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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanlage
gemäß Patentanspruch
1 sowie eine Brennstoffzellenanlage gemäß Patentanspruch 11.
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Brennstoffzellen
gewinnen immer mehr an Bedeutung in zukunftsweisenden Konzepten
für die Energieerzeugung.
Brennstoffzellenanlagen mit einer Leistung im Bereich einiger Megawatt
werden für stationäre Kleinkraftwerke
und für
Antriebsausrüstungen,
z.B. Antriebssegmente von Schiffen, diskutiert. Eine Brennstoffzellenanlage
mit einer Leistung im Megawattbereich muss zwangsläufig aufgrund der
physikalischen Charakteristik der Brennstoffzellen modular, d.h.
aus einer Anzahl von selbständig betreibbaren
Brennstoffzellenmodulen, aufgebaut werden. Bei Niedertemperaturbrennstoffzellen
auf Basis der Polymerelektrolytmembran (PEM)-Technologie können sich
z.B. Module mit jeweils einer Leistung von einigen 100 kW als sinnvoll
gestalten.
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Jedes
dieser Brennstoffzellenmodule weist neben einem Brennstoffzellenstapel
weitere Hilfsaggregate auf, die für den Betrieb des Brennstoffzellenmoduls,
d.h. die Stromerzeugung im Brennstoffzellenstapel, notwendig sind.
Zu den Hilfsaggregaten zählen
z.B. eine Kühlwasserpumpe
für die
Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels,
mess- und regeltechnische Einrichtungen für die Steuerung und Regelung
des Brennstoffzellenmoduls sowie im Fall einer luftbetriebenen Brennstoffzellenanlage
ein Luftkompressor zum Zuführen
von verdichteter Luft zum Brennstoffzellenstapel.
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Viele
dieser Hilfsaggregate müssen
für ihren Betrieb
mit Strom versorgt werden. Falls die Hilfsaggregate bereits für das Starten
bzw. Hochlaufen des Brennstoffzellenmoduls benö tigt werden, muss deren Stromversorgung
sogar bereits für
deren Starten gewährleistet
sein.
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Aus
der WO 99/54159 ist es hierzu bekannt, einen Elektromotor zum Antrieb
eines Verdichters zum Zuführen
eines Betriebsmittels zum Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellenmoduls
während des
Startens des Brennstoffzellenmoduls bzw. Brennstoffzellenstapels
mit Strom aus einer Starterbatterie zu speisen.
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Bei
einer Brennstoffzellenanlage mit einer größeren Anzahl von Brennstoffzellenmodulen
ist für die
Versorgung der Hilfsaggregate sämtlicher
Brennstoffzellenmodule bei deren Start und ggfs. Betrieb eine ausreichend
groß dimensionierte
Stromquelle notwendig, die einen entsprechend großen Bauteilaufwand
und Platzbedarf benötigt.
Die Unterbringung einer solchen Stromquelle ist aufgrund ihres Platzbedarfes
insbesondere unter beengten Platzverhältnissen, z.B. an Bord von
Schiffen, problematisch.
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Es
ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum Starten
einer vorgenannten Brennstoffzellenanlage sowie eine dafür geeignete Brennstoffzellenanlage
anzugeben, die es erlauben, den Bauteilaufwand und Platzbedarf für die Stromversorgung
der Brennstoffzellenmodule klein zu halten.
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Die
Lösung
der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanlage gemäß Patentanspruch
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der
Unteransprüche
2 bis 10. Die auf die Brennstoffzellenanlage gerichtete Aufgabe
wird durch eine Brennstoffzellenanlage gemäß Patentanspruch 11 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen
der Brennstoffzellenanlage sind Gegenstand der Unteransprüche 12 bis
20. Eine Energieerzeugungseinrichtung mit einer derartigen Brennstoffzellenanlage
ist Gegenstand der Patentansprüche
21 bis 23.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird der für
den Start des in dem zweiten Schritt zumindest eines weiteren Brennstoffzellenmoduls
benötigte
Strom von zumindest einem der in dem ersten Schritt bereits gestarteten
Brennstoffzellenmodule geliefert und muss somit nicht von der zumindest
einen Stromquelle geliefert werden. Die zumindest eine Stromquelle
muss somit nur für
den Start eines Teils der Brennstoffzellenmodule und nicht für den Start
sämtlicher
Brennstoffzellenmodule der Brennstoffzellenanlage Strom zur Verfügung stellen;
sie kann entsprechend kleiner dimensioniert und dadurch mit geringem
Bauteilaufwand und Platzbedarf ausgeführt werden.
