DE19951584B4

DE19951584B4 - Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle, der Zusatzaggregate zum Starten und zum Betrieb zugeordnet sind und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung

Info

Publication number: DE19951584B4
Application number: DE19951584A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Zinser
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: JP2001189163A; JP3563339B2; US6534208B1; DE19951584A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle (1), der ein Oxydant von einem Kompressor (5) zugeführt wird, und mit einem für die Versorgung eines Brenngaserzeugungssystems mit Luft bestimmten Hochdruckkompressor (6), dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (14) vorhanden ist, die eine erste und eine zweite Synchronmaschine (15, 16) aufweist, dass die erste (15) der beiden als Einheit starr miteinander gekoppelten Synchronmaschinen (15, 16) über einen Wechselrichter (21) an eine Speicherbatterie (24) und die zweite (16) über einen Wechselrichter (28) an elektrische Ausgänge (2, 3) der Brennstoffzelle (1) anschaltbar ist, dass die Einheit (14) wenigstens mit dem Hochdruckkompressor (6) und dem Kompressor (5) mechanisch starr gekoppelt ist und dass die Wechselrichter (21, 28) und Feldwicklungen (29, 32) der Synchronmaschinen (15, 16) an eine Steuerschaltungsanordnung (36) angeschlossen sind, die dazu eingerichtet ist, im Startbetrieb die erste Synchronmaschine (15) als Motor und die zweite (16) leerlaufend und nach dem Ende des Startbetriebs die...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle, der ein Oxydant durch einen Kompressor zugeführt wird, und mit einem für die Versorgung eines Brenngaserzeugungssystems mit Luft bestimmten Hochdruckkompressor. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines eine Brennstoffzelle und eine Akkumulatorschaltung enthaltenden Netzes vorgeschlagen worden, in dem der Akkumulator während des Startvorgangs die Energie liefert ( DE 198 10 468 C1 ). Die Akkumulatorschaltung ist bei dieser Anordnung über einen oder mehrere DC/DC-Wandler an das Brennstoffzellennetz angeschlossen, mit dem auch die Antriebe von Hilfsaggregaten wie einem Kompressor zur Förderung des Brennmittels und/oder von Luft verbunden sind. Zu Beginn eines Startvorgangs liefert der Akkumulator die Energie für die Hilfsaggregate. Im Anschluss an den Startvorgang, also im Nennbetrieb, wird der Akkumulator Über den DC/DC-Wandler aufgeladen.

Bekannt ist ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs, das von einer elektrischen Antriebseinheit, die von der Brennstoffzelle gespeist wird, angetrieben wird. Das Brennstoffzellenfahrzeug enthält eine Brennstoffzelle, der über eine Leitung, in der ein Ventil und ein Druckregler angeordnet sind, ein Brennmittel, z. B. Wasserstoff, zugeführt wird. Über eine weitere Leitung, in der ein Luftfilter, ein Luftmassenmesser und ein Kompressor angeordnet sind, wird der Brennstoffzelle ein Oxydant, z. B. Luft, zugeführt. Zum Antrieb des Kompressors sind ein Anlassermotor und ein Elektromotor vorgesehen. Zum Start der Brennstoffzelle wird der Anlassermotor von einer Starter-Batterie mit Strom versorgt. Im Normalbetrieb liefert die Brenstoffzelle die zum Betrieb des Elektromotors nötige Energie. Durch einen Stromsteller wird die Drehzahl des Elektromotors und damit die des Kompressors zur Beeinflussung des Oxydanten-Massenstroms eingestellt um die Leistung der Brennstoffzelle zu beeinflussen ( DE 43 22 767 A1 ).

Die Brennstoffzelle wird sowohl während der Startphase als auch im normalen Betrieb von einem Kompressor mit dem Oxydanten, z. B. Luft, versorgt. Das für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Brenngas, insbesondere Wasserstoff, wird vielfach aus Kohlenwasserstoffen erzeugt. Das Brenngaserzeugungssystem benötigt Luft, die von einem Hochdruckkompressor in das Brenngaserzeugungssystem in an sich bekannter Weise eingespeist wird. Für die Kompressorantriebe können Gleich- oder Wechsel- bzw. Drehstrommotore eingesetzt werden. Wechsel- oder Drehstrommotore müssen über Wechselrichter an das Gleichspannungsnetz der Brennstoffzelle angeschlossen werden. Während der Startphase der Brennstoffzelle versorgt eine Starterbatterie die Hilfs- bzw. Zusatzaggregate wie Kompressor und Hochdruckkompressor mit Energie. Für die Versorgung der Brennstoffzelle mit Kühlwasser, das zwar nicht zum Starten der Brennstoffzelle aber im Betrieb unter höheren Lasten benötigt wird, ist eine Pumpe notwendig, die z. B. von einem mit den elektrischen Ausgängen der Brennstoffzelle über einen Wechselrichter verbundenen Wechsel- oder Drehstrommotor angetrieben wird.

