EP2243185A1 - Brennstoffzellensystem mit einem stack und verfahren zum wechseln des stacks - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit einem stack und verfahren zum wechseln des stacks

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Publication number
EP2243185A1
EP2243185A1 EP09702013A EP09702013A EP2243185A1 EP 2243185 A1 EP2243185 A1 EP 2243185A1 EP 09702013 A EP09702013 A EP 09702013A EP 09702013 A EP09702013 A EP 09702013A EP 2243185 A1 EP2243185 A1 EP 2243185A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stack
connections
fuel cell
terminals
carrying
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09702013A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Morten H. Christensen
Martin Zipkat
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sabik Informationssysteme GmbH
Original Assignee
Sabik Informationssysteme GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sabik Informationssysteme GmbH filed Critical Sabik Informationssysteme GmbH
Publication of EP2243185A1 publication Critical patent/EP2243185A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
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    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system with a stack according to the preamble of claim 1 and an associated method for changing the stack of this fuel cell system according to the preamble of claim 17.
  • Such fuel cell systems are used to supply energy to electrical consumers.
  • a fuel cell is used as an environmentally friendly and high-efficiency power source, in which chemical energy is converted directly into electrical energy by an electrochemical oxidation of an easily oxidizable substance (eg hydrogen, hydrazine, methanol) with an oxidizing agent (eg oxygen, air) ,
  • an easily oxidizable substance eg hydrogen, hydrazine, methanol
  • an oxidizing agent eg oxygen, air
  • the fuel cell has an electrolyte and two electrodes, wherein at the anode, the oxidizable substance and at the cathode, the oxidizing agent are supplied continuously.
  • a low-temperature fuel cell and a medium-temperature fuel cell (0-150 0 C and 150-250 0 C) are used as reactants oxygen and hydrogen or methanol.
  • a high-temperature fuel cell however, at 500 to 1100 0 C reactive hydrocarbons or nitrogen-hydrogen compounds (ammonia, hydrazine) are used as fuels.
  • the subject of the device presented here preferably relates to the direct methanol fuel cell (DMFC).
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • DMFCs can be used in stationary and mobile systems as a supplement to the energy supply. They are particularly suitable for applications in safety-critical areas, because the operation of the fuel cell with liquid Methanol is much safer than hydrogen-powered fuel cells.
  • the logistical effort in the supply of fuel is significantly lower than in fuel cells with hydrogen as fuel, since methanol has a higher energy density than hydrogen.
  • Stack summarized, the stack consists of several, clamped together bipolar and two outer end plates, which are each separated by a membrane and in which the end plates have fuel and air supply connections and electrical connections.
  • a modular fuel cell which consists of a module housing and a stack, wherein in the module housing all, necessary for the operation of a fuel cell components are integrated.
  • the module housing has a trapezoidal cross-section slot for receiving the stack.
  • the outer shape of the stack is adapted to the insertion compartment in such a way that its end plates are directed to the slopes of the trapezoidal insertion compartment.
  • the Current-carrying connections which are designed as plug contacts, are located at the bottom of the insertion compartment.
  • the fluid-carrying connections are realized via spring valves arranged in the module housing, which are triggered by inserting the stack into the insertion compartment via arms arranged on the stack.
  • the disadvantage of this solution is that the stack is held in the inserted state only by the plug contacts of the current-carrying terminals in the insertion compartment.
  • these plug contacts can not hold the stack in the module housing, for example when the head housing of the module housing is in the top position.
  • the force of the spring valves is directed against the holding force of the plug contacts.
  • the weight of the stack is supplemented by the spring force of the spring valves in the header of the module housing, which is greater than the retention force of the plug contacts in the sum.
  • the invention is therefore based on the object to develop a generic fuel cell system with a stack and an associated method for changing the stack of this fuel cell system in which no fuel can escape from the leads of the terminals of the stack, especially during transport and when changing the stack , - A -
  • the new fuel cell system with a stack and an associated method for changing the stack eliminate the disadvantages of the prior art.
  • An advantage of the use of the new fuel cell system with a stack is that the fiuidgeden terminals of the stack each have at least one valve. As a result, any residues of fuel, which are still in the leads of the connections, leak from the stack and pollute the system housing. In addition, the risk of explosion is reduced by the sparking associated with the insertion or removal of the stack, since no explosive fuel-air mixture can form. Also, a valve-sealed stack filled with media is ready to use even after a prolonged storage period.
  • the system housing has a lock for frictional attachment of the stack in the insertion compartment, wherein the lock is mechanically triggered.
  • the stack is held by the lock on the system housing, even with a top view of the system housing and can not slip out of the system housing.
  • the lock is at least one clamp or at least one strap, each clamp or strap is attached to the system housing and spans the inserted into the slot stack.
  • both the clamp and the tension band are each a cost-effective, simple and safe variant of the locking and locking.
  • the lock is a cover which closes the insertion compartment and completely covers the inserted stack, wherein the cover is designed as a flap with a hinge and a closure or as a lid tightened or screwed onto the system housing.
  • the lock is at least one spring key connection, each spring key connection consisting of a wedge pocket attached to the stack and a spring wedge arranged on the insertion pocket, the spring key engaging in the wedge pocket when the stack is pushed into the slide-in compartment.
  • the connections of the system housing are arranged on a bottom of the insertion compartment and the connections of the stack on a base of an end plate of the stack, wherein the connections on the bottom of the insertion compartment and the connections on the base of the end plate of the stack mirror-symmetrical aligned with each other. This ensures a high accuracy of fit of the connections.
  • connections for opening and closing the fuel connections and the air connections are each one on the bottom of the insertion compartment and each one arranged on the base of the end plate of the stack disc valve. This prevents leakage of fuel from the terminals, because disk valves are particularly narrow in their design and are therefore arranged at the end of the supply lines.
  • disc valves are connected to a mechanically displaceable between two end positions control lever, wherein in one end position all disc valves open and in the other end position all disc valves are closed. This ensures safe operation of the disc valves.
  • the lock and the terminals are mechanically connected to each other, wherein the terminals are triggered by the operation of the lock. This ensures that only the stack is locked in the slot of the system housing with actuation of the locking and only after locking the ports are controlled. It is also advantageous if the connections are arranged such that the connections are triggered one after the other. As a result, upon insertion of the stack, the fuel connections and the air connections, in particular the disk valves, are closed first, and then the at least one sensor connection and the at least one power terminal are closed. Likewise, when the stack is removed, the fuel and air connections, in particular the disk valves, are opened first, and then the at least one sensor connection and the at least one power terminal are opened.
  • the fluid-carrying connections are each opened by a valve and before removing the stack from the system housing the fluid-carrying connections are closed by these valves.
  • the valves prevent residues of fuel from escaping from the stack and forming an explosive fuel-air mixture that could ignite due to sparking associated with inserting or removing the stack.
  • the opened fluid-conducting connections are mechanically closed and separated from one another, and then removed by pulling out the stack from the drawer, the lock is released, with the release of the lock, the current-carrying connections open.
  • connections are triggered one after the other, wherein at least one sensor connection and at least one current terminal are connected when the stack is inserted and then the fuel connections and the air connections are connected, in particular by opening the disk valves, and when removing the stack First, the fuel connections and the air connections, in particular by closing the disc valves, separated and then the at least one sensor terminal and the at least one power terminal are separated.
  • connection and disconnection of the stack with the system housing takes place in each case stepwise, whereby the stack is first connected non-positively to the system housing during connection, then the current-carrying connections are triggered and finally the fluid-conducting connections are triggered.
