DE102004048703A1 - Device and method for starting and operating a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Bei der Vorrichtung und dem Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechselstromnetz (10) verbindbaren Brennstoffzellenanlage (2) ist ein bidirektionaler Wandler (26) vorgesehen, der derart ausgebildet ist, dass bei einem Normalbetrieb ein vom Brennstoffzellenstapel (4) der Brennstoffzellenanlage (2) erzeugter Gleichstrom zur Einspeisung in das Wechselstromnetz (10) in Wechselstrom umgewandelt wird. Umgekehrt wird während eines Startvorgangs ein über das Wechselstromnetz (10) zur Verfügung gestellter Wechselstrom der Brennstoffzellenanlage (2) zur Einspeisung in einen Gleichstrom-Zwischenkreis (14) umgewandelt. Durch diese Maßnahme sind zur Energieversorgung von Verbrauchern (6) der Brennstoffzellenanlage (2) auch während eines Startvorgangs keine zusätzlichen Energiequellen und kein zusätzlicher apparativer Aufwand erforderlich.at the apparatus and method for starting and operating a with a AC network (10) connectable fuel cell system (2) a bidirectional transducer (26) is provided which is formed in this way is that in a normal operation one from the fuel cell stack (4) the direct current generated by the fuel cell system (2) for feeding is converted into the AC mains (10) in AC. Vice versa is during a startup via the AC mains (10) provided AC the fuel cell system (2) for feeding into a DC link (14) converted. By this measure are for energy supply of consumers (6) of the fuel cell system (2) even during a Startup no additional Energy sources and no additional equipment required.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechselstromnetz verbindbaren Brennstoffzellenanlage, die einen Brennstoffzellenstapel zur Energieerzeugung, einen sich hieran anschließenden Gleichstrom-Zwischenkreis mit zumindest einem Verbraucher sowie einen Wandler aufweist, über den die Brennstoffzellenanlage mit dem Wechselstromnetz zu verbinden ist.The The invention relates to a device and a method for starting and operating a fuel cell system that can be connected to an AC network, the one fuel cell stack for power generation, one itself adjoining DC link with at least one consumer and a converter over which the Fuel cell system to connect to the AC power is.

Bei Brennstoffzellenanlagen sind sowohl mobile Anlagen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, als auch stationäre Brennstoffzellenanlagen, beispielsweise zur dezentralen Energieversorgung bekannt, wie beispielsweise aus der DE 43 18 818 C2 zu entnehmen ist.In fuel cell systems, both mobile systems, for example in motor vehicles, as well as stationary fuel cell systems, for example for decentralized energy supply are known, such as from DE 43 18 818 C2 can be seen.

Zum Betrieb der Brennstoffzellenanlage ist es erforderlich, die einzelnen Brennstoffzellen einerseits mit einem Anodengas, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, und andererseits mit einem Kathodengas, beispielsweise Wasserstoff oder ein sonstiges Brenngas, zu beschicken. Zur Erzeugung elektrischen Stroms mittels einer Brennstoffzellenanlage sind unterschiedliche Brennstoffzellentypen bekannt. Ein gebräuchlicher Brennstoffzellentyp ist die so genannte PEM-Brennstoffzelle, welche eine protonenleitende Elektrolyt Membran (Proton exchange membrane) aufweist. Bei einer mit Luft betriebenen PEM-Brennstoffzellenanlage müssen vergleichsweise große Luftmengen durch die Brennstoffzellenanlage hindurchgefördert werden. Hierzu ist in aller Regel ein Verdichter oder ein Gebläse angeordnet. Zum Betrieb der Brennstoffzellenanlage sind weitere Steuerelemente und sonstige Hilfsaggregate wie Stellmotoren für Ventile erforderlich. Üblicherweise beziehen diese Verbraucher der Brennstoffzellenanlage ihre Energie aus der Brennstoffzellenanlage selbst. Diese ist also im Betrieb autark.To the Operation of the fuel cell system requires the individual Fuel cells on the one hand with an anode gas, for example Oxygen or air, and on the other hand with a cathode gas, for example Hydrogen or other fuel gas to feed. To produce Electric power by means of a fuel cell system are different Fuel cell types known. A common fuel cell type is the so-called PEM fuel cell, which is a proton-conducting Electrolyte membrane (proton exchange membrane) has. At a with air-operated PEM fuel cell system must be comparatively size Air quantities are conveyed through the fuel cell system. For this purpose, usually a compressor or a fan is arranged. To operate the fuel cell system are other controls and other auxiliary equipment such as actuators for valves required. Usually these consumers of the fuel cell system draw their energy from the fuel cell system itself. So this is in operation self-sufficient.

Allerdings ist zum Starten einer Brennstoffzellenanlage für diese Verbraucher eine Fremdenergiezufuhr erforderlich, bis die Brennstoffzellenanlage in ausreichender Menge Energie abgibt.Indeed is to start a fuel cell system for these consumers a foreign energy supply required until the fuel cell system in sufficient quantity Gives off energy.

