DE102021111077A1

DE102021111077A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit, Brennstoffzelleneinheit, Temperiermodul und Bausatz

Info

Publication number: DE102021111077A1
Application number: DE102021111077.7A
Authority: DE
Inventors: Inga Bürger; Tilo Maag; Marc Philipp Linder
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2022-11-03

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (10), bei dem ein Energieträger, insbesondere Wasserstoff, innerhalb eines in einem Brennstoffzellenmodul (16) angeordneten Brennstoffzellenstapels unter Erzeugung elektrischer Energie (28) in einem Stromerzeugungsbetrieb unter Reaktion mit einem Oxidator umgesetzt wird, wobei ein Luftstrom zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels mittels einer Gasfördereinheit (14) der Brennstoffzelleneinheit (10) in das Brennstoffzellenmodul (16) gefördert wird. Ein effizienter Betrieb wird dadurch erreicht, dass der in die Brennstoffzelleneinheit (10) einströmende Luftstrom zur Temperierung, mit Erwärmung oder Kühlung, des Brennstoffzellenstapels mittels eines mit Reaktionsmaterial zur reversiblen Reaktion mit dem Energieträger gefüllten Temperierraums (30) temperiert, d. h. erwärmt oder gekühlt, wird, wobei der Brennstoffzellenstapel vor Beginn eines Sollbetriebs in einem Vortemperierbetrieb (5) mittels einer Temperierphase (1) vortemperiert werden kann (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit, bei dem ein Energieträger, insbesondere Wasserstoff, innerhalb eines in einem Brennstoffzellenmodul angeordneten Brennstoffzellenstapels unter Erzeugung elektrischer Energie in einem Stromerzeugungsbetrieb unter Reaktion mit einem Oxidator umgesetzt wird, wobei ein Luftstrom zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels mittels einer Gasfördereinheit der Brennstoffzelleneinheit in das Brennstoffzellenmodul gefördert wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelleneinheit, ein Temperiermodul und einen Bausatz.
Eine derartige lufttemperierte Brennstoffzelle ist in der WO 2015/173238 A1 angegeben.
Die Effizienz und/oder Einsatzfähigkeit insbesondere lufttemperierter Brennstoffzellen zur Stromerzeugung ist abhängig von deren Umgebungsbedingungen. Beispielsweise kann es erforderlich sein, derartige Brennstoffzellen vor Leistungsabgabe in einem Sollbetrieb auf eine Betriebstemperatur zu bringen und diese im Wesentlichen zu halten. Um die Betriebstemperatur möglichst schnell zu erreichen, wird beispielsweise katalytische Wasserstoffverbrennung oder elektrische Beheizung eingesetzt, welche Wasserstoff oder elektrische Energie verbrauchen und somit die Gesamteffizienz der Brennstoffzelle verringern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem die Einsatzfähigkeit einer Brennstoffzelleneinheit auf effiziente Weise gewährleistet werden kann, sowie eine entsprechende Brennstoffzelleneinheit, ein entsprechendes Temperiermodul und einen Bausatz.
Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, für die Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 12, für das Temperiermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 20 und für den Bausatz mit den Merkmalen des Anspruchs 29 gelöst.
Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass der in die Brennstoffzelleneinheit einströmende Luftstrom (als Synonym für Luftvolumen- bzw. -massenstrom verwendet) zur Temperierung, mit Erwärmung oder Kühlung, des Brennstoffzellenstapels mittels eines mit Reaktionsmaterial zur reversiblen Reaktion mit dem Energieträger gefüllten Temperierraums temperiert, d. h. erwärmt oder gekühlt, wird, wobei der Brennstoffzellenstapel vor Beginn eines Sollbetriebs in einem Vortemperierbetrieb mittels einer Temperierphase (falls erforderlich) vortemperiert werden kann bzw. wird. Die Möglichkeit zur (wahlweisen) Durchführung der Temperierphase ist in einer entsprechenden Steuereinrichtung zur Steuerung/Regelung des Verfahrens hinterlegt. Zu diesem Zweck umfasst der Temperierraum das Reaktionsmaterial, welches ein thermochemisches Gas-Feststoff-Reaktionssystem mit dem Energieträger bildet.
Während der Temperierphase wird mittels des Temperierraums, genauer des darin befindlichen Reaktionsmaterials, Wärme generiert. Je nach Umgebungsbedingungen, insbesondere Außentemperatur, bildet die Temperierphase eine erste Phase des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit, kann jedoch bei entsprechenden Umgebungsbedingungen, die einen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ohne Vorheizung erlauben, z. B. ausreichend hohe Außentemperatur, auch entfallen. Die Temperierphase kann somit eine Phase eines „Vorwärmbetriebs“ darstellen, der dem Sollbetrieb zur Vorwärmung der Brennstoffzelleneinheit bzw. des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet ist.
Während des Sollbetriebs wird die Brennstoffzelleneinheit in zumindest einem gewünschten Betriebspunkt hinsichtlich einer zu generierenden Leistung bzw. zur Erzeugung einer bestimmten Stromstärke betrieben, die insbesondere von einem durch die Brennstoffzelleneinheit versorgten Verbraucher abhängt. Einen derartigen Verbraucher kann z. B. ein Kleinfahrzeug wie ein Elektrofahrrad, z. B. ein Elektrolastenfahrrad, bilden, oder ein anderes mittels Wasserstoff betriebenes Land-, Luft-, Wasser- oder Raumfahrzeug. In diesem Falle ist die Brennstoffzelleneinheit insbesondere kompakt, für die mobile Anwendung ausgebildet. Möglich ist auch der Einsatz in einer stationären Anwendung z. B. als Stromlieferant.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung kann vorteilhaft die Vorwärmung des Brennstoffzellenstapels und (peripherer) Systemkomponenten der Brennstoffzelleneinheit bzw. des Brennstoffzellenmoduls auf effiziente Weise erfolgen, wobei der während der Temperierphase benötigte Energieträger, insbesondere Wasserstoff, wiedergewinnbar zwischengespeichert wird. Elektrische Energie zur Aufheizung wird nicht benötigt.
Vorzugsweise erfolgt insbesondere mittels der Steuereinrichtung bei Start des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit eine Betriebsentscheidung bzgl. des Vorwärmbetriebs, wobei entschieden wird, ob und/oder auf welche Art der Vorwärmbetrieb erforderlich ist. „Auf welche Art“ umfasst insbesondere, welche Phasen durchlaufen werden sollen, z. B. zunächst die Temperierphase und/oder eine Vorbetriebsphase der Brennstoffzelleneinheit, ggf. Betriebsparameter dieser Phasen (z. B. Druck, Stärke des Luftstroms, Dauer), oder ob überhaupt eine Vorwärmung erforderlich ist. Dies kann z. B. über eine Abfrage erfolgen, die z. B. zumindest einen Temperaturabgleich umfassen kann. Bei dem Temperaturabgleich erfolgt z. B. ein Vergleich zwischen einer relevanten Temperatur, beispielsweise einer Umgebungstemperatur und/oder einer Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenmoduls und/oder Brennstoffzellenstapels, und einem zum Stromerzeugungsbetrieb geforderten Mindestbetrag dieser Temperatur, z. B. einer Starttemperatur und/oder Betriebstemperatur.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird während der Temperierphase innerhalb des Temperierraums Wärme erzeugt, wobei das Reaktionsmaterial unter hohem Druck mit Energieträger aus einer (angeschlossenen) Energieträgerquelle beaufschlagt wird und während einer reversiblen Absorptionsreaktion unter Aufnahme von Energieträger in das Reaktionsmaterial Wärme freigesetzt wird, die von dem Luftstrom aufgenommen und zu dem Brennstoffzellenstapel transportiert wird. Das Prinzip ist in der Veröffentlichung „Linder M, Kulenovic R, An energy-efficient air-conditioning system for hydrogen driven cars, Int. J Hydrogen Energy 2011, 36: 3215-3221“ angegeben. Die Einstellung des Drucks erfolgt insbesondere mittels eines Ventilmittels. „Hoher Druck“ bezeichnet in diesem Zusammenhang einen Beladedruck des Temperierraums, der deutlich, z. B. um mindestens 1 bar, höher liegt als ein Versorgungsdruck des Brennstoffzellenstapels, z. B. zwischen 3 bar und 8 bar. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise eine in Form einer Druckdifferenz zwischen einer (Hochdruck-)Energieträgerquelle und dem Brennstoffzellenstapel gespeicherte Energie zur Vorheizung der Brennstoffzelleneinheit nutzen.
