AT523920B1

AT523920B1 - Gas generating device for converting electrical energy into storable usable gas

Info

Publication number: AT523920B1
Application number: ATA50687/2020A
Authority: AT
Inventors: Reichholf Dipl Ing David
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-01-15
Also published as: WO2022032323A1; AT523920A4; DE112021002779A5

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gaserzeugungsvorrichtung (10) zur Umwandlung elektrischer Energie in speicherbares Nutzgas (NG), aufweisend ein Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110) zur Umwandlung von Zuführgas (ZG) in das Nutzgas (NG) und zumindest eine elektrische Heizvorrichtung (200) zur Erzeugen von Zuführwärme zur direkten und/oder indirekten Zufuhr zum Brennstoffzellensystem (100) für ein Aufheizen des Brennstoffzellensystems (100), weiter aufweisend eine Verteilungsvorrichtung (20) mit einem Eingangsanschluss (22) zum elektrischen Anschluss an wenigstens einen Stromerzeuger (300) und einem Brennstoffzellen-Anschluss (24) zum elektrischen Anschluss an das Brennstoffzellensystem (100) sowie zumindest einem Heiz-Anschluss (26) zum elektrischen Anschluss an die zumindest eine elektrische Heizvorrichtung (200), wobei die Verteilungsvorrichtung (20) ein Kontrollmodul (21) aufweist für ein kontrolliertes Aufteilen der elektrischen Energie vom Eingangsanschluss (22) auf den Brennstoffzellen- Anschluss (24) und den zumindest einen Heiz-Anschluss (26).The present invention relates to a gas generating device (10) for converting electrical energy into storable useful gas (NG), having a fuel cell system (100) with at least one fuel cell stack (110) for converting feed gas (ZG) into useful gas (NG) and at least one electrical Heating device (200) for generating supply heat for direct and/or indirect supply to the fuel cell system (100) for heating the fuel cell system (100), further comprising a distribution device (20) with an input connection (22) for electrical connection to at least one power generator ( 300) and a fuel cell connection (24) for the electrical connection to the fuel cell system (100) and at least one heating connection (26) for the electrical connection to the at least one electrical heating device (200), the distribution device (20) having a control module ( 21) for a controlled distribution of the electrical energy ie from the input connection (22) to the fuel cell connection (24) and the at least one heating connection (26).

Description

description

GASERZEUGUNGSVORRICHTUNG ZUR UMWANDLUNG ELEKTRISCHER ENERGIE IN SPEICHERBARES NUTZGAS GAS GENERATION DEVICE FOR CONVERTING ELECTRICAL ENERGY INTO STORABLE USABLE GAS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gaserzeugungsvorrichtung zur Umwandlung elektrischer Energie in speicherbares Nutzgas sowie ein Verfahren für ein Verteilen von fluktuierender elektrischer Energie in einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung. The present invention relates to a gas generating device for converting electrical energy into storable usable gas and a method for distributing fluctuating electrical energy in a gas generating device according to the invention.

[0002] Es ist bekannt, dass Gaserzeugungsvorrichtungen eingesetzt werden sollen, um elektrische Energie in ein speicherbares Nutzgas umzuwandeln. Umgekehrt kann dieses Nutzgas wiederum in elektrische Energie rückgewandelt werden. Dies nimmt in der Bedeutung insbesondere dadurch zu, dass es immer wichtiger wird, Energiesysteme zu dekarbonisieren. Regenerativen Energieerzeugern ist es gemeinsam, dass die Energieerzeugung häufig mit stark fluktuierenden Erzeugungsleistungen erfolgt. Am Beispiel einer Windenergieanlage ist dies gut ersichtlich. Bei hohen Windgeschwindigkeiten führt dies dazu, dass mit einer hohen Erzeugungsleistung eine entsprechend große Menge an elektrischer Energie produziert wird. Sinkt die Windgeschwindigkeit, so reduziert sich auch die Erzeugungsleistung und die entsprechend produzierte elektrische Energie. Beim Anschluss an Netzwerke zum Verteilen der elektrischen Leistung führt dies dazu, dass entsprechend für die Netzstabilität eine Absicherung erfolgen muss. Darüber hinaus passt die erzeugte elektrische Energie häufig nicht zur aktuellen Abnahmesituation, sodass ein Zwischenspeichern der erzeugten elektrischen Energie gewünscht wird. It is known that gas generating devices are to be used to convert electrical energy into a storable usable gas. Conversely, this useful gas can be converted back into electrical energy. This is becoming more important, especially as it is becoming more and more important to decarbonize energy systems. Regenerative energy producers have in common that the energy is often generated with strongly fluctuating generation capacities. This can be clearly seen using the example of a wind turbine. At high wind speeds, this means that a correspondingly large amount of electrical energy is produced with a high generation capacity. If the wind speed drops, the generation capacity and the correspondingly produced electrical energy are also reduced. When connecting to networks for distributing the electrical power, this means that protection must be provided accordingly for network stability. In addition, the electrical energy generated often does not match the current consumption situation, so that intermediate storage of the electrical energy generated is desired.

[0003] Bekannte Lösungen erlauben das Zwischenspeichern der elektrisch erzeugten Energie zum Beispiel in Batterievorrichtungen. Da diese jedoch entsprechend große Speicherkapazitäten aufweisen müssen und entsprechend ein hoher konstruktiver und finanzieller Aufwand betrieben werden muss, ist es auch bekannt, sogenannte Power-to-Gas-Verfahren einzusetzen, also aus der erzeugten elektrischen Energie speicherbares Nutzgas zu produzieren, welches später wieder in elektrische Energie zurückgewandelt werden kann. Eine Möglichkeit solcher bekannten Power-to-GasVerfahren ist die Verwendung von Brennstoffzellensystemen, welche durch die Anwendung des Elektrolyseprinzips aus der erzeugten elektrischen Energie speicherbares Nutzgas insbesondere in Form von wasserstoffhaltigem Gas machen und dieses Gas im umgekehrten Betrieb wieder entsprechend dem Brennstoffzellenprinzip in elektrische Energie umwandeln. Known solutions allow the temporarily storing of the electrically generated energy, for example in battery devices. However, since these must have correspondingly large storage capacities and a correspondingly high design and financial effort must be made, it is also known to use so-called power-to-gas processes, i.e. to produce storable useful gas from the electrical energy generated, which can later be used again in electrical energy can be converted back. One possibility of such known power-to-gas processes is the use of fuel cell systems, which, by using the electrolysis principle, convert the generated electrical energy into storable useful gas, in particular in the form of hydrogen-containing gas, and in reverse operation convert this gas back into electrical energy according to the fuel cell principle.

[0004] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass bei Power-to-Gas-Verfahren die verwendeten Brennstoffzellen eine relativ träge Kontrollfunktionalität aufweisen. Mit anderen Worten sind Brennstoffzellen üblicherweise durch ihr Konstruktionsprinzip dafür ausgelegt an einem möglichst konstanten Betriebspunkt betrieben zu werden. Insbesondere bei Hochtemperaturbrennstoffzellen würde ein längerer Teillastbetrieb oder ein Standby-Betrieb zum Auskühlen des Systems führen, was in weiterer Folge wiederum mit entsprechenden Aufheizzeiten verbunden ist, um höhere Lastpunkte bedienen zu können. Eine Belastung der Zellen hängt nämlich direkt mit dem Temperaturniveau derselben zusammen. Dies beruht insbesondere auf der Tatsache, dass bei Brennstoffzellen eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in Brennstoffzellenstapeln angeordnet sind, wobei die Zellspannung jeder Brennstoffzelle einen maximalen Zellenspannungswert nicht überschreiten soll. Dieser maximale Spannungswert korreliert mit dem elektrischen Widerstand in der jeweiligen Brennstoffzelle, welcher wiederum mit der Temperatur in der jeweiligen Brennstoffzelle korreliert. Je höher die Temperatur einer Brennstoffzelle ist, so geringer ist der Widerstand und desto geringer auch die Spannung. Dies führt dazu, dass bei hoher Temperatur eines Brennstoffzellensystems auch eine hohe Umsetzungsleistung, also eine große Menge an elektrisch erzeugter Energie, in Nutzgas umgewandelt werden kann. Bei niedrigen Temperaturen des Brennstoffzellensystems führt dies zu einem entsprechend niedrigen Betriebspunkt mit einer niedrigen Umsetzungsrate von elektrischer Energie in Nutzgas. Mit anderen Worten ist die Temperatur ein entscheidender Parameter, um bei trägen Brennstoffzellensystemen die Umsetzung von Zuführgas in Nutzgas zu steuern beziehungsweise zu regeln. A disadvantage of the known solutions is that the fuel cells used in power-to-gas processes have a relatively sluggish control functionality. In other words, due to their design principle, fuel cells are usually designed to be operated at an operating point that is as constant as possible. In the case of high-temperature fuel cells in particular, longer partial-load operation or standby operation would lead to the system cooling down, which in turn is associated with corresponding heating-up times in order to be able to serve higher load points. A load on the cells is directly related to the temperature level of the same. This is based in particular on the fact that, in the case of fuel cells, a plurality of fuel cells are arranged in fuel cell stacks, with the cell voltage of each fuel cell not being intended to exceed a maximum cell voltage value. This maximum voltage value correlates with the electrical resistance in the respective fuel cell, which in turn correlates with the temperature in the respective fuel cell. The higher the temperature of a fuel cell, the lower the resistance and the lower the voltage. This means that when the temperature of a fuel cell system is high, a high conversion capacity, ie a large amount of electrically generated energy, can also be converted into useful gas. At low temperatures of the fuel cell system, this leads to a correspondingly low operating point with a low conversion rate of electrical energy into usable gas. In other words, the temperature is a crucial parameter in order to control or regulate the conversion of feed gas into usable gas in sluggish fuel cell systems.

