AT524835A1 - Brennstoffzellensystem für einen stationären Betrieb zum Erzeugen von elektrischem Strom mit einer Prüfvorrichtung für eine Funktionsprüfung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellensystem (10) für einen stationären Betrieb zum Erzeugen von elektrischem Strom, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (100) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathoden- abschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) für ein Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) für ein Abführen von Anodenabgas (AAG), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) für ein Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) für ein Abführen von Kathodenabgas (KAG), wobei der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel (100) einen trennbaren Elektroanschluss (140) aufweist in elektrisch leitender Verbindung mit einem Gegen-Elektroanschluss (40) des Brennstoffzellensystems (10) zur Aufnahme des erzeugten elektrischen Stroms, wobei der Anodenzuführabschnitt (122) eine trennbare Anodenzuführschnittstelle (123) in fluidkommunizierender Verbindung mit einer Gegen-Anodenzuführschnittstelle (23) des Brennstoffzellensystems (10), der Anodenabführabschnitt (124) eine trennbare Anodenabführschnittstelle (125) in fluid- kommunizierender Verbindung mit einer Gegen-Anodenabführschnittstelle (25) des Brennstoffzellensystems (100), der Kathodenzuführabschnitt (132) eine trennbare Kathodenzuführschnittstelle (133) in fluidkommunizierender Verbindung mit einer Gegen-Kathodenzuführschnittstelle (33) des Brennstoffzellensystems (10) und der Kathodenabführabschnitt (134) eine trennbare Kathodenabführschnittstelle (135) in fluidkommunizierender Verbindung mit einer Gegen-Kathodenabführschnittstelle (35) des Brennstoffzellensystems (10) aufweist, wobei weiter der Gegen-Elektroanschluss (40), die Gegen-Anodenzuführschnittstelle (23), die Gegen- Anodenabführschnittstelle (25), die Gegen-Kathodenzuführschnittstelle (33) und/oder die Gegen-Kathodenabführschnittstelle (35) wenigstens eine Prüfvorrichtung (50) aufweist für eine Funktionsprüfung der jeweiligen Verbindung.

Description

Brennstoffzellensystem für einen stationären Betrieb zum Erzeugen von elekt-

rischem Strom mit einer Prüfvorrichtung für eine Funktionsprüfung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für einen stationären Betrieb zum Erzeugen von elektrischem Strom mit wenigstens einer Prüfvorrichtung für eine Funktionsprüfung sowie ein Prüfverfahren für eine Funktionsprüfung bei ei-

nem solchen Brennstoffzellensystem.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden können, um in einem stationären Betrieb elektrischen Strom zur Verfügung zu stellen. Dabei handelt es sich um dezentrale Kraftwerke, welche durch Zufuhr von Brenngasen, wie beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, elektrischen Strom erzeugen können. Hierfür werden die stationären Brennstoffzellensysteme für ihren Betrieb mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln ausgestattet. Diese Brennstoffzellenstapel werden auch als Brennstoffzellenstacks bezeichnet und sind Stapel einzelner Brennstoffzellen, welche zusammen die elektrische Leistung zur Verfügung stellen können. Jede einzelne Brennstoffzelle ist mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt ausgebildet, welche über eine Membran voneinander getrennt sind, sodass hier in definierter Weise die elektrochemische Reaktion bei der Umwandlung des Brenngases in Abgase durchgeführt werden kann und dabei die elektrische Stromerzeugung stattfindet.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass insbesondere beim stationären Betrieb von Brennstoffzellensystemen zum Erzeugen von elektrischem Strom die Brennstoffzellenstapel hin und wieder ausgetauscht werden müssen. Während eine Vielzahl der Komponenten, wie beispielsweise Rohrleitungen, Ventile oder Ähnliches, beim Betrieb des Brennstoffzellensystems nur einem sehr geringen Verschleiß unterliegen, kann ein Brennstoffzellenstapel hinsichtlich der hochkomplexen Technik, insbesondere jedoch hinsichtlich der verwendeten elektrochemischen Bauteile, wie beispielsweise der Membran, einem höheren Verschleiß unterliegen. Daher ist es häufig notwendig, nach einer definierten Betriebsdauer von beispielsweise mehreren Jahren den Brennstoffzellenstapel an Ort und Stelle des stationären Brennstoffzellensystems wieder auszutauschen. Um dies durchzuführen, ist bei den bekannten Lösungen ein Team von Spezialisten notwendig. Zum einen ist ein Installateur notwendig, welcher die fluiddichte Anbindung beim Austausch des Brennstoffzellensta-

pels gewährleistet und insbesondere eine Druckprüfung durchführt, um sicherzustel-

Brennstoffzellenstapeln ausgestattet werden können.

