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Patent Searching and Data


Title:
FUEL CELL MODULE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/202624
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a fuel cell module (20) comprising a cell stack and a module housing. The fuel cell module (20) further comprises a data store (50) and a data processing device (60), the data processing device (60) being designed to acquire operating parameters and store the operating parameters on the data store (50).

Inventors:
VOGLER MALTE (DE)
RUSER DENNIS (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/061439
Publication Date:
November 30, 2017
Filing Date:
May 12, 2017
Export Citation:
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Assignee:
THYSSENKRUPP MARINE SYS GMBH (DE)
THYSSENKRUPP AG (DE)
International Classes:
H01M8/04007; H01M8/04089; H01M8/0432; H01M8/04537
Foreign References:
EP2770605A12014-08-27
US20030091882A12003-05-15
US20080286613A12008-11-20
DE102004004624B32005-07-28
DE102014220054A12016-04-07
DE102014102366A12014-10-02
US20080020257A12008-01-24
DE60218747T22007-11-15
Attorney, Agent or Firm:
THYSSENKRUPP INTELLECTUAL PROPERTY GMBH (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Energieerzeugung umfassend ein Zentralelement (10) zur Aufnahme wenigstens eines Brennstoffzellenmoduls (20) und wenigstens ein Brennstoffzellenmodul (20), wobei das Brennstoffzellenmodul (20) einen Zellenstapel aufweist, wobei das Brennstoffzellenmodul (20) ein Modulgehäuse aufweist, wobei das Zentralelement (10) eine Anodengasversorgungsvorrichtung, eine Kathodengasversorgungsvorrichtung, eine elektrische Anodenverbindung, eine elektrische Kathodenverbindung und wenigstens eine Produktabfuhrvorrichtung aufweist, wobei das Brennstoffzellenmodul (20) mit der Anodengasversorgungsvorrichtung, der Kathodengasversorgungsvorrichtung, der elektrischen Anodenverbindung, der elektrischen Kathodenverbindung und der wenigstens einen Produktabfuhrvorrichtung verbindbar ist, wobei das Modulgehäuse des Brennstoffzellenmoduls (20) mit dem Zentralelement (10) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul (20) einen Datenspeicher (50) und eine Datenverarbeitungsvorrichtung (60) aufweist, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (60) zur Erfassung von Betriebsparametern ausgebildet ist und die Datenverarbeitungsvorrichtung (60) zur Speicherung der Betriebsparameter auf dem Datenspeicher (50) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens zwei Brennstoffzellenmodule (20) aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul (20) eine erste Schnittstelle (70) aufweist

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul (20) wenigstens einen ersten Sensor aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse wenigstens einen ersten Lufteinlass aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulgehäuse zur ausschließlich passiven Luftkühlung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher (50) zur Speicherung von Betriebsparametern von wenigstens 10.000 Betriebsstunden ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsvorrichtung (60) und der Datenspeicher (50) eine zulässige Betriebstemperatur von wenigstens 80 °C aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher (50) zur Speicherung von Betriebsstunden und Zeitpunkt von Betriebsbeginn und Betriebsende ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher (50) zur Speicherung der zeitabhängigen Zellspannung und der zeitabhängigen Temperatur ausgebildet ist.

Description:
Brennstoffzellenmodul

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mit einem Brennstoffzellenmodul, welches einen Zellenstapel und ein Modulgehäuse aufweist. Das Brennstoffzellenmodul weist ferner einen Datenspeicher und eine Datenverarbeitungsvorrichtung auf, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern und die Datenverarbeitungsvorrichtung zur Speicherung der Betriebsparameter auf dem Datenspeicher ausgebildet sind.

