WO2002033763A2 - Vorrichtung zur zuführung eines betriebsgases zu einer brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Vorrichtung zur zuführung eines betriebsgases zu einer brennstoffzellenanordnung Download PDF

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a device for feeding
  • a fuel cell is an electrochemical device for generating electricity. It has an electrolyte, a cathode and an anode.
  • the cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. oxygen
  • the anode is a fuel, e.g. B. hydrogen supplied.
  • Fuel cells can be manufactured using a polymer electrolyte membrane (PEM). This is catalytically active on both sides Layer and is located between two gas diffusion layers. It is also possible for the two gas diffusion layers to be provided with a catalyst layer instead of the membrane. At the anode, protons form from the hydrogen in the presence of the catalyst, which traverse the electrolyte and coexist in the catalyst layer on the cathode side
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • a fuel gas such as hydrogen
  • oxygen as an oxidizing agent for the electrochemical reaction can also come from the ambient air of the fuel cell. This means that there is normal air pressure on the cathode side of the fuel cell.
  • a low, well constant hydrogen pressure of about 0.3 to 0.5 bar overpressure must be ensured so as not to destroy the thin polymer electrolyte membrane due to an excessive pressure difference between the anode and cathode gas spaces.
  • the oxidizing agent e.g. B. pure oxygen or compressed air, also from a storage device.
  • Storage pressure is on the order of 300 bar.
  • the pressure is reduced in a first stage when it is fed to the fuel cell by a pressure reducer, which can be integrated in the pressure vessel. It is usually a diaphragm-controlled valve. If you want to integrate this pressure reducer into the pressure vessel, it must be fitted accordingly have small size. The smaller the size of the pressure reducer, the greater the changes in the outlet pressure of the pressure reducer. Depending on the fill level of the pressure vessel, this ranges between 10 and 1 bar. A further pressure regulator is therefore necessary in order to provide the pressure required for the fuel cell. The disadvantages are, especially for mobile applications of the fuel cell system, the weight and the space required for this additional component. If pure oxygen is used as the oxidant of the fuel cell, it is customary to also store it in pressure vessels, which poses the same problems as with hydrogen storage.
  • this feed line can also be closed with the aid of a second shut-off valve.
  • the object of the invention is to provide gas feeds for fuel cells which, compared to the prior art, have fewer components and thus fewer low volume and weight, while at the same time making it possible to improve the operational safety of the fuel cell.
  • a device for supplying an operating gas to a fuel cell in which the shut-off valve
  • the fuel cell is designed as a controllable valve which also serves to reduce the non-constant inlet pressure to an operating pressure which is dependent on system parameters of the fuel cell.
  • FIG. 1 and 2 each show a schematic representation of a device according to the invention for supplying an operating gas to a fuel cell.
  • a fuel cell arrangement 1 has a valve 2, which works in the usual way as a shut-off valve and also as a control valve and one
  • Operating gas supply line 3 closes, opens or partially opens.
  • This valve 2 is designed so that the mass flow passing through is continuously controllable. This valve 2 can thus reduce a relatively high, fluctuating inlet pressure to an operating pressure suitable for the fuel cell.
  • the back pressure of the valve is measured by a pressure sensor 4 in the back pressure chamber 5 and the measurement signal is passed on to an electronic control 6, which controls the opening of the valve and thus enables a mass flow through the valve, in such a way that a specific setpoint for the back pressure of the Valve.
  • the valve 2 can be closed completely and thus still take on the function of a shut-off valve, that is to say to prevent the supply of operating gas to the fuel cell.
  • a pressure vessel 11 with an integrated first pressure reducing stage 12 is used for hydrogen storage.
  • this operating gas storage in pressure vessels 11 it is necessary to use the pressure reducing stage 12 integrated in the vessel because of the high pressure difference between the storage pressure and the operating pressure.
  • the function of the fuel cell arrangement 1 is controlled or regulated in the usual way by a microprocessor.
  • the regulation of the pressure is implemented in the electronic control 6 either by an electronic analog circuit or preferably digitally by means of a microprocessor. In the latter case, this task is preferably carried out by the microprocessor, which also controls the functions of the fuel cell arrangement.
  • microprocessor control for example, a pulsed, electrical signal sent to an electromagnetic valve, the duration of the pulses being variable. This means that a pulse width modulated signal is used.
  • the valve is partially or fully opened, which causes the mass flow to be set by the valve.