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 einen Austausch eines Brennstoffzellenstapels auch von einem einzelnen und insbesondere ungelernten Fachar-

beiter durchführen zu lassen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Prüfverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. 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 Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird be-

ziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient ein Brennstoffzellensystem einem stationären Betrieb zum Erzeugen von elektrischem Strom. Hierfür weist das Brennstoffzellensystem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathoden-

abschnitt auf. Der Anodenabschnitt weist einen Anodenzuführabschnitt für ein Zufüh-

für eine Funktionsprüfung der jeweiligen Verbindung.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, dass ein stationäres Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt werden soll, bei dem ein besonders einfacher und kostengünstiger Austausch des Brennstoffzellenstapels erfolgen kann. Ist beispielsweise turnusmäßig nach Ablauf einer vorgegebenen maximalen Betriebsdauer, ein Brennstoffzellenstapel auszutauschen, so kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dies in sehr einfacher Weise erfolgen, wie dies nach-

folgend erläutert wird.

Ein einzelner Servicetechniker kann mit einem neuen Brennstoffzellenstapel zum jeweiligen Brennstoffzellensystem reisen und dort in sehr einfacher Weise die trennbaren Verbindungen am Gegen-Elektroanschluss, an der Gegen-

Anodenzuführschnittstelle, der Gegen-Anodenabführabschnittstelle, der Gegen-

schluss und dem Gegen-Elektroanschluss.

Diese einfache Kontaktierung der Schnittstellen, beispielsweise durch entsprechende fluiddichte Verschraubungen an den Fluidanschlüssen oder einfachen Steckverbindungen am Elektroanschluss, kann der Servicetechniker ohne zusätzliche Fachausbildungen für Druckinstallationen oder elektrotechnische Zusatzausbildungen, durch-

führen.

Während bei einem bekannten Brennstoffzellensystem jedoch zumindest für die Funktionsprüfung Fachpersonal notwendig war, ist nun bei einem erfindungsgemäRen Brennstoffzellensystem in das stationäre Brennstoffzellensystem wenigstens eine Prüfvorrichtung integriert. Diese Prüfvorrichtung ist damit Teil des Brennstoffzellensystems und muss insbesondere weder vom Servicetechniker bedient noch an den Ort des Austausches des Brennstoffzellensystems mitgebracht werden. Vielmehr kann nach erfolgtem Austausch, und insbesondere dem Schließen der oben genannten Verbindungen nach dem Austausch des Brennstoffzellenstapels, eine automatisierte oder zumindest teilweise automatisierte Funktionsprüfung mit der Prüfvorrichtung durchgeführt werden. Dabei kann es sich um mechanische Funktionstests hinsichtlich einer erfolgreichen Montage handeln. Bevorzugt sind jedoch insbesondere die kritischen Funktionstests automatisiert, in Form der Druckdichtigkeitsprüfung und/oder der elektrischen Funktionsprüfung. Beides wird später noch näher er-

läutert.

Wie aus der voranstehenden Erläuterung einer Austauschsituation für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem ersichtlich wird, kann diese nun nicht nur von einem einzigen Servicetechniker im Vergleich zu einem Team von Fachpersonal bei

bekanntem Stand der Technik erfolgen, es sind auch keine speziell ausgebildeten

aufwandes beim Austausch eines Brennstoffzellenstapels.

Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass stationär betriebene Brennstoffzellensysteme selbstverständlich auch zwei oder mehr Brennstoffzellenstapel aufweisen können, je nachdem, welche elektrische Leistung benötigt wird. Das erfindungsgemäße Konzept der trennbaren Verbindungen zwischen dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel und den zugehörigen Gegen-Schnittstellen, kann dabei auf eine beliebig große Anzahl von Brennstoffzellenstapeln innerhalb eines Brennstoffzellensystems

angewendet werden.

