AT525958A1 - Brennstoffzellenanlage und Verfahren für eine Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage (1), umfassend: ein Brennstoffzellensystem (12), umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln (10) und diesen zugeordnete DC/DC-Wandler (14), einen DC-Zwischenkreis (40), mit dem das Brennstoffzellensystem (12) mittels seiner DC/DC-Wandler (14) elektrisch verbunden ist, ein elektrisches Ausgangsnetzsystem (20), umfassend ein elektrisches Ausgangsnetz (24) und zumindest einen DC/AC-Wandler (22), wobei der zumindest eine DC/AC-Wandler (22) elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis (40) verbunden ist, und ein elektrischen Anlagenperipherienetz (30), umfassend Anlagenperipherie (34) und zumindest einen Wandler (32), zum Unterstützen eines Betriebs des Brennstoffzellensystems (12), wobei das elektrische Anlagenperipherienetz (30) elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis (40) verbunden ist.

Description

Brennstoffzellenanlage und Verfahren für eine Brennstoffzellenanlage

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage und ein Verfahren zum

Betreiben der Brennstoffzellenanlage.

Aus dem Stand der Technik sind Anwendungen bekannt, bei denen von SOFCBrennstoffzellenstapeln (Abkürzung SOFC steht für Englisch „Solid Oxide Fuel Cell“, auf Deutsch Festoxidbrennstoffzelle) erzeugte elektrische Energie in ein Wechselund Drehstromnetz eingespeist werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenanlage mit einem verbesserten Design anzugeben, welches einen sicheren und flexiblen Betrieb der

Brennstoffzellenanlage erlaubt.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. 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 der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfin-

dungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann.

Erfindungsgemäß ist eine Brennstoffzellenanlage vorgesehen. Die Brennstoffzellenanlage umfasst: ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln und diesen zugeordnete DC/DC-Wandler, einen DCZwischenkreis, mit dem das Brennstoffzellensystem mittels seiner DC/DC-Wandler elektrisch verbunden ist, ein elektrisches Ausgangsnetzsystem, umfassend ein elektrisches Ausgangsnetz und zumindest einen DC/AC-Wandler, wobei der zumindest eine DC/AC-Wandler elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis verbunden ist, und ein elektrischen Anlagenperipherienetz, umfassend Anlagenperipherie und zumindest einen Wandler, zum Unterstützen eines Betriebs des Brennstoffzellensystems, wobei das elektrische Anlagenperipherienetz elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis verbun-

den ist.

Die Brennstoffzellenstapel können ganz besonders Festoxid-Brennstoffzellenstapel sein. Damit kann das Brennstoffzellensystem insbesondere ein FestoxidBrennstoffzellensystem oder Festoxid-Elektrolyseurzellensystem (auch SOFCSystem für engl. „Solid Oxide Fuel Cell System“) sein. Außerdem können die einzelnen Brennstoffzellenstapel parallel miteinander elektrisch verbunden sein, insbesondere über den später näher erläuterten elektrischen (Spannungs-)Zwischenkreis. Möglich ist aber alternativ auch, einzelne oder alle der Brennstoffzellenstapel in Reihe miteinander elektrisch zu verbinden. Möglich ist ferner, dass jedem Brennstoffzellenstapel je ein DC/DC-Wandler zugeordnet ist oder, mit anderen Worten, mit diesem elektrisch verbunden ist. Möglich ist auch, dass mehrere elektrische Ausgangsnetze vorgesehen sind, wobei jedes elektrische Ausgangsnetz einen DC/AC-Wandler auf-

weisen kann.

Die Anlagenperipherie wird im Englischen auch als „Balance of Plant“ bezeichnet. Insbesondere kann die Anlagenperipherie mehrere oder sämtliche Komponenten des Brennstoffzellensystems, ausgenommen die Brennstoffstapel selbst umfassen. Zu diesen Komponenten können beispielsweise Pumpen, Sensoren, Wärmetauscher, Dichtungen, Kompressoren, Rezirkulationsgebläse, Ladeluftkühler und Befeuchter gehören. Diese werden durch das Anlagenperipherienetz mit elektrischer Energie für ihren Betrieb versorgt, sodass diese Komponenten wiederum den ordnungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung elektrischer Energie nutzen kön-

nen.

