WO2009127744A1 - Peripherie für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Peripherie für ein brennstoffzellensystem Download PDF

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WO2009127744A1
WO2009127744A1 PCT/EP2009/054684 EP2009054684W WO2009127744A1 WO 2009127744 A1 WO2009127744 A1 WO 2009127744A1 EP 2009054684 W EP2009054684 W EP 2009054684W WO 2009127744 A1 WO2009127744 A1 WO 2009127744A1
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cell unit
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periphery
fuel
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Maik Barth
Andreas Hierl
Christian Leu
Stefan Sonntag
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Heliocentris Energiesysteme Gmbh
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    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
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Definitions

  • the present invention relates to a periphery formed as a self-contained unit for a fuel cell unit, for example a fuel cell stack.
  • a fuel cell-based energy supply system comprises, in addition to at least one fuel cell, means for supplying, controlling and conditioning the at least one fuel cell.
  • the entirety of these devices will be referred to as peripherals.
  • the periphery comprises the following components: means for supplying the reaction media, ie at the anodes of the fuel cell electrochemically oxidizable fuels (for example hydrogen or methanol) and the cathodes of the fuel cell electrochemically reducible oxidizing agents (typically air or oxygen), means for process control and optional Facilities for cooling.
  • Fuel cell-based power supply systems for practical applications typically include a plurality of fuel cells that are electrically connected in series.
  • the fuel cells are arranged in the form of a stack, this type of construction being referred to as a fuel cell block, fuel cell stack or fuel cell stack.
  • the fuel cell stack is usually integrated into the periphery so that fuel cell stacks and peripherals form a functional and spatial unit.
  • fuel cell stacks and peripherals are directly matched with regard to dimensioning, performance, function and intended use. Therefore, it is generally not possible to simply extract the fuel cell stack from such a fully integrated system and replace it with another fuel cell stack not specifically configured for that system without making significant changes to the design and sizing of the peripherals.
  • German Patent Application DE 10 2004 059 776 A1 discloses a modular fuel cell system.
  • This comprises a fuel cell device with one or more fuel cell blocks, an oxidizer supply device, a fuel supply device and a control device.
  • the fuel cell device and / or the Oxidator- supply device and / or the fuel supply device and optionally the cooling device and the control device are designed as separate modules, wherein in a module, the functional components of the respective device are arranged (for example in a housing), the corresponding module forms a unit which is positionable as a whole, and the corresponding module has a communication interface with terminals.
  • each module can be optimized, adjusted, positioned and replaced or repaired if necessary.
  • the completely modular structure results in the periphery breaking down into a plurality of individual systems, each representing separate components.
  • the fuel cell system comprises a total of a plurality of separate components, each to handle, to position, connect to each other according to their respective functions and possibly also to be transported. This is a disadvantage especially in non-fixed applications. Another disadvantage is in comparison to a completely integrated system of fuel cell stack and periphery inevitably increased space requirements.
  • the invention therefore proposes a fuel cell system in which a fuel cell unit comprising at least one fuel cell on the one hand and the associated peripherals on the other hand are arranged spatially separated from each other, wherein the components of the periphery are housed together in a self-contained unit.
  • the periphery forms an independent device with an independent function, ie a device for starting up or operating fuel cell units.
  • the peripheral according to the invention which is provided for combination with a fuel cell unit comprising at least one fuel cell, comprises the following components:
  • a device for supplying the fuel cell unit with fuel - means for supplying the fuel cell unit with
  • the components of the peripheral module are on a common platform, for example in a housing, a box o.a. housed so that they form an independent, self-contained unit.
  • a fuel cell system comprises a fuel cell unit comprising at least one fuel cell and a periphery spatially separated from the fuel cell unit comprising the following components:
  • a device for supplying the fuel cell unit with fuel a device for supplying the fuel cell unit with oxidizing agent, - a measuring, control, regulating and operating device and optionally a device for cooling the fuel cell unit, - A -
  • the fuel cell unit of the fuel cell system according to the invention includes a plurality of fuel cells, which are advantageously arranged in a fuel cell stack.
  • they are polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC).
  • the fuel for example, hydrogen or methanol (for example, in the form of a methanol-water mixture) is used.
