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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und insbesondere eine Rezirkulierung von Anodenabfluss in einem Brennstoffzellensystem. Solch ein Brennstoffzellensystem wird beispielsweise in der
FR 2 816 761 A1 unter Bezugnahme auf die
1 und
3 beschrieben.
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H2-O2-(Luft)-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und sind für viele Anwendungen als Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Es existieren verschiedene Typen von H2-O2-Brennstoffzellen beispielsweise vom sauren Typ, alkalischen Typ, Typ mit geschmolzenem Carbonat und Festoxidtyp. Sogenannte PEM-Brennstoffzellen (Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran) (auch bekannt als SPE-Brennstoffzellen (Brennstoffzellen mit Festpolymerelektrolyt)) sind vom sauren Typ, besitzen potentiell eine hohe Leistung und ein niedriges Gewicht und sind demgemäß für mobile Anwendungen (beispielsweise Elektrofahrzeuge) geeignet. PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen eine ”Membranelektrodenanordnung” (auch bekannt als MEA) mit einem dünnen, protonendurchlässigen, Festpolymermembranelektrolyten, der auf einer seiner Seiten eine Anode und auf der entgegengesetzten Seite eine Kathode besitzt. 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 Anoden- und Kathodenkatalysatoren umfassen. Üblicherweise wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen PEM-Brennstoffzellenstapel bzw. PEM-Brennstoffzellenstack zu bilden.
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Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff}, und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (d. h. O2) oder als Luft (d. h. O2 gemischt mit N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyten bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode bzw. Kathode umfasst typischerweise feingeteilte katalytische Partikel (oftmals getragen auf Kohlenstoffpartikeln) gemischt mit protonenleitendem Harz.
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Während der Umwandlung des Anodenreaktanden und des Kathodenreaktanden in elektrische Energie erzeugt die Brennstoffzelle ungeachtet des Typs Anoden- und Kathodenabflüsse, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgetragen werden. Da der Anodenreaktand (Wasserstoff) in einer überschüssigen Menge (d. h. über der erforderlichen stöchiometrischen Menge) geliefert wird, enthält der Anodenabfluss nicht verwendeten Wasserstoff, der eine ungenutzte Energiequelle darstellt. Ähnlicherweise wird auch der Kathodenreaktand (Sauerstoff) in einer überschüssigen Menge geliefert, und infolgedessen enthält der Kathodenabfluss überschüssigen Sauerstoff oder Luft, der während der Erzeugung von Elektrizität in dem Brennstoffzellenstapel nicht verbraucht wurde. Die Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff, die in den Anoden- und Kathodenabflüssen verbleiben, sind abhängig von einer Anzahl von Faktoren und variieren je nach Fall. Beispielsweise kann sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark auf die Menge an Wasserstoff und Sauerstoff auswirken, die in den jeweiligen Anoden- und Kathodenabflüssen ausgetragen wird. Zusätzlich beeinflusst auch der stöchiometrische Betrieb des Brennstoffzellenstapels (d. h. die Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff, die in den jeweiligen Anoden- und Kathodenreaktanden enthalten sind) die Menge an verbleibendem Wasserstoff und Sauerstoff in den jeweiligen Anoden- und Kathodenabflüssen. Der Anodenabfluss kann von dem Brennstoffzellenstapel abhängig von dem gewünschten Betrieb des Brennstoffzellensystems, in dem der Brennstoffzellenstapel verwendet wird, entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich (intermittierend) ausgetragen werden.
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Da der überschüssige Wasserstoff von dem Brennstoffzellenstapel in dem Anodenabfluss ausgetragen wird, ist es nützlich, die in dem überschüssigen Wasserstoff enthaltene Energie abzufangen. Eine Art, den überschüssigen Wasserstoff zu verwenden, besteht darin, zumindest einen Anteil des Anodenabflusses durch die Anodenseite dieses oder eines anderen Brennstoffzellenstapels zurück zu führen. Um dies zu erreichen, verwenden Brennstoffzellensysteme nach dem Stand der Technik eine Pumpe, um einen Anteil des Anodenabflusses durch die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zurück zu rezirkulieren. Jedoch sind die für solche Zwecke verwendeten Pumpen teuer und tragen zu einer Kostensteigerung eines solchen Brennstoffzellensystems bei. Zusätzlich sind die Pumpen relativ groß und erhöhen den erforderlichen Packungsraum des Brennstoffzellensystems. Daher ist es erwünscht, zumindest einen Anteil des Anodenabflusses auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise durch einen Brennstoffzellenstapel zu rezirkulieren bzw. im Kreislauf zu führen. Ferner ist es erwünscht, zumindest einen Anteil des Anodenabflusses mit einer Ausrüstung zurückzuführen, die zu einem Brennstoffzellensystem relativ wenig oder überhaupt keinen zusätzlich erforderlichen Packungsraum beiträgt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, den zuvor genannten Wünschen gerecht zu werden.
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Ein Brennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung und den Verfahren, die hier offenbart sind, sorgt für eine Rückführung von Anodenabfluss, der von einem Brennstoffzellenstapel ausgetragen wird, indem zumindest ein Anteil des Anodenabflusses durch eine Anodenseite eines anderen Brennstoffzellenstapels geführt wird. Dies wird ohne die Verwendung teurer und raumaufwändiger Pumpen erreicht.
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Es ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems offenbart, das eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln besitzt, von denen jeder dazu dient, einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktand auf einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels und einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktand auf einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels in Elektrizität, einen wasserstoffhaltigen Anodenabfluss auf der Anodenseite und einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenabfluss auf der Kathodenseite umzuwandeln, wobei die Anodenseite jedes Brennstoffzellenstapels mit der Anodenseite eines anderen Brennstoffzellenstapels über einen Durchflusspfad verbunden ist. Das Verfahren umfasst, dass: (1) ein wasserstoffhaltiger Anodenreaktandenstrom an eine Anodenseite zumindest eines Brennstoffzellenstapels der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln zur Reaktion darin und zur Erzeugung eines ersten Anodenabflussstromes geliefert wird; (2) der erste Anodenabflussstrom an die Anodenseite zumindest eines der anderen Brennstoffzellenstapel der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln über die Durchflusspfade zur Reaktion darin und zur Erzeugung eines zweiten Anodenabflussstromes geliefert wird; (3) der bzw. die Brennstoffzellenstapel ausgewählt werden, die den Anodenreaktandenstrom erhalten sollen; (4) ein Anteil des Anodenabflusses von einem Brennstoffzellenstapel selektiv entlüftet wird, der von dem zumindest einen Brennstoffzellenstapel, der den Anodenreaktandenstrom aufnimmt, verschieden ist.
