AT525484A1 - Brennstoffzellensystem für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem stationären Betrieb - Google Patents

Abstract

Brennstoffzellensystem (100) für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem stationären Betrieb, mit wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodulen (10) mit jeweils einem Leistungsmodul (20) mit zumindest zwei Brennstoffzellenstapeln (30) mit jeweils einem Anodenabschnitt (32) und einem Kathodenabschnitt (36), wobei die wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodule (10) jeweils eine Anodenzuführ- Schnittstelle (12) zur Aufteilung und Zuführung von Anodenzuführgas (AZG) zu den Anodenabschnitten (32) der Brennstoffzellenstapel (30), eine Anodenabführ-Schnitt- stelle (14) zum Zusammenführen und Abführen von Anodenabgas (AAG) von den Anodenabschnitten (32) der Brennstoffzellenstapel (30), eine Kathodenzuführ-Schnittstelle (16) zur Aufteilung und Zuführung von Kathodenzuführgas (KZG) zu den Kathodenabschnitten (36) der Brennstoffzellenstapel (30) und eine Kathodenabführ- Schnittstelle (18) zum Zusammenführen und Abführen von Kathodenabgas (KAG) von den Kathodenabschnitten (36) der Brennstoffzellenstapel (30) aufweisen, wobei weiter das Brennstoffzellensystem (100) einen System-Anodenzuführabschnitt (112) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Anodenzuführ-Schnittstellen (12), einen System-Anodenabführabschnitt (114) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Anodenabführ-Schnittstellen (14), einen System-Kathodenzuführabschnitt (116) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Kathodenzuführ-Schnittstellen (16) und einen System-Kathodenabführabschnitt (118) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Kathodenabführ-Schnittstellen (18) aufweist.

Description

Brennstoffzellensystem für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem

stationären Betrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem stationären Betrieb, ein Brennstoffzellen-Submodul für den Einsatz in einem solchen Brennstoffzellensystem sowie ein Kontrollverfahren für

die Kontrolle eines Betriebs eines solchen Brennstoffzellensystems.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem stationären Betrieb eingesetzt werden können. Dies dient beispielsweise Kleinkraftwerken zum Erzeugen von dezentralen Stromversorgungen für Häuser, Industrieanlagen oder Ähnlichem. Auch können Ladepunkte für Elektrofahrzeuge mit solchen stationären Brennstoffzellensystemen mit elektrischer Energie versorgt

werden.

Weiter ist es bekannt, dass solche stationären Brennstoffzellensysteme mit hohen elektrischen Leistungen ausgestattet werden sollen. Dies wird üblicherweise dadurch gewährleistet, dass diese Brennstoffzellensysteme aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellenstapel zusammengestellt sind. So sind einzelne Brennstoffzellenstapel mit jeweils einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen beispielsweise im Bereich einer Brennstoffzellenstapelleistung von 5 kW bekannt. Fügt man nun zum Beispiel 10 Brennstoffzellenstapel dieser Maximalleistungsklasse zusammen, so erhält man eine Gesamtleistung von ca. 50 kW für das auf diese Weise kombinierte Brennstoffzellen-

system.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass solche Brennstoffzellensysteme höchst variabel auf unterschiedliche Betriebssituationen reagieren. Insbesondere führt dies dazu, dass einzelne Brennstoffzellen und/oder einzelne Brennstoffzellenstapel innerhalb eines solchen Brennstoffzellensystems unterschiedlich schnell altern. Die Alterung bezieht sich dabei insbesondere auf reversible und/oder irreversible Schäden, wie beispielsweise die Degradation von Zellschichten (sind beispielsweise als Elektrolyt ausgebildet) innerhalb der Brennstoffzellen. Bei bekannten Brennstoffzellen führt dies dazu, dass die am meisten vorangeschrittene Schädigung einer Brennstoffzelle als schwächtes Glied in einem solchen Brennstoffzellensystem

den aktuellen Alterungszustand und die maximale Leistungsabgabe für dieses

sches.

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 die Lebensdauer, die Betriebsstunden und/oder die Wartungsfreundlichkeit eines Brennstoffzellensystems zu ver-

bessern.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellen-Submodul mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Kontrollverfahren 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 einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Submodul sowie einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungs-

aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem stationären Betrieb. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodule mit jeweils einem Leistungsmodul mit zumindest zwei Brennstoffzellenstapeln mit jeweils einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt aufweist. Die wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodule sind jeweils mit einer AnodenzuführSchnittstelle zur Aufteilung und Zuführung von Anodenzuführgas zu den Anodenabschnitten der Brennstoffzellenstapel ausgestattet. Weiter weisen die Brennstoffzellen-Submodule eine Anodenabführ-Schnittstelle zum Zusammenführen und Abführen

von Anodenabgas von den Anodenabschnitten der Brennstoffzellenstapel auf.

Verbindung mit dem Kathoden-Abführschnittstellen ausgestattet.

Das Brennstoffzellensystem umfasst also mehrere Brennstoffzellen-Submodule mit jeweils einem Leistungsmodul, wobei jedes Leistungsmodul zumindest zwei Brenn-

stoffzellenstapel aufweist.

