EP4473598A2 - Energieversorgungseinrichtung - Google Patents

Energieversorgungseinrichtung

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Publication number
EP4473598A2
EP4473598A2 EP23702985.5A EP23702985A EP4473598A2 EP 4473598 A2 EP4473598 A2 EP 4473598A2 EP 23702985 A EP23702985 A EP 23702985A EP 4473598 A2 EP4473598 A2 EP 4473598A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
cell units
units
supply device
energy supply
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Withdrawn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
EP23702985.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Danne
Peter Horstmann
Thomas Dolderer
Stefan Mueller
Jochen Wolff
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4473598A2 publication Critical patent/EP4473598A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04246—Short circuiting means for defective fuel cells
    • 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
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an energy supply device.
  • the invention relates to an energy supply device with a plurality of fuel cell units arranged in parallel lines, each line having at least two fuel cell units or two groups of fuel cell units. It is advantageous that the strands are each connected to one another at a node via at least one cross-connector. Furthermore, it is advantageous that the junction points are formed between two fuel cell units of a train connected in series or between two groups of fuel cell units of a train.
  • a fuel cell unit is in series with at least one other fuel cell unit and in parallel with at least one other fuel cell unit interconnected.
  • a single group of fuel cell units is connected in series with at least one further group of fuel cell units and in parallel with at least one further group of fuel cell units. Problems of individual fuel cell units or groups of fuel cell units can advantageously be compensated for. There is no failure of the entire energy supply device or larger parts of the energy supply device.
  • fuses or electrical switches are formed in the cross-connectors.
  • the function of the electrical cross-connector can advantageously be activated or deactivated.
  • fuses are a simple way of preventing destruction in the event of a fault.
  • At least one, in particular all, of the fuses are in the form of bonding wires.
  • Such a fuse is a simple and inexpensive way to secure the power supply system and its components.
  • At least one group of fuel cell units has at least two fuel cell units that are connected in parallel and/or in series. Flexibility can advantageously be increased and the risk of failure reduced.
  • An advantageous development is that at least one group of fuel cell units or at least one fuel cell unit has a serially arranged voltage converter, in particular a DC/DC converter. The voltages can advantageously be adjusted in this way.
  • each cross-connector connects two nodes of two strands to one another.
  • FIG. 2 shows schematically the electrical wiring of an energy supply device according to one embodiment
  • FIG. 3 schematically shows the electrical wiring of an energy supply device according to a further development
  • FIG. 4 shows the process sequence of a method for regulating the fuel cell units.
  • the invention relates to an energy supply device 1.
  • the energy supply device 1 comprises at least one Fuel cell device 10 and a plurality of fuel cell units 12.
  • FIG. 1 shows the structure of a fuel cell device 10 by way of example.
  • FIG. 2 shows the structure of an energy supply device 1 with six fuel cell units 12 as an example.
  • FIG. 3 shows the structure of an energy supply device 1 with six groups of fuel cell units 12 as an example.
  • Figures 2 and 3 are simplified in that only the electrical paths are shown schematically.
  • the energy supply device 1 shown in FIGS. 2 and 3 also has additional processor units 14 in addition to the fuel cell units 12 .
  • the processor units 14 are described in more detail below in FIG. As described below, the fuel cell units 12 and the processor units 14 can be arbitrarily combined to form the fuel cell device 10 . Also, a fuel cell device 10 can form a group of fuel cell units.
  • the fuel cell device 10 comprises, for example, two fuel cell units 12. Preferably, more than the two fuel cell units 12 shown in FIG. 1 can be formed.
  • the fuel cell units 12 are designed as fuel cell stacks which have a multiplicity of fuel cells, in the present case solid oxide fuel cells (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • the fuel cell device 10 includes a large number of processor units 14.
  • the number and scaling of the processor units 14 depends on the number of fuel cell units 12 and on the design and structure of the entire energy supply device 1.
  • a “processor unit” 14 is intended in particular to mean a unit or component of the fuel cell device 10 or the Energy supply device 1 can be understood, which is not a fuel cell unit 12 .
  • the processor units 14 are units for the chemical and/or thermal preparation and/or post-processing of at least one medium to be converted and/or converted in a fuel cell unit 12, such as an oxidation medium, in particular air and/or oxygen, and/or an exhaust gas and/or a fuel, preferably a combustible gas, in particular natural gas or hydrogen.
  • One of the processor units 14 is a heat exchanger 18 arranged in an air supply 16 for heating an oxidizing medium, in particular air L containing oxygen, supplied to the fuel cell units 12.
  • the oxidizing medium in particular the air L, for example in normal operation, is one Supplied to the cathode space 20 of the fuel cell units 12, while in each case an anode space 22 is supplied with reformed fuel RB, in this case hydrogen or natural gas.
  • the reformed fuel RB is electrochemically converted by the participation of oxygen from the air L, with the generation of electricity and heat. Electrical energy is generated.
  • the reformed fuel RB is generated by fuel B, in particular natural gas or hydrogen or methane or coal gas, being supplied to the fuel cell device 10 via a fuel supply 24, which fuel is reformed in a further processor unit 14, in the present case a reformer 26.
  • fuel B in particular natural gas or hydrogen or methane or coal gas
  • the fuel cell units 12 are connected on the exhaust gas side to a further processor unit 14 , in the present case to an afterburner 28 .
  • Exhaust gas from the fuel cell units 12 is supplied to the afterburner 28, in the present case cathode exhaust gas KA via a cathode exhaust gas duct 30 and part of the anode exhaust gas AA via an anode exhaust gas duct 32.
  • the cathode exhaust gas KA contains unused oxidation medium, in particular air L or unused oxygen.
  • the anode off-gas AA may contain unreacted, reformed fuel RB and/or possibly non-reformed fuel B.
  • the anode waste gas AA or any unreacted, reformed fuel RB contained therein and/or the non-reformed fuel B contained therein, is mixed with the cathode waste gas KA, or the oxygen contained therein Oxidizing medium, in particular the air L, burned, whereby additional heat can be generated.
  • the hot exhaust gas A produced during the combustion in the afterburner 28 is discharged from the afterburner 28 via an exhaust gas duct 34 via a further processor unit 14, in the present case via a heat exchanger 36.
  • the heat exchanger 36 is in turn fluidically connected to the reformer 26 so that heat is transferred from the hot exhaust gas A to the fuel B supplied to the reformer 26 . Accordingly, the heat of the hot exhaust gas A can be used for reforming the fuel B supplied in the reformer 26 .
  • a further processor unit 14, in the present case the heat exchanger 18, is located downstream of the heat exchanger 36 in the exhaust gas duct 34, so that the remaining heat of the hot exhaust gas A can be transferred to the supplied oxidation medium, in particular air L in the air supply 16.
  • the remaining heat of the hot exhaust gas can be used for preheating the supplied oxidation medium, in particular the air L in the air duct 16 .
  • the fuel cell device 10 has a return 38 by means of which part of the anode exhaust gas AA can be branched off from the anode exhaust gas line 32 and fed to an anode recirculation circuit 40 .
  • the anode waste gas AA that is branched off passes through a further processor unit 14, in the present case a further heat exchanger 39.
  • the branched-off part of the anode waste gas AA can be returned or fed back to the respective anode space 22 of the fuel cell units 12 and/or the reformer 26, see above that the unreacted, reformed fuel RB possibly contained in the branched off anode waste gas AA can subsequently be converted in the fuel cell unit 12 and/or the unreformed fuel B possibly contained in the branched off anode waste gas AA can subsequently be reformed in the reformer 26.
