DE102006001240B4 - Fuel cell system with a controllable gas generating device, fuel cell and method for operating the fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem mit einer Gaserzeugungseinrichtung (2, 3) und mit einer Brennstoffzelle (1) zur Erzeugung elektrischer Energie, die einen Zugangskanal (4) für das ihr von der Gaserzeugungseinrichtung zugeführte Gas sowie wenigstens eine Abströmöffnung (6, 7) für das Gas aufweist,
wobei die Gaserzeugungseinrichtung steuerbar ist und die Abströmöffnung ausschließlich durch ein als passives Einwegventil (23) ausgestaltetes Ausströmventil (23) verschließbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Zugangskanal (4) ausschließlich durch als passives Ventil ausgestaltetes Einströmventil (24) verschließbar ist und das Ausströmventil (23) einen Öffnungsgasdruck aufweist, der höher ist als der Öffnungsgasdruck des Einströmventils (24).A fuel cell system having a gas generating device (2, 3) and a fuel cell (1) for generating electrical energy, which has an access channel (4) for the gas supplied to it by the gas generating device and at least one outflow opening (6, 7) for the gas,
wherein the gas generating device is controllable and the outflow opening can be closed exclusively by a discharge valve (23) designed as a passive one-way valve (23),
characterized,
the access channel (4) can be closed exclusively by inlet valve (24) designed as a passive valve, and the discharge valve (23) has an opening gas pressure which is higher than the opening gas pressure of the inflow valve (24).

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Figure 00000001

Description

Brennstoffzellen erlauben eine hocheffektive Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und machen damit elektrische Energie orts- und zeitabhängig verfügbar, soweit die notwendigen chemischen Stoffe nutzungsgerecht und sicher gespeichert bzw. erzeugt oder umgewandelt werden können.fuel cells allow a highly effective conversion from chemical to electrical Energy and thus make electrical energy available depending on location and time, as far as the necessary chemical substances are stored suitably and safely can be generated or converted.

Insbesondere portable Brennstoffzellen besonders kleiner Bauart, beispielsweise Mikrobrennstoffzellen, werden in der Zukunft bei tragbaren Elektronikgeräten und Mikrosystemen zunehmend eingesetzt werden. Gegenüber Batterien ist bei solchen Brennstoffzellen eine drei- bis zehnfach höhere Energiedichte möglich, die in eine sehr geringe Baugröße oder eine entsprechend verlängerte Nutzungsdauer der Geräte umgesetzt werden kann.Especially portable fuel cell particularly small type, for example Micro fuel cells will be used in portable electronic devices and in the future Microsystems are increasingly being used. Opposite batteries is in such fuel cells a three to ten times higher Energy density possible, in a very small size or a correspondingly extended Service life of the devices can be implemented.

Als besonders geeignet erscheinen dabei Direkt-Methanol (DMFC) und Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Wasserstoff Brennstoffzellen, da sie bei relativ niedrigen Temperaturen und unter Atmosphärendruck arbeiten. Obwohl bei vielen Anwendungen den DMFC-Systemen der Vorzug gegeben wird, da sich Methanol leicht lagern und transportieren lässt sowie eine hohe Energiedichte besitzt, ergeben sich große Probleme, derartige Direktmethanolbrennstoffzellen in Mikrosystemen zu realisieren. Wegen einer geringen Katalysatoreffizienz bei niedrigen Temperaturen werden gegenüber dem PEM-System nur um ca. einen Faktor 5 kleinere Leistungsdichten erreicht. Der für Mikrosysteme ausschlaggebende Energiedichtevorteil gegenüber den Wasserstoffsystemen geht damit verloren. Außerdem sind die Herstellungskosten erheblich.When Direct methanol (DMFC) and polymer electrolyte membrane (PEM) hydrogen fuel cells appear particularly suitable here. since they are at relatively low temperatures and under atmospheric pressure work. Although in many applications the DMFC systems are given preference because of Easy to store and transport methanol and a high energy density owns, there are big ones Problems, such direct methanol fuel cells in microsystems to realize. Because of low catalyst efficiency at low Temperatures are facing the PEM system only by about a factor of 5 smaller power densities reached. The for Microsystems crucial energy density advantage over the Hydrogen systems are lost. In addition, the production costs considerably.

Dagegen sind Luft atmende PEM-Brennstoffzellen einfacher als Mikrosysteme realisierbar und besitzen ausreichende Leistungsdichten (bis 200 mW/cm2). Damit ist eine sehr kleine bauliche Gestaltung der eigentlichen Brennstoffzelle in PEM-Technik möglich, wobei jedoch bei weitergehender Baugrößenreduzierung besonderes Augenmerk auf die Möglichkeiten der Speicherung des Wasserstoffs gelegt werden muss.In contrast, air-breathing PEM fuel cells are easier to implement than microsystems and have sufficient power densities (up to 200 mW / cm 2 ). Thus, a very small structural design of the actual fuel cell in PEM technology is possible, but with further reduction in size special attention must be paid to the possibilities of storing the hydrogen.

Die direkte Speicherung von Wasserstoff kann jedoch dadurch umgangen werden, dass dieser bedarfsgerecht erzeugt wird. Dies kann beispielsweise durch eine elektrokatalytische Reaktion aus Zink und Wasser geschehen, wie dies im US-Patent US 5 242 565 A schrieben ist. Daneben sind auch andere elektrokatalytische Reaktionen des gleichen Musters vorstellbar.However, the direct storage of hydrogen can be circumvented by generating it as needed. This can be done for example by an electrocatalytic reaction of zinc and water, as in the US patent US 5 242 565 A is written. In addition, other electrocatalytic reactions of the same pattern are conceivable.

Als Alternative bieten sich chemische Umsetzungen von anorganischen Verbindungen wie NaBH4 oder anderen chemischen Hydriden mit Wasser in Mikroreaktoren an.Alternatively, chemical reactions of inorganic compounds such as NaBH 4 or other chemical hydrides with water in microreactors can be used.

Im Zusammenwirken der Wasserstofffreisetzung mit direkter Umsetzung des Wasserstoffs in einer Brennstoffzelle lassen für den Gesamtprozess hohe Energiedichten erzeugen, die um den Faktor 2 bis 4 über der von aufladbaren Lithiumbatterien und Alkalibatterien liegen.in the Interaction of the hydrogen release with direct conversion of hydrogen in a fuel cell leave high for the overall process Generate energy densities by a factor of 2 to 4 above the of rechargeable lithium batteries and alkaline batteries.

Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus dem Dokument DE 10311786 A1 bekannt. Dort ist ein entsprechendes System mit einer Gaserzeugungseinrichtung und einem passiven Ausströmventil beschrieben.Such a fuel cell system is for example from the document DE 10311786 A1 known. There is described a corresponding system with a gas generating device and a passive discharge valve.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich demgemäß auf ein Brennstoffzellensystem mit einer Gaserzeugungseinrichtung und mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie, die einen Zugangskanal für das ihr von der Gaserzeugungseinrichtung zugeführte erste Gas sowie wenigstens eine Abströmöffnung für das erste Gas aufweist, wobei die Gaserzeugungseinrichtung steuerbar ist und die Abströmöffnung ausschließlich durch ein passives Einwegventil (Ausströmventil) verschließbar ist.The The present invention accordingly relates to a fuel cell system with a gas generating device and with a fuel cell to generate electrical energy that provides an access channel for her from the gas generating means supplied first gas and at least a discharge opening for the first Has gas, wherein the gas generating device is controllable and the discharge opening exclusively by a passive one-way valve (discharge valve) can be closed.

Solche Systeme können Platz sparend und hochleistungsfähig konstruiert werden und erlauben hohe Energie- und Leistungsdichten sowie ausreichende Leistungen für die in Frage kommenden Anwendungen.Such Systems can Space saving and high performance be constructed and allow high energy and power densities as well as sufficient services for the applications in question.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen Brennstoffzellensystem die Bauart zu vereinfachen und eine möglichst geringe Baugröße bei hoher Funktionssicherheit und maximal möglichem Anwendungsbereich zu erreichen.Of the Present invention is based on the object in such Fuel cell system to simplify the design and the lowest possible Size at high Functional reliability and maximum possible range of application too to reach.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Zugangskanal ausschließlich durch ein passives Ventil (Einströmventil) verschließbar ist und das Ausströmventil einen Öffnungsgasdruck aufweist, der höher ist als der Öffnungsgasdruck des Einströmventils.The Task is according to the invention solved by that the access channel exclusively by a passive valve (inlet valve) lockable is and the discharge valve an opening gas pressure has, the higher is as the opening gas pressure the inflow valve.

Das Einlassventil bzw. das Einströmventil soll einen möglichst geringen Öffnungsdruck aufweisen, da die Gaserzeugungseinrichtung diesen Druck zusätzlich zum Arbeitsdruck in der Brennstoffzelle aufbringen muss. Das Ventil sollte aber so dimensioniert sein, dass es im geschlossenen Zustand eine geringe Leckrate besitzt, wozu eine bestimmte Vorspannung und damit ein bestimmter Öffnungsdruck notwendig ist (10...100 mbar). Das Ausgangsventil sollte einen so hohen Öffnungsdruck besitzen, dass es beim normalen Betriebsdruck der Brennstoffzelle, der sich z. B. auch bei schnellem Abfallen der elektrischen Last einstellen kann, nicht öffnet (200...2000 mbar).The Inlet valve or the inflow valve should one possible low opening pressure since the gas generating means adds this pressure in addition to Working pressure must apply in the fuel cell. The valve But should be dimensioned so that it is closed has a low leakage rate, what a certain bias and so that a certain opening pressure necessary is (10 ... 100 mbar). The outlet valve should have such a high opening pressure have that at the normal operating pressure of the fuel cell, the z. B. even with rapid drop of the electrical load can not open (200 ... 2000 mbar).

Durch die Steuerbarkeit der Gaserzeugungseinrichtung kann Wasserstoff in der Menge und Geschwindigkeit bedarfsabhängig erzeugt werden, wie er, abhängig von der Last der Brennstoffzelle in dieser benötigt und umgesetzt wird. Die Speicherung von Wasserstoff wird damit überflüssig. Da im Normalbetrieb genau soviel Wasserstoff produziert wird, wie benötigt wird, entsteht kein Über- oder Unterdruck, und es kann auf eine Drucksteuerung oder Druckregelung zwischen der Gaserzeugungseinrichtung und der Brennstoffzelle verzichtet werden.By the controllability of the gas generating device can be hydrogen be generated in quantity and speed as needed, as he, dependent needed and implemented by the load of the fuel cell in this. The Storage of hydrogen is thus superfluous. Since in normal operation exactly As much hydrogen is produced as needed, no over- or Negative pressure, and it can be on a pressure control or pressure control dispensed between the gas generating device and the fuel cell become.

Luftatmende PEM-Brennstoffzellen müssen von Zeit zu Zeit von der Anodenseite mit Wasserstoff gespült wer den. Dieses, auch als "Purge" bezeichnete Spülen ist notwendig, um eingedrungene Gase, wie Stickstoff, sowie überschüssiges Wasser zu entfernen.Breathing air PEM fuel cells must by Time to time from the anode side flushed with hydrogen who the. This, also referred to as "purge" rinsing is necessary to penetrate gases, such as nitrogen, as well as excess water to remove.

Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt es, überschüssigen Wasserstoff zu erzeugen, der in die Brennstoffzelle eingeleitet und von dieser durch das Ausströmventil abgeleitet wird. Hierdurch kann bedarfsgerecht ein Spülen der Brennstoffzelle erfolgen, ohne dass hierfür aktive Elemente notwendig wären, wie beispielsweise elektrisch steuerbare Ventile oder Pumpen, die einerseits. Raum beanspruchen und andererseits die Konstruktion komplizierter und teurer gestalten würden. Das Ausströmventil ist als Einwegventil derart konstruiert, dass das Eindringen von Außenluft in die Brennstoffzelle verhindert wird, dass das Ventil jedoch beim Spülen durch einen Wasserstoffüberdruck von innen geöffnet werden kann.The inventive construction allows excess hydrogen to generate, which is introduced into the fuel cell and from this through the discharge valve is derived. As a result, can be flushed as needed Fuel cell done without the need for active elements would be necessary, such as For example, electrically controllable valves or pumps, on the one hand. Take up space and on the other hand the construction more complicated and would make it more expensive. The discharge valve is designed as a one-way valve such that the ingress of outside air in the fuel cell is prevented, however, that the valve when do the washing up by a hydrogen overpressure opened from the inside can be.

Die bedarfsgerechte Erzeugung von Wasserstoff in der Gaserzeugungseinrichtung kann beispielsweise gemäß US 5 242 565 A aus der elektrokatalytischen Umsetzung von Zink und Wasser stromgesteuert geschehen. Der elektrische Laststrom der Brennstoffzelle wird durch die Gaserzeugungseinrichtung geleitet und erzeugt dort einen proportionalen Wasserstoff-Fluss. Eine spezielle Elektronik wird vorgesehen, um die Wasserstofferzeugung beim Startvorgang und bei Lastsprüngen zu bewerkstelligen und um Reinigungszyklen durch Spülen zu ermöglichen, indem der Strom durch die Gaserzeugungseinrichtung über den Laststrom hinaus erhöht wird.The demand-based generation of hydrogen in the gas generating device can, for example, according to US 5 242 565 A done stream controlled from the electrocatalytic reaction of zinc and water. The electrical load current of the fuel cell is passed through the gas generator and generates there a proportional hydrogen flow. Special electronics are provided to accomplish hydrogen production during start-up and load transients and to facilitate purging cycles by flushing by increasing the flow through the gas generator beyond the load current.

