DE19906099C1 - Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung

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Abstract

Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung mit mindestens einem Brennstoffzellenblock und einem dem Brennstoffzellenblock zugeordneten Wechselrichter sowie mit einem dem mindestens einen Brennstoffzellenblock nachgeschalteten Turbinengenerator, wobei ein Ausgang des Turbinengenerators über einen Gleichrichter mit einem Ausgang des Brennstoffzellenblocks oder einem Eingang des Wechselrichters verbunden ist und eine Regelung der Ausgangsspannung des Turbinengenerators auf die Höhe der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenblocks erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, in Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnungen die beim Brennstoffzellenprozeß entstehende Abwärme in nachgeschalteten Turbinengeneratoren energetisch zu nutzen. Bei den Turbinengeneratoren handelt es sich dabei insbesondere um Gasturbinen oder Dampfturbinen mit angeschlossenem Generator. Die beim Betrieb von Hochtemperatur-Brennstoffzellen entstehenden Abgase weisen eine Temperatur zwischen ca. 450°C (MC-Brennstoffzellen) und ca. 800°C (SO-Brennstoffzellen) auf. In einem sogenannten Abhitzekessel wird auf der Grundlage des Wärmeinhalts dieser Abgase Hochdruck-Prozeßdampf hergestellt, der auf eine Entspannungsturbine geleitet wird. Die Entspannungsturbine besteht aus dem eigentlichen Turbinenläufer mit Turbinengehäuse, einem Regelventil für den Dampfeinlaß, einem Zahnradgetriebe zur Herabsetzung der hohen Turbinenzahl auf die Generatordrehzahl und einem Asynchron-Drehstromgenerator, der an ein Stromnetz gekoppelt ist.
Des weiteren ist es bekannt, zur Vermeidung des Einsatzes von Getrieben schnellaufende kleine Turbinen hoher Energiedichte direkt mit kleinen schnellaufenden Generatoren zu koppeln, die eine hohe Energiedichte und kompakte Bauform aufweisen. Im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Anordnung zeichnet sich diese Ausführung durch ein kompaktes Bauvolumen und relativ niedrige Investitionskosten aus, erfordert jedoch für die Netzeinspeisung die Zwischenschaltung eines Wechselrichters, der die vom Generator gelieferte Energie in netzüblichen Drehstrom von 50 Hz umsetzt.
Eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des A1 ist aus der WO 97/42673 bekannt. Die bekannte Brennstoffzellenanordnung umfaßt einen Brennstoffzellenblock mit einem Anodenteil und einem Kathodenteil, wobei zur Erhöhung der Energieerzeugung einem an einen Generator gekoppelten Gasmotor wenigstens ein Anteil des Anodenabgases des Brennstoffzellenblocks als Betriebsmittel zugeführt wird. Von dem Brennstoffzellenblock erzeugter Gleichstrom wird mittels eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und in ein Stromnetz eingespeist. Die von dem durch das Anodenabgas angetriebenen Gasmotor erzeugte mechanische Energie wird mittels des Generators in Wechselstrom umgewandelt, der über eine Leitung ebenfalls in ein Stromnetz eingespeist wird. Eine Kopplung der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenblocks einerseits und des Generators andererseits erfolgt somit auf der Wechselstrom-Netzebene.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung baulich zu vereinfachen, insbesondere kompakter und kostengünstiger auszugestalten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Demnach ist ein Ausgang des Turbinengenerators über einen Gleichrichter mit einem Ausgang des Brennstoffzellenblocks oder einem Eingang des Wechselrichters verbunden und es erfolgt eine Regelung der Ausgangspannung des Turbinengenerators auf die Höhe der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenblocks. Die erfindungsgemäße Kopplung von Turbinengenerator und Brennstoffzellenblock auf Gleichstromebene ist nämlich genau dann möglich, wenn die Turbinengeneratorspannung und die Brennstoffzellenspannung gleich sind, was erfindungsgemäß erfolgt, indem Mittel vorgesehen sind, um die Spannung dieser beiden Leistungserzeuger auf gleiche Höhe einzustellen. Die Erfindung nutzt somit die Tatsache, daß die von dem Brennstoffzellenblock erzeugte Energie über einen ohnehin vorhandenen Wechselrichter in das Netz eingespeist wird und daß die Zusatzleistung des nachgeschalteten dampfgetriebenen Turbinengenerators in der Regel nur einen Bruchteil der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenblocks selbst ausmacht. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine erheblich kompaktere und kostengünstigere Ausführung des Turbinengenerators erreicht und gegenüber einer herkömmlichen Lösung mit Hochfrequenzgenerator kann auf einen separaten Wechselrichter verzichtet werden. Da gegenüber dem Stand der Technik eine der beiden Wechselstromschnittstellen entfällt, vereinfacht sich auch die Netzanbindung.
In Ausgestaltung der Erfindung ist eine Regeleinheit vorgesehen, die einen ersten Regelkreis zur Regelung der Ausgangsspannung des Turbinengenerators umfaßt. Mit dieser Regeleinheit erfolgt die erfindungsgemäße Regelung der Ausgangsspannung des Turbinengenerators auf die Höhe der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenblocks.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Regeleinheit einen zweiten Regelkreis zur Regelung des Laststroms des Gleichrichters. Mit diesem zweiten Regelkreis kann die Generatorspannung so eingestellt werden, daß durch die Dioden des Gleichrichters ein vorbestimmter Laststrom fließt.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Regeleinheit einen dritten Regelkreis zur Regelung des Laststroms und somit des Bremsmomentes des Turbinengenerators. Mit den drei erfindungsgemäßen Regelkreisen hält die Regeleinheit die Drehzahl des Turbinengenerators stets im Bereichs des optimalen Arbeitspunktes der Generatorkennlinie, d. h. bei optimaler Schnellaufzahl. Die Ausgangsspannung des Turbinengenerators wird durch Ändern der Erregerleistung so eingestellt, daß über den Gleichrichter gerade ein solcher Strom in den Lastkreis des Brennstoffzellenblocks fließt, daß der Turbinenläufer des Turbinengenerators über die Bremsleistung des Generators bei gegebenem Dampfangebot auf die richtige, d. h. optimale Drehzahl abgebremst wird. Die Regelung der Turbine erfolgt somit erfindungsgemäß nicht über ein Dampfeinlaßventil, sondern ausschließlich oder überwiegend über das Bremsmoment des Generators, welches seinerseits proportional dem über die Erregung eingestellten Laststrom ist. Die Drehzahl der Turbine ändert sich also je nach verfügbarer Dampfmenge, und zwar so, daß in allen Betriebszuständen der optimale Punkt des Kennfeldes von der Regeleinheit angesteuert wird. Diese Art der Regelung optimiert nicht nur die Energieausbeute des Systems, sie erlaubt darüber hinaus den Verzicht auf aufwendige präzise Dampfregelventile. Im einfachsten Fall kann der Eingang des Turbinenläufers direkt mit dem Ausgang des Dampferzeugers (Abhitzekessel) verbunden sein. Vorteilhafterweise erfolgen die Auslegung und die Regelung des Turbinengenerators derart, daß die Turbine in allen Betriebszuständen zwischen Teillast und Vollast der Brennstoffzelle stets im optimalen Arbeitspunkt, d. h. der optimalen Schnellaufzahl (Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenläufers zur Dampfgeschwindigkeit) betrieben werden kann. Dadurch wird die Energieausbeute des Turbinengenerators optimiert und die Regelung der Turbinenanlage vereinfacht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den sich anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere ist die Erfindung nicht nur auf eine Dampfturbine, sondern auch auf eine Gasturbine anwendbar.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Hochtemperatur- Brennstoffzellenanordnung.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm des im Blockdiagramm der Fig. 1 dargestellten Turbinengenerators mit Generatorhauptmaschine und Erregermaschine.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung 10 mit einem Brennstoffzellenblock 12, der einen Anodenteil A und einen Kathodenteil K aufweist. Dem Brennstoffzellenblock 12 ist ein Wechselrichter 14 nachgeordnet, wobei die Ausgänge 32 des Brennstoffzellenblocks 12 mit den Eingängen 34 des Wechselrichters 14 verbunden sind. Aus Gründen der Einfachheit wird der Brennstoffzellenblock nachfolgend als "Brennstoffzelle" bezeichnet, bei der es sich beispielsweise um einen Block von MCFC-, SOFC- oder auch anderen Brennstoffzellen handeln kann. Der Wechselrichter 14 ist mit einem Wechselstromnetz verbunden und dient zur Einspeisung des aus dem Gleichstrom der Brennstoffzelle 12 erzeugten Wechselstroms.
Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfaßt des weiteren einen Turbinengenerator 16, der der Brennstoffzelle 12 nachgeschaltet ist. Der Turbinengenerator wiederum umfaßt, wie dies auch in der Fig. 2 schematisch dargestellt ist, eine Generatormaschine 18, eine Erregermaschine 20 sowie einen Turbinenläufer 22, die alle drei auf einer gemeinsamen Welle 24 angeordnet sind.
Bei dem Turbinenläufer 22 handelt es sich in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung um eine hochtourige Dampfturbine mit hoher Energiedichte, an die als Generatormaschine 18 ein Elektrogenerator gleicher Drehzahl direkt angekoppelt ist. Der Elektrogenerator kann vorzugsweise als typische zweipolige, fremderregte Synchronmaschine ausgeführt sein, deren Erregermaschine 20 ebenfalls direkt über die Welle 24 angebaut ist.
Der Ausgang 30 des Turbinengenerators 16 ist über einen Gleichrichter 26 mit den Ausgängen 32 der Brennstoffzelle 12 parallel geschaltet, d. h. der Ausgang 30 des Turbinengenerators 16 ist über den Gleichrichter 26 mit den Ausgängen 32 der Brennstoffzelle 12 bzw. den Eingängen 34 des Wechselrichters 14 verbunden. Somit wird der von dem Turbinengenerator 16 erzeugte und von dem Gleichrichter 26 gleichgerichtete hochfrequente Wechselstrom parallel zu dem von der Brennstoffzelle 12 erzeugten Strom direkt in den der Brennstoffzelle 12 zugeordneten Wechselrichter 14 eingespeist.
Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfaßt des weiteren eine Regeleinheit 40 mit einem ersten Regelkreis I, einem Regelkreis II und einem dritten Regelkreis III.
Der erste Regelkreis I dient zur Regelung der Ausgangsspannung des Turbinengenerators 16 und umfaßt einen Spannungsmesser 42 zum Messen der von dem Turbinengenerator 16 erzeugten Wechselspannung. Der Spannungsmesser 42 ist mit einem Spannungsregler 44 verbunden, der mit dem Turbinengenerator 16 verbunden ist.
Der zweite Regelkreis II dient zur Regelung des Laststroms des Gleichrichters 26 und umfaßt einen Strommesser 46 zum Messen des durch den Gleichrichter 26 fließenden Stroms Iist. Der Strommesser 46 ist mit einem Stromregler 48 verbunden, der wiederum mit dem Spannungsregler 44 des ersten Regelkreises I verbunden ist.
Der dritte Regelkreis III dient zur Regelung des Laststroms und somit des Bremsmoments des Turbinengenerators 16 und umfaßt einen Drehzahlmesser 50 zur Messung der Drehzahl der gemeinsamen Welle 24 sowie eine Speichereinheit 52 mit darin abgespeichertem Kennfeld des Turbinengenerators 16. Der Drehzahlmesser 50 und die Speichereinheit 52 sind mit einem Drehzahlregler 54 verbunden, der wiederum mit dem Stromregler 48 des Regelkreise II verbunden ist.
Die elektronische Regeleinheit dient somit dazu, den Strom durch die Statorwicklung der Erregermaschine 20 und damit die Erregung der Generatormaschine 18 und wiederum damit die Ausgangsspannung des Turbinengenerators 16 so einzustellen, daß die Spannung am Ausgang des Gleichrichters 26 gleich der Eingangsspannung des Wechselrichters 14 ist. Dadurch wird es erfindungsgemäß ermöglicht, den Ausgang des Gleichrichters 26 direkt mit dem Ausgang 32 der Brennstoffzelle 12 zu verbinden und die elektrische Leistung des Turbinengenerators 16 additiv mit der Leistung der Brennstoffzelle 12 zu kombinieren.
Dazu werden der Regeleinheit 40 über nicht näher dargestellte Sensoren notwendige Informationen, nämlich die Drehzahl des Turbinenläufers 22 (als Meßergebnis des Drehzahlmessers 50 der Drehzahl der gemeinsamen Welle 24) und der Laststrom des Turbinengenerators 16 (Ergebnis der Messung des Strommessers 46) zugeführt. Da der . Regeleinheit 40 die Daten der Kennlinien des Turbinenläufers 22 bei verschiedenen Leistungsstufen sowie der Kennlinie der Generatormaschine 18 (Leistung des Generators als Funktion der Erregerleistung) zu Verfügung stehen, kann die Regeleinheit 40 die Drehzahl der Welle 24 und somit des Turbinenläufers 22 stets im Bereich des optimalen Arbeitspunktes (optimale Schnellaufzahl) halten. Die Ausgangsspannung des Turbinengenerators 16, gemessen über den Spannungsmesser 42, wird durch Ändern der Erregerleistung über den Spannungsregler 44 so eingestellt, daß über den Gleichrichter 26 gerade ein Strom in den Lastkreis der Brennstoffzelle 12 fließt, durch den der Turbinenläufer über die Bremsleistung der Generatormaschine 18 bei gegebenem Dampfangebot auf die richtige, d. h. optimale Drehzahl abgebremst wird. Die Regelung des Turbinenläufers erfolgt somit nicht wie sonst üblich über ein Dampfeinlaßventil, sondern ausschließlich oder überwiegend über das Bremsmoment der Generatormaschine, welches seinerseits proportional dem über die Erregung eingestellten Laststrom ist. Die Drehzahl des Turbinenläufers ändert sich also je nach verfügbarer Dampfmenge derart, daß in allen Betriebszuständen der optimale Punkt des Turbinenkennfeldes von der Regeleinheit angesteuert wird. Die erfindungsgemäße Regelung gestattet des weiteren den Verzicht auf aufwendige präzise Dampfregelventile. Im einfachsten Fall kann der Eingang des Turbinenläufers direkt mit dem Ausgang eines nicht näher dargestellten Dampferzeugers der Brennstoffzellenanordnung 10 verbunden sein.
Bei dem Dampferzeuger handelt es sich insbesondere um einen sogenannten Abhitzekessel, in dem mittels der im Abgas der Brennstoffzelle 12 enthaltenen Wärme Hochdruck-Prozeßdampf (ungefähr 50 bar) erzeugt wird.
Erfindungsgemäß wird somit eine Brennstoffzellenanordnung bereitgestellt, bei der der ohnehin zur Einspeisung der von der Brennstoffzelle erzeugten Energie in ein Stromnetz vorhandene Wechselrichter gleichzeitig zur Einspeisung der von dem parallel zur Brennstoffzelle geschalteten Turbinengenerator erzeugten Energie in das Stromnetz dient. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Zusatzleistung des der Brennstoffzelle nachgeschalteten bzw. parallel geschalteten Dampfturbine in der Regel nur einen Bruchteil der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle selbst ausmacht. Der Turbinengenerator besteht dabei aus einer schnellaufenden kompakten Dampfturbine, die direkt mit einem schnellaufenden Generator gekoppelt ist, wobei die Ausgangsspannung des Turbinengenerators derart geregelt wird, daß der von dem Turbinengenerator gelieferte elektrische Strom direkt auf den Gleichstromeingang des Wechselrichters der Brennstoffzelle aufschaltbar ist. Zur Durchführung der Erfindung ist zwar eine Vergrößerung der Kapazität des Brennstoffzellenrichters notwendig, wobei es sich jedoch nur um eine geringe Kapazitätsvergrößerung handelt, die kostengünstiger ist als der Einsatz eines vollkommens separaten Wechselrichters zur getrennten Einspeisung der Leistung des Turbinengenerators.

Claims (7)

1. Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung mit mindestens einem Brennstoffzellenblock (12) und einem dem Brennstoffzellenblock (12) zugeordneten Wechselrichter (14) sowie mit einem dem mindestens einen Brennstoffzellenblock (12) nachgeschalteten Turbinengenerator (16), dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang (30) des Turbinengenerators (16) über einen Gleichrichter (26) mit einem Ausgang (32) des Brennstoffzellenblocks (12) oder einem Eingang (34) des Wechselrichters (14) verbunden ist und eine Regelung der Ausgangsspannung des Turbinengenerators (16) auf die Höhe der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenblocks (12) erfolgt.
2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinheit (40) vorgesehen ist, die einen ersten Regelkreis (I) zur Regelung der Ausgangsspannung des Turbinengenerators (16) umfaßt.
3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit (40) einen zweiten Regelkreis (II) zur Regelung des Laststroms des Gleichrichters (26) umfaßt.
4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit (50) einen dritten Regelkreis (III) zur Regelung des Laststroms und somit des Bremsmomentes des Turbinengenerators (16) umfaßt.
5. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinengenerator (16) eine Erregermaschine (20) und einen Turbinenläufer (22) umfaßt, die mit der Generatormaschine (18) auf einer gemeinsamen durchgehenden Welle (24) angeordnet sind.
6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Turbinenläufers (22) mit dem Ausgang eines Dampferzeugers der Brennstoffzellenanordnung (10) verbunden ist.
7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang des Turbinenläufers ein Schnellschlußventil vorgeschaltet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997042673A1 (de) * 1996-05-07 1997-11-13 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum betreiben einer hochtemperatur-brennstoffzellenanlage und hochtemperatur-brennstoffzellenanlage

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