  • the efficiency of the fuel cell device 10 can be further increased.
  • fresh fuel B can be admixed via the fuel feed line 24 to the anode exhaust gas AA that has been branched off and recirculated in the anode recirculation circuit 40 .
  • heat can then be transferred from the branched off anode waste gas AA from the return line 38 to the fuel mixture produced by the admixture of the fresh fuel B in the anode recirculation circuit 40 for thermal treatment.
  • the fuel cell device preferably has a heating element 44 for, in the present case additional, heating of the oxidation medium supplied to the fuel cell units 12, in particular air L in a bypass line 46, as a result of which the operating efficiency of the fuel cell device 10 is increased.
  • the invention is not limited to solid oxide fuel cells. Rather, any fuel cells can be designed.
  • the fuel cells can also be classified as alkaline fuel cell (AFC), low temperature polymer electrolyte fuel cell (NT-PEMFC), high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate Fuel cell (MCFC) be running.
  • AFC alkaline fuel cell
  • N-PEMFC low temperature polymer electrolyte fuel cell
  • HT-PEMFC high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • MCFC molten carbonate Fuel cell
  • the fuels used or the oxidizing medium differ accordingly.
  • fuels are hydrogen, alcohols (ethanol, propanol, glycerine, methanol), methane, coal gas, ammonia reformate gas, especially methanol.
  • oxidation media
  • the process units 14 are adapted depending on the fuel cell used in the fuel cell unit 12 .
  • the electrical wiring of an energy supply device 1 is shown schematically in FIG.
  • the energy supply device 1 has, for example, three strands 50, 60, 70, each with two fuel cell units 12.
  • the number of fuel cell units 12 is not limited to two per line.
  • the fuel cell units 12 of a train 50, 60, 70 are connected to one another in series here, for example.
  • the strands 50, 60, 70 are electrically connected in parallel to one another. According to the invention, any number of strands 50, 60, 70 can be selected. The number of fuel cell units 12 per strand can also be selected as desired.
  • the fuel cell units 12 of a train 50, 60, 70 form a fuel cell device 10. Accordingly, one fuel cell device 10 per train, ie three fuel cell devices 10, are shown in FIG.
  • a fuel cell device 10 can also have more or fewer than the two fuel cell units 12 indicated in FIG.
  • the processor units 14 required by a fuel cell unit are adapted in terms of number, power and dimensions.
  • Each fuel cell unit 12 preferably requires a large number of processor units 14 as shown in FIG.
  • Individual processor units 14 can be designed and set up in such a way that they share a number of fuel cell units 12 .
  • For example 1 shows two fuel cell units 12 and a large number of processor units 14 for supplying them.
  • individual processor units 14 can supply several fuel cell units 12 at the same time.
  • a single processor unit 14 can also supply fuel cell units 12 from more than one line 50 , 60 , 70 .
  • a compressor 42 can be provided for two or more fuel cell units 12 .
  • the air supply 16 can also be used for many, in particular all, fuel cell units 12 .
  • the strands 50, 60, 70 are connected to one another via at least one cross-connector 90.
  • Three cross-connectors 90′, 90′′, 90′′ are embodied as an example.
  • the cross-connectors 90 connect two strands 50, 60, 70 each at one of the node points 92, which are formed between two serially arranged fuel cell units 12.
  • the cross-connector 90' connects a node 92 of the first line 50 to a node 92 of the second line 60.
  • the cross-connector 90' connects the first line 50 to the second line 60.
  • the cross-connector 90" connects a node 92 of the second line 60 to a node 92 of the third line 70.
  • the cross-connector 90" connects the second line 60 to the third line 70.
  • the cross-connector 90''" connects a node 92 of the third line 70 to a node 92 of the first line 50.
  • the cross-connector 90 ''' connects the third strand 70 to the first strand 50.
  • the cross-connector 90''' is optional.
  • the cross-connector 90'' is particularly necessary when the cross-connector 90 has a component.
  • the cross-connector 90 establishes an electrical connection between two nodes 92, in particular strands 50, 60, 70.
  • a matrix-like parallel and serial connection of the fuel cell units 12 preferably results. If one of the fuel cell units 12 falls, in particular due to maintenance, damage, aging, the energy supply device 1 can nevertheless continue to provide energy.
  • the cross-connectors 90 has an additional electrical component 82 or an electrical circuit.
  • the electrical component 82 can be in the form of a fuse, switch, diode or converter, preferably a voltage converter, or a combination thereof.
  • a fuse and a diode or a fuse and a switch would preferably be possible.
  • a diode would have to be installed in such a way that it opens in the desired direction of current flow and blocks in the opposite current direction.
  • the fuse can preferably be designed as a bond fuse.
  • the switch can be designed in particular as a thyristor, relay, contactor, pyro switch or semiconductor switch, in particular a transistor, preferably a field effect transistor, for example MosFet, JFet or bipolar transistor. It is also conceivable that a combination of different switches or fuses mentioned is formed. A parallel connection of several semiconductor switches, transistors, field effect transistors, MosFets, JFets or bipolar transistors is also conceivable.
  • the electrical component is advantageously formed in all cross-connectors that would have the same potential without the electrical component. In particular, all cross-connectors that result in two fuel cell units 12 being connected in parallel.
  • some or all strands 50, 60, 70 have at least one electrical component 80.
  • a component 80 is preferably assigned to at least one fuel cell unit 12 .
  • each fuel cell unit 12 is assigned a component 80 .
  • the fuel cell unit 12 and the associated component 80 are in particular connected in series with one another.
  • At least one electrical component is preferably formed between at least one, in particular all, nodes 92 (including nodes 92′) of a strand 50, 60, 70.
  • the component 80 can be designed in particular as a fuse, switch, diode or converter. Inequalities between the fuel cell units can thus preferably be compensated for. Such inequalities occur, for example, when there are minimal temperature differences in the fuel cell units during start-up or shut-down operation. The inequalities lead in particular to different current strengths in the individual strands.
  • the fuse can preferably be designed as a bond fuse.
  • the switch can be designed in particular as a thyristor or semiconductor switch, preferably MosFet.
  • the component 80 can preferably be in the form of a diode, semiconductor switch or relay.
  • the individual fuel cell units 12 In the warm-up phase and the cool-down phase of the energy supply device 1, the individual fuel cell units 12 generally have different voltages and internal resistances. The reason for this is that the warm-up or cool-down process is usually not completely synchronous. The result of this is that the voltage of the fuel cell units 12 would differ from the voltage of a fuel cell unit 12 connected in parallel in the case of a non-parallel connection. However, since the voltage in parallel circuits is always the same without any interruption at 80 or 82, equalizing currents flow which can lead to damage, in particular cell oxidation or unwanted aging, of the fuel cell units 12. Current is prevented from flowing into the fuel cell units 12 in the reverse direction than it actually does is provided.
  • the components 80 designed as diodes or corresponding switches, relays, thyristors, MosFets or the like prevent the flow of such compensating currents.
  • the components 80 are each designed as voltage converters, in particular DC/DC converters. According to an advantageous development, at least one electrical component 80 per row can be omitted.
  • Fuel cell units 12 leads. In addition, different performances can be compensated for when driving off and/or when driving off.
  • a control unit which controls the components 80 .
  • the control can take place as a function of detected defects or errors.
