DE20205728U1 - flashlight - Google Patents
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TER MEER STEINMEISTER & PARTNER GbRTER MEER STEINMEISTER & PARTNER GbR
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Dr. Nicolaus ter Meer, Dipl.-Chem, Peter Urner, Dipl.-Phys. Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH) Bernhard P. Wagner, Dipl.-Phys. Mauerkircherstrasse 45 D-81 679 MÜNCHENDr. Nicolaus ter Meer, Dipl.-Chem, Peter Urner, Dipl.-Phys. Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH) Bernhard P. Wagner, Dipl.-Phys. Mauerkircherstrasse 45 D-81 679 MUNICH
Helmut Steinmeister, Dipl.-Ing. Manfred WiebuschHelmut Steinmeister, Dipl.-Ing. Manfred Wiebusch
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Case: ZSW 2006 DECase: ZSW 2006 DE
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zsw, Case: ZSW 2006 DE 12.04.2002zsw, Case: ZSW 2006 DE April 12, 2002
Die Erfindung betrifft eine netzunabhängige, mobile Lampe (nachfolgend auch als "Taschenlampe" bezeichnet) mit einem Miniatur-Brennstoffzellensystem als Stromquelle, bei dem bauartbedingt die bei herkömmlichen Brennstoffzellen üblichen Regel- und Steuerkomponenten entfallen.The invention relates to a mains-independent, mobile lamp (hereinafter also referred to as "flashlight") with a miniature fuel cell system as a power source, in which, due to its design, the regulation and control components usual in conventional fuel cells are omitted.
Mobile, netzunabhängige elektrische Leuchten bzw. Lampen, insbesondere sogenannte Taschenlampen, werden herkömmlich durch Batterien oder wiederaufladbare Akkumulatoren mit Strom versorgt.Mobile, mains-independent electric lights or lamps, especially so-called flashlights, are traditionally powered by batteries or rechargeable accumulators.
Batterien, insbesondere nicht wiederaufladbare Primärbatterien, haben jedoch den intrinsischen Nachteil, dass ihre Lebensdauer begrenzt ist. Primär batterien schaffen zunehmend auch ökologische Probleme bei ihrer Entsorgung. Auch wiederaufladbare Batterien können jedoch nur mit einer begrenzten Lade-/Entlade-Zyklenzahl betrieben werden.However, batteries, especially non-rechargeable primary batteries, have the intrinsic disadvantage that their lifespan is limited. Primary batteries are also increasingly causing ecological problems when they are disposed of. However, rechargeable batteries can also only be operated with a limited number of charge/discharge cycles.
Als mobile Stromquellen sind ebenfalls Brennstoffzellen bekannt, insbesondere Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellen mit Wasserstoff als Brennstoff, wobei der Wasserstoff direkt in komprimierter Form oder gespeichert als Metallhydrid bereitgehalten wird. Ebenfalls bekannt sind Direktmethanol-Brennstoffzellen, bei denen als Wasserstoffquelle Methanol dient und eine wässrige Methanollösung direkt der Brennstoffzelle zugeführt wird. Brennstoffzellen sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer niedrigen Schadstoff- und Geräuschemissionen zur unabhängigen Stromerzeugung sowie zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung sehr gut geeignet. Die üblichen Brennstoffzellen sind jedoch wegen ihrer großen Masse oder des zu großen Platzbedarfs der Brennstoffzelle und ihrer peripheren Aggregate für elektrische Verbraucher geringer Leistungsaufnahme, wie für Taschenlampen, ungeeignet.Fuel cells are also known as mobile power sources, particularly polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells with hydrogen as fuel, where the hydrogen is kept available directly in compressed form or stored as metal hydride. Direct methanol fuel cells are also known, in which methanol serves as the hydrogen source and an aqueous methanol solution is fed directly to the fuel cell. Due to their high efficiency and low pollutant and noise emissions, fuel cells are very well suited for independent power generation and for combined power and heat generation. However, conventional fuel cells are unsuitable for electrical consumers with low power consumption, such as flashlights, due to their large mass or the excessive space required by the fuel cell and its peripheral units.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine netzunabhängige, mobile Lampe (Taschenlampe) zur Verfügung zu stellen, die als Stromquelle ein Brennstoffzellensystem beinhaltet, ohne dass Größe und Gewicht gegenüber einer herkömmlichen Taschenlampe zunehmen.The invention is therefore based on the object of providing a mains-independent, mobile lamp (flashlight) which includes a fuel cell system as a power source without increasing the size and weight compared to a conventional flashlight.