Vorteilhaft ist, wenn das Brennstoffzellensystem, das elektrische Ausgangsnetzsys-

tem und das elektrische Anlagenperipherienetz mittels des DC-Zwischenkreises pa-

rallel zueinander geschaltet sind. Dabei kann auch das nachfolgend näher erläuterte

elektrische Leistungswiderstandsnetz parallel zu den vorgenannten Systemen bzw.

Netzen geschaltet sein.

Vorteilhafterweise umfasst die Brennstoffzellenanlage ferner ein elektrisches Leistungswiderstandsnetz mit einem elektrischen Leistungswiderstand zur Lastpunktsicherstellung der Brennstoffzellenstapel bei Auftreten einer Netzstörung des elektrischen Ausgangsnetzsystems, wobei das elektrische Leistungswiderstandsnetz elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis verbunden ist. Dadurch wird eine Brennstoffzellenanlage bereitgestellt, bei der die Brennstoffzellenstapel bei einer Netzstörung, insbesondere einem Netzausfall, ihren Betriebspunkt oder Lastpunkt nicht verlassen müssen. Zumindest müssen die Brennstoffzellenstapel ihren Lastpunkt nicht über das gemäß ihrer Leistungsdynamik vorbestimmte Maß ändern, welches noch als unschädlich in Bezug auf das Risiko einer möglichen Beschädigung des Brennstoffzellensystems angesehen werden kann. Eine Netzstörung ist dabei dadurch charakterisiert, dass nur eine reduzierte Menge oder, insbesondere bei einem Netzausfall, keine elektrische Energie in das elektrische Ausgangsnetz fließen kann. Ein solcher Netzausfall kann beispielsweise bei einem Kurzschluss außerhalb der Brennstoffzellenanlage auftreten. Kann die erzeugte Leistung also durch eine plötzliche Netzstörung nicht mehr in das elektrische Ausgangsnetz, insbesondere ein Wechselund/oder Drehstromnetz, abgeführt werden, kann die überschüssige Energie dem elektrischen Leistungswiderstand zugeführt werden. Wird die Netzstörung behoben, kehrt die Netzspannung zurück und die elektrische Energie kann statt in den elektri-

schen Leistungswiderstand wieder in das elektrische Ausgangsnetz fließen.

Bevorzugt ist dabei, dass der elektrische Leistungswiderstand dazu eingerichtet ist, elektrische Energie in Abwärme umzuwandeln. So kann die überschüssige elektrische Energie, die bei der Netzstörung nicht von der Brennstoffzellenanlage über das elektrische Ausgangsnetz abgeführt werden kann, auf vorteilhafte Art und Weise aus der Brennstoffzellenanlage zu entfernen, nämlich als Abwärme. Abwärme meint daher insbesondere, dass die aus der elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelte Wärme abgeführt wird. Ganz besonders wird die Abwärme nach außerhalb der Brennstoffzellenstapel und des Brennstoffzellensystems abgeführt. Die Abwärme

wird also vorzugsweise nicht etwa den Brennstoffzellenstapeln zugeführt, was deren

Effizienz zwar erhöhen könnte, aber nicht zielführend wäre, weil dann mehr elektri-

sche Energie in Abwärme umgewandelt werden müsste. Außerdem bestünde nur ein

geringer Einfluss auf die Leistungsbilanz, da Netzausfälle in vielen Ländern eher sel-

ten sind.

Ferner ist bevorzugt, dass der elektrische Leistungswiderstand außerhalb der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Wie zuvor erwähnt ist dies vorteilhaft, um die von dem elektrischen Leistungswiderstand erzeugte Wärme nicht in den Brennstoffzellenstapeln zu nutzen. Stattdessen kann vorteilhafterweise Bauraum außerhalb des Brennstoffzellensystems mit den Brennstoffzellenstapeln für das elektrische Leistungswiderstandsnetz genutzt werden. Auch kann dort eine optionale Kühlung bau-

raumtechnisch besser platziert und dimensioniert werden.

So ist außerdem bevorzugt, dass die Brennstoffzellenanlage eine Kühleinheit zum Kühlen des elektrischen Leistungswiderstandes umfasst. Die Kühleinheit kann eine Luft- und/oder Wasserkühleinheit sein, also zum Kühlen mittels Luft, insbesondere Umgebungsluft, und/oder Wasser eingerichtet sein. Die Luft kann beispielsweise mittels eines Gebläses zirkuliert werden. Das Wasser kann mittels eines Kälteaggregats aktiv gekühlt werden. Dadurch kann eine besonders hohe Menge von elektrischer Energie an den elektrischen Leistungswiderstand abgeführt werden, ohne dass dieser beschädigt wird, wie es insbesondere bei Netzausfällen vorteilhaft ist, bei denen keinerlei elektrische Energie mehr über das elektrische Ausgangsnetz abgeführt

werden kann.