  • faults or defects are, for example, a short circuit within the fuel cell unit, a reduction in the active anode or cathode area, a reduction in the cell voltage generated, an increase in the internal resistance.
  • control unit can be designed, in particular continuously, to perform scenario calculations that check whether it makes sense to switch off individual strands 50, 60, 70 or fuel cell units 12 or groups of fuel cell units 12 according to one or more of the following criteria.
  • a first criterion is that maximization the total electrical output of the entire energy supply device 1.
  • a further criterion is the achievement of maximum efficiency, in particular with a predetermined target output.
  • a further criterion is the achievement of maximum efficiency, in particular with a specified target output.
  • Another criterion is the achievement of minimal aging, in particular individually for each fuel cell unit 12.
  • Another criterion is the fulfillment of specifications (grid codes) for a rapid load change, in particular one or more fuel cell units 12 in partial load, in a specified time to enable a power increase or power reduction. Another criterion is continued operation of the system when a fuel cell unit 12 is deactivated.
  • the electrical component 80 and/or 82 can be designed as a switch, in particular an electrical switch, preferably a semiconductor switch, for example a transistor. This allows the individual fuel cell units 12 to be electrically isolated between two nodes 92 . This has no direct effects on the other fuel cell unit 12.
  • the energy supply device 1 When viewed mathematically, the energy supply device 1 according to FIG. 2 has two rows and 3 columns. The columns correspond to the strands. The rows are at the same voltage when there is a cross connector 90 but without an electrical component 82 thereon.
  • FIG. 1 A further embodiment is shown in FIG. In contrast to the embodiment according to FIG. 2, individual fuel cell units 12 are replaced by groups 13 of fuel cell units 12 .
  • each group 13 of fuel cell units 12 has two fuel cell units 12 by way of example.
  • Each group 13 of fuel cell unit 12 could preferably form a fuel cell device 10 .
  • Each group 13 of fuel cell units 12 can preferably also have more than two fuel cell units 12 .
  • the groups 13' of fuel cell units 12 of the first row are connected to one another in series, for example.
  • the fuel cell unit 12 of the group 13' of fuel cell unit 12 and the optional component 80 are connected in series between two nodes 92.
  • the groups 13′′ of fuel cell unit 12 of the second row are connected to one another in parallel, for example.
  • the fuel cell unit 12 of the group 13 ′′ of the fuel cell unit 12 and the optional component 80 are connected in series between two nodes 92 .
  • a mixed, ie parallel and serial, connection is preferably also conceivable. At least four or more fuel cell units 12 per group 13 are preferably necessary for this purpose.
  • individual fuel cell units 12 can be regulated in such a way that the current and voltage occurring between two nodes 92 are adjusted to the fuel cell units 12 connected in parallel.
  • Such a rule is also referred to below as regulation.
  • Processor units 14, which are used for regulation, are preferably designed separately for the individual fuel cell units 12 or groups of fuel cell units 12 to be regulated.
  • the regulation 120 preferably takes place by appropriate activation 122 of a processor unit 14, in particular of a plurality of processor units 14.
  • the method 100 and its method steps are explained in detail in FIG.
  • the current that develops depends on the internal resistance of the fuel cell units 12 .
  • the internal resistance depends, for example, on the temperature of the fuel cell unit 12, the aging of the fuel cell unit 12, the oxidation medium supplied and the fuel supplied.
  • fuel cell units 12 with many locally adjacent fuel cell units 12 are additionally heated by them.
  • a warmer fuel cell unit 12 has lower thermal losses.
  • the fuel cell unit 12 when heated, has a low internal resistance. The low internal resistance leads to an increased current, which in turn leads to an increased temperature. A spiral can ensue.
  • An optional converter 98 is implemented in the exemplary embodiments according to FIGS. This is preferably a DC/AC voltage converter, which converts the direct voltage generated by the fuel cell unit 12 into alternating voltage.
  • This is preferably a DC/AC voltage converter, which converts the direct voltage generated by the fuel cell unit 12 into alternating voltage.
  • the public power grids and most consumers work with an AC voltage.
  • a further voltage converter 96 is preferably connected upstream of the optional converter 98 .
  • the voltage converter 96 is a DC/DC converter.
  • the further voltage converter 96 can be omitted if the components 80 themselves are in the form of voltage converters, in particular DC/DC converters.
  • the voltage converter 96 is necessary in particular because a defined minimum voltage level is always required upstream of a DC/AC converter 98, so that the DC/AC converter 98 can convert 98 reasonably and efficiently into alternating current.
  • the voltage converter 96 and additionally or alternatively the voltage converters that are formed at position 80 generate an intermediate circuit voltage 97 with a minimum necessary voltage level, so that the voltage converter 98 can work sensibly and/or efficiently.
  • All components 80 are preferably of identical design.
  • All components 82 are preferably of identical design.
  • the components 80 and 82 can also have differences, but these are based on the fuel cell units 12 with which they are connected in series or in parallel.
  • FIG. 1 A method 100 according to the invention is shown in FIG. 1
  • a first method step 110 the current flowing between two nodes is determined. All streams are preferably determined.
  • the determination 110 takes place in particular by measuring individual currents. The currents that were not measured can then be calculated from the measured currents as part of the determination.
  • the currents are preferably determined using a shunt resistor.
  • the shunt resistor can be arranged according to component 80 .
  • the shunt resistor is arranged in series with the fuel cell unit or units 12 or the group of fuel cell units 12 .
  • At least one fuel cell unit 12, in particular a plurality of fuel cell units 12, preferably all fuel cell units 12, is regulated.
  • Regulating 120 includes changing, in particular increasing or reducing, the supply of a fuel and/or the supply of a fuel Oxidation medium and / or the heating of the supplied oxidizing medium and / or the heating of the fuel and / or the recirculation rate in the fuel cell unit to be regulated.
  • regulating 120 a change in the current is achieved.
  • the fuel cell units 12 react more sensitively to a change in the supply of fuel than to a change in the oxidation medium and/or the recirculation rate.
  • Each fuel cell unit 12 is preferably regulated individually.
  • Groups 13 of fuel cell units 12 are preferably regulated.
  • the fuel cell units 12 are preferably regulated jointly between two nodes 92, 92'.
  • the supply of air L can be regulated.
  • a compressor 42 in the fuel supply 24 can regulate the supply of fuel B.
  • a compressor 42 in the anode recirculation circuit 40 can regulate the recirculation rate of the anode exhaust gas AA.
  • method step 120 depending on the string currents determined in method step 110, individual or multiple fuel cell units 12 are regulated.
  • the regulation 120 in method step 120 preferably takes place in such a way that the streams adjust to one another.
  • the currents are negligibly different.
  • the flows are substantially equal.
  • step 122 individual or multiple processor units 14 are activated.
  • the activation 122 is a sub-method step of method step 120.
  • step 116 the fuel cell units 12, which are regulated in method step 120, are selected.
  • the fuel cell units 12 are selected that have a current that deviates from the other currents by a tolerance.
  • the aging of individual fuel cell units 12 can also be determined.
  • the selection 116 is then also made based on the aging of the fuel cell units 12.
  • the selection 116 can be made depending on the position of the fuel cell unit 12 relative to other fuel cell units 12 .
  • fuel cell units 12 that have many adjacent fuel cell units 12 tend to be warmer and thereby have a lower internal resistance.
  • the fuel cell units 12 to be regulated are preferably selected whose determined currents deviate from a defined target current.
  • the target current is preferably defined.