[0005] Bei bekannten Lösungen führt dies dazu, dass ein stark fluktuierender erzeugter Strom in In known solutions, this means that a strongly fluctuating current generated in

Form einer Erzeugungsleistung nur teilweise durch den trägen Betrieb der Brennstoffzelle auch tatsächlich in Nutzgas umgewandelt werden kann. Steigt beispielsweise die Erzeugungsleistung durch eine Windböe stark an, so wird dieser starke Anstieg des erzeugten Stroms nur zu einem geringen Teil in Nutzgas in der Brennstoffzelle umgesetzt werden können, da die Brennstoffzelle nur sehr träge reagiert und dementsprechend dem schnellen Anstieg der Erzeugungsleistung nicht mit einem gleich schnellen Anstieg der Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems folgen kann. In gleicher Weise kann bei einem starken Absinken der Erzeugungsleistung die Brennstoffzelle nur in einem gewissen Grad diesem Absinken folgen, sodass ebenfalls ein Betrieb des Brennstoffzellensystems mit reduzierter Effizienz die Folge ist. Form of a generation output can actually be converted into usable gas only partially due to the sluggish operation of the fuel cell. If, for example, the generation capacity rises sharply due to a gust of wind, only a small part of this sharp increase in the electricity generated can be converted into useful gas in the fuel cell, since the fuel cell only reacts very sluggishly and accordingly does not correspond to the rapid increase in generation capacity rapid increase in operating power of the fuel cell system. In the same way, if there is a sharp drop in the generation output, the fuel cell can only follow this drop to a certain extent, so that the fuel cell system is also operated with reduced efficiency as a result.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Effizienz bei der Herstellung von Nutzgas zu verbessern. It is an object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention to improve the efficiency in the production of useful gas in a cost-effective and simple manner.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Gaserzeugungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. The above object is achieved by a gas generating device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 9. Further features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the gas generating device according to the invention naturally also apply in connection with the method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to reciprocally.

[0008] Erfindungsgemäß dient eine Gaserzeugungsvorrichtung zur Umwandlung elektrischer Energie in speicherbares Nutzgas. Hierfür weist die Gaserzeugungsvorrichtung ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel zur Umwandlung von Zuführgas in das Nutzgas auf. Weiter ist zumindest eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen zum Erzeugen von elektrischer Zuführwärme zur direkten und/oder indirekten Zufuhr zum Brennstoffzellensystem für ein Aufheizen des Brennstoffzellensystems. Weiter weist die Gaserzeugungsvorrichtung eine Verteilungsvorrichtung mit einem Eingangsanschluss zum elektrischen Anschluss an wenigstens einen Stromerzeuger auf. Die Verteilungsvorrichtung ist darüber hinaus mit einem Brennstoffzellen-Anschluss zum elektrischen Anschluss an das Brennstoffzellensystem sowie zumindest einem Heiz-Anschluss zum elektrischen Anschluss an die zumindest eine elektrische Heizvorrichtung ausgestattet. Darüber hinaus weist die Verteilungsvorrichtung ein Kontrollmodul auf für ein kontrolliertes Aufteilen der elektrischen Energie vom Eingangsanschluss auf den Brennstoffzellen-Anschluss und den zumindest einen Heiz-Anschluss. According to the invention, a gas generating device is used to convert electrical energy into usable gas that can be stored. For this purpose, the gas generating device has a fuel cell system with at least one fuel cell stack for converting feed gas into useful gas. Furthermore, at least one electrical heating device is provided for generating electrical supply heat for direct and/or indirect supply to the fuel cell system for heating up the fuel cell system. Furthermore, the gas generating device has a distribution device with an input connection for the electrical connection to at least one power generator. The distribution device is also equipped with a fuel cell connection for the electrical connection to the fuel cell system and at least one heating connection for the electrical connection to the at least one electrical heating device. In addition, the distribution device has a control module for a controlled distribution of the electrical energy from the input connection to the fuel cell connection and the at least one heating connection.

[0009] Erfindungsgemäß wird eine Kopplungsmöglichkeit zur Verfügung gestellt, um von Stromerzeugern erzeugten elektrischen Strom in ein Nutzgas zur Zwischenspeicherung umzusetzen. Dieses System der Gaserzeugungsvorrichtung basiert auf dem Elektrolyseprinzip und setzt hierfür ein Brennstoffzellensystem ein. Dieses Brennstoffzellensystem weist zumindest einen Brennstoffzellenstapel auf, welcher übereinander gestapelte einzelne Brennstoffzellen miteinander kombiniert. Zuführgas, insbesondere wasserhaltiges Zuführgas, zum Beispiel in Form von Wasserdampf, wird dem Brennstoffzellenstapel zugeführt und dort unter der ebenfalls zugeführten elektrischen Energie in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt. Der Wasserstoff stellt dabei das Nutzgas dar und wird anschließend zum Beispiel mit Hilfe eines Verdichters in einem entsprechenden Nutzgastank zwischengespeichert. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich dabei insbesondere um sogenannte Festoxidbrennstoffzellen, welche auch als SOEC-Brennstoffzellen bezeichnet werden. Die Betriebstemperaturen solcher Brennstoffzellensysteme liegen vorteilhafter Weise in einem Bereich von circa 500 Grad Celsius bis circa 1000 Grad Celsius. According to the invention, a coupling option is provided in order to convert electrical power generated by power generators into a usable gas for temporary storage. This gas generating device system is based on the principle of electrolysis and uses a fuel cell system for this purpose. This fuel cell system has at least one fuel cell stack, which combines individual fuel cells stacked on top of one another. Feed gas, in particular feed gas containing water, for example in the form of water vapor, is fed to the fuel cell stack and converted there into hydrogen and oxygen under the electrical energy that is also fed in. The hydrogen represents the usable gas and is then temporarily stored in a corresponding usable gas tank, for example with the aid of a compressor. The fuel cell system is in particular what are known as solid oxide fuel cells, which are also referred to as SOEC fuel cells. The operating temperatures of such fuel cell systems are advantageously in a range from approximately 500 degrees Celsius to approximately 1000 degrees Celsius.

