Brennstoffzellenmodul , Brennstoffzellensystem sowie Betriebs ^¬ verfahren

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul umfassend eine Brennstoffzelleneinheit und eine Betriebsmittel-Versor ^¬ gungseinheit zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit Betriebsmitteln gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Brennstoffzellenmodul ist beispielsweise aus der WO 03/030291 A2 bekannt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit mehreren derartigen Brennstoffzellenmodulen gemäß Patentan- spruch 12 sowie ein Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 13 und 14.

Modular aufgebaute Brennstoffzellensysteme kommen bereits in verschiedensten Anwendungen zum Einsatz. Ein sehr vorteilhaf- ter Anwendungsfall liegt in der umweltfreundlichen und ge ^¬ räuschlosen elektrischen Energieerzeugung in maritimen Anwendungen, so beispielsweise an Bord von Schiffen, insbesondere Unterseebooten, oder unbemannten Unterwasserfahrzeugen. Dabei kommen Brennstoffzellenmodule zum Einsatz, die übli ^¬ cherweise eine elektrische Nennleistung von mindestens 5 kW aufweisen .

Derartige Brennstoffzellenmodule sind beispielsweise aus der WO 03/030291 A2, der WO 2005/073075 AI sowie aus dem Prospekt der Siemens AG, Titel: „PEM Fuel Cells for Submarines", E10001-A930-A35-V3-7600, Siemens AG 2001, Deckblatt bekannt.

Die Brennstoffzellenmodule sind zur Versorgung mit Betriebs- mittein (z.B. Wasserstoff, Sauerstoff, Kühlwasser, Stickstoff) an eine gemeinsame Betriebsmittelversorgung angeschlossen (z.B. an jeweils einen gemeinsamen Speicher für Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff) . Üblicherweise sind die Brennstoffzellenmodule zur Erzielung eines gewünschten Ausgangsspannungsniveaus auch elektrisch in Reihe geschaltet. Alternativ können sie auch einzeln an einen DC/DC-Steller geschaltet sein.

Das Brennstoffzellenmodul weist eine Brennstoffzelleneinheit und eine Betriebsmittel-Versorgungseinheit zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit den Betriebsmitteln auf, wobei die Brennstoffzelleneinheit und die Betriebsmittel-Versor- gungseinheit über eine zwischen den beiden Einheiten angeordnete Verbindungs-Platte miteinander verbunden sind.

Die Brennstoffzelleneinheit weist zusätzlich eine Endplatte auf, wobei zwischen der Verbindungs-Platte und der Endplatte zumindest ein Stapel von Brennstoffzellen sowie ein Stapel an Befeuchtungszellen angeordnet sind. Die Endplatte und die Verbindungsplatte sind mittels Zugankern miteinander ver ^¬ spannt und halten somit die Stapel zusammen. Vorzugsweise wird ein kaskadierter Brennstoffzellenstapel (d.h. mehrere medienseitig kaskadenartig hintereinandergeschaltete Teilsta ^¬ pel) für einen möglichst abgasfreien Betrieb des Brennstoff ^¬ zellenmoduls verwendet.

Die Betriebsmittel-Versorgungseinheit ist ebenfalls mit der Verbindungs-Platte verbunden und weist eine Anschlussplatte mit Stromanschlüssen zum Abgreifen eines in den Brennstoffzellen erzeugten Stromes von außerhalb des Brennstoffzellen- moduls sowie Betriebsmittelanschlüsse zur Zu- und Abfuhr von Betriebsmitteln zu bzw. von dem Brennstoffzellenmodul auf.

Die Betriebsmittel-Versorgungseinheit umfasst Hilfskomponen ^¬ ten für den Betrieb des Brennstoffzellenmoduls , insbesondere Ventile zum Zuschalten und Wegschalten der (externen) Betriebsmittelversorgung, Drucksensoren, Temperatursensoren und/oder Wasserabscheider. Sensoren und Aktoren des Brennstoffzellenmoduls sind über entsprechende Signal- und Steuer ^¬ leitungen mit einer entfernten Steuerungs- und Regelungseinrichtung verbunden. Es ist dabei eine hohe Verfügbarkeit des Brennstoffzellensys- tems und somit auch der einzelnen Module sicherzustellen. Im Falle eines Defektes einer Brennstoffzelle wird bei den vor ^¬ stehend beschriebenen Brennstoffzellenmodulen üblicherweise das gesamte Modul aus dem Brennstoffzellensystem ausgebaut und falls notwendig gegen ein intaktes Modul ausgetauscht. Hierzu wird - gesteuert durch eine übergeordnete Steuerungs ^¬ und Regelungseinrichtung - das gesamte Brennstoffzellensys ^¬ tem, d.h. alle Brennstoffzellenmodule, mit einer Abschaltpro- zedur in einen sicheren Zustand gebracht. Nach Austausch des defekten Moduls wird das gesamte Brennstoffzellensystem mit einer Einschaltprozedur wieder in Betrieb genommen.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzellenmodule noch weiter zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Brennstoffzellen- modul gemäß Patentanspruch 1, ein Brennstoffzellensystem mit mehreren derartigen Brennstoffzellenmodulen gemäß Patentanspruch 12 sowie ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß Patentanspruch 13 und 14. Vorteilhafte Ausge ^¬ staltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmodul sind die Brennstoffzelleneinheit und die Betriebsmittel-Versorgungs ^¬ einheit voneinander trennbar und es umfasst eine am oder im Brennstoffzellenmodul angeordnete Modulsteuerungs- und/oder - regelungseinrichtung, die ausgebildet ist, mittels einer Ab- schaltprozedur die Brennstoffzelleneinheit vor einem Trennen von der Betriebsmittel-Versorgungseinheit in einen sicheren Zustand zu bringen und/oder mittels einer Einschaltprozedur die Brennstoffzelleneinheit nach einem Verbinden mit der Be ^¬ triebsmittel-Versorgungseinheit in Betrieb zu nehmen.