TER MEER STEINMEISTER & P^R?NEP IGBR* &iacgr; : :*. - 3 -TER MEER STEINMEISTER & P^R?NEP IGBR* &iacgr; : : *. - 3 -
zsw, Case: ZSW 2006 DE 12.04.2002zsw, Case: ZSW 2006 DE April 12, 2002
Die obige Aufgabe wird durch eine netzunabhängige, mobile Lampe (Taschenlampe) gemäß Schutzanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Er-5. findungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.The above object is achieved by a mains-independent, mobile lamp (flashlight) according to claim 1. Advantageous embodiments of the subject matter of the invention are specified in the subclaims.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine netzunabhängige, mobile Lampe (Taschenlampe), umfassendThe subject of the invention is therefore a mains-independent, mobile lamp (flashlight), comprising
A) ein mit Belüftungsschlitzen versehenes Gehäuse,A) a housing provided with ventilation slots,
B) ein in dem Gehäuse angeordnetes Miniatur-Brennstoffzellensystem als Stromquelle, bei dem bauartbedingt die bei herkömmlichen Brennstoffzellen üblichen Regel- und Steuerkomponenten entfallen, umfassendB) a miniature fuel cell system arranged in the housing as a power source, in which the control and regulation components usual in conventional fuel cells are omitted due to the design, comprising
a) eine Miniatur-Brennstoffzelle,a) a miniature fuel cell,
b) mindestens eine Wasserstoffquelle, und(b) at least one hydrogen source, and
c) ein zwischen der Wasserstoffquelle und der Brennstoffzelle angeordnetes Handabsperrventil
undc) a manual shut-off valve arranged between the hydrogen source and the fuel cell
and
C) ein mit dem Miniatur-Brennstoffzellensystem elektrisch verbundenes, lichtemittierendes Element.C) a light-emitting element electrically connected to the miniature fuel cell system.
Zwar wird die erfindungsgemäße netzunabhängige, mobile Lampe hierin vorzugsweise in der Ausführungsform als sogenannte Taschenlampe beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Bei der mobilen erfindungsgemäßen Lampe kann es sich ebenso um eine beispielsweise an Schutz helmen oder Fahrgeräten, wie einem Fahrrad, zu befestigende Lampe handeln. The mains-independent, mobile lamp according to the invention is preferably described here in the embodiment as a so-called flashlight. However, the invention is not limited to this. The mobile lamp according to the invention can also be a lamp that can be attached to protective helmets or vehicles such as a bicycle.
Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Brennstoffzellensystem handelt es sich um ein volumen- und gewichtsreduziertes, selbstatmendes Miniatur Brennstoffzellensystem ohne aktive Kühlung und Feuchtemanagement, das sich zur Stromversorgung mobiler Lampen eignet, ohne dass Größe und Gewicht gegenüber den herkömmlichen Lampen zunehmen, und ohne dass die Funktionalität oder die ursprüngliche Bauart der Lampen beeinträchtigt werden. The fuel cell system used according to the invention is a volume and weight-reduced, self-breathing miniature fuel cell system without active cooling and humidity management, which is suitable for supplying power to mobile lamps without increasing the size and weight compared to conventional lamps and without impairing the functionality or the original design of the lamps.
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zsw, Case: ZSW 2006 DE 12.04.2002zsw, Case: ZSW 2006 DE April 12, 2002
Die Komponenten und der Aufbau der erfindungsgemäß eingesetzten Miniatur-Brennstoffzelle entsprechen denjenigen einer herkömmlichen Brennstoffzelle. Bauartbedingt können jedoch die bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen notwendigen externen Gasregelmimiken wie Gasbefeuchtung, Wärmeauskoppelung und Feuchteregulierung, durch bauliche Veränderungen bei der Gasführung sowie durch Optimierung der eigentlichen Brennstoffzellenkomponenten entfallen. Insbesondere durch gezielte Anpassung des VoIumens der Gaskanäle in der Brennstoffzelle auf die geforderte elektrische Leistung entfällt die übliche Regelung der Gasbefeuchtung und der Kühlung. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass das in der Brennstoffzelle erzeugte Produktwasser selbst zur Befeuchtung der Luftseite der Elektrode genutzt wird. Die zum Betrieb und zur Kühlung der Brennstoffzelle erforderliehe Luft wird hierbei über Lüftungsschlitze im Gehäuse der Lampe zugeführt. Hierdurch gelingt es ebenfalls überraschenderweise, dass die Abwärme der Brennstoffzelle nicht zu einer spürbaren Erwärmung der Gehäuseoberfläche führt. Gleichzeitig wird bauartbedingt das verbleibende Inertgas durch die selbsttätig nachströmende Frischluft verdrängt.The components and structure of the miniature fuel cell used according to the invention correspond to those of a conventional fuel cell. However, due to the design, the external gas control mechanisms required in conventional fuel cell systems, such as gas humidification, heat extraction and humidity regulation, can be omitted by making structural changes to the gas flow and by optimizing the actual fuel cell components. In particular, by specifically adjusting the volume of the gas channels in the fuel cell to the required electrical output, the usual control of gas humidification and cooling is no longer necessary. This is made possible in particular by the product water generated in the fuel cell itself being used to humidify the air side of the electrode. The air required to operate and cool the fuel cell is supplied via ventilation slots in the lamp housing. This also surprisingly ensures that the waste heat from the fuel cell does not lead to a noticeable heating of the housing surface. At the same time, due to the design, the remaining inert gas is displaced by the automatically flowing fresh air.
