AT525484A1 - Fuel cell system for generating electricity in stationary operation - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzellensystem (100) für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem stationären Betrieb, mit wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodulen (10) mit jeweils einem Leistungsmodul (20) mit zumindest zwei Brennstoffzellenstapeln (30) mit jeweils einem Anodenabschnitt (32) und einem Kathodenabschnitt (36), wobei die wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodule (10) jeweils eine Anodenzuführ- Schnittstelle (12) zur Aufteilung und Zuführung von Anodenzuführgas (AZG) zu den Anodenabschnitten (32) der Brennstoffzellenstapel (30), eine Anodenabführ-Schnitt- stelle (14) zum Zusammenführen und Abführen von Anodenabgas (AAG) von den Anodenabschnitten (32) der Brennstoffzellenstapel (30), eine Kathodenzuführ-Schnittstelle (16) zur Aufteilung und Zuführung von Kathodenzuführgas (KZG) zu den Kathodenabschnitten (36) der Brennstoffzellenstapel (30) und eine Kathodenabführ- Schnittstelle (18) zum Zusammenführen und Abführen von Kathodenabgas (KAG) von den Kathodenabschnitten (36) der Brennstoffzellenstapel (30) aufweisen, wobei weiter das Brennstoffzellensystem (100) einen System-Anodenzuführabschnitt (112) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Anodenzuführ-Schnittstellen (12), einen System-Anodenabführabschnitt (114) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Anodenabführ-Schnittstellen (14), einen System-Kathodenzuführabschnitt (116) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Kathodenzuführ-Schnittstellen (16) und einen System-Kathodenabführabschnitt (118) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Kathodenabführ-Schnittstellen (18) aufweist.Fuel cell system (100) for generating electricity in stationary operation, with at least two fuel cell sub-modules (10), each with a power module (20) with at least two fuel cell stacks (30), each with an anode section (32) and a cathode section (36 ), The at least two fuel cell submodules (10) each having an anode feed interface (12) for dividing and feeding anode feed gas (AZG) to the anode sections (32) of the fuel cell stack (30), an anode discharge interface (14) for merging and discharging anode exhaust gas (AAG) from the anode sections (32) of the fuel cell stack (30), a cathode feed interface (16) for dividing and supplying cathode feed gas (KZG) to the cathode sections (36) of the fuel cell stack (30) and a Cathode exhaust interface (18) for merging and exhausting cathode exhaust gas (CAG) from the cathode sections (36) of the fuel cell stacks (30), further the fuel cell system (100) having a system anode supply section (112) in fluid communication with the anode supply interfaces (12), a system anode exhaust section (114) in fluid communication with the anode exhaust interfaces (14), a system cathode exhaust section (116) in fluid communication with the cathode exhaust interfaces (16), and a system cathode exhaust section (118) in having fluid-communicating connection with the cathode discharge interfaces (18).
Description
Brennstoffzellensystem für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem Fuel cell system for generating electricity in one
stationären Betrieb stationary operation
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem stationären Betrieb, ein Brennstoffzellen-Submodul für den Einsatz in einem solchen Brennstoffzellensystem sowie ein Kontrollverfahren für The present invention relates to a fuel cell system for generating electricity in stationary operation, a fuel cell sub-module for use in such a fuel cell system and a control method for
die Kontrolle eines Betriebs eines solchen Brennstoffzellensystems. the control of an operation of such a fuel cell system.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem stationären Betrieb eingesetzt werden können. Dies dient beispielsweise Kleinkraftwerken zum Erzeugen von dezentralen Stromversorgungen für Häuser, Industrieanlagen oder Ähnlichem. Auch können Ladepunkte für Elektrofahrzeuge mit solchen stationären Brennstoffzellensystemen mit elektrischer Energie versorgt It is known that fuel cell systems can be used to generate electricity in stationary operation. This is used, for example, in small power plants to generate decentralized power supplies for houses, industrial plants or the like. Charging points for electric vehicles can also be supplied with electrical energy using such stationary fuel cell systems
werden. become.
Weiter ist es bekannt, dass solche stationären Brennstoffzellensysteme mit hohen elektrischen Leistungen ausgestattet werden sollen. Dies wird üblicherweise dadurch gewährleistet, dass diese Brennstoffzellensysteme aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellenstapel zusammengestellt sind. So sind einzelne Brennstoffzellenstapel mit jeweils einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen beispielsweise im Bereich einer Brennstoffzellenstapelleistung von 5 kW bekannt. Fügt man nun zum Beispiel 10 Brennstoffzellenstapel dieser Maximalleistungsklasse zusammen, so erhält man eine Gesamtleistung von ca. 50 kW für das auf diese Weise kombinierte Brennstoffzellen-It is also known that such stationary fuel cell systems should be equipped with high electrical power. This is usually ensured by the fact that these fuel cell systems are composed of a large number of individual fuel cell stacks. Thus, individual fuel cell stacks, each with a large number of individual fuel cells, are known, for example in the range of a fuel cell stack output of 5 kW. If, for example, 10 fuel cell stacks of this maximum power class are put together, a total power of approx. 50 kW is obtained for the fuel cell stack combined in this way.
system. system.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass solche Brennstoffzellensysteme höchst variabel auf unterschiedliche Betriebssituationen reagieren. Insbesondere führt dies dazu, dass einzelne Brennstoffzellen und/oder einzelne Brennstoffzellenstapel innerhalb eines solchen Brennstoffzellensystems unterschiedlich schnell altern. Die Alterung bezieht sich dabei insbesondere auf reversible und/oder irreversible Schäden, wie beispielsweise die Degradation von Zellschichten (sind beispielsweise als Elektrolyt ausgebildet) innerhalb der Brennstoffzellen. Bei bekannten Brennstoffzellen führt dies dazu, dass die am meisten vorangeschrittene Schädigung einer Brennstoffzelle als schwächtes Glied in einem solchen Brennstoffzellensystem A disadvantage of the known solutions is that such fuel cell systems react in a highly variable manner to different operating situations. In particular, this means that individual fuel cells and/or individual fuel cell stacks within such a fuel cell system age at different rates. Aging relates in particular to reversible and/or irreversible damage, such as, for example, the degradation of cell layers (which are designed, for example, as electrolytes) within the fuel cells. In known fuel cells, this leads to the most advanced damage to a fuel cell being the weak link in such a fuel cell system
den aktuellen Alterungszustand und die maximale Leistungsabgabe für dieses the current aging condition and the maximum power output for this
sches. she.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung in kostengünstiger und einfacher Weise die Lebensdauer, die Betriebsstunden und/oder die Wartungsfreundlichkeit eines Brennstoffzellensystems zu ver-It is the object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention to reduce the service life, the operating hours and/or the ease of maintenance of a fuel cell system in a cost-effective and simple manner.
bessern. mend
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellen-Submodul mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Submodul sowie einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungs-The above object is achieved by a fuel cell system having the features of claim 1, a fuel cell submodule having the features of claim 12 and a control method having the features of claim 13. Further features and details of the invention result from the dependent claims and the description and the drawings. Features and details that are described in connection with a fuel cell system according to the invention also apply, of course, in connection with a fuel cell submodule according to the invention and a control method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual invention
aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. aspects are or can always be mutually referred to.
Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem stationären Betrieb. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodule mit jeweils einem Leistungsmodul mit zumindest zwei Brennstoffzellenstapeln mit jeweils einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt aufweist. Die wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodule sind jeweils mit einer AnodenzuführSchnittstelle zur Aufteilung und Zuführung von Anodenzuführgas zu den Anodenabschnitten der Brennstoffzellenstapel ausgestattet. Weiter weisen die Brennstoffzellen-Submodule eine Anodenabführ-Schnittstelle zum Zusammenführen und Abführen According to the invention, a fuel cell system is proposed for generating electrical power in stationary operation. Such a fuel cell system is characterized in that it has at least two fuel cell sub-modules, each with a power module with at least two fuel cell stacks, each with an anode section and a cathode section. The at least two fuel cell sub-modules are each equipped with an anode feed interface for splitting and delivering anode feed gas to the anode sections of the fuel cell stacks. Furthermore, the fuel cell sub-modules have an anode discharge interface for merging and discharge
von Anodenabgas von den Anodenabschnitten der Brennstoffzellenstapel auf. of anode exhaust from the anode sections of the fuel cell stacks.
Verbindung mit dem Kathoden-Abführschnittstellen ausgestattet. Connection equipped with the cathode discharge interfaces.
Das Brennstoffzellensystem umfasst also mehrere Brennstoffzellen-Submodule mit jeweils einem Leistungsmodul, wobei jedes Leistungsmodul zumindest zwei Brenn-The fuel cell system thus comprises a plurality of fuel cell sub-modules, each with a power module, with each power module having at least two combustion
stoffzellenstapel aufweist. material cell stack has.
Ein erfindungsgemäßer Kerngedanke basiert auf dem modularen Aufbau eines solchen Brennstoffzellensystems. Ähnlich den bekannten Lösungen wird zur Erzielung einer hohen Abgabeleistung von elektrischem Strom für ein solches Brennstoffzellensystem eine Kombination mehrerer Leistungsmodule mit jeweils zumindest zwei einzelnen Brennstoffzellenstapeln durchgeführt. Besonders bevorzugt umfasst jedes Leistungsmodul drei oder mehr einzelne Brennstoffzellenstapel. Die einzelnen Leistungsmodule sind jedoch erfindungsgemäß modular aufgebaut und vorzugsweise, wie dies später noch erläutert wird, alle identisch oder im Wesentlichen identisch. Jedes dieser Leistungsmodule ist als Brennstoffzellen-Submodul ausgebildet, sodass hier dieses Leistungsmodul als Brennstoffzellen-Submodul ein Einzelmodul darstellt, welches beliebig häufig in Kombination unterschiedlich große Brennstoffzellensysteme ausbilden kann. Jedes dieser Brennstoffzellen-Submodule ist mit vorzugsweise genau einem Leistungsmodul ausgestattet, welches eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellenstapeln, insbesondere zwei, drei oder mehr Brennstoffzellenstapel aufweist. Die Leitung für die fluidkommunizierende Verbindung zwischen Anodenabschnitten und Kathodenabschnitten ist ebenfalls Teil dieser Brennstoffzellen-Submodule, sodass ein Anschluss in einfacher und kostengünstiger Weise möglich wird. A core idea according to the invention is based on the modular structure of such a fuel cell system. Similar to the known solutions, a combination of several power modules, each with at least two individual fuel cell stacks, is used to achieve a high output power of electrical current for such a fuel cell system. More preferably, each power module includes three or more individual fuel cell stacks. However, according to the invention, the individual power modules have a modular structure and, as will be explained later, are all identical or essentially identical. Each of these power modules is designed as a fuel cell sub-module, so that this power module is a single module as a fuel cell sub-module, which can form fuel cell systems of different sizes in any combination as often as desired. Each of these fuel cell submodules is preferably equipped with precisely one power module, which has a large number of individual fuel cell stacks, in particular two, three or more fuel cell stacks. The line for the fluid-communicating connection between anode sections and cathode sections is also part of these fuel cell submodules, so that connection is possible in a simple and cost-effective manner.
Insbesondere beruht dies darauf, dass die einzelnen Brennstoffzellen-Submodule die In particular, this is based on the fact that the individual fuel cell sub-modules
und/oder das Kathodenabgas kombiniert wird. and/or the cathode exhaust gas is combined.
Mit anderen Worten werden nun im Wesentlichen zwei Hauptvorteile durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung erreicht. Zum einen wird es möglich, durch beliebige Kombinationen von Brennstoffzellen-Submodule eine beliebig große Abgabeleistung für ein Brennstoffzellensystem in kostengünstiger und einfacher Weise modular zusammenzustellen. Auch die Montage eines solchen Brennstoffzellensystems ist sehr einfach gewährleistet, da die Hauptverrohrung innerhalb der Brennstoffzellen-Submodule integral in das jeweilige Leistungsmodul bereits in der Vormontage bei der Produktion der Brennstoffzellen-Submodule und bei der elektrischen Kontaktierung In other words, essentially two main advantages are now achieved by an embodiment according to the invention. On the one hand, it is possible to use any combination of fuel cell submodules to put together an arbitrarily large output power for a fuel cell system in a modular manner in a cost-effective and simple manner. The assembly of such a fuel cell system is also guaranteed to be very simple, since the main piping within the fuel cell submodules is integrated into the respective power module during preassembly during the production of the fuel cell submodules and during the electrical contacting
und/oder Serienschaltung der einzelnen Brennstoffzellenstapel erfolgt ist. and/or the individual fuel cell stacks are connected in series.
Neben dieser einfachen Zusammenstellung und im Wesentlichen beliebigen Skalierbarkeit bei dem modularen Zusammensetzen eines solchen Brennstoffzellensystems ist auch eine erhöhte Wartungsfreundlichkeit gegeben. Dadurch, dass nun ein modularer Aufbau des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist, kann auch ein Austausch einzelner dieser Brennstoffzellen-Submodule besonders einfach erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, beim Erkennen einer Degradation oder eines Defekts in einem Brennstoffzellen-Submodul oder in einem Brennstoffzellenstapel innerhalb eines Leistungsmoduls innerhalb eines Brennstoffzellen-Submoduls, dieses Brennstoffzellen-Submodul herunterzufahren, auszuschalten und vollständig auszutauschen. Insbesondere dann, wenn, wie dies später noch erläutert wird, entsprechende Ventilvorrichtungen vorgesehen sind, kann dies sogar im laufenden Betrieb geschehen. So ist es auf diese Weise möglich, Wartungsarbeiten bis hin zum vollständigen Austausch eines Brennstoffzellen-Submoduls im laufenden Betrieb, also während einer andauernden Produktion von elektrischem Strom, am Brennstoffzellensystem, durchzufüh-In addition to this simple assembly and essentially any scalability in the case of the modular assembly of such a fuel cell system, there is also increased ease of maintenance. Because the fuel cell system now has a modular structure, it is also particularly easy to replace individual fuel cell submodules. It is thus possible, for example, when degradation or a defect is detected in a fuel cell submodule or in a fuel cell stack within a power module within a fuel cell submodule, to shut down, switch off and completely replace this fuel cell submodule. In particular when, as will be explained later, appropriate valve devices are provided, this can even be done during operation. In this way it is possible to carry out maintenance work up to the complete replacement of a fuel cell submodule during operation, i.e. during a continuous production of electricity on the fuel cell system.
ren. ren.
auszögern. procrastinate
Wie aus den voranstehenden Erläuterungen ersichtlich wird, wird durch die modulare Konstruktion und den entsprechenden zusammengesetzten Aufbau des Brennstoffzellensystems aus einzelnen Brennstoffzellen-Submodulen neben einem deutlichen Vorteil bei der Fertigung und bei der Montage auch für die Betriebsweise und für As can be seen from the above explanations, the modular design and the corresponding composite structure of the fuel cell system from individual fuel cell sub-modules not only provide a clear advantage in production and assembly, but also for the mode of operation and for
Wartungsarbeiten ein oder mehrere entscheidende Vorteile erzielbar. Maintenance work one or more decisive advantages can be achieved.