Die Effizienz kann unter Reduktion von Wärmeverlusten weiter gesteigert werden, wenn der Luftstrom und/oder die durch das Reaktionsmaterial freigesetzte Wärmemenge während der Temperierphase so eingestellt wird, dass die aus dem Temperierraum aufgenommene Wärmemenge zumindest großteils, z. B. zu mindestens 50 %, vorzugsweise zu mindestens 70 %, besonders bevorzugt zu mindestens 90 %, innerhalb der Brennstoffzelleneinheit abgegeben wird, wobei der Brennstoffzellenstapel und/oder eine Peripherie (z. B. Luftleitkanäle etc.) temperiert wird. Zu diesem Zweck kann die an den Luftstrom abgegebene Wärmemenge insbesondere mittels einer Steuereinrichtung entsprechend gesteuert bzw. geregelt werden, z. B. in Abhängigkeit von Umgebungs- und/oder Systembedingungen (Bedingungen innerhalb der Brennstoffzelleneinheit), wie z. B. zumindest einer Temperatur (wie Umgebungstemperatur und/oder Temperatur des Brennstoffzellenstapels). Berücksichtigt werden können z. B. vorhandene Sensormesswerte und/oder Modellabschätzungen, etwa unter Einbeziehung vorhandener zu erwärmender Massen mit Wärmekapazitäten, wie Reaktionsmaterial und/oder Temperierraum/Reaktoranordnung. Zur Steuerung variiert werden kann z. B. die Stärke des Luftstroms über die Lüfterleistung und/oder die von dem Reaktionsmaterial freigesetzte Wärmemenge durch Einstellung des zugeführten Energieträgerstroms und/oder des angelegten Beladedrucks. Möglich ist z. B. eine einmalige Einstellung zu Beginn der Temperierphase und/oder eine Nachregelung von Abhängigkeit von Umgebungs- und/oder Systembedingungen, insbesondere zumindest einer Temperatur. Die vorhandene Ausbildung erlaubt so eine besonders einfache Steuerung/Regelung einer effizienten Vorwärmung, z. B. mittels einer Steuerung/Regelung des Luftstroms, Energieträgerstroms und/oder des Beladedrucks.
Die Vorwärmung kann vorteilhaft beschleunigt werden, wenn bei oder nach Erreichen einer Einschaltbedingung, insbesondere einer Starttemperatur, und/oder nach Beendigung der Temperierphase, der Stromerzeugungsbetrieb des Brennstoffzellenstapels gestartet wird, wobei der Brennstoffzellenstapel in einer Vorbetriebsphase zur weiteren Vorwärmung betrieben wird. Die dadurch generierte Abwärme des Brennstoffzellenstapels dient zur zusätzlichen Vorwärmung der Brennstoffzelleneinheit und/oder zur alleinigen Aufheizung (ohne Temperierphase). Die Temperierphase, mit Temperierung durch den Temperierraum, kann weitergeführt, zuvor beendet oder gar nicht erst gestartet werden. Die Starttemperatur liegt insbesondere niedriger als eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels während des Sollbetriebs und entspricht z. B. einer systemabhängigen Einschalt-Mindesttemperatur des Brennstoffzellenstapels. Innerhalb der Vorbetriebsphase kann der Betrieb des Brennstoffzellenstapels unabhängig von einem Stromverbraucher betrieben werden, wobei z. B. der zumindest eine (optimale), im Sollbetrieb angestrebte Betriebspunkt (noch) nicht erreicht ist. Z. B. kann es sich um einen Teillastbetrieb handeln. Die Vorbetriebsphase kann auch als „zweite Phase“ des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit bezeichnet werden und findet während des Vorwärmbetriebs, vor dem Sollbetrieb, statt.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird innerhalb des Stromerzeugungsbetriebs bei Erreichen einer Umschaltbedingung, z. B. einer Temperatur, nach der Vorbetriebsphase auf den Sollbetrieb umgestellt, wobei der Luftstrom ohne Temperierung mittels des Temperierraums in den Brennstoffzellenstapel strömt, die Umschaltbedingung kann z. B. das Erreichen der Betriebstemperatur sein. Der Sollbetrieb kann als dritte Phase des Betriebs der Brennstoffzelle bezeichnet werden.
Vorzugsweise wird das Reaktionsmaterial nach der Temperierphase in einer Regenerationsphase regeneriert, wobei an den Temperierraum ein niedriger Druck angelegt wird und unter Ablauf einer Desorptionsreaktion mit Freisetzung des Energieträgers aus dem Reaktionsmaterial die Betriebsbereitschaft für die Temperierphase wieder hergestellt wird. Der niedrige Druck entspricht einem Entladedruck des Temperierraums und ist geringer als der hohe Druck. Z. B. liegt er bei einem Versorgungsdruck von rund 1 bar des Brennstoffzellenstapels oder knapp darüber zum Ausgleich des auf dem Strömungsweg zu dem Brennstoffzellenstapel auftretenden Druckverlustes, z. B. um bis zu 0,2 bar, 0,5 bar oder 1 bar.
Vorzugsweise erfolgt die Regernationsphase während des Sollbetriebs oder nach Beendigung des Sollbetriebs, insbesondere im Anschluss daran, wobei während der Regeneration frei werdender Energieträger dem Brennstoffzellenstapel zur Umsetzung unter Stromerzeugung zugeführt wird. Die Regenerationsphase erfolgt unter Beaufschlagung des Temperierraums mit einer erhöhten Temperatur und/oder dem niedrigen Druck, dem Entladedruck.
In einer effizienzsteigernden Ausführungsvariante wird während der Regernationsphase der Temperierraum mit Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel beaufschlagt. Auf diese Weise kann die Abwärme der Brennstoffzelleneinheit genutzt und auf eine Zufuhr externer Wärme zur Regeneration verzichtet werden.
Die Wärmebeaufschlagung kann mittels Wärmetransport von Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel an den Temperierraum mittels zumindest großteils (anteilig mehr als 50 %) Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung, insbesondere während des Stromerzeugungsbetriebs, erfolgen. Der restliche Anteil kann mittels einer anderen Art des Wärmetransports erfolgen (z. B. konvektiv).
Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmebeaufschlagung mittels Wärmetransport von Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel an den Temperierraum zumindest großteils (anteilig mehr als 50 %) mittels des Luftstroms konvektiv erfolgen, wobei die Richtung des Luftstroms mittels der Gasfördereinheit umgekehrt wird und der Luftstrom aus dem Brennstoffzellenstapel durch den Temperierraum strömt, insbesondere nach dem Sollbetrieb. Der restliche Anteil kann mittels einer anderen Art des Wärmetransports erfolgen (z. B. durch Wärmeleitung). Zur Umkehrung des Luftstroms kann die Gasfördereinheit zwei Gasfördermodule aufweisen, die jeweils unterschiedliche Luftstromrichtungen generieren und die alternierend zugeschaltet werden. Alternativ kann ein umschaltbares Gasfördermodul bzw. eine umschaltbare Gasfördereinheit vorhanden sein, wobei insbesondere mittels Umschaltung der Laufrichtung eines Rotors die beiden unterschiedlichen Luftstromrichtungen generiert werden können.
Vorzugsweise werden innerhalb des Temperierraums der hohe Druck im Absorptionsbetrieb und/oder der niedrige Druck im Desorptionsbetrieb mittels zumindest eines Ventilmittels zur Druck- und/oder Massenstromregelung eingestellt. Das Ventilmittel ist insbesondere Teil einer Be- und/oder Entladeschnittstelle und/oder an dem Temperiermodul angeordnet.
Bezüglich der Brennstoffzelleneinheit ist vorgesehen, dass diese zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Energieträger, insbesondere Wasserstoff, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach zumindest einer der vorhergehenden Ausführungsvarianten ausgebildet ist, mit einem Brennstoffzellenmodul umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel, einer Gasfördereinheit zur Förderung eines Luftstroms zur Temperierung des Brennstoffzellenmoduls, und einem Fluidleitsystem mit Leitungsmitteln und/oder Ventilmitteln zur Leitung des Energieträgers von einer anschließbaren bzw. angeschlossenen Energieträgerquelle in das Brennstoffzellenmodul, wobei die Brennstoffzelleneinheit eine Steuereinrichtung und zumindest einen mit Reaktionsmaterial zur reversiblen Reaktion mit dem Energieträger gefüllten Temperierraum umfasst, welche zur Vortemperierung, mit Kühlung oder Erwärmung, des das Brennstoffzellenmodul temperierenden Luftstroms in einer Temperierphase vor Beginn eines Sollbetriebs angeordnet und ausgebildet sind.
Vorteilhafte Montagemöglichkeiten bzw. Befestigungsmöglichkeiten des Temperierraums zur Integration in die Brennstoffzelleneinheit ergeben sich, wenn der zumindest eine Temperierraum in einem Temperiermodul angeordnet ist, das insbesondere lösbar unmittelbar oder mittelbar (unter Zwischenschaltung einer anderen Komponente, insbesondere eines anderen Moduls, wie z. B. der Gasfördereinheit, z. B in Ausbildung als Gasfördermodul) mit dem Brennstoffzellenmodul verbunden ist. Der Temperierraum ist somit lokal getrennt von dem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Er kann z. B. an verschiedenen Positionen innerhalb der Brennstoffzelleneinheit eingebracht werden bzw. einbringbar sein und/oder an unterschiedlich aufgebauten Brennstoffzelleneinheiten befestigt werden. Die Verbindung kann z. B. steckbar, schraubbar, klipsbar oder klemmbar sein.
Eine vorteilhafte Wärmeübertragbarkeit zwischen dem Reaktionsmaterial und dem Luftstrom kann dadurch erreicht werden, dass der Temperierraum unter Bildung einer Reaktoranordnung mit zumindest einem Luftleitkanal, vorzugsweise einer Vielzahl von Luftleitkanälen, in thermischer Wirkverbindung steht, innerhalb dessen im Betrieb der Luftstrom temperierbar ist, wobei der Luftleitkanal insbesondere zumindest abschnittsweise in bzw. an dem Temperiermodul angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine kompakte Brennstoffzelleneinheit mit einer Möglichkeit zur einfachen Ergänzung um die Vortemperierfunktion erreicht, wobei das Temperiermodul wesentliche Ausbildungsmerkmale hierzu vereint.
