Peripherie für ein Brennstoffzellensystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildete Peripherie für eine Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel.

Ein auf Brennstoffzellen basierendes Energieversorgungssystem umfasst neben mindestens einer Brennstoffzelle Einrichtungen zur Versorgung, Steuerung und Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle. Die Gesamtheit dieser Einrichtungen wird nachfolgend als Peripherie bezeichnet. Typischerweise umfasst die Peripherie folgende Komponenten: Einrichtungen zur Versorgung mit den Reaktionsmedien, also an den Anoden der Brennstoffzellen elektrochemisch oxidierbaren Brennstoffen (beispielsweise Wasserstoff oder Methanol) und an den Kathoden der Brennstoffzellen elektrochemisch reduzierbaren Oxidationsmitteln (typischerweise Luft oder Sauerstoff), Einrichtungen zur Prozessteuerung und optional Einrichtungen zur Kühlung.

Auf Brennstoffzellen basierende Energieversorgungssysteme für praktische Anwendungen, beispielsweise für eine netzunabhängige Stromversorgung, enthalten üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Typischerweise sind die Brennstoffzellen stapeiförmig angeordnet, diese Bauart wird als Brennstoffzellen-Block, Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellen- Stack bezeichnet.

In derartigen Brennstoffzellensystemen ist der Brennstoffzellenstapel üblicherweise in die Peripherie integriert, so dass Brennstoffzellenstapel und Peripherie eine funktionelle und räumliche Einheit bilden. In dieser Einheit sind Brennstoffzellenstapel und Peripherie hinsichtlich Dimensionierung, Leistung, Funktion und Verwendungszweck direkt aufeinander abgestimmt. Daher ist es im allgemeinen nicht möglich, aus einem solchen vollständig integrierten System den Brennstoffzellenstapel einfach zu entnehmen und durch einen anderen, nicht speziell für dieses System konfigurierten Brennstoffzellenstapel zu ersetzen, ohne signifikante änderungen an Aufbau und Dimensionierung der Peripherie durchzuführen.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 059 776 A1 ist ein modular aufgebautes Brennstoffzellensystem bekannt. Dieses umfasst eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einem oder mehreren Brennstoffzellenblöcken, eine Oxidator- Versorgungseinrichtung, eine Brennstoff-Versorgungseinrichtung und eine Steuerungseinrichtung. Die Brennstoffzelleneinrichtung und/oder die Oxidator- Versorgungseinrichtung und/oder die Brennstoff-Versorgungseinrichtung und ggf. die Kühleinrichtung sowie die Steuerungseinrichtung sind als eigenständige Module ausgebildet, wobei in einem Modul die funktionellen Komponenten der jeweiligen Einrichtung angeordnet sind (beispielsweise in einem Gehäuse), das entsprechende Modul eine Einheit bildet, welche als Ganzes positionierbar ist, und das entsprechende Modul eine Kommunikationsschnittstelle mit Anschlüssen aufweist.

Die Vorteile dieses modularen Systems bestehen darin, dass durch die Modularisierung das Brennstoffzellensystem flexibel aufgebaut werden kann, also eine leichte Zerlegbarkeit und Zusammensetzbarkeit aufweist. Insbesondere ist leicht eine Anpassung an geometrische Gegebenheiten möglich. Weiterhin lässt sich jedes Modul für sich optimieren, einstellen, positionieren und ggf. austauschen oder instandsetzen.

Andererseits führt der vollständig modulare Aufbau dazu, dass die Peripherie in eine Vielzahl von Einzelsystemen zerfällt, die jeweils separate Bauteile darstellen. Somit umfasst das Brennstoffzellensystem insgesamt eine Vielzahl von separaten Bauteilen, die jeweils zu handhaben, zu positionieren, entsprechend ihren jeweiligen Funktionen miteinander zu verbinden und ggf. auch zu transportieren sind. Dies ist insbesondere bei nicht ortsfesten Anwendungen ein Nachteil. Ein weiterer Nachteil besteht in dem gegenüber einem vollständig integrierten System aus Brennstoffzellenstapel und Peripherie zwangsläufig erhöhten Platzbedarf.

Erfindungsgemäß wird daher ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, in welchem eine Brennstoffzelleneinheit umfassend mindestens eine Brennstoffzelle einerseits und die

dazugehörige Peripherie andererseits räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, wobei die Komponenten der Peripherie gemeinsam in einer in sich geschlossenen Baueinheit untergebracht sind. Die Peripherie bildet erfindungsgemäß ein eigenständiges Gerät mit einer eigenständigen Funktion, d.h. eine Vorrichtung zur Inbetriebnahme bzw. zum Betrieb von Brennstoffzelleneinheiten.

