EP4792052A1

EP4792052A1 - Brennstoffzellenturm für ein brennstoffzellensystem

Info

Publication number: EP4792052A1
Application number: EP25706621.7A
Authority: EP
Inventors: Christoph SCHLUCKNER
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2024-01-23
Filing date: 2025-01-22
Publication date: 2026-08-19
Also published as: CN122497822A; AT527813B1; AT527813A4; WO2025156000A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenturm (10) für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend ein Gehäuse (20) mit einem Gehäuseraum (22), in welchem wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (30) entlang einer Stapelrichtung (SR) übereinander angeordnet sind, wobei im Gehäuseraum (22) oberhalb der Brennstoffzellenstapel (30) wenigstens ein Gewicht (40) angeordnet ist in Gewichtskraft (GK) übertragendem Kontakt mit dem obersten Brennstoffzellenstapel (30) für ein Aufbringen wenigstens eines Teils der Gewichtskraft (GK) des Gewichts (40) auf die Brennstoffzellenstapel (30).

Description

Brennstoffzellenturm für ein Brennstoffzellensystem

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenturm für ein Brennstoffzellensystem, ein Montageverfahren zur Montage eines solchen Brennstoffzellenturms sowie ein Transportsicherungsverfahren für eine Transportsicherung eines solchen Brennstoffzellenturms.

Es ist bekannt, dass für das Zurverfügungstellen von elektrischer Leistung Brennstoffzellentürme eingesetzt werden, welche in stapelförmiger Anordnung eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln aufweisen. Die Summe der Brennstoffzellenstapel ergibt entsprechend eine größere elektrische Leistung als die Einzelleistung eines einzelnen Brennstoffzellenstapels. Durch die Kombination mehrerer Brennstoffzellentürme wird es in modularer Weise möglich, auch sehr hohe Anforderungen an die zu erzeugende elektrische Leistung zu erfüllen.

Ein übliches Problem beim Konstruieren und Zurverfügungstellen von Brennstoffzellentürmen ist es, eine ausreichende Kompression der einzelnen Brennstoffzellen in den Brennstoffzellenstapeln zu gewährleisten. Üblicherweise wird dies dadurch erzielt, dass ein Verspannen mittels Bolzen oder Federkraft für die einzelnen Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt wird, sodass ein definiertes Komprimieren der einzelnen Brennstoffzellen gegeneinander erzeugt wird. Das Vorsehen von solchen für die Brennstoffzellenstapel spezifischen Kompressionsmitteln ist jedoch relativ aufwendig und benötigt zusätzlichen Bauraum in einem Brennstoffzellenturm. Insbesondere sind auch zusätzliche Montageschritte notwendig, da jeder Brennstoffzellenstapel einzeln verspannt und damit komprimiert werden muss.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Kompressionsmöglichkeit für Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellenturm zur Verfügung zu stellen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenturm mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Brennstoffzellenverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 sowie ein Transportsicherungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Montageverfahren sowie dem erfindungsgemäßen Transportsicherungsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß ist ein Brennstoffzellenturm für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Hierfür weist der Brennstoffzellenturm ein Gehäuse mit einem Gehäuseraum auf, in welchem wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel entlang einer Stapelrichtung übereinander angeordnet sind. Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenturm zeichnet sich dadurch aus, dass im Gehäuseraum oberhalb der Brennstoffzellenstapel wenigstens ein Gewicht angeordnet ist. Dieses Gewicht ist in einer Gewichtskraft übertragenden Kontaktierung mit dem obersten Brennstoffzellenstapel angeordnet für ein Aufbringen wenigstens eines Teils der Gewichtskraft des Gewichts auf den Brennstoffzellenstapel.

Erfindungsgemäß dient das Brennstoffzellensystem aus einem oder mehreren Brennstoffzellentürmen gemäß der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen von elektrischer Energie. Grundsätzlich ist jedoch auch eine umgekehrte Betriebsweise, zum Beispiel als Elektrolysevorrichtung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Gewichts, denkbar.

