DE112004000336T5

DE112004000336T5 - Betrieb einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit festem Gleichstrom

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Publication number: DE112004000336T5
Application number: DE112004000336T
Authority: DE
Inventors: Paul A. Somers Grubb; Paul R. South Windsor Margiott; Sean E. North Haven Haggerty; Paul A. Coventry Golovchenko; Glenn W. Tolland Scheffler
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2006-02-23
Also published as: US20070072015A1; WO2004093233A1; JP2006518924A; US20040166382A1; JP4796957B2; US7799476B2; US7041403B2

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend die folgenden Schritte:
Evaluieren der Leistungsbedürfnisse einer externen Last, um einen festen IDC-Wert zu bestimmen, der ausreichend ist, um die Bedürfnisse zu erfüllen;
Bereitstellen von Ausgangsleistung für die externe Last bei einem Niveau, welches von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert zur Verfügung gestellt wird; und
Anpassen der Ausgangsleistung an die externe Last, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert aufrechtzuerhalten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen und insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zum Betrieb derselben für verbesserte Verlässlichkeit der Stromerzeugungsanlage.

Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen sind eine hervorragende Leistungsquelle und bieten einzigartig wünschenswerte Alternativen für existierende und konventionelle Leistungsquellen aufgrund saubereren Betriebs und verschiedener anderer bekannter Vorteile.

Konventionell besteht ein typischer Betriebsmodus einer an ein Netz angeschlossenen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage darin, eine Wechselstrom-Netto-Leistungsabgabe aufrechtzuerhalten, wobei versucht wird, eine festgelegte Nettoleistung durch wiederkehrendes Aktivieren verschiedener Steuerungskomponenten aufrechtzuerhalten, z.B. Ventilaktuatoren, Pumpen und Gebläse in der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, zum Erhalten dieser festgelegten Nettoleistung. Typische Netz-unabhängige Stromerzeugungsanlagen betreiben diese Steuerungskomponenten, um Betriebsbedingungen anzupassen, um die gewünschte Leistung für eine flukturierende Last zur Verfügung zu stellen.

Unglücklicherweise führt dies zu ernsten Problemen bezüglich der Verlässlichkeit und Wartung in Verbindung mit verschiedenen Brennstoffzellenkomponenten wie die genannten Ventilaktuatoren, Pumpen und Gebläse, welche häufigen Zyklen unterliegen, um eine festgelegte Nettoleistung an der Hauptlast aufrechtzuerhalten.

Es ist klar, dass ein Bedürfnis für nach einem verbesserten Verfahren zum Betrieb von Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen besteht, um diese Probleme zu lösen.

Es ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei welchem Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen mit reduzierten Zyklen dieser Komponenten betrieben werden können, was zu verbesserter Verlässlichkeit der Stromerzeugungsanlagen und geringeren Herstellungs- und Betriebskosten führt.

Weitere Ziele und Vorteil der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ersichtlich.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die genannten Ziele und Vorteile ohne Weiteres erreicht.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren vorgesehen zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, um Haupt- und Hilfslasten zu versorgen, aufweisend die Schritte des Evaluierens der Leistungsbedürfnisse einer externen Last, um einen festen Gleichstromwert (IDC) zu bestimmen, welcher ausreichend ist, den Bedürfnissen zu entsprechen, Bereitstellen von Ausgangsleistung für die externe Last bei einem Niveau, welches von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei festen IDC-Wert zur bereit gestellt wird; und Anpassen der Ausgangsleistung an die externe Last, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert zu erhalten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage zur Versorgung einer internen Last und einer externen Last vorgesehen, aufweisend die Schritte des Evaluierens der Leistungsanforderungen der internen und externen Last, um einen festen IDC-Wert zu bestimmen, der ausreichend ist, um den Bedürfnissen zu entsprechen bzw. diese zu versorgen; Bereitstellen von Zusatzleistungen für die interne Last und Ausgangsleistung für die externe Last, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert zu erhalten; und Anpassen von mindestens einem von der Zusatzleistung für die interne Last und Ausgangsleistung für die externe Last, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert zu erhalten.

Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Evaluieren der Leistungsbedürfnisse einer externen Last, um einen festen IDC-Wert zu bestimmen, der ausreichend ist, um der Anforderung zu entsprechen, sie zu versorgen; und Betreiben der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei im Wesentlichen festen Reaktantenströmungen, welche ausreichend sind, um den festen IDC-Wert zu ermöglichen.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage innerhalb eines festgelegten und begrenzten Spannungs- und Leistungsbereichs zur Verfügung zu stellen, so dass zusätzliche Ausrüstung, z.B. ein Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Wandler reduziert oder eliminiert werden kann.

Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung Strom moduliert, welcher an die Haupt- und/oder Hilfslast geliefert wird, unter Verwendung von vereinfachter An/Aus-Hardware, um weiter Teile des Systems zu reduzieren, welche Verschleiß unterliegen und weiterhin die Fähigkeit zu verbessern, die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei konstanten Brennstoff- und Oxidationsmittel- bzw. Reaktantenströmungen zu betreiben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung folgt, mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen:

1 stellt schematisch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung dar;

2 stellt weiter schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung dar;

3 stellt schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung dar;

4 stellt schematisch die Verbindung eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit Netz-verbundenen und Netz-unabhängigen Zweigen dar;

5 stellt schematisch ein System gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; und

6 ist eine Darstellung von System-Betriebspunkten für eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage am Beginn des Betriebs und bei andauerndem Betrieb.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen und insbesondere auf ein Verfahren zum Betrieb von Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen und Verteilen von durch diese erzeugtem Strom, um die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei einem festen Gleichstrom-Stromwert (IDC), um somit eine Vereinfachung der Anforderung an Hardware der Stromerzeugungsanlage und konstanteren Betrieb derselben zu ermöglichen. Betrieb bei im Wesentlichen festen Gleichstrom-Stromwerten kann vor teilhaft erreicht werden durch Verwendung von festgelegten Reaktantenströmungen oder Strömen zu der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, was erreicht werden kann durch Verwenden vereinfachter Strukturen, deren Versagen weniger wahrscheinlich ist. Das verbessert die Verlässlichkeit und Haltbarkeit der Stromerzeugungsanlage.

Gemäß der vorliegenden Erfindung und im Gegensatz zu konventionellem Betrieb von Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen wird die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei einem festen oder konstanten IDC-Wert betrieben, welcher verwendet wird, um eine Hauptlast zu versorgen. Zusätzlich zu der Hauptlast können Hilfslasten und/oder das Stromnetz selbst als Quellen zusätzlicher Leistungsanforderungen/-bedürfnisse vorhanden sein.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Leistungsanforderungen der Hauptlast zusammen mit den Leistungsanforderungen der Zusatzlasten evaluiert, um zu bestimmen, wie viel Gleichstrom als Gesamtleistung notwendig ist, um die Haupt- und Hilfslasten zu bedienen. Die Menge, welche als erforderlich bestimmt wurde, kann vorzugsweise eine Menge sein, die gewählt ist, ausreichend zu sein, um Leistung nach Erfordernis an die Hilfslasten zu liefern, durch Reduzieren der an die Hauptlast gelieferten Leistung, und sollte daher mindestens ausreichend sein, um die Maximalanforderungen der Hilfslasten gleichzeitig mit einer Minimalanforderung der Hauptlast zu versorgen.

Nachdem dieser festgelegte Gleichstrom-Stromwert oder Sollwert festgelegt ist, wird die Ausgangsleistung der Hauptlast je nach Erfordernis modifiziert, um einen konstanten Gleichstrom von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage aufrechtzuerhalten, trotz sich ändernder Bedingungen, z.B. sich ändernder Anforderungen von Zusatzlasten und Ähnlichem.