Bei der aus der DE 43 18 818 C2 zu entnehmenden mobilen Anwendung in einem Kraftfahrzeug ist zum Starten der Brennstoffzellenanlage ein eigener batteriebetriebener Startermotor zum Betreiben des Verdichters vorgesehen. Anschließend wird auf einen zweiten, mit der höheren Betriebsspannung der Brennstoffzellenanlage betreibbaren Motor für den Verdichter umgeschaltet. Dies erfordert jedoch die Verwendung eines zweiten Antriebsmotors, welcher für die deutlich geringere Spannung der Starterbatterie ausgelegt ist.At the time of the DE 43 18 818 C2 to be removed mobile application in a motor vehicle is provided for starting the fuel cell system, a separate battery-powered starter motor for operating the compressor. Subsequently, it is switched to a second, operable with the higher operating voltage of the fuel cell system engine for the compressor. However, this requires the use of a second drive motor, which is designed for the much lower voltage of the starter battery.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei einer stationären, an einem Wechselstromnetz angeschlossenen Brennstoffzellenanlage ein geeignetes Start- und Betriebsverfahren für die Brennstoffzellenanlage zu ermöglichen.Of the Invention is based on the object, especially in a stationary, to an AC power system connected fuel cell system suitable starting and operating method for the fuel cell system to enable.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechselstromnetz verbindbaren Brennstoffzellenanlage, die einen Brennstoffzellenstapel zur Energieerzeugung, einen sich hieran anschließenden Gleichstrom-Zwischenkreis mit zumindest einem Verbraucher sowie einen Wandler aufweist, über den die Brennstoffzellenanlage mit dem Wechselstromnetz zu verbinden ist. Zur Bereitstellung der Fremdenergie für den Startvorgang der Brennstoffzellenanlage ist hierbei vorgesehen, dass der Wandler bidirektional ausgebildet ist, und zwar derart, dass beim Normalbetrieb ein vom Brennstoffzellenstapel erzeugter Gleichstrom zur Einspeisung in das Wechselstromnetz in Wechselstrom umgewandelt wird. Umgekehrt ist der Wandler gleichzeitig derart ausgebildet, dass während des Startvorgangs ein über das Wechselstromnetz zur Verfügung gestellter Wechselstrom der Brennstoffzellenanlage zur Einspeisung in den Gleichstrom-Zwischenkreis in Gleichstrom umgewandelt wird.The Task is according to the invention solved by a device for starting and operating one with a AC power connectable fuel cell plant, which has a Fuel cell stack for power generation, a subsequent DC link with at least one consumer and a converter over which connect the fuel cell system to the AC grid is. To provide the external energy for the starting process of the fuel cell system is provided here that the converter is bidirectional is, in such a way that during normal operation, one from the fuel cell stack generated direct current for feeding into the alternating current network in AC is converted. Conversely, the converter is at the same time trained that while the startup process via the AC mains available Asked alternating current of the fuel cell system for feeding is converted into the DC link in DC.

Bei einer derartigen Brennstoffzellenanlage ist von besonderem Vorteil, dass auf separate zusätzliche Einrichtungen oder Energiespeicher für den Startvorgang verzichtet werden kann und wird, und dass zur Bereitstellung der für den Startvorgang notwendigen elektrischen Energie für die brennstoffzelleneigenen Verbraucher lediglich Komponenten benötigt werden, die auch im Normalbetrieb benötigt werden. Es ist daher kein oder nur ein geringer zusätzlicher apparativer Aufwand notwendig, um die Brennstoffzellenanlage beim Startvorgang mit Energie zu versorgen.at Such a fuel cell system is of particular advantage that on separate extra Facilities or energy storage omitted for the startup can and will, and that to provide for the boot process necessary electrical energy for the fuel cell's own Consumers need only components that are also in normal operation needed. It is therefore no or only a small additional expenditure on equipment necessary to power the fuel cell system during startup to supply.

Vorzugsweise weist der bidirektionale Wandler hierbei zumindest eine in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz sperrende Diode sowie ein parallel zur Diode angeordnetes elektronisches Schaltelement auf, insbesondere ein steuerbares Halbleiter-Bauelement, beispielsweise ein Transistor. Dieser Ausgestaltung liegt hierbei die Idee zugrunde, in Abhängigkeit der Durchflussrichtung, also entweder vom Wechselstromnetz zum Gleichstrom-Zwischenkreis oder umgekehrt, getrennte Strompfade vorzusehen, wobei in der einen Richtung vom Wechselstromnetz zum Gleichstromnetz eine gleichrichtende Diode angeordnet und in umgekehrter Durchflussrichtung das steuerbare Schaltelement angeordnet ist, über das die Wechselspannung erzeugt wird. Durch die Integration dieser beiden Funktionen innerhalb des bidirektionalen Wandlers als gemeinsame Baueinheit ist hierbei eine besonders kompakte und kostengünstige Lösung verwirklicht.In this case, the bidirectional converter preferably has at least one diode which blocks the AC network in the direction of flow and an electronic switching element arranged parallel to the diode, in particular a controllable semiconductor component, for example a transistor. This embodiment is based on the idea of providing separate current paths depending on the direction of flow, ie either from the AC mains to the DC intermediate circuit or vice versa, wherein a rectifying diode is arranged in one direction from the AC mains to the DC network and the controllable switching element is arranged in the reverse flow direction , via which the AC voltage is generated. By integrating these two functions within the bidirectional converter as common Assembly here is a particularly compact and cost-effective solution realized.

Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung sind für jede Phase des Wechselstromnetzes je zwei Paare vorgesehen, die jeweils gebildet sind aus einer Diode und einem Schaltelement. Zwischen den beiden Paaren liegt ein jeweiliger Phasenanschluss, d.h., die jeweilige Phase des Wechselstromnetzes liegt zwi schen den beiden Paaren und damit zwischen den beiden Dioden an, die daher nach Art eines Brückengleichrichters angeordnet sind.According to one expedient development are for each phase of the AC network two pairs each provided, each formed of a diode and a switching element. Between the two pairs is a respective one Phase connection, that is, the respective phase of the AC network between the two pairs and thus between the two diodes which, therefore, in the manner of a bridge rectifier are arranged.

Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung weist der Wandler gleichstromseitig einen Zwischenkreiskondensator auf, um den zunächst pulsierenden Gleichstrom zu glätten.According to one expedient development, the converter has DC side a DC link capacitor to the first pulsating DC to smooth.

Um weiterhin zu gewährleisten, dass der Zwischenkreiskondensator beim Zuschalten des Wechselstromnetzes möglichst sanft aufgeladen wird, ist in einer bevorzugten Weiterbildung ein Vorwiderstand vor dem Zwischenkreiskondensator vorgesehen. Zweckdienlicherweise ist parallel zum Vorwiderstand ein Schalter angeordnet, welcher nach dem Aufladen des Zwischenkreiskondensators zum Überbrücken des Vorwiderstands geschlossen wird.Around continue to ensure that the DC link capacitor when connecting the AC mains preferably is gently charged, is in a preferred development Pre-resistor provided in front of the DC link capacitor. Conveniently, is a switch disposed parallel to the series resistor, which after charging the DC link capacitor to bridge the Resistive resistance is closed.

Im Hinblick auf die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz ist der Wandler zweckdienlicherweise derart ausgebildet, dass das Schaltelement in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz getaktet freigegeben wird, sobald die von der Brennstoffzellenanlage erzeugte Spannung über die Spannung im Gleichstrom-Zwischenkreis ansteigt. Hierzu ist insbesondere eine Steuereinheit vorgesehen.in the With regard to the conversion of direct current into alternating current in Direction of flow to the AC mains is the converter expediently formed such that the switching element in the flow direction is released to the AC mains clocked as soon as the of the Fuel cell system generated voltage rises above the voltage in the DC link. For this purpose, a control unit is provided in particular.

Um einen rückwärtigen Stromfluss beim Startvorgang in den Brennstoffzellenstapel zu vermeiden, ist diesem vorzugsweise ein Schutzelement, insbesondere eine Sperrdiode vorgeschaltet.Around a backward current flow to avoid during the starting process in the fuel cell stack is this preferably a protective element, in particular a blocking diode upstream.

Die Brennstoffzellenanlage dient insbesondere zur Einspeisung von Energie in ein Wechselstromnetz, in welchem neben der Brennstoffzellenanlage noch weitere Energieerzeuger Energie einspeisen. Für den Startvorgang kann daher problemlos Energie aus dem Wechselstromnetz bezogen werden.The Fuel cell system is used in particular for feeding energy in an AC network, in which next to the fuel cell system even more energy producers feed energy. For the boot process Therefore, it is easy to obtain energy from the AC grid.

Bei einer so genannten Insellösung, also einem dezentralen Wechselstromnetz, bei dem neben der Brennstoffzelle lediglich noch eine temporäre Stromquelle vorgesehen ist, insbesondere eine Batterie zur unterbrechungsfreien Stromversorgung, bezieht die Brennstoffzellenanlage ihre Startenergie zweckdienlicherweise aus dieser temporären Stromquelle.at a so-called island solution, So a decentralized AC grid, in addition to the fuel cell only a temporary power source is provided, in particular a battery for uninterruptible Power supply, the fuel cell system takes its starting energy expediently out of this temporary Power source.