  • the fluid-carrying connections and then the current-carrying connections are triggered first, and finally the frictional connection of the stack with the system housing is released.
  • an advantage of the fuel cell system is that the stack can be quickly and without dismantling the entire fuel after a defect or a degradation caused by the operation or reaching the end of the life. cell system can be exchanged. The exchanged defective stack can thus be regenerated without causing a prolonged failure of the fuel cell system.
  • the terminals arranged at the end plates can be realized in such a way that the current terminal, the sensor terminals and the supply lines for anode or cathode, e.g. passed laterally past the bipolar plates or through the bipolar plates from one to the other end plate.
  • a more powerful or weaker stack can be used on an end plate as needed.
  • the stack only has to be adjusted by the number of single cells.
  • the stack sensors needed for control and monitoring can also be fixed to the stack with an integrated microprocessor unit. As a result, the mechanical stress on the connector between the stack and the fuel cell system is minimized. In addition, the sensors can then be recalibrated during regeneration.
  • methanol is used as the fuel in the stack, wherein the fuel is dissolved in water form and is supplied as a three percent methanol solution to the stack through the lines.
  • this methanol solution has a significantly lower risk of ignition than other fuels, such. Hydrogen on.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system with a stack in a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a stack of the fuel cell system according to the first exemplary embodiment
  • 3 shows a schematic representation of a stack of the fuel cell system in a second exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the fuel cell system with a stack in a third exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows an exploded view of a stack of the fuel cell system according to the third exemplary embodiment
  • Fig. 6 Schematic representation of the stack of the fuel cell system according to the third embodiment
  • Fig. 7 Schematic representation of the base of the insertion compartment of the fuel cell system according to the third embodiment.
  • the new fuel cell system consists in a first embodiment, acc. Fig. 1, from a system housing 1 with a slot 2 for a stack 3, wherein in the system housing 1 all, not shown in FIG. 1 components are integrated, which are necessary for the operation of a fuel cell.
  • a first embodiment acc. Fig. 1
  • a system housing 1 with a slot 2 for a stack 3, wherein in the system housing 1 all, not shown in FIG. 1 components are integrated, which are necessary for the operation of a fuel cell.
  • control unit with the power electronics and other electronic and mechanical elements.
  • the insertion compartment 2 of the system housing 1 is dimensioned such that when inserted stack 3, the outer surfaces 4 and 5 complete plan.
  • the bottom 6 of the insertion compartment 2 has a plurality of terminals 7 for connecting the stack 3 to the system housing 1.
  • the stack 3 consists, acc. 2, of several, connected to a stack bipolar plates 9 and one, the stack on both sides final end plate 8.
  • the bipolar plates 9 are bundled via a stack-internal electronics, as well as the end plates 8 each have on an outer side of the terminals T for connecting the stack 3 with the module housing 1.
  • the connections T are arranged on the outer side 10 of the stack 3, which points in the inserted state of the stack 3 in the direction of the bottom 6 of the insertion compartment 2.
  • the arrangement of the terminals 7 'on the outside 10 of the stack 3 is mirror-symmetrical to the arrangement of the terminals 7 on the bottom 6 of the insertion compartment 2.
  • the terminals 7, T which carry a gas or a liquid, are as leak-free couplings, especially as Valve couplings executed.
  • the current-carrying terminals 7, T are plug connections.
  • the connections 7, T comprise a plurality of sensor connections 11, two power terminals 12, and in each case two fuel connections 13 and air connections 14, each sensor connection 11 being connected to the bipolar plates 9 via a common sensor unit 15, and the sensor unit 15 and the sensor connections 11 being centered on the outside 10 of the stack 3 are arranged.
  • the power terminals 12 and the fuel terminals 13 are arranged on the end plates 8, wherein in each case a current terminal 12 are located centrally and two fuel terminals 13 at the outer edge of the end plates 8.
  • the fuel connections 13 and air connections 14 of each end plate 8 serve to supply the anode and the cathodes by continuously supplying an aqueous methanol solution into the anode compartment and air continuously into the cathode compartment and removing carbon dioxide formed from the anode compartment and water arising from the cathode compartment.
  • the fuel connections 13 and air connections 14 are arranged in pairs such that the fuel connections 13 of the one end plate 8 oppose the air connections 14 of the other end plate 8.
  • the stack 3 has in a second embodiment, acc. Fig. 3, all connections T on a base of an end plate 8, wherein the connections 7, not shown in FIG. 3 on the bottom 6 of the insertion compartment 2 are arranged mirror-symmetrically to the terminals T on a base surface of the end plate 8.
  • the fuel connections 13 and air connections 14 are in each case a corner of the end plate 8.
  • the sensor terminals 11 and the power terminal 12 are arranged.
  • the inserted stack 3 can be closed by a cover, not shown in FIGS. 1 to 3, for protection against dirt and external influences, the cover being exemplified as a flap with a hinge and a flap Closure or can be designed as a screwed to the system housing 1 lid. It is also conceivable to non-positively connect the stack 3 with the insertion compartment 2, in which at least one clamping bracket or at least one tensioning band is fastened to the system housing 1 and spans the stack 3 inserted into the insertion compartment 2.
  • this stack 3 is inserted so far into the insertion compartment 2 until the stack 3 reaches the bottom 6 of the insertion compartment 2.
  • the current-carrying terminals 7, 7 'and then the fluid-carrying connections 7, T are connected.
  • the tensioning strap fastened to the system housing 1 or the clamping strap fastened to the system housing 1 can span and lock the stack 3 inserted into the insertion compartment 2.
  • the cover designed as a flap with a hinge and a closure or as a cover bolted to the system housing 1 can also be closed. The cover of the stack 3 serves both the protection against contamination and moisture as well as the locking and locking in the insertion compartment. 2
  • the system housing 1 for the stack 3 instead of a closed insertion compartment 2, a two-sided open insertion compartment T, wherein in the system housing 1, as in the previous exemplary embodiments, all components necessary for the operation of a fuel cell are integrated.
  • the new fuel cell system has a lock 16, via which the stack 3 is frictionally secured in the insertion compartment 2 'of the system housing 1, and a protruding from the system housing 1 control lever 17th
  • the stack 3 is, acc. Fig. 5, surrounded by a stack housing 18, wherein the stack 3 in the stack housing 18 can be inserted.
  • the stack housing 18 has a handle 19 for pulling out and inserting the stack 3 into the insertion compartment 2 'of the system housing 1.
  • connections T on the end plate 8 are arranged mirror-symmetrically to the connections 7 shown in FIG. 7 in the bottom 6 of the insertion compartment 2.
  • the fuel connections 13 and air connections 14 both on the bottom 6 of the insertion compartment 2 as well as on the base of the end plate 8 in each case two disc valves 20, 20 ', which serve in each case for closing a fuel connection 13 and an air connection 14.
  • a rotary plate 21 By a rotary plate 21, the two disc valves 20 on the bottom 6 of the insertion compartment 2 and the two disc valves 20 'on the base surface of the end plate 8 are mechanically connected.
  • a driver pin 22 which projects through the respective disc valve 20 and in the inserted state of the stack 3 in the insertion compartment 2 of the module housing 1 non-positive connection with one in the disc valves 20th 'arranged cam opening 23 produces. Due to the non-positive connection between the driving pin 22 and driving opening 23, these can only perform synchronous rotational movements, so that all disk valves 20, 20 'are actuated simultaneously.