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass nun zwei oder mehr Brennstoffzellenstapel innerhalb des Gehäuseraums entlang einer Stapelrichtung übereinander angeordnet sind. Diese spezifische Anordnung in einem Brennstoffzellenturm kann sich eine erfindungsgemäße Ausgestaltung nun für die Kompressionsfunktionalität zu Nutze machen. Hierfür ist wenigstens ein Gewicht vorgesehen, welches zum Beispiel durch eine entsprechende hohe Materialdichte und die zugehörige Materialauswahl eine definierte Gewichtskraft zur Verfügung stellen kann. Wird dieses Gewicht nun in eine Position gebracht, in welchem die Gewichtskraft dieses Gewichts zumindest teilweise auf den obersten Brennstoffzellenstapel übertragen wird, so folgt dieser Übertragung eine entsprechende Kompression dieses obersten Brennstoffzellenstapels durch die Gewichtskraft. Durch die turmartige Ausgestaltung des Brennstoffzellenturms und die stapelweise Anordnung der Brennstoffzellenstapel wird nun diese Gewichtskraft jedoch nicht nur auf den obersten Brennstoffzellenstapel, sondern auch auf die darunter liegenden weiteren Brennstoff- zellenstapel übertragen. Mit anderen Worten beschwert das Gewicht nicht nur den obersten Brennstoffzellenstapel, sondern auch alle stapelweise übereinander angeordneten Brennstoffzellenstapel darunter. Mit einem einzigen Gewicht wird es nun möglich, eine Kompressionsfunktion für alle Brennstoffzellenstapel innerhalb des Gehäuseraums zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus nimmt die Kompressionskraft entlang des Gehäuseraums zusätzlich noch zu. Der oberste Brennstoffzellenstapel wird am wenigsten komprimiert, die darunterliegenden jeweils mit der Gewichtskraft des Gewichts und der Gewichtskraft des bzw. der darüber liegenden Brennstoffzellenstapel.

Während bei den bekannten Lösungen jeder einzelne Brennstoffzellenstapel mit zusätzlichen Montageschritten verspannt und komprimiert werden musste, können die Brennstoffzellenstapel in unkomprimierter Weise bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung in den Gehäuseraum eingesetzt werden. Vorbereitende Verspannungsschritte sind nicht mehr notwendig, wodurch die Komplexität des später noch erläuterten Montageverfahrens deutlich reduziert wird.

Auch kann durch das Einsetzen des Gewichts als letzter Schritt auf den obersten Brennstoffzellenstapel eine Reduktion des benötigten Bauraums im Gehäuseraum erzielt werden. Zwar ist nun ein freies Volumen für das Gewicht oberhalb des obersten Brennstoffzellenstapels notwendig, jedoch entfällt der notwendige Bauraum für die Kompressionsmöglichkeiten von Verspannungsvorrichtungen für alle einzelnen Brennstoffzellenstapel völlig. Insbesondere kann dies dazu führen, dass der Brennstoffzellenturm um das Gewichtsvolumen höher, aber reduziert um die Verspannungsvorrichtungen entsprechend schlanker ausgebildet werden kann. Bei der Aggregation von zwei oder mehr solcher Brennstoffzellentürme nebeneinander in einem Brennstoffzellensystem multipliziert sich dieser Bauraumvorteil weiter.

Erfindungsgemäß kann nun durch den Einsatz des Gewichts eine definierte Kompressionsfunktionalität zur Verfügung gestellt werden. Diese orientiert sich insbesondere, wie die später noch erläutert wird, an den benötigten Mindest- und Maximalkompressionen für die einzelnen Brennstoffzellenstapel. Auch können selbstverständlich mehrere Gewichte eingesetzt werden, welche auch zusätzlich zwischen einzelnen Brennstoffzellenstapeln angeordnet sein können. Bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung, bei welcher das wenigstens eine Gewicht ausschließlich oder im We- sentlichen ausschließlich auf dem obersten Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, um die Gewichtskraft in denselben einzubringen.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass es ausreicht, wenn zumindest ein Teil der Gewichtskraft in den Brennstoffzellenstapel eingebracht wird. Bevorzugt ist es allerdings, wenn eine vollständige oder im Wesentlichen vollständige Aufbringung der Gewichtskraft in den obersten Brennstoffzellenstapel erfolgt. Der Anteil der Gewichtskraft, welcher tatsächlich für das Beschweren der Brennstoffzellenstapel zur Verfügung steht, hängt von der tatsächlichen geometrischen Ausrichtung des Gewichts und der Kontaktierung des obersten Brennstoffzellenstapels zur Schwerkraftrichtung ab. Bevorzugt werden Brennstoffzellentürme so aufgestellt, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Stapelrichtung entlang der Schwerkraftrichtung ausgerichtet ist. Wird nun das Gewicht so auf den obersten Brennstoffzellenstapel aufgesetzt, dass auch die Richtung der Gewichtskraft entlang der Schwerkraftrichtung und damit entlang der Stapelrichtung ausgerichtet ist, so kann sichergestellt werden, dass der gesamte oder im Wesentlichen der gesamte Anteil der Gewichtskraft des Gewichts auch tatsächlich für die Kompressionsfunktion zur Verfügung stellt. Durch eine weitere Optimierung der geometrischen Korrelation zwischen dem wenigstens einen Gewicht und den Brennstoffzellenstapel kann darüber hinaus noch die Art der Aufbringung und insbesondere auch die Größer eventueller Kippmomente optimiert werden.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm zwischen dem wenigstens einen Gewicht und dem obersten Brennstoffzellenstapel eine Isolationsschicht angeordnet ist für ein elektrisches Isolieren des Gewichts gegen den obersten Brennstoffzellenstapel. Durch die elektrische Isolation wird aus elektrischer Sicht das Gewicht von der elektrischen Funktionalität der Brennstoffzellenstapel sozusagen entkoppelt. Als elektrische Isolationsschicht kann insbesondere eine keramische Isolationsschicht verwendet werden. Bei der Verwendung einer keramischen Isolationsschicht kann es ein entscheidender Vorteil sein, dass eine verbesserte Aufheizzeit des Brennstoffzellenturms erzielt werden kann. Dadurch, dass Brennstoffzellensysteme häufig mit Betriebstemperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius betrieben werden, stellt der Aufheizprozess einen energetisch sehr relevanten Teil der Betriebsfunktionalität dar. Durch die Reduktion der Wärmebarriere zwischen dem Gewicht und dem Brennstoffzellenstapel, zum Beispiel durch eine relativ dünne keramische Isolationsschicht, kann die Aufheizzeit verbessert werden. Insbesondere wird die thermische Trägheit des Gesamtsystems aus Brennstoffzellenstapeln und Gewicht auf diese Weise reduziert

