WO2006037746A2 - Device and method for starting and operating a fuel cell installation - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a device and a method for starting and operating a fuel cell installation (2) that can be connected to an alternating current supply system (10). A bi-directional converter (26) is configured in such a way that during normal operation a direct current that is generated by the fuel cell stack (4) of the fuel cell installation (2) is converted into an alternating current that can be supplied to the alternating current supply system (10). Conversely, an alternating current of the fuel cell installation (2) that is made available via the alternating current supply system (10) is converted into a direct current that can be supplied to a direct current link (14). This obviates the need for additional energy sources and additional equipment for the supply of consumers (6) of the fuel cell installation (2), even during a starting operation.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung und Verfahren zum Starten und Betreiben einer BrennstoffzellenanlageDevice and method for starting and operating a fuel cell system
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechselstromnetz verbindbaren Brennstoffzellenanlage, die einen Brennstoffzel- lenstapel zur Energieerzeugung, einen sich hieran anschlie- ßenden Gleichstrom-Zwischenkreis mit zumindest einem Verbrau¬ cher sowie einen Wandler aufweist, über den die Brennstoff¬ zellenanlage mit dem Wechselstromnetz zu verbinden ist.The invention relates to an apparatus and a method for starting and operating a connectable with an AC power fuel cell system that lenstapel a fuel cell for power generation, one located thereon subse- quent DC intermediate circuit with at least one consumer ¬ cher and has a converter, via which the ¬ fuel cell system with the AC network is to be connected.
Bei Brennstoffzellenanlagen sind sowohl mobile Anlagen, bei- spielsweise in Kraftfahrzeugen, als auch stationäre Brenn¬ stoffzellenanlagen, beispielsweise zur dezentralen Energie¬ versorgung bekannt, wie beispielsweise aus der DE 43 18 818 C2 zu entnehmen ist.In fuel cell systems, both mobile systems, for example in motor vehicles, and stationary fuel cell systems, for example for decentralized energy supply, are known, as can be seen, for example, from DE 43 18 818 C2.
Zum Betrieb der Brennstoffzellenanlage ist es erforderlich, die einzelnen Brennstoffzellen einerseits mit einem Anoden¬ gas, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, und andererseits mit einem Kathodengas, beispielsweise Wasserstoff oder ein sonstiges Brenngas, zu beschicken. Zur Erzeugung elektrischen Stroms mittels einer Brennstoffzellenanlage sind unter¬ schiedliche Brennstoffzellentypen bekannt. Ein gebräuchlicher Brennstoffzellentyp ist die so genannte PEM-Brennstoffzelle, welche eine protonenleitende Elektrolyt Membran (Proton ex- change membrane) aufweist. Bei einer mit Luft betriebenen PEM-Brennstoffzellenanlage müssen vergleichsweise große Luft¬ mengen durch die Brennstoffzellenanlage hindurchgefördert werden. Hierzu ist in aller Regel ein Verdichter oder ein Ge¬ bläse angeordnet. Zum Betrieb der Brennstoffzellenanlage sind weitere Steuerelemente und sonstige Hilfsaggregate wie Stell- motoren für Ventile erforderlich. Üblicherweise beziehen die¬ se Verbraucher der Brennstoffzellenanlage ihre Energie aus der Brennstoffzellenanlage selbst. Diese ist also im Betrieb autark.To operate the fuel cell system, it is necessary to charge the individual fuel cells on the one hand with an anode gas, for example oxygen or air, and on the other hand with a cathode gas, for example hydrogen or another fuel gas. For generating electric power by means of a fuel cell system under ¬ different fuel cell types are known. A common type of fuel cell is the so-called PEM fuel cell, which has a proton-exchange membrane (proton exchange membrane). In an air-operated PEM fuel cell system comparatively large amounts of air ¬ have to be conveyed through the fuel cell system. For this purpose, usually a compressor or a blower is arranged. To operate the fuel cell system further controls and other auxiliary equipment such as actuators for valves are required. Normally, these consumers of the fuel cell system draw their energy The fuel cell system itself. So this is self-sufficient in operation.
Allerdings ist zum Starten einer Brennstoffzellenanlage für diese Verbraucher eine Fremdenergiezufuhr erforderlich, bis die Brennstoffzellenanlage in ausreichender Menge Energie ab¬ gibt .However, to start a fuel cell system for these consumers a foreign energy input is required until the fuel cell system in sufficient amount of energy from ¬ .
