Zur netzfernen portablen Stromversorgung werden gegenwärtig Batterien, Not- stromaggregate und Brennstoffzellen eingesetzt.

Batterien wie der Blei-Akkumulator weisen jedoch eine geringe Speicherkapazität auf und benötigen aufgrund auftretender Selbstentladung nach längeren Still- standszeiten ein Stromnetz zur Wiederaufladung.

Notstromaggregate wie etwa auf Basis von Benzin-oder Dieselmotoren sind darin nachteilig, daß sie Lärm und Schadstoffemissionen verursachen.

Bei den bislang eingesetzten Brennstoffzellen für eine netzferne Stromversorgung handelt es sich um große Aggregate, die zumeist mit Erdgas oder Methanol, das durch Reformieren zu Wasserstoff umgesetzt wird, betrieben werden. Ihre sofortige Betriebsbereitschaft ist entweder durch Anheizzeiten, wie bei Hochtemperatur- Brennstoffzellen oder durch Reformer-Einlaufzeiten, wie bei PEM-Brennstoffzellen soweit eingeschränkt, daß sie erst nach Stunden (PEM-Brennstoffzellen) oder Tagen (Hochtemperatur-Brennstoffzellen) mit voller Leistung betriebsbereit sind.

Zwar weisen Direktmethanol-Brennstoffzellen diesen Nachteil nicht auf, sie erbrin- gen jedoch auf dem gegenwärtigen Entwicklungsstand nicht die erforderliche spezi- fische Leistung. Gleiches trifft für wasserstoffbetriebene Mini-PEM-Brennstoffzel- len zur Versorgung von beispielsweise Computern und Mobiltelefonen zu.

In EP 0 568 822 A2 wird eine netz-und wärmeseitig angekoppelte Energieversor- gungseinheit beschrieben, welche nach einer mathematischen Gleichung zur Mini- mierung des Primärenergieeinsatzes und der Energiekosten betrieben wird. Diese Anwendung bezieht sich eindeutig auf ein stationäres System unter dem Gesichts- punkt der Kostenminimierung und ist daher nicht relevant für portable Anwendun- gen. Gleiches gilt für GB 2 250 130 A, in der ein Brennstoffzellen-System im Hinblick auf eine Anwendung in U-Booten beschrieben wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine sofort betriebsbereite, lei- stungsstarke, stromnetzunabhängige, schadstoffemissionsfreie, portable Strom- versorgungseinrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Strom mittels die- ser vorzusehen.

Diese Aufgabe wird durch eine Stromversorgungseinrichtung gemäß Anspruch 1 so- wie ein Verfahren zur Erzeugung von Strom gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte bzw. besonders bevorzugte Ausführungsformen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung betrifft somit eine netzunabhängige, schadstoffemissionsfreie, por- table Stromversorgungseinrichtung, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit mit einem Anodenraum, einer Polymer-Elektro- lyt-Membran (PEM) und einem Kathodenraum ; eine Wasserstoff-Speichereinrichtung ; eine Leitung zum Zuführen des Wasserstoffs von der Speichereinrichtung zum Anodenraum ; eine Leitung und eine Pumpe zum Rezirkulieren von nicht umgesetztem Was- serstoff vom Anodenraumausgang zum Anodenraumeingang ; eine Leitung und eine Pumpe zum Zuführen von Luft zum Kathodenraum ; eine Leitung zum Abführen von wasserdampfhaltigem Kathodengas ; einen Wärmetauscher, welcher die Speichereinrichtung umgibt ; einen Kühlmittelkreislauf mit einer Pumpe zwischen Wärmetauscher und Brennstoffzelleneinheit ; eine Einrichtung zur Abnahme von erzeugtem Strom ; und eine Steuer/Regeleinheit zur Steuerung/Regelung der Wasserstoff-rezirkula- tion, der Luftzufuhr und des Kühlmittelkreislaufes in Abhängigkeit der Soll-Zell- spannung und der Soll-Zelltemperatur.