  • the driving pin 22 is also connected to the operating lever 17 via a lever system (not shown in FIG. 7). This operating lever 17 is manually displaceable between two end positions, wherein in one end position all disc valves 20, 20 'are opened and in the other end position all disc valves 20, 20' are closed.
  • the lock 16 is designed as at least one spring key connection 24.
  • each spring wedge connection 24 from a mounted on the stack 3 wedge pocket 25 and the insertion compartment 2 'arranged spring wedge 26, wherein when inserted into the insertion compartment 2' stack 3 of the spring wedge 26 engages in the key pocket 25.
  • the steps described above take place in the reverse order.
  • the disc valves 20, 20 ' are closed. If the operating lever 17 in its first position, then the stack 3 can be pulled out of the insertion compartment 2 ', wherein the lock 16 is released and the current-carrying terminals 7, T are opened.
  • the lock 16 and the terminals 7, T are mechanically connected to each other, wherein the actuation of the lock 16, the terminals 7, T are triggered. It would be conceivable to carry out the lock 16 as a bolt connected to the rotary plate 21, for example via a toothed gear. In this case, the rotary plate 21 in its axis of rotation on a gear which engages the teeth of the bolt, so that the rotational movement of the rotary plate 21 is converted into a pushing movement of the bolt.
  • the operating lever 17 has three positions, wherein in the first position, the lock 16 is open. In the second position, the lock 16 and the current-carrying terminals 7, T and in the third position, in addition, the fiuidgeden terminals 7, T are closed or the disc valves 20, 20 'open.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einem Stack sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wechseln des Stacks zu entwickeln, bei dem kein Brennstoff aus den Zuleitungen der Anschlüsse des Stacks, insbesondere beim Transport und beim Wechsel des Stacks austreten kann. Erreicht wird dies dadurch, dass die fluidführenden Anschlüsse (7') des Stacks (3) jeweils mindestens ein Ventil aufweisen. Derartige Brennstoffzellensysteme werden zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern eingesetzt.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellensystem mit einem Stack und Verfahren zum Wechseln des Stacks
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Stack nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wechseln des Stacks dieses Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17. Derartige Brennstoffzellensysteme werden zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern eingesetzt.
Eine Brennstoffzelle wird als umweltfreundliche und einen hohen Wirkungsgrad aufweisende Stromquelle genutzt, bei der durch eine elektrochemische Oxidation einer leicht oxidierbaren Substanz (z.B. Wasserstoff, Hydrazin, Methanol) mit einem Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff, Luft) chemische Energie direkt in elektrische E- nergie umgewandelt wird. Dazu besitzt die Brennstoffzelle ein Elektrolyt und zwei Elektroden, wobei an der Anode die oxidierbare Substanz und an der Kathode das Oxidationsmittel kontinuierlich zugeführt werden. Bei einer Niedertemperaturbrennstoffzelle und einer Mitteltemperaturbrennstoffzelle (0-150 0C und 150-250 0C) werden als Reaktionsstoffe Sauerstoff und Wasserstoff oder Methanol verwendet. In einer Hochtemperaturbrennstoffzelle werden dagegen bei 500 bis 1100 0C reaktionsfähige Kohlenwasserstoffe oder Stickstoff- Wasserstoff- Verbindungen (Ammoniak, Hydrazin) als Brennstoffe eingesetzt.
Der Gegenstand der hier vorgestellten Vorrichtung betrifft vorzugsweise die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC).
Aufgrund ihres relativ einfachen Aufbaus und ihrer geringen Investitionskosten können DMFC in stationären und mobilen Anlagen als Ergänzung zur Energieversorgung eingesetzt werden. Dabei eignen sie sich besonders für Anwendungen in sicherheitskritischen Bereichen, weil der Betrieb der Brennstoffzelle mit flüssigem Methanol wesentlich sicherer als mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen ist. Außerdem ist bei DMFC der logistische Aufwand bei der Versorgung mit Brennstoff bedeutend geringer als bei Brennstoffzellen mit Wasserstoff als Brennstoff, da Methanol eine höhere Energiedichte als Wasserstoff aufweist. Zur Erhöhung der Effektivität der DMFC werden meist mehrere einzelne Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, einem sog. Stack, zusammengefasst, wobei der Stack aus mehreren, miteinander verspannten Bipolar- und zwei außen angeordneten Endplatten besteht, die jeweils durch eine Membran voneinander getrennt sind und bei dem die Endplatten Anschlüsse zur Brennstoff- und Luftversorgung sowie elektrische Anschlüsse aufweisen.
Zur Brennstoff- und Luftversorgung der Brennstoffzellen des Stacks sind Pumpen mit Steuerungs- und Leistungselektronik erforderlich. Die Pumpen mit Steuerungsund Leistungselektronik sowie alle notwendigen Verbindungen werden deshalb zusammen mit dem Stack als ein so genanntes Brennstoffzellensystem ausgeführt, wobei der Stack fest im Brennstoffzellensystem integriert ist. Derzeit sind bei Brennstoffzellensystemen die Lebensdauern der Pumpen und der Steuerungs- und Leistungselektronik deutlich höherer als die der Stacks. Aus den verschiedenen Lebensdauern der Einzelkomponenten der Brennstoffzellensysteme ergibt sich für ihren Einsatz der Nachteil, dass die Lebensdauer der Brennstoffzellensysteme durch die Lebensdauer der Stacks stark begrenzt wird. Dadurch werden die Kosten für den Einsatz der Brennstoffzellensysteme erhöht.
Aus der WO2004/023588 Al ist eine modulare Brennstoffzelle bekannt, die aus einem Modulgehäuse und einem Stack besteht, wobei in dem Modulgehäuse sämtliche, für den Betrieb einer Brennstoffzelle notwendigen Komponenten integriert sind. Das Modulgehäuse besitzt ein im Querschnitt trapezförmiges Einschubfach zur Aufnahme des Stacks. Der Stack ist in seiner Außenform derart dem Einschubfach ange- passt, dass seine Endplatten zu den Schrägen des im Querschnitt trapezförmigen Ein- schubfaches gerichtet sind. Über diese Endplatten und den Schrägen des im Querschnitt trapezförmigen Einschubfaches erfolgen die fluidführenden Anschlüsse. Die stromführenden Anschlüsse, welche als Steckkontakte ausgelegt sind, befinden sich am Boden des Einschubfaches. Die fluidführenden Anschlüsse werden über im Modulgehäuse angeordnete Federventile realisiert, die mit dem Hineinstecken des Stacks in das Einschubfach über am Stack angeordnete Arme ausgelöst werden. Von Nachteil dieser Lösung ist aber, dass der Stack im eingeschobenen Zustand nur durch die Steckkontakte der stromführenden Anschlüsse in dem Einschubfach festgehalten wird. Diese Steckkontakte können aber den Stack, beispielsweise bei einer Kopfüberstellung des Modulgehäuses, nicht im Modulgehäuse festhalten. Dabei ist es auch von Nachteil, dass die Kraftwirkung der Federventile entgegen der Festhaltekraft der Steckkontakte gerichtet ist. Dadurch wird bei der Kopfüberstellung des Modulgehäuses die Gewichtskraft des Stacks durch die Federkraft der Federventile ergänzt, die in der Summe größer als die Festhaltekraft der Steckkontakte ist. Von Nachteil ist aber auch, dass nur das Modulgehäuse Ventile zum Verschluss der fluidführenden Anschlüsse aufweist. Dagegen sind an dem Stack keine Ventile zum Verschluss der fluidführenden Anschlüsse angeordnet. Dadurch können Reste an Brennstoff, die sich noch in den Zuleitungen der Anschlüsse befinden, aus dem Stack auslaufen und das Modulgehäuse verschmutzen. Außerdem besteht die Gefahr, dass diese Brennstoffreste zu den stromführenden Anschlüsse gelangen, wodurch beim Hineinstecken oder Herausziehen des Stacks und der damit verbundenen Funkenbildung eine Entzündung des explosiven Brennstoff-Luftgemisches erfolgen kann. Dabei ist von besonderem Nachteil, dass mit dem Hineinstecken des Stacks in das Einschubfach die fluidführenden und die stromführenden Anschlüsse gleichzeitig ausgelöst werden, wodurch die Explosionsgefahr erhöht wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einem Stack sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wechseln des Stacks dieses Brennstoffzellensystems zu entwickeln, bei dem kein Brennstoff aus den Zuleitungen der Anschlüsse des Stacks, insbesondere beim Transport und beim Wechsel des Stacks austreten kann. - A -
12007WO/ 09.01.2009
Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und verfahrensseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 17 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 16 und 18 bis 23.