  • the valve 2 can be actuated by means of an electromagnet, piezoelectrically or by other electromechanical actuators. Low mass of the mechanically moving parts is advantageous in order to achieve short reaction times.
  • the electronic control 6 of the fuel cell arrangement 1 receives z. B. an electrical signal indicating the electrical current requirement that the fuel cell assembly is to provide.
  • z. B. an electrical signal indicating the electrical current requirement that the fuel cell assembly is to provide In the event of a sudden increase in current draw and thus increased hydrogen consumption, by now increasing the setpoint of the input pressure of the fuel cell arrangement 1 by the controller 6 in accordance with the current requirement, it can be ensured that the operating pressure does not decrease significantly.
  • the fuel cell arrangements according to FIGS. 1 and 2 each have a flushing valve 18, which serves to briefly release the hydrogen which is under pressure in the fuel cell arrangement 1 in order to flush out liquid water and the inert gases contaminating the hydrogen with it have accumulated in the fuel cell. If the purge valve 18 is now opened, the input pressure of the fuel cell is simultaneously increased briefly, and after the valve 18 is closed, the pressure increases adjusted to normal operating pressure again.
  • the hydrogen mass flow through the fuel cell is proportional to the electrical current delivered.
  • hydrogen gas escapes from the fuel cell arrangement without being involved in the electrochemical reaction. In this way, a leak in the arrangement is ascertained and the fuel cell arrangement 1 is automatically switched off in order to avoid excessive leakage of hydrogen gas.
  • the shutdown takes place by closing the operating gas line 3 with the controllable valve 2.
  • a control valve if present, closes the oxygen supply line if oxygen from a storage device is used as the oxidizing agent and a leakage of oxygen is determined.
  • the electronic control 6 can also other system parameters of the fuel cell, such as. B. measured temperatures are made available to achieve optimal control behavior. These signals are symbolized by the connection 11.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffzelle (1) beschrieben, mit einem in der Zuleitung des Betriebsgases vorhandenen Absperrventil (2), das so ausgeführt ist, dass sich der hindurchtretende Massenstrom kontinuierlich steuern lässt und es somit auch zur Reduzierung und Konstanthaltung eines nicht konstanten Eingangsdrucks dienen kann. Dazu wird der Hinterdruck des Ventils von einen Drucksensor (4) gemessen und eine Steuerungselektronik (6) regelt das Ventil so, dass sich eine bestimmter, einem Sollwert entsprechender Istwert für den Betriebsdruck einstellt. Der Sollwert des Betriebsdrucks kann sich in Abhängigkeit von Systemparametern der Brennstoffzelle ändern, beispielsweise kann bei einer erhöhten Stromanforderung an die Brennstoffzelle der Betriebsdruck entsprechend erhöht werden. Auch kann die Betriebssicherheit der Brennstoffzelle erhöht werden, indem der Massenstrom durch das Ventil der Brennstoffzuleitung aus dem Ansteuerungssignal bestimmt und die Brennstoffzelle dann abgeschaltet wird, wenn der Wert des abgegeben elektrischen Stroms nicht mit dem nach dem gemessenen Brennstoff-Massenstrom erwarteten Strom übereinstimmt, was auf ein Leck hindeutet.

Description

Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffzellenanordnung
Die vorHegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung von
Betriebsgasen zu einer Brennstoffzellenanordnung, und auf ein Verfahren zu seinem Betrieb.
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen Stroms. Sie weist einen Elektrolyten, eine Kathode und eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Sauerstoff, und der Anode ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff, zugeführt.
Brennstoffzellen können mit Hilfe einer Polymerelektrolyt-Membran (PEM) hergestellt werden. Diese ist auf beiden Seiten mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen und befindet sich zwischen zwei Gasdiffusionsschichten. Es ist auch möglich, daß anstelle der Membran die beiden Gasdiffusionsschichten mit einer Katalysatorschicht versehen werden. An der Anode bilden sich aus dem Wasserstoff in Anwesenheit des Katalysators Protonen, die den Elektroly- ten durchqueren und sich in der kathodenseitigen Katalysatorschicht mit
Sauerstoff zu Wasser verbinden. Bei diesem Prozeß entsteht zwischen den beiden Katalysatorschichten eine Potentialdifferenz, die in einem äußeren Stromkreis genutzt wird.
