WO2009030184A1 - Mischeinheit für eine brennstoffzelle und ein verfahren zur ansteuerung der mischeinheit - Google Patents

Mischeinheit für eine brennstoffzelle und ein verfahren zur ansteuerung der mischeinheit Download PDF

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WO2009030184A1
WO2009030184A1 PCT/DE2007/001568 DE2007001568W WO2009030184A1 WO 2009030184 A1 WO2009030184 A1 WO 2009030184A1 DE 2007001568 W DE2007001568 W DE 2007001568W WO 2009030184 A1 WO2009030184 A1 WO 2009030184A1
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storage chamber
mixing
water
mixing unit
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Morten H. Christensen
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Sabik Informationssysteme Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a mixing unit for a fuel cell according to the preamble of claim 1 and a method for controlling the mixing unit according to the preamble of claim 8.
  • Mixing units of this type and the associated methods for controlling are used for removing reactants from a respective storage container, for mixing and metering reactants and for feeding this mixture of substances into a fuel cell, in particular into a direct methanol fuel cell.
  • a fuel cell is used as an environmentally friendly and high-efficiency power source in which chemical energy is converted directly into electrical energy by an electrochemical oxidation of an easily oxidizable substance (eg hydrogen, hydrazine, methanol) with an oxidizing agent (eg oxygen, air) ,
  • an easily oxidizable substance eg hydrogen, hydrazine, methanol
  • an oxidizing agent eg oxygen, air
  • the fuel cell has an electrolyte and two electrodes, wherein at the anode, the oxidizable substance and at the cathode, the oxidizing agent are supplied continuously.
  • a low-temperature fuel cell and a medium-temperature fuel cell (0-15O 0 C and 150-250 0 C) are used as reactants oxygen and hydrogen or methanol.
  • a high-temperature fuel cell however, at 500 to HOO 0 C reactive hydrocarbons or nitrogen-hydrogen compounds (ammonia, hydrazine) are used as fuels.
  • a direct methanol fuel cell has a reformer with an anode compartment and a cathode compartment separated by a proton conductive membrane.
  • a vaporized methanol / water mixture is continuously fed into the anode compartment and air is continuously fed into the cathode compartment, with the evaporated methanol / water mixture being converted into hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide.
  • the mixing and the continuous supply of the evaporated methanol / water mixture and the air is realized by pumping.
  • the methanol / water mixture is circulated on the anode side by means of a rotating pump at a predetermined pressure in order to constantly ensure an oversupply of combustion agent at the anode.
  • the ratio of water to methanol in the Anodenenzutechnisch is set by a sensor in a closed loop, which measures the methanol concentration in the anode feed line. In dependence on this sensor signal then takes place a concentration control for the methanol / water mixture, wherein the liquid methanol is sucked by a second rotating pump from a methanol tank via a methanol feed line and pressed into the anode feed line.
  • EP 12 88 498 B1 discloses an anode stream circulation system in which hydrogen is circulated around the anode as a fuel for providing a sufficiently high concentration with a membrane pump. An addition of hydrogen in this circulation circuit is carried out with a second pump from a hydrogen storage tank. For this purpose, the hydrogen concentration in the circulation circuit is measured by a sensor.
  • the diaphragm pump used in the circulation circuit consists of a wall surrounding an interior space and a piston located in this interior space, wherein the interior space is separated by a transversely arranged membrane into a part with and another part without a piston.
  • a transversely arranged membrane into a part with and another part without a piston.
  • the invention is therefore based on the object to develop a generic mixing unit for a fuel cell and an associated method, in which the construction is space-saving and compact.
  • the delivery devices are controlled by a control unit piezo pumps, with which a predefined methanol concentration of the methanol / water mixture is achieved in the mixing line.
  • the predefined methanol concentration is entered via a control panel and implemented by the control unit by controlling the piezo pumps, so that the mixing unit is simple in construction and trouble-free.
  • the piezo pumps and the mixing line are integrated in a pump module with the control unit, wherein the pump module is placed with the control unit on a methanol storage chamber and the water storage chamber comprehensive tank module and forms a compact unit with this. Due to the compact design, the mixing unit is easy to manufacture and inexpensive and suitable for extreme climatic environmental conditions.
  • the intake manifold of the piezoelectric pumps are each connected to a built-in wall of the tank module suction channel.
  • the compact mixing unit is space-saving connected to the tank module, wherein the wall of the tank module takes over as a limitation of the storage chamber and as a carrier of the suction channels a dual function.
  • the pump module and the tank module are non-positively connected to each other via the sealing surface by a plurality of screw connections and the storage chambers of the tank module are open at the top and are covered by a respective top surface of the pump module.