Die voranstehende Beschreibung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem für den Betrieb bei der Erzeugung von elektrischem Strom. Selbstverständlich kann der gleiche modulare Aufbau in gleicher Weise auch für ein Brennstoffzellensystem verwendet werden, welches im Elektrolysebetrieb unter dem Verbrauch von elektrischem Strom betrieben wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem Brennstoffzellensystem im Stromerzeugungsbetrieb vorzugsweise um ein SOFC-Brennstoffzellensystem und im The foregoing description relates to a fuel cell system for operation in the generation of electric power. Of course, the same modular structure can also be used in the same way for a fuel cell system which is operated in electrolysis mode using electricity. The fuel cell system in power generation mode is preferably an SOFC fuel cell system and in
Wasserstofferzeugungsbetrieb vorzugsweise um ein SOEC-System. Hydrogen production operation preferably around a SOEC system.
module. modules.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Brennstoffzellen-Submodule für jeden Brennstoffzellenstapel einen separaten Anodenzuführabschnitt in fluudkommunizierender Verbindung mit der Anodenzuführ-Schnittstelle, einen separaten Anodenabführabschnitt in fluidkommunizierender Verbindung mit der Anodenabführ-Schnittstelle, einen separaten Kathodenzuführabschnitt in fluidkommunizierender Verbindung mit der Kathodenzuführ-Schnittstelle und/oder einen separaten Kathodenabführabschnitt in fluidkommunizierender Verbindung mit der Kathodenabführ-Schnittstelle aufweist. Solche Anodenzuführabschnitte, Anodenabführabschnitte, Kathodenzuführabschnitte und/oder Kathodenabführabschnitte bilden also interne Leitungen des jeweiligen Brennstoffzellen-Submoduls aus. Sie können auch als modulinterne Verrohrung oder Leitungsanordnung verstanden werden, welche bei der Herstellung und Produktion jedes BrennstoffzellenSubmoduls bereits eingebracht wird. Eine solche Verrohrung liegt also bereits vor, wenn eine Montage bei der Kombination mehrerer Brennstoffzellen-Submodule zu einem gemeinsamen Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig wird. Die bereits erläuterten Vorteile bei der Montage werden auf diese Weise noch weiter verstärkt. Insbesondere ist auch eine einheitliche Konfiguration der Brennstoffzellen-Submodule bei der Fertigung vorgegeben, sodass hier Skaleneffekte und entsprechende Kostenreduktionen erzielbar werden. Durch die vorgegebene und bereits ausgeführte Leitungsanordnung innerhalb der BrennstoffzellenSubmodule wird darüber hinaus die Endmontage das Fehlerrisiko bei der Verrohrung There can be advantages if, in a fuel cell system according to the invention, the fuel cell submodules for each fuel cell stack have a separate anode feed section in fluid communication with the anode feed interface, a separate anode discharge section in fluid communication with the anode discharge interface, a separate cathode feed section in fluid communication with the cathode feed interface and/or a separate cathode discharge section in fluid communication with the cathode discharge interface. Such anode feed sections, anode discharge sections, cathode feed sections and/or cathode discharge sections therefore form internal lines of the respective fuel cell submodule. They can also be understood as internal module tubing or line arrangement, which is already introduced during the manufacture and production of each fuel cell submodule. Such piping is therefore already present when assembly becomes necessary when combining a plurality of fuel cell submodules to form a common fuel cell system according to the present invention. The assembly advantages already explained are further enhanced in this way. In particular, a uniform configuration of the fuel cell submodules during production is also specified, so that economies of scale and corresponding cost reductions can be achieved here. Due to the specified and already implemented line arrangement within the fuel cell sub-modules, the final assembly also increases the risk of errors in the piping
und bei der Herstellung und Ausbildung fluidkommunizierender Verbindungen and in the making and forming of fluid-communicating connections
zusammengesetzten Brennstoffzellensystems zugutekommt. composite fuel cell system benefits.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Anodenzuführabschnitte, die Anodenabführabschnitte, die Kathodenzuführabschnitte und/oder die Kathodenabführabschnitte quantitativ kontrollierbare Ventilvorrichtungen aufweisen, für eine quantitative Variation der Fluidströmung. Dies erlaubt es, unterschiedliche Volumenströme des jeweiligen Gasmediums in dem jeweiligen Fluidabschnitt einzustellen. Wie bereits erläutert worden ist, kann es je nach Fluidsituation und Strömungsverhältnissen im jeweiligen Abschnitt zu Ungleichheiten in dem Strömungsverhältnis kommen. Dies führt beispielsweise dazu, dass einzelne Brennstoffzellenstapel mit einzelnen zugeführten Medien stärker versorgt werden als andere. Je nach Betriebsweise und Temperatur oder Drucksituation in dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel kann dies zu unterschiedlich starken Alterungseffekten führen. In jenem Fall werden unterschiedliche Betriebssituationen über einen gewissen Zeitraum jedoch zu unterschiedlichen Effekten an unterschiedlichen Brennstoffzellenstapeln führen, sodass in Summe ein chemisches und auch physikalisches Ungleichgewicht in dem jeweiligen Brennstoffzellensystem entsteht. Durch das Vorsehen von quantitativ kontrollierbaren Ventilvorrichtungen kann nun aktiv Einfluss genommen werden, um in kontrollierter Weise solche Ungleichheiten zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Beispielsweise können in den Anodenzuführabschnitten, in den Anodenabführabschnitten, in den Kathodenzuführabschnitten und/oder in den Kathodenabführabschnitten Durchflussmessgeräte vorgesehen sein, welche in der Lage sind, die aktuelle Durchflussmenge mit Sollwerten für diese Durchflussmenge zu vergleichen. Somit kann aktiv bei einer zu niedrigen Durchflussmenge die entsprechende Durchflussmenge erhöht oder umgekehrt bei einer zu großen Durchflussmenge in dem jeweiligen Abschnitt die Durchflussmenge reduziert werden. Ein Ausgleichen und damit auch ein Angleichen der gewünschten Durchflussmengen über die einzelnen Brennstoffzellenstapel und über die einzelnen There are also advantages if, in a fuel cell system according to the invention, the anode feed sections, the anode discharge sections, the cathode feed sections and/or the cathode discharge sections have quantitatively controllable valve devices for quantitative variation of the fluid flow. This makes it possible to set different volume flows of the respective gas medium in the respective fluid section. As has already been explained, depending on the fluid situation and flow conditions in the respective section, there may be inequalities in the flow ratio. This means, for example, that individual fuel cell stacks are supplied with individual media to a greater extent than others. Depending on the mode of operation and the temperature or pressure situation in the respective fuel cell stack, this can lead to aging effects of varying severity. In that case, however, different operating situations will lead to different effects on different fuel cell stacks over a certain period of time, resulting in a chemical and also physical imbalance in the respective fuel cell system. By providing quantitatively controllable valve devices, active influence can now be exerted in order to avoid or at least reduce such inequalities in a controlled manner. For example, flow meters can be provided in the anode feed sections, in the anode discharge sections, in the cathode feed sections and/or in the cathode discharge sections, which are able to compare the current flow rate with target values for this flow rate. Thus, when the flow rate is too low, the corresponding flow rate can be actively increased or, conversely, the flow rate can be reduced if the flow rate in the respective section is too high. A balancing and thus also an adjustment of the desired flow rates over the individual fuel cell stacks and over the individual
