DE102017211151A1

DE102017211151A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017211151A1
Application number: DE102017211151.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Weil; Ralf Brandenburger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit (12), zumindest einer Gleichstrommaschine (14) und zumindest einer Netzeinspeisungseinheit (16). Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich durch zumindest eine Schwungmasse (18) zur Zwischenspeicherung von Energie aus.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit, zumindest einer Gleichstrommaschine und zumindest einer Netzeinspeisungseinheit.
Stand der Technik
Das Dokument WO 2011/055218 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Gleichstrommaschine und einer Netzeinspeisungseinheit.
Offenbarung der Erfindung
Das vorliegende Brennstoffzellensystem zeichnet sich demgegenüber vorteilhaft durch zumindest eine Schwungmasse zur Zwischenspeicherung von Energie aus, durch die elektrische Lastwechsel an der Netzeinspeisungseinheit abgedämpft werden können.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch möglich. So ist in einer vorteilhaften Ausführung die Netzeinspeisungseinheit als Wechselstrommaschine ausgebildet, wodurch ein Wechselstrom mit hoher Güte für die Einspeisung ins Stromnetz generiert werden kann.
Vorzugsweise ist die Netzeinspeisungseinheit, insbesondere die Wechselstrommaschine, mechanisch, vorzugsweise über eine Welle, an die Gleichstrommaschine gekoppelt, wodurch eine besonders effiziente Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom erfolgen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist zumindest eine weitere Gleichstrommaschine angeordnet, die insbesondere mechanisch mit der Gleichstrommaschine, vorzugsweise über die Welle, gekoppelt ist, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird weitere stromerzeugende Einheiten anzuschließen.
Vorzugsweise ist zumindest eine weitere Brennstoffzelleneinheit angeordnet, die insbesondere elektronisch mit der weiteren Gleichstrommaschine verbunden ist, wodurch eine besonders effiziente Steigerung der Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems erreicht werden kann.
Vorteilhafterweise sind die Brennstoffzelleneinheit und die weitere Brennstoffzelleneinheit, insbesondere durch die Gleichstrommaschine und/oder die weitere Gleichstrommaschine, galvanisch voneinander getrennt, wodurch die Brennstoffzelle und die weitere Brennstoffzelle elektrisch unabhängig voneinander betrieben werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Netzeinspeisungseinheit als elektronischer Wechselrichter ausgebildet, wodurch die Gesamtkosten des Brennstoffzellensystems reduziert werden können.
In bevorzugter Weise ist die Netzeinspeisungseinheit, insbesondere der elektronische Wechselrichter, parallel zur Gleichstrommaschine geschaltet, wobei insbesondere die Schwungmasse mechanisch, vorzugsweise über die Welle, mit der Gleichstrommaschine gekoppelt ist, wodurch ebenfalls elektrische Lastwechsel an der Netzeinspeisungseinheit abgedämpft werden können.
Figurenliste
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems,
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems,
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems.

Figurenbeschreibung
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelleneinheit 12, eine Gleichstrommaschine 14 und eine Netzeinspeisungseinheit 16 auf. Das Brennstoffzellensystem 10 zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass eine Schwungmasse 18 zur Zwischenspeicherung von Energie angeordnet ist, durch welche elektrische Lastwechsel an der Netzeinspeisungseinheit 16 abgedämpft werden können.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Brennstoffzelleneinheit um einen Brennstoffzellenstack 20 mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Bei den Brennstoffzellen handelt es sich dabei um Feststoffoxid-Brennstoffzellen (SOFC = Solid Oxid Fuel Cell), welche mit Erdgas zur Erzeugung von Strom und Wärme betrieben werden. Alternativ ist es jedoch auch denkbar andere Typen von Brennstoffzellen zu verwenden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Netzeinspeisungseinheit 16 als Wechselstrommaschine 22 ausgebildet. Die Wechselstrommaschine 22 ist in dem gezeigten Fall als Synchronmaschine 24 ausgeführt. Allerdings ist es auch denkbar, dass die Wechselstrommaschine 22 als Asynchronmaschine ausgeführt ist. Durch die Wechselstrommaschine 22 wird erreicht, dass bei Erzeugung einer Wechselspannung, bzw. bei einem Wechselstrom, ein verzerrungsfreier sinusförmiger Spannungsverlauf, bzw. Stromverlauf, zur Einspeisung in das Stromnetz generiert wird. Dabei erfolgt die Einspeisung in das Stromnetz über die Leitungen L1, L2 und L3.
Die Netzeinspeisungseinheit 16, bzw. die Wechselstrommaschine 22, ist mechanisch, über eine Welle 26, an die Gleichstrommaschine 14 gekoppelt, wodurch eine besonders effiziente Generierung eines verzerrungsfreien Spannungsverlauft, bzw. Stromverlaufs, realisiert wird.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schwungmasse 18 ebenso mechanisch, im gezeigten Fall über dieselbe Welle 26, mit der Netzeinspeisungseinheit 16, bzw. der Wechselstrommaschine 22, verbunden, wodurch bei Bedarf eine besonders effiziente Übertragung von der zwischengespeicherten Energie von der Schwungmasse 18 auf die Netzeinspeisungseinheit 16, bzw. die Wechselstrommaschine 22, erfolgen kann.