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Zusätzlich ist auch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems offenbart, das eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln besitzt, von denen jeder dazu dient, einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktand auf einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels und einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktand auf einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels in Elektrizität, einen wasserstoffhaltigen Anodenabfluss auf der Anodenseite und einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenabfluss auf der Kathodenseite umzuwandeln. Das Verfahren umfasst, dass (1) ein wasserstoffhaltiger Anodenreaktandenstrom an die Anodenseiten jedes Brennstoffzellenstapels in einem ersten Segment des Systems zur Reaktion darin geliefert wird, um zumindest einen Anodenabflussstrom des ersten Segments zu erzeugen, wobei das erste Segment einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln umfasst; (2) der zumindest eine Anodenabflussstrom des ersten Segments an die Anodenseite der Brennstoffzellenstapel in einem zweiten Segment des Systems zur Reaktion darin geliefert wird, um zumindest einen Anodenabflussstrom des zweiten Segments zu erzeugen, wobei das zweite Segment andere Brennstoffzellenstapel der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln umfasst; (3) eine Auswahl des einen oder der mehreren Brennstoffzellenstapel geändert wird, die das erste Segment umfasst; (4) ein Anteil des Anodenabflusses des zweiten Segments selektiv entlüftet wird.
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Es ist auch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 19 offenbart. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln, von denen jeder eine Anodenseite mit einem Einlassabschnitt und einem Auslassabschnitt und eine Kathodenseite mit einem Einlassabschnitt und einem Auslassabschnitt umfasst. Jeder Brennstoffzellenstapel dient dazu, einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktandenzufuhrstrom und einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktandenzufuhrstrom in Elektrizität umzuwandeln und einen wasserstoffhaltigen Anodenabfluss und einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenabfluss zu erzeugen. Es exsistiert eine Vielzahl von Durchflusspfaden, die jeweils den Anodeneinlassabschnitt von einem der Brennstoffzellenstapel mit dem Anodenauslassabschnitt eines anderen der Brennstoffzellenstapel verbinden. Es steht zumindest ein Entlüftungsventil mit dem Anodenauslassabschnitt zumindest eines der Brennstoffzellenstapel in Verbindung, das dazu dient, den Anodenabfluss von einem Brennstoffzellenstapel selektiv zu entlüften bzw. abzulassen, der von einem anderen Brennstoffzellenstapel, der den Anodenreaktandenzufuhrstrom aufnimmt, verschieden ist.
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Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschreiben, nur zu Veranschaulichungszwecken bestimmt sind und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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Die vorliegende Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine erste alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems von 2 mit Rückschlagventilen in den Durchflusspfaden zwischen den Brennstoffzellenstapeln ist; und
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4 eine zweite alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems von 2 ohne Ventile in den Durchflusspfaden zwischen den Brennstoffzellenstapeln ist.
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In 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 20 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst einen ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24, die jeweils eine Anodenseite und eine Kathodenseite zur Aufnahme von wasserstoffhaltigem Anodenreaktand bzw. sauerstoffhaltigem Kathodenreaktand besitzen. Jeder Brennstoffzellenstapel 22 und 24 dient dazu, die Anoden- und Kathodenreaktanden in Elektrizität, einen wasserstoffhaltigen Anodenabfluss und einen sauerstoffhaltigen Kathodenabfluss umzuwandeln.
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Der wasserstoffhaltige Anodenreaktand 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 von einer Vielzahl von Quellen geliefert werden. Derartige Quellen können beispielsweise Sauerstoff, der von einer Sauerstoffspeichervorrichtung geliefert wird, und Luft umfassen, die von der Umgebung, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird, gezogen wird. Auf die Versorgung der Brennstoffzellenstapel mit Kathodenreaktand wie auch die Entlüftung des Kathodenabflusses, der in den Brennstoffzellenstapeln erzeugt wird, wird hier nicht detailliert eingegangen. Es sei zu verstehen, dass der Kathodenreaktand an die verschiedenen Brennstoffzellenstapel in einer Menge geliefert wird, die ausreichend ist, um die Betriebsanforderungen des Brennstoffzellensystems 20 zu erfüllen, und dass Kathodenabfluss von den Brennstoffzellensystem 20 nach Bedarf beseitigt wird.
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Eine erste und eine zweite Anodenversorgungsvorrichtung 26 und 28, in diesem Fall in der Form von Gasinjektoren bzw. -einspritzeinrichtungen, liefern Anodenreaktand an die jeweiligen Anodenseiten des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24. Der erste Injektor 26 liefert den Anodenreaktand an den ersten Brennstoffzellenstapel 22 über den Durchflusspfad 30, der mit einem Anodeneinlassabschnitt 32 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 verbunden ist. Der zweite Gasinjektor 28 liefert Anodenreaktand an einen zweiten Brennstoffzellenstapel 24 über einen Durchflusspfad 34, der mit einem Anodeneinlassabschnitt 36 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 verbunden ist. Ein Anodenauslassabschnitt 38 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 ist mit einem Anodeneinlassabschnitt 36 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 über Durchflusspfad 40 verbunden. Ein Anodenauslassabschnitt 42 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 ist mit dem Anodeneinlassabschnitt 32 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 über einen Durchflusspfad 44 verbunden. Ventile 46 und 48 sind in den jeweiligen Durchflusspfaden 40 und 44 positioniert. Die Ventile 46 und 48 dienen dazu, einen Durchfluss durch die jeweiligen Durchflusspfade 40 und 44 selektiv zu unterbinden. Der Durchflusspfad 40 in Verbindung mit Ventil 46 dient dazu, selektiv zuzulassen, dass der Anodenabfluss von dem ersten Brennstoffzellenstapel 22 an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 strömen kann. Ähnlicherweise dient der Durchflusspfad 44 in Verbindung mit Ventil 48 dann dazu, selektiv zuzulassen, dass der Anodenabfluss von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24 an die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 22 strömen kann, wie nachfolgend beschrieben ist.
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In dem Durchflusspfad 52 ist ein Ventil 50 angeordnet, das mit dem Anodenauslassabschnitt 38 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 verbunden ist. Das Ventil 50 dient dazu, eine Strömung durch den Durchflusspfad 52 selektiv zu begrenzen und zu blockieren. In dem Durchflusspfad 56 ist ein Ventil 54 angeordnet, das mit dem Anodenauslassabschnitt 42 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 verbunden ist. Das Ventil 54 dient dazu, eine Strömung durch den Durchflusspfad 56 selektiv zu begrenzen und zu blockieren. Der Durchflusspfad 52 und das Ventil 50 dienen dazu, einen Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 selektiv zu entlüften bzw. abzulassen, wie nachfolgend beschrieben ist. Gleichermaßen dient der Durchflusspfad 56 mit dem Ventil 54 dazu, einen Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 selektiv zu entlüften, wie nachfolgend beschrieben ist. Bei der Entlüftung des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 werden auch Wasser und Stickstoff von dem Brennstoffzellensystem 20 entfernt. Somit kann durch eine Entlüftung des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 auch Stickstoff und Wasser von der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20 entlüftet bzw. abgelassen werden.