Eine Vorrichtung zur Energieerzeugung auf Basis der Brennstoffzellentechnik ist regelmäßig aus Brennstoffzellenmodulen aufgebaut. Ein Brennstoffzellenmodul enthält dabei einen Stapel aus Brennstoffzellen. Die einzelne Zelle weist hierbei Anode und Katode auf, welche durch eine Membran, üblicherweise einen protonenleitende Membran, getrennt sind. Zwischen den einzelnen Zellen befinden sich sogenannte Bipolarplatten, welche auf der einen Seite Sauerstoff und auf der anderen Seite Wasserstoff in benachbarten Zellen zuführen. Durch den Aufbau der Zellen in einem Stapel wird zum einen eine sehr kompakte Bauweise ermöglicht, zum anderen kann die erzeugte Spannung durch eine Reihenschaltung erhöht werden.

Die Brennstoffzellenmodule werden zum einen zu Wartungszwecken, zum anderen bei Defekt oder kritischem Zustand eines Brennstoffzellenmoduls ausgetauscht. Es hat sich jedoch als problematisch herausgestellt, dass sich die Betriebsparameter nicht mehr dem einzelnen Brennstoffzellenmodul zuordnen lassen. Außerdem kann bei einer Reparatur des Brennstoffzellenmoduls an einem anderen Ort auf die Betriebsparameter nicht mehr zugegriffen werden.

Aus der DE 10 2014 220 054 AI ist eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung bekannt.

Aus der DE 10 2014 102 366 AI ist eine Energieversorgungseinrichtung mit Batterieüberwachung bekannt.

Aus der US 2008/0020257 AI ist eine Brennstoffzelle mit einer Identifikationsvorrichtung bekannt.

Aus der DE 602 18 747 T2 ist eine Brennstoffzelle mit einem Datenspeichermedium bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Energieversorgung zu schaffen, bei welcher Brennstoffzellenmodul schnell und einfach ausgetauscht werden können und wobei eine schnelle und effiziente Wartung und/oder Reparatur zu einem späteren Zeitraum einfach möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieerzeugung umfasst ein Zentralelement zur Aufnahme wenigstens eines Brennstoffzellenmoduls und wenigstens ein Brennstoffzellenmodul. Das Brennstoffzellenmodul weist einen Zellenstapel auf, wobei das Brennstoffzellenmodul ein Modulgehäuse aufweist. Üblicherweise werden mehrere dieser Brennstoffmodule in eine Vorrichtung zur Energieerzeugung eingesetzt und üblicherweise in Abhängigkeit von Betriebsparametern wieder entfernt und gegen andere Brennstoffzellenmodule ausgetauscht. Das Zentralelement weist eine Anodengasversorgungsvorrichtung, eine Kathodengasversorgungsvorrichtung, eine elektrische Anodenverbindung, eine elektrische Kathodenverbindung und wenigstens eine Produktabfuhrvorrichtung auf. Das Brennstoffzellenmodul ist mit der Anodengasversorgungsvorrichtung, der Kathodengasversorgungsvorrichtung, der elektrischen Anodenverbindung, der elektrischen Kathodenverbindung und der wenigstens einen Produktabfuhrvorrichtung verbindbar. Weiter ist das Modulgehäuse des Brennstoffzellenmoduls mit dem Zentralelement verbindbar. Das Brennstoffzellenmodul weist einen Datenspeicher und eine Datenverarbeitungsvorrichtung auf, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern ausgebildet ist und die Datenverarbeitungsvorrichtung zur Speicherung der Betriebsparameter auf dem Datenspeicher ausgebildet ist.

Das Zentralelement übernimmt somit die Aufgabe, Produktgase, wie zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff dem Brennstoffzellenmodul zuzuführen und die Produkte, beispielsweise und insbesondere Wasser, abzuführen. Weiter wird über die elektrischen Verbindungen die erzeugte Energie weitergeführt. Somit ist das Brennstoffzellenmodul praktisch auf den Stapel aus einzelnen Zellen beschränkt, welcher besonders wartungsanfällig und ausfallgefährdet ist.

