemessen und in ein elektronisches Signal umgewandelt wird, die elektronischen Signale von der Steuereinheit ausgewertet werden und anhand dieser Auswertung die Schaltung des Mikroventils für die Zuleitung des Brennstoffs so gesteuert wird, dass sich der Druck pB innerhalb der Grenzdrücke po und pl be wegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich über mindestens ein Mikroventil die Ableitung des Brennstoffs und der Reaktionsprodukte erfolgt.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Druckreduzierung vor der Brennstoffzelle durch eine zwischen Brennstoffzelle und Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs angeordnete Drossel, z. B. eine Düse, erfolgt.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflußrate des Brennstoffs durch die Brennstoffzelle durch Regelventile exakt einstellbar ist.

10. Verwendung des Brennstoffzellensystems nach min destens einem der Ansprüche 1 bis 9 als kompakte Energieversorgungsquelle für portable elektroni sche Vorrichtungen, z. B. portable Kleincomputer.

11. Verwendung des Brennstoffzellensystems nach min destens einem der Ansprüche 1 bis 9 als Energie versorgungsquelle für stationäre elektronische Geräte, z. B. Sensoren und/oder Funkanlagen.