DE102008019981B4

DE102008019981B4 - Schrank mit wenigstens einem modularen, integrierten Energieversorgungssystem mit Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102008019981B4
Application number: DE102008019981.8A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Siegfried (FH) Limmer; Dipl.-Ing. Christoph (FH) Ziegler
Original assignee: Adkor GmbH
Current assignee: Adkor De GmbH
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2028-04-22
Also published as: DE102008019981A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schrank, der insbesondere mit einem Rahmen für einzelne Einschübe ausgestattet ist, sodass eine Energieversorgungseinheit, die mit einem Brennstoffzellenstapel ausgestattet ist, an dem Einschub, insbesondere in normierter Weise, montiert werden kann. Zur Förderung der Montierbarkeit hat der Schrank besondere Luftführungskanäle. Ein Luftführungskanal steht mit dem Inneren des Energieversorgungssystems in Verbindung. Zur Risikoverminderung kann die Luft als Mittel zur Konzentrationsverringerung genutzt werden. Die Luft dient als Versorgungs- und Kühlungsluft und auch als Reaktand.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schrank, der insbesondere mit einem Rahmen für einzelne Einschübe ausgestattet ist, sodass eine Energieversorgungseinheit, die mit einem Brennstoffzellenstapel ausgestattet ist, an dem Einschub, insbesondere in normierter Weise, montiert werden kann.
Stand der Technik
Die günstigste Anordnung von Energieversorgungssystemen, die mit Brennstoffzellenstapeln ausgestattet sind, wird immer wieder unter zahlreichen Aspekten erwogen. So rückt die DE 10 2004 015 112 A1 (Anmelderin: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.; Anmeldetag: 27.03.2004) die mögliche Explosionsgefährdung von Brennstoffzellenstapeln in den Vordergrund und schlägt daher vor, einen einseitig offenen Explosionsschutzraum aus gasdichten und explosionssicheren Materialien zu schaffen. Die Luftzirkulation soll in einem so gestalteten, mit Leichtbauplatten aufgebauten Aufnahmeraum von einem bodennahen Bereich zu einer möglichst hoch gelegenen Seite geführt sein, damit das austretende Gas, wie Wasserstoff, das besonders Leicht ist, durch den Luftstrom aus dem Explosionsraum herausgetrieben werden kann. Die Luft lässt sich bei anders gestalteten Brennstoffzellenstapeln, auch mit Polymerelektrolytmembran, dahingehend positiv benutzen, dass gemäß DE 199 10 695 C1 (Patentinhaberin: Siemens AG; Anmeldetag: 10.03.1999) und gemäß DE 199 64 497 A1 (Anmelderin: Siemens AG; Anmeldetag: 10.03.1999) der PEM-Brennstoffzellenstapel in dem ihn umschließenden Gehäuse durch die Luft gekühlt und gewärmt werden kann. Die dort grundsätzlich als in einem Gehäuse modular zu gestaltenden Energieversorgungssysteme auf Brennstoffzellenbasis können in Schaltschränken, wie z. B. in der DE 10 2004 007 728 A1 (Anmelderin: Rittal GmbH & Co. KG; Prioritätstag: 27.02.2003) beschrieben, eingebaut werden, damit eine Rack-Anordnung nach DE 10 2006 010 714 B4 (Patentinhaberin: Rittal GmbH & Co. KG; Anmeldetag: 08.03.2006) geschaffen werden kann. Die einzelnen Energieversorgungssysteme in dem entsprechenden Schaltschrank haben aufgrund ihres Gehäuses eine solche normierte Größe, dass sie in Standardschächte wie einen 19"-Schacht eingeschoben werden können. In der DE 10 2006 010 714 B4 wird zur Verbesserung der Kühlung vorgeschlagen, den wassergekühlten Wärmetauscher großflächig an der Außenwand des Schranks anzubringen. Insbesondere bei unterbrechungsfreien Notstromeinheiten in Schaltschränken ist die Austauschbarkeit und sichere Funktionsweise der einzelnen Energieversorgungssysteme im Verbund ein wichtiges Kriterium. Hierzu trägt die Luftversorgung bei. Wie ein Energieversorgungssystem mit Brennstoffzellenstapel zu gestalten ist, kann zum Beispiel der DE 10 2007 035 217 A1 (Anmelderin: FutureE Fuel Cell Solutions GmbH; Anmeldetag: 25.07.2007) entnommen werden. Aus Vereinfachungsgründen und zur Steigerung der Lesbarkeit wird nachfolgend graphisch und für den internen Aufbau auf diese Druckschrift verwiesen, wenn Bezug auf Komponenten, wie zum Beispiel auf den Brennstoffzellenstapel, zu nehmen ist, die sich unter dem Gehäuse des Energieversorgungssystems befinden. Die US 2003 / 0 035 985 A1 zeigt in den 2, 4 und 6 unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Durchströmung eines schrankartigen Gehäuses mit warmer Luft. 4 zeigt im Unterschied zu 2 u. a. einen