  • the setpoint current is determined from the total current. To do this, the total current is divided by the number of strands 50, 60, 70.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung (1), mit einer Mehrzahl von in parallelen Strängen (50, 60, 70) angeordneten Brennstoffzelleneinheiten (12), wobei jeder Strang (50, 60, 70) zumindest zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzelleneinheiten (12) oder zumindest zwei in Reihe geschaltete Gruppen (13, 13') von Brennstoffzelleneinheiten (12) aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass die Stränge (50, 60, 70) an jeweils einem Knotenpunkt über mindestens einen Querverbinder (90, 90', 90'', 90''') miteinander verbunden sind, wobei die Knotenpunkte (92, 92') zwischen zwei in Reihe geschalteten Brennstoffzelleneinheiten (12) eines Strangs (50, 60, 70) oder zwischen zwei Gruppen (13, 13') von Brennstoffzelleneinheiten (12) eines Strangs (50, 60, 70) ausgebildet sind.

Description

Beschreibung
Titel
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung.
Stand der Technik
Um größere Leistungen zu ermöglichen, ist es bekannt mehrere Brennstoffzelleneinheiten zusammenzuschalten. Es ist bekannt die Brennstoffzelleneinheiten elektrisch in Strängen miteinander zusammenzuschalten. Es ist auch bekannt, dass die Stränge elektrisch parallel miteinander verschaltet sind. Beim Ausfall oder bei Problemen von einer der Brennstoffzelleneinheiten kann dies zum Ausfall eines gesamten Strangs führen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung mit einer Mehrzahl von in parallelen Strängen angeordneten Brennstoffzelleneinheiten, wobei jeder Strang zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten oder zwei Gruppen von Brennstoffzelleneinheiten aufweist. Vorteilhaft ist, dass die Stränge an jeweils einem Knotenpunkt über mindestens einen Querverbinder miteinander verbunden sind. Ferner ist vorteilhaft, dass die Knotenpunkte zwischen zwei in Reihe geschalteten Brennstoffzelleneinheiten eines Strangs oder zwischen zwei Gruppen von Brennstoffzelleneinheiten eines Strangs ausgebildet sind. Eine Brennstoffzelleneinheit ist mit mindestens einer weiteren Brennstoffzelleneinheit seriell und mit mindestens einer weiteren Brennstoffzelleneinheit parallel verschaltet. Alternativ ist eine einzelne Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten mit mindestens einer weiteren Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten seriell und mit mindestens einer weiteren Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten parallel verschaltet. Vorteilhaft können Probleme einzelner Brennstoffzelleneinheiten oder Gruppen von Brennstoffzelleneinheiten kompensiert werden. Es kommt nicht zu einem Ausfall der gesamten Energieversorgungseinrichtung oder größerer Teile der Energieversorgungseinrichtung.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Energieversorgungseinrichtung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass die Brennstoffzelleneinheiten oder Gruppen von Brennstoffzelleneinheiten matrixartig parallel und seriell miteinander verschaltet sind. Es ergibt sich eine Verschaltung entsprechend einer Matrix.
Als vorteilhafte Weiterbildung hat sich gezeigt, dass in den Querverbinder Sicherungen oder elektrische Schalter ausgebildet sind. Vorteilhaft kann die Funktion des elektrischen Querverbinders aktiviert oder deaktiviert werden. Gleichzeitig stellten Sicherungen eine einfache Möglichkeit dar, im Fehlerfall einer Zerstörung vorzubeugen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass zumindest eine, insbesondere alle, Sicherungen als Bonddraht ausgebildet sind. Eine solche Sicherung stellt eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, um die Energieversorgungseinrichtung und deren Komponenten zu sichern dar.
Als vorteilhafte Weiterbildung hat sich gezeigt, dass zumindest eine Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten aufweist, die parallel und/oder seriell verschaltet sind. Vorteilhaft kann die Flexibilität erhöht und das Risiko eines Ausfalls reduziert werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass zumindest eine Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten oder zumindest eine Brennstoffzelleneinheit einen seriell angeordneten Spannungswandler, insbesondere DC/DC Wandler aufweist. Vorteilhaft können so die Spannungen angeglichen werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass jeder Querverbinder zwei Knotenpunkte von zwei Strängen miteinander verbindet.
Als vorteilhafte Weiterbildung hat sich gezeigt, dass die, insbesondere zueinander parallel geschalteten, Gruppen von Brennstoffzelleneinheiten jeweils eine identische Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten aufweisen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur lein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung;
Figur 2 schematisch die elektrische Verschaltung einer Energieversorgungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Figur 3 schematisch die elektrische Verschaltung einer Energieversorgungseinrichtung gemäß einer Weiterbildung; und
Figur 4 den Verfahrensablauf eines Verfahrens zur Regulierung der Brennstoffzelleneinheiten.
Im Folgenden beziehen sich Beschreibungen von den Elementen mit einem Bezugszeichen ohne einen Apostroph auch immer auf die Elemente mit einem oder mehreren Apostrophen.
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung 1. Die Energieversorgungseinrichtung 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 sowie eine Mehrzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12. In Figur 1 ist beispielhaft der Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 dargestellt. In Figur 2 ist beispielhaft der Aufbau einer Energieversorgungseinrichtung 1 mit sechs Brennstoffzelleneinheiten 12 dargestellt. In Figur 3 ist beispielhaft der Aufbau einer Energieversorgungseinrichtung 1 mit sechs Gruppen von Brennstoffzelleneinheiten 12 dargestellt. Die Figuren 2 und 3 sind dahingehend vereinfacht, dass nur die elektrischen Pfade schematisch dargestellt sind. Es ist selbstverständlich, dass die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Energieversorgungseinrichtung 1 neben den Brennstoffzelleneinheiten 12 auch zusätzliche Prozessoreinheiten 14 aufweisen. Die Prozessoreinheiten 14 werden im Folgenden in Figur 1 näher beschrieben. Wie im Folgenden beschrieben können die Brennstoffzelleneinheiten 12 und die Prozessoreinheiten 14 beliebig zu Brennstoffzellenvorrichtung 10 zusammengefasst sein. Auch kann eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten bilden.
In Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst beispielhaft zwei Brennstoffzelleneinheiten 12. Vorzugsweise können mehr als die zwei in Figur 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgebildet sein.
Die Brennstoffzelleneinheiten 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenstack ausgeführt, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen.
Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14. Die Anzahl und Skalierung der Prozessoreinheiten 14 hängt von der Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 12 ab sowie von dem Aufbau und der Struktur der gesamten Energieversorgungseinrichtung 1.
Unter einer „Prozessoreinheit“ 14 soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10, bzw. der Energieversorgungseinrichtung 1 verstanden werden, bei der es sich nicht um eine Brennstoffzelleneinheit 12 handelt. In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei den Prozessoreinheiten 14 um Einheiten zur chemischen und/oder thermischen Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Oxidationsmedium, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, und/oder eines Abgases und/oder eines Brennstoffs, vorzugsweise eines Brenngases, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff.
Bei einer der Prozessoreinheiten 14 handelt es sich um einen in einer Luftzuführung 16 angeordneten Wärmeübertrager 18 zur Erwärmung einer den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere sauerstoffhaltigen Luft L. Im vorliegenden Fall wird das Oxidationsmedium, insbesondere die Luft L, beispielsweise in einem Normalbetrieb, jeweils einem Kathodenraum 20 der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, während jeweils einem Anodenraum 22 reformierter Brennstoff RB, im vorliegenden Wasserstoff oder Erdgas, zugeführt wird. In den Brennstoffzelleneinheiten 12 wird der reformierte Brennstoff RB durch Mitwirkung von Sauerstoff aus der Luft L unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt. Es wird elektrische Energie erzeugt.
