DE102004031162B4

DE102004031162B4 - Brennstoffzellensystem und Gassteuer- und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem zur Wasser- und Gasverteilung

Info

Publication number: DE102004031162B4
Application number: DE102004031162A
Authority: DE
Inventors: Peter Willimowski; Robert Schäfer
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: US20110200905A1; US7981557B2; US20090081495A1; DE102004031162A1; US7479336B2; US8012643B1; US20050003257A1

Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
zumindest einem Kathodenabschnitt, der einen Einlass und einen Auslass aufweist;
zumindest zwei Anodenabschnitten, von denen jeder einen Einlass und einen Auslass aufweist;
wobei der zumindest eine Kathodenabschnitt und die zumindest zwei Anodenabschnitte einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktanden und einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktanden in Elektrizität, einen Kathodenabfluss und einen Anodenabfluss umwandeln können;
einem ersten Strömungspfad, der einen ersten Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen Einlass eines ersten Anodenabschnittes der zumindest zwei Anodenabschnitte liefern kann;
einem zweiten Strömungspfad, der einen zweiten Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen Einlass eines zweiten Anodenabschnittes der zumindest zwei Anodenabschnitte liefern kann;
einem ersten Ventil in dem ersten Strömungspfad, das eine Strömung durch den ersten Strömungspfad hindurch ändern kann;
einem zweiten Ventil in dem zweiten Strömungspfad, das eine Strömung durch den zweiten Strömungspfad hindurch ändern kann;
einem dritten Strömungspfad, der einen Auslass des ersten Anodenabschnittes mit einem Anodenauslass des zweiten Anodenabschnittes verbindet,...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und insbesondere ein Gassteuer- und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem zur verbesserten Wasser- und Gasverteilung.

H₂-O₂(Luft)-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und für viele Anwendungen als Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Es existieren verschiedene Typen von H₂-O₂-Brennstoffzellen, die den Säuretyp, den alkalischen Typ, den Schmelzcarbonattyp und den Festoxidtyp umfassen. So genannte PEM-Brennstoffzellen (Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran) (auch bekannt als SPE-Brennstoffzellen (Brennstoffzellen mit Festpolymerelektrolyt)) sind vom Säuretyp, besitzen potentiell eine hohe Leistung wie auch ein niedriges Gewicht und sind demgemäß für mobile Anwendungen (wie beispielsweise Elektrofahrzeuge) gut geeignet. PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen eine "Membranelektrodenanordnung" (auch bekannt als MEA) mit einem dünnen, protonendurchlässigen Festpolymermembranelektrolyt, der auf einer seiner Seiten eine Anode und auf der gegenüberliegenden Seite eine Kathode umfasst. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente angeordnet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Ano den- und Kathodenkatalysatoren umfassen. Zur Bildung eines PEM-Brennstoffzellenstapels bzw. -stacks wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt.

Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel bzw. Oxidans). Demgemäß wird die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas versorgt, und die Kathodenseite wird mit Luft versorgt. Während der Umwandlung des Anodenreaktanden und des Kathodenreaktanden in elektrische Energie erzeugt die Brennstoffzelle Anoden- und Kathodenabflüsse. Die Anodenseite wird typischerweise in einer Betriebsart "ohne Rückfluss" (engl. "dead head mode) betrieben, bei der der Anodenabfluss nicht kontinuierlich von dem Brennstoffzellenstapel ausgetragen wird. Bei diesem Betriebstyp sammelt sich Stickstoff in der Anodenseite der Brennstoffzellen aufgrund der Diffusion durch die MEA an. Zusätzlich sammelt sich auch Wasser in der Anodenseite. Die Ansammlung von Wasser und Stickstoff resultiert in einer Verringerung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen wie auch der Spannungsstabilität der einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels. Diese Ansammlung ist typischerweise in lokalen Abschnitten der Anodenseite der Brennstoffzellen konzentriert und kann als Folge dessen bewirken, dass eine Verringerung der Leistung wie auch der Spannungsstabilität der Brennstoffzellen schnell auftreten kann. Diese lokale Ansammlung bewirkt die Verringerung der Leistung wie auch der Spannungsstabilität der Brennstoffzelle, bevor der verbleibende Anteil der Brennstoffzelle beeinträchtigt wird.

Um die Stickstoff- und Wasseransammlungen in der Anodenseite zu verringern, wird die Anodenseite mit Anodenreaktand gespült, während der Anodenabfluss von der Anodenseite entlüftet wird. Jedoch führt das Spülen der Anodenseite mit dem Anodenreaktand zu einem Anodenabfluss, der eine große Menge Wasserstoff enthält, und führt dadurch zu einem höheren Wasserstoffverbrauch. Somit besteht Bedarf, die Situation der Ansammlung zu verbessern.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Gassteuer- und Betriebsverfahren des Brennstoffzellensystems vor, das auf die oben beschriebene Ansammlungssituation gerichtet ist. Genauer sieht die vorliegende Erfindung eine Einrichtung für ein Brennstoffzellensystem vor, die eine Steuerung des Anodenreaktanden und des Anodenabflusses durch die Anodenteilstücke des Brennstoffzellensystems ermöglicht, um eine Wasser- und Gasverteilung auf der Anodenseite der Brennstoffzellen zu verbessern, was die Spannungsstabilität der Brennstoffzellen steigert und eine Verringerung des Umfangs oder der Häufigkeit eines Spülvorgangs zur Folge haben kann.

Ein Brennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest einen Kathodenabschnitt mit einem Einlass und einem Auslass. Es existieren zumindest zwei Anodenabschnitte, von denen jeder einen Einlass und einen Auslass aufweist. Der zumindest eine Kathodenabschnitt und die zumindest zwei Anodenabschnitte dienen dazu, einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktanden in dem zumindest einen Kathodenabschnitt und einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktanden in den zumindest zwei Anodenabschnitten in Elektrizität, einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenabfluss und einen wasser stoffhaltigen Anodenabfluss umzuwandeln. Ein erster Strömungspfad dient dazu, einen ersten wasserstoffhaltigen Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen Einlass eines ersten Anodenabschnittes der zumindest zwei Anodenabschnitte zu liefern. Ein zweiter Strömungspfad dient dazu, einen zweiten wasserstoffhaltigen Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen Einlass eines zweiten Anodenabschnittes der zumindest zwei Anodenabschnitte zu liefern. In dem ersten Strömungspfad ist ein erstes Ventil angeordnet, das einen Durchfluss durch den ersten Strömungspfad ändern kann, während in dem zweiten Strömungspfad ein zweites Ventil vorgesehen ist, das den Durchfluss durch den zweiten Strömungspfad ändern kann. Es ist auch ein dritter Strömungspfad vorhanden, der einen Auslass des ersten Anodenabschnittes mit einem Auslass des zweiten Anodenabschnittes verbindet, so dass der Anodenabfluss von einem der Anodenabschnitte in einen Anodenauslass des anderen Anodenabschnittes strömen kann. Ein drittes Ventil steht mit dem dritten Strömungspfad in Verbindung und dient dazu, eine Entlüftung von Anodenabfluss von dem dritten Strömungspfad zu ändern.

Es ist auch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einem Kathodenabschnitt und zumindest zwei Anodenabschnitten offenbart, die dazu dienen, einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktand und einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktand in Elektrizität, einen Kathodenabfluss und einen Anodenabfluss umzuwandeln. Das Verfahren umfasst, dass: (1) ein erster Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen ersten Anodenabschnitt der zumindest zwei Anodenabschnitte geliefert wird; (2) ein zweiter Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen zweiten Anodenabschnitt der zumindest zwei Anodenabschnitte geliefert wird; (3) ein Anodenabfluss von einem des ersten und zweiten Anodenabschnittes an den anderen des ersten und zweiten Anodenabschnittes geliefert wird; und (4) eine Menge von zumindest einem des ersten und zweiten Zufuhrstroms für Anodenreaktand, die geliefert werden, so eingestellt wird, dass alternativ der eine und dann der andere des ersten und zweiten Anodenabschnittes Anodenabfluss aufnehmen.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, die Erfindung zu beschränken.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines ersten alternativen Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine grafische Darstellung eines Gasströmungsmusters für ein Brennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist, das mit einem dazwischen stattfindenden Aufstoßen betrieben wird;
4 eine grafische Darstellung eines Gasströmungsmusters für ein Brennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung mit einer kontinuierlichen Entlüftung des Anodenabflusses ist; und
5 eine vereinfachte schematische Darstellung eines zweiten alternativen Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhaft und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 20 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 20 und sein Betriebsverfahren, wie unten beschrieben ist, sorgen für eine verbesserte Wasser- und Stickstoffverteilung über die gesamten Anodenabschnitte des Brennstoffzellensystems und vermeiden die oben beschriebenen Nachteile. Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst einen ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24, von denen jeder jeweils eine Kathodenseite oder ein Kathodenteilstück 26 und 28 aufweist, die bzw. das jeweils eine oxidationsmittelhaltige Kathodenreaktandenströmung aufnimmt. Der erste und zweite Brennstoffzellenstapel 22 und 24 besitzen auch jeweils eine Anodenseite oder einen Anodenteilstück 30 und 32, die bzw. das einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktandendurchfluss oder -brennstoff aufnimmt. Genauer besitzt die erste Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 einen Einlassabschnitt 33 zur Aufnahme von Anodenreaktandenströmung und einen Auslassabschnitt 34 zum Austrag von darin erzeugtem Anodenabfluss. Ähnlicherweise besitzt die zweite Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 einen Einlassabschnitt 36 zur Aufnahme der Anodenreaktandenströmung und einen Auslassabschnitt 37 zum Austrag des darin erzeugten Anodenabflusses. Jeder Brennstoffzellenstapel 22 und 24 dient dazu, die Anoden- und Kathodenreaktanden in Elektrizität, einen wasserstoffhaltigen Anodenabfluss und einen sauerstoffhaltigen Kathodenabfluss umzuwandeln.
