DE19951584A1 - Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle, der Zusatzaggregate zum Starten und zum Betrieb zugeordnet sind und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung - Google Patents
Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle, der Zusatzaggregate zum Starten und zum Betrieb zugeordnet sind und Verfahren zum Betrieb der VorrichtungInfo
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle (1). Eine Einheit aus zwei starr gekoppelten Synchronmaschinen (15, 16) treibt Kompressoren (5, 6) u. a. Zusatzaggregate und die andere Synchronmaschine an. Während der Startphase wird die leerlaufende Synchronmaschine erregt und beim Ende der Startphase auf Motorbetrieb umgestellt, in dem sie die Kompressoren (5, 6) u. a. Zusatzaggregate sowie die erste auf Generatorbetrieb eingestellte Synchronmaschine antreibt (Fig. 1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung
elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle, der ein
Oxydant durch einen Kompressor zugeführt wird, und mit einem
für die Versorgung eines Brenngaserzeugungssystems mit Luft
bestimmten Hochdruckkompressor. Weiterhin bezieht sich die
Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung der
vorstehend beschriebenen Art.
Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Ener
gieversorgung eines eine Brennstoffzelle und eine Akkumulator
schaltung enthaltenden Netzes vorgeschlagen wurden, in dem der
Akkumulator während des Startvorgangs die Energie liefert (DE
198 104 685). Die Akkumulatorschaltung ist bei dieser Anord
nung über einen oder mehrere DC/DC-Wandler an das Brennstoff
zellennetz angeschlossen, mit dem auch die Antriebe von Hilfs
aggregaten wie einem Kompressor zur Förderung des Brennmittels
und/oder von Luft verbunden sind. Zu Beginn eines Startvor
gangs liefert der Akkumulator die Energie für die Hilfsag
gregate. Im Anschluß an den Startvorgang, also im Nennbetrieb,
wird der Akkumulator über den DC/DC-Wandler aufgeladen.
Bekannt ist ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellen-
Fahrzeugs, das von einer elektrischen Antriebseinheit, die von
der Brennstoffzelle gespeist wird, angetrieben wird. Das
Brennstoffzellenfahrzeug enthält eine Brennstoffzelle, der
über eine Leitung, in der ein Ventil und ein Druckregler ange
ordnet sind, ein Brennmittel, z. B. Wasserstoff, zugeführt
wird. Über eine weitere Leitung, in der ein Luftfilter, ein
Luftmassenmesser und ein Kompressor angeordnet sind, wird der
Brennstoffzelle ein Oxydant, z. B. Luft, zugeführt. Zum An
trieb des Kompressors sind ein Anlassermotor und ein Elektro
motor vorgesehen. Zum Start der Brennstoffzelle wird der An
lassermotor von einer Starter-Batterie mit Strom versorgt. Im
Normalbetrieb liefert die Brennstoffzelle die zum Betrieb des
Elektromotors nötige Energie. Durch einen Stromsteller wird
die Drehzahl des Elektromotors und damit die des Kompressors
zur Beeinflussung des Oxydanten-Massenstroms eingestellt um
die Leistung der Brennstoffzelle zu beeinflussen (DE 43 22 767
A1).
Die Brennstoffzelle wird sowohl während der Startphase als
auch im normalen Betrieb von einem Kompressor mit dem
Oxydanten, z. B. Luft, versorgt. Das für den Betrieb der
Brennstoffzelle erforderliche Brenngas, insbesondere Wasser
stoff, wird vielfach aus Kohlenwasserstoffen erzeugt. Das
Brenngaserzeugungssystem benötigt Luft, die von einem Hoch
druckkompressor in das Brenngaserzeugungssystem in an sich
bekannter Weise eingespeist wird. Für die Kompressorantriebe
können Gleich- oder Wechsel- bzw. Drehstrommotore eingesetzt
werden. Wechsel- oder Drehstrommotore müssen über Wechsel
richter an das Gleichspannungsnetz der Brennstoffzelle ange
schlossen werden. Während der Startphase der Brennstoffzelle
versorgt eine Starterbatterie die Hilfs- bzw. Zusatzaggregate
wie Kompressor und Hochdruckkompressor mit Energie. Für die
Versorgung der Brennstoffzelle mit Kühlwasser, das zwar nicht
zum Starten der Brennstoffzelle aber im Betrieb unter höheren
Lasten benötigt wird, ist eine Pumpe notwendig, die z. B. von
einem mit den elektrischen Ausgängen der Brennstoffzelle über
einen Wechselrichter verbundenen Wechsel- oder Drehstrommotor
angetrieben wird.