Eine wesentliche Gewichts- und Volumenreduktion wird zusätzlich durch Verwendung leichterer Baumaterialien, wie beispielsweise Aluminiumendplatten, Dichtungskomponenten und Gasdiffusionsmaterialien, sowie durch ein platzangepasstes Design der Brennstoffzelle erreicht. Die Brennstoffzellen-Stackplatten können hierbei leicht an die Korpusgestalt der Lampe angepaßt werden. Hat die Lampe beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt, gelingt es durch Verwendung runder Stackplatten, den Platzbedarf in der Lampe optimal auszunutzen.A significant reduction in weight and volume is also achieved by using lighter construction materials, such as aluminum end plates, sealing components and gas diffusion materials, as well as by designing the fuel cell to fit the space. The fuel cell stack plates can be easily adapted to the shape of the lamp's body. If the lamp has a circular cross-section, for example, the use of round stack plates makes it possible to make optimal use of the space required in the lamp.
Durch die besondere Art und Anordnung der Systembauteile der Miniatur-Brennstoffzelle (siehe auch Figur 2) entfallen zusätzliche Verschraubungen zum Verpressen der Brennstoffzellen-Stacks.Due to the special type and arrangement of the system components of the miniature fuel cell (see also Figure 2), additional screw connections for pressing the fuel cell stacks together are no longer necessary.
Die Miniatur-Brennstoffzelle ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie eine Dauerleistungsabgabe von mindestens 3 W, vorzugsweise mindestens 4W, gewährleistet. The miniature fuel cell is preferably designed to ensure a continuous power output of at least 3 W, preferably at least 4 W.
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zsw, Case: ZSW 2006 DE 12.04.2002zsw, Case: ZSW 2006 DE April 12, 2002
Die Verwendung einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle als Miniatur-Brennstoffzelle ist besonders bevorzugt.The use of a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell as a miniature fuel cell is particularly preferred.
Bei dem zwischen der Wasserstoffquelle und der Brennstoffzelle angeordneten Handabsperrventil handelt es sich vorzugsweise um einen Kugelhahn. Weiterhin ist im Lampengehäuse geeigneterweise ein elektrischer Ein/Aus-Schalter untergebracht.The manual shut-off valve arranged between the hydrogen source and the fuel cell is preferably a ball valve. Furthermore, an electrical on/off switch is suitably housed in the lamp housing.
Bei dem elektrisch mit dem Brennstoffzellensystem verbundenen, lichtemittierenden Element handelt es sich im einfachsten Falle um ein herkömmliches Glühbirnchen. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung mindestens einer und vorzugsweise mehrerer Leuchtdioden. Da die von der Brennstoffzelle gelieferte Spannung von üblicherweise 2,5 V normalerweise nicht ausreicht, um die erforderliche Betriebsspannung einer weißen Leuchtdiode (LED) von üblicherweise 3V zu liefern, ist es in diesem Falle bevorzugt, zwischen der Brennstoffzelle und der oder den Leuchtdioden einen DC/DC-Wandler (auch als "Hochsetzsteller" bezeichnet) vorzusehen, um die Spannung der Brennstoffzelle auf die für die LED erforderliche Spannung zu erhöhen.In the simplest case, the light-emitting element that is electrically connected to the fuel cell system is a conventional light bulb. However, it is preferred to use at least one and preferably several light-emitting diodes. Since the voltage supplied by the fuel cell, usually 2.5 V, is normally not sufficient to supply the required operating voltage of a white light-emitting diode (LED), usually 3 V, it is preferred in this case to provide a DC/DC converter (also referred to as a "boost converter") between the fuel cell and the light-emitting diode(s) in order to increase the voltage of the fuel cell to the voltage required for the LED.
