DE10218949A1 - Experimentiersystem zur Brennstoffzellentechnologie - Google Patents

Experimentiersystem zur Brennstoffzellentechnologie

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Abstract

Ein Brennstoffzellen-Experimentiersystem, das mindestens eine von einem Luftförderer (2) mit Reaktionsluft und aus einem Brennstoffspeicher (21) mit Brennstoff versorgte, an einen Verbraucher (31) angeschlossene Brennstoffzelle (1) sowie Messgeräte (11) zum Erfassen bestimmter Daten umfasst, besteht aus einer separaten Brennstoffzelleneinheit (19) sowie verschiedenen separaten Brennstoffeinheiten (29) und Verbrauchereinheiten (39), die austauschbar über eine leichtlösbare Verbindung verbraucherseitig und brennstoffseitig an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen werden können. Die Brennstoffzelleneinheit weist eine Steuerung (10) auf, der die von den Messgeräten erfassten Daten zugeführt werden, wobei die Messdaten umgeformt werden, und zwar zur Steuerung des Betriebs oder zum Abschalten der Brennstoffzelle mittels Stellgliedern (2a, 4a). Es sind manuell einstellbare Stellglieder (2b) zur Einstellung bestimmter Sollbetriebsdaten vorgesehen, die wie die übrigen Messdaten nach Bearbeitung in der Steuerung von Anzeigeinstrumenten (13a-13e) angezeigt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Experimentiersystem, das mindestens eine von einem Luftförderer mit Reaktionsluft und aus einem Brennstofftank über eine Pumpe mit Brennstoff versorgte Brennstoffzelle umfasst, die an einen Stromverbraucher angeschlossen ist, und das Sensoren zum Erfassen von Messdaten für die Regelung bestimmter Betriebsparameter aufweist.
  • Derartige Experimentiersysteme für die Brennstoffzellentechnologie, die beispielsweise in der beruflichen oder Hochschulausbildung eingesetzt werden, sind bekannt. Als Luftförderer wird ein Lüfter oder eine Pumpe eingesetzt. Für bestimmte Einsatzzwecke kann der Brennstoffzelle zur Wärmeabfuhr ein Kühlkreislauf zugeordnet sein. Zur automatischen Steuerung bestimmter Aggregate eines derartigen Experimentiersystems bzw. zur automatischen Regelung der Betriebsparameter für die Brennstoff- und Reaktionsluftzufuhr oder die Kühlung ist es bekannt, die Anlage über eine Datenleitung an einen Computer zu koppeln, der die Messdaten der Sensoren erfasst und speichert sowie auf einem Monitor anzeigt. Abgesehen von den mit der Verwendung eines Computers verbundenen hohen Kosten ist auch die Kommunikation mit dem Computer regelmäßig störungsbehaftet und führt zu Betriebsfehlern. Zudem beeinträchtigt die räumliche Trennung zwischen dem Computer und dem Messort an der Brennstoffzellenanlage das Verständnis für die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leicht zu bedienendes, einfach und kostengünstig ausgebildetes Experimentiersystem für die Brennstoffzellentechnologie bereitzustellen, dass die Wirkung einzelner, unterschiedlicher Betriebsparameter auf die Funktionsweise des Systems anschaulich und nachvollziehbar wiedergibt.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Brennstoffzellen-Experimentiersystem gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der separaten Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit und mehrerer unterschiedlicher Verbraucher- und Brennstoffeinheiten, die über leicht lösbare Verbindungen wahlweise an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen werden können. Dadurch können auf einfache Weise die Funktion der Brennstoffzelle bei in Bezug auf die Verbraucher und Brennstoffe unterschiedlichen Bedingungen dargestellt werden und deren Wirkungen besser nachvollzogen werden. In die Brennstoffzelleneinheit ist eine Steuerung integriert, die Messdaten von den der Brennstoffzelle zugeordneten Messgeräten empfängt und umformt, um mittels Stellgliedern die der Brennstoffzelle für deren Betrieb zugeordneten Vorrichtungen zu steuern. Darüber hinaus kann die Brennstoffzelleneinheit manuell einstellbare Stellglieder zur Einstellung bestimmter Sollwerte für den Brennstoffzellenbetrieb aufweisen. Die entsprechenden Eingaben werden ebenfalls in der Steuerung verarbeitet. Die in der Steuerung verarbeiteten Daten werden mittels Anzeigeinstrumenten, die der Brennstoffzelleneinheit unmittelbar zugeordnet sind, angezeigt.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Experimentiersystem ist einfach, kostengünstig und variabel ausgebildet und aufgrund der Einbindung vielfältiger Einflussgrössen in der Lage, die Funktionsweise der Brennstoffzelle anschaulich zu vermitteln.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines automatisch gesteuerten Brennstoffzellen-Experimentiersystems; und
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung einer konkreten Ausführungsform des auf einer Wandplatte montierten Experimentiersystems nach Fig. 1.