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechselstromnetz verbundenen Brennstoffzellenanlage gemäß Anspruch 10. Die im Hinblick auf die Vorrichtung angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren anzuwenden. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The The object is further achieved by a method for Starting and operating a connected to an AC mains Fuel cell system according to claim 10. The advantages cited with regard to the device and preferred Embodiments are mutatis mutandis to apply the procedure. Further preferred embodiments of Method are the subclaims refer to.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und vereinfachten Darstellungen:One embodiment The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. Show it each in schematic and simplified representations:

1 Ein Schaltbild einer an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Brennstoffzellenanlage und 1 A circuit diagram of a connected to an AC power fuel cell system and

2 ein Ersatzschaltbild eines bidirektionalen Wandlers, wie er in der Brennstoffzellenanlage gemäß 1 eingesetzt ist. 2 an equivalent circuit diagram of a bidirectional transducer, as in the fuel cell system according to 1 is used.

Gemäß 1 umfasst eine PEM-Brennstoffzellenanlage 2 einen Brennstoffzellenstapel 4 zur Energieerzeugung, welcher üblicherweise mehrere miteinander verschaltete Brennstoffzellen aufweist. Die Brennstoffzellenanlage 2 weist weiterhin eine Mehrzahl von Verbrauchern 6 sowie eine elektronische Schaltung 8 zur Ankopplung der Brennstoffzellenanlage 2 an ein Wechselstromnetz 10 auf. Das Wechselstromnetz 10 ist hierbei durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Das Wechselstromnetz 10 ist im Ausführungsbeispiel als ein Inselnetz ausgeführt, welches lediglich eine temporäre Energiequelle 12, beispielsweise eine Batterie oder eine Notstromversorgung aufweist. Alternativ hierzu ist das Wechselstromnetz 10 ein Verbundnetz mit mehreren unabhängig von einander arbeitenden permanenten Energiequellen, beispielsweise weitere Brennstoffzellenanlagen 2 oder auch konventionelle Anlagen zur Energieerzeugung.According to 1 includes a PEM fuel cell system 2 a fuel cell stack 4 for power generation, which usually has a plurality of interconnected fuel cells. The fuel cell system 2 also has a plurality of consumers 6 as well as an electronic circuit 8th for coupling the fuel cell system 2 to an AC mains 10 on. The AC mains 10 is indicated by a dashed line. The AC mains 10 is executed in the embodiment as an island network, which only a temporary energy source 12 , For example, a battery or an emergency power supply has. Alternatively, the AC mains 10 a network with several independent permanent energy sources, such as other fuel cell systems 2 or conventional power plants.

Beim Betrieb der Brennstoffzellenanlage 2 erzeugt der Brennstoffzellenstapel 4 Gleichstrom, welcher in einen Gleichstromzwischenkreis 14 eingespeist wird. Über diesen Gleichstromzwischenkreis 14 werden die Verbraucher 6 mit Energie versorgt. Hierzu sind diese im Ausführungsbeispiel jeweils über einen Widerstand 16, einen Schalter 18 sowie einen DC/AC Wandler 20 angeschlossen. Die Verbraucher 6 sind insbesondere Motoren für den Antrieb eines Verdichters oder für den Stellantrieb eines Ventils. Der Großteil des vom Brennstoffzellenstapel 4 erzeugten Gleichstroms wird über die elektronische Schaltung 8 in Wechselstrom gewandelt, auf die Spannung des Wechselstromnetzes 10 transformiert und anschließend in das Wechselstromnetz 10 eingespeist.During operation of the fuel cell system 2 generates the fuel cell stack 4 DC, which in a DC link 14 is fed. About this DC link 14 become the consumers 6 energized. For this purpose, these are each in the embodiment via a resistor 16 , a switch 18 and a DC / AC converter 20 connected. The consumers 6 are in particular motors for driving a compressor or for the actuator of a valve. The bulk of the fuel cell stack 4 generated direct current is through the electronic circuit 8th converted into alternating current, to the voltage of the AC mains 10 transformed and then into the AC grid 10 one fed.

Ausgangsseitig am Brennstoffzellenstapel 4 ist eine Sperrdiode 24 in den Gleichstrom-Zwischenkreis 14 geschaltet, die einen Stromfluss in Richtung zum Brennstoffzellenstapel 4 unterbindet.On the output side of the fuel cell stack 4 is a blocking diode 24 in the DC link 14 switched, which causes a current flow towards the fuel cell stack 4 in derogation.

Die elektronische Schaltung 8 ist im Ausführungsbeispiel redundant ausgeführt, d.h., es sind zwei elektronische Schaltungen 8 parallel geschaltet. Durch die parallele Schaltung können auch sehr hohe Leistungen bereitgestellt werden.The electronic circuit 8th is redundant in the embodiment, ie, there are two electronic circuits 8th connected in parallel. Due to the parallel circuit also very high power can be provided.