Bei der aus der DE 43 18 818 C2 zu entnehmenden mobilen An- wendung in einem Kraftfahrzeug ist zum Starten der Brenn¬ stoffzellenanlage ein eigener batteriebetriebener Startermo¬ tor zum Betreiben des Verdichters vorgesehen. Anschließend wird auf einen zweiten, mit der höheren Betriebsspannung der Brennstoffzellenanlage betreibbaren Motor für den Verdichter umgeschaltet. Dies erfordert jedoch die Verwendung eines zweiten Antriebsmotors, welcher für die deutlich geringere Spannung der Starterbatterie ausgelegt ist.In the case of the mobile application in a motor vehicle to be taken from DE 43 18 818 C2, a separate battery-operated starter motor for operating the compressor is provided for starting the fuel cell system. Subsequently, it is switched to a second, operable with the higher operating voltage of the fuel cell system engine for the compressor. However, this requires the use of a second drive motor, which is designed for the much lower voltage of the starter battery.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei einer stationären, an einem Wechselstromnetz angeschlossenen Brennstoffzellenanlage ein geeignetes Start- und Betriebsver¬ fahren für die Brennstoffzellenanlage zu ermöglichen.The invention has for its object, in particular in a stationary, connected to an AC power fuel cell system to enable a suitable start and Betriebsver ¬ drive for the fuel cell system.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vor- richtung zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechsel¬ stromnetz verbindbaren Brennstoffzellenanlage, die einen Brennstoffzellenstapel zur Energieerzeugung, einen sich hier¬ an anschließenden Gleichstrom-Zwischenkreis mit zumindest ei¬ nem Verbraucher sowie einen Wandler aufweist, über den die Brennstoffzellenanlage mit dem Wechselstromnetz zu verbinden ist. Zur Bereitstellung der Fremdenergie für den Startvorgang der Brennstoffzellenanlage ist hierbei vorgesehen, dass der Wandler bidirektional ausgebildet ist, und zwar derart, dass beim Normalbetrieb ein vom Brennstoffzellenstapel erzeugter Gleichstrom zur Einspeisung in das Wechselstromnetz in Wech¬ selstrom umgewandelt wird. Umgekehrt ist der Wandler gleich¬ zeitig derart ausgebildet, dass während des Startvorgangs ein über das Wechselstromnetz zur Verfügung gestellter Wechsel¬ strom der Brennstoffzellenanlage zur Einspeisung in den Gleichstrom-Zwischenkreis in Gleichstrom umgewandelt wird.The object is achieved according to the invention by a forward direction for starting and operating a power system with a Wechsel¬ connectable fuel cell system including a fuel cell stack for power generation, a having in hier¬ to subsequent DC intermediate circuit with at least ei ¬ nem consumers as well as a transducer via which the fuel cell system is to be connected to the AC mains. To provide the external energy for the starting process of the fuel cell system is provided here that the converter is bidirectional, in such a way that during normal operation generated by the fuel cell stack DC power is converted to feed into the AC mains in Wechselstrom. Conversely, the converter is the same time ¬ formed in such a way that during the startup a alternating current provided by the fuel cell system for feeding into the DC intermediate circuit is converted into direct current via the alternating current network.
Bei einer derartigen Brennstoffzellenanlage ist von besonde¬ rem Vorteil, dass auf separate zusätzliche Einrichtungen oder Energiespeicher für den Startvorgang verzichtet werden kann und wird, und dass zur Bereitstellung der für den Startvor¬ gang notwendigen elektrischen Energie für die brennstoffzel- leneigenen Verbraucher lediglich Komponenten benötigt werden, die auch im Normalbetrieb benötigt werden. Es ist daher kein oder nur ein geringer zusätzlicher apparativer Aufwand not¬ wendig, um die Brennstoffzellenanlage beim Startvorgang mit Energie zu versorgen.In such a fuel cell system is particularly ¬ advantage that can be dispensed with separate additional facilities or energy storage for the startup process and is, and that only components are needed to provide the necessary for the Startvor¬ electrical energy for the fuel cell own consumers , which are also needed in normal operation. There is therefore no or only a small additional expenditure on equipment necessary to supply the fuel cell system with energy during the starting process.
Vorzugsweise weist der bidirektionale Wandler hierbei zumin¬ dest eine in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz sper¬ rende Diode sowie ein parallel zur Diode angeordnetes elekt¬ ronisches Schaltelement auf, insbesondere ein steuerbares Halbleiter-Bauelement, beispielsweise ein Transistor. Dieser Ausgestaltung liegt hierbei die Idee zugrunde, in Abhängig¬ keit der Durchflussrichtung, also entweder vom Wechselstrom¬ netz zum Gleichstrom-Zwischenkreis oder umgekehrt, getrennte Strompfade vorzusehen, wobei in der einen Richtung vom Wech- selstromnetz zum Gleichstromnetz eine gleichrichtende Diode angeordnet und in umgekehrter Durchflussrichtung das steuer¬ bare Schaltelement angeordnet ist, über das die Wechselspan¬ nung erzeugt wird. Durch die Integration dieser beiden Funk¬ tionen innerhalb des bidirektionalen Wandlers als gemeinsame Baueinheit ist hierbei eine besonders kompakte und kosten¬ günstige Lösung verwirklicht.Preferably, the bidirectional converter in this case at least a ¬ sper¬ emitting diode in the flow direction to the AC mains, and a valve disposed in parallel with diode elekt ¬ ronisches switching element, particularly a controllable semiconductor device, such as a transistor. This embodiment is here based on the idea, in Depending ¬ ness of the flow direction, that is either the Wechselstrom¬ network to the direct-current intermediate circuit, or vice versa, to provide separate current paths, wherein in the one direction from the alternating selstromnetz to DC power, a rectifying diode disposed in the reverse flow direction steuer¬ the bare switching element via the AC clamping voltage is generated ¬ is arranged. By integrating these two functions within the bidirectional transducer as a common structural unit, a particularly compact and cost- effective solution is realized.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung sind für jede Phase des Wechselstromnetzes je zwei Paare vorgesehen, die jeweils gebildet sind aus einer Diode und einem Schaltelement. Zwi¬ schen den beiden Paaren liegt ein jeweiliger Phasenanschluss, d.h., die jeweilige Phase des Wechselstromnetzes liegt zwi- sehen den beiden Paaren und damit zwischen den beiden Dioden an, die daher nach Art eines Brückengleichrichters angeordnet sind.According to an expedient development, two pairs are provided for each phase of the alternating current network, each of which is formed from a diode and a switching element. Zvi ¬ rule the two pairs is a respective phase connection, that is, the respective phase of the AC network is be- see the two pairs and thus between the two diodes, which are therefore arranged in the manner of a bridge rectifier.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung weist der Wandler gleichstromseitig einen Zwischenkreiskondensator auf, um den zunächst pulsierenden Gleichstrom zu glätten.According to an expedient development, the converter has a DC link capacitor on the DC side in order to smooth the initially pulsating direct current.
