AT526315A1

AT526315A1 - Fuel cell supply system

Info

Publication number: AT526315A1
Application number: ATA50833/2022A
Authority: AT
Inventors: Planitzer Stefan
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-12-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenversorgungssystem (100) zur Bereitstellung einer aus Brennstoffzellen erzeugten Stromversorgung, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenversorgungssystem (100) wenigstens zwei Power Module (10) aufweist. Neben einem Brennstoffzellenstapel (11), einem ersten Gleichspannungswandler (12), einer Hilfsperipherie (13) und einer Chopperschaltung umfasst insbesondere jedes Power Modul (10) einen ersten Wechselrichter (15), der die Modulspannung in eine Versorgungs-Wechselspannung der durch das Brennstoffzellenversorgungssystem (100) bereitgestellten Stromversorgung umwandelt.The present invention relates to a fuel cell supply system (100) for providing a power supply generated from fuel cells, characterized in that the fuel cell supply system (100) has at least two power modules (10). In addition to a fuel cell stack (11), a first DC-DC converter (12), an auxiliary peripheral (13) and a chopper circuit, each power module (10) in particular includes a first inverter (15), which converts the module voltage into an AC supply voltage supplied by the fuel cell supply system ( 100) provided power supply converted.

Description

Brennstoffzellenversorgungssystem Fuel cell supply system

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenversorgungssystem mit Power The present invention relates to a fuel cell supply system with power

Modulen zur Bereitstellung einer aus Brennstoffzellen erzeugten Stromversorgung. Modules for providing a power supply generated from fuel cells.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenversorgungssystem findet Anwendung in der Energieerzeugung zur Einspeisung erneuerbarer Energie in Versorgungsnetze und The fuel cell supply system according to the invention is used in energy generation to feed renewable energy into supply networks and

insbesondere zur Versorgung oder Absicherung von autarken Inselnetzen. especially for supplying or securing self-sufficient island networks.

Es sind leistungsfähige Brennstoffzellensysteme in stationären Anwendungen vom SOFC Typ (Solid Oxide Fuel Cells oder Feststoffoxidbrennstoffzellen) bekannt, die relativ statisch, d.h. in einem konstanten Betriebspunkt gefahren werden müssen. Die Leistungsdynamik solcher Brennstoffzellenstapel ist gering. Dafür gibt es mehrere Gründe, etwa die Gefahr der Rissbildung der Zellen durch steile Temperatur-gradienten, die bei Lastsprüngen entstehen können. Deswegen können diese Brennstoffzellenstapel keinen raschen elektrischen Laständerungen folgen. Neben den Brennstoffzellenstapeln selbst kann auch das Brennstoffzellensystem insgesamt durch einen plötzlichen Lastabwurf beschädigt werden. Das Brenngas kann in diesem Fall nicht in elektrische Energie umgesetzt werden und führt z.B. beim Oxidationskatalysator im Brennstoffzellensystem zu einer unzulässigen Erwärmung und im schlimmsten Fall zur kompletten Zerstörung. Die Gefahr, die Brenngasenergie nicht in elektrische Energie High-performance fuel cell systems in stationary applications of the SOFC type (solid oxide fuel cells) are known, which must be operated relatively statically, i.e. at a constant operating point. The performance dynamics of such fuel cell stacks are low. There are several reasons for this, such as the risk of cracking in the cells due to steep temperature gradients that can occur during load jumps. Therefore, these fuel cell stacks cannot follow rapid electrical load changes. In addition to the fuel cell stacks themselves, the fuel cell system as a whole can also be damaged by a sudden load drop. In this case, the fuel gas cannot be converted into electrical energy and, for example, leads to unacceptable heating of the oxidation catalyst in the fuel cell system and, in the worst case, to complete destruction. The danger of the fuel gas energy not being converted into electrical energy

umzuwandeln besteht demnach auch im Falle eines Einspeisenetzausfalles. This means that there is also a need to convert in the event of a feed-in network failure.

Daher werden SOFC-Brennstoffzellensysteme noch immer hauptsächlich in undynamischen Anwendungen eingesetzt und die geringe Leistungsdynamik erfordert spezielle Konzepte, um diese Eigenschaft zu kompensieren. Ferner besteht Bedarf an netzkompatiblen EE-Architekturen, d.h. elektrisch-elektronischen Schaltungstopologien zur Versorgung oder Absicherung eines autarken Inselnetzes oder einer lokalen Not-Therefore, SOFC fuel cell systems are still mainly used in non-dynamic applications and the low power dynamics require special concepts to compensate for this property. There is also a need for grid-compatible renewable energy architectures, i.e. electrical-electronic circuit topologies for supplying or securing a self-sufficient island network or a local emergency

stromversorgung im Falle eines Netzausfalls. power supply in the event of a power failure.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Design der elektrisch-elektronischen Schaltungstopologie eines Brennstoffzellenversorgungssystems, insbesondere SOFC-System, zu schaffen, welches einen flexibleren Betrieb einer regenerativen It is an object of the invention to create an improved design of the electrical-electronic circuit topology of a fuel cell supply system, in particular SOFC system, which enables more flexible operation of a regenerative

Energieerzeugung und Einspeisung erlaubt. Energy generation and feed-in permitted.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellenversorgungssystem The above task is solved by a fuel cell supply system

mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung with the features of claim 1. Further features and details of the invention

ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. result from the subclaims, the description and the drawings.