Die elektronische Schaltung 8 weist in Durchflussrichtung vom Brennstoffzellenstapel 4 zum Wechselstromnetz 10 einen bidirektionalen Wandler 26, einen Filter 28, einen Vorwiderstand 30 zur Aufladung eines Zwischenkreiskondensators 39 (vgl. 2), einen den Vorwiderstand 30 überbrückenden Überbrückungs-Schalter 32 sowie einen Transformator 34 auf. Die Brennstoff zellenanlage 2 ist über einen Hauptschalter 36 mit dem Wechselstromnetz 10 verbindbar.The electronic circuit 8th points in the direction of flow from the fuel cell stack 4 to the AC mains 10 a bidirectional converter 26 , a filter 28 , a resistor 30 for charging a DC link capacitor 39 (see. 2 ), one the series resistor 30 bridging bypass switch 32 as well as a transformer 34 on. The fuel cell system 2 is via a main switch 36 with the AC mains 10 connectable.

Für den Startvorgang der Brennstoffzellenanlage 2 können die Verbraucher 6 nicht aus dem Brennstoffzellenstapel 4 heraus versorgt werden. Vorliegend ist nunmehr vorgesehen, dass für den Startvorgang die Verbraucher ihre Energie direkt aus dem Wechselstromnetz 10 beziehen. In Durchflussrichtung vom Wechselstromnetz 10 zum Gleichstrom-Zwischenkreis 14 wird daher der Wechselstrom mittels der elektrischen Schaltung 8 in Gleichstrom gewandelt und in den Gleichstrom-Zwischenkreis 14 zur Versorgung der Verbraucher 6 eingespeist. Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei der bidirektionale Wandler 26, welcher derart ausgebildet ist, dass er in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz 10 Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und in umgekehrter Durchflussrichtung zum Gleichstrom-Zwischenkreis 14 Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Durch diese Maßnahme ist sowohl für den normalen Betrieb der Brennstoffzellenanlage 2 als auch für deren Startvorgang keine zusätzliche Schaltung oder kein zusätzlicher apparativer Aufwand erforderlich. Vielmehr wird sowohl für den Normalbetrieb als auch für den Startbetrieb die gleiche elektrische Schaltung 8 herangezogen.For the starting process of the fuel cell system 2 can consumers 6 not from the fuel cell stack 4 be supplied out. In the present case, it is now provided that for the starting process, the consumers their energy directly from the AC mains 10 Respectively. In the direction of flow from the AC mains 10 to the DC link 14 Therefore, the alternating current by means of the electrical circuit 8th converted into direct current and into the DC link 14 to supply consumers 6 fed. Of essential importance here is the bidirectional converter 26 , which is designed such that it in the direction of flow to the AC network 10 Converts direct current into alternating current and in reverse flow direction to the DC intermediate circuit 14 Converts alternating current into direct current. By this measure, both for the normal operation of the fuel cell system 2 as well as for their startup no additional circuit or no additional equipment required. Rather, the same electrical circuit is used both for normal operation and for starting operation 8th used.

Der bidirektionale Wandler 26 ist in 2 in einem Ersatzschaltbild dargestellt. Er ist auf seiner Gleichstromseite 38 mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis 14 und auf seiner Wechselstromseite 40 mittelbar mit dem Wechselstromnetz 10 verbunden. Auf der Wechselstromseite 40 ist der bidirektionale Wandler 26 im Ausführungsbeispiel an die drei Phasen P1, P2, P3 eines Drehstromnetzes angeschlossen. Der bidirektionale Wandler 26 lässt sich in zwei Funktionsblöcke unterscheiden, nämlich einerseits ein Zwischenkreis 42 und andererseits ein Wechselrichterteil 44. Der auf der Gleichstromseite 38 angeordnete Zwischenkreis 42 umfasst mehrere als Leistungskondensatoren ausgebildete Zwischenkreiskondensatoren 39 sowie im Ausführungsbeispiel zwei parallel zu den Zwischenkreiskonden satoren 39 angeordnete Entladewiderstände. Die Zwischenkreiskondensatoren 39 dienen zum Glätten des vom Wechselrichterteil 44 bereitgestellten pulsierenden Gleichstroms.The bidirectional converter 26 is in 2 shown in an equivalent circuit diagram. He is on his dc side 38 with the DC link 14 and on its AC side 40 indirectly with the AC mains 10 connected. On the AC side 40 is the bidirectional converter 26 connected in the embodiment of the three phases P1, P2, P3 of a three-phase network. The bidirectional converter 26 can be divided into two function blocks, namely on the one hand a DC link 42 and on the other hand, an inverter part 44 , The one on the DC side 38 arranged intermediate circuit 42 comprises several intermediate circuit capacitors designed as power capacitors 39 and in the embodiment, two parallel to the DC bus capacitor 39 arranged discharge resistors. The DC link capacitors 39 serve for smoothing of the inverter part 44 provided pulsating direct current.