zusätzlichen Wärmetauscher 306, der nach 6 auch an einem geschlossenen Kühlkreislauf angeschlossen sein kann. Die US 2003 / 0 035 985 A1 stellt offenbar, wie beispielsweise Absatz 47, Zeile 3 entnehmbar ist, auf eine Primärzelle ab. Die US 2004 / 0 180 253 A1 zeigt in den 4 und 7 Lüftungsöffnungen („vents 33“) von Energiesystemen („power systems 10“), in denen selbstbefeuchtende Brennstoffzellenmodule 200 („fuel cell modules 200“, s. Absatz 33) einzuschieben sind. Wie 4 entnehmbar ist, sind die einzelnen Energieschränke beabstandet vom Rahmen angeordnet, der Blick richtet sich von Links auf den Tragrahmen. Die US 2004 / 0 043 274 A1 offenbart einen einzelnen Brennstoffzellenstapel in den 4, 6 und 7, sowie seitliche Luftführungskanäle,wie z. B. 223 nach 6. Die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, z. B. eines nach 4, eines nach 6 und eines nach 7, unterscheiden sich u. a. in der Anzahl der Luftführungskanäle und der Lufteintrittsöffnungen, z. B. mit dem Bezugszeichen 83 nach 4. In allen Figuren der D3 wird die Luft irgendwie durch das Innere des Energieversorgungssystems geleitet. Nachteiligerweise scheint sich der genannte Stand der Technik, insbesondere die drei Letztgenannten US-Schriften, bisher nicht viele Gedanken um die Sicherheit im Betrieb und während der Standzeiten der dort beschriebenen, insbesondere der mit Gas arbeitenden Systeme gemacht zu haben.
Erfindungsbeschreibung
Es ist zu überlegen, wie in einem Schaltschrank besonders günstig Brennstoffzellenmodule als Energieversorgungssysteme angeordnet werden können, damit der Bauraum günstig genutzt wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Schrank nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Der Schrank kann auch als Schaltschrank bezeichnet werden, der dazu bestimmt ist, als Energieversorgungssystem, z. B. als Zentralbatterieanlage, verwendet zu werden. In den Schrank ist wenigstens ein modulares Energieversorgungssystem mit Brennstoffzellenstapel aus Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen zu integrieren. Zur Steigerung der Betriebssicherheit sind vorzugsweise zwei oder mehr als zwei Energieversorgungssysteme anzuordnen. Auf Basis eines Brennstoffs, wie Wasserstoff, der gasförmig in die Brennstoffzelle eingebracht wird, wird elektrische Energie aus den Edukten gewonnen. Alternativ kann auch ein anderes wasserstoffhaltiges Gas wie eine Kohlenwasserstoffverbindung eingesetzt werden. Die Reaktion zur Umwandlung in elektrische Energie erfolgt unter Zuhilfenahme von Luft. Das oder die Energieversorgungssysteme sind beabstandet von wenigstens einer Seitenwand des Schranks in dem Schrank montiert. Der Abstand ist bewusst vorgesehen, damit der Abstand hinter oder neben den Energieversorgungssystemen vorteilhaft genutzt werden kann. Der Abstand kann als Luftführungskanal genutzt werden. Hierzu kann der Abstand entweder direkt als Luftführungskanal verwendet werden oder der Freiraum dient zur Aufnahme eines, insbesondere modular gestalteten, Luftführungskanals aus Luftschachtbauteilen. Der Luftführungskanal steht in Verbindung mit dem Inneren des Energieversorgungssystems, insbesondere dem Brennstoffzellenstapel des Energieversorgungssystems.
Der Schrank, aus dem elektrische Energie bezogen werden kann, ist ein Schrank, in dem Energieversorgungssysteme mit Brennstoffzellenstapeln angeordnet werden können. Die Brennstoffzellenstapel sind vorzugsweise luftgekühlte und mit Wasserstoff betriebene Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellenstapel. Jede Energieversorgungseinheit bzw. jedes Energieversorgungssystem kann mehrere solcher Stapel umfassen. Die Energieversorgungssysteme können zusätzlich Sekundärakkumulatoren umfassen. Die Zuluft wird geschickterweise nicht nur als Luft für den Brennstoffzellenstapel betrachtet, sondern sie dient weiterhin dazu, das aus der Verwendung von Wasserstoff herrührende Risiko zu verringern. Dazu weist der Schrank Überwachungseinrichtungen, wie z. B. Wasserstoffsensoren, auf. Sollte eine Überschreitung eines Grenzwertes durch die Wasserstoffsensoren detektiert werden, so kann durch den Luftführungskanal so viel Luft als Zuluft hindurchgeführt werden, dass eine Konzentrationsverringerung des Wasserstoffes durchgeführt wird. Ist z. B. eine Wasserstoffzuleitung undicht, so Lässt sich unproblematisch der Schrank als Energiequelle weiterhin betreiben, solange die Wasserstoffkonzentration verringert werden kann.