Weiter von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm die Stapel-Schwerpunkte der wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel auf einer Stapel-Schwerpunktlinie liegen, welche insbesondere entlang oder im Wesentlichen entlang einer Geraden verläuft. Jeder Brennstoffzellenstapel hat aufgrund seiner spezifischen Zusammensetzung aus einzelnen Brennstoffzellen einen definierten Stapel-Schwerpunkt. Verbindet man alle Stapel-Schwerpunkte aller Brennstoffzellenstapel innerhalb des Brennstoffzellenturms, so ergibt sich die Stapel- Schwerpunktlinie, welche dementsprechend den Verlauf aller Stapel-Schwerpunkte der Brennstoffzellenstapel verdeutlicht. Diese Stapel-Schwerpunktlinie kann entlang einer gekrümmten Linie verlaufen, bevorzugt verläuft sie jedoch entlang einer Geraden oder im Wesentlichen entlang einer Geraden. Bei einer turmartigen Anordnung mit senkrechter Ausgestaltung ist die Stapel-Schwerpunktlinie vorzugsweise entlang der Schwerkraftrichtung ausgerichtet und damit senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu einer Aufstellfläche des Brennstoffzellenturms in einer Betriebssituation.

Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm die Stapel-Schwerpunktlinie entlang oder im Wesentlichen entlang der Stapelrichtung und/oder im Wesentlichen entlang einer Schwerkraftrichtung ausgebildet ist. Die bevorzugte Lösung eines Brennstoffzellenturms beinhaltet eine Korrelation der Stapel-Schwerpunktlinie entlang der Stapelrichtung und entlang der Schwerkraftrichtung. Dies vereint zwei entscheidende Vorteile. Durch die Ausrichtung entlang der Stapelrichtung wird die Kompaktheit und der nötige Bauraum des Brennstoffzellenturms auf ein Minimum reduziert. Dadurch, dass zusätzlich auch eine Ausrichtung entlang der Schwerkraftrichtung erfolgt, kann der maximale Anteil, insbesondere die vollständige Gewichtskraft des Gewichts entlang der Schwerkraftrichtung damit auch die Stapel-Schwerpunktlinie eingebracht werden. Befindet sich, wie später noch erläutert, der Gewichts-Schwerpunkt ebenfalls auf dieser Linie, kann das Einbringen von Kippmomenten nochmals reduziert werden, sodass kein separates Abtragen oder Abstützen von Querkräften, Scherkräften oder Kippmomenten mehr notwendig ist. Die Einbringung der Gewichtskraft dient damit ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich der Erzeugung der Kompressionsfunktionalität, ohne zusätzliche mechanische Abstützungen zu erfordern. Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm das wenigstens eine Gewicht einen Gewichts-Schwerpunkt aufweist, welcher auf oder im Wesentlichen auf der Verlängerung der Stapel-Schwerpunktlinie angeordnet ist. Ein direktes Einbringen der Gewichtskraft von oben, also ausgehend vom Gewichts-Schwerpunkt, in die Stapel-Schwerpunktlinie wird auf diese Weise möglich. Durch die Korrelation der kraftrelevanten Ausrichtungen wird auf diese Weise nicht nur die volle Gewichtskraft in die Brennstoffzellenstapel eingebracht, sondern dies erfolgt auch entlang der Stapel-Schwerpunktlinie, sodass Kippmomente um die einzelnen Stapel-Schwerpunkte vollständig oder im Wesentlichen vollständig vermieden werden können. Die Maximierung der eingebrachten Gewichtskraft wird auf diese Weise mit einer Maximierung der mechanischen Stabilität des Brennstoffzellenturms korreliert. Insbesondere führt diese erhöhte Stabilisierung dazu, dass keine zusätzlichen Komponenten zur mechanischen Stabilisierung, beispielsweise seitliche Lastabtragungslaschen oder Ähnliches, notwendig sind.

Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm das wenigstens eine Gewicht aus einem hochtemperaturfesten Material ausgebildet ist. Wie bereits angedeutet worden ist, liegen die Betriebstemperaturen von Brennstoffzellentürmen häufig im Bereich bis circa 1000 Grad Celsius. Bei so hohen Temperaturen, insbesondere der Berücksichtigung von Ausschaltzeiten und Ruhetemperaturen im Bereich der Umgebungstemperatur von beispielsweise 20 Grad, kann hochtemperaturfestes Material für das Gewicht die Dauerstabilität verbessern. Insbesondere wird ein Verspröden des Materials und/oder ein Verzundern des Materials des Gewichts auf diese Weise vermieden und das Gewicht kann auf diese Weise ohne Probleme in den Hochtemperaturraum des Gehäuseraums des Brennstoffzellenturms integriert werden. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass es unerheblich ist, ob das wenigstens eine Gewicht aus einem Monoblock oder aus einzelnen Gewichts-Bauteilen oder Gewichts-Schichten zusammengesetzt ist.

Es kann ebenfalls Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm zwischen dem wenigstens einen Gewicht und dem Gehäuse, insbesondere bezogen auf die Stapelrichtung oberhalb des wenigstens einen Gewichts, ein Ausgleichsspalt ausgebildet ist für einen Ausgleich von temperaturbedingten Dimensionsunterschieden der Brennstoffzellenstapel. Wie bereits mehrfach erläutert worden ist, schwanken die Temperaturen innerhalb des Gehäuseraums zwischen Ruhetemperaturen von circa 20 Grad Celsius und Betriebstemperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius. Alle Bauteile, welche innerhalb dieses Gehäuseraums diesen Temperaturschwankungen unterliegen, dehnen sich entsprechend der hohen Betriebstemperaturen durch die thermische Belastung aus und reduzieren ihre Dimensionierung wieder, sobald die Ruhetemperatur erreicht wird. Um diese temperaturbedingten Ausdehnungsbewegungen kompensieren zu können, ist bei dieser Ausführungsform ein Ausgleichsspalt ausgebildet, welcher insbesondere als Temperaturausgleichsspalt oberhalb und/oder unterhalb des Brennstoffzellenstapels und/oder des Gewichts angeordnet ist. Dieser Ausgleichsspalt kann entweder als freier Ausgleichsspalt oder als Ausgleichsspalt mit darin enthaltenem elastisch komprimierbarem Material ausgebildet sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine definierte Positionierung des Gewichts nicht mit unerwünschten erhöhten thermisch induzierten mechanischen Belastungen durch die Dimensionsveränderungen bei Betriebstemperatur einhergeht.

Es kann darüber hinaus von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm wenigstens ein Positionsmittel zwischen dem Gehäuse und dem wenigstens einen Gewicht und/oder zwischen dem obersten Brennstoffzellenstapel und dem wenigstens einen Gewicht angeordnet ist für eine Sicherung der Position des Gewichts. Durch das Einbringen der Gewichtskraft ist bereits eine definierte Grundstabilisierung und Positionierung für das Gewicht gegeben. Durch das Verwenden von Positionsmitteln, welche insbesondere in formschlüssiger oder im Wesentlichen in formschlüssiger Weise das Gewicht positionieren, kann das Gewicht hinsichtlich seiner Position noch weiter gesichert werden. Selbstverständlich können solche Positionsmittel entweder an den seitlichen Wänden des Gehäuses, an der Oberseite des Gehäuses und/oder auf der Oberseite des Brennstoffzellenstapels auch Freiläufe aufweisen, um die bereits weiter oben beschriebene Ausdehnungsmöglichkeit bei Betriebstemperaturen von circa 1000 Grad Celsius gewährleisten zu können. Für solche Freiläufe können diese Positionsmittel nicht nur als Positionsstifte, sondern auch als Positionierrippen und/oder Positionierkreuze ausgebildet sein.