[0010] In einem stationären Betrieb wird über einen Stromerzeuger, welcher beispielsweise ein regenerativer Stromerzeuger ist, insbesondere in Form einer Windenergieanlage und/oder einer Photovoltaikanlage, elektrischer Strom als Erzeugungsleistung erzeugt. Dieser elektrische Strom wird über den Eingangsanschluss der Verteilungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung zugeführt. Dort kann nun entschieden werden, wie sich die Erzeugungsleistung In stationary operation, electric power is generated as a generating capacity via a power generator, which is, for example, a regenerative power generator, in particular in the form of a wind turbine and/or a photovoltaic system. This electric current is supplied via the input connection of the distribution device of the gas generating device according to the invention. There you can now decide how the generation capacity will change

zur aktuellen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems verhält. Im einfachsten Fall entspricht die Erzeugungsleistung im Wesentlichen der aktuellen Betriebssituation, sodass die erzeugte Erzeugungsleistung über den Brennstoffzellen-Anschluss dem Brennstoffzellenstapel zugeführt und dort vollständig oder im Wesentlichen vollständig der Umsetzung vom Zuführgas in das Nutzgas zur Verfügung gestellt wird. Findet beispielsweise eine deutliche Erhöhung, zum Beispiel durch eine starke Windböe an einer Windenergieanlage, statt, so erhöht sich entsprechend auch die Erzeugungsleistung am Eingangsanschluss der Verteilungsvorrichtung. Diesem schnellen Anstieg kann, aufgrund der bereits erläuterten Trägheit des Brennstoffzellensystems, nicht durch einen entsprechend schnellen Anstieg der Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems gefolgt werden. Mit anderen Worten steht also eine Uberproduktion an elektrischer Energie zur Verfügung, die bei den bekannten Lösungen nun nicht der Umsetzung in Nutzgas zur Verfügung gestellt werden könnte, sondern vielmehr abgeregelt worden wäre. to the current operating situation of the fuel cell system. In the simplest case, the generation capacity essentially corresponds to the current operating situation, so that the generation capacity generated is supplied to the fuel cell stack via the fuel cell connection and is made available there completely or essentially completely for the conversion of the feed gas into the useful gas. If, for example, there is a significant increase, for example due to a strong gust of wind on a wind turbine, the generation power at the input connection of the distribution device also increases accordingly. Due to the already explained inertia of the fuel cell system, this rapid increase cannot be followed by a correspondingly rapid increase in the operating power of the fuel cell system. In other words, an overproduction of electrical energy is available, which in the known solutions could not be made available for conversion into useful gas, but rather would have been curtailed.

[0011] Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Gaserzeugungsvorrichtung ist nun jedoch die Verteilungsvorrichtung mit zumindest einem Heiz-Anschluss ausgestattet. Uber diesen HeizAnschluss ist es möglich, bei einem Fall, wie er voranstehend erläutert worden ist, die überschüssige Erzeugungsleistung nicht abzuregeln, sondern vielmehr zumindest einer elektrischen Heizvorrichtung zuzuführen. Diese eine elektrische Heizvorrichtung erzeugt nun auf Basis dieser überschüssigen elektrischen Erzeugungsleistung Wärmeenergie, welche direkt oder indirekt dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. In the configuration of the gas generating device according to the invention, however, the distribution device is now equipped with at least one heating connection. In a case such as that explained above, it is possible via this heating connection not to regulate the excess generation power, but rather to feed it to at least one electrical heating device. On the basis of this excess electrical generation power, this one electrical heating device now generates thermal energy, which is supplied directly or indirectly to the fuel cell system.

[0012] Wie bereits erläutert worden ist, hängt die Betriebssituation und damit auch der Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems unter anderem von der Temperatur des Brennstoffzellenstapels beziehungsweise der einzelnen Brennstoffzellen ab. Je höher die Temperatur ist, umso gröBer ist auch die Umsetzungsmöglichkeit und damit die Effizienz bei der Herstellung von Nutzgas. Dies erlaubt es also, in Form einer Power-to-Heat-Lösung überschüssige Energie bei einem schnellen Anstieg der Erzeugungsleistung nicht wie bei den bekannten Lösungen abzuregeln, sondern vielmehr in Wärme umzusetzen, welche wiederum dem Brennstoffzellenstapel direkt über Kontakt (beispielsweise über Wärmetauscher) oder Fluide beziehungsweise indirekt über andere Systeme zugeführt werden kann. Die Erhöhung der Temperatur erhöht den Betriebspunkt und erleichtert es damit, die Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems schneller zu steigern als dies ohne diese separate Heizmöglichkeit der Fall wäre. Mit anderen Worten wird es nun möglich mit Hilfe einer zusätzlichen Power-to-Heat-Funktionalität die bestehende Power-to-GasFunktionalität des Brennstoffzellensystems zu ergänzen und damit die Umsetzungsmöglichkeit von elektrischem Strom auch bei überschüssiger Erzeugungsleistung zu optimieren beziehungsweise zu maximieren. As has already been explained, the operating situation and thus also the operating point of the fuel cell system depends, among other things, on the temperature of the fuel cell stack or of the individual fuel cells. The higher the temperature, the greater the possibility of conversion and thus the efficiency in the production of useful gas. This means that, in the form of a power-to-heat solution, excess energy cannot be regulated off in the event of a rapid increase in generation capacity, as is the case with the known solutions, but instead converted into heat, which in turn is fed directly to the fuel cell stack via contact (e.g. via heat exchanger) or Fluids or can be supplied indirectly via other systems. Increasing the temperature raises the operating point, making it easier to increase the operating power of the fuel cell system faster than would be the case without this separate heating option. In other words, it is now possible to supplement the existing power-to-gas functionality of the fuel cell system with the help of an additional power-to-heat functionality and thus to optimize or maximize the possibility of converting electrical power even with excess generation capacity.

[0013] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung die zumindest eine elektrische Heizvorrichtung als Dampferzeuger ausgebildet ist zur Erzeugung von Wasserdampf als Zuführgas zum Brennstoffzellenstapel. Ein solcher Dampferzeuger ist im einfachsten Fall ein elektrischer Dampferzeuger, welcher zum Beispiel in Form einer Widerstandsheizung flüssiges Wasser auf über 100 Grad Celsius erwärmt und auf diese Weise zum Verdampfen bringt. Der Wasserdampf kann direkt oder indirekt als Zuführgas für die Umsetzung in Nutzgas verwendet werden. Auch eine Mischung mit weiteren Zuführgaskomponenten ist im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. Dadurch, dass Wasserdampf als Zuführgas bei der Umsetzung in Wasserstoff als Nutzgas auch bei normalen Betriebssituationen notwendig ist, kann es Vorteile mit sich bringen, wenn dieser Dampferzeuger bei einem normalen Betrieb, also ohne überschüssige Erzeugungsleistung, mit einem separaten Strom, beispielsweise aus einem Stromnetz, betrieben wird. Überschüssige Erzeugungsleistung führt also nun dazu, dass eine Zufuhr von elektrischer Energie von außen reduziert werden kann, sofern überschüssige Erzeugungsleistung vorliegt und über die Verteilungsvorrichtung an den Dampferzeuger als Heizvorrichtung überführt werden kann. Die Verwendung einer elektrischen Heizvorrichtung als Dampferzeuger führt also zu einer indirekten Zufuhr von Wärme zum Brennstoffzellensystem über das Medium der Dampferzeugung. It can bring advantages when, in a gas generating device according to the invention, the at least one electrical heating device is designed as a steam generator for generating water vapor as the feed gas for the fuel cell stack. In the simplest case, such a steam generator is an electric steam generator which, for example in the form of a resistance heater, heats liquid water to over 100 degrees Celsius and in this way causes it to evaporate. The steam can be used directly or indirectly as feed gas for conversion into useful gas. A mixture with other feed gas components is also conceivable within the meaning of the present invention. Due to the fact that water vapor is necessary as the supply gas for the conversion into hydrogen as useful gas even in normal operating situations, it can bring advantages if this steam generator is used in normal operation, i.e. without excess generation capacity, with a separate stream, for example from a power grid, is operated. Excess generation power now means that a supply of electrical energy from outside can be reduced if there is excess generation power and can be transferred to the steam generator as a heating device via the distribution device. The use of an electrical heating device as a steam generator thus leads to an indirect supply of heat to the fuel cell system via the steam generation medium.