Das neue Brennstoffzellensystem mit einem Stack sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wechseln des Stacks beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.
Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Brennstoffzellensystems mit einem Stack ist es, dass die fiuidführenden Anschlüsse des Stacks jeweils mindestens ein Ventil aufweisen. Dadurch können keine Reste an Brennstoff, die sich noch in den Zuleitungen der Anschlüsse befinden, aus dem Stack auslaufen und das Systemgehäuse verschmutzen. Außerdem wird die Explosionsgefahr durch die mit dem Hineinstecken oder Herausziehen des Stacks verbundene Funkenbildung gemindert, da sich kein explosives Brennstoff-Luftgemisch bilden kann. Auch ist ein mit Ventilen verschlossener Stack, der mit Medium gefüllt ist, selbst nach einem längeren Lagerzeitraum sofort einsatzbereit.
Von Vorteil ist auch, wenn das Systemgehäuse eine Arretierung zur kraftschlüssigen Befestigung des Stacks in das Einschubfach aufweist, wobei die Arretierung mechanisch auslösbar ist. Dadurch wird der Stack am Systemgehäuse auch bei einer Kopfüberstellung des Systemgehäuses durch die Arretierung festgehalten und kann nicht aus dem Systemgehäuse herausrutschen.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Arretierung mindestens ein Klemmbügel oder mindestens ein Spannband ist, wobei jeder Klemmbügel bzw. Spannband am Systemgehäuse befestigt ist und den in das Einschubfach eingeschobenen Stack überspannt. Dabei sind sowohl der Klemmbügel als auch das Spannband jeweils eine kostengünstige, einfache und sichere Variante der Arretierung und Verriegelung. Auch ist es von Vorteil, wenn die Arretierung eine das Einschubfach verschließende und den eingeschobenen Stack vollständig abdeckende Abdeckung ist, wobei die Abdeckung als eine Klappe mit einem Scharnier und einem Verschluss oder als ein am Systemgehäuse verspannter oder verschraubter Deckel ausgeführt ist. Dabei sind diese Varianten der Arretierung kostengünstig, einfach und sicher. Zudem Schützen sie den Stack vor Verschmutzungen und Feuchtigkeit.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Arretierung mindestens eine Federkeilverbindung ist, wobei jede Federkeilverbindung aus einer am Stack angebrachten Keiltasche und einem am Einschubfach angeordneten Federkeil besteht, wobei beim in das Ein- schubfach eingeschobenen Stack der Federkeil in die Keiltasche greift. Mit dieser Arretierung ist insbesondere ein einfacher Austausch des Stacks möglich. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Anschlüsse des Systemgehäuses auf einem Boden des Einschubfaches und die Anschlüsse des Stacks auf einer Grundfläche einer Endplatte des Stacks angeordnet sind, wobei die Anschlüsse auf dem Boden des Einschubfaches und die Anschlüsse auf der Grundfläche der Endplatte des Stacks spiegelsymmetrisch zueinander ausgerichtet sind. Dadurch wird eine hohe Passgenauigkeit der Anschlüsse gewährleistet.
Von besonderem Vorteil ist dann, wenn die Anschlüsse zum Öffnen und Schließen der Brennstoffanschlüsse und der Luftanschlüsse jeweils ein auf dem Boden des Einschubfaches und jeweils ein auf der Grundfläche der Endplatte des Stacks angeordnetes Scheibenventil ist. Dadurch wird ein Herauslaufen von Brennstoff aus den Anschlüssen verhindert, weil Scheibenventile in ihrer Bauform besonders schmal sind und deshalb am Ende der Zuleitungen angeordnet sind.
Auch ist es von Vorteil, wenn die Scheibenventile mit einem zwischen zwei Endstellungen mechanisch verschiebbaren Bedienhebel verbunden sind, wobei in der einen Endstellung alle Scheibenventile geöffnet und in der anderen Endstellung alle Scheibenventile verschlossen sind. Dadurch ist eine sichere Bedienung der Scheibenventile gewährleistet.
Von besonderem Vorteil ist dann, wenn die Arretierung und die Anschlüsse mechanisch miteinander verbunden sind, wobei durch die Betätigung der Arretierung die Anschlüsse ausgelöst werden. Dadurch wird erreicht, dass mit Betätigung der Arretierung erst der Stack im Einschubfach des Systemgehäuses verriegelt wird und erst nach der Verriegelung die Anschlüsse angesteuert werden. Von Vorteil ist es auch, wenn die Anschlüsse derart angeordnet sind, dass die Anschlüsse nacheinander ausgelöst werden. Dadurch werden beim Einschieben des Stacks zuerst die Brennstoffanschlüsse und die Luftanschlüsse, insbesondere die Scheibenventile geschlossen und anschließend der mindestens eine Sensoranschluss und die mindestens eine Stromklemme geschlossen. Ebenso werden beim Herausnehmen des Stacks zuerst die Brennstoff- und Luftanschlüsse, insbesondere die Scheibenventile geöffnet und anschließend der mindestens eine Sensoranschluss und die mindestens eine Stromklemme geöffnet.
Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Verfahren zum Wechseln des Stacks ist es, dass nach dem Einschieben des Stacks in das Systemgehäuse die fluidführenden Anschlüsse jeweils durch ein Ventil geöffnet und vor dem Herausnehmen des Stacks aus dem Systemgehäuse die fluidführenden Anschlüsse durch diese Ventile verschlossen werden. Durch die Ventile wird verhindert, dass Reste an Brennstoff aus dem Stack austreten und ein explosives Brennstoff-Luftgemisches bilden können, welches sich durch die mit dem Hineinstecken oder Herausziehen des Stacks verbundene Funkenbildung entzünden könnte.
Von Vorteil ist es dabei, wenn beim Einschieben des Stacks zuerst die stromführenden Anschlüsse und anschließend die fluidführenden Anschlüsse verbunden werden sowie beim Herausnehmen des Stacks zuerst die fluidführenden Anschlüsse und anschließend die stromführenden Anschlüsse getrennt werden. Dabei ist es von Vorteil, wenn beim Einschieben des Stacks der Stack in ein Ein- schubfach eingeführt wird, bis der Stack in eine Arretierung einrastet und den Stack kraftschlüssig mit dem Systemgehäuse verbindet. Dadurch werden mit dem Einrasten des Stacks in der Arretierung die stromführenden Anschlüsse und anschließend mechanisch die verschlossenen fluidführenden Anschlüsse geöffnet und paarweise miteinander verbunden. Ebenso ist es von Vorteil, wenn beim Herausnehmen des Stacks mechanisch die geöffneten fluidführenden Anschlüsse jeweils geschlossen und voneinander getrennt werden und anschließend durch Herausziehen des Stacks aus dem Einschubfach die Arretierung gelöst wird, wobei mit dem Lösen der Arretierung die stromführenden Anschlüsse sich öffnen.
