WO2002086996A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zur druckregulation in brennstoffzellensystemen - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zur druckregulation in brennstoffzellensystemen Download PDF

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Christopher Hebling
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Definitions

  • the invention relates to a 'fuel cell system with a polyelectrolyte membrane fuel cell and a method with which the pressure within the fuel cell can be regulated via the amount of fuel introduced. This regulation takes place via pressure sensors which are controlled by an electronic control unit.
  • PEMFC polymer electrolyte-fuel lines
  • the present application was therefore based on the object of eliminating these disadvantages of the prior art and of providing a fuel cell system which, despite the miniaturized construction, enables pressure regulation in an integrated fuel cell system.
  • the at least one pressure sensor can be attached anywhere in the interior of the fuel cell.
  • the pressure sensor is read by an electronic control unit, which in turn regulates a micro valve for the supply of the fuel.
  • Both the at least one microvalve and the at least one pressure sensor are connected to the electronic control unit via signal lines.
  • the inlet valve is opened or closed, depending on the internal pressure registered by the pressure sensor. The regulation takes place in the
  • the pressure sensor detects a pressure p B and converts it into an electronic signal
  • these electronic signals are evaluated by the control unit and the microvalve for the supply of the fuel is switched on the basis of this evaluation.
  • the pressure p B moves within two limit pressures p_ and pi, p 0 representing the minimum pressure and pi the maximum pressure. This control strategy ensures that the pressure in the gas space of the fuel cell between these two
  • a typical clock rate for miniaturized fuel cells is 1-2 Hz.
  • clock rates and control str tegien possible within the scope of the present invention. Since pressure differences occur within the gas space during operation of the fuel cell and in particular during opening of the inlet valve, it is advantageous to mount the pressure sensor at the end of the flow path of the inflowing fuel. However, any other position for the pressure sensor within the fuel cell is also conceivable. At the same time, it is also possible to mount several pressure sensors at different positions within a fuel cell. Possible pressure differences within the system can thus be better recorded and comprehensive system data can be transmitted to the electronic control unit.
  • the fuel cell system according to the invention preferably has an outlet valve which is also connected to the electronic control unit via signal lines.
  • the exhaust valves are controlled in a manner analogous to that of the intake valves.
  • the inlet valve is typically a valve with two openings and two switching positions (2/2-way valve). If the system of the fuel line system is not in operation, ie the device and the fuel cell are switched off, this valve is in the closed state.
  • Valves of this type are manufactured in a highly miniaturized form according to the prior art. A typical example of this is a micro valve from Hörbiger, which has external dimensions of 10 x 16 x 7 mm. Valves are preferably used which require little power to open and close. necessary to minimize the resulting power consumption. However, valves with more than two openings in the switching position can also be used. In addition to microvalves, valves with larger dimensions that are commercially available can also be used as valves.
  • Control valves are preferably used, which enable continuous opening and, associated therewith, a continuous increase in the fuel supply.
  • the gas flow can be better regulated and the pressure differences within the gas space can be reduced more efficiently.
  • control valves it is possible to adjust the gas flow in such a way that the fuel gas consumed by the reaction is replaced.
  • the fuel cell system can have a throttle behind the microvalve for supplying the fuel to reduce the pressure surge when the fuel flows in.
  • a reducer can be implemented, for example, by means of a very narrow constriction or a nozzle.
  • the fuel cell system according to the invention is preferably used as a compact energy supply source. This includes the energy supply of portable electronic devices, e.g. portable small computers, but also from stationary electronic devices, such as Sensors or radio equipment.
  • the power range of fuel cell systems as an energy supply source is preferably in the range between 0.1 and 100 W.
  • the figure shows a fuel cell system according to the invention in which a pressure accumulator (1) filled with metal hydride functions as the fuel accumulator.
  • This pressure accumulator for the fuel is preceded by a microvalve (2) which regulates the flow of the amount of hydrogen.