Mit den von Einzelmotoren gegebenenfalls über Wechselrichter
angetriebenen Hilfsaggregaten wie Pumpen und Kompressoren er
gibt sich eine relativ aufwendige Anordnung mit entsprechendem
Raumbedarf und größerem Gewicht. Durch diese Anordnung wird
auch der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems nicht
unerheblich vermindert.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur
Erzeugung elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle, der
Zusatzaggregate zum Starten und zum Betrieb zugeordnet sind
dahingehend weiterzuentwickeln, daß durch Kombination von für
die Zusatzaggregate notwendigen Antrieben die Vorrichtung ver
einfacht und der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung verbessert
wird. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein
Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung anzugeben.
Das Problem wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschrie
benen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einheit
eine erste und eine zweite Synchronmaschine aufweist, daß die
erste der beiden als Einheit starr miteinander gekoppelten
Synchronmaschinen über einen Wechselrichter an eine Speicher
batterie und die zweite über einen Wechselrichter an die
elektrischen Ausgänge der Brennstoffzelle anschaltbar ist, daß
die Einheit wenigstens mit dem Hochdruckkompressor und dem
Kompressor mechanisch starr gekoppelt ist und daß die Wechsel
richter und die Feldwicklungen der Synchronmaschinen an eine
Steuereinheit angeschlossen sind, die im Startbetrieb die
erste Synchronmaschine als Motor und die zweite leerlaufend
und nach dem Startbetriebende die zweite als Motor und die
erste als Generator steuert. Mit der erfindungsgemäßen Vor
richtung werden Einzelmotorenantriebe eingespart. Die erste
Synchronmaschine arbeitet nach dem Ende der Startphase der
Brennstoffzelle als Generator und lädt die Speicherbatterie
sowie versorgt Verbraucher, die an die Speicherbatterie ange
schlossen sind. Die Startphase bzw. der Startbetrieb ist
beendet, wenn die Brennstoffzelle betriebsbereit ist und die
entsprechende Betriebsspannung ausgibt. Bei den Verbrauchern
kann es sich um Motoren, Heizwiderstände usw. handeln. Die an
die Brennstoffzelle angeschlossenen Stromkreise sind
galvanisch von den mit der Speicherbatterie verbundenen
Stromkreisen getrennt, so daß sich ein DC/DC-Wandler mit
großem Übersetzungsverhältnis für die unterschiedlichen
Spannungen des Brennstoffzellennetzes und des Speicherbat
terienetzes erübrigt. In der Startphase ist an die
elektrischen Ausgänge der Brennstoffzelle noch keine Last
angeschlossen, so daß die von der Speicherbatterie dem
Synchronmotor für den Betrieb des Kompressors und des Hoch
druckkompressors zugeführte Leistung ausreicht, um die Brenn
stoffzelle in den für den Lastbetrieb gewünschten Betriebs
zustand zu versetzen. Für die Versorgung der Brenngasein
richtung mit Luft reicht es aus, wenn der Hochdruckkompressor
eine um ca. eine Zenerpotenz kleinere Leistung als der
Kompressor hat.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Hochdruck
kompressor über ein Untersetzungsgetriebe mit der Einheit
verbunden, um die von der gleichen Einheit angetriebenen
Motoren im günstigsten Drehzahlbereich arbeiten zu lassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mit der Welle des
Hochdruckkompressors eine Wasserpumpe starr gekoppelt, zu der
ein mit einem steuerbaren Ventil ausgestatteter Bypass
parallel geschaltet ist und die mit einer Ausgangsleitung an
die Kühleinrichtung der Brennstoffzelle angeschlossen ist,
deren Kühlwasserzulauf durch ein weiteres Ventil sperrbar ist.
Die Wasserpumpe für die Kühlung der Brennstoffzelle wird bei
dieser Ausführungsform von der gleichen Einheit wie Kompres
soren angetrieben, wodurch sich ein separater Motor einsparen
läßt. Während des Startens der Brennstoffzelle wird die Kühl
wasserzufuhr zur Brennstoffzelle mit einem Ventil gesperrt und
der Bypass auf Durchlaß geschaltet.