Die Zuluft kann in unterschiedlicher Weise verwendet werden. Zum einen kann die Zuluft als Kühlluft für den Brennstoffzellenstapel verwendet werden. Zum anderen kann die Zuluft als Reaktandenluft, als Reaktionspartner eingesetzt werden. Wird ausreichend Zuluft zur Verfügung gestellt, so können beide Funktionen gleichzeitig in der Brennstoffzelle durch den gleichen Luftstrom wahrgenommen werden. Die erhöhte Zuluftzuführung verringert gleichzeitig das Wasserstoffkonzentrationsrisiko.
Nachfolgend werden weitere, vorteilhafte Weiterbildungen vorgestellt.
Der Schrank ist mit Einschüben ausgestattet.
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle wird weiter gesteigert, wenn die Zuluft erwärmt in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet werden kann. Insbesondere in Startphasen und bei Betriebsorten, in denen der Schrank eine gekühlte Umgebung vorfindet, hilft vorgewärmte Zuluft für eine sichere Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels. Somit kann die thermische Energie aus der Abluft wenigstens teilweise zur Vorerwärmung der Zuluft verwendet werden.
Zur besseren Nutzung der Abwärme und zum Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebsweisen können Klappen in dem Schrank vorgesehen sein. Im einfachsten Fall ist eine Klappe vorgehalten. Diese Klappe kann einen Rezirkulationspfad freischalten oder versperren. Durch eine solche Klappe kann eine geschlossene Zirkulation hergestellt werden. Wird die Klappe in eine andere Position gelegt, ergibt sich eine zur Umgebung geöffnete Strömungsrichtung. Die Klappe kann auch so angeordnet werden, dass Mischbetriebsweisen ermöglicht werden. Ein Teil der Abluft kann den Schrank permanent verlassen, während die ausströmende Abluft durch Frischluft oder Zuluft ersetzt wird. Im geöffneten Zustand, das bedeutet, wenn die Abluft nahezu vollständig den Schrank verlassen soll, kann die Abluft vor ihrem Austritt über einen Wärmetauscher geführt werden. Vorteilhaft ist die Verwendung eines Luft-Luft-Wärmetauschers. Ein Luft-Luft-Wärmetauscher in Gegenstrombetriebsweise sorgt für eine effiziente Rückgewinnung der thermischen Energie. In dem oder den Luftführungskanälen kann die Gaszuleitung geführt sein. Im Falle einer Wasserstoffleitung als Gaszuleitung ist es besonders vorteilhaft, wenn möglichst Lange Strecken der Wasserstoffzuleitung in dem Luftführungskanal entlang geführt sind.
Die Luft des oder der Luftführungskanäle kann wenigstens teilweise in das Energieversorgungssystem hineinströmen. Hierzu weist das Energieversorgungssystem wenigstens eine Öffnung auf. Die Öffnung kann eine Luftdurchtrittsöffnung sein. Vorteilhaft ist es, wenn die im Schrank existierende Zirkulation durch die Einleitung und Ausleitung in das Energieversorgungssystem nicht gestört wird. In diesem Sinne sind mehrere unterschiedliche Öffnungen vorgesehen - zumindest eine Öffnung für einen Lufteintritt und eine Öffnung für einen Luftaustritt aus dem Energieversorgungssystem. So kann die Zuluft durch den Luftführungskanal für die Zuluft durch den Schrank hindurch bis in die Energieversorgungssysteme geführt werden; die Abluft gelangt aus den Energieversorgungssystemen über einen oder mehrere Luftführungskanäle für die Abluft durch den Schrank vorteilhafterweise an einer anderen Stelle als die Zuleitungsstelle in die Umgebung. Abgereicherte Luft, in der der Anteil an Sauerstoff verringert ist, gelangt so nicht unmittelbar vor die Zuluftöffnung. Eine Stickstoffanreicherung in der Brennstoffzelle wird erfolgreich möglichst gering gehalten.
Der Luftführungskanal kann insgesamt abgedichtet sein. Insbesondere kritisch ist der Übergang des Luftführungskanals zu den einzelnen Gehäusen der Energieversorgungssysteme. Weil es unterschiedliche Arten von Energieversorgungssystemen innerhalb des gleichen Schrankes geben kann, z. B. Energieversorgungssysteme mit Brennstoffzellen und Energieversorgungssysteme rein auf Batteriebasis, ist das Dichtungssystem so zu wählen, dass die unterschiedlichen Energieversorgungssystemmodule keinen gegenseitig störenden Einfluss ausüben.
