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DE10346852A1 - Fuel cell in underground mining - Google Patents

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DE10346852A1
DE10346852A1 DE10346852A DE10346852A DE10346852A1 DE 10346852 A1 DE10346852 A1 DE 10346852A1 DE 10346852 A DE10346852 A DE 10346852A DE 10346852 A DE10346852 A DE 10346852A DE 10346852 A1 DE10346852 A1 DE 10346852A1
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DE
Germany
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fuel cell
use according
cell module
storage unit
containment
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10346852A
Other languages
German (de)
Inventor
Harald Piwellek
Willi Lange
Karsten Jaeger
Hans-Dieter Godolt
Klemens Höbing
Fred Holl
Frank Dr. Lypsch
Michael Visse
Franz Frenger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RAG AG
Steag Energy Services GmbH
Original Assignee
Steag Encotec GmbH
RAG AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Steag Encotec GmbH, RAG AG filed Critical Steag Encotec GmbH
Priority to DE10346852A priority Critical patent/DE10346852A1/en
Priority to PCT/EP2004/010790 priority patent/WO2005036688A2/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Bereitstellung von elektrischer Energie bzw. mechanischer Energie im untertägigen Bergbau. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe, sowohl für stationäre als auch mobile Anwendungen im untertägigen Bergbau eine kostengünstige Energiequelle bereitzustellen, wird dadurch gelöst, dass ein Brennstoffzellensystem als Energie- bzw. Stromquelle für elektrische Antriebe im untertägigen Bergbau verwendet wird. Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem (1) modular aufgebaut und umfasst ein Brennstoffzellenmodul (2) und eine Speichereinheit (3) für Brennstoff.The The invention relates to the provision of electrical energy or mechanical energy in the underground Mining. The task underlying the invention, both for stationary and mobile applications in the underground Mining a cost effective To provide energy source is achieved by a fuel cell system as an energy or power source for electric drives in the underground Mining is used. Preferably, the fuel cell system (1) modular and comprises a fuel cell module (2) and a memory unit (3) for Fuel.

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Description

Die Erfindung betrifft die Bereitstellung von elektrischer Energie im untertägigen Bergbau. Beispielsweise für mobile Anwendungen werden im untertägigen Bergbau Batterien verwendet, um elektrische Antriebe mit Strom zu versorgen. Beispielsweise führen elektrisch betriebene Einschienenhängebahnen Batterien mit sich, die gegebenenfalls nach vier Stunden gewechselt werden müssen. Durch das Anfahren der Wechselstation und das Wechseln der Batterie entstehen erhebliche Nutzungszeitverluste.The The invention relates to the provision of electrical energy in underground Mining. For example mobile applications are used in underground mining batteries, to power electrical drives. For example, lead electrically powered monorails Batteries with you, if necessary, changed after four hours Need to become. By starting the changing station and changing the battery Significant loss of useful life.

Des weiteren werden für stationäre und mobile Anwendungen im untertägigen Bergbau auch Dieselmotoren eingesetzt. Dabei erzeugt ein Dieselmotor mechanische Rotationsenergie, die bei Bedarf mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Zwar ist die Reichweite von dieselbetriebenen Fahrzeugen wesentlich größer als die Reichweite batteriebetriebener Fahrzeuge, doch ergeben sich durch die Abgasemission beim Einsatz von Dieselmotoren durch die begrenzten Frischwettermengen zunehmend Probleme.Of more will be for stationary and mobile applications in the underground Mining also used diesel engines. This produces a diesel engine mechanical rotational energy, if necessary by means of a generator can be converted into electrical energy. Although the range is of diesel-powered vehicles much larger than the range of battery-powered Vehicles, but result from the exhaust emission when using Diesel engines by the limited Frischwettermengen increasingly Problems.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, sowohl für stationäre als auch mobile Anwendungen im untertägigen Bergbau eine Energiequelle bereitzustellen, deren Nutzung den besonderen Anforderungen im untertägigen Bergbau bei möglichst geringen Energiebereitstellungskosten gerecht wird.Of the Invention is therefore based on the object, both for stationary and mobile applications in the underground Mining to provide an energy source whose use is the special Requirements in the underground Mining if possible low energy supply costs.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Brennstoffzellensystem als Energie- bzw. Stromquelle für elektrische Antriebe im untertägigen Bergbau verwendet wird, wobei das Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellenmodul und eine Speichereinheit für einen Brennstoff umfasst.The Task is solved by that a fuel cell system as an energy or power source for electrical Drives in the underground Mining is used, wherein the fuel cell system is a fuel cell module and a storage unit for comprises a fuel.

Wie auch eine Batterie stellt eine Brennstoffzelle ein galvanisches Element dar, in der die freie Energie eines chemischen Vorgangs in freie elektrische Energie umgewandelt wird. Im Gegensatz zu einer Batterie werden bei einer Brennstoffzelle die reagierenden Substanzen während der chemischen Reaktion zugeleitet und die Reaktionsprodukte abgeleitet. Die chemische Reaktion stellt eine elektrochemische Oxidation einer leicht oxidierenden Substanz (z. B. Wasserstoff, Methanol) mit Sauerstoff dar.As Even a battery makes a fuel cell a galvanic Element representing the free energy of a chemical process is converted into free electrical energy. Unlike one Battery become the reacting substances in a fuel cell while fed to the chemical reaction and derived the reaction products. The chemical reaction represents an electrochemical oxidation of a slightly oxidizing substance (eg hydrogen, methanol) with oxygen represents.