Ein erfindungsgemäßer Kerngedanke basiert auf dem modularen Aufbau eines solchen Brennstoffzellensystems. Ähnlich den bekannten Lösungen wird zur Erzielung einer hohen Abgabeleistung von elektrischem Strom für ein solches Brennstoffzellensystem eine Kombination mehrerer Leistungsmodule mit jeweils zumindest zwei einzelnen Brennstoffzellenstapeln durchgeführt. Besonders bevorzugt umfasst jedes Leistungsmodul drei oder mehr einzelne Brennstoffzellenstapel. Die einzelnen Leistungsmodule sind jedoch erfindungsgemäß modular aufgebaut und vorzugsweise, wie dies später noch erläutert wird, alle identisch oder im Wesentlichen identisch. Jedes dieser Leistungsmodule ist als Brennstoffzellen-Submodul ausgebildet, sodass hier dieses Leistungsmodul als Brennstoffzellen-Submodul ein Einzelmodul darstellt, welches beliebig häufig in Kombination unterschiedlich große Brennstoffzellensysteme ausbilden kann. Jedes dieser Brennstoffzellen-Submodule ist mit vorzugsweise genau einem Leistungsmodul ausgestattet, welches eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellenstapeln, insbesondere zwei, drei oder mehr Brennstoffzellenstapel aufweist. Die Leitung für die fluidkommunizierende Verbindung zwischen Anodenabschnitten und Kathodenabschnitten ist ebenfalls Teil dieser Brennstoffzellen-Submodule, sodass ein Anschluss in einfacher und kostengünstiger Weise möglich wird.

Insbesondere beruht dies darauf, dass die einzelnen Brennstoffzellen-Submodule die

und/oder das Kathodenabgas kombiniert wird.

Mit anderen Worten werden nun im Wesentlichen zwei Hauptvorteile durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung erreicht. Zum einen wird es möglich, durch beliebige Kombinationen von Brennstoffzellen-Submodule eine beliebig große Abgabeleistung für ein Brennstoffzellensystem in kostengünstiger und einfacher Weise modular zusammenzustellen. Auch die Montage eines solchen Brennstoffzellensystems ist sehr einfach gewährleistet, da die Hauptverrohrung innerhalb der Brennstoffzellen-Submodule integral in das jeweilige Leistungsmodul bereits in der Vormontage bei der Produktion der Brennstoffzellen-Submodule und bei der elektrischen Kontaktierung

und/oder Serienschaltung der einzelnen Brennstoffzellenstapel erfolgt ist.

Neben dieser einfachen Zusammenstellung und im Wesentlichen beliebigen Skalierbarkeit bei dem modularen Zusammensetzen eines solchen Brennstoffzellensystems ist auch eine erhöhte Wartungsfreundlichkeit gegeben. Dadurch, dass nun ein modularer Aufbau des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist, kann auch ein Austausch einzelner dieser Brennstoffzellen-Submodule besonders einfach erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, beim Erkennen einer Degradation oder eines Defekts in einem Brennstoffzellen-Submodul oder in einem Brennstoffzellenstapel innerhalb eines Leistungsmoduls innerhalb eines Brennstoffzellen-Submoduls, dieses Brennstoffzellen-Submodul herunterzufahren, auszuschalten und vollständig auszutauschen. Insbesondere dann, wenn, wie dies später noch erläutert wird, entsprechende Ventilvorrichtungen vorgesehen sind, kann dies sogar im laufenden Betrieb geschehen. So ist es auf diese Weise möglich, Wartungsarbeiten bis hin zum vollständigen Austausch eines Brennstoffzellen-Submoduls im laufenden Betrieb, also während einer andauernden Produktion von elektrischem Strom, am Brennstoffzellensystem, durchzufüh-

ren.

auszögern.

Wie aus den voranstehenden Erläuterungen ersichtlich wird, wird durch die modulare Konstruktion und den entsprechenden zusammengesetzten Aufbau des Brennstoffzellensystems aus einzelnen Brennstoffzellen-Submodulen neben einem deutlichen Vorteil bei der Fertigung und bei der Montage auch für die Betriebsweise und für

Wartungsarbeiten ein oder mehrere entscheidende Vorteile erzielbar.

Die voranstehende Beschreibung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem für den Betrieb bei der Erzeugung von elektrischem Strom. Selbstverständlich kann der gleiche modulare Aufbau in gleicher Weise auch für ein Brennstoffzellensystem verwendet werden, welches im Elektrolysebetrieb unter dem Verbrauch von elektrischem Strom betrieben wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem Brennstoffzellensystem im Stromerzeugungsbetrieb vorzugsweise um ein SOFC-Brennstoffzellensystem und im

Wasserstofferzeugungsbetrieb vorzugsweise um ein SOEC-System.