Der wasserstoffhaltige Anodenreaktand oder Brennstoff kann von einer Vielzahl von Quellen geliefert werden. Derartige Quellen können beispielsweise einen Reformatstrom von einem Reformer und Wasserstoff von einer Wasserstoffspeichervorrichtung umfassen. Der Kathodenreaktand kann auch aus einer Vielzahl von Quellen geliefert werden. Derartige Quellen können beispielsweise Sauerstoff, der von einer Sauerstoffspeichervorrichtung geliefert wird, und Luft umfassen, die von der Umgebung entnommen wird, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird. Die Kathodenreaktandenlieferung an die Brennstoffzellenstapel wie auch die Entlüftung des in den Brennstoffzellenstapeln erzeugten Kathodenabflusses ist hier nicht detailliert beschrieben. Es sei zu verstehen, dass der Kathodenreaktand an die verschiedenen Brennstoffzellenstapel in einer Menge geliefert wird, die ausreicht, um die Betriebsanforderungen des Brennstoffzellensystems 20 zu erfüllen, und dass Kathodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 nach Bedarf entfernt wird.
Der Anodenreaktand wird an das Brennstoffzellensystem 20 in einer Menge geliefert, die ausreichend ist, um den Betriebsanforderungen des Brennstoffzellensystems 20 gerecht werden zu können. Der Anodenreaktand kann an das Brennstoffzellensystem 20 auf eine Vielzahl von Wegen geliefert werden. Beispielsweise kann eine Gaseinspritzeinrichtung bzw. einen Gasinjektor (nicht gezeigt), die bzw. der einen Durchfluss durch diese zumessen kann, verwendet werden, um einen Anodenreaktand in das Brennstoffzellensystem 20 einzuspritzen. Der an das Brennstoffzellensystem 20 gelieferte Anodenreaktand wird in einen ersten und einen zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 unterteilt, die über einen ersten und einen zweiten Strömungspfad 44 und 46 an die jeweiligen Anodeneinlassabschnitte 33 und 36 des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 strömen. Das erste Ventil 48 und das zweite Ventil 50 sind in dem jeweiligen ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 angeordnet. Die Ventile 48 und 50 ändern bzw. modulieren den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 und steuern demgemäß die Aufteilung des an das Brennstoffzellensystem 20 gelieferten Anodenreaktanden. Genauer regeln die Ventile 48 und 50 die Menge an Anodenreaktand, die durch den ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 strömt, und somit die Menge an Anodenreaktand, die an die Anodenseiten 30 und 32 des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 strömt. Die Ventile 48 und 50 können den an das Brennstoffzellensystem 20 strömenden Anodenreaktanden zwischen einem vollständigen Durchfluss über den ersten Strömungspfad 44 zu dem ersten Brennstoffzellenstapel 22 und einem vollständigen Durchfluss über den zweiten Strömungspfad 46 zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24 oder in einer Kombination dazwischen aufteilen.
Ein dritter Strömungspfad 52 verbindet die Auslassabschnitte 34 und 37 der jeweiligen ersten und zweiten Anodenseite 30 und 32. Die Verbindung der Auslassabschnitte 34 und 37 erlaubt, dass ein Anodenabfluss, der in einem der Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, durch den Auslass an dem anderen Brennstoffzellenstapel in die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels strömen kann, wie nachfolgend beschrieben ist. Ein drittes Ventil 54 steht mit dem dritten Strömungspfad 52 in Verbindung und dient dazu, das Entlüften von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 zu ändern. Dies bedeutet, dass das dritte Ventil 54 dazu verwendet wird, einen Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 selektiv zu entlüften, wie nachfolgend beschrieben ist. Der von dem Brennstoffzellensystem 20 über das Ventil 54 entlüftete Anodenabfluss wird abhängig von seinem Wasserstoffgehalt entweder an die Atmosphäre abgegeben oder an eine unterstromige Komponente (nicht gezeigt) geliefert. Das Ventil 54 kann ein einfaches Ventil mit Offen- und Geschlossenstellung oder ein Proportionalventil sein, das so funktioniert, dass es die Menge von durch dieses hindurch strömendem Anodenabfluss regulieren kann. Die Betriebsanforderungen an das dritte Ventil 54 können abhängig davon variieren, wie das Brennstoffzellensystem 20 betrieben wird, wie nachfolgend beschrieben ist.
Ein Mikroprozessor oder eine ähnliche Vorrichtung (nicht gezeigt) wird dazu verwendet, den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 zu steuern. Der Mikroprozessor steuert den Betrieb der Ventile 48, 50 und 54. Der Mikroprozessor steuert den individuellen Betrieb der Ventile, um das Brennstoffzellensystem 20 in einer gewünschten Betriebsart zu betreiben, wie nachfolgend beschrieben ist.
Die Anordnung des Brennstoffzellensystems 20, das in 1 gezeigt ist, verwendet zwei separate Brennstoffzellenstapel 22 und 24. Das Gassteuer- und Betriebsverfahren gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch mit einem Brennstoffzellensystem 20' verwendet werden, das in 2 gezeigt ist und einen einzelnen Brennstoffzellenstapel 60 aufweist, der eine Anodenseite oder ein Anodenteilstück 62 umfasst, die bzw. das in zwei einzelne Anodenabschnitte 30' und 32' partitioniert oder untergeteilt ist, die jeweils einen Anodenreaktandenstrom aufnehmen, wie nachfolgend beschrieben ist. Der einzelne Brennstoffzellenstapel 60 besitzt auch eine Kathodenseite oder ein Kathodenteilstück 64, die bzw. das einen Kathodenreaktandenstrom auf dieselbe Art und Weise, wie oben für den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 offenbart ist, aufnimmt. Demgemäß ist die Kathodenseite 64 wie auch die Lieferung des Kathodenreaktanden und die Entfernung von Kathodenabfluss nicht weiter beschrieben.
Ein erster Anodenabschnitt 30' besitzt jeweilige Einlass- und Auslassabschnitte 33' und 34'. Ähnlicherweise besitzt ein zweiter Anodenabschnitt 32' auch jeweilige Einlass- und Auslassabschnitte 36' und 37'. Der an das Brennstoffzellensystem 20' gelieferte Anodenreaktand wird zwischen dem ersten und dem zweiten Anodenabschnitt 30' und 32' aufgeteilt, wie unter Bezugnahme auf das erste Brennstoffzellensystem 20 oben beschrieben ist. Dies bedeutet, dass das Brennstoffzellensystem 20' auch einen ersten und einen zweiten Strömungspfad 44' und 46' mit jeweiligen Ventilen 48' und 50' aufweist, die dazu dienen, einen an das Brennstoffzellensystem 20' strömenden Anodenreaktand in einen ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40' und 42' zu unterteilen. Die Auslassabschnitte 34' und 36' des jeweiligen ersten und zweiten Anoden abschnitts 30' und 32' sind durch einen dritten Strömungspfad 52' miteinander verbunden. Ein drittes Ventil 54' steht mit dem dritten Strömungspfad 52' in Verbindung, um den Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20' selektiv zu entlüften. Somit sind die Anodenteilstücke wie auch die Konfiguration, um einen Anodenreaktand an die Anodenteilstücke in dem Brennstoffzellensystem 20' zu liefern, im Wesentlichen gleich denen des Brennstoffzellensystems 20. Aufgrund dieser Ähnlichkeit wird nur der Betrieb der Anodenteilstücke des Brennstoffzellensystems 20 detaillierter beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass der Betrieb der Anodenteilstücke des Brennstoffzellensystems 20' im Wesentlichen identisch zu dem des Brennstoffzellensystems 20 ist.
Das Brennstoffzellensystem 20 wird so betrieben, dass es eine bekannte Leistungsbelastung oder -anforderung, die an dem Brennstoffzellensystem 20 anliegt, erfüllen kann. Dies bedeutet, dass eine Last- oder Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 20 angelegt wird und das Brennstoffzellensystem 20 auf eine Art und Weise betrieben wird, die geeignet ist, um diese Last oder Anforderung zu erfüllen. Um die auf das Brennstoffzellensystem 20 angelegte Last erfüllen zu können, wird der Kathodenreaktand an die Kathodenseiten 26 und 28 des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 in einer Menge geliefert, die ausreichend ist, um der Last gerecht zu werden. Ähnlicherweise wird Anodenreaktand an die Anodenabschnitte 30 und 32 des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 in einer Menge geliefert, die ausreichend ist, um der auf das Brennstoffzellensystem 20 angelegten Last der Last gerecht zu werden. Der Kathodenabfluss wird von dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 auf einer Bedarfsbasis mit Ventilen in den Strömungspfaden für Kathodenabfluss entlüftet, die eine Regulierung der Entlüftung des Kathodenabflusses vorsehen und auch einen Solldruck in den Kathodenseiten 26 und 28 des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 beibehalten.