Alternativ dazu ist auch die katalytische Wasserstofferzeugung aus NaBH4 anwendbar, wobei mittels einer Mikropumpe Wasser mit Natriumborhydrid in Verbin dung gebracht wird, das als ungiftiges Pulver vorliegt. Bei der Umsetzung wird bei Normaldruck Wasserstoff freigesetzt und es entsteht der ungefährliche Stoff Natriummetaborat (NaBO2). Alternativ wird das NaBH4 bereits in Wasser gelöst (alkalisch stabilisiert) und durch die Pumpe auf einen Katalysator im Mikroreaktor geleitet. Die Gaserzeugungseinrichtung weist dann einen Mikroreaktor mit Katalysator, eine Mikropumpe, einen Tank sowie einen Tank für die entstehenden Reaktionsprodukte auf.Alternatively, the catalytic hydrogen production from NaBH 4 is applicable, being brought by means of a micropump water with sodium borohydride in connec tion, which is present as a non-toxic powder. During the reaction, hydrogen is released at normal pressure and the harmless substance sodium metaborate (NaBO2) is formed. Alternatively, the NaBH4 is already dissolved in water (alkaline stabilized) and passed through the pump to a catalyst in the microreactor. The gas generating device then has a microreactor with catalyst, a micropump, a tank and a tank for the resulting reaction products.

Die benötige Mikropumpe muss unter stark alkalischen Bedingungen stabil sein und kann als Kunststoffmikropumpe aus einem chemikalienbeständigen Kunststoff bestehen, und mit einem Edelstahl/Piezoverbundaggregat angetrieben werden. Es sind auch Mikrozahnradpumpen einsetzbar, die eine sehr genaue Dosierung und schnelle Steuerung der zugeführten Flüssigkeitsmenge erlauben. Die entsprechenden Ventile können in die Pumpe integriert sein, jedoch auch mit Ventilen der Brennstoffzelle baulich zusammengefasst werden. Ausschlaggebend ist die reibungslose und reaktionsschnelle Steuerung der entsprechenden Ventile der Pumpe. Eine derartige, auf einem Mikroreaktor basierende Gaserzeugungseinrichtung ist dann bezüglich der Menge des erzeugten Wasserstoffs durch den Antrieb der Pumpe flüssigkeitsproportional steuerbar.The need Micropump must be stable under strong alkaline conditions and can be used as a plastic micropump made of a chemical-resistant plastic consist, and with a stainless steel / Piezo composite driven become. There are also micro gear pumps used, which is a very precise dosage and fast control of the amount of liquid supplied allow. The corresponding valves can be integrated in the pump, but also structurally combined with valves of the fuel cell become. The decisive factor is the smooth and responsive control the corresponding valves of the pump. Such, on one Microreactor based gas generator is then in quantity the generated hydrogen by the drive of the pump liquid proportional controllable.

Dabei ist auch der Zugangskanal zu der Brennstoffzelle ausschließlich durch ein passives Ventil (Einströmventil) verschließbar.there is also the access channel to the fuel cell exclusively through a passive valve (inlet valve) closable.

Das Einströmventil wird ausschließlich druckgesteuert durch den bedarfsgerecht erzeugten Wasserstoff geöffnet, der in die Brennstoffzelle einströmt. Überdruck kann durch das Ausströmventil entweichen, so dass auch ein Rückströmen durch das Einströmventil durch Gestaltung dieses Ventils als Einwegventil verhindert werden kann. Damit wird auch eine Verunreinigung der Brennstoffzelle beim Abkoppeln der Gaserzeugungseinrichtung verhindert.The intake valve is only pressure controlled opened by the demand generated hydrogen, the flows into the fuel cell. overprint can escape through the discharge valve, so that also a backflow through the intake valve be prevented by designing this valve as a one-way valve can. This will also contamination of the fuel cell when uncoupling prevents the gas generating device.

Um ein gutes Funktionieren der Brennstoffzelle im Betrieb und andererseits Spülzyklen zu ermöglichen, weist das Ausströmventil einen Öffnungsgasdruck auf, der höher ist als der Öffnungsgasdruck des Einströmventils.Around a good functioning of the fuel cell in operation and on the other hand rinse cycles to enable has the discharge valve an opening gas pressure up, the higher is the opening gas pressure of the Inflow valve.

Bei normaler Arbeitslast wird dann durch eine Steuerung in der Gaserzeugungseinrichtung soviel Wasserstoff erzeugt, wie in die Brennstoffzelle einströmt und dort umgesetzt wird, so dass sich in der Brennstoffzelle selbst keine Druckerhöhung ergibt. Somit strömt auch durch das Ausströmventil in diesem Betriebszustand kein Gas ab. Wird im Zuge eines Spülungszyklus stoßweise mehr Wasserstoff erzeugt, der in der Brennstoffzelle nicht umgesetzt wird, so strömt dieser durch das Ausströmventil ab und entfernt dabei unerwünschte Stoffe in der Brennstoffzelle.at normal workload is then controlled by a controller in the gas generator generates as much hydrogen as flows into the fuel cell and there is implemented, so that in the fuel cell itself no pressure increase results. Thus flows also through the discharge valve no gas off in this operating state. Will during a flushing cycle fitfully generates more hydrogen, which is not converted in the fuel cell, so flows this through the discharge valve and removes unwanted Substances in the fuel cell.

Das Ausströmventil und gegebenenfalls das Einströmventil sind vorteilhaft baulich in die Brennstoffzelle integriert. Dabei können sie in MEMS-Technologie (Mikroelektronische mechanische Systeme) realisiert sein, d. h., es kann sich um in Ätztechnik aus Halbleitern hergestellte mechanische Teile handeln, die grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dabei können z. B. aus einem Wafer Zungen geätzt sein, die beweglich sind und als Klappenventile arbeiten, indem sie durch Gasdruck elastisch gegenüber anderen Teilen des Wafers zur Freigabe von Gaskanälen ver formbar sind. Entsprechende Dichtungsflächen können derart bearbeitet oder beschichtet sein (Beschichtung: z. B. Parylene Polymerisation, Plasmapolymerisation von Fluorpolymeren, PDMS), dass eine zuverlässige Dichtung in der notwendigen Weise erreicht wird. Auch die Auslösedrucke, d. h. der Differenzdruck, bei dem eine Öffnung des Ventils stattfindet, kann mit mikromechanischen Maßnahmen, d. h. durch entsprechende Ätztechnik oder durch Federelemente eingestellt werden.The discharge valve and optionally the inflow valve are advantageously structurally integrated into the fuel cell. They can do so in MEMS technology (microelectronic mechanical systems) be realized, ie, it may be produced by etching in semiconductor semiconductor mechanical parts, which are known in principle from the prior art. This z. B. be etched from a wafer tongues that are movable and work as flapper valves by being elastically deformable by gas pressure against other parts of the wafer to release gas ducts. Corresponding sealing surfaces can be processed or coated in such a way (coating: eg Parylene polymerization, plasma polymerization of fluoropolymers, PDMS) that a reliable seal is achieved in the necessary manner. Also, the trigger pressures, ie the differential pressure at which an opening of the valve takes place, can be adjusted with micromechanical measures, ie by appropriate etching or by spring elements.