Brennstoffzellen-Submodule hinweg ist auf diese Weise möglich. Durch bei fuel cell submodules is possible in this way. through at
bekannten Lösungen entstehende Ungleichgewichte in den Volumenströmen resul-known solutions resulting imbalances in the volume flows result
tierende unterschiedliche Schädigungseffekte werden auf dieses Weise wirkungsvoll animal different damage effects become effective in this way
vermieden oder zumindest reduziert. Es ist also ein aktives Ausgleichen von Degra-avoided or at least reduced. It is therefore an active compensation of degradation
dation stärkenden Ungleichgewichten möglich. dation strengthening imbalances possible.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Anodenzuführabschnitte, die Anodenabführabschnitte, die Kathodenzuführabschnitte und/oder die Kathodenabführabschnitte eines Leistungsmoduls eines Brennstoffzellen-Submoduls gleich lang oder im Wesentlichen gleich lang sind. Dies führt zum einem zu dem Nachteil einer verlängerten Leitungslänge innerhalb der Brennstoffzellen-Submodule auf der anderen Seite jedoch dazu, dass die fluiddynamischen Prozesse in jeder dieser Fluidleitungen identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Insbesondere führt dies dazu, dass beim Start und/oder beim Stopp des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels alle einzelnen Brennstoffzellenstapel zum gleichen oder im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt mit dem zugehörigen Medium versorgt beziehungsweise die Versorgung mit dem zugehörigen Medium gestoppt wird. Eine solche vereinheitlichte Strömung erleichtert nicht nur die Konstruktion, sondern auch die Kontrolle für ein Brennstoffzellensystem gemäß der It is also advantageous if the anode feed sections, the anode discharge sections, the cathode feed sections and/or the cathode discharge sections of a power module of a fuel cell submodule are of the same length or essentially the same length in a fuel cell system according to the invention. On the one hand, this leads to the disadvantage of an extended line length within the fuel cell submodules, but on the other hand to the fact that the fluid-dynamic processes in each of these fluid lines are configured identically or substantially identically. In particular, when the operation of a fuel cell stack is started and/or stopped, all individual fuel cell stacks are supplied with the associated medium at the same or essentially the same time, or the supply with the associated medium is stopped. Such unified flow facilitates not only construction but also control for a fuel cell system according to US Pat
vorliegenden Erfindung. present invention.
Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der System-Anodenzuführabschnitt, der System-Anodenabführabschnitt, der System-Kathodenzuführabschnitt und/oder der System-Kathodenabführabschnitt eine System-Ventilvorrichtung aufweist, für ein Sperren und ein Freigeben der fluidkommunizierenden Verbindung. Eine solche System-Ventilvorrichtung ist also zumindest qualitativ ausgebildet zwischen einem geöffneten und einem vollständig geschlossenen Zustand. Selbstverständlich kann jedoch auch hier eine quantitative Ausgestaltung und Kontrollierbarkeit einer solchen System-Ventilvorrichtung gegeben sein, um übergeordnete Ungleichheiten zwischen den einzelnen Brennstoffzellen-Submodulen ausgleichen zu können, wie dies im voranstehenden Absatz erläutert worden ist. Das qualitative vollständige Abschalten eines einzelnen Brennstoffzellen-Submoduls vom restlichen Brennstoffzellensystem erleichtert die Wartung eines solchen Brennstoffzellensystems weiter. So kann beispielsweise ein fortdauernder Weiterbetrieb der verbleibenden restlichen Brennstoffzellen-Submodule eine It can also be advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the system anode feed section, the system anode discharge section, the system cathode feed section and/or the system cathode discharge section has a system valve device for blocking and releasing the fluid-communicating connection. Such a system valve device is therefore at least qualitatively designed between an open and a fully closed state. Of course, a quantitative configuration and controllability of such a system valve device can also be given here, in order to be able to compensate for overriding inequalities between the individual fuel cell submodules, as has been explained in the previous paragraph. The qualitative complete disconnection of an individual fuel cell submodule from the rest of the fuel cell system further facilitates the maintenance of such a fuel cell system. For example, continued operation of the remaining remaining fuel cell submodules
kontinuierliche Energieversorgung mit elektrischem Strom gewährleisten, auch ensure continuous energy supply with electric power, too
oder einzelner Brennstoffzellenstapel innerhalb des Leistungsmoduls möglich. or individual fuel cell stacks within the power module.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodule identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Darunter ist zu verstehen, dass die einzelnen Brennstoffzellen-Submodule insbesondere hinsichtlich ihres Aufbaus, aber vor allem hinsichtlich ihrer einzelnen Schnittstellen ausgebildet sind, sodass sie im Wesentlichen beliebig kombinierbar im Brennstoffzellensystem eingesetzt werden können. Vorzugsweise sind alle Brennstoffzellen-Submodule auch mit identischen oder im Wesentlichen identischen Nennleistungen ausgestattet, sodass die entsprechende Anzahl an Brennstoffzellen-Submodulen einer Vervielfältigung der Einzelleistung zum Zusammensetzen einer gewünschten Maximalleistung des gesamten Brennstoffzellensystems führt. Neben einer vereinfachten Herstellung, reduzierten Gesamtkosten für das Brennstoffzellensystem und entsprechender Vereinfachung der Montage ist auch eine vereinfachte Kontrollfunktonalität bei einer solchen Konfiguration It also has advantages if the at least two fuel cell submodules in a fuel cell system according to the invention are of identical or essentially identical design. This means that the individual fuel cell submodules are designed in particular with regard to their structure, but above all with regard to their individual interfaces, so that they can essentially be used in any combination in the fuel cell system. Preferably, all fuel cell sub-modules are also equipped with identical or essentially identical rated powers, so that the corresponding number of fuel cell sub-modules of a multiplication of the individual power leads to the combination of a desired maximum power of the entire fuel cell system. In addition to simplified production, reduced overall costs for the fuel cell system and a corresponding simplification of assembly, there is also a simplified control functionality in such a configuration
des Brennstoffzellensystems gegeben. of the fuel cell system.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wenigstens eine gemeinsame Gasbehandlungsvorrichtung für eine Behandlung von Anodenzuführgas, Anodenabgas, Kathodenzuführgas und/oder Ka-Further advantages can be achieved if, in a fuel cell system according to the invention, at least one common gas treatment device is used for treating anode feed gas, anode exhaust gas, cathode feed gas and/or cathode