  • Hydrogen is provided by means of a suitable memory, for example a metal hydride storage or a compressed gas cylinder, wherein the memory for the operation of the fuel cell unit is fluidly connected to the periphery according to the invention.
  • Oxidizing agent usually oxygen or air is used. This is sucked from the periphery of the ambient air. In the periphery of a corresponding device is provided.
  • the peripheral according to the invention has connections in order to produce fluidic connections for the transport of the reaction media, ie the fuel and the oxidizing agent to the fuel cell unit.
  • the periphery comprises a device for cooling the fuel cell unit, connections for fluidic connections for the supply and removal of the coolant to the fuel cell unit are to be provided.
  • the coolant used is water, optionally with antifreeze additive, or another common coolant.
  • air cooling can also be used.
  • a liquid coolant the delivery of the coolant is accomplished by a pump provided in the periphery.
  • the periphery has a fan for the air used as coolant.
  • peripheral according to the invention is to be used exclusively in combination with passively cooled fuel cell units, it is not necessary to provide a device for cooling the fuel cell unit in the periphery.
  • the peripheral according to the invention has an electrical connection in order to produce an electrical connection to the fuel cell unit and to remove electrical power from the fuel cell unit. It also has an electrical connection for at least one consumer, which receives the electrical power taken from the fuel cell unit.
  • the electrical and fluidic connections between fuel cell unit and periphery are prepared in a known manner.
  • certain operating variables such as the temperature and voltage of the fuel cell unit, the function of the cooling circuit, the temperature of the incoming and outgoing coolant, the inlet air pressure and the hydrogen pressure can be controlled and monitored.
  • a measuring, control, regulating and operating unit can be used, so that a regulation of certain operating variables is possible.
  • sensors For the quantities to be measured, appropriate sensors must be provided in the periphery or in the fuel cell unit, as well as the necessary signaling connections for signal transmission to the measuring, control, control and operating unit.
  • the peripheral according to the invention also has an input for the supply of electrical auxiliary energy.
  • the energy requirement of the components of the periphery requiring electrical energy air compressor, coolant pump, etc.
  • the electrical energy can be taken from the power grid or another power source, such as a battery.
  • the decoupling of the power of the fuel cell stack from the electrical power requirement of the periphery makes it possible to independently evaluate the performance of the fuel cell stack.
  • the need for auxiliary power to be kept as small as possible it is also possible to meet the power requirements of the periphery directly from the power output of the fuel cell unit.
  • the periphery is then switched electrically as a consumer.
  • the system according to the invention is distinguished from the prior art by a multiplicity of advantages. Compared to the completely modular system according to DE 10 2004 059 776 A1, the construction which is considerably more compact due to the integration of the peripheral components in a structural unit should be emphasized, which facilitates handling and transport.
  • the peripheral according to the invention enables a simple and safe startup of fuel cell units. This is particularly advantageous for non-fixed applications and limited space.
  • the fuel cell unit is not rigidly connected to the periphery and therefore can be replaced. It can therefore be connected without significant conversion effort different fuel cell units, put into operation and examined.
  • the periphery formed according to the invention as a self-contained unit allows a high flexibility in testing and evaluating fuel cell units, in particular also different fuel cell units, e.g. Fuel cell stacks, compared to each other.
  • fuel cell stacks e.g. Fuel cell stacks
  • prototypes of fuel cell stacks can be evaluated comparably.
  • "Evaluate" in the context of this text means all methods, methods and procedures for testing, testing, testing and investigating the operation of fuel cell units, ie in the sense of a functional test or diagnosis, as well as e.g. the investigation of the operating behavior depending on certain operating conditions or external conditions.
  • Another advantage is the application-oriented design of the periphery according to the invention. It can therefore be easily integrated into applications. This facilitates in particular the development of prototypes for applications of fuel cell systems. Examples of such applications are i.a. an on-board power supply for a vehicle or a system for uninterruptible power supply (so-called back-up system). Of course, the present invention is not limited to these applications.
  • the peripheral of the invention can be used to connect to the peripheral of the invention.
  • the peripheral of the invention can be used to connect to the peripheral of the invention.
  • Fuel cell units such as fuel cell stack after production, before installation in a fully integrated fuel cell system, before commissioning or after a change in operating conditions or a break in operation, to evaluate, test and test.
