DE102008034190B4

DE102008034190B4 - Bausatz für ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102008034190B4
Application number: DE102008034190.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schirmer Johannes
Original assignee: H2fly GmbH
Current assignee: H2FLY GMBH, DE
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2028-07-17
Also published as: DE102008034190A1

Abstract

Bausatz für ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen (12a, 12b), wobei jedes Brennstoffzellenmodul (12a, 12b) mindestens ein Brennstoffzellenstack (52a, 52b), eine Befeuchtungseinrichtung (50a, 50b) zur Befeuchtung des mindestens einen Brennstoffzellenstacks (52a, 52b) und einen Verdichter (48a, 48b), durch welchen dem mindestens einen Brennstoffzellenstack (52a, 52b) verdichteter Oxidator bereitstellbar ist, umfasst und die Befeuchtungseinrichtung (50a, 50b) und der Verdichter (48a, 48b) jedes Brennstoffzellenmoduls (12a, 12b) auf das jeweilige mindestens eine Brennstoffzellenstack (52a, 52b) abgestimmt sind, wobei die Brennstoffzellenmodule (12a, 12b) zur Leistungseinstellung des Brennstoffzellensystems miteinander und mit weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems, insbesondere mit einer Brennstoffversorgungseinrichtung (14) und einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (18), kombinierbar sind, wobei die einzelnen Brennstoffzellenmodule (12a, 12b) ohne die weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems nicht eigenständig betriebsfähig sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bausatz für ein Brennstoffzellensystem.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einstellung der Leistung eines Brennstoffzellensystems.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.
Bekannte Brennstoffzellensysteme umfassen eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstacks, in denen chemische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist, eine Brennstoffversorgungseinrichtung, eine Oxidatorversorgungseinrichtung und eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung.
Aus der WO 2006/032359 A2 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einem oder mehreren Brennstoffzellenblöcken, in denen chemische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist, eine Oxidator-Versorgungseinrichtung für die Brennstoffzelleneinrichtung, eine Brennstoff-Versorgungseinrichtung für die Brennstoffzelleneinrichtung und eine Steuerungseinrichtung umfasst, wobei die Brennstoffzelleneinrichtung und/oder die Oxidator-Versorgungseinrichtung und/oder die Brennstoff-Versorgungseinrichtung als Modul ausgebildet ist/sind, wobei in einem Modul die funktionellen Komponenten der jeweiligen Einrichtung angeordnet sind, das entsprechende Modul eine Einheit bildet, welche als Ganzes positionierbar ist, und das entsprechende Modul eine Kommunikationsschnittstelle mit Anschlüssen aufweist.
Die DE 102 96 505 T5 offenbart ein mittels Brennstoffzellen angetriebenes Generatorsystem an einem Einsatzort zur Einbeziehung als dezentrales Generator-Betriebsmittel in ein dezentrales Energieversorgungsnetz, umfassend mehrere Brennstoffzellenkraftwerke am Einsatzort, mindestens eine elektrische Last, die sich im Wesentlichen am Einsatzort befindet, und ein Einsatzortverwaltungssystem, das betrieblich mit jedem der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke, der mindestens einen Last und dem Energieversorgungsnetz verbunden ist, um die mehreren Brennstoffzellenkraftwerke in integrierter Weise alternativ in einer der folgenden Betriebsarten zu steuern: einer netzgebundenen Betriebsart, in der die Brennstoffzellenkraftwerke an mindestens eine Last und an das Energieversorgungsnetz angeschlossen sind, und einer netzunabhängigen Betriebsart, in der die Brennstoffzellenkraftwerke unabhängig von der Verbindung mit dem Energieversorgungsnetz an mindestens eine Last angeschlossen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bausatz bereitzustellen, unter dessen Verwendung ein Brennstoffzellensystem mit vorteilhaften Eigenschaften hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Bausatz für ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bausatzes kann auf einfache Weise ein Brennstoffzellensystem zusammengesetzt werden, indem eines oder mehrere der bereitgestellten Brennstoffzellenmodule mit den weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems, insbesondere mit einer Brennstoffversorgungseinrichtung und einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, kombiniert werden. Die Aufnahme mehrerer Brennstoffzellenmodule in das Brennstoffzellensystem wird dadurch ermöglicht, dass die Brennstoffzellenmodule miteinander kombinierbar sind.
Durch eine Brennstoffzelle ist die chemische Energie einer Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidator in elektrische Energie umwandelbar. Dazu sind in der Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt vorgesehen. Innerhalb der Brennstoffzelle kann der Brennstoff an der Anode oxidiert werden, während der Oxidator an der Kathode reduziert werden kann. Die Anode und die Kathode sind durch den Elektrolyten voneinander getrennt. Die chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Oxidator ist dabei nur möglich, wenn ein Ionentransport durch den Elektrolyten stattfinden kann. Im Falle einer Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidator müssen beispielsweise an der Anode erzeugte Protonen durch den Elektrolyten wandern, um an der Kathode mit dort reduziertem Sauerstoff Wasser zu bilden.
Die Einzelleistung eines Brennstoffzellenmoduls entspricht einer Gesamtleistung der Brennstoffzellen des mindestens einen Brennstoffzellenstacks dieses Brennstoffzellenmoduls.
Die Leistung des Brennstoffzellensystems, in dem ein oder mehrere Brennstoffzellenmodule vorgesehen sind, ergibt sich aus der Summe der Einzelleistungen der in ihm eingesetzten Brennstoffzellenmodule.
Durch die Auswahl der in das Brennstoffzellensystem einzusetzenden Brennstoffzellenmodule aus dem erfindungsgemäßen Bausatz kann daher die Leistung des Brennstoffzellensystems gezielt und den Anforderungen einer vorgesehenen Anwendung entsprechend eingestellt werden.
Unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Bausatzes sind beispielsweise Brennstoffzellensysteme herstellbar, deren Leistung innerhalb eines Bereichs von ca. 0,2 bis ca. 1,5 kW variabel eingestellt werden kann.
Für einen hohen Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems ist es notwendig, dass jedes Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems jeweils auf einem insbesondere für die Leistungsabgabe optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Dazu müssen die Betriebsparameter des dem Brennstoffzellenstack zugeführten Brennstoffs und Oxidators, insbesondere ihr Massenstrom, ihr Druck, ihre Temperatur und ihre Feuchte, jeweils auf bestimmte Werte innerhalb eines Wertebereichs eingestellt sein. Dies erfordert eine geeignete Auslegung der für die Bereitstellung des Brennstoffs und des Oxidators an das Brennstoffzellenstack relevanten Komponenten des Brennstoffzellensystems.
Ein Verdichter und eine Befeuchtungseinrichtung sind Komponenten eines Brennstoffzellensystems, für die eine Ermittlung vorteilhafter Betriebsparameter notwendig ist, um möglichst einen optimalen Betrieb eines Brennstoffzellenstacks zu gewährleisten. Für ein gegebenes Brennstoffzellenstack ist eine geeignete Auslegung in möglichst engen Grenzen und auf den jeweiligen Stack zugeschnitten, und daher besonders aufwändig, zu ermitteln.
