EP3685484A1 - Wassergebundenes fahrzeug mit einer energieversorgungseinrichtung - Google Patents

Wassergebundenes fahrzeug mit einer energieversorgungseinrichtung

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Publication number
EP3685484A1
EP3685484A1 EP18839812.7A EP18839812A EP3685484A1 EP 3685484 A1 EP3685484 A1 EP 3685484A1 EP 18839812 A EP18839812 A EP 18839812A EP 3685484 A1 EP3685484 A1 EP 3685484A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
converter
voltage
power supply
bus
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18839812.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Braunecker
Ottmar Voitlein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3685484A1 publication Critical patent/EP3685484A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60F—VEHICLES FOR USE BOTH ON RAIL AND ON ROAD; AMPHIBIOUS OR LIKE VEHICLES; CONVERTIBLE VEHICLES
    • B60F3/00—Amphibious vehicles, i.e. vehicles capable of travelling both on land and on water; Land vehicles capable of travelling under water
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0077—Plural converter units whose outputs are connected in series
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/30—The power source being a fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/42—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for ships or vessels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a waterborne vehicle with egg ner power supply device, wherein the Energyversor supply device fuel cell modules, an energy gieflops remarkable for a waterborne vehicle, a method for operating a power supply device of a waterborne vehicle, or a method for loading operation of a waterborne vehicle with a Energyver supply device ,
  • a waterborne vehicle is, for example, a submarine or a ship.
  • the ship is, for example, a cruise ship, a container ship, a ferry, a fishing boat, a speedboat, a cruiser, etc.
  • the use of fuel cells in a submarine is known for example from DE 10 2004 004 624 B3.
  • Fuel cells are known for example from WO 03/030291 A2.
  • An object of the invention is to improve the operational reliability or availability of a power supply for a ship and / or a submarine.
  • a solution to the problem succeeds in a waterborne vehicle according to claim 1, or in a method for loading operation of a power supply device of a wassergebun which vehicle according to claim 8.
  • Embodiments are subject matter of the respective subclaims 2 to 7 or 9 and 10th
  • a waterborne vehicle has a power supply device.
  • the power supply device has fuel cell modules and DC-DC converter, wherein the DC-DC converter electrically in series with a
  • the DC bus are connected. This results in a modular structure, through which a high level of operational reliability can be achieved.
  • the serial connection of the DC voltage converter is a series connection.
  • the energy supply device can supply not only fuel cells, but also accumulator and / or diesel generators.
  • an electric motor is provided in particular.
  • the DC bus is in particular an energy bus for supplying the water-bound vehicle with electrical energy.
  • DC-DC converters are electrically connected in series with a DC bus, then this can be fed in whole or in part by them.
  • serial elec- trical interconnection of the DC-DC converter each of these series-connected DC-DC converter can contribute itsphenshubanteil.
  • the DC voltage converter via switches from the DC bus are separable.
  • the DC voltage converter via switches from the DC bus are separable, with individual and / or a group of DC-DC converters are bridged to keep the DC bus active.
  • the fuel cell modules are spatially separated from the DC voltage converters. For example, the fuel cell modules and the DC-DC converter are in different cabinets and / or in different rooms. As a result, for example, the security can be increased.
  • the water-bound vehicle or the energy supply device forms a Brennstoffzel lenmodul with a DC-DC converter a total module.
  • DC-DC converter and fuel cell module for example, put on each other and / or ver screwed together.
  • a fuel cell module is assigned in each case a DC-DC converter (also called DC / DC controller). So it is (exactly) a fuel cell module (exactly) ordered a DC-DC converter. This may concern an electrical, spatial and / or construction Liche assignment. Each fuel cell module so an independent DC-DC converter is used. From this, a simple adaptation in the form of a series connection to various applications is possible. It also results in a simple adaptation of the series-connected DC-DC converter to a failure / defect egg nes DC-DC converter. A failed DC-DC converter can be compensated by remaining active DC voltage converter, by increasing their output voltage.
  • a compensated DC-DC converter be compensated, but possibly even a multiple failure of DC-DC converters without the DC voltage having to drop across the DC bus.
  • up to 2/3 of the DC-DC converters may fail.
  • This security of supply for the DC bus is, however, possibly by a lower efficiency of the overall system he buys.
  • the efficiency of a DC-DC converter is generally lower, the smaller the voltage swing.
  • the fuel cell module In one embodiment of the water-bound vehicle or the energy supply device, the fuel cell module, a fuel cell unit and a resource supply unit for supplying the fuel cell unit with the resources, wherein the Brennstoffzellenein unit and the resource supply unit via a rule between the two units arranged connection plate connected to each other. It is thereby a high availability speed of the fuel cell system and thus ensure the individual modules.
  • the entire module can be removed from the fuel cell system and replaced if necessary with an intact module.
  • a higher-level control and regulating device at least the defective module is brought into a safe state with a shutdown procedure. After replacing the defective module, a switch-on procedure follows.