  • Advantageous in the application of the method for controlling the mixing unit is that at least one pump for the promotion of methanol from the methanol storage chamber with a variable setpoint controlled by the control unit, because thereby an open control is realized and a methanol sensor is not needed. It is also advantageous if the setpoint is constant and can be specified via a timer or via a manual input.
  • the fuel cell is controllable, wherein at predetermined times of the day, the power is throttled to a minimum, when no electrical energy is needed.
  • the power of the fuel cell can be set to an average, if only a part of the maximum deliverable by the fuel cell electrical energy is needed.
  • a manual input can be used for short-term change of the time control or for maintenance purposes.
  • the desired value can be changed as a function of operating and environmental measurement data, wherein the reference value specification is effected by an artificial neural network integrated in the control unit.
  • 1 is a schematic representation of a new mixing unit for a fuel cell with a reservoir in a Forderansicht
  • Fig. 2 is a schematic representation of the new mixing unit for a fuel cell with a reservoir in a side view
  • Fig. 3 is a schematic representation of the new mixing unit for a fuel cell with a reservoir in a plan view.
  • FIGS. 1 and 2 show the new mixing unit for a fuel cell, which consists of a cuboid tank module 1 and a cuboid pump module 2 with a control unit 3.
  • the pump module 2 with the control unit 3 is placed on the tank module 1 such that three outer sides 4, 5 of the pump module 2 and the tank module 1 are each flush with one another and have a longer outer side 5 'of the Pump module 2 relative to the associated longer outer side 5 'of the tank module
  • a methanol storage chamber 6 and a water storage chamber 7 are integrated side by side, each open at the top and by the pump module
  • the methanol storage chamber 6, which is circular in cross-section, has a methanol inlet 8 and a methanol overflow 9.
  • the methanol inlet 8 are located at the same height in the upper right region of the non-protruding longer outer side 5 and the methanol overflow 9 on the adjacent shorter outer side 4 of the tank module 1.
  • the water supply 10 is at the same height on the methanol overflow 9 opposite shorter outside 4 of the tank module 1.
  • the water outlet 10 is also located in the upper right area of the not protruding longer outside 5 in the same height next to the methanol inlet 8, wherein the water outlet 10 is arranged closer to the water inlet 10.
  • the filling volume of the water storage chamber 7 is approximately twice as large as the filling volume of the methanol storage chamber 6.
  • a methanol suction channel 12 and two water suction channels 13 are arranged between the methanol storage chamber 6 and the water storage chamber 7 on the one hand and the longer outer side 5 '.
  • the methanol suction duct 12 and the water suction ducts 13 are evenly distributed over the longer outer side 5 'and begin on a sealing surface 14.
  • the methanol suction duct 12 opens into the methanol storage chamber 6 near the bottom.
  • the two water suction ducts 13 also open into the water reservoir chamber 7 near the bottom.
  • sealing surface 14 of the tank module 1 On the sealing surface 14 of the tank module 1 is a sealing surface 14 'of the pump module 2, wherein between the sealing surfaces 14, 14', a sealing element 15 is arranged and the two modules 1, 2 by a plurality of fittings 16 are non-positively connected to each other.
  • the pump module 2 has on the sealing surface 14 ', each arranged in the extension of the methanol suction duct 12 and the two water suction ducts 13, a Methanolansaugstutzen 17 and two Wasseransaugstutzen 18 and two in the extension of the methanol storage chamber 6 and the water reservoir chamber 7 formed chamber top surfaces 19.
  • the Methanolansaugstutzen 17 and the two water intake 18 and the chamber top surfaces 19 slightly into the tank module 1 and serve as a guide of the pump module. 2
  • three piezo pumps 20 are integrated in such a way that their respective suction port 21 is in the extension of the methanol suction duct 12 and the methanol suction duct 17 and in the extension of the two water suction ducts 13 and the two water intake ducts 18.
  • the pressure ports 22 of the three piezo pumps 20 are connected via a mixing line 23 with a methanol / water mixture outlet 24, which opens above the water inlet 10 on the shorter outer side 4 of the pump module 2. While with the one piezopump 20 methanol from the methanol storage chamber 6 is conveyed into the mixing line 23, the two other piezo pumps 20 serve the promotion of water from the water storage chamber 7 in the mixing line 23.
  • the flow rates of the piezoelectric pumps 20 to a predefined methanol concentration of methanol / Water mixture in the mixing line 23 between 3 and 30 wt .-%, ie between 3 and 30 kg of methanol in 100 kg of methanol / water mixture, tuned.
  • the delivery rates of the piezo pumps 20 are between 3 and 10 mass%. In heavy frost, the delivery rates of the piezo pumps 20 can rise to 30% by mass.
  • the control unit 3 for driving the piezoelectric pumps 20 is positively and non-positively attached.
  • the control unit 3 is electrically connected to the piezo pumps 20.
  • the piezo pumps 20 are driven separately from each other.
