AT528535A1 - Elektrochemisches Zellensystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches Zellensystem (100) aufwei- send eine Vielzahl von elektrochemischen Zellenstapelmodulen (200) mit jeweils ei- nem Brennstoffabschnitt (220) und einem Luftabschnitt (230), die Brennstoffabschnit- te (220) aufweisend einen Brennstoffzuführabschnitt (222) für eine Zufuhr von Brennstoffzuführgas (BZG) und einen Brennstoffabführabschnitt (224) für ein Abfuhr von Brennstoffabgas (BAG), die Luftabschnitte (230) aufweisend einen Luftzuführab- schnitt (232) für eine Zufuhr von Zuluft (ZL) und einen Abluftabführabschnitt (234) für eine Abfuhr von Abluft (AL), weiter aufweisend ein gemeinsames Zentralmodul (300) für eine Versorgung der Zellenstapelmodule (200) mit den Betriebsmedien Brenn- stoffzuführgas (BZG) und Zuluft (ZL) und einer Entsorgung von den Zellenstapelmo- dulen (200) der Betriebsmedien Brennstoffabgas (BAG) und Abluft (AL), wobei die Brennstoffzuführabschnitte (222) jeweils wenigstens eine Medienheizvorrichtung (240) für ein von dem gemeinsamen Zentralmodul (300) dezentrales aktives Heizen des Brennstoffzuführgases (BZG) aufweisen.

Description

Beschreibung

ELEKTROCHEMISCHES ZELLENSYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches Zellensystem sowie ein Regelverfahren für eine Regelung der Betriebstemperatur von elektrochemischen Zellenstapelmodulen eines elektrochemischen Zellensystems.

[0002] Es ist grundsätzlich bekannt, dass elektrochemische Zellensysteme aus einer Vielzahl einzelner Komponenten aufgebaut sind. Insbesondere dann, wenn das elektrochemische Zellensystem eine hohe Leistungsfähigkeit, beispielsweise im Megawattbereich, mit sich bringen soll, ist es weiter bekannt, dieses elektrochemische Zellensystem in modularer Weise aufzubauen. Dabei werden einzelne Zellenstapelmodule so miteinander kombiniert, dass sich die einzelnen elektrochemischen Leistungsfähigkeiten addieren und ein entsprechend leistungsfähiges Gesamtsystem als elektrochemisches Zellensystem entsteht. Jedes dieser Zellenstapelmodule kann dabei einen einzelnen oder auch mehrere elektrochemische Zellenstapel aufweisen und damit eine entsprechende größere oder kleinere Modulleistung aufweisen.

[0003] Bei den bekannten Modulanordnungen der elektrochemischen Zellensysteme wird üblicherweise eine Zentralisierung gemeinsam genutzter Komponenten zur Verfügung gestellt. Um die Komplexität und die damit einhergehenden Kosten zu reduzieren, gibt es sogenannte Balance-of-Plant-Komponenten (BoP), welche in zentralisierter Weise gemeinsam von allen Zellenstapelmodulen genutzt werden können. Dabei handelt es sich insbesondere um die Medienvorbereitung und/oder die Medienverteilung an die einzelnen Zellenstapelmodule und von den einzelnen Zellenstapelmodulen. Auch werden bei den bekannten Lösungen üblicherweise ein zentrales Heizen sowie ein zentrales Fördern der einzelnen Medienströme zur Verfügung gestellt.

[0004] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es jedoch, dass bei sehr großen geforderten elektrischen Leistungsfähigkeiten die Anzahl der dafür benötigten, zu verschaltenden Zellenstapelmodule stark ansteigt und bei bis zu mehreren tausend Zellenstapelmodulen liegen kann. Dies führt zu komplexen Rohrleitungssystemen, welche insbesondere hinsichtlich der Temperaturverteilung und der Gleichmäßigkeit der Medienverteilung hohe Ansprüche stellen. So wird bei zentraler Temperierung in einem Zentralmodul der Temperaturverlust über unterschiedliche Leitungslängen entsprechend unterschiedlich stark ausfallen. Daher kann es vorkommen, dass bei so komplex aufgebauten elektrochemischen Zellensystemen Temperaturschwankungen und damit eine Dysbalance der Temperatur über die unterschiedlichen Zellenstapelmodule entsteht. Auch kann es vorkommen, dass aufgrund unterschiedlicher Rohrlängen und damit einhergehend unterschiedlicher Druckverlustsituationen eine unerwünschte Dysbalance hinsichtlich der Massenströme der einzelnen Medien zu und von den Zellenstapelmodulen entsteht.

[0005] 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 Skalierbarkeit von elektrochemischen Zellensystemen zu verbessern.

[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein elektrochemisches Zellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Regelverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. 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 dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Regelverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0007] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, ein elektrochemisches Zellensystem mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellenstapelmodulen auszustatten. Jedes dieser Zellenstapelmodule ist mit einem Brennstoffabschnitt und einem Luftabschnitt ausgestattet. Dabei weisen die Brennstoffabschnitte einen Brennstoffzuführabschnitt für eine Zufuhr von Brennstoffzuführgas und einen Brennstoffabführabschnitt für eine Abfuhr von Brennstoffabgas auf. In ähn-

licher Weise sind die Luftabschnitte mit einem Luftzuführabschnitt für eine Zufuhr von Zuluft und mit einem Abluftabführabschnitt für eine Abfuhr von Abluft ausgestattet. Weiter weist ein solches elektrochemisches Zellensystem ein gemeinsames Zentralmodul auf für eine Versorgung der Zellenstapelmodule mit den Betriebsmedien Brennstoffzuführgas und - zuluft und einer Entsorgung von den Zellenstapelmodulen der Betriebsmedien Brennstoffabgas und -abluft.

[0008] Ein erfindungsgemäßes elektrochemisches Zellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennstoffzuführabschnitte jeweils eine Medienheizvorrichtung für ein von dem gemeinsamen Zentralmodul dezentrales, aktives Heizen des Brennstoffzuführgases aufweisen. Damit wird ein erfindungsgemäßes elektrochemisches Zellensystem mit einer dezentralen Heizfunktionalität ausgestattet, die bei jeder Form von elektrochemischer Zellenfunktionalität einsetzbar ist.

[0009] Ein erfindungsgemäßes elektrochemisches Zellensystem ist grundsätzlich in der Lage, sowohl in einem sogenannten Brennstoffzellenbetrieb als auch in einem sogenannten Elektrolysebetrieb, zum Beispiel als SOEC-System, betrieben zu werden. Unter einem Elektrolysebetrieb ist dabei eine Situation zu verstehen, bei welcher unter dem Verbrauch von elektrischem Strom ein Brenngas erzeugt wird. Dieses Brenngas wird aus einem Ausgangsstoff in Form des Brennstoffzuführgases, zum Beispiel Wasserdampf, über die chemisch geführte Reaktion und den Verbrauch von elektrischem Strom in den elektrochemischen Zellenstapelmodulen erzeugt und als Brennstoffabgas, zum Beispiel in Form von Wasserstoff, das elektrochemische Zellensystem verlassen. In einem solchen Fall ist das elektrochemische Zellensystem als Elektrolysesystem ausgebildet.