In einem Verdichter werden ein bestimmter Druck und Massenstrom des dem Brennstoffzellenstack bereitzustellenden Oxidators eingestellt, wodurch zudem die Eingangstemperatur des Oxidators bestimmt wird. Als Oxidator kann insbesondere Luftsauerstoff verwendet werden. In diesem Fall kann der Verdichter beispielsweise direkt aus der Atmosphäre entnommene Luft verarbeiten.
Durch eine Befeuchtungseinrichtung wird entweder der Brennstoff oder der Oxidator mit einem erhöhten Wassergehalt versehen, sodass Bestandteilen des Brennstoffzellenstacks, die im Betrieb eine kontinuierliche Befeuchtung benötigen, wie beispielsweise einer als Elektrolyt in Brennstoffzellen eingesetzten Polymermembran, gemeinsam mit dem Brennstoff oder dem Oxidator auch Wasser zugeführt werden kann.
Üblicherweise ist der Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, teurer als der Oxidator. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems nicht verbrauchter Brennstoff wird daher in der Regel, anders als nicht verbrauchter Oxidator, wieder gesammelt. Da ein hoher Wassergehalt des nicht verbrauchten Brennstoffs unerwünscht ist, wird üblicherweise der Oxidator durch die Befeuchtungseinheit geleitet.
Die Ermittlung der für den Betrieb eines gegebenen Brennstoffzellenstacks geeigneten Auslegung des Verdichters und der Befeuchtungseinrichtung erfordert in der Regel eine Vielzahl von Probeversuchen und ist daher zeit- und kostenaufwändig. Dabei ist zu berücksichtigen, dass auch ein möglichst effizienter Betrieb des Verdichters und der Befeuchtungseinrichtung selbst anzustreben ist, da diese Komponenten interne Verbraucher des Brennstoffzellensystems sind und ihr ineffizienter Betrieb zu einem niedrigeren Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems führt. Insbesondere ist ein Verdichter üblicherweise der größte interne Verbraucher eines Brennstoffzellensystems.
Wenn bei einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem, welches ein Brennstoffzellenstack, einen Verdichter und eine Befeuchtungseinrichtung umfasst, die Leistung erhöht werden soll, wird das Brennstoffzellenstack mit einem weiteren Brennstoffzellenstack kombiniert oder gegen ein leistungsstärkeres Brennstoffzellenstack ausgetauscht. Dabei wird üblicherweise auch ein Austausch des Verdichters und der Befeuchtungseinrichtung vorgenommen. Der neue Verdichter und die neue Befeuchtungseinrichtung müssen zum Betrieb des neu eingesetzten Brennstoffzellenstacks oder der neuen Kombination von Brennstoffzellenstacks geeignet gewählt werden. Welche Auslegung sie für diesen Zweck aufweisen müssen, muss dabei in jedem Einzelfall gesondert festgestellt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Bausatz sind die Befeuchtungseinrichtung und der Verdichter jedes Brennstoffzellenmoduls auf das jeweilige mindestens eine Brennstoffzellenstack abgestimmt, d. h. die Befeuchtungseinrichtung und der Verdichter sind jeweils so ausgelegt, dass ein Betrieb des mindestens einen Brennstoffzellenstacks auf einem insbesondere für die Leistungsabgabe optimalen Arbeitspunkt bei gleichzeitig effizientem Arbeiten der Befeuchtungseinrichtung und des Verdichters möglich ist.
Unabhängig davon, welche Anzahl von Brennstoffzellenmodulen in das Brennstoffzellensystem aufgenommen wird und welche Leistung des Brennstoffzellensystems dadurch eingestellt wird, ist damit sichergestellt, dass jedem einzelnen Brennstoffzellenstack in dem jeweiligen Brennstoffzellenmodul ein Verdichter und eine Befeuchtungseinrichtung zugeordnet sind, deren Auslegung einen Betrieb des Brennstoffzellenstacks auf einem Arbeitspunkt und gleichzeitig eine hohe Effizienz des Verdichters und der Befeuchtungseinrichtung selbst ermöglicht. Daher weist das Brennstoffzellensystem bei jeder einstellbaren Leistung einen hohen Wirkungsgrad auf.
Eine Änderung der Leistung des Brennstoffzellensystems ist auf einfache Weise durch eine Änderung der Anzahl seiner Brennstoffzellenmodule oder einen Austausch einzelner Brennstoffzellenmodule gegen Brennstoffzellenmodule mit einer anderen Einzelleistung vornehmbar. Es ist dabei nicht notwendig, bei jeder Neueinstellung der Leistung zusätzlich gesondert einen geeigneten neuen Verdichter und eine geeignete neue Befeuchtungseinrichtung auszuwählen.
Weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems wie beispielsweise eine Brennstoffversorgungseinrichtung und eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung können auf einfache Weise der jeweils vorgesehenen Auswahl von Brennstoffzellenmodulen entsprechend eingestellt werden. Beispielsweise können bei einer Brennstoffversorgungseinrichtung, die einen Brennstoffspeicher umfasst oder an einen Brennstoffspeicher angeschlossen ist, der Massenstrom und der Druck des von ihr bereitgestellten Brennstoffs einfach reguliert werden.
Eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie den Betrieb des Brennstoffzellensystems in verschiedenen, von der jeweils vorgesehenen Auswahl an Brennstoffzellenmodulen abhängigen Steuerungs- und/oder Regelungsmoden steuern bzw. regeln kann.
Weitere möglicherweise vorgesehene Komponenten des Brennstoffzellensystems können ohne hohen Aufwand ausgetauscht werden, wenn eine starke Veränderung der eingestellten Leistung des Brennstoffzellensystems dies erfordern sollte. Dies gilt beispielsweise für einen Leistungsumwandler, durch welchen die von den Brennstoffzellenmodulen bereitgestellte elektrische Leistung umwandelbar, beispielsweise in ihrer Spannung veränderbar, ist, oder einen Wärmetauscher, durch welchen Wärmeenergie eines durch einen Kühlungskreislauf des Brennstoffzellensystems geführten Kühlungsmittels abnehmbar ist.
Die Verwendung mehrerer Verdichter mehrerer Brennstoffzellenmodule in einem Brennstoffzellensystem mit einer bestimmten Leistung kann weiterhin Kostenvorteile gegenüber der Verwendung nur eines Verdichters in einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem gleicher Leistung bieten, weil die einzelnen Verdichter der Brennstoffzellenmodule jeweils auf eine niedrigere Leistung ausgelegt und daher deutlich kostengünstiger sind als der eine Verdichter des herkömmlichen Brennstoffzellensystems. Beispielsweise sind zum Betrieb von Brennstoffzellen mit einer Leistung von 1 kW geeignete Verdichter um einen Faktor 5 bis 10 kostenaufwändiger als Verdichter, die auf den Betrieb von Brennstoffzellen mit einer Leistung von 0,3 kW ausgelegt sind. Ähnliches gilt in Bezug auf die Befeuchtungseinrichtungen.
