DE102016208891A1 - fuel cell module - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul 20, welches einen Zellenstapel und ein Modulgehäuse aufweist. Das Brennstoffzellenmodul 20 weist ferner einen Datenspeicher 50 und eine Datenverarbeitungsvorrichtung 60 auf, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung 60 zur Erfassung von Betriebsparametern und die Datenverarbeitungsvorrichtung 60 zur Speicherung der Betriebsparameter auf dem Datenspeicher 50 ausgebildet sind.The present invention relates to a fuel cell module 20 having a cell stack and a module housing. The fuel cell module 20 further has a data memory 50 and a data processing device 60, wherein the data processing device 60 for detecting operating parameters and the data processing device 60 for storing the operating parameters on the data memory 50 are formed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul, welches einen Zellenstapel und ein Modulgehäuse aufweist. Das Brennstoffzellenmodul weist ferner einen Datenspeicher und eine Datenverarbeitungsvorrichtung auf, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern und die Datenverarbeitungsvorrichtung zur Speicherung der Betriebsparameter auf dem Datenspeicher ausgebildet sind.The invention relates to a fuel cell module which has a cell stack and a module housing. The fuel cell module further has a data memory and a data processing device, wherein the data processing device for detecting operating parameters and the data processing device for storing the operating parameters are formed on the data memory.
Eine Vorrichtung zur Energieerzeugung auf Basis der Brennstoffzellentechnik ist regelmäßig aus Brennstoffzellenmodulen aufgebaut. Ein Brennstoffzellenmodul enthält dabei einen Stapel aus Brennstoffzellen. Die einzelne Zelle weist hierbei Anode und Katode auf, welche durch eine Membran, üblicherweise einen protonenleitende Membran, getrennt sind. Zwischen den einzelnen Zellen befinden sich sogenannte Bipolarplatten, welche auf der einen Seite Sauerstoff und auf der anderen Seite Wasserstoff in benachbarten Zellen zuführen. Durch den Aufbau der Zellen in einem Stapel wird zum einen eine sehr kompakte Bauweise ermöglicht, zum anderen kann die erzeugte Spannung durch eine Reihenschaltung erhöht werden.A device for power generation based on fuel cell technology is regularly constructed from fuel cell modules. A fuel cell module contains a stack of fuel cells. The single cell in this case has anode and cathode, which are separated by a membrane, usually a proton-conducting membrane. Between the individual cells are so-called bipolar plates, which supply oxygen on one side and hydrogen in adjacent cells on the other side. The construction of the cells in a stack on the one hand allows a very compact design, on the other hand, the generated voltage can be increased by a series connection.
Die Brennstoffzellenmodule werden zum einen zu Wartungszwecken, zum anderen bei Defekt oder kritischem Zustand eines Brennstoffzellenmoduls ausgetauscht. Es hat sich jedoch als problematisch herausgestellt, dass sich die Betriebsparameter nicht mehr dem einzelnen Brennstoffzellenmodul zuordnen lassen. Außerdem kann bei einer Reparatur des Brennstoffzellenmoduls an einem anderen Ort auf die Betriebsparameter nicht mehr zugegriffen werden.The fuel cell modules are exchanged on the one hand for maintenance purposes, on the other hand in the event of a defect or critical condition of a fuel cell module. However, it has proven to be problematic that the operating parameters can no longer be assigned to the individual fuel cell module. In addition, in a repair of the fuel cell module at a different location on the operating parameters are no longer accessible.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenmodul zu schaffen, welches einen schnellen Austausch und eine schnelle und effiziente Wartung ermöglicht.The object of the invention is to provide a fuel cell module, which allows a quick replacement and fast and efficient maintenance.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellenmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.This object is achieved by a fuel cell module having the features specified in claim 1. Advantageous developments emerge from the subclaims, the following description and the drawings.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenmodul weist einen Zellenstapel auf, wobei das Brennstoffzellenmodul ein Modulgehäuse aufweist. Üblicherweise werden mehrere dieser Brennstoffmodule in eine Vorrichtung zur Energieerzeugung eingesetzt und üblicherweise in Abhängigkeit von Betriebsparametern wieder entfernt und gegen andere Brennstoffzellenmodule ausgetauscht. Das Brennstoffzellenmodul weist einen Datenspeicher und eine Datenverarbeitungsvorrichtung auf, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern ausgebildet ist und die Datenverarbeitungsvorrichtung zur Speicherung der Betriebsparameter auf dem Datenspeicher ausgebildet ist.The fuel cell module according to the invention has a cell stack, wherein the fuel cell module has a module housing. Typically, several of these fuel modules are used in a device for power generation and usually removed again as a function of operating parameters and replaced with other fuel cell modules. The fuel cell module has a data memory and a data processing device, wherein the data processing device is designed to detect operating parameters and the data processing device is designed to store the operating parameters on the data memory.