Ein Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm das wenigstens eine Gewicht von einem Dichtelement umgeben ist für eine gasdichte Abdichtung einer Eingangsseite der Brennstoffzellenstapel von einer Ausgangsseite der Brennstoffzellenstapel. Bei einer solchen Ausgestaltung kann der Brennstoffzellenturm insbesondere mit einer sogenannten offenen Kathode für die Brennstoffzellenstapel ausgebildet sein, also mit einem offenen Kathodenstrom zum Kathodenabschnitt aller Brennstoffzellenstapel hin und vom Kathodenabschnitt aller Brennstoffzellenstapel wieder weg. Um einen unerwünschten Gasbypass an der Kathode der Brennstoffzellenstapel vorbei zu verhindern, ist ein solches Dichtelement vorgesehen. Beispielsweise kann ein sogenanntes keramisches Papier ein- oder mehrlagig als solches Dichtelement vorgesehen sein. Darüber hinaus wird auf diese Weise auch eine elektrische Kontaktierung zum Gehäuse vermieden. Vorzugsweise ist das Dichtelement nicht nur zur Abdichtung des Gewichts ausgebildet, sondern umgibt auch sämtliche Brennstoffzellenstapel, um als gemeinsames und damit einheitliches Dichtelement die gewünschte Abdichtung für die offene Kathode aller Brennstoffzellen im Gehäuseraum zur Verfügung zu stellen.

Ein weiterer Vorteil kann ebenfalls erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm das wenigstens eine Gewicht zumindest eine Transportfläche aufweist für eine kraftübertragende und/oder formübertragende Kontaktierung mit wenigstens einem Transportsicherungselement für einen sicheren Transport des montierten Brennstoffzellenturms. Unter kraftübertragend bzw. formübertragend ist im Rahmen der Erfindung hier zu verstehen, dass das Gewicht kraftschlüssig bzw. formschlüssig mit einem Transportsicherungselement verbindbar ist. Wie bereits erläutert worden ist, reicht es aus, wenn das Gewicht in einer definierten Position auf den obersten Brennstoffzellenstapel aufgesetzt ist. Dies ist bei der statischen Betriebssituation auch in den meisten Einsatzfällen unproblematisch. Während des Transports, also einer Bewegung des fertig montierten Brennstoffzellenturms zu einem Einsatzort, kann dies jedoch mit Problemen behaftet sein, da das Gewicht in ungesicherter Weise durch die von außen auftretende Bewegung des Brennstoffzellenturms diese gewünschte und vordefinierte Position verlassen kann. Mit anderen Worten kann dies zu einer unerwünschten Fehlpositionierung des Gewichts durch den Transport führen. Ist eine Transportfläche, beispielsweise für das Integrieren eines Transportsicherungselements, vorgesehen, kann auch während des Transports die sichere Positionierung des Gewichts gewährleistet sein. Eine solche Transportsicherung kann beispielsweise mit Transportsicherungselementen vorgesehen sein, welche zumindest teilweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig oder zumindest teilweise kraftschlüssig mit der Transportfläche Zusammenwirken. Beispielsweise können solche Transportsicherungselemente von außen verschraubt werden und auf diese Weise einen definierten Kraft- und/oder Formschluss mit dem Gewicht für den Transport eingehen. Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm die Gewichtskraft des Gewichts angepasst ist an eine Mindestbelastung des obersten Brennstoffzellenstapels und eine Maximalbelastung des untersten Brennstoffzellenstapels. Für die gewünschte Kompressionsfunktionalität ist eine Mindestbelastung an Gewichtskraft für alle Brennstoffzellenstapel notwendig. Gleichzeitig sind jedoch Maximalbelastungen zu berücksichtigen, um bei einer zu hohen Gewichtskraft auftretende mechanische Beschädigungen der einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit hoher Sicherheit zu vermeiden. Mit diesen beiden Randbedingungen kann also eine Mindestbelastung für alle Brennstoffzellenstapel und eine Maximalbelastung für alle Brennstoffzellenstapel vorgegeben werden. Dadurch, dass durch die stapelweise Anordnung aller Brennstoffzellenstapel übereinander entlang der Stapelrichtung sich für den untersten Brennstoffzellenstapel zur Gewichtskraft des Gewichts alle Gewichtskräfte aller darüber angeordneten Brennstoffzellenstapel addieren, unterliegt der unterste Brennstoffzellenstapel entsprechend der größten Belastung aller Brennstoffzellenstapel im Brennstoffzellenturm. Bei der Auslegung der Gewichtskraft des Gewichts wird auf diese Weise nun die Mindestbelastung und die Maximalbelastung berücksichtigt, um entsprechend eine ausreichende Kompressionsfunktionalität für alle Brennstoffzellenstapel zu gewährleisten und gleichzeitig eine mechanische Beschädigung aller Brennstoffzellenstapel auszuschließen.