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Eine
weitere Verringerung der Stromentnahme aus der zumindest einen Stromquelle
ist dadurch möglich,
dass in dem zweiten Schritt weitere noch zu startende Brennstoffzellenmodule
mit Strom von zumindest einem der in dem ersten Schritt gestarteten Brennstoffzellenmodule
gestartet werden. Die zumindest eine Stromquelle muss somit nur
noch Strom für den
Start des zumindest einen in dem ersten Schritt gestarteten Brennstoffzellenmoduls
zur Verfügung stellen;
die weiteren zu startenden Brennstoffzellenmodule werden mit Strom
von zumindest einem der in dem ersten Schritt gestarteten Brennstoffzellenmodul
gestartet. Die zumindest eine Stromquelle kann somit besonders klein
dimensioniert werden. Da sämtliche
weiteren zu startenden Brennstoffzellenmodule in einem Schritt gestartet
werden, ist zudem ein besonders schnelles Starten der gesamten Brennstoffzellenanlage
möglich.
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Eine
weitere Verringerung der Stromentnahme aus der zumindest einen Stromquelle
ist auch dadurch möglich,
dass in weiteren Schritten weitere noch zu startende Brennstoffzellenmodule
mit Strom von zumindest einem in einem vorhergehenden Schritt gestarteten
Brennstoffzellenmodul gestartet werden. Auch hierbei muss die zumindest
eine Stromquelle nur Strom für
den Start des zumindest einen in dem ersten Schritt gestarteten
Brennstoffzellenmoduls zur Verfügung
stellen und kann ent sprechend klein dimensioniert werden. Jedes
der in dem zweiten Schritt sowie in den weiteren Schritten zu startetenden
Module wird mit Strom von zumindest einem vorhergehend gestarteten
Modul gestartet und kann nach erfolgtem Start wiederum Strom für den nachfolgenden
Start weiterer Brennstoffzellenmodule zur Verfügung stellen. Der für das Starten
der weiteren zu startenden Brennstoffzellenmodule benötigte Strom
muss somit nicht nur von dem zumindest einen in dem ersten Schritt
gestarteten Brennstoffzellenmodul geliefert werden, sondern es beteiligen
sich eine Vielzahl von Modulen an der Stromversorgung. Das zumindest
eine in dem ersten Schritt gestartete Modul kann somit hinsichtlich
seiner Ausgangsleistung in etwa gleich gross wie die weiteren Brennstoffzellenmodule
ausgelegt weden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass in dem zweiten Schritt genau ein weiteres der Brennstoffzellenmodule
mit Strom von zumindest einem der in dem ersten Schritt gestarteten
Brennstoffzellenmodul gestartet wird und in den weiteren Schritten
weitere noch zu startende Brennstoffzellenmodule mit Strom des jeweils
vorhergehend gestarteten Brennstoffzellenmoduls gestartet werden.
Es erfolgt somit ein sequentieller Start der einzelnen Brennstoffzellenmodule.
Jedes der in den weiteren Schritten gestarteten Module wird mit
Strom von genau einem vorhergehend gestarteten Modul gestartet und
stellt nach erfolgtem Start Strom für den nachfolgenden Starten genau
eines weiteren Brennstoffzellenmoduls zur Verfügung. Mit Ausnahme des zuletzt
zu startenden Moduls muss jedes der Module nur Strom für den Start
genau eines anderen Moduls zur Verfügung stellen. Dies erlaubt
eine hinsichtlich der Ausgangsleistung gleiche Dimensionierung sämtlicher
Brennstoffzellenmodule.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass nach dem Starten eines jeweiligen Brennstoffzellenmoduls auf
eine zumindest teilweise Eigenversorgung des Brennstoffzellenmoduls
umgeschaltet wird. Der für den
Betrieb der Hilfsaggregate eines Brennstoffzellenmoduls benötigte Strom
muss somit nicht mehr vollständig
von der zumindest einen Stromquelle oder einem anderen Brennstoffzellenmodul
geliefert werden, sondern wird zumindest teilweise von dem jeweiligen
Brennstoffzellenmodul selbst erzeugt.