Zur Ermöglichung von unterschiedlichen Betriebsweisen und der Sicherstellung der Funktionalität der gesamten Energieversorgungseinheit, insbesondere wenn mehrere Energieversorgungssystemmodule in den Schrank integriert werden, ist es vorteilhaft, wenn jedes einzelne Energieversorgungssystemmodul über Klappen von der Luftführung abgetrennt werden kann. Fällt ein Modul aus, so kann dies von der Luftdurchströmung abgetrennt werden, und es wird kein Luftkurzschluss zwischen Abluft und Zuluft generiert. Dadurch kann eine Anreicherung an Stickstoff insbesondere in der Reaktandenluft vermieden werden.
Der Schrank ist vorteilhafterweise mit zwei Luftführungskanälen ausgestattet. Ein Luftführungskanal ist der Zuführluftführungskanal. Der andere Luftführungskanal ist der Abführluftführungskanal. Die ebenfalls entlang eines Luftführungskanals zu führende Wasserstoffleitung und Komponenten wie Wasserstoffventile und Druckminderer Lassen sich in den Abführluftführungskanal integrieren. Die abströmende Luft reißt somit im Falle einer Undichtigkeit oder eines unerwünschten Wasserstoffaustritts, z. B. beim Wechseln eines Energieversorgungssystems, die Wasserstoffmoleküle mit und verringert dadurch die lokale Wasserstoffkonzentration.
Zur weiteren Steigerung der Belüftungswirkung der Luftförderungskanäle, wie z. B. des Abführluftführungskanals und des Zuführluftführungskanals, können Gebläse, Lüfter oder sonstige Luft fördernde Mittel vorgesehen sein. Ein solches Luft förderndes Mittel ist in Form eines Gebläses z. B. in jedem einzelnen mit Brennstoffzellen ausgestatteten Energieversorgungssystem vorzusehen. Bei dieser Gestaltung ist es möglich, in identischen Einschubschächten unterschiedlich große und unterschiedliche Leistungen zur Verfügung stellende Energieversorgungssysteme mit ein und demselben Luftführungskanal in einem Schrank zu realisieren.
Die einzelnen Luftführungskanalstücke können als Module gestaltet sein. Die Luftführungskanäle können zusammensteckbar sein. Je nach Größe des Rahmens des Schranks können unterschiedlich viele Energieversorgungssysteme in einem Schrank angebracht werden. Ist der Luftführungskanal durch mit Flansche abgeschlossenen einzelnen Modulen zusammensteckbar, kann bis zu den Energieversorgungssystemen, die mit Luft versorgt werden müssen, der Luftführungskanal herangebracht werden. Als besonders geeignete Materialien für die einzelnen Luftführungskanäle haben sich Blech und expandierter Kunststoff, Letzter mit geschlossener Oberfläche, erwiesen.
Die Luft kann in den Schrank von einer anderen Seite eingeleitet werden als die Luft, die insbesondere abgereichert ist, aus dem Schrank ausgeleitet wird. Weil die ausgeleitete Luft in der Regel eine höhere Temperatur hat als die zugeleitete Luft, kann die ausgeleitete Luft z. B. in der Nähe einer Klimaanlage oder einer Heizungsanlage aus dem Schrank ausgeleitet werden. Die unterschiedlichen Ausleitungen können über Klappen innerhalb des Schranks bestimmt werden.
Figurenliste
Die Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, wobei

1 einen erfindungsgemäßen Schrank mit vier Energieversorgungssystemen unterschiedlicher Art zeigt,
2 einen Schnitt durch einen Schrank nach 1 zeigt,
3 ein Energieversorgungssystem aus einer Sicht von schräg vorne zeigt,
4 ein Energieversorgungssystem aus einer Sicht von schräg unten aus rückwärtiger Perspektive zeigt, und
5 ein Energieversorgungssystem montiert an einem Montagerahmen zusammen mit einer abgekoppelten Wasserstoffzuleitung zeigt.

Figurenbeschreibung
Ähnliche Gegenstände sind in den nachfolgenden Figurenbeschreibungen mit den gleichen Bezugszeichen zur Förderung des Verständnisses beschrieben worden, obwohl zwischen den einzelnen Ausführungsformen geringfügige Abweichungen gegeben sein können.