module.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Brennstoffzellen-Submodule für jeden Brennstoffzellenstapel einen separaten Anodenzuführabschnitt in fluudkommunizierender Verbindung mit der Anodenzuführ-Schnittstelle, einen separaten Anodenabführabschnitt in fluidkommunizierender Verbindung mit der Anodenabführ-Schnittstelle, einen separaten Kathodenzuführabschnitt in fluidkommunizierender Verbindung mit der Kathodenzuführ-Schnittstelle und/oder einen separaten Kathodenabführabschnitt in fluidkommunizierender Verbindung mit der Kathodenabführ-Schnittstelle aufweist. Solche Anodenzuführabschnitte, Anodenabführabschnitte, Kathodenzuführabschnitte und/oder Kathodenabführabschnitte bilden also interne Leitungen des jeweiligen Brennstoffzellen-Submoduls aus. Sie können auch als modulinterne Verrohrung oder Leitungsanordnung verstanden werden, welche bei der Herstellung und Produktion jedes BrennstoffzellenSubmoduls bereits eingebracht wird. Eine solche Verrohrung liegt also bereits vor, wenn eine Montage bei der Kombination mehrerer Brennstoffzellen-Submodule zu einem gemeinsamen Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig wird. Die bereits erläuterten Vorteile bei der Montage werden auf diese Weise noch weiter verstärkt. Insbesondere ist auch eine einheitliche Konfiguration der Brennstoffzellen-Submodule bei der Fertigung vorgegeben, sodass hier Skaleneffekte und entsprechende Kostenreduktionen erzielbar werden. Durch die vorgegebene und bereits ausgeführte Leitungsanordnung innerhalb der BrennstoffzellenSubmodule wird darüber hinaus die Endmontage das Fehlerrisiko bei der Verrohrung

und bei der Herstellung und Ausbildung fluidkommunizierender Verbindungen

zusammengesetzten Brennstoffzellensystems zugutekommt.

Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Anodenzuführabschnitte, die Anodenabführabschnitte, die Kathodenzuführabschnitte und/oder die Kathodenabführabschnitte quantitativ kontrollierbare Ventilvorrichtungen aufweisen, für eine quantitative Variation der Fluidströmung. Dies erlaubt es, unterschiedliche Volumenströme des jeweiligen Gasmediums in dem jeweiligen Fluidabschnitt einzustellen. Wie bereits erläutert worden ist, kann es je nach Fluidsituation und Strömungsverhältnissen im jeweiligen Abschnitt zu Ungleichheiten in dem Strömungsverhältnis kommen. Dies führt beispielsweise dazu, dass einzelne Brennstoffzellenstapel mit einzelnen zugeführten Medien stärker versorgt werden als andere. Je nach Betriebsweise und Temperatur oder Drucksituation in dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel kann dies zu unterschiedlich starken Alterungseffekten führen. In jenem Fall werden unterschiedliche Betriebssituationen über einen gewissen Zeitraum jedoch zu unterschiedlichen Effekten an unterschiedlichen Brennstoffzellenstapeln führen, sodass in Summe ein chemisches und auch physikalisches Ungleichgewicht in dem jeweiligen Brennstoffzellensystem entsteht. Durch das Vorsehen von quantitativ kontrollierbaren Ventilvorrichtungen kann nun aktiv Einfluss genommen werden, um in kontrollierter Weise solche Ungleichheiten zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Beispielsweise können in den Anodenzuführabschnitten, in den Anodenabführabschnitten, in den Kathodenzuführabschnitten und/oder in den Kathodenabführabschnitten Durchflussmessgeräte vorgesehen sein, welche in der Lage sind, die aktuelle Durchflussmenge mit Sollwerten für diese Durchflussmenge zu vergleichen. Somit kann aktiv bei einer zu niedrigen Durchflussmenge die entsprechende Durchflussmenge erhöht oder umgekehrt bei einer zu großen Durchflussmenge in dem jeweiligen Abschnitt die Durchflussmenge reduziert werden. Ein Ausgleichen und damit auch ein Angleichen der gewünschten Durchflussmengen über die einzelnen Brennstoffzellenstapel und über die einzelnen

Brennstoffzellen-Submodule hinweg ist auf diese Weise möglich. Durch bei

bekannten Lösungen entstehende Ungleichgewichte in den Volumenströmen resul-

tierende unterschiedliche Schädigungseffekte werden auf dieses Weise wirkungsvoll

vermieden oder zumindest reduziert. Es ist also ein aktives Ausgleichen von Degra-

dation stärkenden Ungleichgewichten möglich.

Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Anodenzuführabschnitte, die Anodenabführabschnitte, die Kathodenzuführabschnitte und/oder die Kathodenabführabschnitte eines Leistungsmoduls eines Brennstoffzellen-Submoduls gleich lang oder im Wesentlichen gleich lang sind. Dies führt zum einem zu dem Nachteil einer verlängerten Leitungslänge innerhalb der Brennstoffzellen-Submodule auf der anderen Seite jedoch dazu, dass die fluiddynamischen Prozesse in jeder dieser Fluidleitungen identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Insbesondere führt dies dazu, dass beim Start und/oder beim Stopp des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels alle einzelnen Brennstoffzellenstapel zum gleichen oder im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt mit dem zugehörigen Medium versorgt beziehungsweise die Versorgung mit dem zugehörigen Medium gestoppt wird. Eine solche vereinheitlichte Strömung erleichtert nicht nur die Konstruktion, sondern auch die Kontrolle für ein Brennstoffzellensystem gemäß der