Von besonderem Vorteil ist es dann, wenn die Anschlüsse nacheinander ausgelöst werden, wobei beim Einschieben des Stacks zuerst mindestens ein Sensoranschluss und mindestens eine Stromklemme angeschlossen und anschließend die Brennstoffanschlüsse und die Luftanschlüsse, insbesondere durch Öffnen der Scheibenventile, angeschlossen werden, sowie beim Herausnehmen des Stacks zuerst die Brennstoffanschlüsse und die Luftanschlüsse, insbesondere durch Schließen der Scheibenventile, abgetrennt und anschließend der mindestens eine Sensoranschluss und die mindestens eine Stromklemme abgetrennt werden.
Von besonderem Vorteil ist es weiter, wenn das Verbinden und das Trennen des Stacks mit dem Systemgehäuse jeweils stufenweise erfolgt, wobei beim Verbinden zuerst der Stack kraftschlüssig mit dem Systemgehäuse verbunden wird, anschließend die stromführenden Anschlüsse ausgelöst und abschließenden die fluidführen- den Anschlüsse ausgelöst werden. Beim Trennen hingegen werden zuerst die fluid- führenden Anschlüsse und anschließend die stromführenden Anschlüsse ausgelöst und abschließend wird die kraftschlüssige Verbindung des Stacks mit dem Systemgehäuse gelöst.
Durch den einfachen Aufbau des neuen Brennstoffzellensystems ist ein leichter Austausch des Stacks möglich, so dass die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems im Wesentlichen nur durch die Lebensdauern der Pumpen und der Steuerungs- und Leistungselektronik bestimmt wird. Auch ist dieses Brennstoffzellensystem billiger als bekannte Brennstoffzellensysteme, da beim Ausfall des Stacks nur dieser ersetzt und die zur Brennstoff- und Luftversorgung der Brennstoffzellen des Stacks notwendigen Pumpen mit Steuerungs- und Leistungselektronik weiter verwendet werden können.
Auch liegt ein Vorteil des Brennstoffzellensystems darin, dass der Stack nach einem Defekt oder einer durch den Betrieb verursachten Degradation bzw. dem Erreichen des Endes der Lebensdauer schnell und ohne Demontage des gesamten Brennstoff- zellensystems getauscht werden kann. Der getauschte defekte Stack kann somit regeneriert werden, ohne dass es zu einem längeren Ausfall des Brennstoffzellensystems kommt.
Auch können die an den Endplatten angeordneten Anschlüsse derart realisiert werden, in dem die Stromklemme, die Sensoranschlüsse sowie die Versorgungsleitungen für Anode oder Kathode z.B. seitlich an den Bipolarplatten vorbei oder durch die Bipolarplatten hindurch von einer zur anderen Endplatte geführt werden. Dadurch kann, unabhängig von der Geometrie der Anschlüsse, an einer Endplatte je nach Bedarf ein leistungsstärkerer oder schwächerer Stack eingesetzt werden. Hierzu muss der Stack lediglich um die Anzahl der Einzelzellen angepasst werden. Die für die Regelung und zur Überwachung benötigten Sensoren des Stacks können auch fest mit einer integrierten Mikroprozessoreinheit am Stack angebracht werden. Hierdurch wird die mechanische Beanspruchung der Steckverbindung zwischen dem Stack und dem Brennstoffzellensystem minimiert. Zusätzlich können die Sensoren dann bei der Regeneration neu kalibriert werden.
Vorzugsweise wird als Brennstoff im Stack Methanol verwendet, wobei der Brennstoff in Wasser gelöster Form ist und als dreiprozentige Methanollösung dem Stack durch die Leitungen zugeführt wird. Dabei weist diese Methanollösung eine deutlich geringere Entzündungsgefahr als andere Brennstoffe, wie z.B. Wasserstoff auf.
Das neue Brennstoffzellensystem mit einem Stack sowie ein dazugehöriges Verfahren zum Wechseln des Stacks sollen nun an drei Ausführungsbeispielen erläutert werden. Dazu zeigen:
Fig. 1 : Schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Stack in einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 2: Schematische Darstellung eines Stacks des Brennstoffzellensystems nach dem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 : Schematische Darstellung eines Stacks des Brennstoffzellensystems in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4: Schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems mit einem Stack in einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5: Explosivdarstellung eines Stacks des Brennstoffzellensystems nach dem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 6: Schematische Darstellung des Stacks des Brennstoffzellensystems nach dem dritten Ausführungsbeispiel und
Fig. 7: Schematische Darstellung der Grundfläche des Einschubfaches des Brennstoffzellensystems nach dem dritten Ausführungsbeispiel.
Das neue Brennstoffzellensystem besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel, gem. Fig. 1, aus einem Systemgehäuse 1 mit einem Einschubfach 2 für einen Stack 3, wobei in dem Systemgehäuse 1 sämtliche, in der Fig. 1 nicht dargestellte Komponenten integriert sind, die für den Betrieb einer Brennstoffzelle notwendig sind. Hierzu gehört:
- eine Luftbereitstellungseinheit mit einem Luftfilter und einer Luftförderpumpe,
- eine Methanolversorgungseinheit mit einem, ebenfalls in der Fig. 1 nicht dargestellten, externen Versorgungstank und einer Methanolpumpe,
- eine Wasseraufbreitungseinheit mit einem Wärmetauscher, einem Luftbefeuchter und einer Wasserpumpe sowie
- eine Steuerungseinheit mit der Leistungselektronik und weitere elektronische und mechanische Elemente.
Zur Aufnahme des Stacks 3 ist das Einschubfach 2 des Systemgehäuses 1 derart dimensioniert, dass bei eingeschobenen Stack 3 die Außenflächen 4 und 5 plan abschließen. Der Boden 6 des Einschubfaches 2 weist mehrere Anschlüsse 7 zur Verbindung des Stacks 3 mit dem Systemgehäuse 1 auf.
Der Stack 3 besteht, gem. Fig.2, aus mehreren, zu einem Stapel verbundenen Bipolarplatten 9 und jeweils einer, den Stapel zu beiden Seiten abschließende Endplatte 8. Die Bipolarplatten 9 werden über eine stackinterne Elektronik gebündelt, die ebenso wie die Endplatten 8 jeweils an einer Außenseite die Anschlüsse T zur Verbindung des Stacks 3 mit dem Modulgehäuse 1 aufweisen. Dabei sind die Anschlüsse T auf der Außenseite 10 des Stacks 3 angeordnet, die im eingeschobenen Zustand des Stacks 3 in Richtung Boden 6 des Einschubfaches 2 zeigt. Die Anordnung der Anschlüsse 7' auf der Außenseite 10 des Stacks 3 ist spiegelsymmetrisch zu der Anordnung der Anschlüsse 7 auf den Boden 6 des Einschubfaches 2. Die Anschlüsse 7, T, die ein Gas oder eine Flüssigkeit führen, sind als leckagefreie Kupplungen, insbesondere als Ventilkupplungen ausgeführt. Die stromführenden Anschlüsse 7, T sind Steckverbindungen.