Wenn die Zusatzlasten zu bestimmten Zeiten betrieben werden müssen, kann die erforderliche Zusatzleistung vorzugsweise zu der Zusatzlast geleitet werden, und die zu der Hauptlast gelieferte Nettoleistung ist um eine entsprechende Menge verringert, um eine angepasste Nettoleistung an die Hauptlast zu liefern, so dass die Gleichstrom-Abgabe von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage immer noch im Wesentlichen konstant bleibt, was erwünscht ist.

Der Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage wird daher mit einem im Wesentlichen festen oder konstanten Gleichstrom durchgeführt, ohne eine Modifizierung der Betriebsparameter der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage zu erfordern. Dies vermeidet vorteilhaft die üblicherweise erforderlichen Zyklen von Komponenten der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen zur Anpassung von Leistung zur Versorgung der Bedürfnisse der Hauptlast. Erfindungsgemäß werden Komponenten wie z.B. Ventilaktuatoren, Pumpen, Gebläse und Ähnliche betrieben, um die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit stetigen oder konstanten Strömen von Brennstoff, Oxidationsmittel, Kühlmittel und Ähnlichem zu versorgen, um einen im Wesentlichen konstanten IDC-Strom zu erzeugen, wobei die Abnutzung der Komponenten reduziert ist. Dieser Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei festgelegten Reaktantenströmen ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Hauptlast typischerweise ein Verbraucher oder eine andere Leistung benötigende Last, während Zusatzlasten interne Einrichtungen der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage und Ähnliche umfassen können, deren Betrieb zumindest teilweise optional ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann Zusatzleistung verwendet werden, um diese Zusatzlasten zu betreiben, wenn die Anforderungen von der Haupt- oder externen Last das zulassen, so dass die Zusatzlasten je nach Notwendigkeit betrieben werden, während die Aufrechterhaltung des Betriebs der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei konstanten Parametern unterstützt wird. Bei dieser Ausführungsform kann der Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen Gleichstrom aufrechterhalten werden durch Liefern von Leistung über die von der Hauptlast erforderliche Ausgangsleistung hinaus an die Hilfslasten und/oder an das Netz, wobei die Hilfslasten flexibel betrieben werden können oder Leistung einfach an das Netz geliefert werden kann.

Es versteht sich, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung entweder das Betreiben einer Zusatzlast, wenn die Anforderungen der Hauptlast dies zulassen, oder Verringern der Leistung an die Hauptlast, wenn der Zusatzbedarf dies erfordert. Daher ermöglicht gemäß der vorliegenden Erfindung entweder die Hauptlast oder Zusatzlast die Verwendung der jeweils anderen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die jeweilige Last, die als steuernd angesehen wird, vorzugsweise vor Änderung irgendwelcher Betriebsbedingungen bewertet, um zu gewährleisten, dass die Last, Haupt- oder Zusatzlast innerhalb akzeptabler Bereiche für eine solche Last ist.

In Verbindung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Zusatzleistung möglich ist, wenn die Anforderungen der Hauptlast verringert sind, kann es aus wirtschaftlichen Gründen oder anderen Gründen wünschenswert sein, (a) die Modifikation der Hauptlastanforderungen nur innerhalb eines spezifischen Bereichs zuzulassen und (b) Leistung an die Zusatzlasten nur dann zu führen, wenn die zur Verfügung stehende Zusatzleistung ausreichend ist, um diese zu betreiben.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei die Hauptlast um die an die Zusatzlast gelieferte Zusatzleistung verringert ist, falls dies erforderlich ist, kann es außerdem wünschenswert sein, eine solche Verringerung der Hauptlast nur dann zu ermöglichen, wenn dies für die durch die Hauptlast repräsentierten Verbraucher akzeptabel ist, und außerdem nur dann, wenn die Menge der Verringerung innerhalb bestimmter akzeptabler Toleranzen liegt.