  • the easy handling of the system facilitates routine testing.
  • the compact design reduces the cost of a site test, for example, in a remote fuel cell unit used.
  • Another field of application is the use as a laboratory device for research and development. For example, prototypes of fuel cell stacks can be evaluated comparably. Potential users can quickly familiarize themselves with new types of fuel cell units by means of the peripheral according to the invention and test them under application-related conditions.
  • the present invention has a clear price advantage over the test stands known from the prior art. Therefore, it is possible by means of the periphery according to the invention to develop applications for which conventional test stands are too expensive and too expensive, but so far no viable alternative was available.
  • inventively embodied as self-contained unit periphery since it is easy to transport, can be used as a sub-diagnostic device, for example, for testing and maintenance at almost any location, such as decentralized fuel cell units, in particular even with remote fuel cell units.
  • the periphery according to the invention is also suitable for investigating the operating behavior of a fuel cell unit under various environmental conditions. For example, the influence of humidity, dust content of air and other weather and environmental conditions can be investigated.
  • the periphery formed according to the invention as a self-contained structural unit enables a variety of other applications which can only be realized with extremely high outlay or not at all with conventional test stands which are not readily transportable.
  • the peripherally designed according to the invention as a self-contained unit can thus be used as a mobile test station or mobile diagnostic device for fuel cell units.

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, in welchem eine Brennstoffzelleneinheit, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle und die dazugehörige Peripherie, räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, wobei die Komponenten der Peripherie gemeinsam in einer in sich geschlossenen Baueinheit untergebracht sind. Die Peripherie bildet erfindungsgemäss ein eigenständiges Gerät mit einer eigenständigen Funktion, d.h. eine Vorrichtung zur Inbetriebnahme von Brennstoffzelleneinheiten.

Description

Peripherie für ein Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildete Peripherie für eine Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel.
Ein auf Brennstoffzellen basierendes Energieversorgungssystem umfasst neben mindestens einer Brennstoffzelle Einrichtungen zur Versorgung, Steuerung und Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle. Die Gesamtheit dieser Einrichtungen wird nachfolgend als Peripherie bezeichnet. Typischerweise umfasst die Peripherie folgende Komponenten: Einrichtungen zur Versorgung mit den Reaktionsmedien, also an den Anoden der Brennstoffzellen elektrochemisch oxidierbaren Brennstoffen (beispielsweise Wasserstoff oder Methanol) und an den Kathoden der Brennstoffzellen elektrochemisch reduzierbaren Oxidationsmitteln (typischerweise Luft oder Sauerstoff), Einrichtungen zur Prozessteuerung und optional Einrichtungen zur Kühlung.
Auf Brennstoffzellen basierende Energieversorgungssysteme für praktische Anwendungen, beispielsweise für eine netzunabhängige Stromversorgung, enthalten üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Typischerweise sind die Brennstoffzellen stapeiförmig angeordnet, diese Bauart wird als Brennstoffzellen-Block, Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellen- Stack bezeichnet. In derartigen Brennstoffzellensystemen ist der Brennstoffzellenstapel üblicherweise in die Peripherie integriert, so dass Brennstoffzellenstapel und Peripherie eine funktionelle und räumliche Einheit bilden. In dieser Einheit sind Brennstoffzellenstapel und Peripherie hinsichtlich Dimensionierung, Leistung, Funktion und Verwendungszweck direkt aufeinander abgestimmt. Daher ist es im allgemeinen nicht möglich, aus einem solchen vollständig integrierten System den Brennstoffzellenstapel einfach zu entnehmen und durch einen anderen, nicht speziell für dieses System konfigurierten Brennstoffzellenstapel zu ersetzen, ohne signifikante Änderungen an Aufbau und Dimensionierung der Peripherie durchzuführen.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 059 776 A1 ist ein modular aufgebautes Brennstoffzellensystem bekannt. Dieses umfasst eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einem oder mehreren Brennstoffzellenblöcken, eine Oxidator- Versorgungseinrichtung, eine Brennstoff-Versorgungseinrichtung und eine Steuerungseinrichtung. Die Brennstoffzelleneinrichtung und/oder die Oxidator- Versorgungseinrichtung und/oder die Brennstoff-Versorgungseinrichtung und ggf. die Kühleinrichtung sowie die Steuerungseinrichtung sind als eigenständige Module ausgebildet, wobei in einem Modul die funktionellen Komponenten der jeweiligen Einrichtung angeordnet sind (beispielsweise in einem Gehäuse), das entsprechende Modul eine Einheit bildet, welche als Ganzes positionierbar ist, und das entsprechende Modul eine Kommunikationsschnittstelle mit Anschlüssen aufweist.