  • a "safe" state is understood in particular to mean a state in which there are no dangerous contact voltages (eg voltages less than 120 V DC) on the fuel cell unit and, on the other hand, a predetermined limit below the operating medium concentration (eg water concentration less than 4 vol.%), So that a separation of the fuel cell unit from the resource Versor supply unit and thus a contact of the fuel cell to the ambient air then does not lead to the formation of an explosive conditions fuel / oxygen mixture.
  • the DC voltage converter to a galvanic isolation.
  • the direct galvanic isolation in the controller so the DC voltage converter, high mains voltages can be realized.
  • the plant Genver Sheg her is guaranteed by bridging one or more rer failed controller, the output voltage of the remaining controller is readjusted and / or controlled accordingly.
  • DC-DC converter standard fuel cell modules with DC / DC controllers
  • the DC voltage converter can be bridged by means of a circuit.
  • their replacement during operation of the power supply device or the fuel cell modules is possible.
  • the Brennstoffzel lenmodule have a under Kunststoffzel to the DC-DC converters insulation.
  • the insulation relates in particular to the insulation resistance. Due to water bridges in hoses and ducts, high insulation resistances and thus high system voltages are only possible to a limited extent; this can be achieved more easily by galvanic isolation in the DC-DC converter (DC / DC controller). In this way, a DC bus of over 900V to several kV, especially 2 to 3 kV, can be easily realized.
  • the water-bound vehicle or the power supply device is a Steuerungsseinrich device with the DC-DC converters data technically verbun the.
  • the control device controls and / or regulates.
  • the controller may increase the voltage output of the remaining active DC voltage transformers in the series circuit depending on the failure of one or more DC-DC converters in a serial circuit. In one embodiment, this increase compensates for the failure completely. In one embodiment, the necessary increase is divided evenly in equal parts among the remaining active DC-DC converters.
  • the water-bound vehicle or the power supply device of the DC bus is distributed as an electric power bus via the water-bound driving tool.
  • the DC voltage bus forms, in particular, at least part of the on-board power supply and / or represents a main current rail.
  • the water-bound vehicle or the power supply device of the DC voltage converter (DC / DC controller) is adapted to the ge specifically Brennstoffzelleanla.
  • An additional redundancy is achieved by a parallel connection of a second actuator or
  • the fuel cell modules for supplying resources are connected to a common loading supply (eg to a common memory for oxygen, hydrogen and nitrogen) ,
  • a common loading supply eg to a common memory for oxygen, hydrogen and nitrogen
  • fuel cell modules can be used which have an electrical rated power in the single-digit to three-digit kW range.
  • DC-DC converter After a method for operating a Energy fixturessein direction of a waterborne vehicle or the operation of the waterborne vehicle with the power supply device DC-DC converter electrically feed a DC bus.
  • the DC-DC converter are thus in a series circuit.
  • Each DC-DC converter contributes its part to the voltage of the DC bus.
  • Each DC-DC converter is in particular associated with a fuel cell module and at least electrically connected thereto. This results in a high
  • the voltage level of a DC bus to be fed can be kept constant or an excessive voltage dip can be avoided.
  • this can be used in one of the waterborne vehicles described or in one of the power supply devices described.
  • the described modularity with respect to the fuel cell modules and the DC-DC converter can improve the scaling and reliability of such systems, in particular in comparison to systems in which a single DC-DC converter, the whole clamping voltage height of the connected voltage network or bus out.
  • a required voltage level can also be achieved by a pure series connection of fuel cell modules. Through this series connection of, for example wassergekühl th fuel cell modules limiting the clamping voltage level is given by appropriate insulation resistance due to the compactness, if not as described, the DC-DC converter are connected in series to feed a DC voltage (DC bus).
  • FIG. 2 shows a series connection of DC-DC converters
  • FIG. 3 shows a series circuit according to FIG. 2 in the event of an error.
  • FIG. 1 shows an example of an embodiment of a fuel cell module 1 which has a fuel cell unit 2 and an operating medium supply unit 3 for supplying the fuel cell unit 2 with the operating means.
  • the fuel cell module 1 has exactly one fuel cell unit 2 and exactly one, only this fuel cell unit 2 associated resource supply unit 3, ie, the operating medium supply unit 3 is only for supplying this one associated fuel cell unit 2 with Radiomit stuffs.
  • the fuel cell module 1 has exactly one equipment supply unit 3 and two or more only this assigned TE and fuel cell units 2 supplied by the latter with operating equipment.
  • the fuel cell unit 2 has a stack 5 of PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cells 5 'and a stack 6 of humidification cells 6'.
  • the stack 5 is cascaded and has for this purpose two part stack with an interposed Stabilmaschinet te 15. By cascading a very emission-free operation of the fuel cell can be made possible.
  • the fuel cell unit 2 and the resourcesplasticssein unit 3 are connected to each other via a angeord designated between the two units connection plate 4.