Die Anschlüsse 7, T umfassen mehrere Sensoranschlüsse 11, zwei Stromklemmen 12 sowie jeweils zwei Brennstoffanschlüsse 13 und Luftanschlüsse 14, wobei jeder Sensoranschluss 11 über eine gemeinsame Sensoreinheit 15 mit den Bipolarplatten 9 verbunden ist sowie die Sensoreinheit 15 und die Sensoranschlüsse 11 mittig auf der Außenseite 10 des Stacks 3 angeordnet sind. Die Stromklemmen 12 und die Brennstoffanschlüsse 13 sind auf den Endplatten 8 angeordnet, wobei sich jeweils eine Stromklemme 12 mittig und jeweils zwei Brennstoffanschlüsse 13 am äußeren Rand der Endplatten 8 befinden. Dabei dienen die Brennstoffanschlüsse 13 und Luftanschlüsse 14 jeder Endplatte 8 der Anoden- und der Kathoden Versorgung, indem in den Anodenraum kontinuierlich eine wässrige Methanollösung und in den Kathodenraum kontinuierlich Luft zugeführt wird sowie aus dem Anodenraum entstandenes Kohlendioxid und aus dem Kathodenraum entstandenes Wasser abgeführt wird. Dazu sind die Brennstoffanschlüsse 13 und Luftanschlüsse 14 derart paarweise angeordnet sind, dass die Brennstoffanschlüsse 13 der einen Endplatte 8 den Luftanschlüssen 14 der anderen Endplatte 8 gegenüberliegen.
Der Stack 3 besitzt in einem zweiten Ausführungsbeispiel, gem. Fig. 3, alle Anschlüsse T auf einer Grundfläche einer Endplatte 8, wobei die in der Fig. 3 nicht dargestellten Anschlüsse 7 auf dem Boden 6 des Einschubfaches 2 spiegelsymmetrisch zu den Anschlüssen T auf einer Grundfläche der Endplatte 8 angeordnet sind. Dabei befinden sich die Brennstoffanschlüsse 13 und Luftanschlüsse 14 in jeweils einer Ecke der Endplatte 8. Zwischen den Brennstoffanschlüssen 13 sind die Sensoranschlüsse 11 und die Stromklemme 12 angeordnet.
In einer besonderen Ausgestaltung des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels kann der eingeschobene Stack 3 zum Schutz vor Schmutz und äußeren Einwirkungen durch eine in den Fig. 1 bis Fig. 3 nicht dargestellten Abdeckung verschlossen werden, wobei die Abdeckung beispielhaft als eine Klappe mit einem Scharnier und einem Verschluss oder als ein am Systemgehäuse 1 verschraubter Deckel ausgeführt sein kann. Auch ist es denkbar, den Stack 3 mit dem Einschubfach 2 kraftschlüssig zu verbinden, in dem mindestens ein Klemmbügel oder mindestens ein Spannband am Systemgehäuse 1 befestigt ist und den in das Einschubfach 2 eingeschobenen Stack 3 überspannt.
In Funktion des neuen Brennstoffzellensystems nach den ersten beiden Ausführungsbeispielen wird zum Einschieben des Stacks 3 dieser Stack 3 in das Einschubfach 2 derart weit eingeführt, bis der Stack 3 den Boden 6 des Einschubfaches 2 erreicht. Dabei werden mit dem Erreichen des Bodens 6 die stromführenden Anschlüsse 7, 7' und anschließend die fluidführenden Anschlüsse 7, T verbunden. Zum kraftschlüssigen Verbinden des Stacks 3 mit dem Systemgehäuse 1 kann das am Systemgehäuse 1 befestigte Spannband oder der an dem Systemgehäuse 1 befestigte Klemmbügel den in das Einschubfach 2 eingeschobenen Stack 3 überspannen und arretieren. Alternativ kann auch die als eine Klappe mit einem Scharnier und einem Verschluss oder als ein am Systemgehäuse 1 verschraubter Deckel ausgeführte Abdeckung geschlossen werden. Dabei dient die Abdeckung des Stacks 3 sowohl dem Schutz vor Verschmutzung und Feuchtigkeit als auch der Arretierung und Verriegelung im Einschubfach 2.
In einem dritten Ausführungsbeispiel des neuen Brennstoffzellensystems, gem. Fig. 4, weist das Systemgehäuse 1 für den Stack 3 anstelle eines geschlossen Einschubfaches 2 ein zweiseitig offenes Einschubfach T auf, wobei im Systemgehäuse 1, wie in den vorhergehenden Ausfuhrungsbeispielen, sämtliche für den Betrieb einer Brennstoffzelle notwendigen Komponenten integriert sind. Außerdem besitzt das neue Brennstoffzellensystem eine Arretierung 16, über die der Stack 3 kraftschlüssig in das Einschubfach 2' des Systemgehäuses 1 befestigt ist, und einem aus dem Systemgehäuse 1 herausragenden Bedienhebel 17.
Der Stack 3 ist, gem. Fig. 5, von einem Stackgehäuse 18 umgeben, wobei der Stack 3 in das Stackgehäuse 18 einsteckbar ist. Das Stackgehäuse 18 besitzt eine Handgriff 19 zum Herausziehen und Hineinstecken des Stacks 3 in das Einschubfach 2' des Systemgehäuses 1.
Am Stack 3 sind, gem. Fig. 6, ebenso wie im zweiten Ausführungsbeispiel, alle Anschlüsse T auf einer Grundfläche der Endplatte 8 angeordnet, wobei sich die Sensoranschlüsse 11 und die Stromklemmen 12 seitlich an der Grundfläche der Endplatte 8 befinden.
Die Anschlüsse T auf der Endplatte 8 sind spiegelsymmetrisch zu den in der Fig. 7 dargestellten Anschlüsse 7 im Boden 6 des Einschubfaches 2 angeordnet. Dabei weisen die Brennstoffanschlüsse 13 und Luftanschlüsse 14 sowohl auf dem Boden 6 des Einschubfaches 2 als auch auf der Grundfläche der Endplatte 8 jeweils zwei Scheibenventile 20, 20' auf, welche jeweils zum Verschluss eines Brennstoffanschlusses 13 und eines Luftanschlusses 14 dienen. Durch eine Drehplatte 21 sind die zwei Scheibenventile 20 auf dem Boden 6 des Einschubfaches 2 sowie die zwei Scheibenventile 20' auf der Grundfläche der Endplatte 8 mechanisch verbunden. Dazu befindet sich auf der horizontalen Tangente um die Drehachse der Drehplatte 21 jeweils ein Mitnehmerstift 22, der durch das jeweilige Scheibenventil 20 hindurch ragt und die im eingesteckten Zustand des Stacks 3 in das Einschubfach 2 des Modulgehäuses 1 kraftschlüssige Verbindung mit jeweils einer in den Scheibenventilen 20' angeordneten Mitnehmeröffnung 23 herstellt. Durch die kraftschlüssige Verbindung zwischen Mitnehmerstift 22 und Mitnehmeröffnung 23 können diese nur synchrone Drehbewegungen ausführen, so dass alle Scheibenventile 20, 20' gleichzeitig angesteuert werden. Der Mitnehmerstift 22 ist außerdem über ein in der Fig. 7 nicht dargestelltes Hebelsystem mit dem Bedienhebel 17 verbunden. Dieser Bedienhebel 17 ist zwischen zwei Endstellungen manuell verschiebbar, wobei in der einen Endstellung alle Scheibenventile 20, 20' geöffnet und in der anderen Endstellung alle Scheibenventile 20, 20' verschlossen sind.
