FI121199B

FI121199B - Method and apparatus for modifying the power of fuel cells

Info

Publication number: FI121199B
Application number: FI20045402A
Authority: FI
Inventors: Matti Kaehkipuro; Erkko Fontell; Kimmo Keraenen
Original assignee: Waertsilae Finland Oy
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2010-08-13
Also published as: FI20045402A; FI20045402A0

Description

MENETELMÄ JA LAITTEISTO POLTTOKENNOJEN TEHON MUOKKAAMISEKSIMETHOD AND EQUIPMENT FOR MODIFYING FUEL POWER

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa esitetty menetel-5 mä ja patenttivaatimuksen 6 johdanto-osassa esitetty laitteisto polttokennojen tehon muokkaamiseksi.The present invention relates to a method for modifying the power of fuel cells described in the preamble of claim 1 and to the preamble of claim 6.

Suurin osa maailmassa käytettävästä energiasta tuotetaan öljyn, hiilen, maakaasun tai ydinvoiman avulla. Näillä kaikilla tuottamistavoilla on omat ongelmansa 10 mm. riittävyyden ja esimerkiksi luontoystävällisyyden suhteen. Luontoa ajatellen varsinkin öljy ja hiili saastuttavat luontoa niitä poltettaessa. Vastaavasti ydinvoiman ongelmana on käytetyn polttoaineen varastointi.Most of the energy used in the world is produced from oil, coal, natural gas or nuclear power. All these production methods have their own problems of 10 mm. sufficiency and, for example, environmental friendliness. For nature, especially oil and coal pollute nature when they are burned. Correspondingly, the problem of nuclear power is the storage of spent fuel.

Näiden ongelmien vuoksi on kehitetty uusia energialähteitä, jotka ovat luontoystä-15 vällisempiä mm. ja hyötysuhteeltaan parempia kuin mainitut energialähteet. Yksi tulevaisuuden energialähde on polttokenno, jolla polttoaine muutetaan suoraan sähköksi kemiallisen reaktion kautta. Polttoaineena voidaan käyttää esimerkiksi maakaasua, vetyä, sopivaa vedyn seosta, metaania tai metanolia. Reaktiossa on reagoivana aineena myös happi, jota syötetään polttokennoon esimerkiksi ilman 20 muodossa. Polttokennojen etuina ovat mm. hyvä hyötysuhde, äänettömyys ja erittäin vähäinen liikkuvien osien tarve. Lisäksi etuna on pelkkää vettä tai vesihöyryä olevien päästöjen luontoystävällisyys ja puhtaus. Polttokennoja voidaan käyttää monissa eri sovellutuksissa milliwatin tehoista aina useiden satojen kilowattien tehoisiin ja vieläkin suurempiin laitteisiin. Polttokennoja voidaan käyttää mm. 25 kulkuneuvojen voimanlähteinä sekä myös erillisinä voimalaitoksina ja varavoima-laitteina, sekä esimerkiksi kiinteistö- tai talokohtaiseen sähkön ja lämmön tuottamiseen.These problems have led to the development of new energy sources which are more natural than others. and better efficiency than said energy sources. One future energy source is a fuel cell that converts fuel directly into electricity through a chemical reaction. For example, natural gas, hydrogen, a suitable hydrogen mixture, methane or methanol can be used as fuel. The reaction also contains oxygen, which is fed to the fuel cell, for example in the form of air. The advantages of fuel cells include: high efficiency, silence and minimal need for moving parts. In addition, the advantage is the environmental friendliness and purity of emissions from water or water vapor alone. Fuel cells can be used in many applications ranging from milliwatts of power to hundreds of kilowatts of power and more. Fuel cells can be used e.g. 25 vehicles, as well as stand-alone power plants and stand-by power units, as well as electricity and heat production on a property or house basis, for example.

Käytännössä polttokennojen yhtenä ongelmana on kuitenkin niiden tuottama 30 tasajännite, joka ei sellaisenaan sovellu kaikkiin tarkoituksiin. Lisäksi ongelmana nykyisissä ratkaisuissa on se, että polttokennon tuottama jännite on voimakkaasti riippuvainen kuormasta siten, että kuormituksen kasvaessa jännite laskee.In practice, however, one problem with fuel cells is the DC voltage they produce, which is not as such suitable for all purposes. A further problem with current solutions is that the voltage produced by the fuel cell is strongly dependent on the load so that as the load increases the voltage drops.