Die erfindungsgemäße Peripherie, welche zur Kombination mit einer mindestens eine Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist, umfasst folgende Komponenten:

Eine Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoff, - eine Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit

Oxidationsmittel, eine Mess-, Steuer- und Bedieneinrichtung oder eine Mess-, Steuer-, regelungs- und Bedieneinrichtung sowie - optional eine Einrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit, wobei diese Komponenten gemeinsam in einer in sich geschlossenen Baueinheit untergebracht sind, die von der Brennstoffzelleneinheit räumlich getrennt ist.

Die Komponenten der Peripherie-Baueinheit sind auf einer gemeinsamen Plattform, beispielsweise in einem Gehäuse, einer Box o.a. untergebracht, so dass sie eine eigenständige, in sich geschlossene Baueinheit bilden.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit umfassend mindestens eine Brennstoffzelle sowie eine räumlich von der Brennstoffzelleneinheit getrennte Peripherie umfassend folgende Komponenten:

Eine Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoff, eine Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit Oxidationsmittel, - eine Mess-, Steuer-, Regelungs- und Bedieneinrichtung sowie optional eine Einrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit,

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wobei diese Komponenten gemeinsam in einer in sich geschlossenen Baueinheit untergebracht sind, die von der Brennstoffzelleneinheit räumlich getrennt ist.

Zur Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems wird diese mit der erfindungsgemäßen Peripherie strömungstechnisch, elektrisch und ggf. signaltechnisch verbunden.

Vorzugsweise enthält die Brennstoffzelleneinheit des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die vorteilhaft in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich um Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC).

Als Brennstoff kommt beispielsweise Wasserstoff oder Methanol (z.B. in Form eines Methanol-Wasser-Gemischs) zum Einsatz. Wasserstoff wird mittels eines geeigneten Speichers zur Verfügung gestellt, beispielsweise eines Metallhydrid-Speichers oder einer Druckgasflasche, wobei der Speicher für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit strömungstechnisch mit der erfindungsgemäßen Peripherie verbunden wird.

Als Oxidationsmittel wird üblicherweise Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Dieser wird von der Peripherie aus der Umgebungsluft angesaugt. In der Peripherie ist dafür eine entsprechende Vorrichtung vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Peripherie weist Anschlüsse auf, um strömungstechnische Verbindungen für den Transport der Reaktionsmedien, also des Brennstoffs und des Oxidationsmittels zur Brennstoffzelleneinheit, herzustellen.

Umfasst die Peripherie eine Einrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit, so sind Anschlüsse für strömungstechnische Verbindungen zum An- und Abtransport des Kühlmittels zur Brennstoffzelleneinheit vorzusehen.

Als Kühlmittel wird Wasser, ggf. mit Frostschutzzusatz, oder ein anderes gebräuchliches Kühlmittel eingesetzt. Als Alternative kann auch eine Luftkühlung verwendet werden. Im Falle eines flüssigen Kühlmittels wird die Förderung des Kühlmittels durch eine in der Peripherie vorgesehene Pumpe bewerkstelligt. Im Falle einer Luftkühlung weist die Peripherie ein Gebläse für die als Kühlmittel verwendete Luft auf.

Soll die erfindungsgemäße Peripherie ausschließlich in Kombination mit passiv gekühlten Brennstoffzelleneinheiten eingesetzt werden, so ist es nicht erforderlich, in der Peripherie eine Einrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit vorzusehen.

Die erfindungsgemäße Peripherie weist einen elektrischen Anschluss auf, um eine elektrische Verbindung zur Brennstoffzelleneinheit herzustellen und der Brennstoffzelleneinheit elektrische Leistung zu entnehmen. Sie weist außerdem einen elektrischen Anschluss für mindestens einen Verbraucher auf, der die der Brennstoffzelleneinheit entnommene elektrische Leistung aufnimmt.

Die elektrischen und strömungstechnischen Verbindungen zwischen Brennstoffzelleneinheit und Peripherie werden in bekannter Weise hergestellt.