Unter einem „sicheren" Zustand wird hierbei ein Zustand verstanden, bei dem zum einen an der Brennstoffzelleneinheit keine gefährliche Berührungsspannungen (z.B. Spannungen klei- ner 120 V DC) anliegen und zum anderen bei dem Betriebsmittelkonzentrationen einen vorgegebenen Grenzwert unterschreiten (z.B. Wasserstoffkonzentration kleiner als 4 Vol . % ) , so dass ein Trennen der Brennstoffzelleneinheit von der Be- triebsmittel-Versorgungseinheit und somit ein Kontakt der

Brennstoffzellen zur Umgebungsluft dann nicht zur Ausbildung eines explosionsfähigen Brennstoff/Sauerstoff-Gemisches führt . Unter „in Betrieb nehmen" wird hierbei verstanden, dass durch eine Betriebsmittelzufuhr zu der Brennstoffzelleneinheit eine kontrollierte elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzel ^¬ len in Gang gesetzt und eine Ausgangsspannung an der Brennstoffzelleneinheit erzeugt wird.

Im Fall eines Defektes einer Brennstoffzelle kann somit die Brennstoffzelleneinheit gefahrlos von der Betriebsmittel-Ver ^¬ sorgungseinheit entfernt und ausgetauscht werden. Die Be ^¬ triebsmittel-Versorgungseinheit kann während des Austausches dagegen in einem Brennstoffzellensystem eingebaut verbleiben. Insbesondere müssen die Anschlüsse der Betriebsmittel-Versorgungseinheit an die Betriebsmittelversorgung des Brennstoff ^¬ zellensystems sowie die Stromanschlüsse nicht getrennt wer ^¬ den. Das Brennstoffzellensystem muss deshalb für einen Aus- tausch der Brennstoffzelleneinheit nicht abgeschaltet und neu gestartet werden. Hierdurch kann der Zeitbedarf und der Aufwand für eine Reparatur des Brennstoffzellenmoduls bzw. des Brennstoffzellensystems verringert und somit dessen Verfüg ^¬ barkeit erhöht werden.

Durch die am oder im Brennstoffzellenmodul angeordnete Modul- steuerungs- und/oder -regelungseinrichtung kann auf eine aufwendige Verkabelung zu einer übergeordneten Steuerungsund/oder -regelungseinrichtung verzichtet werden und eine weitgehend autarke Steuerung und/oder Regelung des Brennstoffzellenmoduls unabhängig von einer übergeordneten Steue- rungs- und/oder -regelungseinrichtung erfolgen. Vorzugsweise ist die Modulsteuerungs- und/oder -regelungsein- richtung lösbar an der Brennstoffzelleneinheit oder der Be ^¬ triebsmittel-Versorgungseinheit befestigt und über von der Betriebsmittel-Versorgungseinheit und/oder der Brennstoffzel- leneinheit lösbare Steuer- und/oder Signalleitungen mit jeweils darin angeordneten Aktoren bzw. Sensoren verbunden. Die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung kann somit im Falle eines Defektes ebenfalls leicht ausgetauscht werden. Die Abschaltprozedur umfasst von Vorteil ein Entladen und ein Inertisieren der Brennstoffzellen. Unter „Inertisieren" wird hierbei ein (ggf. mehrmaliges) Evakuieren und Auffüllen der Gasräume der Brennstoffzellen mit einem inerten Gas (vorzugsweise Stickstoff) und/oder Spülen mit einem inerten Gas ver- standen, bis die Brennstoffkonzentration einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

Das Brennstoffzellenmodul kann von Vorteil einen zuschaltbar ^¬ en elektrischen Widerstand zur elektrischen Entladung der Brennstoffzelleneinheit , vorzugsweise als Bestandteil der Ab ^¬ schaltprozedur, umfassen.