1 zeigt einen Schrank 1, der als Stromschrank im Sinne einer Energiequelle für elektrischen Strom und Wärme genutzt werden kann. Der Schrank 1 hat einen Schrankrahmen 5, an dem einzelne Seitenwände 7 angeordnet sind, z. B. eingehangen werden können, damit das Schrankgehäuse 9 zusammen mit einer oder mehreren Türen 11 eine abgeschlossene Einheit für Energieversorgungssysteme 3, 4 bieten kann. Der Schrank 1 ist, insbesondere durch Blenden 13, 15 und Seitenwände 7, so gestaltet, dass wesentliche Versorgungsabschnitte und Versorgungseinrichtungen für die Energieversorgungssysteme 3, 4, wie Gaszuleitung 29 (unter der Abdeckung), Kabelkanalschacht 31 und Luftführungskanäle 33, 35, berührungssicher unterhalb der Wände 7 des Schranks 1 geführt sind. Der Schrank 1 kann mit seinem bodennahen Bereich 19 auf dem Boden stehen. In dem vom Boden abgewandten Bereich, also dem bodenfernen Bereich 21, lassen sich Öffnungen für den Kabelkanalschacht 31 und für die Luftführungskanäle 33, 35 anordnen. Der Bodensockel 17, der im bodennahen Bereich 19 das abschließende Bauteil darstellt, kann ebenfalls mit Lüftungsschlitzen ausgestattet sein, damit Versorgungs- und Kühlungsluft vom Boden angesogen an die Energieversorgungssysteme 3, 4 weitergeleitet werden können. Die Energieversorgungssysteme 3, 4 sind vorzugsweise mittig im Schrank 1 angeordnet. Die Luftführungskanäle 33, 35 und ein sie verbindendes Luftführungsmodul 55 sind außerhalb der Energieversorgungssysteme 3, 4 unterhalb der Wände 7 des Schrankgehäuses 9 platziert. Von den Luftführungskanälen 33, 35 können einzelne Energieversorgungsmodulanschlüsse 75 abgeleitet werden. Die Luftführungskanäle 33, 35 sind wenigstens abschnittsweise unter den Blenden 13, 15 geführt. Die Energieversorgungssysteme 3, 4 Lassen sich in Einschubschächten 25 auf Einschubschienen 27 in ihre Montageposition so bringen, dass am Montagerahmen 23 die Energieversorgungssysteme 3, 4 fixiert, z. B. angeschraubt, sein können. Durch die Anordnung diverser Verbindungsöffnungen, wie für einen Kabelkanalschacht 31 und für Luftführungskanäle 33, 35 im bodenfernen Bereich 21 des Schrankgehäuses 9, lassen sich Leitungen über die Decke einführen bzw. die Luftversorgung an eine deckennahe Klimatisierung anschließen. Durch die Lüftungsschlitze im BodensockeL 17 bzw. weitere Lüftungsschlitze im bodennahen Bereich 19 kann eine Komplettdurchströmung vom Boden zur wärmeren Decke durch den Schrank 1 mit Umgebungsluft als Reaktand sichergestellt werden. Ein LuftführungsmoduL 55, das sowohl automatisiert als auch mittels Handsteuerung einstellbar und veränderbar ist, z. B. über Klappen, kann eine nach außen versperrte, innen abgeschlossene Innenzirkulation im Schrank 1 für besondere Betriebszustände gewähren. Durch eine entsprechende Klappenstellung, die zum Beispiel eine zentrale Steuereinheit durchführt, in dem ebenfalls als einzuführendes oder einzuschiebendes Modul gestalteten Luftführungsmodul 55 kann entweder Luft über die Luftführungskanäle 33, 35 zu- und abgeleitet werden, genauso wie Luft mehrmals rezirkulierend durch ausgewählte Teile des Schrankgehäuses 9 und damit die Energieversorgungssysteme 3, 4 geführt werden kann. Das Luftführungsmodul 55 wird vorzugsweise im bodenfernen Bereich 21, oberhalb der Energieversorgungssysteme 3, 4 im Montagerahmen 23 in einem eigenen Einschubschacht 25 fixiert angeordnet. Das LuftführungsmoduL 55 steht je nach Klappenstellung mit den Lüftungsaussparrungen 61 in Verbindung, wobei die Verbindungswege durch ein Verstellen der Klappen veränderbar sind.