Bei einer Ausführungsform wird als Wasserstoffquelle mindestens ein Metallhydridspeicher eingesetzt. Bei einer alternativen Ausführungsform wird als Wasserstoffquelle Methanol verwendet. In diesem Fall handelt es sich bei der Miniatur-Brennstoffzelle um eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (im Fachgebiet auch als "DMFC" bezeichnet), bei der eine wässrige Methanollösung direkt der Brennstoffzelle zugeführt wird.In one embodiment, at least one metal hydride storage device is used as the hydrogen source. In an alternative embodiment, methanol is used as the hydrogen source. In this case, the miniature fuel cell is a direct methanol fuel cell (also known in the art as "DMFC"), in which an aqueous methanol solution is fed directly to the fuel cell.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen mobilen Lampe. Figure 1 shows a block diagram of a mobile lamp according to the invention.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Taschenlampe, wobei aus Gründen der Anschaulichkeit zusätzlich die funktioneilen Komponenten der Lampe ohne Gehäuse dargestellt sind. Figure 2 shows a perspective view of a preferred embodiment of a flashlight according to the invention, wherein for reasons of clarity the functional components of the lamp are additionally shown without the housing.
TER MEER STEINMEISTER & PARTNER X3T5R ·..·.:.. - 6 -TER MEER STEINMEISTER & PARTNER X3T5R ·..·.:.. - 6 -
zsw, Case: ZSW 2006 DE 12.04.2002zsw, Case: ZSW 2006 DE April 12, 2002
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.Preferred embodiments of the invention are described with reference to the drawings.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen mobilen Lampe mit einer Wasserstoffquelle 1, beispielsweise einem Metallhydridspeicher, der geeigneterweise so ausgelegt ist, dass er 20 1 Wasserstoff abgeben kann. Das Handabsperrventil 2, vorzugsweise ein Kugelhahn, dient zum Absperren der Wasserstoff quelle, wenn die Lampe über längere Zeit nicht benutzt wird. Bei der Brennstoffzelle 3 handelt es sich vorzugsweise um eine Miniatur-PEM-Brennstoffzelle mit beispielsweise 6 Zellen mit je 2,5 cm2 aktiver Fläche und einer Flächenstromdichte von 500 mA/cm2 für den Wasserstoffbetrieb. Die Brennstoffzelle 3 ist über ein Verbindungskabel 4 sowie den dazwischengeschaltenen DC/DC-Wandler 5 mit mehreren Leuchtdioden 6 verbunden. Ein elektrischer Ein/Aus-Schalter 7 ist zwischen der Brennstoffzelle 3 und den Leuchtdioden 6 angeordnet.Figure 1 shows a block diagram of a mobile lamp according to the invention with a hydrogen source 1, for example a metal hydride storage device, which is suitably designed so that it can release 20 l of hydrogen. The manual shut-off valve 2, preferably a ball valve, serves to shut off the hydrogen source when the lamp is not used for a longer period of time. The fuel cell 3 is preferably a miniature PEM fuel cell with, for example, 6 cells, each with 2.5 cm 2 active area and a surface current density of 500 mA/cm 2 for hydrogen operation. The fuel cell 3 is connected to several light-emitting diodes 6 via a connecting cable 4 and the DC/DC converter 5 connected in between. An electrical on/off switch 7 is arranged between the fuel cell 3 and the light-emitting diodes 6.
Figur 2 zeigt zum einen eine komplette erfindungsgemäße Taschenlampe und zum anderen die wesentlichen Funktionselemente ohne Gehäuse. Das Gehäuse 9 weist hierbei Belüftungsschlitze 8 auf. Der Ein/Aus-Schalter 7 ist am vorderen Teil des Gehäuses 9 untergebracht. Das Brennstoffzellensystem ist bei dieser Anwendung so ausgelegt, dass es eine maximale Leistungsabgabe von 3 W über die gesamte Dauer des Verbrauchs des angebotenen Wasserstoffvorrats ergibt. Als Wasserstoffquelle 1 dient ein Metallhydridspeicher.Figure 2 shows, on the one hand, a complete flashlight according to the invention and, on the other hand, the essential functional elements without a housing. The housing 9 has ventilation slots 8. The on/off switch 7 is located on the front part of the housing 9. In this application, the fuel cell system is designed in such a way that it produces a maximum power output of 3 W over the entire duration of the consumption of the hydrogen supply provided. A metal hydride storage device serves as the hydrogen source 1.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20020829 |
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| R163 | Identified publications notified | ||
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20051005 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20080603 |
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| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20100519 |
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| R071 | Expiry of right | ||
| R071 | Expiry of right |