Gegenüber herkömmlichen Systemen weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellenmodul den Vorteil auf, dass die Betriebsparameter nicht zentral, sondern dezentral auf dem Brennstoffzellenmodul gespeichert sind. Eine zentrale Datenspeicherung kann dennoch optional ebenfalls erfolgen. Die Daten sind somit untrennbar mit dem Brennstoffzellenmodul verbunden. Hierdurch stehen die Betriebsparameter auch nach Ausbau für eine Fehleranalyse zur Verfügung. Des Weiteren können diese Betriebsparameter auch nach einem erneuten Einbau durch das Gesamtsystem wieder aus dem Datenspeicher übernommen werden, wodurch das Gesamtsystem Kenntnis über die Betriebseigenschaften dieses Brennstoffzellenmoduls erlangt. Hierdurch wird der Arbeitsablauf beim Austausch der Brennstoffzellenmodule effizienter und schneller.Compared to conventional systems, the fuel cell module according to the invention has the advantage that the operating parameters are not stored centrally, but decentrally on the fuel cell module. A central data storage can still be done optionally. The data are thus inseparably connected to the fuel cell module. As a result, the operating parameters are available even after removal for a fault analysis. Furthermore, these operating parameters can be taken over again from the data memory even after renewed installation by the overall system, as a result of which the entire system acquires knowledge of the operating characteristics of this fuel cell module. This will make the process of replacing the fuel cell modules more efficient and faster.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Brennstoffzellenmodul eine erste Schnittstelle auf. Bei der ersten in Schnittstelle kann es sich um eine BUS, bevorzugt um eine Ethernet und/oder EtherCAT Schnittstelle handeln. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist auch eine nicht normierte Schnittstelle denkbar.In a further embodiment of the invention, the fuel cell module has a first interface. The first in interface may be a BUS, preferably an Ethernet and / or EtherCAT interface. For safety reasons, a non-standardized interface is conceivable.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden weitere Daten über die erste Schnittstelle empfangen und auf dem Datenspeicher gespeichert. Bevorzugt werden zumindest die Betriebsstunden, die Zellspannung sowie die Temperatur über die Zeit gespeichert. Besonders bevorzugt werden auch die Zeitpunkte sowie die Art bestimmter Ereignisse, wie zum Beispiel Spannungssprünge, Kurzschlüsse, Medienausfall, Anfahren und/oder Abschalten, gespeichert. Bei den weiteren Daten kann es sich bevorzugt um Umgebungsparameter, wie zum Beispiel Kühlwassertemperatur, handeln. Diese Umgebungsparameter werden vorzugsweise für alle Brennstoffzellenmodule zentral erfasst.In a further embodiment of the invention, further data is received via the first interface and stored on the data memory. Preferably, at least the operating hours, the cell voltage and the temperature are stored over time. Particular preference is also the timing and the nature of certain events, such as voltage jumps, short circuits, media failure, startup and / or shutdown, stored. The further data may preferably be environmental parameters, such as cooling water temperature. These environmental parameters are preferably detected centrally for all fuel cell modules.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Brennstoffzellenmodul eine zweite Schnittstelle auf. Vorzugsweise ist über die erste Schnittstelle die Datenverarbeitungseinrichtung und über die zweite Schnittstelle der Datenspeicher direkt ansprechbar.In a further embodiment of the invention, the fuel cell module has a second interface. The data processing device can preferably be addressed directly via the first interface and the data memory can be addressed directly via the second interface.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Brennstoffzellenmodul wenigstens einen ersten Sensor auf. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Sensor um einen Sensor zur Spannungsmessung. Besonders bevorzugt weist das Brennstoffzellenmodul einen Sensor pro Brennstoffzelle auf. Alternativ oder zusätzlich kann das Brennstoffzellenmodul einen Sensor zur Temperaturmessung, beispielsweise ein Thermoelement, aufweisen.In a further embodiment of the invention, the fuel cell module has at least one first sensor. Preferably, the first sensor is a sensor for measuring voltage. Particularly preferably, the fuel cell module has one sensor per fuel cell. Alternatively or additionally, the Fuel cell module, a sensor for temperature measurement, such as a thermocouple having.