Näitä ongelmia on yritetty korjata mm. yhdysvaltalaisessa patenttihakemuksessa nro US 2003/0206424, jossa on esitetty ratkaisu polttokennon tuottaman tasajän- 2 nitteen konvertoimiseksi yksivaiheiseksi vaihtojännitteeksi. Tämä ratkaisu on yksivaiheisena tarkoitettu pieniin järjestelmiin, jolloin suurempia järjestelmiä ajatellen tässä on ongelmana se, ettei ratkaisussa ole jännitteen stabilointia eikä mainittua kuormariippuvuutta ole poistettu tarpeeksi tehokkaasti. Kuormariippuvuutta on 5 yritetty poistaa kytkemällä laite lisäakkuun, joka pitää jännitteen tarpeeksi korkeana kuorman kasvaessa, kunnes polttokenno kykenee vastaamaan kuorman lisäykseen. Tämä ei ole toimiva ratkaisu isommissa järjestelmissä. Lisäksi US-hakemuk-sen mukaisessa ratkaisussa ei ole nollapisteulosottoa, jolloin ratkaisu ei tue 5-johdinjärjestemää, eikä sitä voi tästä syystä käyttää 5-johdinjäijestelmää vaativissa 10 sovellutuksissa.Attempts have been made to remedy these problems. U.S. Patent Application No. US 2003/0206424, which discloses a solution for converting a DC voltage produced by a fuel cell into a single-phase alternating voltage. This solution is intended to be a single-step solution for small systems, where the problem with larger systems is that the solution does not have voltage stabilization and said load dependency has not been eliminated efficiently enough. Attempts have been made to eliminate the load dependency by connecting the device to an auxiliary battery that keeps the voltage high enough as the load increases until the fuel cell is able to respond to the load increase. This is not a viable solution for larger systems. In addition, the solution according to the US application does not have a zero point pickup, in which case the solution does not support the 5-wire system and therefore cannot be used in applications requiring a 5-wire system.

Julkaisuissa WO 03/041248, US 6693409, US 4054827 on esitetty ratkaisuja, joilla polttokennojen tasajännite muutetaan kolmivaiheiseksi vaihtosähköksi. Kirjassa J. Larminie - A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained (2001), John Wiley & Sons, Ltd, 15 Chichester s. 258-267 on myös esitetty mm. polttokennojen tuottaman tasajännit- teen muuttaminen kolmivaiheiseksi vaihtosähköksi.WO 03/041248, US 6693409, US 4054827 disclose solutions for converting DC voltage of fuel cells into a three-phase alternating current. J. Larminie - A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained (2001), John Wiley & Sons, Ltd, 15 Chichester, pp. 258-267 also discloses e.g. converting DC voltage produced by fuel cells into three-phase alternating current.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat ja aikaansaada mahdollisimman monipuolinen menetelmä ja laitteisto polttokennojen tehon 20 muokkaamiseksi siten, että polttokennojen tuottama tasajännite muutetaan kolmivaiheiseksi vaihtojännitteeksi. Lisäksi keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä ja laitteisto mainitun vaihtojännitteen stabiloimiseksi ja 5-johdinjärjestelmän mahdollistamiseksi. Vielä keksinnön tarkoituksena on poistaa polttokennoratkaisuissa esiintyvä jännitteen kuormariippuvuus. Samoin keksinnön 25 tarkoituksena on aikaansaada polttokennoihin perustuva itsenäinen voimalaitos, jota voidaan käyttää itsenäisenä voimalaitoksena tuottamaan 5-johdinjärjestelmässä kolmivaiheista sähköenergiaa voimalaitoksen toimiessa joko päävoimalähteenä tai varavoimalaitoksena, jolloin voimalaitos voi tuottaa sähköä pientaloihin, isoihin rakennuksiin ja laitoksiin, sähköllä toimiviin koneisiin ja laittei-30 siin, kuten hisseihin ja nostureihin sekä erilaisiin kulkuneuvoihin. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Vastaavasti keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnus- 3 omaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 6 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön muille sovellutusmuodoille on tunnusomaista se, mitä on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.It is an object of the present invention to overcome the above drawbacks and to provide a method and apparatus for modifying the power of fuel cells in the most versatile manner possible by converting the DC voltage produced by the fuel cells into a three-phase alternating voltage. It is a further object of the invention to provide a method and apparatus for stabilizing said AC voltage and enabling a 5-wire system. Another object of the invention is to eliminate the voltage load dependence in fuel cell solutions. It is likewise an object of the invention to provide an independent fuel cell based power plant that can be used as an independent power plant to produce three-phase electrical power in a 5-wire system, either as a main power source or as a back-up power plant. such as elevators and cranes and various vehicles. The method according to the invention is characterized in what is stated in the characterizing part of claim 1. Correspondingly, the apparatus according to the invention is characterized by what is stated in the characterizing part of claim 6. Other embodiments of the invention are characterized by what is stated in the other claims.