[0010] Auch die Nutzung zur Erzeugung von elektrischem Strom ist bei einem erfindungsgemäBen elektrochemischen Zellensystem denkbar. Hier sind beispielsweise sogenannte SOFC-Systeme bekannt, wie sie ähnlich auch als SOEC-Systeme für die Elektrolysesysteme eingesetzt werden. Unter einem Brennstoffzellensystem ist dementsprechend die Nutzung einer gezielten und geführten elektrochemischen Reaktion zu verstehen, welche elektrischen Strom erzeugt. In diesem Fall wird das Brenngas als Brennstoffzuführgas zu den elektrochemischen Zellenstapelmodulen geführt werden, sodass dort die elektrochemische Umsetzung zur Erzeugung des elektrischen Stroms stattfinden kann. Selbstverständlich können elektrochemische Zellensysteme gemäß der vorliegenden Erfindung auch beide Funktionalitäten aufweisen, sodass sie Ssozusagen bidirektional für beide Betriebsweisen ausgelegt und entsprechend in beiden Richtungen, also stromerzeugend und brenngaserzeugend, betrieben werden können.

[0011] Der erfindungsgemäße Kerngedanke wird insbesondere dann von Vorteil sein, wenn es sich bei dem elektrochemischen Zellensystem um eines mit hoher elektrischer Leistung handelt. Insbesondere sind die elektrochemischen Zellensysteme zu betrachten mit einer Gesamtleistung von circa einem bis zehn Megawatt. Hierfür werden eine Vielzahl von Zellenstapelmodulen eingesetzt, wobei jedes Zellenstapelmodul mehrere elektrochemische Zellenstapel aufweist. Wie später noch erläutert wird, kann jedes Zellenstapelmodul auch eine Vielzahl von mehreren Zellenstapel-Submodulen aufweisen. Entsprechend wird eine hohe Komplexität benötigt, wobei durch Addition der einzelnen elektrochemischen Leistungsfähigkeiten der einzelnen Zellenstapelmodule und/oder der einzelnen Zellenstapel-Submodule die gewünschte hohe elektrochemische Leistung des gesamten elektrochemischen Zellensystems im Megawattbereich zur Verfügung gestellt werden kann.

[0012] Während die grundsätzliche Funktionalität der elektrochemischen Reaktion durch die Zufuhr- und Abführmöglichkeiten der Betriebsmedien gewährleistet wird, ist erfindungsgemäß nun ein entscheidender Unterschied zu den bekannten Lösungen vorgesehen. Dieser liegt darin, dass nun eine dezentrale aktive Heizmöglichkeit für das Brennstoffzuführgas vorgesehen ist. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass der Kostenaufwand für das Heizen des Brennstoffzuführgases im Wesentlichen ausschließlich von der benötigten Gesamtheizleistung abhängt. Insofern ist die benötigte Heizfläche und die benötigte Heizleistung relevant für die damit zusammenhängenden Kosten. Weniger relevant ist die Fragestellung, ob es die gewünschte und benötigte Heizleistung durch ein einziges zentrales und entsprechend groß ausgebildetes Heizelement zur Verfügung gestellt wird oder durch eine Vielzahl entsprechend kleinerer, dezentraler

Heizelemente. Aufgrund dieser überraschenden Erkenntnis wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die einzelnen Medienheizvorrichtungen nun dezentral in die Brennstoffzuführabschnitte der einzelnen Zellenstapelmodule zu verteilen und insbesondere auf ein zentrales Heizmodul im gemeinsamen Zentralmodul sogar gänzlich zu verzichten. Dies führt zu mehreren entscheidenden Vorteilen in der Betriebsweise eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystems.

[0013] Zum einen führt dies dazu, dass das Aufheizen des Brennstoffzuführgases zu einem späteren Zeitpunkt, also deutlich weiter stromabwärts des gemeinsamen Zentralmoduls und deutlich näher an dem jeweiligen Zellenstapelmodul, stattfindet. Die Länge der Rohrleitung zwischen dem gemeinsamen Zentralmodul und dem jeweiligen Zellenstapelmodul wird dementsprechend mit im Vergleich zu den bekannten Lösungen deutlich kühlerem Brennstoffzuführgas überbrückt. Das kühlere Brennstoffzuführgas in diesen Verteilleitungen führt weiter zu zwei wesentlichen Vorteilen.

[0014] Zum einen ist ein kühleres Brennstoffzuführgas mit entsprechend geringeren Temperaturgradienten zur aktuellen Umgebungstemperatur ausgestattet. Ein geringerer Temperaturgradient führt entsprechend der Wärmetransportvorgänge zu einem geringeren Wärmeverlust trotz gleichbleibender Isolierung und gleichbleibender Rohrlänge im Vergleich zu bekannten Lösungen. Alleine durch die Verschiebung der Heizposition vom gemeinsamen Zentralmodul hin zu den Zellenstapelmodulen wird also dementsprechend ohne weiteren konstruktiven Eingriff eine Effizienzsteigerung hinsichtlich der energetischen Nutzung der Heizenergie erzielt. Dadurch, dass die finale Erwärmung erst im Bereich der Zellenstapelmodule stattfindet, kann auf dem verbleibenden Leitungsabschnitt von der Medienheizvorrichtung zu der tatsächlichen Nutzung im Brennstoffabschnitt des jeweiligen Zellenstapelmoduls durch die geringere Weglänge auch nur eine geringere Wärmemenge verloren gehen. Dies kann sogar noch weiter verbessert werden, wenn dieser verbleibende Leitungsabschnitt mit wenige Aufwand zusätzlich verstärkt thermisch isoliert wird, sodass nur dort, wo der erhöhte Temperaturgradient zur Umgebungstemperatur besteht, auch die entsprechend erhöhte thermische Isolierung vorhanden ist und gegen Wärmeverlust schützt.

[0015] Ein weiterer Vorteil, welcher direkt mit der reduzierten Temperatur beim Zuführen zu den einzelnen Zellenstapelmodulen zusammenhängt, ist eine Reduktion des Druckverlustes. Durch den physikalischen Zusammenhang von Druck, Dichte und Temperatur ist die Dichte des Brennstoffzuführgases durch die reduzierte Temperatur in der Zuführung zu den einzelnen Zellenstapelmodulen im Vergleich zu den bekannten Lösungen entsprechend erhöht. Durch die höhere Dichte des Brennstoffzuführgases kann entsprechend mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit und damit mit geringerem Strömungsdruck die Förderung des gleichen Massenstroms, also der gleichen Menge pro Zeit, für das Brennstoffzuführgas gewährleistet werden. Damit direkt in Zusammenhang steht der sich einstellende Druckverlust, da durch verringerten Förderdruck auch ein verringerter Druckverlust in Kauf genommen werden muss. Insbesondere bei den erfindungsgemäß angesprochenen elektrochemischen Zellensystemen mit einer sehr großen Anzahl von bis zu mehreren tausend einzelnen Zellenstapelmodulen sind auch geringe Druckverlustverbesserungen mit einem hohen Effizienzsteigerungsgrad verbunden. Somit kann erfindungsgemäß durch eine Erhöhung der Komplexität jedoch ohne negativen Einfluss auf die Kosten, indem die einzelnen Medienheizvorrichtungen nun dezentral und nicht mehr im gemeinsamen Zentralmodul angeordnet sind, ein entscheidender Betriebsvorteil durch die reduzierte Temperatur in den Zuleitungen zu den einzelnen Zellenstapelmodulen zur Verfügung gestellt werden. Diese gehen einher mit einer thermischen Effizienzsteigerung sowie mit einer verbesserten Druckverlustsituation für diese Zuleitungen.