Dem kompakten, wesentliche Komponenten aufweisenden Aufbau dient ferner, wenn dem Temperierraum zumindest eine Be- und/oder Entladeschnittstelle zur strömungsmechanischen Kopplung an eine Energieträgerquelle und/oder das Brennstoffzellenmodul umfasst, welcher ein Ventilmittel zugeordnet ist, über welches der Energieträger in den bzw. aus dem Temperierraum strömen kann, wobei das Ventilmittel (und/oder ein Anschluss der Be- und/oder Entladeschnittstelle) insbesondere in bzw. an dem Temperiermodul angeordnet ist. Dies erlaubt ein einfaches Anschließen des Temperiermoduls an die Energieträgerquelle und/oder das Brennstoffzellenmodul.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit aus Modulen umfassend mindestens das Temperiermodul und das Brennstoffzellenmodul, und vorzugsweise zumindest ein Gasfördermodul (zur Bildung/als Teil der Gasfördereinheit), modular aufgebaut, wobei die einzelnen Module, insbesondere lösbar, zu einem Körper montiert sind. Die Gasfördereinheit kann auch an einem der anderen Module befestigt und/oder darin integriert sein. Vorzugsweise sind die einzelnen Module in Teilgehäusen angeordnet, die aneinander befestigt sind, so dass kein allumgebendes Gesamtgehäuse vorhanden ist. Die Teilgehäuse sind vorzugsweise mechanisch stabil bzw. selbsttragend. Auf eine zusätzliche Montageplattform bzw. ein tragendes Gehäuse kann dabei vorteilhaft verzichtet werden. Der Körper bildet insbesondere eine kompakte, mechanisch stabile (z. B. einteilig tragbare) zusammenhängende Einheit. Durch den modularen Aufbau können zum einen einzelne Module einfach ausgetauscht werden. Zudem können vorteilhaft in einer Art Bausatz z. B. einzelne Module vorgefertigt und zu spezifischen Brennstoffzelleneinheiten zusammengesetzt werden, wobei je nach Anforderung, beispielsweise Leistungsklasse, einzelne Module unterschiedlich ausgelegt sein können. Dazu werden vorzugsweise die Module geometrisch aufeinander abgestimmt und/oder bestimmte Randbedingungen, insbesondere Fixationspunkte- und/oder -bereiche, beispielsweise die Größe der luftdurchströmbaren Seiten der luftdurchströmbaren Module, und/oder die Position und/oder komplementäre Ausbildung bestimmter Anschlüsse, beispielsweise von Leitungsmitteln, auch bei unterschiedlichen (Leistungs-) Auslegungen konstant gehalten. Auch ermöglicht diese Ausbildung, insbesondere durch die modulare Ausgestaltung des Temperiermoduls, eine einfache Nachrüstung bereits bestehender Brennstoffzellensysteme zu einer Brennstoffzelleneinheit, wobei das Temperiermodul z. B. einfach außen an ein bereits vorhandenes Brennstoffzellenmodul oder eine bereits vorhandene Gasfördereinheit angesetzt und befestigt werden kann. Dies erlaubt vorteilhaft eine einfache Montage einzelner Module bei Bedarf, z. B. des Temperiermoduls je nach Jahreszeit, wobei durch die Demontage auch Größe und Gewicht der Brennstoffzelleneinheit reduziert werden können.
In einer besonders kompakten und effizienten Ausbildungsvariante sind luftdurchströmbare Module (Module, durch die mittels der Gasfördereinheit geförderte Luft strömt), insbesondere ggf. das Gasfördermodul, das Temperiermodul und/oder das Brennstoffzellenmodul, unmittelbar (und vorzugsweise unbeabstandet) hintereinander angeordnet, wobei zumindest ein Filtermittel und/oder Abstandshaltemittel zwischengeordnet sein kann/können. So ergibt sich eine Reihenschaltung der luftdurchströmbaren Module mit vorteilhaft kurzen Strömungswegen und wenig temperaturbeeinflussenden Wärmekapazitäten, die insbesondere im Wechselbetrieb Temperaturhysteresen und/oder Effizienzverluste verursachen können. In einer einfach nachrüstbaren Ausbildungsvariante ist z. B. das Temperiermodul zur Umgebung hin angeordnet, woran die Gasfördereinheit und das Brennstoffzellenmodul anschließen, sodass sich ein Aufbau in der Anordnung „Temperiermodul“ - „Gasfördermodul“ - „Brennstoffzellenmodul“ - und ggf. (bei Ausbildung mit einer Gasfördereinheit umfassend zwei Gasfördermodule) nochmals „Gasfördermodul“ ergibt. Möglich ist auch, das Temperiermodul unmittelbar an das Brennstoffzellenmodul anzuordnen und das/die Gasfördermodul/e zur Umgebung abschließend, was den Vorteil geringerer Wärmeverluste mit sich bringt.
Eine besonders effiziente und kompakte Brennstoffzelleneinheit kann bereitgestellt werden, wenn die luftdurchströmbaren Module an gegenüberliegenden, luftdurchströmbaren Seiten im Wesentlichen gleich groß ausgebildet sind, die insbesondere die jeweils größten Seitenflächen der Module bilden, und angrenzend aneinander montiert sind. Auf diese Weise ergibt sich eine in Gesamteinheit kompakte Form mit vorteilhaft großen Strömungsquerschnitten, wodurch der Druckverlust der Luftströmung vergleichsweise gering gehalten werden kann.
Vorteilhafte Montage- bzw. Nachrüstmöglichkeiten ergeben sich, wenn die Leitungsmittel und/oder Ventilmittel zur Bildung des Fluidleitsystems in bzw. an mehreren der Module, insbesondere dem Temperiermodul und dem Brennstoffzellenmodul, angeordnet sind, wobei nach Montage der Module ein druckdichtes Strömungssystem gebildet ist.
Das erfindungsgemäße Temperiermodul ist zur Verwendung in einer Brennstoffzelleneinheit insbesondere nach einer der vorstehenden Ausführungsvarianten ausgebildet, wobei es zumindest eines der das Temperiermodul oder den Temperierraum betreffenden Merkmale aufweist. Ein derartiges Temperiermodul ist auch unabhängig von dem beanspruchten Verfahren mit einer anderen und oder zusätzlichen Verfahrensweise zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit verwendbar, z. B. mit einem kontinuierlichen Betrieb, wobei z. B. zwei vorhandene Temperierräume/-module im Wechselbetrieb betrieben werden. Ein derartiges Verfahren ist in der zum Anmeldezeitpunkt noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2020 117 997.9 , eingereicht am 8. Juli 2020 beim Deutschen Patent- und Markenamt, angegeben.
Eine gleichmäßigere Verteilung des Reaktionsmaterials innerhalb des Temperierraums, gleichmäßigere Gasversorgung und/oder ein verringerter Druckverlust bei Strömung des Energieträgers durch den Temperierraum bzw. das Reaktionsmaterial ist erreichbar, wenn innerhalb des Temperierraums (oder eines Teilraums des Temperierraums) der Reaktoranordnung zumindest ein Mittel zur Positionierung des Reaktionsmaterials angeordnet ist, welches insbesondere gaspassierbar ausgebildet ist. Dabei kann es sich z. B. um zumindest einen Filter und/oder Abstandshalter handeln, z. B. in Art einer Filterkerze, wobei als Fertigungsverfahren 3D-Druck und/oder als Material Silikonschaumstoff verwendet werden kann.
Insbesondere bei einer länglichen Ausbildung des Temperierraums, wobei der Energieträger in Längsrichtung strömt, kann es dabei zweckmäßig sein, wenn das Mittel zur Positionierung als länglicher Hohlkörper mit einer gas passierbaren Wand ausgebildet ist, wobei insbesondere das Reaktionsmaterial außerhalb positioniert ist und innerhalb ein von Energieträger passierbarer Gaskanal gebildet ist. Für eine gleichmäßige Gasversorgung ist das Mittel zur Positionierung insbesondere koaxial zu einer Mittellängsachse des Temperierraums symmetrisch innerhalb des Temperierraums angeordnet, z. B. zylindrisch.
Über die Länge des Temperierraums lässt sich eine vergleichmäßigte Materialverteilung an Reaktionsmaterial erreichen, wenn das Mittel zur Positionierung (oder eine Vielzahl davon) in Form eines, in der Kontur im Wesentlichen dem Querschnitt des Temperierraums entsprechenden, Querelements, insbesondere einer Querscheibe, ausgebildet ist, wobei insbesondere eine Vielzahl desselben in gleichmäßigen Abständen über die Länge des Temperierraums verteilt quer (insbesondere rechtwinklig) zur Längsachse des Temperierraums angeordnet sind. Auf diese Weise ist der Temperierraum in einzelne, miteinander in Strömungsverbindung stehende Raumsegmente unterteilt. In Kombination mit dem länglichen Hohlkörper weisen die Querelemente insbesondere eine dem Querschnitt des Hohlkörpers entsprechende Öffnung auf, durch welche der Hohlkörper verlaufen kann.