Ein Brennstoffgas, wie Wasserstoff, muß aus einer Speichervorrichtung zugeführt werden, während Sauerstoff als Oxidationsmittel für die elektrochemische Reaktion auch aus der Umgebungsluft der Brennstoffzelle stammen kann. Das heißt, auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle herrscht normaler Luftdruck. In diesem Fall muß ein geringer, gut konstanter Wasserstoffdruck von etwa 0,3 bis 0,5 bar Überdruck gewährleistet werden, um nicht durch einen zu große Druckunterschied zwischen Anoden- und Kathodengasraum die dünne Polymerelektrolyt-Membran zu zerstören.
Andererseits besteht auch die Möglichkeit, das Oxidationsmittel, z. B. reinen Sauerstoff oder Druckluft, ebenfalls aus einer Speichervorrichtung zuzuführen.
Auch dann darf die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Polymerelektrolyt-Membran nicht zu groß werden.
Es sind verschiedene Methoden zur Wasserstoffspeicherung bekannt. Üblich ist die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckgefäßen. Der
Speicherdruck liegt in der Größenordnung von 300 bar. Der Druck wird bei der Zuführung zur Brennstoffzelle in einer ersten Stufe durch einen Druckminderer reduziert, der in den Druckbehälter integriert sein kann. Es handelt sich normalerweise um ein membrangesteuertes Ventil, Will man diesen Druckminderer in den Druckbehälter integrieren, muß er eine entsprechend geringe Größe aufweisen. Je geringer die Größe des Druckminderers, um so stärker sind die Veränderungen des Ausgangsdrucks des Druckminderers. Dieser liegt je nach Füllstand des Druckbehälters im Bereich zwischen 10 und 1 bar. Es ist also ein weiterer Druckregler notwendig, um den für die Brennstoffzelle notwendigen Druck bereitzustellen. Nachteihg dabei sind, vor allem für mobile Anwendungen des Brennstoffzellensystems, das Gewicht und der benötigte Platz dieses zusätzlichen Bauteils. Wird als Oxidationsmittel der Brennstoffzelle reiner Sauerstoff verwendet, so ist es üblich, diesen ebenfalls in Druckbehältern zu speichern, was dieselben Probleme wie bei der Wasserstoffspeicherung aufwirft.
Weitere Methoden sind die Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden oder in Form von flüssigem Wasserstoff. Dabei herrscht ein Speicherdruck von 1 bis 4 bar, maximal 10 bar bei Speicherung in Metallhydriden. Des weiteren ist bei beiden Methoden der Druck bei der Entnahme von Wasserstoff stark temperaturabhängig. Aus diesen Gründen ist hier ebenfalls ein Dradαninderer zur Reduzierung des Drucks und zum Ausgleich von Druckschwankungen nötig-
Aus dem Artikel "Kompakte Brennstoffzellenaggregate hoher Leistungsdichte in Modultechnik" von Karl Straßer, veröffentlicht in der Zeitschrift etz, Band 101 (1980), Heft 22, Seite 1218 bis 1221, erschienen im VDE Verlag, und aus der Druckschrift WO 97/48143 ist bekannt, daß eine Brennstoffzellenanordnung ein Absperrventil besitzt, welches die Wasserstoffzufuhr unterbindet, wenn die Brennstoffeelle abgeschaltet wird. Wird auch der Sauerstoff aus einer
Speichervorrichtung zugeführt, so kann auch diese Zuleitung mit Hilfe eines zweiten Absperrventils verschlossen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, Gaszuführungen für Brennstoffzellen bereitzustel- len, die im Vergleich zum Stand der Technik weniger Bauteile und somit weni- ger Volumen und Gewicht benötigen und gleichzeitig eine Verbesserung der Betriebssicherheit der Brennstoffzelle ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffzelle, bei der das Absperrventil der
Brennstoffzelle als regelbares Ventil ausgeführt ist, das auch zur Reduzierung des nicht konstanten Eingangsdrucks auf einen von Systemparametern der Brennstoffzelle abhängigen Betriebsdruck dient.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen und in der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen.
Es zeigen:
Fig. 1 und 2 jeweils eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffzelle.