[0016] Auf Basis der voranstehenden Erläuterungen wird nun ersichtlich, dass auch sehr komplexe, mit einer sehr großen Anzahl einzelner elektrochemischer Zellenstapelmodule ausgestattete, elektrochemische Zellensysteme sehr effizient betrieben werden können. Dies führt insbesondere dazu, dass eine im Wesentlichen freie Skalierbarkeit der elektrochemischen Zellensysteme besteht und dementsprechend eine im Wesentlichen beliebig große Anzahl von elektrochemischen Zellenstapelmodulen miteinander verschaltet werden kann, um entsprechend hohe elektrische Leistungsfähigkeit für das elektrochemische Zellensystem insbesondere im Megawattbereich zur Verfügung zu stellen.

[0017] Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem die Zellenstapelmodule zumindest teilweise, insbesondere alle Zellenstapelmodule, zwei oder mehr elektrochemische Zellenstapel-Submodule mit jeweils zwei oder mehr elektrochemischen Zellenstapeln aufweisen. Dabei befinden sich in jedem Zellenstapelmodul für den Brennstoffzuführabschnitt ein Brennstoffverteilabschnitt, für den Luftzuführabschnitt ein Luftverteilabschnitt, für den Brennstoffabführabschnitt ein Brennstoffabgassammelabschnitt und für den Abluftabführabschnitt eine Abluftsammelabschnitt für die Aufteilung auf die einzelnen ZellenstapelSubmodule. Mit anderen Worten kann hier bei sehr kleinen einzelnen Zellenstapeln mit entsprechend geringer elektrochemischer Leistung von zum Beispiel 1,5 bis 35 Kilowatt, diese Kombination bereits auf Zellenstapelmodulebene stattfinden. Ein einzelnes Zellenstapelmodul, welches auch als Vormontageeinheit verstanden werden kann, kombiniert bei dieser Ausführungsform zwei oder mehr elektrochemische Zellenstapel-Submodule. Das Zellenstapelmodul weist entsprechend jeweils einen Anschluss für Brennstoffzuführgas, Brennstoffabgas, Zuluft und Abluft auf. Innerhalb des Zellenstapelmoduls sind die genannten Verteilabschnitte und Sammelabschnitte in der Lage, ein Verteilen und Sammeln der jeweiligen Betriebsmedien zur Verfügung zu stellen, sodass aus Sicht des Zentralmoduls die Komplexität zumindest teilweise in die Zellenstapelmodule und damit auf die zellenstapel-Submodule verlagert worden ist. Bei dieser Ausführungsform wird entsprechend ein Vorheizen und Temperieren der Medienheizvorrichtung nun auf Modulebene durchgeführt, sodass bei dieser Ausführungsform alle Zellenstapel-Submodule eines Zellenstapelmoduls mit einer auf diese Weise sozusagen halb-dezentralen Medienheizvorrichtung die gleiche Temperiersituation erhalten. Auch hier kann, wie später noch erläutert wird, zusätzliche Variation eingebracht werden, wenn die später noch erläuterte Verwendung einer Luftmischvorrichtung in die einzelnen Zellenstapelmodule spezifisch für einzelne ZellenstapelSubmodule integriert wird. Beispielsweise kann jedes Zellenstapel-Submodul 18 gleiche Zellenstapel mit jeweils 10 kW Leistung enthalten. Das auf diese Weise zusammengesetzte Zellenstapel-Subsystem weist entsprechend eine kombinierte Submodul-Leistung von 180 kW auf. Sind im Zellenstapelmodul nun zwei solcher Zellenstapel-Submodule integriert, so hat ein solches Zellenstapelmodul entsprechend die kombinierte Modul-Leistung von 360 kW.

[0018] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem zusätzlich auch die Luftzuführabschnitte eine Medienheizvorrichtung für ein von dem gemeinsamen Zentralmodul dezentrales aktives Heizen der Zuluft aufweisen. Hiermit wird der erfindungsgemäße dezentrale Heizvorteil als Kerngedanke der vorliegenden Erfindung noch weiter verstärkt. Insbesondere bei elektrochemischen Zellensystemen, bei welchen ein beidseitiges Heizen der Zellenstapel, zum Beispiel zum Vermeiden von Temperaturspannungen innerhalb des elektrochemischen Zellenstapelmoduls von Vorteil ist, kann dieses beidseitige aktive Heizen Vorteile mit sich bringen. Nicht zuletzt werden auch die Vorteile des reduzierten Druckverlusts sowie des reduzierten Temperaturverlusts nicht nur für das Brennstoffzuführgas, sondern zusätzlich auch für die Zuluft erzielt, sodass von einer Multiplikation der Vorteile eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystems gesprochen werden kann.

[0019] Darüber hinaus ist es weiter von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem die Medienheizvorrichtungen als elektrische Medienheizvorrichtungen ausgebildet sind. Eine elektrische Medienheizvorrichtung kann ein einfaches Widerstandsheizelement oder ähnliche elektrisch betreibbare Heizelemente aufweisen. Durch die elektrische Wirkung ist eine deutlich verbesserte Regelbarkeit gegeben und insbesondere eine vollständige Unabhängigkeit von der Temperatur weiterer im Zellensystem befindlicher Betriebsmedien. Es kann unabhängig von der aktuellen Umgebungssituation, wie auch unabhängig von der aktuellen Betriebssituation der einzelnen Zellenstapelmodule, in der gewünschten und zielgerichteten Weise die Medienheizvorrichtung betrieben und damit die Temperatur des Brennstoffzuführgases für jedes einzelne Zellestapelmodul spezifisch geregelt werden. Ist auch in den Luftzuführabschnitten eine Medienheizvorrichtung mit elektrischer Ausbildung vorgesehen, so gilt dies entsprechend auch für das Regeln der Temperatur er Zuluft.

[0020] Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem die Brennstoffzuführabschnitte und/oder die Luftzuführabschnitte jeweils wenigstens

eine Regeleinheit aufweisen für eine Regelung des Massenstroms des jeweiligen Betriebsmediums in Form des Brennstoffzuführgases und/oder der Zuluft. Bei einer solchen Regeleinheit kann es sich zum Beispiel um Blenden, passiv wirkend, oder um Regelventile, aktiv wirkend, handeln. Ahnlich der dezentralen Regelung der Temperatur des Brennstoffzuführgases können die beiden genannten Betriebsmedien hier auch hinsichtlich ihres Massenstroms dezentral geregelt werden. Dadurch, dass nun eine dezentrale Regelung und, vor allem auf Ebene der Zellenstapelmodule oder sogar der einzelnen Zellenstapel, eine spezifische Regelung möglich wird, ist es sehr einfach Ungleichheiten und die mehrfach erläuterten Dysbalancen bei unterschiedlichen Leitungslängen auszugleichen. So kann hier beispielsweise eine zentrale Kompressorvorrichtung in dem gemeinsamen Zentralmodul vorgesehen sein, welches das jeweilige Betriebsmedium mit einem definierten Vordruck auf die einzelnen Leitungen verteilt, sodass je nach Leitungslänge sich ein unterschiedlicher Eingangsdruck an dem jeweiligen Zellenstapelmodul ausbildet. Diese unterschiedlichen Eingangsdrücke können nun harmonisiert oder ausbalanciert werden, indem die einzelnen Regeleinheiten in der Lage sind, diese sich über die unterschiedlichen Leitungslängen ausbildenden Ungleichheiten entsprechend wieder auszugleichen.