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Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 20 ermöglicht, dass der erste und der zweite Brennstoffzellenstapel 22 und 24 in Serie bzw. Reihe geschaltet betrieben werden können, so dass der Anodenreaktand, der an einen der Brennstoffzellenstapel geliefert wird, durch die Anodenseite dieses Brennstoffzellenstapels gelangen und dann als Anodenabfluss weiter an die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels über Durchflusspfade 40 und 44 strömen kann, was den Stickstoff und das Wasser homogener über das gesamte Brennstoffzellensystem 20 verteilt und die Menge an überschüssigem Wasserstoff, der von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet werden muss, verringert. Diese Ausführung des Brennstoffzellensystems 20 erlaubt einen Betrieb in zwei getrennten Betriebsarten, wie nachfolgend beschrieben ist.
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Ein Mikroprozessor (nicht gezeigt) wird dazu verwendet, den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 zu steuern. Der Mikroprozessor steuert einen Betrieb des ersten und zweiten Gasinjektors 26 und 28, der Ventile 46 und 48 wie auch der Ventile 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.
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Bei der ersten Betriebsart des Brennstoffzellensystems 20 wird Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20 und an die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 22 durch einen ersten Gasinjektor 26 geliefert, während sich der zweite Gasinjektor 28 außer Betrieb befindet (kein Anodenreaktand liefert). Ebenfalls sind bei der ersten Betriebsart die Ventile 46 und 54 offen, um einen Durchfluss durch diese zu ermöglichen, während die Ventile 48 und 50 geschlossen sind, wodurch ein Durchfluss durch diese blockiert wird. Somit liefert bei der ersten Betriebsart der erste Gasinjektor 26 einen Anodenreaktand an die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 22 über einen Durchflusspfad 30. Der Anodenreaktand strömt durch die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 22, während ein Anteil des Anodenreaktanden verbraucht wird, um in dem ersten Brennstoffzellenstapel 22 Elektrizität zu erzeugen. Ein wasserstoffhaltiger Anodenabfluss in dem ersten Brennstoffzellenstapel 22 wird über einen Durchflusspfad 40 durch Ventil 46 an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 geführt. Ein Anteil des wasserstoffhaltigen Anodenabflusses, der an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 geliefert wird, wird in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24 in Elektrizität umgewandelt. Ein Anodenabfluss von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24 wird über einen Durchflusspfad 56 durch das Ventil 54 an eine unterstromige Komponente (nicht gezeigt) geführt, wie beispielsweise einen Abgasbrenner. Somit strömt bei der ersten Betriebsart ein Anodenreaktand durch den ersten Brennstoffzellenstapel 22, und von dem ersten Brennstoffzellenstapel 22 in seinem Anodenabfluss ausgetragener überschüssiger Wasserstoff wird als ein Anodenreaktand an einen zweiten Brennstoffzellenstapel 24 geliefert, bei dem ein Anteil des verbleibenden Wasserstoffes weiter verbraucht wird, um zusätzliche Elektrizität zu erzeugen, und der Anodenabfluss, der von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24 erzeugt wird, wird an eine unterstromige Komponente entlüftet.
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Bei der zweiten Betriebsart des Brennstoffzellensystems 20 liefert ein zweiter Gasinjektor 28 über einen Durchflusspfad 34 einen Anodenreaktand an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 24, während sich der erste Gasinjektor 26 außer Betrieb befindet. Die Ventile 48 und 50 sind offen, um einen Durchfluss durch diese zu ermöglichen, während die Ventile 46 und 54 geschlossen sind, wodurch ein Durchfluss durch diese blockiert wird. Die zweite Betriebsart hat zur Folge, dass der Anodenreaktand an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 geliefert wird, während ein Anteil des Anodenreaktanden verbraucht wird, um Elektrizität zu erzeugen. Der wasserstoffhaltige Anodenabfluss in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24 wird über Durchflusspfad 44 durch Ventil 48 an die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 22 geführt. Der erste Brennstoffzellenstapel 22 verbraucht einen Anteil des wasserstoffhaltigen Anodenabflusses von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24, um Elektrizität zu erzeugen. Ein Anodenabfluss von dem ersten Brennstoffzellenstapel 22 wird über einen Durchflusspfad 52 durch Ventil 50 an eine unterstromige Komponente (nicht gezeigt) geführt, wie beispielsweise einen Abgasbrenner. Somit strömt bei der zweiten Betriebsart der Anodenreaktand durch den zweiten Brennstoffzellenstapel 24, und durch den zweiten Brennstoffzellenstapel 24 in seinem Anodenabfluss ausgestoßener überschüssiger Wasserstoff wird als ein Anodenreaktand an den ersten Brennstoffzellenstapel 22 geliefert, während ein Anteil des verbleibenden Wasserstoffs weiter verbraucht wird, um zusätzliche Elektrizität zu erzeugen, und der Anodenabfluss, der von dem ersten Brennstoffzellenstapel 22 erzeugt wird, an eine unterstromige Komponente entlüftet bzw. abgelassen wird.
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Ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 wird zwischen den ersten und zweiten Betriebsarten geschaltet. Dies bedeutet, dass das Brennstoffzellensystem 20 für eine Zeitdauer in der ersten Betriebsart betrieben wird und anschließend für eine Zeitdauer in der zweiten Betriebsart betrieben wird und zwischen einem Betrieb in den ersten und zweiten Betriebsarten hin- und hergeschaltet wird. Die Betriebsdauer in den ersten und zweiten Betriebsarten variiert und kann auf einer Vielzahl von Steuer- bzw. Regelszenarien basieren. Ein derartiges Steuerszenario kann auf einem Vergleich des gegenwärtigen Betriebszustandes (Last an dem System) mit empirischen Daten basieren und zur Grundlage haben, dass die empirischen Daten einen Betrieb zwischen ersten und zweiten Betriebsarten umschalten. Die empirischen Daten werden durch den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 oder einer gleichwertigen Vorrichtung in einem Testaufbau gebildet, wobei die Last an dem Brennstoffzellensystem geändert wird, während andere Betriebsparameter des Systems überwacht werden, wie beispielsweise die Stickstoffmenge wie auch die Stickstoffverteilung, die Wassermenge wie auch Wasserverteilung und Zellenspannungen. Die Last auf das Brennstoffzellensystem wird konstant gehalten, während die Betriebsdauer in jeder Betriebsart variiert wird. Basierend auf diesen Beobachtungen werden zum Umschalten zwischen einem Betrieb in den ersten und zweiten Betriebsarten optimale Schaltzeiten (Schaltfrequenz bzw. -häufigkeit) oder Zeitbereiche zum Schalten gebildet, die einen günstigen Betrieb des Brennstoffzellensystems vorsehen, wie beispielsweise eine im Wesentlichen homogene Verteilung von Stickstoff und/oder Wasser über das gesamte Brennstoffzellensystem 20 und eine Verringerung der Menge an überschüssigem Wasserstoff, der von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird. Die Last auf das Brennstoffzellensystem wird anschließend eingestellt, und die Frequenz bzw. Häufigkeit, mit der das Brennstoffzellensystem in jedem der Betriebsarten betrieben wird, wird erneut variiert, um optimale Schaltzeiten oder Schaltzeitbereiche zu erhalten, in denen zwischen den Betriebsarten geschaltet werden soll. Die Optimierung der Schaltzeiten kann auf einer Vielzahl von Faktoren basieren, wie beispielsweise dem Erhalt einer gewünschten Stickstoffverteilung, einer gewünschten Wasserverteilung und/oder einem gewünschten Zellenspannungsausgang. Es sei jedoch zu verstehen, dass auch andere Betriebsparameter bei der Entwicklung der empirischen Daten und der zugeordneten Schaltzeiten, zu denen die Brennstoffzellensysteme zwischen Betriebsarten geschaltet werden sollen, überwacht und optimiert werden können.