In einer besonders kompakten, effizienten Ausbildungsform weist der Temperierraum der Reaktoranordnung mehrere, z. B. zwei, Teilräume auf, die in länglichen, insbesondere rohrartigen, Behältern angeordnet sind, die in Höhenrichtung y, insbesondere parallel verlaufend, eine wärmeübertragende Struktur flankieren, die in thermischem Kontakt mit den Behältern angeordnet ist, wobei der Luftleitkanal/die Luftleitkanäle durch die wärmeübertragende Struktur, insbesondere in Tiefenrichtung z verläuft/verlaufen. Ein Teilraum kann jeweils wie vorstehend angegeben mit zumindest einem Mittel zur Positionierung zur Unterteilung in Raumsegmente ausgestattet sein.
Dabei können in einer besonders gewichtsoptimierten Ausbildungsform die Behälter eine Tragestruktur der Reaktoranordnung bilden, an der die wärmeübertragende Struktur befestigt ist.
Einer guten mechanischen Stabilität bei hoher Effizienz bzgl. Wärmeübertragung ist es zweckdienlich, wenn die wärmeübertragende Struktur in Querrichtung x, insbesondere rechtwinklig, zu den Behältern verlaufende, diese miteinander verbindende Querstrukturen, z. B. Querstreben, aufweist, die parallel zueinander verlaufen und/oder untereinander mit, z. B. in Höhenrichtung y ausgerichteten, Lamellenstrukturen verbunden sind, zwischen welchen die Luftleitkanäle gebildet sind.
In einer alternativen und/oder zusätzlichen besonders kompakten, effizienten Ausbildungsvariante weist der Temperierraum der Reaktoranordnung mehrere Teilräume auf, die in, insbesondere einer Vielzahl von, länglichen Kanälen angeordnet sind, die in Querrichtung x parallel verlaufend alternierend zu wärmeübertragenden Strukturen, insbesondere Lamellenstrukturen, angeordnet sind.
Eine vorteilhaft kompakte, „flache“ Ausgestaltung des Temperiermoduls ist erreichbar, wenn die Dimension in Tiefenrichtung z geringer ist als die Dimension in Querrichtung x und/oder Höhenrichtung y, z. B. maximal die Hälfte oder ein Viertel der Querrichtung x und/oder Höhenrichtung y beträgt. Vorzugsweise sind die Reaktoranordnungen zumindest teilweise aus (Leichtbau-) Aluminium aufgebaut, wobei sie, in Kombination mit ihrer sonstigen Ausgestaltung, ein geringes Gewicht von beispielsweise 240 g bei einer Dimension von 120 mm auf 120 mm auf 18 mm bzw. von kleiner 400 g bei einer Dimension von 120 mm auf 120 mm auf 20 mm aufweisen können. Die Größe der Temperiermodule richtet sich z. B. nach der Geometrie der Brennstoffzelleneinheit.
Bei dem Reaktionsmaterial handelt es sich um ein Material, das mit dem Energieträger ein Gas-Feststoff-Reaktionssystem bildet, welches unter Wärmeabgabe/- aufnahme reversibel mit dem Energieträger reagiert. Druck und Temperatur stehen bei dem Reaktionssystem über eine materialspezifische Gleichgewichtscharakteristik in definiertem Zusammenhang, sodass abgegebene Wärmemenge über den Druck steuerbar ist. Bei dem Reaktionsmaterial handelt es sich insbesondere um ein Metall (unbeladener Zustand) bzw. Metallhydrid (beladener Zustand), oder um ein komplexes Hydrid. Geeignet ist z. B. eine LaNi₅-Legierung oder LmNi_0.91Sno_0.15. Zudem kann das Reaktionsmaterial zur Verbesserung des Wärmetransports auch einen Graphitanteil aufweisen.
Das Reaktionsmaterial liegt bei Befüllung des Temperierraums mit dem Reaktionsmaterial insbesondere partikelförmig, z. B. in Form von Presskörpern bzw. Pellets vor. Die Partikelgröße ist so bemessen, dass das Reaktionsmaterial bei Befüllung nicht vollständig oxidiert, d. h. das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis ist so klein, dass es zu keiner signifikanten Oxidations-Reaktion kommen kann. Zugleich sollte eine Aktivierung des Reaktionsmaterials zur Herstellung der (vollständigen) Betriebsbereitschaft des Temperiermoduls zumindest bei ähnlichen (z. B. um maximal +/- 50 % oder +/- 20 % abweichenden) oder gleichen Randbedingungen bzgl. Druck und Temperatur stattfinden können, wie sie im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit vorliegen. Eine beispielhafte geeignete Partikelgröße für LaNi₅ bei einer Aktivierung unter einem Druck von 8 bar und Temperaturen zwischen - 20 °C und 60 °C bildet 80 mesh (rund bis 0,2 bis 0,3 mm).
Bei der Aktivierung wird zumindest ein, vorzugsweise fünf bis zehn, Absorptions-/ Desorptionszyklus unter Absorption und Desorption von Energieträger in dem Reaktionsmaterial durchlaufen. Auf diese Weise kann eine Oxidschicht auf den jeweiligen Reaktionsmaterial-Partikeln entfernt werden, die sich bei Handhabung der Partikel unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre bildet. Insbesondere ist die Partikelgröße so zu wählen, dass zumindest nach der Aktivierung (unter Betriebsrandbedingungen) der Stofftransport an Energieträger auf molekularer Ebene vorzugsweise vollständig in die Partikel erfolgen kann. Während der Aktivierung zersetzt sich das Reaktionsmaterial und liegt nach erfolgter Aktivierung in kleinerer Partikel- bzw. Korngröße vor.
Die Erfindung betrifft ferner einen Bausatz für eine Brennstoffzelleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend zumindest ein Temperiermodul und ein Brennstoffzellenmodul, das zur Montage zu der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist. Die Gasfördereinheit kann separat montiert modular (mit zumindest einem Gasfördermodul) ausgebildet sein oder z. B. dem Brennstoffzellenmodul zugeordnet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutern. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit, mit einem Gasfördermodul, umfassend ein Temperiermodul, während einer Temperierphase,
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit, mit zwei Gasfördermodulen, umfassend ein Temperiermodul, während einer Regenerationsphase,
3 ein Verfahrensschema eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit insbesondere gemäß 1 und/oder 2,
4 einen Abschnitt eines Temperierraums in perspektivischer Ansicht im Längsschnitt,
5 eine Reaktoranordnung eines Temperiermoduls in Ansicht von vorne, und
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Reaktoranordnung eines Temperiermoduls in Ansicht von vorne.

1 und 2 zeigen schematisch Ausführungsbeispiele einer Brennstoffzelleneinheit 10, wie sie beispielsweise bei einer mobilen Anwendung, insbesondere einem Kleinfahrzeug wie einem Elektrofahrrad, z. B. einem Elektrolastenfahrrad, oder einem anderen mittels Wasserstoff betriebenen Land-, Luft-, Wasser- oder Raumfahrzeug einsetzbar ist, und/oder als z. B. Stromlieferant in einer stationären Anwendung.
Die Brennstoffzelleneinheit 10 umfasst ein Brennstoffzellenmodul 16 mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel dient zur Erzeugung elektrischer Energie 28 (vgl. 2) aus einem Energieträger, insbesondere Wasserstoff, unter Reaktion mit einem Oxidator, hier insbesondere in Luft enthaltener Sauerstoff, in einem Stromerzeugungsbetrieb 7.
Weiterhin weist die Brennstoffzelleneinheit 10 eine Gasfördereinheit 14 auf, die in 1 beispielhaft ein einzelnes Gasfördermodul 13 mit einer (nicht gezeigten) Gasfördereinrichtung, insbesondere einem Lüfter, umfasst. Mittels der Gasfördereinheit 14 wird im Betrieb zur Temperierung, zur Kühlung und/oder Erwärmung, des Brennstoffzellenstapels und/oder anderer, insbesondere den Brennstoffzellenstapel umgebenden, peripheren, Systemkomponenten innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 10, ein Luftstrom durch das Brennstoffzellenmodul 16 gefördert. Der Luftstrom ist dabei bezüglich der Strömungsrichtung umkehrbar, was bei der in 1 gezeigten Ausführungsvariante mittels eines bzgl. der Drehrichtung umstellbaren Lüfters realisiert ist.
Erfindungsgemäß weist die Brennstoffzelleneinheit 10 einen mit Reaktionsmaterial gefüllten Temperierraum 30 auf, der insbesondere in einem Temperiermodul 12 angeordnet ist. Der Temperierraum 30 mit dem Reaktionsmaterial dient zur Vortemperierung des Brennstoffzellenstapels und/oder weiterer Systemkomponenten der Brennstoffzelleneinheit 10 in einer Temperierphase 1 (vgl. 3) vor einem Sollbetrieb 6 der Brennstoffzelleneinheit 10, wie in 1 dargestellt. Die Temperierung erfolgt mittels Temperierung des in die Brennstoffzelleneinheit 10 einströmenden Luftstromes. Dabei wird Wärme zwischen dem Temperierraum 30 und dem Luftstrom übertragen, wobei der Luftstrom vor Einströmen in das Brennstoffzellenmodul 16 von einer Lufttemperatur T_L um einen Temperaturhub dT (von z. B. 25 K) auf eine Temperatur T_L+dT insbesondere vorgewärmt wird.