vorliegenden Erfindung.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der System-Anodenzuführabschnitt, der System-Anodenabführabschnitt, der System-Kathodenzuführabschnitt und/oder der System-Kathodenabführabschnitt eine System-Ventilvorrichtung aufweist, für ein Sperren und ein Freigeben der fluidkommunizierenden Verbindung. Eine solche System-Ventilvorrichtung ist also zumindest qualitativ ausgebildet zwischen einem geöffneten und einem vollständig geschlossenen Zustand. Selbstverständlich kann jedoch auch hier eine quantitative Ausgestaltung und Kontrollierbarkeit einer solchen System-Ventilvorrichtung gegeben sein, um übergeordnete Ungleichheiten zwischen den einzelnen Brennstoffzellen-Submodulen ausgleichen zu können, wie dies im voranstehenden Absatz erläutert worden ist. Das qualitative vollständige Abschalten eines einzelnen Brennstoffzellen-Submoduls vom restlichen Brennstoffzellensystem erleichtert die Wartung eines solchen Brennstoffzellensystems weiter. So kann beispielsweise ein fortdauernder Weiterbetrieb der verbleibenden restlichen Brennstoffzellen-Submodule eine

kontinuierliche Energieversorgung mit elektrischem Strom gewährleisten, auch

oder einzelner Brennstoffzellenstapel innerhalb des Leistungsmoduls möglich.

Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodule identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Darunter ist zu verstehen, dass die einzelnen Brennstoffzellen-Submodule insbesondere hinsichtlich ihres Aufbaus, aber vor allem hinsichtlich ihrer einzelnen Schnittstellen ausgebildet sind, sodass sie im Wesentlichen beliebig kombinierbar im Brennstoffzellensystem eingesetzt werden können. Vorzugsweise sind alle Brennstoffzellen-Submodule auch mit identischen oder im Wesentlichen identischen Nennleistungen ausgestattet, sodass die entsprechende Anzahl an Brennstoffzellen-Submodulen einer Vervielfältigung der Einzelleistung zum Zusammensetzen einer gewünschten Maximalleistung des gesamten Brennstoffzellensystems führt. Neben einer vereinfachten Herstellung, reduzierten Gesamtkosten für das Brennstoffzellensystem und entsprechender Vereinfachung der Montage ist auch eine vereinfachte Kontrollfunktonalität bei einer solchen Konfiguration

des Brennstoffzellensystems gegeben.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wenigstens eine gemeinsame Gasbehandlungsvorrichtung für eine Behandlung von Anodenzuführgas, Anodenabgas, Kathodenzuführgas und/oder Ka-

thodenabgas vorgesehen ist, insbesondere eine der folgenden: - Reformervorrichtung, - Rezirkulationsvorrichtung, - Katalysatorvorrichtung, - Wärmetauschervorrichtung.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende

Liste. Eine Reformervorrichtung dient dazu, das zugeführte Medium, insbesondere

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tert.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Brennstoffzellen-Submodule eine thermische Submodul-Isolierung und/oder die Brennstoffzellenstapel der Leistungsmodule eine thermische Stapelisolierung-Isolierung aufweisen. In beiden Fällen handelt es sich um thermische Isolierungen, also um das Vermeiden von Temperaturschwankungen im innenliegenden Abschnitt. So ist es möglich, dass die einzelnen Brennstoffzellen-Submodule gegeneinander eine thermisch isolierende Submodul-Isolierung aufweisen, um entsprechende Ungleichgewichte von Temperaturen vermeiden zu können. Auch ein Temperaturaustausch zwischen benachbarten Brennstoffzellenstapeln innerhalb des Leistungsmoduls kann auf diese Weise vermieden werden. Die einzelnen Isolierungen dienen also insbesondere einer passiven Ausgleichsmöglichkeit für unerwünschte Temperaturschwankungen zwischen Brennstoffzellen-Submodulen und/o-

der Brennstoffzellenstapeln.

Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Brennstoffzellen-Submodule separate Submodul-Temperiervorrichtungen aufweisen, für ein Temperieren der Brennstoffzellen-Submodule und/oder der Brennstoffzellenstapel. Dabei kann es sich zum Beispiel um Temperierkreisläufe, insbesondere Kühlkreisläufe handeln, welche in der Lage sind, aktiv Einfluss zu nehmen auf die einzelnen Temperaturen. Dies dient insbesondere dazu, zu

hohe Temperaturen in einzelnen Brennstoffzellenstapeln oder einzelnen

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Brennstoffzellen-Submodulen zu reduzieren und auf diese Weise die erläuterte An-

gleichungsfunktionalität über das gesamte Brennstoffzellensystem hinweg zu ge-

währleisten.

Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Brennstoffzellen-Submodule nebeneinander angeordnet sind und/oder die Brennstoffzellenstapel in dem Leistungsmodul horizontal und/oder vertikal gestapelt sind. Darunter kann insbesondere eine kompakte Anordnung verstanden werden, welche zusätzlich mit einer erleichterten Zugänglichkeit für die ebenfalls bereits erläuterten Wartungsarbeiten einhergeht. Beispielsweise können beliebige Formen für die Anordnung kombiniert werden. So sind Parallelanordnungen, sternförmige Anordnungen, zylindrische und/oder kreisförmige Anordnungen oder Dreieckanordnungen

sowie Kombinationen derselben im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der System-Anodenzuführabschnitt und/oder der System-Kathodenzuführabschnitt eine Sternverteilvorrichtung und/oder der System-Anodenabführabschnitt und/oder der System-Kathodenabführabschnitt eine Sternsammelvorrichtung aufweist. Bei entsprechend sternförmiger, kreisförmiger oder ähnlicher zentralisiert ausgerichteter Anordnung für die einzelnen Brennstoffzellen-Submodule kann eine Sternverteilvorrichtung eine zentrale Verteilung der entsprechenden Medien und/oder eine Sternsammelvorrichtung eine zentrale Sammelfunktionalität für die entsprechenden Medien zur Verfügung stellen. Dies erlaubt eine weitere Kompaktierung der Gesamtabmessung eines solchen Brennstoffzellensystems sowie eine erweiterte er-

leichterte Kontrollierbarkeit.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellen-Submodul für den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein solches Brennstoffzellen-Submodul weist ein Leistungsmodul mit einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellenstapel mit jeweils einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Weiter ist eine Anodenzuführ-Schnittstelle zur Aufteilung und Zuführung von Anodenzuführgas zu den Anodenabschnitten der Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Eine Anodenabführ-Schnittstelle dient dem Zusammenführen und Abführen von Anodenabgas von den Anodenabschnitten des Brennstoffzellensta-

pels. Das Brennstoffzellen-Submodul ist weiter mit einer Kathodenzuführ-

ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem bereits erläutert wurden.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle eines Betriebs eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, aufwei-

send die folgenden Schritte:

- Überwachen der Volumenströme an Anodenzuführgas, Anodenabführgas, Kathodenzuführgas und/oder Kathodenabführgas an den Brennstoffzellen-

stapeln der Leistungsmodule der Brennstoffzellen-Submodule,

- Erkennen von Ungleichheiten der überwachten Volumenströme zwischen

den Brennstoffzellenstapeln und/oder Brennstoffzellen-Submodulen,

- Verändern wenigstens eines der überwachten Volumenströme zum we-

nigstens teilweisen Ausgleichen der erkannten Ungleichheit.

Diese Betriebsweise in Form eines Kontrollverfahrens ist nur durch den modularen Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems möglich und erlaubt es, durch ansonsten entstehende unterschiedliche Degradationen und Alterungseffekte durch solche Ungleichheiten diese zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Vorteilhafterweise wird also der Betrieb der einzelnen Brennstoffzellenstapel so angeglichen, dass sie sich alle über die Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems jeweils im möglichst gleichen oder ähnlichen Betriebszustand oder Alterungszustand befinden, sodass das gesamte Brennstoffzellensystem eine identische oder im Wesentlichen identische Leistung zur Verfügung stellen kann. Besonders bevorzugt wird auf diese Weise das Ausbilden von schwachen Brennstoffzellenstapeln vermieden, welche die Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems entsprechend reduzieren wür-

den. Die Veränderung der überwachten Volumenströme kann von einem einfachen

Ein- und Ausschalten einzelner Brennstoffzellenstapel, einem quantitativen Varlieren

von Volumenströmen bis hin zum kompletten Austausch und vorherigen Abtrennen

eines Brennstoffzellen-Submoduls führen.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren zusätzlich wenigstens zwei Temperaturen von zwei Brennstoffzellen-Submodulen und/oder von zwei Brennstoffzellenstapeln eines Leistungsmoduls eines Brennstoffzellen-Submoduls erfasst werden. Neben einem Ausgleich von Ungleichgewichten der einzelnen Volumenströme können auf diese Weise auch Temperaturungleichheiten erfasst und dem Ausgleichssystem zugrunde gelegt werden. Dies kann durch passives Ausgleichen durch entsprechende Isoliermittel, aber insbesondere durch aktives Ausgleichen des Temperierens stattfinden. Auch veränderte Volumenströme, welche durch den Durchlauf der einzelnen Bauteile des Brennstoffzellensystems auch als Wärmeträgermedium verstanden werden können, können zum aktiven

Temperieren der einzelnen Bauteile verwendet werden.

Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren bei einer erkannten und nicht ausgleichbaren Ungleichheit und/oder bei erkanntem Defekt eines Brennstoffzellen-Submoduls und/oder eines Brennstoffzellenstapels in einem Leistungsmodul eines Brennstoffzellen-Submoduls ein Austausch des betreffenden Brennstoffzellen-Submoduls erfolgt. Wie bereits erläutert worden ist, können Ungleichheiten beim Betrieb des Brennstoffzellensystems zu stark unterschiedlichen Alterungseffekten und insbesondere zu einem Einbrechen der Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems führen. Somit kann bei erkanntem Defekt, welcher nicht in ausgleichendem Eingriff, gemäß der voranstehenden Absätze, behoben werden kann, ein komplettes Austauschen des betreffenden Brennstoffzellen-Submoduls erfolgen. Bevorzugt ist dies kombiniert mit einem vorherigen Abtrennen dieses auszutauschenden Brennstoffzellen-Submoduls mithilfe der System-Ven-

tilvorrichtung.