Die Arretierung 16 ist als mindestens eine Federkeilverbindung 24 ausgeführt. Dazu besteht jede Federkeil Verbindung 24 aus einer am Stack 3 angebrachten Keiltasche 25 und einem am Einschubfach 2' angeordneten Federkeil 26, wobei beim in das Einschubfach 2' eingeschobenen Stack 3 der Federkeil 26 in die Keiltasche 25 greift.
In Funktion des neuen Brennstoffzellensystem nach dem dritten Ausführungsbeispiel werden beim Einschieben des Stacks 3 dieser Stack 3 in das Einschubfach 2' eingeführt, bis der Stack 3 in die Arretierung 16 in Form der Federkeilverbindung 24 einrastet. Dabei greift der Federkeil 26 in der Keiltasche 25 ein und der Stack 3 ist kraftschlüssig mit dem Modulgehäuse 1 verbunden. Gleichzeitig werden der mindestens eine Sensoranschluss 11 und die mindestens eine Stromklemme 12 geschlossen. Anschließend werden die Scheibenventile 20, 20' der Brennstoffanschlüsse 13 und der Luftanschlüsse 14 geöffnet, indem der Bedienhebel 17 von seiner ersten in seine zweiten Stellung mechanisch bewegt wird. Durch das Hebelsystem wird die Schwenkbewegung des Bedienhebels 17 in eine Drehwinkelbewegung der Drehplatte 21 übertragen. Diese Drehwinkelbewegung der Drehplatte 21 wiederum führt zu einer Linearbewegung des Mitnehmerstiftes 22, durch die beiden Scheibenventile 20 auf dem Boden 6 des Einschubfaches 2 sowie die beiden Scheibenventile 20' auf der Grundfläche der Endplatten 8 gleichzeitig geöffnet werden.
Beim Herausnehmen des Stacks 3 erfolgen die zuvor beschriebenen Schritte in umgekehrter Reihenfolge. Mit dem Betätigen des Bedienhebels 17 von seiner zweiten in seine ersten Stellung werden die Scheibenventile 20, 20' geschlossen. Ist der Bedienhebels 17 in seiner ersten Stellung, dann kann der Stack 3 aus dem Einschubfach 2' herausgezogen werden, wobei sich die Arretierung 16 löst und die stromführenden Anschlüsse 7, T geöffnet werden. In einer besonderen Ausgestaltung des dritten Ausfuhrungsbeispiels kann die Arretierung 16 und die Anschlüsse 7, T mechanisch miteinander verbunden sind, wobei durch die Betätigung der Arretierung 16 die Anschlüsse 7, T ausgelöst werden. Denkbar wäre, die Arretierung 16 als einen z.B. über ein Zahngetriebe mit der Drehplatte 21 verbundenen Riegel auszuführen. Dabei weist die Drehplatte 21 in ihrer Rotationsachse ein Zahnrad auf, welches in die Zähne des Riegels eingreift, so dass die Drehbewegung der Drehplatte 21 in eine Schubbewegung des Riegels umgesetzt wird.
In Funktion des neuen Brennstoffzellensystems nach der besonderen Ausgestaltung des dritten Ausführungsbeispiels weist der Bedienhebel 17 drei Stellungen auf, wobei in der ersten Stellung die Arretierung 16 geöffnet ist. In der zweiten Stellung sind die Arretierung 16 sowie die stromführenden Anschlüsse 7, T und in der dritten Stellung zusätzlich auch die fiuidführenden Anschlüsse 7, T geschlossen bzw. die Scheibenventile 20, 20' geöffnet.
In besonderer Ausgestaltung aller zuvor genannten Ausführungsbeispiele ist es auch denkbar, an einer Seitenfläche des Stackgehäuses 18 eine elektronische Überwachungseinheit zu integrieren, mit der die Sensorsignale der Sensoreinheit 15 digitalisiert und an die, in dem Modulgehäuse 1 integrierten Steuerungseinheit übertragen werden. Dabei ist jede geeignete drahtlose Übertragungsart, insbesondere eine lichtoptische oder eine Funkübertragung möglich.
Liste der Bezugszeichen
1 Systemgehäuse
2, 2' Einschubfach
3 Stack
4 Außenfläche
5 Außenfläche
6 Boden
7, 7' Anschluss
8 Endplatte
9 Bipolarplatte
10 Außenseite
11 Sensoranschluss
12 Stromklemme
13 Brennstoffanschluss
14 Luftanschluss
15 Sensoreinheit
16 Arretierung
17 Bedienhebel
18 Stackgehäuse
19 Handgriff
20, 20' Scheibenventil
21 Drehplatte
22 Mitnehmerstift
23 Mitnehmeröffnung
24 Federkeilverbindung
25 Keiltasche
26 Federkeil

Claims

Patentanspruch
1. Brennstoffzellensystem, bestehend aus einem Systemgehäuse (1) und einem Stack (3), wobei das Systemgehäuse (1) ein Einschubfach (2) für den Stack (3) aufweist und über fluidführende Anschlüsse (7, 7') und stromführende Anschlüsse (7, 7') mit dem Stack (3) verbunden ist, wobei die fluidführenden Anschlüsse (7) des Systemgehäuses (1) jeweils ein Ventil aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidführenden Anschlüsse (7') des Stacks (3) jeweils mindestens ein Ventil aufweisen.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Systemgehäuse (1) eine Arretierung (16) zur kraftschlüssigen Befestigung des Stacks (3) in das Einschubfach (2, 2') aufweist, wobei die Arretierung (16) mechanisch auslösbar ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierung (16) mindestens ein Klemmbügel ist, wobei jeder Klemmbügel am Systemgehäuse (1) befestigt ist und den in das Einschubfach (2, 2') eingeschobenen Stack (3) überspannt.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierung (16) mindestens ein Spannband ist, wobei jedes Spannband am Systemgehäuse (1) befestigt ist und den in das Einschubfach (2, 2') eingeschobenen Stack (3) überspannt.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierung (16) eine das Einschubfach (2, 2') verschließende und den eingeschobenen Stack (3) vollständig abdeckende Abdeckung ist, wobei die Abdeckung: - als eine Klappe mit einem Scharnier und einem Verschluss oder
- als ein am Systemgehäuse (1) verspannter oder verschraubter Deckel ausgeführt ist.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierung (16) mindestens eine Federkeilverbindung (24) ist, wobei jede Federkeilverbindung (24) aus einer am Stack (3) angebrachten Keiltasche (25) und einem am Einschubfach (2, 2') angeordneten Federkeil (26) besteht, wobei beim in das Einschubfach (2, 2') eingeschobenen Stack (3) der Federkeil (26) in die Keiltasche (25) greift.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (J, 7') mindestens ein Sensoran- schluss (11), mindestens eine Stromklemme (12) sowie jeweils mindestens zwei Brennstoffanschlüsse (13) und Luftanschlüsse (14) sind.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranschlüsse (11) und eine Sensoreinheit (15) mittig auf der Außenseite (10) des Stacks (3) angeordnet sind, wobei jeder Sen- soranschluss (11) über die Sensoreinheit (15) mit jeweils einer Bipolarplatte (9) verbunden ist.