Mit den von Einzelmotoren gegebenenfalls über Wechselrichter angetriebenen Hilfsaggregaten wie Pumpen und Kompressoren ergibt sich eine relativ aufwendige Anordnung mit entsprechendem Raumbedarf und größerem Gewicht. Durch diese Anordnung wird auch der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems nicht unerheblich vermindert.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle, der Zusatzaggregate zum Starten und zum Betrieb zugeordnet sind dahingehend weiterzuentwickeln, dass durch Kombination von für die Zusatzaggregate notwendigen Antrieben die Vorrichtung vereinfacht und der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung verbessert wird. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung anzugeben.

Das Problem wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Einheit eine erste und eine zweite Synchronmaschine aufweist, dass die erste der beiden als Einheit starr miteinander gekoppelten Synchronmaschinen über einen Wechselrichter an eine Speicherbatterie und die zweite über einen Wechselrichter an die elektrischen Ausgänge der Brennstoffzelle anschaltbar ist, dass die Einheit wenigstens mit dem Hochdruckkompressor und dem Kompressor mechanisch starr gekoppelt ist und dass die Wechselrichter und die Feldwicklungen der Synchronmaschinen an eine Steuereinheit angeschlossen sind, die im Startbetrieb die erste Synchronmaschine als Motor und die zweite leerlaufend und nach dem Startbetriebende die zweite als Motor und die erste als Generator steuert. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Einzelmotorenantriebe eingespart. Die erste Synchronmaschine arbeitet nach dem Ende der Startphase der Brennstoffzelle als Generator und lädt die Speicherbatterie sowie versorgt Verbraucher, die an die Speicherbatterie angeschlossen sind. Die Startphase bzw. der Startbetrieb ist beendet, wenn die Brennstoffzelle betriebsbereit ist und die entsprechende Betriebsspannung ausgibt. Bei den Verbrauchern kann es sich um Motoren, Heizwiderstände usw. handeln. Die an die Brennstoffzelle angeschlossenen Stromkreise sind galvanisch von den mit der Speicherbatterie verbundenen Stromkreisen getrennt, so dass sich ein DC/DC-Wandler mit großem Übersetzungsverhältnis für die unterschiedlichen Spannungen des Brennstoffzellennetzes und des Speicherbatterienetzes erübrigt. In der Startphase ist an die elektrischen Ausgänge der Brennstoffzelle noch keine Last angeschlossen, so dass die von der Speicherbaterie dem Synchronmotor für den Betrieb des Kompressors und des Hochdruckkompressors zugeführte Leistung ausreicht, um die Brennstoffzelle in den für den Lastbetrieb gewünschten Betriebszustand zu versetzen. Für die Versorgung der Brenngaseinrichtung mit Luft reicht es aus, wenn der Hochdruckkompressor eine um ca. eine Zehnerpotenz kleinere Leistung als der Kompressor hat.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Hochdruckkompressor über ein Untersetzungsgetriebe mit der Einheit verbunden, um die von der gleichen Einheit angetriebenen Motoren im günstigsten Drehzahlbereich arbeiten zu lassen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mit der Welle des Hochdruckkompressors eine Wasserpumpe starr gekoppelt, zu der ein mit einem steuerbaren Ventil ausgestatteter Bypass parallel geschaltet ist und die mit einer Ausgangsleitung an die Kühleinrichtung der Brennstoffzelle angeschlossen ist, deren Kühlwasserzulauf durch ein weiteres Ventil sperrbar ist.