5 Keksinnön mukainen ratkaisu käsittää menetelmän ja laitteiston polttokennojen tehon muokkaamiseksi, jossa menetelmässä polttokennoyksiköltä saatavan tasasähkön jännite muunnetaan taajuusmuuttajalla vaihtosähköksi. Keksinnön mukaisesti polttokennoyksiköltä saatava tasasähkö johdetaan polttokennoyksiköltä kolmivaihetaajuusmuuttajalle, jossa tasasähkö muunnetaan kolmivaiheiseksi 10 vaihtosähköksi. Polttokennoyksikköön järjestetään positiivinen ulostulo ja negatiivinen ulostulo ja potentiaaliltaan näiden välinen nollapisteulosotto, jolloin polttokennoyksiköltä johdetaan nollapisteulosottoon nähden positiivisena ja negatiivisena jännitteenä tasasähköä kolmivaihetaajuusmuuttajalle. Lisäksi polttokennoyksikköön järjestetään kolmivaiheista taajuusmuuttajaa ohjaavan elektroniikka-15 ohjaimen käyttöjänniteulostulo, josta johdetaan käyttövoimaa elektroniikkaoh-jaimelle.The solution according to the invention comprises a method and apparatus for modulating the power of fuel cells, in which the voltage of the direct current from the fuel cell unit is converted into AC by a frequency converter. According to the invention, the direct current from the fuel cell unit is supplied from the fuel cell unit to a three-phase frequency converter, where the direct current is converted into three-phase alternating current 10. The fuel cell unit is provided with a positive output and a negative output and a zero-point output having a potential between them, wherein direct current is supplied from the fuel cell unit to the three-phase frequency converter as a positive and negative voltage. In addition, the fuel cell unit is provided with an operating voltage output of a three-phase inverter controlling electronics-15 controller, from which drive power is applied to the electronic controller.

Keksinnön erään edullisen sovellutusmuodon mukaisesti kolmivaihetaajuusmuut-tajan tuottamaa vaihtojännitettä säädetään vaihejännitteensäätäjien avulla.According to a preferred embodiment of the invention, the alternating voltage produced by the three-phase frequency converter is controlled by means of phase voltage regulators.

2020

Keksinnön erään toisen edullisen sovellutusmuodon mukaisesti polttokennoyksiköltä saatavan tasasähkön jännite sovitetaan tarvittavan suuruiseksi polttokenno-pinojen lukumäärää, sisäistä jännitettä tai kytkentää varioimalla.According to another preferred embodiment of the invention, the voltage of the direct current from the fuel cell unit is adjusted to the required level by varying the number of fuel cell stacks, the internal voltage or the connection.

25 Vielä keksinnön erään edullisen sovellutusmuodon mukaisesti nollapisteulosottoon kytketään tarvittaessa lisäksi suojamaa.According to yet another preferred embodiment of the invention, a ground protection is further connected to the zero point pickup, if necessary.

Vielä keksinnön erään edullisen sovellutusmuodon mukaisesti sekä polttokenno-yksikön positiivisen ulostulon että negatiivisen ulostulon ja nollapisteulosoton väliin 30 kytketään kapasitanssit polttokennoyksiköltä saatavan virran tasoittamiseksi.In yet another preferred embodiment of the invention, capacitances are coupled between both the positive output of the fuel cell unit and the negative output and zero point pickup to equalize the current received from the fuel cell unit.