Der reformierte Brennstoff RB wird erzeugt, indem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzuführung 24 Brennstoff B, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff oder Methan oder Kohlegas, zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einem Reformer 26, reformiert wird.
Des Weiteren sind die Brennstoffzelleneinheiten 12 abgasseitig mit einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall mit einem Nachbrenner 28, verbunden. Dem Nachbrenner 28 wird Abgas der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, im vorliegenden Fall Kathodenabgas KA über eine Kathodenabgasführung 30 und ein Teil des Anodenabgas AA über eine Anodenabgasführung 32. Das Kathodenabgas KA enthält unverbrauchtes Oxidationsmedium, insbesondere Luft L, bzw. unverbrauchten Sauerstoff, während das Anodenabgas AA ggf. nicht-umgesetzten, reformierten Brennstoff RB und/oder ggf. nicht-reformierten Brennstoff B enthält. Mittels des Nachbrenners 28 wird das Anodenabgas AA, bzw. der ggf. darin enthaltene nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB und/oder der ggf. darin enthaltende nicht-reformierte Brennstoff B, unter Beimischung des Kathodenabgases KA, bzw. des darin enthaltenen Sauerstoffs des Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L, verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann.
Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 28 entstehende heiße Abgas A wird über eine Abgasführung 34 über eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall über einen Wärmeübertrager 36, vom Nachbrenner 28 abgeführt. Der Wärmeübertrager 36 ist dabei wiederum mit dem Reformer 26 strömungstechnisch verbunden, so dass Wärme von dem heißen Abgas A, auf den dem Reformer 26 zugeführten Brennstoff B übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases A für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs B im Reformer 26 genutzt werden.
Stromabwärts des Wärmeübertragers 36 befindet sich eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall der Wärmeübertrager 18, in der Abgasführung 34, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases A auf das zugeführte Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in der Luftzuführung 16 übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases für ein Vorwärmen des zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden.
Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Rückführung 38 auf, mittels welcher ein Teil des Anodenabgas AA aus der Anodenabgasleitung 32 abgezweigt und einem Anodenrezirkulationskreis 40 zugeführt werden kann. Dabei passiert das abgezweigte Anodenabgas AA eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einen weiteren Wärmeübertrager 39.
Mittels des Anodenrezirkulationskreises 40 kann der abgezweigte Teil des Anodenabgas AA dem jeweiligen Anodenraum 22 der Brennstoffzelleneinheiten 12 und/oder dem Reformer 26 rückgeführt, bzw. erneut zugeführt, werden, so dass der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB im Nachgang in der Brennstoffzelleneinheit 12 umgesetzt und/oder der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-reformierte Brennstoff B im Nachgang im Reformer 26 reformiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden. Zudem kann über die Brennstoffzuführleitung 24 frischer Brennstoff B dem im Anodenrezirkulationskreis 40 rezirkuliertem, abgezweigten Anodenabgas AA beigemischt werden. Mittels des weiteren Wärmeübertragers
39 kann dann zur thermischen Aufbereitung Wärme von dem abgezweigten Anodenabgas AA aus der Rückführleitung 38 auf das durch die Beimischung des frischen Brennstoffs B entstehende Brennstoffgemisch im Anodenrezirkulationskreis 40 übertragen werden.
Über Verdichter 42 in den jeweiligen Leitungen, kann die Zufuhr eines Oxidationsmediums, insbesondere von Oxidationsmedien, vorzugsweise Luft L in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Brennstoff B in der Brennstoffzuführung 24 und die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA im Anodenrezirkulationskreis
40 geregelt und/oder aufeinander abgestimmt werden.
Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenvorrichtung ein Heizelement 44 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung der den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in einer Bypassleitung 46, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzellevorrichtung 10 gesteigert wird.
Die Erfindung ist nicht auf Festoxidbrennstoffzellen beschränkt. Vielmehr können beliebige Brennstoffzellen ausgeführt sein. Beispielsweise können die Brennstoffzellen auch als alkalische Brennstoffzelle (AFC), Niedertemperatur- Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (NT-PEMFC), Hochtemperatur- Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HT-PEMFC), Direktmethanol- Brennstoffzelle (DMFC), Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) ausgeführt sein. Entsprechend unterscheiden sich die verwendeten Brennstoffe oder das Oxidationsmedium. Beispiel für Brennstoffe sind Wasserstoff, Alkohole (Ethanol, Propanol, Glycerin, Methanol), Methan, Kohlegas, Ammoniak Reformatgas, insbesondere Methanol. Beispiels für Oxidationsmedien sind Luft, insbesondere der Luftsauerstoff der Luft, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Salpertersäure oder Halogene.
Abhängig von der verwendeten Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit 12 sind die Prozesseinheiten 14 angepasst.
In Figur 2 ist schematisch die elektrische Verschaltung einer Energieversorgungseinrichtung 1 dargestellt. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist beispielhaft drei Stränge 50, 60, 70 mit jeweils zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 auf. Die Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 12 ist hierbei nicht auf zwei je Strang beschränkt. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 sind hier beispielhaft seriell miteinander verschaltet.
Die Stränge 50, 60, 70 sind zueinander elektrisch parallel verschaltet. Erfindungsgemäß kann die Anzahl der Stränge 50, 60, 70 beliebig gewählt werden. Auch kann die Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 je Strang beliebig gewählt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform bilden die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 eine Brennstoffzellenvorrichtung 10. Entsprechend sind in Figur 2 jeweils eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 je Strang, also drei Brennstoffzellenvorrichtungen 10 dargestellt.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann auch entgegen dem Beispiel in Figur 1 mehr oder weniger als die in Figur 1 angegebenen zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 aufweisen. Entsprechend sind die Prozessoreinheiten 14, die eine Brennstoffzelleneinheiten benötigt, in Anzahl, Leistung und Abmessung angepasst sein. Vorzugsweise benötigt jede Brennstoffzelleneinheit 12 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14 entsprechend Figur 1.
Einzelne der Prozessoreinheiten 14 können derart ausgebildet und eingerichtet sein, dass sie sich mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 teilen. Beispielsweise sind in Figur 1 zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 sowie eine Vielzahl an Prozessoreinheiten 14 zu deren Versorgung dargestellt.
Gemäß einer Weiterbildung können einzelne Prozessoreinheiten 14, gleichzeitig mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 versorgen. Eine einzelne Prozessoreinheiten 14 kann hierbei auch Brennstoffzelleneinheiten 12 von mehr als einem Strang 50, 60, 70 versorgen. Insbesondere kann ein Verdichter 42 für zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 vorgesehen sein. Auch kann die Luftzuführung 16 für viele, insbesondere alle, Brennstoffzelleneinheiten 12 verwendet werden.
Die Stränge 50, 60, 70 sind über mindestens einen Querverbinder 90 miteinander verbunden. Beispielhaft sind drei Querverbinder 90‘, 90“, 90‘“ ausgebildet. Die Querverbinder 90 verbinden zwei Stränge 50, 60, 70 jeweils an einem der Knotenpunkte 92, die zwischen zwei serielle angeordneten Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgebildet sind.