Die Wärme wird innerhalb des Temperierraums 30 mittels des Reaktionsmaterials erzeugt, das reversibel mit dem Energieträger reagiert. Einzelheiten des Verfahrens sind in Zusammenhang mit 3 angegeben.
Die Brennstoffzelleneinheit 10 umfasst weiterhin eine (hier nicht gezeigte) Steuereinrichtung zur Steuerung bzw. Regelung des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 10.
2 zeigt eine Ausführungsvariante der Brennstoffzelleneinheit 10, wobei im Unterschied zu der in 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheit 10 die Gasförderereinheit 14 zwei Gasfördermodule 13, 15 aufweist. Die Gasfördermodule 13, 15 weisen beispielsweise jeweils insbesondere nicht-umstellbare Lüfter auf, die zueinander entgegengesetzte Richtungen des Luftstroms fördern können und bei einer Umkehrung des Luftstroms (vgl. Verfahrensbeschreibung zu 3) entsprechend zu- bzw. abgeschaltet werden. Die unterschiedlichen Gasfördermodule 13, 15 bzw. Lüfter sind vorzugsweise jeweils auf einer Seite des Brennstoffzellenmoduls 16 angeordnet.
Die in 2 gezeigte Brennstoffzelleneinheit 10 befindet sich beispielhaft in dem Stromerzeugungsbetrieb 7 unter Generation von elektrischer Energie 28, und zwar während Regeneration des Temperiermoduls 12 in einer Regenerationsphase 4 (vgl. 3).
In den in 1 und 2 gezeigten Ausbildungsvarianten ist der Temperierraum 30 in einem Temperiermodul 12 angeordnet. Vorzugsweise ist das Temperiermodul 12 insbesondere lösbar an der Brennstoffzelleneinheit 16 befestigt. Bei den in 1 und 2 gezeigten Beispielen besteht die Befestigung mittelbar, unter Zwischenschaltung des Gasfördermoduls 13. Möglich ist auch eine unmittelbare Befestigung des Temperiermoduls 12 an dem Brennstoffzellenmodul 16, insbesondere zwischen dem Gasfördermodul 13 und dem Brennstoffzellenmodul 16. Durch die lösbare Befestigung kann das Temperiermodul 12 einfach an der Brennstoffzelleneinheit 10 montiert und von ihr abmontiert werden (z. B. geschraubt, geklipst, geklippt, gesteckt), z. B. je nach Bedarf, wie Saison bzw. Jahreszeit.
Für eine kompakte Ausbildung ist an dem Temperiermodul 12 zumindest ein Teil von Leitungsmitteln 20 zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Energieträger angeordnet. Bei den Leitungsmitteln 20 handelt es sich insbesondere um eine Druckleitung 22 zwischen der Energieträgerquelle und dem Temperierraum 30 (angedeutet in 1) und/oder um eine Niederdruckleitung 24 (angedeutet in 2), die von dem Temperierraum 30 ausgehend an dem Brennstoffzellenstapel mündet. Die Leitungsmittel 20 können weitere Komponenten umfassen, wie Ventilmittel, hier Druck-/Durchflussregler 26 (oder weitere), oder beispielsweise eine (nicht gezeigte) Bypassleitung zur unmittelbaren Leitung zwischen der Energieträgerquelle zu dem Brennstoffzellenstapel, unter Umgehung des Temperierraums 30 bzw. Temperiermoduls 12.
Zur strömungsmechanischen Kopplung des Temperierraums 30 mit der Energieträgerquelle und/oder dem Brennstoffzellenstapel bzw. dem Brennstoffzellenmodul 16 ist dem Temperierraum 30 zumindest eine Be- und/oder Entladeschnittstelle innerhalb der Leitungsmittel 20 zugeordnet. Die Be- und/oder Entladeschnittstelle umfasst einen Anschluss 48 (vgl. 5) und/oder ein (hier nicht gezeigtes) Ventilmittel, über welches der Energieträger in den bzw. aus dem Temperierraum 30 insbesondere unter Regelung des Eingangsdrucks und/oder des Durchflusses strömen kann. Für eine kompakte, teileoptimierte Ausbildung ist das Ventilmittel beispielsweise an bzw. in dem Temperiermodul 12 angeordnet.
Wie in den 1 und 2 angedeutet, kann die Brennstoffzelleneinheit 10 aus einzelnen Modulen zusammengesetzt sein. Zur einfachen Nachrüstung ist vorzugsweise zumindest der Temperierraum 30 in dem Temperiermodul 12 angeordnet, wobei in den 1 und 2 ebenso die Gasfördereinheit 14 modular ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist insbesondere das Temperiermodul 12 selbsttragend mechanisch stabil ausgebildet (vgl. 5, 6) und/oder lösbar an der Brennstoffzelleneinheit 30 befestigt.
Dabei sind vorzugsweise die luftdurchströmbaren Module, hier z. B. die Gasfördermodule 13, 15, das Temperiermodul 12 und das Brennstoffzellenmodul 16, erforderlichenfalls unter Zwischenordnung von Filtermitteln und/oder Abstandshaltemitteln (hier nicht gezeigt), hintereinander angeordnet. Für eine möglichst druckverlustarme Durchströmbarkeit können die luftdurchströmbaren Module an gegenüberliegenden, luftdurchströmbaren Seiten im Wesentlichen gleich groß einander angepasst ausgebildet sein und aneinandergrenzend montiert sein.
3 zeigt in einem Verfahrensschema beispielhaft einen Ablauf des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 10, wie er mit der Steuereinrichtung steuerbar bzw. regelbar ist.
Wie 3 zeigt, gliedert sich der Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 10 in unterschiedliche Betriebsphasen. Dies ist zum einen ein Vortemperierbetrieb 5, insbesondere ein Vorwärmbetrieb, in dem erforderlichenfalls der Brennstoffzellenstapel auf Betriebsbedingungen erwärmt, z. B. auf eine optimale Betriebstemperatur T_B gebracht wird. Der Vortemperierbetrieb 5 kann wiederum, z. B. je nach Umgebungsbedingung, eine Temperierphase 1 (erste Phase) und/oder, gegebenenfalls anschließend an die Temperierphase 1, eine Vorbetriebsphase 2 (zweite Phase) des Brennstoffzellenstapels umfassen. Die einzelnen Betriebsphasen werden nachstehend näher erläutert.
An den Vortemperierbetrieb 5 schließt sich ein Sollbetrieb 6 an, in dem die Brennstoffzelleneinheit 10 in zumindest einem gewünschten Betriebspunkt hinsichtlich einer zu generierenden Leistung bzw. zur Erzeugung einer bestimmten Stromstärke betrieben wird, die insbesondere von einem durch die Brennstoffzelleneinheit 10 versorgten Verbraucher abhängt. Zu diesem Zweck umfasst der Sollbetrieb 6 zumindest eine Sollbetriebsphase 3 (dritte Phase).
Vorliegend umfasst der Sollbetrieb 6 weiterhin eine Regenerationsphase 4 (vierte Phase), wobei die Betriebsbereitschaft des Temperierraums 30 wieder hergestellt wird. Die Regenerationsphase 4 kann in einem beliebigen Zeitraum während des Stromerzeugungsbetriebs 7 des Brennstoffzellenstapels erfolgen. Der Stromerzeugungsbetrieb 7 bezeichnet denjenigen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 10, während dessen der Brennstoffzellenstapel unter Umsetzung von Energieträger Strom erzeugt, d. h. er umfasst Vorbetriebsphase 2, Sollbetriebsphase 3 und Regenerationsphase 4. Für eine vorteilhafte Abwärmenutzung liegt die Regenerationsphase 4 während der (überlappend mit der) Sollbetriebsphase 4 oder anschließend an die Sollbetriebsphase 4.
Bei Start des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 10 erfolgt vorzugsweise mittels der Steuereinrichtung zunächst eine Betriebsentscheidung bzgl. des Vorwärmbetriebs 5, wobei entschieden wird, ob bzw. welche Phase 1, 2 des Vorwärmbetriebs 5 erforderlich ist. Dies kann z. B. über eine Abfrage erfolgen, die z. B. zumindest einen Temperaturabgleich 8 und/oder 9 umfassen kann. Bei dem Temperaturabgleich 8 erfolgt z. B. ein Vergleich zwischen einer relevanten Temperatur T, beispielsweise einer Umgebungstemperatur und/oder einer Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenmoduls 16 und/oder Brennstoffzellenstapels, und einer zum Stromerzeugungsbetrieb 7 geforderten Mindestbetrag dieser Temperatur, z. B. einer Starttemperatur T_S.
Liegt die Temperatur T beispielsweise unterhalb der Starttemperatur T_s des Brennstoffzellenstapels, wird zunächst in der Temperierphase 1 die Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels und/oder Brennstoffzellenmoduls 16 mittels des Temperierraums 30 um den Temperaturhub dT z. B. auf die Starttemperatur T_s angehoben.