Mittels der Mess-, Steuer- und Bedieneinheit können bestimmte Betriebsgrößen, wie beispielsweise die Temperatur und Spannung der Brennstoffzelleneinheit, die Funktion des Kühlkreislaufs, die Temperatur des ein- und austretenden Kühlmittels, der Eingangsluftdruck und der Wasserstoffdruck gesteuert und überwacht werden. Alternativ kann eine Mess-, Steuer-, Regelungs- und Bedieneinheit eingesetzt werden, so dass eine Regelung bestimmter Betriebsgrößen möglich ist.

Es ist grundsätzlich möglich, auch weitere Betriebsgrößen zu steuern, zu regeln oder zu überwachen. Auswahl und Anzahl dieser Betriebsgrößen hängen vom jeweiligen Einsatzzweck und dem vom Anwender akzeptierten Aufwand/Nutzen-Verhältnis ab.

Für die zu messenden Größen sind in der Peripherie bzw. in der Brennstoffzelleneinheit entsprechende Messfühler vorzusehen sowie die nötigen signaltechnischen Verbindungen zur Signalübertragung an die Mess-, Steuer-, Regelungs- und Bedieneinheit.

Vorteilhafter Weise weist die erfindungsgemäße Peripherie weiterhin einen Eingang zur Einspeisung von elektrischer Hilfsenergie auf. Dadurch kann in der Startphase oder, falls gewünscht, während der gesamten Betriebsdauer der Energiebedarf der elektrische Energie benötigenden Komponenten der Peripherie (Luftverdichter, Kühlmittelpumpe usw.) unabhängig von der Leistung des Brennstoffzellenstapels gedeckt werden. Die elektrische Energie kann dem Stromversorgungsnetz entnommen werden oder einer anderen Stromquelle, beispielsweise einer Batterie. Die Entkopplung der Leistung des Brennstoffzellenstapels vom elektrischen Leistungsbedarf der Peripherie ermöglicht es, die Leistung des Brennstoffzellenstapels unabhängig zu evaluieren. Soll andererseits der Bedarf an Hilfsenergie möglichst klein gehalten werden, so ist es auch möglich, den Leistungsbedarf der Peripherie direkt aus der Leistungsabgabe der Brennstoffzelleneinheit zu decken. Die Peripherie wird dann elektrisch als Verbraucher geschaltet.

Das erfindungsgemäße System zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik durch eine Vielzahl von Vorteilen aus. Gegenüber dem komplett modular aufgebautem System gemäß DE 10 2004 059 776 A1 ist der durch die Integration der Peripheriekomponenten in einer Baueinheit wesentlich kompaktere Aufbau hervorzuheben, der die Handhabbarkeit und den Transport erleichtert. So ermöglicht die erfindungsgemäße Peripherie eine einfache und sichere Inbetriebnahme von Brennstoffzelleneinheiten. Dies ist insbesondere bei nicht ortsfesten Anwendungen und bei eingeschränktem Platzangebot von Vorteil. Andererseits besteht gegenüber vollständig integrierten Systemen der Vorteil einer höheren Flexibilität, da die Brennstoffzelleneinheit nicht starr mit der Peripherie verbunden ist und daher ausgetauscht werden kann. Es können also ohne signifikanten Umrüstungsaufwand verschiedene Brennstoffzelleneinheiten angeschlossen, in Betrieb genommen und untersucht werden.

Somit ermöglicht die erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildete Peripherie eine hohe Flexibilität beim Testen und Evaluieren von Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere auch verschiedener Brennstoffzelleneinheiten, z.B. Brennstoffzellenstapeln, im Vergleich untereinander. Beispielsweise können Prototypen von Brennstoffzellenstapeln vergleichbar evaluiert werden. Unter "Evaluieren" werden im Rahmen dieses Textes alle Verfahren, Methoden und Vorgehensweisen zum Erproben, Prüfen, Testen und Untersuchen des Betriebs von Brennstoffzelleneinheiten verstanden, also im Sinne einer Funktionsprüfung oder Diagnose, sowie auch z.B. die Untersuchung des Betriebsverhaltens in Abhängigkeit von bestimmten Betriebszuständen oder äußeren Bedingungen.

Ein weiterer Vorteil ist die anwendungsnahe Gestaltung der erfindungsgemäßen Peripherie. Sie lässt sich daher leicht in Anwendungen integrieren. Dies erleichtert insbesondere die Entwicklung von Prototypen für Anwendungen von Brennstoffzellensystemen. Beispiele für solche Anwendungen sind u.a. eine Bordstromversorgung für ein Fahrzeug oder ein System zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (sog. Back-up-System). Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Anwendungen beschränkt.