Gegenüber herkömmlichen Systemen weist das Brennstoffzellenmodul den Vorteil auf, dass die Betriebsparameter nicht zentral, sondern dezentral auf dem Brennstoffzellenmodul gespeichert sind. Eine zentrale Datenspeicherung kann dennoch optional ebenfalls erfolgen. Die Daten sind somit untrennbar mit dem Brennstoffzellenmodul verbunden. Hierdurch stehen die Betriebsparameter auch nach Ausbau für eine Fehleranalyse zur Verfügung. Des Weiteren können diese Betriebsparameter auch nach einem erneuten Einbau durch das Gesamtsystem wieder aus dem Datenspeicher übernommen werden, wodurch das Gesamtsystem Kenntnis über die Betriebseigenschaften dieses Brennstoffzellenmoduls erlangt. Hierdurch wird der Arbeitsablauf beim Austausch der Brennstoffzellenmodule effizienter und schneller. Dieses ist besonders wichtig, da so zunächst ein schneller und einfacher Austausch des Brennstoffzellenmoduls möglich ist, dieses Modul aber anschließend zu einem späteren Zeitpunkt und gegebenenfalls an einem anderen Ort gewartet beziehungsweise repariert werden kann, wobei hierzu die entsprechenden Daten direkt und unmittelbar zur Verfügung stehen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens zwei Brennstoffzellenmodule auf. Der Austausch bei zwei vorhandenen Modulen führt auch bereits vor Ort zu dem Problem, dass in der Vorrichtung erfasste und gespeicherte Daten nicht zwingend mehr einem Brennstoffzellenmodul eineindeutig zuordnenbar sind.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Brennstoffzellenmodul eine erste Schnittstelle auf. Bei der ersten in Schnittstelle kann es sich um eine BUS, bevorzugt um eine Ethernet und/oder EtherCAT Schnittstelle handeln. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist auch eine nicht normierte Schnittstelle denkbar.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden weitere Daten über die erste Schnittstelle empfangen und auf dem Datenspeicher gespeichert. Bevorzugt werden zumindest die Betriebsstunden, die Zellspannung sowie die Temperatur über die Zeit gespeichert. Besonders bevorzugt werden auch die Zeitpunkte sowie die Art bestimmter Ereignisse, wie zum Beispiel Spannungssprünge, Kurzschlüsse, Medienausfall, Anfahren und/oder Abschalten, gespeichert. Bei den weiteren Daten kann es sich bevorzugt um Umgebungsparameter, wie zum Beispiel Kühlwassertemperatur, handeln. Diese Umgebungsparameter werden vorzugsweise für alle Brennstoffzellenmodule zentral erfasst.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Brennstoffzellenmodul eine zweite Schnittstelle auf. Vorzugsweise ist über die erste Schnittstelle die Datenverarbeitungseinrichtung und über die zweite Schnittstelle der Datenspeicher direkt ansprechbar. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Brennstoffzellenmodul wenigstens einen ersten Sensor auf. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Sensor um einen Sensor zur Spannungsmessung. Besonders bevorzugt weist das Brennstoffzellenmodul einen Sensor pro Brennstoffzelle auf. Alternativ oder zusätzlich kann das Brennstoffzellenmodul einen Sensor zur Temperaturmessung, beispielsweise ein Thermoelement, aufweisen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Modulgehäuse wenigstens einen ersten Lufteinlass auf. Der erste Lufteinlass dient der Wärmeabfuhr, um die Datenverarbeitungseinrichtung und die Datenspeicherbetrieb vor Überhitzung zu schützen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Modulgehäuse zur ausschließlich passiven Luftkühlung des Datenspeichers und der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgebildet. Durch die ausschließlich passive Luftkühlung kann auf einen Kühler in Form eines Gebläse oder eines Kühlflüssigkeitskreislaufs verzichtet werden. Hierdurch ist eine besonders kompakte, wartungsarme und robuste Bauweise möglich. Bevorzugt sind der Datenspeicher und die Datenverarbeitungsvorrichtung thermisch mit dem Modulgehäuse gekoppelt, so dass deren Abwärme über das Modulgehäuse abgegeben werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Datenspeicher zur Speicherung von Betriebsparametern von wenigstens 10.000 Betriebsstunden, weiter bevorzugt von wenigstens 50.000 Betriebsstunden, besonders bevorzugt von wenigstens 100.000 Betriebsstunden ausgebildet.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Datenverarbeitungsvorrichtung und der Datenspeicher eine zulässige Betriebstemperatur von wenigstens 80 °C auf. Diese für elektronische Komponenten vergleichsweise hohe Temperatur ist zwar für diese insbesondere im Hinblick auf Anschaffungskosten negativ, es kann jedoch auf eine aufwändige Kühlung und dadurch eine thermische Belastung der Brennstoffzellen verzichtet werden. Bevorzugt weist die Datenverarbeitungsvorrichtung und der Datenspeicher zumindest einen Betriebstemperatursensor für die eigene Betriebstemperatur auf und einen Schalter zum Abschalten bei Überschreiten einer maximalen Betriebstemperatur.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Datenspeicher zur Speicherung von Betriebsstunden und Zeitpunkt von Betriebsbeginn und Betriebsende ausgebildet. Betriebsstunden insbesondere in Verknüpfung mit den Zeitpunkten von Betriebsbeginn und Betriebsende geben eine wichtige Information, ob beispielsweise das Brennstoffzellenmodul sehr oft ein- und ausgeschaltet wurde. Ebenso zeigt sich, wenn sehr lange Betriebszeiten oder extrem kurzen Betriebszeiten aufgetreten sind. Hieraus können Rückschlüsse auf die zu erwartende Lebensdauer des Brennstoffzellenmoduls geschlossen werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Datenspeicher zur Speicherung der zeitabhängigen Zellspannung und der zeitabhängigen Temperatur ausgebildet. Durch die Erfassung dieser Parameter, insbesondere wenn diese für jede einzelne Zelle erfolgt, ist eine präzise Analyse möglich.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Datenspeicher steckbar, bevorzugt in Form einer sogenannten SD Karte (Secure Digital Memory Card), ausgeführt. Die Verwendung dieser marktüblichen Komponente erhöht die Kompatibilität und Wartungsfreundlichkeit. Des Weiteren sind SD Karten in unterschiedlicher Größe und Qualität verfügbar. Ein weiterer Vorteil ist, dass für die Datenspeicherung keine Spannung anliegen muss. Die Auswertung der gespeicherten Daten kann auf einem anderen Computer durchgeführt werden, ohne dass eine Betriebsunterbrechung während der Auswertung erfolgen muss.