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Die
auf die Brennstoffzellenanlage gerichtet Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
zumindest ein erstes der Brennstoffzellenmodule mit Strom aus zumindest
einer Stromquelle betreibbar ist und zumindest ein weiteres der
Brennstoffzellenmodule mit Strom aus zumindest einem der mit Strom
aus der zumindest einen Stromquelle betreibbaren Brennstoffzellenmodule
betreibbar ist. Da der Strom für
den Betrieb des zumindest einen weiteren Brennstoffzellenmoduls
von einem Brennstoffzellenmodul geliefert wird und nicht von der
zumindest einen Stromquelle geliefert werden muss, kann die zumindest
eine Stromquelle für
eine geringere Stromentnahme ausgelegt, entsprechend kleiner dimensioniert
und mit geringerem Bauteilaufwand und Platzbedarf ausgeführt werden.
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Eine
besonders geringe Stromentnahme aus der zumindest einen Stromquelle
ist dadurch erreichbar, dass sämtliche
weiteren Brennstoffzellenmodule jeweils mit Strom aus zumindest
einem der mit Strom aus der zumindest einen Stromquelle betreibbaren Brennstoffzellenmodule
betreibbar sind. Der für
den Betrieb der sämtlichen
weiteren Brennstoffzellenmodule benötigte Strom muss somit nicht
von der zumindest einen Stromquelle sondern von einem oder mehreren
der Brennstoffzellenmodule geliefert werden. Die zumindest eine
Stromquelle muss somit nur Strom für den Betrieb der direkt mit
von ihr mit Strom versorgten Brennstoffzellenmodule bereitsstellen und
kann somit für
eine besonders geringere Stromentnahme ausgelegt, entsprechend klein
dimensioniert und mit besonders geringem Bauteilaufwand und Platzbedarf
ausgeführt
werden.
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Eine
besonders geringe Stromentnahme aus der zumindest einen Stromquelle
ist auch dadurch erreichbar, dass sämtliche wei teren Brennstoffzellenmodule
jeweils mit Strom aus zumindest einem anderen der Brennstoffzellenmodule
betreibbar sind. Der für
den Betrieb der weiteren Brennstoffzellenmodule benötigte Strom
wird somit von den Brennstoffzellenmodulen der Brennstoffzellenanlage
selbst geliefert und muss nicht von der zumindest einen Stromquelle geliefert
werden.
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Eine
hinsichtlich der Ausgangsleistung gleiche Dimensionierung sämtlicher
Brennstoffzellenmodule mit dadurch ermöglichtem einfachen Aufbau und
einfacher Steuer- und Regelbarkeit der Brennstoffzellenanlage kann
dadurch ermöglicht
werden, dass sämtliche
weiteren Brennstoffzellenmodule jeweils mit Strom aus genau einem
anderen Brennstoffzellenmodul betreibbar sind. Jedes der Brennstoffzellenmodule
muss somit nur Strom für
den Betrieb genau eines anderen Brennstoffzellenmoduls zur Verfügung stellen.
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Vorteilhafterweise
sind die zumindest zwei Brennstoffzellenmodule zusätzlich jeweils
zumindest teilweise mit eigenem Strom betreibbar. Der für den Betrieb
eines jeweiligen Brennstoffzellenmoduls benötigte Strom muss dann nicht
vollstädnig
von der zumindest einen Stromquelle oder von einem anderen Brennstoffzellenmodul
erzeugt werden, sondern wird zumindest teilweise in dem jeweiligen
Brennstoffzellenmodul selbst erzeugt.
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Die
erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage
ist sowohl für
mobile als auch für
stationäre
Anwendungen geeignet und ist bevorzugt als Luft- und Wasserstoffanlage
(d.h. mit Luft und Wasserstoff betreibbar) ausgebildet.