Neben einem reinen Prüfen kann auch ein Aufzeichnen der Prüfparameter, also zum Beispiel eines Prüfdrucks, der Haltezeit oder gemessener Elektroparameter erfolgen. Dies ermöglicht eine Protokollierung der Prüfergebnisse in qualitativer oder sogar

quantitativer Weise. Auch kann eine weiterführende Auswertung der erfassten Para-

meter erfolgen, um zum Beispiel eine Früherkennung von Defekten durchzuführen.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die wenigstens eine Prüfvorrichtung als Druck-Prüfvorrichtung ausgebildet ist, für eine Funktionsprüfung in Form einer Dichtigkeitsprüfung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels. Wie bereits erläutert worden ist, ist insbesondere eine Dichtigkeitsprüfung hinsichtlich der Funktionalität im Betrieb des Brennstoffzellensystems wichtig. So soll verhindert werden, dass Gase innerhalb des Brennstoffzellensystems in unerwünschter Weise das Brennstoffzellensystem in die Umgebung verlassen. Dies gilt insbesondere für brennbare Brennstoffe, wie beispielsweise wasserstoffhaltiges oder methanhaltiges Brenngas. Um dies zu gewährleisten, ist bei dieser Ausführungsform die Prüfvorrichtung als Druck-Prüfvorrichtung ausgebildet und dient dazu, die Funktionsprüfung in Form einer Druckdichtigkeitsprüfung durchzuführen. Dies kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Beispielsweise kann ein Prüfdruck angelegt werden, und bestimmt werden, welcher Energieaufwand und/oder welche

Volumenströme notwendig sind, um den angelegten Prüfdruck konstant zu halten.

Austausch des Brennstoffzellenstapels weiterverfolgt und/oder freigegeben werden.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Druck-Prüfvorrichtung einen Anoden-Prüfanschluss an die GegenAnodenzuführschnittstelle oder die Gegen-Anodenabführschnittstelle und/oder einen Kathoden-Prüfanschluss an die Gegen-Kathodenzuführschnittstelle oder die GegenKathodenabführschnittstelle aufweist. Bevorzugt sind ein Anoden-Prüfanschluss und ein Kathoden-Prüfanschluss vorgesehen, um auf beiden Seiten der jeweiligen Membran aller Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel die gewünschte Druckprüfung, insbesondere unabhängig voneinander, durchzuführen. Handelt es sich bei den Membranen innerhalb des Brennstoffzellenstapels um elastisch verformbare Materialien, so ist es von besonderem Vorteil, auf beiden Seiten, also sowohl für den Anodenabschnitt als auch den Kathodenabschnitt, die Druckdichtigkeitsprüfung vorzusehen, um eine einseitige, unerwünschte Belastung der flexiblen Membran, welche zu einer mechanischen Beschädigung führen könnte, mit hoher Sicherheit zu verhin-

dern.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Druck-Prüfvorrichtung eine Kompressorvorrichtung zum Erzeugen eines Prüfdrucks aufweist. Wie bereits erläutert worden ist, kann dieser Prüfdruck zum Beispiel über eine definierte Zeit gehalten werden, wobei überwacht wird, mit welcher Leistung und/oder mit welchem Volumenstrom das Halten eines stabilen Druckniveaus einhergeht. Je höher der Aufwand ist, um das Druckniveau stabil zu halten, mit umso höherer Wahrscheinlichkeit ist von einer Leckage auszugehen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Prüfdruck einmalig angelegt wird und über eine definierte Haltezeit bei ausgeschaltetem Kompressor der Druckabfall überwacht wird. Auch auf diese Weise kann erkannt werden, wenn der Druckabfall zu schnell erfolgt,

dass mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Leckage gegeben ist. Auch hier ist bereits

Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Druck-Prüfvorrichtung wenigstens eine Druck-Sensorvorrichtung aufweist, für eine Erfassung des Innendrucks im Anodenabschnitt und/oder im Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels. Dabei sind insbesondere zwei DruckSensorvorrichtungen vorgesehen, um beide Abschnitte des Brennstoffzellenstapels zu überwachen. Dies kann sowohl für eine Haltefunktionalität mit laufender Kompressorvorrichtung oder aber auch mit einem eingestellten Prüfdruck und einer Haltezeit Vorteile mit sich bringen, da eine definierte Information über den jeweiligen Innendruck erhalten werden kann. Darüber hinaus sind diese DruckSensorvorrichtungen nicht Teil des Brennstoffzellenstapels, welcher ausgetauscht worden ist, sondern Teil des Brennstoffzellensystems, sodass für die Durchführung des Druckdichtigkeitstests keine Kalibrierung dieser Sensorvorrichtungen stattfinden muss. Vielmehr bleiben sie Teil des Brennstoffzellensystems und können auf jeden neuen Brennstoffzellenstapel nach dem Austausch in bereits vorhandener und kalib-

rierter Weise angewendet werden.

Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die wenigstens eine Prüfvorrichtung als Elektro-Prüfvorrichtung ausgebildet ist, für eine Funktionsprüfung in Form einer Elektrofunktionsprüfung des wenigstens einem Brennstoffzellenstapels. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn jede Funktionsprüfung, welche mit einem erhöhten Fachwissen beim Servicetechniker beim Austausch des Brennstoffzellenstapels einhergeht, automatisiert oder teilautomatisiert durch eine Prüfvorrichtung, integriert in das Brennstoffzellensystem, durchgeführt wird. Neben der Druckdichtigkeitsprüfung ist insbesondere die hier erläuterte Elektrofunktionalitätsprüfung zu erwähnen. Dabei kann diese Prüfung alternativ oder vorzugsweise zusätzlich zur, in den voranstehenden Absätzen erläuterten, Druckprü-

fung durchgeführt werden. Selbstverständlich sind auch weitere Testverfahren zur

Funktionsprüfung, wie beispielsweise die später noch erwähnte Montageprüfung 0-

der aber auch Prüfungen aus elektrochemischer Sicht, grundsätzlich im Rahmen der

vorliegenden Erfindung denkbar.

Weitere Vorteile werden erzielt, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Elektro-Prüfvorrichtung wenigstens eine Elektro-Sensorvorrichtung aufweist, insbesondere zur Bestimmung wenigstens eines der folgenden Elektropa-

rameter: — elektrischer Widerstand — elektrische Impedanz

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Auch hier sind die entsprechenden Elektro-Sensorvorrichtungen wieder in das Brennstoffzellensystem integriert und werden damit insbesondere nicht mit einem Brennstoffzellenstapel ausgetauscht. Erfolgt also der Austausch und Ersatz durch einen neuen Brennstoffzellenstapel, so können die ursprünglichen ElektroSensorvorrichtungen des Brennstoffzellensystems in der vorhandenen und kalibrierten Weise auch automatisch wieder für den neu hinzugefügten Brennstoffzellenstapel eingesetzt werden. Auch ist es auf diese Weise besonders einfach, zusätzliche Anschlüsse an den Elektro-Sensorvorrichtungen, wie beispielsweise den Anschluss an eine Erdung des Brennstoffzellensystems, beizubehalten, und nicht den Servicetechniker beim Austausch des Brennstoffzellenstapels durchführen zu lassen. Die Bestimmung der Elektroparameter kann insbesondere an einzelnen Anschlusspunkten des Brennstoffzellenstapels erfolgen und/oder bevorzugt gegenüber einer Er-

dung.

Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Elektro-Prüfvorrichtung einen Elektro-Prüfanschluss in elektrisch leitender Verbindung mit dem Gegen-Elektroanschluss aufweist. Ein solcher Elektro-Prüfanschluss mit Integration in den Gegen-Elektroanschluss, führt zu einer noch weiter verstärkten Integration der Elektro-Prüfvorrichtung in das Brennstoffzellensystem. Der Elektro-Prüfanschluss kann dabei insbesondere schaltbar ausgebildet sein, sodass er in einer normalen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems ausgeschaltet wird, um insbesondere eine vollständige galvanische Tren-

währleisten zu können.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wenigstens ein Montagekörper vorgesehen ist, wobei der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel wenigstens eine trennbare Montageschnittstelle aufweist, in mechanischer Verbindung mit wenigstens einer Gegen-Montageschnittstelle des Montagekö6rpers in einer Betriebsposition. Neben der grundsätzlichen Funktionalitätsprüfung kann auch eine grundlegendere Funktionsprüfung durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Korrelation aus der hier beschriebenen Montagschnittstelle und der Gegen-Montageschnittstelle eine Betriebsposition definieren, die eine eindeutige Relativpositionierung des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise zum Gehäuse des Brennstoffzellensystems, festlegt und vordefiniert. Dies führt insbesondere dazu, dass beim Durchführen der Montageschritte automatisch eine fluidkommunizierende Kontaktierung der erläuterten Fluidschnittstellen am Anodenabschnitt und am Kathodenabschnitt sowie eine elektrisch leitende Verbindung am Elektroanschluss ausgebildet wird. Mit anderen Worten sind die Montageschnittstellen dafür da, in führender Weise alle Funktionsschnittstellen für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels automatisch mit auszubilden, wodurch die Fehlmontagewahrscheinlichkeit

deutlich reduziert werden kann.