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Modulgehäuse wenigstens einen ersten Lufteinlass auf. Der erste Lufteinlass dient der Wärmeabfuhr, um die Datenverarbeitungseinrichtung und die Datenspeicherbetrieb vor Überhitzung zu schützen.In a further embodiment of the invention, the module housing has at least one first air inlet. The first air inlet serves to dissipate heat to protect the data processing device and data storage operation from overheating.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Modulgehäuse zur ausschließlich passiven Luftkühlung des Datenspeichers und der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgebildet. Durch die ausschließlich passive Luftkühlung kann auf einen Kühler in Form eines Gebläse oder eines Kühlflüssigkeitskreislaufs verzichtet werden. Hierdurch ist eine besonders kompakte, wartungsarme und robuste Bauweise möglich. Bevorzugt sind der Datenspeicher und die Datenverarbeitungsvorrichtung thermisch mit dem Modulgehäuse gekoppelt, so dass deren Abwärme über das Modulgehäuse abgegeben werden kann.In a further embodiment of the invention, the module housing is designed for exclusively passive air cooling of the data memory and of the data processing device. Due to the exclusively passive air cooling can be dispensed with a cooler in the form of a fan or a coolant circuit. As a result, a particularly compact, low-maintenance and robust construction is possible. Preferably, the data memory and the data processing device are thermally coupled to the module housing, so that their waste heat can be discharged through the module housing.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Datenspeicher zur Speicherung von Betriebsparametern von wenigstens 10.000 Betriebsstunden, weiter bevorzugt von wenigstens 50.000 Betriebsstunden, besonders bevorzugt von wenigstens 100.000 Betriebsstunden ausgebildet.In a further embodiment of the invention, the data memory is designed to store operating parameters of at least 10,000 operating hours, more preferably at least 50,000 operating hours, particularly preferably at least 100,000 operating hours.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Datenverarbeitungsvorrichtung und der Datenspeicher eine zulässige Betriebstemperatur von wenigstens 80°C auf. Diese für elektronische Komponenten vergleichsweise hohe Temperatur ist zwar für diese insbesondere im Hinblick auf Anschaffungskosten negativ, es kann jedoch auf eine aufwändige Kühlung und dadurch eine thermische Belastung der Brennstoffzellen verzichtet werden. Bevorzugt weist die Datenverarbeitungsvorrichtung und der Datenspeicher zumindest einen Betriebstemperatursensor für die eigene Betriebstemperatur auf und einen Schalter zum Abschalten bei Überschreiten einer maximalen Betriebstemperatur.In a further embodiment of the invention, the data processing device and the data memory on a permissible operating temperature of at least 80 ° C. Although this for electronic components comparatively high temperature is negative for this particular in terms of acquisition costs, but it can be dispensed with a complex cooling and thermal stress on the fuel cell. The data processing device and the data memory preferably have at least one operating temperature sensor for their own operating temperature and a switch for switching off when a maximum operating temperature is exceeded.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Datenspeicher zur Speicherung von Betriebsstunden und Zeitpunkt von Betriebsbeginn und Betriebsende ausgebildet. Betriebsstunden insbesondere in Verknüpfung mit den Zeitpunkten von Betriebsbeginn und Betriebsende geben eine wichtige Information, ob beispielsweise das Brennstoffzellenmodul sehr oft ein- und ausgeschaltet wurde. Ebenso zeigt sich, wenn sehr lange Betriebszeiten oder extrem kurzen Betriebszeiten aufgetreten sind. Hieraus können Rückschlüsse auf die zu erwartende Lebensdauer des Brennstoffzellenmoduls geschlossen werden.In a further embodiment of the invention, the data memory is designed to store operating hours and time from the start of operation and the end of operation. Operating hours, in particular in conjunction with the times of start of operation and end of operation give important information, for example, if the fuel cell module was turned on and off very often. It also shows when very long operating times or extremely short operating times have occurred. From this, conclusions can be drawn about the expected service life of the fuel cell module.