[0021] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem elektrochemischen Zellensystem gemäß dem voranstehenden Absatz die Regeleinheiten sich bei im selben Pfad vorhandenen Medienheizvorrichtungen stromaufwärts dieser Medienheizvorrichtungen befinden. Mit anderen Worten wird der Massenstrom angepasst, noch bevor die Temperierung mit Hilfe der Medienheizvorrichtung stattfindet. Es wird also erst der Massenstrom geregelt und dann geheizt. Damit ist eine sequenzielle Einwirkung auf den jeweiligen Medienpfad zu verstehen, wobei der Medienpfad als Betriebszuführabschnitt und/oder als Luftzuführabschnitt ausgebildet ist für diese Ausbildungsformen. So kann die Medienheizvorrichtung Temperaturänderungen, welche durch die Druckänderung in den Regeleinheiten entstehen, berücksichtigen und noch genauer die gewünschte Temperatur des jeweiligen Betriebsmediums regeln.

[0022] Weitere Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem zumindest ein Teil der Regeleinheiten, insbesondere alle Regeleinheiten, als passive Regeleinheiten ausgebildet sind. Diese können zum Beispiel als Druckblende ausgebildet sein, sodass passiv und damit ohne Einstellbarkeit der jeweilige Medienmassenstrom sich reduziert. Diese Einstellbarkeit kann jedoch einmalig vorgesehen sein, sodass beispielsweise bei der Montage, der Konstruktion oder sogar schon bei der Auslegung des elektrochemischen Zellensystems für die unterschiedlichen Positionen der Regeleinheiten unterschiedliche Blendenbreiten und dementsprechend unterschiedliche passive Wirkungsweisen vorgesehen werden können. Bei sehr kurzen Leitungslängen, also bei Zellenstapelmodulen, welche sich sehr nahe am gemeinsamen Zentralmodul befinden, kann entsprechend eine stärkere Reduktion des Massenstroms vorgesehen sein, als dies bei deutlich weiter entfernten Zellenstapelmodulen der Fall ist. Die fehlende Regelbarkeit wird hier durch die deutlich reduzierte Komplexität und eine kostengünstigere Ausgestaltung der Regeleinheiten kompensiert.

[0023] Ebenfalls vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem zumindest ein Teil der Regeleinheiten, insbesondere alle Regeleinheiten, als aktive Regeleinheiten ausgebildet sind. Unter einer aktiven Regeleinheit ist beispielsweise ein Regelventil zu verstehen. Dieses kann regelbar insbesondere in quantitativer Weise den Massenstrom einstellen. Auch eine Kombination von aktiven und passiven Regeleinheiten ist grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung für benachbarte, für unterschiedliche, aber auch für die gleichen Zellenstapelmodule grundsätzlich denkbar.

[0024] Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem in einem Medienpfad, in welchem eine Medienheizvorrichtung angeordnet ist, auch eine Regeleinheit angeordnet ist. Das bedeutet, dass für jeden Medienpfad, welcher beeinflusst werden soll, immer beide Beeinflussungsfaktoren, also Temperatur und Massenstrom, zusammen kombiniert sind. Der Medienpfad bezieht sich dabei insbesondere auf die jeweiligen Brennstoffzuführabschnitte und/oder die jeweiligen Luftzuführabschnitte.

[0025] Darüber hinaus ist es weiter von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektroche-

mischen Zellensystem in einem Medienpfad, welcher frei von einer Medienheizvorrichtung ist, eine Regeleinheit angeordnet ist. Bei dieser Variante handelt es sich sozusagen um eine gegenüberliegende Anordnung, sodass beispielsweise der eine Medienpfad mit einer Medienheizvorrichtung und der andere Medienpfad mit einer Regeleinheit ausgebildet ist. Auch hier sind grundsätzlich Kombinationen in unterschiedlicher Weise für unterschiedliche Zellenstapelmodule einund desselben elektrochemischen Zellensystems grundsätzlich denkbar.

[0026] Ein Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem die Brennstoffzuführabschnitte und/oder die Luftzuführabschnitte für alle Zellenstapelmodule identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Die Gleichheit und damit der standardisierte Aufbau dieser relevanten Funktionsbestandteile der Zellenstapelmodule erlaubt eine noch kostengünstigere Konstruktion und vor allem ein sehr freies und flexibles Kombinieren der Zellenstapelmodule je nach tatsächlich benötigter Leistung für das elektrochemische Zellensystem. Nicht zuletzt wird durch diesen standardisierten Aufbau die Regelungsmöglichkeit auch noch weiter verbessert und vereinfacht.

[0027] Darüber hinaus bringt es weitere Vorteile mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem die Zellenstapelmodule in den Luftzuführabschnitten und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen pro Zellenstapelmodul in den Luftverteilabschnitten, Luftmischvorrichtungen für ein Vermischen der Zuluft mit Umgebungsluft für ein Abkühlen der Zuluft angeordnet sind. Insbesondere bei Ausführungsformen, bei welchen die Zellenstapelmodule zwei oder mehr Zellenstapel-Submodule aufweisen, kann die Temperatur nunmehr nur auf Modulebene und damit nicht spezifisch für das jeweilige Zellenstapel-Submodul in einem Zellenstapelmodul geregelt werden. Somit muss aus Regelungssicht ein Kompromiss getroffenen werden, um die gewünschte Temperatur ohne Schädigung, aber auch ohne Effizienzreduktion, auf die mehreren Zellenstapel-Submodule zu verteilen. Bei dem Anordnen von Luftmischvorrichtungen auf Submodulebene kann eine weitere Regelmöglichkeit eingebracht werden, sodass ein Aufheizen immer auf die maximal benötigte Temperatur aller Zellenstapel-Submodule im jeweiligen Zellenstapelmodul erfolgt. Das Zellenstapel-Submodul, für welchen diese erhöhte Maximaltemperatur zu hoch wäre, kann nun mit der jeweils für dieses ZellenstapelSubmodul spezifischen Luftmischvorrichtungen wieder abgekühlt werden. Damit sind entsprechend die Luftmischvorrichtungen spezifisch für das jeweilige Zellenstapel-Submodul im Zellenstapelmodul vorgesehen, während die Medienheizvorrichtungen spezifisch für die Zellenstapelmodule und damit unspezifisch für die Zellenstapel-Submodule ausgebildet sind. Mit anderen Worten lässt sich durch das Kühlen auf Submodulebene eine Feinjustierung des erfolgten Heizens auf Modulebene durchführen. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn in den Brennstoffzuführabschnitten und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen pro Zellenstapelmodul in den Brennstoffverteilabschnitten, Gasmischvorrichtungen für ein Vermischen des Brennstoffzuführgases mit einem kühleren Betriebsmedium für ein Abkühlen des Brennstoffzuführgases aufweisen. Dabei kann es sich zum Beispiel um Wasserstoff bei Umgebungstemperatur und/oder Wasserdampf mit einer Temperatur unterhalb der aktuellen Betriebstemperatur des Zellenstapelmoduls handeln.

[0028] Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemisches Zellensystem die Zellenstapelmodule in den Luftzuführabschnitten und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen pro Zellenstapelmodul in den Luftverteilabschnitten, Gasmisch-Regeleinheiten für ein Vermischen der Zuluft mit Kühlluft für ein Abkühlen der Zuluft aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann es vorteilhaft sein, wenn in den Brennstoffzuführabschnitten und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen pro Zellenstapelmodul in den Brennstoffverteilabschnitten, Gasmisch-Regeleinheiten für ein Vermischen des Brennstoffzuführgases mit Kühlbrennstoff für ein Abkühlen des Brennstoffzuführgases aufweisen. Diese Gasmisch-Regeleinheiten kombinieren die Funktionalität der im voranstehenden Absatz beschriebenen Luftmischvorrichtungen und/oder der beschriebenen Gasmischvorrichtungen mit der Funktionalität der Regeleinheiten. Mit anderen Worten erfolgt die Feinjustierung der Temperatur und die Regelung des Massenstroms durch gemeinsame durch die Gasmisch-Regeleinheiten. Damit ist es möglich auf separate Regeleinheiten, beispielsweise Heiß-

gasklappen zu verzichten und trotzdem die erfindungsgemäßen Vorteile der dezentralen Regeleinheiten zu erhalten. Die Gasmisch-Regeleinheiten sind insbesondere mit einer passiven Regelmöglichkeit für den Massenstrom ausgebildet.