Der in den Anodenseiten 30 und 32 des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 erzeugte Anodenabfluss strömt aus dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 über die jeweilige Auslassabschnitte 34 und 37 heraus. Abhängig von dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 und den Durchflussraten des ersten und zweiten Anodenreaktandenstroms 40 und 42, wie unten beschrieben ist, kann der Anodenabfluss entweder über das Ventil 54 von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet werden oder kann in die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels strömen. Eine Entlüftung des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 kann auf eine Vielzahl von Arten ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Entlüftung von Anodenabfluss durch einen Aufstoßvorgang (engl. "burping"), einen diskontinuierlichen Entlüftungsvorgang oder einen kontinuierlichen Entlüftungsvorgang ausgeführt werden, wie nachfolgend beschrieben ist. Bevorzugt wird der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 über einen Aufstoßvorgang oder eine Aufstoßbetriebsart entlüftet. Der Aufstoßvorgang ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil 54 normalerweise geschlossen ist und kein Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird, und der Anodenabfluss zu verschiedenen Zeiten über ein Ventil 54 für eine kurze Zeitdauer mit einer großen Rate von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird. Dieser Aufstoßvorgang umfasst auch die Erhöhung der Lieferung von Anodenreaktand, der an den ersten und/oder zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 strömt, was eine größere Durchflussrate vorsieht, um Stickstoff und Wasser, die sich in den Anodenseiten 30 und/oder 32 des ersten und/oder zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 angesammelt haben, zu spülen.
Alternativ dazu kann, wie oben beschrieben ist, der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 auf eine diskontinuierliche Art und Weise entlüftet werden. Das diskontinuierliche Entlüften des Anodenabflusses ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil 54 normalerweise geschlossen gehalten wird und kein Anodenabfluss entlüftet wird, und zu verschiedenen Zeiten das Ventil 54 geöffnet wird und Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 bezüglich der Aufstoßbetriebsart für eine längere Zeitdauer mit einer geringeren Rate entlüftet wird. Der diskontinuierliche Entlüftungsvorgang erfordert normalerweise eine geringfügige Erhöhung der Durchflussrate des Anodenreaktanden durch die Ventile 48 und 50 zu dem ersten und/oder zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24, um den Anodendruck im Wesentlichen konstant zu halten. Diese Steigerung ist dahingehend vernachlässigbar, da sie keinen größeren Differenzdruck über die Stapel 22 und 24 oder ein stärkeres Kleinerstellen (engl. "turn down") der Ventile 48 oder 50 zur Folge hat. Es sei jedoch angemerkt, dass die niedrigere Rate der Entlüftung, die für eine länger Zeitdauer auftritt, einen gleichwertigen Spülvorgang der Anodenseiten 30 und 32 des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 vorsehen kann, um darin angesammelten Stickstoff und darin angesammeltes Wasser zu entfernen. Ebenfalls kann alternativ dazu, wie oben beschrieben ist, der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 auf eine kontinuierliche Art und Weise entlüftet werden. Eine kontinuierliche Entlüftung des Anodenabflusses ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil 54 so gesteuert wird, dass eine kontinuierliche Strömung von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird. Diese verschiedenen Verfahren zum Entlüften von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 sind nachfolgend detaillierter unter Bezugnahme auf den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 beschrieben.
Bei dem bevorzugten Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 wird ein Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20 in einer Menge geliefert, die ausreichend ist, um eine Last oder Anforderung zu erfüllen, die an das Brennstoffzellensystem 20 angelegt ist, und ein Anodenabfluss wird in einem Aufstoßvorgang entlüftet. Der Anodenreaktand wird in einen ersten und einen zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 aufgeteilt, die durch einen jeweiligen ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 strömen. Die Partitionierung des Anodenreaktanden in den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 wird durch das erste und zweite Ventil 48 und 50 ausgeführt. Genauer werden die Ventile 48 und 50 so betätigt, um die Menge von Anodenreaktand zu regulieren, der durch den ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 strömt. Der erste Anodenreaktandenstrom 44 strömt durch einen Einlassabschnitt 33 in die Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22, wobei der Anodenreaktand dazu verwendet wird, elektrischen Strom zu liefern. Ähnlicherweise strömt der zweite Anodenreaktandenstrom 42 durch den Einlassabschnitt 36 in die Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24, wobei der Anodenreaktand dazu verwendet wird, elektrischen Strom zu erzeugen. Das Ventil 54 wird in verschiedenen Intervallen geöffnet, innerhalb denen ein Aufstoßen des Brennstoffzellensystems 20 ausgeführt wird. Bei dem Aufstoßen verlassen der erste und der zweite Anodenreaktandenstrom 40 und 42 die jeweiligen Anodenseiten 30 und 32 durch die Auslassabschnitte 34 und 37 als Anodenabfluss und werden von dem Brennstoffzellensystem 20 durch einen dritten Strömungspfad 52 und ein drittes Ventil 54 entlüftet. Während des Aufstoßvorganges werden die Ventile 48 und/oder 50 so betätigt, dass der Durchfluss von Anodenreaktand, der an den ersten und/oder zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 strömt, erhöht wird, was zur Folge hat, dass eine große Menge an Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 innerhalb einer kurzen Zeitdauer entlüftet wird und die Entfernung von Stickstoff und Wasser von Anodenseiten des ersten und/oder zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 erleichtert, wie nachfolgend beschrieben ist.
Der Anodenabfluss von dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 wird jedoch gewöhnlich nicht von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet, da das dritte Ventil 54 gewöhnlich geschlossen ist und nur während eines Aufstoßvorganges geöffnet wird. Mit anderen Worten öffnet das Ventil 54 nur zu bestimmten Zeiten während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 20 und ist während der anderen Zeiten geschlossen. Wenn das dritte Ventil 54 geschlossen ist, kann der Anodenabfluss von dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 eventuell in den dritten Strömungspfad 52 strömen. Abhängig von der Partitionierung des Anodenreaktanden, der an den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 strömt, kann der in einem der Brennstoffzellenstapel erzeugte Anodenabfluss vielmehr durch seinen Auslassabschnitt in die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels strömen. Dies bedeutet, dass, wenn der erste Anodenreaktandenstrom 40 in den ersten Brennstoffzellenstapel 22 mit einer Rate eingeführt wird, die schneller ist, als die, mit der der zweite Anodenreaktandenstrom 42 in den zweiten Brennstoffzellenstapel 24 eingeführt wird, der erste Anodenreaktandenstrom 40 weiterhin durch die Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 strömt und über den Auslassabschnitt 33 in den dritten Strömungspfad 52 als Anodenabfluss austritt. Der Anodenabfluss strömt solange weiter durch den dritten Strömungspfad 52, bis er auf den zweiten Anodenreaktandenstrom 42 und/oder den Anodenabfluss auftrifft oder mit diesem zusammentrifft, der über den Auslassabschnitt 37 von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24 herausströmt.
Der Ort, an dem sich die beiden Ströme in dem Brennstoffzellensystem 20 treffen, wird als "toter Punkt" bezeichnet, an dem eine Strömung durch diesen Ort des Brennstoffzellensystems 20 im Wesentlichen stagniert und ein Druckgleichgewicht der beiden Strömungen auftritt. Der Ort des stagnierenden oder toten Punktes variiert abhängig von der Rate, mit der der erste und zweite Anodenreaktandenstrom 40 und 42 in das Brennstoffzellensystem 20 eingeführt werden und kann dadurch bewegt bzw. verschoben werden, dass die Strömungen aus dem Gleichgewicht gebracht werden. Beispielsweise kann der tote Punkt in der Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 auftreten, wenn der erste Anodenreaktandenstrom 40 mit einer Rate geliefert wird, die schneller als diejenige des zweiten Anodenreaktandenstromes 42 ist. In diesem Fall strömt der über den Auslassabschnitt 34 den ersten Brennstoffzellenstapel 22 verlassende Anodenabfluss durch den dritten Strömungspfad 52 und durch den Auslassabschnitt 37 an den zweiten Brennstoffzellenstapel 24 in die Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24. Somit tritt der tote Punkt, an dem sich die beiden Strömungen begegnen, in der Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 auf. Ähnlicherweise kann der tote Punkt in der Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 auftreten, wenn der zweite Anodenreaktandenstrom 42 in den zweiten Brennstoffzellenstapel 24 mit einer Rate strömt, die schneller als diejenige ist, mit der der erste Anodenreaktandenstrom 40 in den ersten Brennstoffzellenstapel 22 strömt. In dieser Situation strömt der Anodenabfluss von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24 durch den Auslassabschnitt 37, den dritten Strömungspfad 52 und in die Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 über den Auslassabschnitt 34 an dem ersten Brennstoffzellenstapel 22. In einem extremen Fall ist entweder das erste oder das zweite Ventil 48 oder 50 geschlossen, während der gesamte Anodenreaktand über das offene Ventil an das Brennstoffzellensystem 20 geliefert wird. In dieser Situation strömt der Anodenreaktand durch den ersten Brennstoffzellenstapel, auf den er trifft, verlässt dann diesen Brennstoffzellenstapel als Anodenabfluss und strömt durch den anderen Brennstoffzellenstapel auf umgekehrte Weise, wobei er durch den Auslass eintritt und diesen Brennstoffzellenstapel durch den Einlass wieder verlässt, bis er auf das geschlossene Ventil trifft. Somit kann durch Steuerung der Rate, mit der der erste und zweite Anodenreaktandenstrom 40 und 42 in das Brennstoffzellensystem 20 eintreten, der Ort des toten Punktes oder der Stagnation der Anodenreaktandenströmungen so eingestellt werden, dass er an verschiedenen Orten über die gesamten Anodenströmungspfade des Brennstoffzellensystems 20 vorkommen kann. Demgemäß sei angemerkt, dass der Ort des toten Punktes an einem Auslass von einem der Ventile 48 und 50 oder an einer sonstigen beliebigen Stelle dazwischen liegen kann.