  • an artificial neural network 28 is integrated, whereby the piezoelectric pumps 20 are driven in response to operating and environmental measurement data.
  • the operating measurement data z. B the cell voltage of the fuel cell Uz e ii and the calculated levels in the methanol storage chamber 6 F CH3OH and the water storage chamber 7 F 112O -
  • the outside temperature T A and the time t count In this case, other state or process variables can be used as operating and environmental measurement data.
  • All operational and environmental data serve as equally weighted inputs to the artificial neural network 28.
  • an artificial neural network 28 a forward directed multilayer pereptron network is exemplified in FIG. 4, but also the use of any other suitable artificial neural network Network is conceivable.
  • the methanol storage chamber 6, the water storage chamber 7, the chamber cover surfaces 19, the methanol suction 12, the Wasseraugkanäle 13, the Methanolansaugstutzen 17, the Wasseransaugstutzen 18, the piezoelectric pumps 20, the mixing line 23 and the methanol / water mixture output 24 consist of one or more stainless and methanol-resistant material.
  • the methanol storage chamber 6 and the water storage chamber 7 are to be filled.
  • methanol is filled via the methanol inlet 8 into the methanol storage chamber 6 and water via the water inlet 10 into the water storage chamber 7 until the respective filling volumes are reached.
  • the methanol overflow 9 and water overflow 11 serve for venting.
  • the artificial-neuronal network 28 is to train.
  • the artificial-neural network is provided with 28 learning data records which are derived from the input signals. large (operating and environmental measurement data) and the associated output variables (flow rates of piezo pumps 20) exist. From these learning data sets the optimal network structure of the artificial neural network 28 is determined, wherein the artificial neural network 28 with the optimal network structure is a minimum error between each learning data set and the replica of the respective data set by the artificial neural network 28.
  • the control unit 3 of the pump module 2 is switched on via the control panel 27, the control unit 3 being supplied with an electric current by the accumulator 25.
  • the piezo pumps 20 are now separated from each other and driven in response to the artificial neural network 28, so that the piezo pump 20 with different mass flows methanol from the methanol storage chamber 6 and water from the water storage chamber 7 promote in the mixing line 23.
  • the methanol / water mixture formed in the mixing line 23 is simultaneously conveyed via the methanol / water mixture outlet 24 into an anode space of a fuel cell, not shown in the figures.
  • the methanol / water mixture Upon reaching the anode compartment of the fuel cell, the methanol / water mixture is reacted with simultaneous supply of air into the cathode compartment to hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. This results in electrical energy, of which a small part is used via the voltage input 26 from the control unit 3 to the power supply. The remaining part of the electrical energy is available to a consumer, not shown in the figures.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemäße Mischeinheit für eine Brennstoffzelle und ein dazugehöriges Verfahren zu entwickeln, bei der die Bauausführung platzsparend und kompakt ist. Erreicht wird dies dadurch, dass - die Fördereinrichtungen über eine Steuereinheit (3) angesteuerte Piezopumpen (20) sind, die auf eine vordefinierte Methanolkonzentration des Methanol/ Wasser-Gemisches in der Mischleitung (23) eingestellt sind, - die Methanolvorratskammer (6) und die Wasservorratskammer (7) in einem Tankmodul (1) untergebracht sind und - das Pumpenmodul (2), die Steuereinheit (3) und das Tankmodul (1) eine kompakte Einheit bilden. Derartige Vorrichtungen und die dazugehörigen Verfahren werden zur Entnahme von Reaktionsstoffen aus einem jeweiligen Vorratsbehälter, zum Mischen und Dosieren von Reaktionsstoffen sowie zur Zuführung dieses Stoffgemisches in eine Brennstoffzelle, insbesondere in eine Direktmethanol-Brennstoffzelle, eingesetzt.

Description

Beschreibung
Mischeinheit für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Ansteuerung der Mischeinheit
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mischeinheit für eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Ansteuerung der Mischeinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Derartige Mischeinheiten und die dazugehörigen Verfahren zur Ansteuerung werden zur Entnahme von Reaktionsstoffen aus einem jeweiligen Vorratsbehälter, zum Mischen und Dosieren von Reaktionsstoffen sowie zur Zuführung dieses Stoffgemisches in eine Brennstoffzelle, insbesondere in eine Direktmethanol-Brennstoffzelle eingesetzt.
