DE202004011801U1 - Electrical current power production unit for emergency systems with fuel cells has electrical store and control systems and power adjusting units to suit the output - Google Patents

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Abstract

An electrical power production unit (10) comprises a power bus and at least two fuel system stacks (14) and electrical energy store (24) and control (28) systems. Power adjusting units connect to the bus with an input voltage and total nominal output and the number of fuel cells connected to the bus and number of adjusting units changes with need.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of the Invention

Die Erfindung betrifft allgemein Energieversorgungsvorrichtungen mit einer Anordnung von Brennstoffzellensystemen.The The invention relates generally to power supply devices an arrangement of fuel cell systems.

Beschreibung des Standes der Technikdescription the state of the art

Brennstoffzellen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Brennstoffzellen setzen einen Wasserstoff enthaltenden Brennstoffstrom und einen Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittelstrom zur Erzeugung von elektrischem Strom elektrochemisch um. Brennstoffzellen-Kraftwerke wurden in der Verkehrstechnik, für mobile sowie für stationäre Anwendungen eingesetzt.fuel cells are known from the prior art. Put fuel cells a hydrogen-containing fuel stream and an oxygen containing oxidant stream for generating electrical Electricity electrochemically. Fuel cell power plants were in traffic engineering, for mobile as well as for stationary Applications.

Konventionelle Reserve- oder Notenergiesysteme umfassen wiederaufladbare Batteriereihen zur Bereitstellung von elektrischer Energie, wenn das Energieversorgungsnetz unzureichend oder unterbrochen ist. Systeme zur Bereitstellung von Wechselstrom (AC) weisen typischerweise eine unterbrechungsfreie Stromversorgungs (uninterruptible power supply, UPS)-Einheit auf, die einen UPS-Schalter, eine Batterieladevorrichtung und einen Wechselrichter umfasst (und die ferner Leistungsfilterungs- und/oder -aufbereitungsanordnungen umfassen kann). Normalerweise führt das Netz der Last/den Lasten Primärenergie zu. Wenn das Netz unterbrochen ist, führt die Batteriereihe der Last/den Lasten Energie durch den Wechselrichter zu, der die Gleichstrom (DC)-Eingabe in eine AC-Ausgabe umwandelt. Wenn die Primärstromversorgung wieder vorhanden ist, lädt die Batterieladevorrichtung die Batteriereihe.conventional Reserve or emergency energy systems include rechargeable battery series Provision of electrical energy when the power grid is insufficient or interrupted. Systems for providing Alternating current (AC) typically have an uninterruptible Uninterruptible power supply (UPS) unit on, which include a UPS switch, a battery charger, and an inverter (and the further power filtering and / or conditioning arrangements may include). Usually leads the network to the load (s) primary energy. If the network is interrupted, leads the battery array of load / loads of energy by the inverter which converts the direct current (DC) input into an AC output. If the primary power supply is available again, loads the battery charger the battery row.

In den Batteriereihen werden meistens ventilgesteuerte Bleisäure (valve regulated lead acid, VRLA)-Batterien eingesetzt. Die Anzahl und Größe der Batterien hängt von der erforderlichen Laufzeit ab. Kommerziell erhältliche UPS- und andere elektrische Einrichtungen, wie z.B. Wechselrichter haben unterschiedliche Eingangsspannungsanforderungen (z.B. 48, 72 und 96 Volt Gleichspannung, VDC), die ein Vielfaches der 12 VDC-Ausgabe der VRLA-Batterie darstellen, und ihre Nennausgangsleistung ist an die entsprechende Batteriereihe angepasst.In the battery series are mostly valve-controlled lead acid (valve regulated lead acid (VRLA) batteries. The number and Battery size depends on the required term. Commercially available UPS and other electrical Facilities such as Inverters have different input voltage requirements (e.g. 48, 72 and 96 volts DC, VDC), which is a multiple of the 12th Represent the VDC output of the VRLA battery and its nominal output power is adapted to the corresponding battery series.

Notstromsysteme, bei denen Brennstoffzellen-Kraftwerke zum Einsatz kommen, wurden ebenfalls beschrieben. Ein Ansatz besteht darin, Brennstoffzellenmodule einzusetzen, bei denen eine Batterie elektrisch parallel zu dem Brennstoffzellensystem geschaltet ist, um zusätzlichen Strom bereitzustellen, wenn die Lastanforderung die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels überschreitet und um Strom zu speichern, wenn die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels die Lastanforderung überschreitet. Die Eigenschaften der Anschlüsse des Moduls können darüber hinaus ähnlich ausgebildet werden, wie die bestehender VRLA-Batterien.Emergency power systems where fuel cell power plants are used also described. One approach is fuel cell modules use where a battery is electrically parallel to the Fuel cell system is switched to provide additional electricity when the load request exceeds the output of the fuel cell stack and to store electricity when the output of the fuel cell stack exceeds the load requirement. The properties of the connections of the module about that similar out trained like the existing VRLA batteries.