Bei einem überlasteten Stromnetz tritt in der Regel der Fall ein, dass entsprechend einer Kennlinie der Brennstoffzelleneinheit 12, die durch die Brennstoffzelleneinheit 12 erzeugte Spannung sinkt. Durch die Spannungsverringerung an der Brennstoffzelleneinheit 12 sinkt auch die Drehzahl der Gleichstrommaschine 14, wodurch wiederum an der Netzeinspeisungseinheit 16, bzw. der Wechselstrommaschine 22, die Wechselspannungsfrequenz, welche proportional zur Drehzahl der Welle 26 ist, sinkt.
Das gezeigte Brennstoffzellensystem 10 wird in diesem Fall nun derart betrieben, dass zur Erhöhung der Spannung mehr Brennstoff, im gezeigten Fall mehr Erdgas, der Brennstoffzelleneinheit 12 zugeführt wird. Jedoch nimmt dieser Regelungsprozess eine gewisse Zeit, von einigen Sekunden oder sogar Minuten, in Anspruch, weshalb der Spannungseinbruch an der Brennstoffzelleneinheit 12 über diese Zeit anhält.
Durch die Schwungmasse 18, welche zwischengespeicherte Energie aus dem vorherigen Betrieb beinhaltet, wird dieser Spannungseinbruch nun ausgeglichen, wodurch während dieser Zeit weiterhin eine stabile Einspeisung von Wechselstrom durch die Netzeinspeisungseinheit 16 erfolgt.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Ausgehend von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine weitere Gleichstrommaschine 28 angeordnet, die mechanisch mit der Gleichstrommaschine 14, im gezeigten Fall über die Welle 26, gekoppelt ist, wodurch weitere stromerzeugende Einheiten an das Brennstoffzellensystem 10 angeschlossen werden können.
In dem gezeigten Fall ist eine weitere Brennstoffzelleneinheit 30 angeordnet, die elektrisch mit der weiteren Gleichstrommaschine 28 verbunden ist. Durch die weitere Brennstoffzelleneinheit 30 wird die Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems 10 effizient erhöht.
Bei der weiteren Brennstoffzelleneinheit 30 handelt es sich dabei um eine Brennstoffzelleneinheit, die baugleich zu der Brennstoffzelleneinheit 12 ist. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass eine Brennstoffzelleneinheit eines anderen Bautyps angeschlossen wird, oder sogar eine andere Art einer stromerzeugenden Einheit, wie beispielsweise einer Photovoltaik-, Wind- und/oder Wasseranlage.
Die Brennstoffzelleneinheit 12 und die weitere Brennstoffzelleneinheit 30 sind durch die Gleichstrommaschine 14 und die weitere Gleichstrommaschine 28, welche mechanisch miteinander gekoppelt sind, galvanisch voneinander getrennt. Durch diese galvanische Trennung wird es ermöglicht, andere Arten von stromerzeugenden Einheit besonders einfach anzuschließen, da keine direkte, elektrische Beeinflussung zwischen den Stromerzeugenden Einheiten stattfinden kann.
So kann durch die gezeigte Anordnung auch eine effiziente Stabilisierung des Stromnetzes mit einem hohen Anteil an stromerzeugenden Einheiten, wie der Brennstoffzelleneinheit 12 und der weiteren Brennstoffzelleneinheit 30, realisiert werden. Zudem ist es denkbar die weitere Brennstoffzelleneinheit 30 zur Egalisierung von Lastsprüngen, beispielsweise in einer Anwendung des Brennstoffzellensystems 10 in einem Inselnetz, einzusetzen.
In 3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Netzeinspeisungseinheit 16 als elektronischer Wechselrichter 32 ausgebildet. Durch den Einsatz des elektrischen Wechselrichters 32 können die Gesamtkosten des Brennstoffzellensystems 10 reduziert werden.
Die Netzeinspeisungseinheit 16, bzw. der elektronische Wechselrichter 32, ist parallel zur Gleichstrommaschine 14 geschaltet, während die Schwungmasse 18 direkt mit der Gleichstrommaschine 14 mechanisch, im gezeigten Fall über die Welle 26, gekoppelt ist. So kann eine besonders effiziente Übertragung von Energie zwischen der Schwungmasse 18 und der Netzeinspeisungseinheit 16 erfolgen, wobei die Einspeisung von Wechselstrom ins Stromnetz auch bei einem elektrischen Lastwechsel stabil bleibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2011/055218 A1 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem (10) mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit (12), zumindest einer Gleichstrommaschine (14) und zumindest einer Netzeinspeisungseinheit (16), gekennzeichnet durch zumindest eine Schwungmasse (18) zur Zwischenspeicherung von Energie.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzeinspeisungseinheit (16) als Wechselstrommaschine (22) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzeinspeisungseinheit (16), insbesondere die Wechselstrommaschine (22), mechanisch, vorzugsweise über eine Welle (26), an die Gleichstrommaschine (14) gekoppelt ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Gleichstrommaschine (28) angeordnet ist, die insbesondere mechanisch, vorzugsweise über die Welle (26), mit der Gleichstrommaschine (14) gekoppelt ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Brennstoffzelleneinheit (30) angeordnet ist, die insbesondere elektronisch mit der weiteren Gleichstrommaschine (28) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (12) und die weitere Brennstoffzelleneinheit (30), insbesondere durch die Gleichstrommaschine (14) und/oder die weitere Gleichstrommaschine (28), galvanisch voneinander getrennt sind.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzeinspeisungseinheit (16) als elektronischer Wechselrichter (32) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzeinspeisungseinheit (16), insbesondere der elektronische Wechselrichter (32), parallel zur Gleichstrommaschine (14) geschaltet ist, wobei insbesondere die Schwungmasse (18) mechanisch, vorzugsweise über die Welle (26), mit der Gleichstrommaschine (14) gekoppelt ist.