Ein besonders geringer baulicher Aufwand ergibt sich dann, wenn das Einström- und das Ausströmventil auf einem einzigen Wafer realisiert sind und sich zudem mit den beweglichen Teilen auf derselben Seite des Wafers befinden, so dass das ätztechnische Herstellungsverfahren besonders einfach durchführbar ist. Derartige Halbleiterbauteile lassen sich besonders einfach aus Silizium fertigen. Wird das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit einer Gaserzeugungstechnik ausgestattet, die eine Mikropumpe aufweist, so können auch deren Ventile in MEMS-Technologie, vorzugsweise auf demselben Wafer angeordnet werden, auf dem das oder die Einström- bzw. Ausströmventile realisiert sind.One Particularly low construction costs arise when the inflow and the discharge valve are realized on a single wafer and also with the moving parts are located on the same side of the wafer, so that the etching-technical Manufacturing process is particularly easy to carry out. Such semiconductor devices can be manufactured very easily from silicon. Will the fuel cell system of the invention equipped with a gas generating technology, which is a micropump has, so can also their valves in MEMS technology, preferably on the same wafer are arranged, on which the one or more inflow or Ausströmventile are realized.

Es können auch Ventilmodule verwendet werden, die z. B. kostengünstig als Spritzgussteile hergestellt werden, die z. B. gasdicht in Bohrungen am Ein- und Auslass der Brennstoffzelle eingesetzt werden.It can also valve modules are used, the z. B. inexpensive than Injection molded parts are produced, the z. B. gas-tight in holes on Inlet and outlet of the fuel cell can be used.

Zur Erhöhung der Effektivität eines Spülprozesses sowie, um den zugeführten Wasserstoff bedarfsgerecht in der Brennstoffzelle zu verteilen, können in diesem Zusammenhang mehrere Einström- und/oder Ausströmventile räumlich geeignet verteilt sein.to increase the effectiveness a rinsing process as well as to the supplied Distribute hydrogen as needed in the fuel cell, can in this context, several inflow and / or Ausströmventile spatial be distributed appropriately.

Die Gaserzeugungseinrichtung kann einerseits vorteilhaft auf der Basis von Zink und Wasser in alkalischem Medium stromgesteuert arbeiten, wobei ein lastabhängiger Steuerstrom zur proportionalen Erzeugung von Wasserstoff angelegt wird, oder es kann eine Gaserzeugungseinrichtung mit einem Mikroreaktor eingesetzt werden, dem Flüssigkeit mittels einer elektrisch ansteuerbaren Pumpe zugeführt wird, beispielsweise auf der Basis von chemischen Hydriden, die mit Wasser beaufschlagt werden. In diesem Fall wird die Menge des erzeugten Wasserstoffs lastabhängig über die Leistung der elektrisch ansteuerbaren Pumpe gesteuert.The Gas generating device can be advantageous on the one hand working with zinc and water in an alkaline medium, being a load-dependent Control current applied for the proportional production of hydrogen or a gas generating device with a microreactor be used, the liquid is supplied by means of an electrically controllable pump, for example, on the basis of chemical hydrides, with water be charged. In this case, the amount of generated Hydrogen dependent on the load Power of the electrically controllable pump controlled.

In beiden Fällen erübrigen sich ansteuerbare Ventile zur Steuerung des Wasserstoffflusses, da das Brennstoffzellensystem ausschließlich über die bedarfsgerechte Erzeugung von Wasserstoff gesteuert wird. Damit sind in dem System nur passive Ventile notwendig, so dass der konstruktive Aufwand für die Herstellung sowie der Energiebedarf im Betrieb minimiert werden kann.In both cases unnecessary controllable valves for controlling the flow of hydrogen, because the fuel cell system exclusively on the needs-based generation controlled by hydrogen. Thus, in the system, only passive Valves necessary, so that the design effort for the production and the energy consumption during operation can be minimized.

Die Erfindung bezieht sich insofern auch auf eine Brennstoffzelle zur Verwendung mit einem Brennstoffzellensystem der beschriebenen Art, da sich der erfinderische Gedanke bereits in der Realisierung der Brennstoffzelle mit ausschließlich passiven Ventilen zeigt.The In this respect, the invention also relates to a fuel cell Use with a fuel cell system of the type described, since the inventive idea already in the realization of the Fuel cell with exclusively passive valves shows.

Im Übrigen wird die Erfindung durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems der beschriebenen Art realisiert, wobei die Menge des in der Gaserzeugungseinrichtung erzeugten Gases durch Betätigung der Pumpe oder Beaufschlagung mit einem Strom in Abhängigkeit von der Last der Brennstoffzelle gesteuert wird.Incidentally, will the invention by a method for operating a fuel cell system of realized type, wherein the amount of in the gas generating device generated gas by actuation the pump or applying a current depending controlled by the load of the fuel cell.

Weiter erlaubt eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens das Spülen (Purging) der Brennstoffzelle, bei dem die Gaserzeugungseinrichtung derart gesteuert wird, dass sie einen Gasdruck in der Brennstoffzelle erzeugt, der zur Öffnung des Ausströmventils führt.Further allows an advantageous embodiment of the method rinsing (purging) the fuel cell, wherein the gas generating device such is controlled to generate a gas pressure in the fuel cell, the opening the discharge valve leads.

Grundsätzlich sind für die erfindungsgemäße Ausgestaltung Gaserzeugungseinrichtungen denkbar, die Wasserstoff bedarfsgerecht und in weiterem Sinne steuerbar erzeugen. Über diese Steuerung kann dann das gesamte Brennstoffzellensystem gesteuert werden, so dass die entsprechenden Ventile passiv ausgelegt werden können.Basically for the inventive design Gas generating devices conceivable, the hydrogen needs and generate taxable in a broader sense. About this control can then the entire fuel cell system are controlled so that the corresponding valves can be designed passive.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben. Dabei zeigt:in the The invention will be described below with reference to an exemplary embodiment in a drawing shown and then described. Showing:

1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einer Zink-Wasser-Zelle, 1 a fuel cell system according to the invention with a zinc water cell,

2 ein Brennstoffzellensystem mit einer Gaserzeugungseinrichtung mit einem Mikroreaktor; 2 a fuel cell system having a gas generating device with a microreactor;

3 ein Brennstoffzellensystem herkömmlicher Art mit einem Wasserstoffspeicher, 3 a fuel cell system of conventional type with a hydrogen storage,

4 die besondere Ausbildung der Ventile in MEMS-Technologie, 4 the special design of the valves in MEMS technology,

5 eine weitere Ausbildung der Ventile in MEMS Technologie, 5 another training of valves in MEMS technology,

6 eine Steuereinrichtung für das erfindungsge mäße Brennstoffzellensystem, 6 a control device for the erfindungsge Permitted fuel cell system,

7 genauer ein Brennstoffzellensystem mit einem NaBH4-Wasserstofferzeugungssystem, 7 specifically, a fuel cell system having a NaBH4 hydrogen generation system,

8 eine integrierte Ausführung von Gaserzeugungseinrichtung und Brennstoffzelle, und 8th an integrated version of gas generator and fuel cell, and

9 eine Wertetabelle. 9 a table of values.