thodenabgas vorgesehen ist, insbesondere eine der folgenden: - Reformervorrichtung, - Rezirkulationsvorrichtung, - Katalysatorvorrichtung, - Wärmetauschervorrichtung. thodenabgas is provided, in particular one of the following: - reformer device, - recirculation device, - catalyst device, - heat exchanger device.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende The list above is not exhaustive
Liste. Eine Reformervorrichtung dient dazu, das zugeführte Medium, insbesondere List. A reformer device is used, the supplied medium, in particular
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tert. third
Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Brennstoffzellen-Submodule eine thermische Submodul-Isolierung und/oder die Brennstoffzellenstapel der Leistungsmodule eine thermische Stapelisolierung-Isolierung aufweisen. In beiden Fällen handelt es sich um thermische Isolierungen, also um das Vermeiden von Temperaturschwankungen im innenliegenden Abschnitt. So ist es möglich, dass die einzelnen Brennstoffzellen-Submodule gegeneinander eine thermisch isolierende Submodul-Isolierung aufweisen, um entsprechende Ungleichgewichte von Temperaturen vermeiden zu können. Auch ein Temperaturaustausch zwischen benachbarten Brennstoffzellenstapeln innerhalb des Leistungsmoduls kann auf diese Weise vermieden werden. Die einzelnen Isolierungen dienen also insbesondere einer passiven Ausgleichsmöglichkeit für unerwünschte Temperaturschwankungen zwischen Brennstoffzellen-Submodulen und/o-There are further advantages if, in a fuel cell system according to the invention, the fuel cell submodules have thermal submodule insulation and/or the fuel cell stacks of the power modules have thermal stack insulation. In both cases, it is a question of thermal insulation, i.e. avoiding temperature fluctuations in the internal section. It is thus possible for the individual fuel cell submodules to have thermally insulating submodule insulation from one another in order to be able to avoid corresponding temperature imbalances. A temperature exchange between adjacent fuel cell stacks within the power module can also be avoided in this way. The individual insulations are therefore used in particular as a passive compensation option for undesirable temperature fluctuations between fuel cell sub-modules and/or
der Brennstoffzellenstapeln. of the fuel cell stack.
Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Brennstoffzellen-Submodule separate Submodul-Temperiervorrichtungen aufweisen, für ein Temperieren der Brennstoffzellen-Submodule und/oder der Brennstoffzellenstapel. Dabei kann es sich zum Beispiel um Temperierkreisläufe, insbesondere Kühlkreisläufe handeln, welche in der Lage sind, aktiv Einfluss zu nehmen auf die einzelnen Temperaturen. Dies dient insbesondere dazu, zu It can also bring advantages if, in a fuel cell system according to the invention, the fuel cell submodules have separate submodule temperature control devices for temperature control of the fuel cell submodules and/or the fuel cell stack. This can be, for example, temperature control circuits, in particular cooling circuits, which are able to actively influence the individual temperatures. This serves in particular to
hohe Temperaturen in einzelnen Brennstoffzellenstapeln oder einzelnen high temperatures in individual fuel cell stacks or individual
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Brennstoffzellen-Submodulen zu reduzieren und auf diese Weise die erläuterte An-To reduce fuel cell sub-modules and in this way the explained An-
gleichungsfunktionalität über das gesamte Brennstoffzellensystem hinweg zu ge-equation functionality across the entire fuel cell system.
währleisten. ensure.
Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Brennstoffzellen-Submodule nebeneinander angeordnet sind und/oder die Brennstoffzellenstapel in dem Leistungsmodul horizontal und/oder vertikal gestapelt sind. Darunter kann insbesondere eine kompakte Anordnung verstanden werden, welche zusätzlich mit einer erleichterten Zugänglichkeit für die ebenfalls bereits erläuterten Wartungsarbeiten einhergeht. Beispielsweise können beliebige Formen für die Anordnung kombiniert werden. So sind Parallelanordnungen, sternförmige Anordnungen, zylindrische und/oder kreisförmige Anordnungen oder Dreieckanordnungen It is also advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the fuel cell submodules are arranged next to one another and/or the fuel cell stacks are stacked horizontally and/or vertically in the power module. This can be understood in particular as a compact arrangement, which is also accompanied by easier accessibility for the maintenance work that has also already been explained. For example, any shapes can be combined for the arrangement. Such are parallel arrangements, star-shaped arrangements, cylindrical and/or circular arrangements or triangular arrangements
sowie Kombinationen derselben im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. and combinations thereof are conceivable within the scope of the present invention.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der System-Anodenzuführabschnitt und/oder der System-Kathodenzuführabschnitt eine Sternverteilvorrichtung und/oder der System-Anodenabführabschnitt und/oder der System-Kathodenabführabschnitt eine Sternsammelvorrichtung aufweist. Bei entsprechend sternförmiger, kreisförmiger oder ähnlicher zentralisiert ausgerichteter Anordnung für die einzelnen Brennstoffzellen-Submodule kann eine Sternverteilvorrichtung eine zentrale Verteilung der entsprechenden Medien und/oder eine Sternsammelvorrichtung eine zentrale Sammelfunktionalität für die entsprechenden Medien zur Verfügung stellen. Dies erlaubt eine weitere Kompaktierung der Gesamtabmessung eines solchen Brennstoffzellensystems sowie eine erweiterte er-It is also advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the system anode feed section and/or the system cathode feed section has a star distribution device and/or the system anode discharge section and/or the system cathode discharge section has a star collection device. With a star-shaped, circular or similar centralized arrangement for the individual fuel cell submodules, a star distribution device can provide central distribution of the relevant media and/or a star collection device can provide a central collection functionality for the relevant media. This allows further compacting of the overall dimensions of such a fuel cell system and an expanded
leichterte Kontrollierbarkeit. easier controllability.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellen-Submodul für den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein solches Brennstoffzellen-Submodul weist ein Leistungsmodul mit einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellenstapel mit jeweils einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Weiter ist eine Anodenzuführ-Schnittstelle zur Aufteilung und Zuführung von Anodenzuführgas zu den Anodenabschnitten der Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Eine Anodenabführ-Schnittstelle dient dem Zusammenführen und Abführen von Anodenabgas von den Anodenabschnitten des Brennstoffzellensta-The present invention also relates to a fuel cell sub-module for use in a fuel cell system according to the present invention. Such a fuel cell submodule has a power module with a multiplicity of individual fuel cell stacks, each with an anode section and a cathode section. An anode feed interface is also provided for dividing and delivering anode feed gas to the anode sections of the fuel cell stacks. An anode discharge interface is used to combine and discharge anode off-gas from the anode sections of the fuel cell stack.