Die Vorteile dieses modularen Systems bestehen darin, dass durch die Modularisierung das Brennstoffzellensystem flexibel aufgebaut werden kann, also eine leichte Zerlegbarkeit und Zusammensetzbarkeit aufweist. Insbesondere ist leicht eine Anpassung an geometrische Gegebenheiten möglich. Weiterhin lässt sich jedes Modul für sich optimieren, einstellen, positionieren und ggf. austauschen oder instandsetzen.
Andererseits führt der vollständig modulare Aufbau dazu, dass die Peripherie in eine Vielzahl von Einzelsystemen zerfällt, die jeweils separate Bauteile darstellen. Somit umfasst das Brennstoffzellensystem insgesamt eine Vielzahl von separaten Bauteilen, die jeweils zu handhaben, zu positionieren, entsprechend ihren jeweiligen Funktionen miteinander zu verbinden und ggf. auch zu transportieren sind. Dies ist insbesondere bei nicht ortsfesten Anwendungen ein Nachteil. Ein weiterer Nachteil besteht in dem gegenüber einem vollständig integrierten System aus Brennstoffzellenstapel und Peripherie zwangsläufig erhöhten Platzbedarf.
Erfindungsgemäß wird daher ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, in welchem eine Brennstoffzelleneinheit umfassend mindestens eine Brennstoffzelle einerseits und die dazugehörige Peripherie andererseits räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, wobei die Komponenten der Peripherie gemeinsam in einer in sich geschlossenen Baueinheit untergebracht sind. Die Peripherie bildet erfindungsgemäß ein eigenständiges Gerät mit einer eigenständigen Funktion, d.h. eine Vorrichtung zur Inbetriebnahme bzw. zum Betrieb von Brennstoffzelleneinheiten.
Die erfindungsgemäße Peripherie, welche zur Kombination mit einer mindestens eine Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist, umfasst folgende Komponenten:
Eine Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoff, - eine Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit
Oxidationsmittel, eine Mess-, Steuer- und Bedieneinrichtung oder eine Mess-, Steuer-, regelungs- und Bedieneinrichtung sowie - optional eine Einrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit, wobei diese Komponenten gemeinsam in einer in sich geschlossenen Baueinheit untergebracht sind, die von der Brennstoffzelleneinheit räumlich getrennt ist.
Die Komponenten der Peripherie-Baueinheit sind auf einer gemeinsamen Plattform, beispielsweise in einem Gehäuse, einer Box o.a. untergebracht, so dass sie eine eigenständige, in sich geschlossene Baueinheit bilden.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit umfassend mindestens eine Brennstoffzelle sowie eine räumlich von der Brennstoffzelleneinheit getrennte Peripherie umfassend folgende Komponenten:
Eine Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoff, eine Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit Oxidationsmittel, - eine Mess-, Steuer-, Regelungs- und Bedieneinrichtung sowie optional eine Einrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit, - A -
wobei diese Komponenten gemeinsam in einer in sich geschlossenen Baueinheit untergebracht sind, die von der Brennstoffzelleneinheit räumlich getrennt ist.
Zur Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems wird diese mit der erfindungsgemäßen Peripherie strömungstechnisch, elektrisch und ggf. signaltechnisch verbunden.
Vorzugsweise enthält die Brennstoffzelleneinheit des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die vorteilhaft in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich um Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC).
Als Brennstoff kommt beispielsweise Wasserstoff oder Methanol (z.B. in Form eines Methanol-Wasser-Gemischs) zum Einsatz. Wasserstoff wird mittels eines geeigneten Speichers zur Verfügung gestellt, beispielsweise eines Metallhydrid-Speichers oder einer Druckgasflasche, wobei der Speicher für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit strömungstechnisch mit der erfindungsgemäßen Peripherie verbunden wird.