Vorzugsweise umfasst die Einschaltprozedur zumindest einen, vorzugsweise sämtliche, der folgenden Schritte:

- Prüfung eines ordnungsgemäßen Anschlusses von Sensoren und Aktoren an die Modulsteuerungs- und/oder -regelungs ^¬ einrichtung,

Prüfung eines ordnungsgemäßen Anschlusses von Stromlei ^¬ tern (z.B. Stromschienen) zur Führung des von der Brennstoffzelleneinheit erzeigten Stromes,

Befüllen von Kühlmittelräumen der Brennstoffzelleneinheit

(2) mit Kühlmittel,

Befüllen von Betriebsgasräumen der Brennstoffzelleneinheit mit einem inertem Gas, vorzugsweise Stickstoff, nach, vorzugsweise mehrfachem, Evakuieren und/oder Spülen mit inertem Gas, vorzugsweise Stickstoff,

Prüfung der Dichtigkeit (vorzugsweise sowohl modulintern und nach extern) , Befüllen von Betriebsgasräumen der Brennstoffzellenein- heit mit Betriebsgasen (Reaktanten) ,

Überprüfen der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzellen, vorzugsweise anhand der LeerlaufSpannungen .

Ein Verfahren zum Auffüllen der Betriebsmittelräume der

Brennstoffzelleneinheit mit Betriebsmitteln ist beispielswei ^¬ se in der noch unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 16163367.2 der Anmelderin beschrieben.

Weiterhin weist das Brennstoffzellenmodul vorzugsweise ein oder mehrere Bedienelemente zum Starten der Abschaltprozedur und/oder der Einschaltprozedur und/oder ein oder mehrere Anzeigeelemente zur Anzeige eines erfolgreichen Abschlusses der Abschaltprozedur und/oder der Einschaltprozedur auf. Das Bedienelement kann beispielsweise ein Taster, ein Schalter oder ein Element eines berührungsempfindlichen Displays (Touch- screen) sein. Das Anzeigeelement kann beispielsweise ein op ^¬ tischer oder ein akustischer Signalgeber oder ein Element ei- nes Displays sein. Eine Person kann somit besonders einfach vor Ort an dem Brennstoffzellenmodul die Abschaltprozedur oder Einschaltprozedur starten und erhält eine Rückmeldung, ab wann er sicher die Brennstoffzelleneinheit von der Be ^¬ triebsmittel-Versorgungseinheit trennen kann bzw. ab wann das Brennstoffzellenmodul nach einem Verbinden von Brennstoffzel ^¬ leneinheit und Betriebsmittel-Versorgungseinheit wieder be ^¬ triebsbereit ist.

Gemäß einer konstruktiv sehr einfachen Ausgestaltung sind die Brennstoffzelleneinheit und die Betriebsmittel-Versorgungs ^¬ einheit über eine zwischen den beiden Einheiten angeordnete Verbindungs-Platte miteinander verbunden, wobei die Verbindungs-Platte eine erste Teilplatte und eine zweite Teilplatte umfasst, die voneinander lösbar sind, um die Brennstoffzel- leneinheit von der Betriebsmittel-Versorgungseinheit zu tren ^¬ nen . Gemäß einer weiteren konstruktiv sehr einfachen Ausgestaltung ist die Brennstoffzelleneinheit mit der zweiten Teilplatte verbunden und weist eine Endplatte auf, wobei zwischen der zweiten Teilplatte und der Endplatte der zumindest eine Sta- pel von Brennstoffzellen angeordnet ist und wobei die zweite Teilplatte und die Endplatte derart miteinander verspannt sind, dass sie den Stapel von Brennstoffzellen zusammenhal ^¬ ten . Gemäß einer weiteren konstruktiv sehr einfachen Ausgestaltung ist die Betriebsmittel-Versorgungseinheit mit der ersten Teilplatte verbunden und umfasst eine Anschlussplatte, die die Betriebsmittelanschlüsse, vorzugsweise auch die Stroman ^¬ schlüsse, aufweist.

Zur Befeuchtung der Betriebsgase vor deren Zufuhr zu den Brennstoffzellen kann zwischen der zweiten Teilplatte und der Endplatte ein Stapel von Befeuchtungszellen angeordnet sein, wobei die zweite Teilplatte und die Endplatte derart mitei- nander verspannt sind, dass sie gleichzeitig sowohl den Sta ^¬ pel von Brennstoffzellen als auch den Stapel von Befeuchtungszellen zusammenhalten.

Zur einfachen Anbindung von Ver- und Entsorgungskanälen der Brennstoffzellen und ggf. der Befeuchtungszellen der Brennstoffzelleneinheit an die Betriebsmittel-Versorgungseinheit verlaufen Betriebsmittelkanäle, vorzugsweise in Stapelrich ^¬ tung der Brennstoffzellen, durch die beiden Teilplatten hindurch .