Liegt die Temperatur T oberhalb der Starttemperatur T_s, aber unterhalb der (optimalen) Betriebstemperatur T_B, kann unmittelbar mit der Vorbetriebsphase 2 begonnen und die Temperierphase 1 übersprungen werden, wobei die Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels und/oder Brennstoffzellenmoduls 16 z. B. auf die Betriebstemperatur T_B angehoben ist.
Liegt die Temperatur T bei oder oberhalb Betriebstemperatur T_B, ist kein Vorwärmbetrieb 5 erforderlich und der Betrieb beginnt direkt mit der Sollbetriebsphase 3 als erste und einzige Betriebsphase, bzw. dem Sollbetrieb 6.
Sollte das Temperiermodul 12 demontiert sein, kann die Betriebsentscheidung z. B. bezüglich Beginn mit der zweiten oder dritten Phase (Vorbetriebsphase 2 oder Sollbetriebsphase 3) fallen.
Nachfolgend werden die einzelnen Betriebsphasen genauer erläutert. Während der Temperierphase 1 ist das Temperiermodul 12 in Betrieb, wobei der Energieträger innerhalb des Temperierraums 30 mit dem (hier nicht gezeigten) Reaktionsmaterial reagiert. Der in die Brennstoffzelleneinheit 10 einströmende Luftstrom wird mittels des Reaktionsmaterials temperiert, insbesondere erwärmt. Zur Wärmeerzeugung wird der Temperierraum 30 mit dem Energieträger beaufschlagt (vgl. 1). Dabei wird der Temperierraum 30 unter Anlegen eines hohen Drucks p₁, eines sogenannten Beladedrucks, strömungsmechanisch mit der Energieträgerquelle verbunden. Der hohe Druck p₁ liegt deutlich, z. B. 1 bar oder mehr, oberhalb des Versorgungsdrucks des Brennstoffzellenstapels. Beispielsweise kann er zwischen 3 bar und 8 bar betragen, je nach Randbedingungen, wie Reaktionsmaterial und/oder erforderlicher Temperatur bzw. Wärmeerzeugung. Der hohe Druck p₁ wird z. B. an der/den Belade-/Entladeschnittstelle/n der Leitungsmittel 20 zwischen der Energieträgerquelle und dem Temperiermodul 12 mittels des (hier nicht gezeigten) Ventilmittels eingestellt.
Der Energieträger, der mit dem Reaktionsmaterial ein Gas-Feststoff-Reaktionssystem bildet, reagiert mit dem Reaktionsmaterial reversibel in einer Absorptionsreaktion. Dabei wird aufgrund abgegebener Bindungsenthalpie Wärme freigesetzt. Die freigesetzte Wärme wird von dem Luftstrom aufgenommen, der den Temperierraum 30 zur Wärmeübertragung umströmt, und zu dem Brennstoffzellenmodul 16 mit dem Brennstoffzellenstapel transportiert. Dazu steht der Temperierraum 30 vorzugsweise mit einer Vielzahl von Luftleitkanälen 45 unter Bildung einer Reaktoranordnung 40 (vgl. 5 und 6) in thermischer Wirkverbindung, die von dem Luftstrom durchströmt werden.
Für eine effiziente Vorwärmung wird vorzugsweise der Luftstrom und/oder die durch das Reaktionsmaterial freigesetzte Wärmemenge während der Temperierphase 1 so eingestellt, dass die aus dem Temperierraum 30 aufgenommene Wärme zumindest großteils, beispielsweise bis zu 90 %, an den Brennstoffzellenstapel und, z. B. periphere, Systemkomponenten innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 10 abgegeben wird, d. h. nicht unmittelbar mit dem Luftstrom an die Umgebung gelangt. Die Einstellung des Luftstroms erfolgt z. B. über eine Variation der Lüfterleistung innerhalb der Gasfördereinheit 14. Die Einstellung der freigesetzten Wärmemenge erfolgt insbesondere über Steuerung bzw. Regelung des an den Temperierraum 30 angelegten Beladedrucks und/oder Energieträger-Massenstroms.
Nach Erreichen einer Einschaltbedingung beginnt die Vorbetriebsphase 2. Dies kann z. B. über einen Temperaturabgleich 11 erfolgen und z. B. durch das Erreichen einer bestimmten Temperatur, beispielsweise der Starttemperatur T_s, definiert sein. Denkbar wäre auch der Ablauf einer (zuvor z. B. theoretisch) festgelegten Dauer der Temperierphase 1. Während der Vorbetriebsphase 2 kann parallel die Temperierphase 1 mit Betrieb des Temperiermoduls 12 (Reaktion innerhalb des Temperierraums 30) fortgesetzt oder zuvor beendet werden.
Zu Beginn der Vorbetriebsphase 2 wird der Stromerzeugungsbetrieb 7 des Brennstoffzellenstapels gestartet und der Brennstoffzellenstapel zur weiteren Vorwärmung und Erreichen der (optimalen) Betriebstemperatur T_B betrieben. Durch die erzeugte Eigenwärme des Brennstoffzellenstapels wird dieser bzw. das Brennstoffzellenmodul 16 bzw. die Brennstoffzelleneinheit 10 weiter erwärmt.
Bei Erreichen einer Umschaltbedingung, beispielsweise der Betriebstemperatur T_B (vgl. Temperaturabgleich 17), wird innerhalb des Stromerzeugungsbetriebs 7 auf die Sollbetriebsphase 3 umgestellt. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird zweckmäßigerweise die Temperierphase 1 und damit die aktive Erwärmung des Luftstroms mittels des Temperierraums 30 beendet. Zumindest bedarfsweise wird der Luftstrom nun zur (konvektiven) Kühlung verwendet.
Während der Sollbetriebsphase 3 kann der Energieträger auch ohne strömungsmechanische Zwischenschaltung des Temperierraums 30, beispielsweise über die Bypassleitung, in den Brennstoffzellenstapel strömen.
Nach Beendigung der Temperierphase 1 wird das Reaktionsmaterial in der Regenerationsphase 4 regeneriert. Dabei wird der Temperierraum 30 mit Wärme beaufschlagt und ein niedriger Druck p₂ (vgl. 2; zumindest geringer als der hohe Druck p₁), der sogenannte Entladedruck, angelegt. Unter Ablauf einer Desorptionsreaktion unter Freisetzung des Energieträgers aus dem Reaktionsmaterial wird die Betriebsbereitschaft des Temperiermoduls 12 bzw. Temperierraums 30 für die Temperierphase 1 wieder hergestellt. Zweckmäßigerweise wird während der Regeneration frei werdender Energieträger dem Brennstoffzellenstapel zur Umsetzung unter Stromerzeugung zugeführt. Der Entladedruck entspricht z. B. dem Versorgungsdruck des Brennstoffzellenstapels.
Die Wärmebeaufschlagung des Temperierraums 30 während der Regenerationsphase 4 kann mittels während des Stromerzeugungsbetriebs 7 erzeugter Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel erfolgen. Zum Wärmetransport der Abwärme an den Temperierraum 30 kann die Richtung des Luftstromes wie bzgl. 1 bzw. 2 angegeben gedreht, genauer umgekehrt, werden. Der Luftstrom strömt nun von dem Brennstoffzellenstapel bzw. dem Brennstoffzellenmodul 16, wo er Abwärme aufnimmt, in den Temperierraum 30 und führt diesem konvektiv Wärme zu. Die Wärmeentwicklung ist ausreichend, um das Reaktionsmaterial z. B. innerhalb von 3 bis 30 Minuten zu regenerieren.
In einer anderen oder zusätzlichen Variante kann die Wärmebeaufschlagung zumindest großteils mittels Wärmeleitung (und/oder Wärmestrahlung) von dem Brennstoffzellenstapel bzw. dem Brennstoffzellenmodul 16 an den Temperierraum 30 bzw. das Temperiermodul 12 erfolgt. Zu diesem Zweck können mechanisch verbindende Elemente auch besonders temperaturleitend ausgebildet sein, und/oder ist das Temperiermodul 12 unmittelbar an dem Brennstoffzellenmodul 16 montiert.
Nach Beendigung des Stromerzeugungsbetriebs 7 und/oder der Regenerationsphase 4 wird der Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 10 beendet.
Die 4 bis 6 zeigen vorteilhafte Ausbildungsvarianten von Reaktoranordnungen 40 bzw. des Temperierraums 30 (vgl. 4).
4 zeigt beispielhaft einen Abschnitt eines Behälters 32 des hier beispielhaft länglich ausgebildeten Temperierraums 30 mit dessen Innenaufbau in einer perspektivischen Ansicht im Längsschnitt. Ein derartiger Innenaufbau ist beispielsweise in den in 5 und/oder 6 gezeigten Reaktoranordnungen 40 zweckmäßig.
Wie 4 zeigt, sind innerhalb des Behälters 32 enthaltend das Reaktionsmaterial (hier nicht gezeigt) des Temperierraums 30 Mittel 41 zur Positionierung desselben angeordnet. Die Mittel 41 sind Gas passierbar zur Durchströmung mit dem Energieträger ausgebildet, beispielsweise filterartig. Durch die Mittel 41 wird der Temperierraum 30 (und/oder gegebenenfalls Teilräume 31 des Temperierraums 30) in mehrere Raumsegmente 33 unterteilt. Dadurch kann z. B. das Reaktionsmaterial gleichmäßig und/oder gut durchströmbar positioniert werden, wodurch insbesondere eine gleichmäßige Gasversorgung des Reaktionsmaterials erreicht wird.