  • the fuel cell unit 2 additionally has an end plate 7, wherein between the connecting plate 2 and the end plate 7, the stack 5, 6 are arranged.
  • the end plate 7 and the Ver binding plate 4 are anchored by means not shown train braced together and thus hold the stack 5, 6 together.
  • the resource supply unit 3 is also if connected to the connection plate 4 and has a connection plate 9 with power terminals 10 for tapping a generated in the fuel cell 5 'stream from outside of the fuel cell module 1, sensor terminals 11 and resource connections 13 for the supply and removal of resources (oxygen, hydrogen, Nitrogen) to or from the fuel cell module 1.
  • a further intermediate plate 14 delimited together with the plates 4, 7 the Befeuchtungszel lenstapel 6 and the fuel cell stack 5.
  • the plates 4, 14, 15 have a number through the plates through duri fender in FIG 1, not shown operating medium channels.
  • the plates 4, 7 close the fuel cell unit 2 to the outside.
  • the resource supply unit 3 also has auxiliary components for the operation of the fuel cell module 1.
  • valves for connecting and disconnecting the (external) equipment supply, Drucksenso ren, temperature sensors and / or water separator are in particular valves for connecting and disconnecting the (external) equipment supply, Drucksenso ren, temperature sensors and / or water separator.
  • nä forth sensors and actuators of the fuel cell module 1 are connected, for example, via appropriate connections in the terminal plate 9 or end plate 7 and signal and Steuerlei lines with a parent control and Regelungsein direction.
  • the probe connections 13 are shown.
  • the illustration of Figure 2 is a device 24 Energy factoriesseinrich a waterborne vehicle, the power supply device 24 eight fuel cell modules 1 and eight DC-DC converter 16 has.
  • the eight DC voltage transformers 16 are electrically connected in series with a DC voltage bus 25.
  • the DC-DC converter 16 can be bridged by means of switch 20.
  • the eight DC voltage converter 16 each have an input side 17 and an output side 19 from.
  • the input side 17 is electrically isolated from the output side 19 via an insulation 18.
  • By the series connection of the DC-DC converter 16 is a part a DC bus 25 is formed.
  • a fuel cell module 1 forms, together with a DC voltage converter 16, a total module 22.
  • the fuel cell modules 1 have a grounding 23.
  • FIG. 3 corresponds to that of FIG. 2, an error case 26 being shown.
  • an error has occurred in the fourth overall module with the fuel cell module 1 'and the DC-DC converter 16'.
  • the associated switch 20 ' is closed.
  • the output voltage is increased, so that according to the equation
  • DC-DC converter are also suitable for special applications

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Abstract

Ein wassergebundenes Fahrzeug weist eine Energieversorgungseinrichtung (24) auf, wobei die Energieversorgungseinrichtung (24) Brennstoffzellenmodule (1) und Gleichspannungswandler (16) aufweist. Die Gleichspannungswandler (16) sind elektrisch seriell mit einem Gleichspannungsbus (25) verbunden. Die Gleichspannungswandler (16) weisen eine galvanische Trennung (18) auf. Die Gleichspannungswandler (16) speisen elektrisch seriell einen Gleichspannungsbus (25).

Description

Beschreibung
Wassergebundenes Fahrzeug mit einer Energieversorgungsein richtung
Die Erfindung betrifft ein wassergebundenes Fahrzeug mit ei ner Energieversorgungseinrichtung, wobei die Energieversor gungseinrichtung Brennstoffzellenmodule aufweist, eine Ener gieversorgungseinrichtung für ein wassergebundenes Fahrzeug, ein Verfahren zum Betrieb einer Energieversorgungseinrichtung eines wassergebundenen Fahrzeuges, bzw. ein Verfahren zum Be trieb eines wassergebundenen Fahrzeuges mit einer Energiever sorgungseinrichtung .
Ein wassergebundenes Fahrzeug ist beispielsweise ein U-Boot oder ein Schiff. Das Schiff ist beispielsweise ein Kreuz fahrtschiff, ein Containerschiff, eine Fähre, ein Fischer boot, ein Schnellboot, ein Kreuzer, etc. Der Einsatz von Brennstoffzellen in einem U-Boot ist beispielsweise aus der DE 10 2004 004 624 B3 bekannt. Brennstoffzellen sind bei spielsweise auch aus der WO 03/030291 A2 bekannt.
Aus der DE 10 2010 041 625 Al wie auch der DE 10 2013 209 396 Al ist die Verwendung von Brennstoffzellen in Verbindung mit einem Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) bekannt.