pels. Das Brennstoffzellen-Submodul ist weiter mit einer Kathodenzuführ-fur. The fuel cell submodule is further equipped with a cathode feed
ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem bereits erläutert wurden. a fuel cell system according to the invention have already been explained.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle eines Betriebs eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, aufwei-Also the subject of the present invention is a control method for controlling an operation of a fuel cell system according to the invention, on
send die folgenden Schritte: send the following steps:
- Überwachen der Volumenströme an Anodenzuführgas, Anodenabführgas, Kathodenzuführgas und/oder Kathodenabführgas an den Brennstoffzellen-- Monitoring the volume flows of anode feed gas, anode exhaust gas, cathode feed gas and/or cathode exhaust gas at the fuel cell
stapeln der Leistungsmodule der Brennstoffzellen-Submodule, stacking the power modules of the fuel cell submodules,
- Erkennen von Ungleichheiten der überwachten Volumenströme zwischen - Detection of inequalities in the monitored flow rates between
den Brennstoffzellenstapeln und/oder Brennstoffzellen-Submodulen, the fuel cell stacks and/or fuel cell sub-modules,
- Verändern wenigstens eines der überwachten Volumenströme zum we-- Change at least one of the monitored volume flows to the
nigstens teilweisen Ausgleichen der erkannten Ungleichheit. at least partial compensation of the recognized inequality.
Diese Betriebsweise in Form eines Kontrollverfahrens ist nur durch den modularen Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems möglich und erlaubt es, durch ansonsten entstehende unterschiedliche Degradationen und Alterungseffekte durch solche Ungleichheiten diese zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Vorteilhafterweise wird also der Betrieb der einzelnen Brennstoffzellenstapel so angeglichen, dass sie sich alle über die Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems jeweils im möglichst gleichen oder ähnlichen Betriebszustand oder Alterungszustand befinden, sodass das gesamte Brennstoffzellensystem eine identische oder im Wesentlichen identische Leistung zur Verfügung stellen kann. Besonders bevorzugt wird auf diese Weise das Ausbilden von schwachen Brennstoffzellenstapeln vermieden, welche die Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems entsprechend reduzieren wür-This mode of operation in the form of a control method is only possible through the modular design of a fuel cell system according to the invention and allows the different degradation and aging effects that would otherwise occur due to such inequalities to be avoided or at least reduced. The operation of the individual fuel cell stacks is advantageously adjusted in such a way that they are all in the same or similar operating state or aging state over the operating period of the fuel cell system, so that the entire fuel cell system can provide identical or essentially identical power. The formation of weak fuel cell stacks, which would correspondingly reduce the overall performance of the fuel cell system, is particularly preferably avoided in this way.
den. Die Veränderung der überwachten Volumenströme kann von einem einfachen the. The change in the monitored volume flows can be a simple one
Ein- und Ausschalten einzelner Brennstoffzellenstapel, einem quantitativen Varlieren Switching on and off individual fuel cell stacks, a quantitative variation
von Volumenströmen bis hin zum kompletten Austausch und vorherigen Abtrennen from volume flows to complete replacement and previous disconnection
eines Brennstoffzellen-Submoduls führen. of a fuel cell submodule.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren zusätzlich wenigstens zwei Temperaturen von zwei Brennstoffzellen-Submodulen und/oder von zwei Brennstoffzellenstapeln eines Leistungsmoduls eines Brennstoffzellen-Submoduls erfasst werden. Neben einem Ausgleich von Ungleichgewichten der einzelnen Volumenströme können auf diese Weise auch Temperaturungleichheiten erfasst und dem Ausgleichssystem zugrunde gelegt werden. Dies kann durch passives Ausgleichen durch entsprechende Isoliermittel, aber insbesondere durch aktives Ausgleichen des Temperierens stattfinden. Auch veränderte Volumenströme, welche durch den Durchlauf der einzelnen Bauteile des Brennstoffzellensystems auch als Wärmeträgermedium verstanden werden können, können zum aktiven It is also advantageous if at least two temperatures of two fuel cell submodules and/or of two fuel cell stacks of a power module of a fuel cell submodule are additionally recorded in a control method according to the invention. In addition to compensating for imbalances in the individual volume flows, temperature inequalities can also be recorded in this way and used as a basis for the compensation system. This can take place through passive equalization through appropriate insulating means, but in particular through active equalization of the tempering. Changed volume flows, which can also be understood as a heat transfer medium due to the passage of the individual components of the fuel cell system, can also be actively used
Temperieren der einzelnen Bauteile verwendet werden. Temperature control of the individual components are used.
Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren bei einer erkannten und nicht ausgleichbaren Ungleichheit und/oder bei erkanntem Defekt eines Brennstoffzellen-Submoduls und/oder eines Brennstoffzellenstapels in einem Leistungsmodul eines Brennstoffzellen-Submoduls ein Austausch des betreffenden Brennstoffzellen-Submoduls erfolgt. Wie bereits erläutert worden ist, können Ungleichheiten beim Betrieb des Brennstoffzellensystems zu stark unterschiedlichen Alterungseffekten und insbesondere zu einem Einbrechen der Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems führen. Somit kann bei erkanntem Defekt, welcher nicht in ausgleichendem Eingriff, gemäß der voranstehenden Absätze, behoben werden kann, ein komplettes Austauschen des betreffenden Brennstoffzellen-Submoduls erfolgen. Bevorzugt ist dies kombiniert mit einem vorherigen Abtrennen dieses auszutauschenden Brennstoffzellen-Submoduls mithilfe der System-Ven-It can also be advantageous if, in a control method according to the invention, if an inequality is detected and cannot be compensated for and/or if a defect is detected in a fuel cell submodule and/or a fuel cell stack in a power module of a fuel cell submodule, the relevant fuel cell submodule is replaced. As has already been explained, inequalities in the operation of the fuel cell system can lead to very different aging effects and in particular to a drop in the output power of the fuel cell system. Thus, if a defect is detected that cannot be remedied by compensating intervention according to the previous paragraphs, the relevant fuel cell submodule can be completely replaced. This is preferably combined with a previous disconnection of this fuel cell submodule to be replaced using the system valve
tilvorrichtung. tiling device.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. It show schematic
tisch: table:
14 Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Submoduls, Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-14 Fig. 1 an embodiment of a fuel cell sub-module according to the invention, Fig. 2 a further embodiment of a fuel cell according to the invention
stoffzellen-Submoduls, fabric cell submodule,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-Fig. 3 another embodiment of a combustion according to the invention
stoffzellensystems, fabric cell system,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-Fig. 4 shows a further embodiment of an inventive combustion
stoffzellensystems und fabric cell system and
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-Fig. 5 shows a further embodiment of an inventive combustion
stoffzellensystems. fabric cell system.