Brennstoffzellenmodule sind jedoch nicht so gut an die Strom-, Spannung- oder Leistungsniveaus kommerzieller Anordnungen angepasst wie VRLA-Batteriereihen. Es ist wünschenswert, ein Brennstoffzellen-Kraftwerk bereitzustellen, das besser an die DC-Eingangspannung und die Leistungsausgabe bestehender elektrischer Reserveeinrichtungen, wie z.B. eine UPS-Einrichtung angepasst ist.fuel cell modules however, are not as commercial in terms of current, voltage, or power levels Arrangements adapted like VRLA battery series. It is desirable to provide a fuel cell power plant that better matches the DC input voltage and the power output of existing electrical reserve facilities, such as. a UPS facility is customized.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

In der folgenden Beschreibung werden spezifische Details erläutert, um die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung vollständig verständlich zu machen. Für den Fachmann versteht es sich jedoch, dass die Erfindung ohne diese Details ausgeführt werden kann. In anderen Beispielen werden bekannte mit Brennstoffzellen, Brennstoffzellenstapeln, Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie, wie z.B. Batterien, Schwungräder und Superkondensatoren, Reaktandenzufuhrsystemen, Temperatursteuerungssystemen und Brennstoffzellensystemen zusammenhängende Strukturen nicht gezeigt oder detailliert beschrieben, um zu vermeiden, dass die Beschreibungen der Ausführungsformen der Erfindung unnötigerweise undeutlich werden.In The following description explains specific details to the different embodiments the invention completely understandable close. For however, those skilled in the art will understand that the invention is without them Details executed can be. In other examples, known ones with fuel cells, Fuel cell stacks, devices for storing electrical Energy such as Batteries, flywheels and supercapacitors, Reactant delivery systems, temperature control systems and fuel cell systems related Structures not shown or described in detail to avoid that the descriptions of the embodiments of the Invention unnecessarily become indistinct.

In der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Schutzansprüchen wird unter einer "UPS-Einrichtung" eine unterbrechungsfreie Stromversorgung beliebiger Topologie, einschließlich der passiven Standby- (passive standby), der stromleitungsinteraktiven (line-interactive) und der Doppelumwandlungs(double conversion)-Typen verstanden, die in den IEC 62040-3- und den ENV 50091-3-Normen festgelegt sind.In the present description and the appended claims under an "UPS facility" an uninterruptible Power any topology, including passive standby (passive standby), the power line interactive and the double conversion types understood that are defined in the IEC 62040-3 and ENV 50091-3 standards.

1 zeigt ein Hybrid-Brennstoffzellenmodul 10, das einer Last 12 Energie zuführt, zur Verwendung in einer dargestellten Ausführungsform der Erfindung. Die Last 12 stellt typischerweise die durch das Hybridbrennstoffzellenmodul 10 anzutreibende Einrichtung, wie z.B. ein Fahrzeug, eine Vorrichtung, einen Computer und/oder zugehörige Peripheriekomponenten dar. Während das Hybridbrennstoffzellenmodul 10 typischerweise nicht als Teil der Last 12 betrachtet wird, können Teile des Hybridbrennstoffzellenmoduls 10, wie z.B. die Steuerungselektronik in einigen möglichen Ausführungsformen einen Teil der Last 12 oder die gesamte Last 12 bilden. 1 shows a hybrid fuel cell module 10 that a burden 12 Applies energy for use in an illustrated embodiment of the invention. Weight 12 typically provides the hybrid fuel cell module 10 device to be driven, such as a vehicle, a device, a computer and / or associated peripheral components. During the hybrid fuel cell module 10 typically not as part of the load 12 can be considered, parts of the hybrid fuel cell module 10 , such as the control electronics in some possible embodiments part of the load 12 or the entire load 12 form.

Das Brennstoffzellenmodul 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 14, der aus einer Anzahl von einzelnen elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen zusammengesetzt ist. Der Brennstoffzellenstapel 14 nimmt, wie durch den Pfeil 9 dargestellt ist, Reaktanden, wie z.B. Wasserstoff und Luft über ein Reaktandenzufuhrsystem 16 auf. Das Reaktendenzufuhrsystem 16 kann ein/eine oder mehrere Reaktanden-Zufuhrreservoir(s) oder -quelle(n) 11, einen Reformer (nicht gezeigt) und/oder ein oder mehrere Steuerungselement(e), wie z.B. einen oder mehrere Kompressor(en) eine oder mehrere Pumpe(n) und/oder ein oder mehrere Ventile) 18 oder andere Reaktandensteuerungselemente umfassen. Im Betrieb erzeugt der Brennstoffzellenstapel 14, wie durch den Pfeil 20 dargestellt ist, ein Reaktionsprodukt, das typischerweise Wasser enthält. Das Brennstoffzellenmodul 10 kann einen Teil der Reaktionsprodukte 20 oder die gesamten Reaktionsprodukte 20 wiederverwenden. Beispielsweise kann, wie durch den Pfeil 22 dargestellt, ein Teil des Wassers oder das gesamte Wasser zu dem Brennstoffzellenstapel 14 zurückgeführt werden, um den Wasserstoff und die Luft bei der richtigen Temperatur zu befeuchten und/oder die Ionenaustauschmembranen (nicht gezeigt) zu hydratisieren oder die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 14 zu steuern.The fuel cell module 10 comprises a fuel cell stack 14 made up of a number of is composed of individual electrically connected fuel cells in series. The fuel cell stack 14 takes like through the arrow 9 is shown reactants such as hydrogen and air via a reactant delivery system 16 on. The reactive feed system 16 can have one or more reactant supply reservoir (s) or source (s) 11 , a reformer (not shown) and / or one or more control element (s), such as, for example, one or more compressor (s), one or more pump (s) and / or one or more valves) 18 or other reactant control elements. The fuel cell stack generates during operation 14 as by the arrow 20 is shown, a reaction product that typically contains water. The fuel cell module 10 can be part of the reaction products 20 or all of the reaction products 20 reuse. For example, as indicated by the arrow 22 shown, some or all of the water to the fuel cell stack 14 are returned to humidify the hydrogen and air at the correct temperature and / or to hydrate the ion exchange membranes (not shown) or the temperature of the fuel cell stack 14 to control.