[0029] Die Kühlluft kann zum Beispiel direkt aus der Umgebung angesaugt werden und/oder vom zentralen Luftmodul abgezweigt werden. Als Kühltemperatur der Kühlluft kann hier insbesondere die jeweilige Umgebungstemperatur ausreichen. Auch eine temperierende Behandlung der Kühlluft im Zentralmodul ist jedoch denkbar. Der Kühlbrennstoff ist ebenfalls insbesondere gasförmig und kann beispielsweise aus einem Brennstofftank zur Verfügung gestellt werden. Hier kann die Tanktemperatur des Brennstoffs als Kühltemperatur des Kühlbrennstoffs zur Verfügung gestellt werden. Wird der Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, unter Druck gelagert, kann die durch die Expansion des Brennstoffs entstehende Abkühlung des Gases als zusätzliche Reduktion der Kühltemperatur genutzt werden. Auch eine Nutzung von Brennstoffabgas, beispielsweise Wasserdampf ist als Kühlbrennstoff denkbar. Ein solches Rezirkulationsgas kann durch die im Verhältnis zur Betriebstemperatur der Zellenstapelmodule geringere Temperatur direkt zur Kühlung eingesetzt werden.

[0030] Die Kühlluft wird dabei vorzugsweise von einem zentralen Kühlluftmodul über Kühlluftabschnitte auf die Zellenstapelmodule und/oder die Zellenstapel-Submodule verteilt. Zusätzlich oder alternativ ist auch eine Verteilung des Kühlbrennstoffs über Kühlbrennstoffabschnitte auf die Zellenstapelmodule und/oder die Zellenstapel-Submodule möglich. Beim Einsatz der Gasmisch-Regeleinheiten sind die Zellenmodule und/oder die Zellenstapelmodule vorzugsweise frei von anderen Regeleinheiten, frei von Luftmischvorrichtungen und/oder frei von Gasmischvorrichtungen ausgebildet.

[0031] Ein weiterer Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem das Zentralmodul frei oder im Wesentlichen frei von zentralen Heizvorrichtungen, insbesondere frei oder im Wesentlichen frei von zentralen elektrischen Heizvorrichtungen, ausgebildet ist. Eine solche Freiheit von Heizvorrichtungen, insbesondere elektrischen Heizvorrichtungen, reduziert die Komplexität im Zentralmodul. Dadurch, dass sozusagen fast kostenneutral eine dezentrale Anordnung der einzelnen Medienheizvorrichtungen vorgesehen ist, kann der Verzicht in dem Zentralmodul auf solche Heizvorrichtungen eine Kostenneutralität mit sich bringen.

[0032] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Regelverfahren für eine Regelung der Betriebstemperatur von elektrochemischen Zellenstapelmodulen bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystem. Ein solches Regelverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Erfassen einer Ist-Temperatur für jedes Zellenstapelmodul,

- Vergleich der erfassten Ist-Temperatur mit Soll-Temperaturen für jedes Zellenstapelmodul,

- Dezentrales Heizen zumindest des Brennstoffzuführgases mit den Medienheizvorrichtungen in den Brennstoffzuführabschnitt der Zellenstapelmodule, spezifisch auf Basis des Vergleichs.

[0033] Ein solches Regelverfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes elektrochemisches Zellensystem erläutert worden sind. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass bei einem Zellenstapelmodul mit zwei oder mehr ZellenstapelSubmodulen insbesondere auch die Temperatur des jeweiligen Zellenstapel-Submoduls bestimmt und zum Beispiel der beschriebenen Feinjustierung mit einer Luftmischvorrichtung zugrunde gelegt werden kann.

[0034] 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 schematisch:

[0035] Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystems,

[0036] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystems,

[0037] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystems,

[0038] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystems,

[0039] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystems,

[0040] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystems,

[0041] Fig. 7 eine Detaildarstellung eines Zellenstapelmoduls

[0042] Fig. 8 eine Detaildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Zellenstapelmoduls und

[0043] Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemi-

schen Zellensystems.

[0044] Figur 1 zeigt schematisch eine sehr einfache Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellensystems 100. Dieses ist hier als Beispiel mit vier separaten Zellenstapelmodulen 200 ausgebildet, wobei selbstverständlich je nach gewünschter elektrochemischer Leistungsfähigkeit eine deutlich größere Anzahl von mehreren hundert oder sogar bis zu eintausend Zellenstapelmodulen 200 denkbar ist. Anhand des ganz links angeordneten Zellenstapelmoduls 200 wird nun die Funktionsweise im Betrieb eines solchen elektrochemischen Zellensystems 100 näher erläutert.

[0045] Mit Hilfe eines Zentralmoduls 300 kann gemeinsam die Medienversorgung und die Medienentsorgung zur Verfügung gestellt werden. Um den Betrieb am Laufen zu halten, wird mit Hilfe eines zentralen Brennstoffmoduls 310 Brennstoffzuführgas BZG auf verschiedene Verteilleitungen auf die hier schematisch dargestellten vier Zellenstapelmodule 200 verteilt. Ganz links wird das Brennstoffzuführgas BZG spezifisch für dieses Zellenstapelmodul 200 über eine Medienheizvorrichtung 240 geführt, sodass hier, kurz vor dem Eintritt in das Zellenstapelmodul 200, ein Aufheizen auf die gewünschte Betriebstemperatur für das Brennstoffzuführgas BZG zur Verfügung gestellt wird. Das erhitzte Brennstoffzuführgas BZG tritt durch den Brennstoffzuführabschnitt 222 nun in das Zellenstapelmodul 200 ein und wird dort in den Brennstoffabschnitt 220 geführt. Im Zellenstapel-Submodul 210 mit zwei oder mehr elektrochemischen Zellenstapeln erfolgt die elektrochemische Umsetzung unter der Nutzung von Zuluft ZL.

[0046] Auch diese Zuluft ZL wird vom gemeinsamen Zentralmodul 300 und dort vom zentralen Luftmodul 320 zur Verfügung gestellt und über entsprechende Verteilerleitungen dem Luftzuführabschnitt 232 zur Verfügung gestellt und innerhalb des Zellenstapelmoduls 200 in den Luftabschnitt 230 geführt. Nach erfolgter elektrochemischer Umsetzung, also der Stromerzeugung im Brennstoffzellenbetrieb oder der Brennstofferzeugung im Elektrolysebetrieb, werden die entstehenden Abgasmedien, also die Abluft AL und das Brennstoffabgas BAG, aus den jeweiligen Abschnitten 220 und 230 des Zellenstapel-Submoduls 210 herausgeführt und an den Ausgängen des Zellenstapelmoduls 200 an den Brennstoffabführabschnitt 224 und den Abluftabführabschnitt 234 übergeben. In gleicher und paralleler Betriebsweise findet die Medienversorgung und -entsorgung auch für alle anderen Zellenstapelmodule 200 statt. Hier ist gut zu erkennen, dass auch alle anderen Zellenstapelmodule 200 mit einer dezentralen und für das jeweilige Zellenstapelmodul 200 spezifischen Medienheizvorrichtung 240 ausgebildet sind, sodass die gleichen Vorteile der dezentralen Temperaturregelung auch für diese unterschiedlichen Zellenstapelmodule 200 gewährleistet sind.