Vorteilhaft ist es, wenn bei einem Brennstoffzellensystem gemäß dem voranstehenden Absatz die wenigstens eine Prüfvorrichtung als Montage-Prüfvorrichtung ausgebildet ist, für eine Funktionsprüfung in Form einer Montage-Sicherheitsprüfung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels. Beispielsweise ist es möglich, mechanische Sensoren oder mechanische Relativpositionierungserkennungen durchzuführen, sodass sichergestellt werden kann, dass beispielsweise Montagemittel an der jeweiligen Montageschnittstelle in die gewünschte Position und in die gewünschte Montagekorrelation gebracht worden sind. Dies ist insbesondere korreliert mit einer Vorprüfung, sodass beispielsweise zuerst die Montagesicherheit abgeprüft wird, bevor anschließend die elektrische und/oder die drucktechnische Sicherheit überprüft wird. Dies dient insbesondere dazu, dass Anlegen eines Drucks oder elektrischer Spannung zu vermeiden, wenn bereits die Montagesicherheit zu einem Negativer-

gebnis gelangt ist.

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auszutauschenden Brennstoffzellenstapel durchzuführen.

Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel vorgesehen sind. Wie bereits im voranstehenden Absatz erläutert worden ist, kann auf diese Weise ein beliebig großes System für unterschiedlichste benötigte elektrische Leistungen zur Verfügung gestellt werden. Wird ein solches großes Brennstoffzellensystem darüber hinaus mit den bereits erläuterten Sperrventilen ausgestattet, so ist auch ein Austausch von Brennstoffzellenstapeln möglich, wenn die weiteren Brennstoffzellenstapel und damit das Brennstoffzellensystem weiter betrieben werden und fortlaufend elektrischer Strom

erzeugt wird.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Prüfverfahren für eine Funktionsprüfung eines neu eingesetzten Brennstoffzellenstapels in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. Ein solches Prüfverfahren zeichnet sich

durch die folgenden Schritte aus: — Erfassen eines Austauschs wenigstens eines Brennstoffzellenstapels, — Durchführen wenigstens einer Funktionsprüfung mit der Prüfvorrichtung.

Ein erfindungsgemäßes Prüfverfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. Das Erfassen des Austauschs kann in automatischer und/oder manuel-

ler Weise erfolgen. Beispielsweise kann beim Austausch das Fehlen des Brennstoff-

Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich das Prüfverfahren auch ohne einen Austausch eines Brennstoffzellenstapels durchzuführen. Erfolgt beispielsweise ein Transport zu einem Einsatzort des Brennstoffzellensystems, so kann durch den Transport, zum Beispiel resultierend aus Virbrationen, ein Defekt aus elektrischer oder drucktechnischer Sicht entstehen. Daher kann ein erfindungsgemäßes Prüfungsverfahren auch nach einem Transport angewendet werden, um die Betriebssi-

cherheit in der beschriebenen Weise zu prüfen und zu gewährleisten.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Prüfverfahren die wenigstens eine Funktionsprüfung zumindest einmal wiederholt wird, insbesondere nach einer vorgegebenen Wartezeit. Während bereits grundsätzlich eine vorgegebene Wartezeit für die erste Durchführung einer Funktionsprüfung vorgegeben sein kann, kann es Vorteile mit sich bringen, wenn ein und dieselbe Funktionsprüfung mehrfach durchgeführt wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Funktionsprüfung beim ersten Durchlauf zu einem negativen Ergebnis gekommen ist. Beispielsweise kann es zu einer Undichtigkeitssituation kommen, wenn ein Brennstoffzellenstapel noch nicht auf die nötige Temperatur gebracht ist, insbesondere noch ein großer Temperaturunterschied zwischen den sich gegenseitig kontaktierenden Materialien im Anodenabschnitt und im Kathodenabschnitt besteht. So kann eine Wartezeit dazu führen, dass ein Angleichen der Temperaturunterschiede stattfindet und dementsprechend eine anfänglich vorhandene Undichtigkeit sich durch die

Temperaturanpassung wieder ausgleicht.