Insbesondere sind die erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmodule für die Anwendung in Wasserfahrzeugen, insbesondere in militärischen Wasserfahrzeugen, ganz besonders in Unterseeboot geeignet. Im Bereich der Wasserfahrzeuge ist, im Unterschied insbesondere zu Landfahrzeugen, die benötigte Energiemenge deutlich größer, sodass im Regelfall eine Mehrzahl an Brennstoffzellenmodulen eingesetzt wird. Hierdurch ergibt sich die Problematik der Zuordnung der erfassten Daten bei zentraler Datenerfassung zu den einzelnen Brennstoffzellenmodulen. Hinzu tritt bei Wasserfahrzeugen, dass bei Wasserfahrzeugen eine Wartung und Instandsetzung wären der Einsatzzeit auch auf Wasser erfolgen muss. Hierzu werden gegebenenfalls Brennstoffzellenmodule ausgetauscht, wodurch eine Datenzuordnung bei zentraler Datenspeicherung praktisch nicht mehr möglich ist.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Wartung oder Reparatur eines Brennstoffzellenmoduls einer Vorrichtung zur Energieerzeugung. Das Verfahren umfasst das Entfernen eines Brennstoffzellenmoduls aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieerzeugung, Einsetzen eines weiteren Brennstoffzellenmoduls in die Vorrichtung zur Energieerzeugung, Transport des Brennstoffzellenmoduls zum Ort der Wartung oder Reparatur, Auslesen des Datenspeichers des Brennstoffzellenmoduls, Analyse der aus dem Datenspeicher ausgelesenen Daten und Wartung oder Reparatur des Brennstoffzellenmoduls. Bevorzugt wird in dem Verfahren im Anschluss das Brennstoffzellenmodul mit dem Datenspeicher in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt, wobei die Daten, die vor dem Verfahren in dem Datenspeicher gespeichert wurden, unverändert sind.