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Aufgrund
des geringen Platzbedarfes der zumindest einen Stromquelle eignet
sich die Brennstoffzellenanlage besonders für Energieerzeugungseinrichtungen,
insbesondere auf schwimmenden Einrichtungen wie z.B. Schiffen oder
Forschungsplattformen.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß Merkmalen
der Unteransprüche
werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher erläutert. Funktional
gleiche bzw. einander entsprechende Elemente sind hierbei mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Es zeigen in vereinfachter Darstellung:
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1 eine Energieerzeugungseinrichtung mit
einer Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brennstoffzellenmodulen,
die mit Strom aus einem anderen Brennstoffzellenmodul betreibbar
sind;
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2 eine Energieerzeugungseinrichtung mit
einer Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brennstoffzellenmodulen,
die mit Strom aus einem gemeinsamen Brennstoffzellenmodul betreibbar sind;
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3 eine Energieerzeugungseinrichtung mit
einer Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brennstoffzellenmodulen,
die jeweils mit Strom aus genau einem Brennstoffzellenmodul betreibbar
sind;
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4 eine Energieerzeugungseinrichtung mit
einem automatischem Umschalten der Brennstoffzellenmodule auf Versorgung
mit eigenem Strom.
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Eine
in 1 in vereinfachter
Darstellung gezeigte Energieerzeugungseinrichtung 1 weist
eine Brennstoffzellenanlage 2 mit vier Brennstoffzellenmodulen 6a, 6b, 6c, 6d auf.
Bei der Brennstoffzellenanlage 2 handelt es sich beispielsweise
um eine mobile Luft- und Wasserstoffanlage. Die Energieerzeugungseinrichtung 1 kann
z.B. in einem Schiff zur Energieversorgung von Antriebseinheiten
des Schiffes wie z.B. Fahrmotoren vorgesehen werden. Bei Verwendung
von PEM-Brennstoffzellen sind die einzelnen Brennstoffzellenmodule 6a–d beispielsweise
für eine
Leistung von jeweils einigen 100 kW ausgelegt.
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Die
Brennstoffzellenmodule 6a–d weisen
jeweils einen nicht näher
dargestellten Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung von elektrischem
Strom sowie weitere für
den Betrieb des Brennstoffzellenmoduls notwendige Hilfsaggregate
wie z.B. einen Luftkompressor, eine Kühlwasserpumpe sowie mess- und
regeltechnische Einrichtungen auf, die mit Strom versorgt werden
müssen.
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Das
Brennstoffzellenmodul 6a ist hierzu über eine eingangsseitige Versorgungsleitung 9a mit Strom
aus einer externen Stromquelle 8 betreibbar. Der von dem
Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellenmoduls 6a erzeugte
Strom ist über
eine ausgangsseitige Anschlussleitung 10a abgreifbar. Das Brennstoffzellenmodul 6b ist
eingangsseitig über eine
Versorgungsleitung 9b mit der ausgangsseitigen Anschlussleitung 10a des
Brennstoffzellenmoduls 6a verbunden und mit Strom aus dem
Brennstoffzellenmodul 6a betreibbar. Die Brennstoffzellenmodule 6c bzw. 6d sind
eingangsseitig über
Versorgungsleitungen 9c bzw. 9d mit der ausgangsseitigen
Anschlussleitung 10b des Brennstoffzellenmoduls 6b verbunden
und mit Strom aus dem Brennstoffzellenmodul 6b betreibbar.
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Die
Stromquelle 8 ist nur zum Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 6a notwendig
und vorgesehen. Der für
den Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 6b benötigte Strom
wird vom Brennstoffzellenmodul 6a und der für den Betrieb
der Brennstoffzellenmodule 6c und 6d benötigte Strom
wird von dem Brennstoffzellenmodul 6b geliefert. Da die
Stromquelle 8 somit nur Strom für den Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 6a liefern
muss, kann sie auf einen kleinen Entnahmestrom ausgelegt, entsprechend
klein dimensioniert und mit geringem Platzbedarf ausgeführt werden.
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Über die
mit den ausgangsseitigen Anschlussleitungen 10a–d verbundenen
Verbindungsleitungen 11 kann der in den Brennstoffzellenmodulen
erzeugte Strom in einen Stromsammler 12 gespeist werden.
Zur elektrischen Entkoppelung der einzelnen Brennstoffzellenmodule 6a–d sind
in den Verbindungsleitungen 11 Entkoppelungsdioden 25 vorgesehen. Über den
Stromsammler 12 erfolgt, gegebenenfalls über ein
nicht näher
dargestelltes Gleichstromnetz und/oder ein Stromrichtersystem, die
Speisung von Verbraucher wie z.B. Motoren 13.