Vorteilhaft ist außerdem, wenn das elektrische Leistungswiderstandsnetz eine Leistungselektronik umfasst, die dazu eingerichtet ist, den elektrischen Leistungswiderstand beim Auftreten der Netzstörung zu aktivieren. Aktivieren des elektrischen Leistungswiderstandes meint dabei das Zuführen von elektrischer Energie, die von dem Brennstoffzellensystem erzeugt wird, zum elektrischen Leistungswiderstand, sodass dieser die elektrische Energie abführt, insbesondere in Abwärme umwandelt oder,

mit anderen Worten, Wärmeenergie umwandelt und abführt.

Ganz besonders ist dabei bevorzugt, dass die Leistungselektronik dazu eingerichtet ist, kontinuierlich eine Spannung in dem DC-Zwischenkreis zwischen dem Brennstoffzellensystem und dem elektrischen Ausgangsnetzsystem zu messen und beim Auftreten eines Spannungsanstiegs in dem DC-Zwischenkreis den elektrischen Leis-

tungswiderstand zu aktivieren. So kann die Leistungselektronik die Netzstörung an-

ne Spannungsänderung in einer vorgegebenen Zeitspanne erfährt.

Vorteilhafterweise weist die Leistungselektronik zudem einen Regler zum Regeln der dem elektrischen Leistungswiderstand zugeführten elektrischen Energie in Abhängigkeit von der im DC-Zwischenkreis gemessenen Spannung auf. So kann vorteilhafterweise die elektrische Energie nur insoweit an den elektrischen Leistungswiderstand abgeführt werden, wie das Ausmaß der Netzstörung, insbesondere wenn kein Totalausfall bzw. Netzausfall vorliegt, es erfordert. Auch kann einfach festgestellt werden, wenn die Netzstörung behoben ist und das elektrische Ausgangsnetzsystem

wieder zur Verfügung steht.

Vorteilhaft ist auch, wenn eine DC-Zwischenkreis-Kapazität, insbesondere ein DCZwischenkreis-Kondensator, in dem DC-Zwischenkreis eingebaut ist. Diese stellt der Leistungselektronik mehr Reaktionszeit zum Regeln der DC-Zwischenkreisspannung

zur Verfügung.

Auch ist es vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem dazu eingerichtet ist, einen Lastpunkt der im Betrieb befindlichen Brennstoffzellenstapel beim Auftreten der Netzstörung herunterzufahren. Mit anderen Worten kann der Betriebspunkt der Brennstoffzellenstapel beim Auftreten der Netzstörung abgesenkt werden. Dies ermöglicht es, die elektrische Energie in der Brennstoffzellenanlage herabzusenken, die von den Brennstoffzellenstapeln produziert werden, um den elektrischen Leistungswiderstand zu entlasten und den Ressourcenverbrauch an den Brennstoffzellenstapeln zu reduzieren. Auch hier kann der zuvor erwähnte Regler oder ein anderer Regler zur Regelung der Lastpunkte der Brennstoffzellenstapel in Abhängigkeit

der, insbesondere von der Leistungselektronik, gemessenen Spannung genutzt wer-

wird, und zwar unabhängig davon warum diese unzulässig steigt.