Ebenfalls Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm die Brennstoffzellenstapel kraftübertragend, insbesondere entlang oder im Wesentlichen entlang der Stapelrichtung, miteinander verbunden sind. Eine solche kraftübertragende Verbindung ist insbesondere eine druckkraftübertragende Verbindung, zum Beispiel ein direkt aufeinander gesetztes, kraftübertragendes Stapeln aller Brennstoffzellenstapel. Dabei können elektrische Isolationsmaterialien, Dichtungsmaterialien oder Ähnliches zwischen den Brennstoffzellenstapeln angeordnet sein, sodass ein indirektes übertragen der Gewichtskraft gewährleistet wird.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Montageverfahren für eine Montage eines Brennstoffzellenturms gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein solches Montageverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus: - Stapeln von wenigstens zwei Brennstoffzellenstapeln entlang einer Stapelrichtung in dem Gehäuseraum des Gehäuses,

- Anordnen des wenigstens einen Gewichts in gewichtsübertragenden Kontakt mit dem obersten Brennstoffzellenstapel im Gehäuseraum,

- Verschließen des Gehäuses.

Durch das Ausbilden eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturms bringt ein erfindungsgemäßes Montageverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm erläutert worden sind. Hier ist gut zu erkennen, dass das Einbringen der Kompressionsfunktionalität durch einen einzigen Schritt, in Form des Anordnens des wenigstens einen Gewichts, für alle Brennstoffzellenstapel sozusagen gleichzeitig erfolgt. Hier ist durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennstoffzellenturms eine deutliche Vereinfachung und Reduktion der Komplexität des Montageverfahrens gut zu erkennen.

Ein zusätzlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Transportsicherungsverfahren für eine Transportsicherung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturms. Ein solches Transportsicherungsverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Anordnen wenigstens eines Transportsicherungselements in einer Sicherungsposition im Gehäuseraum zwischen dem Gehäuse und dem wenigstens einen Gewicht,

- Sichern des wenigstens einen Transportsicherungselements in der Sicherungsposition.

Durch das Transportsichern eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturms bringt auch ein erfindungsgemäßes Transportsicherungsverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturm erläutert worden sind. Wie bereits angedeutet, wird durch das Einsetzen des Gewichts eine Transportsicherung vorteilhaft, da ansonsten auftretende Transportkräfte eine unerwünschte Deplatzierung des Gewichts mit sich bringen können.

Durch das Anordnen von Transportsicherungselementen, zum Beispiel in Relation zu Transportflächen, kann ein Verschrauben und damit ein Sichern des Gewichts in der gewünschten Position für den Transport erfolgen. Sobald der Aufstellort des Brennstoffzellenturm erreicht wird, wird das Transportsicherungselement entsprechend wieder entfernt und es bleibt trotzdem sichergestellt, dass das Gewicht in der gewünschten Positionierung für das Erzeugen der Kompressionsfunktionalität auch während des Transports diese Position nicht verlassen hat.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturms,

Fig. 2 eine Detaildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturms,

Fig. 3 eine Detaildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturms und

Fig. 4 eine Detaildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenturms.

Figur 1 zeigt schematisch einen Brennstoffzellenturm 10 eines Brennstoffzellensystems. Beispielhaft ist dieser hier mit vier übereinander angeordneten Brennstoffzellenstapel 30 ausgebildet. Alle vier Brennstoffzellenstapel 30 wurden durch eine nicht näher dargestellte Öffnung des Gehäuses 20 innerhalb des Gehäuseraums 22 des Gehäuses 20 entlang einer Stapelrichtung SR übereinander angeordnet. Diese Anordnung folgt mehreren Rahmenbedingungen. Zum einen weist bei der vorliegenden Ausführungsform jeder Brennstoffzellenstapel 30 einen definierten und konstruktionsbedingten Stapel-Schwerpunkt SP auf. Beim Übereinanderstapeln aller Brennstoffzellenstapel 30 entlang der Stapelrichtung SR wurde nun darauf geachtet, dass alle Stapel-Schwerpunkte SP nicht nur auf einer gemeinsamen Gerade liegen, sondern diese Stapel-Schwerpunktlinie SPL entlang der Stapelrichtung SR ausgerichtet ist.

Zusätzlich lässt sich der Figur 1 entnehmen, dass die Stapel-Schwerpunktlinie SPL nicht nur entlang der Stapelrichtung SR, sondern auch entlang der parallel ausge- richteten Schwerkraftrichtung SKR ausgerichtet ist. Dies bringt nun mehrere Vorteile mit Bezug auf das Gewicht 40 mit.