Die Vorteile einer auf einer Brennstoffzelle basierenden Stromquelle liegen im Vergleich zu Batterie- und Dieselantrieben im Wesentlichen in den brennstoffzellenrelevanten Systemeigenschaften. Wird Luftsauerstoff für die elektrochemische Oxidation in der Brennstoffzelle verwendet, entstehen kein Ruß, keine Stickoxide und im Vergleich zu Dieselmotoren nur wenig Kohlenmonoxid. Auch erreichen Antriebssysteme basierend auf einer Brennstoffzelle gegenüber Verbrennungsmotoren höhere Wirkungsgrade bei geringeren Geräuschsemissionen. Gegenüber einem Batterieantrieb zeichnet sich ein Brennstoffzellenantrieb dadurch aus, dass je nach Speicherkapazität bei vergleichbaren Systemgewichten Reichweite und Verfügbarkeit größer sind, ferner dass der Wartungs- und Instandhaltungsaufwand gegenüber Dieselantrieben jedoch geringer ist.The Advantages of a fuel cell based power source are essentially compared to battery and diesel engines in the fuel cell relevant system properties. Becomes atmospheric oxygen for the electrochemical oxidation used in the fuel cell arise no soot, No nitrogen oxides and little carbon monoxide compared to diesel engines. Also achieve drive systems based on a fuel cell across from Internal combustion engines higher Efficiencies at lower noise emissions. Opposite one Battery drive characterized by a fuel cell drive thereby from that, depending on the storage capacity at comparable system weights Reach and availability are bigger, Furthermore, that the maintenance and repair costs compared to diesel engines but less.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Brennstoffzellensystem modular aufgebaut, wobei das Brennstoffzellenmodul und die Speichereinheit über eine Kupplungseinheit miteinander verbunden sind. Durch den modularen Aufbau des Brennstoffzellensystems mit der Kupplungseinheit kann eine entleerte Speichereinheit durch eine volle Speichereinheit in einfacher Weise ersetzt werden. Um den besonderen Anforderungen im untertägigen Bergbau, insbesondere in explosionsgefährdeten Bergbausparten gerecht zu werden, werden die entleerten Speichereinheiten nicht unter Tage, sondern über Tage aufgefüllt. Somit findet im untertägigen Bergbau nur ein Transport von leeren und gefüllten Speichereinheiten statt, so dass eine Bevorratung von brennbaren bzw. leicht entflammbaren Gasen unter Tage in größerem Umfang nicht notwendig ist.In a preferred embodiment the fuel cell system is modular, wherein the fuel cell module and the storage unit over a coupling unit are connected together. By the modular Structure of the fuel cell system with the coupling unit can a depleted storage unit by a full storage unit be easily replaced. To meet the special requirements in underground mining, especially in potentially explosive mining sectors to meet the depleted storage units are not underground, but about Days filled up. Thus, in underground mining just a transport of empty and filled storage units instead, so that a stock of combustible or easily inflammable Underground gas on a larger scale is not necessary.

Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem in einem Containment angeordnet. Das Containment trennt das Brennstoffzellensystem von der Grubenatmosphäre, um den spezifischen Anforderungen in explosionsgefährdeten Bereichen zu genügen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Brennstoffzellenmodul und Speichereinheit in einem Containment angeordnet. Das bedeutet, dass zum Befüllen der Speichereinheit das gesamte Brennstoffzellensystem über Tage befördert werden muss, um eine Betankung der Speichereinheit vorzunehmen. Der Vorteil bei diesem Ausführungsbeispiel liegt darin, dass das komplette Brennstoffzellensystem durch ein Containment unter Tage immer abgekapselt bleibt.Preferably the fuel cell system is arranged in a containment. The containment separates the fuel cell system from the pit atmosphere to the to meet specific requirements in potentially explosive atmospheres. In this embodiment are fuel cell module and storage unit in a containment arranged. This means that to fill the memory unit the entire fuel cell system over Transported days must be in order to refuel the storage unit. The advantage with this embodiment lies in the fact that the complete fuel cell system by a Containment underground always remains encapsulated.