Als Oxidationsmittel wird üblicherweise Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Dieser wird von der Peripherie aus der Umgebungsluft angesaugt. In der Peripherie ist dafür eine entsprechende Vorrichtung vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Peripherie weist Anschlüsse auf, um strömungstechnische Verbindungen für den Transport der Reaktionsmedien, also des Brennstoffs und des Oxidationsmittels zur Brennstoffzelleneinheit, herzustellen.
Umfasst die Peripherie eine Einrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit, so sind Anschlüsse für strömungstechnische Verbindungen zum An- und Abtransport des Kühlmittels zur Brennstoffzelleneinheit vorzusehen.
Als Kühlmittel wird Wasser, ggf. mit Frostschutzzusatz, oder ein anderes gebräuchliches Kühlmittel eingesetzt. Als Alternative kann auch eine Luftkühlung verwendet werden. Im Falle eines flüssigen Kühlmittels wird die Förderung des Kühlmittels durch eine in der Peripherie vorgesehene Pumpe bewerkstelligt. Im Falle einer Luftkühlung weist die Peripherie ein Gebläse für die als Kühlmittel verwendete Luft auf.
Soll die erfindungsgemäße Peripherie ausschließlich in Kombination mit passiv gekühlten Brennstoffzelleneinheiten eingesetzt werden, so ist es nicht erforderlich, in der Peripherie eine Einrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit vorzusehen. Die erfindungsgemäße Peripherie weist einen elektrischen Anschluss auf, um eine elektrische Verbindung zur Brennstoffzelleneinheit herzustellen und der Brennstoffzelleneinheit elektrische Leistung zu entnehmen. Sie weist außerdem einen elektrischen Anschluss für mindestens einen Verbraucher auf, der die der Brennstoffzelleneinheit entnommene elektrische Leistung aufnimmt.
Die elektrischen und strömungstechnischen Verbindungen zwischen Brennstoffzelleneinheit und Peripherie werden in bekannter Weise hergestellt.
Mittels der Mess-, Steuer- und Bedieneinheit können bestimmte Betriebsgrößen, wie beispielsweise die Temperatur und Spannung der Brennstoffzelleneinheit, die Funktion des Kühlkreislaufs, die Temperatur des ein- und austretenden Kühlmittels, der Eingangsluftdruck und der Wasserstoffdruck gesteuert und überwacht werden. Alternativ kann eine Mess-, Steuer-, Regelungs- und Bedieneinheit eingesetzt werden, so dass eine Regelung bestimmter Betriebsgrößen möglich ist.
Es ist grundsätzlich möglich, auch weitere Betriebsgrößen zu steuern, zu regeln oder zu überwachen. Auswahl und Anzahl dieser Betriebsgrößen hängen vom jeweiligen Einsatzzweck und dem vom Anwender akzeptierten Aufwand/Nutzen-Verhältnis ab.
Für die zu messenden Größen sind in der Peripherie bzw. in der Brennstoffzelleneinheit entsprechende Messfühler vorzusehen sowie die nötigen signaltechnischen Verbindungen zur Signalübertragung an die Mess-, Steuer-, Regelungs- und Bedieneinheit.