[0014] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung der Dampferzeuger einen Dampfspeicher aufweist für ein Zwischenspeichern von erzeug-It is also advantageous if, in a gas generating device according to the invention, the steam generator has a steam accumulator for temporarily storing generated

tem Wasserdampf. Dampf, welcher vom Dampferzeuger zur Verfügung gestellt wird, hängt in der notwendigen Menge ebenfalls vom aktuellen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems ab. Es ist jedoch möglich, dass der Überschuss an Erzeugungsleistung so groß ist, dass er nur zum Teil mit der aktuell benötigten Wasserdampfmenge korreliert, welche zum aktuellen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems passt. Um nun sicherzustellen, dass ein möglichst großer Anteil der überschüssigen Erzeugungsleistung, insbesondere der gesamte Uberschuss, auch gespeichert beziehungsweise verwendet werden kann, kann ein Dampfspeicher auch ein überproportionales Dampferzeugen ermöglichen, sodass bei später abgenommenem Überschuss der Erzeugungsleistung der bereits zu einem früheren Zeitpunkt erzeugte Dampf dem Betrieb des Brennstoffzellensystems zur Verfügung steht. Mit anderen Worten bildet der Dampfspeicher einen Wärmezwischenspeicher aus, welcher kurzfristige Spitzen im Überschuss der Erzeugungsleistung aufnehmen und später wieder abgeben kann. Insbesondere führt dies dazu, dass bei einem starken Absinken der Erzeugungsleistung, insbesondere unter die aktuelle Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems trotzdem ein hoher Wasserdampfstrom erzeugt werden kann, da dieser nun aus dem vorher gefüllten Dampfspeicher zur Verfügung gestellt wird. Dieser Dampfspeicher kann zum Beispiel ein oder mehrere Ausgangsventilvorrichtungen aufweisen und/oder ein oder mehrere Frischwasserzufuhren, um die Heizvorrichtung zu versorgen. Der Dampfspeicher selbst ist vorzugweise zweiphasig ausgeführt, sodass immer ein gewisser Anteil an Wasserdampfphase und ein gewisser Teil an flüssiger Wasserphase vorliegen. tem water vapour. The amount of steam made available by the steam generator also depends on the current operating point of the fuel cell system. However, it is possible that the excess generation capacity is so large that it only partially correlates with the currently required amount of water vapor, which matches the current operating point of the fuel cell system. In order to ensure that as large a proportion of the excess generation capacity as possible, in particular the entire excess, can also be stored or used, a steam accumulator can also enable disproportionate steam generation, so that if the surplus generation capacity is removed later, the steam already generated at an earlier point in time can be used Operation of the fuel cell system is available. In other words, the steam accumulator forms an intermediate heat accumulator, which can absorb short-term peaks in excess of the generation capacity and release it again later. In particular, this means that a high water vapor flow can still be generated when the generation output falls sharply, in particular below the current operating output of the fuel cell system, since this is now made available from the previously filled vapor accumulator. This steam accumulator may, for example, have one or more outlet valve devices and/or one or more fresh water supplies to feed the heating device. The vapor accumulator itself is preferably designed in two phases, so that there is always a certain proportion of water vapor phase and a certain proportion of liquid water phase.

[0015] Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung die zumindest eine elektrische Heizvorrichtung als Wärmespeicher mit einem Thermofluid ausgebildet ist. Ein solches Thermofluid weist insbesondere einen Schmelzpunkt und/oder einen Siedepunkt von größer als ca. 100 Grad Celsius auf und erlaubt es, die Wärme für einen späteren Zeitpunkt zusätzlich oder alternativ zu dem voranstehend beschriebenen Dampfspeicher zu speichern. Auch hier wird es also möglich, elektrische Energie aus einem Überschuss an Erzeugungsleistung in Wärme umzuwandeln und in dem Thermofluid zu speichern. Das Thermofluid kann die gespeicherte Wärme später, zum Beispiel zur Erzeugung von Dampf, an einen Dampferzeuger abgeben oder aber auch über andere Möglichkeiten, zum Beispiel ein Temperiersystem des Brennstoffzellensystems, dieses mit der gespeicherten Wärme versorgen. It is also advantageous if, in a gas generating device according to the invention, the at least one electrical heating device is designed as a heat accumulator with a thermal fluid. Such a thermal fluid has in particular a melting point and/or a boiling point of greater than approximately 100 degrees Celsius and allows the heat to be stored for a later point in time in addition or as an alternative to the vapor storage device described above. Here, too, it is therefore possible to convert electrical energy from an excess of generating capacity into heat and to store it in the thermal fluid. The thermal fluid can later transfer the stored heat to a steam generator, for example to generate steam, or it can supply the fuel cell system with the stored heat via other options, for example a temperature control system.

[0016] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung die zumindest eine elektrische Heizvorrichtung als Komponentenheizer für ein direktes Aufheizen wenigstens einer Komponente des Brennstoffzellensystems ausgebildet ist. Dabei handelt es sich insbesondere um einen Widerstandsheizer, welcher zum Beispiel über eine Kontaktierung der entsprechenden Komponente des Brennstoffzellensystems die Wärme über Wärmetransport, insbesondere über Wärmeleitung, auf das Brennstoffzellensystem überträgt. Dabei handelt es sich um eine besonders einfache Möglichkeit eine direkte Heizmöglichkeit für das Brennstoffzellensystem durch die elektrische Heizvorrichtung zur Verfügung zu stellen. It also has advantages if, in a gas generating device according to the invention, the at least one electrical heating device is designed as a component heater for direct heating of at least one component of the fuel cell system. This is in particular a resistance heater which transfers the heat to the fuel cell system via heat transport, in particular via heat conduction, for example by contacting the corresponding component of the fuel cell system. This is a particularly simple way of providing a direct heating option for the fuel cell system using the electrical heating device.

[0017] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung die zumindest eine elektrische Heizvorrichtung als Fluidheizvorrichtung zum Heizen eines im Brennstoffzellensystem geführten Fluids ausgebildet ist. Darunter ist zu verstehen, dass Fluide, zum Beispiel das Zuführgas oder aber Kühl- oder Temperiermittel in einer Temperiervorrichtung des Brennstoffzellensystems mit der Heizvorrichtung beheizt werden können, und durch den Strom des Fluids in und/oder durch das Brennstoffzellensystems einzelne Bereiche des Brennstoffzellensystems mit der übertragenen Wärme aufgeheizt werden können. It is also advantageous if, in a gas generating device according to the invention, the at least one electrical heating device is designed as a fluid heating device for heating a fluid conducted in the fuel cell system. This means that fluids, for example the supply gas or coolant or temperature control medium in a temperature control device of the fuel cell system can be heated with the heating device, and individual areas of the fuel cell system can be heated by the flow of fluid into and/or through the fuel cell system with the transferred Heat can be heated.

[0018] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung die Verteilungsvorrichtung einen Batterie-Ausgang aufweist, an welchem eine elektrische Batterieeinheit zum Speichern elektrischer Energie angeschlossen ist, wobei das Kontrollmodul zusätzlich die elektrische Energie auch auf den Batterie-Ausgang aufteilt. Dabei handelt es sich um die Möglichkeit zusätzlich zu der Power- to-Heat-Funktionalität gemäß dem Kerngedanken der vorliegenden Erfindung auch elektrische Energie in einer Batterie zwischenzuspeichern. Dabei kann es sich um eine chemische Batterie oder aber auch um einen Kondensatorenspeicher handeln. Der Kerngedanke ist dabei, dass diese elektrische Energie bidirektional in der Batterieeinheit gespeichert wird, also bei einer Unterversorgung durch die Erzeugungsleistung über die Ver-It is also advantageous if, in a gas generating device according to the invention, the distribution device has a battery output to which an electrical battery unit for storing electrical energy is connected, the control module also dividing the electrical energy to the battery output. This is the possibility, in addition to the power-to-heat functionality according to the core idea of the present invention, of also temporarily storing electrical energy in a battery. This can be a chemical battery or a capacitor store. The core idea is that this electrical energy is stored bidirectionally in the battery unit, i.e. if there is an undersupply from the generation capacity via the supply

teilungsvorrichtung wieder aus der Batterieeinheit entladen werden kann, und auf diese Weise der Erzeugung von Nutzgas im Brennstoffzellensystem zeitversetzt zugeführt wird. Die Batterieeinheit erlaubt also ein kurzfristiges Auslagern und Zwischenspeichern von Erzeugungsspitzen und damit ein Überbrücken von kurzfristigen Erzeugungstälern in der elektrischen Erzeugungsleistung der Stromerzeuger. division device can be discharged from the battery unit again, and in this way the generation of useful gas in the fuel cell system is fed with a time delay. The battery unit thus allows generation peaks to be swapped out and temporarily stored for a short period of time and thus bridging of short-term generation troughs in the electrical generation capacity of the power generators.