Aus der WO 2005/073075 Al sind Brennstoffzellenmodule für ei ne Energieversorgung eines U-Bootes bekannt. Mit Brennstoff zellen ist eine umweltfreundliche und geräuschlose elektri sche Energieerzeugung in maritimen Anwendungen möglich. Dies betrifft nicht nur Unterseeboote (z.B. auch unbemannte Unter wasserfahrzeuge), sondern auch Schiffe.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es eine Einsatzsicherheit bzw. Verfügbarkeit einer Energieversorgung für ein Schiff und/oder ein U-Boot, zu verbessern. Eine Lösung der Aufgabe gelingt bei einem wassergebundenen Fahrzeug gemäß Anspruch 1, bzw. bei einem Verfahren zum Be trieb einer Energieversorgungseinrichtung eines wassergebun denen Fahrzeuges nach Anspruch 8. Ausgestaltungen sind Gegen stand der jeweiligen Unteransprüche 2 bis 7 bzw. 9 und 10.
Ein wassergebundenes Fahrzeug weist eine Energieversorgungs einrichtung auf. Die Energieversorgungseinrichtung weist Brennstoffzellenmodule und Gleichspannungswandler auf, wobei die Gleichspannungswandler elektrisch seriell mit einem
Gleichspannungsbus verbunden sind. Hieraus ergibt sich ein modularer Aufbau, durch den sich eine hohe Betriebssicherheit erzielen lässt. Die serielle Verschaltung der Gleichspan nungswandler ist eine Reihenschaltung. Die Energieversor gungseinrichtung kann neben Brennstoffzellen, auch Akkumula toren und/oder Dieselgeneratoren aufweisen. Für den Antrieb des wassergebundenen Fahrzeugs ist insbesondere ein Elektro motor vorgesehen. Der Gleichspannungsbus ist insbesondere ein Energiebus zur Versorgung des wassergebundenen Fahrzeuges mit elektrischer Energie.
Sind die Gleichspannungswandler elektrisch seriell mit einem Gleichspannungsbus verbunden, so kann dieser ganz oder teil weise durch diese gespeist werden. Durch die serielle elekt rische Verschaltung der Gleichspannungswandler kann jeder dieser seriell verschalteten Gleichspannungswandler seinen Spannungshubanteil beitragen.
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung sind die Gleichspannungs wandler über Schalter vom Gleichspannungsbus trennbar.
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung sind die Gleichspannungs wandler über Schalter vom Gleichspannungsbus trennbar, wobei einzelne und/oder eine Gruppe von Gleichspannungswandlern überbrückbar sind um den Gleichspannungsbus aktiv zu halten. In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung sind die Brennstoffzellen- module von den Gleichspannungswandlern räumlich getrennt. Beispielsweise befinden sich die Brennstoffzellenmodule und die Gleichspannungswandler in unterschiedlichen Schaltschrän- ken und/oder in unterschiedlichen Räumen. Dadurch kann bei spielsweise die Sicherheit erhöht werden.
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung bildet ein Brennstoffzel lenmodul mit einem Gleichspannungswandler ein Gesamtmodul. Dabei sind Gleichspannungswandler und Brennstoffzellenmodul beispielsweise aufeinander gesteckt und/oder miteinander ver schraubt. Damit kann ein platzsparender Aufbau realisiert werden .
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung ist jeweils einem Brenn stoffzellenmodul jeweils ein Gleichspannungswandler (auch DC/DC-Steller genannt) zugeordnet. Es ist also (genau) einem Brennstoffzellenmodul (genau) ein Gleichspannungswandler zu geordnet. Dies kann eine elektrische, räumliche und/oder bau liche Zuordnung betreffen. Je Brennstoffzellenmodul wird also ein unabhängiger Gleichspannungswandler verwendet. Hieraus wird eine einfache Anpassung in Form einer Reihenschaltung an verschiedene Anwendungszwecke möglich. Es ergibt sich bei spielsweise auch eine einfache Anpassung der in Reihe ge schalteten Gleichspannungswandler an einen Ausfall/Defekt ei nes Gleichspannungswandlers. Ein ausgefallener Gleichspan nungswandler kann durch verbliebene aktive Gleichspannungs wandler kompensiert werden, indem diese ihre ausgegebene Spannung erhöhen. So kann beispielsweise nicht nur ein ausge fallener Gleichspannungswandler kompensiert werden sondern ggf. auch ein vielfacher Ausfall von Gleichspannungswandlern, ohne dass die DC-Spannung am Gleichspannungsbus sinken muss. Abhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten Gleichspan nungswandler und abhängig vom maximalen Spannungshub können bis zu 2/3 der Gleichspannungswandler ausfallen. Diese Ver- sorgungssicherheit für den Gleichspannungsbus wird aber ggf. durch einen geringeren Wirkungsgrad des Gesamtsystems er kauft. Der Wirkungsgrad eines Gleichspannungswandlers ist in der Regel um so geringer, je kleiner der Spannungshub ist.