Im Gegensatz zu einem Containment, das das gesamte Brennstoffzellensystem aufnimmt, können Speichereinheit und/oder das Brennstoffzellenmodul jeweils in einem gesonderten Containment angeordnet sein. Auch kann wenigstens eine Komponente der Speichereinheit und/oder wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellenmoduls in jeweils einem gesonderten Containment angeordnet sein. Sind Speichereinheit und Brennstoffzellenmodul jeweils in einem Containment angeordnet, dass die Module von der Grubenatmosphäre abkapselt, ist es möglich, Speichereinheit und Brennstoffzellenmodul auch unter Tage zu trennen, soweit die Kupplungseinheit zwischen Brennstoffzellenmodul und Speichereinheit leckagefrei ist und den spezifischen Sicherheitsbestimmungen genügt. So kann unter Tage eine entleerte Speichereinheit von dem Brennstoffzellenmodul abgetrennt und zum Aufladen nach über Tage befördert werden. Hingegen verbleibt das Brennstoffzellenmodul unter Tage und kann nach erfolgter Ankoppelung von einer vollen Speichereinheit wieder elektrische Energie leisten. Die Trennmöglichkeit von Speichereinheit und Brennstoffzellenmodul bedeutet, dass nur die Speichereinheiten im Bergwerk transportiert werden müssen, während das Brennstoffzellenmodul am Einsatzort verbleiben kann. Dies spart im Vergleich zum Ausführungsbeispiel, bei dem das gesamte Brennstoffzellensystem in nur einem Containment angeordnet ist, Transportkosten und erhöht die Anzahl von einsatzbereiten Brennstoffzellenmodulen unter Tage.In contrast to a containment that accommodates the entire fuel cell system, the storage unit and / or the fuel cell module can each be arranged in a separate containment. Also, at least one component of the storage unit and / or at least one component of the fuel cell module can each be arranged in a separate containment. If the storage unit and the fuel cell module are each arranged in a containment that encapsulates the modules from the pit atmosphere, it is possible to separate the storage unit and fuel cell module even underground, as far as the coupling unit between the fuel cell module and the storage unit unit is leak-free and meets the specific safety regulations. Thus, a depleted storage unit can be separated from the fuel cell module underground and transported to the underground for charging. On the other hand, the fuel cell module remains underground and, once docked, can re-generate electrical energy from a full storage unit. The ability to separate the storage unit from the fuel cell module means that only the storage units need to be transported in the mine while the fuel cell module can remain in place. This saves on transport costs and increases the number of operational fuel cell modules underground compared to the embodiment in which the entire fuel cell system is arranged in only one containment.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Containment eine Überdruckkapselung, wobei der Druck im Containment größer ist als der atmosphärische Druck außerhalb des Cantainments. Aufgrund des Druckgefälles ist es unmöglich, dass möglicherweise explosionsfähige Umgebungsgase in das Containment strömen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Druck im Containment größer ist als der Betriebsinnendruck der Brennstoffzelle, was dazu führt, dass im Falle von Funktionsstörungen das Umgebungsgas in dem Containment in die Brennstoffzelle strömt und die Reaktion stillsetzt; auf diese Weise können ebenfalls keine Gasanteile nach außerhalb des Containments in die Atmosphäre gelangen. Vorteilhafterweise weist die Überdruckkapselung eine Überwachungseinrichtung auf. Aufgabe der Überwachungseinrichtung ist es, einen möglichen Druckabfall im Containment zu erfassen und ein Signal zu erzeugen, was beispielsweise zu einer Notabschaltung führt.In a preferred embodiment the containment an overpressure encapsulation, wherein the pressure in the containment is greater as the atmospheric Pressure outside of cantanment. Due to the pressure gradient, it is impossible that possibly explosive Ambient gases flow into the containment. Alternatively, it can be provided be that the pressure in the containment is greater than the internal pressure the fuel cell, which causes that in case of malfunction the ambient gas in the containment flows into the fuel cell and the Reaction stops; in this way can also no gas components outside of the containment into the atmosphere reach. Advantageously, the pressurized enclosure has a monitoring device on. Task of the monitoring device is it, a possible pressure drop in the containment to capture and generate a signal, which for example leads to an emergency shutdown.

Für die Überdruckkapselung kann ein Inertgas zur Anwendung kommen, das in das Containment eingeleitet wird und dort den Überdruck erzeugt.For overpressure encapsulation An inert gas may be used which has been introduced into the containment and there is the overpressure generated.

Vorzugsweise wird als Inertgas Stickstoff verwendet, da dieser vergleichsweise kostengünstig zur Verfügung steht.Preferably is used as an inert gas nitrogen, since this comparatively inexpensive to disposal stands.

Um dem Einsatz eines Brennstoffzellensystems in explosionsgefährdeten Räumen Rechnung zu tragen, können erfindungsgemäß je nach Einsatzfall und Auslegung des Brennstoffzellensystems Schutzmaßnahmen einzeln oder in Kombination miteinander vorgesehen sein. So kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eigensicher ausgelegt ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellenmoduls und/oder der Speichereinheit eine druckfeste Kapselung aufweist.Around the use of a fuel cell system in potentially explosive atmospheres clear Can take into account according to the invention depending on Application and design of the fuel cell system Protective measures be provided individually or in combination with each other. So can be provided that the fuel cell system designed intrinsically safe is. Furthermore, it can be provided that at least one component the fuel cell module and / or the storage unit a pressure-resistant Encapsulation has.

Weiterhin ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellenmoduls druckstoßfest ausgelegt. Alternativ oder kumulativ kann wenigstens eine Komponente der Speichereinheit ebenfalls druckstoßfest ausgelegt sein.Farther is in a preferred embodiment designed at least one component of the fuel cell module pressure shock resistant. Alternatively or cumulatively, at least one component of the memory unit also designed shockproof be.

Wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellenmoduls und/oder der Speichereinheit kann durch Verguss gekapselt sein. Als Vergussmaterial kommt vorzugsweise Kunststoff in Frage. Durch eine derartige Vergusskapselung kann das Brennstoffzellenmodul und/oder der Speichereinheit bzw. einzelne Komponenten davon druckstoßfest hergestellt werden.At least a component of the fuel cell module and / or the storage unit can be encapsulated by potting. As potting material is preferably Plastic in question. By such Vergusskapselung can the fuel cell module and / or the storage unit or individual components of which pressure shock resistant getting produced.

Um den Anforderungen hinsichtlich des Explosionsschutzes im untertägigen Bergbau zu erfüllen, kann wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellenmoduls und/oder der Speichereinheit eine Flammendurchschlagsicherung aufweisen. Somit stehen neben der Flammendurchschlagsicherung die druckstoßfeste Auslegung und die Überdruckkapselung als Möglichkeiten zur Verfügung, die alternativ oder kumulativ zur Erfüllung der Anforderungen hinsichtlich Explosionsschutz verwendet werden können.Around the requirements with regard to explosion protection in underground mining to fulfill, can at least one component of the fuel cell module and / or the storage unit have a flame arrester. Thus, in addition to the flame arrester, the pressure shock resistant design and the pressurized enclosure as possibilities to disposal, the alternative or cumulative to meet the requirements regarding Explosion protection can be used.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Speichereinheit einen Wasserstoffdruckbehälter. Zwar ist die Verwendung von verdichteten brennbaren Gasen unter Tage rechtlich zur Zeit nicht möglich, jedoch kann die Bergbehörde auch heute schon Ausnahmen erteilen.In a preferred embodiment the storage unit is a hydrogen pressure vessel. Although the use is of compacted flammable gases underground legally at the time not possible, however, the mountain authority even today grant exemptions.

Die Speichereinheit kann einen Energiespeicher und einen Reformer umfassen. Als Kraftstoff wird vorzugsweise Methanol verwendet, welches sich sehr einfach speichern lässt. Dieses muss allerdings erst in Wasserstoff umgewandelt werden, was in dem Reformer geschieht. Der Reformer setzt das Methanol (gegebenenfalls mit Wasser) in Wasserstoff und in Nebenprodukte um.The Storage unit may include an energy storage and a reformer. The fuel used is preferably methanol, which is very easy to save. However, this must first be converted into hydrogen, which in happens to the reformer. The reformer uses the methanol (if necessary with water) into hydrogen and by-products.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Speichereinheit einen Wasserstoffhydridspeicher. In einem Wasserhydridspeicher ist der Wasserstoff chemisch gebunden. Aufgrund dessen ist eine derartige Speicherung von Wasserstoff unter Tage hinsichtlich sicherheitstechnischer Aspekte zu bevorzugen.In a preferred embodiment the storage unit has a hydrogen hydride storage. In a water hydride storage the hydrogen is chemically bound. Because of this is one Such storage of hydrogen underground in terms of safety Aspects to be preferred.

Die Speichereinheit und das Brennstoffzellenmodul können über ein Kühl-/Wärmesystem thermisch miteinander verbunden sein. Dadurch lässt sich die durch die chemische Reaktion in dem Brennstoffzellenmodul entstehende Wärme in Hydridspeicher nutzen, um den dort chemisch gebundenen Wasserstoff freizusetzen. Das Kühl-/Wärmesystem ist dabei so auszulegen, dass ausreichend Wärme abgeführt bzw. zugeführt wird, um in den einzelnen Betriebszuständen genügend Wasserstoff zu desorbieren.The storage unit and the fuel cell module may be thermally connected to each other via a cooling / heating system. As a result, the heat generated in the fuel cell module by the chemical reaction in the hydride reservoir can be used to release the hydrogen chemically bound there. The cooling / heating system is to be designed so that sufficient heat discharged or supplied to desorb enough hydrogen in the individual operating conditions.