[0019] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung die Verteilungsvorrichtung einen Netzwerk-Anschluss für einen elektrischen Anschluss an ein Stromverteilnetzwerk aufweist, wobei das Kontrollmodul zusätzlich die elektrische Energie auch auf den Netzwerk-Anschluss aufteilt. Ein Stromverteilnetzwerk kann das Öffentliche Stromnetz sein, sodass also Stromerzeuger das Öffentliche Stromnetz über den Netzwerk-Anschluss mit einem Basisstrom versorgen. Uber den Basisstrom hinaus kann das Brennstoffzellensystem betrieben werden und auf diese Weise parallel zur Versorgung des öffentlichen Stromnetzes auch die Nutzgasproduktion stattfinden. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Verteilungsvorrichtung frei von einem solchen Netzwerk-Anschluss ausgebildet ist und damit für einen Inselbetrieb ausgelegt ist. In einem solchen Fall wird ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich die Gaserzeugungsvorrichtung für die Produktion von Nutzgas verwendet. Insbesondere bei Off-Shore Anlagen kann dies große Vorteile mit sich bringen. [0019] Further advantages can be obtained if, in a gas generating device according to the invention, the distribution device has a network connection for an electrical connection to a power distribution network, with the control module also dividing the electrical energy onto the network connection. A power distribution network can be the public power grid, so that power generators supply the public power grid with a base current via the network connection. The fuel cell system can be operated in addition to the basic current and in this way the useful gas production can also take place parallel to the supply of the public electricity grid. As an alternative to this, it is also possible that the distribution device is designed without such a network connection and is therefore designed for isolated operation. In such a case, the gas generating device is used exclusively or essentially exclusively for the production of useful gas. This can bring great advantages, especially for off-shore systems.

[0020] Vorteilhaft ist es weiter, wenn die Gaserzeugungsvorrichtung reversibel betreibbar ausgebildet ist. Die Gaserzeugungsvorrichtung ist also derart ausgebildet, dass diese in einem Betriebsmodus ein bestimmtes Gas, insbesondere Wasserstoff, erzeugt und andererseits in einem weiteren Betriebsmodus dieses Gas entsprechend einer Energieumwandlung wiederum verbraucht. Insbesondere wird das Gas durch die erfindungsgemäße Gaserzeugungsvorrichtung wieder in elektrische Energie umgewandelt. Dies entspricht dann einem Brennstoffzellenbetrieb. Die elektrische Energie kann dann beispielsweise einem Stromnetz oder einem stationären Reaktor zugeführt werden. It is also advantageous if the gas generating device is designed to be operated in a reversible manner. The gas generating device is thus designed in such a way that it generates a specific gas, in particular hydrogen, in one operating mode and, on the other hand, consumes this gas again in accordance with energy conversion in a further operating mode. In particular, the gas is converted back into electrical energy by the gas generating device according to the invention. This then corresponds to fuel cell operation. The electrical energy can then be supplied, for example, to a power grid or to a stationary reactor.

[0021] Es ist noch darauf hinzuweisen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die elektrische Heizvorrichtung selbstverständlich in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein kann. Auch ist darauf hinzuweisen, dass es Vorteile mit sich bringen kann, wenn zwei oder mehr gleiche und/oder unterschiedliche elektrische Heizvorrichtungen in der Gaserzeugungsvorrichtung miteinander kombiniert sind, um die erfindungsgemäßen Vorteile noch weiter zu verbessern und die Flexibilität in der Kontrolle der Gaserzeugungsvorrichtung zu erhöhen. It should also be pointed out that, within the scope of the present invention, the electric heating device can of course be designed in a wide variety of ways. It should also be pointed out that there can be advantages if two or more identical and/or different electrical heating devices are combined in the gas generating device in order to further improve the advantages according to the invention and to increase the flexibility in controlling the gas generating device.

[0022] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für ein Verteilen von fluktuierender elektrischer Energie in einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte: Also subject matter of the present invention is a method for distributing fluctuating electrical energy in a gas generating device according to the invention, comprising the following steps:

[0023] - Bestimmen der Erzeugungsleistung an elektrische Energie von wenigstens einem Stromerzeuger an dem Eingangsanschluss, - determining the generation capacity of electrical energy from at least one power generator at the input terminal,

[0024] - Bestimmen einer aktuellen Betriebsleistung eines aktuellen Betriebspunktes des Brennstoffzellensystems, [0024] - determining a current operating performance of a current operating point of the fuel cell system,

[0025] - Vergleichen der Erzeugungsleistung mit der aktuellen Betriebsleistung, [0025] - comparing the generation output with the current operating output,

[0026] - Verteilen der Erzeugungsleistung auf den Heiz-Anschluss und den BrennstoffzellenAnschluss auf Basis des Ergebnisses des Vergleichs. - Distribution of the generation power to the heating connection and the fuel cell connection based on the result of the comparison.

[0027] Der Schritt des Verteilens kann dabei sowohl in quantitativer als auch in qualitativer Weise erfolgen. Quantitative Verteilung ist dahingehend zu verstehen, dass ein prozentualer Anteil auf das Brennstoffzellensystem und ein weiterer prozentualer Anteil auf den wenigstens einen HeizAnschluss verteilt wird. Unter einem qualitativen Schalten kann verstanden werden, dass entweder der Heiz-Anschluss oder der Brennstoffzellen-Anschluss mit der entsprechenden Erzeugungsleistung versorgt wird. Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Gaserzeugungsvorrichtung erläutert worden sind. Die Aufteilung kann dabei auf Basis eines Algorithmus, insbesondere mit einer Rückkopplung der The distribution step can be carried out both quantitatively and qualitatively. Quantitative distribution is to be understood as meaning that a percentage is distributed to the fuel cell system and another percentage to the at least one heating connection. Qualitative switching can be understood to mean that either the heating connection or the fuel cell connection is supplied with the corresponding generation power. By using a gas generating device according to the invention, a method according to the invention brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a gas generating device according to the invention. The division can be based on an algorithm, in particular with a feedback of

erzielten Effizienzergebnisse, erfolgen. Auch die Verwendung von künstlicher Intelligenz in Form von neuronalen Netzwerken ist hier bei der Berücksichtigung der Verteilung in Form einer Verteilungsstrategie im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. achieved efficiency results. The use of artificial intelligence in the form of neural networks is also conceivable here when considering the distribution in the form of a distribution strategy within the meaning of the present invention.

[0028] Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren beim Verteilen der Erzeugungsleistung wenigstens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird: There are further advantages if at least one of the following parameters is taken into account in a method according to the invention when distributing the generation power:

[0029] - Maximale Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems, [0030] - Minimale Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems, [0031] - Maximale Produktionsmenge an Nutzgas, [0029] - Maximum operating power of the fuel cell system, [0030] - Minimum operating power of the fuel cell system, [0031] - Maximum production volume of useful gas,

[0032] - Effizienz des Betriebspunktes des Brennstoffzellensystems. - Efficiency of the operating point of the fuel cell system.

[0033] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass zwei oder mehr dieser Parameter bei der Verteilung berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung von maximaler und minimaler Betriebsleistung erlaubt, das Brennstoffzellensystem durch zu hohe oder zu niedrige Betriebsleistungen vor Beschädigungen zu schützen. Auch wird es möglich, die Effizienz des Brennstoffzellensystems und/oder die Effizienz der Produktionsleistung zu steigern. Dabei können selbstverständlich auch weitere Ziele dieser Verteilungsstrategie zugrunde gelegt werden. Ein möglicher Kerngedanke der Verteilungsstrategie ist es, eine möglichst große Umsetzung der Erzeugungsleistung in gespeicherte Energie in Form von produziertem Nutzgas zu erzielen. The above list is a non-exhaustive list. It is of course also possible for two or more of these parameters to be taken into account in the distribution. Taking maximum and minimum operating power into account allows the fuel cell system to be protected from damage caused by operating power that is too high or too low. Also, it becomes possible to increase the efficiency of the fuel cell system and/or the efficiency of production output. Of course, this distribution strategy can also be based on other goals. A possible core idea of the distribution strategy is to achieve the greatest possible conversion of the generation capacity into stored energy in the form of useful gas produced.