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung weist das Brennstoffzellen modul eine Brennstoffzelleneinheit und eine Betriebsmittel- Versorgungseinheit zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit den Betriebsmitteln auf, wobei die Brennstoffzellenein heit und die Betriebsmittel-Versorgungseinheit über eine zwi schen den beiden Einheiten angeordnete Verbindungs-Platte miteinander verbunden sind. Es ist dabei eine hohe Verfügbar keit des Brennstoffzellensystems und somit auch der einzelnen Module sicherzustellen. Im Falle eines Defektes einer Brenn stoffzelle kann das gesamte Modul aus dem Brennstoffzellen system ausgebaut und falls notwendig gegen ein intaktes Modul ausgetauscht werden. Hierzu wird insbesondere - gesteuert durch eine übergeordnete Steuerungs- und Regelungseinrichtung - zumindest das defekte Modul mit einer Abschaltprozedur in einen sicheren Zustand gebracht. Nach Austausch des defekten Moduls folgt eine Einschaltprozedur. Unter einem „sicheren" Zustand wird hierbei insbesondere ein Zustand verstanden, bei dem zum einen an der Brennstoffzelleneinheit keine gefährli che Berührungsspannungen (z.B. Spannungen kleiner 120 V DC) anliegen und zum anderen bei dem Betriebsmittelkonzentratio nen einen vorgegebenen Grenzwert unterschreiten (z.B. Wasser stoffkonzentration kleiner als 4 Vol.%), so dass ein Trennen der Brennstoffzelleneinheit von der Betriebsmittel-Versor gungseinheit und somit ein Kontakt der Brennstoffzellen zur Umgebungsluft dann nicht zur Ausbildung eines explosionsfähi gen Brennstoff/Sauerstoff-Gemisches führt.
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung weisen die Gleichspannungs wandler eine galvanische Trennung auf. Hierdurch sind durch die direkte galvanische Trennung im Steller, also dem Gleich spannungswandler, hohe Netzspannungen realisierbar. Die Anla- genverfügbarkeit wird durch das Überbrücken eines oder mehre rer ausgefallener Steller gewährleistet, die Ausgangsspannung der verbliebenen Steller wird entsprechend nachgeregelt und/oder gesteuert. Durch kleinere Einheiten kann eine leich tere Wechselbarkeit erreicht werden. Für kleinere und größere Anlagen können somit Standardbrennstoffzellenmodule mit DC/DC-Steller (Gleichspannungswandler) verwendet werden.
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung sind die Gleichspannungs wandler mittels einer Schaltung überbrückbar. So ist deren Austausch im Betrieb der Energieversorgungseinrichtung bzw. der Brennstoffzellenmodule möglich.
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung weisen die Brennstoffzel lenmodule eine zu den Gleichspannungswandlern unterschiedli che Isolierung auf. Die Isolierung betrifft insbesondere die Isolationsfestigkeit. Durch Wasserbrücken in Schläuchen und Kanälen sind hohe Isolationswiderstände und somit hohe Anla genspannungen nur begrenzt möglich, dies lässt sich durch ei ne galvanische Trennung im Gleichspannungswandler (DC/DC- Steller) leichter realisieren. Auf diese Weise lässt sich ein Gleichspannungsbus von über 900V bis mehrere kV, insbesondere 2 bis 3 kV, einfach realisieren.
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung ist eine Steuerungseinrich tung mit den Gleichspannungswandlern datentechnisch verbun den. Die Steuerungseinrichtung steuert und/oder regelt. Die Steuerungseinrichtung kann abhängig vom Ausfall eines oder mehrerer Gleichspannungswandler in einer seriellen Schaltung den Spannungsausgang der verbleibenden aktiven Gleichspan nungswandler in der seriellen Schaltung erhöhen. In einer Ausgestaltung gleicht diese Erhöhung den Ausfall komplett aus. In einer Ausgestaltung wird die notwendige Erhöhung gleichmäßig zu gleichen Teilen auf die verbleibenden aktiven Gleichspannungswandler aufgeteilt . In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung ist der Gleichspannungsbus als elektrischer Versorgungsbus über das wassergebunden Fahr zeug verteilt. Der Gleichspannungsbus bildet beispielsweise insbesondere zumindest einen Teil der Bordstromversorgung und/oder stellt eine Hauptstromschien dar.
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung ist der Gleichspannungs wandler (DC/DC-Steller) speziell an die Brennstoffzellenanla ge angepasst. Eine zusätzliche Redundanz wird durch eine Pa rallelschaltung jeweils eines zweiten Stellers bzw.
Stellereinganges erreicht.
In einer Ausgestaltung des wassergebundenen Fahrzeugs bzw. der Energieversorgungseinrichtung sind die Brennstoffzellen- module zur Versorgung mit Betriebsmitteln (z.B. Wasserstoff, Sauerstoff, Kühlwasser, Stickstoff) an eine gemeinsame Be triebsmittelversorgung angeschlossen (z.B. an jeweils einen gemeinsamen Speicher für Sauerstoff, Wasserstoff und Stick stoff) . Dabei können Brennstoffzellenmodule zum Einsatz kom men, die eine elektrische Nennleistung im einstelligen bis dreistelligen kW-Bereich aufweisen.