  • Das Gesamtsystem ist aus drei voneinander getrennten Einheiten, nämlich einer Brennstoffzelleneinheit 19, einer Brennstoffeinheit 29 und einer Verbrauchereinheit 39, gebildet, wobei die Brennstoffeinheit 29 über eine lösbare Verbindung 24 und die Verbrauchereinheit 39 über elektrische Steckverbindungen 18a, 18b mit der Brennstoffzelleneinheit 19 verbunden sind.
  • Kernstück des Systems ist die, wie Fig. 2 zeigt, auf einer Wandplatte 41 montierte Brennstoffzelleneinheit 19 mit den Anschlüssen 18a, 18b und 24 für die Brennstoffeinheit und die Verbrauchereinheit sowie mit einer auf der Rückseite der Wandplatte angebrachten Platine 43, die als Steuerung 10 (weiter unten erläutert) einen Microcontroller 42 und Signalleitungen 5, 12 und 14 aufweist. Neben der Brennstoffzelle 1 mit einem dieser zugeordneten Luftförderer (Lüfter oder Pumpe) 2 sind auf der Wandplatte weiterhin ein Spannungsmesser 11a, ein Strommesser 11b, ein Temperatursensor 11c und ein Brennstoff- Durchflussmesser 11d einschließlich der zugehörigen Anzeigeinstrumente 13a bis 13d, ein Lüfterleistung- Anzeigeinstrument 13e und ein mechanisches Stellglied 2b zur Einstellung eines Sollwerts der Luftfördererleistung erkennbar.
  • Gemäß der in Fig. 1 wiedergegebenen Schaltungsanordnung umfasst die Brennstoffeinheit 29 einen Brennstoffspeicher 21, einen Druckminderer 22 und eine Brennstoffleitung 23, die über die lösbare Verbindung 24 mit der an die Brennstoffzelle 1 angeschlossenen Brennstoffleitung der Brennstoffzelleneinheit 19 verbunden ist. Der Brennstoffeinheit 29 kann ein Reformer (nicht dargestellt) zugeordnet sein, um einen von der Brennstoffzelle 1 nicht verarbeitbaren Brennstoff in Wasserstoff umzuwandeln.
  • Die Verbrauchereinheit 39 umfasst einen Elektromotor 31 mit einstellbarer Last 32 und einem Leistungssteller 33. Elektrische Leitungen 33a, 33b sind über die elektrischen Steckverbindungen 18a, 18b mit den zur Brennstoffzelle 1 führenden elektrischen Leitungen der Brennstoffzelleneinheit 19 verbunden.