Besonders bevorzugt befindet sich die Vorrichtung zur Energieerzeugung auf einem Wasserfahrzeug. Während des Einsatzes des Wasserfahrzeugs werden Brennstoffzellenmodule bei Bedarf gegen weitere Brennstoffzellenmodule ausgetauscht, welche als Austauschreserve mitgeführt werden. Die entfernten Brennstoffzellenmodule werden gelagert und bei Möglichkeit, beispielsweise nach Beendigung des Einsatzes zu einem Ort zur Wartung oder Reparatur gebracht, welcher üblicherweise an Land angeordnet ist. Hierdurch kann während des Einsatzes des Wasserfahrzeugs die Energieversorgung sofort wiederhergestellt werden, die Brennstoffzellenmodule aber anschließend effizient gewartet beziehungsweise repariert werden.

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellenmodul anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 Schematische Skizze einer Vorrichtung zur Energieerzeugung

Fig. 2 Schematische Skizze eines ersten Brennstoffzellenmoduls

Fig. 3 Schematische Skizze eines zweiten Brennstoffzellenmoduls

Fig. 4 Schematische Skizze eines dritten Brennstoffzellenmoduls mit Schnittstelle

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mit einem Zentralelement 10 gezeigt. Die Vorrichtung zur Energieerzeugung weist zwei Brennstoffzellenmodule 20 auf, welche in das Zentralelement 10 eingeführt sind. Die Brennstoffzellenmodule 20 können einzelne ausgetauscht werden.

Ein erstes Brennstoffzellenmodul 20 ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Zur Vereinfachung weist das Brennstoffzellenmodul 20 einen Stapel aus drei Brennstoffzellen auf. Die Zellen sind durch Bipolarplatten 30 getrennt und weisen eine Anode 31, eine Membran 32 und eine Katode 33 auf. Über die Bipolarplatte 30 wird die Anodenseite mit Wasserstoff und die Kathodenseite mit Sauerstoff versorgt. Die Zuführung von Gasen sowie die Abführung von überschüssigen Gasen sowie Prozesswasser, Überwachung der Zellen und dergleichen erfolgt durch die Zellversorgungsvorrichtung 40. Das Brennstoffzellenmodul 20 weist einen Datenspeicher 50 und eine Datenverarbeitungsvorrichtung 60 auf. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 60 nimmt Betriebsdaten wie zum Beispiel Betriebsstunden, Anfahren, Abschalten, Zellspannung sowie Temperatur auf und speichert diese im Datenspeicher 50 über die Zeit.

In Fig. 3 ist ein zweites Brennstoffzellenmodul 20 gezeigt. Dieses unterscheidet sich von dem in Fig. 2 gezeigten Modul dadurch, dass die Anordnung der Zellen alternierend ist. So sind Kathode 33 über eine gemeinsame Kathodenseite 34 und Anode 31 über eine gemeinsame Anodenseite 35 miteinander verbunden. Hierdurch ist die Gasführung vereinfacht.

In Fig. 4 ist ein drittes Brennstoffzellenmodul 20 gezeigt, welches sich von dem ersten Brennstoffzellenmodul 20 gemäß Fig. 2 durch eine zusätzliche erste Schnittstelle 70 unterscheidet. Durch die erste Schnittstelle 70 können Daten gesendet und empfangen werden.

Bezugszeichen

10 Zentralelement

20 Brennstoffzellenmodul

30 Bipolarplatte

31 Anode

32 Membran

33 Kathode

34 Kathodenplatte

35 Anodenplatte

40 Zellversorgungsvorrichtung

50 Datenspeicher

60 Datenverarbeitungsvorrichtung

70 erste Schnittstelle