Um weiterhin zu gewährleisten, dass der Zwischenkreiskonden- sator beim Zuschalten des Wechselstromnetzes möglichst sanft aufgeladen wird, ist in einer bevorzugten Weiterbildung ein Vorwiderstand vor dem Zwischenkreiskondensator vorgesehen. Zweckdienlicherweise ist parallel zum Vorwiderstand ein Schalter angeordnet, welcher nach dem Aufladen des Zwischen- kreiskondensators zum Überbrücken des Vorwiderstands ge¬ schlossen wird.In order to further ensure that the DC link capacitor is charged as gently as possible when the AC mains are switched on, in a preferred development, a series resistor is provided in front of the DC link capacitor. Conveniently, a switch is arranged parallel to the series resistor, which is ge ¬ closed after charging the intermediate circuit capacitor for bridging the series resistor.
Im Hinblick auf die Umwandlung des Gleichstroms in Wechsel¬ strom in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz ist der Wandler zweckdienlicherweise derart ausgebildet, dass dasWith regard to the conversion of the direct current into alternating current in the direction of flow to the alternating current network, the converter is expediently designed such that the
Schaltelement in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz ge¬ taktet freigegeben wird, sobald die von der Brennstoffzellen- anlage erzeugte Spannung über die Spannung im Gleichstrom- Zwischenkreis ansteigt. Hierzu ist insbesondere eine Steuer- einheit vorgesehen.Switching element in the flow direction to the AC mains ge clocked released as soon as the voltage generated by the fuel cell plant voltage rises above the voltage in the DC link. For this purpose, a control unit is provided in particular.
Um einen rückwärtigen Stromfluss beim Startvorgang in den Brennstoffzellenstapel zu vermeiden, ist diesem vorzugsweise ein Schutzelement, insbesondere eine Sperrdiode vorgeschal- tet.In order to avoid a backward current flow during the starting process into the fuel cell stack, this is preferably preceded by a protective element, in particular a blocking diode.
Die Brennstoffzellenanlage dient insbesondere zur Einspeisung von Energie in ein Wechselstromnetz, in welchem neben der Brennstoffzellenanlage noch weitere Energieerzeuger Energie einspeisen. Für den Startvorgang kann daher problemlos Ener¬ gie aus dem Wechselstromnetz bezogen werden. Bei einer so genannten Insellösung, also einem dezentralen Wechselstromnetz, bei dem neben der Brennstoffzelle lediglich noch eine temporäre Stromquelle vorgesehen ist, insbesondere eine Batterie zur unterbrechungsfreien Stromversorgung, be- zieht die Brennstoffzellenanlage ihre Startenergie zweck¬ dienlicherweise aus dieser temporären Stromquelle.The fuel cell system is used in particular for feeding energy into an alternating current network in which, in addition to the fuel cell system, further energy producers feed energy. For the starting process, therefore, energy can easily be obtained from the AC network. In a so-called island solution, so a remote AC mains, in which in addition to the fuel cell only even a temporary power source is provided, in particular a battery for uninterruptible power supply, loading the fuel cell system draws its starting energy functional ¬ conveniently be from this temporary power source.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechsel- Stromnetz verbundenen Brennstoffzellenanlage gemäß Anspruch 10. Die im Hinblick auf die Vorrichtung angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren anzuwenden. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The object is further achieved according to the invention by a method for starting and operating a connected to an AC power network fuel cell system according to claim 10. The advantages mentioned in terms of the device and preferred embodiments are mutatis mutandis to apply to the process. Further preferred embodiments of the method can be found in the dependent claims.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden an¬ hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in sche¬ matischen und vereinfachten Darstellungen:An embodiment of the invention will be explained in more detail below with reference to the figures. These respectively in specific ¬ matic and simplified representations:
FIG 1 Ein Schaltbild einer an ein Wechselstromnetz ange¬ schlossenen Brennstoffzellenanlage und1 shows a circuit diagram of an ange¬ an AC power supply connected fuel cell system and
FIG 2 ein Ersatzschaltbild eines bidirektionalen Wand¬ lers, wie er in der Brennstoffzellenanlage gemäß FIG 1 eingesetzt ist.2 shows an equivalent circuit diagram of a bidirectional wall ¬ lers, as used in the fuel cell system according to FIG 1.