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Ein zweites Betriebsszenario, mit dem ein Brennstoffzellensystem 20 betrieben werden kann, betrifft die Verwendung eines Algorithmus, der Schaltzeiten bestimmt und dann Betriebsarten auf Grundlage des Algorithmus umschaltet. Der Algorithmus bestimmt eine Frequenz bzw. Häufigkeit, mit der ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 zwischen den Betriebsarten geschaltet werden soll, auf Grundlage der Last auf das Brennstoffzellensystem. Dem gewählten Algorithmus liegt zugrunde, dass er einen gewünschten Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 vorsieht, wie beispielsweise eine gewünschte Stickstoffverteilung, eine gewünschte Wasserverteilung und/oder einen gewünschten Zellenspannungsausgang.
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Bei einem bevorzugten Szenario besitzt jeder Brennstoffzellenstapel 22 und 24 die gleiche Menge an Zellen wie auch die gleiche aktive Zellenoberfläche, und das Brennstoffzellensystem 20 wird mit einem Anodenreaktand in einer Menge beliefert, die ausreichend ist, um Wasserstoff an den ersten Brennstoffzellenstapel in einer stöchiometrischen Menge von zumindest 2,0 zu liefern. Wenn eine stöchiometrische Menge von zumindest 2,0 geliefert wird, müsste der Anodenabfluss, der zurückgeführt wird, eine Menge an Wasserstoff besitzen, die ausreichend ist, um eine stöchiometrische Menge in dem zweiten Brennstoffzellenstapel von 1,0 oder höher vorzusehen. Alternativ und/oder zusätzlich dazu kann der Anodenreaktand auch auf Grundlage der Beibehaltung eines gewünschten Druckniveaus in der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20 geliefert werden.
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Wie oben beschrieben ist, dienen die Ventile 54 und 50 dazu, eine kontinuierliche Entlüftung des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 vorzusehen, wenn sich dieses in den ersten bzw. zweiten Betriebsarten befindet. Bevorzugt dienen die Ventile 54 und 50 dazu, eine gesteuerte Menge an Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 zu entlüften, so dass ein gewünschter Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 erreicht werden kann. Beispielsweise können die Ventile 54 und 50 betätigt werden, um ein Druckniveau in der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20 auf einem gewünschten Niveau beizubehalten und/oder eine gewünschte Durchflussrate durch die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20 hindurch beizubehalten. Alternativ dazu können die Entlüftungsventile 54 und 50 in einer normalerweise geschlossenen Betriebsart betrieben und dann selektiv geöffnet werden, um einen Anodenreaktand von dem Brennstoffzellensystem 20 zu entlüften. Dies bedeutet, dass die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20 ”außer Betrieb” betrieben wird, so dass der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 ungeachtet der Betriebsart normalerweise nicht entlüftet wird. Das Ventil 54 und/oder 50 wird dann ggf. geöffnet, um einen Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 zu entlüften. Ein derartiger Betrieb wird als ”Aufstoßen” bzw. ”Rülpsen” (eng. ”burping”) des Brennstoffzellensystems bezeichnet. Bei Verwendung der Ventile 54 und 50, um das Brennstoffzellensystem 20 aufstoßen zu lassen, sei angemerkt, dass das Brennstoffzellensystem 20 zwischen der ersten und zweiten Betriebsart schalten kann, ohne dass eine Entlüftung des Anodenabflusses immer dann auftritt, wenn das Brennstoffzellensystem 20 in einer der Betriebsarten betrieben wird. Mit anderen Worten kann das Brennstoffzellensystem 20 zwischen einem Betrieb in der ersten und zweiten Betriebsart mehrere Male vor einem Auftreten einer Entlüftung des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 umschalten. Dieser Betriebstyp hilft, den Stickstoff und das Wasser homogen über das gesamte Brennstoffzellensystem 20 zu verteilen.
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Wenn der erste und zweite Brennstoffzellenstapel 22 und 24 so betrieben werden, dass sich an den Anodenseiten der Brennstoffzellenstapel kein flüssiges Wasser aufbaut, kann eines der Ventile 50 und 54 von dem Brennstoffzellenstapel 20 weggelassen werden. Dies bedeutet, dass die gesamte Entlüftung des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 durch ein einzelnes Ventil (entweder Ventil 50 oder 54) erfolgt. Diese Ausführung ist dahingehend vorteilhaft, dass sie ein zusätzliches Ventil von dem Brennstoffzellensystem 20 beseitigt. Zusätzlich bewirkt, da im Wesentlichen kein flüssiges Wasser an der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20 erzeugt wird, die Verwendung von nur einem einzelnen Ventil zur Entlüftung des Anodenabflusses, dass vor einer Entlüftung kein flüssiges Wasser, das in der Anodenseite von einem der Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, durch die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels zusammen mit dem Anodenabfluss aus dem Brennstoffzellensystem geführt werden muss. Somit kann das Brennstoffzellensystem 20 ein einzelnes Ventil anstelle der zwei Ventile 50 und 54 verwenden, die gezeigt sind und immer noch innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegen. Wenn flüssiges Wasser erzeugt wird, können Wasserabscheider (nicht gezeigt) in Durchflussströmen 40 und/oder 44 dazu verwendet werden, um zu verhindern, dass flüssiges Wasser von einem Brennstoffzellenstapel zu einem anderen Brennstoffzellenstapel strömen kann, jedoch können einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung nicht verwirklicht werden.