Der Einsatz einer Mehrzahl von Verdichtern relativ niedriger Leistung anstelle nur eines Verdichters relativ hoher Leistung kann auch Gewichtsvorteile mit sich bringen. Beispielsweise ist aktuell, aufgrund mangelnder Verfügbarkeit entsprechend angepasster Komponenten, ein für den Betrieb von Brennstoffzellen mit einer Leistung von 0,3 kW ausgelegter Verdichter um einen Faktor 2 bis 5 leichter als ein Verdichter, durch den Brennstoffzellen mit einer Leistung von 1 kW auf geeignete Weise Oxidator bereitgestellt werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn Brennstoffzellenmodule (alle oder eine Untermenge) zu ihrer Kombination miteinander elektrisch in Reihe schaltbar und/oder miteinander elektrisch parallel schaltbar sind. Bei miteinander elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellenmodulen wird die elektrische Gesamtleistung mit einer Gesamtspannung bereitgestellt, welche sich additiv aus den Einzelspannungen der Brennstoffzellenmodule zusammensetzt. Die Brennstoffzellenmodule eines Brennstoffzellensystems können sämtlich miteinander in Reihe oder parallel geschaltet sein, es ist aber auch möglich, dass innerhalb eines Brennstoffzellensystems sowohl miteinander in Reihe als auch miteinander parallel geschaltete Brennstoffzellenmodule vorgesehen sind.
Günstig ist es, wenn sämtliche oder eine Mehrheit der Brennstoffzellenmodule gleich ausgebildet sind. In diesem Fall ergibt sich eine besonders einfache Skalierbarkeit der Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems, da durch eine Kombination einer Anzahl n von Brennstoffzellenmodulen, welche jeweils die gleiche Einzelleistung P₁ aufweisen, eine Leistung des Brennstoffzellensystems von n P₁ , also eines beliebigen Vielfachen von P₁ , eingestellt werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Brennstoffzellenstack eines Brennstoffzellenmoduls Polymerelektrolytbrennstoffzellen umfasst. Derartige Brennstoffzellen umfassen eine Polymermembran als Elektrolyten. Vorteile von Polymerelektrolytbrennstoffzellen sind insbesondere ihre hohe Leistungsdichte sowie die Möglichkeit, sie bei niedrigen Temperaturen zu betreiben. Während des Betriebs der Brennstoffzellen muss die Polymermembran befeuchtet gehalten werden. Eine ausreichende Befeuchtung der Polymerelektrolytmembran kann dadurch sichergestellt werden, dass die Befeuchtungseinheit des Brennstoffzellenmoduls auf die Polymerelektrolytbrennstoffzellen abgestimmt ist.
Günstig ist es, wenn als Befeuchtungseinrichtung mindestens eines Brennstoffzellenmoduls ein Kapillarmodul vorgesehen ist. Ein Kapillarmodul gestattet eine effektive Befeuchtung durch das Kapillarmodul geleiteten Brennstoffs oder Oxidators.
Die Befeuchtungseinrichtung kann innerhalb des Brennstoffzellenstacks als interne Komponente des Brennstoffzellenstacks angeordnet sein oder außerhalb des Brennstoffzellenstacks vorgesehen sein.
Es kann vorgesehen sein, dass jedes Brennstoffzellenmodul einen Brennstoffversorgungsanschluss aufweist. Über den Brennstoffversorgungsanschluss sind eine Verbindung zu einer Brennstoffversorgungseinrichtung herstellbar und Brennstoff einkoppelbar.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jedes Brennstoffzellenmodul einen Oxidatorversorgungsanschluss aufweist. Über den Oxidatorversorgungsanschluss können eine Verbindung zu einer Oxidatorversorgungseinrichtung hergestellt und Oxidator eingekoppelt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass jedes Brennstoffzellenmodul einen Brennstoffabführungsanschluss und/oder einen Oxidatorabführungsanschluss aufweist. Über derartige Anschlüsse sind während des Betriebs des Brennstoffzellensystems nicht verbrauchter Brennstoff bzw. Oxidator auskoppelbar und beispielsweise in eine Brennstoffabführungseinrichtung bzw. eine Oxidatorabführungseinrichtung des Brennstoffzellensystems führbar.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jedes Brennstoffzellenmodul einen Signalanschluss aufweist. Über den Signalanschluss sind Steuerungs- und/oder Regelungssignale einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung einkoppelbar.
Es kann auch vorgesehen sein, dass jedes Brennstoffzellenmodul einen ersten elektrischen Anschluss und einen zweiten elektrischen Anschluss aufweist. An dem ersten elektrischen Anschluss und dem zweiten elektrischen Anschluss ist die von dem Brennstoffzellenmodul gelieferte elektrische Leistung bereitstellbar. Insbesondere können jeweils zwei Brennstoffzellenmodule durch die Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem zweiten elektrischen Anschluss des einen Brennstoffzellenmoduls und dem ersten elektrischen Anschluss des anderen Brennstoffzellenmoduls elektrisch miteinander in Reihe geschaltet werden.
Vorteilhaft ist es, wenn jedes Brennstoffzellenmodul als selbständig handhabbare Einheit ausgebildet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der Einbau einzelner Brennstoffzellenmodule in das Brennstoffzellensystem bzw. der Ausbau von Brennstoffzellenmodulen aus dem Brennstoffzellensystem zum Zwecke der Einstellung der Leistung des Brennstoffzellensystems auf einfache Weise vorgenommen werden kann.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die als selbständig handhabbare Einheit ausgebildeten Brennstoffzellenmodule jeweils ein Gehäuse aufweisen. Die innerhalb eines Gehäuses angeordneten Komponenten des Brennstoffzellenmoduls sind gegen äußere Einwirkungen geschützt. An dem Gehäuse können Anschlüsse des Brennstoffzellenmoduls vorgesehen sein, über die eine Kommunikation mit anderen Bauteilen des Bausatzes herstellbar ist. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Anschlüssen an einer Kommunikationsschnittstelle des Gehäuses angeordnet sein.
Vorzugsweise umfasst der Bausatz eine Brennstoffversorgungseinrichtung, welche einen Brennstoffverteiler mit mehreren Brennstoffabgabeanschlüssen umfasst. Die Brennstoffversorgungseinrichtung kann beispielsweise einen Brennstoffspeicher umfassen oder an einen als eigenständige Komponente vorgesehenen Brennstoffspeicher anschließbar sein. Über Brennstoffabgabeanschlüsse, die jeweils mit einem Brennstoffversorgungsanschluss eines Brennstoffzellenmoduls verbindbar sein können, ist Brennstoff auskoppelbar. Die Brennstoffabgabeanschlüsse des Brennstoffverteilers können verschließbar sein, so dass sie geschlossen gehalten werden können, wenn sie nicht mit einem Brennstoffversorgungsanschluss eines Brennstoffzellenmoduls verbunden sind.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Brennstoffversorgungseinrichtung einen Signalanschluss aufweist. Über den Signalanschluss sind Steuerungs- und/oder Regelungssignale einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung einkoppelbar.