Vorteilhaft ist, wenn der zumindest eine DC/AC-Wandler ein bidirektionaler DC/AGCWandler zum bidirektionalen Betrieb des elektrischen Ausgangsnetzsystems ist. Alternativ kann das elektrische Ausgangsnetzsystem zwei DC/AC-Wandler als unidirektionale DC/AC-Wandler zum bidirektionalen Betrieb des elektrischen Ausgangsnetzsystems in dem elektrischen Ausgangsnetzsystem aufweist. Die beiden unidirektionalen DC/AC-Wandler sind also insbesondere miteinander entgegengesetzten Arbeitsrichtungen eingerichtet. Entsprechend ist der zumindest eine DC/AC-Wandler bidirektional funktionsfähig. So kann eine flexible Brennstoffzellenanlage bereitgestellt werden, bei der aus dem elektrische Ausgangsnetz bei Bedarf auch elektrische Energie gezogen werden, insbesondere zur Versorgung des elektrischen Anlageperipherienetzes in den Phasen von Aufwärmen und Abkühlen der Brennstoffzellenstapel für den Betrieb der Brennstoffzellenanlage. Die Bidirektionalität des DC/ACWandlers im elektrischen Ausgangsnetzsystem ist vorteilhaft beim Anfahren und Ausschalten oder, mit anderen Worten, Aufwärmen und Abkühlen, der Brennstoffzellenstapel, da die Brennstoffzellenstapel selbst hierbei typischerweise keine oder nicht mehr genügend elektrische Energie erzeugen, um die Anlagenperipherie sicher mit elektrischer Energie zu versorgen. Ein elektrischer Speicher ist zwar optional vorsehbar, ist jedoch aufgrund der notwendigen Kapazität eine kostenintensive Investiti-

on.

Entsprechend ist auch vorteilhaft, wenn der zumindest eine DC/AC-Wandler einen Modus zum Versorgen des Anlagenperipherienetzes mit elektrischer Energie von dem elektrischen Ausgangsnetzsystem aufweist. Der Modus kann ganz besonders beim Anfahren oder Aufwärmen und Ausschalten oder Abkühlen des Brennstoffzel-

lensystem vorgesehen sein.

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elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis verbunden sind.

Auch ist möglich, dass die einzelnen Brennstoffzellenstapel an den ihnen zugeordneten DC/DC-Wandlern galvanisch getrennt sind. Diese Form der galvanischen Trennung ist bei geringen Isolationswiderständen der Brennstoffzellenstapel vorteilhaft. Hohe Effizienzen können dennoch mit hochoptimierten DC/DC-Wandlern der Brenn-

stoffzellenstapel erreicht werden.

Alternativ ist möglich, dass ein Transformator zur zentralen galvanischen Trennung der Brennstoffzellenstapel elektrisch mit dem zumindest einen DC/AC-Wandler verbunden ist. Dies Art der galvanischen Trennung ist bei mittelgroßen Isolationswiderständen der Brennstoffzellenstapel vorteilhaft. Bei größeren Leistungen ist der Wir-

kungsgrad des Transformators zudem sehr hoch.

Schließlich ist alternativ möglich, dass keine galvanische Trennung (in der Brennstoffzellenanlage) vorgesehen ist. Dies erlaubt die höchste Effizienz in der Brennstoffzellenanlage, jedoch unter der Maßgabe, dass die Isolationswiderstände der

Brennstoffzellenstapel groß sind.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage, wobei das Verfahren die folgen-

den Schritte aufweist:

— Versorgen des elektrischen Anlagenperipherienetzes mittels des DCZwischenkreises mit elektrischer Energie aus dem elektrischen Ausgangsnetzsystem während eines Aufwärmmodus und/oder eines Modus geringer Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellensystems,

— Ändern einer Arbeitsrichtung des zumindest einen DC/AC-Wandlers des

elektrischen Ausgangsnetzsystems,

zellensystem, und

— Einspeisen überschüssiger elektrischer Energie in dem DC-Zwischenkreis in

das elektrische Ausgangsnetz.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage erläutert worden sind.

Dabei meint der Aufwärmmodus mit anderen Worten einen Anfahrmodus des Brennstoffzellenstapeln, bei dem die Brennstoffzellenstapel noch keine Leistung liefern und zunächst durch die Anlagenperipherie hochgefahren werden müssen. Entsprechend muss die Anlagenperipherie mit elektrischer Energie versorgt werden, die von dem elektrischen Ausgangsnetz über den DC-Zwischenkreis bezogen wird. Der Modus geringer Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellensystems meint, dass die Brennstoffzellenstapel noch nicht genügend elektrische Energie und in den DCZwischenkreis einspeisen, als dass diese alleine zum Betrieb der Anlagenperipherie ausreicht. Es wird also zusätzliche elektrische Energie aus dem elektrischen Aus-

gangsnetz bezogen, um die Anlagenperipherie zu versorgen.