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In 2 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 20' gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 20' besitzt eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln, deren Anodenseiten über Durchflusspfade miteinander verbunden sind, so dass ein Anodenabfluss, der durch einen Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, in eine andere Anodenseite eines anderen Brennstoffzellenstapels strömen kann. Genauer umfasst das Brennstoffzellensystem 20' einen ersten Brennstoffzellenstapel 80, einen zweiten Brennstoffzellenstapel 82, einen dritten Brennstoffzellenstapel 84 bis zu einem n-ten Brennstoffzellenstapel 86. Es existiert eine erste, zweite, dritte und n-te Vorrichtung 88, 90, 92 und 94 zur Lieferung von Anodenreaktand, in diesem Fall in Form von Gasinjektoren. Durchflusspfade 96, 98, 100 und 102 verbinden die jeweiligen Gasinjektoren 88, 90, 92 und 94 mit Anodeneinlassabschnitten 104, 106, 108 und 110 der Anodenseiten der jeweiligen Brennstoffzellenstapel 80, 82, 84 und 86. Die Kathodenseiten von jedem der Brennstoffzellenstapel 80, 82, 84 und 86 werden mit Kathodenreaktand (O2) versorgt, der durch die Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel strömt, wie in 2 gezeigt ist. Jeder der Brennstoffzellenstapel 80, 82, 84 und 86 dient dazu, die Anoden- und Kathodenreaktanden zu verwenden, um Elektrizität zusammen mit einem wasserstoffhaltigen Anodenabfluss und einem sauerstoffhaltigen Kathodenabfluss zu erzeugen. Die Lieferung von Kathodenreaktand an die Brennstoffzellenstapel und die Entlüftung des Kathodenabflusses, der in den Brennstoffzellenstapeln erzeugt wird, sind hier nicht näher beschrieben. Es sei zu verstehen, dass der Kathodenreaktand an die verschiedenen Brennstoffzellenstapel geliefert wird, und der Kathodenabfluss, der in den Brennstoffzellenstapeln erzeugt wird, von dem Brennstoffzellensystem in einer Menge entlüftet wird, die ausreichend ist, um die Betriebsanforderungen des Brennstoffzellensystems zu erfüllen.
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Wie oben angemerkt wurde, wird der in den Anodenseiten von jedem der Brennstoffzellenstapel erzeugte Anodenabfluss an einen Anodeneinlassabschnitt eines anderen Brennstoffzellenstapels geführt, so dass die Anodenseite jedes Brennstoffzellenstapels einen Anodenabfluss von einem anderen Brennstoffzellenstapel aufnehmen kann. Genauer ist ein Anodenauslassabschnitt 112 des ersten Brennstoffzellenstapels 80 mit einem Anodeneinlassabschnitt 106 des zweiten Brennstoffzellenstapels 82 über einen Durchflusspfad 114 verbunden. Ein Anodenauslassabschnitt 116 des zweiten Brennstoffzellenstapels 82 ist über einen Durchflusspfad 118 mit dem Anodeneinlassabschnitt 108 eines dritten Brennstoffzellenstapels 84 verbunden. Ein Anodenauslassabschnitt 120 eines dritten Brennstoffzellenstapels 84 ist über einen Durchflusspfad 122 mit einem Anodeneinlassabschnitt 110 eines n-ten Brennstoffzellenstapels 86 verbunden. Ein Anodenauslassabschnitt 124 des n-ten Brennstoffzellenstapels 86 ist über den Durchflusspfad 126 mit dem Anodeneinlassabschnitt 104 des ersten Brennstoffzellenstapels 80 verbunden. Somit sind die Anodenseiten der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln in dem Brennstoffzellensystem 20 alle miteinander durch die Durchflusspfade in Serie bzw. Reihe geschaltet verbunden. Ventile 128, 130, 132 und 134 sind in den jeweiligen Durchflusspfaden 114, 118, 122 und 126 positioniert. Die Ventile 128, 130, 132 und 134 dienen dazu, eine Strömung durch die jeweiligen Durchflusspfade 114, 118, 122 und 126 selektiv zu unterbinden.
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Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142 sind mit Anodenauslassabschnitten 112, 116, 120 und 124 der jeweiligen Brennstoffzellenstapel 80, 82, 84 und 86 über Durchflusspfade 144, 146, 148 und 150 verbunden. Die Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142 dienen dazu, einen Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20' und von jeweiligen Brennstoffzellenstapeln 80, 82, 84 und 86 selektiv zu entlüften. Zusammen mit der Entlüftung von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20' entlüften die Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142 auch Stickstoff und/oder Wasser, die sich an der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20' angesammelt haben können.
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Zur Steuerung des Betriebs der Gasinjektoren 88, 90, 92 und 94, der Ventile 128, 130, 132 und 134 und der Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142 wird ein Mikroprozessor (nicht gezeigt) verwendet. Der Mikroprozessor steuert den individuellen Betrieb der Ventile, um das Brennstoffzellensystem 20' in einer gewünschten Betriebsart zu betreiben, wie nachfolgend beschrieben ist.
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Die Ausführung des Brennstoffzellensystems 20' erlaubt, dass das Brennstoffzellensystem 20' in einer Vielzahl verschiedener Betriebsarten betrieben werden kann, wie für Fachleute nach einem Studium der Figuren und der zugehörigen Beschreibung hier offensichtlich wird. Eine Betriebsart zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 20' erfolgt in Paaren, wobei Paare von Brennstoffzellenstapeln in Serie geschaltet betrieben werden und jedes Paar parallel zu den anderen Paaren des Brennstoffzellensystems betrieben wird. Die Brennstoffzellen sind, wie hier und in der gesamten Anmeldung geschehen, in Serie geschaltet, wenn ein wasserstoffhaltiger Strom, der an einen der Brennstoffzellenstapel geliefert wird, durch die Anodenseite dieses Brennstoffzellenstapels gelangen kann und dann weiter als Anodenabfluss zu der Anodenseite des bzw. der anderen Brennstoffzellenstapel strömt. Die Brennstoffzellenstapel sind, wie hier und in der gesamten Anmeldung geschehen, parallel geschaltet, wenn der in einem Brennstoffzellenstapel erzeugte Anodenabfluss nicht an die Anodenseite des bzw. der anderen parallel angeordneten Brennstoffzellenstapel strömt. Jedoch kann ein Anodenabfluss von jedem der parallel angeordneten Brennstoffzellenstapel in Serienanordnung zu anderen Brennstoffzellenstapeln strömen. Die spezifischen beiden Brennstoffzellenstapel, die als ein Paar betrieben werden, können dann derart geschaltet werden, dass jeder Brennstoffzellenstapel zu verschiedenen Zeiten mit einem anderen Brennstoffzellenstapel gepaart wird. Beispielsweise kann ein erster und ein zweiter Brennstoffzellenstapel 80 und 82 als ein Paar von Brennstoffzellenstapeln in Serie geschaltet betrieben werden, während ein dritter und ein n-ter Brennstoffzellenstapel 84 und 86 als ein Paar von Brennstoffzellenstapeln in Serie geschaltet betrieben werden. Um dies zu erreichen, wird ein Anodenreaktand durch einen ersten Gasinjektor 88 und einen dritten Gasinjektor 92 an die Anodenseiten des jeweiligen ersten und dritten Brennstoffzellenstapels 80 und 84 geliefert, während der zweite und n-te Gasinjektor 90 und 94 außer Betrieb sind. Die Ventile 130 und 134 sind zusammen mit Entlüftungsventilen 136 und 140, die geschlossen sind, geschlossen.