[0034] Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Erzeugungsleistung so verteilt wird, dass die Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems konstant bleibt und/oder die Anderung der Betriebsleistung einen maximalen Anderungsgradienten nicht überschreitet. Darunter ist zu verstehen, dass in dem Betrieb des Brennstoffzellensystems dieses die Trägheit in der Regelungsmöglichkeit berücksichtigt. Insbesondere wird versucht, den Betrieb des Brennstoffzellensystems möglichst konstant zu halten. Auch ist es möglich Änderungsgradienten, insbesondere unterschiedlich für den Anstieg und das Absenken der Betriebsleistung, zu berücksichtigen, um Beschädigungen des Systems zu vermeiden, gleichzeitig die Ausbeute an produziertem Nutzgas zu optimieren. It also has advantages if, in a method according to the invention, the generation power is distributed in such a way that the operating power of the fuel cell system remains constant and/or the change in the operating power does not exceed a maximum change gradient. This means that in the operation of the fuel cell system, this takes into account the inertia in the control option. In particular, an attempt is made to keep the operation of the fuel cell system as constant as possible. It is also possible to take into account change gradients, in particular different for the increase and decrease in the operating power, in order to avoid damage to the system and at the same time to optimize the yield of useful gas produced.

[0035] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Verteilung der Erzeugungsleistung zusätzlich die Temperatur des Brennstoffzellensystems berücksichtigt wird. Darunter ist zu verstehen, dass die in dieser Anmeldung erläuterte Korrelation zwischen der Temperatur und dem Betriebspunkt beziehungsweise der Zellspannung im Brennstoffzellensystem bei der Verteilung der Erzeugungsleistung berücksichtigt wird. Dies erlaubt es, das Verfahren der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit noch höherer Effizienz hinsichtlich der Produktion des Nutzgases durchzuführen. It is also advantageous if, in a method according to the invention, the temperature of the fuel cell system is also taken into account when distributing the generated power. This means that the correlation, explained in this application, between the temperature and the operating point or the cell voltage in the fuel cell system is taken into account when distributing the generation power. This allows the method of the embodiment according to the invention to be carried out with even greater efficiency with regard to the production of the useful gas.

[0036] Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Verteilung der Erzeugungsleistung zusätzlich ein Teil der Erzeugungsleistung auf eine Verdichtungsvorrichtung und/oder eine Speichervorrichtung zum Verdichten und/oder Speichern des Nutzgases verteilt wird. In Abhängigkeit der aktuellen Produktionssituation kann also überschüssige Erzeugungsleistung dazu verwendet werden, das Nutzgas nicht einem anschließenden Nutzgasabnehmer zur Verfügung zu stellen, sondern über einen mechanischen Verdichter das Nutzgas in einem Nutzgasspeicher zu komprimieren. Idealerweise kann die dadurch entstehende Abwärme als elektrische Heizvorrichtung in erfindungsgemäßer Weise dem Brennstoffzellensystem zugeführt werden. [0036] It can also bring advantages if, in a method according to the invention, in the distribution of the generation capacity, part of the generation capacity is additionally distributed to a compression device and/or a storage device for compressing and/or storing the useful gas. Depending on the current production situation, excess generation capacity can therefore be used not to make the usable gas available to a subsequent usable gas consumer, but rather to compress the usable gas in a usable gas storage facility via a mechanical compressor. Ideally, the resulting waste heat can be supplied to the fuel cell system as an electrical heating device in a manner according to the invention.

[0037] Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Verteilung der Erzeugungsleistung auf zumindest zwei, insbesondere unterschiedliche, elektrische Heizvorrichtungen erfolgt. Dabei kann zum Beispiel eine direkte und eine indirekte Heizvorrichtung miteinander kombiniert werden. Die Verwendung von zwei oder mehr elektrischen Heizvorrichtungen und die entsprechende Verteilung auf dieselben führt auch zu komplexen Heiz- und Speicherstrategien, bei der Verwendung und Umsetzung von überschüssiger Erzeugungsleistung. Dies führt zu einem erhöhten Grad an Flexibilität, insbesondere bei Energiesenken in der Erzeu-It is also advantageous if, in a method according to the invention, the generation power is distributed over at least two, in particular different, electrical heating devices. In this case, for example, a direct and an indirect heating device can be combined with one another. The use of two or more electrical heaters and the appropriate distribution among them also leads to complex heating and storage strategies in the use and conversion of excess generation power. This leads to an increased degree of flexibility, especially in the case of energy sinks in the generation

gungsleistung, welche durch gespeicherte Wärme ausgeglichen werden können. performance, which can be compensated for by stored heat.

[0038] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Verwendung einer Heizvorrichtung mit einem Dampfspeicher und/oder bei Verwendung einer elektrischen Batterieeinheit der Füllgrad des Dampfspeichers und/oder der elektrischen Batterieeinheit bei der Verteilung der Erzeugungsleistung berücksichtigt wird. So kann sichergestellt werden, dass bei einer vollen Batterieeinheit diese nicht weiter mit elektrischer Energie versorgt wird. Auch kann berücksichtigt werden, dass immer eine Mindestmenge in der Batterieeinheit und/oder im Dampfspeicher verbleibt, um auf Basis von Erfahrungswerten eine gewünschte Pufferzeit oder Pufferkapazität für den Betrieb des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen. It is also advantageous if, in a method according to the invention, when using a heating device with a steam accumulator and/or when using an electric battery unit, the degree of filling of the steam accumulator and/or the electric battery unit is taken into account in the distribution of the generated power. It can thus be ensured that when the battery unit is full, it is no longer supplied with electrical energy. It can also be taken into account that a minimum amount always remains in the battery unit and/or in the steam accumulator in order to provide a desired buffer time or buffer capacity for the operation of the fuel cell system based on empirical values.

[0039] Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass bei einem Engpass an elektrischer Energie die Gaserzeugungsvorrichtung und/oder das Brennstoffzellensystem, falls reversibel ausgeführt, in jenen Bertriebsmodus umgeschaltet wird, in welchem Nutzgas rückverstromt wird, also elektrische Energie erzeugt und z. B. dem Stromnetz oder anderen Verbrauchern zugeführt wird. In addition, it is advantageous that in the event of a shortage of electrical energy, the gas generating device and/or the fuel cell system, if designed to be reversible, is switched over to that operating mode in which useful gas is converted back into electricity, i.e. electrical energy is generated and z. B. is fed to the power grid or other consumers.

[0040] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch: Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. They show schematically:

[0041] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung, 1 shows an embodiment of a gas generating device according to the invention,

[0042] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung, 2 shows a further embodiment of a gas generating device according to the invention,

[0043] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung, 3 shows a further embodiment of a gas generating device according to the invention,

[0044] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung, 4 shows a further embodiment of a gas generating device according to the invention,

[0045] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung, 5 shows a further embodiment of a gas generating device according to the invention,

[0046] Fig. 6 ein möglicher Verlauf einer Erzeugungsleistung, [0046] FIG. 6 shows a possible course of a generation output,

[0047] Fig. 7 der Verlauf der Figur 6 im Vergleich zu einer Betriebsleistung, [0048] Fig. 8 eine Möglichkeit der Verteilung der Erzeugungsleistung, 7 shows the curve of FIG. 6 in comparison to an operating output, FIG. 8 shows a possibility of distributing the generation output,

[0049] Fig. 9 die Ausführungsform der Figur 8 mit veränderter Betriebsleistung. 9 shows the embodiment of FIG. 8 with modified operating performance.