Keksinnön mukaisen ratkaisun etuna on se, että polttokennojen tuottama, luonto- 4 ystävällinen tasasähkö saadaan muutetuksi erittäin hyvällä, noin 97 % hyötysuhteella kolmivaiheiseksi vaihtosähköksi, jota voidaan hyödyntää monissa eri kohteissa. Lisäksi etuna on se, että saatava vaihtosähkö ei ole kuormasta riippuvainen ja jännitesäätäjäratkaisun ansiosta laitteistosta saatava vaihtojännite on stabiili.An advantage of the solution according to the invention is that the environmentally friendly direct current generated by the fuel cells can be converted into a very good, about 97% efficiency three-phase alternating electricity that can be utilized in many different applications. A further advantage is that the resulting AC power is not load dependent and the voltage control solution provides a stable AC voltage from the system.

5 Etuna on lisäksi se, että keksinnön mukaisella ratkaisulla saadaan häiritsevä särö pois jännitteestä. Etuna on myös se, että keksinnön mukaisessa ratkaisussa ei tarvita muuntajaa, joka aiheuttaa häiriöitä sekä lisää kustannuksia ja laitteen painoa, eikä tarvita myöskään lisäkustannuksia ja painoa aiheuttavaa DC/DC-kon-vertteria. Etuna on myös se, että laitteistolla voidaan hyödyntää palaavaa tehoa ja 10 hallita ylikuormitustilanteet. Etuna on vielä se, että keksinnön mukainen ratkaisu mahdollistaa luontoystävällisten polttokennojen käytön sähköenergiaa tuottavana voimanlähteenä moniin eri käyttötarkoituksiin, jolloin keksinnön mukainen laitteisto toimii esimerkiksi itsenäisenä voimalaitoksena.A further advantage is that the solution according to the invention eliminates interfering distortion from the voltage. It is also an advantage that the solution according to the invention does not require a transformer which causes interference and increases the cost and weight of the device, nor does it require a DC / DC converter which causes additional costs and weight. It also has the advantage that the equipment can utilize back-up power and manage congestion situations. A further advantage is that the solution according to the invention enables the use of environmentally friendly fuel cells as a power source for generating electricity for a variety of applications, whereby the apparatus according to the invention functions, for example, as an independent power plant.

15 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin sovellutusesimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää kaaviollisesti ja yksinkertaistettuna keksinnön mukaista polttokennojen tehonmuokkaimen kytkentäkaaviota, 20 kuvio 2 esittää yksinkertaistettuna kaaviokuvana keksinnön mukaista polttokennopinojen keskinäistä kytkentää ja kuvio 3 esittää yksinkertaistettuna kaaviokuvana yksityiskohtaa kytkennäs tä, jolla mahdollistetaan palaavan tehon käsittely.The invention will now be described in more detail by way of example with reference to the accompanying drawings, in which Figure 1 is a schematic and simplified schematic diagram of a fuel cell power modifier; .

25 Keksinnön mukaista laitteistoratkaisua kutsutaan tässä yhteydessä myös poltto-kennoyksikön tehonmuokkaimeksi, joka käsittää ainakin polttokennoyksikköön 1 kytketyn tehoelektroniikkaosan sekä tehoelektroniikan elektroniikkaohjaimen 2. Keksinnön mukaisen tehoelektroniikan pääkomponentit ovat kolmivaihetaajuus-muuttaja 3 ja kolmivaiheinen suodatinosa 4. Elektroniikkaohjain 2 on sovitettu 30 ohjaamaan kolmivaiheista taajuusmuuttajaa 3.The hardware solution according to the invention is also referred to herein as a power converter of the fuel cell unit, comprising at least a power electronics unit connected to the fuel cell unit 1 and a power electronics electronics controller 2. The main components of the power electronics of the invention are