Insbesondere verbindet der Querverbinder 90‘ einen Knotenpunkt 92 des ersten Strangs 50 mit einem Knotenpunkt 92 des zweiten Strangs 60. Der Querverbinder 90‘ verbindet den ersten Strang 50 mit dem zweiten Strang 60. Insbesondere verbindet der Querverbinder 90“ einen Knotenpunkt 92 des zweiten Strangs 60 mit einem Knotenpunkt 92 des dritten Strangs 70. Der Querverbinder 90“ verbindet den zweiten Strang 60 mit dem dritten Strang 70. Insbesondere verbindet der Querverbinder 90‘“ einen Knotenpunkt 92 des dritten Strangs 70 mit einem Knotenpunkt 92 des ersten Strangs 50. Der Querverbinder 90‘“ verbindet den dritten Strang 70 mit dem ersten Strang 50. Insbesondere ist der Querverbinder 90“‘optional. Der Querverbinder 90‘“ ist insbesondere dann notwendig, wenn der Querverbinder 90 ein Bauteil aufweist. Der Querverbinder 90 stellt eine elektrische Verbindung zwischen zwei Knotenpunkten 92, insbesondere Stränge 50, 60, 70 her.
Vorzugsweise ergibt sich eine matrixartige parallel und serielle Verschaltung der Brennstoffzelleneinheiten 12. Fällt eine der Brennstoffzelleneinheiten 12, insbesondere aufgrund von Wartung, Beschädigung, Alterung, aus, kann die Energieversorgungseinrichtung 1 dennoch weiter Energie bereitstellen.
Gemäß einer Weiterbildung weist zumindest einer der Querverbinder 90 ein zusätzliches elektrisches Bauteil 82 oder eine elektrische Schaltung auf. Insbesondere kann das elektrische Bauteil 82 als Sicherung, Schalter, Diode oder Wandler, vorzugsweise Spannungswandler, ausgebildet sein, oder einer Kombination daraus. Vorzugsweise wäre möglich eine Sicherung und eine Diode oder eine Sicherung und ein Schalter.
Eine Diode müsste derart eingebaut werden, dass sie in gewünschter Stromflussrichtung öffnet, und in entgegengesetzter Stromrichtung sperrt.
Vorzugsweise kann die Sicherung als Bondsicherung ausgebildet sein. Der Schalter kann insbesondere als Thyristor, Relais, Schütz, Pyro-Schalter oder Halbleiterschalter, insbesondere Transistor, vorzugsweise Feldeffekttransistor, beispielsweise MosFet, JFet oder Bipolartransistor, ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass eine Kombination aus verschiedenen dieser genannten Schalter oder Sicherungen ausgebildet ist. Auch eine Parallelschaltung von mehreren Halbleiterschaltern, Transistoren, Feldeffekttransistoren, MosFets, JFets oder Bipolartransistoren ist denkbar. Vorteilhaft ist das elektrische Bauteil in allen Querverbindern, ausgebildet, die ohne das elektrische Bauteil das gleiche Potential besitzen würden. Insbesondere alle Querverbinder, die zu einem parallelen Verschalten von zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 führen.
Gemäß einer Weiterbildung weisen einige oder alle Stränge 50, 60, 70 zumindest ein elektrisches Bauteil 80 auf. Vorzugsweise ist zumindest einer Brennstoffzelleneinheit 12 ein Bauteil 80 zugeordnet. Insbesondere ist jeder Brennstoffzelleneinheit 12 ein Bauteil 80 zugeordnet. Die Brennstoffzelleneinheit 12 und das zugeordnete Bauteil 80 sind insbesondere in Reihe zueinander geschaltet. Vorzugsweise ist zwischen zumindest einem, insbesondere allen, Knotenpunkten 92 (auch die Knotenpunkte 92‘) eines Strangs 50, 60, 70 zumindest ein elektrisches Bauteil ausgebildet.
Das Bauteil 80 kann insbesondere als Sicherung, Schalter, Diode oder Wandler ausgebildet sein. Vorzugsweise können somit Ungleichheiten zwischen den Brennstoffzelleneinheiten kompensiert werden. Insbesondere im Anfahrbetrieb oder Abfahrbetrieb kommt es durch beispielsweise minimale Temperaturunterschiede der Brennstoffzelleneinheiten zu solchen Ungleichheiten. Die Ungleichheiten führen insbesondere zu sich unterscheidenden Stromstärken in den einzelnen Strängen.
Eine Ausbildung als Wandler hat den Nachteil, dass die Wandler kostenintensiver sind. Auch bedeutet eine Verwendung von Wandler einen Einsatz von zusätzlichen Komponenten, die zusätzliche Fehlerquellen bilden können.
Vorzugsweise kann die Sicherung als Bondsicherung ausgebildet sein. Der Schalter kann insbesondere als Thyristor oder Halbleiterschalter, vorzugsweise MosFet, ausgebildet sein.
Vorzugsweise kann das Bauteil 80 als Diode, Halbleiterschalter oder Relais ausgebildet sein. In der Aufwärmphase und der Abkühlphase der Energieversorgungseinrichtung 1 weisen die einzelnen Brennstoffzelleneinheit 12 im allgemeinen unterscheidende Spannungen und Innenwiderstände auf. Grund hierfür ist, dass der Aufwärm- oder Abkühlprozess in der Regel nicht vollständig synchron abläuft. Dies führt dazu, dass die Spannung der Brennstoffzelleneinheiten 12 von der Spannung einer parallel geschalteten Brennstoffzelleneinheit 12 bei einer nicht parallelen Verschaltung unterscheiden würden. Da jedoch die Spannung bei Parallelschaltungen ohne jegliche Unterbrechung bei 80 oder 82 immer gleich ist, fließen Ausgleichströme, die zu einer Beschädigung, insbesondere Zelloxidation oder ungewollter Alterung, der Brennstoffzelleneinheiten 12 führen können. Es wird verhindert, dass Strom in die Brennstoffzelleneinheiten 12 in umgekehrter Richtung strömt, wie eigentlich vorgesehen ist. Die als Dioden ausgebildeten Bauteile 80 oder entsprechende Schalter, Relais, Thyristoren, MosFets o.ä. verhindern das Fließen solcher Ausgleichströme.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Bauteile 80 jeweils als Spannungswandler, insbesondere DC/DC-Wandler, ausgebildet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest ein elektrisches Bauteil 80 je Reihe entfallen.
Vorteilhaft ist, dass durch den Verbau beispielsweise Relais, Thyristoren, Halbleiterschalter, Feldeffekttransistoren, insbesondere MosFets, oder Bipolartrasistoren oder Dioden an der Position des Bauteils 80 auf einfache Art und Weise verhindert werden kann, dass insbesondere während des Normalbetriebs und/oder Anfahrbetrieb und/oder Abfahrbetrieb ein Defekt, insbesondere ein Brennstoffzelleneinheiten-interner Kurzschluss, Verringerung der aktiven Anoden oder Kathodenfläche, Reduzierung der erzeugten Zellspannung, Ungleichgewicht zwischen den Brennstoffzelleneinheiten, Erhöhung des Innenwiderstandes in einer Brennstoffzelleneinheiten 12 zu einer negativen Beeinflussung von elektrisch parallel geschalteten
Brennstoffzelleneinheiten 12 führt. Ferner können unterschiedliche Performance im Anfahrbetrieb und/oder Abfahrbetrieb kompensiert werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass eine Steuereinheit ausgebildet ist, welche die Bauteile 80 ansteuert. Insbesondere kann die Ansteuerung in Abhängigkeit von erkannten Defekten oder Fehlern erfolgen. Solche Fehler oder Defekte sind beispielsweise ein Brennstoffzelleneinheiten-interner Kurzschluss, Verringerung der aktiven Anoden oder Kathodenfläche, Reduzierung der erzeugten Zellspannung, Erhöhung des Innenwiderstandes.