3 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle 1 sowie einem Gasspeicher 14. Der Gasspeicher 14 enthält Wasserstoff in adsorbierter oder komprimierter Form. Dieser wird über eine Ventilkupplung 15 und einen Druckregler/Druckminderer 16 der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Bei dem Wasserstoffspeicher kann es sich um einen Druckspeicher oder reversiblen Metallhydridspeicher handeln. 3 shows a fuel cell system with a fuel cell 1 as well as a gas storage 14 , The gas storage 14 contains hydrogen in adsorbed or compressed form. This is via a valve coupling 15 and a pressure regulator / reducer 16 the fuel cell 1 fed. The hydrogen storage may be an accumulator or reversible metal hydride storage.

Von der Brennstoffzelle 1 ist lediglich die Anodenseite dargestellt. Es kann sich kathodenseitig sowohl um eine passive, Luft atmende Brennstoffzelle handeln, jedoch kann auch eine zwangsbelüftete oder mit reinem Sauerstoff betriebene Zelle vorgesehen sein.From the fuel cell 1 only the anode side is shown. On the cathode side, it can be both a passive, air-breathing fuel cell, but it is also possible to provide a forced-ventilated or pure oxygen-operated cell.

Im Anodenraum 11 befindet sich ein Eingangskanal 12 sowie ein Ausgangskanal 13, durch den Wasserstoff abgeführt werden kann. Der Ausströmkanal 13 ist mittels eines Ventils 17 verschließbar. Das Ventil 17 wird mittels einer Steuerung 18 zum Spülen der Brennstoffzelle angesteuert. Es handelt sich dabei um ein aktives, elektrisch steuerbares Ventil, das in seiner Bauart einen gewissen technischen Aufwand erfordert und das mittels einer entsprechend ausgestatteten Steuerung 18 angesteuert werden muss.In the anode room 11 there is an input channel 12 and an output channel 13 through which hydrogen can be removed. The discharge channel 13 is by means of a valve 17 closable. The valve 17 is by means of a controller 18 driven to rinse the fuel cell. It is an active, electrically controllable valve that requires a certain technical complexity in its design and that by means of a correspondingly equipped control 18 must be controlled.

Die gezeigte Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik benötigt demgemäß steuerbare Ventile 16, 17 und eine Steuerung 18, um die Wasserstoffmenge, die der Brennstoffzelle 1 von dem Speicher 14 zugeführt wird, bedarfsgerecht zu steuern und auch Spülvorgänge der Brennstoffzelle gezielt durchzuführen.The shown embodiment according to the prior art accordingly requires controllable valves 16 . 17 and a controller 18 to the amount of hydrogen that the fuel cell 1 from the store 14 is fed to control needs and also selectively carry out rinsing of the fuel cell.

In der 1 ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung dargestellt, das eine Gaserzeugungseinrichtung 2 in Form einer Zink-Wasser-Elektrokatalyse-Knopfzelle aufweist.In the 1 a fuel cell system according to the invention is shown, which is a gas generating device 2 in the form of a zinc-water electrocatalysis button cell.

Diese ist mittels eines passiven Ventils (Einströmventils) 24 mit dem Zugangskanal 4 der Brennstoffzelle 1 verbunden. Die Abströmöffnung 6 ist mittels eines passiven Einwegventils (Ausströmventil) 23 verschließbar. Sowohl das Einströmventil 24 als auch das Ausströmventil 23 sind als passive Klappenventile in MEMS-Technik auf einem Siliziumwafer realisiert.This is by means of a passive valve (inlet valve) 24 with the access channel 4 the fuel cell 1 connected. The discharge opening 6 is by means of a passive one-way valve (discharge valve) 23 closable. Both the inlet valve 24 as well as the discharge valve 23 are implemented as passive flap valves in MEMS technology on a silicon wafer.

Eine Steuerelektronik 19 überwacht die Brennstoffzellenparameter sowie die anliegende Last und regelt über eine eigene elektronische Steuerlast 22 die Aktivität der Gaserzeugungseinrichtung 2, deren Wasserstofffreisetzung proportional zum diese durchfließenden elektrischen Strom ist.An electronic control system 19 monitors the fuel cell parameters as well as the applied load and regulates its own electronic control load 22 the activity of the gas generating device 2 whose hydrogen release is proportional to the electric current flowing through it.

Zur Betriebsaufnahme der Brennstoffzelle wird mittels der Steuerelektronik 19 ein Anfangsstrom in der Gaserzeugungszelle 2 erzeugt, der zur Wasserstofferzeugung führt, woraufhin Wasserstoff in die Brennstoffzelle strömt. In Abhängigkeit von der Last an der Brennstoffzelle wird die Menge des produzierten Wasserstoffs im Arbeitsbetrieb so gesteuert, dass der erzeugte Wasserstoff verbraucht wird.To start operation of the fuel cell is by means of the control electronics 19 an initial stream in the gas generating cell 2 generated, which leads to the hydrogen production, whereupon hydrogen flows into the fuel cell. Depending on the load on the fuel cell, the amount of hydrogen produced during operation is controlled so that the generated hydrogen is consumed.