Nach einem Verfahren zum Betrieb einer Energieversorgungsein richtung eines wassergebundenen Fahrzeuges bzw. zum Betrieb des wassergebundenen Fahrzeuges mit der Energieversorgungs einrichtung speisen Gleichspannungswandler elektrisch seriell einen Gleichspannungsbus. Die Gleichspannungswandler befinden sich also in einer Reihenschaltung. Jeder Gleichspannungs wandler trägt seinen Teil zur Spannung des Gleichspannungs busses bei. Jede Gleichspannungswandler ist insbesondere ein Brennstoffzellenmodul zugeordnet und mit diesem zumindest elektrisch verbunden. Hieraus ergibt sich eine hohe
Modularität .
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird bei Ausfall eines Gleichspannungswandlers oder bei Ausfälle mehrerer Gleich- Spannungswandler die Ausgangsspannung eines oder mehrerer verbleibender Gleichspannungswandler erhöht. Damit kann das Spannungsniveau eines zu speisenden Gleichspannungsbusses konstant gehalten werden bzw. ein zu großer Spannungseinbruch vermieden werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann dieses bei einem der beschriebenen wassergebundenen Fahrzeuge bzw. bei einem der beschriebenen Energieversorgungseinrichtungen verwendet werden .
Durch die beschrieben Modularität bezüglich der Brennstoff- zellenmodule und der Gleichspannungswandler (DC/DC-Steller) kann sich die Skalierung und die Ausfallsicherheit solcher Anlagen verbessern, insbesondere im Vergleich zu Anlagen bei welchen ein einzelner Gleichspannungswandler die ganze Span nungshöhe des angeschlossene Spannungsnetz bzw. -busses aus gibt. Bei Ausfällen von Brennstoffzellenmodulen ist dort nach unterschreiten einer Mindestspannung die gesamte Brennstoff zellenanlage abzuschalten. Dies kann nun vermieden werden. Eine erforderliche Spannungshöhe kann auch durch eine reine Reihenschaltung von Brennstoffzellenmodulen erreicht werden. Durch diese Reihenschaltung von beispielsweise wassergekühl ten Brennstoffzellenmodulen ist eine Limitierung der Span nungshöhe durch entsprechende Isolationswiderstände aufgrund der Kompaktheit gegeben, wenn nicht wie beschrieben auch die Gleichspannungswandler in Reihe geschalten werden um ein Gleichspannungsnetz (Gleichspannungsbus) zu speisen. Bei Ein satz eines DC/DC-Stellers für die Gesamtanlage ist diese durch die Anzahl der Stellereingänge limitiert. Bei Ausfall des Stellers ist die gesamte Anlage nicht mehr betreibbar. Dies kann durch die Reihenschaltung der Gleichspannungswand ler (DC/DC-Steller) vermieden werden. Die bei konventionellen Stellern möglichen Isolationsfestigkeiten, können durch mit Wasserstrecken betriebene Brennstoffzellenmodule nicht oder nur durch eine sehr große Baugröße erreicht werden. Dies ist vor allem für Einbaugrößen sensitive Anwendung wichtig. Eine Anpassung von neuen Anlagen erfordert ebenfalls eine Anpas- sung des Stellers. So kann durch die Reihenschaltung der Gleichspannungswandler ausgenutzt werden, dass bei diesen ei ne hohe Isolationsfestigkeit, insbesondere von mehreren kV, leichter und/oder günstiger zu realisieren ist als bei den Brennstoffzellenmodulen, welche insbesondere wassergekühlt sind. Um die Spannungsvorgaben zu erreichen können Brenn stoffzellenmodule auch in Reihe geschaltet werden. Durch den Einsatz speziell an die Brennstoffzellenanlage angepasste DC/DC-Steller mit mehreren Kanälen kann die Ausfallsicherheit bei Ausfall von Brennstoffzellenmodulen auch erhöht werden.
Durch die Verlagerung er hohen Spannungen und der dadurch nö tigen Isolationsstrecken auf die Ausgangsseite des DC/DC- Stellers ist die nötige Isolationsstrecke, also die Isolati onsfestigkeit, leichter zu realisieren. Die Ausfallsicherheit der Brennstoffzellenanlage wird durch den modularen Aufbau und die in Reihe geschalteten Gleichspannungswandler (DC/DC- Steller) erhöht. So können auch künden- und/oder anwendungs spezifische kompakte Anlagen konzipiert werden.
Durch die direkte Anbindung eines für die Spannungshöhe opti mierten DC/DC-Stellers an ein Brennstoffzellenmodul (kompakte Einheit aus beiden Komponenten) und die dadurch verlagerte Isolation auf die Ausgangsseite der Stellers kann eine vari able Skalierung von Brennstoffzellenanlagen und deren Span nungsvorgaben vorgenommen werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Betrieb der Ener gieversorgungseinrichtung eines wassergebundenen Fahrzeuges werden durch eine aktive Regelung der Gesamtspannung Ausfälle einzelner Einheiten kompensiert und somit die Verfügbarkeit der Anlagen erhöht.