2 zeigt eine Schnittansicht des Schranks 1 nach 1, bei dem die Blenden 13, 15 entfernt sind. Um die mittig angeordneten Einschubschächte 25 herum sind die Luftführungskanäle 33, 35. Die Luftführungskanäle 33, 35 können auch gleichzeitig als Kabelkanalschacht oder Schacht für die Gaszuleitung 29 (nach 1 und 5) verwendet werden. Die Luftführungskanäle 33, 35 sind modular aufgebaut. So haben die einzelnen Stücke der Luftführungskanäle 33, 35 Lüftungskanalverbindungsflansche 37, sodass die einzelnen Elemente der Luftführungskanäle 33, 35 zusammengesteckt werden können. Der Schrankrahmen 5 ist als Halterahmen für die zusammengesteckten Luftführungskanäle 33, 35 konzipiert. Im bodenfernen Bereich 21 ist das LuftführungsmoduL 55 als Letztes Modul unterhalb des Deckels des Schranks 1 so angeordnet, dass die beiden Luftführungskanäle 33, 35 je nach Klappenstellung der Luftführungsklappe 53 miteinander in Verbindung stehen können. An den Rändern der Luftführungskanäle 33, 35 sind Gehäusedichtungen 49, 51 vorgesehen, die das abgedichtete Zuleiten bzw. Ableiten aus den Energieversorgungssystemen 3, 4 sicherstellen können. Ein Wärmetauscher 57 kann ebenfalls Teil des Luftführungssystems sein. Der Wärmetauscher 57 ist abgewandt vom LuftführungsmoduL 55 oberhalb des Bodensockels 17 angeordnet, weil er eines der schwersten Teile ist. Der Wärmetauscher 57 ist im bodennahen Bereich 19 somit installiert. Die Seitenwände 7 decken die Luftführungskanäle 33, 35 ab. Um Material zu sparen, können die Seitenwände 7 gleichzeitig Teile der Luftführungskanäle 33, 35 sein. Die Luftführungskanäle 33, 35 können aber auch vollständig eigenständig ausgebildet sein. Die Luftführungskanäle 33, 35 können gleichzeitig zur Aufnahme einer Gasleitung bestimmt sein. In 2 ist der jeweilige, senkrechte Abschnitt des Luftführungskanals 33, 35 gleichzeitig als Kabelkanalschacht 31 genutzt. Die Luftführungskanäle 33, 35 sind abschnittsweise an dem Schrankrahmen 5 ausgerichtet und befestigt. Der Schrankrahmen 5 hält die Module sowie die einzelnen Abschnitte der Luftführungskanäle 33, 35.
3 zeigt ein Energieversorgungssystem 3 von außen (der innere Aufbau ist von der Anmelderin zuvor beschrieben), wobei die Vorderseite 41 dem Betrachter entgegenschaut. Auf der Vorderseite 41, genauer der Frontplatte 73, sind Tragegriffe 65, 67 so platziert, dass an diesen das Energieversorgungssystem 3 in den Einschubschacht 25 (siehe 1) einschiebbar und aus ihm herausnehmbar ist. Eine Durchleitungsöffnung 47 ist als Energieversorgungsmodulanschluss 75 in eine Seite des Energieversorgungssystemgehäuses 59 eingearbeitet. Das Auslösemittel 63, das ebenfalls von der Frontseite zugänglich ist, trägt zur sicheren Montage und Demontage des Energieversorgungssystems 3 in dem Schrank 1 bei.
Eine weitere Ausgestaltung eines Energieversorgungssystemgehäuses 59 ist in 4 von der Rückseite 39 her zu sehen. Als Teil der Gaszuleitung 29 kann eine Gasschnellkupplung 69 z. B. in der Rückseite des Energieversorgungssystemgehäuses 59 eingebracht sein. An einer anderen Seite des Energieversorgungssystemgehäuses 59 sind Öffnungen als Abluftöffnungen 43 und Zuluftöffnungen 45 eingearbeitet. Die Frontplatte 73 des Energieversorgungssystems hat Befestigungslöcher 71, sodass das Energieversorgungssystem an dem Montagerahmen 23 (siehe 1) so angeschlossen werden kann, dass die Luftöffnungen 43, 45 an den jeweiligen Luftführungskanälen 33, 35 angeschlossen sind.
5 zeigt ein Energieversorgungssystem 3 in einer Seitenansicht. Die Gaszuleitung 29 ist über eine Gasschnellkupplung 69 (dargestellt ist sie im gelösten Zustand) in das Energieversorgungssystem 3 hineingeführt. Die Gaszuleitung 29, die vorzugsweise eine Wasserstoffzuleitung ist, verläuft an der Rückseite 39 des eingeschobenen und am Montagerahmen 23 befestigten Energieversorgungssystems 3. Das Auslösemittel 63 hat eine bevorzugte Bewegungsrichtung 77, bei deren Zurücklegung das Energieversorgungssystem 3 von der Gaszuleitung 29, die in einem Luftführungskanal geführt ist, abgekoppelt werden kann. Unterstützend kann hierzu an den Griffen 67 gezogen werden. Auf der Vorderseite 41 des Energieversorgungssystems 3 ist somit das Auslösemittel 63 genauso wie einer oder mehrere Tragegriffe 67 angeordnet. Die Wasserstoffzuleitung 29 wird auf der Rückseite 39 eingeleitet, während die Bedienung, z. B. durch das Auslösemittel 63, von der Vorderseite 41 des Energieversorgungssystems 3 aus möglich ist.