Gemäß der Erfindung hat sich gezeigt, daß eine solche Stromversorgungseinrich- tung sofort und leistungsstark betriebsbereit ist und den Anforderungen an eine portable Stromversorgung für beispielsweise Camping, Segelboote, Gartenhäuser und netzferne technische Anlagen im Kilowattbereich genügt. Die gesamte Strom- versorgungseinrichtung ist geeigneterweise in Leichtbauweise in ein tragbares Ge- stell integriert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Stromver- sorgungseinrichtung eine Pumpe zum Rezirkulieren von wasserdampfhaltigem Ka-

thodengas vom Kathodenraumausgang zum Kathodenraumeingang bzw. ein Geblä- se, um wasserdampfhaltiges Kathodengas homogen über den Kathodenraum zu ver- teilen.

Bei der Wasserstoff-Speichereinrichtung handelt es sich um im Handel erhältliche Metallhydridspeicher, beispielsweise auf Basis von Ti-Ni-Legierungen. Diese kön- nen dadurch regeneriert werden, daß sie unter einem Druck von beispielsweise 10 bar mit Wasserstoff über einen ausreichenden Zeitraum von beispielsweise 15 Mi- nuten beaufschlagt werden. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine regene- rierbare Metallhydrid-Speicherpatrone mit Bajonettverschluß, so daß die leere Hy- dridspeicherpatrone in einfacher Weise durch eine gefüllte ausgetauscht werden kann.

Bei der Brennstoffzelleneinheit handelt es sich vorzugsweise um einen sogenannten Brennstoffzellen-Stack, das eine Vielzahl von Brennstoffeinzelzellen umfaßt.

Gemäß einer besonders bevorzugten und zweckmäßigen Ausführungsform ist in der Leitung zum Zuführen des Wasserstoffs von der Speichereinrichtung zum Anoden- raum ein Druckminderventil vorgesehen, um den Wasserstoff mit konstantem Vor- druck dem Anodenraum zuzuführen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Stromversor- gungseinrichtung weiterhin einen mit der Anodenabgasleitung über ein Ventil ver- bundenen Kondensatwasserabscheider, um beispielsweise bei einem Spülzyklus Kondensatwasser auszuscheiden. Die Kathodenabgasleitung kann ebenfalls mit ei- nem Kondensatwasserabscheider verbunden sein, um beispielsweise bei einem Spülzyklus im Kathodenraum vorhandenes Kodensatwasser auszuscheiden.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung von Strom mit- tels der oben beschriebenen Stromversorgungseinrichtung, umfassend folgende Schritte Zuführen von Wasserstoff in den Anodenraum der Brennstoffzelleneinheit ; Rezirkulieren von nicht umgesetztem Wasserstoff vom Anodenraumausgang zum Anodenraumeingang ; Zuführen von Luft in den Kathodenraum der Brennstoffzelleneinheit ; Rezirkulieren von Kühlmittel mittels Pumpe, indem von der Brennstoffzelle- neinheit erwärmtes Kühlmittel zum Wärmetauscher geführt wird, wobei die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugte Wärme auf die bei der Wasserstoffentnahme sich

abkühlende Wasserstoff-Speichereinrichtung übertragen wird ; und Steuerung bzw. Regelung der Wasserstoffrezirkulation, der Luftzufuhr und des Kühlmittelkreislaufes in Abhängigkeit der Soll-Zellspannung und der Soll-Zell- temperatur.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es besonders vorteilhaft und zweckmäßig, den Wasserstoff mit konstantem Vordruck dem Anodenraum zuzuführen, was mit- tels eines Druckminderventils erreicht werden kann.