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:

14 Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Submoduls, Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellen-Submoduls,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems.

Die Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Submoduls 10. Hier ist schematisch ein Brennstoffzellen-Submodul 10 mit einem Leistungsmodul 20 dargestellt, welcher in beispielhafter Anordnung drei Brennstoffzellenstapeln 30 aufweist. Selbstverständlich ist in realen Anwendungen eine deutlich höhere Anzahl von einzelnen Brennstoffzellenstapeln 30, beispielsweise zehn Brennstoffzellenstapeln 30, zwanzig Brennstoffzellenstapeln 30 oder sogar hundert, zweihundert oder mehr Brennstoffzellenstapeln 30 in einem Leistungsmodul

20 möglich.

Jeder dieser einzelnen Brennstoffzellenstapel 30 weist einen Anodenabschnitt 32 und einen Kathodenabschnitt 36 auf, welche durch einen Elektrolyt getrennt sind und auf diese Weise die Brennstoffzellenfunktion zur Erzeugung von elektrischem Strom zur Verfügung stellen. Um eine Medienversorgung und eine Medienabfuhr sicherzustellen, muss der Anodenabschnitt 32 mit Anodenzuführgas AZG versorgt und das Anodenabgas AAG entsorgt werden. Für den jeweiligen Kathodenabschnitt 36 ist eine Versorgung mit Kathodenzuführgas KZG und eine Entsorgung von Kathodenabgas KAG notwendig. Die Figur 1 zeigt nun wie in modularer Weise bei einem Brennstoffzellen-Submodul 10 für jeden einzelne Brennstoffzellenstapel 30 separate Anodenzuführabschnitte 31, separate Anodenabführabschnitte 33, separate Kathodenzuführabschnitte 35 und separate Anodenabführabschnitte 37 vorgesehen sind. Bei einer beliebigen Vergrößerung der Anzahl der Brennstoffzellenstapel 30 führt dies ent-

sprechend zu einer deutlichen Steigerung in das Brennstoffzellen-Submodul 10

einander elektrisch seriell verbunden.

Um einen Temperaturausgleich in passiver Weise innerhalb des BrennstoffzellenSubmoduls 10 sicherstellen zu können, sind die einzelnen Brennstoffzellenstapel 30 hier mit Stapel-Isolierungen 39 für eine thermische Isolation ausgestattet. Sie erlaubt es, in passiver Weise Ungleichheiten der Temperaturverteilung innerhalb des Leis-

tungsmoduls 20 zu vermeiden.

Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung eines Brennstoffzellen-Submoduls 10 gemäß der Figur 1. Hier ist zum einen anstelle der Stapel-Isolierung 39 eine Submodul-Isolierung 19 für das gesamte Brennstoffzellen-Submodul 10 vorgesehen. Diese erlaubt es insbesondere in der Zusammenschau mit weiteren gleich ausgebildeten Brennstoffzellen-Submodulen 10 ein Ungleichgewicht von Temperaturen zwischen benach-

barten Brennstoffzellen-Submodulen 10 zu vermeiden.

Weiter ist in der Figur 2 gut zu erkennen, dass innerhalb des Brennstoffzellen-Submoduls 10 jede einzelne Leitung zu den einzelnen Anodenabschnitten 32, zu den einzelnen Kathodenabschnitten 36 und die jeweiligen Abgasabschnitte mit Ventilvor-

richtungen 34 ausgestattet sind. Diese sind insbesondere in quantitativ

geführt werden können.

Die Figur 3 zeigt nun schematisch, wie ein Brennstoffzellensystem 100 aus mehreren Brennstoffzellen-Submodulen 10 aufgebaut werden kann. So ist hier ebenfalls als Beispiel ein Aufbau aus zwei Brennstoffzellen-Submodulen 10 gezeigt. Selbstverständlich kann je nach Leistungsanforderung auch eine Kombination von drei, mehr oder im Wesentlichen beliebig vielen, also auch zehn, zwanzig oder bis zu einhun-

dert, Brennstoffzellen-Submodulen 10 ein Brennstoffzellensystem 100 ausbilden.

Insbesondere beim Berücksichtigen einer deutlich größeren Anzahl einzelner Brennstoffzellenstapel 30 in dem jeweiligen Brennstoffzellen-Submodul 10 und einer deutlich größeren Anzahl von Brennstoffzellen-Submodulen 10, wird erkennbar, wie sich die Komplexität in die einzelnen Brennstoffzellen-Submodule 10 verlagert, während die Anschlussmöglichkeiten über die Schnittstellen 12, 14, 16 und 18 aller Brenn-

stoffzellen-Submodule 10 deutlich reduziert wird.

Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist darüber hinaus noch eine Gasbehandlungsvorrichtung 130 vor und nach dem Brennstoffzellensystem 100 vorgesehen, welche es erlaubt, beispielsweise die zugeführten Gase hinsichtlich Temperierung, Mischung oder Aufbereitung so vorzubereiten, dass sie für alle Brennstoffzellen-Submodule 10 in gleicher Weise zur Verfügung gestellt werden. Dies erlaubt es, die Kontrollierbarkeit des Brennstoffzellensystems 100 und die Montage zu vereinfachen und die Mon-

tagefreundlichkeit weiter zu erhöhen.

Auch die Figur 4 basiert auf einem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der Figur 3. Hier sind nun zusätzlich noch System-Ventilvorrichtungen 120 vorgesehen, welche in der Lage sind, in dem System-Anodenzuführabschnitt 112, dem System-Anodenabführabschnitt 114, dem System-Kathodenzuführabschnitt 116 und dem System-Kathodenabführabschnitt 118 jeweils ein Brennstoffzellen-Submodul 10 vollständig von

der Medienversorgung zu trennen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn

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Wartungsarbeiten erfolgen sollen. Ein solches Trennen führt dazu, dass die verblei-

benden Brennstoffzellen-Submodule 10 weiter betrieben werden können und somit

eine kontinuierlich fortdauernde Leistung zur Verfügung gestellt werden kann. Auf

diese Weise wird es auch möglich, nach dem Abtrennen eines Brennstoffzellen-Sub-

moduls durch die beschriebenen System-Ventilvorrichtungen 120 einen kompletten

Austausch dieses Brennstoffzellen-Submoduls 10 durchzuführen.

Die Figur 5 zeigt eine Möglichkeit einer komplexeren Anordnung von je vier Brennstoffzellen-Submodulen 10 mit jeweils einem Leistungsmodul 20 von vier Brennstoffzellenstapeln 30. Während eine parallele Anordnung, eine geschichtete Anordnung oder Ähnliches möglich ist, ist hier eine kreisförmige beziehungsweise sternförmige Anordnung gewählt, sodass eine Sternverteilvorrichtung 140 und/oder eine Sternsammelvorrichtung 150 in der Lage ist, von einem zentralen Punkt hier ebenfalls wieder über System-Ventilvorrichtungen 120 eine Versorgung und/oder eine Entsorgung

aller Brennstoffzellen-Submodule 10 zur Verfügung zu stellen.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende

Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Brennstoffzellen-Submodul 12 Anodenzuführ-Schnittstelle 14 _ Anodenabführ-Schnittstelle 16 Kathodenzuführ-Schnittstelle 18 Kathodenabführ-Schnittstelle

19 Submodul-Isolierung

20 Leistungsmodul

30 Brennstoffzellenstapel

31 Anodenzuführabschnitt 32 Anodenabschnitt

33 Anodenabführabschnitt 34 Ventilvorrichtung

35 Kathodenzuführabschnitt 36 Kathodenabschnitt

37 Kathodenabführabschnitt 39 Stapel-Isolierung

100 Brennstoffzellensystem

112 System-Anodenzuführabschnitt 114 System-Anodenabführabschnitt 116 System-Kathodenzuführabschnitt 118 System-Kathodenabführabschnitt 120 System-Ventilvorrichtung

130 Gasbehandlungsvorrichtung

140 Sternverteilvorrichtung

150 Sternsammelvorrichtung

AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas

KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Brennstoffzellensystem (100) für die Erzeugung von elektrischem Strom in einem stationären Betrieb mit wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodulen (10) mit jeweils einem Leistungsmodul (20) mit zumindest zwei Brennstoffzellenstapeln (30) mit jeweils einem Anodenabschnitt (32) und einem Kathodenabschnitt (36), wobei die wenigstens zwei Brennstoffzellen-Submodule (10) jeweils eine Anodenzuführ-Schnittstelle (12) zur Aufteilung und Zuführung von Anodenzuführgas (AZG) zu den Anodenabschnitten (32) der Brennstoffzellenstapel (30), eine Anodenabführ-Schnittstelle (14) zum Zusammenführen und Abführen von Anodenabgas (AAG) von den Anodenabschnitten (32) der Brennstoffzellenstapel (30), eine Kathodenzuführ-Schnittstelle (16) zur Aufteilung und Zuführung von Kathodenzuführgas (KZG) zu den Kathodenabschnitten (36) der Brennstoffzellenstapel (30) und eine Kathodenabführ-Schnittstelle (18) zum Zusammenführen und Abführen von Kathodenabgas (KAG) von den Kathodenabschnitten (36) der Brennstoffzellenstapel (30) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass weiter das Brennstoffzellensystem (100) einen System-Anodenzuführabschnitt (112) in fluiudkommunizierender Verbindung mit den Anodenzuführ-Schnittstellen (12), einen System-Anodenabführabschnitt (114) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Anodenabführ-Schnittstellen (14), einen System-Kathodenzuführabschnitt (116) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Kathodenzuführ-Schnittstellen (16) und einen SystemKathodenabführabschnitt (118) in fluidkommunizierender Verbindung mit den Kathodenabführ-Schnittstellen (18) aufweist.