Zur genauen Überwachung der Brennstoffzellen umfasst das Brennstoffzellenmodul vorzugsweise auch eine Zellspannungs- überwachungseinrichtung, die lösbar an der Brennstoffzelleneinheit befestigt ist und über von der Brennstoffzellenein- heit lösbare Signalleitungen mit Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit verbunden ist. Die Zellspannungsüberwa- chungseinrichtung kann somit im Falle eines Defektes ebenfalls leicht ausgetauscht werden. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst mehrere vorstehend beschriebene Brennstoffzellenmodule, die zur Ver ^¬ sorgung mit Betriebsmitteln an eine gemeinsame Betriebsmit ^¬ telversorgung angeschlossen sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieses Brennstoffzel- lensystems ist zum Austausch einer Brennstoffzelleneinheit eines Brennstoffzellenmoduls bei laufendem Betrieb des Brenn ^¬ stoffzellensystems durch Lösen der beiden Teilplatten die Brennstoffzelleneinheit dieses Brennstoffzellenmoduls von der Betriebsmittel-Versorgungseinheit trennbar, wobei aber die Betriebsmittel-Versorgungseinheit an dem Brennstoffzellensys ^¬ tem angeschlossen bleibt.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren jeweils vorstehend be ^¬ schriebenen Brennstoffzellenmodulen, die aus einer gemeinsamen Betriebsmittelversorgung mit Betriebsmitteln versorgt werden, wird zum Austausch einer Brennstoffzelleneinheit ei ^¬ nes Brennstoffzellenmoduls bei laufendem Betrieb des Brenn ^¬ stoffzellensystems die Brennstoffzelleneinheit dieses Brenn ^¬ stoffzellenmoduls mittels der Abschaltprozedur in einen si ^¬ cheren Zustand gebracht und anschließend von der Betriebsmit ^¬ tel-Versorgungseinheit getrennt, wobei nach einer Trennung der Brennstoffzelleneinheit von der Betriebsmittel-Versorgungseinheit die Betriebsmittel-Versorgungseinheit an dem Brennstoffzellensystem angeschlossen bleibt.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren jeweils vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenmodulen, die aus einer gemeinsamen Betriebsmittelversorgung mit Betriebsmitteln versorgt werden, wird zum Austausch einer Brennstoffzelleneinheit bei laufendem Betrieb des Brennstoffzellensystems und an das Brennstoffzellensystem angeschlossener Betriebsmittel-Versorgungseinheit die Brennstoffzelleneinheit mit der Betriebsmit ^¬ tel-Versorgungseinheit verbunden und mittels der Einschalt ^¬ prozedur in Betrieb genommen. Von besonderem Vorteil werden zum Austausch einer Brennstoffzelleneinheit eines Brennstoffzellenmoduls die beiden vorste ^¬ hend erläuterten Verfahren nacheinander durchgeführt. Vorzugsweise wird zum Austausch einer Brennstoffzelleneinheit eines Brennstoffzellenmoduls bei laufendem Betrieb des Brenn ^¬ stoffzellensystems durch Lösen der beiden vorstehend be ^¬ schriebenen Teilplatten die Brennstoffzelleneinheit dieses Brennstoffzellenmoduls von der Betriebsmittel-Versorgungsein- heit getrennt, wobei aber nach einer Trennung der Brennstoff ^¬ zelleneinheit von der Betriebsmittel-Versorgungseinheit die Betriebsmittel-Versorgungseinheit an dem Brennstoffzellensys- tem angeschlossen bleibt.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Darin zeigen: FIG 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoff ^¬ zellenmodul,

FIG 2 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoff ^¬ zellensystem,

FIG 3 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenmodul in ver- einfachter schematischer Darstellung in zusammengebautem Zustand,

FIG 4 das Brennstoffzellenmodul von FIG 3 in getrenntem Zu ^¬ stand,

FIG 5 eine Draufsicht auf die Modulsteuerungs- und/oder - regelungseinrichtung des Brennstoffzellenmoduls von

FIG 3 und 4,

FIG 6 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,

FIG 7 eine erste perspektivische Ansicht eines erfindungs ^¬ gemäßen Brennstoffzellenmoduls in Detaildarstellung, FIG 8 eine zweite perspektivische Ansicht des Brennstoff ^¬ zellenmoduls von FIG 7,

FIG 9 einen Verfahrensablauf bei einer Abschaltprozedur ei ^¬ nes Brennstoffzellenmoduls , FIG 10 einen Verfahrensablauf bei einer Einschaltprozedur eines Brennstoffzellenmoduls .

FIG 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoffzellenmodul 1, das eine Brennstoffzelleneinheit 2 und eine Betriebsmittel- Versorgungseinheit 3 zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 2 mit den Betriebsmitteln aufweist. Wie dargestellt weist das Brennstoffzellenmodul 1 vorzugswei ^¬ se genau eine Brennstoffzelleneinheit 2 und genau eine, nur dieser Brennstoffzelleneinheit 2 zugeordnete Betriebsmittel- Versorgungseinheit 3 auf, d.h. die Betriebsmittel-Versor ^¬ gungseinheit 3 dient nur zur Versorgung dieser einen zugeord- neten Brennstoffzelleneinheit 2 mit Betriebsmitteln.