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Zum
Starten der Brennstoffzellenanlage 2 wird in einem ersten
Schritt durch Schließen
des Schalters 15a das Brennstoffzellenmodul 6a mit Strom
aus der Stromquelle 8 gestartet. Nach erfolgtem Start,
d.h. nach Erreichen der Betriebsspannung am Brennstoffzellenstapel
des Brennstoffzellenmoduls 6a, kann in einem zweiten Schritt
das Brennstoffzellenmodul 6b durch Schließen des
Schalters 15b mit Strom aus dem ersten Brennstoffzellenmodul 6a gestartet
werden. Nach erfolgtem Start des Brennstoffzellenmoduls 6b,
d.h. nach Erreichen der Betriebsspannung des Brennstoffzellenstapels
des Brennstoffzellenmoduls 6b, können in einem weiteren, dritten
Schritt durch Schließen
der Schalter 15c und 15d die Brennstoffzellenmodule 6c und 6d mit Strom
aus dem Brennstoffzellenmodul 6b gestartet werden. Das
Starten der Brennstoffzellenmodule 6a, 6b und 6c bzw. 6d erfolgt
somit sequentiell. Jeweils nach erfolgtem Start eines jeweiligen
Brennstoffzellenmoduls, d.h. Erreichen der Betriebsspannung des Brennstoffzellenstapels
des Brennstoffzellenmoduls kann bzw. können nachfolgende, in einem
weiteren Schritt zu startende Brennstoffzellenmodule von dem jeweiligen
Brennstoffzellenmodul mit Strom versorgt und gestartet werden.
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Das
Schließen
der Schalter 15a–d und
somit das sequentielle Starten der Brennstoffzellenmodule 6a–d kann
vorteilhafterweise von einer nicht näher dargestellten übergeordneten
Steuerung koordiniert werden.
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Nach
dem Start eines jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 6a–d kann
durch Schließen
eines Schalters 16 über
eine Verbindungsleitung 11 Strom aus dem jeweiligen Brennstoffzellenmo dul
in den Stromsammler 12 gespeist werden. Alternativ kann auch
erst nach vollständigem
Start sämtlicher
Brennstoffzellenmodule 6a–d der
Brennstoffzellenanlage 2 durch Schließen sämtlicher Schalter 16 über die
Verbindungsleitungen 11 die Stromeinspeisung in den Stromsammler 12 ermöglicht werden.
Die Steuerung der Schalter 16 kann ebenfalls durch die übergeordnete
Steuerung erfolgen.
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Die
Brennstoffzellenmodule 6a–d sind
zusätzlich
jeweils mit eigenem Strom betreibbar. Nach dem Start eines jeweiligen
Brennstoffzellenmoduls, z.B. nach Erreichen der Betriebsspannung
des zugehörigen
Brennstoffzellenstapels, kann auf eine Eigenversorgung des Brennstoffzellenmoduls
umgeschaltet. Im Fall des Brennstoffzellenmoduls 6a kann durch Öffnen des
Schalters 15a die Stromversorgung aus der Stromquelle 8 unterbrochen
und durch Schließen
des Schalters 14a das Brennstoffzellenmodul 6a über eine
Versorgungsleitung 17a mit eigenem Strom versorgt werden.
Im Fall des Brennstoffzellenmoduls 6b kann durch Öffnen des
Schalters 15b die Stromversorgung aus dem Brennstoffzellenmodul 6a unterbrochen
und durch Schließen
des Schalters 14b über
die Versorgungsleitung 17b das Brennstoffzellenmodul 6b mit
eigenem Strom versorgt werden. In entsprechender Weise kann durch Öffnen der
Schalter 15c bzw. 15d und Schließen der Schalter 14c bzw. 14d auf
eine Eigenversorgung der Brennstoffzellenmodule 6c bzw. 6d umgeschaltet werden.
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Die
Umschaltung auf die Eigenversorgung der Brennstoffzellenmodule wird
zweckmäßigerweise
ebenfalls von der (nicht dargestellten) übergeordneten Steuerung koordiniert.