Insbesondere kann die Steuereinheit ausgebildet sein, insbesondere kontinuierlich, Szenario-Rechnungen durchführen, die eine Sinnhaftigkeit einer Abschaltung von einzelnen Strängen, 50, 60, 70 oder Brennstoffzelleneinheiten 12 oder Gruppen von Brennstoffzelleneinheiten 12 nach einem oder mehreren der folgenden Kriterien überprüft. Ein erstes Kriterium ist, dass die Maximierung der elektrischen Gesamtleistung des gesamten Energieversorgungseinrichtung 1. Ein weiteres Kriterium ist, die Erreichung eines maximalen Wirkungsgrads, insbesondere bei einer vorgegebenen Soll-Leistung. Ein weiteres Kriterium ist, die Erreichung eines maximalen Wirkungsgrads, insbesondere bei einer vorgegebenen Soll-Leistung. Ein weiteres Kriterium ist, die Erreichung einer minimalen Alterung, insbesondere individuell für jede Brennstoffzelleneinheit 12. Ein weiteres Kriterium ist, die Erfüllung von Vorgaben (Grid Codes) zu einer schnellen Laständerung, insbesondere einzelne oder mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 in Teillast, um in einer vorgegebenen Zeit eine Leistungserhöhung oder Leistungsreduzierung zu ermöglichen. Ein weiteres Kriterium ist, ein Weiterbetrieb der Anlage bei Deaktivierung einer Brennstoffzelleneinheit 12 .
Das elektrische Bauteil 80 und/oder 82 kann wie bereits ausgeführt als Schalter, insbesondere elektrischer Schalter, vorzugsweise Halbleiterschalter, beispielsweise Transistor, ausgebildet sein. Dies ermöglicht, dass die einzelnen Brennstoffzelleneinheit 12 zwischen zwei Knotenpunkten 92 elektrisch getrennt werden können. Hierdurch ergeben sich keine direkten Auswirkungen auf die weiteren Brennstoffzelleneinheit 12.
Bei einer mathematischen Betrachtung weist die Energieversorgungseinrichtung 1 gemäß der Figur 2 zwei Reihen und 3 Spalten auf. Die Spalten entsprechen den Strängen. Die Reihen weisen die gleiche Spannung auf, wenn eine Querverbinder 90 besteht dieser jedoch nicht mit einem elektrischen Bauteil 82 versehen ist.
In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Figur 2 sind einzelne Brennstoffzelleneinheit 12 durch Gruppen 13 von Brennstoffzelleneinheit 12 ersetzt.
Insbesondere weist beispielhaft jede Gruppe 13 von Brennstoffzelleneinheit 12 zwei Brennstoffzelleneinheit 12 auf. Vorzugsweise könnte jede Gruppe 13 von Brennstoffzelleneinheit 12 eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 bilden. Vorzugsweise kann jede Gruppe 13 von Brennstoffzelleneinheit 12 auch mehr als zwei Brennstoffzelleneinheit 12 aufweisen.
Die Gruppen 13‘ von Brennstoffzelleneinheit 12 der ersten Zeile sind beispielhaft untereinander seriell verschaltet. Die Brennstoffzelleneinheit 12 der Gruppe 13‘ von Brennstoffzelleneinheit 12 und das optionale Bauteil 80 sind seriell zwischen zwei Knotenpunkten 92 verschaltet.
Die Gruppen 13“ von Brennstoffzelleneinheit 12 der zweiten Zeile sind beispielhaft parallel miteinander verschaltet. Die Brennstoffzelleneinheit 12 der Gruppe 13“ von Brennstoffzelleneinheit 12 und das optionale Bauteil 80 sind seriell zwischen zwei Knotenpunkten 92 verschaltet.
Vorzugsweise ist auch eine gemischte, also parallel und serielle, Verschaltung denkbar. Hierzu sind vorzugsweise zumindest vier oder mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 je Gruppe 13 notwendig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 12 dahingehend geregelt werden, dass der sich zwischen zwei Knotenpunkten 92 einstellende Strom und Spannung an die parallel geschalteten Brennstoffzelleneinheiten 12 angleicht. Ein solches Regeln wird im Folgenden auch als Regulieren bezeichnet.
Vorzugsweise sind Prozessoreinheiten 14, die zum Regulieren eingesetzt werden, für die einzeln, zu regulierenden Brennstoffzelleneinheiten 12 oder Gruppen aus Brennstoffzelleneinheiten 12 jeweils separat ausgebildet.
Vorzugsweise erfolgt das Regulieren 120 durch entsprechendes Ansteuern 122 von einer Prozessoreinheit 14 insbesondere von mehreren Prozessoreinheiten 14. In Figur 4 wird das Verfahren 100 und dessen Verfahrensschritte detailliert erläutert.
Bei einer elektrisch parallelen Verschaltung entsprechend Figur 2 ergibt sich ein erzwungener Spannungsangleich zwischen den Knotenpunkten 92, 92‘. Ein erzwungener Spannungsangleich kann zu einer unsymmetrischen Stromverteilung, insbesondere aufgrund von Alterung und/oder Temperaturunterscheiden und/oderFertigungstoleranzen zwischen den Brennstoffzelleneinheiten 12 führen.
Der Strom, der sich ausbildet, hängt von dem Innenwidersand der Brennstoffzelleneinheiten 12 ab. Der Innenwiderstand hängt beispielsweise von der Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 12, der Alterung der Brennstoffzelleneinheit 12, dem zugeführten Oxidationsmedium und dem zugeführten Brennstoff ab.
Insbesondere werden Brennstoffzelleneinheiten 12 mit vielen örtlich benachbarten Brennstoffzelleneinheiten 12 durch diese zusätzlich erwärmt. Eine wärmere Brennstoffzelleneinheit 12 weist geringere thermische Verluste auf. Auch weisen wärme Brennstoffzelleneinheit 12 einen niedriger Innenwiderstand auf. Der niedriger Innenwiderstand führt zu einem erhöhten Strom, der wiederum zu einer erhöhten Temperatur führt. Es kann sich eine Spirale ergeben.
In den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 2 und 3 ist ein optionaler Wandler 98 ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um einen DC/AC Spannungswandler, welcher die von den Brennstoffzelleneinheit 12 erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Insbesondere die öffentlichen Stromnetze sowie die meisten Verbraucher arbeiten mit einer Wechselspannung.
Vorzugsweise ist dem optionalen Wandler 98 ein weitere Spannungswandler 96 vorgeschaltet. Bei dem Spannungswandler 96 handelt sich um einen DC/DC Wandler. Der weitere Spannungswandler 96 kann entfallen, wenn die Bauteile 80 selbst als Spannungswandler, insbesondere DC/DC-Wandler, ausgebildet sind. Der Spannungswandler 96 ist insbesondere notwendig, da vor einem DC/AC- Wandler 98 stets eine definierte minimale Spannungslage erforderlich, sodass der DC/AC-Wandler 98 vernünftig und effizient in Wechselstrom umwandeln kann. Der Spannungswandler 96 und zusätzlich oder alternativ die Spannungswandler, die an Position 80 ausgebildet sind, erzeugen eine Zwischenkreisspannung 97 mit einer minimal notwendigen Spannungslage, so dass der Spannungswandler 98 vernünftig und/oder effizient arbeiten kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass der Spannungswandler 96 und 98 in einem Gerät kombiniert sind. Vorteilhaft erfolgt so eine Kosten- und Bauraum- Optimierung erreicht werden. Auch besteht eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeiten durch eine geringe Anzahl an Einzelkomponenten.