   2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Submodule (10) für jeden Brennstoffzellenstapel (30) einen separaten Anodenzuführabschnitt (31) in fluidkommunizierender Verbindung mit der Anodenzuführ-Schnittstelle (12), einen separaten Anodenabführabschnitt (33) in fluudkommunizierender Verbindung mit der Anodenabführ-Schnittstelle (14), einen separaten Kathodenzuführabschnitt (35) in fluidkommunizierender Verbindung mit der Kathodenzuführ-Schnittstelle (16) und/oder einen separaten Kathodenabführabschnitt (37) in fluidkommunizie-

   render Verbindung mit der Kathodenabführ-Schnittstelle (18) aufweist.

   tive Variation der Fluidströmung.

   4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenzuführabschnitte (31), die Anodenabführabschnitte (33), die Kathodenzuführabschnitte (35) und/oder die Kathodenabführabschnitte (37) eines Leistungsmoduls (20) eines Brennstoffzellen-

   Submoduls (10) gleich lang oder im Wesentlichen gleich lang sind.

   5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der System-Anodenzuführabschnitt (112), der System-Anodenabführabschnitt (114), der System-Kathodenzuführabschnitt (116) und/oder der System-Kathodenabführabschnitt (118) eine System-Ventilvorrichtung (120) aufweist für ein Sperren und ein Freigeben der flu-

   idkommunizierenden Verbindung.

   6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Brennstoffzellen-Sub-

   module (10) identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.

   7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine gemeinsame Gasbehandlungsvorrichtung (130) für eine Behandlung von Anodenzuführgas (AZG), Anodenabgas (AAG), Kathodenzuführgas (KZG) und/oder Kathodenabgas

   (KAG) vorgesehen ist, insbesondere eine der folgenden: - Reformervorrichtung - Rezirkulationsvorrichtung - Katalysatorvorrichtung

   - Wärmetauschervorrichtung

   der Leistungsmodul (20) eine thermische Stapel-Isolierung (39) aufweisen.

   9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Submodule (10) separate Submodul-Temperiervorrichtungen aufweisen für ein Temperieren der

   Brennstoffzellen-Submodule (10) und/oder der Brennstoffzellenstapel (30).

   10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Submodule (10) nebeneinander angeordnet sind und/oder die Brennstoffzellenstapel (30) in den Leis-

   tungsmodulen (20) horizontal und/oder vertikal gestapelt sind.

   11. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der System-Anodenzuführabschnitt (112) und/oder der System-Kathodenzuführabschnitt (116) eine Sternverteilvorrichtung (140), und/oder der System-Anodenabführabschnitt (114) und/oder der System-Kathodenabführabschnitt (118) eine Sternsammelvorrichtung (150)

   aufweist.

   12. Brennstoffzellen-Submodul (10) für den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend ein Leistungsmodul (20) mit zumindest zwei Brennstoffzellenstapeln (30) mit jeweils einem Anodenabschnitt (32) und einem Kathodenabschnitt (36), weiter aufweisend eine Anodenzuführ-Schnittstelle (12) zur Aufteilung und Zuführung von Anodenzuführgas (AZG) zu den Anodenabschnitten (32) der Brennstoffzellenstapel (30), eine Anodenabführ-Schnittstelle (14) zum Zusammenführen und Abführen von Anodenabgas (AAG) von den Anodenabschnitten (32) der Brennstoffzellenstapel (30), eine Kathodenzuführ-Schnittstelle (16) zur Aufteilung und Zuführung von Kathodenzuführgas (KZG) zu den Kathodenabschnitten (36) der Brennstoffzellenstapel (30) und eine Kathodenabführ-Schnittstelle (18) zum Zusammenführen und Abführen von Kathodenabgas (KAG) von den

   Kathodenabschnitten (36) der Brennstoffzellenstapel (30).

   folgenden Schritte:

   - Überwachen der Volumenströme an Anodenzuführgas (AZG), Anodenabführgas (AAG), Kathodenzuführgas (KZG) und/oder Kathodenabführgas (KAG) an den Brennstoffzellenstapeln (30) der Leistungsmodule (20) der Brennstoffzellen-Submodule (10),

   - Erkennen von Ungleichheiten der überwachten Volumenströme zwischen den Brennstoffzellenstapeln (30) und/oder Brennstoffzellen-Sub-

   modulen (10),

   - Verändern wenigstens eines der überwachten Volumenströme zum we-

   nigstens teilweisen Ausgleichen der erkannten Ungleichheit.

   14. Kontrollverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich wenigstens zwei Temperaturen von zwei Brennstoffzellen-Submodulen (10) und/oder von zwei Brennstoffzellenstapeln (30) eines Leistungsmoduls

   (20) eines Brennstoffzellen-Submoduls (10) erfasst werden.

   15. Kontrollverfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer erkannten und nicht ausgleichbaren Ungleichheit und/oder bei erkanntem Defekt eines Brennstoffzellen-Submoduls (10) und/oder eines Brennstoffzellenstapels (30) in einem Leistungsmodul (20) eines Brennstoffzellen-Submoduls (10) ein Austausch des betreffenden Brennstoff-

   zellen-Submoduls (10) erfolgt.