Es ist aber z.B. auch möglich, dass das Brennstoffzellenmodul 1 genau eine Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 und zwei oder mehr nur dieser zugeordnete und von dieser mit Betriebs- mittein versorgte Brennstoffzelleneinheiten 2 aufweist.

Die Brennstoffzelleneinheit 2 umfasst einen Stapel 5 von PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran) Brennstoffzellen 5 ^λ und einen Stapel 6 von Befeuchtungszellen 6 ^λ . Der Stapel 5 ist kaska- diert und weist hierzu zwei Teilstapel mit einer dazwischen angeordneten Stabilisierungsplatte 15 auf. Durch die

Kaskadierung kann ein sehr abgasfreier Betrieb der Brennstoffzellen ermöglicht werden. Die Brennstoffzelleneinheit 2 und die Betriebsmittel-Versor ^¬ gungseinheit 3 sind über eine zwischen den beiden Einheiten angeordnete Verbindungs-Platte 4 miteinander verbunden.

Die Brennstoffzelleneinheit 2 weist zusätzlich eine Endplatte 7 auf, wobei zwischen der Verbindungs-Platte 2 und der End ^¬ platte 7 die Stapel 5, 6 angeordnet sind. Die Endplatte 7 und die Verbindungsplatte 4 sind mittels nicht näher dargestell- ten Zugankern miteinander verspannt und halten somit die Stapel 5, 6 zusammen.

Die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 ist ebenfalls mit der Verbindungs-Platte 4 verbunden und weist eine Anschlussplatte 9 mit Stromanschlüssen 10 zum Abgreifen eines in den Brennstoffzellen 5 ^λ erzeugten Stromes von außerhalb des Brennstoffzellenmoduls 1, Messfühleranschlüsse 11 sowie Betriebs ^¬ mittelanschlüsse 13 zur Zu- und Abfuhr von Betriebsmitteln (Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff) zu bzw. von dem Brenn ^¬ stoffzellenmodul 1 auf.

Eine weitere Zwischenplatte 14 begrenzt zusammen mit den Platten 4, 7 den Befeuchtungszellenstapel 6 bzw. den Brenn- stoffzellenstapel 5.

Die Platten 4, 14, 15 weisen eine Anzahl durch die Platten hindurch verlaufender in der Figur 1 nicht gezeigter Betriebsmittelkanäle auf. Die Platten 4, 7 schließen die Brenn- stoffzelleneinheit 2 nach außen ab.

Die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 umfasst Hilfskompo ^¬ nenten für den Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 1, insbe ^¬ sondere Ventile zum Zuschalten und Wegschalten der (externen) Betriebsmittelversorgung, Drucksensoren, Temperatursensoren und/oder Wasserabscheider.

Nicht näher gezeigte Sensoren und Aktoren des Brennstoffzel ^¬ lenmoduls 1 sind über entsprechende Anschlüsse in der An- schlussplatte 9 oder Endplatte 7 und Signal- und Steuerlei ^¬ tungen mit einer übergeordneten Steuerungs- und Regelungseinrichtung verbunden. Beispielhaft sind nur die Messfühleranschlüsse 13 dargestellt. Nicht dargestellt sind etwaige

Stromschienen, die außen entlang der Brennstoffzelleneinheit 2 verlaufen und den von den Brennstoffzellen erzeugten Strom in die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 führen. FIG 2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit mehreren

Brennstoffzellenmodulen 1 gemäß FIG 1. Die Brennstoffzellenmodule 1 sind zur Betriebsmittelversorgung von außerhalb über die Anschlüsse 13 an eine gemeinsame WasserstoffVersorgung 20 und an eine gemeinsame SauerstoffVersorgung 21 angeschlossen. In ähnlicher Weise können sie beispielsweise auch an eine ge ^¬ meinsame StickstoffVersorgung oder Kühlwasserversorgung angeschlossen sein. Eine übergeordnete Steuerungs- und/oder -re- gelungseinrichtung 200 dient zur Steuerung und/oder Regelung sämtlicher Brennstoffzellenmodule 1 und ist hierzu beispiels ^¬ weise mit den Messfühlereingängen 11 (siehe FIG 1) verbunden.

Für eine Austausch einer defekten Brennstoffzelle 5 ^λ eines Brennstoffzellenmoduls 1 muss das gesamte Modul 1 mittels der Anschlüsse 10, 11, 13 von dem Brennstoffzellensystem 100 getrennt und ausgetauscht werden. Hierzu ist ein Abschalten und nachfolgendes Wiedereinschalten des gesamten Brennstoffzel ^¬ lensystems 100 notwendig. Auch für einen Wiedereinbau eines Brennstoffzellenmoduls 1 ist ein Abschalten und nachfolgendes Wiedereinschalten des gesamten Brennstoffzellensystems 100 notwendig .

FIG 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenmodul 1, wobei im Vergleich zu FIG 1 gleiche Komponenten mit den glei- chen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu dem

Brennstoffzellenmodul 1 von FIG 1 umfasst die Verbindungs- Platte 4 eine erste Teilplatte 4a und eine zweite Teilplatte 4b, die voneinander lösbar sind, um die Brennstoffzellenein- heit 2 von der Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 zu tren- nen.