Vorzugsweise sind alle Bauteile 80 identisch ausgebildet. Vorzugsweise sind alle Bauteile 82 identisch ausgebildet. Insbesondere können die Bauteile 80 und 82 auch Unterschiede aufweisen, diese sind jedoch an die Brennstoffzelleneinheiten 12 angelehnt mit denen sie seriell oder parallel verschaltet sind.
In Figur 4 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 dargestellt.
In einem ersten Verfahrensschritt 110 erfolgt das Ermitteln des Stroms, der zwischen zwei Knotenpunkten fließt. Vorzugweise werden alle Ströme ermittelt.
Das Ermitteln 110 erfolgt insbesondere durch ein Messen einzelner Ströme. Die nicht gemessenen Ströme können dann aus den gemessenen Strömen im Rahmen der Ermittlung berechnet werden.
Vorzugsweise werden die Ströme mittels eines Shunt-Widerstands ermittelt. Insbesondere kann der Shunt-Widerstand gemäß Bauteil 80 angeordnet sein. Der Shuntwiderstand ist seriell zu der oder den Brennstoffzelleneinheit 12 oder der Gruppe aus Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet.
In einem weiteren Verfahrensschritt 120 erfolgt das Regulieren zumindest einer Brennstoffzelleneinheit 12, insbesondere mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12, vorzugsweise aller Brennstoffzelleneinheiten 12.
Das Regulieren 120 umfasst das Ändern, insbesondere das Erhöhen oder Reduzieren, der Zufuhr eines Brennstoffs und/oder der Zufuhr eines Oxidationsmediums und/oder die Erwärmung des zugeführten Oxidationsmediums und/oder die Erwärmung des Brennstoffs und/oder die Rezirkulationsrate in die zu regulierende Brennstoffzelleneinheit. Durch das Regulieren 120 wird eine Änderung des Stroms erreicht. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 reagiert hierbei sensitiver auf eine Änderung der Zufuhr an Brennstoff als auf eine Änderung des Oxidationsmediums und/oder der Rezirkulationsrate.
Vorzugsweise erfolgt ein individuelles Regulieren einer jeden Brennstoffzelleneinheiten 12. Vorzugsweise erfolgt eine Regelung von Gruppen 13 von Brennstoffzelleneinheiten 12. Insbesondere können mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 zu einer Gruppe 13 zusammengefasst sein, die dann von einer Prozessoreinheit 14 versorgt werden. Vorzugsweise werden die Brennstoffzelleneinheiten 12 zwischen zwei Knotenpunkten 92, 92‘ gemeinsam reguliert.
Beispielsweise kann so mittels eines Verdichters 42 in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Luft L reguliert werden. Ein Verdichter 42 in der Brennstoffzuführung 24 kann die Zufuhr von Brennstoff B regulieren. Ein Verdichter 42 im Anodenrezirkulationskreis 40 kann die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA regeln. In Verfahrensschritt 120 erfolgt abhängig von den in Verfahrensschritt 110 ermittelten Strangströmen ein Regulieren von einzelnen oder mehreren Brennstoffzelleneinheiten 12.
Vorzugsweise erfolgt das Regulieren 120 in Verfahrensschritt 120 derart, dass sich die Ströme aneinander angleichen. Insbesondere sind die Ströme nach dem Regulieren 120 vernachlässigbar unterschiedlich. Vorzugsweise sind die Ströme nach dem Regulieren im Wesentlichen gleich.
In einem optionalen Verfahrensschritt 122 erfolgt das Ansteuern von einzelnen oder mehreren Prozessoreinheiten 14. Das Ansteuern 122 ist ein Unterverfahrensschritt des Verfahrensschritt 120. In einem optionalen Verfahrensschritt 116 erfolgt die Auswahl der Brennstoffzelleneinheiten 12, die in dem Verfahrensschritt 120 reguliert werden. Vorzugsweise werden die Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgewählt, die einem Strom aufweisen, der von den anderen Strömen über eine Toleranz hinweg, abweicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann auch die Alterung einzelner Brennstoffzelleneinheiten 12 bestimmt werden. Die Auswahl 116 erfolgt dann zusätzlich von der Alterung der Brennstoffzelleneinheiten 12.
Ferner kann die Auswahl 116 in Abhängigkeit von der Position der Brennstoffzelleneinheit 12 gegenüber weiterer Brennstoffzelleneinheiten 12 erfolgen. Insbesondere sind Brennstoffzelleneinheiten 12, die viele benachbarte Brennstoffzelleneinheiten 12 aufweisen, tendenziell wärmer und weisen dadurch einen geringeren Innenwiederstand auf.
Vorzugsweise werden die zu regulierenden Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgewählt, deren ermittelte Ströme, von einem definierten Soll-Strom abweichen.
Vorzugsweise wird der Soll-Strom definiert. Alternativ oder zusätzlich wird der Soll-Strom aus dem Gesamtstrom ermittelt. Hierzu wird der Gesamtstrom durch die Anzahl an Stränge 50, 60, 70 dividiert.

Claims

Ansprüche Energieversorgungseinrichtung (1), mit einer Mehrzahl von in parallelen Strängen (50, 60, 70) angeordneten Brennstoffzelleneinheiten (12), wobei jeder Strang (50, 60, 70) zumindest zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzelleneinheiten (12) oder zumindest zwei in Reihe geschaltete Gruppen (13, 13‘) von Brennstoffzelleneinheiten (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (50, 60, 70) an jeweils einem Knotenpunkt über mindestens einen Querverbinder (90, 90‘, 90“, 90‘“) miteinander verbunden sind, wobei die Knotenpunkte (92, 92‘) zwischen zwei in Reihe geschalteten Brennstoffzelleneinheiten (12) eines Strangs (50, 60, 70) oder zwischen zwei Gruppen (13, 13‘) von Brennstoffzelleneinheiten (12) eines Strangs (50, 60, 70) ausgebildet sind. Energieversorgungseinrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheiten (12) oder Gruppen (13, 13‘) von Brennstoffzelleneinheiten (12) matrixartig parallel und seriell miteinander verschaltet sind. Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Querverbinder (90, 90‘, 90“, 90‘“) Sicherungen oder elektrische Schalter ausgebildet sind. Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine, insbesondere alle, Sicherungen als Bonddraht ausgebildet sind. Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Gruppe (13, 13‘, 13“) von Brennstoffzelleneinheiten (12) zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten (12) aufweist, die parallel und/oder seriell verschaltet sind.
6. Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Gruppe (13, 13‘, 13“) von Brennstoffzelleneinheiten (12) oder zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (12) einen seriell angeordneten Spannungswandler, insbesondere DC/DC Wandler aufweist.
7. Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Querverbinder (90, 90‘, 90“, 90‘“) zwei Knotenpunkte (92, 92‘) von zwei Strängen (50, 60, 70) miteinander verbindet. 8. Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere zueinander parallel geschalteten, Gruppen (13, 13‘, 13“) von Brennstoffzelleneinheiten (12) jeweils eine identische Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten (12) aufweisen.
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