9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (7) auf einem Boden (6) des Ein- schubfaches (2) und die Anschlüsse (7') auf einer Grundfläche einer Endplatte (8) des Stacks (3) angeordnet sind, wobei die Anschlüsse (7) auf dem Boden (6) des Ein- schubfaches (2) und die Anschlüsse (7') auf der Grundfläche der Endplatte (8) des Stacks (3) spiegelsymmetrisch zueinander ausgerichtet sind.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (7, 7') zum Öffnen und Schließen der Brennstoffanschlüsse (13) und der Luftanschlüsse (14) jeweils ein auf dem Boden (6) des Einschubfaches (2) und jeweils ein auf der Grundfläche der Endplatte (8) des Stacks (3) angeordnetes Scheibenventil (20, 20') sind.
11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenventile (20, 20') mit einem zwischen zwei Endstellungen mechanisch verschiebbaren Bedienhebel (17) verbunden sind, wobei in der einen Endstellung alle Scheibenventile (20, 20') geöffnet und in der anderen Endstellung alle Scheibenventile (20, 20') verschlossen sind.
12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Scheibenventile (20) auf dem Boden (6) des Einschubfaches (2) sowie die zwei Scheibenventile (20') auf der Grundfläche der Endplatten (8) mechanisch durch eine Drehplatte (21) miteinander verbunden sind, wobei sich auf der horizontalen Tangente um die Drehachse der Drehplatte (21) jeweils ein Mitnehmerstift (22) befindet, die über ein Hebelsystem mit dem Bedienhebel (17) verbunden sind und im eingesteckten Zustand des Stacks (3) in das Ein- schubfach (2) des Systemgehäuses (1) eine kraftschlüssige Verbindung mit jeweils einer in den Scheibenventilen (20') angeordneten Mitnehmeröffnung (23) herstellen, so dass Mitnehmerstift (22) und Mitnehmeröffnung (23) nur synchrone Drehbewegungen ausführen und alle Scheibenventile (20, 20') gleichzeitig angesteuert werden.
13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedienhebel (17) am Systemgehäuse (1) angeordnet ist.
14. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Systemgehäuse (1) sämtliche für den Betrieb des Stacks (3) notwendigen Komponenten integriert sind.
15. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierung (16) und die Anschlüsse (7, 7') mechanisch miteinander verbunden sind, wobei durch die Betätigung des Bedienhebel (17) stufenweise die Arretierung (16) und Anschlüsse (7, 7') ausgelöst werden.
16. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (7, 7') derart angeordnet sind, das die Anschlüsse (7, 7') nacheinander ausgelöst werden, wobei:
- beim Einschieben des Stacks (3) zuerst die Brennstoffanschlüsse (13) und die Luftanschlüsse (14), insbesondere die Scheibenventile (20, 20') geschlossen und anschließend der mindestens eine Sensoranschluss (11) und die mindestens eine Stromklemme (12) geschlossen werden, sowie
- beim Herausnehmen des Stacks (3) zuerst die Brennstoffanschlüsse (13) und die Luftanschlüsse (14), insbesondere die Scheibenventile (20, 20') geöffnet und anschließend der mindestens eine Sensoranschluss (11) und die mindestens eine Stromklemme (12) geöffnet werden.
17. Verfahren zum Wechseln des Stacks des Brennstoffzellensystems, bei dem beim Einschieben des Stacks (3) in ein Systemgehäuse (1) die Anschlüsse (7, 7') miteinander verbunden und beim Herausnehmen des Stacks (3) aus dem Systemgehäuse (1) die Anschlüsse (7, 7') voneinander getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einschieben des Stacks (3) in das Systemgehäuse (1) die fluidführenden Anschlüsse (7') jeweils durch ein Ventil geöffnet und vor dem Herausnehmen des Stacks (3) aus dem Systemgehäuse (1) die fluidführenden Anschlüsse (7') durch diese Ventile verschlossen werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass:
- beim Einschieben des Stacks (3) zuerst die stromführenden Anschlüsse (7, 7') verbunden und anschließend die fluidführenden Anschlüsse (7, 7') verbunden werden sowie
- beim Herausnehmen des Stacks (3) zuerst die fluidführenden Anschlüsse (7, T) geöffnet und anschließend die stromführenden Anschlüsse (7, 7') getrennt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschieben des Stacks (3) der Stack (3) in ein Einschubfach (2, 2') eingeführt wird, bis der Stack (3) in eine Arretierung (16) einrastet und den Stack (3) krafitschlüssig mit dem Systemgehäuse (1) verbindet, wobei mit dem Einrasten des Stacks (3) in die Arretierung (16) die stromführenden Anschlüsse (7, 7') verbunden werden und anschließend mechanisch die verschlossenen fluidführenden Anschlüsse (7, 7') geöffnet und paarweise miteinander verbunden werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herausnehmen des Stacks (3) mechanisch die geöffneten fluidführenden Anschlüsse (7, 7') jeweils geschlossen und voneinander getrennt werden und anschließend durch Herausziehen des Stacks (3) aus dem Einschubfach (2, 2') die Arretierung (16) gelöst wird, wobei mit dem Lösen der Arretierung (16) die stromführenden Anschlüsse (7, 7') geöffnet werden.
21. Verfahren nach Anspruch 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (7, 7') nacheinander ausgelöst werden, wobei:
- beim Einschieben des Stacks (3) zuerst der mindestens eine Sensoranschluss (11) und die mindestens eine Stromklemme (12) angeschlossen und anschließend die Brennstoffanschlüsse (13) und die Luftanschlüsse (14), insbesondere durch Öffnen der Scheibenventile (20, 20'), angeschlossen werden, sowie - beim Herausnehmen des Stacks (3) zuerst die Brennstoffanschlüsse (13) und die Luftanschlüsse (14), insbesondere durch Schließen der Scheibenventile (20, 20'), abgetrennt und anschließend der mindestens eine Sensoranschluss (11) und die mindestens eine Stromklemme (12) abgetrennt werden.
22. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden und das Trennen des Stacks (3) mit dem Systemgehäuse (1) jeweils stufenweise erfolgt, wobei:
- beim Verbinden zuerst der Stack (3) kraftschlüssig mit dem Systemgehäuse (1) verbunden wird, anschließend die stromführenden Anschlüsse (7, 7') ausgelöst und abschließend die fluidführenden Anschlüsse (7, 7') ausgelöst werden sowie
- beim Trennen zuerst die fluidführenden Anschlüsse (7, 7') und anschließend die stromführenden Anschlüsse (7, 7') ausgelöst werden und abschließend die kraftschlüssige Verbindung des Stacks (3) mit dem Systemgehäuse (1) gelöst wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass:
- beim Einschieben des Stacks (3) der Stack (3) in ein Einschubfach (2, 2') geführt wird, bis der Stack (3) den Boden (6) des Einschubfaches (2, 2') kontaktiert und anschließend eine Arretierung (16) mechanisch ausgelöst wird, wobei in einer ersten Stellung der Arretierung (16) der Stack (3) kraftschlüssig mit dem Systemgehäuse (1) verbunden und die stromführenden Anschlüsse (7, 7') verbunden werden und in einer zweiten Stellung der Arretierung (16) die fluidführenden Anschlüsse (7, 7') geöffnet werden sowie
- beim Herausnehmen des Stacks (3) zuerst die Arretierung (16) mechanisch ausgelöst wird, wobei in einer ersten Stellung der Arretierung (16) die fluidführenden Anschlüsse (7, 7') geöffnet werden und in einer zweiten Stellung der Arretierung (16) die kraftschlüssige Verbindung des Stacks (3) vom Systemgehäuse (1) gelöst und die stromführenden Anschlüsse (7, 7') geschlossen werden.
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