Vorteilhafter Weise weist die erfindungsgemäße Peripherie weiterhin einen Eingang zur Einspeisung von elektrischer Hilfsenergie auf. Dadurch kann in der Startphase oder, falls gewünscht, während der gesamten Betriebsdauer der Energiebedarf der elektrische Energie benötigenden Komponenten der Peripherie (Luftverdichter, Kühlmittelpumpe usw.) unabhängig von der Leistung des Brennstoffzellenstapels gedeckt werden. Die elektrische Energie kann dem Stromversorgungsnetz entnommen werden oder einer anderen Stromquelle, beispielsweise einer Batterie. Die Entkopplung der Leistung des Brennstoffzellenstapels vom elektrischen Leistungsbedarf der Peripherie ermöglicht es, die Leistung des Brennstoffzellenstapels unabhängig zu evaluieren. Soll andererseits der Bedarf an Hilfsenergie möglichst klein gehalten werden, so ist es auch möglich, den Leistungsbedarf der Peripherie direkt aus der Leistungsabgabe der Brennstoffzelleneinheit zu decken. Die Peripherie wird dann elektrisch als Verbraucher geschaltet. Das erfindungsgemäße System zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik durch eine Vielzahl von Vorteilen aus. Gegenüber dem komplett modular aufgebautem System gemäß DE 10 2004 059 776 A1 ist der durch die Integration der Peripheriekomponenten in einer Baueinheit wesentlich kompaktere Aufbau hervorzuheben, der die Handhabbarkeit und den Transport erleichtert. So ermöglicht die erfindungsgemäße Peripherie eine einfache und sichere Inbetriebnahme von Brennstoffzelleneinheiten. Dies ist insbesondere bei nicht ortsfesten Anwendungen und bei eingeschränktem Platzangebot von Vorteil. Andererseits besteht gegenüber vollständig integrierten Systemen der Vorteil einer höheren Flexibilität, da die Brennstoffzelleneinheit nicht starr mit der Peripherie verbunden ist und daher ausgetauscht werden kann. Es können also ohne signifikanten Umrüstungsaufwand verschiedene Brennstoffzelleneinheiten angeschlossen, in Betrieb genommen und untersucht werden.
Somit ermöglicht die erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildete Peripherie eine hohe Flexibilität beim Testen und Evaluieren von Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere auch verschiedener Brennstoffzelleneinheiten, z.B. Brennstoffzellenstapeln, im Vergleich untereinander. Beispielsweise können Prototypen von Brennstoffzellenstapeln vergleichbar evaluiert werden. Unter "Evaluieren" werden im Rahmen dieses Textes alle Verfahren, Methoden und Vorgehensweisen zum Erproben, Prüfen, Testen und Untersuchen des Betriebs von Brennstoffzelleneinheiten verstanden, also im Sinne einer Funktionsprüfung oder Diagnose, sowie auch z.B. die Untersuchung des Betriebsverhaltens in Abhängigkeit von bestimmten Betriebszuständen oder äußeren Bedingungen.
Ein weiterer Vorteil ist die anwendungsnahe Gestaltung der erfindungsgemäßen Peripherie. Sie lässt sich daher leicht in Anwendungen integrieren. Dies erleichtert insbesondere die Entwicklung von Prototypen für Anwendungen von Brennstoffzellensystemen. Beispiele für solche Anwendungen sind u.a. eine Bordstromversorgung für ein Fahrzeug oder ein System zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (sog. Back-up-System). Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
Die oben genannten Vorzüge der erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildeten Peripherie für Brennstoffzellensysteme sind Grundlage für eine Vielzahl vorteilhafter Einsatzmöglichkeiten.
Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Peripherie benutzt werden, um
Brennstoffzelleneinheiten, z.B. Brennstoffzellenstapel nach der Fertigung, vor dem Einbau in ein komplett integriertes Brennstoffzellensystem, vor der Inbetriebnahme oder nach einer Änderung der Betriebsbedingungen oder einer Betriebspause, zu evaluieren, zu testen und zu prüfen. Die leichte Handhabung des Systems erleichtert die routinemäßige Prüfung. Die kompakte Bauweise verringert den Aufwand für eine Vorortprüfung, beispielsweise bei einer netzfern eingesetzten Brennstoffzelleneinheit.
Ein weiteres Anwendungsfeld ist der Einsatz als Laborgerät für Forschung und Entwicklung. Beispielsweise können Prototypen von Brennstoffzellenstapeln vergleichbar evaluiert werden. Potenzielle Anwender können sich mittels der erfindungsgemäßen Peripherie schnell mit neuen Typen von Brennstoffzelleneinheiten vertraut machen und diese unter anwendungsnahen Bedingungen testen.
Auch kann der Einfluss der Skalierung der Brennstoffzelleneinheit, d.h. der Anzahl der miteinander elektrisch seriell verschalteten Brennstoffzellen, untersucht werden.