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Die
für die
Eigenversorgung der Brennstoffzellenmodule 6a–d vorgesehenen
Versorgungsleitungen 17a–d sowie
die Schalter 14a–d sind
im Ausführungsbeispiel
außerhalb
der Brennstoffzellenmodule 6a–d angeordnet, sie können sich
aber auch innerhalb der jeweiligen Brennstoffzellenmodule befinden.
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Im
Rahmen von Anlagen mit mehreren unabhängigen Energieerzeugungseinrichtungen
kann die Stromquelle 8 – wie in 1 angedeutet – als ein Energieversorgungsnetz 29,
im Fall eines Schiffes z.B. als ein durch eine Batterie oder einen
Generator gespeistes Hilfsnetz, ausgebildet sein.
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Aufgrund
der geringen Stromentnahme kann die Stromquelle 8 vorteilhafterweise
auch als Starterbatterie 28 ausgebildet sein und somit
eine netzautarke Startmöglichkeit
für die
Brennstoffzellenanlage ermöglichen.
Eine solche netzautarke Startmöglichkeit
ist aus Redundanzgründen
insbesondere bei Marineschiffen von Bedeutung. Eine Energieerzeugungseinrichtung
für solche
Schiffe kann z.B. zur Erhöhung
der Ausfallsicherheit aus mehreren dezentralen Brennstoffzellenanlagen
aufgebaut sein. Falls diese jeweils mit einer Starterbatterie ausgerüstet werden,
können
sie im Notfall unabhängig
voneinander und von anderen Systemen gestartet werden. Auch bei
stationären
Energieversorgungsanlagen mit Brennstoffzellen sind netzunabhängige Inselnetze möglich, die
netzautark gestartet werden können.
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Die
in der 2 gezeigte Energieerzeugungseinrichtung 1 unterscheidet
sich von der in der 1 gezeigten
Energieerzeugungseinrichtung darin, dass die Brennstoffzellenmodule 6b, 6c und 6d jeweils
mit Strom aus dem Brennstoffzellenmodul 6a betreibbar sind.
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Zum
Starten der Brennstoffzellenanlage 2 wird in einem ersten
Schritt durch Schließen
des Schalters 15a das Brennstoffzellenmodul 6a über die Versorgungsleitung 9a mit
Strom aus der Stromquelle 8 gestartet. In einem zweiten
Schritt werden die Brennstoffzellenmodule 6b, 6c und 6d durch
Schließen
der Schalter 15b, 15c bzw. 15d über die
mit der ausgangsseitigen Anschlussleitung 10a des Brennstoffzellenmoduls 6a verbundenen
Versorgungsleitungen 9b, 9c bzw. 9d mit
Strom von dem Brennstoffzellenmodul 6a gestartet.
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Da
die Stromquelle 8 nur Strom für den Start bzw. Betrieb des
Brennstoffzellenmoduls 6a bereitstellen muss, kann sie
besonders klein dimensioniert und mit entsprechend geringem Bauteilaufwand
und Platzbedarf ausgeführt
werden. Das Brennstoffzellenmodul 6a muss Strom für den Start
sämtlicher
weiterer Brennstoffzellenmodule 6b, 6c, 6d zur
Verfügung
stellen. Vorteilhafterweise ist das Brennstoffzellenmodul 6a hinsichtlich
seiner Ausgangsleistung deshalb größer dimensioniert als die jeweiligen
weiteren Brennstoffzellenmodule 6b, 6c, 6d.
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Da
der Start sämtlicher
Brennstoffzellenmodule 6a–d der
Brennstoffzellenanlage 2 in nur zwei Schritten erfolgt,
ist ein besonders schneller Start der Brennstoffzellenanlage 2 und
damit der Energieerzeugungseinrichtung 1 möglich.
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Die
Brennstoffzellenmodule 6a–d sind
in nicht näher
dargestellter Weise z.B. über
Versorgungsleitungen entsprechend 1 zusätzlich jeweils
mit eigenem Strom betreibbar. Nach dem Starten eines jeweiligen
Brennstoffzellenmoduls kann deshalb auf eine Eigenversorgung eines
jeweiligen Brennstoffzellenmoduls umgeschaltet werden.