Die in den 1 bis 5 dargestellten Stromschränke 1 mit diversen Energieversorgungssystemen 3, 4 weisen Luftführungskanäle 33, 35 unterhalb der Seitenwände 7 auf, damit die Energieversorgungssysteme 3, 4 auf der einen Seite gekühlt werden können und auf der anderen Seite die Brennstoffzellenstapel Luft für das Kühlen und als Reaktand zugeführt erhalten können. Die Luftführungskanäle 33, 35 können z. B. im Luftführungsmodul 55 mit Luftbeschleunigungsmitteln, wie Gebläsen, aufgebaut sein. Durch die Verwendung von Blenden 13, 15 können abgeschlossene Schränke, sodass die Luftführungskanäle 33, 35 nicht gestört werden können, aufgebaut werden. Der Schrank 1 weist nach außen hin nur wenige Schnittstellen auf, wie z. B. die Gaszuleitung 29, einen Kabelkanalschacht 31 und einen oder mehrere Luftführungskanäle 33, 35. Durch die Doppel- bzw. Mehrfachnutzung des Luftführungskanals 33 bzw. 35 z. B. mit der Gaszuleitung 29 kann das Risiko einer Knallgasbildung verringert werden. Durch die mehrfache Umleitung der Luft in den Luftführungskanälen und ggf. in dem Luftführungsmodul 55 kann die Luft zunächst in Startphasen die notwendige Betriebstemperatur, z. B. unter Einsatz eines Wärmetauschers 57, erfahren, während bei erhöhten Temperaturen durch die Nutzung von zusätzlichen Lüftungsschlitzen, z. B. im Bodensockel 17, eine verbesserte Kühlung nicht nur der Brennstoffzellenstapel, sondern auch der ganzen Energieversorgungssysteme 3, 4 sichergestellt werden kann. Hierzu können die Luftführungsklappen 53 zentral gesteuert werden. Ein erfindungsgemäßer Stromschrank kann mit unterschiedlichen Klappenstellungen für die Kaltstartphase, die Volllastphase und die Dauerlastphase benutzt werden. In der Kaltstartphase stehen die Klappen 53 so, dass ausreichend Sauerstoff den Brennstoffzellen zugeleitet werden kann. In der Volllastphase stehen die Klappen 53 so, dass die Brennstoffzellen und die elektrischen Bauteile ausreichend gekühlt werden. Zur Verringerung der Druckverluste in dem Schrank 1 sind Dichtungen 49, 51 an geeigneten Übergängen zwischen den Energieversorgungssystemen 3, 4 und den Luftführungskanälen 33, 35, insbesondere auf der Seite der Luftführungskanäle 33, 35, vorgesehen. Die Dichtungen verlaufen quer zur Schubrichtung, die nach Betätigung des Auslösemittels 63 entlang der Einschubschienen 27 durch die Energieversorgungssysteme 3, 4 bei einem Bewegen im Einschubschacht 25 zurückgelegt werden kann.
Durch die geschickte Luftführung im Schrank 1 kann ein Stromschrank mit mehreren Energieversorgungssystemen 3, 4 für den Dauerbetrieb bei gleichzeitiger Austauschbarkeit einzelner Energieversorgungssysteme 3, 4 aufgebaut werden. Durch zusätzliche Sicherungsmaßnahmen, wie Blenden 13, 15 und Türen 11 bzw. Seitenwänden 7 kann sichergestellt werden, dass bei der Luftversorgung der Energieversorgungssysteme 3, 4 keine willkürliche Behinderung auftreten kann.