Die Fähigkeit, den Totpunkt oder Punkt der Stagnation des Anodenreaktanden über die Anodenströmungspfade des Brennstoffzellensystems 20 zu bewegen, erlaubt eine verbesserte Wasser- und Gasverteilung über den Anodenabschnitt. Dies bedeutet, dass der Stagnationspunkt den Ort darstellt, an dem sich eine erhebliche Menge des Stickstoffes in den Strömungspfaden ansammelt. Die Fähigkeit, den Ort des toten Punktes oder Punkt der Stagnation über die Anodenströmungspfade der Brennstoffzellensysteme 20 dynamisch zu bewegen, hat zur Folge, dass auch der Stickstoff und das Wasser in den Anodenströmungspfaden über die Anodenströmungspfade bewegt und dadurch gleichmäßiger entlang der Membrane verteilt werden können, die die Anoden- und Kathodenseiten trennen. Die gleichmäßigere Verteilung des Stickstoffes entlang der Oberfläche der Membrane, die Anoden- und Kathodenseiten trennen, erhöht die Dauer, mit der das Brennstoffzellensystem 20 betrieben werden kann, ohne den Anodenabfluss zu entlüften. Dies bedeutet, dass die gleichmäßigere Verteilung von Stickstoff entlang der Oberfläche der Membrane ermöglicht, dass die Leistungsfähigkeit aller Brennstoffzellen, die der Brennstoffzellenstapel umfasst, gesteigert werden kann, und die Leistungsfähigkeit aller Brennstoffzellen mit einer niedrigeren oder ähnlichen Rate abnimmt, bevor sie auf einen Punkt zurück geht, an dem der Stickstoff von den Anodenseiten des Brennstoffzellensystems 20 entfernt werden muss. Durch Erhöhung der Intervalle zwischen der Entlüftung von Anodenabfluss kann mehr Wasserstoff in den Anodenreaktandenströmen 40 und 42 zur Erzeugung elektrischer Energie verbraucht werden, bevor er von dem Brennstoffzellensystem 20 als Teil des Anodenabflusses entlüftet wird.
Um diese bessere Verteilung zu erreichen, wird das Brennstoffzellensystem 20 so betrieben, dass die über den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 gelieferten Mengen an Anodenreaktand dynamisch zueinander variieren, um den toten Punkt zu verschiedenen Orten innerhalb der Anodenseiten und Strömungspfade des Brennstoffzellensystems zu bewegen. Wenn der tote Punkt umher bewegt wird, werden der Stickstoff und das Wasser in den Anodenseiten und Strö mungspfaden des Brennstoffzellensystems 20 gleichmäßiger zwischen dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 verteilt. Das Einstellen oder die Variation der Menge an Anodenreaktand, der über den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert wird, kann auf Grundlage einer Vielzahl von Steuerszenarien erfolgen. Ein Steuerszenario basiert auf dem Vergleich des gegenwärtigen Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems 20, wie beispielsweise der Last auf das System, der Spannungsstabilität der Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstapel, dem Druck, etc., mit empirischen Daten und dem Einstellen der Menge an Anodenreaktand, der an den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert wird, auf Grundlage des Vergleichs. Die empirischen Daten werden gebildet, indem das Brennstoffzellensystem 20 oder eine gleichwertige Vorrichtung in einem Testaufbau betrieben wird, wobei die Last auf das Brennstoffzellensystem geändert wird, während andere Betriebsparameter des Systems überwacht werden, wie beispielsweise der Stickstoffgehalt, die Stickstoffverteilung, der Wassergehalt, die Wasserverteilung wie auch die Zellenspannungen. Die Last auf das Brennstoffzellensystem wird konstant gehalten, während die Menge an Anodenreaktand, der durch den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert wird, abgeändert wird. Auf Grundlage dieser Beobachtungen werden optimale Einstellmengen bzw. -größen oder Zeiten zum Einstellen der Mengen gebildet, die einen gewünschten Betrieb des Brennstoffzellensystems vorsehen, wie beispielsweise eine im Wesentlichen homogene Verteilung von Stickstoff und/oder Wasser über das gesamte Brennstoffzellensystem 20, eine erhöhte Spannungsstabilität wie auch eine Verringerung der Menge an überschüssigem Wasserstoff, der von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird. Die Last auf das Brennstoffzellensystem wird dann eingestellt, und die Raten und/oder Intervalle, mit bzw. in denen die Menge an Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20 über den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert wird, werden erneut variiert, um optimale Einstellmengen und/oder Zeiten zum Einstellen der Mengen zu erhalten. Die Optimierung kann auf Grundlage einer Vielzahl von Faktoren erfolgen, wie beispielsweise dem Erhalt einer gewünschten Stickstoffverteilung, Wasserverteilung und/oder einem gewünschten Zeilenspannungsausgang. Es sei jedoch angemerkt, dass auch andere Betriebsparameter bei der Entwicklung der empirischen Daten und der zugeordneten Einstellmenge und/oder Zeit zum Einstellen der Mengen überwacht und optimiert werden können.
Ein zweites Steuerszenario, mit dem das Brennstoffzellensystem 20 betrieben werden kann, betrifft die Verwendung eines Algorithmus, der die Einstellmengen und/oder die Zeit zum Einstellen der Mengen bestimmt und dann ein Brennstoffzellensystem 20 auf Grundlage des Algorithmus betreibt. Der Algorithmus bestimmt die Rate, mit der die Mengen, die geliefert werden, variieren sollen, und/oder die Zeit, innerhalb der die Raten variieren sollen, auf Grundlage der Last auf das Brennstoffzellensystem 20 oder auf Grundlage einiger anderer Parameter, wie beispielsweise der Zellenspannung. Der gewählte Algorithmus basiert darauf, dass ein gewünschter Betrieb eines Brennstoffzellensystems 20 vorgesehen wird, wie beispielsweise eine gewünschte Stickstoffverteilung, eine gewünschte Wasserverteilung und/oder ein gewünschter Zeilenspannungsausgang.
Bei einem dritten Steuerszenario wird der über den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 gelieferte Anodenreak tand auf Grundlage von vorbestimmten Intervallen und Änderungsraten variiert. Beispielsweise kann, wie in 3 gezeigt ist, die Menge an Anodenreaktand in dem ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 sinusförmig sein. Dies bedeutet, dass die Menge und/oder die Durchflussrate von Anodenreaktand in dem ersten Anodenreaktandenstrom 40 sinusförmig variieren kann, wie durch Kurve 70 dargestellt ist. Gleichermaßen kann die Menge und/oder die Durchflussrate des Anodenreaktanden in dem zweiten Anodenreaktandenstrom 42 ebenfalls sinusförmig variieren, wie durch die Kurve 72 dargestellt ist. Die Kurven 70 und 72 sind um 180° phasenverschoben gezeigt, so dass ein Durchschnittsbetrag der Durchflussrate des Anodenreaktanden innerhalb des Brennstoffzellensystems 20 im Wesentlichen konstant bleibt, wie durch Kurve 74 gezeigt ist. Die Kurve 74 ist im Wesentlichen horizontal und gibt an, dass die durchschnittliche Menge von Anodenreaktand in dem Brennstoffzellensystem 20 etwa eine stöchiometrische Durchflussrate von 1,0 ist. Die sinusförmigen Variationen der Menge an Anodenreaktand in dem ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 haben zur Folge, dass sich der tote Punkt in dem Brennstoffzellensystem 20 bewegt und damit der Stickstoff und das Wasser gleichmäßiger über das gesamte Brennstoffzellensystem 20 verteilt werden. Es sei angemerkt, dass die Frequenz der sinusförmigen Kurve(n) geändert werden kann, um ein gewünschtes Strömungsmuster zu erreichen, wobei die Änderung auf Grundlage empirischer Daten erfolgen kann, wie oben unter Bezugnahme auf das erste Steuerszenario beschrieben ist.