55

Esitetyn sovellutusesimerkin mukaisessa ratkaisussa polttokennoyksikön 1 muodostavat polttokennopinot 1a on kytketty keskenään siten, että yksi polttokenno-ryhmä muodostuu kahdestatoista sarjaan kytketystä polttokennopinosta 1a, joista kukin polttokennopino 1a tuottaa valittua tasajännitettä U1. Kaksi kahdentoista 5 polttokennopinon ryhmää on edelleen kytketty rinnan keskenään, jolloin polttoken-noyksiköstä 1 saatava kokonaisjännite-ero polttokennoyksikön 1 positiivisen ulosoton 5 ja negatiivisen ulosoton 6 välillä on 12*U1. Symmetrisesti polttokennoyksikön 1 keskeltä on otettu nollapisteulosotto 7, eli ns. nollajohto. Tällöin nollapiste-ulosoton 7 ja polttokennoyksikön 1 positiivisen ulosoton 5 välillä on jännite +6*U1 10 sekä nollapisteulosoton 7 ja polttokennoyksikön 1 negatiivisen ulosoton 6 välillä on jännite -6*U1. Lisäksi polttokennoyksiköstä 1 on otettu sopivasta kohtaa käyttöjännite, joka tässä tapauksessa on suuruudeltaan +U1 elektroniikkaohjaimen 2 käyttövoimaksi. Elektroniikkaohjaimen 2 käyttöjännite voidaan haluttaessa ottaa muualtakin, kuin edellä on esitetty. Polttokennoyksiköstä 1 saatava tasajännite sovite-15 taan eri käyttötarkoituksia varten halutuksi tietylle jännitetasolle polttokennopinojen 1a lukumäärää, sisäistä jännitettä tai kytkentää muuttamalla. Kuviossa 2 esitetyssä polttokennopinojen 1a keskinäisessä kytkennässä kummankin polttokennoryhmän yhdistävät välijohdot 13 voivat olla sovellutuksesta riippuen käytössä tai poistettu käytöstä. Välijohtojen 13 käytön hyötynä on kuorman tasaaminen ehjäksi jäänei-20 den polttokennopinojen kesken yhden polttokennopinon vioittuessa.In the embodiment of the illustrated embodiment, the fuel cell unit piles 1a forming the fuel cell unit 1 are interconnected such that one fuel cell array consists of twelve series connected fuel cell piles 1a, each of which fuel cell stack 1a produces a selected DC voltage U1. The two sets of twelve 5 fuel cell stacks are further connected in parallel, whereby the total voltage difference obtained from the fuel cell unit 1 between the positive outlet 5 of the fuel cell unit 1 and the negative outlet 6 is 12 * U1. Symmetrically, a zero point pickup 7 is taken from the center of the fuel cell unit 1. zero lead. Thus, there is a voltage of + 6 * U1 10 between the zero point outlet 7 and the positive outlet 5 of the fuel cell unit 1 and a voltage of -6 * U1 between the zero point outlet 7 and the negative outlet 6 of the fuel cell unit 1. In addition, the operating voltage, which in this case is + U1, is taken from the fuel cell unit 1 as a driving force for the electronic controller 2. If desired, the operating voltage of the electronic controller 2 can be taken elsewhere than described above. The DC voltage obtained from the fuel cell unit 1 is adapted to a desired voltage level for various applications by changing the number of internal cells or the voltage of the fuel cell piles 1a. In the interconnection of the fuel cell stacks 1a shown in Fig. 2, the intermediate conductors 13 connecting both fuel cell groups may be enabled or disabled depending on the application. The advantage of using intermediate lines 13 is to balance the load between the remaining fuel cell stacks in the event of one fuel cell stack failure.

Sen jälkeen, kun tiettyä käyttötarkoitusta silmällä pitäen polttokennopinojen 1a lukumäärä, kytkentä ja sisäinen jännitetaso on valittu, polttokennoyksiköstä 1 saatavan tasajännitteen taso on kutakin käyttötarkoitusta varten valmiiksi oikean 25 suuruinen, joten tasajännitettä ei tarvitse enää nostaa tai laskea ennen tasajännitteen syöttämistä kolmivaihetaajuusmuuttajaan 3.Once the number, switching and internal voltage level of the fuel cell stacks 1a have been selected for a particular application, the DC voltage level obtained from the fuel cell unit 1 is preset to the correct 25 for each application so that DC voltage no longer needs to be increased or