Das Brennstoffzellenversorgungssystem dient zur Bereitstellung einer aus Brennstoffzellen erzeugten Stromversorgung. Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellenversorgungssystem wenigstens zwei Power Module. Jedes Power Modul hat einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel zur Stromerzeugung, einen ersten oder viele Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels in eine Modulspannung oder DC-Zwischenkreisspannung, eine Hilfsperipherie zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels, wobei die Hilfsperipherie aus dem ersten Gleichspannungswandler gespeist wird, und eine Chopperschaltung mit Leistungswiderständen zum Abführen einer überschüssigen erzeugten Leistung, wenn die Modulspannung oder die DC-Zwischenkreisspannung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Erfindungswesentlich umfasst jedes der Power Module ferner einen ersten Wechselrichter, der die Modulspannung oder die DC-Zwischenkreisspannung in eine Versorgungs-Wechselspannung der durch das Brennstoffzellenversor-The fuel cell supply system is used to provide a power supply generated from fuel cells. According to the invention, the fuel cell supply system comprises at least two power modules. Each power module has one or more fuel cell stacks for generating electricity, a first or many DC-DC converters for converting an output voltage of the fuel cell stack into a module voltage or DC link voltage, auxiliary peripherals for operating the fuel cell stack, the auxiliary peripherals being fed from the first DC-DC converter, and a chopper circuit with power resistors for dissipating excess power generated when the module voltage or the DC link voltage exceeds a predetermined threshold value. Essential to the invention, each of the power modules further comprises a first inverter, which converts the module voltage or the DC intermediate circuit voltage into an alternating supply voltage supplied by the fuel cell.

gungssystem bereitgestellten Stromversorgung umwandelt. power supply provided by the power supply system.

Die Erfindung sieht somit erstmals ein modulares Brennstoffzellenversorgungssystem aus redundanten Systemmodulen vor, die sich jeweils auch für einen alleinigen Betrieb im Sinne eines Stand-Alone-Devices zur Bereitstellung einer Stromversorgung mit The invention therefore provides for the first time a modular fuel cell supply system made up of redundant system modules, each of which is also suitable for sole operation in the sense of a stand-alone device to provide a power supply

Wechselspannung eignen. Suitable for alternating voltage.

Diese Eigenschaft wird insbesondere dadurch gewährleistet, dass jedes Power Modul mit einem eigenen ausgangsseitigen Wechselrichter ausgestattet ist. Ferner ist jedes Power Modul mit weiteren Systemkomponenten wie einer Peripherie, d.h. Hilfsaggre-This property is ensured in particular by the fact that each power module is equipped with its own inverter on the output side. Furthermore, each power module is equipped with additional system components such as peripherals, i.e. auxiliary units.

gate wie z.B. einem Kompressor zur geregelten Sauerstoffzufuhr usw. ausgestattet. gate such as a compressor for controlled oxygen supply, etc.

Als ein großer Vorteil der Erfindung, wird durch diese EE-Architektur bzw. elektrischelektronischen Schaltungstopologie ein skalierbares BrennstoffzellenversorgungssySstem bereitgestellt, dass trotz der geringen Leistungsdynamik im Falle des Einsatzes von SOFC Brennstoffzellenstapeln eine hohe Flexibilität in Bezug auf unterschiedliche Konstellationen, Dimensionen und Betriebszustände von einem oder mehreren Net-As a major advantage of the invention, this EE architecture or electrical-electronic circuit topology provides a scalable fuel cell supply system that, despite the low power dynamics in the case of using SOFC fuel cell stacks, offers a high level of flexibility in relation to different constellations, dimensions and operating states of one or more Net

zen zur Einspeisung der erzeugten regenerativen Energie ermöglicht. zen to feed in the renewable energy generated.

In diesem Zusammenhang bestehen weitere Vorteile der Erfindung darin, dass das In this context, further advantages of the invention are that:

Brennstoffzellenversorgungssystem mit einer wählbaren Anzahl an Power Modulen Fuel cell supply system with a selectable number of power modules

entsprechend dimensioniert auf einen vorbestimmten Lastbereich von Verbrauchern appropriately dimensioned for a predetermined load range of consumers

in einem autarken Inselnetz ausgelegt und an dieses dauerhaft oder zeitweise selektiv designed in a self-sufficient island network and connected to this permanently or temporarily selectively

angeschlossen werden kann. can be connected.

Darüber hinaus besteht zugleich der Vorteil, dass die Power Module des Brennstoffzellenversorgungssystem verteilt angeordnet oder auch in Abhängigkeit einer Einspeiseanforderung selektiv abschaltbar mit einem Versorgungsnetz verbunden werden können, da jedes Power Modul eine netzkonforme Versorgungs-Wechselspannung In addition, there is also the advantage that the power modules of the fuel cell supply system can be arranged in a distributed manner or can be connected to a supply network in a manner that can be selectively switched off depending on a feed-in requirement, since each power module has a network-compliant AC supply voltage

über den eigenen Wechselrichter ausgibt. output via your own inverter.

Ferner kann die Fertigung des Brennstoffzellenversorgungssystems vereinfacht und die Kosten für das Brennstoffzellenversorgungssystem verringert werden, da es aus redundanten Einheiten gleicher Bauart besteht, und jedes Power Modul als kleinste Furthermore, the production of the fuel cell supply system can be simplified and the costs for the fuel cell supply system can be reduced since it consists of redundant units of the same design, and each power module is the smallest

Einheit auch alleine als Stand-Alone-Device betreibbar ist. The unit can also be operated as a stand-alone device.

Hieraus ergeben sich die nächsten Vorteile, dass das Brennstoffzellenversorgungssystem aufgrund der Redundanz an Einheiten bzw. Module in seiner Summe besonders ausfallsicher konzipiert ist, und entgegen der zuvor genannten, geringen Leistungsdynamik eines Power Moduls mit SOFC eine selektive Flexibilität durch Ein-und This results in the next advantages that the fuel cell supply system is designed to be particularly fail-safe due to the redundancy of units or modules as a whole, and, contrary to the aforementioned low power dynamics of a power module with SOFC, selective flexibility through input and output

Abschaltung der Anzahl von Power Modulen gegeben ist. The number of power modules is switched off.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Brennstoffzellenversorgungssystem ein Ansteuermodul umfassen, das die ersten Wechselrichter der Power Module zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz netzparallel getaktet zu dem Versorgungsnetz ansteuert. Die Wechselrichter können sich vorteilhaft aber auch eigenständig über ein Bussystem oder über die aktuellen AC-Netzgrößen (Spannung, Frequenz) According to an advantageous aspect of the invention, the fuel cell supply system can comprise a control module which controls the first inverters of the power modules for feeding into a supply network in a clocked manner parallel to the supply network. The inverters can also advantageously operate independently via a bus system or via the current AC network variables (voltage, frequency).

abstimmen. vote.

Gemäß einem alternativen vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Brennstoffzellenversorgungssystem anderenfalls oder zusätzlich ein Ansteuermodul umfassen, das die ersten Wechselrichter der Power Module zur Versorgung eines Inselnetzes paralle!| According to an alternative advantageous aspect of the invention, the fuel cell supply system can otherwise or additionally comprise a control module that parallels the first inverters of the power modules to supply an island network!|

getaktet ansteuert. controlled in a clocked manner.

Gemäß einem darauf aufbauenden, vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das According to an advantageous aspect of the invention based on this, this can

Brennstoffzellenversorgungssystem ein Umschaltmodul umfassen, wobei das Fuel cell supply system includes a switching module, which

Umschaltmodul zwischen einem Inselbetrieb zur Versorgung eines Inselnetzes, in dem Switching module between island operation to supply an island network in which

der Systemausgang des Brennstoffzellenversorgungssystems mit dem Inselnetz the system output of the fuel cell supply system with the island network

elektrisch verbunden ist, und einem Einspeisebetrieb zur Einspeisung in ein Versor-is electrically connected, and a feed-in operation for feeding into a supply

gungsnetz, in dem der Systemausgang des Brennstoffzellenversorgungssystems mit supply network in which the system output of the fuel cell supply system is included

dem Versorgungsnetz oder mit dem Inselnetz und dem Versorgungsnetz elektrisch the supply network or with the island network and the electrical supply network

verbunden ist, umschaltet. connected, switches.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Power Module einen gemeinsamen Netzerdungspunkt aufweisen, der mit den ersten Wechselrichtern der According to an advantageous aspect of the invention, the power modules can have a common network grounding point that is connected to the first inverters

Power Module elektrisch verbunden ist. Power module is electrically connected.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Power Module eine galvanische Trennung, vorzugsweise einen galvanisch getrennten zweiten Gleichspannungswandler, zwischen dem ersten Gleichspannungswandler und dem ersten Wech-According to an advantageous aspect of the invention, the power modules can have a galvanic isolation, preferably a galvanically isolated second DC-DC converter, between the first DC-DC converter and the first AC-

selrichter aufweisen. have an inverter.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Power Module einen Speicher, vorzugsweise einen Batteriespeicher oder einen Superkondensatorspeicher, aufweisen, der zwischen dem ersten Gleichspannungswandler und dem ersten According to an advantageous aspect of the invention, the power modules can have a memory, preferably a battery memory or a supercapacitor memory, which is located between the first DC-DC converter and the first

Wechselrichter elektrisch verbunden ist. Inverter is electrically connected.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Brennstoffzellenversorgungssystem lediglich ein Inselnetz versorgen, wobei die Power Module jeweils eine Startleistungsversorgung aufweisen, die zwischen dem ersten Gleichspannungswandler und dem ersten Wechselrichter elektrisch verbunden ist, zur Versorgung der Hilfsperipherie mit einer speicherbasierten oder einer netzbasierten Startleistung zum Star-According to an advantageous aspect of the invention, the fuel cell supply system can only supply an island network, with the power modules each having a starting power supply that is electrically connected between the first DC-DC converter and the first inverter to supply the auxiliary peripherals with a storage-based or a grid-based starting power for starting.

ten des Brennstoffzellenstapels für den Inselbetrieb. tening the fuel cell stack for standalone operation.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Startleistungsversorgun-According to an advantageous aspect of the invention, the starting power supply can

gen der Power Module jeweils mit dem Speicher elektrisch verbunden sein. The power modules must be electrically connected to the memory.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann jedes Power Modul einen, vorzugsweise galvanisch getrennten, zweiten Wechselrichter umfassen, wobei die zweiten Wechselrichter der Power Module zu einem gemeinsamen Systemausgang des Brennstoffzellenversorgungssystems parallelgeschaltet sind, der mit einem Versor-According to an advantageous aspect of the invention, each power module can comprise a, preferably galvanically isolated, second inverter, the second inverters of the power modules being connected in parallel to a common system output of the fuel cell supply system, which is connected to a supply

gungsnetz elektrisch verbunden ist, und wobei die ersten Wechselrichter der Power supply network is electrically connected, and the first inverter provides the power

tems parallelgeschaltet sind, der mit einem Inselnetz elektrisch verbunden ist. tems are connected in parallel, which is electrically connected to an island network.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Brennstoffzellenversorgungssystem mehrere separate Inselnetze versorgen, wobei jedes Power Modul einen, vorzugsweise galvanisch getrennten, zweiten Wechselrichter umfasst, wobei die zweiten Wechselrichter der Power Module zu einem gemeinsamen Systemausgang des Brennstoffzellenversorgungssystems parallelgeschaltet sind, der mit dem Versorgungsnetz elektrisch verbunden ist, und wobei die ersten Wechselrichter der Power According to an advantageous aspect of the invention, the fuel cell supply system can supply several separate island networks, each power module comprising a, preferably galvanically isolated, second inverter, the second inverters of the power modules being connected in parallel to a common system output of the fuel cell supply system, which is electrically connected to the supply network is, and the first inverters of the power

Module jeweils mit einem der mehreren separaten Inselnetze elektrisch verbunden ist. Modules are each electrically connected to one of the several separate island networks.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die ersten Wechselrichter According to an advantageous aspect of the invention, the first inverters

der Power Module jeweils einen separaten Netzerdungspunkt aufweisen. The power modules each have a separate network grounding point.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungs-Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which, with reference to the drawings, embodiments

beispiele im Einzelnen beschreiben sind. Es zeigen schematisch: examples are described in detail. It shows schematically:

Fig. 1-3 Blockdiagramme der Schaltungstopologie von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenversorgungsystems zur Umschaltung 1-3 block diagrams of the circuit topology of embodiments of the fuel cell supply system according to the invention for switching

zwischen Inselbetrieb und Netzbetrieb; between island operation and network operation;

Fig. 4-5 Blockdiagramme der Schaltungstopologie von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenversorgungsystems ausschließlich zum 4-5 block diagrams of the circuit topology of embodiments of the fuel cell supply system according to the invention exclusively for

autarken Inselbetrieb; self-sufficient island operation;

Fig. 6-8 Blockdiagramme der Schaltungstopologie von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenversorgungsystems zum Zzeitgleichen 6-8 block diagrams of the circuit topology of embodiments of the fuel cell supply system according to the invention for simultaneous use

Hybridbetrieb mit Inselbetrieb und Netzbetrieb; und Hybrid operation with island operation and grid operation; and

Fig. 9 ein Blockdiagramm der Schaltungstopologie einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenversorgungsystems zum Zzeitgleichen 9 is a block diagram of the circuit topology of an embodiment of the fuel cell supply system according to the invention for simultaneous use

Hybridbetrieb mit mehreren Inselbetrieben und einem Netzbetrieb. Hybrid operation with several island operations and one network operation.

Identische oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren 1 bis 9 jeweils mit dem-Identical or functionally identical elements are shown in Figures 1 to 9 with the

selben Bezugszeichen bezeichnet. referred to by the same reference numerals.

ständen angeordnet. stands arranged.

Ferner umfasst jedes Power Modul 10 eine Chopperschaltung 14 mit Leistungswiderständen, die im Sinne eines Bremschoppers überschüssige Leistung, welche notfalls beispielsweise durch einen Lastabsprung oder eine Netztrennung nicht abgenommen bzw. eingespeist werden kann, in Wärme umwandelt und abführt, insbesondere bevor eine Modulspannung eine schädliche Überspannung für die genannten Modulkomponenten erreicht, oder sobald eine entsprechend vorbestimmte Schwellwertspannung Furthermore, each power module 10 includes a chopper circuit 14 with power resistors, which, in the sense of a brake chopper, converts excess power, which cannot be removed or fed in if necessary, for example due to a load drop or a network disconnection, into heat and dissipates it, in particular before a module voltage produces a harmful overvoltage for the module components mentioned is reached, or as soon as a correspondingly predetermined threshold voltage

überschritten wird. is exceeded.

Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 11 und den genannten Modulkomponenten ist zunächst ein erster Gleichspannungswandler 12 (DC-DC Wandler) oder viele parallele Gleichspannungswandler geschaltet, der eine variable Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 11 auf eine konstante Modulspannung oder DC-Zwischenkreisspannung zur Speisung der Hilfsperipherie 13 umwandelt. Die Modulspannung wird in jedem Power Modul 10 separat durch einen ersten Wechselrichter 15 (DC-AC Wandler) von einer Gleichspannung auf eine Wechselspannung umgewandelt, welche den Bedingungen der Stromversorgung entspricht, die durch das gesamte Brennstoffzellenversorgungssystem 100 bereitgestellt wird. Ein nicht weiter dargestelltes Steuermodul des Brennstoffzellenversorgungssystems 100 steuert die ersten Wechselrichter 15 im Inselmodus synchron getaktet an. Die Ansteuerung kann grundsätzlich auch von den Wechselrichtern eigenständig synchronisiert werden. Die ersten Wechselrich-A first DC-DC converter 12 (DC-DC converter) or many parallel DC-DC converters are initially connected between the fuel cell stack 11 and the module components mentioned, which converts a variable output voltage of the fuel cell stack 11 to a constant module voltage or DC intermediate circuit voltage for supplying the auxiliary peripherals 13. The module voltage is converted separately in each power module 10 by a first inverter 15 (DC-AC converter) from a direct voltage to an alternating voltage, which corresponds to the conditions of the power supply provided by the entire fuel cell supply system 100. A control module, not shown, of the fuel cell supply system 100 controls the first inverter 15 in a synchronized clocked manner in island mode. In principle, the control can also be synchronized independently by the inverters. The first inverters

ter 15 der Power Module 10 bilden im Inselbetrieb einen gemeinsamen ter 15 of the Power Modules 10 form a common one in island operation

eigenen Netzerdungspunkt 16 ausgestattet sein. be equipped with its own network grounding point 16.

Die Ausgänge der Power Module 10 bzw. der ersten Wechselrichter 15 sind parallelgeschaltet und mit einem autarken Inselnetz 20 verbunden, in dem eine Verbraucherlast die erzeugte Leistung der Brennstoffzellenstapel 11 abnimmt. Das Brennstoffzellenversorgungssystem 100 umfasst ferner ein Umschaltmodul 40, das eine elektrische Verbindung zur Einspeisung überschüssig erzeugter Energie der Brennstoffzellenstapel 11 in ein Versorgungsnetz 30, oder zur ergänzenden Versorgung des Inselnetzes 20 aus dem Versorgungsnetz 30 bei unzureichender Energie aus den Brennstoffzel-The outputs of the power module 10 or the first inverter 15 are connected in parallel and connected to an autonomous island network 20, in which a consumer load reduces the power generated by the fuel cell stack 11. The fuel cell supply system 100 further comprises a switching module 40, which has an electrical connection for feeding excess energy generated by the fuel cell stacks 11 into a supply network 30, or for supplementary supply of the island network 20 from the supply network 30 in the event of insufficient energy from the fuel cell.

lenstapeln 11 schließt oder unterbricht. len stacking 11 closes or interrupts.

Das Steuermodul (nicht dargestellt) wechselt in Abhängigkeit von einem physischen Schaltzustand des Umschaltmoduls 40 zwischen verschiedenen Betriebsmodi. Wenn das Brennstoffzellenversorgungssystem 100 mit dem Versorgungsnetz 30 elektrisch verbunden ist, steuert es die ersten Wechselrichter 15 netzparallel, d.h. parallel geschaltet und synchron getaktet mit einer Versorgungs-Wechselspannung des Versor-The control module (not shown) switches between different operating modes depending on a physical switching state of the switching module 40. If the fuel cell supply system 100 is electrically connected to the supply network 30, it controls the first inverters 15 in parallel with the network, i.e. connected in parallel and clocked synchronously with an AC supply voltage of the supplier.

gungsnetzes 30 an. supply network 30.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Brennstoffzellenversorgungssystems 100 mit Umschaltmodul 40 zum Unterbrechen und Verbinden einer Einspeisung in das Versorgungsnetz 30, welche auf der Ausführungsform aus Fig. 1 basiert. Die Ausführungsform in Fig. 2 unterscheidet sich dadurch, dass in jedem Power Modul 10 zwischen dem ersten Gleichrichter 15 und den übrigen Modulkomponenten, d.h. einem Zusammenschluss des erster Gleichspannungswandlers 12, der Hilfsperipherie 13 und der Chopperschaltung 14, ein zweiter Gleichspannungswandler 17 (DC-DC Wandler) angeordnet ist. Der zweite Gleichspannungswandler 17 ist von einem Typ mit einer galvanischen Trennung, wodurch die Betriebssicherheit für die Modulkompo-FIG. 2 shows an embodiment of the fuel cell supply system 100 with a switching module 40 for interrupting and connecting a feed into the supply network 30, which is based on the embodiment from FIG. 1. The embodiment in Fig. 2 differs in that in each power module 10 between the first rectifier 15 and the remaining module components, i.e. a combination of the first DC-DC converter 12, the auxiliary peripherals 13 and the chopper circuit 14, a second DC-DC converter 17 (DC-DC Transducer) is arranged. The second DC-DC converter 17 is of a type with galvanic isolation, which ensures operational reliability for the module component.

nenten und das Inselnetz 20 erhöht wird. nents and the island network 20 is increased.

In Fig. 3 ist ebenfalls eine Ausführungsform des Brennstoffzellenversorgungssystems 100 mit Umschaltmodul 40 zum Unterbrechen und Verbinden einer Einspeisung in das Versorgungsnetz 30 gezeigt, welche auf der Ausführungsform aus Fig. 1 basiert. Die Ausführungsform in Fig. 3 unterscheidet sich dadurch, dass in jedem Power Modul 10 zwischen dem ersten Gleichrichter 15 und den übrigen Modulkomponenten eine Spei-3 also shows an embodiment of the fuel cell supply system 100 with a switching module 40 for interrupting and connecting a feed into the supply network 30, which is based on the embodiment from FIG. 1. The embodiment in Fig. 3 differs in that in each power module 10 between the first rectifier 15 and the remaining module components there is a memory

cherkapazität 18 geschaltet ist, die durch einen Batteriespeicher oder eine Anordnung cher capacity 18 is switched, which is provided by a battery storage or an arrangement

von Superkondensatoren bereitgestellt ist. Der Speicher 18 verbessert die Betriebssi-provided by supercapacitors. The memory 18 improves the operational reliability

cherheit der Brennstoffzellenstapel 11, insbesondere beim wenig dynamischen SOFC-safety of the fuel cell stack 11, especially in the less dynamic SOFC

Typ. und der übrigen Modulkomponenten bei einem Lastabsprung. Type. and the remaining module components in the event of a load drop.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Brennstoffzellenversorgungssystems 100, die ausschließlich zur Versorgung eines autarken Inselnetzes 20 ausgelegt ist. Dabei kann die Anzahl der bereitgestellten und aktiven bzw. eingeschalteten Anzahl von Power Modulen 10 an eine Dimension und Anforderung des Inselnetzes 20 skalierbar ange-4 shows an embodiment of the fuel cell supply system 100, which is designed exclusively to supply an autonomous island network 20. The number of power modules 10 provided and active or switched on can be scalably adjusted to a dimension and requirement of the island network 20.

passt werden. will fit.

Um die Brennstoffzellenstapel 11 zu starten ist für jedes Power Modul 10 eine Startleistungsversorgung 19 bereitgestellt. Die Startleistungsversorgung 19 kann ein Batteriespeicher sein, oder ein Anschluss aus einem separaten Netz. Mit der Startleistungsversorgung 19 wird zunächst die Hilfsperipherie 13 gespeist, um den Betrieb der In order to start the fuel cell stacks 11, a starting power supply 19 is provided for each power module 10. The starting power supply 19 can be a battery storage device or a connection from a separate network. The auxiliary peripherals 13 are initially fed with the starting power supply 19 in order to ensure the operation of the

Power Module 10 hochzufahren. Start up Power Module 10.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Brennstoffzellenversorgungssystems 100 zur Versorgung eines autarken Inselnetzes 20, welche auf der Ausführungsform aus Fig. 4 basiert. Bei dieser Ausführungsform ist die Startleistungsversorgung 19 an jedem Power Modul 10 mit einem Speicher 18 kombiniert, der zwischen dem ersten Gleichrichter 15 und den übrigen Modulkomponenten angeordnet ist. Somit kann eine Startfähigkeit des Brennstoffzellenversorgungssystems 100 sowie jedes einzelnen Power 5 shows an embodiment of the fuel cell supply system 100 for supplying an autonomous island network 20, which is based on the embodiment from FIG. 4. In this embodiment, the starting power supply 19 on each power module 10 is combined with a memory 18, which is arranged between the first rectifier 15 and the remaining module components. This means that the fuel cell supply system 100 and each individual power can be started

Moduls 10 im Sinne eines Stand-Alone-Devices noch besser sichergestellt werden. Module 10 can be ensured even better in the sense of a stand-alone device.

Eine weiterführende Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist jedes Power Modul 10 zusätzlich zu dem ersten Wechselrichter 15 noch einen zweiten Wechselrichter 21 (DC-AC Wandler) auf. Der zweite Wechselrichter 21 ist ebenso wie der erste Wechselrichter 15 und die übrigen Modulkomponenten an der Modulspannung, die aus dem ersten Gleichspannungswandler 12 ausgegeben wird, angeschlossen. Ebenso wie die ersten Wechselrichter 15 sind auch die zweiten Wechselrichter 21 aller Power Module 10 zu einem gemeinsamen Systemausgang parallelgeschaltet. Die zweiten Wechselrichter 21 sind zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz 30 verbunden, während die ersten Wechselrichter 15 aller Power Module 10 mit einem Inselnetz 20 verbunden sind. Somit ermöglicht diese Ausführungsform einen Hybridbetrieb, der die erzeugte Energie der Brennstoffzellenstapel 11 lastabhängig auf A further embodiment is shown in FIG. 6. In this embodiment, each power module 10 has a second inverter 21 (DC-AC converter) in addition to the first inverter 15. The second inverter 21, like the first inverter 15 and the other module components, is connected to the module voltage that is output from the first DC-DC converter 12. Just like the first inverters 15, the second inverters 21 of all power modules 10 are also connected in parallel to a common system output. The second inverters 21 are connected to feed into a supply network 30, while the first inverters 15 of all power modules 10 are connected to an island network 20. This embodiment thus enables hybrid operation, which increases the energy generated by the fuel cell stack 11 depending on the load

das Inselnetz 20 und das Versorgungsnetz 30 verteilt. the island network 20 and the supply network 30 are distributed.

In Fig. 8 ist ebenfalls eine Ausführungsform des Brennstoffzellenversorgungssystems 100 für einen Hybridbetrieb mit Lastverteilung auf das Inselnetz 20 und das Versorgungsnetz 30 gezeigt, welche auf der Ausführungsform aus Fig. 6 basiert. Die Ausführungsform in Fig. 8 unterscheidet sich dadurch, dass in jedem Power Modul 10 zwischen dem ersten Gleichrichter 15 und den übrigen Modulkomponenten eine Speicherkapazität 18 geschaltet ist, die durch einen Batteriespeicher oder eine Anordnung von Superkondensatoren bereitgestellt ist. Der Speicher 18 verbessert die die Betriebssicherheit der Brennstoffzellenstapel 11, insbesondere beim wenig dynamischen 8 also shows an embodiment of the fuel cell supply system 100 for hybrid operation with load distribution on the island network 20 and the supply network 30, which is based on the embodiment from FIG. 6. The embodiment in Fig. 8 differs in that a storage capacity 18 is connected in each power module 10 between the first rectifier 15 and the remaining module components, which is provided by a battery storage or an arrangement of supercapacitors. The memory 18 improves the operational reliability of the fuel cell stack 11, especially when it is not very dynamic

SOFC-Typ, und der übrigen Modulkomponenten bei einem Lastabsprung. SOFC type, and the other module components in the event of a load drop.

Ein weiterführende Ausführungsform des Brennstoffzellenversorgungssystems 100 ist in Fig. 9 gezeigt, welche auf der Ausführungsform aus Fig. 7 basiert. Die Ausführungsform in Fig. 9 unterscheidet sich dadurch, dass im Gegensatz zu allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen, die Ausgänge der ersten Wechselrichter 15 aller Power Module 10 nicht zu einem gemeinsamen Systemausgang parallelgeschaltet sind. Stattdessen sind die Ausgänge der der ersten Wechselrichter 15 bzw. jedes Power Modul 10 mit einem anderen von mehreren separaten Inselnetzen 20 verbunden. Somit können neben einer Einspeisung in das Versorgungsnetz 30 über die zweiten Wechselrichter 21 in Abhängigkeit einer autarken Lastanforderung mehrere autarke Inselnetze 20 parallel betrieben werden. Hierzu ist ein separater Netzerdungspunkt 16 A further embodiment of the fuel cell supply system 100 is shown in FIG. 9, which is based on the embodiment from FIG. 7. The embodiment in Fig. 9 differs in that, in contrast to all previously described embodiments, the outputs of the first inverters 15 of all power modules 10 are not connected in parallel to a common system output. Instead, the outputs of the first inverter 15 or each power module 10 are connected to another of several separate island networks 20. Thus, in addition to feeding into the supply network 30 via the second inverter 21, several self-sufficient island networks 20 can be operated in parallel depending on an autonomous load requirement. There is a separate network grounding point 16 for this purpose

für jeden ersten Wechselrichter 15 bzw. für jedes Power Modul 10 vorgesehen. intended for every first inverter 15 or for every power module 10.

Alternativ können im Sinne dieser Ausführungsform unterschiedliche Anzahlen von Alternatively, within the meaning of this embodiment, different numbers of

Power Modulen 10 in Parallelschaltung an einzelne Inselnetze 20 angeschlossen Power modules 10 connected in parallel to individual island networks 20

stets in ein Versorgungsnetz 30 eingespeist werden. always be fed into a supply network 30.

Bezugszeichenliste Reference symbol list

10 Power Modul 10 Power Module

11 Brennstoffzellenstapel 11 fuel cell stacks

12 erster Gleichspannungswandler 13 Hilfsperipherie 12 first DC-DC converter 13 auxiliary peripherals

14 Chopperschaltung 14 chopper circuit

15 erster Wechselrichter 15 first inverter

16 Netzerdungspunkt 16 mains ground point

17 zweiter Gleichspannungswandler 18 Speicher 17 second DC-DC converter 18 memory

19 Startleistungsversorgung 19 Starting power supply

20 Inselnetz 20 island network

21 zweiter Wechselrichter 21 second inverter

30 Versorgungsnetz 30 supply network

40 Umschaltmodul 40 switching module

100 Brennstoffzellenversorgungssystem 100 fuel cell supply system

Claims

PatentansprüchePatent claims

1. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) zur Bereitstellung einer aus Brenn-1. Fuel cell supply system (100) for providing a fuel cell

stoffzellen erzeugten Stromversorgung, dadurch gekennzeichnet, dass Power supply generated by fabric cells, characterized in that

das Brennstoffzellenversorgungssystem (100) wenigstens zwei Power Module the fuel cell supply system (100) has at least two power modules

(10) aufweist, die jeweils umfassen: einen Brennstoffzellenstapel (11) zur Stromerzeugung, (10), each comprising: a fuel cell stack (11) for generating electricity,

einen ersten Gleichspannungswandler (12) zum Umwandeln einer Aus-a first DC-DC converter (12) for converting an output

gangsspannung des Brennstoffzellenstapels (11) in eine Modulspannung, input voltage of the fuel cell stack (11) into a module voltage,

eine Hilfsperipherie (13) zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels (11), wobei die Hilfsperipherie (13) aus dem ersten Gleichspannungswandler an auxiliary peripheral (13) for operating the fuel cell stack (11), the auxiliary peripheral (13) consisting of the first DC-DC converter

(12) gespeist wird, und (12) is fed, and

eine Chopperschaltung (14) mit Leistungswiderständen zum Abführen einer überschüssigen erzeugten Leistung, wenn die Modulspannung einen vor-a chopper circuit (14) with power resistors for dissipating excess power generated when the module voltage reaches a pre-

bestimmten Schwellwert überschreitet, wobei exceeds a certain threshold value, whereby

jedes Power Modul (10) einen ersten Wechselrichter (15) umfasst, der die Modulspannung in eine Versorgungs-Wechselspannung der durch das Brennstoffzellenversorgungssystem (100) bereitgestellten Stromversor-each power module (10) comprises a first inverter (15), which converts the module voltage into an AC supply voltage of the power supply provided by the fuel cell supply system (100).

gung umwandelt. converted.

2. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellenversorgungssystem (100) ein Ansteuermodul umfasst, das die ersten Wechselrichter (15) der Power Module (10) zur Einspeisung in ein Versorgungs-2. Fuel cell supply system (100) according to claim 1, wherein the fuel cell supply system (100) comprises a control module which the first inverters (15) of the power modules (10) for feeding into a supply

netz (30) netzparallel getaktet zu dem Versorgungsnetz (30) ansteuert. Network (30) is clocked in parallel to the supply network (30).

3. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Brennstoffzellenversorgungssystem (100) ein Ansteuermodul umfasst, das die ersten Wechselrichter (15) der Power Module (10) zur Versorgung eines Insel-3. Fuel cell supply system (100) according to claim 1 or 2, wherein the fuel cell supply system (100) comprises a control module which uses the first inverter (15) of the power module (10) to supply an island

netzes (20) parallel getaktet ansteuert. network (20) is controlled in parallel.

4. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) nach den einem der vorhergehenden 4. Fuel cell supply system (100) according to one of the preceding

Ansprüche, wobei das _Brennstoffzellenversorgungssystem (100) ein Claims, wherein the fuel cell supply system (100).

sorgungsnetz (30) elektrisch verbunden ist, umschaltet. supply network (30) is electrically connected, switches.

5. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Power Module (10), einen gemeinsamen Netzerdungspunkt (16) aufweisen, der mit den ersten Wechselrichtern (15) der Power Module (10) 5. Fuel cell supply system (100) according to one of the preceding claims, wherein the power modules (10) have a common network grounding point (16) which is connected to the first inverters (15) of the power modules (10).

elektrisch verbunden ist. is electrically connected.

6. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Power Module (10) eine galvanische Trennung, vorzugsweise einen galvanisch getrennten zweiten Gleichspannungswandler (17), zwischen dem ersten Gleichspannungswandler (12) und dem ersten Wechselrichter (15) 6. Fuel cell supply system (100) according to one of the preceding claims, wherein the power module (10) has a galvanic isolation, preferably a galvanically isolated second DC-DC converter (17), between the first DC-DC converter (12) and the first inverter (15).

aufweisen. exhibit.

7. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Power Module (10) einen Speicher (18), vorzugsweise einen Batteriespeicher oder einen Superkondensatorspeicher, aufweisen, der zwischen dem ersten Gleichspannungswandler (12) und dem ersten Wechselrichter 7. Fuel cell supply system (100) according to one of the preceding claims, wherein the power modules (10) have a memory (18), preferably a battery memory or a supercapacitor memory, which is located between the first DC-DC converter (12) and the first inverter

(15) elektrisch verbunden ist. (15) is electrically connected.

8. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 5 bis 7, wobei das Brennstoffzellenversorgungssystem (100) lediglich ein Insel-8. Fuel cell supply system (100) according to one of claims 1, 3 or 5 to 7, wherein the fuel cell supply system (100) only has an island

netz (20) versorgt, und wobei mains (20) supplied, and where

die Power Module (10) jeweils eine Startleistungsversorgung (19) aufweisen, die zwischen dem ersten Gleichspannungswandler (12) und dem ersten Wechselrichter (15) elektrisch verbunden ist, zur Versorgung der Hilfsperipherie (13) mit einer speicherbasierten oder einer netzbasierten Startleistung zum Starten des the power modules (10) each have a starting power supply (19), which is electrically connected between the first DC-DC converter (12) and the first inverter (15), for supplying the auxiliary peripherals (13) with a storage-based or a grid-based starting power for starting the

Brennstoffzellenstapels (11) für den Inselbetrieb. Fuel cell stack (11) for island operation.

9. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) den Ansprüchen 7 und 8, wobei die 9. Fuel cell supply system (100) according to claims 7 and 8, wherein the

Startleistungsversorgungen (19) der Power Module (10) jeweils mit dem Speicher Starting power supplies (19) of the power modules (10) each with the memory

(18) elektrisch verbunden sind. (18) are electrically connected.

10. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jedes Power Modul (10) einen, vorzugsweise galvanisch getrennten, zweiten Wechselrichter (21) umfasst, wobei die zweiten Wechselrichter (21) der Power Module (10) zu einem gemeinsamen Systemausgang des Brennstoffzellenversorgungssystems (100) parallelgeschaltet sind, der mit einem Versorgungsnetz (30) elektrisch verbunden ist, und die ersten Wechselrichter (15) der Power Module (10) zu einem gemeinsamen Systemausgang des Brennstoffzellenversorgungssystems (100) parallelgeschaltet sind, der mit einem Inselnetz 10. Fuel cell supply system (100) according to one of claims 1 to 7, wherein each power module (10) comprises a, preferably galvanically isolated, second inverter (21), the second inverters (21) of the power modules (10) forming a common one System output of the fuel cell supply system (100) are connected in parallel, which is electrically connected to a supply network (30), and the first inverters (15) of the power module (10) are connected in parallel to a common system output of the fuel cell supply system (100), which is connected to an island network

(20) elektrisch verbunden ist. (20) is electrically connected.

11. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Brennstoffzellenversorgungssystem (100) mehrere separate Insel-11. Fuel cell supply system (100) according to one of claims 1 to 7, wherein the fuel cell supply system (100) has a plurality of separate islands

netze (20) versorgt, und wobei networks (20) supplied, and where

jedes Power Modul (10) einen, vorzugsweise galvanisch getrennten, zweiten Wechselrichter (21) umfasst, wobei die zweiten Wechselrichter (21) der Power Module (10) zu einem gemeinsamen Systemausgang des Brennstoffzellenversorgungssystems (100) parallelgeschaltet sind, der mit dem Versorgungsnetz (30) elektrisch verbunden ist, und wobei die ersten Wechselrichter (15) der Power Module (10) jeweils mit einem der mehreren separaten Inselnetze (20) elektrisch each power module (10) comprises a, preferably galvanically isolated, second inverter (21), the second inverters (21) of the power modules (10) being connected in parallel to a common system output of the fuel cell supply system (100), which is connected to the supply network (30 ) is electrically connected, and wherein the first inverters (15) of the power modules (10) are each electrically connected to one of the several separate island networks (20).

verbunden ist. connected is.

12. Brennstoffzellenversorgungssystem (100) nach Anspruch 11, wobei die ersten Wechselrichter (15) der Power Module (10) jeweils einen separaten Netzer-12. Fuel cell supply system (100) according to claim 11, wherein the first inverters (15) of the power modules (10) each have a separate power supply

dungspunkt (16) aufweisen. have connection point (16).