Durch kompakte Standard-Einheiten aus Brennstoffzellenmodul und Gleichspannungswandler ist eine Brennstoffzellenanlage leichter zu skalieren. Durch das modulare System kann auch die Wartbarkeit dieser Anlagen verbessert werden. Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen beispielhaft näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, weitere Angaben entnehmbar sind. Dabei zeigen:
FIG 1 ein Brennstoffzellenmodul;
FIG 2 eine Reihenschaltung von Gleichspannungswandlern und FIG 3 eine Reihenschaltung nach FIG 2 in einem Fehlerfall.
Die Darstellung nach FIG 1 zeigt ein Beispiel für eine Ausge staltung eines Brennstoffzellenmoduls 1, das eine Brennstoff zelleneinheit 2 und eine Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 2 mit den Be triebsmitteln aufweist. Wie dargestellt, weist das Brenn stoffzellenmodul 1 genau eine Brennstoffzelleneinheit 2 und genau eine, nur dieser Brennstoffzelleneinheit 2 zugeordnete Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3, auf, d.h. die Betriebs mittel-Versorgungseinheit 3 dient nur zur Versorgung dieser einen zugeordneten Brennstoffzelleneinheit 2 mit Betriebsmit teln. Es ist aber z.B. auch möglich, aber nicht dargestellt, dass das Brennstoffzellenmodul 1 genau eine Betriebsmittel- Versorgungseinheit 3 und zwei oder mehr nur dieser zugeordne te und von dieser mit Betriebsmitteln versorgte Brennstoff zelleneinheiten 2 aufweist. Die Brennstoffzelleneinheit 2 weist einen Stapel 5 von PEM ( Polymer-Elektrolyt-Membran) Brennstoffzellen 5' und einen Stapel 6 von Befeuchtungszellen 6'. Der Stapel 5 ist kaskadiert und weist hierzu zwei Teil stapel mit einer dazwischen angeordneten Stabilisierungsplat te 15 auf. Durch die Kaskadierung kann ein sehr abgasfreier Betrieb der Brennstoffzellen ermöglicht werden. Die Brenn stoffzelleneinheit 2 und die Betriebsmittel-Versorgungsein heit 3 sind über eine zwischen den beiden Einheiten angeord nete Verbindungs-Platte 4 miteinander verbunden. Die Brenn stoffzelleneinheit 2 weist zusätzlich eine Endplatte 7 auf, wobei zwischen der Verbindungs-Platte 2 und der Endplatte 7 die Stapel 5, 6 angeordnet sind. Die Endplatte 7 und die Ver bindungsplatte 4 sind mittels nicht näher dargestellten Zug ankern miteinander verspannt und halten somit die Stapel 5, 6 zusammen. Die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 ist eben- falls mit der Verbindungs-Platte 4 verbunden und weist eine Anschlussplatte 9 mit Stromanschlüssen 10 zum Abgreifen eines in den Brennstoffzellen 5' erzeugten Stromes von außerhalb des Brennstoffzellenmoduls 1, Messfühleranschlüsse 11 sowie Betriebsmittelanschlüsse 13 zur Zu- und Abfuhr von Betriebs mitteln (Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff) zu bzw. von dem Brennstoffzellenmodul 1 auf. Eine weitere Zwischenplatte 14 begrenzt zusammen mit den Platten 4, 7 den Befeuchtungszel lenstapel 6 bzw. den Brennstoffzellenstapel 5. Die Platten 4, 14, 15 weisen eine Anzahl durch die Platten hindurch verlau fender in der FIG 1 nicht gezeigter Betriebsmittelkanäle auf. Die Platten 4, 7 schließen die Brennstoffzelleneinheit 2 nach außen ab. Die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 weist auch Hilfskomponenten für den Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 1 auf. Dies sind insbesondere Ventile zum Zuschalten und Weg schalten der (externen) Betriebsmittelversorgung, Drucksenso ren, Temperatursensoren und/oder Wasserabscheider. Nicht nä her gezeigte Sensoren und Aktoren des Brennstoffzellenmoduls 1 sind beispielsweise über entsprechende Anschlüsse in der Anschlussplatte 9 oder Endplatte 7 und Signal- und Steuerlei tungen mit einer übergeordneten Steuerungs- und Regelungsein richtung verbunden. Beispielhaft sind die Messfühleranschlüs se 13 dargestellt. Nicht dargestellt sind etwaige Stromschie nen, die außen entlang der Brennstoffzelleneinheit 2 verlau fen und den von den Brennstoffzellen erzeugten Strom in die Betriebsmittel-Versorgungseinheit 3 führen.