Nach dem Aufwärmen der Brennstoffzellenstapel kann jedoch die Arbeitsrichtung des zumindest einen DC/AC-Wandlers geändert werden, etwa durch Umschalten der Arbeitsrichtung bei einem DC/AC-Wandler oder bei zwei in entgegengesetzten Richtungen arbeitenden DC/AC-Wandlern durch jeweiliges Ausschalten und Einschalten je eines der beiden DC/AC-Wandler. Die nun vom Brennstoffzellensystem hinreichend erzeugte elektrische Energie kann das Anlagenperipherienetz versorgen und der Überschuss im DC-Zwischenkreis kann in das elektrische Ausgangsnetz einge-

speist werden.

Das Verfahren kann ferner die folgenden Schritte aufweisen: — Auftreten einer Netzstörung des elektrischen Ausgangsnetzsystems,

— Feststellen der aufgetretenen Netzstörung, und

Vorteilhafterweise kann die aufgetretene Netzstörung durch eine Messung eines Spannungsanstiegs in einem DC-Zwischenkreis zwischen dem Brennstoffzellensys-

tem und dem elektrischen Ausgangsnetzsystem festgestellt werden.

Ferner vorteilhafterweise kann die von dem elektrischen Leistungswiderstand umgewandelte elektrischen Energie in Abhängigkeit von der im DC-Zwischenkreis gemes-

senen Spannung geregelt werden.

Schließlich können vorteilhafterweise die Lastpunkte der im Betrieb befindlichen Brennstoffzellenstapel nach Feststellen der Netzstörung im Rahmen der seitens der Brennstoffzellenstapel zur Verfügung stehenden Leistungsdynamik heruntergefahren

werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus-

führungsbeispiele im Einzelnen beschreiben sind. Es zeigen schematisch: Fig. 1 einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage, Fig. 2 einen Ausschnitt des Schaltplans der Brennstoffzellenanlage aus Fig. 1,

Fig. 3a-3k einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand abgeänderter Ausschnitte des Schaltplans der Brennstoffzellenanlage aus Fig. 2,

und

Fig. 4a-4c unterschiedliche galvanische Trennungskonzepte der Brennstoffzellen-

anlage aus Fig. 1.

Identische oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit

demselben Bezugszeichen bezeichnet.

Figur 1 zeigt einen Schaltplan einer Brennstoffzellenanlage 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Brennstoffzellenanlage 1 umfasst eine Vielzahl von

Brennstoffzellenstapeln 10, die jeweils parallel zueinander mit einem DC-

Zwischenkreis 40 verschaltet sind. Wie Fig. 4 als Alternative der Brennstoffzellenan-

lage 1 aus Fig. 1 zeigt, können die Brennstoffzellenstapel 10 alternativ aber auch in

Reihe miteinander geschaltet sein.

Neben den Brennstoffzellenstapeln 10 sind ein elektrisches Ausgangsnetzsystem 20, ein elektrisches Anlagenperipherienetz 30 und ein elektrisches Leistungswiderstandsnetz 50 jeweils parallel zueinander und zu den Brennstoffzellenstapeln 10 mit-

tels des DC-Zwischenkreises 40 verschaltet.

Figur 2 zeigt den in Fig. 1 mit dem Buchstaben A gekennzeichneten Ausschnitt der Brennstoffzellenanlage 1 der Fig. 1, die dort beispielhaft zehn Brennstoffzellenstapel 10 umfasst, wobei alternativ auch mehr oder weniger Brennstoffzellenstapel 10 vorhanden sein können. Fig. 2 zeigt demnach in einer Detailansicht nur noch beispielhaft drei Brennstoffzellenstapel 10, wobei die weiteren Brennstoffzellenstapel 10 der

Fig. 1 hier nicht gezeigt sind oder alternativ entfallen können.

Die Brennstoffzellenstapel 10 sind Teil eines Brennstoffzellensystems 12, welches zudem DC/DC-Wandler 14 umfasst, wobei je einem Brennstoffzellenstapel 10 ein DC/DC-Wandler 14 zugeordnet ist. Mittels je eines der DC/DC-Wandler 14 ist jeder der Brennstoffzellenstapel 10 so elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis 40 verbunden, der vorliegend ein DC-Zwischenkreis ist (DC meint „Direct Current“, auf Deutsch

Gleichstrom oder Gleichspannung).