Die verschiedenen Steuerungen, Umrichter und ähnliche Hardware, welche verwendet werden kann, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen und Steuerung zur Verwirklichung desselben zu ermöglichen, sind Fachleuten bekannt, und diese spezifischen Komponenten bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die durch die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bereitgestellte Stapelspannung gesteuert werden, um zu gewährleisten, dass sie nicht einen erlaubten Span nungsbereich für eine externe Last überschreitet. Sollte die Spannung von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage den erlaubten Spannungsbereich überschreiten, kann eine Zusatz- oder zusätzliche Last verwendet oder entfernt werden, so dass ein Teil der zur Aufrechterhaltung des erwünschten Spannungsbereichs der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage notwendigen Leistung zu der Zusatzlast geführt wird, und die verbleibende oder Rest-Leistung, die zu der externen Last geliefert wird, den erlaubten Spannungsbereich nicht weiter überschreitet. Die Hilfslast kann jede Art von Last sein, beispielsweise eine Wechselstromlast, eine Gleichstromlast oder sogar Kombinationen. Natürlich kann bei einer Wechselstromlast ein Umrichter erforderlich sein. Ein Beispiel einer einfachen Zusatzlast wäre eine Widerstandsheizung.

Wenn externe Last-Anforderungen in einem relativ engen Bereich der Leistungslieferung und Spannung sind, kann konventionell ein Gleichstrom/Gleichstrom-Konverter erforderlich sein, um diesen Bereich abzudecken. Gemäß der vorliegenden Erfindung können jedoch ein derartiger Konverter und die damit verbundenen Probleme bezüglich Kosten, Größe und Effizienz vermieden werden, während die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage vorzugsweise immer noch bei den erwünschten, relativ festen Bedingungen auf eine hoch effiziente Weise arbeitet.

Weiterhin erfindungsgemäß ist es typisch, dass die Leistung einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage über die Zeit hinweg abfällt. Erfindungsgemäß kann von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage gelieferte Leistung überwacht werden, und insbesondere kann der Unterschied zwischen der zur Verfügung stehenden Spannung überwacht werden, so dass eine Zusatzlast gewählt werden kann, um vorteilhaft den Unterschied abzugleichen und somit Spannung für die externe Last bei einem Niveau zur Verfügung zu stellen, welcher innerhalb des erforderlichen Spannungsbereichs ist. Wenn dieser Unterschied abnimmt, können unterschiedliche Zusatzlasten oder Kombinationen davon betrieben werden oder reduzierte Leistung zu der Zusatzlast geliefert werden, falls der Typ von Zusatzlast dies erlaubt, bis keine Zusatzlast mehr erforderlich ist. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei relativ fixen Bedingungen für eine längere Zeitdauer be trieben werden kann, um eine externe Last innerhalb ihrer Anforderungen zu betreiben.

In dieser Hinsicht kann es wünschenswert sein, eine Reihe von mehreren Zusatzlasten vorzusehen, welche jeweils ein bekanntes Maß an Spannungsänderung ermöglichen, und eine Last oder Lasten aus dieser Reihe auszuwählen, welche ausreichend ist (sind), die Ausgangsspannung an die externe Last innerhalb des gewählten Betriebsspannungsbereichs zu erhalten.

Diese Last oder Kombination von Lasten kann auch gewählt werden, um die Effizienz der Stromerzeugungsanlage innerhalb des vorgewählten Betriebsspannungsbereichs zu maximieren. Außerdem ist diese Hilfslast vorzugsweise auf eine Weise gesteuert, welcheein bekanntes und kontinuierliche variables Niveau von Spannungsänderung innerhalb eines Steuerungsbereichs bietet.

Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht auch das Aufrechterhalten von im Wesentlichen konstanten Betriebsbedingungen, z.B. Reaktantenströmungen und Ähnliche, während gewählte Hilfslasten verwendet werden, um Spannungen außerhalb des Leistungsbereichs einer externen Last zu kompensieren.