Der Brennstoffzellenstapel 14 erzeugt eine Stapel-Spannung VS über einen Hochspannungsbus, der durch die positiven und negativen Spannungsleitungen 19a, 19b gebildet wird. Der Stapel-Strom IS fließt von dem Brennstoffzellenstapel 14 über den Hochspannungsbus zur Last 12. Hier wird mit dem Begriff "Hochspannung" die Spannung bezeichnet, die von konventionellen Brennstoffzellenstapeln 14 zu Antreiben von Lasten 12 erzeugt wird und der Begriff wird verwendet, um eine Unterscheidung von anderen Spannungen zu ermöglichen, die von dem Brennstoffzellenmodul 10 für die Steuerung und/oder die Kommunikation eingesetzt werden (z.B. 5 V). Somit bedeutet Hochspannung nicht notwendigerweise "hoch" in Bezug auf andere elektrische Systeme.The fuel cell stack 14 generates a stack voltage V S through a high voltage bus passing through the positive and negative voltage lines 19a . 19b is formed. The stack current I S flows from the fuel cell stack 14 to the load via the high-voltage bus 12 , Here, the term "high voltage" denotes the voltage that that of conventional fuel cell stacks 14 to drive loads 12 is generated and the term is used to enable a distinction to be made from other voltages generated by the fuel cell module 10 can be used for control and / or communication (e.g. 5 V). Thus, high voltage does not necessarily mean "high" with respect to other electrical systems.

Das Hybridbrennstoffzellenmodul 10 umfasst eine Einrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, wie z.B. einen Superkondensator und/oder eine Batterie 24, der/die über die Leitungen 19a, 19b des Hochspannungsbusses elektrisch parallel zu dem Brennstoffzellenstapel 14 geschaltet sind, um die Last 12 anzutreiben. Die Ruhespannung der Batterie 24 ist so gewählt, dass sie ähnlich der Volllastspannung des Brennstoffzellenstapels 14 ist. Ein innerer Widerstand RB der Batterie 24 ist so gewählt, dass er viel kleiner ist als der innere Widerstand des Brennstoffzellenstapels 14. Somit wirkt die Batterie 24 als Puffer, der überschüssigen Strom aufnimmt, wenn der Brennstoffzellenstapel 14 mehr Strom erzeugt als die Last 12 benötigt, und der der Last 12 Strom zuführt, wenn der Brennstoffzellenstapel 14 weniger Strom erzeugt, als die Last 12 benötigt. Die Spannung über den Hochspannungsbus 19a, 19b entspricht der Ruhespannung der Batterie 24 abzüglich des Batterieentladestroms multipliziert mit dem Wert des inneren Widerstands RB der Batterie 24. Je kleiner der innere Widerstand RB der Batterie 24 ist, desto kleiner sind die Schwankungen der Busspannung. Eine optionale Gegenstrom-Blockierungsdiode D1 kann elektrisch zwischen den Brennstoffzellenstapel 14 und die Batterie 24 geschaltet sein, um zu verhindern, dass Strom von der Batterie 24 zu dem Brennstoffzellenstapel 14 fließt. Das Brennstoffzellenmodul 10 kann darüber hinaus andere Dioden sowie Sicherungen oder andere Überspannungsschutzelemente umfassen, um einen Kurzschluss und/oder Überspannungen zu vermeiden.The hybrid fuel cell module 10 comprises a device for storing electrical energy, such as a supercapacitor and / or a battery 24 who / who via the lines 19a . 19b of the high-voltage bus electrically parallel to the fuel cell stack 14 are switched to the load 12 drive. The rest voltage of the battery 24 is selected to be similar to the full load voltage of the fuel cell stack 14 is. An internal resistance R B of the battery 24 is selected so that it is much smaller than the internal resistance of the fuel cell stack 14 , So the battery works 24 as a buffer that absorbs excess electricity when the fuel cell stack 14 generates more electricity than the load 12 needed, and that of the load 12 Feeds electricity when the fuel cell stack 14 generates less electricity than the load 12 needed. The voltage across the high voltage bus 19a . 19b corresponds to the open circuit voltage of the battery 24 minus the battery discharge current multiplied by the value of the internal resistance R B of the battery 24 , The smaller the internal resistance R B of the battery 24 the smaller the fluctuations in the bus voltage. An optional counter current blocking diode D1 can be electrically between the fuel cell stacks 14 and the battery 24 be switched to prevent power from the battery 24 to the fuel cell stack 14 flows. The fuel cell module 10 may also include other diodes, fuses, or other overvoltage protection elements to avoid short circuit and / or overvoltages.