Es ist zweckmäßig, wenn die Feldwicklungen der Synchron
maschinen je über kontaktlose Schalter mit der Speicher
batterie verbunden sind. Die Feldwicklungen werden somit über
das an die Speicherbatterie angeschlossene Netz gespeist.
Vorzugsweise hat die erste Synchronmaschine etwa 10 bis 20%
der Leistung der zweiten Synchronmaschine. Für den Antrieb des
Kompressors, des Hochdruckkompressors und der zweiten
Synchronmaschine im Leerlauf während der Startphase der
Brennstoffzelle reicht diese Leistung ebenso aus wie für die
Ladung der Speicherbatterie und die Speisung der am Netz der
Speicherbatterie betriebenen Verbraucher nach der Startphase.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung in
einem Fahrzeug angeordnet, das mindestens einen an die Brenn
stoffzelle anschaltbaren Elektromotor für den Antrieb wenig
stens zweier gleichachsiger Räder aufweist. Die Vorrichtung
eignet sich insbesondere für Kraftfahrzeuge mit wenigstens
einem Fahrmotor, bei denen mit der Erfindung kurze Startzeiten
erreichbar sind. Kurze Startzeiten sind wegen des Anlassens
der Kraftfahrzeuge, insbesondere bei häufigen Fahrten, von
Bedeutung, um lästige Wartezeiten bis zum Fahrtbeginn zu
reduzieren.
Zweckmäßigerweise enthält die Einheit drei, mit den Feldwick
lungen der Synchronmaschinen verbundene Schleifringe, von
denen einer beiden Feldwicklungen gemeinsam ist, wodurch sich
eine Einsparung an Schleifringen ergibt.
Ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung mit einer Brenn
stoffzelle, der ein Oxydant, insbesondere Luft, durch einen
Kompressor zugeführt wird, und mit einem für die Versorgung
eines Brenngaserzeugungssystems mit Luft bestimmten Hochdruck
kompressor, wobei eine Einheit aus zwei starr miteinander ver
bundenen Synchronmaschinen, von denen eine über einen Wechsel
richter an die Speicherbatterie und die zweite an die elektri
schen Ausgänge der Brennstoffzelle anschaltbar ist, mechanisch
wenigstens mit dem Hochdruckkompressor und dem Kompressor ver
bunden ist, besteht erfindungsgemäß darin, daß zum Starten der
Brennstoffzelle die erste Synchronmaschine erregt und als
Motor bei leerlaufender zweiter Synchronmaschine zum Antrieb
des Kompressors und des Hochdruckkompressors betrieben wird,
daß die Brenngaszufuhr freigegeben wird, daß die zweite
Synchronmaschine als Generator auf eine Spannung unterhalb der
von der Brennstoffzelle im Betrieb ausgegebenen Spannung er
regt wird, und daß nach dem Erreichen der Betriebsspannung der
Brennstoffzelle die zweite Synchronmaschine bei dieser unter
halb der Brennstoffzellenspannung liegenden Spannung mit der
Brennstoffzellenspannung beaufschlagt wird und als Motor den
Kompressor und Hochdruckkompressor sowie die erste Synchron
maschine antreibt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren treibt die erste Synchron
maschine während des Startvorgangs bzw. der Startphase Zu
satzaggregate an, die einen schnellen Start bewirken, d. h.
die Brennstoffzelle in kurzer Zeit in einen Zustand versetzen,
in dem sie ihre gewünschte Spannung ausgibt und die gewünschte
Leistung abgeben kann. Während des Startvorgangs wird die
zweite Synchronmaschine auf eine Ausgangsspannung erregt, die
etwas kleiner als die Brennstoffzellenausgangsspannung im
Nennbetrieb ist. Sobald die Brennstoffzellenspannung erreicht
ist, wird diese über einen Schalter und den Wechselrichter an
die zweite Synchronmaschine angelegt, wodurch die zweite
Synchronmaschine nahezu stoßfrei vom Generator- in den Motor
betrieb, übergeht. Durch die als Motor arbeitende zweite
Synchronmaschine wird die erste Synchronmaschine auf Gene
ratorbetrieb umgestellt, in dem sie die Speicherbatterie lädt
und die an das Speicherbatterienetz angeschlossenen elek
trischen Verbraucher mit Strom versorgt.