[0047] Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsformen der Figur 1. Hier ist nun eine zusätzliche Medienheizvorrichtung 240 auch in allen Luftzuführabschnitten 232 vorgesehen. Damit kann ein dezentrales aktives Heizen nicht nur des Brennstoffzuführgases BZG, sondern auch der Zuluft ZL, erfolgen, sodass sich entsprechend die Vorteile des reduzierten Temperaturverlusts, wie auch des reduzierten Druckverlusts, auch auf die Zuluft ZL übertragen lassen.

[0048] In der Figur 3 ist eine nochmalige Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 2 dargestellt. Neben dem Eingriff in regelnder Weise auf die Temperatur der jeweiligen Betriebsmedien, kann hier auch auf den Massenstrom des jeweiligen Betriebsmediums eingegriffen werden, indem Regeleinheiten 250 vorgesehen sind. Diese sind hier sowohl in den Brennstoffzuführabschnitten 222 als auch in den Luftzuführabschnitten 232 angeordnet und können sowohl als aktive Regelventile, aber auch als passive Regelblenden, ausgebildet sein. Je nach Abstand zwischen dem jeweiligen Zellenstapelmodul 200 und dem gemeinsamen Zentralmodul 300 entstehen unterschiedliche Drucksituationen in Abhängigkeit der Rohrleitungslänge, wobei diese Dysbalance über die unterschiedlichen Zellenstapelmodule 200 nun durch diese Regeleinheiten 250 wieder ausgeglichen und harmonisiert werden kann.

[0049] In der Figur 4 ist eine Variation der Figur 3 dargestellt, bei der in beiden Medienzuführungen, also in den Brennstoffzuführabschnitten 222 und in den Luftzuführabschnitten 232, weiterhin die Regeleinheiten 250 vorgesehen sind. Jedoch ist hier nur im Brennstoffzuführabschnitt 222 stromabwärts der Regeleinheit 250 auch die Medienheizvorrichtung 240 vorgesehen.

[0050] In der Figur 5 ist eine nochmalige Reduktion der Ausführungsform der Figur 4 zu erkennen. Hier ist der Luftpfad und damit der Luftzuführabschnitt 232 im Wesentlichen frei von Medienheizvorrichtungen 240 und Regeleinheiten 250 ausgebildet, wobei jedoch der Brennstoffzuführabschnitt 222 beide Funktionalitäten beinhaltet.

[0051] In der Figur 6 ist die Alternative zur Ausführungsform der Figur 5 dargestellt. Hier ist nun eine Temperaturregelung im Brennstoffzuführabschnitt 222 und eine Regeleinheit 250 im Luftzuführabschnitt 232 und damit komplementär vorgesehen. Wie die Figuren 1 bis 6 zeigen, sind insbesondere die Regeleinheiten 250 und/oder die Medienheizvorrichtungen 240 für alle Zellenstapelmodule 200 identisch oder im Wesentlichen identisch verteilt.

[0052] Die Figuren 7 und 8 zeigen noch Detailmöglichkeiten für komplexere Zellenstapelmodule 200. So ist hier bei beiden Abbildungen das Zellenstapelmodul 200 schematisch mit zwei separaten Zellenstapel-Submodulen 210 mit jeweils zwei oder mehr elektrochemischen Zellenstapeln ausgebildet. Selbstverständlich können noch mehr Zellenstapel-Submodule 210 eingesetzt werden, sodass diese entsprechend das zugehörige Zellenstapelmodul 200 noch weiter vergrößern. Im Wesentlichen kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Anzahl von zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen 210 pro Zellenstapelmodul 200 wie auch die Anzahl von zwei oder mehr Zellenstapeln pro Zellenstapel-Submodul 210 frei nach benötigter Leistung für das elektrochemische Zellensystem 100 gewählt werden. Um eine Aufteilung und Verteilung der einzelnen Betriebsmedien innerhalb des Zellenstapelmoduls 200 zu gewährleisten, sind hier Brennstoffverteilabschnitte 223, Luftverteilabschnitte 233, Brennstoffabgassammelabschnitte 225 und Abluftsammelabschnitte 235 vorgesehen und innerhalb eines Zellenstapelmoduls 200 angeordnet. Die Regelung der Temperatur, wie auch des Massenstroms, erfolgt hier nicht auf der Ebene der Zellenstapel-Submodule 210, sondern auf der übergeordneten Zwischenebene, welche auch als Hybridebene bezeichnet werden kann, der Zellenstapelmodule 200. Es erfolgt also weiterhin eine dezentrale Regelung bezogen auf das gemeinsame Zentralmodul 300, aber mehr spezifisch für die einzelnen Zellenstapel-Submodule 210. Dies kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn bei einer sehr großen Anzahl von einzelnen, leistungsarmen Zellenstapel-Submodulen 210 der Regelaufwand minimiert werden soll.

[0053] In der Figur 8 ist eine Weiterbildung dargestellt, bei welcher trotz der reduzierten Regelbarkeit der Temperatur Eingriff genommen werden kann auf die tatsächliche Eintrittstemperatur in den jeweiligen Luftabschnitt 230 des jeweiligen Zellenstapel-Submoduls 210. So kann hier nur gemeinsam für alle Zellenstapel-Submodule 210 für die Zuluft ZL über die zugehörige Medienheizvorrichtung 240 im Luftzuführabschnitt 232 die entsprechende Temperatur eingestellt wer-

den. Hierbei wird üblicherweise die heißeste benötigte Betriebstemperatur für die Zuluft ZL vorgesehen, sodass zum Beispiel eines der hier dargestellten zwei Zellenstapel-Submodule 210 eigentlich mit zu heißer Zuluft ZL versorgt werden würde. Jedoch ist es hier nun möglich, mit Hilfe einer sehr einfachen und kostengünstig ausgebildeten Luftmischvorrichtung 260 die eigentlich zu heiße Zuluft ZL für das jeweils spezifische, mit einem geringeren Temperaturbedarf versehene, Zellenstapel-Submodul 210 zu kühlen und somit auch auf der Ebene der Zellenstapel-Submodule 210 noch zumindest in Reduktionsrichtung für die Temperatur eine weitere Eingriffsmöglichkeit für die Temperatur der Zuluft ZL zur Verfügung zu stellen. Dies kann auch als Feinjustierung der Temperatur für die einzelnen Zellenstapel-Submodule verstanden werden.

[0054] Neben einer Feinjustierung als Kühlung der Zuluft mit Umgebungsluft ist auch ein Kühlen des Brennstoffzuführgases BZG mit einem kühleren Betriebsmedium, beispielsweise kühlem Brennstoffzuführgas BZG denkbar. Hierfür kann alternativ oder zusätzlich zur Luftmischvorrichtung 260 eine entsprechende Gasmischvorrichtung 270 vorgesehen sein, welche einen Wärmeaustausch mit einem kühleren Betriebsmedium, beispielsweise Wasserstoff bei Umgebungstemperatur und/oder Wasserdampf mit einer Temperatur unter der Betriebstemperatur des Zellenstapelmoduls 200 verwendet werden.