Die oben genannten Vorzüge der erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildeten Peripherie für Brennstoffzellensysteme sind Grundlage für eine Vielzahl vorteilhafter Einsatzmöglichkeiten.

Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Peripherie benutzt werden, um

Brennstoffzelleneinheiten, z.B. Brennstoffzellenstapel nach der Fertigung, vor dem Einbau in ein komplett integriertes Brennstoffzellensystem, vor der Inbetriebnahme oder

nach einer änderung der Betriebsbedingungen oder einer Betriebspause, zu evaluieren, zu testen und zu prüfen. Die leichte Handhabung des Systems erleichtert die routinemäßige Prüfung. Die kompakte Bauweise verringert den Aufwand für eine Vorortprüfung, beispielsweise bei einer netzfern eingesetzten Brennstoffzelleneinheit.

Ein weiteres Anwendungsfeld ist der Einsatz als Laborgerät für Forschung und Entwicklung. Beispielsweise können Prototypen von Brennstoffzellenstapeln vergleichbar evaluiert werden. Potenzielle Anwender können sich mittels der erfindungsgemäßen Peripherie schnell mit neuen Typen von Brennstoffzelleneinheiten vertraut machen und diese unter anwendungsnahen Bedingungen testen.

Auch kann der Einfluss der Skalierung der Brennstoffzelleneinheit, d.h. der Anzahl der miteinander elektrisch seriell verschalteten Brennstoffzellen, untersucht werden.

In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, dass bei der Entwicklung von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln in der Labor- und Prototypen phase meist vergleichsweise aufwendige und komplexe Teststände benutzt werden, die eine Vielzahl von Messgeräten und überwachungsfunktionen umfassen. Während solche Vorrichtungen für grundlegende Forschung und Entwicklung unverzichtbar sind, eignen sie sich jedoch nicht für die Anwendungsintegration von Brennstoffzellensystemen. Daher müsste ein potenzieller Anwender, der ein Brennstoffzellensystem in den Prototypen einer Anwendung integrieren will, den vorgefertigten Brennstoffzellenstapel selbst mit einer geeigneten Peripherie versehen und in die entsprechende Anwendung integrieren. Dies ist jedoch relativ aufwendig und verlangt zusätzliche Entwicklungskapazitäten, die häufig auch außerhalb der Kompetenz des Anwenders liegen.

Darüber hinaus weist die vorliegende Erfindung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Testständen einen deutlichen Preisvorteil auf. Daher ist es mittels der erfindungsgemäßen Peripherie möglich, Einsatzgebiete zu erschließen, für die herkömmliche Testständer zwar zu aufwendig und zu teuer sind, aber bisher keine brauchbare Alternative zur Verfügung stand.

Da sich die kompakte Peripherie leicht in eine vorhandene Anwendungsumgebung einbinden lässt, können verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere Brennstoffzellenstapel, untersucht werden. Dies ist insbesondere im Prototypenstadium solcher Anwendungen von Vorteil, denn der kompakte Aufbau und die leichte Handhabbarkeit der erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildeten Peripherie erleichtern den Einbau eines

Brennstoffzellensystems in den Prototyp einer potentiellen Anwendung. Dadurch wird der Schritt vom Labor- zum Prototypenstadium erleichtert und beschleunigt.

Außerdem kann die erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildete Peripherie, da sie leicht zu transportieren ist, als Vorort-Diagnosegerät eingesetzt werden, beispielsweise für die Prüfung und Wartung an nahezu beliebigen Orten, beispielsweise dezentral eingesetzten Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere auch bei netzfern eingesetzten Brennstoffzelleneinheiten.

Die erfindungsgemäße Peripherie ist auch geeignet, um das Betriebsverhalten einer Brennstoffzelleneinheit unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu untersuchen. So kann beispielsweise der Einfluss von Luftfeuchtigkeit, Staubgehalt der Luft und anderen Witterungs- und Umgebungsbedingungen untersucht werden.

Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildete Peripherie vielfältige weitere Anwendungen, die mit herkömmlichen Testständen, die nicht ohne weiteres transportabel sind, nur unter extrem hohem Aufwand oder gar nicht zu realisieren sind. Die erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildete Peripherie kann somit als mobile Teststation oder mobiles Diagnosegerät für Brennstoffzelleneinheiten verwendet werden.