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Der an den ersten Brennstoffzellenstapel 80 strömende Anodenreaktand gelangt dann durch die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 80, wobei ein Anteil des Wasserstoffs in dem Anodenreaktand verbraucht wird, um Elektrizität zu erzeugen. Ein von dem ersten Brennstoffzellenstapel 80 erzeugter Anodenabfluss strömt dann an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 82 über Durchflusspfad 114. Der zweite Brennstoffzellenstapel 82 verbraucht dann einen Anteil des in dem Anodenabfluss enthaltenen Wasserstoffs, um Elektrizität zu erzeugen. Der in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 82 erzeugte Anodenabfluss kann dann an eine unterstromige Komponente (nicht gezeigt) über einen Durchflusspfad 146 und ein Entlüftungsventil 138 entlüftet werden. Gleichermaßen gelangt dann ein an den dritten Brennstoffzellenstapel 84 strömender Anodenreaktand durch die Anodenseite des dritten Brennstoffzellenstapels 84, wobei ein Anteil des Wasserstoffs in dem Anodenreaktand verbraucht wird, um Elektrizität zu erzeugen. Der von dem dritten Brennstoffzellenstapel 84 erzeugte Anodenabfluss strömt dann an die Anodenseite des n-ten Brenstoffzellenstapels 86 über den Durchflusspfad 122 und das Ventil 132. Der n-te Brennstoffzellenstapel 86 verbraucht dann einen Anteil des Wasserstoffs in dem Anodenabfluss, um Elektrizität zu erzeugen. Ein in dem n-ten Brennstoffzellenstapel 86 erzeugter Anodenabfluss kann dann über einen Durchflusspfad 150 und ein Entlüftungsventil 142 an eine unterstromige Komponente (nicht gezeigt) entlüftet werden.
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Nach einer Zeitdauer kann der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20' dann derart geschaltet werden, dass jeder Brennstoffzellenstapel mit einem anderen Brennstoffzellenstapel gepaart wird. Beispielsweise kann der zweite und n-te Gasinjektor 90 und 94 so betrieben werden, dass ein Anodenreaktand an einen zweiten und n-ten Brennstoffzellenstapel 82 und 84 geliefert wird, während sich der erste und dritte Gasinjektor 88 und 82 außer Betrieb befindet. Die Ventile 132 und 128 sind zusammen mit Entlüftungsventilen 138 und 142, die geschlossen sind, geschlossen. Bei dieser Betriebsart werden der zweite und der dritte Brennstoffzellenstapel 82 und 84 in Serie miteinander betrieben, während der n-te und erste Brennstoffzellenstapel 86 und 80 in Serie miteinander betrieben werden. Ein an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 82 strömender Anodenreaktand wird dazu verwendet, Elektrizität zu erzeugen, während der Anodenabfluss von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 82 an die Anodenseite des dritten Brennstoffzellenstapels 84 über einen Durchflusspfad 118 und ein Ventil 130 geführt wird. Der dritte Brennstoffzellenstapel 84 verwendet dann den Anodenabfluss, um Elektrizität zu erzeugen, und der von dem dritten Brennstoffzellenstapel 84 erzeugte Anodenabfluss wird an eine unterstromige Komponente (nicht gezeigt) über einen Durchflusspfad 148 und ein Entlüftungsventil 140 entlüftet. Gleichermaßen wird der an die Anodenseite des n-ten Brennstoffzellenstapels 86 gelieferte Anodenreaktand dazu verwendet, um Elektrizität zu erzeugen, und der in dem n-ten Brennstoffzellenstapel 86 erzeugte Anodenabfluss wird an die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 80 über einen Durchflusspfad 126 und ein Ventil 134 geführt. Der erste Brennstoffzellenstapel 80 verwendet den Anodenabfluss von dem n-ten Brennstoffzellenstapel 86, um Elektrizität zu erzeugen. Der in dem ersten Brennstoffzellenstapel 80 erzeugte Anodenabfluss wird über einen Durchflusspfad 144 und ein Entlüftungsventil 136 an eine unterstromige Komponente (nicht gezeigt) entlüftet.
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Nach einer Zeitdauer wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20' dann erneut eingestellt, so dass der Betrieb zu der ursprünglichen Betriebsart, die oben beschrieben ist, zurückkehren kann oder weiter durch die Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln fortgesetzt werden kann, so dass ein anderes Paar von Brennstoffzellenstapeln in Serie und parallel mit einem oder mehreren anderen neuen Paaren der Brennstoffzellenstapel betrieben wird, die in Serie geschaltet betrieben werden. Zusätzlich können abhängig von der Anzahl von Brennstoffzellenstapeln in dem Brennstoffzellensystem 20' die verschiedenen Ventile in dem Bennstoffzellensystem 20' so eingestellt werden, dass mehr als zwei Brennstoffzellenstapel in Serie betrieben werden. Beispielsweise können ein erster, zweiter und dritter Brennstoffzellenstapel 80, 82, 84 in Serie betrieben werden, wobei der Anodenreaktand an den ersten Brennstoffzellenstapel 80 geliefert wird, der Anodenabfluss von dem ersten Brennstoffzellenstapel 80 an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 82 geführt wird und der Anodenabfluss von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 82 an die Anodenseite des dritten Brennstoffzellenstapels 84 geführt wird. Diese drei Brennstoffzellenstapel können dann nach Bedarf parallel mit anderen Gruppierungen von Brennstoffzellenstapeln betrieben werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, alle Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem 20' in Serie miteinander zu betreiben, wobei das Entlüftungsventil, das dem letzten Brennstoffzellenstapel der Serie zugeordnet ist, offen ist, und der Durchflusspfad von dem letzten Brennstoffzellenstapel der Serie zu dem ersten Brennstoffzellenstapel in der Serie geschlossen ist. Der betätigte Gasinjektor kann dann zusammen mit einer Änderung des Durchflusspfadventils, das geschlossen ist, und des Entlüftungsventils, das offen ist, und einer Kreislaufführung durch die verschiedenen Brennstoffzellenstapel entweder in Folge nacheinander oder in abwechselnder Art und Weise nach Bedarf variiert werden.
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Somit wird offensichtlich, dass das Brennstoffzellensystem 20' in einer großen Anzahl von Anordnungen und Permutationen betrieben werden kann. Die verschiedenen Permutationen und Betriebsarten können so koordiniert werden, dass ein gewünschter Betrieb des Brennstoffzellensystems 20' vorgesehen wird. Beispielsweise kann der Betrieb so gestaltet und eingestellt werden, dass für eine im Wesentlichen gleichmäßige Stickstoffverteilung oder Wasserverteilung über das gesamte Brennstoffzellensystem gesorgt wird, so dass Konzentrationen von einem oder beiden dieser Stoffe minimiert wird. Der Betrieb kann auch so eingestellt werden, um für eine angemessene Befeuchtung aller Brennstoffzellenstapel zu sorgen, so dass keiner der Brennstoffzellenstapel in einem trockenen Zustand oder mit einer relativ niedrigen Feuchte betrieben wird und eine Schädigung der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels dadurch vermieden wird. Wenn ferner einer oder mehrere der Brennstoffzellenstapel ausfallen bzw. eine Fehlfunktion aufweisen, können die geeigneten Ventile geschlossen werden, um den bzw. die ausgefallenen oder schadhaften Brennstoffzellenstapel abzutrennen, und das Brennstoffzellensystem kann ohne die ausgefallenen bzw. schadhaften Brennstoffzellenstapel betrieben werden.
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Der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20' und das Umschalten zwischen den verschiedenen Betriebsarten kann auf Grundlage einer Vielzahl von Steuerschemata basieren. Beispielsweise können, wie oben unter Bezugnahme auf das Brennstoffzellensystem 20 erwähnt ist, empirische Daten auf Grundlage einer Untersuchung eines Brennstoffzellensystems 20' oder eines ähnlichen Brennstoffzellensystems erzielt werden. Auf Grundlage der erzielten empirischen Daten kann die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems, um verschiedene Betriebsmerkmale zu optimieren, wie beispielsweise Stickstoffaufbau oder -verteilung, Wasseraufbau oder -verteilung und Zellenspannung, erzielt werden. Der gegenwärtige Betriebszustand, wie beispielsweise die Last auf das Brennstoffzellensystem 20', kann mit den empirischen Daten verglichen werden, und die geeignete Betriebsart und Häufigkeit bzw. Frequenz zum Schalten der Betriebsarten kann damit erreicht werden. Alternativ dazu kann ein Algorithmus verwendet werden, so dass der Mikroprozessor die gegenwärtigen Betriebsanforderungen des Brennstoffzellensystems 20' eingibt und die geeignete Betriebsart und Schalthäufigkeit bzw. -frequenz von Betriebsarten von dem Algorithmus bereitgestellt wird.
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Das Brennstoffzellensystem 20' kann so betrieben werden, dass zumindest eines der Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142 offen ist, um einen kontinuierlichen Durchfluss von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20' zu ermöglichen, oder kann alternativ dazu so betrieben werden, dass alle Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142 normalerweise geschlossen sind und der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20' periodisch entlüftet wird (Aufstoßbetrieb), um Stickstoff oder Wasser zu spülen, das sich in dem Brennstoffzellensystem 20' aufgebaut hat. Gasinjektoren 88, 90, 92 und 94 können dazu dienen, eine gewünschte stöchiometrische Menge an Anodenreaktand an die verschiedenen Brennstoffzellenstapel zu liefern und/oder ein gewünschtes Druckniveau auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20' beizubehalten. Gleichermaßen können die Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142 auch so betrieben werden, dass ein gewünschter Druck auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20 beibehalten wird.
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In 3 ist eine erste alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 20' gezeigt und als Brennstoffzellensystem 20'' bezeichnet. Das Brennstoffzellensystem 20'' ist schematisch gesehen identisch zu dem Brennstoffzellensystem 20', das in 2 gezeigt ist, jedoch mit einem Unterschied. Dieser eine Unterschied besteht darin, dass die Ventile 128, 130, 132 und 134 von 2 in dem Brennstoffzellensystem 20'' Rückschlagventile sind, wie in 3 zu sehen ist. Die Rückschlagventile 128', 130, 142' und 143' begrenzen einen Durchfluss durch die jeweiligen Durchflusspfade 114, 118, 122 und 126 in eine einzelne Richtung. Die Rückschlagventile 128', 130', 132' und 134' sind so orientiert, dass ein Durchfluss durch die jeweiligen Durchflusspfade 114, 118, 122 und 126 von einem Anodenauslassabschnitt eines Brennstoffzellenstapels zu einem Anodeneinlassabschnitt des verbundenen Brennstoffzellenstapels verläuft.
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Die Betriebsarten des Brennstoffzellensystems 20'' (3) sind eingeschränkter als diejenigen des Brennstoffzellensystems 20' (2), das oben beschrieben ist. Genauer können, da die Ventile 128', 130', 132' und 134' Rückschlagventile sind, diese Ventile nicht betätigt werden, um einen Durchfluss durch die Durchflusspfade 114, 118, 122 und 126 zu unterbinden. Somit werden alle Brennstoffzellenstapel, die das Brennstoffzellensystem 20'' umfasst, in Serie betrieben und können nicht in Paare gruppiert werden, die parallel mit anderen Paaren von Brennstoffzellenstapeln betrieben werden, wie es mit dem Brennstoffzellensystem 20' möglich ist. Zusätzlich strömt aufgrund der Verwendung von Rückschlagventilen der Anodenreaktand und/oder Anodenabfluss, der durch die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20'' fließt, in einem kontinuierlichen Kreis bzw. Schleife, der physikalisch nicht unterbrochen ist. Ein Anteil des Anodenabflusses, der durch die Anodenseiten des Brennstoffzellensystems 20'' strömt, kann jedoch von dem Brennstoffzellensystem 20'' über eines oder mehrere der Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142 entlüftet werden. Somit kann ein Anteil des Anodenabflusses, der durch das Brennstoffzellensystem 20'' strömt, über die Entlüftungsventile entlüftet werden.
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Das Brennstoffzellensystem 20'' kann auf eine Vielzahl von Betriebsarten betrieben werden. Beispielsweise besteht eine Betriebsart darin, einen Anodenreaktand über einen der Gasinjektoren 88, 90, 92 und 94 zu liefern und variiert wird, welcher Gasinjektor verwendet wird, um einen Anodenreaktand an einen der Brennstoffzellenstapel zu liefern. Durch Abwechseln des Injektors, der dazu verwendet wird, einen Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20'' zu liefern, kann die Stickstoff- und Wasserverteilung über das gesamte Brennstoffzellensystem 20'' gesteuert und möglicherweise im Wesentlichen gleichmäßig über das gesamte Brennstoffzellensystem 20'' verteilt werden. Das Brennstoffzellensystem 20'' kann auch mit zwei oder mehr Gasinjektoren betrieben werden, die Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20'' liefern. Die zwei oder mehr Gasinjektoren, die dazu verwendet werden, den Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20'' zu führen, können dann geändert oder gewechselt werden, um einen gewünschten Betrieb des Brennstoffzellensystems 20'' vorzusehen. Somit kann das Brennstoffzellensystem 20'' in einer Vielzahl von Betriebsarten betrieben werden, um einen gewünschten Betrieb des Brennstoffzellensystems 20'' zu erhalten, besitzt jedoch weniger Variabilität bzw. Veränderbarkeit beim Betrieb als das Brennstoffzellensystem 20', das oben beschrieben wurde.