Das elektrische Ausgangsnetzsystem 20 weist seinerseits einen AC/DC-Wandler 22 auf, der an ein elektrisches Ausgangsnetz 24 angeschlossen ist. Der AC/DCWandler 22 kann insbesondere ein bidirektionaler AC/DC-Wandler 22 sein oder alternativ können zwei unidirektionale AC/DC-Wandler 22 Verwendung finden, die in entgegengesetzte Richtungen arbeiten (AC meint „Alternating Current“, auf Deutsch Wechselstrom oder Wechselspannung). Dadurch kann elektrische Energie oder, mit anderen Worten, elektrischer Strom aus dem DC-Zwischenkreis 40 an das elektrische Ausgangsnetz 24 abgeführt werden oder aus dem elektrischen Ausgangsnetz

24 in den DC-Zwischenkreis 40 eingespeist werden.

Das elektrische Anlagenperipherienetz 30 weist seinerseits Anlagenperipherie 34, wie beispielsweise Pumpen, Sensoren, Wärmetauscher, Dichtungen, Kompressoren, Rezirkulationsgebläse, Ladeluftkühler und/oder Befeuchter zum Unterstützen des

Betriebs des Brennstoffzellensystems 12 auf. Die Anlagenperipherie 34 ist über ei-

nen Wandler 32 an den DC-Zwischenkreis 40 angeschlossen. Der Wandler 32 ist

hier als ein DC/AC-Wandler ausgeführt, kann alternativ aber auch als ein DC/DC-

Wandler ausgeführt sein.

Das elektrische Leistungswiderstandsnetz 50 weist einen elektrischen Leistungswiderstand 52 und eine Leistungselektronik 54 auf, die mit dem DC-Zwischenkreis 40 elektrisch verbunden sind. Die Leistungselektronik 54 kann ihrerseits verschiedene Komponenten aufweisen, wie insbesondere Spannungsmesser zum Messen der Spannung in dem DC-Zwischenkreis 40 und/oder einen Regler zum Regeln der dem elektrischen Leistungswiderstand 52 zugeführten elektrischen Energie aus dem DC-

Zwischenkreis 40.

Ferner ist eine DC-Zwischenkreis-Kapazität 60 im DC-Zwischenkreis 40 vorgesehen. Wird diese hinreichend groß ausgeführt, hat die Leistungselektronik 54 mehr Reaktionszeit zum Regeln der DC-Zwischenkreisspannung. Wird diese klein ausgeführt,

muss die Leistungselektronik 54 sehr gut aufeinander abgestimmt sein.

Die Figuren 3a bis 3k zeigen nun einen Verfahrensablauf eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand abgeänderter Ausschnitte des Schaltplans der Fig. 2. Die angegebenen Leistungen in kW sind dabei rein beispielhaft ge-

wählt und dienen lediglich dem besseren Verständnis.

In der Fig. 3a ist dabei ein Aufwärmmodus oder Anfahrschritt zu erkennen, bei dem die Brennstoffzellenstapel 10 noch nicht im Betrieb sind und angefahren werden sollen. Dazu wird elektrische Energie von dem bidirektional funktionsfähigen DC/ACWandler 22 gemäß einer ersten Arbeitsrichtung (angedeutet durch den mit 10 kW überschriebenen Pfeil) in den DC-Zwischenkreis 14 eingespeist, von dem aus wiederum die Anlagenperipherie 34 zum Anfahren des Brennstoffzellensystems 12 ge-

speist wird.

In der Fig. 3b ist zu sehen, wie die Brennstoffzellenstapel 10 langsam mit geringer Leistung angefahren werden. Im Gegenzug wird die elektrische Energie, die vom elektrischen Ausgangsnetz 24 bezogen wird, stetig reduziert, hier beispielhaft von 10 kW in Fig. 3a auf 2,5 kW in Fig. 3b. Fig. 3b kann daher auch mit einem Betrieb oder Modus bei geringer Leistungsbereitstellung seitens des Brennstoffzellensystems 12 umschrieben werden.

de Energie zu Verfügung stellen.

In Fig. 3e ist die Brennstoffzellenanlage 1 im vollständigen Betrieb bei maximaler Leistung gezeigt, bei der jede der Brennstoffzellenstapel 10 hier beispielhaft eine

Leistung von 6 kW liefert.