2 zeigt eine zweidimensionale Anordnung 68 von Brennstoffzellensystemen 10, die in einer Anzahl von M Reihen und einer Anzahl von N Spalten angeordnet sind, um die Last 12 über den Leistungsbus 56 anzutreiben. Die Brennstoffzellensysteme 10 sind einzeln mit 10(1,1) – 10(M,N) bezeichnet, wobei die erste Zahl in der Klammer eine Reihenposition und die zweite Zahl in der Klammer eine Spaltenposition des Brennstoffzellenmoduls 10 in der zweidimensionalen Anordnung 68 angibt. Die Ellipsen in 3 zeigen, dass die verschiedenen Reihen und Spalten der zweidimensionalen Anordnung 68 zusätzliche Brennstoffzellensysteme (nicht explizit gezeigt) umfassen können. 2 shows a two-dimensional arrangement 68 of fuel cell systems 10 which are arranged in a number of M rows and a number of N columns to the load 12 via the power bus 56 drive. The fuel cell systems 10 are individually with 10 (1.1) - 10 (M, N), where the first number in the bracket is a row position and the second number in the bracket is a column position of the fuel cell module 10 in the two-dimensional arrangement 68 indicates. The ellipses in 3 show that the different rows and columns of the two-dimensional arrangement 68 may include additional fuel cell systems (not explicitly shown).

Jedes der Brennstoffzellensysteme 10(1,1) – 10(M,N) ist einzeln mit dem Leistungsbus 56 verbindbar, um verschiedene gewünschte Ausgangsleistungen, -spannungen oder -ströme bereitzustellen. Die Brennstoffzellensysteme 10(1 – M,1) 10(1 – M,2), 10(1 – M,3) – 10(1 – M,N) in jeder Spalte 1 – M sind in einer elektrischen Reihenschaltung miteinander verbindbar. Die Brennstoffzellensysteme 10(1,1 – N), 10(2,1 – N), 10(3,1 – N) – 10(M,1 – N) in jeder Reihe 1 – N sind in einer elektrischen Parallelschaltung miteinander verbindbar. Aus der 3 und dieser Beschreibung ist für den Fachmann ersichtlich, dass die zweidimensionale Anordnung 68 die Reihenschaltung der Brennstoffzellensysteme 10 ermöglicht, um eine Ausgangsleistung des Energieversorgungssystems 50 durch eine Einstellung einer Ausgangsspannung einzustellen. Für den Fachmann ist ferner ersichtlich, dass die zweidimensionale Anordnung 68 die Parallelschaltung der Brennstoffzellensysteme 10 ermöglicht, um die Ausgangsleistung des Energieversorgungssystems 50 durch eine Einstellung eines Ausgangsstroms einzustellen. Für den Fachmann ist ferner ersichtlich, dass die zweidimensionale Anordnung 68 die Reihen- und Parallelschaltung der Brennstoffzellensysteme 10 ermöglicht, um die Ausgangsleistung des Energieversorgungssystems 50 durch Einstellung sowohl des Ausgangsstroms als auch der Ausgangsspannung einzustellen. Somit ist für die dargestellte Ausführungsform, bei der jedes Brennstoffzellensystem beispielsweise 1 kW bei 24 Volt und 40 Ampere erzeugt, eine maximale Ausgangsleistung von N × M kW möglich. Für den Fachmann ist ferner ersichtlich, dass sich die hier diskutierten ein- und zweidimensionalen Anordnungsstrukturen auf elektrisch relativ miteinander verbindbare Positionen beziehen und nicht notwendigerweise erfordern, dass die Brennstoffzellensysteme 10 physikalisch in Reihen und/oder Spalten angeordnet sind.Each of the fuel cell systems 10 (1.1) - 10 (M, N) is single with the power bus 56 connectable to provide various desired output powers, voltages or currents. The fuel cell systems 10 (1 - M, 1) 10 (1 - M, 2), 10 (1 - M, 3) - 10 (1 - M, N) in each column 1 - M can be connected to one another in an electrical series connection. The fuel cell systems 10 (1.1 - N), 10 (2.1 - N), 10 (3.1 - N) - 10 (M, 1 - N) in each row 1 - N can be connected to one another in an electrical parallel connection. From the 3 and this description will be apparent to those skilled in the art that the two-dimensional arrangement 68 the series connection of the fuel cell systems 10 enables an output power of the power supply system 50 by setting an output voltage. It is also apparent to the person skilled in the art that the two-dimensional arrangement 68 the parallel connection of the fuel cell systems 10 enables to the output power of the power supply system 50 by setting an output current. It is also apparent to the person skilled in the art that the two-dimensional arrangement 68 the series and parallel connection of the fuel cell systems 10 enables to the output power of the power supply system 50 by adjusting both the output current and the output voltage. Thus, for the illustrated embodiment in which each fuel cell system is, for example, 1 kW at 24 Volts and 40 amps generated, a maximum output of N × M kW possible. It is also apparent to the person skilled in the art that the one- and two-dimensional arrangement structures discussed here relate to positions that can be electrically connected to one another and do not necessarily require that the fuel cell systems 10 are physically arranged in rows and / or columns.