Gemäß FIG 1 umfasst eine PEM-Brennstoffzellenanlage 2 einen Brennstoffzellenstapel 4 zur Energieerzeugung, welcher übli- cherweise mehrere miteinander verschaltete Brennstoffzellen aufweist. Die Brennstoffzellenanlage 2 weist weiterhin eine Mehrzahl von Verbrauchern 6 sowie eine elektronische Schal¬ tung 8 zur Ankopplung der Brennstoffzellenanlage 2 an ein Wechselstromnetz 10 auf. Das Wechselstromnetz 10 ist hierbei durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Das Wechselstrom¬ netz 10 ist im Ausführungsbeispiel als ein Inselnetz ausge¬ führt, welches lediglich eine temporäre Energiequelle 12, beispielsweise eine Batterie oder eine Notstromversorgung aufweist. Alternativ hierzu ist das Wechselstromnetz 10 ein Verbundnetz mit mehreren unabhängig von einander arbeitenden permanenten Energiequellen, beispielsweise weitere Brenn- stoffzellenanlagen 2 oder auch konventionelle Anlagen zur E- nergieerzeugung.According to FIG. 1, a PEM fuel cell system 2 comprises a fuel cell stack 4 for generating energy, which usually has a plurality of fuel cells connected to one another. The fuel cell system 2 further comprises a plurality of consumers 6 and an electronic scarf ¬ device 8 for coupling the fuel cell system 2 to an AC power system 10. The alternating current network 10 is indicated here by a dashed line. The AC mains 10 is ¬ leads in the embodiment as a separate network being ¬ which only a temporary power source 12, For example, a battery or an emergency power supply has. Alternatively, the alternating current network 10 is a network with several independent permanent energy sources, for example, further fuel cell systems 2 or conventional systems for e- nergieerzeugung.
Beim Betrieb der Brennstoffzellenanlage 2 erzeugt der Brenn¬ stoffzellenstapel 4 Gleichstrom, welcher in einen Gleich- stromzwischenkreis 14 eingespeist wird. Über diesen Gleich¬ stromzwischenkreis 14 werden die Verbraucher 6 mit Energie versorgt. Hierzu sind diese im Ausführungsbeispiel jeweils über einen Widerstand 16, einen Schalter 18 sowie einen DC/AC Wandler 20 angeschlossen. Die Verbraucher 6 sind insbesondere Motoren für den Antrieb eines Verdichters oder für den Stel¬ lantrieb eines Ventils. Der Großteil des vom Brennstoff¬ zellenstapel 4 erzeugten Gleichstroms wird über die elektro¬ nische Schaltung 8 in Wechselstrom gewandelt, auf die Span¬ nung des Wechselstromnetzes 10 transformiert und anschließend in das Wechselstromnetz 10 eingespeist.During operation of the fuel cell system 2 of the internal ¬ fuel cells stack 4 generates DC power, which is fed to a direct current intermediate circuit fourteenth About this DC ¬ current intermediate circuit 14, the consumers 6 are supplied with energy. For this purpose, these are each connected in the exemplary embodiment via a resistor 16, a switch 18 and a DC / AC converter 20. The consumer 6 are in particular motors for driving a compressor or for the Stel ¬ lantrieb a valve. The majority of the DC current generated by the fuel cell stack ¬ 4 is converted via the electromagnetic ¬ African circuit 8 into alternating current, to the Span¬ voltage of the AC mains 10 transformed and then injected into the AC network 10th
Ausgangsseitig am Brennstoffzellenstapel 4 ist eine Sperrdi¬ ode 24 in den Gleichstrom-Zwischenkreis 14 geschaltet, die einen Stromfluss in Richtung zum Brennstoffzellenstapel 4 un- terbindet.Output side of the fuel cell stack 4 is connected in a Sperrdi ¬ ode 24 in the DC intermediate circuit 14 which terbindet a current flow in the direction of the fuel cell stack 4 un-.
Die elektronische Schaltung 8 ist im Ausführungsbeispiel re¬ dundant ausgeführt, d.h., es sind zwei elektronische Schal¬ tungen 8 parallel geschaltet. Durch die parallele Schaltung können auch sehr hohe Leistungen bereitgestellt werden.The electronic circuit 8 is performed in the exemplary embodiment re ¬ redundantly, that is, there are two electronic scarf ¬ obligations connected in parallel. 8 Due to the parallel circuit also very high power can be provided.
Die elektronische Schaltung 8 weist in Durchflussrichtung vom Brennstoffzellenstapel 4 zum Wechselstromnetz 10 einen bidi¬ rektionalen Wandler 26, einen Filter 28, einen Vorwiderstand 30 zur Aufladung eines Zwischenkreiskondensators 39 (vgl. FIG 2), einen den Vorwiderstand 30 überbrückenden Überbrückungs- Schalter 32 sowie einen Transformator 34 auf. Die Brennstoff- zellenanlage 2 ist über einen Hauptschalter 36 mit dem Wech¬ selstromnetz 10 verbindbar.The electronic circuit 8 has in flow direction from the fuel cell stack 4 to the AC mains 10 is a bidi ¬-directional converter 26, a filter 28, a series resistor 30 for charging an intermediate circuit capacitor 39 (see FIG. 2), a series resistor 30 bridging bridging switch 32, and a Transformer 34 on. The fuel Cell system 2 is connected via a main switch 36 with the Wech¬ selstromnetz 10.