Vorteilhaft ist es, wenn der Bausatz eine Oxidatorversorgungseinrichtung umfasst, welche einen Oxidatorverteiler mit mehreren Oxidatorabgabeanschlüssen umfasst. Die Oxidatorversorgungseinrichtung kann beispielsweise eine Vorpumpe, durch welche aus der Atmosphäre entnommene Luft mit einem bestimmten Druck und Massenstrom versehbar ist, und einen Luftfilter, durch welchen Luft aufreinigbar ist, umfassen. Über die Oxidatorabgabeanschlüsse kann Oxidator ausgekoppelt werden. Insbesondere können sie jeweils mit einem Oxidatorversorgungsanschluss eines Brennstoffzellenmoduls verbindbar und verschließbar ausgebildet sein. Verschließbar ausgebildete Oxidatorabgabeanschlüsse können geschlossen verbleiben, wenn sie nicht mit einem Oxidatorversorgungsanschluss eines Brennstoffzellenmoduls verbunden sind.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Oxidatorversorgungseinrichtung einen Signalanschluss aufweist, über welchen Steuerungs- und/oder Regelungssignale einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung einkoppelbar sind.
Vorzugsweise umfasst der Bausatz weiterhin eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, welche mindestens einen Signalausgabeanschluss aufweist. Ein Signalausgabeanschluss der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann beispielsweise mit einem Signalanschluss eines Brennstoffzellenmoduls, einem Signalanschluss der Brennstoffversorgungseinrichtung oder einem Signalanschluss der Oxidatorversorgungseinrichtung verbindbar sein. Über den Signalausgabeanschluss können dann Signale zur Steuerung und/oder Regelung dieser Komponenten ausgekoppelt werden.
Der erfindungsgemäße Bausatz kann einen Leistungsumwandler umfassen, durch welchen die von den Brennstoffzellenmodulen bereitgestellte elektrische Leistung umwandelbar, zum Beispiel in ihrer Spannung veränderbar, ist.
Es kann eine Umhausung vorgesehen sein, innerhalb derer eine Mehrzahl der Komponenten oder sämtliche Komponenten des Brennstoffzellensystems angeordnet werden können, um gegen äußere Einwirkungen geschützt zu sein.
Weiterhin kann der Bausatz eine Energieabgabeeinrichtung zur Abgabe von in den Brennstoffzellenmodulen erzeugter elektrischer Energie umfassen.
Es kann eine Kühlungseinrichtung vorgesehen sein, durch welche eine Betriebstemperatur von Brennstoffzellenmodulen kontrollierbar ist.
Weiterhin kann eine Brennstoffabführungseinrichtung vorgesehen sein, durch welche in dem Brennstoffzellenmodul nicht verbrauchter Brennstoff abnehmbar ist.
Es kann auch eine Oxidatorabführungseinrichtung vorgesehen sein, durch welche in den Brennstoffzellenmodulen nicht verbrauchter Oxidator abnehmbar ist.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch welches die Leistung eines Brennstoffzellensystems auf einfache Weise eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 18 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bausatz erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bausatz erläutert.
Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bausatzes durchgeführt wird.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem mit vorteilhaften Eigenschaften bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 19 gelöst.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bausatz erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bausatz erläutert.
Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bausatzes hergestellt wird.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Bausatzes hergestellten Brennstoffzellensystems;
2 eine schematische Darstellung eines Teilbereichs des Brennstoffzellensystems gemäß 1.

Ein Ausführungsbeispiel eines unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Bausatzes hergestellten Brennstoffzellensystems, welches in 1 gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Anzahl von Brennstoffzellenmodulen (Energiemodulen oder Leistungsmodulen), welche aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet sind, eine Brennstoffversorgungseinrichtung 14, eine Oxidatorversorgungseinrichtung 16 und eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 18.
Die von dem Brennstoffzellensystem bereitzustellende elektrische Leistung wird durch die Anzahl und die Einzelleistungen der eingesetzten Brennstoffzellenmodule 12 bestimmt. Dabei sind die eingesetzten Brennstoffzellenmodule 12 aus dem erfindungsgemäßen Bausatz in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Einzelleistungen ausgewählt.
Durch die Brennstoffversorgungseinrichtung 14 kann den eingesetzten Brennstoffzellenmodulen 12 jeweils Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, zugeführt werden, was in 1 mit einem Richtungspfeil 20 angedeutet ist. Insbesondere kann die Brennstoffversorgungseinrichtung 14 auch einen Brennstoffspeicher umfassen, in dem Brennstoff vorrätig gehalten werden kann, oder an einen derartigen Brennstoffspeicher angeschlossen sein.
Durch die Oxidatorversorgungseinrichtung 16 ist den Brennstoffzellenmodulen 12 jeweils Oxidator zuleitbar, was in 1 mit einem Richtungspfeil 22 angedeutet ist. Die Oxidatorversorgungseinrichtung 16 kann beispielsweise eine Vorpumpe, durch welche Luft, deren Sauerstoff als Oxidator verwendet werden soll, den Brennstoffzellenmodulen mit einem bestimmten Druck und Massenstrom bereitstellbar ist, und/oder einen Luftfilter, durch welchen den Brennstoffzellenmodulen zuzuführende Luft aufreinigbar ist, und/oder einen Schalldämpfer und/oder weitere Komponenten wie Ventile, Sensoren oder ein oder mehrere zur räumlichen Führung des Oxidators vorgesehene Leitbleche umfassen.
Durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 18 sind Betriebsabläufe der Brennstoffzellenmodule 12 steuerbar und/oder regelbar, was in 1 mit einem Richtungspfeil 24 angedeutet ist. Mit der Steuerungs- und/oder Regetungseinrichtung 18 sind weiterhin Arbeitsabläufe der Brennstoffversorgungseinrichtung 14 und der Oxidatorversorgungseinrichtung 16 steuer- und/oder regelbar, was in 1 mit Richtungspfeilen 26 bzw. 28 angedeutet ist.
Weiterhin ist in dem Brennstoffzellensystem 10 ein Kühlmittelkreislauf vorgesehen. In dem Kühlmittelkreislauf ist Kühlmittel, welches an den Brennstoffzellenmodulen 12 im Betrieb frei werdende Wärme aufgenommen hat, in eine Kühlungseinrichtung 30 führbar, was in 1 mit einem Richtungspfeil 32 angedeutet ist. Die Kühlungseinrichtung 30 kann beispielsweise einen von einem Ventilator mit Kühlluft beaufschlagbaren Wärmetauscher umfassen. Von der Kühlungseinrichtung 30 ist gekühltes Kühlmittel wieder zurück zu den Brennstoffzellenmodulen 12 führbar, was in 1 mit einem Richtungspfeil 34 angedeutet ist. Für die Führung des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreislauf kann eine Rezirkulationspumpe vorgesehen sein.
Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem 10 einen Leistungsumwandler 36, durch den die elektrische Leistung der miteinander kombinierten Brennstoffzellenmodule 12 abnehmbar ist, was in 1 mit einem Richtungspfeil 38 angedeutet ist. In dem Leistungsumwandler 36 kann die von den Brennstoffzellenmodulen 12 bereitgestellte Leistung in Abhängigkeit von der jeweils vorgesehenen Anwendung des Brennstoffzellensystems 10 umgewandelt, beispielsweise auf eine andere Spannung eingestellt, werden.
Die in dem Leistungsumwandler 36 umgewandelte elektrische Leistung ist an eine Energieabgabeeinrichtung 39 weiterleitbar, was in 1 mit einem Richtungspfeil 41 angedeutet ist. Durch die Energieabgabeeinrichtung 39 kann die in dem Brennstoffzellensystem 10 erzeugte elektrische Leistung einem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden, was in 1 mit einem Richtungspfeil 43 angedeutet ist. Insbesondere kann die Energieabgabeeinrichtung 39 einen elektrischen Abgabeanschluss umfassen, an den ein korrespondierender elektrischer Versorgungsanschluss eines Verbrauchers angekoppelt werden kann.
Ferner sind in dem Brennstoffzellensystem 10 eine Brennstoffabführungseinrichtung 40 und eine Oxidatorabführungseinrichtung 42 vorgesehen. Durch die Brennstoffabführungseinrichtung 40 ist in den Brennstoffzellenmodulen 12 nicht verbrauchter Brennstoff abnehmbar, was in 1 mit einem Richtungspfeil 44 angedeutet ist. In der Brennstoffabführungseinrichtung 40 gesammelter Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, kann vorzugsweise für eine weitere Verwendung vorrätig gehalten werden. In die Oxidatorabführungseinrichtung 42 kann in den Brennstoffzellenmodulen 12 nicht verbrauchter Oxidator geleitet werden, was in 1 mit einem Richtungspfeil 46 angedeutet ist. Bei einer Verwendung von Luftsauerstoff als Oxidator kann nicht verbrauchte Luft von der Oxidatorabführungseinrichtung 42 an die Atmosphäre abgegeben werden.
Sämtliche Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 sind innerhalb einer Umhausung 47 angeordnet und dadurch gegen Schädigungen durch Einwirkungen von außen geschützt. Die Umhausung 47 kann geschlossen sein. Insbesondere kann ein elektrischer Abgabeanschluss der Energieabgabeeinrichtung 39 an der Umhausung 47 angeordnet sein, so dass ein Verbraucher auf einfache Weise an den elektrischen Abgabeanschluss angeschlossen werden kann.
2 zeigt einen die Brennstoffzellenmodule 12 umfassenden Teilbereich des Brennstoffzellensystems 10, wobei in 2 beispielhaft zwei in das Brennstoffzellensystem 10 aufgenommene Brennstoffzellenmodule 12a, 12b gezeigt sind.
Die Brennstoffzellenmodule 12a, 12b sind identisch aufgebaut. Die Bezugszeichen einander entsprechender Komponenten der Brennstoffzellenmodule 12a, 12b unterscheiden sich nur in ihren Zusatzbuchstaben, wobei für Komponenten des Brennstoffzellenmoduls 12a der Zusatzbuchstabe „a“ und für Komponenten des Brennstoffzellenmoduls 12b der Zusatzbuchstabe „b“ gewählt ist. Im Folgenden wird beispielhaft die Struktur eines Brennstoffzellenmoduls 12a erläutert.
Das Brennstoffzellenmodul 12a umfasst einen Verdichter 48a, eine Befeuchtungseinrichtung 50a und ein Brennstoffzellenstack 52a.
Das Brennstoffzellenstack 52a umfasst eine Mehrzahl elektrisch miteinander in Reihe geschalteter Brennstoffzellen, in denen jeweils aus der chemischen Energie einer Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Oxidator elektrische Energie gewonnen werden kann. Als Brennstoffzellen sind insbesondere Polymerelektrolytbrennstoffzellen vorgesehen, in welchen eine feste Polymermembran, beispielsweise aus Nation, als Elektrolyt verwendet wird.
Der Verdichter 48a kann Oxidator, welchen er dem Brennstoffzellenstack 52a bereitstellt, mit einem für den Betrieb der Brennstoffzellen notwendigen erhöhten Druck versehen.
Die Polymermembranen der Brennstoffzellen müssen während des Betriebs befeuchtet gehalten werden. Ihre ausreichende Befeuchtung wird durch die Befeuchtungseinrichtung 50a gewährleistet. In der Befeuchtungseinrichtung 50a kann Oxidator mit einem erhöhten Wassergehalt versehen werden. Wird der Oxidator nachfolgend zu den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks 52a weitergeleitet, kann sein erhöhter Wassergehalt dort zur Befeuchtung der Polymermembranen genutzt werden.
Es ist auch möglich, dass eine Befeuchtungseinrichtung als interne Komponente des Brennstoffzellenstacks 52a vorgesehen ist. In diesem Fall kann in der internen Befeuchtungseinrichtung des Brennstoffzellenstacks 52a mit einem erhöhten Wassergehalt versehener Oxidator nachfolgend zu den einzelnen Brennstoffzellen dieses Brennstoffzellenstacks 52a weitergeleitet werden.
Das Brennstoffzellenstack 52a, die Befeuchtungseinrichtung 50a und der Verdichter 48a sind aufeinander abgestimmt, also jeweils so ausgelegt, dass ein Betrieb des Brennstoffzellenstacks 52a auf einem insbesondere für die Leistungsabgabe optimalen Arbeitspunkt bei gleichzeitig hoher Effizienz der Befeuchtungseinrichtung 50a und des Verdichters 48a möglich ist.
Das Brennstoffzellenmodul 12a weist weiterhin einen Brennstoffversorgungsanschluss 54a auf. Durch eine Leitung 56a ist innerhalb des Brennstoffzellenmoduls 12a Brennstoff von dem Brennstoffversorgungsanschluss 54a zu dem Brennstoffzellenstack 52a führbar.
Das Brennstoffzellenmodul 12a weist zudem einen Oxidatorversorgungsanschluss 58a auf, von dem aus innerhalb des Brennstoffzellenmoduls 12a Oxidator durch eine Leitung 60a über den Verdichter 48a und nachfolgend die Befeuchtungseinrichtung 50a zu dem Brennstoffzellenstack 52a geleitet werden kann.
An dem Brennstoffzellenmodul 12a sind weiterhin ein über eine elektrische Verbindung 62a mit dem Brennstoffzellenstack 52a verbundener erster elektrischer Anschluss 64a und ein über eine elektrische Verbindung 66a mit dem Brennstoffzellenstack 52a verbundener zweiter elektrischer Anschluss 68a vorgesehen. Durch die elektrischen Verbindungen 62a, 66a ist an dem ersten elektrischen Anschluss 64a ein Pluspotential des Brennstoffzellenstacks 52a und an dem zweiten elektrischen Anschluss 68a ein Minuspotential des Brennstoffzellenstacks 52a bereitstellbar. Die elektrischen Verbindungen 62a, 66a können beispielsweise als elektrische Leitungen ausgebildet sein.