  • Die Brennstoffzelle 1 wird mit einem Kühlkreislauf 3, in den eine Kühlmittelpumpe 3a und ein Wärmetauscher 3b eingebunden sind, gekühlt. Dem Wärmetauscher 3b ist zur Wärmeabführung ein Kühllüfter 4 zugeordnet. Die von der Brennstoffzelle 1 erzeugte Abwärme kann aber auch in einen Nutzwärmekreis übertragen werden. Aus Fig. 1 ist insbesondere erkennbar, dass der Spannungsmesser 11a und der Strommesser 11b, der Brennstoff-Durchflussmesser 11d, der der Brennstoffzelle 1 unmittelbar zugeordnete Temperatursensor 11c und das Stellglied 2b zur Einstellung des Luftförderers 2 über Signalleitungen 12 mit einer Steuerung 10 verbunden sind, um die Steuerung 10 mit den erfassten Daten der Spannung, des Stroms, der Temperatur, der Brennstoffdurchflussmenge und der zugeführten Reaktionsluft zu versorgen. Weitere Signalleitungen 14 führen von der Steuerung 10 zu dem Spannungsanzeigeinstrument 13a, dem Stromanzeigeinstrument 13b, dem Temperaturanzeigeinstrument 13c, dem Brennstoffdurchflussmengenanzeigeinstrument 13d und dem Lüfterleistungsanzeigeinstrument 13e.
  • Die der Steuerung 10 von den Sensoren 11a bis 11d und dem mechanischen Stellglied 2b zugeführten Daten werden in dieser in Signale für die automatisch gesteuerten Stellglieder des Systems, hier die Leistungssteller 2a und 4a, umgerechnet und über Signalleitungen 5 an diese übertragen. In der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 sind als Stellglieder ein Leistungssteller 2a für den Luftförderer 2 und ein Leistungssteller 4a für den Kühllüfter 4 dargestellt. Weitere Stellglieder können beispielsweise Abschaltrelais sein, die die Brennstoffzelle 1 beim Erreichen bestimmter Kriterien vom Verbraucher (Elektromotor 31) trennen.
  • Neben dem oben bereits erwähnten mechanischen Stellglied 2b zur unmittelbaren Einstellung eines Sollwerts der Leistung des Luftförderers 2 durch den Benutzer können noch weitere mechanische Stellglieder, beispielsweise zur Einstellung der Leistung des Kühllüfters 4 oder der Temperatur der Brennstoffzelle angeordnet sein.
  • Mit einem gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ausgebildeten, in eigenständige Brennstoffzellen-, Brennstoff- und Verbrauchereinheiten aufgeteilten variablen Experimentiersystem für die Brennstoffzellentechnologie kann durch die unmittelbar an die Brennstoffzelle gekoppelte Anzeige wesentlicher Brennstoffzellenparameter wie Spannung, Strom, Temperatur, Brennstoffdurchfluss und Lüfterleistung in Kombination mit der Nutzung dieser Parameter zur automatischen Steuerung von Stellgliedern der Brennstoffzelle, zum Beispiel Leistungsstellern für die Reaktionsluftzufuhr zur Brennstoffzelle und die Kühlluftzufuhr zum Wärmetauscher des Kühlkreislaufs der Brennstoffzelle, sowie in weiterer Kombination mit mechanischen, vom Benutzer manuell einstellbaren Stellgliedern zur Vorgabe bestimmter Sollwerte, beispielsweise der Reaktionsluft-Luftfördererleistung oder der Kühlluft- Lüfterleistung oder der Belastung des Verbrauchers, die Funktion der Brennstoffzelle in Verbindung mit der Wirkung bzw. dem Zusammenwirken der verschiedenen Parameter des Gesamtsystems an Ort und Stelle anschaulich dargestellt und vom Auszubildenden leicht erfasst werden. Bezugszeichenliste 19 Brennstoffzelleneinheit
    1 Brennstoffzelle
    2 Luftförderer f. Reaktionsluft
    2a Leistungssteller für 2
    2b mechanisches Stellglied für 2
    3 Kühlkreislauf
    3a Kühlmittelpumpe
    3b Wärmetauscher
    4 Kühllüfter
    4a Leistungssteller
    5 Signalleitung von 10 nach 2a, 4a
    10 Steuerung (Microcontroller)
    11a Spannungsmesser
    11b Strommesser
    11c Temperatursensor
    11d Brennstoff-Durchflussmesser
    12 Signalleitungen von 11/2b nach 10
    13a Spannungsanzeigeinstrument
    13b Stromanzeigeinstrument