Der Wechselrichterteil 44 weist im Ausführungsbeispiel für jede der drei Phasen P1, P2, P3 jeweils zwei Bauteil-Paare auf, die jeweils aus einem elektronischen Schaltelement 48 und einer Sperrdiode 46 bestehen. Der Anschluss der jeweiligen Phase P1, P2, P3 befindet sich hierbei zwischen diesen beiden Bauteil-Paaren. Die Sperrdioden 46 sind derart angeordnet, dass in Durchflussrichtung zur Gleichstromseite 38 eine positive Halbwelle des Wechselstroms durch die eine Sperrdiode 46 und die negative Halbwelle durch die andere Sperrdiode 46 durchgeleitet wird. Die Sperrdioden 46 sind daher nach Art eines Brückengleichrichters angeordnet. Die jeweiligen Bauteil-Paare der einzelnen Phasen P1, P2, P3 liegen auf ihrer dem Phasenanschluss abgewandten Seite auf gleichem Gleichstrompotential.The inverter part 44 In the exemplary embodiment, for each of the three phases P1, P2, P3 in each case two component pairs, each consisting of an electronic switching element 48 and a blocking diode 46 consist. The connection of the respective phase P1, P2, P3 is in this case between these two component pairs. The blocking diodes 46 are arranged such that in the flow direction to the DC side 38 a positive half wave of the alternating current through the one blocking diode 46 and the negative half-wave through the other blocking diode 46 is passed through. The blocking diodes 46 are therefore arranged in the manner of a bridge rectifier. The respective component pairs of the individual phases P1, P2, P3 lie on their side facing away from the phase connection at the same DC potential.

In umgekehrter Durchflussrichtung zur Wechselstromseite 40 ist der Durchfluss über die Sperrdioden 46 gesperrt. Sobald die über den Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Spannung auf der Gleichstromseite 38 die Spannung auf der Wechselstromseite 40 erreicht oder übersteigt, werden die elektronischen Schaltelemente 48 getaktet geschaltet, so dass zur Erzeugung von Wechselstrom ein Stromdurchfluss in Richtung zum Wechselstromnetz 10 über die drei Phasen P1, P2, P3 erfolgt. Üblicherweise ist hierzu ein Spannungsregler vorgesehen, der während der Startphase die Spannung auf der Gleichstromseite 38 auf einen vorbestimmten Wert regelt, der unterhalb der Betriebsspannung des Brennstoffzellenstapels 4 liegt. Mit zunehmender Einspeisung vom Brennstoffzellenstapel 4 wird die über den Spannungsregler vom Wechselstromnetz 10 eingespeiste Leistung zunehmend kleiner und geht auf Null zurück, sobald die Spannung des Brennstoffzellenstapels die über den Spannungsregler eingestellte Spannung im Gleichstrom-Zwischenkreis übersteigt. Der Spannungsregler wird dann abgeschaltet.In the reverse flow direction to the AC side 40 is the flow through the blocking diodes 46 blocked. Once the voltage provided across the fuel cell stack on the DC side 38 the voltage on the AC side 40 reaches or exceeds, the electronic switching elements 48 switched clocked, so that to generate alternating current, a current flow in the direction of the AC network 10 takes place over the three phases P1, P2, P3. Usually, a voltage regulator is provided for this purpose, which during the starting phase, the voltage on the DC side 38 regulated to a predetermined value, which is below the operating voltage of the fuel cell stack 4 lies. With increasing feed from the fuel cell stack 4 is the via the voltage regulator from the AC mains 10 fed power is increasingly smaller and goes back to zero as soon as the voltage of the fuel cell stack exceeds the set voltage via the voltage regulator in the DC link. The voltage regulator is then switched off.

Beim Hochfahren der Brennstoffzellenanlage 2 werden daher die Verbraucher 6, insbesondere ein Gasventil zur Gasversorgung des Brennstoffzellenstapels 4, eine Steuereinheit zur Anlagensteuerung sowie ein Verdichter oder Kompressor, der die für den Brennstoffzellenbetrieb erforderliche Luft in die Kathoden-Gasräume der Brennstoffzelle pumpt, mit Energie aus dem Wechselstromnetz 10 versorgt.When starting up the fuel cell system 2 become the consumers 6 , in particular a gas valve for supplying gas to the fuel cell stack 4 , a control unit for system control and a compressor or compressor, which pumps the required for the fuel cell operation air into the cathode gas chambers of the fuel cell, with energy from the AC network 10 provided.

Zum Startvorgang wird der Hauptschalter 36 geschlossen, so dass die Brennstoffzellenanlage 2 mit dem Wechselstromnetz 10 verbunden ist. Nach dem Schließen des Hauptschalters 36 wird der Zwischenkreiskondensator 39 über den Vorwiderstand 30 zunächst allmählich aufgeladen. Nach einer vordefinierten Ladezeit wird der anfangs offene Überbrückungs-Schalter 32 geschlossen, so dass der Vorwiderstand 30 überbrückt ist. Der Zwischenkreiskondensator 39 dient zur Glättung des vom bidirektionalen Wandler 26 bereitgestellten Gleichstroms.The main switch is used for starting 36 closed, leaving the fuel cell system 2 with the AC mains 10 connected is. After closing the main switch 36 becomes the DC link capacitor 39 over the series resistor 30 initially charged gradually. After a predefined load time, the initially open bypass switch becomes 32 closed, so that the series resistor 30 is bridged. The DC link capacitor 39 serves for smoothing of the bidirectional transducer 26 provided direct current.