Wie oben beschrieben ist, wird ein Anodenabfluss in dem Brennstoffzellensystem 20 in einem Aufstoßvorgang von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet. Der Aufstoßvorgang umfasst das Öffnen des Ventils 54, so dass eine große Menge an Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 über ein kurzes Intervall oder eine kurze Zeitdauer entlüftet wird. Gleichermaßen drückt oder spült eine wesentliche Erhöhung der Menge an Anodenreaktand, die an das Brennstoffzellensystem 20 über den ersten und/oder zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert wird, den Anodenabfluss zusammen mit dem Wasser und Stickstoff aus dem Anodenströmungspfad des Brennstoffzellensystems 20. Die Menge an von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftetem Anodenabfluss bestimmt die Menge an Stickstoff und/oder Wasser, die aus dem Brennstoffzellensystem gespült werden. Mit anderen Worten ist es nicht nötig, die gesamte Menge an Wasser und/oder Stickstoff während jedes Aufstoßintervalls aus dem Brennstoffzellensystem 20 zu spülen. Die exakte Menge von Wasser und/oder Stickstoff, die von dem Brennstoffzellensystem 20 während des Aufstoßens gespült wird, variiert abhängig von dem gewünschten Betrieb des Brennstoffzellensystems 20.
Der Aufstoßvorgang des Brennstoffzellensystems 20 ist in 3 gezeigt, in der die Kurven 70, 72 und 74 Spitzen aufweisen, die allgemein mit 76 bezeichnet sind. Die Spitzen zeigen die erhöhte Menge von Anodenreaktand, der an das Brennstoffzellensystem 20 über den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 während des Spülvorganges geliefert wird, wie auch die zugeordnete Erhöhung des Durchschnitts dieser beiden Strömungen. Die Periode oder das Zeitintervall zwischen den Aufstoßvorgängen kann variieren, wie nachfolgend beschrieben ist. Zusätzlich muss das Intervall der Aufstoßvorgänge nicht mit der Einstellung der Anodenreaktandenströme synchron sein. Dies bedeutet, dass, wie in 3 gezeigt ist, die Aufstoßvorgänge nicht mit dem sinusförmigen Schalten der Mengen von Anodenreaktand synchron sind, die über den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert werden. Es sei jedoch angemerkt, dass der Aufstoßvorgang gegebenenfalls mit dem Schalten der Reaktandenströme synchron erfolgen kann.
Das Aufstoßen des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 kann so gesteuert werden, dass während eines gegebenen Entlüftungsvorganges lediglich ein Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem 20 gespült wird. Dies bedeutet, dass während des Entlüftungsvorganges nur eines der Ventile 48 und 50 eingestellt wird, um einen Stoß von Anodenreaktand zu dem zugeordneten unterstromigen Brennstoffzellenstapel vorzusehen, während das andere Ventil eine geringere Durchflussrate von Anodenreaktand zu den anderen Brennstoffzellenstapel zulässt. Der Stoß von Anodenreaktand strömt durch den zugeordneten unterstromigen Brennstoffzellenstapel und verlässt den Brennstoffzellenstapel als Anodenabfluss, der dann durch das Ventil 54 entlüftet wird. Der Stoß des Anodenreaktanden hilft, den Brennstoffzellenstapel, durch den er strömt, von Wasser und Stickstoff zu spülen. Der andere Brennstoffzellenstapel erhält Anodenreaktand mit einer Rate, die ausreichend ist, um den Stoß des Anodenreaktanden, der durch das Brennstoffzellensystem strömt, an einem Eintritt in diesen Brennstoffzellenstapel in einer umgekehrten Art und Weise zu hindern. Es sei jedoch angemerkt, dass ein Anteil des Stoßes des Anodenreaktanden in einer umgekehrten Weise durch den anderen Brennstoffzellenstapel strömen kann, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Der andere Brennstoffzellenstapel kann dann durch einen nachfolgenden Entlüftungsvorgang gespült werden, indem ein Stoß eines Anodenreaktanden an diesen Brennstoffzellenstapel geliefert wird, während der andere Brennstoffzellenstapel auf einer Durchflussrate gehalten wird, die ausreichend ist, um die Strömung von Anodenfluid in einer umgekehrten Art und Weise durch den anderen Brennstoffzellenstapel zu verhindern oder zu minimieren. Gegebenenfalls können beide Brennstoffzellenstapel gleichzeitig gespült werden, indem die Strömung von Anodenreaktand zu beiden Brennstoffzellenstapeln gesteigert wird, während das Ventil 54 offen ist. Somit kann während eines Entlüftungsvorgangs des Brennstoffzellensystems 20 je nach Bedarf ein einzelner Brennstoffzellenstapel von Wasser und Stickstoff gespült werden oder es können beide Brennstoffzellenstapel von Wasser und Stickstoff gespült werden.
Das Intervall zwischen den Aufstoßvorgängen kann variieren und kann auf einer Vielzahl von Steuerszenarien basieren. Ein Steuerszenario kann darauf basieren, dass der gegenwärtige Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 20 mit empirischen Daten verglichen wird und auf Grundlage dieses Vergleichs das Zeitintervall zwischen den Aufstoßvorgängen eingestellt wird. Die empirischen Daten können in Verbindung mit dem oben beschriebenen Verfahren erstellt werden, mit dem empirische Daten für die Einstellung der Mengen und Zeiten zwischen den Einstellungen der Mengen von Anodenreaktand, der zu den Brennstoffzellenstapeln strömt, erhalten werden.
Ein zweites Steuerszenario für den Aufstoßvorgang des Brennstoffzellensystems 20 ist die Verwendung eines Algorithmus, der die Aufstoßzeiten bestimmt und dann das Brennstoffzellensystem 20 auf Grundlage des Algorithmus einem Aufstoßvorgang unterzieht. Der gewählte Algorithmus wird basierend darauf gewählt, dass ein gewünschter Betriebsablauf für das Brennstoffzellensystem 20 vorgesehen wird, wie beispielsweise eine gewünschte Stickstoffverteilung, Wasserverteilung und/oder einen gewünschten Spannungsausgang.
Bei einem dritten Steuerszenario basiert die Zeit, bei der das Brennstoffzellensystem 20 einem Aufstoßvorgang unterzogen wird, auf einem spezifischen oder auf mehreren Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 20. Dies bedeutet, dass einer oder mehrere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 20, wie beispielsweise die Stickstoffmenge, Wassermenge und Zellenspannungsstabilität, überwacht werden, und, wenn eine Schwelle für einen oder mehrere dieser Parameter erreicht ist, der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 in einem Aufstoßvorgang entlüftet wird. Gegebenenfalls können die überwachten Parameter für einen einzelnen Brennstoffzellenstapel spezifisch sein, so dass, wenn der überwachte Parameter für diesen Brennstoffzellenstapel eine vorbestimmte Schwelle durchläuft, dieser Brennstoffzellenstapel dann in einem Aufstoßvorgang des Brennstoffzellensystems 20 gespült wird, während der andere Brennstoffzellenstapel nicht gespült wird, wie oben beschrieben ist. Somit erleichtert dieses Steuerszenario die Überwachung der Betriebsparameter der einzelnen Brennstoffzellenstapel wie auch das Spülen von Stickstoff und Wasser von einem spezifischen Brennstoffzellenstapel auf einer Bedarfsbasis oder in einem Bedarfsintervall.
Demgemäß wird das Brennstoffzellensystem 20 bevorzugt in einer Aufstoßbetriebsart betrieben, wobei die Mengen an Anodenreaktand, die an den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 über den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert werden, so variiert werden, dass ein gewünschter Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 erhalten wird. Das Brennstoffzellensystem 20 kann auf diese Art und Weise betrieben werden, um eine gewünschte Stickstoffverteilung, Wasserverteilung und/oder Spannungsstabilität des Brennstoffzellensystems 20 vorzusehen.
Das Brennstoffzellensystem 20 kann in einer ersten alternativen Betriebsart betrieben werden, wobei der Anodenabfluss auf eine diskontinuierliche Art und Weise entlüftet wird, die von der des oben beschriebenen Aufstoßvorgangs verschieden ist. Dies bedeutet, dass, wie oben beschrieben ist, sich der Aufstoßvorgang von dem diskontinuierlichen Betrieb durch die Rate wie auch die Dauer des Entlüftungsvorganges unterscheidet. Genauer betrifft der Aufstoßvorgang das Entlüften einer großen Menge an Anodenabfluss innerhalb einer kurzen Zeitdauer, während bei einem diskontinuierlichen Entlüftungsvorgang Anodenabfluss mit einer geringeren oder langsameren Rate über eine längere Zeitdauer entlüftet wird. Zusätzlich wird der Aufstoßvorgang durch einen Stoß in der Menge an Anodenreaktand, der an die Brennstoffzellenstapel strömt, begleitet, während bei der diskontinuierlichen Entlüftung der Stoß in der Anodenreaktandenströmung nicht erforderlich ist. Dies bedeutet, dass die diskontinuierliche Entlüftungsbetriebsart kein Spülen der Anodenströmungspfade des Brennstoffzellensystems 20 darstellt, wie dies bei der Aufstoßbetriebsart der Fall ist, und demgemäß keinen Stoß in der Menge an Anodenreaktand erfordert, der an das Brennstoffzellensystem 20 geliefert wird, und, wie oben beschrieben ist, bestenfalls eine geringfügige Erhöhung der Anodenreaktandenströmung erfordert, um den Anodendruck im Wesentlichen konstant zu halten. Wenn das Brennstoffzellensystem 20 mit einer diskontinuierlichen Entlüftung des Anodenabflusses betrieben wird, wird das Ventil 54 zu verschiedenen Zeitintervallen und für verschiedene Zeitdauern geöffnet, um eine Entlüftung von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 zu ermöglichen.