Da die Wärmeprofile von Speichereinheit und Brennstoffzellenmodul je nach Lastbereich sehr unterschiedlich sein können, weist das Kühl-/Wärmesystem vorzugsweise einen Wasserkühler oder Luftkühler auf. Dadurch lässt sich der Teil der in dem Brennstoffzellenmodul erzeugten Wärme ableiten, der im Hydridspeicher nicht benötigt wird. Vorzugsweise umfasst das Kühl-/Wärmesystem eine zusätzliche Wärmequelle. Sie ist dann notwendig, wenn in einem bestimmten Betriebspunkt der Hydridspeicher mehr Wärme als vom Brennstoffzellenmodul erzeugt benötigt. Bei der Auslegung des Kühl-/Wärmesystems mit und ohne seine Komponentenkühler und zusätzliche Wärmequelle ist zu beachten, dass die Umgebungstemperatur in der Grube relativ hoch ist und somit ein vergleichsweise kleines nutzbares Temperaturgefälle zur Kühlung ausgenutzt werden kann. Des weiteren ist zu beachten, dass auch das Kühl-/Wärmesystem den sicherheitstechnischen Anforderungen im untertägigen Bergbau genügen muss. Bei der Ermittlung von Wärmebedarf bzw. bereitzustellender Kühlleistung ist weiter zu beachten, dass die Form der Kapselung von Brennstoffzellenmodul und Speichereinheit (z. B. Vergusskapselung, Überdruckkapselung) großen Einfluss auf die Wärmeisolierung der gekapselten Teile haben kann.There the heat profiles of storage unit and fuel cell module depending on load range can be very different has the cooling / heating system preferably a water cooler or air cooler on. By doing so leaves deriving the part of the heat generated in the fuel cell module, the not needed in the hydride storage becomes. Preferably, the cooling / heating system comprises an additional Heat source. It is necessary if at a certain operating point the Hydride storage more heat needed as generated by the fuel cell module. In the interpretation of Cooling / heating system with and without its component coolers and additional heat source It should be noted that the ambient temperature in the pit is relative is high and thus a comparatively small usable temperature gradient for cooling can be exploited. Furthermore, it should be noted that too the cooling / heating system the safety requirements in underground mining must suffice. In the determination of heat demand or to be provided cooling capacity is further noted that the shape of the encapsulation of fuel cell module and storage unit (eg encapsulation, pressurized enclosure) great impact on the thermal insulation the encapsulated parts can have.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Brennstoffzellenmodul eine Kathodenluftversorgung mit einer Partikelfilterung. Die Kathodenluftversorgung führt dem chemischen Prozess in der Brennstoffzelle den benötigten Sauerstoff zu. Da die Luft im untertägigen Bergbau durch Kohlen- und Gesteinsstaub, Sprengschwaden, Dieselabgase etc. stark belastet ist, sind die Anforderungen an eine Partikelfilterung sehr hoch. Sie stellt sicher, dass der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenmoduls nicht durch Verunreinigungen beeinträchtigt wird.In a preferred embodiment the fuel cell module has a cathode air supply with a Particle filtration. The cathode air supply leads the chemical process in the fuel cell the needed Oxygen too. Since the air in the underground mining and rock dust, blasting, diesel exhaust etc. heavily loaded is, the requirements for particle filtration are very high. It ensures that the efficiency of the fuel cell module is not affected by contamination.

Vorzugsweise kann das Brennstoffzellenmodul ein Purge-System mit Wasserstoffkombinatoren zum Abbau von Wasserstoff umfassen. In Rekombinatoren wird der Wasserstoff zusammen mit dem (Gruben-) Sauerstoff vorzugsweise an katalytisch beschichteten Substraten exotherm umgesetzt. Zusätzlich oder alternativ können strömungs- und überwachungstechnische Maßnahmen ergriffen werden, den Wasserstoffgehalt in dem Brennstoffzellenmodul zu kontrollieren. Diese Maßnahmen umfassen auch die sogenannten stackinternen Maßnahmen, wie z. B. Kreislaufführung, Verringerung des Volumstroms oder Verringerung der Verunreinigungen.Preferably For example, the fuel cell module may be a purge system with hydrogen combiners for Removal of hydrogen. Recombinators become hydrogen preferably together with the (pit) oxygen to catalytic coated substrates exothermically reacted. Additionally or alternatively, flow and monitoring technology activities be taken to the hydrogen content in the fuel cell module check. These measures also include the so-called stack-internal measures such. B. circulation, reduction the volume flow or reduction of impurities.

Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellenmodul eine Polimärmembranbrennstoffzelle. Diese ist besonders geeignet für mobile Einsatzfälle.Preferably For example, the fuel cell module includes a polymer membrane fuel cell. This is especially suitable for mobile applications.

Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher beschrieben. Es zeigenBased The embodiments illustrated in the drawings, the invention described in more detail. Show it

1a ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Speichereinheit und ein Brennstoffzellenmodul in einem Containment angeordnet sind; 1a a first embodiment of the invention, wherein a storage unit and a fuel cell module are arranged in a containment;

1b ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Speichereinheit und Brennstoffzellenmodul jeweils in einem Containment angeordnet sind; 1b a second embodiment of the invention, wherein the storage unit and the fuel cell module are each arranged in a containment;

2 schematisch einen Wechselvorgang der Speichereinheiten unter Tage; 2 schematically a change operation of the storage units underground;

3 ein Brennstoffzellensystem mit Hydridspeicher. 3 a fuel cell system with hydride storage.