Beim vollautomatischen Betrieb der Stromversorgungseinrichtung mittels dem er- findungsgemäßen Verfahren erbringt die Brennstoffzelle nahezu sofort ihre volle elektrische Leistung von beispielsweise einigen hundert Watt (el). Durch das Rezir- kulieren von nicht umgesetztem Wasserstoff vom Anodenraumausgang zum Ano- denraumeingang wird der Wasserstoff ohne Taupunktsüberschreitung seines Was- serdampfgehaltes nahezu vollständig (das heißt zu 100%) umgesetzt, so daß die Brennstoffzelle"dead ended"betrieben werden kann. Bei Verwendung von Refor- mat-Wasserstoff wird dahingegen nur eine ca. 70% ige Umsetzung des Wasserstoffs erreicht.

Der Wasserdampfgehalt wird durch das Produktwasser der Kathodenseite der Brennstoffzelle eingestellt, wobei gemäß einer Ausführungsform wasserdampfhalti- ges Kathodengas vom Kathodenraumausgang zum Kathodenraumeingang rezirku- liert werden kann.

Vorzugsweise wird die Stromversorgungseinrichtung bei einer Soll-Zelltemperatur von maximal etwa 40°C betrieben. Wenn andererseits bei einer Soll-Zelltemperatur von über 40°C gearbeitet wird, ist es vorteilhaft, wasserdampfhaltiges Kathodengas mittels Gebläse homogen über den Kathodenraum zu verteilen, um eine Austrock- nung der PEM zu verhindern.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet Anfahrzeiten bei verminderter Lei- stung, die ohne die erfindungsgemäße Verfahrensweise in Folge inhomogener Was- serdampfkondensation und dadurch Desaktivierung der Brennstoffzelleneinheit solange erforderlich sind, bis die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit zur Verdampfung des Kondensatwassers führt. Bei Nichteinhaltung der Anfahrzei- ten bei herkömmlichen PEM-Brennstoffzellanlagen führt die Wasserdampfkonden- sation in den Anodenkanälen zur Wasserelektrolyse, was zur irreversiblen Schädi- gung einzelner Zellen des Brennstoffzellen-Stacks (Stapels) führt. Die erfindungs-

gemäße Arbeitsweise vermeidet diese Nachteile von bekannten PEM-Brennstoffzel- lenanlagen und gewährleistet so den sofortigen Betrieb bei Vollast sowie den dis- kontinuierlichen Teillastbetrieb ohne Ausfallerscheinungen.

Als Kühlmittel eignet sich bei der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrich- tung insbesondere Wasser.

Bei der erfindungsgemäß angewandten Steuerung handelt es sich vorzugsweise um eine sogenannte speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), welche die sofortige volle Leistungsabgabe im Leistungsbereich von beispielsweise 100 W (el) bis 1 kW (el) garantiert.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert, wobei Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsein- richtung bzw. deren Betrieb zeigt.

Unter Bezugnahme auf Figur 1 umfaßt die erfindungsgemäße Stromversorgungs- einrichtung eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Anodenraum 2, einer Polymer- Elektrolyt-Membran 3 und einem Kathodenraum 4, eine Wasserstoff-Speicherein- richtung 19 für das wasserstoffhaltige Betriebsgas, das mittels der Leitung 22 über ein Druckminderventil 24 mit konstantem Vordruck dem Anodenraum 2 zugeführt wird. Nicht umgesetzter Wasserstoff wird über Leitung 5 und mittels der Pumpe 9 vom Anodenraumausgang zum Anodenraumeingang rezirkuliert. Über Leitung 25 und mittels Pumpe 11 wird andererseits Luft zum Kathodenraum 4 geführt. Wasser- dampfhaltiges Kathodenabgas wird über Leitung 6 abgeführt, wobei wahlweise ein Kondensatwasserabscheider 8b vorgesehen ist. Die Einstellung des Wasserdampf- gehaltes kann durch Rezirkulieren des Kathodengases mittels Pumpe/Gebläse 10 erfolgen. Die Einrichtung umfaßt weiterhin einen Wärmetauscher 20, welcher die Speichereinrichtung 19 umgibt. Zwischen Wärmetauscher 20 und der Brennstoff- zelleneinheit 1 ist ein Kühlmittelkreislauf 18 mit einer Pumpe 21 vorgesehen. Von der Brennstoffzelleneinheit erzeugter Strom wird von der Einrichtung 16, typischer- weise einem Relais zur Lastab-bzw.-zuschaltung, abgenommen, welche über den Stromkreis 16a mit der Brennstoffzelleneinheit verbunden ist. Die Steuer/Regelein- heit 14 dient zur Steuerung/Regelung der Wasserstoffrezirkulation, der Luftzufuhr und des Kühlmittelkreislaufes in Abhängigkeit der Soll-Zellspannung und der Soll- Zelltemperatur. Die Speichereinrichtung 19 ist vorzugsweise eine regenerierbare Metallhydrid-Speicherpatrone mit Bajonettverschluß 23 zum einfachen Auswech-