Die Brennstoffzelleneinheit 2 ist hierzu mit der zweiten Teilplatte 4b verbunden und die Stapel 5, 6 sind zwischen der zweiten Teilplatte und der Endplatte 7 angeordnet. Die zweite Teilplatte 4b und die Endplatte 7 sind derart miteinander verspannt, dass sie die Stapel 5, 6 zusammenhalten. Die Be ^¬ triebsmittel-Versorgungseinheit 3 ist mit der ersten Teil ^¬ platte 4a verbunden. Die Brennstoffzelleneinheit kann somit sehr einfach getauscht werden, wobei die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 mit ih ^¬ ren Anschlüssen 10, 13 an dem Brennstoffzellensystem 100 angeschlossen bleiben kann.

Nicht dargestellt sind etwaige Stromschienen, die außen ent ^¬ lang der Brennstoffzelleneinheit 2 verlaufen und den von den Brennstoffzellen 5 ^λ erzeugten Strom in die Betriebsmittel- Versorgungseinheit 3 führen. Diese Stromschienen können bei- spielsweise über Steckverbindungen von Stromschienen in der Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 getrennt bzw. wieder mit diesen verbunden werden.

Nicht dargestellt sind auch Elemente zum lösbaren Verbinden der beiden Teilplatten 4a, 4b sowie eine Dichtung zwischen diesen beiden Teilplatten. Diese können beispielsweise aus Schraubverbindungen bestehen, die am Außenrand der Teilplatten 4a, 4b angeordnet sind. Hierzu notwendige Bohrungen kön ^¬ nen beispielsweise in einem Randbereich der Teilplatten 4a, 4b angeordnet sein, der über einen äußeren Rand der Brennstoffzellen 5 ^λ oder Befeuchtungszellen 6 ^λ übersteht.

Zur einfachen Anbindung von Ver- und Entsorgungskanälen der Brennstoffzellen 5 ^λ und der Befeuchtungszellen 6 ^λ der Brenn- stoffzelleneinheit 2 an die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 verlaufen Betriebsmittelkanäle in nicht näher dargestellter Weise in Stapelrichtung der Zellen 5 ^λ , 6 durch die beiden Teilplatten 4a, 4b hindurch. Das Brennstoffzellenmodul 1 umfasst eine eigene Modulsteue- rungs- und/oder -regelungseinrichtung 30, die lösbar an der Brennstoffzelleneinheit 2 befestigt und über nicht näher dar ^¬ gestellte von der Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 und der Brennstoffzelleneinheit 2 lösbare Steuer- und/oder Signallei- tungen mit darin angeordneten Aktoren bzw. Sensoren verbunden ist. Auch die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 kann somit im Falle eines Defektes leicht ausgetauscht werden. Die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung übernimmt dabei wesentliche Funktionen der übergeordneten Steuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 200 von FIG 2, so dass auf Messfühlerausgänge in der Anschlussplatte 9 verzich ^¬ tet werden kann.

Die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 ist ausgebildet, mittels einer Abschaltprozedur die Brennstoff ^¬ zelleneinheit 2 vor einem Trennen von der Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 in einen sicheren Zustand zu bringen und mittels einer Einschaltprozedur die Brennstoffzelleneinheit 2 nach einem Verbinden mit der Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 wieder in Betrieb zu nehmen.

Das Brennstoffzellenmodul 1 umfasst zur elektrischen Entla- dung der Brennstoffzelleneinheit 2 als Bestandteil der Ab ^¬ schaltprozedur einen zuschaltbaren elektrischen Widerstand 31.

Zur genauen Überwachung der Brennstoffzellen 5 ^λ umfasst das Brennstoffzellenmodul 1 weiterhin eine Zellspannungsüberwa- chungseinrichtung 32, die ebenfalls lösbar an der Brennstoffzelleneinheit 2 befestigt ist und über von der Brennstoff ^¬ zelleneinheit 2 lösbare Signalleitungen mit Brennstoffzellen 5 der Brennstoffzelleneinheit 2 verbunden ist. Die Zellspan- nungsüberwachungseinrichtung 32 kann somit im Falle eines Defektes ebenfalls leicht ausgetauscht werden.