stoffzellenstapels oder sogar des Brennstoffzellensystems führen würde.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Prüfverfahren die Prüfvorrichtung am Ende der Funktionsprüfung ein Funktionssignal als Ergebnis der Funktionsprüfung ausgibt. Ein solches Funktionssignal ist insbesondere qualitativ ausgebildet und weist ein positives Prüfungsergebnis oder ein negatives Prüfungsergebnis auf. Selbstverständlich sind auch quantitative Inhalte in einem solchen Prüfungsergebnis als Funktionssignal denkbar, um insbesondere einen Hinweis zu geben, an welcher Stelle der Servicetechniker möglicherweise eine Fehlersuche beginnen kann. So kann beispielsweise ein quantitativer Hinweis gegeben werden, bei welchem Druck oder nach welcher Haltezeit die Leckage bei einem Druckdichtig-

keitstest erfolgt ist.

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 schema-

tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, Fig. 2 die Ausführungsform der Figur 1 während des Austausches ei-

nes Brennstoffzellenstapels,

Fig. 3 die Durchführung mehrerer Funktionsprüfungen nach dem Aus-

tausch des Brennstoffzellenstapels,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems,

13 Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems.

In Figur 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 10 dargestellt, welches in einem stationären Betrieb elektrischen Strom erzeugen soll. Um dies zu gewährleisten, ist wenigstens ein Brennstoffzellenstapel 100 zur Verfügung gestellt, welcher hier schematisch einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130 aufweist. Durch die stapelförmige Anordnung einzelner Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel 100 weist selbstverständlich jede dieser Brennstoffzellen einen eigenen Anodenabschnitt 120 und einen eigenen Kathodenabschnitt 130 auf, wobei jedoch die fluidtechnische Verbindung in den Brennstoffzellenstapel 100 integriert ist. Damit kann für alle Anodenabschnitte und alle Kathodenabschnitte eine gemeinsame fluidtechnische Anbindung, wie nachfolgend erläutert, erfolgen.

Um die elektrochemische Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 zum Erzeugen von elektrischem Strom durchzuführen, ist eine Gasversorgung und eine Gasentsorgung benötigt. Dafür ist hier der Anodenabschnitt 120 mit einem Anodenzuführabschnitt 122 ausgestattet, um Anodenzuführgas AZG als Brenngas zuzuführen. Um die elektrochemische Reaktion zu vervollständigen, wird auf der Seite des Kathodenabschnitts 130 über einen Kathodenzuführabschnitt 132 Kathodenzuführgas KZG zugeführt. Nach erfolgter elektrochemischer Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 werden die entstehenden Abgase als Anodenabgas AAG aus dem Anodenabschnitt 120 über den Anodenabführabschnitt 124 und das Kathodenabgas KAG über den Kathodenabführabschnitt 134 abgeführt.

Bei einem stationär betriebenen Brennstoffzellensystem 10, wie es die Figur 1 zeigt, ist nach einer definierten und vorgegebenen Betriebsdauer von beispielsweise 5 bis 10 Jahren der Brennstoffzellenstapel 100 auszutauschen und zu ersetzen. Dies kann zum Beispiel an erfolgter Korrosion und Verschleiß einzelner elektrochemischer Bestandteile, insbesondere der integrierten Membranen, liegen. Jedoch sind auch ungeplante Austauschsituationen, beispielsweise durch das Ersetzen eines Brennstoff-

zellenstapels 100, mit deutlich effizienterer Betriebsweise denkbar.

Um einen solchen Austausch des Brennstoffzellenstapels 100, gleich aus welchem Grund, nun möglichst einfach durchführen zu können, ist das Brennstoffzellensystem

10 der Figur 1 mit trennbaren Schnittstellen ausgestattet. Über die Fluidschnittstellen

Bauteile des Brennstoffzellensystems 10 vermieden werden.

Um auch die elektrisch leitende Verbindung möglichst einfach trennen und wiederherstellen zu können, ist im gleichen Konzept ein Elektroanschluss 140, hier zweiphasig ausgebildet, an dem Gegen-Elektroanschluss 40 vorgesehen. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine einfache Steckverbindung handeln, welche getrennt und

später mit dem neuen Brennstoffzellenstapel 100 wieder geschlossen werden kann.

In der Figur 1 sind zusätzlich noch zwei Prüfvorrichtungen 50 dargestellt. Dabei handelt es sich zum einen um die Elektro-Prüfvorrichtung 57 und zum anderen um die Druck-Prüfvorrichtung 52, welche in den nachfolgenden Figuren noch näher erläutert

werden.