seln einer leeren gegen eine volle Speicherpatrone.

Beim Startvorgang wird zunächst ein Spülzyklus durch zeitweiliges Öffnen des Ven- tils 7 (beispielsweise ein elektromagnetisches Ventil) ausgelöst. Anschließend wer- den die Pumpe 11 für die Luft-bzw. Kathodengaszufuhr und die Pumpe 9 für die An- odengasrezyklierung für einige Sekunden eingeschaltet. Nach Überprüfung der Zellspannung und bei einer hinreichend großen Leerlaufspannung kann das Lastre- lais 16 zugeschaltet werden.

Nach Offnen des Lastrelais 16 werden die Pumpen 9,11 und 21 mittels der Steu- er/Regeleinheit 14 über die Steuersignalleitung 12 für die Gas-und Luftzufuhr, Temperatursignalleitung 13a der Brennstoffzelle, Spannungssignalleitung 13b der Brennstoffzelle, Stromsignalleitung 13c fur die Verbrauchslast, Lastfreigabesignal- leitung 15 sowie Steuersignalleitung 17 für die Kühlmittelpumpe gesteuert bzw. ge- regelt. Liegt die mittlere Zellspannung über einer Höchstschwelle, wird lediglich die Kühlmittelpumpe 21 für einige Sekunden, beispielsweise 5 Sekunden pro Minute, zugeschaltet, falls die Zelltemperatur eine Mindestschwelle über-und eine Höchst- schwelle noch nicht unterschritten hat. Sinkt die Zellspannung unter die Höchst- schwelle, wird die Leistung der Pumpen 9 und l l stromabhãngig gesteuert. Unter- schreitet die Zellspannung eine Mindestschwelle, wird stromunabhängig mit maxi- maler Pumpenleistung gefahren. Damit wird erfindungsgemäß sichergestellt, daß die Zelle bis zur theoretischen Betriebstemperatur für vollständigen Feuchteaus- trag mit optimalen Umsetzungsgraden gefahren wird. Diese Temperatur wird auf- grund der Auslegung des Kühlkreislaufs nicht überschritten, so daß die Brennstoff- zelle unter allen Bedingungen vor Austrocknung geschützt ist.

Unterschreitet die mittlere Zellspannung eine Abschaltschwelle (etwa 500 mV), wird die Stromlast über das Relais 16 abgeschaltet und der bereits oben beschriebe- ne Spülzyklus aktiviert, das heißt die Brennstoffzelleneinheit wird nur durch den Stromverbrauch der Pumpe 11 für die Luftzuführung und der Pumpe 9 zum Rezirku- lieren von nicht umgesetztem Wasserstoff solange belastet, bis die mittlere Zell- spannung auf die geforderte Schwelle (etwa 850 mV) angestiegen ist. Sodann kann der Normalbetrieb fortgesetzt werden. Hierdurch wird erfindungsgemäß gewãhrlei- stet, daß der aus der Speichereinrichtung 19 stammende Wasserstoff zu nahezu 100% ausgenutzt wird, da lediglich bei einer Anreicherung des Anodenkreislaufs mit Inertgas und einem daraus resultierenden Zellspannungsabfall unter die Ab- schaltschwelle nicht umgesetzter Wasserstoff über das Ventil 7 und den Kondensat- wasserabscheider 8a abgelassen wird.