Die Wasserpumpe für die Kühlung der Brennstoffzelle wird bei dieser Ausführungsform von der gleichen Einheit wie Kompressoren angetrieben, wodurch sich ein separater Motor einsparen lässt. Während des Startens der Brennstoffzelle wird die Kühlwasserzufuhr zur Brennstoffzelle mit einem Ventil gesperrt und der Bypass auf Durchlass geschaltet.

Es ist zweckmäßig, wenn die Feldwicklungen der Synchronmaschinen je über kontaktlose Schalter mit der Speicherbatterie verbunden sind. Die Feldwicklungen werden somit über das an die Speicherbatterie angeschlossene Netz gespeist.

Vorzugsweise hat die erste Synchronmaschine etwa 10 bis 20 % der Leistung der zweiten Synchronmaschine. Für den Antrieb des Kompressors, des Hochdruckkompressors und der zweiten Synchronmaschine im Leerlauf während der Startphase der Brennstoffzelle reicht diese Leistung ebenso aus wie für die Ladung der Speicherbatterie und die Speisung der am Netz der Speicherbatterie betriebenen Verbraucher nach der Startphase.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung in einem Fahrzeug angeordnet, das mindestens einen an die Brennstoffzelle anschaltbaren Elektromotor für den Antrieb wenigstens zweier gleichachsiger Räder aufweist. Die Vorrichtung eignet sich insbesondere für Kraftfahrzeuge mit wenigstens einem Fahrmotor, bei denen mit der Erfindung kurze Startzeiten erreichbar sind. Kurze Startzeiten sind wegen des Anlassens der Kraftfahrzeuge, insbesondere bei häufigen Fahrten, von Bedeutung, um lästige Wartezeiten bis zum Fahrtbeginn zu reduzieren.

Zweckmäßigerweise enthält die Einheit drei, mit den Feldwicklungen der Synchronmaschinen verbundene Schleifringe, von denen einer beiden Feldwicklungen gemeinsam ist, wodurch sich eine Einsparung an Schleifringen ergibt.

Ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle, der ein Oxydant, insbesondere Luft, durch einen Kompressor zugeführt wird, und mit einem für die Versorgung eines Brenngaserzeugungssystems mit Luft bestimmten Hochdruckkompressor, wobei eine Einheit aus zwei starr miteinander verbundenen Synchronmaschinen, von denen eine über einen Wechselrichter an die Speicherbatterie und die zweite an die elektrischen Ausgänge der Brennstoffzelle anschaltbar ist, mechanisch wenigstens mit dem Hochdruckkompressor und dem Kompressor verbunden ist, besteht erfindungsgemäß darin, dass zum Starten der Brennstoffzelle die erste Synchronmaschine erregt und als Motor bei leerlaufender zweiter Synchronmaschine zum Antrieb des Kompressors und des Hochdruckkompressors betrieben wird, dass die Brenngaszufuhr freigegeben wird, dass die zweite Synchronmaschine als Generator auf eine Spannung unterhalb der von der Brennstoffzelle im Betrieb ausgegebenen Spannung erregt wird, und dass nach dem Erreichen der Betriebsspannung der Brennstoffzelle die zweite Synchronmaschine bei dieser unterhalb der Brennstoffzellenspannung liegenden Spannung mit der Brennstoffzellenspannung beaufschlagt wird und als Motor den Kompressor und Hochdruckkompressor sowie die erste Synchronmaschine antreibt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren treibt die erste Synchronmaschine während des Startvorgangs bzw. der Startphase Zusatzaggregate an, die einen schnellen Start bewirken, d. h. die Brennstoffzelle in kurzer Zeit in einen Zustand versetzen, in dem sie ihre gewünschte Spannung ausgibt und die gewünschte Leistung abgeben kann. Während des Startvorgangs wird die zweite Synchronmaschine auf eine Ausgangsspannung erregt, die etwas kleiner als die Brennstoffzellenausgangsspannung im Nennbetrieb ist. Sobald die Brennstoffzellenspannung erreicht ist, wird diese über einen Schalter und den Wechselrichter an die zweite Synchronmaschine angelegt, wodurch die zweite Synchronmaschine nahezu stoßfrei vom Generator- in den Motorbetrieb übergeht. Durch die als Motor arbeitende zweite Synchronmaschine wird die erste Synchronmaschine auf Generatorbetrieb umgestellt, in dem sie die Speicherbatterie lädt und die an das Speicherbatterienetz angeschlossenen elektrischen Verbraucher mit Strom versorgt.