  • the microvalve (2) is electronically connected to the electronic control unit (4) via a signal line (5) via a throttle (3) to reduce the pressure surge when the fuel flows in, the control unit controlling the microvalve as a function of that in the Fuel cell (6) located pressure sensors (7, 8) controls electronic signals supplied.
  • the fuel cell system also has a microvalve for the outlet (11) of the excess fuel, which is also via the control unit with which it is switched electronically via a signal line (12).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Polyelektrolytmembran-Brennstoffzelle (6) sowie ein Verfahren, mit dem der Druck innerhalb der Brennstoffzelle über die Menge des eingeleiteten Brennstoffs reguliert werden kann. Dabei wird der zellinterne Druck durch Drucksensoren (7, 8) erfasst, von einer Steuereinheit (4) ausgewertet und durch Steuerbefehle an ein Einlassventil (2) bzw. Auslassventil (11) geregelt.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Druckregulation in Brennstoffzellensystemen
Die Erfindung betrifft ein' BrennstoffZeilensystem 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.
Miniaturisierte Poly erelektrolytmerabranBrennstoffZeilen (PEMFC) werden bei einem leichten Überdruck von typischerweise 50-100 mbar betrieben. Bei diesen Brennstoffzellensystemen wird ein nur geringer Überdruck verwendet, da aufgrund der Miniaturisierung 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 Brennstoffzellen wird der Brennstoff zunächst einem Druckspeicher 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 Brennstoffs aus diesem Druckspeicher in die Brennstoffzelle ist nun eine Druckminderung notwendig. Nach dem Stand der Technik erfolgt diese Druckreduzierung mittels voluminöser und schwerer Druckminderer. Das Prinzip dieser Druckminderer basiert auf einer internen Membran, die je nach dem Differenzdruck das Einlaßventil mechanisch öffnet und schließt, so daß hin- ter dem Druckminderer ein definierter konstanter
Überdruck herrscht (Dubbel-Taschenbuch für den Maschinenbau, 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 Realisierung kompakter Brennstoffzellensysteme ist auf diese Weise daher nicht möglich.
Der vorliegenden Anmeldung lag daher die Aufgabe zu- gründe, diese Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei dem trotz miniaturisierter Bauweise die Druckregulation in einem integrierten Brennstoffzel- lensysterα ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch das gattungsgemäße BrennstoffZeilensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das gattungsgemäße Verfahren zur Druckregulation in Brennstoffzellensystemen mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Die weiteren Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Die Verwendung der BrennstoffZeilensysteme 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 Schaltung 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 Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs regelt. Sowohl das mindestens eine Mikroventil als auch der mindestens eine Drucksensor sind dabei über Signalleitungen mit der elektronischen Steuereinheit verbunden. Das Einlaßventil wird dabei geöffnet oder geschlossen, je nach dem Innendruck, der vom Drucksensor re- gistriert wird. Die Regelung erfolgt dabei in der
Weise, daß der Drucksensor einen Druck pB erfaßt und in ein elektronisches Signal umwandelt, diese elektronischen Signale von der Steuereinheit ausgewertet werden und anhand dieser Auswertung die Schaltung des Mikroventils für die Zuleitung des Brennstoffs erfolgt. Dabei bewegt sich der Druck pB innerhalb zweier Grenzdrücke p_ und pi, wobei p0 den Mindestdruck und pi den Maximaldruck darstellen. Anhand dieser Regelungsstrategie wird gewährleistet, daß der Druck im Gasraum der Brennstoffzelle zwischen diesen beiden
Drücken p0 und pi liegt. Auf diese Weise wird ein ge- taktetes Öffnen und Schließen des Einlaßventils erreicht, 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 insbesondere während des Öffnens des Einlaßventils Druckdifferenzen innerhalb des Gasraumes auftreten, ist es vorteilhaft, den Drucksensor am Ende des Strömungsweges 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 elektronische 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 Einlaßventilen. Vorteil dieser Weiterbildung ist das eine exaktere und schnellere Beeinflussung der Druckverhältnisse ermöglicht wird.