1a zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenmodul 2 und einer Speichereinheit 3. Das Brennstoffzellenmodul 2 und die Speichereinheit 3 sind in einem Containment 4 angeordnet, das sich aufgrund eines Deckels 5 öffnen lässt. Das Brennstoffzellenmodul 2 und die Speichereinheit 3 sind über eine Kupplungseinheit 6 miteinander verbunden. Die Kupplungseinheit 6 stellt dabei den notwendigen Austausch aller Medien zwischen Brennstoffzellenmodul 2 und Speichereinheit 3 sicher. Beispielsweise wird über die Kupplungseinheit 6 Wasserstoff von der Speichereinheit 3 in das Brennstoffzellenmodul 2 geführt. Über die Kupplungseinheit 6 können aber auch Wärmemengen zwischen Brennstoffzellenmodul 2 und Speichereinheit 3 ausgetauscht werden, falls Brennstoffzellenmodul 2 und Speichereinheit 3 über ein gemeinsames Kühl-/Wärmesystem vermischt miteinander verbunden sind. 1a shows a fuel cell system 1 with a fuel cell module 2 and a storage unit 3 , The fuel cell module 2 and the storage unit 3 are in a containment 4 arranged, which is due to a lid 5 open. The fuel cell module 2 and the storage unit 3 are via a coupling unit 6 connected with each other. The coupling unit 6 provides the necessary exchange of all media between the fuel cell module 2 and storage unit 3 for sure. For example, via the coupling unit 6 Hydrogen from the storage unit 3 in the fuel cell module 2 guided. About the coupling unit 6 but also heat amounts between fuel cell module 2 and storage unit 3 be replaced if fuel cell module 2 and storage unit 3 are interconnected via a common cooling / heating system.

Das Containment 4 kann mit einem Inertgas wie beispielsweise Stickstoff beaufschlagt sein, so dass die darin befindlichen Komponenten überdruckgekapselt sind.The containment 4 can be acted upon with an inert gas such as nitrogen, so that the components therein are over-pressure-encapsulated.

1b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem das Brennstoffzellenmodul 2 und die Speichereinheit 3 jeweils in einem eigenen Containment 4' bzw. 4'' angeordnet sind. Wie auch im Ausführungsbeispiel der 1a können die jeweiligen Containments 4' und 4'' Stickstoff zur Überdruekkapselung der darin befindlichen Komponenten enthalten. Soll die Speichereinheit 3 gegen eine andere Speichereinheit ausgetauscht werden, kann die Speichereinheit 3 von dem Brennstoffzellenmodul 2 abgekoppelt werden, ohne dass die jeweilige Abkapselung durch die Containments 4' und 4'' aufgehoben wird. Genügt auch die Kupplungseinheit 6 den besonderen sicherheitstechnischen Anforderungen im untertägigen Bergbau, insbesondere dem Explosionsschutz, kann die Speichereinheit 3 zum Austausch unter Tage an- und abgekoppelt werden. 1b shows a second embodiment in which the fuel cell module 2 and the storage unit 3 each in its own containment 4 ' respectively. 4 '' are arranged. As well as in the embodiment of 1a can the respective containments 4 ' and 4 '' Contain nitrogen for Überdruekkapselung the components therein. Should the storage unit 3 can be exchanged for another storage unit, the storage unit 3 from the fuel cell module 2 be decoupled without the respective encapsulation by the containments 4 ' and 4 '' will be annulled. Also satisfies the coupling unit 6 the be special safety requirements in underground mining, in particular explosion protection, the storage unit 3 to be switched on and off for exchange underground.

2 zeigt schematisch den Wechselvorgang der Speichereinheiten unter Tage. In 2 soll das Brennstoffzellensystem bestehend aus dem Brennstoffzellenmodul 2 und der Speichereinheit 3 eine Hängebahn oder Zuglaufkapsel antreiben. Dieses Beispiel soll steilvertretend für andere Anwendungsgebiete des Brennstoffzellensystems wie beispielweise für Schienenflurbahnen, Lokomotiven, Lade-/Senkmaschinen oder wie für stationäre Anwendungen (z. B. dezentrale Energieversorgung) stehen. 2 shows schematically the change process of the storage units underground. In 2 should the fuel cell system consisting of the fuel cell module 2 and the storage unit 3 drive a monorail or train capsule. This example is intended to be representative of other areas of application of the fuel cell system such as for railways, locomotives, loading / lowering machines or as for stationary applications (eg decentralized power supply).

2 zeigt mehrere Speichereinheiten 3, von denen einige grau hinterlegt sind. Bei den grau hinterlegten Speichereinheiten handelt es sich um aufgefüllte Speichereinheiten. Die Speichereinheiten 3 werden über Tage (oberhalb der festgezeichneten waagerechten Linie) aufgefüllt und dann durch einen Schacht 8 in das Bergwerk abgelassen. Die volle Speichereinheit wird dann zu ihrem Einsatzgebiet transportiert und dann an das Brennstoffzellenmodul 2 angekoppelt. Entleerte Speichereinheiten werden über Tage befördert und dort aufgetankt. Bei einem derartigen Wechselvorgang der Speichereinheiten erfolgt die Betankung der Speichereinheiten über Tage, während unter Tage lediglich der Transport und die An- bzw. Abkoppelung von dem Brennstoffzellenmodul 2 erfolgt. 2 shows several storage units 3 some of which are grayed out. The gray storage units are filled storage units. The storage units 3 are filled over days (above the drawn horizontal line) and then through a shaft 8th drained into the mine. The full storage unit is then transported to its application area and then to the fuel cell module 2 coupled. Emptied storage units are transported over days and refueled there. In such a change operation of the storage units, the refueling of the storage units is carried out for days, while underground, only the transport and the arrival or decoupling of the fuel cell module 2 he follows.