Wird nun ein Austausch des Brennstoffzellenstapels 100 gewünscht, so werden die beschriebenen Sperrventile 70 in einen Sperrzustand gebracht. Sobald dies erfolgt ist, können die genannten Fluidschnittstellen sowie die Elektroschnittstellen getrennt

werden und der Brennstoffzellenstapel 100 entfernt werden. Anschließend ist eine

ferfolges definieren zu können.

Zusätzlich oder alternativ kann bei der Figur 3 auch ein elektrischer Test durchgeführt werden. Hierfür ist die Elektro-Prüfvorrichtung 57 vorgesehen und ist mit einem Elektro-Prüfanschluss 59 an den Gegen-Elektroanschluss 40 gekoppelt. Mithilfe einer Elektro-Sensorvorrichtung 58 können hier elektrische Parameter aus dem Brennstoffzellenstapel 100 überwacht und erfasst werden und ebenfalls eine ähnliche Funktionsbewertung durchgeführt werden. Die Figur 3 zeigt, dass nach der Durchführung der Funktionsprüfung ein Funktionssignal FS von der jeweiligen Prüfvorrichtung 50 ausgegeben wird. Dieses Ausgeben kann an den Servicetechniker erfolgen, sodass dieser in quantitativer und/oder qualitativer Weise eine Information über die Funktionssicherheit nach dem Austausch erhält. Jedoch ist zusätzlich oder alternativ auch die Ausgabe des Funktionssignals an eine Kontrollvorrichtung des Brennstoffzellensystems 10 möglich, sodass deren Betrieb nur dann startet oder aber automa-

tisch startet, wenn die automatisiert erfolgte Funktionsprüfung auch erfolgreich war.

Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen eines solchen Brennstoff-

zellensystems 10. Bei der Figur 4 ist eine Variante gemäß der Figur 1 dargestellt, je-

rungsform der Figur 1, jedoch ohne eine Druck-Prüfvorrichtung 52.

In der Figur 6 wurde die Ausführungsform der Figur 1 um eine weitere Prüfvorrichtung 50 in Form einer Montage-Prüfvorrichtung 51 ergänzt. Hier ist das Brennstoffzellensystem 10 mit einem Montagekörper 60 ausgestattet, wobei dieser Montagekörper 60 hier eine Montagemöglichkeit des Brennstoffzellenstapels 100 zur Verfügung stellt. Dafür greifen Montageschnittstellen 162 des Brennstoffzellenstapels 100 in Gegen-Montageschnittstellen 62 des Montagekörpers 60 ein. Über nicht näher dargestellte mechanische oder elektronische Sensormittel ist es möglich, eine erfolgreiche Montage von einer nicht erfolgreichen Montage zu unterscheiden. Insbesondere erfolgt hier die Montageprüfung mithilfe der Montage-Prüfvorrichtung 51 vor der Durchführung weiterer Funktionsprüfungen.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende

Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Brennstoffzellensystem

23 Gegen-Anodenzuführschnittstelle 25 Gegen-Anodenabführschnittstelle 33 Gegen-Kathodenzuführschnittstelle 35 Gegen-Kathodenabführschnittstelle 40 Gegen-Elektroanschluss

50 Prüfvorrichtung

51 Montage-Prüfvorrichtung

52 Druck-Prüfvorrichtung

53 Anoden-Prüfanschluss

54 Kathoden-Prüfanschluss

55 Kompressorvorrichtung

56 Druck-Sensorvorrichtung

57 Elektro-Prüfvorrichtung

58 Elektro-Sensorvorrichtung

59 Elektro-Prüfanschluss

60 Montagekörper

62 Gegen-Montageschnittstelle

70 Sperrventil

80 Schaltmittel

100 Brennstoffzellenstapel

120 Anodenabschnitt

122 Anodenzuführabschnitt

123 Anodenzuführschnittstelle 124 Anodenabführabschnitt

125 Anodenabführschnittstelle 130 Kathodenabschnitt

132 Kathodenzuführabschnitt 133 Kathodenzuführschnittstelle 134 Kathodenabführabschnitt 135 Kathodenabführschnittstelle 140 Elektroanschluss