Die Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Submoduls 10. Hier ist schematisch ein Brennstoffzellen-Submodul 10 mit einem Leistungsmodul 20 dargestellt, welcher in beispielhafter Anordnung drei Brennstoffzellenstapeln 30 aufweist. Selbstverständlich ist in realen Anwendungen eine deutlich höhere Anzahl von einzelnen Brennstoffzellenstapeln 30, beispielsweise zehn Brennstoffzellenstapeln 30, zwanzig Brennstoffzellenstapeln 30 oder sogar hundert, zweihundert oder mehr Brennstoffzellenstapeln 30 in einem Leistungsmodul FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel cell submodule 10 according to the invention. Here, a fuel cell submodule 10 with a power module 20 is shown schematically, which has three fuel cell stacks 30 in an exemplary arrangement. Of course, in real applications there is a significantly higher number of individual fuel cell stacks 30, for example ten fuel cell stacks 30, twenty fuel cell stacks 30 or even one hundred, two hundred or more fuel cell stacks 30 in one power module
20 möglich. 20 possible.
Jeder dieser einzelnen Brennstoffzellenstapel 30 weist einen Anodenabschnitt 32 und einen Kathodenabschnitt 36 auf, welche durch einen Elektrolyt getrennt sind und auf diese Weise die Brennstoffzellenfunktion zur Erzeugung von elektrischem Strom zur Verfügung stellen. Um eine Medienversorgung und eine Medienabfuhr sicherzustellen, muss der Anodenabschnitt 32 mit Anodenzuführgas AZG versorgt und das Anodenabgas AAG entsorgt werden. Für den jeweiligen Kathodenabschnitt 36 ist eine Versorgung mit Kathodenzuführgas KZG und eine Entsorgung von Kathodenabgas KAG notwendig. Die Figur 1 zeigt nun wie in modularer Weise bei einem Brennstoffzellen-Submodul 10 für jeden einzelne Brennstoffzellenstapel 30 separate Anodenzuführabschnitte 31, separate Anodenabführabschnitte 33, separate Kathodenzuführabschnitte 35 und separate Anodenabführabschnitte 37 vorgesehen sind. Bei einer beliebigen Vergrößerung der Anzahl der Brennstoffzellenstapel 30 führt dies ent-Each of these individual fuel cell stacks 30 includes an anode portion 32 and a cathode portion 36 separated by an electrolyte, thereby providing the fuel cell function of generating electrical power. In order to ensure media supply and media removal, the anode section 32 must be supplied with anode feed gas AZG and the anode waste gas AAG must be disposed of. A supply of cathode feed gas KZG and disposal of cathode waste gas KAG is necessary for the respective cathode section 36 . FIG. 1 now shows how separate anode feed sections 31, separate anode discharge sections 33, separate cathode feed sections 35 and separate anode discharge sections 37 are provided in a fuel cell submodule 10 for each individual fuel cell stack 30 in a modular manner. With any increase in the number of fuel cell stacks 30, this leads to
sprechend zu einer deutlichen Steigerung in das Brennstoffzellen-Submodul 10 speaking to a significant increase in the fuel cell sub-module 10
einander elektrisch seriell verbunden. electrically connected in series.
Um einen Temperaturausgleich in passiver Weise innerhalb des BrennstoffzellenSubmoduls 10 sicherstellen zu können, sind die einzelnen Brennstoffzellenstapel 30 hier mit Stapel-Isolierungen 39 für eine thermische Isolation ausgestattet. Sie erlaubt es, in passiver Weise Ungleichheiten der Temperaturverteilung innerhalb des Leis-In order to be able to ensure passive temperature equalization within the fuel cell submodule 10, the individual fuel cell stacks 30 are equipped here with stack insulation 39 for thermal insulation. It allows inequalities in the temperature distribution within the power
tungsmoduls 20 zu vermeiden. processing module 20 to avoid.
Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung eines Brennstoffzellen-Submoduls 10 gemäß der Figur 1. Hier ist zum einen anstelle der Stapel-Isolierung 39 eine Submodul-Isolierung 19 für das gesamte Brennstoffzellen-Submodul 10 vorgesehen. Diese erlaubt es insbesondere in der Zusammenschau mit weiteren gleich ausgebildeten Brennstoffzellen-Submodulen 10 ein Ungleichgewicht von Temperaturen zwischen benach-FIG. 2 shows a further development of a fuel cell submodule 10 according to FIG. This allows an imbalance of temperatures between neighboring
barten Brennstoffzellen-Submodulen 10 zu vermeiden. disclosed fuel cell submodules 10 to avoid.
Weiter ist in der Figur 2 gut zu erkennen, dass innerhalb des Brennstoffzellen-Submoduls 10 jede einzelne Leitung zu den einzelnen Anodenabschnitten 32, zu den einzelnen Kathodenabschnitten 36 und die jeweiligen Abgasabschnitte mit Ventilvor-It can also be clearly seen in FIG. 2 that within the fuel cell submodule 10 each individual line to the individual anode sections 32, to the individual cathode sections 36 and the respective exhaust gas sections with valve pre-
richtungen 34 ausgestattet sind. Diese sind insbesondere in quantitativ directions 34 are equipped. These are particularly in quantitative
geführt werden können. can be led.
Die Figur 3 zeigt nun schematisch, wie ein Brennstoffzellensystem 100 aus mehreren Brennstoffzellen-Submodulen 10 aufgebaut werden kann. So ist hier ebenfalls als Beispiel ein Aufbau aus zwei Brennstoffzellen-Submodulen 10 gezeigt. Selbstverständlich kann je nach Leistungsanforderung auch eine Kombination von drei, mehr oder im Wesentlichen beliebig vielen, also auch zehn, zwanzig oder bis zu einhun-FIG. 3 now shows schematically how a fuel cell system 100 can be constructed from a plurality of fuel cell sub-modules 10 . A structure made up of two fuel cell submodules 10 is also shown here as an example. Of course, depending on the performance requirements, a combination of three, more or essentially any number, i.e. also ten, twenty or up to one hundred
dert, Brennstoffzellen-Submodulen 10 ein Brennstoffzellensystem 100 ausbilden. dert, fuel cell submodules 10 form a fuel cell system 100 .
Insbesondere beim Berücksichtigen einer deutlich größeren Anzahl einzelner Brennstoffzellenstapel 30 in dem jeweiligen Brennstoffzellen-Submodul 10 und einer deutlich größeren Anzahl von Brennstoffzellen-Submodulen 10, wird erkennbar, wie sich die Komplexität in die einzelnen Brennstoffzellen-Submodule 10 verlagert, während die Anschlussmöglichkeiten über die Schnittstellen 12, 14, 16 und 18 aller Brenn-In particular, when considering a significantly larger number of individual fuel cell stacks 30 in the respective fuel cell sub-module 10 and a significantly larger number of fuel cell sub-modules 10, it becomes apparent how the complexity shifts to the individual fuel cell sub-modules 10, while the connection options via the interfaces 12, 14, 16 and 18 of all fuel
stoffzellen-Submodule 10 deutlich reduziert wird. fabric cell submodules 10 is significantly reduced.
Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist darüber hinaus noch eine Gasbehandlungsvorrichtung 130 vor und nach dem Brennstoffzellensystem 100 vorgesehen, welche es erlaubt, beispielsweise die zugeführten Gase hinsichtlich Temperierung, Mischung oder Aufbereitung so vorzubereiten, dass sie für alle Brennstoffzellen-Submodule 10 in gleicher Weise zur Verfügung gestellt werden. Dies erlaubt es, die Kontrollierbarkeit des Brennstoffzellensystems 100 und die Montage zu vereinfachen und die Mon-In the embodiment in FIG Will be provided. This allows the controllability of the fuel cell system 100 and the assembly to be simplified and the assembly
tagefreundlichkeit weiter zu erhöhen. to further increase day-friendliness.