Für den Startvorgang der Brennstoffzellenanlage 2 können die Verbraucher 6 nicht aus dem Brennstoffzellenstapel 4 heraus versorgt werden. Vorliegend ist nunmehr vorgesehen, dass für den Startvorgang die Verbraucher ihre Energie direkt aus dem Wechselstromnetz 10 beziehen. In Durchflussrichtung vom Wech¬ selstromnetz 10 zum Gleichstrom-Zwischenkreis 14 wird daher der Wechselstrom mittels der elektrischen Schaltung 8 inFor the starting process of the fuel cell system 2, the consumers 6 can not be supplied from the fuel cell stack 4 out. In the present case, it is now provided that consumers receive their energy directly from the alternating current network 10 for the starting process. In the flow direction from the alternating current network 10 to the DC intermediate circuit 14, therefore, the alternating current by means of the electric circuit 8 in
Gleichstrom gewandelt und in den Gleichstrom-Zwischenkreis 14 zur Versorgung der Verbraucher 6 eingespeist. Von wesentli¬ cher Bedeutung ist hierbei der bidirektionale Wandler 26, welcher derart ausgebildet ist, dass er in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz 10 Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und in umgekehrter Durchflussrichtung zum Gleichstrom-Zwi¬ schenkreis 14 Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Durch diese Maßnahme ist sowohl für den normalen Betrieb der Brenn¬ stoffzellenanlage 2 als auch für deren Startvorgang keine zu- sätzliche Schaltung oder kein zusätzlicher apparativer Auf¬ wand erforderlich. Vielmehr wird sowohl für den Normalbetrieb als auch für den Startbetrieb die gleiche elektrische Schal¬ tung 8 herangezogen.Converted DC and fed into the DC intermediate circuit 14 for supplying the load 6. Significantly important here is the bidirectional converter 26, which is designed such that it converts direct current into alternating current in the direction of flow to the alternating current network 10 and converts alternating current into direct current in the reverse flow direction to the intermediate DC circuit 14. As a result of this measure, no additional switching or no additional expenditure on equipment is required both for the normal operation of the fuel cell system 2 and for its starting operation. Rather, the same electrical scarf ¬ tion 8 is used both for normal operation and for the starting operation.
Der bidirektionale Wandler 26 ist in FIG 2 in einem Ersatz¬ schaltbild dargestellt. Er ist auf seiner Gleichstromseite 38 mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis 14 und auf seiner Wech¬ selstromseite 40 mittelbar mit dem Wechselstromnetz 10 ver¬ bunden. Auf der Wechselstromseite 40 ist der bidirektionale Wandler 26 im Ausführungsbeispiel an die drei Phasen Pl, P2, P3 eines Drehstromnetzes angeschlossen. Der bidirektionale Wandler 26 lässt sich in zwei Funktionsblöcke unterscheiden, nämlich einerseits ein Zwischenkreis 42 und andererseits ein Wechselrichterteil 44. Der auf der Gleichstromseite 38 ange- ordnete Zwischenkreis 42 umfasst mehrere als Leistungskonden¬ satoren ausgebildete Zwischenkreiskondensatoren 39 sowie im Ausführungsbeispiel zwei parallel zu den Zwischenkreiskonden- satoren 39 angeordnete Entladewiderstände. Die Zwischen- kreiskondensatoren 39 dienen zum Glätten des vom Wechsel¬ richterteil 44 bereitgestellten pulsierenden Gleichstroms.The bidirectional converter 26 is shown in FIG 2 in a Ersatz¬ circuit diagram. It is on its DC side 38 with the DC intermediate circuit 14 and on its Wech ¬ selstromseite 40 indirectly connected to the AC power network 10 ver¬ prevented. On the AC side 40 of the bidirectional converter 26 is connected in the embodiment of the three phases Pl, P2, P3 of a three-phase network. The bidirectional converter 26 can be divided into two function blocks, namely on the one hand an intermediate circuit 42 and on the other hand an inverter part 44. The arranged on the DC side 38 intermediate circuit 42 comprises a plurality of Leistungskonden ¬ formed as intermediate circuit capacitors 39 and in the embodiment two parallel to the DC bus capacitor 39 arranged discharge resistors. The intermediate circuit capacitors 39 serve for smoothing the pulsating direct current provided by the inverter section 44.