Eine Brennstoffzellenanordnung 1 besitzt ein Ventil 2, das in üblicher Weise als Absperrventil und außerdem als Steuerventil arbeitet und eine
Betriebsgaszuleitung 3 schließt, öffnet oder teilweise öffnet. Dieses Ventil 2 ist so ausgeführt, daß der hindurchtretende Massenstrom kontinuierlich regelbar ist. Somit kann durch dieses Ventil 2 ein relativ hoher, schwankender Eingangsdruck auf einen für die Brennstoffzelle passenden Betriebsdruck reduziert werden. Dazu wird der Hinterdruck des Ventils durch einen Drucksensor 4 im Hinterdruckraum 5 gemessen und das Meßsignal an eine elektronische Steuerung 6 weitergeleitet, die die Öffnung des Ventils steuert und so einen Massenstrom durch das Ventil ermöglicht, dergestalt, daß sich ein bestimmter Sollwert für den Hinterdruck des Ventils einstellt. Weiterhin kann das Ventil 2 ganz geschlossen werden und so immer noch die Aufgabe eines Absperrventils übernehmen, das heißt die Betriebsgaszufuhr zur Brennstoffzelle unterbinden.
Indem man zur Druckregelung des zugeführten Gases, z. B. Wasserstoff, nicht einen zusätzlichen Druckregler verwendet, sondern eine veränderte Ausführung des ohnehin vorhandenen Absperrventils 2, kann also Gewicht und Volumen eingespart werden, was vor allem bei mobilen Anwendungen der Brennstoffzellenanordnung vorteilhaft ist.
Nach Fig. 1 wird zur Wasserstoffspeicherung ein Druckbehälter 11 mit einer integrierten ersten Druckmindererstufe 12 verwendet. Bei dieser Betriebsgasspeicherung in Druckbehältern 11 ist es wegen der hohen Druckdifferenz zwischen Speicherdruck und Betriebsdruck notwendig, die in den Behälter integrierte Druckmindererstufe 12 zu verwenden. Ein in dieser
Anordnung normalerweise notwendiger zweiter Druckregler wird jedoch eingespart.
Nach Fig. 2 wird zur Zuführung des Betriebsgases zur Brennstoffzelle ein Niederdruckbehälter 13 zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff oder
Wasserstoff in einem MetaUhydrid verwendet, der keine zusätzliche, integrierte erste Druckmindererstufe benötigt.
Die Funktion der Brennstoffzellenanordnung 1 wird in üblicher Weise von einem Mikroprozessor gesteuert oder geregelt. Die Regelung des Drucks wird in der elektronischen Steuerung 6 entweder durch eine elektronische analoge Schaltung oder bevorzugt digital mittels eines Mikroprozessors realisiert. Im letzteren Fall wird diese Aufgabe bevorzugt vom dem Mikroprozessor mit übernommen, der auch die Funktionen der Brennstoffzellenanordnung steuert. Bei der Mikroprozessorsteuerung wird beispielsweise ein gepulstes, elektri- sches Signal zu einem elektromagnetischen Ventil geschickt, wobei die Dauer der Pulse veränderlich ist. Das heißt, es wird ein pulsweitenmoduHertes Signal verwendet. Je nach Tastverhältnis ergibt sich eine teilweise oder vollständige Öffnung des Ventils, wodurch die Einstellung des Massenstroms durch das Ventil bewirkt wird.
Die Betätigung des Ventils 2 kann mittels Elektromagnet, piezoelektrisch oder durch andere elektromechanische Aktoren erfolgen. Geringe Masse der mechanisch bewegten Teile ist dabei vorteilhaft, um kurze Reaktionszeiten zu erreichen.
Es besteht nun die Möglichkeit, daß der Sollwert für den Hinterdruck des Ventils 2 bzw. für den Eingangsdruck der Brennstoffeelle 1 nicht konstant vorgegeben ist, sondern sich nach Systemparametern der Brennstoffzelle richtet. Dies wird durch eine Verbindung 17 in den Abbildungen symbolisiert.
So empfängt die elektronische Steuerung 6 der Brennstoffzellenanordnung 1 z. B. ein elektrisches Signal, das die Anforderung an elektrischem Strom, den die Brennstoffzellenanordnung liefern soll, angibt. Bei plötzlicher erhöhter Stromentnahme und damit erhöhtem Wasserstoffverbrauch kann, indem nun der Sollwert des Eingangsdrucks der Brennstoffzellenanordnung 1 von der Steuerung 6 entsprechend der Stromanforderung erhöht wird, sichergestellt werden, daß der Betriebsdruck nicht wesentlich abnimmt. Des weiteren besitzen die Brennstoffeellenanordnungen nach den Fig.n 1 und 2 in üblicher Weise jeweils ein Spülventil 18, das dazu dient, den in der Brennstoffzellenanordnung 1 unter Druck stehenden Wasserstoff kurzzeitig abzulassen, um mit ihm flüssiges Wasser und den Wasserstoff verunreinigende Inertgase hinauszuspülen, die sich in der Brennstoffeelle angesammelt haben. Wird nun das Spülventil 18 geöffnet, so wird gleichzeitig der Eingangsdruck der Brennstoff- zelle kurzzeitig erhöht, und nach dem Schließen des Ventils 18 wird der Druck wieder auf den normalen Betriebsdruck eingeregelt.