In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, dass bei der Entwicklung von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln in der Labor- und Prototypen phase meist vergleichsweise aufwendige und komplexe Teststände benutzt werden, die eine Vielzahl von Messgeräten und Überwachungsfunktionen umfassen. Während solche Vorrichtungen für grundlegende Forschung und Entwicklung unverzichtbar sind, eignen sie sich jedoch nicht für die Anwendungsintegration von Brennstoffzellensystemen. Daher müsste ein potenzieller Anwender, der ein Brennstoffzellensystem in den Prototypen einer Anwendung integrieren will, den vorgefertigten Brennstoffzellenstapel selbst mit einer geeigneten Peripherie versehen und in die entsprechende Anwendung integrieren. Dies ist jedoch relativ aufwendig und verlangt zusätzliche Entwicklungskapazitäten, die häufig auch außerhalb der Kompetenz des Anwenders liegen.
Darüber hinaus weist die vorliegende Erfindung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Testständen einen deutlichen Preisvorteil auf. Daher ist es mittels der erfindungsgemäßen Peripherie möglich, Einsatzgebiete zu erschließen, für die herkömmliche Testständer zwar zu aufwendig und zu teuer sind, aber bisher keine brauchbare Alternative zur Verfügung stand.
Da sich die kompakte Peripherie leicht in eine vorhandene Anwendungsumgebung einbinden lässt, können verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere Brennstoffzellenstapel, untersucht werden. Dies ist insbesondere im Prototypenstadium solcher Anwendungen von Vorteil, denn der kompakte Aufbau und die leichte Handhabbarkeit der erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildeten Peripherie erleichtern den Einbau eines Brennstoffzellensystems in den Prototyp einer potentiellen Anwendung. Dadurch wird der Schritt vom Labor- zum Prototypenstadium erleichtert und beschleunigt.
Außerdem kann die erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildete Peripherie, da sie leicht zu transportieren ist, als Vorort-Diagnosegerät eingesetzt werden, beispielsweise für die Prüfung und Wartung an nahezu beliebigen Orten, beispielsweise dezentral eingesetzten Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere auch bei netzfern eingesetzten Brennstoffzelleneinheiten.
Die erfindungsgemäße Peripherie ist auch geeignet, um das Betriebsverhalten einer Brennstoffzelleneinheit unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu untersuchen. So kann beispielsweise der Einfluss von Luftfeuchtigkeit, Staubgehalt der Luft und anderen Witterungs- und Umgebungsbedingungen untersucht werden.
Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildete Peripherie vielfältige weitere Anwendungen, die mit herkömmlichen Testständen, die nicht ohne weiteres transportabel sind, nur unter extrem hohem Aufwand oder gar nicht zu realisieren sind. Die erfindungsgemäß als in sich geschlossene Baueinheit ausgebildete Peripherie kann somit als mobile Teststation oder mobiles Diagnosegerät für Brennstoffzelleneinheiten verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Peripherie für eine Brennstoffzelleneinheit, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle, wobei die Peripherie folgende Komponenten umfasst: - Eine Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit
Brennstoff, eine Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit Oxidationsmittel, eine Mess-, Steuer- und Bedieneinrichtung oder eine Mess-, Steuer-, Regelungs- und Bedieneinrichtung sowie optional eine Einrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Peripherie in einer in sich geschlossenen, räumlich von der Brennstoffzelleneinheit getrennten Baueinheit untergebracht sind.
2. Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit umfassend mindestens eine Brennstoffzelle sowie eine räumlich von der Brennstoffzelleneinheit getrennte Peripherie gemäß Anspruch 1.
3. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit ein Brennstoffzellenstapel ist.
4. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit mindestens eine Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle enthält.
5. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff Wasserstoff oder Methanol verwendet wird.
6. Verfahren zum Evaluieren einer Brennstoffzelleneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit elektrisch, strömungstechnisch und ggf. signaltechnisch mit einer räumlich von der Brennstoffzelleneinheit getrennten Peripherie gemäß Anspruch 1 verbunden wird und die Brennstoffzelleneinheit evaluiert wird.
7. Verfahren zum Evaluieren des Prototyps einer Brennstoffzellenanwendung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffzelleneinheit sowie eine mit der Brennstoffzelleneinheit elektrisch, strömungstechnisch und ggf. signaltechnisch verbundene, räumlich aber von der Brennstoffzelleneinheit getrennte Peripherie gemäß Anspruch 1 in den Prototyp integriert werden und der Prototyp evaluiert wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit ein Brennstoffzellenstapel ist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit mindestens eine Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle enthält.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff Wasserstoff oder Methanol verwendet wird.
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