Das Intervall zwischen der diskontinuierlichen Entlüftung von Anodenabfluss und der Dauer der Entlüftung kann variieren und auf einer Vielzahl von Steuerszenarien basieren. Beispielsweise kann das Intervall zwischen diskontinuierlichen Entlüftungen und der Dauer auf einem Vergleich des gegenwärtigen Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems 20 mit empirischen Daten basieren, auf einem Algorithmus basieren oder auf spezifischen Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 20 basieren, wie beispielsweise der Spannungsstabilität von einem oder mehreren Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstapeln auf dieselbe Art und Weise, wie oben unter Bezugnahme auf das einem Aufstoßvorgang unterzogene Brennstoffzellensystem 20 beschrieben ist. Die diskontinuierliche Entlüftung von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 wird in Verbindung mit dem Variieren der Mengen an Anodenreaktand durchgeführt, die an die Brennstoffzellenstapel in dem ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert werden, um einen gewünschten Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 vorzusehen, wie beispielsweise eine gewünschte Wasserverteilung, Stickstoffverteilung und/oder Spannungsstabilität.
Die diskontinuierliche Entlüftung des Anodenabflusses lässt zu, dass die Strömung des Anodenabflusses von einem der Brennstoffzellenstapel in die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels über seinen Auslass eintreten kann, sogar während der Entlüftung von Anodenabfluss. Dies wird dadurch erreicht, dass der Anodenreaktand an einen der Brennstoffzellenstapel mit einer größeren Rate als der an den anderen Brennstoffzellenstapel und mit einer größeren Rate geliefert wird, als von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird. Dies hat zur Folge, dass ein Anteil von Anodenabfluss, der durch einen der Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird, während der verbleibende Anteil des Anodenabflusses von diesem Brennstoffzellenstapel in die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels strömen kann und einen toten Punkt in dem anderen Brennstoffzellenstapel zur Folge hat. Hiermit kann immer noch ein toter Punkt in den Anodenströmungspfaden während der Entlüftung des Brennstoffzellensystems 20 auftreten, und dieser tote Punkt kann über den gesamten Anodenströmungspfad des Brennstoffzellensystems 20 eingestellt werden, indem die Mengen an Anodenreaktand, die an den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert werden, und die Menge an Anodenabfluss variiert wird, der von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird, was das Druckgleichgewicht der Strömungen ändert. Somit kann das Brennstoffzellensystem 20 mit einer diskontinuierlichen Entlüftung von Anodenabfluss betrieben werden, wodurch eine verbesserte Verteilung von Wasser, von Stickstoff und/oder eine Spannungsstabilität des Brennstoffzellensystems 20 erreicht wird.
Das Brennstoffzellensystem 20 kann auch in einer zweiten alternativen Betriebsart betrieben werden, in der der Anodenabfluss kontinuierlich von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird. In dieser Betriebsart bleibt das Ventil 54 offen und eine Anodenabflussströmung wird kontinuierlich von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet. Die Menge an Anodenabfluss, die von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird, kann abhängig von dem Betrieb des Ventils 54 variieren. Beispielsweise kann das Ventil 54 eine sehr niedrige und kontinuierliche Rate der Entlüftung von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 vorsehen oder kann um einen weiteren Betrag geöffnet werden, um eine vergrößerte Strömung von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 zuzulassen. Während der kontinuierlichen Entlüftung von Anodenabfluss wird auch die Menge an Anodenreaktand, die an den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert wird, variiert, wie oben beschrieben ist, um einen gewünschten Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 vorzusehen. Aufgrund der kontinuierlichen Entlüftung von Anodenabfluss ist die Gesamtmenge an Anodenreaktand, der an das Brennstoffzellensystem 20 geliefert wird, größer als dann, wenn es in den Betriebsarten mit einer Entlüftung über Aufstoßen oder einer diskontinuierlichen Entlüftung betrieben wird. Beispielsweise kann, wie in 4 gezeigt ist, die Menge an Anodenreaktand, die an den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert wird, eine graduelle schrittweise Änderung sein, wie durch die Kurven 80 bzw. 82 gezeigt ist. Die durchschnittliche stöchiometrische Durchflussrate von Anodenreaktand in dem Brennstoffzellensystem 20 liegt, wie mit Kurve 84 gezeigt ist, aufgrund der kontinuierlichen Entlüftung eines Anteils von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 über 1,0. Die stöchiometrische Rate, mit der Anodenreaktand in dem Brennstoffzellensystem 20 verbraucht wird, bleibt jedoch, wie mit Kurve 86 gezeigt ist, für den Idealbetrieb des Brennstoffzellensystems 20 bei 1,0.
Die kontinuierliche Entlüftung von Anodenabfluss erlaubt dennoch, dass die Strömung von Anodenabfluss von einem der Brennstoffzellenstapel in die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels über den Auslassabschnitt auf eine ähnliche Art und Weise, wie oben beschrieben ist, strömen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der Anodenreaktand an einen der Brennstoffzellenstapel mit einer größeren Rate als der an den anderen Brennstoffzellenstapel und mit einer größeren Rate geliefert wird, als von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird. Dies hat zur Folge, dass ein Anteil von Anodenabfluss, der durch einen der Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird, während der verbleibende Anteil des Anodenabflusses von diesem Brennstoffzellenstapel in die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels strömen kann und einen toten Punkt in dem anderen Brennstoffzellenstapel zur Folge hat. Hiermit kann immer noch ein toter Punkt in den Anodenseiten und Strömungspfaden während einer kontinuierlichen Entlüftung des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 auftreten, und dieser tote Punkt kann über das gesamte Brennstoffzellensystem 20 eingestellt werden, indem die Mengen an Anodenreaktand, die an den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert werden, und die Menge an Anodenabfluss variiert wird, der von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird, was das Druckgleichgewicht der Strömungen ändert. Somit kann das Brennstoffzellensystem 20 mit einer kontinuierlichen Entlüftung von Anodenabfluss betrieben werden, während die Verteilung von Wasser, die Verteilung von Stickstoff und/oder die Spannungsstabilität des Brennstoffzellensystems 20 verbessert wird. Es sei jedoch angemerkt, dass das Ventil 54 gegebenenfalls um einen größeren Betrag geöffnet werden kann, so dass eine größere Menge an Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 nach Bedarf in einem Pseudospülbetrieb entlüftet werden kann.
In 5 ist eine zweite alternative Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung gezeigt und mit 20'' bezeichnet. Das Brennstoffzellensystem 20'' ist im Wesentlichen gleich zu dem Brennstoffzellensystem 20, wie in 1 beschrieben ist, mit dem Zusatz eines vierten Strömungspfades 100 und eines Ventils 102, das dazu verwendet wird, einen dritten Anodenreaktandenstrom 104 vorzusehen. Ein Ende des vierten Strömungspfades 100 ist mit dem ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 oberstromig des ersten und zweiten Ventils 48 und 50 verbunden, während ein entgegengesetztes Ende des vierten Strömungspfades 100 mit dem dritten Strömungspfad 52 verbunden ist. Das Ventil 102 ist in dem Strömungspfad 100 zwischen dem ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 und dem dritten Strömungspfad 52 positioniert. Mit dieser Anordnung kann der von dem Brennstoffzellensystem 20 gelieferte Anodenreaktand zwischen dem ersten Strömungspfad 44, dem zweiten Strömungspfad 46 und dem vierten Strömungspfad 100 aufgeteilt werden, um so einen ersten, zweiten und dritten Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 zu bilden. Der Zusatz des dritten Anodenreaktandenstromes 104 zu dem Brennstoffzellensystem 20'' erlaubt eine Steuerung der Konzentration von Anodenreaktand, der in die Auslässe der Anodenseiten des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 strömt, wie nachfolgend beschrieben ist.
Das Brennstoffzellensystem 20'' wird bevorzugt so betrieben, dass der Anodenabfluss entweder in einem Aufstoßvorgang oder in einem diskontinuierlichen Vorgang entlüftet wird. Die Aufstoßbetriebsweise oder diskontinuierliche Betriebsweise des Entlüftens von Anodenabfluss wird gewählt, um zu verhindern, dass der dritte Anodenreaktandenstrom 104 oder ein Anteil desselben von dem Brennstoffzellensystem 20'' entlüftet wird, wenn dies mit einer kontinuierlichen Entlüftung von Anodenabfluss betrieben wird. Dies bedeutet, dass, wenn das Brennstoffzellensystem 20'' mit einer kontinuierlichen Entlüftung von Anodenabfluss betrieben wird, zumindest ein Anteil des dritten Anodenreaktandenstroms 104 direkt entlüftet würde und der darin enthaltene Wasserstoff verschwendet würde.