Koska polttokennoyksikön 1 antama tasavirta kuitenkin vaihtelee kuormituksen mukaan, on polttokennoyksikön 1 kuormitusta tasattu suodattamalla virran aaltoi-30 suutta kapasitansseilla C4 ja C5, jotka on kytketty ennen kolmivaihetaajuusmuutta-jaa 3 siten, että polttokennoyksikön 1 nollapisteulosoton 7 ja positiivisen ulostulon 5 välissä on kapasitanssi C4 ja vastaavasti polttokennoyksikön 1 nol- 6 lapisteulosoton 7 ja negatiivisen ulostulon 6 välissä on kapasitanssi C5. Polttoken-noyksikön 1 tasajännitelähtöön on kytketty kolmivaihetaajuusmuuttaja 3, joka käsittää ainakin kuusi tehokytkintä B1-B6, jotka ovat tunnetun tekniikan mukaisia tehopuolijohteita, ja joita kutsutaan myös IGBT-kytkimiksi. Polttokennoyksikön 1 5 tuottama tasasähkö muutetaan vaihtosähköksi kolmivaihetaajuusmuuttajassa 3 pulssileveysmodulaatioperiaatteella siten, että kolmivaihetaajuusmuuttajan 3 lähtöjännitteet ovat sinimuotoista vaihtojännitettä.However, since the DC current provided by the fuel cell unit 1 varies according to the load, the load of the fuel cell unit 1 is equalized by filtering the ripple of the current at capacitances C4 and C5 connected before the three-phase frequency converter 3 respectively, there is a capacitance C5 between the zero-flap outlet 7 of the fuel cell unit 1 and the negative outlet 6. Connected to the DC output of the burner unit 1 is a three-phase frequency converter 3 comprising at least six power switches B1-B6, which are prior art power semiconductors, also called IGBT switches. The direct current produced by the fuel cell unit 15 is converted into alternating current in the three-phase frequency converter 3 by the pulse width modulation principle so that the output voltages of the three-phase frequency converter 3 are sinusoidal alternating voltages.

Pulssileveysmodulaation modulaatiotaajuus, joka on suuijännitteisillä puolijohteilla 10 n. 5kHz, on suodatettava pois, jotta se ei aiheuttaisi häiriöitä järjestelmään. Tämä suodatus tehdään kolmivaihetaajuusmuuttajan 3 jännitelähtöön kytketyllä kol-mivaihesuodattimella 4, jossa on ainakin induktanssien L1-L3 ja kapasitanssien C1-C3 muodostamat resonanssipiirit. Resonanssipiirin taajuudeksi on valittu joku sopiva 50 Hz korkeampi taajuus, esimerkiksi 500 Hz. Tällöin modulaatiotaajuudella 15 n. 5 kHz vaimennus on n. 40 dB.The modulation frequency of the pulse width modulation of high voltage semiconductors 10 to 5kHz must be filtered out so as not to cause system interference. This filtering is performed by a three-phase filter 4 connected to the voltage output of a three-phase frequency converter 3 having at least resonant circuits formed by inductances L1-L3 and capacitances C1-C3. A suitable 50 Hz higher frequency is selected as the frequency of the resonant circuit, for example 500 Hz. In this case, at a modulation frequency of 15, about 5 kHz, the attenuation is about 40 dB.

Polttokennoyksikön 1 tuottama tasasähkö muutetaan keksinnön mukaisessa ratkaisussa kolmivaihetaajuusmuuttajan 3 ja kolmivaihesuodattimen 4 avulla kolmivaiheiseksi vaihtosähköksi, jonka ulosotot laitteistossa on merkitty kuviossa 1 20 kirjaimilla A, B ja C. Lisäksi laitteistossa on nollapisteulosotto 7 ja tähän tarvittaessa kytketty suojamaa 7a.In the solution according to the invention, the direct current generated by the fuel cell unit 1 is converted by a three-phase inverter 3 and a three-phase filter 4 into a three-phase alternating current whose outputs are marked A, B and C in FIG.

Laitteistoon kuuluvassa kolmivaihetaajuusmuuttajan 3 elektroniikkaohjaimessa 2 on toisiinsa kytkettyinä ainakin elektroniikan virtalähde 8, kolmivaihegeneraattori 9, 25 jokaiselle vaiheelle oma vaihejännitesäätäjä 10, AC-pulssileveysmodulaattori 11 ja IGBT-ohjain 12. Elektroniikan virtalähde 8 saa energiansa polttokennoyksiköltä 1, josta ulosotto on otettu sellaisesta kohtaa, että jännitteen suuruus on +U1. Elektroniikan virtalähde 8 syöttää virtaa elektroniikkaohjaimen 2 komponenteille.The electronics controller 2 of the apparatus three-phase inverter 3 has at least one electronic power supply 8 connected to each other, a three-phase generator 9, 25 its own phase voltage regulator 10, the AC pulse width modulator 11 and the IGBT controller 1 the voltage is + U1. The electronics power supply 8 supplies power to the components of the electronic controller 2.

30 Kolmivaihegeneraattorin 9 lähtö on yhdistetty vaihejännitesäätäjiin 10, joiden avulla stabiloidaan kolmivaihetaajuusmuuttajan 3 kaikkien vaiheiden lähtöjännite erikseen nollapisteulostuloon 7 nähden. Vaihejännitesäätäjillä 10 saadaan poistetuksi 7 kolmivaihetaajuusmuuttajaan 3 vaikuttava kuormanriippuvuus. Kuormariippuvuutta kolmivaihetaajuusmuuttajaan 3 aiheutuu pääasiassa induktanssien L1-L3 vastusten ja tehokytkinten B1-B6 lämpöhäviöistä. Induktanssien L1-L3 aiheuttama kuor-mariippuvuus poistetaan epäsuorasti nostamalla kolmivaihejännitteen ohjearvoa 5 sopivasti kuormavirran funktiona. Kuormavirran suuruus on todettavissa virranmit-tausyksiköllä VM1. Lisäksi vaihejännitesäätäjillä 10 korjataan pulssileveys-modulaatiossa tehokytkimien B1-B6 viiveestä johtuva jännitesärö. Pulssileveysmo-dulaattorilla 11 tehdään tarvittavaa pulssileveysohjetta, joka syötetään pulssile-veysmodulaattorin 11 lähtöön kytketyn IGBT-ohjaimen 12 kautta kolmivaihetaa-10 juusmuuttajan 3 tehokytkimille B1-B6.The output of the three-phase generator 9 is coupled to the phase voltage regulators 10, by means of which the output voltage of all phases of the three-phase frequency converter 3 is separately stabilized with respect to the zero output 7. The phase voltage regulators 10 eliminate the load dependence affecting the three-phase frequency converter 3. The load dependence on the three-phase frequency converter 3 is mainly due to the heat loss of the resistors L1-L3 and the power switches B1-B6. The load dependence caused by the inductances L1-L3 is eliminated indirectly by appropriately increasing the three-phase voltage reference value 5 as a function of the load current. The magnitude of the load current can be observed with the current measuring unit VM1. In addition, the phase voltage regulators 10 in the pulse width modulation corrects the voltage distortion due to the delay of the power switches B1-B6. The required pulse width reference is made by the pulse width modulator 11, which is supplied via the IGBT controller 12 connected to the output of the pulse width modulator 11 to the power switches B1-B6 of the three-phase-frequency converter 3.

Yksi tärkeä piirre voimalaitossovellutuksissa on mahdollisuus palaavan tehon käyttämiseksi hyödyksi ja käsittelemiseksi. Tietyn tyyppiset kuormat, kuten hissit, liukuportaat ja vastaavat voivat palauttaa tietyissä olosuhteissa tehoa sähköverk-15 koon. Esimerkiksi hissikäytössä tällainen tilanne on silloin, kun hissin vastapaino vetää tyhjää tai kevyesti kuormitettua hissikoria ylöspäin. Keksinnön mukainen laitteisto on kytkettävissä kuvion 3 esittämällä tavalla siten, että ennen kolmivaihe-taajuusmuuttajaa 3, positiivisen 5 ja negatiivisen 6 ulostulon väliin, kytketään keskenään sarjaan kytketyt tehovastus R1 ja tehokytkin B7, joiden avulla palaava 20 teho muutetaan lämmöksi. Lisäksi tähän kytkentään liittyy vastusten jääh-dytystuuletin, jota ei ole piirretty kuvioon.One important feature in power plant applications is the ability to utilize and process return power. Certain types of loads, such as elevators, escalators and the like, may, under certain circumstances, restore power to the power grid. In elevator operation, for example, this is the case when the elevator counterweight pulls an empty or lightly loaded elevator car upwards. The apparatus according to the invention can be switched as shown in Fig. 3 by connecting in series a power resistor R1 and a power switch B7 connected between the three-phase inverter 3, the positive 5 and the negative 6 output, by which the returning power 20 is converted into heat. In addition, this resistor includes a resistor cooling fan, not shown in the figure.