[0050] Die Figuren 1 bis 5 zeigen schematisch Beispiele für Gaserzeugungsvorrichtungen 10. Bei der Ausführungsform der Figur 1, wie bei den weiteren Figuren, sind hier Stromerzeuger 300 als regenerative Stromerzeuger 300 beispielsweise in Form einer Windenergieanlage und in Form einer Photovoltaikanlage dargestellt. Uber einen Eingangsanschluss 22 kann die fluktuierende elektrische Energie als Erzeugungsleistung EL dem Brennstoffzellensystem 100 über die Verteilungsvorrichtung 20 zugeführt werden. Im Normalbetrieb wird also elektrische Energie als Erzeugungsleistung EL am Eingangsanschluss 22 der Verteilungsvorrichtung 20 zur Verfügung gestellt. Je nach Betriebssituation erfolgt ein Aufteilen dieser Erzeugungsleistung EL über das Kontrollmodul 21 auf das Brennstoffzellensystem 100 über den Brennstoffzellen-Anschluss 24 und wenigstens eine elektrische Heizvorrichtung 200 über den Heiz-Anschluss 26. Das Brennstoffzellensystem 100 ist hier mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel 110 ausgebildet, welcher in der Lage ist unter Verwendung einer Elektrolysefunktionalität aus Zuführgas ZG, insbesondere einem wasserdampfhaltigen Zuführgas ZG ein Nutzgas NG, insbesondere wasserstoffhaltiges Nutzgas NG, zu erzeugen. Figures 1 to 5 show schematic examples of gas generating devices 10. In the embodiment of Figure 1, as in the other figures, electricity generators 300 are shown here as regenerative electricity generators 300, for example in the form of a wind turbine and in the form of a photovoltaic system. The fluctuating electrical energy can be supplied to the fuel cell system 100 as generation power EL via the distribution device 20 via an input connection 22 . In normal operation, electrical energy is therefore made available as generation power EL at the input connection 22 of the distribution device 20 . Depending on the operating situation, this generation power EL is divided via the control module 21 to the fuel cell system 100 via the fuel cell connection 24 and at least one electrical heating device 200 via the heating connection 26. The fuel cell system 100 is designed here with at least one fuel cell stack 110, which in is able to generate a useful gas NG, in particular hydrogen-containing useful gas NG, from feed gas ZG, in particular a feed gas ZG containing water vapor, using an electrolysis functionality.

[0051] Für den Fall, dass eine überhöhte Erzeugungsleistung EL am Eingangsanschluss 22 anliegt, kann nun das Kontrollmodul 21 diesen Überschuss an Erzeugungsleistung EL an dem Brennstoffzellensystem 100 vorbeiführen und auf den einen Heiz-Anschluss 26 verteilen. Dieser Überschuss erlaubt es nun, bei der Figur 1 die elektrische Heizvorrichtung 200 in Form eines Komponentenheizers 230 mit elektrischer Energie zu versorgen. Gemäß der Figur 1 wird diese In the event that an excessive generation power EL is present at the input connection 22, the control module 21 can now pass this excess generation power EL to the fuel cell system 100 and distribute it to a heating connection 26. This excess now makes it possible to supply electrical energy to electrical heating device 200 in the form of a component heater 230 in FIG. According to the figure 1, this

elektrische Energie im Komponentenheizer 230 dazu verwendet, einzelne Komponenten durch direkten Kontakt oder aber durch Erwärmung von strömendem Fluid, insbesondere von Temperierfluid, am Brennstoffzellenstapel 110 zu erwärmen. Die Funktionalität der Erwärmung wird später noch näher erläutert. electrical energy is used in the component heater 230 to heat individual components through direct contact or through heating of flowing fluid, in particular temperature control fluid, on the fuel cell stack 110 . The functionality of the heating will be explained in more detail later.

[0052] Die Figur 2 basiert auf der Ausführungsform der Figur 1. Jedoch ist hier als elektrische Heizvorrichtung 200 ein Dampferzeuger 210 dargestellt, welcher in der Lage ist, von einem nicht dargestellten Frischwasseranschluss flüssiges Wasser zumindest teilweise zu verdampfen und auf diese Weise wasserdampfhaltiges Zuführgas ZG zu erzeugen. Für den Fall, dass kein Überschuss aus Erzeugungsleistungen EL der Stromerzeuger 300 zur Verfügung steht, kann dieser Dampferzeuger 210 auch durch einen nicht näher dargestellten Netzwerk-Anschluss mit Strom zur Dampferzeugung versorgt werden. In bereits beschriebener Weise erfolgt die Aufteilung der elektrischen Erzeugungsleistung EL über das Kontrollmodul 21 der Verteilungsvorrichtung 20. Figure 2 is based on the embodiment of Figure 1. However, a steam generator 210 is shown here as the electrical heating device 200, which is able to at least partially vaporize liquid water from a fresh water connection, not shown, and in this way supply gas ZG containing water vapor to create. In the event that there is no surplus of generating capacity EL of the electricity generator 300, this steam generator 210 can also be supplied with electricity for steam generation by a network connection, which is not shown in detail. In the manner already described, the electrical generation power EL is divided via the control module 21 of the distribution device 20.

[0053] Die Figur 3 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsformen der Figuren 1 und 2. Der Dampferzeuger 210 ist hier zusätzlich mit einem Dampfspeicher 212 ausgestattet, welcher als Zwischenpuffer für den erzeugten Dampf dient. Somit kann auch bei geringerer benötigter Dampfmenge im Brennstoffzellensystem 100 ein großer Überschuss an Erzeugungsleistung EL über den Dampferzeuger 210 in Dampf umgesetzt werden, da dieser temporär im Dampfspeicher 212 zwischengespeichert und später wieder als Zuführgas ZG dem Brennstoffzellenstapel 110 zugeführt werden kann. 3 shows a further development of the embodiments of FIGS. 1 and 2. The steam generator 210 is additionally equipped here with a steam accumulator 212, which serves as an intermediate buffer for the steam generated. Thus, even if the amount of steam required in the fuel cell system 100 is less, a large excess of generation capacity EL can be converted into steam via the steam generator 210, since this can be temporarily stored in the steam accumulator 212 and later fed back to the fuel cell stack 110 as feed gas ZG.

[0054] Ebenfalls zeigt die Figur 3 eine Möglichkeit, wie ein Verdichter 40 produziertes Nutzgas NG in einer Speichervorrichtung 50 komprimiert speichern kann. Der für die Verdichtung notwendige Strom kann hier ebenfalls über das Kontrollmodul 21 und einen Verdichter-Anschluss 27 dem Verdichter 40 zugeführt werden. FIG. 3 also shows a way in which a compressor 40 can store compressed gas NG produced in a storage device 50 . The current required for the compression can also be supplied to the compressor 40 via the control module 21 and a compressor connection 27 .

[0055] In der Figur 4 ist dargestellt, dass im Vergleich zu den Insellösungen der Figuren 1, 2, 3 und 5 auch ein Anschluss an ein Stromverteilnetzwerk 400 über einen Netzwerk-Anschluss 29 möglich ist. Zusätzlich ist bei der Ausführungsform der Figur 4 die elektrische Heizvorrichtung 200 als Wärmespeicher 220 mit einem Thermofluid ausgestaltet, welches Thermofluid anschlieBend wieder der Dampferzeugung oder aber der anderweitigen Temperierung des Brennstoffzellenstapels 110 zur Verfügung gestellt werden kann. FIG. 4 shows that, in comparison to the isolated solutions in FIGS. 1, 2, 3 and 5, a connection to a power distribution network 400 via a network connection 29 is also possible. In addition, in the embodiment of FIG. 4, the electric heating device 200 is designed as a heat accumulator 220 with a thermal fluid, which thermal fluid can then be made available again for generating steam or otherwise controlling the temperature of the fuel cell stack 110 .

[0056] Die Figur 5 zeigt noch die Ausführungsform der Figur 1 mit einer zusätzlichen Batterieeinheit 30, welche über einen Batterie-Ausgang 28, kontrolliert über das Kontrollmodul 21, mit der Verteilungsvorrichtung 20 elektrisch verbunden ist. Die Kopplung der Batterieeinheit 30 ist bidirektional, sodass hier ein temporäres Auslagern eines Überschusses an Erzeugungsleistung EL möglich ist. FIG. 5 also shows the embodiment of FIG. 1 with an additional battery unit 30 which is electrically connected to the distribution device 20 via a battery output 28 controlled by the control module 21 . The coupling of the battery unit 30 is bidirectional, so that a temporary outsourcing of an excess of generation power EL is possible here.

[0057] Die Figuren 6 bis 9 zeigen schematisch die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer erfindungsgemäßen Gaserzeugungsvorrichtung 10. So zeigt die Figur 6 eine stark fluktuierende Erzeugungsleistung EL, welche beispielsweise auf fluktuierenden Windverhältnissen und/oder fluktuierenden Sonneneinstrahlungsverhältnissen der Stromerzeuger 300 basiert. Figures 6 to 9 show schematically how a method according to the invention works with a gas generating device 10 according to the invention. Figure 6 shows a strongly fluctuating generation capacity EL, which is based, for example, on fluctuating wind conditions and/or fluctuating solar radiation conditions of the electricity generator 300.