Der Wechselrichterteil 44 weist im Ausführungsbeispiel für jede der drei Phasen Pl, P2, P3 jeweils zwei Bauteil-Paare auf, die jeweils aus einem elektronischen Schaltelement 48 und einer Sperrdiode 46 bestehen. Der Anschluss der jeweili¬ gen Phase Pl, P2, P3 befindet sich hierbei zwischen diesen beiden Bauteil-Paaren. Die Sperrdioden 46 sind derart ange¬ ordnet, dass in Durchflussrichtung zur Gleichstromseite 38 eine positive Halbwelle des Wechselstroms durch die eine Sperrdiode 46 und die negative Halbwelle durch die andere Sperrdiode 46 durchgeleitet wird. Die Sperrdioden 46 sind da- her nach Art eines Brückengleichrichters angeordnet. Die je¬ weiligen Bauteil-Paare der einzelnen Phasen Pl, P2, P3 liegen auf ihrer dem Phasenanschluss abgewandten Seite auf gleichem Gleichstrompotential.In the exemplary embodiment, the inverter part 44 has in each case two component pairs for each of the three phases P 1, P 2, P 3, each consisting of an electronic switching element 48 and a blocking diode 46. The connection of the jeweili ¬ gen phase Pl, P2, P3 here is located between these two component pairs. The blocking diodes 46 are arranged such that in the direction of flow toward the DC side 38, a positive half-wave of the alternating current is conducted through one blocking diode 46 and the negative half-wave through the other blocking diode 46. The blocking diodes 46 are therefore arranged in the manner of a bridge rectifier. The per ¬ weiligen component pairs of the individual phases Pl, P2, P3 are on their faces away from the phase terminal side at the same DC potential.
In umgekehrter Durchflussrichtung zur Wechselstromseite 40 ist der Durchfluss über die Sperrdioden 46 gesperrt. Sobald die über den Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Spannung auf der Gleichstromseite 38 die Spannung auf der Wechsel¬ stromseite 40 erreicht oder übersteigt, werden die elektroni- sehen Schaltelemente 48 getaktet geschaltet, so dass zur Er¬ zeugung von Wechselstrom ein Stromdurchfluss in Richtung zum Wechselstromnetz 10 über die drei Phasen Pl, P2, P3 erfolgt. Üblicherweise ist hierzu ein Spannungsregler vorgesehen, der während der Startphase die Spannung auf der Gleichstromseite 38 auf einen vorbestimmten Wert regelt, der unterhalb der Be¬ triebsspannung des Brennstoffzellenstapels 4 liegt. Mit zu¬ nehmender Einspeisung vom Brennstoffzellenstapel 4 wird die über den Spannungsregler vom Wechselstromnetz 10 eingespeiste Leistung zunehmend kleiner und geht auf Null zurück, sobald die Spannung des Brennstoffzellenstapels die über den Span¬ nungsregler eingestellte Spannung im Gleichstrom-Zwischen¬ kreis übersteigt. Der Spannungsregler wird dann abgeschaltet. Beim Hochfahren der Brennstoffzellenanlage 2 werden daher die Verbraucher 6, insbesondere ein Gasventil zur Gasversorgung des Brennstoffzellenstapels 4, eine Steuereinheit zur Anla¬ gensteuerung sowie ein Verdichter oder Kompressor, der die für den Brennstoffzellenbetrieb erforderliche Luft in die Ka¬ thoden-Gasräume der Brennstoffzelle pumpt, mit Energie aus dem Wechselstromnetz 10 versorgt.In the reverse flow direction to the AC side 40 of the flow through the blocking diodes 46 is blocked. Once provided on the fuel cell stack voltage reaches to the DC side 38, the voltage on the alternating ¬ current side 40 or exceeds that seen electronic switching elements are switched clocked 48 so that the He ¬ generation of alternating current, a current flow in the direction of the alternating current network 10 via the three phases Pl, P2, P3 takes place. Typically, a voltage regulator is provided for this purpose, which regulates the voltage on the DC side 38 during the starting phase to a predetermined value which lies below the loading ¬ operating voltage of the fuel cell stack. 4 With zu¬ receiving feed from the fuel cell stack 4, the fed via the voltage regulator from the AC power supply 10 is increasingly smaller and goes back to zero, as soon as the voltage of the fuel cell stack exceeds the voltage set via the voltage regulator in the DC intermediate circuit ¬ . The voltage regulator is then switched off. Therefore, when starting up the fuel cell system 2, the load 6, in particular a gas valve for supplying gas to the fuel cell stack 4, a control unit for Appendices ¬ gene control as well as a compressor or compressor which pumps required for the fuel cell operation, air in the Ka ¬ methods gas spaces of the fuel cell, supplied with energy from the AC mains 10.
Zum Startvorgang wird der Hauptschalter 36 geschlossen, so dass die Brennstoffzellenanlage 2 mit dem Wechselstromnetz 10 verbunden ist. Nach dem Schließen des Hauptschalters 36 wird der Zwischenkreiskondensator 39 über den Vorwiderstand 30 zu¬ nächst allmählich aufgeladen. Nach einer vordefinierten Lade¬ zeit wird der anfangs offene Überbrückungs-Schalter 32 ge- schlössen, so dass der Vorwiderstand 30 überbrückt ist. Der Zwischenkreiskondensator 39 dient zur Glättung des vom bidi¬ rektionalen Wandler 26 bereitgestellten Gleichstroms.For starting the main switch 36 is closed, so that the fuel cell system 2 is connected to the AC power supply 10. After closing the main switch 36, the intermediate circuit capacitor 39 is first charged gradually via the series resistor 30. After a predefined charging time, the initially open bridging switch 32 is closed, so that the series resistor 30 is bridged. The intermediate circuit capacitor 39 serves for smoothing the direct current provided by the bidirectional converter 26.