Alan ammattimiehelle on selvää, ettei keksintö rajoitu edellä esitettyyn sovellutusesimerkkiin, vaan voi vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten 25 puitteissa. Niinpä laitteiston rakenne ja kytkentä voivat erota edellä esitetystä. On myös selvää, että polttokennoyksikössä olevien polttokennopinojen lukumäärä ja keskinäinen kytkentä voivat vaihdella tarpeen mukaan edellä esitetystä. Samoin käytetyt komponentit voivat olla erilaisia, kuin edellä on esitetty, kunhan ne on kytketty siten, että keksinnön mukainen lopputulos saavutetaan.It will be apparent to one skilled in the art that the invention is not limited to the embodiment described above, but may vary within the scope of claims 25 below. Thus, the structure and connection of the apparatus may differ from the above. It is also to be understood that the number and interconnection of the fuel cell stacks in the fuel cell unit may vary as required above. Likewise, the components used may be different from those described above so long as they are coupled so that the end result of the invention is achieved.

Lisäksi alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön mukaista ratkaisua voidaan käyttää voimalaitoksena tai voimalähteenä muihinkin käyttötarkoituksiin, 30Furthermore, it will be apparent to one skilled in the art that the solution of the invention can be used as a power plant or power source for other applications,

Claims

A method of reshaping the power of the fuel cells, wherein the method of converting the direct current from a fuel cell unit (1) to alternating current by means of a frequency converter, in which the direct current from the fuel cell unit (1) is conducted from the fuel cell unit (1) 3), wherein the direct current is transformed into a three-phase alternating current, characterized in that the fuel cell unit (1) is provided with a positive output (5) and a negative output (6) and both have a zero point output (7), the potential of which lies between them, and a the operating voltage output (U1) of an electronic controller (2) controlling the three-phase frequency converter (3), whereby direct current is supplied from the fuel cell unit (1) to the three-phase frequency converter (3) as a positive and negative voltage in relation to the zero output output (7) output and 7 output voltage (7). (U1) to the electronics controller (2).

Method according to Claim 1, characterized in that the alternating voltage produced by the three-phase frequency converter (3) is controlled by phase voltage regulators (11). 20

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the voltage of the direct current from the fuel cell unit (1) is adjusted to be sufficiently high by varying the number, internal voltage or coupling of fuel cell stacks (1a). 25

Method according to claim 1, characterized in that protective earth (7a) is connected further to the zero output (7), if necessary.

Method according to any of the preceding claims, characterized in that capacitances (C4, C5) are coupled both between the positive output (5) and negative output (6) of the fuel cell unit (5) and the zero output (7) to equalize the current from the fuel cell unit (1). . 5

Devices for converting the power of the fuel cells, which devices comprise at least one frequency converter coupled to a fuel cell unit (1) for converting the direct current from the fuel cell unit (1) into alternating current, characterized in that the fuel cell unit (1) is provided with a positive (1) output. ) and a negative output (6), and that a zero point output (7) is coupled between the positive output (5) and negative output (6) of the fuel cell unit (1), and that the frequency converter is a three-phase frequency converter (3) coupled between the fuel cell unit ( 1) positive output (5) and negative output (6), further comprising an electronics controller (2) controlling the three-phase frequency converter (3) and an operating voltage output (U1) provided in the fuel cell unit (1), which electronic controller (2) is coupled to the operating voltage output (U1).

Devices according to claim 6, characterized in that a phase voltage regulator (11) is coupled to each phase of the three-phase frequency converter (3) to control the alternating voltage produced by the three-phase frequency converter (3).

Device according to claim 6, characterized in that protective earth (7a) is further connected to the zero-point output (7), if necessary.

Devices according to any of claims 6-8, characterized in that capacitances (C4, C5) are coupled between the positive output (5) and negative output (6) of the fuel cell unit (1) and the zero point output (7) for equalizing the current from the fuel cell unit. (1).