In Fig. 3f ereignet sich eine Netzstörung in Form eines Netzausfalls des elektrischen Ausgangsnetzes 24. Das elektrische Ausgangsnetz 24 kann keine elektrische Energie aus dem DC-Zwischenkreis 40 mehr aufnehmen. Dieses Auftreten der Netzstörung kann vorteilhafterweise durch die Leistungselektronik 54 festgestellt werden, die durch ihren Spannungsmesser eine Spannungserhöhung in dem DC-Zwischenkreis 40 feststellt, die eine vordefinierte absolute und maximale Spannung übersteigt, sodass die Netzstörung festgestellt wird. Daraufhin wird der elektrische Leistungswiderstand 52 von der Leistungselektronik 54 aktiviert. Die elektrische Energie in dem DC-Zwischenkreis 40, die weiter von dem Brennstoffzellensystem 12 erzeugt und in den DC-Zwischenkreis 40 eingespeist wird, wird nun dem elektrischen Leistungswiderstand 52 zugeführt, welcher diese in Abwärme umwandelt. Diese Umwandlung geschieht außerhalb des Brennstoffzellensystems 12. Der elektrische Leistungswiderstand 52 wird vorteilhafterweise während seines Betriebs gekühlt, besonders vor-

teilhaft wassergekühlt.

Wenn die Netzstörung behoben ist, wie Fig. 3g zeigt, wird der elektrische Leistungs-

widerstand 52 deaktiviert. Das elektrische Ausgangsnetz 54 kann nun wieder elektri-

sche Energie aufnehmen, wie in der Fig. 3g geschieht.

Fig. 3h, 3i, 3] und 3k zeigen einen dem Aufwärmen bzw. Anfahren umgekehrten Ablauf beim Abkühlen bzw. Herunterfahren der Brennstoffzellenanlage 1. Wie Fig. 3h zeigt, werden die Lastpunkte der Brennstoffzellenstapel 10 dabei zunächst heruntergefahren, sodass nur noch eine verringerte Leistung an das elektrische Ausgangsnetz 23 abgeführt wird. Fig. 3] zeigt, wie diese Leistung weiter verringert wird. Schließlich zeigt Fig. 3k, wie wiederum der DC/AC-Wandler 22 in seiner Arbeitsrichtung umgeschaltet wird, um die Anlagenperipherie 34 bei ausgeschalteten Brennstoffzellenstapeln 10 mit elektrischer Energie zu versorgen, etwa um die Brennstoffzellenstapel 10 weiter zu kühlen.

Figur 4a zeigt eine Möglichkeit einer galvanischen Trennung (Grenzen der galvanischen Trennung hierin mit G bezeichnet) der einzelnen Brennstoffzellenstapel 10 an den ihnen zugeordneten DC/DC-Wandlern 14. Diese Form der galvanischen Trennung ist bei geringen Isolationswiderständen der Brennstoffzellenstapel 10 vorgesehen. Hohe Effizienzen können dennoch mit hochoptimierten DC/DC-Wandlern 14 der

Brennstoffzellenstapel 10 erreicht werden.

Alternativ ist, wie Fig. 4b zeigt, möglich, dass ein Transformator 26 zur zentralen galvanischen Trennung der Brennstoffzellenstapel 10 elektrisch mit dem zumindest einen DC/AC-Wandler 22 verbunden ist. Dies Art der galvanischen Trennung ist bei mittelgroßen Isolationswiderständen der Brennstoffzellenstapel 10 vorgesehen. Bei

größeren Leistungen ist der Wirkungsgrad des Transformators 26 zudem sehr hoch.

Schließlich ist alternativ möglich, wie es Fig. 4c zeigt, dass keine galvanische Trennung vorgesehen ist. Dies erlaubt die höchste Effizienz in der Brennstoffzellenanlage 1, Jedoch unter der Maßgabe, dass die Isolationswiderstände der Brennstoffzellenstapel 10 sehr groß sind.

Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorlie-

gende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

1 Brennstoffzellenanlage

10 Brennstoffzellenstapel

12 Brennstoffzellensystem

14 DC/DC-Wandler

20 elektrisches Ausgangsnetzsystem

22 DC/AC-Wandler (des elektrischen Ausgangsnetzsystems) 24 elektrisches Ausgangsnetz

30 elektrisches Anlagenperipherienetz

32 Wandler (des elektrischen Anlagenperipherienetzes) 34 Anlagenperipherie

40 DC-Zwischenkreis

50 elektrisches Leistungswiderstandsnetz

52 elektrischer Leistungswiderstand

54 Leistungselektronik

60 DC-Zwischenkreis-Kapazität

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Brennstoffzellenanlage (1), umfassend:

   — ein Brennstoffzellensystem (12), umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzel-

   lenstapeln (10) und diesen zugeordnete DC/DC-Wandler (14),

   — einen DC-Zwischenkreis (40), mit dem das Brennstoffzellensystem (12) mittels seiner DC/DC-Wandler (14) elektrisch verbunden ist,

   — ein elektrisches Ausgangsnetzsystem (20), umfassend ein elektrisches Ausgangsnetz (24) und zumindest einen DC/AC-Wandler (22), wobei der zumindest eine DC/AC-Wandler (22) elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis (40) verbunden ist, und

   — ein elektrischen Anlagenperipherienetz (30), umfassend Anlagenperipherie (34) und zumindest einen Wandler (32), zum Unterstützen eines Betriebs des Brennstoffzellensystems (12), wobei das elektrische Anlagenperipherienetz (30) elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis (40) verbunden ist.

   2. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (12), das elektrische Ausgangsnetzsystem (20) und das elektrische Anlagenperipherienetz (30) mittels des DC-Zwischenkreises (40)

   parallel zueinander geschaltet sind.

   3. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanlage (1) ferner ein elektrisches Leistungswiderstandsnetz (50) mit einem elektrischen Leistungswiderstand (52) zur Lastpunktsicherstellung der Brennstoffzellenstapel (10) bei Auftreten einer Netzstörung des elektrischen Ausgangsnetzsystems (20) umfasst, wobei das elektrische Leistungswiderstandsnetz (50) elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis (40) verbunden

   ist.

   4. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine DC/AC-Wandler (22) ein bidirektionaler DC/AC-Wandler zum bidirektionalen Betrieb des elektrischen Ausgangsnetz-

   systems (20) ist.

   aufweist.

   6. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine DC/AC-Wandler (22) einen Modus zum Versorgen des Anlagenperipherienetzes (30) mit elektrischer Energie von dem elektrischen Aus-

   gangsnetzsystem (20) aufweist.

   7. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wandler (32) des elektrischen Anlagenperipherienetzes (30) ein DC/AC-Wandler oder ein DC/DC-Wandler ist.

   8. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wandler (32) des elektrischen Anlagenperipherienetzes (30) und/oder mehrere DC/AC-Wandler (22) des elektrischen Ausgangsnetzsystems (20) parallel zueinander elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis (40) verbunden sind.

   9. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Brennstoffzellenstapel (10) an den ihnen

   zugeordneten DC/DC-Wandlern (14) galvanisch getrennt sind.

   10. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transformator (26) zur zentralen galvanischen Trennung der Brennstoffzellenstapel (10) elektrisch mit dem zumindest einen DC/AC-Wandler (22) verbunden ist.

   11. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn-

   zeichnet, dass keine galvanische Trennung vorgesehen ist.

   12. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte ge-

   kennzeichnet ist:

   geringer Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellensystems (12),

   — Ändern einer Arbeitsrichtung des zumindest einen DC/AC-Wandlers (22) des

   elektrischen Ausgangsnetzsystems (20),

   — Versorgen des elektrischen Anlagenperipherienetzes (30) mittels des DCZwischenkreises (40) mit elektrischer Energie aus dem aufgewärmten Brenn-

   stoffzellensystem (12), und

   — Einspeisen überschüssiger elektrischer Energie in dem DC-Zwischenkreis (40)

   in das elektrische Ausgangsnetz (24).

   13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren ferner durch die folgenden

   Schritte gekennzeichnet ist: — Auftreten einer Netzstörung des elektrischen Ausgangsnetzsystems (20), — Feststellen der aufgetretenen Netzstörung, und

   — Umwandeln von elektrischer Energie in dem DC-Zwischenkreis (40) in Abwärme mittels eines elektrischen Leistungswiderstandes (52) der Brennstoff-

   zellenanlage (1) zur Lastpunktsicherstellung der Brennstoffzellenstapel (10).

   14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetretene Netzstörung durch eine Messung eines Spannungsanstiegs in dem DC-

   Zwischenkreis (40) festgestellt wird.

   15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem elektrischen Leistungswiderstand (52) umgewandelte elektrischen Energie in Abhängigkeit von der im DC-Zwischenkreis (40) gemessenen Spannung geregelt

   wird.