Beispielsweise ist eines der Mittel 41 als, hier beispielhaft zylindrischer, Hohlkörper 34 ausgebildet, der sich symmetrisch, insbesondere koaxial auf der Längsachse (hier entlang einer Höhenrichtung y) des Behälters 32 erstreckt. Der Hohlkörper 34 weist eine Gas passierbare Wand 36 auf. So bildet der Hohlkörper 34 einen Strömungspfad durch das umgebende Reaktionsmaterial, wobei der Druckverlust bei Durchströmung des Temperierraums 30 verringert wird. Der Energieträger gelangt im Betrieb durch die Gas passierbare Wand 36 in das Reaktionsmaterial.
Weiterhin sind als Mittel 41 zur Positionierung Querelemente 37, insbesondere in Form von Querscheiben, rechtwinklig zur Längsachse und gleichmäßig axial beabstandet über die Länge des Temperierraums 30 angeordnet. In Kombination mit dem Hohlkörper 34 weisen die Querelemente 37 jeweils eine mittige Öffnung 39 in Querschnittsform des Hohlkörpers 34 auf, vorliegend kreisrund, durch die der Hohlkörper 34 hindurchragt.
5 zeigt eine vorteilhafte, da besonders leicht und kompakt gestaltbare Variante der Reaktoranordnung 40. Hierbei weist der Temperierraum 30 beispielhaft zwei räumlich voneinander getrennte Teilräume 31 auf. Die Teilräume 31 sind in den hier länglich, rohrartig ausgebildeten Behältern 32 angeordnet. Die Behälter 32 weisen an ihren jeweils oberen Enden die Anschlüsse 48 an die Leitungsmittel 20 auf, die jeweils einen Teil zweier Be- und/oder Entladeschnittstellen bilden. Die Behälter 32 erstrecken sich hier beispielhaft in Höhenrichtung y und verlaufen parallel zueinander entlang einer Ebene. Dabei flankieren sie eine wärmeübertragende Struktur 42, die in thermischem Kontakt mit den Behältern 32 angeordnet, insbesondere an diesen befestigt ist. Die Behälter 32 bilden zugleich eine Tragestruktur 47 der Reaktoranordnung 40.
Die wärmeübertragende Struktur 42 umfasst eine Vielzahl von wärmeleitenden Querstrukturen 43, die an den Behältern 32 befestigt sind. Die Querstrukturen 43 sind vorliegend beispielhaft als voneinander beabstandete, parallel zueinander angeordnete Querstreben ausgebildet, die in Querrichtung x rechtwinklig zu den Behältern 32 verlaufen. Alternierend zu den Querstrukturen 43 sind z. B. in Höhenrichtung y ausgerichtete, wärmeübertragende Lamellenstrukturen 44 wärmeleitend an diesen befestigt, zwischen denen eine Vielzahl von Luftleitkanälen 45 gebildet sind. Die Luftleitkanäle 45 sind derart angeordnet, dass der Luftstrom diese bzw. die Reaktoranordnung 40 (zumindest in Hauptströmungsrichtung) in Tiefenrichtung z durchströmt, in der auch das Brennstoffzellenmodul 16 angeordnet bzw. anordenbar ist, und dabei Wärme mit den Lamellenstrukturen 44 tauscht.
6 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausbildungsvariante der Reaktoranordnung 40. Dabei weist der Temperierraum 30 ebenfalls mehrere Teilräume 31 auf, die in einer Vielzahl von länglichen Kanälen 46 angeordnet sind. Die länglichen Kanäle 46 verlaufen in Querrichtung x parallel zueinander und sind alternierend zu wärmeübertragenden Strukturen 42, insbesondere Lamellenstrukturen 44, angeordnet. Zwischen den Lamellenstrukturen 44 sind eine Vielzahl von Luftleitkanälen 45 gebildet. Die Kanäle 46 und/oder die wärmeleitende Struktur 42 sind hier beispielhaft einseitig an einer in Höhenrichtung y verlaufenden Tragestruktur 47 befestigt, z. B. damit verschweißt. Die Tragestruktur 47 weist einen länglichen Hohlraum auf, der in Strömungsverbindung zu den Teilräumen 31 angeordnet ist. Somit funktioniert die Tragestruktur 47 zugleich als Verteilerstruktur zur Leitung des Energieträgers in die Teilräume 31 (hier ohne Anschluss gezeigt).
Die in 5 und 6 gezeigten wärmeübertragenden Strukturen 42 können geschlossen, zur reinen Wärmeleitung, oder zumindest teilweise offen, gasdurchlässig mit sogenannten „Microchannels“, ausgebildet sein.
Die in 5 und 6 gezeigten, beispielhaften Reaktoranordnungen 40 sind vorteilhaft flach ausgestaltet, wobei die Dimension in Tiefenrichtung z maximal ein Viertel der nächstgrößeren Dimension Querrichtung x und/oder Höhenrichtung y beträgt. Vorzugsweise sind die Reaktoranordnungen zumindest teilweise auf (Leichtbau-) Aluminium aufgebaut, wobei sie, in Kombination mit ihrer sonstigen Ausgestaltung, ein geringes Gewicht von beispielsweise 240 g bei einer Dimension von 120 mm auf 120 mm auf 18 mm (5) bzw. von kleiner 400 g bei einer Dimension von 120 mm auf 120 mm auf 200 mm aufweisen können. Die Größe der Temperiermodule 12 richtet sich unter anderem nach der Geometrie der Brennstoffzelleneinheit 10.
Die Reaktoranordnungen 40 sind derart dimensioniert, dass in dem Temperierraum 30 eine ausreichende Menge an Reaktionsmaterial für eine spezifische Anwendung positionierbar bzw. positioniert ist, beispielsweise 150 g. Insbesondere wird die Größe des Temperiermoduls 12 bzw. der Reaktoranordnungen so ausgelegt, dass eine Wärmemenge, die das Reaktionsmaterial bei der Absorptionsreaktion freisetzt, mindestens der Wärmemenge entspricht, die zur Aufheizung in einem bestimmten Auslegungspunkt um einen gewünschten Temperaturhub dT (vgl. 1), z. B. um 25 K, innerhalb einer gewünschten Zeitspanne, z. B. 3 min bis 5 min, benötigt wird.
Zu berücksichtigen sind dabei insbesondere die Wärmekapazitäten wärmeaufnehmender Massen innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 10 während des Vorwärmbetriebs 5, z. B. die Masse des Reaktionsmaterials, der Reaktoranordnung 40, des Brennstoffzellenstapels und/oder des Luftstroms (z. B. bzgl. des Auslegungspunktes). Weiterhin kann gegebenenfalls zusätzliche, während der Vorbetriebsphase 2, generierte Abwärme des Brennstoffzellenstapels als Wärmemenge berücksichtigt werden, wobei z. B. eine bestimmte Last, wie Teillastbetrieb bei 50 % der maximalen Last, angenommen wird.