Bezugszeichenliste
Bezugszeichen Bedeutung

1: Schrank, insbesondere Stromschrank
3: Energieversorgungssystem, insbesondere mit Brennstoffzellenstapel
4: Energieversorgungssystem, insbesondere ausschließlich mit Sekundärzellen
5: Schrankrahmen
7: Seitenwand des Schranks
9: Schrankgehäuse
11: Tür
13: erste Blende
15: zweite Blende
17: Bodensockel, insbesondere mit Lüftungsschlitzen
19: bodennaher Bereich
21: bodenferner Bereich
23: Montagerahmen
25: Einschubschacht
27: Einschubschiene
29: Gaszuleitung, insbesondere Wasserstoffzuleitung
31: Kabelkanalschacht
33: erster Luftführungskanal, insbesondere Zuführluftkanal
35: zweiter Luftführungskanal, insbesondere Abführluftkanal
37: Lüftungskanalverbindungsflansch
39: Rückseite des Energieversorgungssystems
41: Vorderseite des Energieversorgungssystems
43: Abluftöffnung
45: Zuluftöffnung
47: Durchleitungsöffnung, insbesondere im Energieversorgungssystem
49: erste Gehäusedichtung
51: zweite Gehäusedichtung
53: Luftführungsklappe
55: Luftführungsmodul
57: Wärmetauscher
59: Energieversorgungssystemgehäuse
61: Lüftungsaussparung
63: Auslösemittel
65: erster Tragegriff
67: zweiter Tragegriff
69: Gasschnellkupplung, insbesondere eine Hälfte einer Schnellkupplung
71: Befestigungsloch
73: Frontplatte des Energieversorgungssystems
75: Energieversorgungsmodulanschluss
77: Bewegungsrichtung

Claims

Schrank (1), in den wenigstens ein modulares Energieversorgungssystem (3, 4) mit Brennstoffzellenstapel integriert ist, das auf Basis eines Gases eine elektrische Energieumsetzung unter Zuhilfenahme von Luft durchführt, wobei das Energieversorgungssystem (3, 4), beabstandet von wenigstens einer Seitenwand (7) des Schranks (1), in dem Schrank (1) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand als Luftführungskanal (33, 35) so genutzt wird, dass der Luftführungskanal (33, 35) in Verbindung mit einem Inneren des Energieversorgungssystems (4) inklusive dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel des Energieversorgungssystems (4) steht und dabei die Luft als Risikoverminderungsmittel durch Konzentrationsverringerung gegen unkontrollierte Wasserstoffkonzentration im Schrank (1) genutzt wird, und dass der Brennstoffzellenstapel ein wasserstoffbetriebener, mehrere Zellen umfassender Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellenstapel ist, in den Luft als Versorgungs- und Kühlungsluft für das Kühlen und als Reaktand dem Brennstoffzellenstapel dadurch zugeführt wird, dass die Luft angesogen in das Energieversorgungssystem (3, 4) weitergeleitet wird.
Schrank (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft vom Boden angesogen als Zuluft in das Energieversorgungssystem (3, 4) weitergeleitet wird.
Schrank (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zuluft aus Kühlluft und Reaktandenluft zusammensetzt, wobei die Kühlluft als Teil der im Luftführungskanal geführten Reaktandenluft dem Brennstoffzellenstapel zugeleitet wird, wobei die Reaktandenluft wahlweise durch Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel vorwärmbar ist.
Schrank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrank (1) eine über Klappen (53) einstellbare geschlossene Zirkulation aufweist, die alternativ zur Umgebung geöffnet werden kann, wobei in einem geöffneten Zustand die Luftführung über einen Wärmetauscher (57) geführt ist.
Schrank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftführungskanal (33, 35) von einer Wasserstoffzuleitung (29) durchsetzt ist, wobei aus dem Luftführungskanal (33, 35) an wenigstens einer Stelle die Wasserstoffzuleitung (29) herausgeführt ist.
Schrank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (3, 4) mit wenigstens einer Öffnung für einen Luftdurchtritt ausgestattet ist, an die der Luftführungskanal (33, 35) geführt ist, so dass Luft über den Luftführungskanal (33, 35) weitergeleitet wird.
Schrank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftführungskanal (33, 35) abgedichtet bis zu einem Gehäuse eines Energieversorgungssystems (59) reicht, wobei eine Kommunikationsbreite des Luftführungskanals (33, 35) über wenigstens eine Klappe (53) einstellbar ist.
Schrank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrank (1) mit zwei Luftführungskanälen (33, 35) ausgestattet ist, einem Zuführluftführungskanal (33) und einem Abführluftführungskanal (35), wobei eine Wasserstoffleitung (29) in dem Abführluftführungskanal (35) integriert ist.
Schrank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrank (1) zur Aufnahme von wenigstens zwei horizontal nebeneinander zu platzierenden Energieversorgungssystemen (3, 4) gestaltet ist.
Schrank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Luftfördernde Mittel die Luft in dem Luftführungskanal (33, 35) bewegen, wobei die Luftfördernden Mittel in dem Energieversorgungssystem (3, 4) angebracht sind.
Schrank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftführungskanal (33, 35) zusammensteckbar durch Schachtstücke aufgebaut ist.
Schrank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft in den Schrank (1) von einer anderen Seite eingeleitet wird, wobei eine Luftströmung von einem bodennahen Bereich (19) zu einem Deckel des Schrankes (1) bei geöffneten Klappen (53) gelangt.
Schrank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei horizontal nebeneinander zu platzierenden Energieversorgungssystemen (3, 4) wenigstens ein Luftführungskanal (33, 35) entlang geführt ist.