Zweckmäßigerweise wird die erste Synchronmaschine zuerst mit Erregerstrom beaufschlagt und danach wird in die Statorwicklung Strom durch den Wechselrichter eingespeist. Dies ist für die Erzeugung eines entsprechenden Anlaufmoments günstig.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mit dem Hochdruckkompressor eine Wasserpumpe in einem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle verbunden und wird während des Statorgangs der Brennstoffzelle auf Bypassbetrieb umgestellt, wobei der Zulauf zum Kühlkreislauf zur Brennstoffzelle gesperrt wird. Die Brennstoffzelle wird in der Startphase, in der die in ihr erzeugte Wärme zum Aufheizen auf Betriebstemperatur ausgenutzt wird, nicht gekühlt. Erst bei Lastzuständen, bei denen eine starke Wärmeentwicklung stattfindet, wird die Brennstoffzelle mit Kühlwasser versorgt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle und mit Zusatzaggregaten für den Betrieb der Brennstoffzelle und mit einer Speicherbatterie im Schema,
2 ein Übersichtsschaltbild mit wesentlichen Bestandteilen der in 1 dargestellten Vorrichtung im Zustand der Startphase der Brennstoffzelle,
3 ein Übersichtsschaltbild mit wesentlichen Bestandteilen der in 1 dargestellten Vorrichtung im Zustand nach der Aufnahme des Betriebs der Brennstoffzelle.
Eine insbesondere für ein Fahrzeug geeignete Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie enthält eine Brennstoffzelle 1, die elektrische Ausgänge 2, 3 aufweist, an die Verbraucher von elektrischer Energie angeschlossen sein können. Befindet sich die Vorrichtung in einem Fahrzeug, dann ist an die Ausgänge 2, 3 über einen nicht näher bezeichneten Schalter bzw. Steller ein Antriebsmotor 4 für die Antriebsräder des Fahrzeugs angeschlossen. Bedarfsweise können auch noch weitere Motoren und Schalter mit den Ausgängen 2, 3 bzw. mit einem an die Ausgänge 2, 3 angeschlossenen elektrischen Netz verbunden sein, das die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 führt.
Zur Versorgung der Brennstoffzelle 1 mit einem Oxydanten, insbesondere Luft, ist ein Kompressor 5 vorgesehen, der über eine nicht näher bezeichnete Leitung mit der Brennstoffzelle 1 verbunden ist. Der Kompressor 5 ist für eine Leistung ausgelegt, die ausreicht, um die Brennstoffzelle 1 in dem vorgesehenen Arbeitsbereich bei elektrische Belastung der Brennstoffzelle mit dem Oxydanten zu versorgen.
Ein Hochdruckkompressor 6 ist für die Versorgung eines Brenngaserzeugungssystems mit Luft vorgesehen. Das Brenngaserzeugungssystem, das z. B. aus Methanol Wasserstoff für die Brennstoffzelle erzeugt, benötigt die Luft zur CO-Oxidation, partiellen Oxidation, Methanoldosierung usw. Ein derartiges Brenngaserzeugungssystem ist an sich bekannt.
Die Einrichtungen zur Versorgung der Brennstoffzelle 1 mit Brenngas sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Zur Einspeisung des Brenngases, z. B. Wasserstoff, werden an sich bekannte Mittel eingesetzt. In der DE 43 22 767 A1 oder der US 5 334 463 sind z. B. Mittel zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Brenngas beschrieben.
Bei Belastung der Brennstoffzelle 1 wird diese zur Erreichung einer günstigen Betriebstemperatur gekühlt. Die Brennstoffzelle 1 enthält eine nicht näher dargestellte Kühleinrichtung für Kühlwasser, das einem Tank 7 durch eine Wasserpumpe 8 über eine Leitung 13 entnommen und über eine weitere Leitung 9, in der sich ein Regel ventil 10 befindet, der Kühleinrichtung der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, wenn eine bestimmte Betriebstemperatur trotz größerer Belastung aufrecht erhalten werden soll. Zu der Wasserpumpe 8 ist ein Parallelzweig 11 bzw. Bypass gelegt, in dem sich ein weiteres Ventil 12 befindet. In der Startphase, wenn die Brennstoffzelle durch die von ihr selbst erzeugte Prozesswärme möglichst schnell auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden soll, wird kein Kühlwasser in die Brennstoffzelle eingespeist. Die Einspeisung wird bei laufender Wasserpumpe 8 verhindert, indem das Ventil 12 im Parallelzweig 11 geöffnet wird.