Eine Leitung 70a verbindet das Brennstoffzellenstack 52a mit einem Brennstoffabführungsanschluss 72a des Brennstoffzellenmoduls 12a, und eine Leitung 74a verbindet das Brennstoffzellenstack 52a mit einem Oxidatorabführungsanschluss 76a des Brennstoffzellenmoduls 12a.
Informationen über die Betriebsabläufe innerhalb des Brennstoffzellenmoduls 12a, die beispielsweise an die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 18 übermittelt werden können, sind durch diverse dem Brennstoffzellenmodul 12a zugeordnete Sensoren, welche in 2 nicht gezeigt sind, bereitstellbar.
Das Brennstoffzellenmodul 12a weist einen in 2 nicht gezeigten Signalanschluss auf, durch welchen Steuerungs- und/oder Regelungssignale der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 18 einkoppelbar sind.
Das Brennstoffzellenmodul 12a ist insbesondere als selbständig handhabbare Einheit ausgebildet und weist ein Gehäuse auf. Der Brennstoffversorgungsanschluss 54a, der Oxidatorversorgungsanschluss 58a, der Kathodenanschluss 64a, der Anodenanschluss 68a, der Brennstoffabführungsanschluss 72a und der Oxidatorabführungsanschluss 76a sind jeweils an dem Gehäuse angeordnet.
Weiterhin weist ein Brennstoffverteiler 78 der Brennstoffversorgungseinrichtung 14 eine Mehrzahl an Brennstoffabgabeanschlüssen 80a, 80b, 80c, 80d auf, von denen in 2 beispielhaft vier gezeigt sind. Dem Brennstoffverteiler 78 kann von weiteren Komponenten der Brennstoffversorgungseinrichtung 14 Brennstoff zugeführt werden. Durch jeden der Brennstoffabgabeanschlüsse 80a, 80b, 80c, 80d ist Brennstoff an ein Brennstoffzellenmodul abgebbar. Die Brennstoffabgabeanschlüsse 80a, 80b, 80c, 80d sind verschließbar.
Weiterhin ist in der Oxidatorversorgungseinrichtung 16 ein Oxidatorverteiler 82 vorgesehen. Von weiteren Komponenten der Oxidatorversorgungseinrichtung 16 kann dem Oxidatorverteiler 82 Oxidator zugeleitet werden. Der Oxidatorverteiler 82 weist eine Mehrzahl an Oxidatorabgabeanschlüssen 84a, 84b, 84c, 84d auf, von denen in 2 beispielhaft vier gezeigt sind, wobei durch jeden Oxidatorabgabeanschluss 84a, 84b, 84c, 84d Oxidator an ein Brennstoffzellenmodul abgebbar ist. Die Oxidatorabgabeanschlüsse 84a, 84b, 84c, 84d sind verschließbar.
Die Brennstoffabführungseinrichtung 40 umfasst einen Brennstoffsammler 86. An dem Brennstoffsammler 86 ist eine Mehrzahl von Brennstoffzugangsanschlüssen 88a, 88b, 88c, 88d vorgesehen, von denen in 2 beispielhaft vier gezeigt sind, durch die jeweils nicht verbrauchter Brennstoff aus einem Brennstoffzellenmodul aufnehmbar ist. Aus dem Brennstoffsammler 86 ist Brennstoff an weitere Komponenten der Brennstoffabführungseinrichtung 40 überführbar.
Weiterhin umfasst die Oxidatorabführungseinrichtung 42 einen Oxidatorsammler 90 mit einer Mehrzahl von Oxidatorzugangsanschlüssen 92a, 92b, 92c, 92d auf, von denen in 2 beispielhaft vier gezeigt sind, wobei jeder Oxidatorzugangsanschluss 92a, 92b, 92c, 92d für die Aufnahme nicht verbrauchten Oxidators aus einem Brennstoffzellenmodul verwendet werden kann. Aus dem Oxidatorsammler 90 kann Oxidator an weitere Komponenten der Oxidatorabführungseinrichtung 42 oder direkt an die Atmosphäre abgegeben werden.
Somit sind die Brennstoffversorgungseinrichtung 14, die Oxidatorversorgungseinrichtung 16, die Brennstoffabführungseinrichtung 40 und die Oxidatorabführungseinrichtung 42 jeweils so ausgelegt, dass sie wahlweise mit einer variablen Anzahl von Brennstoffzellenmodulen kombiniert werden können. Die jeweils vorgesehene Anzahl an Brennstoffabgabeanschlüssen 80a, 80b, 80c, 80d, an Oxidatorabgabeanschlüssen 84a, 84b, 84c, 84d, an Brennstoffzugangsanschlüssen 88a, 88b, 88c, 88d bzw. an Oxidatorzugangsanschlüssen 92a, 92b, 92c, 92d bestimmt die Anzahl von Brennstoffzellenmodulen, die mit der jeweiligen Einrichtung maximal kombiniert werden können. Insbesondere weisen diese Einrichtungen die gleiche Anzahl ihrer jeweiligen Anschlüsse auf.
Beispielhaft für eine zum Erhalt einer bestimmten Leistung des Brennstoffzellensystems 10 eingesetzte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 12 sind in 2 zwei Brennstoffzellenmodule 12a, 12b gezeigt. Die Brennstoffversorgungsanschlüsse 54a, 54b der eingesetzten Brennstoffzellenmodule 54a, 54b sind jeweils über eine Leitung 94a, 94b mit einem Brennstoffabgabeanschluss 80a, 80b des Brennstoffverteilers 78 verbunden. Die weiteren Brennstoffabgabeanschlüsse 80c, 80d des Brennstoffverteilers 78 sind geschlossen.
Die Oxidatorversorgungsanschlüsse 58a, 58b der Brennstoffzellenmodule 12a, 12b sind jeweils über eine Leitung 96a, 96b mit einem Oxidatorabgabeanschluss 84a, 84b des Oxidatorverteilers 82 verbunden. Die nicht mit Brennstoffzellenmodulen verbundenen Oxidatorabgabeanschlüsse 84c, 84d des Oxidatorverteilers 82 sind geschlossen.
Durch weitere Leitungen 98a, 98b ist jeweils der Brennstoffabführungsanschluss 72a, 72b jedes eingesetzten Brennstoffzellenmoduls 12a, 12b mit einem Brennstoffzugangsanschluss 88a, 88b des Brennstoffsammlers 86 verbunden. Weitere Leitungen 100a, 100b verbinden jeweils den Oxidatorabführungsanschluss 76a, 76b jedes der zwei Brennstoffzellenmodule 12a, 12b mit einem Oxidatorzugangsanschluss 92a, 92b des Oxidatorsammlers 90. Die Brennstoffzugangsanschlüsse 88c, 88d des Brennstoffsammlers 86 und die Oxidatorzugangsanschlüsse 92c, 92d des Oxidatorsammlers 90, welche jeweils nicht mit einem Brennstoffzellenmodul 12a, 12b verbunden sind, werden verschlossen gehalten.