Wie oben beschrieben ist, wird der dritte Anodenreaktandenstrom 104 dazu verwendet, um die Konzentration von Anodenreaktand zu steuern, der in den Auslass von einem der Brennstoffzellenstapel strömt. Der Zusatz eines dritten Anodenreaktandenstroms 104 zu dem dritten Strömungspfad 54 erlaubt, dass das Brennstoffzellensystem 20'' auf eine Anzahl verschiedener Arten betrieben werden kann, die mit dem Brennstoffzellensystem 20 und 20' nicht verfügbar sind. Eine erste Betriebsart betrifft die Verwendung des dritten Anodenreaktandenstromes 104, um einen Anodenreaktand durch jeweilige Auslassabschnitte 34 und 37 an die Anodenseiten 30 und 32 des jeweiligen ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 zu liefern. Bei dieser Betriebsart werden das erste, zweite und vierte Ventil 48, 50 und 100 so betrieben, um den ersten, zweiten und dritten Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 vorzusehen. Der dritte Anodenreaktandenstrom 104 folgt dem Pfad des geringsten Widerstandes (d.h. entweder durch den Auslassabschnitt 34 in die Anodenseite 30, durch den Auslassabschnitt 37 in die Anodenseite 32 oder eine Entlüftung durch das dritte Ventil 54). Das erste, zweite und vierte Ventil 48, 50 und 102 werden so betrieben, dass eine Menge an Anodenreaktand in dem ersten, zweiten und dritten Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 vorgesehen wird, was zur Folge hat, dass in beiden Anodenseiten 30 und 32 des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 tote Punkte auftreten. Genauer strömt der erste Anodenreaktandenstrom 40 über den Einlassabschnitt 33 in die Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22, während ein Anteil des dritten Anodenreaktandenstromes 104 über den dritten Strömungspfad 52 und den Auslassabschnitt 34 in die Anodenseite 30 des Brennstoffzellenstapels 22 strömt. Gleichermaßen strömt der zweite Anodenreaktandenstrom 42 durch den Einlassabschnitt 36 in die Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24, während der andere Anteil des dritten Anodenreaktandenstromes 104 durch den dritten Strömungspfad 52 und den Auslassabschnitt 37 in die Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 strömt. Die beiden Anteile des dritten Anodenreaktandenstromes 104 strömen in die jeweiligen Anodenseiten 30 und 32 des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24, bis sie auf den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 treffen und ein Druckgleichgewicht der Strömungen auftritt. Dies hat einen toten Punkt oder einen Punkt der Stagnation in jeder Anodenseite 30 und 32 des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 zur Folge. Die Menge an Anodenreaktand, die in dem ersten, zweiten und dritten Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 geliefert wird, kann, wie oben beschrieben ist, variiert werden, um das Druckgleichgewicht zu ändern und die toten Punkte in den Anodenseiten 30 und 32 der jeweiligen Brennstoffzellenstapel 22 und 24 umher zu bewegen und damit die Wasserverteilung, Stickstoffverteilung und/oder Spannungsstabilität des Brennstoffzellensystems 20'' zu verbessern.
Alternativ dazu kann das Brennstoffzellensystem 20'' in einer zweiten Betriebsart betrieben werden, in der der erste, zweite und dritte Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 so gesteuert werden, dass der dritte Anodenreaktandenstrom 104 vollständig in nur eine der Anodenseiten 30 und 32 des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 strömt. Beispielsweise kann das erste Ventil 48 so betätigt werden, dass der erste Reaktandenstrom 40 in einer ausreichenden Menge vorhanden ist, so dass er vollständig durch die Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 strömt und die Anodenseite 30 als Anodenabfluss verlässt, bevor er auf den dritten Anodenreaktandenstrom 104 in dem dritten Strömungspfad 52 trifft, was einen toten Punkt in dem dritten Strömungspfad 52 zur Folge hat. Wenn der tote Punkt in dem dritten Strömungspfad 52 auftritt, strömt der dritte Anodenreaktandenstrom 104 in die Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 durch den Auslassabschnitt 37 und trifft auf den zweiten Anodenreaktandenstrom 42 darin, was einen zweiten toten Punkt zur Folge hat, der in der Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 auftritt. Gegebenenfalls können die Raten des ersten, zweiten und dritten Anodenreaktandenstroms 40, 42 und 104 so eingestellt werden, dass der Anodenabfluss, der die Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 verlässt, durch den dritten Strömungspfad 52 strömt und sich mit dem dritten Anodenreaktandenstrom 104 vereinigt, und sowohl der Anodenabfluss als auch der dritte Reaktandenstrom 104 durch den Auslassabschnitt 37 in die Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 strömen und auf den zweiten Anodenreaktandenstrom 42 darin treffen. Dies hat einen einzelnen toten Punkt in der Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 zur Folge. Der erste, zweite und dritte Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 kann dann so eingestellt werden, dass das Druckgleichgewicht geändert wird und dieser einzelne tote Punkt von der Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 an die Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 bewegt wird. Diese Fähigkeiten des Brennstoffzellensystems 20'' lassen zu, dass der Anodenreaktand an eine Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels sowohl durch seinen Einlass als auch seinen Auslass geliefert werden kann. Somit sieht der Zusatz des dritten Reaktandenstroms 104 zusätzliche Fähigkeiten zur Lieferung von Anodenreaktanden an die Brennstoffzellenstapel und zum Einstellen toter Punkte innerhalb des Anodenströmungspfades des Brennstoffzellensystems 20'' vor, um die Wasserverteilung, Stickstoffverteilung und/oder Spannungsstabilität zu verbessern.
Die Einstellung der Menge von Anodenreaktand in dem ersten, zweiten und dritten Anodenreaktand 40, 42 und 104 kann auf Grundlage einer Vielzahl von Steuerszenarien erfolgen, wie oben unter Bezugnahme auf das Brennstoffzellensystem 20 und 20' beschrieben ist. Dies bedeutet, dass der Betrieb des Brennstoffzellensystem 20'' auf einem Vergleich gegenwärtiger Betriebsbedingungen mit empirischen Daten, auf einem Algorithmus und/oder spezifischen Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 20'' basieren kann. Somit sieht das Brennstoffzellensystem 20'' zusätzliche Betriebsarten für das Brennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung vor, um die Verteilung von Wasser, Verteilung von Stickstoff und/oder die Spannungsstabilität des Brennstoffzellensystems zu verbessern.
Der Anodenabfluss wird, wie oben beschrieben ist, von dem Brennstoffzellensystem 20'' bevorzugt entweder in einer Aufstoßbetriebsart oder einer diskontinuierlichen Betriebsart entlüftet. Wenn die Entlüftung über Aufstoßen oder diskontinuierliche Entlüftung erfolgt, ist es bevorzugt, dass das vierte Ventil 102 geschlossen wird, so dass kein dritter Anodenreaktandenstrom 104 in den dritten Strömungspfad 52 strömen kann. Durch Schließen des vierten Ventils 102 wird der Anodenreaktand nicht direkt von dem Brennstoffzellensystem 20'' entlüftet. Die Häufigkeit des Entlüftens wie auch die Dauer einer derartigen Entlüftung von Anodenabfluss unabhängig davon, ob es sich um die Aufstoßbetriebsart oder die diskontinuierliche Betriebsart handelt, kann auf denselben Steuerszenarien basieren und auf dieselbe Art und Weise variieren, wie oben unter Bezugnahme auf das Brennstoffzellensystem 20 beschrieben worden ist.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele beschrieben worden ist, die in den Figuren gezeigt und als Brennstoffzellensysteme 20, 20' und 20'' beschrieben worden sind, sei angemerkt, dass hinsichtlich der Gestaltung wie auch dem Betrieb der verschiedenen Brennstoffzellensysteme Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können ein oder mehrere Wasserabscheider (nicht gezeigt) in dem dritten Strömungspfad 52 vorgesehen sein, um Wasser von dem durch diesen strömenden Anodenabfluss zu entfernen und damit den Zusatz von Wasser in eine der Anodenseiten 30 und 32 durch ihre jeweiligen Auslassabschnitte 34 und 37 zu verhindern. Eine Positionierung des Abscheiders oberstromig des Ventils 54 erlaubt ein Spülen von flüssigem Wasser, ohne dass gleichzeitig Gas gespült wird. Dies ist bezüglich des Wasserstoffwirkungsgrades in den Fällen nützlich, wenn eine Wasserspülung, jedoch keine Stickstoffspülung benötigt wird. Zusätzlich kann das Variieren des Anodenreaktanden in dem ersten, zweiten und dritten Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 von demjenigen abweichen, das in den 3 und 4 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass die Variation dieser Durchflussraten nicht sinusförmig sein muss bzw. eine allmähliche schrittweise Änderung sein muss oder ähnliche Funktionen haben muss. Vielmehr können die Variationen auf verschiedenen Betriebsszenarien basieren, wie oben beschrieben ist, und können eine Form annehmen, die einen Betrieb des Brennstoffzellensystems in einer gewünschten Betriebsart ermöglicht. Es ist bevorzugt, wenn die Variation der Anodenreaktandenströme jedoch allmählich erfolgt, um große Druckunterschiede zwischen den Anoden- und Kathodenseiten des Brennstoffzellenstapels zu vermeiden. Überdies sei angemerkt, dass der Anodenabfluss von den Brennstoffzellensystemen in einem Hybridentlüftungsvorgang entlüftet werden kann, bei dem die Entlüftung von Anodenabfluss in einer Aufstoßbetriebsart, einer diskontinuierlichen Betriebsart, einer kontinuierlichen Betriebsart oder einer Kombination derselben erfolgen kann, so dass sich das Entlüften eines Anodenabflusses ändert, wenn sich der Betrieb des Brennstoffzellensystems ändert. Ferner sei angemerkt, dass, während das erste, zweite und vierte Ventil 48, 50 und 102 zur Verwendung zum Regulieren der Menge von Anodenreaktand, der durch diese strömt, dargestellt worden sind, diese Ventile durch Gasinjektoren bzw. Gaseinspritzeinrichtungen oder ähnliche Vorrichtungen ersetzt werden können, die in der Lage sind, eine Menge von hindurchströmendem Anodenreaktand zuzumessen und zu regulieren.