Für den Antrieb des Kompressors 5, des Hochdruckkompressors 6 und der Wasserpumpe 8 ist eine Einheit 14, die im folgenden auch Antriebseinheit genannt wird, vorgesehen. Die Einheit weist zwei Synchronmaschinen 15, 16 auf, die starr miteinander gekoppelt sind. Weiterhin ist die Einheit über eine Welle 40 starr mit dem Kompressor 5 gekoppelt. Ferner ist eine Welle 17 der Einheit 14 mit einem Untersetzungsgetriebe 18 verbunden, dessen Welle 19 mit niedriger Drehzahl starr mit dem Hochdruckkompressor 6 und der Wasserpumpe 8 verbunden ist.
Die Synchronmaschine 15 hat eine dreiphasige Statorwicklung 20, die z. B. im Stern geschaltet ist. Die nicht näher bezeichneten Anschlüsse der Statorwicklung 20 sind jeweils an Ausgänge eines Wechselrichters 21 gelegt, der in an sich bekannter Weise als Brückenschaltung z. B. CMOS-Transistoren als Schalter aufweist, zu denen Freilaufdioden parallel geschaltet sind. Die elektrischen Bauelemente des Wechselrichters 21 sind nicht näher bezeichnet. Der Wechselrichter 21 ist an die Pole 22, 23 einer Speicherbatterie 24 bzw. eines Akkumulators angeschlossen, der ein Bordnetz speist, das z. B. 12 V oder 36 V haben kann. Die Statorwicklung ist für Bordnetzspannung ausgelegt.
Mit den Polen 22, 23 der Speicherbatterie 24 sind noch weitere Verbraucher des Fahrzeugs verbunden. Es kann sich z. B. um einen Heizwiderstand 25 und um Motoren handeln, von denen nur einer dargestellt und mit 26 bezeichnet ist. Die Verbraucher 25, 26 sind über nicht näher bezeichnete Schalter an das mit den Polen 22, 23 verbundene elektrische Netz angeschlossen. Die Schalter werden bedarfsweise geschlossen. Als Verbraucher können z. B. Antriebsmotore für das Schiebedach, Scheibenwischer, Fensterheber usw. vorgesehen sein.
Die Synchronmaschine 16 hat ebenfalls eine dreiphasige Statorwicklung 27, die z. B. im Stern geschaltet und für die Brennstoffzellenspannung ausgelegt ist. Die nicht näher bezeichneten Anschlüsse der Statorwicklung 27 sind an Ausgänge eines Wech selrichters 28 gelegt, der ebenfalls als Brückenschaltung mit CMOS-Transistoren als Schalter in den Brückenzweigen ausgebildet sein kann. Der Wechselrichter 28 ist mit den Anschlüssen 2, 3 der Brennstoffzelle 1 über einen Schalter 39 verbunden.
Die Synchronmaschine 15 hat eine Feldwicklung 29, die mit zwei Schleifringen 30, 31 auf der Maschinenwelle verbunden ist. Die Synchronmaschine 16 hat eine Feldwicklung 32, die an einen Schleifring 33 und den Schleifring 31 angeschlossen ist, der damit beiden Synchronmaschinen 15, 16 gemeinsam ist.
Der Schleifring 31 ist über eine nicht näher bezeichnete Bürste an den Pol 22 der Speicherbatterie 24 angeschlossen. Die Schleifringe 30, 33 sind je über eine nicht näher bezeichnete Bürste in Serie mit einem kontaktlosen Schalter 34 bzw. 35 mit dem Pol 23 der Speicherbatterie 24 verbunden.
