本发明涉及燃料电池设备和用于在出现故障时、尤其是输出电网系统出现故障时确保燃料电池设备中燃料电池系统的燃料电池堆的负载点的方法。
背景技术：
1、从现有技术中知道了如下应用，其中由sofc燃料电池堆(sofc是英文“solidoxide fuel cell”的缩写，即固体氧化物燃料电池)产生的电能被馈入三相交流电网。
2、这种燃料电池堆的功率动态响应较慢，原因有多种，比如在负载突变时可能出现的急剧温差可能导致电池单元开裂的风险。因此，燃料电池堆无法响应电气负载的快速变化。
3、除了燃料电池堆本身，整个燃料电池系统也可能因突然卸载而受损。燃料气体在此情况下无法被转化为电能，这例如会导致燃料电池系统中的氧化催化剂异常升温，严重时甚至导致系统完全损毁。
4、在馈电网发生故障时，也存在无法将燃料气体能量转化为电能的危险。当地的所谓“电网规范”规定的电网稳定性要求，也使得针对这些情况的特殊电气设计成为必要(如所谓的低电压穿越能力)。
技术实现思路
1、本发明的任务是指明一种燃料电池设备，其电气设计简单、低成本且经过优化，使得在发生故障时，尤其是电网故障且尤其是电网断电时，不会造成燃料电池设备受损。
2、前述任务通过一种具有权利要求1所述特征的燃料电池设备和一种具有权利要求12所述特征的方法来完成。本发明的其它特征和细节来自从属权利要求、说明书和图。在此，关于本发明的燃料电池设备所述的特征和细节显然也与本发明的方法相关地适用，反之亦然，故关于对各个发明方面的公开内容总是相互参照或可相互参照。
3、本发明提供了一种具有燃料电池系统的燃料电池设备。燃料电池系统包括多个燃料电池堆，其中，燃料电池系统电连接或可电连接至输出电网系统，以便将燃料电池堆运行所产生的电能供应给输出电网，所述输出电网系统包括输出电网。燃料电池设备还包括负载电阻网络，其包括负载电阻，所述负载电阻用于在出现故障时、尤其是输出电网系统且尤其是输出电网出现电网故障时确保燃料电池堆的负载点，其中，燃料电池系统电连接至负载电阻网络，以便将燃料电池堆运行所产生的电能供应给负载电阻网络。
4、因此，本发明提供一种燃料电池设备，其中燃料电池堆在出现故障、尤其是电网故障时，如尤其是电网断电时，能够保持其工作点或负载点。燃料电池堆的负载点变化至少不会超出根据其功率动态所预定的范围，在该范围内，燃料电池系统可能受损的风险可以忽略不计。在此，电网故障的特点是，只有少量的电能，或者尤其在电网断电时，没有电能能流入输出电网。这种电网断电例如可能出现在燃料电池设备外部短路的情况下。在正常运行中，燃料电池堆产生的电能被输送到输出电网，因此它被称为输出电网。但作为替代，其例如也可被称为馈电网。因此如果所产生的功率因为电网故障而无法在被输送到输出电网、尤其是交流电网和/或三相电网，则多余能量可被引导至负载电阻。如果电网故障被消除，则电网电压恢复后，电能可以重新流入输出电网，而不再流入负载电阻。
5、根据本发明的燃料电池设备尤其是涉及在输出电网发生电网故障时保护燃料电池设备中燃料电池系统的燃料电池堆的负载点，但也可以有利地用于非电网连接的系统的负载点保护。关于出现电网故障所描述的所有特征因此有利地也可被用于非电网连接的系统。
6、燃料电池堆尤其可以是固体氧化物燃料电池堆。因此，燃料电池系统可以尤其是固体氧化物燃料电池系统或固体氧化物电解池系统(也是sofc系统，英文为“solid oxidefuel cell system”)。此外，这些燃料电池堆可以相互并联电连接，尤其通过随后详述的(电压)中间电路。但或者也可能的是，其中一些或全部的燃料电池堆相互串联电连接。
7、优选的是负载电阻设立用于将电能转换为废热。故在电网故障时无法自燃料电池设备经由输出电网输出的多余电能可以通过有利方式自燃料电池设备被排出，即作为废热。故废热尤其是指将电能转换为热能后散发出去的热。更尤其是，废热被排放到燃料电池堆和燃料电池系统之外。故废热优选未被输送到燃料电池堆，这虽然能提高其效率，但并非期望结果，因为这样必须将更多电能转换为废热。
8、还优选的是，负载电阻布置在燃料电池堆之外。如上所述，这有利于不在燃料电池堆中利用由负载电阻产生的热。相反，包含这些燃料电池堆的燃料电池系统外的结构空间可以有利地用于负载电阻网络。其中也可以在结构空间技术上更好地安置可选的冷却装置并优化其尺寸。
9、故还优选的是，燃料电池设备包括用于冷却负载电阻的冷却单元。冷却单元可以是空冷单元和/或水冷单元，即，设立用于借助空气(尤其是环境空气)和/或水进行冷却。在本发明范围内，水可以有利地是指任何冷却剂，尤其是液态冷却剂。空气可以例如借助风扇被循环。水可以借助冷却机组被主动冷却。由此可以向负载电阻传递大量电能，而不会使其受损，这在电网断电时特别有利，因为此时无法再通过输出电网输出任何电能。原则上也可能有利的是，所述冷却通过自然对流进行。