Wie in einer Draufsicht auf die Modulsteuerungs- und/oder - regelungseinrichtung 30 in FIG 5 gezeigt ist, weist diese an ihrer Außenseite ein erstes Bedienelement 41 (z.B. einen Tas ^¬ ter) zum Starten der Abschaltprozedur und ein zweites Bedienelement 42 (z.B. einen Taster) zum Starten der Einschaltprozedur auf. Zusätzlich weist sie ein erstes Anzeigeelement 43 (z.B. eine Signallampe) zur Anzeige eines erfolgreichen Ab- Schlusses der Abschaltprozedur und ein zweites Anzeigeelement 44 (z.B eine Signallampe) zur Anzeige eines erfolgreichen Ab ^¬ schlusses der Einschaltprozedur auf. Eine Person kann somit besonders einfach vor Ort an dem

Brennstoffzellenmodul 1 die Abschaltprozedur oder Einschalt ^¬ prozedur starten und erhält eine Rückmeldung, ab wann sie sicher die Brennstoffzelleneinheit 2 von der Betriebsmittel- Versorgungseinheit 3 trennen kann bzw. dass das Brennstoff ^¬ zellenmodul 1 nach einem Verbinden von Brennstoffzelleneinheit 2 und Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 wieder be ^¬ triebsbereit ist. Das Brennstoffzellenmodul 1 hat für maritime Anwendungen üb ^¬ licherweise eine elektrische Nennleistung von mindestens 5 kW.

Anstatt eines kaskadierten Stapels 5 kann auch ein unkaska- dierter Stapel vorhanden sein.

FIG 4 zeigt das Brennstoffzellenmodul 1 von FIG 3 in einem Zustand, in dem die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3, die Brennstoffzelleneinheit 2, die Modulsteuerungs- und/oder - regelungseinrichtung 30 und die Zellspannungsüberwachungsein- richtung 32 voneinander getrennt sind. Zu sehen sind auch durch die Teilplatten 4a, 4b, verlaufende Betriebsmittelkanä ^¬ le 34. Zwischen den Teilplatten 4a, 4b können sich zur Abdichtung der Betriebsmittelkanäle 34 nicht näher dargestellte Dichtungen befinden. Weiterhin sind schematisch Zuganker 35 zur Verspannung der Teilplatte 4b mit der Endplatte 7 darge ^¬ stellt .

FIG 5 zeigt eine Draufsicht auf die Außenseite der Modul- steuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 mit den Bedienelementen 41, 42 und den Anzeigeelementen 43, 44. Zu sehen sind ferner ein Touchscreen 45 zur Anzeige von Statusinforma ^¬ tionen sowie Steckverbinderanschlüsse 46 zum Anschluss von Steckverbindern für Signal- und Steuerleitungen sowie für ei- ne Buskommunikation zu einer übergeordneten Steuerungsund/oder Regelungseinrichtung. Wie anhand eines Brennstoffzellensystems 100 in FIG 6 darge ^¬ stellt, kann somit bei einem Defekt einer Brennstoffzelle 5 ^λ die Brennstoffzelleneinheit 2 von der Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 getrennt und ausgetauscht werden, wobei die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 weiterhin an das Brenn ^¬ stoffzellensystems 100 angeschlossen bleibt. Dies kann bei laufendem Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 erfolgen. Ein Abschalten und nachfolgendes Neueinschalten des gesamten Brennstoffzellensystems 100 bei einem Austausch einer einzel- nen Brennstoffzelleneinheit 2 ist nicht notwendig.

FIG 7 und 8 zeigen in zwei unterschiedlichen perspektivischen Ansichten ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenmodul 1 im getrennten Zustand in Detaildarstellung. Dabei sind im Ver- gleich zu dem Brennstoffzellenmodul 1 von FIG 3 bis FIG 5 ei ^¬ nander entsprechende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Vereinfachung der Darstellung sind von den Anschlüssen in der Anschlussplatte 9 nur Bohrungen 51 gezeigt. Zu sehen sind zusätzlich entlang der Brennstoffzelleneinheit 2 verlaufende Stromschienen 52, die über Steckkupplungen 50 mit elektrischen Verbindungsleitungen in der Betriebsmittel- Versorgungseinheit 3 verbindbar bzw. von diesen lösbar sind. Die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 weist anstatt separater Bedien- und Anzeigeelemente nun einen

Touchscreen 55 auf. Weiterhin gezeigt sind Zuganker 55 zur Verspannung der Platten 4b und 7, um die Stapel 5 und 6 zusammenzuhalten . Die beiden Teilplatten 4a, 4b können in den durch sie hindurch verlaufenden Betriebsmittelkanälen 34 auch Schnellkupplungen aufweisen.

Weiterhin sind am Außenrand der Teilplatten 4a, 4b angeordne- te Bohrungen 56 für Schraubverbindungen zum lösbaren Verbinden der Brennstoffzelleneinheit 2 mit der Betriebsmittel- Versorgungseinheit 3 gezeigt. Anhand FIG 9 ist ein Verfahrensablauf 60 für eine Trennung einer Brennstoffzelleneinheit 2 von einer Betriebsmittel- Versorgungseinheit 3 veranschaulicht. Der Verfahrensablauf wird anhand der Ausführungsbeispiele von FIG 3 bis 6 erläu- tert.

Das Verfahren startet bei laufendem Betrieb des Brennstoff ^¬ zellensystems 100 in einem Schritt 61 mit einem Abschaltbe ^¬ fehl durch eine Bedienperson mittels des Bedienelements 41, alternativ auch direkt durch die Modulsteuerungs- und/oder - regelungseinrichtung 30 oder die übergeordnete Steuerungs ^¬ und Regelungseinrichtung 200. Dieser Abschaltbefehl wird von der Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 er- fasst .