Die Steuerelektroden der kontaktlosen Schalter 34, 35, der kontaktlosen Schalter der beiden Wechselrichter 21, 28, die Stellglieder der Ventile 10, 12, wenigstens ein Temperaturfühler im Kühlkreislauf der Brennstoffzelle, die Ausgänge 2, 3, die Pole 22, 23 und weitere nicht dargestellten Stellglieder bzw. Bauteile der Brenngaserzeugungseinrichtung sind an eine Steuerschaltung 36 bzw. Steuereinheit angeschlossen, die auch die Spannungen an den Polen 22, 23 und den Ausgängen 2, 3 überwacht. Mit der Steuerschaltung 36 können auch noch weitere Steuer- bzw. Schaltglieder z. B. von Verbrauchern im Netz der Speicherbatterie verbunden sein. Ebenso weist die Steuerschaltung 36 Bauelemente auf, die auf die Betätigung eines nicht dargestellten Zünd- bzw. Startschlüssels den Wechselrichter 21 derart in Betrieb setzen, dass die Synchronmaschine 15 als Motor auf ihre Nenndrehzahl hochläuft.
Die Synchronmaschinen 15, 16 können als Schenkelpolmaschinen oder solche mit zylindrischen Rotoren ausgebildet sein. Für hohe Drehzahlen werden vorwiegend Maschinen mit zylindrischen Rotoren eingesetzt.
Die Synchronmaschine 15 wird als Motor in der Startphase eingesetzt und kann eine geringere Leistung als die Synchronmaschine 16 haben.
Beispielsweise ist die Leistung der Synchronmaschine 16 mehr als fünf mal so groß wie die der Synchronmaschine 15. Die Drehzahlen der Synchronmaschinen 15, 16 liegen z. B. im Bereich oberhalb von 10 000 1/min. Das Untersetzungsverhältnis des Getriebes 18 kann 4/1 sein. Zur Inbetriebnahme der in 1 dargestellten Vorrichtung für die Erzeugung elektrischer Energie mit der Brennstoffzelle 1, die beispiels weise aus einem Stack einzelner Brennstoffzellenmodule besteht, wird ein Schlüssel betätigt, der die Steuerschaltung 36 veranlasst, den Schalter 34 zu schließen und den Wechselrichter 21 so anzusteuern, dass die Synchronmaschine 15 als Motor auf Nenndrehzahl hochläuft und diese Drehzahl eine gewisse Zeit beibehält, bis die Brennstoffzelle 1 ihren Betriebszustand erreicht hat, d. h. ihre Betriebsspannung ausgibt. Zugleich mit der Ansteuerung des Wechselrichters 21 werden die Mittel zur Einspeisung von Brennstoff in die Brennstoffzelle in Gang gesetzt, das Ventil 10 geschlossen und das Ventil 12 geöffnet. Die Startphase endet, wenn die Brennstoffzelle ihre Betriebsspannung erreicht hat. Während des Hochlaufs der Synchronmaschine 15 einschließlich der vorstehend erwähnten Zeit danach dreht sich die Synchronmaschine 16 im Leerlauf. In der Startphase wird die Brennstoffzelle 1 durch Einspeisung des Oxydanten durch den Kompressor 5 und durch das Brenngas aus der Brenngaserzeugungseinrichtung, die vom Hochdruckkompressor mit Luft versorgt wird, in Gang gesetzt. Die Brennstoffzelle 1 heizt sich durch die entstehende Prozesswärme auf und erzeugt eine Gleichspannung an den Ausgängen 2 und 3. Die für die Aggregate zum Ingangsetzen der Brennstoffzelle bzw. bis zu deren Betriebsbereitschaft benötigte Energie wird der Speicherbatterie 24 entnommen.
Die Steuerschaltung 36 erkennt, wenn die Brennstoffzelle 1 ihre Betriebsbereitschaft erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt oder schon vorher, wenn die Brennstoffzelle noch nicht ihre Betriebsspannung erreicht hat, speist die Steuerschaltung 36 Erregerstrom in die Feldwicklung 32 ein. Die Synchronmaschine 16 arbeitet dann als leerlaufender Generator, dessen Ausgangsspannung von der Steuerschaltung 36 überwacht und auf einen Wert eingestellt wird, der etwas kleiner als die bei Betriebsspannung der Brennstoffzelle 1 am Wechselrichter 28 ausgangsseitig vorhandene Spannung ist.