Die Figur 1 zeigt, dass innerhalb des Gehäuseraums 22 des Gehäuses 20 nun oberhalb des obersten Brennstoffzellenstapels 30 ein Gewicht 40 angeordnet ist. Dieses ist aus einem hochtemperaturfesten Material ausgebildet und auf diese Weise widerstandsfähig gegen Temperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius. Auch das Gewicht 40 weist einen Gewichts-Schwerpunkt GP auf, an welchem entsprechend die Gewichtskraft GK ausgeht. Durch die Ausrichtung der Schwerkraftrichtung SKR folgt nun auch die Gewichtskraft GK des Gewichts 40 dieser Schwerkraftrichtung SKR. Die spezielle Ausführungsform der Figur 1 zeigt nun, dass durch die Ausrichtung der Stapel-Schwerpunktlinie SPL entlang der Stapelrichtung SR und gleichzeitig entlang der Schwerkraftrichtung SKR im Ergebnis die Gewichtskraft GK entlang der Schwerkraft und damit entlang der Stapel-Schwerpunktlinie SPL eingebracht wird. Dies führt dazu, dass sich zwischen der eingebrachten Gewichtskraft GK und den einzelnen Stapel-Schwerpunkten SP keine Hebelarme ausbilden und damit eine Einbringung von Kippmomenten vermieden wird. Darüber hinaus wird durch die direkte und vollständige Einberechnung der Gewichtskraft GK auch die maximale Kompressionsleistung für die Brennstoffzellenstapel 30 mit dem Gewicht 40 sichergestellt.

Figur 2 zeigt schematisch einen Teilabschnitt eines Brennstoffzellenturms 10 hinsichtlich der oberen Darstellung mit dem Gewicht 40. Hier ist zu erkennen, dass nun zusätzlich zwischen dem Gewicht 40 und dem obersten Brennstoffzellenstapel 30 eine Isolationsschicht 50 angeordnet ist. Diese dient der elektrischen Isolation des Gewichts 40 gegen den obersten Brennstoffzellenstapel 30. Darüber hinaus ist der Brennstoffzellenstapel 30 der Figur 2 als offene Kathode ausgebildet, sodass über eine Eingangsseite 32 offen Kathodenzuführgas in dem Brennstoffzellenstapel 30 einströmen kann. Nach der chemischen Umsetzung innerhalb des Brennstoffzellenstapels 30 wird Kathodenabgas auf der ebenfalls offenen Ausgangsseite 34 innerhalb des Gehäuseraums 22 wieder aus dem Brennstoffzellenstapel 30 austreten. Um nun einen Bypass am Brennstoffzellenstapel 30 vorbei zu vermeiden, ist hier oberhalb des Gewichts 40 im Querschnitt ein Dichtelement 70 vorgesehen, welches insbesondere nicht nur um das Gewicht 40, sondern auch alle Brennstoffzellenstapel 30, umlaufend herum angeordnet ist. Als weiteres Merkmal zeigt die Ausführungsform der Figur 2 einen Ausgleichsspalt 24. Beim Aufheizen auf Betriebstemperatur von zum Beispiel circa 1000 Grad Celsius dehnen sich die Brennstoffzellenstapel 30 insbesondere entlang der Stapelrichtung SR weiter aus. Bei der Ausführungsform der Figur 2 führt dies dazu, dass die Erstreckung der Komponenten nach oben zunimmt und damit der Ausgleichsspalt 24 sich verkleinert. Um dies zu gewährleisten, ist vorzugsweise das hier dargestellte Dichtelement 70 elastisch komprimierbar ausgebildet.

Die Figur 3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform mit zusätzlichen Bauelementen. So sind hier stiftförmige Positionsmittel 60 vorgesehen, welche sicherstellen, dass das Gewicht 40 auch während einer Transportsituation und/oder während den Ausdehnungsbewegungen der Brennstoffzellenstapel 30 die dargestellte Position nicht verlässt. Auch hier ist wiederum dargestellt, dass ein nicht näher bezeichneter Ausgleichsspalt 24 oberhalb des Gewichts 40 die gewünschte Ausgleichsfunktionalität zur Verfügung stellt.

Abschließend zeigt die Figur 4 noch eine Transportsicherungsmöglichkeit. So ist hier eine Vertiefung innerhalb des Gewichts 40 auf dessen Oberseite als Transportfläche 42 vorgesehen. Die gesicherte Situation gemäß der Figur 4 zeigt nun, dass für den Transport des Brennstoffzellenstapels 10 hier ein Transportsicherungselement 80 eingesetzt ist. Dieses ist von außerhalb des Gehäuses 20 verschraubt und sichert auf diese Weise für Transportbewegungen das Gewicht 40 gegen unerwünschtes Verrutschen. Sobald die Betriebsposition erreicht ist, kann durch Entschrauben und Entfernen des Transportsicherungselements 80 wieder die gewünschte Funktionssicherheit und Kompressionsfunktionalität des Gewichts 40 zur Verfügung gestellt werden.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Bezugszeichenliste