Sobald die Verbraucher 6 mit Energie versorgt sind, kann die Brennstoffzellenanlage 2 hochgefahren werden, d.h., der Kom¬ pressor für das Fördern der Luft wird aktiviert, das Was¬ serstoff-Ventil wird geöffnet und insgesamt wird die Steue¬ rung aktiviert, so dass allmählich vom Brennstoffzellenstapel 4 Strom erzeugt wird. Sobald die vom Brennstoffzellenstapel 4 erzeugte Gleichspannung über den Wert der Gleichspannung an¬ steigt, die über das Wechselstromnetz 10 in den Gleichstrom- Zwischenkreis 14 eingespeist wird, beginnt die Ansteuerung und damit die Taktung der elektronischen Halbleiter-Schalt¬ elemente 48 und die Durchflussrichtung ändert sich in Rich- tung zum Wechselstromnetz 10.As soon as the consumers are supplied 6 with energy, the fuel cell unit 2 can be raised, that is, the there are suitable pressor for conveying the air is enabled, the What ¬ serstoff-valve is opened and the overall Steue is ¬ tion activated so as to gradually 4 power is generated from the fuel cell stack. Once the DC voltage generated by the fuel cell stack 4 an¬ on the value of the DC voltage increases, which is fed through the AC grid 10 in the DC link 14, the drive and thus the clocking of the electronic semiconductor switching ¬ begins elements 48 and the flow direction changes in the direction of the AC mains 10.
Ist das Wechselstromnetz 10 für einen Inselbetrieb mit der temporären Energiequelle 12 ausgelegt, so wird die temporäre Energiequelle nur für die Hochlaufphase der Brennstoffzellen- anläge 2 zugeschaltet. Die temporäre Stromquelle ist insbe¬ sondere eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, deren Bat¬ terie im Brennstoffzellenbetrieb aufgeladen wird. If the alternating current network 10 is designed for island operation with the temporary energy source 12, then the temporary energy source is switched on only for the startup phase of the fuel cell systems 2. The temporary power source is in particular ¬ sondere an uninterruptible power supply whose Bat ¬ terie in fuel cell operation is charging.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechselstromnetz (10) verbindbaren Brennstoffzellenanlage (2), die einen Brennstoffzellenstapel (4) zur Energieerzeu¬ gung, einen sich hieran anschließenden Gleichstrom-Zwischen¬ kreis (14) mit zumindest einem Verbraucher (6) sowie einen Wandler (26) aufweist, über den die Brennstoffzellenanlage mit dem Wechselstromnetz zu verbinden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der1. A device for starting and operating a connectable to an alternating current network (10) fuel cell installation (2) having a fuel cell stack (4) for Energieerzeu ¬ supply, a subsequent thereto DC Zwischen¬ circle (14) with at least one consumer (6) and a converter (26) via which the fuel cell system is to be connected to the AC mains, characterized in that the
Wandler (26) bidirektional ausgebildet ist, derart, dass bei einem Normalbetrieb ein vom Brennstoffzellenstapel (4) er¬ zeugter Gleichstrom zur Einspeisung in das Wechselstromnetz (10) in Wechselstrom umgewandelt wird und umgekehrt während eines Startvorgangs ein über das Wechselstromnetz (10) zurConverter (26) is bidirectional, such that in a normal operation, one of the fuel cell stack (4) er ¬ zeugter direct current for feeding into the AC network (10) is converted into alternating current and vice versa during a startup via the AC mains (10)
Verfügung gestellter Wechselstrom der Brennstoffzellenanlage (2) zur Einspeisung in den Gleichstrom-Zwischenkreis (14) in Gleichstrom umgewandelt wird.Provided AC power of the fuel cell system (2) for feeding into the DC link (14) is converted into direct current.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der bi¬ direktionale Wandler (26) eine in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz (10) sperrende Diode (46) und ein parallel zur Diode (46) angeordnetes elektronisches Schaltelement (48) aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that the bi ¬ directional converter (26) in the flow direction to the AC network (10) blocking diode (46) and a parallel to the diode (46) arranged electronic switching element (48).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für jede Phase (Pl, P2, P3) des Wechselstromnetzes (10) je zwei Diode (46) - Schaltelement (48) Paare vorgesehen sind, zwischen de¬ nen ein jeweiliger Phasenanschluss liegt, wobei die Dioden (46) nach Art eines Brückengleichrichters angeordnet sind.3. A device according to claim 2, characterized in that for each phase (Pl, P2, P3) of the alternating current network (10) two diodes (46) - switching element (48) pairs are provided, between de ¬ nen is a respective phase connection, wherein the diodes (46) are arranged in the manner of a bridge rectifier.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass gleich- stromseitig ein Zwischenkreiskondensator (39) vorgesehen ist. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the DC side of a DC link capacitor (39) is provided.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Zwi- schenkreiskondensator (39) ein Vorwiderstand (30) vorgeschal¬ tet ist.5. Device according to claim 4, characterized in that the intermediate circuit capacitor (39), a series resistor (30) provided scarf ¬ tet is.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass parallel zum Vorwiderstand (30) ein Schalter (32) zum Überbrücken des Vorwiderstands (30) angeordnet ist.6. Apparatus according to claim 5, characterized in that a switch (32) for bridging the series resistor (30) is arranged parallel to the series resistor (30).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Wandler (26) derart ausgebildet ist, dass das Schaltelement7. Device according to one of claims 2 to 6, d a d u r c h e c e n e z e i c h e s that the converter (26) is formed such that the switching element
(48) in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz (10) getaktet freigegeben wird, sobald die von dem Brennstoffzellenstapel (2) erzeugte Spannung über die Spannung im Gleichstrom- Zwischenkreis (14) ansteigt.(48) in the flow direction to the AC network (10) is enabled clocked as soon as the voltage generated by the fuel cell stack (2) voltage rises above the voltage in the DC link (14).