Hat die Brennstoffzelle 1 ihre vorgesehene Betriebsspannung erreicht, dann betätigt die Steuerschaltung 36 den Schalter 39 und die Schalter des Wechselrichters 28, so dass die Statorwicklung 27 der Synchronmaschine 16 mit der Spannung der Brennstoffzelle 1 beaufschlagt wird. Die Generatorspannung entspricht dabei einer Gegen-EMK. Die Synchronmaschine 16 geht daher vom Generator schnell in den Motorbetrieb über, worauf die Synchronmaschine den Kompressor 5 und den Hochdruckkompressor 6 sowie die Pumpe 8 antreibt. Durch den Übergang der Synchronmaschine 16 auf Motorbetrieb wird die Synchronmaschine 15 automatisch auf Generatorbetrieb umgestellt, in dem sie bei entsprechender Steuerung des Erregerstroms durch die Steuerschaltung 36 Ladestrom der Speicherbatterie 24 zuführt. Die Höhe der Spannung im Netz mit der Speicherbatterie 24 und dementsprechend die Ladung der Speicherbatterie 24 wird durch eine Einstellung des Erregerstroms in der Feldwick lung 29 den Erfordernissen angepasst. Wenn die Verbraucher 25, 26 in Betrieb sind, ist es durch eine entsprechende Erregung der Synchronmaschine 15 zweckmäßig die Verbraucher mit Strom aus der Synchronmaschine 15 zu versorgen, damit die Speicherbatterie 24 nicht entladen wird.
In 2 ist in einem Übersichtbild mit den wesentlichen Bestandteilen der Vorrichtung der Zustand der in 1 dargestellten Vorrichtung in der Startphase dargestellt. Zu den einzelnen, in 2 gezeigten Bauteilen der Vorrichtung wurden deren Wirkungsgrade angegeben. Es ist möglich, eine Synchronmaschine 16 für die von der Brennstoffzelle 1 erzeugte Spannung mit einem Wirkungsgrad von 90 % oder mehr unter Einbeziehung des Wirkungsgrades des Wechselrichters 28 zu erhalten. Für die Synchronmaschine 15, ausgelegt für die Spannung der Speicherbatterie, ist ein Wirkungsgrad von 85 % oder mehr unter Einbeziehung des Wirkungsgrades des Wechselrichters 21 möglich.
In der Startphase, in der die Brennstoffzelle 1 galvanisch vom Wechselrichter 28 durch den offenen Schalter 39 getrennt ist, ist der Wirkungsgrad, der von der Synchronmaschine 15 abgegebenen Leistung 85 %, die dann an den Kompressoren 5, 6 und der Wasserpumpe 8 verfügbar ist. Ein Systemkondensator 38 im Netz der Brennstoffzelle wird mit 0,76 Wirkungsgrad durch den Wechselrichter 28 geladen.
Die Kompressoren 5, 6 und die Wasserpumpe 8 sind in 2 als Block mit den Bezugszeichen 5, 6, 8 dargestellt. Der Wirkungsgrad einer Vorrichtung mit Einzelmotorantrieben, die am Brennstoffzellennetz hängen und vorgeschaltete DC/DC-Wandler haben, ist geringer.
Im normalen Betrieb der Brennstoffzelle 1, der in 3 im Übersichtsschaltbild mit den wesentlichen Bestandteilen der Vorrichtung gemäß 1 dargestellt ist, ist der hohe Wirkungsgrad der Synchronmaschine 16 von 90 % vorhanden, während die Speicherbatterie 24 mit einem niedrigen Wirkungsgrad von ca. 0,76 über die Synchronmaschine 15 geladen wird. Für die Antriebe steht demgegenüber durch den Wirkungsgrad von 90 % eine Leistung zur Verfügung, die sich auf eine wesentlich höhere Leistung als die Aufladeleistung bezieht. Bei der oben beschriebenen Vorrichtung mit Einzelmotoren wäre der Motorwirkungsgrad in etwa gleich dem des Startbetriebs, d. h. wesentlich geringer. Nur der Ladewirkungsgrad wäre dagegen etwas höher.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle (1), der ein Oxydant von einem Kompressor (5) zugeführt wird, und mit einem für die Versorgung eines Brenngaserzeugungssystems mit Luft bestimmten Hochdruckkompressor (6), dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (14) vorhanden ist, die eine erste und eine zweite Synchronmaschine (15, 16) aufweist, dass die erste (15) der beiden als Einheit starr miteinander gekoppelten Synchronmaschinen (15, 16) über einen Wechselrichter (21) an eine Speicherbatterie (24) und die zweite (16) über einen Wechselrichter (28) an elektrische Ausgänge (2, 3) der Brennstoffzelle (1) anschaltbar ist, dass die Einheit (14) wenigstens mit dem Hochdruckkompressor (6) und dem Kompressor (5) mechanisch starr gekoppelt ist und dass die Wechselrichter (21, 28) und Feldwicklungen (29, 32) der Synchronmaschinen (15, 16) an eine Steuerschaltungsanordnung (36) angeschlossen sind, die dazu eingerichtet ist, im Startbetrieb die erste Synchronmaschine (15) als Motor und die zweite (16) leerlaufend und nach dem Ende des Startbetriebs die zweite (16) als Motor und die erste (15) als Generator zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Welle des Hochdruckkompressors (6) eine Wasserpumpe (8) starr gekoppelt ist, zu der ein mit einem steuerbaren Ventil (12) ausgestatteter Bypass (11) parallel geschaltet ist und die mit einer Ausgangsleitung (9) über ein Ventil (10), mit dem ein Kühlwasserzulauf zur Brennstoffzelle (1) sperrbar ist, mit einer Kühleinrichtung der Brennstoffzelle (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldwicklungen (29, 32) der Synchronmaschinen (15, 16) je über kontaktlose Schalter (34, 35) mit der Speicherbatterie (24) verbunden sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkompressor (6) über ein Untersetzungsgetriebe (18) mit der Einheit (14) verbunden ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Synchronmaschine (15) 10 bis 20 % der Leistung der zweiten Synchronmaschine (16) hat.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlen der Synchronmaschinen (15, 16) in einem Bereich oberhalb von 10 000¹/min liegen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad der ersten Synchronmaschine (15) 85 % oder mehr und der Wirkungsgrad der zweiten (16) 90 % oder mehr bei Nennleistung ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (14) drei, mit den Feldwicklungen (29, 32) der Synchronmaschinen (15, 16) verbundene Schleifringe (30, 31, 33) hat von denen einer (31) beiden Feldwicklungen (29, 32) gemeinsam ist.
Verwendung der Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Fahrzeug, dessen Antriebsmotor (4) mit Energie aus der Brennstoffzelle (1) versorgt werden.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung für die Erzeugung elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle (1), der ein Oxydant von einem Kompressor (5) zugeführt wird, und mit einem für die Versorgung einer Brenngaserzeugungseinrichtung mit Luft bestimmten Hochdruckkompressor (6), dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (14) vorhanden ist, die eine erste und eine zweite Synchronmaschine (15, 16) aufweist, wobei die erste (15) der beiden starr miteinander gekoppelten Synchronmaschinen (15, 16) über einen Wechselrichter (21) an eine Speicherbatterie (24) und die zweite (16) über einen Wechselrichter (28) an elektrische Ausgänge (2,3) der Brennstoffzelle (1) anschaltbar ist, wobei die Einheit (14) wenigstens mit dem Hochdruckkompressor (6) und dem Kompressor (5) mechanisch starr gekoppelt ist, wobei zum Starten der Brennstoffzelle (1) die erste Synchronmaschine (15) erregt und als Motor bei leerlaufender zweiter Synchronmaschine (16) zum Antrieb des Kompressors (5) und des Hochdruckkompressors (6) betrieben wird, wobei die Brenngaszufuhr zur Brennstoffzelle (1) freigegeben wird, wobei die zweite Synchronmaschine (16) als Generator auf eine Spannung unterhalb der Betriebsspannung der Brennstoffzelle (1) erregt wird und wobei nach dem Erreichen der Betriebsspannung der Brennstoffzelle (1) die zweite Synchronmaschine (16) mit der Betriebsspannung beaufschlagt wird und als Motor den Kompressor (5) für die Oxydanten-Förderung und den Hochdruckkompressor (6) sowie die erste Synchronmaschine (15) antreibt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Synchronmaschine (15) zuerst mit Erregerstrom beaufschlagt und danach mit einer Statorwicklung (20) an den von der Speicherbatterie (24) gespeisten Wechselrichter (21) gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Hochdruckkompressor (6) eine Wasserpumpe (8) in einem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle (1) verbunden ist und dass die Wasserpumpe (8) während der Startphase der Brennstoffzelle (1) auf Bypassbetrieb eingestellt und ein Zulauf zu einer Kühleinrichtung der Brennstoffzelle (1) gesperrt wird.