3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Hydridspeicher 9. Dieser liefert über ein regelbares Ventil 10 Wasserstoff an das Brennstoffzellenmodul 2. Das Brennstoffzellenmodul 2 umfasst eine Kathodenluftversorgung 11, eine Brennstoffzelle 12, einen Luftkühler 13, einen Wärmetauscher 14 sowie ein Wassermanagement 15 und ein Wassertank 16. Um den Wasserstoff im Hydridspeicher 9 chemisch zu lösen, wird Wärme benötigt, die dem Hydridspeicher 9 vom Wärmetauscher 14 zugeführt wird. Dem Wärmetauscher 14 fließt auch Abwärme der Brennstoffzelle 12 zu. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Wärmeproduktion in der Brennstoffzelle 12 größer ist als der Wärmebedarf in dem Hydridspeicher 9, gibt der Luftkühler 13 Abwärme an die Grubenatmosphäre ab. Die Kathodenluftversorgung 11 umfasst einen Verdichter 1.7, durch den die Grubenluft verdichtet der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird. An einer geeignet ausgebildeten Kathode 18 wird die aus der Brennstoffzelle austretende Abluft entspannt und gereinigt. Wassermanagement 15 und Wassertank stellen die für den Betrieb der Brennstoffzelle 12 notwendige Wassermenge zur Verfügung. Der Wassertank 16 speichert zu dem das durch die in der Brennstoffzelle 12 entstehende Wasser. Durch die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle 12 wird Gleichstrom 19 erzeugt, der, gegebenenfalls umgewandelt in Wechselstrom, einem elektrischen Antrieb (nicht dargestellt) zugeführt wird. 3 shows a fuel cell system 1 with a hydride storage 9 , This supplies via a controllable valve 10 Hydrogen to the fuel cell module 2 , The fuel cell module 2 includes a cathode air supply 11 , a fuel cell 12 , an air cooler 13 , a heat exchanger 14 as well as a water management 15 and a water tank 16 , To the hydrogen in the hydride storage 9 To dissolve chemically, heat is needed, which is the hydride storage 9 from the heat exchanger 14 is supplied. The heat exchanger 14 also waste heat flows from the fuel cell 12 to. As in this embodiment, the heat production in the fuel cell 12 is greater than the heat demand in the hydride storage 9 , gives the air cooler 13 Waste heat to the pit atmosphere. The cathode air supply 11 includes a compressor 1.7 through which the pit air condenses the fuel cell 12 is supplied. At a suitably designed cathode 18 the exhaust air emerging from the fuel cell is expanded and purified. water management 15 and water tank provide for the operation of the fuel cell 12 necessary amount of water available. The water tank 16 stores to that by the in the fuel cell 12 resulting water. Due to the chemical reaction in the fuel cell 12 becomes DC 19 generated, which, optionally converted into alternating current, an electric drive (not shown) is supplied.

Anstelle des Hydridspeichers 9 kann ein Wasserstoffdruckbehälter oder ein Kraftstofftank (Methanoltank) mit Reformer gesetzt werden. Im Falle des Kraftstofftanks mit Reformer ist zu beachten, dass aufgrund der chemischen Reaktion im Reformer diesem Verbrennungsluft zugeführt und Abgase abgeführt werden müssen.Instead of the hydride storage 9 For example, a hydrogen pressure tank or a fuel tank (methanol tank) with reformer may be set. In the case of the fuel tank with reformer is to be noted that due to the chemical reaction in the reformer this combustion air supplied and exhaust gases must be removed.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und der Zeichnung offenbarten Merkmale des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The in the above description, the claims, the Summary and the drawing disclosed features of the subject matter of this Documents can individually and in any combination with each other for realization be essential to the invention in its various embodiments.

Claims (22)

Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1) als Stromquelle elektrischer Antriebe im untertägigen Bergbau, wobei das Brennstoffzellensystem (1) ein Brennstoffzellenmodul (2) und eine Speichereinheit (3) für Brennstoff umfasst.Use of a fuel cell system ( 1 ) as a power source of electric drives in underground mining, the fuel cell system ( 1 ) a fuel cell module ( 2 ) and a storage unit ( 3 ) for fuel. Verwendung gemäß Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem (1) modular aufgebaut ist, wobei das Brennstoffzellenmodul (2) und die Speichereinheit (3) über eine Kupplungseinheit (6) miteinander verbunden sind.Use according to claim 1, wherein the fuel cell system ( 1 ) is modular, wherein the fuel cell module ( 2 ) and the storage unit ( 3 ) via a coupling unit ( 6 ) are interconnected. Verwendung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Brennstoffzellensystem (1) in einem Containment (4) angeordnet ist.Use according to claim 1 or 2, wherein the fuel cell system ( 1 ) in a containment ( 4 ) is arranged. Verwendung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Brennstoffzellenmodul (2) oder wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellenmoduls (2) in einem Containment (4') angeordnet sind.Use according to claim 1 or 2, wherein the fuel cell module ( 2 ) or at least one component of the fuel cell module ( 2 ) in a containment ( 4 ' ) are arranged. Verwendung gemäß Anspruch 1, 2 oder 4, wobei die Speichereinheit (3) oder wenigstens eine Komponente der Speichereinheit (3) in einem Containment (4'') angeordnet sind.Use according to claim 1, 2 or 4, wherein the memory unit ( 3 ) or at least one component of the memory unit ( 3 ) in a containment ( 4 '' ) are arranged. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Containment (4, 4', 4'') eine Überdruckkapselung umfasst, und der Druck im Containment (4, 4', 4'') größer ist als der atmosphärische Druck außerhalb des Containments (4, 4', 4'').Use according to any one of claims 3 to 5, wherein the containment ( 4 . 4 ' . 4 '' ) comprises an overpressure encapsulation, and the pressure in the containment ( 4 . 4 ' . 4 '' ) is greater than the atmospheric pressure outside the containment ( 4 . 4 ' . 4 '' ). Verwendung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Containment (4, 4', 4'') eine Überdruckkapselung umfasst, und der Druck im Containment (4, 4', 4'') größer ist als der Betriebsinnendruck des Brennstoffzellenmoduls (2).Use according to any one of claims 3 to 5, wherein the containment ( 4 . 4 ' . 4 '' ) comprises an overpressure encapsulation, and the pressure in the containment ( 4 . 4 ' . 4 '' ) is greater than the internal combustion pressure of the fuel cell module ( 2 ). Verwendung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei sich im Containment (4, 4', 4'') ein Inertgas, vorzugsweise Stickstoff befindet.Use according to claim 6 or 7, wherein in the containment ( 4 . 4 ' . 4 '' ) an inert gas, preferably nitrogen. Verwendung gemäß Anspruch 1 bis 7, wobei das Brennstoffzellensystem (1) eigensicher ausgelegt ist.Use according to claim 1 to 7, wherein the fuel cell system ( 1 ) is designed intrinsically safe. Verwendung gemäß Anspruch 1 bis 8, wobei wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellenmoduls (2) und/oder der Speichereinheit (3) eine druckfeste Kapselung aufweist.Use according to claim 1 to 8, wherein at least one component of the fuel cell module ( 2 ) and / or the storage unit ( 3 ) has a flameproof enclosure. Verwendung gemäß Anspruch 1 bis 10, wobei wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellenmoduls (2) und/oder der Speichereinheit (3) druckstoßfest ausgelegt ist.Use according to claim 1 to 10, wherein at least one component of the fuel cell module ( 2 ) and / or the storage unit ( 3 ) is designed shockproof. Verwendung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 11, wobei wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellenmoduls (2) und/oder der Speichereinheit (3) durch Vergoss gekapselt ist.Use according to one of claims 1 to 11, wherein at least one component of the fuel cell module ( 2 ) and / or the storage unit ( 3 ) is encapsulated by casting. Verwendung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 12, wobei wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellenmoduls (2) und/oder der Speichereinheit (3) eine Flammendurchschlagsicherung aufweist.Use according to one of claims 1 to 12, wherein at least one component of the fuel cell module ( 2 ) and / or the storage unit ( 3 ) has a flame arrester. Verwendung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Speichereinheit (3) einen Wasserstoffdruckbehälter umfasst.Use according to one of claims 1 to 13, wherein the storage unit ( 3 ) comprises a hydrogen pressure vessel. Verwendung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Speichereinheit (3) einen Kraftstofftank und einen Reformer umfasst.Use according to one of claims 1 to 13, wherein the storage unit ( 3 ) comprises a fuel tank and a reformer. Verwendung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Speichereinheit (3) einen Wasserstoffhydridspeicher (9) umfasst.Use according to one of claims 1 to 13, wherein the storage unit ( 3 ) a hydrogen hydride storage ( 9 ). Verwendung gemäß Anspruch 16, wobei die Speichereinheit (3) und das Brennstoffzellenmodul (2) über ein Kühl-/Wärmesystem thermisch miteinander verbunden sind.Use according to claim 16, wherein the storage unit ( 3 ) and the fuel cell module ( 2 ) are thermally connected to each other via a cooling / heating system. Verwendung gemäß Anspruch 17, wobei das Kühl-/Wärmesystem einen Wasserkühler oder Luftkühler (13) aufweist.Use according to claim 17, wherein the cooling / heating system comprises a water cooler or air cooler ( 13 ) having. Verwendung gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei das Kühl-/Wärmesystem eine zusätzliche Wärmequelle umfasst.Use according to claim 17 or 18, with the cooling / heating system an additional heat source includes. Verwendung gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei das Brennstoffzellenmodul (2) eine Kathodenluftversorgung (11) mit einer Partikelfilterung umfasst.Use according to claim 17 or 18, wherein the fuel cell module ( 2 ) a cathode air supply ( 11 ) with particle filtration. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Brennstoffzellenmodul (2) ein Purgesystem mit Wasserstoff-Rekombinatoren zum Abbau von Wasserstoff umfasst.Use according to any one of claims 1 to 20, wherein the fuel cell module ( 2 ) comprises a purge system with hydrogen recombiners for degrading hydrogen. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das Brennstoffzellenmodul (2) eine Polymermembranbrennstoffzelle umfasst.Use according to one of claims 1 to 21, wherein the fuel cell module ( 2 ) comprises a polymer membrane fuel cell.
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