[0055] Die Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines elektrochemischen Zellensystems 100. Hier wurden anstelle von Regeleinheiten 250 für die Zellenstapel-Submodule 210 GasmischRegeleinheiten 250 verwendet. In der mehrfach beschriebenen Weise erfolgt ein dezentrales Heizen des Brennstoffzuführgases BZG und der Zuluft ZL über die Medienheizvorrichtungen 240. Bei der Ausführungsform der Figur 9 geschieht dies auf Ebene der Zellenstapelmodule 200, welche hier jeweils zwei Zellenstapel-Submodule 210 aufweisen. Für die einzelnen ZellenstapelSubmodule 210 sind hier die Gasmisch-Regeleinheiten 280 vorgesehen. Durch Zumischen von Kühlbrennstoff KB in das Brennstoffzuführgas BZG und das Zumischen von Kühlluft KL in die Zuluft ZL erfolgt das beschriebene, kühlende Feinjustieren der Temperatur des jeweiligen Betriebsmediums. Die Kühlluft KL wird über Kühlluftabschnitte 238 und der Kühlbrennstoff KB über Kühlbrennstoffabschnitte 228 vom Zentralmodul 300 und dort von einem zentralen Kühlluftmodul 330 und von einem zentralen Kühlbrennstoffmodul 340 zur Verfügung gestellt.

[0056] Die Figur 9 zeigt also die Kombination aus hybridem Heizen auf Ebene der Zellenstapelmodule 200 und voll dezentralem Feinjustieren auf Ebene der Zellenstapel-Submodule 210. Auch die Regelung der Massenströme erfolgt hier auf Ebene der Zellenstapel-Submodule 210. Das elektrochemische Zellensystem 100 der Figur 9 kann daher frei von Luftmischvorrichtungen 260, frei von Gasmischvorrichtungen 270 und auch frei von Regeleinheiten 250 ausgebildet sein.

[0057] Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die Ausführung der Figur 9 auch variiert werden kann. So ist es möglich die Gasmisch-Regeleinheiten 280 auch auf Ebene der Zellenstapel 200 und damit für eine hybride Regelung einzusetzen. Auch eine Nutzung bei einfacheren Zellenstapelmodulen 200 ohne mehrere Zellenstapel-Submodule 210 ist ebenfalls möglich.

[0058] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

100 Elektrochemisches Zellensystem 200 Zellenstapelmodul

210 Zellenstapel-Submodul

220 Brennstoffabschnitt

222 Brennstoffzuführabschnitt

223 Brennstoffverteilabschnitt

224 Brennstoffabführabschnitt

225 Brennstoffabgassammelabschnitt 228 Kühlbrennstoffabschnitt

230 Luftabschnitt

232 Luftzuführabschnitt

233 Luftverteilabschnitt

234 Abluftabführabschnitt

235 Abluftsammelabschnitt

238 Kühlluftabschnitt

240 Medienheizvorrichtung

250 Regeleinheit

260 Luftmischvorrichtung

270 Gasmischvorrichtung

280 Gasmisch-Regeleinheit

300 Zentralmodul

310 Zentrales Brennstoffmodul 320 Zentrales Luftmodul

330 Zentrales Kühlluftmodul

340 Zentrales Kühlbrennstoffmodul

BZG Brennstoffzuführgas BAG Brennstoffabgas

ZL Zuluft AL Abluft KL Kühlluft

KB Kühlbrennstoff

Patentansprüche

1. Elektrochemisches Zellensystem (100) aufweisend eine Vielzahl von elektrochemischen Zellenstapelmodulen (200) mit jeweils einem Brennstoffabschnitt (220) und einem Luftabschnitt (230), die Brennstoffabschnitte (220) aufweisend einen Brennstoffzuführabschnitt (222) für eine Zufuhr von Brennstoffzuführgas (BZG) und einen Brennstoffabführabschnitt (224) für ein Abfuhr von Brennstoffabgas (BAG), die Luftabschnitte (230) aufweisend einen Luftzuführabschnitt (232) für eine Zufuhr von Zuluft (ZL) und einen Abluftabführabschnitt (234) für eine Abfuhr von Abluft (AL), weiter aufweisend ein gemeinsames Zentralmodul (300) für eine Versorgung der Zellenstapelmodule (200) mit den Betriebsmedien Brennstoffzuführgas (BZG) und Zuluft (ZL) und einer Entsorgung von den Zellenstapelmodulen (200) der Betriebsmedien Brennstoffabgas (BAG) und Abluft (AL), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführabschnitte (222) jeweils wenigstens eine Medienheizvorrichtung (240) für ein von dem gemeinsamen Zentralmodul (300) dezentrales aktives Heizen des Brennstoffzuführgases (BZG) aufweisen.

2. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenstapelmodule (200) zumindest teilweise, insbesondere alle Zellenstapelmodule (200), zwei oder mehr elektrochemische Zellenstapel-Submodule (210) mit jeweils zwei oder mehr elektrochemischen Zellenstapeln aufweisen, wobei sich in jedem Zellenstapelmodul (200) der Brennstoffzuführabschnitt (222) über Brennstoffverteilabschnitte (223), der Luftzuführabschnitt (232) über Luftverteilabschnitte (233), der Brennstoffabführabschnitt (224) über Brennstoffabgassammelabschnitte (225) und der Abluftabführabschnitt (234) über Abluftsammelabschnitte (235) auf die einzelnen Zellenstapel-Submodulen (210) aufteilt.

3. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich auch die Luftzuführabschnitte (232) eine Medienheizvorrichtung (240) für ein von dem gemeinsamen Zentralmodul (300) dezentrales aktives Heizen der Zuluft (ZL) aufweisen.

4. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienheizvorrichtungen (240) als elektrische Medienheizvorrichtungen (240) ausgebildet sind

5. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführabschnitte (222) und/oder die Luftzuführabschnitte (232) jeweils wenigstens eine Regeleinheit (250) aufweisend für eine Regelung des Massenstroms des jeweiligen Betriebsmediums in Form des Brennstoffzuführgases (BZG) und/oder der Zuluft (ZL).

6. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheiten (250) sich bei im selben Medienpfad vorhandenen Medienheizvorrichtungen (240) stromaufwärts dieser Medienheizvorrichtungen (240) befinden.

7. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Regeleinheiten (250), insbesondere alle Regeleinheiten (250), als passive Regeleinheiten (250) ausgebildet sind.

8. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Regeleinheiten (250), insbesondere alle Regeleinheiten (250), als aktive Regeleinheiten (250) ausgebildet sind.

9. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Medienpfad in welchem eine Medienheizvorrichtung (240) angeordnet ist auch eine Regeleinheit (250) angeordnet ist.

10. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Medienpfad, welcher frei von einer Medienheizvorrichtung (240) ist, eine Regeleinheit (250) angeordnet ist.

11. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführabschnitte (222) und/oder die Luftzuführabschnitte (232) für alle Zellenstapelmodule (200) identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.

12. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenstapelmodule (200) in den Luftzuführabschnitten (232) und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen (210) pro Zellenstapelmodul (200) in den Luftverteilabschnitten (233), Luftmischvorrichtungen (260) für ein Vermischen der Zuluft (ZL) mit Umgebungsluft für ein Abkühlen der Zuluft (ZL) aufweisen, und/oder in den Brennstoffzuführabschnitten (222) und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen (210) pro Zellenstapelmodul (200) in den Brennstoffverteilabschnitten (223), Gasmischvorrichtungen (270) für ein Vermischen des Brennstoffzuführgases (BZG) mit einem kühleren Betriebsmedium für ein Abkühlen des Brennstoffzuführgases (BZG) aufweisen.

13. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenstapelmodule (200) in den Luftzuführabschnitten (232) und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen (210) pro Zellenstapelmodul (200) in den Luftverteilabschnitten (233), Gasmisch-Regeleinheiten (280) für ein Vermischen der Zuluft (ZL) mit Kühlluft (KL) für ein Abkühlen der Zuluft (ZL) aufweisen, und/oder in den Brennstoffzuführabschnitten (222) und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen (210) pro Zellenstapelmodul (200) in den Brennstoffverteilabschnitten (223), Gasmisch-Regeleinheiten (280) für ein Vermischen des Brennstoffzuführgases (BZG) mit Kühlbrennstoff (KB) für ein Abkühlen des Brennstoffzuführgases (BZG) aufweisen.

14. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralmodul (300) frei oder im Wesentlichen frei von zentralen Heizvorrichtungen, insbesondere frei oder im Wesentlichen frei von zentralen elektrischen Heizvorrichtungen, ist.

15. Regelverfahren für eine Regelung der Betriebstemperatur von elektrochemischen Zellenstapelmodulen (200) bei einem elektrochemischen Zellensystem (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Erfassen einer Ist-Temperatur für jedes Zellenstapelmodul (200),

- Vergleich der erfassten Ist-Temperaturen mit Soll-Temperaturen für jedes Zellenstapelmodul (200),

- Dezentrales Heizen zumindest des Brennstoffzuführgases (BZG) mit den Medienheizvorrichtungen in den Brennstoffzuführabschnitten (222) der Zellenstapelmodule (200), spezifisch auf Basis des Vergleichs.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Neue Patentansprüche

1. Elektrochemisches Zellensystem (100) aufweisend eine Vielzahl von elektrochemischen Zellenstapelmodulen (200) mit jeweils einem Brennstoffabschnitt (220) und einem Luftabschnitt (230), die Brennstoffabschnitte (220) aufweisend einen Brennstoffzuführabschnitt (222) für eine Zufuhr von Brennstoffzuführgas (BZG) und einen Brennstoffabführabschnitt (224) für ein Abfuhr von Brennstoffabgas (BAG), die Luftabschnitte (230) aufweisend einen Luftzuführabschnitt (232) für eine Zufuhr von Zuluft (ZL) und einen Abluftabführabschnitt (234) für eine Abfuhr von Abluft (AL), weiter aufweisend ein gemeinsames Zentralmodul (300) für eine Versorgung der Zellenstapelmodule (200) mit den Betriebsmedien Brennstoffzuführgas (BZG) und Zuluft (ZL) und einer Entsorgung von den Zellenstapelmodulen (200) der Betriebsmedien Brennstoffabgas (BAG) und Abluft (AL), wobei die Brennstoffzuführabschnitte (222) Jeweils wenigstens eine Medienheizvorrichtung (240) für ein von dem gemeinsamen Zentralmodul (300) dezentrales aktives Heizen des Brennstoffzuführgases (BZG) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenstapelmodule (200) zumindest teilweise, insbesondere alle Zellenstapelmodule (200), zwei oder mehr elektrochemische Zellenstapel-Submodule (210) mit jeweils zwei oder mehr elektrochemischen Zellenstapeln aufweisen, wobei sich in jedem Zellenstapelmodul (200) der Brennstoffzuführabschnitt (222) über Brennstoffverteilabschnitte (223), der Luftzuführabschnitt (232) über Luftverteilabschnitte (233), der Brennstoffabführabschnitt (224) über Brennstoffabgassammelabschnitte (225) und der Abluftabführabschnitt (234) über Abluftsammelabschnitte (235) auf die einzelnen ZellenstapelSubmodulen (210) aufteilt.

2. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich auch die Luftzuführabschnitte (232) eine Medienheizvorrichtung (240) für ein von dem gemeinsamen Zentralmodul (300) dezentrales aktives Heizen der Zuluft (ZL) aufweisen.

3. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienheizvorrichtungen (240) als elektrische Medienheizvorrichtungen (240) ausgebildet sind

4. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführabschnitte (222) und/oder die Luftzuführabschnitte (232) jeweils wenigstens eine Regeleinheit (250) aufweisend für eine Regelung des Massenstroms des jeweiligen Betriebsmediums in Form des Brennstoffzuführgases (BZG) und/oder der Zuluft (ZL).

5. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheiten (250) sich bei im selben Medienpfad vorhandenen Medienheizvorrichtungen (240) stromaufwärts dieser Medienheizvorrichtungen (240) befinden.

6. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Regeleinheiten (250), insbesondere alle Regeleinheiten (250), als passive Regeleinheiten (250) ausgebildet sind.

7. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Regeleinheiten (250), insbesondere alle Regeleinheiten (250), als aktive Regeleinheiten (250) ausgebildet sind.

8. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Medienpfad in welchem eine Medienheizvorrichtung (240) angeordnet ist auch eine Regeleinheit (250) angeordnet ist.

9. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Medienpfad, welcher frei von einer Medienheizvorrichtung (240) ist, eine Regeleinheit (250) angeordnet ist.

10. Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführabschnitte (222) und/oder die Luftzuführabschnitte (232) für alle Zellenstapelmodule (200) identisch oder im Wesentlichen iden-

ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE

11.

12.

13.

14.

AT 528 535 A1 2026-02-15

tisch ausgebildet sind.

Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenstapelmodule (200) in den Luftzuführabschnitten (232) und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen (210) pro Zellenstapelmodul (200) in den Luftverteilabschnitten (233), Luftmischvorrichtungen (260) für ein Vermischen der Zuluft (ZL) mit Umgebungsluft für ein Abkühlen der Zuluft (ZL) aufweisen, und/oder in den Brennstoffzuführabschnitten (222) und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen (210) pro Zellenstapelmodul (200) in den Brennstoffverteilabschnitten (223), Gasmischvorrichtungen (270) für ein Vermischen des Brennstoffzuführgases (BZG) mit einem kühleren Betriebsmedium für ein Abkühlen des Brennstoffzuführgases (BZG) aufweisen.

Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenstapelmodule (200) in den Luftzuführabschnitten (232) und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen (210) pro Zellenstapelmodul (200) in den Luftverteilabschnitten (233), Gasmisch-Regeleinheiten (280) für ein Vermischen der Zuluft (ZL) mit Kühlluft (KL) für ein Abkühlen der Zuluft (ZL) aufweisen, und/oder in den Brennstoffzuführabschnitten (222) und/oder bei einer Ausbildung mit zwei oder mehr Zellenstapel-Submodulen (210) pro Zellenstapelmodul (200) in den Brennstoffverteilabschnitten (223), Gasmisch-Regeleinheiten (280) für ein Vermischen des Brennstoffzuführgases (BZG) mit Kühlbrennstoff (KB) für ein Abkühlen des Brennstoffzuführgases (BZG) aufweisen.

Elektrochemisches Zellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralmodul (300) frei oder im Wesentlichen frei von zentralen Heizvorrichtungen ist.

Regelverfahren für eine Regelung der Betriebstemperatur von elektrochemischen Zellenstapelmodulen (200) bei einem elektrochemischen Zellensystem mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Erfassen einer Ist-Temperatur für jedes Zellenstapelmodul (200),

- Vergleich der erfassten Ist-Temperaturen mit Soll-Temperaturen für jedes Zellenstapelmodul (200),

- Dezentrales Heizen zumindest des Brennstoffzuführgases (BZG) mit den Medienheizvorrichtungen in den Brennstoffzuführabschnitten (222) der Zellenstapelmodule (200), spezifisch auf Basis des Vergleichs.

ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE