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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen.
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Brennstoffzellen dienen der Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation eines geeigneten Brennstoffs, also Reduktionsmittels, wie beispielsweise Wasserstoff mit Luft oder Sauerstoff. Bei normalem Betrieb der Brennstoffzelle entsteht Abwärme. Die Abwärme entsteht dabei an einzelnen Elementen, wie beispielsweise den Elektroden, einer Protonenaustauschmembran oder an anderen Elementen. Zur Abfuhr von Abwärme werden häufig Kühlsysteme eingesetzt.
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Durch atypische Betriebsweisen und Störungen oder Schädigungen der Brennstoffzelle kann es an der Brennstoffzelle zu einer lokalen Temperaturerhöhung kommen, die von einem Betriebskühlsystem nicht ausreichend unterbunden werden. Beispielsweise kann sich die Brennstoffzelle oder Teile derselben an Stellen erwärmen, die mit der explosionsfähigen Umgebungsatmosphäre in Berührung kommen. Problematisch in Bezug auf den Explosionsschutz ist dabei vor allem, dass durch die lokalen Temperaturerhöhungen Heißpunkte an der äußeren Oberfläche der Brennstoffzelle entstehen können, deren Lage nicht vorhersehbar ist.
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Innerhalb der Brennstoffzelle können verschiedene Fehlerszenarien zur Entstehung solcher lokaler Temperaturüberhöhungen führen. Beispielsweise wird bei einer degradationsbedingten Schädigung einer Polymerelektrolytmembran deren sicherheitsrelevante Funktion der Gasseparation und elektrischer Isolation zwischen den Elektroden aufgehoben. Tritt in der Folge interner Gasübertritt, also eine interne Leckage auf, ergibt sich eine direkte exotherme Umsetzung des beispielsweise sich bildenden Wasserstoff-Luftgemisch an der aktiven Schicht der Elektrode. Auch ist ein direkter Kontakt der beiden sich gegenüber liegenden Elektroden nicht auszuschließen. Eine lokale Aufheizung der Kontaktstelle durch erhöhte Stromdichten oder Übergangswiderstände kann die Folge sein.
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Auch kann eine Zellspannungsumpolung, beispielsweise infolge einer Edukte-Verarmung oder von Überströmen, dazu führen, dass die betreffende Zelle im Stack keine elektrische Leistung liefert, sondern vielmehr aufnimmt, wodurch die Temperatur dieser Zelle stark ansteigen kann. Eine lokale Temperaturerhöhung einer Brennstoffzelle stellt jedoch eine potentielle Zündquelle dar, wenn die Brennstoffzelle in explosionsgefährdeter Umgebung eingesetzt wird.
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Der Einsatz von Brennstoffzellen in explosionsgefährdeten Bereichen wird von der
DE 103 46 852 A1 vorgeschlagen, wobei dort sowohl die Brennstoffzelle als auch der zugehörige Wasserstoffspeicher innerhalb eines Containments angeordnet sind. Das Containment ist mit einem Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff oder sauberer Luft beaufschlagt, um die darin enthaltene Brennstoffzelle und den Wasserstoffspeicher in einer Überdruckkapselung einzuschließen. Die Brennstoffzelle kann mit einer Kühleinrichtung versehen sein, um Wärme an die Umgebung und bedarfsweise gegebenenfalls an einen Wasserstoffhybridspeicher abzugeben.
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Die Überdruckkapselung einer Brennstoffzelle kann dazu benutzt werden, eine explosionsgefährdete Atmosphäre von der Brennstoffzelle fernzuhalten. Jedoch ist die Überdruckkapselung nur mit einem relativ hohen Aufwand realisierbar, weil sie, zumindest wenn das Containment nicht hermetisch dicht ist, ein ständiges Durchspülen oder Ausgleich der Leckverluste verlangt. Hinzu kommt, dass in der Anlaufphase durch mehrmaliges Durchspülen sichergestellt werden muss, dass kein explosionsfähiges Gemisch mehr im Containment enthalten ist, bevor das elektrische Einschalten überhaupt zulässig ist. Dazu sind komplexe Überwachungs- und Steuereinrichtungen notwendig, die ebenso wie die Abschalteinrichtung z. B. in druckfester Kapselung geschützt werden müssen. Außerdem ist in vielen Anwendungen saubere Luft oder Inertgas nicht Vorort verfügbar und muss von außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs zugeführt werden. Bei mobilen Anwendungen ist dies meist gar nicht möglich.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Konzept zum explosionssicheren Einsatz von Brennstoffzellen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit der Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 gelöst:
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung umfasst ein Brennstoffzellenstack mit mindestens einem Eingang für ein Oxidationsmittel, mindestens einem Eingang für ein Reduktionsmittel (Brennstoff), mindestens einem Ausgang für Reaktionsprodukte und/oder Restgase und mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen. Der Brennstoffzellenstack umfasst vorzugsweise mehrere einzelne Brennstoffzellen, die über einen entsprechenden Verteiler an die jeweiligen Eingänge und Ausgänge angeschlossen und mit elektrischen Anschlüssen verbunden sind. Das Oxidationsmittel ist beispielsweise Luft oder Sauerstoff. Das Reduktionsmittel ist Wasserstoff oder ein anderer Brennstoff.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ist mit einem Wärmeausgleichsmantel versehen, der dazu dient, die Wärmeverteilung an der äußeren, mit der potenziell explosionsfähigen Atmosphäre in Berührung stehenden Oberfläche zu egalisieren, um Hot Spots zu vermeiden. Der Wärmeausgleichsmantel kann als integraler Bestandteil des Brennstoffzellenstacks innerhalb desselben oder alternativ als äußerer Mantel desselben ausgebildet sein.
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In der zweitgenannten Variante umfasst die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ein Containmentgehäuse, das den Brennstoffzellenstack umschließt und zur Ausbildung des Wärmeausgleichsmantels mit einem Wärmeausgleichsfluid gefüllt ist, das den Brennstoffzellenstack allseits, d. h. 6-seitig umgibt. Damit ist in jeder Richtung zwischen der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks und dem Containmentgehäuse eine Schicht Wärmeausgleichsfluid angeordnet. Die Schichtdicke ist vorzugsweise so groß, dass die Wärmekapazität des in der Schicht vorhandenen Wärmeausgleichsfluidvolumens ausreicht, um im Fehlerfalle an der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks freiwerdende Wärmemengen innerhalb sicherer Temperaturgrenzen aufzunehmen. Das Wärmeausgleichsfluid ist vorzugsweise eine elektrisch isolierende Flüssigkeit mit hohem Wärmespeichervermögen. Es kann auch Wasser (z. B. reines Wasser) oder eine wässrige Lösung Anwendung finden. Als ein „hohes Wärmespeichervermögen” wird in obigem Sinne ein Wärmespeichervermögen angesehen, das mindestens 1/3, vorzugsweise mindesten halb so groß ist wie das Wärmespeichervermögen von Wasser. Vorzugsweise ist das Wärmeausgleichsfluid eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität. Unter „niedriger Viskosität” wird ein Viskositätswert verstanden, der niedriger ist als die doppelte Viskosität von Wasser.
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Als Wärmeausgleichsfluid kann auch ein eine hochviskose Flüssigkeit oder ein Gel mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sein, das in der Lage ist, die Temperatur von Heißpunkten der Brennstoffzelle schnell gleichmäßig zu verteilen. Letzteres setzt allerdings die Trennung vom Kühlkreislauf voraus. Ein „hohes Wärmeleitvermögen” ist dabei ein Wärmeleitvermögen, das so groß ist, dass die von Heißpunkten ausgehende Wärme so verteilt wird, dass an dem Containmentgehäuse keine gefählichen Temperaturen auftreten.
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Der Brennstoffzellenstack ist in dem Containmentgehäuse von allen Wänden des Containmentgehäuses beabstandet gehalten. Auf diese Weise wird jede lokale Oberflächenerwärmung des Brennstoffzellenstacks zunächst von dem Wärmeausgleichsfluid aufgenommen und beseitigt (gepuffert). Jedenfalls aber wird die an der lokal erwärmten Stelle auftretende Wärmemenge nicht konzentriert an das Containmentgehäuse weiter gegeben, sondern auf große Flächen desselben verteilt. Die oberflächliche Erwärmung des Containmentgehäuses ist somit weitaus geringer als bei direktem Kontakt zwischen Brennstoffzellenstack und Containmentgehäuse, so dass Heißpunkte vermieden und keine gefährlichen Temperaturen erreicht werden können.
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Um den Brennstoffzellenstack in dem Containmentgehäuse von in Wänden des Containmentgehäuses beabstandet zu halten, kann der Brennstoffzellenstack durch einzelne, vorzugsweise nicht oder schlecht wärmeleitende Elemente wie beispielsweise Kunststoffstege, Keramikstege oder auch Metallstege oder dergleichen, in den Innenraum des Containmentgehäuses gehalten und abgestützt sein.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung kann mindestens einen von einem Kühlmedium durchflossenen Kühlkanal aufweisen. Dieser dient der betriebsmäßigen Kühlung des Brennstoffzellenstacks und kann zum Beispiel mit einem externen Kühler verbunden sein, um einen Kühlkreislauf zu etablieren. Das Kühlfluid in dem Kühlkanal kann das gleiche Fluid sein wie das Wärmeausgleichsfluid. Es kann jedoch auch ein anderweitiges Fluid gewählt werden.
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Der Kühlkreislauf kann von dem Wärmeausgleichsfluid getrennt geführt werden, in einer anderen Variante steht er mit dem Wärmeausgleichsfluid im Innenraum des Containmentgehäuses in Verbindung.
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Das Wärmeausgleichsfluid kann in dem Containmentgehäuse unter Überdruck gehalten sein. Das Containmentgehäuse ist in diesem Fall gegen die Umgebung abgeschlossen. Es ist auch möglich, an dem Containmentgehäuse eine Druckentlastungsöffnung vorzusehen, um einen Druckausgleich zwischen der Umgebung und dem Innenraum des Containmentgehäuses herzustellen. In der Druckentlastungsöffnung kann eine Flammensperre angeordnet sein.
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Die Anordnung des Brennstoffzellenstacks innerhalb eines Wärmeausgleichsmediums, das den Brennstoffzellenstack allseitig umgibt, schafft die Möglichkeit einer integrativen Temperaturüberwachung. Beispielsweise kann ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Wärmeausgleichsfluid vorgesehen werden, der mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sein kann. Treten an der Oberfläche der Brennstoffzelle lokale Erwärmungen auf, kann die damit einhergehende Erwärmung des Wärmeausgleichsfluids als Fehlersignal gewertet und zum Initiieren einer Notfallabschaltsequenz benutzt werden. Im Rahmen der Notfallabschaltsequenz kann beispielsweise die elektrische Last von der Brennstoffzelle getrennt und/oder (vorzugsweise danach) die Prozessgaszufuhr geschlossen werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Abgastemperatur des Brennstoffzellenstacks überwacht werden. Bei Überschreitung einer Temperaturgrenze kann eine Abschaltsequenz eingeleitet werden.
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Weiter ist es möglich, die Reaktionsprodukte oder Restgase durch eine Kühlschlange zu leiten, bevor sie die Brennstoffzellenanordnung verlassen. Die Kühlschlange kann beispielsweise in dem Wärmeausgleichsfluid angeordnet sein. Alternativ kann sie an den Kühlkreislauf angeschlossen sein.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung und/oder Unteransprüchen.
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Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung mit Fluid gefülltem Containment, in schematisierter Prinzipdarstellung.
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2–4 abgewandelte Ausführungsbeispiele der Fluidbrennstoffzellenanordnung mit fluidgefülltem Containmentgehäuse, jeweils in schematisierter Prinzipdarstellung, und
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5 ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzellenanordnung nach einer der 1 bis 4 und weiteren Komponenten, von denen eine oder mehrere gesondert oder zusammen mit der Brennstoffzellenanordnung in einem mit Fluid gefülltem Containment angeordnet sind, in schematisierter Prinzipdarstellung.
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In 1 ist eine Brennstoffzellenanordnung 10 veranschaulicht, die in einer explosionsgefährdeten Umgebung 11 angeordnet ist. Die Brennstoffzellenanordnung 10 gehört zu einem System, das explosionsgeschützt ausgebildet ist und außer der Brennstoffzellenanordnung noch weitere Komponenten, wie Kühler und Lüfter, Kompressoren, einen Akku, Sensoren und Aktoren sowie eine Steuerung umfasst, die vorzugsweise ebenfalls explosionsgeschützt ausgeführt sind.
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Kernstück der Brennstoffzellenanordnung 10 sind ein Brennstoffzellenstack 14 und ein diesen (zumindest fünfseitig) einhausendes Containmentgehäuse 15. Der Brennstoffzellenstack 14 umfasst mehrere, vorzugsweise viele, einzelne Brennstoffzellen, die zu einem Stapel (fachsprachlich: „stack”) zusammengefasst sind. Jede einzelne dieser Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Katode, ein dazwischen angeordnetes festes oder flüssiges Elektrolyt oder beispielsweise eine Protonenaustauschmembran sowie Gaszu- und ableitungsmittel mit entsprechenden Fluidkanälen. Außerdem können zu einer oder mehreren Brennstoffzellen jeweils Kühlelemente gehören. Die einzelnen Brennstoffzellenelemente sind über nicht weiter veranschaulichte Fluidverteiler zu einem Stack zusammengefasst. Symbolisch sind in 1 für alle Anoden ein Anodenblock 16, für alle Katoden ein Katodenblock 17 und für alle Kühlelemente eine Kühlblock 18 veranschaulicht. Es versteht sich jedoch, dass die einzelnen Anoden die Katoden und die Kühlelemente im Stack abwechselnd angeordnet sind.
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Der Brennstoffzellenstack 14 bildet beispielsweise einen quaderförmigen oder auch anderweitig geformten, beispielsweise zylindrischen Aufbau. An geeigneten Stellen sind Anschlüsse angebracht. Zu diesen gehören mindestens ein Eingang 19 für ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft oder Sauerstoff, ein Eingang 20 für ein Reduktionsmittel (d. h. Brennstoff) wie beispielsweise Methanol, Methanoldampf, Wasserstoff oder dergleichen, mindestens ein Ausgang 21, 22 für Produkte und/oder (Anoden-)Restgase sowie mindestens ein elektrischer Anschluss 23 und ein weiterer elektrischer Anschluss 24. Alternativ kann einer der Anschlüsse 23, 24 durch das Gehäuse des Brennstoffzellenstacks 14 selbst gebildet sein.
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Das Containmentgehäuse 15 umschließt einen Innenraum 25, in dem der Brennstoffzellenstack 14 ohne Flächenberührung zu dem Containmentgehäuse 15 angeordnet ist. Der Innenraum 25 ist mit einem Wärmeausgleichsfluid 26 gefüllt, das den Brennstoffzellenstack 14 allseitig, d. h. 6-seitig umschließt. Damit steht die Oberfläche des Brennstoffzellenstacks 14 allseitig mit dem Wärmeausgleichsfluid 26 in Berührung. Das Wärmeausgleichsfluid kann beispielsweise Wasser, vorzugsweise mineralienfreies Wasser oder auch eine andere vorzugsweise elektrisch nicht leitende niedrig viskose Flüssigkeit mit hoher Wärmekapazität sein.
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Es kann aber auch ein Gel mit hoher Wärmeleitfähigkeit zum Wärmeausgleich an dem Brennstoffzellenstack Verwendung finden, das in der Lage ist, die Temperatur von Heißpunkten der Brennstoffzelle schnell gleichmäßig zu verteilen. Letzteres setzt allerdings die Trennung vom Kühlkreislauf voraus.
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Der Brennstoffzellenstack 14 ist in dem Innenraum 25 durch geeignete Halter 27, 28, 29, 30 von allen Wänden, insbesondere auch der Bodenwand 31 des Containmentbehälters 15 im Abstand gehalten. Die Halter 27 bis 30 können aus Kunststoff, Keramik oder auch einem Metall ausgebildet sein. Vorzugsweise sind sie von ihrer Materialwahl oder auch durch konstruktive Maßnahmen so ausgestaltet, dass sie keine wesentliche Wärmeleitung haben. Außerdem sind sie an dem Brennstoffzellenstack 14 vorzugsweise an solchen Stellen angeordnet, an denen lokale Erwärmungen nicht zu erwarten sind.
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Anstelle der Halter 27 bis 30 können an der Innenseite des Containmentgehäuses 15 auch entsprechende Vorsprünge ausgebildet sein, auf denen der Brennstoffzellenstack 14 punktuell oder mit kleiner Auflagefläche gelagert ist. Auch können die Halter 27 bis 30 als Elemente des Brennstoffzellenstacks 14 ausgebildet sein.
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Die Anschlüsse 19, 20 sind mit Leitungen 32, 33 verbunden, die aus dem Containmentgehäuse 15 heraus führen. In diesen Leitungen 32, 33 können bei allen hier und nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen optional Ventile 34, 35 vorgesehen sein, um die Zufuhr von Oxidationsmittel und/oder Reduktionsmittel im Bedarfsfall abzusperren. Die Ventile 34, 35 können von einer Überwachungseinheit 36 gesteuert sein.
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Die Ausgänge 21, 22 sind an Leitungen 37, 38 angeschlossen, die die entstehenden Reaktionsprodukte und/oder Restgase aus dem Containmentbehälter 15 herausführen. Sowohl die Leitung 37 als auch die Leitung 38 kann bedarfsweise durch eine entsprechende Kühleinrichtung führen, beispielsweise in Gestalt einer Kühlschlange 39, 40. Die Kühlschlange 39, 40 kann in dem Innenraum 25 angeordnet sein, um mit dem Wärmeausgleichsfluid 26 in Berührung zu stehen und von diesem gekühlt zu werden. Alternativ können auch andere Kühlvorrichtungen für die in den Leitungen 37, 38 strömenden Medien in und/oder außerhalb des Containmentgehäuses 15 vorgesehen sein.
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Der Brennstoffzellenstack 14 ist vorzugsweise mit einer Kühlung versehen, wozu 1 den Kühlblock 18 zeigt. Dieser kann über eine Vorlaufleitung 41 und eine Rücklaufleitung 42 an einen Kühler 43 angeschlossen sein. In dem so gebildeten Kühlkreislauf kann außerdem eine Umwälzpumpe 44 angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Kühlkreislauf geschlossen, d. h. das in diesem strömende Kühlfluid ist von dem Wärmeausgleichsmedium 26 getrennt. Das Kühlfluid kann Wasser, Öl oder dergleichen sein.
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Die elektrischen Anschlüsse 23, 24 des Brennstoffzellenstacks 14 sind mit elektrischen Leitungen 45, 46 verbunden, die aus dem Containmentgehäuse 15 herausgeführt sind. Optional können die Leitungen 45, 46 mit einem elektrischen Schaler 47 verbunden sein, mit dem sich der Stromfluss in den Leitungen 45, 46 unterbrechen lässt. Der Schalter 47 kann zum Beispiel von der Überwachungseinheit 36 gesteuert werden. Der Schalter 47 ist bei dieser und jedem nachfolgenden Ausführungsbeispiel optional. Er kann innnerhalb oder außerhalb des Containmentgehäuses 15 angeordnet sein.
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Die Überwachungseinheit 36 kann mit Temperatursensoren verbunden sein, wie beispielsweise einem Temperatursensor 48, zur Erfassung der Temperatur des Wärmeausgleichsfluids 26. Ein oder mehrere weitere Temperatursensoren 49, 50 können beispielsweise zur Überwachung der Abgastemperatur des Brennstoffzellenstacks 14 an den Leitungen 37, 38 vorgesehen sein. Die Temperatursensoren 49, 50 können innerhalb oder außerhalb des Containmentbehälters 15 angeordnet sein. Sie können bezüglich der Fluiddurchströmungsrichtung vor oder hinter den Kühlschlangen 39, 40 angeordnet sein.
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Der Containmentbehälter 14 kann mit einer Druckentlastungsöffnung 51 versehen sein, die vorzugsweise an seiner Oberseite angebracht ist. In dieser kann bedarfsweise eine Flammensperre 52 angeordnet sein. Diese kann ober- oder unterhalb des Fluidspiegels des Wärmeausgleichsfluids 26 angeordnet sein. Alternativ kann das Containmentgehäuse 15 an seiner Oberseite offen sein.
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Die insoweit beschriebene Brennstoffzellenanordnung 10 arbeitet wie folgt:
Im Betrieb werden über die Leitungen 32, 33 bei offenen Ventilen 34, 35 Oxidationsmittel und Reduktionsmittel in den Brennstoffzellenstack 14 geleitet. Über die Leitungen 45, 46 fließt bei geschlossenem Schalter 47 der erzeugte Strom zur Versorgung einer nicht weiter veranschaulichten Last ab. Über die Leitungen 37, 38 verlässt der erzeugte Produktstrom den Brennstoffzellenstack. Die Auswerteeinrichtung 36 überwacht die Temperaturen des Wärmeausgleichsfluids 26 und des Produktstroms. Außerdem fördert die Umwälzpumpe 44 ständig Kühlmedium durch die Kühlkanäle, die durch den Kühlblock 18 symbolisiert werden.
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Bei ordnungsgemäßem Betrieb führt das Kühlsystem über den Kühler 43 die Verlustwärme des Brennstoffzellenstacks 14 sicher ab. Tritt jedoch ein Fehlerszenario ein, das zu einer lokalen Wärmeerzeugung an dem Brennstoffzellenstack 14 führt, kann diese lokale Erwärmung von dem Kühlkreislauf allein nicht in jedem Fall mit letzter Sicherheit abgeführt werden. Es kann deshalb zu einem Wärmestrom aus dem Brennstoffzellenstack 14 heraus kommen, der an der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks eine lokale Erwärmung verursacht. Der Wärmestrom tritt an dieser Stelle in das Wärmeausgleichsfluid 26 über und wird von diesem aufgenommen und verteilt. Das Wärmeausgleichsfluid umschließt den Brennstoffzellenstack 14 und verhindert den direkten Kontakt zur explosionsfähigen Atmosphäre der Umgebung 11. Außerdem bewirkt das Wärmeausgleichsfluid 26, dass etwaige heiße Stellen der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks 14 keine direkten Auswirkungen auf die Temperaturverteilung an der Oberfläche des Containmentbehälters 15 haben. Über Konvektionsvorgänge lässt sich praktisch im gesamten Volumen des Containmentgehäuses 15 eine homogene Temperaturverteilung verwirklichen. Das Wärmeausgleichsfluid stellt über seine Wärmekapazität einen thermischen Puffer dar. Somit kann der von dem Brennstoffzellenstack 14 ausgehende Wärmestrom die Temperatur des Containmentgehäuses 15 nicht sprunghaft ändern. Ferner bietet die Umschließung des Brennstoffzellenstacks 14 durch das Wärmeausgleichsfluid in Verbindung mit der im Vergleich zu dem Brennstoffzellenstack 14 größeren Oberfläche des Containmentgehäuses 14 einen zusätzlichen Kühleffekt.
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Stellt die Auswerteeinrichtung 36 eine Erwärmung des Wärmeausgleichsfluids 26 über einen gegebenen Grenzwert hinaus fest, kann sie die Ventile 34, 35 schließen und/oder den Schalter 47 öffnen (Lastabwurf). Es kann eine geordnete Abschaltsequenz gefahren werden. Gleiches kann erfolgen, wenn die Überwachungseinrichtung 36 mit Hilfe der Temperatursensoren 49, 50 eine zu hohe Abgastemperatur feststellt.
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Die insoweit beschriebene Brennstoffzellenanordnung 10 kann zahlreichen Abwandlungen unterliegen, die im Nachfolgenden beispielhaft erläutert werden. Dazu wird jeweils die vorige Beschreibung als gegeben vorausgesetzt. Es werden dazu gleiche Bezugszeichen eingesetzt.
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Wie 2 zeigt, kann bei jeder der zuvor oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen auf den Schalter 47 verzichtet werden. Ebenso ist es möglich, auf die Ventile 34, 35 zu verzichten. Stellt die Überwachungseinrichtung 36 dann einen Fehlerfall fest, kann ein Fehlersignal erzeugt und an andere nicht weiter dargestellte Anlagenteile, wie beispielsweise die angeschlossene Last oder die angeschlossene Brennstoffquelle, weitergegeben werden, um diese jeweils zu deaktivieren.
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Außerdem kann bei jeder der vorstehend und nachstehend beschriebenen Ausführungsformen, das von dem Wärmeausgleichsfluid 26 gebildete Wärmeausgleichssystem mit dem Kühlsystem verbunden werden, das durch den Kühlblock 18 die Vorlaufleitung 41, die Rücklaufleitung 42 sowie gegebenenfalls den Kühler 43 und die Umwälzpumpe 44 gebildet wird. Die Verkopplung der beiden Systeme kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass die Rücklaufleitung 42 an den Containmentbehälter 15 angeschlossen ist und mit dessen Innenraum 25 in Verbindung steht. Der Eingang 53 des Kühlblocks 18 kann dann in dem Innenraum 25 offen sein. Das Kühlfluid und das Wärmeausgleichsfluid sind in diesem Fall identisch. Über die Vorlaufleitung 42 gelangt das kühle Medium zunächst in den Innenraum 25 und von diesem über den Kühlblock 18 und die Vorlaufleitung 41 zurück zum Kühler 43. Die Verbindung kann alternativ auch an der Vorlaufleitung 41 in gleicher Weise geschaffen sein.
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Wie 3 zeigt, können bei jeder der vorstehend und nachstehend beschriebenen Ausführungsformen zusätzliche Mittel zur Erhöhung der Strömung innerhalb des Wärmeausgleichs 26 vorgesehen sein, beispielsweise in Gestalt einer Umwälzpumpe 54, die innerhalb oder außerhalb des Containmentbehälters 15 angeordnet sein kann.
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Eine weitere Abwandlung, die bei jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zur Anwendung kommen kann, betrifft die Kühlung der von dem Brennstoffzellenstack 14 abgegebenen Produkte. Die Kühlung kann ganz entfallen. Es ist jedoch auch möglich, wie dargestellt, in der zumindest einen Leitung 37 und/oder 38 Wärmetauscher anzuordnen. Diese können mit der Luft der Umgebung 11 in Verbindung stehen um von dieser gekühlt zu werden. Es ist auch möglich Wärmetauscher 55, 56 vorzusehen, die beispielsweise durch das Kühlmedium des Kühlkreislaufs gekühlt werden. Sie können parallel oder in Serie zueinander in der Rücklaufleitung 42 oder auch in der Vorlaufleitung 41 angeordnet sein. Außerdem können sie mit einem gesonderten eigenen Kühlkreislauf gekühlt sein, um die Wärme aus dem Produktstrom der Leitungen 37 und/oder 38 abzuführen.
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In 5 ist das gesamte Brennstoffzellensystem in einem Blockbild dargestellt. Wie ersichtlich ist die Brennstoffzellenanordnung 10 Teil eines Gesamtsystems, das insgesamt explosionsgeschützt ausgebildet ist. Zu dem Gesamtsystem können die folgenden Komponenten gehören: ein Kühlmodul 57 z. B. wie oben beschrieben Kühler 43 und Pumpe 44, ein Luftversorgungsmodul 58, ein Brennstoffversorgungsmodul 59, ein Brennstoffspeicher 60 (z. B. ein Wasserstoffspeicher) sowie ein Steuerungsmodul 61 gehören. Letzterer kann eine Steuereinheit 62 (z. B. SPS), einen Akku 63 und ein Energiemanagementmodul 64 umfassen. Das Energiemanagementmodul 64 kann mehrere Blöcke enthalten, z. B. einen Gleichspannungs/Wechselspannungs-Wandler und einen Block, der die Energieverteilung überwacht und reguliert. Das Containmentgehäuse 15 kann z. B. nur die Brennstoffzellenanordnung 10 oder alternativ auch weitere Blöcke, z. B. das Luftversorgungsmodul 58, das Brennstoffversorgungsmodul 59, den Brennstoffspeicher 60 und/oder das Steuerungsmodul 61 insgesamt oder Teile desselben enthalten.
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Zum Einsatz von Brennstoffzellen in explosionsgefährdeten Umgebungen wird vorgesehen, einen Brennstoffzellenstack 14, der mit einem Kühlsystem versehen sein kann, zusätzlich in einem Containmentbehälter 15 unterzubringen, der mit einem Wärmeausgleichsfluid 26 gefüllt ist. Das Wärmeausgleichsfluid 26 umspült den Brennstoffzellenstack 14 allseitig und verhindert einen direkten konzentrierten Wärmeübergang von der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks 14 auf das Containmentgehäuse 15. Das Wärmeausgleichsfluid 26 puffert und verteilt lokale von dem Brennstoffzellenstack 14 ausgehende Wärmespitzen und beseitigt somit Zündquellen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellenanordnung
- 11
- Explosionsgefährdete Umgebung
- 12
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- 13
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- 14
- Brennstoffzellenstack
- 15
- Containmentgehäuse
- 16
- Anodenblock
- 17
- Katodenblock
- 18
- Kühlblock
- 19
- Eingang für Oxidationsmittel
- 20
- Eingang für Reduktionsmittel
- 21
- Ausgang für Reaktionsprodukte oder Restgas
- 22
- Ausgang für Reaktionsprodukte oder Restgas
- 23
- Elektrischer Anschluss mit Verbindung zu den Anoden
- 24
- Elektrischer Anschluss mit Verbindung zu den Katoden
- 25
- Innenraum
- 26
- Wärmeausgleichsfluid
- 27
- Halter
- 28
- Halter
- 29
- Halter
- 30
- Halter
- 31
- Bodenwand
- 32
- Leitung für Oxidationsmittel
- 33
- Leitung für Reduktionsmittel
- 34
- Ventil für Oxidationsmittel
- 35
- Ventil für Reduktionsmittel
- 36
- Überwachungseinheit
- 37
- Erste Leitung für Produkte und/oder Restgase
- 38
- Zweite Leitung für Produkte und/oder Restgase
- 39
- Kühlschlange
- 40
- Kühlschlange
- 41
- Vorlaufleitung des Kühlsystems
- 42
- Rücklaufleitung des Kühlsystems
- 43
- Kühler
- 44
- Umwälzpumpe
- 45
- Elektrische Leitung
- 46
- Elektrische Leitung
- 47
- Schalter
- 48
- Temperatursensor für das Wärmeausgleichsfluid
- 49
- Temperatursensor für die Abgastemperatur
- 50
- Temperatursensor für die Abgastemperatur
- 51
- Druckausgleichsöffnung
- 52
- Flammensperre
- 53
- Eingang
- 54
- Umwälzpumpe
- 55
- Wärmetauscher
- 56
- Wärmetauscher
- 57
- Kühlmodul
- 58
- Luftversorgungsmodul
- 59
- Brennstoffversorgungsmodul
- 60
- Brennstoffspeicher
- 61
- Steuerungsmodul
- 62
- Steuereinheit
- 63
- Akku
- 64
- Energiemanagementmodul
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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