Zweckmäßigerweise wird die erste Synchronmaschine zuerst mit
Erregerstrom beaufschlagt und danach wird in die Stator
wicklung Strom durch den Wechselrichter eingespeist. Dies ist
für die Erzeugung eines entsprechenden Anlaufmoments günstig.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mit dem Hochdruck
kompressor eine Wasserpumpe in einem Kühlkreislauf der Brenn
stoffzelle verbunden und wird während des Statorgangs der
Brennstoffzelle auf Bypaßbetrieb umgestellt, wobei der Zulauf
zum Kühlkreislauf zur Brennstoffzelle gesperrt wird. Die
Brennstoffzelle wird in der Startphase, in der die in ihr
erzeugte Wärme zum Aufheizen auf Betriebstemperatur ausgenutzt
wird, nicht gekühlt. Erst bei Lastzuständen, bei denen eine
starke Wärmeentwicklung stattfindet, wird die Brennstoffzelle
mit Kühlwasser versorgt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus
dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
mit einer Brennstoffzelle und mit Zusatzaggregaten
für den Betrieb der Brennstoffzelle und mit einer
Speicherbatterie im Schema,
Fig. 2 ein Übersichtsschaltbild mit wesentlichen
Bestandteilen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung
im Zustand der Startphase der Brennstoffzelle,
Fig. 3 ein Übersichtsschaltbild mit wesentlichen Bestand
teilen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung im
Zustand nach der Aufnahme des Betriebs der
Brennstoffzelle.
Eine insbesondere für ein Fahrzeug geeignete Vorrichtung zum
Erzeugen elektrischer Energie enthält eine Brennstoffzelle 1,
die elektrische Ausgänge 2, 3 aufweist, an die Verbraucher von
elektrischer Energie angeschlossen sein können. Befindet sich
die Vorrichtung in einem Fahrzeug, dann ist an die Ausgänge 2,
3 über einen nicht näher bezeichneten Schalter bzw. Steller
ein Antriebsmotor 4 für die Antriebsräder des Fahrzeugs ange
schlossen. Bedarfsweise können auch noch weitere Motoren und
Schalter mit den Ausgängen 2, 3 bzw. mit einem an die Ausgänge
2, 3 angeschlossenen elektrischen Netz verbunden sein, das die
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 führt.
Zur Versorgung der Brennstoffzelle 1 mit einem Oxydanten, ins
besondere Luft, ist ein Kompressor 5 vorgesehen, der über eine
nicht näher bezeichnete Leitung mit der Brennstoffzelle 1 ver
bunden ist. Der Kompressor 5 ist für eine Leistung ausgelegt,
die ausreicht, um die Brennstoffzelle 1 in dem vorgesehenen
Arbeitsbereich bei elektrische Belastung der Brennstoffzelle
mit dem Oxydanten zu versorgen.
Ein Hochdruckkompressor 6 ist für die Versorgung eines
Brenngaszeugungssystems mit Luft vorgesehen. Das Brenngaser
zeugungssystem, das z. B. aus Methanol Wasserstoff für die
Brennstoffzelle erzeugt, benötigt die Luft zur CO-Oxidation,
partiellen Oxidation, Methanoldosierung usw. Ein derartiges
Brenngaserzeugungssystem ist an sich bekannt.
Die Einrichtungen zur Versorgung der Brennstoffzelle 1 mit
Brenngas sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Zur Einspei
sung des Brenngases, z. B. Wasserstoff, werden an sich be
kannte Mittel eingesetzt. In der DE 43 22 767 A1 oder der US
5334 463 sind z. B. Mittel zur Versorgung einer Brennstoff
zelle mit Brenngas beschrieben.
Bei Belastung der Brennstoffzelle 1 wird diese zur Erreichung
einer günstigen Betriebstemperatur gekühlt. Die Brennstoff
zelle 1 enthält eine nicht näher dargestellte Kühleinrichtung
für Kühlwasser, das einem Tank 7 durch eine Wasserpumpe 8 über
eine Leitung 13 entnommen und über eine weitere Leitung 9, in
der sich eine Regelventil 10 befindet, der Kühleinrichtung der
Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, wenn eine bestimmt Be
triebstemperatur trotz größerer Belastung aufrecht erhalten
werden soll. Zu der Wasserpumpe 8 ist ein Parallelzweig 11
bzw. Bypass gelegt, in dem sich eine weiteres Ventil 12 befin
det. In der Startphase, wenn die Brennstoffzelle durch die
von ihr selbst erzeugte Prozeßwärme möglichst schnell auf Be
triebstemperatur aufgeheizt werden soll, wird kein Kühlwasser
in die Brennstoffzelle eingespeist. Die Einspeisung wird bei
laufender Wasserpumpe 8 verhindert, indem das Ventil 12 im
Parallelzweig 11 geöffnet wird.
Für den Antrieb des Kompressors 5, des Hochdruckkompressors 6
und der Wasserpumpe 8 ist eine Einheit 14, die im folgenden
auch Antriebseinheit genannt wird, vorgesehen. Die Einheit
weist zwei Synchronmaschinen 15, 16 auf, die starr miteinander
gekoppelt sind. Weiterhin ist die Einheit über eine Welle 40
starr mit dem Kompressor 5 gekoppelt. Ferner ist eine Welle 17
der Einheit 14 mit einem Untersetzungsgetriebe 18 verbunden,
dessen Welle 19 mit niedriger Drehzahl starr mit dem Hochd
ruckkompressor 6 und der Wasserpumpe 8 verbunden ist.
Die Synchronmaschine 15 hat eine dreiphasige Statorwicklung
20, die z. B. im Stern geschaltet ist. Die nicht näher be
zeichneten Anschlüsse der Statorwicklung 20 sind jeweils an
Ausgänge eines Wechselrichters 21 gelegt, der in an sich be
kannter Weise als Brückenschaltung z. B. CMOS-Transistoren als
Schalter aufweist, zu denen Freilaufdioden parallel geschaltet
sind. Die elektrischen Bauelemente des Wechselrichters 21 sind
nicht näher bezeichnet. Der Wechselrichter 21 ist an die Pole
22, 23 einer Speicherbatterie 24 bzw. eines Akkumulators ange
schlossen, der ein Bordnetz speist, das z. B. 12 V oder 36 V
haben kann. Die Statorwicklung ist für Bordnetzspannung
ausgelegt.
Mit den Polen 22, 23 der Speicherbatterie 24 sind noch weitere
Verbraucher des Fahrzeugs verbunden. Es kann sich z. B. um
einen Heizwiderstand 25 und um Motoren handelt, von denen nur
einer dargestellt und mit 26 bezeichnet ist. Die Verbraucher
25, 26 sind über nicht näher bezeichnete Schalter an das mit
den Polen 22, 23 verbundene elektrische Netz angeschlossen.
Die Schalter werden bedarfsweise geschossen. Als Verbraucher
können z. B. Antriebsmotore für das Schiebedach, Scheiben
wischer, Fensterheber usw. vorgesehen sein.
Die Synchronmaschine 16 hat ebenfalls eine dreiphasige Stator
wicklung 27, die z. B. im Stern geschaltet und für die
Brennstoffzellenspannung ausgelegt ist. Die nicht näher
bezeichneten Anschlüsse der Statorwicklung 27 sind an Ausgänge
eines Wechselrichters 28 gelegt, der ebenfalls als Brücken
schaltung mit CMOS-Transistoren als Schalter in den Brücken
zweigen ausgebildet sein kann. Der Wechselrichter 28 ist mit
den Anschlüssen 2, 3 der Brennstoffzelle 1 über einen Schalter
39 verbunden.
Die Synchronmaschine 15 hat eine Feldwicklung 29, die mit zwei
Schleifringen 30, 31 auf der Maschinenwelle verbunden ist. Die
Synchronmaschine 16 hat eine Feldwicklung 32, die an einen
Schleifring 33 und den Schleifring 31 angeschlossen ist, der
damit beiden Synchronmaschinen 15, 16 gemeinsam ist.
Der Schleifring 31 ist über eine nicht näher bezeichnete
Bürste an den Pol 22 der Speicherbatterie 24 angeschlossen.
Die Schleifringe 30, 33 sind je über eine nicht näher be
zeichnete Bürste in Serie mit einem kontaktlosen Schalter 34
bzw. 35 mit dem Pol 23 der Speicherbatterie 24 verbunden.