In regelmäßigen Zeiträumen oder bei einem festgestellten Bedarf wird die Brennstoffzelle mit Wasserstoff gespült, dadurch dass mittels der Steuerelektronik 19 und der Steuerlast 22 ein überhöhter Strom auf die Zelle 21 aufgebracht wird, der zu einer Wasserstoffproduktion führt, die so groß ist, dass der Wasserstoff in der Brennstoffzelle nicht ad hoc verbraucht werden kann und aus der Abströmöffnung 6 ausströmt. Dies ist möglich, da das Ausströmventil 23 bei Entstehen eines Überdrucks öffnet und somit das Gas auslässt. Der Auslösegasdruck des Ausströmventils ist mittels Federelementen oder durch die konstruktive Gestaltung als MEMS-Ventil derart eingestellt, dass das Ventil im Normalfall geschlossen ist und das Einströmen von unerwünschtem Gas in die Brennstoffzelle über diesem Weg verhindert wird. Im Falle des Spülens kann Feuchte, Wasser und unerwünschtes Gas aus dem Anodenraum der Brennstoffzelle ausgespült werden.At regular intervals or when a need is identified, the fuel cell is purged with hydrogen, thereby that by means of the control electronics 19 and the tax burden 22 an excessive current on the cell 21 is applied, which leads to a hydrogen production that is so large that the hydrogen in the fuel cell can not be consumed ad hoc and from the discharge opening 6 flows. This is possible because the discharge valve 23 opens at the creation of an overpressure and thus omits the gas. The triggering gas pressure of the discharge valve is adjusted by means of spring elements or by the structural design as a MEMS valve such that the valve is normally closed and the inflow of undesired gas into the fuel cell is prevented by this route. In the case of flushing, moisture, water and unwanted gas can be flushed out of the anode compartment of the fuel cell.

2 zeigt, in vielen baulichen Elementen ähnlich zu der Gestaltung aus 1, ein Brennstoffzellensystem mit einer Gaserzeugungseinrichtung 3, die auf der Basis von NaBH4 mit einem Mikrogenerator 31 arbeitet, der eine Mikropumpe 32 aufweist, die den Fluss von gelöstem NaBH4 in einen Mikroreaktor 33 derart steuert, dass die für den entsprechenden Laststrom der Brennstoffzelle notwendige Wasserstoffmenge erzeugt wird. 2 shows, in many structural elements similar to the design 1 , a fuel cell system with a gas generating device 3 based on NaBH4 with a microgenerator 31 works, which is a micropump 32 comprising the flow of dissolved NaBH4 into a microreactor 33 controls such that the necessary for the corresponding load current of the fuel cell amount of hydrogen is generated.

Auch hier sind, wie gemäß 1 ausschließlich passive Ventile bzw. Einwegventile 24, 23 für die Steuerung des Systems notwendig. Das gesamte Mikrobrennstoffzellensystem wird mittels der Steuerelektronik 20 unter Berücksichtigung des Laststroms der Brennstoffzelle über die Aktivität der Mikropumpe 32 ge steuert, so dass jeweils eine der Last der Brennstoffzelle entsprechende Menge von Wasserstoff in der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Das Einströmventil 24 könnte dabei, wie grundsätzlich auch gemäß der 1 prinzipiell entfallen. Ein derartiges Ventil kann aber beispielsweise für den Wechsel der Gaserzeugungseinrichtung sinnvoll und notwendig sein, um die Kontamination der Brennstoffzelle mit unerwünschten Stoffen verhindern zu können. Auch bei längerer Nichtnutzung wird durch ein derartiges Ventil die Verschmutzung der Brennstoffzelle verhindert.Again, as according to 1 only passive valves or one-way valves 24 . 23 necessary for the control of the system. The entire micro fuel cell system is controlled by the control electronics 20 taking into account the load current of the fuel cell via the activity of the micropump 32 ge controls, so that each one of the load of the fuel cell corresponding amount of hydrogen is provided in the fuel cell. The inlet valve 24 could, as in principle according to the 1 eliminated in principle. However, such a valve may be useful and necessary, for example, for the change of the gas generating device to prevent the contamination of the fuel cell with undesirable substances can. Even with prolonged disuse is prevented by such a valve, the contamination of the fuel cell.

Der Mikrogenerator 31 weist zusätzlich zu den genannten Elementen noch einen Tank 34 für gelöstes NaBH4 sowie einen Abfalltank 35 für Reaktionsprodukte auf.The microgenerator 31 has in addition to the above elements still a tank 34 for dissolved NaBH4 as well as a waste tank 35 for reaction products.

In den 1 und 2 ist der Aufbau des Brennstoffzellensystems sehr schematisch dargestellt. Die 4 zeigt im Detail eine mögliche Ausgestaltung der Ventile, des Einströmventils und des Ausströmventils, wobei dort mit 1 die Brennstoffzelle, mit 24 das Einströmventil und mit 23 das Ausströmventil bezeichnet ist. Gleiches gilt für die 5.In the 1 and 2 the structure of the fuel cell system is shown very schematically. The 4 shows in detail a possible embodiment of the valves, the inflow valve and the Ausströmventils, where with 1 the fuel cell, with 24 the inlet valve and with 23 the discharge valve is designated. The same applies to the 5 ,

Es ist jeweils ein Ventilkörper 41, 42 vorgesehen, der jeweils einen in MEMS-Technik hergestellten Siliziumwafer 43, 44 aufweist.It is each a valve body 41 . 42 each provided a silicon wafer produced in MEMS technology 43 . 44 having.

Gemäß 4 sind in den Wafer 43 ein Einströmventil 24 sowie ein Ausströmventil 23 integriert, wobei die beweglichen Ventilklappen 24a, 23a auf unterschiedlichen Seiten des Wafers durch Ätztechnik hergestellt sind.According to 4 are in the wafer 43 an inlet valve 24 and a discharge valve 23 integrated, with the movable valve flaps 24a . 23a are produced on different sides of the wafer by etching.

Der Ventilkörper 41 kann vorteilhaft insgesamt in den Anodenraum der Brennstoffzelle integriert sein.The valve body 41 can advantageously be integrated in total in the anode compartment of the fuel cell.

Gemäß der 5 ist eine Anordnung mit einer Gaserzeugungseinrichtung 3 vorgesehen, die für sich weitere Ventile in Zusammenhang mit der Mikropumpe aufweist, die ebenfalls in den Ventilkörper 42 integriert sein können, jedoch in dieser Figur nicht dargestellt sind.According to the 5 is an arrangement with a gas generating device 3 provided, which has for itself further valves in connection with the micropump, which also in the valve body 42 may be integrated, but not shown in this figure.

Genauer dargestellt ist in dem Ventilkörper 42, wie durch Zwischenschaltung eines weiteren Durchlasses, der den Ausgangskanal 13 von der Brennstoffzelle zum Abströmventil 23 bildet, bewerkstelligt werden kann, dass die Ventilklappen 23a, 24a auf derselben Seite des Wafers 44 liegen können.Shown in detail in the valve body 42 , as by interposing another passage, the output channel 13 from the fuel cell to the discharge valve 23 forms, that can be accomplished that the valve flaps 23a . 24a on the same side of the wafer 44 can lie.

Auf diese Weise wird der Herstellungsaufwand für den Siliziumwafer 44 zur Fertigung der Klappenventile minimiert, da der Wafer von einer Seite geätzt werden kann.In this way, the manufacturing cost of the silicon wafer 44 to manufacture the flapper valves minimized since the wafer can be etched from one side.