    13c Temperaturanzeigeinstrument
    13d Brennstoffdurchflussanzeigeinstrument
    13e Lüfterleistungsanzeigeinstrument
    14 Signalleitungen von 10 nach 13
    18a, b elektrische Steckverbindungen mit 33a, b
    41 Wandplatte
    42 Microcontroller
    43 Platine
    29 Brennstoffeinheit
    21 Brennstoffspeicher
    22 Druckminderer
    23 Brennstoffleitung
    24 lösbare Verbindung von 23 mit 19
    39 Verbrauchereinheit
    31 Elektromotor
    32 einstellbare mech. Last für 31
    33 Leistungssteller
    33a, b elektrische Leitungen

Claims (10)

1. Brennstoffzellen-Experimentiersystem, das mindestens eine von einem Luftförderer (2) mit Reaktionsluft und aus einem Brennstoffspeicher (21) mit Brennstoff versorgte, an einen Verbraucher (31) angeschlossene Brennstoffzelle (1) sowie Sensoren oder Messgeräte (11) zum Erfassen bestimmter Daten umfasst, gekennzeichnet durch eine separate Brennstoffzelleneinheit (19) mit Anschlüssen (18a, 18b; 24) zur lösbaren Verbindung mit verschiedenen Verbrauchereinheiten (39) und verschiedenen Brennstoffeinheiten (29), wobei die Brennstoffzelleneinheit (19) eine nach logischen Prinzipien arbeitende Steuerung (10) aufweist, die die von den Sensoren oder Messgeräten (11) erfassten Daten in Parameter zur Steuerung von mindestens einer der Brennstoffzelle (1) für deren Betrieb zugeordneten Vorrichtung (2, 4) über Stellglieder (2a, 4a) umwandelt.
2. Brennstoffzellen-Experimentiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Vorrichtung (2, 4) der Luftförderer (2) zur Zuführung der Reaktionsluft ist.
3. Brennstoffzellen-Experimentiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) an einen über einen Wärmetauscher (3b) geführten Kühlkreislauf (3) angeschlossen zugeordnet ist und die der Brennstoffzelle zugeordnete Vorrichtung (2, 4) ein Kühllüfter (4) zur Wärmeabfuhr von dem Wärmetauscher ist.
4. Brennstoffzellen-Experimentiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder für die der Brennstoffzelle zugeordneten Vorrichtungen Leistungssteller (2a, 4a) für den Luftförderer (2) und den Kühllüfter (4) oder Abschaltrelais zum Trennen der Brennstoffzelle vom Verbraucher sind.
5. Brennstoffzellen-Experimentiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mit der Steuerung (10) verbundene Anzeigeinstrumente (13a bis 13d) zur optischen Darstellung der von den Sensoren und Messgeräten (11) erfassten Messdaten.
6. Brennstoffzellen-Experimentiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Brennstoffzelle (1) zugeordneten Sensoren und Messgeräte einen Spannungsmesser (11a), einen Strommesser (11b), einen Temperatursensor (11c) und einen Brennstoffdurchflussmesser (11d) umfassen.
7. Brennstoffzellen-Experimentiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein dem Luftförderer (2) zugeordnetes, manuell einstellbares Stellglied (2b) zur Einstellung eines Sollwerts der Reaktionsluftzufuhr, wobei das Stellglied (2b) über die Steuerung (10) mit einem Lüfterleistungsanzeigeinstrument (13e) verbunden ist.
8. Brennstoffzellen-Experimentiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zusätzliche Stellglieder zur manuellen Einstellung der Leistung des Kühllüfters (4) oder der Temperatur der Brennstoffzelle.
9. Brennstoffzellen-Experimentiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) eine speicherprogrammierbare Steuerung oder ein Microcontroller (42) ist.
20. Brennstoffzellen-Experimentiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (19) und die verschiedenen Brennstoffeinheiten (29) sowie die verschiedenen Verbrauchereinheiten (39) jeweils auf separaten Wandplatten montiert sind und die ein Gesamtsystem bildenden Einheiten in ein Montagegestell einhängbar sind.
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