Die Brennstoffzellenmodule 12a, 12b müssen mit dem Brennstoffverteiler 78, dem Oxidatorverteiler 82, dem Brennstoffsammler 86 und dem Oxidatorsammler 90 nicht notwendigerweise über Leitungen verbunden sein, wie dies in 2 dargestellt ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann beispielsweise auch jeweils ein Brennstoffabgabeanschluss 80a, 80b des Brennstoffverteilers 78 direkt an einen Brennstoffversorgungsanschluss 54a, 54b eines Brennstoffzellenmoduls 12a, 12b angekoppelt sein.
Die Brennstoffzellenmodule 12a, 12b sind miteinander elektrisch in Reihe geschaltet. Ein zweiter elektrischer Anschluss 68a eines ersten Brennstoffzellenmoduls 12a ist über eine elektrische Leitung 102 mit einem ersten elektrischen Anschluss 64b eines zweiten Brennstoffzellenmoduls 12b verbunden. Alternativ ist auch eine direkte elektrische Kopplung des zweiten elektrischen Anschlusses 68a des ersten Brennstoffzellenmoduls 12a an den ersten elektrischen Anschluss 64b des zweiten Brennstoffzellenmoduls 12b ohne eine zwischengeschaltete Leitung denkbar.
Durch in 2 nicht gezeigte elektrische Leitungen kann die von den Brennstoffzellenmodulen 12a, 12b insgesamt bereitgestellte elektrische Leistung an dem ersten elektrischen Anschluss 64a des ersten Brennstoffzellenmoduls 12a und dem zweiten elektrischen Anschluss 68b des zweiten Brennstoffzellenmoduls 12b abgenommen und dem Leistungsumwandler 36 zugeführt werden.
Es ist auch möglich, dass die Brennstoffzellenmodule 12a, 12b miteinander elektrisch parallel geschaltet sind. Es ist auch möglich, dass ein Teil der Brennstoffzellen seriell und ein anderer Teil parallel geschaltet ist.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem funktioniert wie folgt:
Innerhalb der Brennstoffversorgungseinrichtung 14 wird Brennstoff, beispielsweise aus einem Vorratstank der Brennstoffversorgungseinrichtung 14 entnommener Wasserstoff, in den Brennstoffverteiler 78 geleitet. Über die Leitungen 94a, 94b wird der Brennstoff anschließend zu den zwei Brennstoffzellenmodulen 12a, 12b des Brennstoffzellensystems 10 überführt. Innerhalb der Brennstoffzellenmodule 12a, 12b wird er durch die Leitungen 56a, 56b zu den Brennstoffzellenstacks 52a, 52b geleitet. Ein für den Betrieb der Brennstoffzellenstacks 52a, 52b auf ihrem jeweiligen Arbeitspunkt geeigneter Druck und Massenstrom des Brennstoffs können dabei bereits in der Brennstoffversorgungseinrichtung 14 eingestellt werden.
Innerhalb der Oxidatorversorgungseinrichtung 16 wird Oxidator, beispielsweise mithilfe einer Vorpumpe, in den Oxidatorverteiler 82 überführt. Von dem Oxidatorverteiler 82 wird er über die Leitungen 96a, 96b zu den Brennstoffzellenmodulen 12a, 12b weitergeleitet, innerhalb derer er anschließend in den Leitungen 60a, 60b durch die Verdichter 48a, 48b und anschließend die Befeuchtungseinrichtungen 50a, 50b zu den Brennstoffzellen der Brennstoffzellenstacks 52a, 52b geführt wird. Dabei werden in den Verdichtern 48a, 48b die Massenströme und Drücke und in den Befeuchtungseinrichtungen 50a, 50b die Feuchtigkeitsgehalte der jeweiligen Teilströme an Oxidator so eingestellt, dass die Brennstoffzellenstacks 52a, 52b auf ihrem jeweiligen insbesondere für die Leistungsabgabe optimalen Arbeitspunkt betrieben werden können.
In den Brennstoffzellenstacks 52a, 52b wird chemische Energie des Brennstoffs und des Oxidators in elektrische Energie umgewandelt. Die in den Brennstoffzellenstacks 52a, 52b bereitgestellte elektrische Leistung wird, da die Brennstoffzellenmodule 12a, 12b elektrisch in Reihe geschaltet sind, an dem ersten elektrischen Anschluss 64a des ersten Brennstoffzellenmoduls 12a und dem zweiten elektrischen Anschluss 68b des zweiten Brennstoffzellenmoduls 12b abgenommen und dem Leistungsumwandler 36 übermittelt. Durch den Leistungsumwandler 36 wird die elektrische Leistung umgewandelt, beispielsweise in der Spannung verändert, so dass sie für die für das Brennstoffzellensystem 10 vorgesehene Anwendung nutzbar wird.
Die Betriebsabläufe der Brennstoffzellenmodule 12a, 12b, der Brennstoffversorgungseinrichtung 14 und der Oxidatorversorgungseinrichtung 16 werden jeweils durch von der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 18 abgegebene Signale gesteuert und/oder geregelt.
Während des Betriebs der Brennstoffzellenmodule 12a, 12b in den Brennstoffzellenstacks 52a, 52b freigesetzte Wärme wird durch Kühlmittel aufgenommen, welches in dem Kühlmittelkreislauf der Kühlungseinrichtung 30 zugeführt, in dieser abgekühlt und anschließend erneut den Brennstoffzellenmodulen 12a, 12b zugeführt wird. Dadurch ist die Betriebstemperatur der Brennstoffzellenstacks 52a, 52b kontrollierbar.
In den Brennstoffzellenstacks 52a, 52b nicht umgesetzter Brennstoff wird innerhalb der Brennstoffzellenmodule 12a, 12b durch die Leitungen 70a, 70b zu den Brennstoffabführungsanschlüssen 72a, 72b und von diesen aus durch die Leitungen 98a, 98b zu dem Brennstoffsammler 86 geführt. In diesem wird der nicht verbrauchte Brennstoff gesammelt und anschließend weitergeleitet, um beispielsweise für eine weitere Verwendung gelagert oder gegebenenfalls an die Umgebung abgegeben zu werden.
In den Brennstoffzellenstacks 52a, 52b nicht verbrauchter Oxidator wird innerhalb der Brennstoffzellenmodule 12a, 12b durch die Leitungen 74a, 74b zu den Oxidatorabführungsanschlüssen 76a, 76b geführt. Von diesen aus wird er über die Leitungen 100a, 100b zu dem Oxidatorsammler 90 geleitet, von dem er beispielsweise direkt an die Atmosphäre abgegeben werden kann, wenn es sich bei dem Oxidator um Luftsauerstoff handelt.
Mit dem erfindungsgemäßen Bausatz lässt sich auf einfache Weise ein Brennstoffzellensystem mit einstellbarer Leistung realisieren. Da sich die Leistung des Brennstoffzellensystems aus der Summe der Einzelleistungen der in ihm eingesetzten Brennstoffzellenmodule ergibt, kann sie durch eine Kombination von eingesetzten Brennstoffzellenmodulen gezielt eingestellt werden.