Eine Brennstoffzelle wird als umweltfreundliche und einen hohen Wirkungsgrad aufweisende Stromquelle genutzt, bei der durch eine elektrochemische Oxidation einer leicht oxidierbaren Substanz (z.B. Wasserstoff, Hydrazin, Methanol) mit einem Oxida- tionsmittel (z.B. Sauerstoff, Luft) chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Dazu besitzt die Brennstoffzelle ein Elektrolyt und zwei Elektroden, wobei an der Anode die oxidierbare Substanz und an der Kathode das Oxidationsmittel kontinuierlich zugeführt werden. Bei einer Niedertemperaturbrennstoffzelle und einer Mitteltemperaturbrennstoffzelle (0-15O0C und 150-2500C) werden als Reaktionsstoffe Sauerstoff und Wasserstoff oder Methanol verwendet. In einer Hochtemperaturbrennstoffzelle werden dagegen bei 500 bis HOO0C reaktionsfähige Kohlenwasserstoffe oder Stickstoff- Wasserstoff-Verbindungen (Ammoniak, Hydrazin) als Brennstoffe eingesetzt.
Der Gegenstand der hier vorgestellten Vorrichtung betrifft vorzugsweise die Direktmethanol-Brennstoffzelle. Eine Direktmethanol-Brennstoffzelle besitzt einen Reformer mit einem Anodenraum und einem Kathodenraum, die durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sind. In den Anodenraum wird kontinuierlich ein verdampftes Methanol/ Wasser- Gemisch und in den Kathodenraum kontinuierlich Luft zugeführt, wobei das verdampfte Methanol/ Wasser-Gemisch zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umgesetzt wird. Dabei wird das Mischen und die kontinuierliche Zufuhr des verdampften Methanol/ Wasser-Gemisch sowie der Luft durch Pumpen realisiert. So wird z.B. in der DE 197 01 560 C2 auf der Anodenseite das Methanol/ Wasser- Gemisch mit Hilfe einer rotierenden Pumpe bei einem vorgegebenen Druck zirkuliert, um an der Anode ständig ein Überangebot an Brennmittel zu gewährleisten. Dabei wird in einem geschlossenem Regelkreis das Verhältnis von Wasser zu Methanol in der A- nodenzuleitung durch einen Sensor eingestellt, der die Methanolkonzentration in der Anodenzuleitung misst. In Abhängigkeit von diesem Sensorsignal erfolgt dann eine Konzentrationsregelung für das Methanol/ Wasser-Gemisch, wobei das flüssige Methanol durch eine zweite rotierende Pumpe aus einem Methanoltank über eine Methanolzuführungsleitung angesaugt und in die Anodenzuleitung gedrückt wird. Weiterhin ist bekannt, anstelle der rotierenden Pumpen Membranpumpen einzusetzen, weil Membranpumpen gegenüber rotierenden Pumpen einen geringeren mechanischen Verschleiß aufweisen, da die mechanischen Teile nicht in direktem Kontakt mit dem zufördernden Medium kommen und durch eine Membran geschützt sind. In der EP 12 88 498 Bl wird ein Anodenstromzirkulationssystem vorgestellt, bei dem Wasserstoff als Brennmittel für die Bereitstellung einer ausreichend hohen Konzentration mit einer Membranpumpe um die Anode zirkuliert wird. Eine Zugabe von Wasserstoff in diesen Zirkulationskreis erfolgt mit einer zweiten Pumpe aus einem Wasserstoffvorratsbehälter. Dazu wird die Wasserstoffkonzentration im Zirkulationskreis durch einen Sensor gemessen. Die im Zirkulationskreis verwendete Membranpumpe besteht aus einer einen Innenraum umgebenen Wand und einem in diesem Innenraum befindlichen Kolben, wobei der Innenraum durch eine quer angeordnete Membran in einen Teil mit und einem anderen Teil ohne Kolben getrennt wird. Bei beiden Ausfuhrungsformen ist aber von Nachteil, dass zwei Pumpen sowie ein Sensor benötigt werden. Daraus resultiert eine große, in der Herstellung aufwendige und teuere Vorrichtung.
Von besonderem Nachteil bei der Verwendung der beiden Ausfuhrungsformen ist aber der mechanische Verschleiß der rotierenden Teile und ihrer Lager, wodurch die rotierenden Pumpen wie auch die Membranpumpen wartungsintensiv sind und eine relativ geringe Lebensdauer besitzen. Außerdem weisen sie einen relativ hohen Stromverbrauch auf und sind deshalb für den Einsatz zur Versorgung der Brennstoffzellen uneffizient. Da die Pumpen und der Sensor im Normalbetrieb von der eigenen Brennstoffzelle versorgt werden, belastet das den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Von entscheidendem Nachteil beider zuvor genannten Vorrichtungen ist aber die separate Bauform, in der alle Bauteile durch Leitungen oder Schläuche verbunden sind. Dadurch wird die gesamte Apparatur zu groß, was die Einsatzfalle einschränkt. Auch wird dadurch die Herstellung zu aufwendig. Außerdem ist sie durch Verwendung von flexiblen Schläuchen als Zuleitungen störanfälliger, da sich die Schläuche durch Erschütterungen leicht von den Anschlüssen lösen können. Auch werden derartige Schläuche schnell porös, so dass die Brennstoffzelle häufig nicht mit dem Brennmittel versorgt wird und deshalb ausfällt. Das verringert die Verfügbarkeit der Brennstoffzelle und erhöht die Reparatur- und Wartungsleistung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemäße Mischeinheit für eine Brennstoffzelle und ein dazugehöriges Verfahren zu entwickeln, bei der die Bauausführung platzsparend und kompakt ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7. Verfah- renseitig wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 8 gelöst und zweckmäßig durch die Unteransprüche 9 und 10 ausgestaltet. Die lösungsgemäße Mischeinheit für eine Brennstoffzelle beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik.
Vorteilhaft bei der Anwendung der lösungsgemäßen Mischeinheit für eine Brennstoffzelle ist es, dass die Fördereinrichtungen über eine Steuereinheit angesteuerte Piezo- pumpen sind, mit denen eine vordefinierte Methanolkonzentration des Methanol/ Wasser-Gemisches in der Mischleitung erreicht wird. Dadurch wird eine offene Steuerung realisiert, bei der kein störungsanfälliger Sensor zur Messung der Methanolkonzentration benötigt wird. Dabei wird die vordefinierte Methanolkonzentration über ein Bedienfeld eingegeben und von der Steuereinheit durch die Ansteuerung der Piezopumpen umgesetzt, so dass die Mischeinheit im Aufbau einfach und störungsfrei ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Piezopumpen und die Mischleitung in einem Pumpenmodul mit der Steuereinheit integriert sind, wobei das Pumpenmodul mit der Steuereinheit auf ein die Methanolvorratskammer und die Wasservorratskammer umfassendes Tankmodul aufgesetzt ist und mit diesem eine kompakte Einheit bildet. Durch die kompakte Bauart ist die Mischeinheit in der Herstellung einfach und kostengünstig sowie für extreme klimatische Umweltbedingungen geeignet.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn dann noch die Ansaugstutzen der Piezopumpen jeweils mit einem in der Wandung des Tankmoduls integrierten Saugkanal verbunden sind. Dadurch ist die kompakte Mischeinheit platzsparend mit dem Tankmodul verbunden, wobei die Wandung des Tankmoduls als Begrenzung der Vorratskammer und als Träger der Saugkanäle eine Doppelfunktion übernimmt.
Von Vorteil ist es auch, wenn das Pumpenmodul und das Tankmodul über die Dichtfläche durch mehrere Verschraubungen kraftschlüssig miteinander verbunden sind sowie die Vorratskammern des Tankmoduls nach oben offen sind und durch jeweils eine Deckfläche des Pumpenmoduls abgedeckt werden. Dadurch sind beide Module z. B. zum Reinigen der Vorratskammer voneinander trennbar. Vorteilhaft bei der Anwendung des Verfahrens zur Ansteuerung der Mischeinheit ist es, dass mindestens eine Pumpe zur Förderung von Methanol aus der Methanolvorratskammer mit einem veränderbaren Sollwert über die Steuereinheit angesteuert, weil dadurch eine offene Steuerung realisiert wird und ein Methanolsensor nicht benötigt wird. Von Vorteil ist es auch, wenn der Sollwert konstant und über eine Zeitsteuerung oder über eine manuelle Eingabe vorgebbar ist. Dadurch ist die Brennstoffzelle ansteuerbar, wobei zu vorgegebenen Tageszeiten die Leistung auf ein Minimum gedrosselt wird, wenn keine elektrische Energie benötigt wird. Oder die Leistung der Brennstoffzelle ist auf einem Mittelwert einstellbar, wenn nur ein Teil der durch die Brennstoffzelle maximal lieferbaren elektrischen Energie benötigt wird. Eine manuelle Eingabe kann zur kurzfristigen Änderung der Zeitsteuerung oder zu Wartungszwecken genutzt werden. Von Vorteil ist es aber auch, wenn der Sollwert in Abhängigkeit von Betriebs- und Umweltmessdaten veränderbar ist, wobei die Sollwertvorgabe durch ein in der Steuereinheit integriertes Künstlich-neuronales Netz erfolgt.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Dazu zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer neuen Mischeinheit für eine Brennstoffzelle mit einem Vorratsbehälter in einer Forderansicht,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der neuen Mischeinheit für eine Brennstoffzelle mit einem Vorratsbehälter in einer Seitenansicht und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der neuen Mischeinheit für eine Brennstoffzelle mit einem Vorratsbehälter in einer Draufsicht.
Diese Figuren zeigen die neue Mischeinheit für eine Brennstoffzelle, die aus einem quaderförmigen Tankmodul 1 und einem quaderförmigen Pumpenmodul 2 mit einer Steuereinheit 3 besteht. Das Pumpenmodul 2 mit der Steuereinheit 3 ist derart auf das Tankmodul 1 aufgesetzt, dass drei Außenseiten 4, 5 des Pumpenmoduls 2 und des Tankmoduls 1 jeweils plan miteinander abschließen und eine längere Außenseite 5' des Pumpenmoduls 2 gegenüber der dazugehörigen längeren Außenseite 5' des Tankmoduls
1 übersteht.
In dem Tankmodul 1 sind nebeneinander eine Methanolvorratskammer 6 und eine Wasservorratskammer 7 integriert, die jeweils nach oben offen und durch das Pumpenmodul
2 abgeschlossen sind. Die Methanolvorratskammer 6, die im Querschnitt kreisförmig ist, weist einen Methanolzulauf 8 und einen Methanolüberlauf 9 auf. Dabei befinden sich in gleichen Höhen der Methanolzulauf 8 im oberen rechten Bereich der nicht überstehenden längeren Außenseite 5 und der Methanolüberlauf 9 auf der angrenzenden kürzeren Außenseite 4 des Tankmoduls 1.
Die in der Querschnittform eines Langloches ausgeführte Wasservorratskammer 7 besitzt einen Wasserzulauf 10 und einen Wasserüberlauf 1 1. Der Wasserzulauf 10 ist in gleicher Höhe auf der dem Methanolüberlauf 9 gegenüberliegenden kürzeren Außenseite 4 des Tankmoduls 1. Der Wasserablauf 10 befindet sich ebenfalls im oberen rechten Bereich der nicht überstehenden längeren Außenseite 5 in gleicher Höhe neben dem Methanolzulauf 8, wobei der Wasserablauf 10 näher am Wasserzulauf 10 angeordnet ist.
Dabei ist das Füllvolumen der Wasservorratskammer 7 ungefähr doppelt so groß, wie das Füllvolumen der Methanolvorratskammer 6.
In der Wandung des Tankmoduls 1 sind zwischen der Methanolvorratskammer 6 und der Wasservorratskammer 7 einerseits und der längeren Außenseite 5' anderseits ein Methanolsaugkanal 12 und zwei Wassersaugkanäle 13 angeordnet. Der Methanolsaugkanal 12 und die Wassersaugkanäle 13 sind über die längere Außenseite 5' gleichmäßig verteilt und beginnen auf einer Dichtfläche 14. Dabei mündet der Methanolsaugkanal 12 in Bodennähe in die Methanolvorratskammer 6. Die beiden Wassersaugkanäle 13 münden ebenfalls bodennah jeweils in die Wasservorratskammer 7. Auf der Dichtfläche 14 des Tankmoduls 1 liegt eine Dichtfläche 14' des Pumpenmoduls 2 auf, wobei zwischen den Dichtflächen 14, 14' ein Dichtungselement 15 angeordnet ist und die beiden Module 1, 2 durch mehrere Verschraubungen 16 kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Das Pumpenmodul 2 besitzt auf der Dichtfläche 14', jeweils in der Verlängerung des Methanolsaugkanals 12 und der beiden Wassersaugkanäle 13 angeordnet, einen Methanolansaugstutzen 17 und zwei Wasseransaugstutzen 18 sowie zwei in der Verlängerung der Methanolvorratskammer 6 und der Wasservorratskammer 7 ausgeformte Kammerdeckflächen 19. Dabei ragen der Methanolansaugstutzen 17 und die zwei Wasseransaugstutzen 18 sowie auch die Kammerdeckflächen 19 geringfügig in das Tankmodul 1 hinein und dienen als Führung des Pumpenmoduls 2.
Innerhalb des Pumpenmoduls 2 sind drei Piezopumpen 20 derart integriert, das sich ihr jeweiliger Sauganschluss 21 in der Verlängerung des Methanolsaugkanals 12 und des Methanolansaugstutzen 17 sowie in der Verlängerung der beiden Wassersaugkanäle 13 und der beiden Wasseransaugstutzen 18 befindet.
Die Druckanschlüsse 22 der drei Piezopumpen 20 sind über eine Mischleitung 23 mit einem Methanol/ Wasser-Gemischausgang 24 verbunden, der oberhalb des Wasserzulaufes 10 auf der kürzeren Außenseite 4 des Pumpenmoduls 2 mündet. Während mit der einen Piezopumpe 20 Methanol aus der Methanolvorratskammer 6 in die Mischleitung 23 gefördert wird, dienen die beiden anderen Piezopumpen 20 der Förderung von Wasser aus der Wasservorratskammer 7 in die Mischleitung 23. Dabei sind die Förderleistungen der Piezopumpen 20 auf eine vordefinierte Methanolkonzentration des Methanol/ Wasser-Gemisches in der Mischleitung 23 zwischen 3 und 30 Ma.-% , also zwischen 3 und 30 kg Methanol in 100 kg Methanol/ Wasser-Gemisch, abgestimmt. Im Normalbetrieb liegen die Förderleistungen der Piezopumpen 20 zwischen 3 und 10 Ma.-%. Bei starkem Frost können die Förderleistungen der Piezopumpen 20 bis auf 30 Ma.-% ansteigen.
Auf das Pumpenmodul 2 ist die Steuereinheit 3 zur Ansteuerung der Piezopumpen 20 form- und kraftschlüssig befestigt. Dazu weist die Steuereinheit 3 zur Stromversorgung der Piezopumpen 20 einen Akkumulator 25 und einen Spannungseingang 26 sowie zur manuellen Eingabe eingangsseitig ein Bedienfeld 27 auf. Ausgangsseitig ist die Steuereinheit 3 elektrisch mit den Piezopumpen 20 verbunden. Dabei werden die Piezopumpen 20 getrennt voneinander angesteuert.
In die Steuereinheit 3 ist ein Künstlich-neuronales Netz 28 integriert, womit die Piezopumpen 20 in Abhängigkeit von Betriebs- und Umweltmessdaten angesteuert werden. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, sind die Betriebsmessdaten z. B. die Zellspannung der Brennstoffzelle Uzeii und die berechneten Füllstände in der Methanolvorratskammer 6 FCH3OH und der Wasservorratskammer 7 F112O- Zu den Umweltdaten können die Außentemperatur TA und die Uhrzeit t zählen. Dabei sind als Betriebs- und Umweltmessdaten auch andere Zustands- oder Prozessgrößen verwendbar.
Alle Betriebs- und Umweltmessdaten dienen als gleichgewichtete Eingangsgrößen in das Künstlich-neuronale Netz 28. Als Künstlich-neuronales Netz 28 ist in Fig. 4 beispielhaft ein vorwärtsgerichtetes Multilayer-Pereptron-Netz dargestellt, wobei aber auch der Einsatz eines jeden anderen geeigneten Künstlich-neuronalen Netzes denkbar ist.
Die Methanolvorratskammer 6, die Wasservorratskammer 7, die Kammerdeckflächen 19, der Methanolsaugkanal 12, die Wassersaugkanäle 13, der Methanolansaugstutzen 17, die Wasseransaugstutzen 18, die Piezopumpen 20, die Mischleitung 23 sowie der Methanol/ Wasser-Gemischausgang 24 bestehen aus einem oder mehreren nichtrostenden und methanolresistenten Material.
Um die Mischeinheit für eine Brennstoffzelle einsetzen zu können, sind die Methanolvorratskammer 6 und die Wasservorratskammer 7 zu füllen. Dazu wird Methanol über den Methanolzulauf 8 in die Methanolvorratskammer 6 und Wasser über den Wasserzulauf 10 in die Wasservorratskammer 7 gefüllt, bis die jeweiligen Füllvolumen erreicht sind. Dabei dienen der Methanolüberlauf 9 und Wasserüberlauf 11 der Entlüftung. Außerdem ist einmalig das Künstlich-neuronale Netz 28 zu trainieren. Dazu werden dem Künstlich-neuronalen Netz 28 Lerndatensätze vorgesetzt, die aus den Eingangs- großen (Betriebs- und Umweltmessdaten) sowie den dazugehörigen Ausgangsgrößen (Förderleistungen der Piezopumpen 20) bestehen. Aus diesen Lerndatensätzen wird die optimale Netzstruktur des Künstlich-neuronalen Netzes 28 ermittelt, wobei das Künstlich-neuronale Netz 28 mit der optimalen Netzstruktur einen minimalen Fehler zwischen jedem Lerndatensatz und der Nachbildung des jeweiligen Datensatzes durch das Künstlich-neuronale Netz 28 ist.
Um die Mischeinheit für eine Brennstoffzelle in Betrieb zu nehmen, wird über das Bedienfeld 27 die Steuereinheit 3 des Pumpenmoduls 2 eingeschaltet, wobei die Steuereinheit 3 durch den Akkumulator 25 mit einem elektrischen Strom versorgt wird. Aus- gangsseitig werden nun die Piezopumpen 20 voneinander getrennt und in Abhängigkeit vom Künstlich-neuronalen Netz 28 angesteuert, so dass die Piezopumpe 20 mit unterschiedlichen Massenströmen Methanol aus der Methanolvorratskammer 6 und Wasser aus der Wasservorratskammer 7 in die Mischleitung 23 fördern. Das in der Mischleitung 23 entstandene Methanol/ Wasser-Gemisch wird gleichzeitig über den Methanol/ Wasser-Gemischausgang 24 in einen Anodenraum einer in den Figuren nicht dargestellten Brennstoffzelle gefördert.
Mit dem Erreichen des Anodenraumes der Brennstoffzelle wird das Methanol/ Wasser- Gemisch, unter gleichzeitiger Zufuhr von Luft in den Kathodenraum zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umgesetzt. Dabei entsteht elektrische Energie, von der ein geringer Teil über den Spannungseingang 26 von der Steuereinheit 3 zur Stromversorgung genutzt wird. Der restliche Teil der elektrischen Energie steht einem in den Figuren nicht dargestellten Verbraucher zur Verfügung.
Liste der Bezugszeichen
1 Tankmodul
2 Pumpenmodul
3 Steuereinheit
4 kürzere Außenseite 5, 5' längere Außenseite
6 Methanolvorratskammer
7 Wasservorratskammer
8 Methanolzulauf
9 Methanolüberlauf
10 Wasserzulauf
11 Wasserüberlauf
12 Methanolsaugkanal
13 Wassersaugkanal 14, 14' Dichtfläche
15 Dichtungselement
16 Verbindungsschraube
17 Methanolansaugstutzen
18 Wasseransaugstutzen
19 Kammerdeckfläche
20 Piezopumpe
21 Sauganschluss der Piezopumpe
22 Druckanschluss der Piezopumpe
23 Mischleitung
24 Methanol/ Wasser-Gemischausgang
25 Akkumulator
26 Spannungseingang
27 Bedienfeld
28 Künstlich-neuronales Netz

Claims

Patentanspruch
1. Mischeinheit für eine Brennstoffzelle, bestehend aus jeweils einer Fördereinrichtung zur Entnahme und Dosierung eines Reaktionsstoffes aus einer Methanolvorratskammer (6) und einer Wasservorratskammer (7) sowie aus einer Mischleitung (23) zum Vermischen der Reaktionsstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Fördereinrichtungen über eine Steuereinheit (3) angesteuerte Piezopumpen (20) sind, die auf eine vordefinierte Methanolkonzentration des Methanol/ Wasser-Gemisches in der Mischleitung (23) eingestellt sind,
- die Methanolvorratskammer (6) und die Wasservorratskammer (7) in einem Tankmodul (1) untergebracht sind und
- das Pumpenmodul (2), die Steuereinheit (3) und das Tankmodul (1) eine kompakte Einheit bilden.
2. Mischeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Methanolvorratskammer (6) und die Wasservorratskammer (7) des Tankmoduls (1) nach oben offen sind, die durch jeweils eine Kammerdeckfläche (19) des Pumpenmoduls (2) abgedeckt werden.
3. Mischeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugstutzen (21) der Piezopumpen (20) jeweils mit einem in der Wandung des Tankmoduls (1) integrierten Methanolsaugkanal (12) und einem Wassersaugkanal (13) verbunden sind.
4. Mischeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Methanolsaugkanal (12) und der Wassersaugkanal (13) parallel zu der Methanolvorratskammer (6) und der Wasservorratskammer (7) angeordnet sind und über deren gesamte Höhe verlaufen, wobei sie einerseits jeweils in Bodennähe in die Methanolvorratskammer (6) und in die Wasservorratskammer (7) und andererseits auf einer Dichtfläche (14) münden.
5. Mischeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenmodul (2) und das Tankmodul (1) über die Dichtfläche (14) durch mehrere Verbindungsschrauben (16) kraftschlüssig miteinander verbunden sind, wobei zwischen der Dichtfläche (14) des Tankmoduls (1) und der Dichtfläche (14') des Pumpenmoduls (2) ein Dichtungselement (15) angeordnet ist.
6. Mischeinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezopumpen (20) so in dem Pumpenmodul (2) angeordnet sind, dass sich der Methanolansaugstutzen (17) in der Verlängerung des Methanolsaugkanals und die Wasseransaugstutzen (18) in der jeweiligen Verlängerung der Wassersaugkanal (13) befinden.
7. Mischeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (3) ein Künstlich-neuronales Netz (28) integriert ist, womit in Abhängigkeit von Betriebs- und Umweltmessdaten die Piezopumpen (20) angesteuert werden.
8. Verfahren zur Ansteuerung der Mischeinheit, bei dem mit mindestens einer Pumpe Methanol aus einer Methanolvorratskammer (6) und mit mindestens einer weiteren Pumpe Wasser aus einer Wasservorratskammer (7) gefördert und in einer Mischleitung (23) vermischt wird, wobei das Mischungsverhältnis von Methanol und Wasser in der Mischleitung (23) durch die Förderleistungen der Pumpen bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Pumpe zur Förderung von Methanol aus der Methanolvorratskammer (6) mit einem veränderbaren Sollwert über die Steuereinheit (3) angesteuert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert konstant ist, wobei der Sollwert über eine Zeitsteuerung oder über eine manuelle Eingabe vorgegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert in Abhängigkeit von Betriebs- und Umweltmessdaten veränderbar ist, wobei die Sollwertvorgabe durch ein in der Steuereinheit (3) integriertes Künstlich-neuronales Netz (28) erfolgt.
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