Durch die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 wird dann automatisch eine Abschaltprozedur gestartet und durchlaufen. Hierzu trennt die Modulsteuerungs- und/oder - regelungseinrichtung 30 zuerst mittels eines Schalters in ei- nem Schritt 62 die Brennstoffzellen 5 ^λ von den Stromanschlüs ^¬ sen 10 (und somit elektrisch von dem Brennstoffzellensystem 100) und schaltet den Brennstoffzellen 5 ^λ des abzuschaltenden Brennstoffzellenmoduls 1 nach einer Abschaltung der

Reaktanten und Handhabung der Betriebsgasräume den

Entladewiderstand 31 zu.

In einem nächsten Schritt 63 führt die Modulsteuerungs ^¬ und/oder -regelungseinrichtung 30 ein Inertisieren der Brennstoffzellen 5 ^λ durch. Dieses Inertisieren umfasst ein (ggf. mehrmaliges) Evakuieren und Auffüllen der Gasräume der Brennstoffzellen mit Stickstoff und/oder Spülen mit Stickstoff, bis die Wasserstoffkonzentration einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet . Anschließend werden in einem Schritt 64 die Kühlmittelräume der Brennstoffzelleneinheit 2 entleert. Einen erfolgreichen Abschluss der Abschlussprozedur signalisiert die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 einer Bedienperson in einem Schritt 65 durch entsprechende Ansteuerung des Anzeigeelements 43.

Danach kann die Bedienperson in einem Schritt 66 die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30, die Brennstoffzelleneinheit 2 und die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 voneinander trennen.

Anhand FIG 10 ist ein Verfahrensablauf 70 für eine Verbindung einer Brennstoffzelleneinheit 2 und einer Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 veranschaulicht. Der Verfahrensablauf wird ebenfalls anhand der Ausführungsbeispiele von FIG 3 bis 6 er- läutert.

Das Verfahren startet bei laufendem Betrieb des Brennstoff ^¬ zellensystems 100 in einem Schritt 71 mit einem mechanischen Verbinden der Brennstoffzelleneinheit 2 und der Betriebsmit- tel-Versorgungseinheit 3 durch eine Bedienperson. Außerdem wird die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 elektrisch und mechanisch mit der Brennstoffzelleneinheit 2 und der Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 verbunden. Anschließend erzeugt die Bedienperson in einem Schritt 72 durch Betätigen des Bedienelements 42 einen Einschaltbefehl. Dieser Einschaltbefehl wird von der Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 erfasst. Durch die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 wird dann automatisch eine Einschaltprozedur gestartet und durchlaufen .

Hierbei wird in einem ersten Schritt 73 der ordnungsgemäße Anschluss von Sensoren und Ventilen an die Modulsteuerungs ^¬ und/oder -regelungseinrichtung 30 geprüft. In einem weiteren Schritt 74 wird eine ordnungsgemäße Verbin ^¬ dung von Stromleitern (z.B. Stromschienen) geprüft, die den von den Brennstoffzellen erzeugten Strom führen. Dann werden in einem Schritt 75 die Kühlmittelräume der

Brennstoffzelleneinheit 2 mit Kühlmittel (z.B. deionisiertem Wasser) befüllt, das dem Brennstoffzellenmodul 1 von extern (z.B. über eine Hilfseinrichtung wie in der noch unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 16163367.2 der An- melderin oder direkt über eine Betriebsmittelversorgung des angeschlossenen Brennstoffzellensystems ) der Betriebsmittel- Versorgungseinheit 3 zugeführt wird. Dies kann auch eine an ^¬ schließende Entlüftung und/oder Entgasung der Kühlmittelräume umfassen .

Danach werden in einem Schritt 76 die Betriebsgasräume der Brennstoffzellen 5 mit Inertgas, Evakuieren und/oder Spülen geeignet vorbereitet, um in einem Schritt 77 eine Druckhalte ^¬ prüfung/Dichtigkeitsprüfung bei unterschiedlichem Befüllungs- grad der Gasräume der Brennstoffzelleneinheit 2 durchzuführen (z.B. über eine Hilfseinrichtung wie in der noch unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 16163367.2 der Anmelderin oder direkt über eine Betriebsmittelversorgung des angeschlossenen Brennstoffzellensystems ) .

Anschließend können in einem Schritt 78 die Reaktanten zuge ^¬ führt und die elektrochemische Reaktion, vorzugsweise anhand der LeerlaufSpannungen, überprüft werden. Hierbei werden in einem Schritt 73 die Kühlmittelräume der

Einen erfolgreichen Abschluss der Einschaltprozedur signalisiert die Modulsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung 30 einer Bedienperson in einem Schritt 79 durch entsprechende Ansteuerung des Anzeigeelements 44.

Danach kann in einem Schritt 80 das Brennstoffzellenmodul 2 dem Brennstoffzellensystem 100 zugeschaltet werden.