[0058] Die Figur 7 zeigt dazu die Trägheit der Betriebsleistung BL eines Brennstoffzellensystems 100. Dem starken Anstieg der Erzeugungsleistung EL kann die Betriebsleistung BL nur langsam folgen. Dann sinkt die Erzeugungsleistung EL stark ab, wobei die Betriebsleistung BL ein schnelleres Absinken eines Ansteigens ermöglichen kann und auf diese Weise der sinkenden Erzeugungsleistung EL folgt. Beim folgenden schnellen Anstieg der Erzeugungsleistung EL kann wiederum nur ein geringer Gradient im Anstieg für die Betriebsleistung BL ausgeführt werden, sodass der Bereich zwischen der Erzeugungsleistung EL und der Betriebsleistung BL bei den bekannten Lösungen als verlorene Energie zu betrachten ist. FIG. 7 shows the inertia of the operating power BL of a fuel cell system 100. The operating power BL can only follow the strong increase in the generation power EL slowly. The generation power EL then falls sharply, with the operating power BL being able to allow a faster fall of an increase and in this way following the falling generation power EL. During the subsequent rapid rise in generation power EL, only a small gradient in the rise for operating power BL can be implemented, so that the range between generation power EL and operating power BL is to be regarded as lost energy in the known solutions.

[0059] Die Figur 8 zeigt nun, dass der Überschuss zwischen der Betriebsleistung BL und der Erzeugungsleistung EL auf den Heiz-Anschluss 26 verteilt wird. Mit anderen Worten wird die bei den bekannten Lösungen abzuregelnde überschüssige Energie der Erzeugungsleistung EL hier im Wesentlichen komplett dazu verwendet, eine elektrische Heizvorrichtung 200 mit dieser FIG. 8 now shows that the surplus between the operating power BL and the generation power EL is distributed to the heating connection 26. In other words, the excess energy of the generating capacity EL that is to be regulated in the known solutions is essentially completely used here to provide an electrical heating device 200 with this

elektrischen Energie zu versorgen und auf diese Weise aus der elektrischen Energie dem Brennstoffzellensystem 100 Wärme zuzuführen. to supply electrical energy and in this way to supply heat to the fuel cell system 100 from the electrical energy.

[0060] Die Figur 9 zeigt nun, dass mit der zugeführten Wärme die Gradienten in Anstieg der Betriebsleistung BL gesteigert werden können. Während in gestrichelter Weise die alte Betriebsleistung BL eingezeichnet ist, kann durch das Zuführen von zusätzlicher Wärmeenergie nun die Betriebsleistung BL stärker über den gleichen Zeitraum ansteigen und gemäß der Vergleiche der Figuren 8 und 9 nun ein größerer Teil der Erzeugungsleistung EL auch tatsächlich in Produktion von Nutzgas NG umgesetzt werden. Es bleibt also zusammenzufassen, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren nicht nur die Vernichtung oder Abregelung von überschüssiger Erzeugungsleistung EL vermeidet, sondern darüber hinaus durch die Rückführung von der zusätzlich erzeugten Wärme in das Brennstoffzellensystem 100 die Produktionsmenge an Nutzgas NG steigert. FIG. 9 now shows that the gradients in the increase in the operating power BL can be increased with the heat supplied. While the old operating capacity BL is drawn in as a dashed line, the operating capacity BL can now increase more sharply over the same period of time due to the supply of additional heat energy and, according to the comparisons in FIGS NG to be implemented. It remains to summarize that a method according to the invention not only avoids the destruction or curtailment of excess generation power EL, but also increases the production quantity of useful gas NG by returning the additionally generated heat to the fuel cell system 100 .

[0061] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively in the context of examples. It goes without saying that individual features of the embodiments can be freely combined with one another, insofar as this makes technical sense, without departing from the scope of the present invention.

BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST

10 Gaserzeugungsvorrichtung 20 Verteilungsvorrichtung 10 gas generating device 20 distribution device

21 Kontrollmodul 21 control module

22 Eingangsanschluss 22 input port

24 Brennstoffzellen-Anschluss 26 Heiz-Anschluss 24 fuel cell connection 26 heating connection

27 Verdichter-Anschluss 27 compressor connection

28 Batterie-Ausgang 28 battery output

29 Netzwerk-Anschluss 29 network connection

30 elektrische Batterieeinheit 40 Verdichtungsvorrichtung 50 Speichervorrichtung 30 electric battery unit 40 compression device 50 storage device

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 100 fuel cell system 110 fuel cell stack

200 elektrische Heizvorrichtung 210 Dampferzeuger 200 electric heater 210 steam generator

212 Dampfspeicher 212 Steam Storage

220 Wärmespeicher 220 heat accumulator

230 Komponentenheizer 300 Stromerzeuger 400 Stromverteilnetzwerk 230 component heaters 300 power generators 400 power distribution network

NG Nutzgas NG useful gas

ZG Zuführgas EL Erzeugungsleistung BL Betriebsleistung ZG feed gas EL generation power BL operating power

Claims

patent claims

1. Gas generating device (10) for converting electrical energy into storable useful gas (NG), having a fuel cell system (100) with at least one fuel cell stack (110) for converting feed gas (ZG) into useful gas (NG) and at least one electrical heating device (200 ) for generating supply heat for direct and/or indirect supply to the fuel cell system (100) for heating the fuel cell system (100), further comprising a distribution device (20) with an input connection (22) for electrical connection to at least one power generator (300) and a fuel cell connection (24) for the electrical connection to the fuel cell system (100) and at least one heating connection (26) for the electrical connection to the at least one electric heating device (200), the distribution device (20) having a control module (21). for a controlled splitting of the electrical energy from the input terminal (22) to the Fuel cell connection (24) and the at least one heating connection (26).

2. Gas generating device (10) according to claim 1, characterized in that the at least one electrical heating device (200) is designed as a steam generator (210) for generating water vapor as the supply gas (ZG) to the fuel cell stack (110).

3. Gas generating device (10) according to claim 2, characterized in that the steam generator (210) has a steam accumulator (212) for temporarily storing generated steam.

4. Gas generating device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one electrical heating device (200) is designed as a heat accumulator (220) with a thermal fluid.

5. Gas generating device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one electric heating device (200) is designed as a component heater (230) for direct heating of at least one component of the fuel cell system (100).

6. Gas generating device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one electrical heating device (200) is designed as a fluid heating device for heating a fuel cell system (100) guided fluid.

7. Gas generating device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution device (20) has a battery outlet (28) to which an electrical battery unit (30) for storing electrical energy is electrically connected, the control module (21 ) also distributes the electrical energy to the battery output (28).

8. Gas generating device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution device (20) has a network connection (29) for an electrical connection to a power distribution network (400), wherein the control module (20) additionally the electrical energy also distributed to the network connection (29).

9. Gas generating device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas generating device (10) is designed to be operated reversibly.

10. A method for distributing fluctuating electrical energy in a gas generating device (10) having the features of any one of claims 1 to 9, comprising the following steps:

- Determining the generation capacity (EL) of electrical energy from at least one electricity generator (300) at the input connection (22),

- Determining a current operating power (BL) of a current operating point of the fuel cell system (100),

- Comparing the generated power (EL) with the current operating power (BL), - Distributing the generated power (EL) to the heating connection (24) and the fuel cell connection (26) on the basis of the result of the comparison.

11. The method according to claim 10, characterized in that when distributing the generation power (EL) at least one of the following parameters is taken into account: - Maximum operating power of the fuel cell system (100) - Minimum operating power of the fuel cell system (100) - Maximum production volume of useful gas (NG) - Efficiency of the operating point of the fuel cell system (100)

12. The method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that the generation power (EL) is distributed so that the operating power (BL) of the fuel cell system (100) remains constant and / or the change in operating power (BL) has a maximum change gradient does not exceed.

13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that in the distribution of the generation power (EL) the temperature of the fuel cell system (100) is also taken into account.

14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that in the distribution of the generating capacity (EL) additionally part of the generating capacity (EL) on a compression device (40) and / or a storage device (50) for compression and / or Saving the useful gas (NG) is distributed.

15. The method as claimed in one of claims 10 to 14, characterized in that the generation power (EL) is distributed to at least two, in particular different, electrical heating devices (200).

16. The method according to any one of claims 10 to 15, characterized in that when using a heating device (200) with a steam accumulator (212) and / or when using an electric battery unit (30) of the degree of filling of the steam accumulator (212) and / or the electrical battery unit (30) is taken into account in the distribution of the generation power (EL).

7 sheets of drawings