10、还有利的是负载电阻网络包括功率电子装置，其设立用于在出现电网故障时启用负载电阻。负载电阻的启用在此是指将燃料电池系统产生的电能供应至负载电阻，使其散发电能，尤其是将其转换为废热，或者换言之，转换并散发热能。
11、在此更尤其优选的是，功率电子装置设立用于连续测量在燃料电池系统与输出电网系统之间的中间电路内的电压，并且在中间电路中出现电压升高时启用负载电阻。中间电路可以尤其是dc中间电路。故功率电子装置可以依据电压测量和可能出现的电压升高来很快速地确定故障。负载电阻因此能在出现故障后以最短延时被启用，以避免燃料电池设备受损。启用功率电子装置所需的电压升高在此可以尤其被预先限定。电压升高在此可以尤其是被预定为最大绝对电压值和/或在预定时间段内的电压变化。因此尤其当连续测得的实际电压高于预定最大绝对电压值或在预定时间段内发生预定电压变化时，负载电阻可以被启用。
12、此外有利的是，功率电子装置具有调节器，用于依据在中间电路中测量的电压调节输送到负载电阻的电能。故有利的是，电能可以仅在故障程度需要时被传递至负载电阻，尤其是在不存在完全断电或电网断电的情况下。也可以简单确定故障何时被消除，以及输出电网系统何时再次可用。
13、尽管燃料电池系统在出现电网故障时有利地保持在负载点，但也有利的是，燃料电池系统设立用于在出现故障时、尤其是电网故障时降低运行中的燃料电池堆的负载点。换言之，燃料电池堆的工作点可以在出现故障时、尤其是电网故障时下降。这使得燃料电池设备内由燃料电池堆产生的电能降低，以减轻负载电阻的负载并且减少燃料电池堆的资源耗用。在此，前述调节器或另一调节器也可以被用来依据尤其由功率电子装置测量的电压调节燃料电池堆的负载点。在此可以考虑燃料电池堆的功率动态，使得燃料电池堆的负载点降低时不会超过其功率动态范围，以避免燃料电池堆受损。功率动态指示燃料电池堆的负载可以多快地降低而不造成损坏。因此，它是一种运行参数，并且例如可以通过电流变化率来表示。
14、还有利的是负载电阻网络布置在燃料电池堆的dc/dc变换器与输出电网系统的dc/ac变换器之间的中间电路内。因此，前述电压测量可以在所述中间电路、尤其是dc中间电路中进行。所述中间电路中的电压在此有利地通过输出电网系统被调节至恒定电压。有利地，所述至少一个dc/ac变换器因此具有在中间电路中保持恒定电压的工作模式。在此，负载电阻网络、燃料电池堆的dc/dc变换器和dc/ac变换器可以相互并联布置。在此可能的是给每个燃料电池堆分别配属一个dc/dc变换器，即与之电连接。也可能的是设有多个输出电网，其中，每个输出电网可以具有一个dc/ac变换器。还尤其可能的是dc/ac变换器可双向工作，或者设有两个串联的dc/ac变换器，它们能单向工作但在彼此相反的方向上工作。故可以按需从输出电网中汲取电能，尤其用于在燃料电池堆加热和冷却阶段为所述辅助设施电网供电以运行燃料电池设备。
15、还有利的是燃料电池设备包括辅助设施电网，其包括用于支持燃料电池系统工作的辅助设施，其中，燃料电池系统电连接至所述辅助设施电网以便给辅助设施电网供应燃料电池堆工作产生的电能。辅助设施电网在此也可以与中间电路相连并且尤其是与负载电阻网络、燃料电池系统和输出电网系统并联。辅助设施也被称为“配套设施”，英文为“balance of plant”。尤其是，辅助设施可以包括燃料电池系统中除了燃料电池堆本身之外的多个或全部部件。所述部件可以例如包括泵、传感器、换热器、密封件、空压机、循环风扇、增压空气冷却器和加湿器。它们通过辅助设施电网获得运行所需的电能，从而所述部件又能利用燃料电池堆的正常运行来产生电能。相应地，在输出电网系统中的dc/ac变换器的前述双向功能在燃料电池堆启动和关断(即加热和冷却)时是有利的，因为燃料电池堆本身在此阶段一般不产生电能或不再产生足够的电能，以便可靠地给辅助设施供应电能。虽然可以选择设置蓄电器，但因为所需容量大，这是一项成本密集的投资。
16、本发明的主题也是一种用于在出现故障时、尤其是输出电网系统出现电网故障时确保燃料电池设备中燃料电池系统的燃料电池堆的负载点的方法，所述输出电网系统被供应由燃料电池堆的运行所产生的电能。所述方法有以下步骤：
17、-出现故障、尤其是所述输出电网系统的电网故障，
18、-确定所出现的故障、尤其是电网故障，和
19、-借助负载电阻，在燃料电池系统与输出电网系统之间，将燃料电池设备中的电能转换为废热。