Die Steuerelektroden der kontaktlosen Schalter 34, 35, der
kontaktlosen Schalter der beiden Wechselrichter 21, 28, die
Stellglieder der Ventile 10, 12, wenigstens ein Temperatur
fühler im Kühlkreislauf der Brennstoffzelle, die Ausgänge 2,
3, die Pole 22, 23 und weitere nicht dargestellten Stell
glieder bzw. Bauteile der Brenngaserzeugungseinrichtung sind
an eine Steuerschaltung 36 bzw. Steuereinheit angeschlossen,
die auch die Spannungen an den Polen 22, 23 und den Ausgängen
2, 3 überwacht. Mit der Steuerschaltung 36 können auch noch
weitere Steuer- bzw. Schaltglieder z. B. von Verbrauchern im
Netz der Speicherbatterie verbunden sein. Ebenso weist die
Steuerschaltung 36 Bauelemente auf, die auf die Betätigung
eines nicht dargestellten Zünd- bzw. Startschlüssels den
Wechselrichter 21 derart in Betrieb setzen, daß die
Synchronmaschine 15 als Motor auf ihre Nenndrehzahl hochläuft.
Die Synchronmaschinen 15, 16 können als Schenkelpolmaschinen
oder solche mit zylindrischen Rotoren ausgebildet sein. Für
hohe Drehzahlen werden vorwiegend Maschinen mit zylindrischen
Rotoren eingesetzt.
Die Synchronmaschine 15 wird als Motor in der Startphase ein
gesetzt und kann eine geringere Leistung als die Synchron
maschine 16 haben.
Beispielsweise ist die Leistung der Synchronmaschine 16 mehr
als fünf mal so groß wie die der Synchronmaschine 15. Die
Drehzahlen der Synchronmaschinen 15, 16 liegen z. B. im
Bereich oberhalb von 10000 1/min. Das Untersetzungsverhältnis
des Getriebes 18 kann 4/1 sein. Zur Inbetriebnahme der in
Fig. 1 dargestellten Vorrichtung für die Erzeugung elektrischer
Energie mit der Brennstoffzelle 1, die beispielsweise aus
einem Stack einzelner Brennstoffzellenmodule besteht, wird ein
Schlüssel betätigt, der die Steuerschaltung 36 veranlaßt, den
Schalter 34 zu schließen und den Wechselrichter 21 so anzu
steuern, daß die Synchronmaschine 15 als Motor auf Nenndreh
zahl hochläuft und diese Drehzahl eine gewisse Zeit beibehält,
bis die Brennstoffzelle 1 ihren Betriebszustand erreicht hat,
d. h. ihre Betriebsspannung ausgibt. Zugleich mit der An
steuerung des Wechselrichters 21 werden die Mittel zur Ein
speisung von Brennstoff in die Brennstoffzelle im Gang ge
setzt, das Ventil 10 geschlossen und das Ventil 12 geöffnet.
Die Startphase endet, wenn die Brennstoffzelle ihre Betriebs
spannung erreicht hat. Während des Hochlaufs der Synchron
maschine 15 einschließlich der vorstehend erwähnten Zeit
danach dreht sich die Synchronmaschine 16 im Leerlauf. In der
Startphase wird die Brennstoffzelle 1 durch Einspeisung des
Oxydanten durch den Kompressor 5 und durch das Brenngas aus
der Brenngaserzeugungseinrichtung, die vom Hochdruckkompressor
mit Luft versorgt wird, in Gang gesetzt. Die Brennstoffzelle 1
heizt sich durch die entstehende Prozeßwärme auf und erzeugt
eine Gleichspannung an den Ausgängen 2 und 3. Die für die
Aggregate zum Ingangsetzen der Brennstoffzelle bzw. bis zu
deren Betriebsbereitschaft benötigte Energie wird der
Speicherbatterie 24 entnommen.
Die Steuerschaltung 36 erkennt, wenn die Brennstoffzelle 1
ihre Betriebsbereitschaft erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt
oder schon vorher, wenn die Brennstoffzelle noch nicht ihre
Betriebsspannung erreicht hat, speist die Steuerschaltung 36
Erregerstrom in die Feldwicklung 32 ein. Die Synchronmaschine
16 arbeitet dann als leerlaufender Generator, dessen Ausgangs
spannung von der Steuerschaltung 36 überwacht und auf einen
Wert eingestellt wird, der etwas kleiner als die bei Betriebs
spannung der Brennstoffzelle 1 am Wechselrichter 28 ausgangs
seitig vorhandene Spannung ist.
Hat die Brennstoffzelle 1 ihre vorgesehene Betriebsspannung
erreicht, dann betätigt die Steuerschaltung 36 den Schalter 39
und die Schalter des Wechselrichters 28, so daß die Stator
wicklung 16 der Synchronmaschine 16 mit der Spannung der
Brennstoffzelle 1 beaufschlagt wird. Die Generatorspannung
entspricht dabei einer Gegen-EMK. Die Synchronmaschine 16 geht
daher vom Generator schnell in den Motorbetrieb über, worauf
die Synchronmaschine den Kompressor 5 und den Hochdruck
kompressor 6 sowie die Pumpe 8 antreibt. Durch den Übergang
der Synchronmaschine 16 auf Motorbetrieb wird die Synchron
maschine 15 automatisch auf Generatorbetrieb umgestellt, in
dem sie bei entsprechender Steuerung des Erregerstroms durch
die Steuerschaltung 36 Ladestrom der Speicherbatterie 24
zuführt. Die Höhe der Spannung im Netz mit der Speicher
batterie 24 und dementsprechend die Ladung der Speicher
batterie 24 wird durch eine Einstellung des Erregerstroms in
der Feldwicklung 29 den Erfordernissen angepaßt. Wenn die
Verbraucher 25, 26 in Betrieb sind, ist es durch eine
entsprechende Erregung der Synchronmaschine 15 zweckmäßig die
Verbraucher mit Strom aus der Synchronmaschine 15 zu
versorgen, damit der Speicherkondensator 24 nicht entladen
wird.
In Fig. 2 ist in einem Übersichtbild mit den wesentlichen Be
standteilen der Vorrichtung der Zustand der in Fig. 1 darge
stellten Vorrichtung in der Startphase dargestellt. Zu den
einzelnen, in Fig. 2 gezeigten Bauteilen der Vorrichtung
wurden deren Wirkungsgrade angegeben. Es ist möglich, eine
Synchronmaschine 16 für die von der Brennstoffzelle 1 erzeugte
Spannung mit einem Wirkungsgrad von 90% oder mehr unter
Einbeziehung des Wirkungsgrades des Wechselrichters 28 zu
erhalten. Für die Synchronmaschine 15, ausgelegt für die
Spannung der Speicherbatterie, ist eine Wirkungsgrad von 85%
oder mehr unter Einbeziehung des Wirkungsgrades des Wechsel
richters 21 möglich.
In der Startphase, in der die Brennstoffzelle 1 galvanisch vom
Wechselrichter 28 durch den offenen Schalter 39 getrennt ist,
ist der Wirkungsgrad, der von der Synchronmaschine 15 abgege
bene Leistung 85%, die dann an den Kompressoren 5, 6 und der
Wasserpumpe 8 verfügbar ist. Ein Systemkondensator 38 im Netz
der Brennstoffzelle wird mit 0,76 Wirkungsgrad durch den Wech
selrichter 28 geladen.
Die Kompressoren 5, 6 und die Wasserpumpe 8 sind in Fig. 2 als
Block mit den Bezugszeichen 5, 6, 8 dargestellt. Der Wirkungs
grad einer Vorrichtung mit Einzelmotorantrieben, die am Brenn
stoffzellennetz hängen und vorgeschaltete DC/DC-Wandler haben,
ist geringer.
Im normalen Betrieb der Brennstoffzelle 1, der in Fig. 3 im
Übersichtsschaltbild mit den wesentlichen Bestandteilen der
Vorrichtung gemäß Fig. 1 dargestellt ist, ist der hohe Wir
kungsgrad der Synchronmaschine 16 von 90% vorhanden, während
die Speicherbatterie 24 mit einem niedrigen Wirkungsgrad von
ca. 0,76 über die Synchronmaschine 15 geladen wird. Für die
Antriebe steht demgegenüber durch den Wirkungsgrad von 90%
eine Leistung zur Verfügung, die sich auf eine wesentlich hö
here Leistung als die Aufladeleistung bezieht. Bei der oben
beschriebenen Vorrichtung mit Einzelmotoren wäre der Motorwir
kungsgrad in etwa gleich dem des Startbetriebs, d. h.
wesentlich geringer. Nur der Ladewirkungsgrad wäre dagegen
etwas höher.