10 Brennstoffzellenturm

20 Gehäuse

22 Gehäuseraum

24 Ausgleichsspalt

30 Brennstoffzellenstapel

32 Eingangsseite

34 Ausgangsseite

40 Gewicht

42 Transportfläche

50 Isolationsschicht

60 Positionsmittel

70 Dichtelement

80 Transportsicherungselement

SR Stapelrichtung

SKR Schwerkraftrichtung

GK Gewichtskraft

SP Stapel-Schwerpunkt

SPL Stapel-Schwerpunktlinie

GP Gewichts-Schwerpunkt

SPO Sicherungsposition

Claims

Patentansprüche

1. Brennstoffzellenturm (10) für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend ein Gehäuse (20) mit einem Gehäuseraum (22), in welchem wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (30) entlang einer Stapelrichtung (SR) übereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseraum (22) oberhalb der Brennstoffzellenstapel (30) wenigstens ein Gewicht (40) angeordnet ist in Gewichtskraft (GK) übertragendem Kontakt mit dem obersten Brennstoffzellenstapel (30) für ein Aufbringen wenigstens eines Teils der Gewichtskraft (GK) des Gewichts (40) auf die Brennstoffzellenstapel (30).

2. Brennstoffzellenturm (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem wenigstens einen Gewicht (40) und dem obersten Brennstoffzellenstapel (30) eine Isolationsschicht (50) angeordnet ist für ein elektrisches Isolieren des Gewichts (40) gegen den obersten Brennstoffzellenstapel (30).

3. Brennstoffzellenturm (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapel-Schwerpunkte (SP) der wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (30) auf einer Stapel-Schwerpunktlinie (SPL) liegen, welche insbesondere entlang oder im Wesentlichen entlang einer Geraden verläuft.

4. Brennstoffzellenturm (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapel-Schwerpunktlinie (SPL) entlang oder im Wesentlichen entlang der Stapelrichtung (SR) und/oder entlang oder im Wesentlichen entlang einer Schwerkraftrichtung (SKR) ausgerichtet ist.

5. Brennstoffzellenturm (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gewicht (40) einen Gewichts- Schwerpunkt (GP) aufweist, welcher auf oder im Wesentlichen auf der Verlängerung der Stapel-Schwerpunktlinie (SPL) angeordnet ist.

6. Brennstoffzellenturm (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gewicht (40) aus einem hochtemperaturfesten Material ausgebildet ist.

7. Brennstoffzellenturm (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem wenigstens einen Gewicht (40) und dem Gehäuse (20), insbesondere bezogen auf die Stapelrichtung (SR) oberhalb des wenigstens einen Gewichts (40), ein Ausgleichsspalt (24) ausgebildet ist für einen Ausgleich von temperaturbedingten Dimensionsunterschieden der Brennstoffzellenstapel (30).

8. Brennstoffzellenturm (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Positionsmittel (60) zwischen dem Gehäuse (20) und dem wenigstens einen Gewicht (40) und/oder zwischen dem obersten Brennstoffzellenstapel (30) und dem wenigstens einen Gewicht (40) angeordnet ist für eine Sicherung der Position des Gewichts (40).

9. Brennstoffzellenturm (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gewicht (40) von einem Dichtelement (70) umgeben ist für eine gasdichte Abdichtung einer Eingangsseite (32) der Brennstoffzellenstapel (30) von einer Ausgangsseite (34) der Brennstoffzellenstapel (30).

10. Brennstoffzellenturm (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gewicht (40) zumindest eine Transportfläche (42) aufweist für eine kraftübertragende und/oder formübertragende Kontaktierung mit wenigstens einem Transportsicherungselement (80) für einen sicheren Transport des montierten Brennstoffzellenturms (10).

11. Brennstoffzellenturm (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtskraft (GK) des Gewichts (40) angepasst ist an eine Mindestbelastung des obersten Brennstoffzellenstapels (30) und eine Maximalbelastung des untersten Brennstoffzellenstapels (30).

12. Brennstoffzellenturm (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenstapel (30) kraftübertragend, insbesondere entlang oder im Wesentlichen entlang der Stapelrichtung (SR), miteinander verbunden sind.

13. Montageverfahren für eine Montage eines Brennstoffzellenturms (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Stapeln von wenigstens zwei Brennstoffzellenstapeln (30) entlang einer Stapelrichtung (30) in dem Gehäuseraum (22) des Gehäuses (20),

- Anordnen des wenigstens einen Gewichts (40) in Gewichtskraft (GK) übertragendem Kontakt mit dem obersten Brennstoffzellenstapel (30) im Gehäuseraum (22),

- Verschließen des Gehäuses (20).

14. Transportsicherungsverfahren für eine Transportsicherung eines Brennstoffzellenturms (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Anordnen wenigstens eines Transportsicherungselements (80) in einer Sicherungsposition (SPO) im Gehäuseraum (22) zwischen dem Gehäuse (20) und dem wenigstens einen Gewicht (40),

- Sicheren des wenigstens einen Transportsicherungselements (80) in der Sicherungsposition (SPO).