In 6 ist die Steuerelektronik 19 für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem näher dargestellt. Grundsätzlich ist nur eine Brennstoffzelle dargestellt, jedoch können auch mehrere Brennstoffzellen sowie Wasserstoffentwicklungszellen als Gaserzeugungseinrichtungen 2 in Reihe geschaltet werden.In 6 is the control electronics 19 shown in more detail for the fuel cell system according to the invention. Basically, only one fuel cell is shown, but also several fuel cells and hydrogen evolution cells can be used as gas generators 2 be connected in series.

Die Brennstoffzellen 1 und die Gaserzeugungseinrichtungen 2 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Parallel dazu liegt die Last 51 der Brennstoffzelle. Mittels der Steuerelektronik 19 wird die Steuerlast 22 derart angesteuert, dass der durch die Gaserzeugungseinrichtung 2 fließende Strom eine Wasserstofferzeugung bewirkt, die der Größe der anliegenden Last 51 und der entsprechend in der Brennstoffzelle 1 benötigten Wasserstoffmenge entspricht.The fuel cells 1 and the gas generators 2 are electrically connected in series. Parallel to this lies the burden 51 the fuel cell. By means of the control electronics 19 becomes the tax burden 22 controlled such that by the gas generating device 2 flowing electricity causes a hydrogen production, the size of the applied load 51 and the corresponding in the fuel cell 1 required amount of hydrogen corresponds.

Mittels eines Umschalters 52 kann die Steuerelektronik 19 die Last 51 von der Brennstoffzelle abtrennen und diese direkt auf die Gaserzeugungseinrichtung 2 aufschalten. Damit kann bei Systemstart die Wasserstoffentwicklung begonnen werden, ohne dass die Brennstoffzelle bereits Wasserstoff verbraucht. Auf diese Weise wird der Anodenraum der Brennstoffzelle gespült und Fremdgase oder Wasser werden durch das Abströmventil 23 abtransportiert.By means of a switch 52 can the control electronics 19 weight 51 disconnect from the fuel cell and this directly to the gas generator 2 barging. Thus, hydrogen can be started at system startup without the fuel cell already consuming hydrogen. In this way, the anode chamber of the fuel cell is purged and foreign gases or water through the outflow valve 23 removed.

Zudem kann während des Betriebs die Brennstoffzelle von der Last getrennt werden, um die Leerlaufspannung als Input für die Regelelektronik zu bestimmen.moreover can while operation, the fuel cell is disconnected from the load the open circuit voltage as input for to determine the control electronics.

Mittels der Steuerlast 22 kann, wenn Bedarf dafür besteht, der Strom durch die Gaserzeugungseinrichtung 2 erhöht werden, um eine erhöhte Wasserstoffproduktion zu erzielen, die zum Spülen der Brennstoffzelle oder gegebenenfalls bei sprunghaftem Lastanstieg verwendet werden kann. Das Spülen kann auch ausgelöst werden, wenn Abweichungen von vorprogrammierten Strom-Spannungskurven vorliegen.By means of the tax burden 22 if necessary, the flow through the gas generator can be 2 be increased to achieve increased hydrogen production, which can be used for purging the fuel cell or, optionally, with a sudden increase in load. Rinsing can also be triggered if there are deviations from preprogrammed current-voltage curves.

Das Spülen der Brennstoffzelle kann entweder in regelmäßigen Abständen oder ausgelöst durch Messungen von Fremdsubstanzen in der Brennstoffzelle die ausgetragen werden sollten, veranlasst werden.The do the washing up The fuel cell can either periodically or triggered by measurements of foreign substances in the fuel cell which are discharged should be arranged.

Das Spülen kann auch ausgelöst werden durch elektrische Messungen oder wenn Abweichungen von vorprogrammierten Strom-Spannungskurven vorliegen.The do the washing up can also be triggered be by electrical measurements or if deviations from pre-programmed Current-voltage curves are available.

7 zeigt eine Alternative zu der Steuerelektronik 19 aus 6 in dem Fall, dass als Gaserzeugungseinrichtung ein Mikrogenerator 31 verwendet wird. Die Brennstoffzelle ist wieder mit 1 bezeichnet, während die Elemente des Mikrogenerators 31 entsprechend der 2 bezeichnet sind. 7 shows an alternative to the control electronics 19 out 6 in the case that a gas generator is a microgenerator 31 is used. The fuel cell is back 1 referred to while the elements of the microgenerator 31 according to the 2 are designated.

Die Steuerelektronik 20 erfasst ebenfalls den Laststrom und die Brennstoffzellenspannung sowie außerdem die Temperatur des Mikrogenerators, da beispielsweise die katalytische Erzeugung von Wasserstoff aus NaBH4 stark temperaturabhängig ist. Als Regelgröße liefert die Steuerelektronik 20 ein Signal zur Steuerung der Mikropumpe 32.The control electronics 20 also detects the load current and the fuel cell voltage and also the temperature of the microgenerator, since, for example, the catalytic generation of hydrogen from NaBH4 is highly temperature dependent. As a control variable supplies the control electronics 20 a signal to control the micropump 32 ,

Auch hier kann die Steuerelektronik 20 durch geeignete Spülprogramme eine erhöhte Wasserstoffgenerierung bewirken, durch die ohne weitere Steuerungsnotwendigkeit das Spülen der Brennstoffzelle ausschließlich durch die passiven Klappenventile regelrecht gewährleistet wird.Again, the control electronics 20 By means of suitable rinsing programs, an increased generation of hydrogen can be achieved, by means of which the purging of the fuel cell is ensured without any further need for control, exclusively by the passive flap valves.

8 zeigt eine integrierte Ausführung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, wobei die Brennstoffzelle 1 im oberen Bereich dargestellt ist. Sie ist mittels einer Membraneinheit 70 direkt an eine Gaserzeugungseinrichtung gekoppelt. Bevorzugt werden alkalibeständige, mikroporöse Membranen verwendet, die eine ausreichende Wasserstoffdurchlässigkeit besitzen. Es handelt sich dabei z. B. um Fluorpolymere, Teflon® so dass der Zugangskanal für den Wasserstoff zur Brennstoffzelle flächig ausgeführt ist und dementsprechend auch kein Ventil aufweist. Der Mikroreaktor ist planar ausgeführt und weist die schon aus der 7 bekannten Elemente auf. 8th shows an integrated embodiment of a fuel cell system according to the invention, wherein the fuel cell 1 is shown in the upper area. It is by means of a membrane unit 70 directly coupled to a gas generating device. Preference is given to using alkali-resistant, microporous membranes which have sufficient hydrogen permeability. It is z. As to fluoropolymers, Teflon ® so that the access channel for the hydrogen to the fuel cell is designed flat and accordingly also has no valve. The microreactor is planar and already has the 7 known elements.