Auch die Figur 4 basiert auf einem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der Figur 3. Hier sind nun zusätzlich noch System-Ventilvorrichtungen 120 vorgesehen, welche in der Lage sind, in dem System-Anodenzuführabschnitt 112, dem System-Anodenabführabschnitt 114, dem System-Kathodenzuführabschnitt 116 und dem System-Kathodenabführabschnitt 118 jeweils ein Brennstoffzellen-Submodul 10 vollständig von 4 is also based on a fuel cell system 100 according to FIG the system cathode discharge section 118 each have a fuel cell sub-module 10 completely from
der Medienversorgung zu trennen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn disconnect from the media supply. This is particularly advantageous when
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Wartungsarbeiten erfolgen sollen. Ein solches Trennen führt dazu, dass die verblei-maintenance work is to be carried out. Such a separation results in the remaining
benden Brennstoffzellen-Submodule 10 weiter betrieben werden können und somit Ending fuel cell submodules 10 can continue to be operated and thus
eine kontinuierlich fortdauernde Leistung zur Verfügung gestellt werden kann. Auf a continuously ongoing performance can be made available. On
diese Weise wird es auch möglich, nach dem Abtrennen eines Brennstoffzellen-Sub-in this way it also becomes possible after disconnecting a fuel cell sub-
moduls durch die beschriebenen System-Ventilvorrichtungen 120 einen kompletten module through the described system valve devices 120 a complete
Austausch dieses Brennstoffzellen-Submoduls 10 durchzuführen. Exchange this fuel cell sub-module 10 to perform.
Die Figur 5 zeigt eine Möglichkeit einer komplexeren Anordnung von je vier Brennstoffzellen-Submodulen 10 mit jeweils einem Leistungsmodul 20 von vier Brennstoffzellenstapeln 30. Während eine parallele Anordnung, eine geschichtete Anordnung oder Ähnliches möglich ist, ist hier eine kreisförmige beziehungsweise sternförmige Anordnung gewählt, sodass eine Sternverteilvorrichtung 140 und/oder eine Sternsammelvorrichtung 150 in der Lage ist, von einem zentralen Punkt hier ebenfalls wieder über System-Ventilvorrichtungen 120 eine Versorgung und/oder eine Entsorgung Figure 5 shows a possibility of a more complex arrangement of four fuel cell sub-modules 10, each with a power module 20 of four fuel cell stacks 30. While a parallel arrangement, a layered arrangement or the like is possible, a circular or star-shaped arrangement is selected here, so that a Star distribution device 140 and / or a star collection device 150 is able from a central point here also again via system valve devices 120 a supply and / or disposal
aller Brennstoffzellen-Submodule 10 zur Verfügung zu stellen. to make all fuel cell submodules 10 available.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende The above explanation of the embodiments describes the present one
Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Invention solely in the context of examples.
Bezugszeichenliste Reference List
10 Brennstoffzellen-Submodul 12 Anodenzuführ-Schnittstelle 14 _ Anodenabführ-Schnittstelle 16 Kathodenzuführ-Schnittstelle 18 Kathodenabführ-Schnittstelle 10 fuel cell submodule 12 anode feed interface 14 _ anode feed interface 16 cathode feed interface 18 cathode feed interface
19 Submodul-Isolierung 19 submodule isolation
20 Leistungsmodul 20 power module
30 Brennstoffzellenstapel 30 fuel cell stack
31 Anodenzuführabschnitt 32 Anodenabschnitt 31 anode feeding section 32 anode section
33 Anodenabführabschnitt 34 Ventilvorrichtung 33 anode discharge section 34 valve device
35 Kathodenzuführabschnitt 36 Kathodenabschnitt 35 cathode supply section 36 cathode section
37 Kathodenabführabschnitt 39 Stapel-Isolierung 37 Cathode discharge section 39 Stack insulation
100 Brennstoffzellensystem 100 fuel cell system
112 System-Anodenzuführabschnitt 114 System-Anodenabführabschnitt 116 System-Kathodenzuführabschnitt 118 System-Kathodenabführabschnitt 120 System-Ventilvorrichtung 112 system anode supply section 114 system anode discharge section 116 system cathode supply section 118 system cathode discharge section 120 system valve device
130 Gasbehandlungsvorrichtung 130 gas treatment device
140 Sternverteilvorrichtung 140 star distribution device
150 Sternsammelvorrichtung 150 Star Gathering Device
AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas AZG anode feed gas AAG anode exhaust gas
KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas KZG cathode feed gas KAG cathode exhaust gas
Claims (1)
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| ATA50740/2021A AT525484A1 (en) | 2021-09-21 | 2021-09-21 | Fuel cell system for generating electricity in stationary operation |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0541239A (en) * | 1991-06-18 | 1993-02-19 | Nkk Corp | High temperature type fuel cell module |
| WO1997028573A1 (en) * | 1996-01-31 | 1997-08-07 | Westinghouse Electric Corporation | Purge gas protected transportable pressurized fuel cell modules and their operation in a power plant |
| US20110269052A1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-11-03 | Delphi Technologies, Inc. | Multiple Stack Fuel Cell System |
| WO2017190088A1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-11-02 | Fuelcell Energy, Inc. | Modular enclosures for fuel cell stacks that allow for individual installation and replacement of a fuel cell stack in the field |
| CN108183246B (en) * | 2017-12-20 | 2020-04-21 | 新源动力股份有限公司 | Double-stack combined fuel cell module |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6942942B2 (en) * | 2002-06-24 | 2005-09-13 | Delphi Technologies, Inc. | Solid-oxide fuel cell assembly having a thermal enclosure within a structural enclosure |
| US20080292936A1 (en) * | 2007-05-23 | 2008-11-27 | American Power Conversion Corporation | Manifold for fuel cells |
| US20170092964A1 (en) * | 2015-09-28 | 2017-03-30 | General Electric Company | Fuel cell module including heat exchanger and method of operating such module |
-
2021
- 2021-09-21 AT ATA50740/2021A patent/AT525484A1/en not_active Application Discontinuation
-
2022
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0541239A (en) * | 1991-06-18 | 1993-02-19 | Nkk Corp | High temperature type fuel cell module |
| WO1997028573A1 (en) * | 1996-01-31 | 1997-08-07 | Westinghouse Electric Corporation | Purge gas protected transportable pressurized fuel cell modules and their operation in a power plant |
| US20110269052A1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-11-03 | Delphi Technologies, Inc. | Multiple Stack Fuel Cell System |
| WO2017190088A1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-11-02 | Fuelcell Energy, Inc. | Modular enclosures for fuel cell stacks that allow for individual installation and replacement of a fuel cell stack in the field |
| CN108183246B (en) * | 2017-12-20 | 2020-04-21 | 新源动力股份有限公司 | Double-stack combined fuel cell module |
Also Published As
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| REJ | Rejection |
Effective date: 20240415 |