Durch den in 5 und 6 gezeigten Aufbau können die Massen der gezeigten Reaktoranordnungen 40 vorteilhaft vergleichsweise gering gehalten werden. Zudem ermöglichen die Reaktoranordnungen 40 einen effizienten Wärmeübergang zwischen dem Reaktionsmaterial und dem die Reaktoranordnung 40 durchströmenden Luftstrom, wobei der Luftstrom möglichst gering gehalten werden kann. Durch die geringen Massen der Reaktoranordnung 40 und des Luftstroms wird vorteilhaft eine vergleichsweise geringe Masse an Reaktionsmaterial benötigt. So kann eine mit dem vorstehend angegebenen Verfahren effizient betreibbare Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/173238 A1 [0002]
DE 102020117997 [0029]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (10), bei dem ein Energieträger, insbesondere Wasserstoff, innerhalb eines in einem Brennstoffzellenmodul (16) angeordneten Brennstoffzellenstapels unter Erzeugung elektrischer Energie (28) in einem Stromerzeugungsbetrieb (7) unter Reaktion mit einem Oxidator umgesetzt wird, wobei ein Luftstrom zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels mittels einer Gasfördereinheit (14) der Brennstoffzelleneinheit (10) in das Brennstoffzellenmodul (16) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Brennstoffzelleneinheit (10) einströmende Luftstrom zur Temperierung, mit Erwärmung oder Kühlung, des Brennstoffzellenstapels mittels eines mit Reaktionsmaterial zur reversiblen Reaktion mit dem Energieträger gefüllten Temperierraums (30) temperiert, d. h. erwärmt oder gekühlt, wird, wobei der Brennstoffzellenstapel vor Beginn eines Sollbetriebs (6) in einem Vortemperierbetrieb (5) mittels einer Temperierphase (1) vortemperiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Start des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit (10) eine Betriebsentscheidung bzgl. des Vorwärmbetriebs (5) erfolgt, wobei entschieden wird, ob und/oder auf welche Art der Vorwärmbetrieb (5) erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Temperierphase (1) innerhalb des Temperierraums (30) Wärme erzeugt wird, wobei das Reaktionsmaterial unter hohem Druck mit Energieträger aus einer Energieträgerquelle beaufschlagt wird und während einer reversiblen Absorptionsreaktion unter Aufnahme von Energieträger in das Reaktionsmaterial Wärme freigesetzt wird, die von dem Luftstrom aufgenommen und zu dem Brennstoffzellenstapel transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom und/oder die durch das Reaktionsmaterial freigesetzte Wärmemenge während der Temperierphase (1) so eingestellt wird, dass die aus dem Temperierraum (30) aufgenommene Wärmemenge zumindest großteils, z. B. zu mindestens 50%, vorzugsweise zu mindestens 70% , besonders bevorzugt zu mindestens 90%, innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (10) abgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei oder nach Erreichen einer Einschaltbedingung, insbesondere einer Starttemperatur (T_s), und/oder nach Beendigung der Temperierphase (1), der Stromerzeugungsbetrieb (7) des Brennstoffzellenstapels gestartet wird, wobei der Brennstoffzellenstapel in einer Vorbetriebsphase (2) zur weiteren Vorwärmung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Stromerzeugungsbetriebs (7) bei Erreichen einer Umschaltbedingung, z. B. einer Temperatur, nach der Vorbetriebsphase (5) auf den Sollbetrieb (6) umgestellt wird, wobei der Luftstrom ohne Temperierung mittels des Temperierraums (30) in den Brennstoffzellenstapel strömt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmaterial nach der Temperierphase (1) in einer Regenerationsphase (4) regeneriert wird, wobei an den Temperierraum (30) ein niedriger Druck angelegt wird und unter Ablauf einer Desorptionsreaktion mit Freisetzung des Energieträgers aus dem Reaktionsmaterial die Betriebsbereitschaft für die Temperierphase (1) wieder hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsphase (4) während des Sollbetriebs (6) oder nach Beendigung des Sollbetriebs (6), insbesondere im Anschluss daran, erfolgt, wobei während der Regeneration frei werdender Energieträger dem Brennstoffzellenstapel zur Umsetzung unter Stromerzeugung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Regenerationsphase (4) der Temperierraum (30) mit Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebeaufschlagung mittels Wärmetransport von Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel an den Temperierraum (30) mittels zumindest großteils Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung, insbesondere während des Sollbetriebs (6), erfolgt, und/oder dass die Wärmebeaufschlagung mittels Wärmetransport von Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel an den Temperierraum (30) zumindest großteils konvektiv erfolgt, wobei die Richtung des Luftstroms mittels der Gasfördereinheit (14) umgekehrt wird und der Luftstrom aus dem Brennstoffzellenstapel durch den Temperierraum (30) strömt, insbesondere nach dem Sollbetrieb (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Temperierraums (30) der hohe Druck im Absorptionsbetrieb und/oder der niedrige Druck im Desorptionsbetrieb mittels zumindest eines Ventilmittels zur Druck- und/oder Massenstromregelung eingestellt wird.
Brennstoffzelleneinheit (10) zur Erzeugung elektrischer Energie (28) aus einem Energieträger, insbesondere Wasserstoff, die insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, mit - einem Brennstoffzellenmodul (16) umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel, - einer Gasfördereinheit (14) zur Förderung eines Luftstroms zur Temperierung des Brennstoffzellenmoduls (16), - einem Fluidleitsystem (20) mit Leitungsmitteln und/oder Ventilmitteln zur Leitung des Energieträgers von einer anschließbaren bzw. angeschlossenen Energieträgerquelle in das Brennstoffzellenmodul (16), wobei die Brennstoffzelleneinheit (10) eine Steuereinrichtung und zumindest einen mit Reaktionsmaterial zur reversiblen Reaktion mit dem Energieträger gefüllten Temperierraum (30) umfasst, welche zur Vortemperierung, mit Kühlung oder Erwärmung, des das Brennstoffzellenmodul (16) temperierenden Luftstroms in einer Temperierphase vor Beginn eines Sollbetriebs angeordnet und ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Temperierraum (30) in einem Temperiermodul (12) angeordnet ist, das insbesondere lösbar unmittelbar oder mittelbar mit dem Brennstoffzellenmodul (16) verbunden ist.
Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperierraum (30) unter Bildung einer Reaktoranordnung (40) mit zumindest einem Luftleitkanal (45) in thermischer Wirkverbindung steht, innerhalb dessen im Betrieb der Luftstrom temperierbar ist, wobei der Luftleitkanal (45) insbesondere in bzw. an dem Temperiermodul (16) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Temperierraum (30) zumindest eine Be- und/oder Entladeschnittstelle zur strömungsmechanischen Kopplung an eine Energieträgerquelle und/oder das Brennstoffzellenmodul (16) zugeordnet ist, welche ein Ventilmittel umfasst, über welches der Energieträger in den bzw. aus dem Temperierraum (30) strömen kann, wobei das Ventilmittel insbesondere in bzw. an dem Temperiermodul (16) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) aus Modulen umfassend mindestens das Temperiermodul (12) und das Brennstoffzellenmodul (16), und vorzugsweise zumindest ein Gasfördermodul (13, 15), modular aufgebaut ist, wobei die einzelnen Module, insbesondere lösbar, zu einem Körper montiert sind.
Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass luftdurchströmbare Module, insbesondere das Temperiermodul (12) und/oder das Brennstoffzellenmodul (16) und/oder das zumindest eine Gasfördermodul (13, 15), unmittelbar hintereinander angeordnet sind, wobei zumindest ein Filtermittel und/oder Abstandshaltemittel zwischengeordnet sein kann.
Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die luftdurchströmbaren Module an gegenüberliegenden, luftdurchströmbaren Seiten im Wesentlichen gleich groß ausgebildet sind, die insbesondere die jeweils größten Seitenflächen der Module bilden, und angrenzend aneinander montiert sind.
Brennstoffzelleneinheit (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsmittel (20) und/oder Ventilmittel zur Bildung des Fluidleitsystems in bzw. an mehreren der Module, insbesondere dem Temperiermodul (12) und dem Brennstoffzellenmodul (16), angeordnet sind, wobei nach Montage der Module ein druckdichtes Strömungssystem gebildet ist.
Temperiermodul (12), das zur Verwendung in einer Brennstoffzelleneinheit (1) insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 19 ausgebildet ist.
Temperiermodul (12) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Temperierraums (30) einer Reaktoranordnung (40) zumindest ein Mittel zur Positionierung des Reaktionsmaterials angeordnet ist, welches insbesondere gaspassierbar ausgebildet ist.
Temperiermodul (12) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (41) zur Positionierung als länglicher Hohlkörper (34) mit einer gas passierbaren Wand (36) ausgebildet ist, wobei insbesondere das Reaktionsmaterial außerhalb positioniert ist und innerhalb ein von Energieträger passierbarer Gaskanal (38) gebildet ist.
Temperiermodul (12) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (41) zur Positionierung in Form von, dem in der Außenform dem Querschnitt des Temperierraums (30) entsprechenden, Querelementen (37), insbesondere Querscheiben, ausgebildet ist, wobei insbesondere eine Vielzahl derselben in gleichmäßigen Abständen über die Länge des Temperierraums (30) verteilt angeordnet sind.
Temperiermodul (12) nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperrierraum (30) der Reaktoranordnung (40) mehrere, z. B. zwei, Teilräume (31) aufweist, die in länglichen, insbesondere rohrartigen, Behältern (32) angeordnet sind, die in Höhenrichtung (y), insbesondere parallel verlaufend, eine wärmeübertragende Struktur (42) flankieren, die in thermischem Kontakt mit den Behältern (32) angeordnet ist, wobei der Luftleitkanal/die Luftleitkanäle (45) durch die wärmeübertragende Struktur (42), insbesondere in Tiefenrichtung (z) verläuft/verlaufen.
Temperiermodul (12) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (32) eine Tragestruktur (47) der Reaktoranordnung (40) bilden, an der die wärmeübertragende Struktur (42) befestigt ist.
Temperiermodul (12) nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeübertragende Struktur (42) in Querrichtung (x), insbesondere rechtwinklig, zu den Behältern (32) verlaufende, diese miteinander verbindende Querstrukturen (43) aufweist, die parallel zueinander verlaufen und/oder untereinander mit, z. B. in Höhenrichtung (y) ausgerichteten, Lamellenstrukturen (44) verbunden sind, zwischen welchen die Luftleitkanäle (45) gebildet sind.
Temperiermodul (12) nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperierraum (30) der Reaktoranordnung (40) mehrere Teilräume (31) aufweist, die in, insbesondere einer Vielzahl von, länglichen Kanälen (46) angeordnet sind, die in Querrichtung (x) parallel verlaufend alternierend zu wärmeübertragenden Strukturen (42), insbesondere Lamellenstrukturen (44), angeordnet sind.
Temperiermodul (12) nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimension in Tiefenrichtung (z) geringer ist als die Dimension in Querrichtung (x) und/oder Höhenrichtung (y), z. B. maximal die Hälfte oder ein Viertel der Querrichtung (x) und/oder Höhenrichtung (y) beträgt.
Bausatz für eine Brennstoffzelleneinheit (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, umfassend zumindest ein Temperiermodul (20, 40), insbesondere nach einem der Ansprüche 20 bis 28, und ein Brennstoffzellenmodul (30), und vorzugsweise zumindest ein Gasfördermodul (13, 15), das zur Montage zu der Brennstoffzelleneinheit (10) ausgebildet ist.