Um ein gründliches Spülen des Anodenraums zu ermöglichen, ist eine Kanalstruktur von Abströmöffnungen vorgesehen, die jeweils mit passiven Klappenventilen verschließbar und derart verteilt sind, dass eine flächig verteilte Spülung der Brennstoffzelle möglich wird.Around a thorough do the washing up to allow the anode compartment to is a channel structure of outflow openings provided, each with passive flap valves closable and are distributed so that a surface distributed flushing the Fuel cell possible becomes.

Es sei abschließend erwähnt, dass statt NaBH4 auch jedes andere Hydrid verwendet werden kann.It should finally be mentioned that instead of NaBH 4 , any other hydride can be used.

9 zeigt abschließend einen Vergleich der erzielbaren Energie- und Leistungsdichten mit Zn/H2O-Galvanikelement, katalytische Reaktion von NaBH4/H2O im Mikroreaktor und Säurekatalyse von NaBH4. Dabei wird die NaBH4-Lösung nicht mit einem Katalysator in einem Reaktor in Berührung gebracht, sondern in ein Gefäß mit einer Säure gepumpt (zum Vergleich Energiedichte von Li-Ionen (Polymer) Batterien). 9 finally shows a comparison of the achievable energy and power densities with Zn / H2O-Galvanikelement, catalytic reaction of NaBH4 / H2O in the microreactor and acid catalysis of NaBH4. The NaBH4 solution is not contacted with a catalyst in a reactor, but pumped into a vessel with an acid (for comparison, energy density of Li-ion (polymer) batteries).

Claims (12)

Brennstoffzellensystem mit einer Gaserzeugungseinrichtung (2, 3) und mit einer Brennstoffzelle (1) zur Erzeugung elektrischer Energie, die einen Zugangskanal (4) für das ihr von der Gaserzeugungseinrichtung zugeführte Gas sowie wenigstens eine Abströmöffnung (6, 7) für das Gas aufweist, wobei die Gaserzeugungseinrichtung steuerbar ist und die Abströmöffnung ausschließlich durch ein als passives Einwegventil (23) ausgestaltetes Ausströmventil (23) verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugangskanal (4) ausschließlich durch als passives Ventil ausgestaltetes Einströmventil (24) verschließbar ist und das Ausströmventil (23) einen Öffnungsgasdruck aufweist, der höher ist als der Öffnungsgasdruck des Einströmventils (24).Fuel cell system with a gas generating device ( 2 . 3 ) and with a fuel cell ( 1 ) for generating electrical energy, having an access channel ( 4 ) for the gas supplied to it by the gas generating device and at least one outflow opening ( 6 . 7 ) for the gas, wherein the gas generating device is controllable and the outflow opening exclusively by a passive one-way valve ( 23 ) designed outflow valve ( 23 ), characterized in that the access channel ( 4 ) exclusively by designed as a passive valve inlet valve ( 24 ) is closable and the discharge valve ( 23 ) has an opening gas pressure which is higher than the opening gas pressure of the inflow valve (US Pat. 24 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruche 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausströmventil (23) und gegebenenfalls das Einströmventil (24) in die Brennstoffzelle (1) integriert sind.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the outflow valve ( 23 ) and optionally the inflow valve ( 24 ) into the fuel cell ( 1 ) are integrated. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausströmventil (23) und das Einströmventil (24) in MEMS-(Mikroelektrisches mechanisches System)-Technologie realisiert sind.Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the discharge valve ( 23 ) and the inlet valve ( 24 ) are implemented in MEMS (micro-electrical mechanical system) technology. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausströmventil und das Einströmventil vorgefertigte Ventilmodule (passive Klappenventile z. B. in Kunststoff-Spritzgusstechnik) sind.Fuel cell system according to claim 2, characterized in that that the discharge valve and the inflow valve prefabricated valve modules (passive flap valves eg in plastic injection molding technology) are. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einströmventil (24) und das Ausströmventil (23) gemeinsam auf einem einzigen Wafer (43, 44) realisiert sind.Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the inflow valve ( 24 ) and the discharge valve ( 23 ) together on a single wafer ( 43 . 44 ) are realized. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Teile beider Ventile (23, 24) auf derselben Seite des Wafers (43, 44) angeordnet sind.Fuel cell system according to claim 5, characterized in that the moving parts of both valves ( 23 . 24 ) on the same side of the wafer ( 43 . 44 ) are arranged. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaserzeugungseinrichtung (2) auf der Basis von Zink und Wasser in alkalischem Medium unter Beaufschlagung mit einem Steuerstrom arbeitet.Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the gas generating device ( 2 ) works on the basis of zinc and water in an alkaline medium under application of a control current. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaserzeugungseinrichtung (3) einen Mikroreaktor (33) aufweist, dem eine Flüssigkeit mittels einer elektrisch ansteuerbaren Pumpe zuführbar ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the gas generating device ( 3 ) a microreactor ( 33 ), to which a liquid can be supplied by means of an electrically controllable pump. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroreaktor (33) für die Reaktion von Hydriden mit Wasser ausgestaltet ist.Fuel cell system according to claim 8, characterized in that the microreactor ( 33 ) is designed for the reaction of hydrides with water. Brennstoffzelle zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmöffnung (6, 7) ausschließlich durch ein als passives Einwegventil ausgestaltetes Ausströmventil (23) ver schließbar ist, dass der Zugangskanal (4) ausschließlich durch ein als passives Ventil ausgestaltetes Einströmventil (24) verschließbar ist und das Ausströmventil (23) einen Öffnungsgasdruck aufweist, der höher ist als der Öffnungsgasdruck des Einströmventils (24).Fuel cell for use in a fuel cell system according to one of the claims 1 to 9, characterized in that the outflow opening ( 6 . 7 ) exclusively by a passive valve designed as a one-way valve ( 23 ) can be closed, that the access channel ( 4 ) exclusively by an inlet valve designed as a passive valve ( 24 ) is closable and the discharge valve ( 23 ) has an opening gas pressure which is higher than the opening gas pressure of the inflow valve (US Pat. 24 ). Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des in der Gaserzeugungseinrichtung (2, 3) in elektrokatalytischer Umsetzung erzeugten Gases durch Beaufschlagung mit einem in Abhängigkeit von der Last der Brennstoffzelle (1) gesteuerten Strom eingestellt wird.Method for operating a fuel cell system according to claim 7, characterized ge indicates that the amount of gas in the gas generating device ( 2 . 3 ) produced in electrocatalytic conversion by application of a function of the load of the fuel cell ( 1 ) controlled current is set. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Spülen (Purging) der Brennstoffzelle (1) die Gaserzeugungseinrichtung (2, 3) derart angesteuert wird, dass sie einen Gasdruck in der Brennstoffzelle (1) erzeugt, der zur Öffnung des Ausströmventils (23) führt.Method according to claim 11, characterized in that for purging the fuel cell ( 1 ) the gas generating device ( 2 . 3 ) is controlled in such a way that it generates a gas pressure in the fuel cell ( 1 ), which is used to open the discharge valve ( 23 ) leads.
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