Sobald die Verbraucher 6 mit Energie versorgt sind, kann die Brennstoffzellenanlage 2 hochgefahren werden, d.h., der Kompressor für das Fördern der Luft wird aktiviert, das Wasserstoff-Ventil wird geöffnet und insgesamt wird die Steuerung aktiviert, so dass allmählich vom Brennstoffzellenstapel 4 Strom erzeugt wird. Sobald die vom Brennstoffzellenstapel 4 erzeugte Gleichspannung über den Wert der Gleichspannung ansteigt, die über das Wechselstromnetz 10 in den Gleichstrom-Zwischenkreis 14 eingespeist wird, beginnt die Ansteuerung und damit die Taktung der elektronischen Halbleiter-Schaltelemente 48 und die Durchflussrichtung ändert sich in Richtung zum Wechselstromnetz 10.Once the consumers 6 are powered by the fuel cell system 2 are raised, ie, the compressor for conveying the air is activated, the hydrogen valve is opened and the control is activated in total, so gradually from the fuel cell stack 4 Electricity is generated. Once the fuel cell stack 4 generated DC voltage rises above the value of the DC voltage, which via the AC network 10 in the DC link 14 is fed, the control and thus the timing of the electronic semiconductor switching elements begins 48 and the flow direction changes toward the AC mains 10 ,

Ist das Wechselstromnetz 10 für einen Inselbetrieb mit der temporären Energiequelle 12 ausgelegt, so wird die temporäre Energiequelle nur für die Hochlaufphase der Brennstoffzellenanlage 2 zugeschaltet. Die temporäre Stromquelle ist insbesondere eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, deren Batterie im Brennstoffzellenbetrieb aufgeladen wird.Is the AC mains 10 for island operation with the temporary power source 12 designed so the temporary energy source is only for the startup phase of the fuel cell system 2 switched on. The temporary power source is in particular an uninterruptible power supply whose battery is charged in fuel cell operation.

Claims (14)