Es wird auf 1 Bezug genommen. Eine schematische Darstellung eines Systems und Verfahren zum Betrieb desselben gemäß der vorliegenden Erfindung ist gezeigt.
1 zeigt eine schematische Darstellung der Prozessierung des Bedarfs von der Hauptlast gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt wird die gewünschte Netto-Ausgangsleistung 20 aufgenommen und einer Berechnung 22 unterzogen, wodurch ein IDC-Sollwert bestimmt wird. Dieser IDC-Sollwert wird dann zu einer Steuerung 24 zusammen mit Information von einer Brennstoffzellenstrommessung 26 geleitet, um zu gewährleisten, dass der IDC-SoIIwert innerhalb eines vorgewählten Maximums und Minimums zum Einstellen desselben fällt. Unter der Annahme, dass der IDC-Sollwert in diesen Bereich fällt, wird er als zulässiger IDC-Sollwert gesehen, und ein Delta-Ausgangslei stungssignal 27 wird erzeugt, welches durch verschiedene Komponenten zur Hardware zum Steuern der Netto-Ausgangsleistung für die Hauptlast geleitet wird. Dieses Delta-Ausgangsleistungssignal ermöglicht vorteilhaft das Vorsehen der erwünschten Menge an Netto-Ausgangsleistung für die Hauptlast, wie erwünscht. Zusätzlich wird eine Leistungssteuerungseinrichtung (nicht gezeigt) betrieben, um eine Leistungsmenge vorzusehen, welche der Differenz zwischen der durch die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage erzeugten Bruttoleistung und der an die Hauptlast gelieferten Netto-Ausgangsleistung entspricht, wobei die verbleibende Leistung hier als Zusatzleistung bezeichnet wird. Diese Zusatzleistung wird an verschiedene Zusatzlasten geliefert, wie im Folgenden weiter beschrieben.
Es wird immer noch auf 1 Bezug genommen. Die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise ein Steuerungssystem haben, welches in zwei verschiedenen Moden betrieben werden kann. 1 zeigt eine erste Verbindung zwischen der erwünschten Netto-Ausgangsleistung 20 und einen Transferschalter 28, welcher die direkte Lieferung der erwünschten Ausgangsleistung an den Verbraucher ermöglicht. Bei diesem "normalen" Betriebsverfahren kann die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage konventionell betrieben werden, mit potenziell häufigen Zyklen verschiedener Komponenten, um die Nettoleistung für die Hauptlast bei einem Niveau zu erhalten, welches dem Bedarf entspricht.
1 stellt weiterhin das Verfahren der vorliegenden Erfindung dar, wobei jedoch eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage in einem die Zuverlässigkeit verbessernden Modus wie hier beschrieben bei einem festen IDC-Wert betrieben werden kann. Dieser Modus ist repräsentiert durch die Verbindung durch die PID-Steuerung 24, um eine Menge an übermäßiger Leistung zu bestimmen, welche zu den Hilfslasten gemäß der vorliegenden Erfindung geleitet werden kann.
2 illustriert weiterhin die vorliegende Erfindung und zeigt eine Brennstoffzellen-Stapelanordnung 10, welche vorzugsweise bei einem im Wesentlichen konstanten IDC betrieben wird, um einen Gleichstrom von der Zellenstape lanordnung 10 zu einem Umrichter 12 zu liefern. Eine Steuerung 14 ist vorgesehen und angepasst, um Kommunikation von einer Hauptlast bezüglich des Nettobedarfs zu empfangen. Die Steuerung 14 erzeugt ein Netto-Bedarfssignal 15, welches zu dem Umrichter 12 geleitet wird. Der Umrichter 12 gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt eine Bruttoleistung, von welcher ein Teil an eine Hauptlast als Nettoausgangsleistung 16 und deren Rest an eine Zusatzlast 18 als Zusatzleistung geliefert wird. Die Menge der an die Hauptlast als Nettoausgangsleistung 16 gelieferte Leistung wird gesteuert in Abhängigkeit von dem durch den Umrichter 12 empfangenen Netto-Bedarfssignal.
Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Zusatzlast 18 jegliche zur Verfügung stehende Einrichtung, Anordnung oder Ähnliches sein, welche Leistung benötigt, und kann eine Wechselstromlast oder eine Gleichstromlast sein. Beispielsweise kann die Hilfslast interne Komponenten der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage sein, welche gelegentlich Leistung benötigen. Alternativ kann die Zusatzlast 18 ein Stromnetz sein, wo das Abliefern von Strom bzw. Leistung an ein Stromnetz durch die Regierungsbehörden genehmigt ist. Natürlich können andere Zusatzlasten mit der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung assoziiert sein. Wie bereits erwähnt, kann erfindungsgemäß die Stromabgabe von einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage vorzugsweise moduliert werden, während Brennstoff- und Oxidationsmittelzuführungen vorzugsweise festgelegt sind. Dies führt weiterhin vorteilhaft dazu, Zyklen der Komponenten zu minimieren, so dass die Lebensdauer der Ausrüstung verlängert und die Verlässlichkeit der Stromerzeugungsanlage damit verbessert wird.
3 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung einschließlich Modulation von Brennstoff- und Luft-Reaktantenströmungen zu der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, wird Brennstoff an eine Anode 30 der Zelle bei einer festen Einstellung entweder zu reiner Brennstoffaufbereitung 32, falls vorhanden, oder an die Anode 30 zugeführt. Luft wird auch an eine Kathode 34 bei einer festen Einstellung zugeführt und kann bei einer festen Einstellung einer Brennstoffaufbereitung 32 zugeführt werden, falls diese verwendet wird, wodurch Brennstoff und Luft mit konstanten Raten der Brennstoffzelle zugeführt wird. Gleichstromleistung der Zelle wird zu einer Leistungskonditionierung 36 zur Konvertierung zu einer Brutto-Wechselstromleistung 38 geführt, und eine Netto-Wechselstromleistung 40 wird dann wie gewünscht zwischen der Hauptlast und/oder dem Netz zugeführt, und Zusatzleistung 42 wird zu anderen Zusatzlasten geführt, z.B. Lasten innerhalb der Stromerzeugungsanlage und Ähnliche.
4 illustriert weiterhin einen Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei ein System mit dem Netz verbunden oder Netz-unabhängig sein kann. Wie gezeigt, wird ein Prozesssignal 44, z.B. Strömung, Temperatur und Ähnliches, empfangen und zu der Sollwertsteuerung 46 geleitet, welche das Signal verarbeitet und den gewünschten IDC an einen mit dem Netz verbundenen Zweig 48 oder Netz-unabhängigen Zweig 50 liefert, abhängig von den Umständen. In dem mit dem Netz verbundenen Zweig 48 kann Leistung, welche nicht von der Hauptlast benötigt wird, problemlos an das Netz und/oder andere interne Zusatzlasten, je nach Wunsch, geführt werden.
Bei dem Netz-unabhängigen Zweig 50 muss jedoch übermäßige, nicht von der Hauptlast benötigte Leistung an interne Zusatzlasten geführt werden, wie z.B. Heizungen und Ähnliche. In jedem Zweig wird sämtliche durch den festen IDC von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung verwendet, so das Zyklen der Brennstoffzellenkomponenten nicht notwendig sind.
5 zeigt einen Bereich eines Systems gemäß der Ausführungsform, bei welcher Spannung von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage überwacht wird, im Vergleich zu einer Maximalspannung der externen Last. Wie gezeigt, wird die Spannung VDC 52 von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage verglichen mit einem VDC-Sollwert 54, und eine PID-Steuerung ist ausgelegt, zu bestimmen, ob eine Zusatzlast 56 betrieben werden muss, um die Spannung an der externen oder Hauptlast unter einem Maximalwert zu halten. Der VDC-Sollwert kann eine Berechnung sein und kann zu Beginn der Betriebslebensdauer der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage hoch in nerhalb eines gewünschten Spannungsbereichs sein und, wenn die Leistung der Anlage abfällt, niedrig innerhalb des gewünschten Bereichs sein.
6 ist eine einfache Darstellung von Betriebspunkten für diese Ausführungsform und zeigt einen erforderlichen Spannungsbereich für eine externe Last und Leistungskurven 58, 60 für eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, wenn sie erstmalig ans Netz geht 58 und nach andauerndem Betrieb 60. Wie gezeigt, ist auf Kurve 58 ein Betriebspunkt ohne Last 62 oberhalb der maximal zulässigen Spannung, und eine Extralast kann verwendet werden, um einen Betriebspunkt 64 zu erreichen, welcher innerhalb des Bereichs ist. Auf der Kurve 60 ist keine zusätzliche Last erforderlich, da der Punkt 66 ohne zusätzliche Last