Die vorliegende Erfindung vermeidet lokale hohe Konzentrationen von Stickstoff und Wasser in der Anodenseite der Brennstoffzellen. Zusätzlich führt sie zu einer gleichmäßigeren Verteilung des Stickstoffes und des Wassers auf der Anodenseite der Brennstoffzellen, so dass der Betrieb der Brennstoffzellen, bevor ein Spülgang erforderlich wird, verlängert wird.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und somit sind Variationen, die nicht vom Schutzumfang der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung anzusehen. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
Zusammengefasst ist ein Gassteuer- und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem zur verbesserten Wasser- und Gasverteilung offenbart. Die vorliegende Erfindung sieht eine Ausführung eines Brennstoffzellensystems vor, das eine Steuerung des Anodenreaktanden und Anodenabflusses durch die Anodenteilstücke des Brennstoffzellensystems zulässt, um eine Wasser- und Gasverteilung auf der Anodenseite der Brennstoffzellen zu verbessern, was die Spannungsstabilität der Brennstoffzellen steigert.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: zumindest einem Kathodenabschnitt, der einen Einlass und einen Auslass aufweist; zumindest zwei Anodenabschnitten, von denen jeder einen Einlass und einen Auslass aufweist; wobei der zumindest eine Kathodenabschnitt und die zumindest zwei Anodenabschnitte einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktanden und einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktanden in Elektrizität, einen Kathodenabfluss und einen Anodenabfluss umwandeln können; einem ersten Strömungspfad, der einen ersten Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen Einlass eines ersten Anodenabschnittes der zumindest zwei Anodenabschnitte liefern kann; einem zweiten Strömungspfad, der einen zweiten Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen Einlass eines zweiten Anodenabschnittes der zumindest zwei Anodenabschnitte liefern kann; einem ersten Ventil in dem ersten Strömungspfad, das eine Strömung durch den ersten Strömungspfad hindurch ändern kann; einem zweiten Ventil in dem zweiten Strömungspfad, das eine Strömung durch den zweiten Strömungspfad hindurch ändern kann; einem dritten Strömungspfad, der einen Auslass des ersten Anodenabschnittes mit einem Anodenauslass des zweiten Anodenabschnittes verbindet, wodurch eine Strömungsverbindung zwischen den ersten und zweiten Anodenabschnitten durch die Auslässe vorgesehen wird; und einem dritten Ventil, das mit dem dritten Strömungspfad in Verbindung steht und eine Entlüftung von Anodenabfluss von dem dritten Strömungspfad ändern kann.
System nach Anspruch 1, ferner mit: einem vierten Strömungspfad, der einen dritten Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an den dritten Strömungspfad liefern kann; und einem vierten Ventil in dem vierten Strömungspfad, das eine Strömung durch den vierten Strömungspfad ändern kann.
System nach Anspruch 2, wobei das vierte Ventil ein Proportionalventil ist, das eine Menge des dritten Anodenzufuhrstromes, der an den dritten Strömungspfad strömt, regulieren kann.
System nach Anspruch 2, wobei das vierte Ventil eine Strömung durch den vierten Strömungspfad blockieren kann.
System nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Ventil Proportionalventile sind, die eine Menge der Anodenzufuhrströme, die zu dem jeweiligen ersten und zweiten Anodenabschnitt strömen, regulieren können.
System nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Ventil jeweils eine Strömung durch den jeweiligen ersten und zweiten Strömungspfad blockieren können.
System nach Anspruch 1, wobei das dritte Ventil ein Proportionalventil ist, das eine Menge von Anodenabfluss, der von dem dritten Strömungspfad entlüftet wird, regulieren kann.
System nach Anspruch 1, wobei das dritte Ventil eine Entlüftung von Anodenabfluss von dem dritten Strömungspfad blockieren kann.
System nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Kathodenabschnitt ein Kathodenteilstück eines einzelnen Brennstoffzellenstapels ist, und die zumindest zwei Anodenabschnitte ein Anodenteilstück der einzelnen Brennstoffzelle sind.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Anodenabschnitt ein Anodenteilstück eines ersten Brennstoffzellenstapels ist und der zweite Anodenabschnitt ein Anodenteilstück eines zweiten Brennstoffzellenstapels ist.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einem Kathodenabschnitt und zumindest zwei Anodenabschnitten, die einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktanden und einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktanden in Elektrizität, einen Kathodenabfluss und einen Anodenabfluss umwandeln können, wobei das Verfahren umfasst, dass: (a) ein erster Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen ersten Anodenabschnitt der zumindest zwei Anodenabschnitte geliefert wird; (b) ein zweiter Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen zweiten Anodenabschnitt der zumindest zwei Anodenabschnitte geliefert wird; (c) ein Anodenabfluss von einem des ersten und zweiten Anodenabschnittes an den anderen des ersten und zweiten Anodenabschnittes geliefert wird; und (d) eine Menge von zumindest einem des gelieferten ersten und zweiten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand eingestellt wird, so dass alternativ der eine und dann der andere des ersten und zweiten Anodenabschnittes den Anodenabfluss aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dass der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem selektiv entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das selektive Entlüften von Anodenabfluss umfasst, dass zumindest ein Anteil des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem kontinuierlich entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das selektive Entlüften von Anodenabfluss umfasst, dass das Brennstoffzellensystem einem Aufstoßvorgang ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das selektive Entlüften von Anodenabfluss umfasst, dass der Anodenabfluss diskontinuierlich entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das selektive Entlüften von Anodenabfluss umfasst, dass eine Menge von Anodenabfluss, die von dem Brennstoffzellensystem entlüftet wird, geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellen umfasst, dass die jeweiligen Mengen auf Grundlage eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Betriebsparameter eine Spannungsstabilität von zumindest einem der Anodenabschnitte darstellt.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dass zumindest ein Anteil von Wasser, das in dem Anodenabfluss enthalten ist, von dem Anodenabfluss getrennt wird, bevor der Anodenabfluss an den anderen Anodenabschnitt geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellen auf Grundlage empirischer Daten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellen auf Grundlage eines Algorithmus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellen in einem vorbestimmten Intervall erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellen des ersten und zweiten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand einen stöchiometrischen Wasserstoffbedarf des Brennstoffzellensystems von bis zu 120 % erreicht.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einem Kathodenabschnitt und zumindest zwei Anodenabschnitten, die einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktanden und einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktanden in Elektrizität, einen Kathodenabfluss und einen Anodenabfluss umwandeln können, wobei: (a) ein erster Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen ersten Anodenabschnitt der zumindest zwei Anodenabschnitte geliefert wird; (b) ein zweiter Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen zweiten Anodenabschnitt der zumindest zwei Anodenabschnitte geliefert wird; (c) ein dritter Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an die Strömungspfadverbindungsauslässe des ersten und zweiten Anodenabschnittes geliefert wird; und (d) eine Menge von zumindest einem des gelieferten ersten, zweiten und dritten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend, dass der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem selektiv entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend, dass die Lieferung des dritten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand beendet wird, wenn der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das selektive Entlüften von Anodenabfluss umfasst, dass eine Menge von Anodenabfluss, die von dem Brennstoffzellensystem entlüftet wird, geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das selektive Entlüften von Anodenabfluss umfasst, dass Anodenabfluss auf Grundlage eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Variieren einer Menge von zumindest einem des ersten, zweiten und dritten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand umfasst, dass die Menge auf Grundlage eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Betriebsparameter eine Spannungsstabilität von zumindest einem der Anodenabschnitte darstellt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Variieren einer Menge von zumindest einem des ersten, zweiten und dritten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand ein Variieren der Menge auf Grundlage empirischer Daten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Variieren einer Menge von zumindest einem des ersten, zweiten und dritten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand umfasst, dass die Menge so eingestellt wird, dass der Anodenabfluss von einem des ersten und zweiten Anodenabschnittes in den anderen des ersten und zweiten Anodenabschnittes strömt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Variieren einer Menge von zumindest einem des ersten, zweiten und dritten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand umfasst, dass die Menge so variiert wird, dass zumindest einer des ersten und zweiten Anodenabschnittes zwei der Anodenreaktandenströme aufnimmt.