162 Montageschnittstelle

AZG Anodenzuführgas

AAG Anodenabgas

KZG Kathodenzuführgas

KAG Kathodenabgas

PD Prüfdruck

BP Betriebsposition

FS Funktionssignal

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Brennstoffzellensystem (10) für einen stationären Betrieb zum Erzeugen von elektrischem Strom, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (100) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) für ein Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) für ein Abführen von Anodenabgas (AAG), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) für ein Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) für ein Abführen von Kathodenabgas (KAG), dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel (100) einen trennbaren Elektroanschluss (140) aufweist in elektrisch leitender Verbindung mit einem GegenElektroanschluss (40) des Brennstoffzellensystems (10) zur Aufnahme des erzeugten elektrischen Stroms, wobei der Anodenzuführabschnitt (122) eine trennbare Anodenzuführschnittstelle (123) in fluidkommunizierender Verbindung mit einer Gegen-Anodenzuführschnittstelle (23) des Brennstoffzellensystems (10), der Anodenabführabschnitt (124) eine trennbare Anodenabführschnittstelle (125) in fluuiudkommunizierender Verbindung mit einer GegenAnodenabführschnittstelle (25) des Brennstoffzellensystems (100), der Kathodenzuführabschnitt (132) eine trennbare Kathodenzuführschnittstelle (133) in fluidkommunizierender Verbindung mit einer GegenKathodenzuführschnittstelle (33) des Brennstoffzellensystems (10) und der Kathodenabführabschnitt (134) eine trennbare Kathodenabführschnittstelle (135) in fluidkommunizierender Verbindung mit einer GegenKathodenabführschnittstelle (35) des Brennstoffzellensystems (10) aufweist, wobei weiter der Gegen-Elektroanschluss (40), die GegenAnodenzuführschnittstelle (23), die Gegen-Anodenabführschnittstelle (25), die Gegen-Kathodenzuführschnittstelle (33) und/oder die GegenKathodenabführschnittstelle (35) wenigstens eine Prüfvorrichtung (50) auf-

   weist für eine Funktionsprüfung der jeweiligen Verbindung.

   2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Prüfvorrichtung (50) als Druck-Prüfvorrichtung (52) ausgebildet ist für eine Funktionsprüfung in Form einer Druckdichtigkeitsprü-

   fung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (100).

   Kathodenabführschnittstelle (35) aufweist.

   4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druck-Prüfvorrichtung (52) eine Kompressorvor-

   richtung (55) zum Erzeugen eine Prüfdrucks (PD) aufweist.

   5. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druck-Prüfvorrichtung (52) wenigstens eine DruckSensorvorrichtung (56) aufweist für eine Erfassung des Innendrucks im Anodenabschnitt (120) und/oder im Kathodenabschnitt (130) des Brennstoffzellenstapels (100).

   6. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Prüfvorrichtung (50) als Elektro-Prüfvorrichtung (57) ausgebildet ist für eine Funktionsprüfung in Form einer Elektrofunktionsprüfung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (100).

   7. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektro-Prüfvorrichtung (57) wenigstens eine ElektroSensorvorrichtung (58) aufweist, insbesondere zur Bestimmung wenigstens

   eines der folgenden Elektroparameter: - Elektrischer Widerstand - Elektrische Impedanz

   8. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektro-Prüfvorrichtung (57) einen ElektroPrüfanschluss (59) in elektrisch leitender Verbindung mit dem Gegen-

   Elektroanschluss (40) aufweist.

   pers (60) in einer Betriebsposition (BP).

   10. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Prüfvorrichtung (50) als Montage-Prüfvorrichtung (51) ausgebildet ist für eine Funktionsprüfung in Form einer Montagesicher-

   heitsprüfung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (100).

   11. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegen-Anodenzuführschnittstelle (23), die Gegen-Anodenabführschnittstelle (25), die GegenKathodenzuführschnittstelle (33) und die Gegen-Kathodenabführschnittstelle (35) ein Sperrventil (70) aufweisen für ein fluiddichtes Absperren der jeweili-

   gen Schnittstelle.

   12. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (100)

   vorgesehen sind.

   13. Prüfverfahren für eine Funktionsprüfung eines neu eingesetzten Brennstoffzellenstapels (100) in einem Brennstoffzellensystem (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

   - Erfassen eines Austauschs wenigstens eines Brennstoffzellenstapels (100)

   - Durchführen wenigstens einer Funktionsprüfung mit der Prüfvorrichtung (50)

   14. Prüfverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Funktionsprüfung zumindest einmal wiederholt wird, insbesondere

   nach einer vorgegebenen Wartezeit.

   15. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung (50) am Ende der Funktionsprüfung ein Funktionssignal (FS) als Ergebnis der Funktionsprüfung ausgibt.