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem8. Device according to one of the preceding claims, d a d u r c h e c e n e c e s e s that the
Brennstoffzellenstapel (4) eine Sperrdiode (24) vorgeschaltet ist .Fuel cell stack (4) a blocking diode (24) is connected upstream.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das9. Device according to one of the preceding claims, d a d u r c h e c e n e c i n e s that the
Wechselstromnetz (10) ein über die Brennstoffzellenanlage (2) versorgtes Inselnetz mit einer temporären Stromquelle (12) ist .AC network (10) via the fuel cell system (2) powered island grid with a temporary power source (12).
10. Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit einem10. Method for starting and operating one with a
Wechselstromnetz (10) verbundenen Brennstoffzellenanlage (2), bei dem ein von einem Brennstoffzellenstapel (4) der Brenn¬ stoffzellenanlage (2) erzeugter Gleichstrom in einem Gleich¬ strom-Zwischenkreis (14) zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers (6) zur Verfügung gestellt und der nicht ver¬ brauchte Stromanteil über einen Wandler (26) in Wechselstrom umgewandelt und in das Wechselstromnetz (10) eingespeist wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zum Starten der Brennstoffzellenanlage (2) Wechselstrom über den Wandler (26) in Gleichstrom umgewandelt und in den Gleich¬ strom-Zwischenkreis (14) zur Versorgung des Verbrauchers (6) eingespeist wird.AC network (10) connected fuel cell system (2), in which one of a fuel cell stack (4) of the Brennstoff¬ fuel cell system (2) generated DC in a Gleich¬ current intermediate circuit (14) for supplying at least one consumer (6) provided and the non ver ¬ needed current portion via a converter (26) into alternating converted and fed into the AC network (10), characterized in that for starting the fuel cell system (2) alternating current via the converter (26) converted into direct current and fed into the Gleich¬ current intermediate circuit (14) for supplying the load (6) becomes.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass während des Startvorgangs Strom in Durchflussrichtung zum Zwischen¬ kreis (14) über eine Diode (46) und im Normalbetrieb Strom in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz (10) über ein paral¬ lel zur Diode (46) angeordnetes elektronisches Schaltelement (48) geleitet wird.11. The method according to claim 10, characterized in that during the starting current in the flow direction to Zwischen¬ circle (14) via a diode (46) and in normal operation current in the direction of flow to the AC network (10) via a paral¬ lel to the diode (46) arranged electronic switching element (48) is passed.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für jede Phase (Pl, P2, P3) des Wechselstromnetzes (10) je zwei Diode (46) - Schaltelement (48) Paare vorgesehen sind, zwischen de¬ nen ein jeweiliger Phasenanschluss liegt, so dass in Durch¬ flussrichtung zum Gleichstrom-Zwischenkreis (14) die Dioden (46) nach Art eines Brückengleichrichters wirken und in Durchflussrichtung zum Wechselstromnetz (10) die Schaltele- mente (48) nach Art eines DC/AC-Wandlers wirken.12. The method according to claim 11, characterized in that for each phase (Pl, P2, P3) of the alternating current network (10) two diodes (46) - switching element (48) pairs are provided, between de ¬ nen is a respective phase connection, so that in through ¬ flow direction to the DC intermediate circuit (14), the diodes (46) act in the manner of a bridge rectifier, and in the flow direction to the AC network (10) the switching elements (48) in the manner of a DC / AC converter act.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltelemente (48) getaktet in Durchflussrichtung zum Wech- selstromkreis (10) freigegeben werden, sobald die von dem13. Method according to claim 11 or 12, characterized in that the switching elements (48) are enabled in clocked fashion in the flow direction to the alternating current circuit (10) as soon as the switching elements (48) of the
Brennstoffzellenstapel (4) erzeugte Spannung die Spannung im Gleichstrom-Zwischenkreis (14) übersteigt.Fuel cell stack (4) generated voltage exceeds the voltage in the DC link (14).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Wech¬ selstromnetz (10) eine temporäre Stromquelle (12) vorgesehen ist, von der der für den Startvorgang der Brennstoffzellenan- lage (2) erforderliche Strom bereitgestellt wird. 14. A method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that a temporary power source (12) provided in the Wech ¬ selstromnetz (10) from which the power required for starting the fuel cell system (2) is provided.
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