Wie oben diskutiert, kann eines oder mehrere der Brennstoffzellensysteme in dem vorliegenden Kraftwerk (z.B. 10(M + 1)) als "Redundanz"-Brennstoffzellensystem dienen. Verbindungen (nicht gezeigt), die die eine Reihe bildenden Brennstoffzellensysteme 10 (z.B. 10(3,1), 10(3,2), 10(3,3), ... 10(3,N)) elektrisch verbinden, können darüber hinaus zur Bereitstellung von zumindest einer N+1-Redundanz verwendet werden. Die Verbindungen verhindern, dass der Verlust eines beliebigen einzelnen Brennstoffzellenmoduls 10 in einer Spalte die Fähigkeit beeinträchtigt, die Last 12 vollständig zu versorgen. Darüber hinaus können die Verbindungen abgegriffen werden oder können Abgriffe bilden, um die gewünschten Potentiale auf den Leitungen der Spannungsbusse zu erzeugen. Wie für den Fachmann ersichtlich ist, kann das Redundanzkonzept auch bei verschiedenen anderen Systemen des vorliegenden Kraftwerks angewendet werden.As discussed above, one or more of the fuel cell systems in the present power plant (eg 10 (M + 1)) can serve as a "redundancy" fuel cell system. Compounds (not shown) that make up the series fuel cell systems 10 (eg 10 (3.1) 10 (3.2) 10 (3,3), ... 10 (3, N)) can also be used to provide at least one N + 1 redundancy. The connections prevent the loss of any single fuel cell module 10 in a column impaired ability, the load 12 to supply completely. In addition, the connections can be tapped or can form taps in order to generate the desired potentials on the lines of the voltage buses. As can be seen by the person skilled in the art, the redundancy concept can also be applied to various other systems of the present power plant.

Eine anpassbare Anordnung von Brennstoffzellenmodulen kann so gestaltet sein, dass sie das Strom-, Spannungs- oder Leistungsniveau der Brennstoffzellen an bestehende kommerzielle Einrichtungen anpasst. Die Brennstoffzellenmodule können so gestaltet sein, dass sie in Standardeinschubschränke oder -gehäuse passen, die für gegenwärtige Notstromsysteme mit Batteriereihen eingesetzt werden. Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die elektrischen Einrichtungen eines Kunden nur geringfügig oder gar nicht modifiziert werden müssen, um Brennstoffzellen für die Reserveenergieversorgung einzusetzen. Dies führt zu Kosten- und Zeitersparnissen für Kunden, die Brennstoffzellen in ihre Produkte integrieren möchten.A customizable arrangement of fuel cell modules can be designed in this way be the current, voltage or power level of the fuel cells adapts to existing commercial facilities. The fuel cell modules can be designed so that they are in standard slide-in cabinets or -casing fit that for current Emergency power systems with battery series are used. An advantage this approach is that the electrical facilities of a customer only marginally or not at all need to be modified to supply fuel cells for backup energy use. this leads to to cost and time savings for customers, the fuel cells want to integrate into their products.

Leider passen die Spannungs- und Leistungsausgaben kommerziell erhältlicher Brennstoffzellenmodule nicht immer gut zu den Eingangsspannungs- und Leistungsausgabeeigenschaften kommerziell erhältlicher UPS- und anderer elektrischer Einrichtungen. Dies ist insbesondere bei Produkten der Fall, bei denen normalerweise kleinere Batterien mit geringeren Amperestunden-Leistungen eingesetzt werden, die in Reihe geschaltet werden, um bei niedrigeren Stromniveaus höhere Spannungen zu erzeugen.Unfortunately the voltage and power outputs fit more commercially available Fuel cell modules are not always good at the input voltage and power output characteristics are more commercially available UPS and other electrical equipment. This is particularly so the case for products that normally have smaller batteries lower amp hour outputs are used in series can be switched to higher voltages at lower current levels to create.

Beispielsweise stellen NexaTM Brennstoffzellensysteme (Ballard Power Systems Inc., Burnaby, CA) 1 kW bei 24 Volt und 40 Ampere bereit. NexaTM-Module können elektrisch in Reihe geschaltet werden, um eine Eingangsspannung bereitzustellen, die für eine vorgegebene Leistungsumwandlungseinheit geeignet ist. Beispielsweise können zur Bereitstellung von 48 VDC bei 80 Ampere vier Module in Reihe und parallel geschaltet werden, um als Reserveeinrichtung für bestehende Gleichrichter zu dienen, die in Telekommunikations-Notstromsystemen eingesetzt werden.For example, Nexa fuel cell systems (Ballard Power Systems Inc., Burnaby, CA) provide 1 kW at 24 volts and 40 amps. Nexa TM modules can be electrically connected in series to provide an input voltage that is suitable for a given power conversion unit. For example, to provide 48 VDC at 80 amps, four modules can be connected in series and in parallel to serve as a backup device for existing rectifiers that are used in telecommunications emergency power systems.