Die Darstellung nach Figur 2 eine Energieversorgungseinrich tung 24 eines wassergebundenen Fahrzeugs, wobei die Energie versorgungseinrichtung 24 acht Brennstoffzellenmodule 1 und acht Gleichspannungswandler 16 aufweist. Die acht Gleichspan nungswandler 16 sind elektrisch seriell mit einem Gleichspan nungsbus 25 verbunden. Die Gleichspannungswandler 16 sind mittels Schalter 20 überbrückbar. Die acht Gleichspannungs wandler 16 weisen jeweils eine Eingangsseite 17 und eine Aus gangsseite 19 auf. Die Eingangsseite 17 ist zur Ausgangsseite 19 galvanisch über eine Isolierung 18 getrennt. Durch die Reihenschaltung der Gleichspannungswandler 16 wird ein Teil eines Gleichspannungsbusses 25 ausgebildet. So kann sich bei spielsweise eine Gleichspannung für eine Anlage von
8 x 120V = 960V ausbilden. Ein Brennstoffzellenmodul 1 bildet zusammen mit einem Gleichspannungswandler 16 ein Gesamtmodul 22. Die Brennstoffzellenmodule 1 weisen eine Erdung 23 auf.
Die Darstellung nach FIG 3 entspricht der aus FIG 2, wobei ein Fehlerfall 26 dargestellt ist. Nach FIG 3 ist ein Fehler im vierten Gesamtmodul mit dem Brennstoffzellenmodul 1 ' und dem Gleichspannungswandler 16' aufgetreten. Um die Speisung des Gleichspannungsbusses 25 weiter zu gewähren und einen Austausch der fehlerhaften Komponenten 1' bzw. 16' zu ermög lichen ist der zugeordnete Schalter 20' geschlossen. Bei den verbliebenen aktiven Komponenten, also den Brennstoffzellen modulen 1 und den Gleichspannungswandlern 16 wird die Aus gangsspannung erhöht, so dass sich gemäß der Gleichung
7 x 137V = 960V wieder die gleiche Gleichspannung im Gleich spannungsbus 25 einstellt, wie ohne Fehler. In entsprechender Weise ist z.B. auch der Ausfall von zwei oder drei Gesamtmo dulen kompensierbar.
Durch das Konzept der in Reihe geschalteten Gleichspannungs wandler 16 ist es möglich zumindest einen der nachfolgenden Vorteile zu erzielen:
- skalierbares Anlagenkonzept je nach Bordnetzspannung;
- höhere Anlagenspannungen im Gleichspannungsbus;
- kleine Brennstoffzelleneinheiten bzw. Stellereinheiten
(Gleichspannungswandler) sind auch für Sonderanwendungen geeignet ;
- Ausfälle/Fehler können ohne Betriebsunterbrechung durch
Nachführung der Stellerausgangsspannung kompensiert werden;
- Kosteneinsparungseffekte durch Standardisierung der Einhei ten;
- leichter zu realisierende Isolationsfestigkeit durch Integ ration der Hauptisolierung (galvanische Trennung) in den Steller (Gleichspannungswandler) und nicht in das Brenn stoffzellenmodul, welches insbesondere Kontakt mit Wasser aufweist und - durch kleine Einheiten leichterer Austausch an Bord des wassergebundenen Fahrzeuges möglich (evtl, ist eine Tren nung von Gleichspannungswandler und Brennstoffzellenmodul (BZM) möglich) .

Claims

Patentansprüche
1. Wassergebundenes Fahrzeug mit einer Energieversorgungsein richtung (24), wobei die Energieversorgungseinrichtung (24) Brennstoffzellenmodule (1) und Gleichspannungswandler (16) aufweist, wobei die Gleichspannungswandler (16) elektrisch seriell mit einem Gleichspannungsbus (25) verbunden sind.
2. Wassergebundenes Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei jeweils einem Brennstoffzellenmodul (1) jeweils ein Gleichspannungs wandler (16) zugeordnet ist.
3. Wassergebundenes Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gleichspannungswandler (16) eine galvanische Trennung (18) aufweisen.
4. Wassergebundenes Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis
3, wobei ein Gleichspannungswandler (16) mittels einer Schal tung (20,20') überbrückbar ist.
5. Wassergebundenes Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis
4, wobei die Brennstoffzellenmodule (1) eine zu den Gleich spannungswandlern (16) unterschiedliche Isolierungen aufwei sen .
6. Wassergebundenes Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis
5, wobei eine Steuerungseinrichtung mit den Gleichspannungs wandlern (16) datentechnisch verbunden ist.
7. Wassergebundenes Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis
6, wobei der Gleichspannungsbus (25) als elektrischer Versor gungsbus über das wassergebunden Fahrzeug verteilt ist.
8. Verfahren zum Betrieb einer Energieversorgungseinrichtung
(24) eines wassergebundenen Fahrzeuges, wobei Gleichspan nungswandler (16) elektrisch seriell einen Gleichspannungsbus
(25) speisen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei bei Ausfall eines Gleich spannungswandlers (16') die Ausgangsspannung eines oder meh rerer verbleibender Gleichspannungswandler (16) erhöht wird. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein wassergebun denes Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird .
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