innerhalb des erforderlichen Bereichs ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung versteht es sich, dass ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage vorgesehen ist, wobei die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei einem festen IDC betrieben wird, wobei an eine Hauptlast und an eine Zusatzlast oder -lasten gelieferte Leistung ausgeglichen wird, so dass die von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage produzierte Gesamtleistung verbraucht wird, was einen stetigen Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage ermöglicht, was die Verlässlichkeit und Haltbarkeit derselben verbessert.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen Darstellungen begrenzt ist, welche lediglich veranschaulichend für die besten Arten der Ausführung der Erfindung sind, und welche bezüglich Form, Größe, Anordnung von Teilen und Details des Betriebs geändert werden können. Die Erfindung soll vielmehr all jene Modifikationen umfassen, welche innerhalb des Umfangs sind, der durch die Ansprüche definiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, um Leistung an eine interne Last und eine externe Last zu liefern, umfasst die Schritte des Evaluierens von Leistungsbedürfnissen der internen und externen Last, um einen festen IDC-Wert zu bestimmen, welcher ausreichend ist, die Bedürfnisse zu erfüllen; Bereitstellen von Zusatzleistung für die interne Last und Ausgangsleistung für die externe Last, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert aufrechtzuerhalten; und Anpassen von mindestens einem von: Hilfsleistung an die interne Last und Ausgangsleistung an die externe Last, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert aufrechtzuerhalten. Betrieb innerhalb eines vorgewählten Spannungsbereichs ist ebenfalls vorgesehen.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend die folgenden Schritte: Evaluieren der Leistungsbedürfnisse einer externen Last, um einen festen IDC-Wert zu bestimmen, der ausreichend ist, um die Bedürfnisse zu erfüllen; Bereitstellen von Ausgangsleistung für die externe Last bei einem Niveau, welches von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert zur Verfügung gestellt wird; und Anpassen der Ausgangsleistung an die externe Last, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens aufweist: Bestimmen, ob die Ausgangsleistung innerhalb eines vorgewählten Bereichs von Leistungsanforderungen ist und eine zulässige Leistungsanforderung ist, und Zuführen der Ausgangsleistung an die externe Last für die zulässige Leistungsanforderung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage einen normalen Betriebsmodus hat, bei welchem der Schritt des Anpassens nicht durchgeführt werden kann und einen die Zuverlässigkeit verbessernden Betriebsmodus hat, bei welchem der Schritt des Anpassens durchgeführt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Evaluierens das Evaluieren von Leistungsbedürfnissen von einer internen Last und der externen Last umfasst, um einen festen IDC-Wert zu bestimmen, der ausreichend ist, um die Bedürfnisse zu erfüllen; der Schritt des Bereitstellens das Bereitstellen von Zusatzleistung für die interne Last und Ausgangsleistung für die externe Last aufweist, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert aufrechtzuerhalten; und der Schritt des Anpassens das Anpassen von mindestens einem von der Zusatzleistung für die interne Last und Ausgangsleistung für die externe Last aufweist, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Schritt des Anpassens das Anpassen der Zusatzleistung für die interne Last aufweist, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage einen normalen Betriebsmodus hat, bei welchem der Schritt des Anpassens nicht durchgeführt werden kann, und einen die Zuverlässigkeit verbessernden Betriebsmodus hat, bei welchem der Schritt des Anpassens durchgeführt werden kann.