Die Auswahl der aufgenommenen Brennstoffzellenmodule kann geändert werden, indem einzelne Brennstoffzellenmodule entnommen und/oder andere Brennstoffzellenmodule, welche durch den Bausatz bereitgestellt sind, neu eingesetzt werden. Diese Leistungseinstellung wird dadurch ermöglicht, dass die Brennstoffzellenmodule jeweils als unabhängige Einheiten ausgebildet und selbständig handhabbar sind.
Wenn beispielsweise sämtliche Brennstoffzellenmodule des Bausatzes gleich ausgebildet sind und die gleiche Einzelleistung aufweisen, kann durch eine Verdopplung der Anzahl der eingesetzten Brennstoffzellenmodule eine Verdopplung der Leistung des Brennstoffzellensystems erzielt werden.
Dadurch, dass der Verdichter und die Befeuchtungseinrichtung jedes Brennstoffzellenmoduls auf das jeweilige mindestens eine Brennstoffzellenmodul abgestimmt sind, ist dabei sichergestellt, dass bei jeder möglichen Auswahl an Brennstoffzellenmodulen jedes einzelne Brennstoffzellenmodul in dem Brennstoffzellensystem effektiv betrieben werden kann.
Somit bestimmen die eingesetzten Brennstoffzellenmodule in ihrer Kombination die Leistung des Brennstoffzellensystems, wobei jedes einzelne Brennstoffzellenmodul für sich optimiert betrieben werden kann und seine Arbeitspunkteinstellung durch die Kombination mit weiteren Brennstoffzellenmodulen nicht verändert wird. Vor diesem Hintergrund können die Brennstoffzellenmodule auch als Energiemodule oder Leistungsmodule bezeichnet werden. Es wird ein hoher Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems mit Einstellbarkeit der Systemleistung erzielt.

Claims

Bausatz für ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen (12a, 12b), wobei jedes Brennstoffzellenmodul (12a, 12b) mindestens ein Brennstoffzellenstack (52a, 52b), eine Befeuchtungseinrichtung (50a, 50b) zur Befeuchtung des mindestens einen Brennstoffzellenstacks (52a, 52b) und einen Verdichter (48a, 48b), durch welchen dem mindestens einen Brennstoffzellenstack (52a, 52b) verdichteter Oxidator bereitstellbar ist, umfasst und die Befeuchtungseinrichtung (50a, 50b) und der Verdichter (48a, 48b) jedes Brennstoffzellenmoduls (12a, 12b) auf das jeweilige mindestens eine Brennstoffzellenstack (52a, 52b) abgestimmt sind, wobei die Brennstoffzellenmodule (12a, 12b) zur Leistungseinstellung des Brennstoffzellensystems miteinander und mit weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems, insbesondere mit einer Brennstoffversorgungseinrichtung (14) und einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (18), kombinierbar sind, wobei die einzelnen Brennstoffzellenmodule (12a, 12b) ohne die weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems nicht eigenständig betriebsfähig sind.
Bausatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellenmodule (12a, 12b) zu ihrer Kombination miteinander elektrisch in Reihe schaltbar und/oder miteinander elektrisch parallel schaltbar sind.
Bausatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche oder eine Mehrheit der Brennstoffzellenmodule (12a, 12b) gleich ausgebildet sind.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Brennstoffzellenstack (52a, 52b) eines Brennstoffzellenmoduls (12a, 12b) Polymerelektrolytbrennstoffzellen umfasst.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Befeuchtungseinrichtung (50a, 50b) mindestens eines Brennstoffzellenmoduls (12a, 12b) ein Kapillarmodul vorgesehen ist.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Brennstoffzellenmodul (12a, 12b) einen Brennstoffversorgungsanschluss (54a, 54b) aufweist.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Brennstoffzellenmodul (12a, 12b) einen Oxidatorversorgungsanschluss (58a, 58b) aufweist.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Brennstoffzellenmodul (12a, 12b) einen Brennstoffabführungsanschluss (72a, 72b) und/oder einen Oxidatorabführungsanschluss (76a, 76b) aufweist.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Brennstoffzellenmodul (12a, 12b) einen Signalanschluss aufweist.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Brennstoffzellenmodul (12a, 12b) einen ersten elektrischen Anschluss (64a, 64b) und einen zweiten elektrischen Anschluss (68a, 68b) aufweist.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Brennstoffzellenmodul (12a, 12b) als selbständig handhabbare Einheit ausgebildet ist.
Bausatz nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die als selbständig handhabbare Einheit ausgebildeten Brennstoffzellenmodule (12a, 12b) jeweils ein Gehäuse aufweisen.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Brennstoffversorgungseinrichtung (14), welche einen Brennstoffverteiler (78) mit mehreren Brennstoffabgabeanschlüssen (80a, 80b, 80c, 80d) umfasst.
Bausatz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffversorgungseinrichtung (14) einen Signalanschluss aufweist.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Oxidatorversorgungseinrichtung (16), welche einen Oxidatorverteiler (82) mit mehreren Oxidatorabgabeanschlüssen (84a, 84b, 84c, 84d) umfasst.
Bausatz nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidatorversorgungseinrichtung (14) einen Signalanschluss aufweist.
Bausatz nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (18), welche mindestens einen Signalausgabeanschluss aufweist.
Verfahren zur Einstellung der Leistung eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung eines Bausatzes gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem Brennstoffzellenmodule miteinander kombiniert werden, wobei jedes Brennstoffzellenmodul mindestens ein Brennstoffzellenstack, eine Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung des mindestens einen Brennstoffzellenstacks und einen Verdichter, durch welchen dem mindestens einen Brennstoffzellenstack verdichteter Oxidator bereitstellbar ist, umfasst und die Befeuchtungseinrichtung und der Verdichter jedes Brennstoffzellenmoduls auf das jeweilige mindestens eine Brennstoffzellenstack abgestimmt sind, und bei dem die Anzahl der miteinander zu kombinierenden Brennstoffzellenmodule unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Einzelleistungen durch die zu erzielende Systemleistung vorgegeben wird.
Brennstoffzellensystem, hergestellt unter Verwendung eines Bausatzes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, umfassend eine Brennstoffversorgungseinrichtung (14) und eine Mehrzahl von miteinander kombinierten Brennstoffzellenmodulen (12a, 12b), wobei jedes Brennstoffzellenmodul (12a, 12b) als unabhängige Einheit ausgebildet ist und mindestens ein Brennstoffzellenstack (52a, 52b), eine Befeuchtungseinrichtung (50a, 50b) zur Befeuchtung des mindestens einen Brennstoffzellenstacks (52a, 52b) und einen Verdichter (48a, 48b), durch welchen dem mindestens einen Brennstoffzellenstack (52a, 52b) verdichteter Oxidator bereitstellbar ist, umfasst, und wobei die Befeuchtungseinrichtung (50a, 50b) und der Verdichter (48a, 48b) jedes Brennstoffzellenmoduls (12a, 12b) auf das jeweilige mindestens eine Brennstoffzellenstack abgestimmt sind.