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Datenspeicher zur Speicherung der zeitabhängigen Zellspannung und der zeitabhängigen Temperatur ausgebildet. Durch die Erfassung dieser Parameter, insbesondere wenn diese für jede einzelne Zelle erfolgt, ist eine präzise Analyse möglich.In a further embodiment of the invention, the data memory is designed to store the time-dependent cell voltage and the time-dependent temperature. By capturing these parameters, especially when done for each individual cell, a precise analysis is possible.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Datenspeicher steckbar, bevorzugt in Form einer sogenannten SD Karte (Secure Digital Memory Card), ausgeführt. Die Verwendung dieser marktüblichen Komponente erhöht die Kompatibilität und Wartungsfreundlichkeit. Des Weiteren sind SD Karten in unterschiedlicher Größe und Qualität verfügbar. Ein weiterer Vorteil ist, dass für die Datenspeicherung keine Spannung anliegen muss. Die Auswertung der gespeicherten Daten kann auf einem anderen Computer durchgeführt werden, ohne dass eine Betriebsunterbrechung während der Auswertung erfolgen muss.In a further embodiment, the data memory is pluggable, preferably in the form of a so-called SD card (Secure Digital Memory Card). The use of this market standard component increases the compatibility and ease of maintenance. Furthermore, SD cards are available in different size and quality. Another advantage is that there is no voltage for data storage. The evaluation of the stored data can be carried out on another computer without having to interrupt the operation during the evaluation.
Insbesondere sind die erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmodule für die Anwendung in Wasserfahrzeugen, insbesondere in militärischen Wasserfahrzeugen, ganz besonders in Unterseeboot geeignet. Im Bereich der Wasserfahrzeuge ist, im Unterschied insbesondere zu Landfahrzeugen, die benötigte Energiemenge deutlich größer, sodass im Regelfall eine Mehrzahl an Brennstoffzellenmodulen eingesetzt wird. Hierdurch ergibt sich die Problematik der Zuordnung der erfassten Daten bei zentraler Datenerfassung zu den einzelnen Brennstoffzellenmodulen. Hinzu tritt bei Wasserfahrzeugen, dass bei Wasserfahrzeugen eine Wartung und Instandsetzung wären der Einsatzzeit auch auf Wasser erfolgen muss. Hierzu werden gegebenenfalls Brennstoffzellenmodule ausgetauscht, wodurch eine Datenzuordnung bei zentraler Datenspeicherung praktisch nicht mehr möglich ist.In particular, the fuel cell modules according to the invention are suitable for use in watercraft, especially in military vessels, especially in submarine. In the field of watercraft, in contrast to land vehicles, in particular, the required amount of energy is significantly larger, so that usually a plurality of fuel cell modules is used. This results in the problem of assigning the acquired data in central data acquisition to the individual fuel cell modules. In addition, in the case of vessels, maintenance and repair of vessels would also require water service. For this purpose, if necessary, fuel cell modules are replaced, whereby a data allocation in central data storage is practically no longer possible.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellenmodul anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.Below, the fuel cell module according to the invention is explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawings.
In
Ein erstes Brennstoffzellenmodul
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Vorrichtung zur EnergieerzeugungDevice for generating energy
- 2020
- Brennstoffzellenmodulfuel cell module
- 3030
- Bipolarplattebipolar
- 3131
- Anodeanode
- 3232
- Membranmembrane
- 3333
- Kathodecathode
- 3434
- Kathodenplattecathode plate
- 3535
- Anodenplatteanode plate
- 4040
- ZellversorgungsvorrichtungCell supply device
- 5050
- Datenspeicherdata storage
- 6060
- DatenverarbeitungsvorrichtungData processing device
- 7070
- erste Schnittstellefirst interface
Claims (9)
Priority Applications (2)
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