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend die folgenden Schritte: Evaluieren der Leistungsbedürfnisse einer externen Last, um einen festen IDC-Wert zu bestimmen, der ausreichend ist, um die Bedürfnisse zu erfüllen; und Betreiben der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei im Wesentlichen festgelegten Reaktantenströmungen, welche ausreichend sind, den festen IDC-Wert bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem der Schritt des Evaluierens das Evaluieren der kombinierten Leistungsbedürfnisse einer internen Last und der externen Last aufweist, um einen festen IDC-Wert zu bestimmen, der ausreichend ist, um die Bedürfnisse zu erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 8, außerdem aufweisend das Bestimmen eines Bereichs von IDC-Werten, welche bei den im Wesentlichen festgelegten Reaktantenströmungen bereitgestellt werden können, und Anpassen des festen IDC-Werts innerhalb des Bereichs der IDC-Werte.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Schritt des Anpassens das Anpassen von mindestens einem von Zusatzleistung für die interne Last und Ausgangsleistung für die externe Last aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage eine Ausgangsspannung bei im Wesentlichen festgelegten Reaktantenströmungen hat, und außerdem aufweisend die Schritte des Vergleichens der Ausgangsspannung mit einer maximalen Spannung der externen Last, und selektives Einschalten einer Hilfslast, wenn die Ausgangsspannung größer als die Maximalspannung ist, wodurch ein Teil der Ausgangsspannung für die Hilfslast bereitgestellt wird und die verbleibende Spannung für die externe Last weniger als die Maximalspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 11, außerdem aufweisend den Schritt des Evaluierens des Unterschieds zwischen der Ausgangsspannung und der Maximalspannung und Wählen einer Hilfslast, um die Differenz zu nutzen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Hilfslast von der Gruppe gewählt ist, die aus Wechselstromlasten, Gleichstromlasten und Kombinationen daraus besteht.
Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage innerhalb eines gewählten Betriebsspannungsbereichs, aufweisend die folgenden Schritte: Überwachen der abgegebenen Spannung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage; Vergleichen der abgegebenen Spannung mit einem gewählten Betriebsspannungsbereich; und Anwenden einer Hilfslast mit ausreichender Größenordnung, um die abgegebene Spannung in dem gewählten Betriebsspannungsbereich zu halten.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Größenordnung der Hilfslast gewählt ist, um die Effizienz der Stromerzeugungsanlage innerhalb des gewählten Betriebsspannungsbereichs zu maximieren.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Hilfslast gewählt ist von einer Reihe mehrerer Lasten, welche jeweils ein bekanntes Maß an Spannungsänderung bereitstellen.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Reaktantenströmungen zu der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Hilfslast auf eine Weise gesteuert wird, welche ein bekanntes und kontinuierlich variables Maß an Spannungsänderung innerhalb eines Steuerungsbereichs ermöglicht.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen-Steuerungssystem, aufweisend: eine Einrichtung zum Evaluieren der Leistungsbedürfnisse einer externen Last, um einen festen IDC-Wert zu bestimmen, welcher ausreichend ist, die Bedürfnisse zu erfüllen; eine Einrichtung zum Bereitstellen von Ausgangsleistung für die externe Last bei einem Niveau, welches durch die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei dem festen IDC-Wert bereitgestellt wird; und eine Einrichtung zum Anpassen der Ausgangsleistung an die externe Last, um den Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei einem festen IDC-Wert aufrechtzuerhalten.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen-Steuerungssystem, aufweisend: eine Einrichtung zum Überwachen der Spannungsabgabe von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage; eine Einrichtung zum Vergleichen der abgegebenen Spannung mit einem gewählten Betriebsspannungsbereich; und eine Einrichtung zum Anwenden einer Zusatzlast mit einer ausreichenden Größenordnung, um die abgegebene Spannung innerhalb des gewählten Betriebsspannungsbereichs aufrechtzuerhalten.