Kommerziell erhältliche Leistungsbeeinflussungseinrichtungen, wie z.B. Wechselrichter und UPS-Einheiten haben Eingangsanforderungen, die Vielfache der VRLA-Batterieausgabe von 12 VDC sind. Die Nennausgabe derartiger Einrichtungen ist darüber hinaus so gestaltet, dass sie an die Leistungsfähigkeit erhältlicher Batteriereihen angepasst ist, die für eine vorgegebene Anwendung eingesetzt werden. Beispielsweise sind Wechselrichter und UPS-Einrichtungen mit einer Nennausgabe von 2 kW AC kommerziell erhältlich, die eine 72 oder 96 VDC-Eingabe erfordern. Drei oder vier NexaTM-Module können elektrisch in Reihe geschaltet werden, um zur Anpassung an diese Eingangsanforderungen eine 72 bzw. 96 VDC-Ausgabe zu erzeugen (zusätzliche Module können darüber hinaus elektrisch zuschaltbar sein, um, falls gewünscht, für das gewünschte Redundanzniveau zu sorgen). Die Ausgabekapazität der Brennstoffzellenanordnung (3 bzw. 4 kW) passt jedoch nicht zur Nennausgabe der UPS-Einrichtung – bei einem Notstromgenerator, bei dem die 96 VDC UPS-Einrichtung zum Einsatz kommt, wird die Hälfte der erhältlichen Brennstoffzellenleistung nicht genutzt.Commercially available power influencing devices such as inverters and UPS units have input requirements that are multiples of the 12 VDC VRLA battery output. The nominal output of such devices is also designed so that it is adapted to the performance of available battery series that are used for a given application. For example, inverters and UPS devices with a nominal output of 2 kW AC are commercially available that require 72 or 96 VDC input. Three or four Nexa TM modules can be electrically connected in series to produce a 72 or 96 VDC output to adapt to these input requirements (additional modules can also be electrically switchable to provide the desired level of redundancy if desired to care). The output capacity of the fuel cell assembly ( 3 or 4 kW), however, does not match the nominal output of the UPS device - in the case of an emergency power generator, which uses the 96 VDC UPS device, half of the available fuel cell output is not used.

Das vorliegende Brennstoffzellen-Kraftwerk umfasst eine Anordnung von mit einem DC-Bus verbundenen Brennstoffzellenmodulen und mindestens zwei UPS-Einrichtungen, Wechselrichter oder andere Leistungsbeeinflussungseinrichtungen (wie z.B. DC/DC-Wandler). Die Anzahl der mit dem DC-Bus in Reihe geschalteten Brennstoffzellenmodule ist so gewählt, dass sie an die DC-Eingangspannungsanforderungen der Leistungsbeeinflussungseinrichtungen angepasst ist. Die Anzahl der Leistungsbeeinflussungseinrichtungen ist so gewählt, dass sie mit der Gesamtnennleistung derartiger Einheiten im Wesentlichen übereinstimmt oder die Nennleistungsausgabe der Brennstoffzellenmodule überschreitet. In einigen Anwendungen können die Brennstoffzellenmodule und die Leistungsbeeinflussungseinrichtungen so gestaltet sein, dass sie in einen Standardeinschubschrank oder ein Standardgehäuse passen.The The present fuel cell power plant comprises an arrangement of fuel cell modules connected to a DC bus and at least two UPS devices, Inverters or other power influencing devices (such as e.g. DC / DC converter). The number of series connected to the DC bus Fuel cell modules are chosen to meet the DC input voltage requirements the performance influencing devices is adapted. The number of the performance influencing devices is chosen so that it essentially corresponds to the total nominal power of such units or exceeds the nominal power output of the fuel cell modules. In some applications the fuel cell modules and the performance influencing devices be designed to be placed in a standard slide-in cabinet or a standard housing fit.

Die 3A und 3B zeigen zwei Ausführungsformen des vorliegenden Brennstoff zellen-Kraftwerks. Das Kraftwerk 70 umfasst eine Anordnung von vier Brennstoffzellenmodulen 10 (z.B. NexaTM-Brennstoffzellenmodule), von denen jedes 1 kW bei 24 Volt bereitstellt. Die Brennstoffzellenmodule sind so gestaltet, dass sie in einen Einschubschrank 72 passen und mit einem 96 VDC-Bus (nicht gezeigt) elektrisch in Reihe geschaltet. Zwei 2 kW UPS-Einheiten 74 sind parallel zu dem DC-Bus geschaltet. Eine Steuerung 76 für den Einschubschrank überwacht und steuert die Ausgabe des Kraftwerks 70. Die Ausgabe der Anordnung von Brennstoffzellenmodulen 10 ist an die Eingangsspannungsanforderung der UPS-Einrichtungen 74 angepasst und die Gesamtausgabe der Anordnung und beider UPS-Einrichtungen 74 ist darüber hinaus auf 4 kW angepasst. Somit kann die Ausgabe des Kraftwerks durch den Einsatz einer zusätzlichen UPS-Einrichtung effektiv verdoppelt werden.The 3A and 3B show two embodiments of the present fuel cell power plant. The power plant 70 comprises an arrangement of four fuel cell modules 10 (e.g. Nexa TM fuel cell modules), each of which is 1 provides kW at 24 volts. The fuel cell modules are designed so that they are in a slide-in cabinet 72 fit and electrically connected in series with a 96 VDC bus (not shown). Two 2 kW UPS units 74 are connected in parallel to the DC bus. One control 76 monitors and controls the output of the power plant for the rack 70 , The output of the arrangement of fuel cell modules 10 is related to the input voltage requirement of the UPS equipment 74 adjusted and the total output of the arrangement and both UPS facilities 74 is also adapted to 4 kW. The output of the power plant can thus be effectively doubled by using an additional UPS device.