Gemäß einem Sicherheitsgründen vorteilhaften Aspekt sitzt eingangsseitig am Ventil 2 ein weiterer Drucksensor 19, dessen Ausgangssignal der elektro- nischen Steuerung 6 eingespeist wird. Mit dem vom Drucksensor 4 gemessenen
Hmterdruck des Ventils 2 der Betriebsgasleitung 3, mit dem durch den zusätzlichen Drucksensor 19 im Vordruckraum des Ventils 2 gemessenen Vordruck und mit dem Ansteuerungssignal dieses Ventils 2 wird der Massenstrom durch das Ventil bestimmt. Der Massenstrom wird nun durch die Steuerung 6 und speziell durch deren Mikroprozessor in Beziehung zum abgegeben elektrischen
Strom gesetzt, was durch eine Verbindung 20 in den Abbildungen symbolisiert wird. Der Wasserstoff-Massenstrom durch die Brennstoffzelle ist proportional zum abgegebenen elektrischen Strom. Im Falle, daß der dem gemessene Massenstrom entsprechende Stromwert nicht dem abgegebenen elektrischen Strom entspricht, entweicht also Wasserstoffgas aus der Brennstoffzellenanordnung, ohne an der elektrochemischen Reaktion beteiügt zu sein. Auf diese Weise wird also ein Leck in der Anordnung festgestellt und die Brennstoffzellenanordnung 1 wird automatisch abgeschaltet, um einen starken Austritt von Wasserstoffgas zu vermeiden. Die Abschaltung erfolgt, indem mit dem steuerbaren Ventil 2 die Betriebsgasleitung 3 verschlossen wird. Genauso verschließt ein gegebenenfalls vorhandenes Regelventil die Sauerstoffzuleitung, falls Sauerstoff aus einer Speichervorrichtung als Oxidationsmittel verwendet wird und ein Entweichen von Sauerstoff festgestellt wird.
Neben einem Signal, das über die Verbindung 20 den abgegebenen elektrischen
Strom der Brennstoffeelle anzeigt, können der elektronischen Steuerung 6 auch andere Systemparameter der Brennstoffzelle, wie z. B. gemessene Temperaturen, zur Verfügung gestellt werden, um ein optimales Regelverhalten zu erreichen. Diese Signale werden durch die Verbindung 11 symbolisiert.

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffzellen- anordnung (1), mit einem Absperrventil (2), dadurch gekennzeichnet, daß dieses Absperrventil ein einen hindurchtretenden Betriebsgasstrom kontinuierlich steuerndes Ventil 2 ist.
2. Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffzellen- anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine den Ventil- Ausgangsdruck bei nicht konstantem Eingangsdruck auf einen gegebenen Wert regelnde elektronische Steuerung (6)
3. Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffeellen- anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine den
Ventil-Ausgangsdruck auf einen in Abhängigkeit von Systemparametern der Brennstoffzelle veränderbaren Wert regelnde elektronische Steuerung (6).
4. Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine sowohl die Einstellung des Ventils (2) als auch die Systemfunktionen der Brennstoffzellenanordnung (1) steuernde elektronische Steuerung (6).
5. Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsgasstrom durch das steuerbare Ventil (2) gemessen und von der elektronischen Steuerung (6) zu dem von der Brennstoffzellenanordnung (1) abgegebenen elektrischen Strom in Beziehung gesetzt wird.
6. Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die elektronische Steuerung (6) bei Abweichung des abgegebenen elektrischen Stroms vom dem gemessenen Betriebsgasstrom entsprechenden elektrischen Strom eine automatische Abschaltung der Brennstoffzelle erfolgt.
7. Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffeellen- anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem steuerbaren Ventil (2) eine membrangesteuerte erste Druckmindererstufe (12) vorgeschaltet ist.
8. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Hilfe des Absperrventils (2) eine Reduzierung des Gasdrucks des zur Brennstoffeellenanordnung durch das
Ventil hindurchgeleiteten Brennstoffzellen-Betriebsgases durchführt.
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