20、因此，本发明的方法带来与关于本发明燃料电池设备所明确描述的相同的优点。
21、尤其是，本发明的燃料电池设备可以设立或设计用于执行本发明方法。而本发明方法尤其也可以在本发明的燃料电池设备中或由本发明的燃料电池设备执行。
22、有利地，出现的故障、尤其是电网故障可以通过测量在燃料电池系统与输出电网系统之间中间电路内的电压升高来确定。
23、还有利的是由负载电阻转换的电能可依据在中间电路测量的电压来调节。
24、最后，运行中的燃料电池堆的负载点可以有利地在确定了故障、尤其是电网故障之后在燃料电池堆侧可供使用的功率动态范围内被降低。如果负载电阻设计得足够大，则也可能有利的是负载点保持不变。
1.一种具有燃料电池系统(12)的燃料电池设备(1)，包括多个燃料电池堆(10)，其中，所述燃料电池系统(12)电连接至或能够电连接至包括输出电网(24)的输出电网系统(20)，以便给所述输出电网(24)供应由所述燃料电池堆(10)工作所产生的电能，
2.如权利要求1所述的燃料电池设备(1)，其特征在于，所述负载电阻(52)设立用于将电能转换为废热。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池设备(1)，其特征在于，所述负载电阻(52)布置在所述燃料电池堆(12)之外。
4.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备(1)，其特征在于，所述燃料电池设备(1)包括用于冷却所述负载电阻(52)的冷却单元。
5.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备(1)，其特征在于，所述负载电阻网络(50)包括功率电子装置(54)，所述功率电子装置设立用于在出现所述电网故障(104)时启用所述负载电阻(52)。
6.如权利要求5所述的燃料电池设备(1)，其特征在于，所述功率电子装置(54)设立用于连续测量在所述燃料电池系统(12)与所述输出电网系统(20)之间的中间电路(40)内的电压并在所述中间电路(40)中出现电压升高时启用所述负载电阻(52)。
7.如权利要求6所述的燃料电池设备(1)，其特征在于，所述功率电子装置(54)具有调节器，所述调节器用于依据在所述中间电路(40)中测量的电压来调节所述负载电阻(52)被供以的电能。
8.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备(1)，其特征在于，所述燃料电池系统(12)设立用于在出现故障时将工作中的所述燃料电池堆(10)的负载点降低。
9.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备(1)，其特征在于，所述负载电阻网络(50)布置在所述燃料电池堆(10)的dc/dc变换器(16)与所述输出电网系统(20)的dc/ac变换器(22)之间的中间电路(40)内。
10.如权利要求1至8中任一项所述的燃料电池设备(1)，其特征在于，所述负载电阻网络(50)布置在所述燃料电池堆(10)的dc接线端与所述输出电网(24)的dc/ac变换器(22)之间。
11.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备(1)，其特征在于，所述燃料电池设备(1)包括辅助设施电网(30)，所述辅助设施电网包含用于辅助所述燃料电池系统(12)工作的辅助设施(34)，其中，所述燃料电池系统(12)电连接至所述辅助设施电网(30)，以便给所述辅助设施电网(30)供应由所述燃料电池堆(10)工作所产生的电能。
12.一种用于在输出电网系统(20)出现故障时确保燃料电池设备(1)的燃料电池系统(12)的燃料电池堆(10)的负载点的方法(100)，所述输出电网系统被供应由所述燃料电池堆(10)的运行所产生的电能，其中，所述方法(100)的特征是有以下步骤：
13.如权利要求12所述的方法(100)，其特征在于，所出现的故障、尤其是所述电网故障(104)是通过测量在所述燃料电池系统(12)与所述输出电网系统(20)之间的中间电路(40)中的电压升高来确定的。
14.如权利要求13所述的方法(100)，其特征在于，由所述负载电阻(52)转换的电能依据在所述中间电路(40)中测量的电压被调整。
15.如权利要求12至14中任一项所述的方法(100)，其特征在于，在确定了所述故障、尤其是所述电网故障(104)之后，工作中的所述燃料电池堆(10)的负载点在所述燃料电池堆(10)可供使用的负载动态范围内被降低。