Vorrichtung zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechselstromnetz (10) verbindbaren Brennstoffzellenanlage (2), die einen Brennstoffzellenstapel (4) zur Energieerzeugung, einen sich hieran anschließenden Gleichstrom-Zwischenkreis (14) mit zumindest einem Verbraucher (6) sowie einen Wandler (26) aufweist, über den die Brennstoffzellenanlage mit dem Wechselstromnetz zu verbinden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (26) bidirektional ausgebildet ist, derart, dass bei einem Normalbetrieb ein vom Brennstoffzellenstapel (4) erzeugter Gleichstrom zur Einspeisung in das Wechselstromnetz (10) in Wechselstrom umgewandelt wird und umgekehrt während eines Startvorgangs ein über das Wechselstromnetz (10) zur Verfügung gestellter Wechselstrom der Brennstoffzellenanlage (2) zur Einspeisung in den Gleichstrom-Zwischenkreis (14) in Gleichstrom umgewandelt wird.Device for starting and operating one with an alternating current network ( 10 ) connectable fuel cell system ( 2 ) containing a fuel cell stack ( 4 ) for power generation, a subsequent DC link ( 14 ) with at least one consumer ( 6 ) as well as a converter ( 26 ), via which the fuel cell system is to be connected to the AC mains, characterized in that the converter ( 26 ) is bidirectional, such that in a normal operation one of the fuel cell stack ( 4 ) generated direct current for feeding into the AC network ( 10 ) is converted to alternating current and vice versa during a startup via the AC mains ( 10 ) provided AC of the fuel cell system ( 2 ) for feeding into the DC link ( 14 ) is converted into direct current. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Wandler (26) eine in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz (10) sperrende Diode (46) und ein parallel zur Diode (46) angeordnetes elektronisches Schaltelement (48) aufweist.Device according to Claim 1, characterized in that the bidirectional converter ( 26 ) one in the direction of flow to the AC network ( 10 ) blocking diode ( 46 ) and one parallel to the diode ( 46 ) arranged electronic switching element ( 48 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Phase (P1, P2, P3) des Wechselstromnetzes (10) je zwei Diode (46) – Schaltelement (48) Paare vorgesehen sind, zwischen denen ein jeweiliger Phasenanschluss liegt, wobei die Dioden (46) nach Art eines Brückengleichrichters angeordnet sind.Apparatus according to claim 2, characterized in that for each phase (P1, P2, P3) of the AC mains ( 10 ) two diodes each ( 46 ) - switching element ( 48 ) Pairs are provided, between which a respective phase connection lies, wherein the diodes ( 46 ) are arranged in the manner of a bridge rectifier. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gleichstromseitig ein Zwischenkreiskondensator (39) vorgesehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that on the DC side, a DC link capacitor ( 39 ) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zwischenkreiskondensator (39) ein Vorwiderstand (30) vorgeschaltet ist.Apparatus according to claim 4, characterized in that the intermediate circuit capacitor ( 39 ) a series resistor ( 30 ) is connected upstream. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Vorwiderstand (30) ein Schalter (32) zum Überbrücken des Vorwiderstands (30) angeordnet ist.Apparatus according to claim 5, characterized in that parallel to the series resistor ( 30 ) a switch ( 32 ) for bridging the Vorwiderstands ( 30 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (26) derart ausgebildet ist, dass das Schaltelement (48) in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz (10) getaktet freigegeben wird, sobald die von dem Brennstoffzellenstapel (2) erzeugte Spannung über die Spannung im Gleichstrom-Zwischenkreis (14) ansteigt.Device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the transducer ( 26 ) is formed such that the switching element ( 48 ) in the direction of flow to the AC mains ( 10 ) is released as soon as the fuel cell stack ( 2 ) voltage across the voltage in the DC link ( 14 ) increases. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoffzellenstapel (4) eine Sperrdiode (24) vorgeschaltet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell stack ( 4 ) a blocking diode ( 24 ) is connected upstream. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselstromnetz (10) ein über die Brennstoffzellenanlage (2) versorgtes Inselnetz mit einer temporären Stromquelle (12) ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the AC mains ( 10 ) via the fuel cell system ( 2 ) isolated grid with a temporary power source ( 12 ). Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechselstromnetz (10) verbundenen Brennstoffzellenanlage (2), bei dem ein von einem Brennstoffzellenstapel (4) der Brennstoffzellenanlage (2) erzeugter Gleichstrom in einem Gleichstrom-Zwischenkreis (14) zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers (6) zur Verfügung gestellt und der nicht verbrauchte Stromanteil über einen Wandler (26) in Wechselstrom umgewandelt und in das Wechselstromnetz (10) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Starten der Brennstoffzellenanlage (2) Wechselstrom über den Wandler (26) in Gleichstrom umgewandelt und in den Gleichstrom-Zwischenkreis (14) zur Versorgung des Verbrauchers (6) eingespeist wird.Method for starting and operating one with an alternating current network ( 10 ) fuel cell system ( 2 ) in which one of a fuel cell stack ( 4 ) of the fuel cell system ( 2 ) generated DC in a DC link ( 14 ) for supplying at least one consumer ( 6 ) and the unused power share via a converter ( 26 ) are converted into alternating current and into the alternating current network ( 10 ) is fed, characterized in that for starting the fuel cell system ( 2 ) AC over the converter ( 26 ) converted into direct current and into the DC link ( 14 ) for the supply of the consumer ( 6 ) is fed. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Startvorgangs Strom in Durchflussrichtung zum Zwischenkreis (14) über eine Diode (46) und im Normalbetrieb Strom in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz (10) über ein parallel zur Diode (46) angeordnetes elektronisches Schaltelement (48) geleitet wird.A method according to claim 10, characterized in that during the start-up current in the flow direction to the DC link ( 14 ) via a diode ( 46 ) and in normal operation current in the direction of flow to the AC network ( 10 ) via a parallel to the diode ( 46 ) arranged electronic switching element ( 48 ). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Phase (P1, P2, P3) des Wechselstromnetzes (10) je zwei Diode (46) – Schaltelement (48) Paare vorgesehen sind, zwischen denen ein jeweiliger Phasenanschluss liegt, so dass in Durchflussrichtung zum Gleichstrom-Zwischenkreis (14) die Dioden (46) nach Art eines Brückengleichrichters wirken und in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz (10) die Schaltelemente (48) nach Art eines DC/AC-Wandlers wirken.A method according to claim 11, characterized in that for each phase (P1, P2, P3) of the AC mains ( 10 ) two diodes each ( 46 ) - switching element ( 48 ) Are provided, between which a respective phase connection is located, so that in the direction of flow to the DC link ( 14 ) the diodes ( 46 ) act in the manner of a bridge rectifier and in the direction of flow to the AC mains ( 10 ) the switching elements ( 48 ) act in the manner of a DC / AC converter. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (48) getaktet in Durchflussrichtung zum Wechselstromkreis (10) freigegeben werden, sobald die von dem Brennstoffzellenstapel (4) erzeugte Spannung die Spannung im Gleichstrom-Zwischenkreis (14) übersteigt.Method according to claim 11 or 12, characterized in that the switching elements ( 48 ) clocked in the direction of flow to the AC circuit ( 10 ) are released as soon as the fuel cell stack ( 4 ) voltage in the DC link ( 14 ) exceeds. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Wechselstromnetz (10) eine temporäre Stromquelle (12) vorgesehen ist, von der der für den Startvorgang der Brennstoffzellenanlage (2) erforderliche Strom bereitgestellt wird.Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that in the AC network ( 10 ) a temporary power source ( 12 ) is provided, of which for the starting process of the fuel cell system ( 2 ) required power is provided.
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