Bei dem Einlaßventil handelt es sich typischerweise um ein Ventil mit zwei Öffnungen und zwei Schaltpositionen (2/2-Wege-Ventil) . Wenn das System des BrennstoffZeilensystems nicht in Betrieb ist, d.h. Gerät und Brennstoffzelle sind ausgeschaltet, befindet sich dieses Ventil im geschlossenen Zustand. Ventile dieser Art werden gemäß dem Stand der Technik in stark miniaturisierter Form hergestellt. Ein typisches Beispiel hierfür ist ein Mikroventil der Firma Hörbiger, welches Außenmaße von 10 x 16 x 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 eingesetzt werden, die kommerziell erhältlich sind.
Bevorzugt werden Regelventile verwendet, die ein kontinuierliches Öffnen und damit verbunden eine konti- nuierliche Steigerung der BrennstoffZuleitung ermöglichen. Damit kann bei dieser Anwendung der Gasfluß zum einen besser reguliert und damit auch die Druckdifferenzen innerhalb des Gasraums effizienter vermindert 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 Verfahrens kann das Brennstoffzellensystem hinter dem Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs zusätz- lieh eine Drossel zur Minderung des Druckstoßes beim Einströmen des Brennstoffs aufweisen. Ein solches Reduzierstück kann beispielsweise mittels einer sehr schmalen Verengung oder einer Düse realisiert werden.
Bevorzugt findet das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem als kompakte Energieversorgungsquelle Verwendung. Hierzu zählen die Energieversorgung von por- tablen elektronischen Vorrichtungen, z.B. portable Kleincomputer, aber auch von stationären elektroni- sehen Geräten, wie z.B. Sensoren oder Funkanlagen.
Der Leistungsbereich der Brennstoffzellensysteme als Energieversorgungsquelle liegt dabei bevorzugt im Bereich 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. Diesem Druckspeicher für den Brennstoff ist einem Mikroventil (2) vorgeschaltet, das den Durchfluß der Was- serstoffmenge regelt. Gleichzeitig ist das Mikroventil (2) über eine Drossel (3) zur Minderung des Druckstoßes beim Einströmen des Brennstoffs mit der elektronischen Steuereinheit (4) über eine Signalleitung (5) elektronisch verbunden, wobei die Steuereinheit 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 Positionen innerhalb der Brennstoffzelle angebracht sein, wobei die einzelnen Drucksensoren über Signalleitungen (9, 10) mit der Steuereinheit verbunden sind. Ebenso weist das Brennstoffzellensystem ein Mikroventil für den Auslaß (11) des überschüssigen Brennstoffs auf, der das ebenfalls über die Steuereinheit, mit der es über eine Signalleitung (12) elektronisch geschaltet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem mit einer Polyelektrolyt- membran-Brennstoffzelle,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Brennstoffzellensystem mindestens ein
Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs in die Brennstoffzelle, einen Drucksensor sowie eine 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 Reaktionsprodukten aus der Brennstoffzelle aufweist.
3. Brennstoffzelle nach mindestens einem der vor- hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs und der Brennstoffzelle eine Dros- sei, z.B. eine Düse oder eine schmale Verengung angeordnet ist.
4. Brennstoffzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroventile mindestens zwei Öffnungen und mindestens zwei Schaltpositionen aufweisen.
5. Brennstoffzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflußrate durch die Mikroventile regelbar ist.
6. Verfahren zur Druckregulation in Brennstoffzellensystemen mit einer Polyelektrolytmembran- Brennstoffzelle, mindestens einem Mikroventil für die Zuleitung des Brennstoffs, einer elektronischen Steuereinheit und einem Drucksensor, bei dem der Druck in der Brennstoffzelle über die Menge des eingeleiteten Brennstoffs reguliert wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t
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 pi bewegt.
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 mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 als kompakte Energieversorgungsquelle für portable elektronische Vorrichtungen, z.B. portable Kleincomputer.
11. Verwendung des BrennstoffZellensystems nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 als Energieversorgungsquelle für stationäre elektronische Geräte, z.B. Sensoren und/oder Funkanlagen.
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