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Die
in der 3 gezeigte Energieversorgungseinrichtung
unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten
Energieversorgungseinrichtung darin, dass die Brennstoffzellenmodule 6b, 6c und 6d jeweils
mit Strom aus genau einem anderen Brennstoffzellenmodul betreibbar
sind.
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Das
Starten der Brennstoffzellenanlage 2 erfolgt sequentiell.
Hierzu wird in einem ersten Schritt das Brennstoffzellenmodul 6a durch
Schließen
des Schalters 15a mit Strom aus der Stromquelle 8 gestartet.
In einem zweiten Schritt wird das Brennstoffzellenmodul 6b durch
Schließen
des Schalters 15b mit Strom aus den Brennstoffzellenmodul 6a gestartet.
In weiteren Schritten werden die Brennstoffzellenmodule 6c und 6d mit
Strom aus dem jeweils vorhergehend gestarteten Brennstoffzel lenmodul 6b bzw. 6c gestartet,
d.h. in einem dritten Schritt wird durch Schließen des Schalters 15c das
Brennstoffzellenmodul 6c mit Strom aus dem Brennstoffzellenmodul 6b und
in einem vierten Schritt durch Schließen des Schalters 15d das
Brennstoffzellenmodul 6d mit Strom aus dem Brennstoffzellenmodul 6c gestartet.
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Da
die Stromquelle 8 nur Strom für den Start bzw. Betrieb des
Brennstoffzellenmoduls 6a bereitstellen muss, kann sie
besonders klein dimensioniert und mit entsprechend geringem Bauteilaufwand
und Platzbedarf ausgeführt
werden.
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Da
jedes der Brennstoffzellenmodule 6a–d nur Strom für das Starten
jeweils nur genau eines anderen Brennstoffzellenmoduls zur Verfügung stellen muss,
können
vorteilhafterweie das mit Strom aus der Stromquelle 8 betreibbare
Brennstoffzellenmodul 6a und die jeweiligen weiteren Brennstoffzellenmodule 6b, 6c, 6d hinsichtlich
ihrer Ausgangsleistung jeweils gleich dimensioniert sein und somit
Brennstoffzellenmodule von jeweils gleichen Typ verwendet werden.
Dies vereinfacht den Aufbau und die Steuerung der Brennstoffzellenanlage
und führt
zu Vereinfachungen bei Wartung und Ersatzteilhaltung.
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Eine
in 4 gezeigte, insbesondere
für Schiffsanwendungen
geeignete, Energieerzeugungseinrichtung 1 weist ebenfalls
eine Brennstoffzellenanlage 10 mit vier Brennstoffzellenmodulen 6a–d auf.
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Die
einzelnen Brennstoffzellenmodule 6a, 6b, 6c, 6d weisen
jeweils einen Brennstoffzellenstapel 24 sowie Hilfsaggregate 23 wie
z.B. einen Luftkompressor, eine Kühlwasserpumpe und mess- und regeltechnische
Einrichtungen sowie eine Modulsteuerung auf, die mit Strom versorgt
werden müssen.
Das Brennstoffzellenmodul 6a bzw. dessen Hilfsaggregate 23 sind über eine
eingangsseitige Versorgungsleitung 9a mit Strom aus einer
Starterbatterie 28 betreibbar. Ein Stromrichter 21 dient
zur Anpassung der Ausgangsspannung der Starterbatterie 28 an
die Eingangsspannung der Hilfsaggregate 23 des Brennstoffzellenmoduls 6a.
Zusätzlich
sind die Hilfsaggregate 23 des Brennstoffzellenmoduls 6a über einen
Stromrichter 22 und eine Versorgungsleitung 9a mit
Strom aus dem Stromsammler 12 speisbar.
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Die
Brennstoffzellenmodule 6b, 6c, 6d weisen
ebenfalls jeweils einen Brennstoffzellenstapel 24 und Hilfsaggregate 23 wie
z.B. einen Luftkompressor, eine Kühlwasserpumpe und mess- und
regeltechnische Einrichtungen zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 24 mit
Betriebsmitteln sowie zur Regelung und Steuerung des Brennstoffzellenmoduls
auf. Die Hilfsaggregate 23 der Brennstoffzellenmodule 6b, 6c, 6d können über jeweils
einen Stromrichter 22 und eine Versorgungsleitung 9b bzw. 9c bzw. 9d mit
Strom aus dem Stromsammler 12 betrieben werden.