Claims (12)
1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer
Brennstoffzelle, der ein Oxydant von einem Kompressor
zugeführt wird, und mit einem für die Versorgung eines
Brenngaserzeugungssystems mit Luft bestimmten Hochdruck
kompressor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einheit (14)
eine erste und eine zweite Synchronmaschine (15, 16) auf
weist, daß die erste der beiden als Einheit starr
miteinander gekoppelten Synchronmaschinen über einen
Wechselrichter (21) an eine Speicherbatterie (24) und die
zweite über einen Wechselrichter (28) an die elektrischen
Ausgänge (2, 3) der Brennstoffzelle (1) anschaltbar ist,
daß die Einheit (14) wenigstens mit dem Hochdruck
kompressor (6) und dem Kompressor (5) mechanisch starr ge
koppelt ist und daß die die Wechselrichter (21, 28) und
die Feldwicklungen (20, 27)der Synchronmaschinen (15, 16)
an eine Steuerschaltungsanordnung (36) angeschlossen sind,
die im Startbetrieb die erste Synchronmaschine (15) als
Motor und die zweite leerlaufend und nach dem Ende des
Startbetriebs die zweite als Motor und die erste als
Generator steuert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mit der Welle des Hochdruckkompressors (6) eine Wasser
pumpe (8) starr gekoppelt ist, zu der ein mit einem
steuerbaren Ventil (12) ausgestatteter Bypass (11)
parallel geschaltet ist und die mit einer Ausgangsleitung
(9) an die Kühleinrichtung der Brennstoffzelle (1) über
eine Ventil (10) verbunden ist, mit dem der Kühlwasser
zulauf zur Brennstoffzelle (1) sperrbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Feldwicklungen (20, 27) der Synchronmaschinen
(15, 16) je über kontaktlose Schalter (34, 35) mit der
Speicherbatterie (24) verbunden sind.
4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckkom
pressor (6) über ein Untersetzungsgetriebe (18) mit der
Einheit (14) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Synchron
maschine (15) etwa 10 bis 20% der Leistung der zweiten
Synchronmaschine (16) hat.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der
Synchronmaschinen 12000 1/min ist.
7. Vorrichtung nach, zumindest einem der vorgehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkungsgrad der
ersten Synchronmaschine (15) etwa 85% oder mehr und der
Wirkungsgrad der zweiten (16) etwa 90% oder mehr bei
Nennleistung ist.
8. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche gekennzeichnet durch die Anbringung in einem
Fahrzeug, dessen Antriebsmotor (4) bzw. Antriebsmotore mit
Energie aus der Brennstoffzelle (1) versorgt werden.
9. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (14)
drei, mit den Feldwicklungen der Synchronmaschinen
verbundene Schleifringe hat von denen einer beiden
Feldwicklungen gemeinsam ist.
10. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung für die Erzeugung
elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle, der ein
Oxydant, insbesondere Luft, durch einen Kompressor
zugeführt wird, und mit einem für die Versorgung einer
Brenngaserzeugungseinrichtung mit Luft bestimmten Hoch
druckkompressor, wobei eine Einheit eine erste und eine
zweite Synchronmaschine aufweist und die erste der beiden
starr miteinander gekoppelten Synchronmaschinen über einen
Wechselrichter an die Speicherbatterie und die zweite über
einen Wechselrichter an die Ausgänge der Brennstoffzelle
anschaltbar ist, und wobei die Einheit wenigstens mit dem
Hochdruckkompressor und dem Kompressor mechanisch starr
gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Starten der
Brennstoffzelle die erste Synchronmaschine erregt und als
Motor bei leerlaufender zweiter Synchronmaschine zum An
trieb des Kompressors und Hochdruckkompressors betrieben
wird, daß die Brenngaszufuhr zur Brennstoffzelle freige
geben wird, daß die zweite Synchronmaschine als Generator
auf eine Spannung unterhalb der Betriebsspannung der
Brennstoffzelle erregt wird und daß nach dem Erreichen der
Betriebsspannung der Brennstoffzelle die zweite Synchron
maschine mit der Betriebsspannung beaufschlagt wird und
als Motor den Kompressor für die Oxydanten-Förderung und
den Hochdruckkompressor sowie die erste Synchronmaschine
antreibt.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
erste Synchronmaschine zuerst mit Erregerstrom beauf
schlagt und danach mit der Statorwicklung an den vom Spei
cherkondensator gespeisten Wechselrichter gelegt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem Hochdruckkompressor eine Wasserpumpe in einem
Kühlkreislauf der Brennstoffzelle verbunden ist und daß
die Wasserpumpe während der Startphase der Brennstoffzelle
auf Bypaßbetrieb eingestellt und der Zulauf zur Kühlein
richtung der Brennstoffzelle gespart wird.
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