Das Kraftwerk 80 umfasst eine Anordnung von drei Brennstoffzellenmodulen 10 (z.B. NexaTM-Brennstoffzellenmodule), von denen jedes 1 kW bei 24 Volt bereitstellt und mit einem 72 VDC-Bus (nicht gezeigt) elektrisch in Reihe geschaltet ist, drei parallel zu dem DC-Bus geschaltete 1,5 kW Wechselrichter und eine Ladevorrichtung 84 zum Laden von den Brennstoffzellenmodulen 10 zugeordneten Batterien und/oder Superkondensatoren. Die Wechselrichter 82 sind parallel zu dem DC-Bus schaltbar, um eine n + 1 redundante 3,0 kW AC-Ausgabe bereitzustellen.The power plant 80 comprises an arrangement of three fuel cell modules 10 (e.g. Nexa TM fuel cell modules), each of which provides 1 kW at 24 V and is electrically connected in series with a 72 VDC bus (not shown), three 1.5 kW inverters connected in parallel with the DC bus, and a charging device 84 for charging the fuel cell modules 10 assigned batteries and / or supercapacitors. The inverters 82 are switchable in parallel to the DC bus to provide an n + 1 redundant 3.0 kW AC output.

Der Einsatz mehrerer Leistungsbeeinflussungseinheiten erweitert die Kompatibilität der Brennstoffzellenmodulanordnungen mit einem breiteren Bereich von Leistungsbeeinflussungsprodukten und Notstromanwendungen. Dies ermöglicht es nicht nur, die Ausgabe des Kraftwerks besser an die Brennstoffzellenmodulausgabe anzupassen, es kann darüber hinaus die Zuverlässigkeit verbessern, indem dem Kraftwerk Redundanzen hinzugefügt werden. Im vorliegenden Kontext müssen die Ausgabe des Kraftwerks und die Brennstoffzellenausgabe nicht gleich sein, um zueinander zu pas sen; die Ausgabe der Anordnung kann die Nennausgabe der Leistungsbeeinflussungseinrichtungen um 10 % oder dergleichen überschreiten und immer noch dazu passen. Beispielsweise würde die 4 kW Leistungsausgabe der UPS-Einrichtung 74 immer noch zu der Ausgabe der Anordnung in dem in den 3A und 3B dargestellten Kraftwerk 70 passen, wenn diese 4400 W betragen würde.The use of multiple performance control units extends the compatibility of the fuel cell module assemblies with a wider range of performance control products and emergency power applications. Not only does this allow the power plant output to better match the fuel cell module output, it can also improve reliability by adding redundancies to the power plant. In the present context, the output of the power plant and the fuel cell output do not have to be the same in order to match each other; the output of the arrangement may exceed and still match the nominal output of the performance control devices by 10% or the like. For example, the 4 kW power output from the UPS facility 74 still to the output of the arrangement in the in the 3A and 3B illustrated power plant 70 fit if this were 4400 W.

Obwohl dies in den 3A und 3B nicht gezeigt ist, versteht es sich für den Fachmann ferner, dass zusätzliche Brennstoffzellenmadule 10 elektrisch in die Anordnungen der Kraftwerke 70 und 80 geschaltet werden können, um, wie oben beschrieben, für jedes gewünschte Modulredundanzniveau zu sorgen. In Anwendungen, bei denen das Kraftwerk Wechselstrom bereitstellt, kann die Phase der AC-Ausgangsspannung einzelner Wechselrichter oder UPS-Einrichtungen gesteuert werden, um, wie gewünscht, Ein-, Mehrphasen- oder Hilfsphasen-AC-Leistung bereitzustellen. Beispielsweise kann das Kraftwerk 80 so gestaltet sein, dass es 3 kW 120 VAC Einphasenstrom oder 208 VAC Dreiphasenstrom bereitstellt.Although this is in the 3A and 3B is not shown, it is further understood by those skilled in the art that additional fuel cell modules 10 electrical in the arrangements of the power plants 70 and 80 can be switched to provide for any desired module redundancy level as described above. In applications where the power plant provides alternating current, the phase of the AC output voltage of individual inverters or UPS devices can be controlled to provide single, multi-phase or auxiliary phase AC power as desired. For example, the power plant 80 be designed to provide 3 kW 120 VAC single phase current or 208 VAC three phase current.

Die offenbarten Ausführungsformen stellen einen "Baublock"- oder "Komponenten"-Ansatz der Herstellung von Energieversorgungssystemen zur Verfügung, der es einem Hersteller ermöglicht, sehr vielfältige Energieversorgungssysteme aus einigen oder sogar nur einem Basistypen) eines Brennstoffzellenmoduls 10 herzustellen. Darüber hinaus kann die Ausgabe der Stromversorgungseinrichtung unter Verwendung kommerziell erhältlicher Leistungsbeeinflussungseinrichtungen an die Brennstoffzellenmodulausgabe angepasst werden. Dieser Ansatz kann die Konstruktions-, Herstellungs- und Lagerhaltungskosten verringern, sowie für eine Redundanz sorgen, um den mittleren Ausfallabstand des resultierenden Endverbraucherprodukts (d.h. des Stromversorgungssystems) zu verlängern. Dieser Ansatz kann darüber hinaus die Wartung und die Reparatur vereinfachen und die Kosten dafür reduzieren.The disclosed embodiments provide a "building block" or "component" approach to manufacturing power supply systems that enables a manufacturer to build very diverse power supply systems from some or even just one basic type) of a fuel cell module 10 manufacture. In addition, the output of the power supply device can be adapted to the fuel cell module output using commercially available power influencing devices. This approach can reduce design, manufacturing, and inventory costs, as well as provide redundancy to extend the mean failure margin of the resulting end-user product (ie, the power system). This approach can also simplify maintenance and repair and reduce costs.

Allgemein kann das vorliegende Kraftwerk in einem Notstromsystem für eine Reihe von Anwendungen eingesetzt werden, die die folgenden Anwendungen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind:Generally can the present power plant in an emergency power system for a number of applications that use the following applications include, but are not limited to:

  • 1. Netzwerkservereinheiten: LAN/WAN-Anlagen, wie z.B. Netzknoten und Router.1. Network server units: LAN / WAN systems, such as e.g. Network nodes and routers.
  • 2. Kommunikation: Kabelfernsehen (community antenna television, CATV), Radio, Telekommunikationsspeichersysteme und/oder Server, drahtlose Basisstationen, Mikrowellenverstärkerstationen, Radarzielverfolgungssysteme.2. Communication: cable television (community antenna television, CATV), radio, telecommunications storage systems and / or servers, wireless base stations, microwave amplifier stations, radar targeting systems.
  • 3. Computerräume: Kleine und mittelgroße Server, Großunternehmensserver, Datenspeicherungssysteme, Netzwerkcomputerblöcke, Internetdatencenter.3. Computer rooms: Small and medium sized Server, large enterprise server, Data storage systems, network computer blocks, internet data centers.
  • 4. Desktop/Arbeitsstationen: Alleinstehende PC's, Arbeitsstationen und Computerperipherien.4. Desktop / workstations: stand-alone PCs, workstations and computer peripherals.
  • 5. Industriell/kommerziell: Prozesssteuerungsanlagen, medizinische Anlagen, Laborinstrumente, Verkehrsleitsysteme, Sicherheitsanlagen, Verkaufsanlagen.5. Industrial / commercial: process control systems, medical Plants, laboratory instruments, traffic control systems, security systems, Commercial equipment.

Das vorliegende Kraftwerk und das Betriebsverfahren stellen ein System bereit, das kleiner und leichter ist, als konventionelle Stromversorgungssysteme, bei denen VRLA-Batterien eingesetzt werden. Das vorliegende Kraftwerk sorgt darüber hinaus für einen "Sofort"-Betrieb mit einzelnen Brennstoffzellensystemen, die "im Betrieb umschaltbar" ("hot swappable") sind.The The present power plant and the operating procedure constitute a system ready, which is smaller and lighter than conventional power supply systems, where VRLA batteries are used. The present power plant worries about it in addition for an "immediate" operation with individual Fuel cell systems that "in Operation switchable "(" hot swappable ").

Claims (2)

Kraftwerk zur Erzeugung elektrischen Stroms mit: einer Anordnung von Brennstoffzellensystemen, wobei die Anordnung eine zusammengesetzte Leistungsausgabe hat und umfasst: einen Leistungsbus und mindestens zwei Brennstoffzellensysteme, wobei jedes Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, eine elektrisch parallel zu dem Brennstoffzellenstapel geschaltete Einrichtung zur Speicherung elektrischer Energie und eine Einrichtung zur Steuerung eines Stromflusses von dem Brennstoffzellenstapel zu der Einrichtung zur Speicherung elektrischer Energie und dem Leistungsbus umfasst, wobei jedes Brennstoffzellensystem eine Ausgangsspannung und eine Leistungsausgabe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk ferner umfasst: mindestens zwei Leistungsbeeinflussungseinheiten, wobei jede Einheit elektrisch mit dem Leistungsbus verbunden ist und wobei die Leistungsbeeinflussungseinheiten eine Eingangsspannung und eine Gesamtnennleistungsausgabe aufweisen, wobei die Anzahl von elektrisch mit dem Leistungsbus verbundenen Brennstoffzellensystemen so gewählt ist, dass sie an die Eingangsspannung der Leistungsbeeinflussungseinheiten angepasst ist und die Anzahl der Leistungsbeeinflussungseinheiten so gewählt ist, dass sie an die Gesamtnennleistungsausgabe angepasst ist oder die Leistungsausgabe der Anordnung überschreitet.Power plant for generating electricity comprising: an arrangement of fuel cell systems, the arrangement having a composite power output and comprising: a power bus and at least two fuel cell systems, each fuel cell system comprising a fuel cell stack, a device for storing electrical energy connected in parallel with the fuel cell stack and a device for controlling a current flow from the fuel cell stack to the device for storing electrical energy and the power bus, each fuel cell system having an output voltage and a power output, characterized in that the power plant further comprises: at least two power influencing units, each unit being electrically connected to the power bus and wherein the power influencing units have an input voltage and a total nominal power output, the number of fuels electrically connected to the power bus cell systems is selected so that it is adapted to the input voltage of the power influencing units and the number of power influencing units is selected such that it is adapted to the total nominal power output or exceeds the power output of the arrangement. Kraftwerk nach Anspruch 1, bei dem die Ausgangsspannung 24 Volt Gleichspannung (VDC) und die Leistungsausgabe der Brennstoffzellensysteme 1 kW beträgt.Power plant according to claim 1, wherein the output voltage 24 volt direct voltage (VDC) and the power output of the fuel cell systems Is 1 kW.
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