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Der
von den Brennstoffzellenmodulen 6a–d bzw. deren Brennstoffzellenstapeln 24 erzeugte Strom
kann über
Verbindungsleitungen 11 in den Stromsammler 12 gespeist
werden. Zur elektrischen Entkoppelung der einzelnen Brennstoffzellenmodule 6a–d sind
in den Verbindungsleitungen 11 Entkoppelungsdioden 25 vorgesehen.
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Die
Stromrichter 22 dienen zur Anpassung der Spannung des Stromsammlers 12 bzw.
der den Stromsammler speisenden Brennstoffzellemodule 6a–d mit
einer Ausgangsspannung von z.B. 400V an die Versorgungsspannung
der Hilfsaggregate 23.
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Zum
Starten der Brennstoffzellenanlage 2 wird in einem ersten
Schritt das Brennstoffzellenmodul 6a über die eingangsseitige Versorgungsleitung 9a mit
Strom aus der Starterbatterie 28 gestartet. Nach erfolgtem
Start speist das Brennstoffzellenmodul 6a über die
Verbindungsleitung 11a Strom in den Stromsammler 12.
Durch Öffnen
des Schalters 15a und Schließen des Schalters 26a kann
auf eine Eigenversorgung des Brennstoffzellenmoduls 6a über die
Versorgungsleitung 9a mit selbst erzeugtem Strom umgeschaltet
werden.
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In
einem zweiten Schritt wird der Schalter 26b der Versorgungsleitung 9b des
Brennstoffzellenmoduls 6b geschlossen und das Brennstoffzellenmodul 6b mit
Strom aus dem Stromsammler 12 bzw. aus dem Brennstoffzellenmodul 6a gestartet.
Nach erfolgtem Start speist das Brennstoffzellenmodul 6b über die
ausgangsseitige Verbindungsleitung 11b Strom in den Stromsammler 12.
Der vom Brennstoffzellenmodul 6b in den Stromsammler 12 gespeiste Strom
fließt
teilweise wieder über
die Versorgungsleitung 9b in das Brennstoffzellenmodul 6b zurück. Mit der
Einspeisung in den Stromsammler 12 wird somit automatisch
auf eine zumindest teilweise Eigenversorgung des Brennstoffzellenmoduls 6b umgeschaltet.
Durch Schließen
der Schalter 26c bzw. 26d sind in einem dritten
bzw. vierten Schritt die Hilfsaggregate 23 der Brennstoffzellenmodule 6c bzw. 6d mit Strom
aus dem Stromsammler 12 versorgbar und somit die Brennstoffzellenmodule 6c bzw. 6d startbar. Mit
eintretender Einspeisung von Strom in den Stromsammler 12 werden
die beiden Brennstoffzellenmodule 6c und 6d automatisch
zumindest teilweise mit jeweils eigenem Strom versorgt.
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Das
Starten der Brennstoffzellenmodule 6a–d und das hierzu notwendige
Schließen
der Schalter 26a–d wird
vorteilhafterweise über
Steuerleitungen 19 von einer übergeordneten Steuerung 7 koordiniert.
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Die
Starterbatterie 28 wird vorteilhafterweise über eine
mit dem Stromsammler 12 verbundene Ladeleitung 18 während des
Betriebs der Brennstoffzellenanlage 2 aufgeladen.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist,
lässt sich
eine besonders einfach aufgebaute und aufgrund geringem Bauteilaufwands
besonders wenig Platz beanspruchende Energieerzeugungseinrichtung
dadurch erzielen, dass die Brennstoffzellenmodule 6a–d jeweils
ausgangsseitig an einen gemeinsamen Stromsammler 12 angeschlossen
sind und jeweils eingangsseitig eine mit dem Stromsammler 12 verbundene,
zuschaltbare Versorgungsleitung zum Betrieb des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 6a–d aufweisen,
und wobei das mit Strom aus der Stromquelle 8 betreibbare
Brennstoffzellenmodul 6a eine weitere zuschaltbare Versorgungsleitung 9a aufweist,
die, gegebenenfalls über
einen Stromrichter 21, mit der Starterbatterie 28 verbunden
ist.