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In 4 ist eine zweite alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 20' offenbart und als Brennstoffzellensystem 20''' bezeichnet. Das Brennstoffzellensystem 20''' ist im Wesentlichen gleich wie das Brennstoffzellensystem 20', das in 2 gezeigt ist, wobei die Ventile 128, 130, 132 und 134 von den Durchflusspfaden 114, 118, 122 und 126 entfernt sind. Die Entfernung dieser Ventile von den Durchflusspfaden erlaubt, dass die Strömung durch die Durchflusspfade 114, 118, 122 und 126 in jeder Richtung zwischen den verbundenen Brennstoffzellenstapeln strömen kann, und erlaubt keine Blockierung der Strömung durch die Durchflusspfade. Die Strömungsrichtung in den Durchflusspfaden 114, 118, 122 und 126 hängt davon ab, welche und wie viele Gasinjektoren 88, 90, 92 und 94 Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20''' liefern, und hängt von der Menge an Anodenreaktand, die durch jeden der Gasinjektoren geliefert wird, und von der physikalischen Gestaltung der Durchflusspfade ab. Mit anderen Worten strömt der durch die Gasinjektoren 88, 90, 92 und 94 gelieferte Anodenreaktand in Richtung des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 80, 82, 84 und 86 und strömt auch durch die Durchflusspfade, die die einzelnen Brennstoffzellen (in jeder Richtung) verbinden, folgend dem Weg des geringsten Widerstandes und verlässt das Brennstoffzellensystem 20''' über das eine oder über mehrere der offenen Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142, wenn mit einer kontinuierlichen Entlüftung des Anodenabflusses gearbeitet wird. Wenn das Brennstoffzellensystem 20''' ohne kontinuierliche Entlüftung des Anodenabflusses (Aufstoßbetrieb) betrieben wird, strömt der Anodenreaktand durch die Brennstoffzellenstapel und durch die Durchflusspfade, die die einzelnen Brennstoffzellen (in jeder Richtung) verbinden, bis durch eine darauf auftreffende Strömung, die in das Brennstoffzellensystem 20''' von demselben oder einem anderen Gasinjektor eingeführt wird, ein Widerstand auftritt, wie nachfolgend beschrieben ist. Der Aufstoßvorgang resultiert in einem ”toten Punkt” (engl. ”dead spot”) in der Strömung des Anodenreaktanden in dem Durchflusspfad, der die Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems 20''' verbindet. Der ”tote Punkt” repräsentiert den Ort, an dem ein Anodenreaktandendurchfluss von einem Injektor auf einen Anodenreaktandendurchfluss von demselben oder einem anderen Injektor auftrifft und ein Druckausgleich der beiden Durchflüsse stattfindet. Der Ort des ”toten Punktes” variiert abhängig davon, welcher der Gasinjektoren verwendet wird, um einen Anodenreaktanden an das Brennstoffzellensystem 20''' zu liefern, und variiert abhängig von der Verrohrungsgestaltung oder den Verrohrungsbegrenzungen in den Anodenreaktandendurchflüssen. Der ”tote Punkt” kann in jeder Richtung bewegt werden, indem der Durchfluss durch die Injektoren aus dem Gleichgewicht gebracht wird.
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Das Brennstoffzellensystem 20''', das oben unter Bezugnahme auf andere Brennstoffzellensysteme beschrieben ist, wird bevorzugt betrieben, während eine kontinuierliche Entlüftung eines Anteils des in dem Brennstoffzellensystem 20''' erzeugten Anodenabflusses erfolgt. Alternativ dazu kann ein Brennstoffzellensystem 20''' in einer Aufstoßbetriebsart betrieben werden, in der ein Anodenabfluss nicht kontinuierlich von dem Brennstoffzellensystem 20''' entlüftet wird, sondern periodisch nach Bedarf über eines der Entlüftungs- bzw. Ablassventile entlüftet wird, wie nachfolgend beschrieben ist.
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Wenn das Brennstoffzellensystem 20''' mit kontinuierlicher Entlüftung betrieben wird, ist eine Anzahl verschiedener Betriebsarten verfügbar, wie für Fachleute aus einem Studium der Zeichnungen und der folgenden Beschreibung des Betriebs offensichtlich ist. Ein bevorzugtes Betriebsverfahren für das Brennstoffzellensystem 20''' betrifft die Lieferung von Anodenreaktand über einen der Gasinjektoren 88, 90, 92 und 94 und eine kontinuierliche Entlüftung eines Anteils des Anodenabflusses, der in dem Brennstoffzellensystem 20''' erzeugt wird, durch eines der Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142. Nach einer Zeitdauer wird der Gasinjektor, der den Anodenreaktand liefert, umgeschaltet, und das Entlüftungsventil, das einen Anteil des Anodenabflusses entlüftet, wird ebenfalls umgeschaltet. In gewünschten Zeitintervallen kann dann eine Kreislaufführung durch jeden der Gasinjektoren und jedes der Entlüftungsventile erfolgen, um für eine im Allgemeinen gleichmäßige Wasser- und Stickstoffverteilung über das gesamte Brennstoffzellensystem 20''' zu sorgen. Beispielsweise wird bei einer ersten Betriebsart das Brennstoffzellensystem 20''' mit einem Anodenreaktand durch einen ersten Gasinjektor 88 beliefert, während die verbleibenden Gasinjektoren außer Betrieb sind. Der von dem ersten Gasinjektor 88 gelieferte Anodenreaktand wird in zwei Anteile aufgespalten. Ein erster Anteil des Anodenreaktanden, der von dem Gasinjektor 88 geliefert wird, strömt in die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 80 über einen Durchflusspfad 96. Ein erster Brennstoffzellenstapel 80 verbraucht einen Anteil des Anodenreaktanden, um Elektrizität zu erzeugen. Ein in dem ersten Brennstoffzellenstapel 80 erzeugter Anodenabfluss strömt an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 82 über einen Durchflusspfad 114. Der zweite Brennstoffzellenstapel 82 verbraucht einen Anteil des Wasserstoffs in dem Anodenabfluss, um Elektrizität zu erzeugen. Gleichermaßen strömt ein in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 82 erzeugter Anodenabfluss in Richtung der Anodenseite des dritten Brennstoffzellenstapels 84 über einen Durchflusspfad 118. Jedoch ist auch ein Anodenabfluss vorhanden, der von der Anodenseite des dritten Brennstoffzellenstapels 84 (infolge des zweiten Anteils des Anodenreaktanden, der von dem ersten Gasinjektor 88 geliefert wird) in Richtung der Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 82 über einen Durchflusspfad 118 strömt, wie nachfolgend beschrieben ist. Ein zweiter Anteil des von dem Gasinjektor 88 gelieferten Anodenreaktanden strömt an den n-ten Brennstoffzellenstapel 86 über den Durchflusspfad 126. Da keine Ventile in den Durchflusspfaden vorhanden sind, die die verschiedenen Brennstoffzellenstapel miteinander verbinden, strömt der zweite Anteil des Anodenreaktanden in einer umgekehrten Richtung durch den n-ten Brennstoffzellenstapel 86 (von einem Auslassabschnitt zu einem Einlassabschnitt). Der n-te Brennstoffzellenstapel 86 verbraucht einen Anteil des Wasserstoffs in dem Anodenreaktand, um Elektrizität zu erzeugen. Der in dem n-ten Brennstoffzellenstapel 86 erzeugte Abfluss strömt von dem Anodeneinlassabschnitt 110 durch den Anodenauslassabschnitt 120 über einen Durchflusspfad 122 an die Anodenseite des dritten Brennstoffzellenstapels 84. Der dritte Brennstoffzellenstapel 84 verbraucht einen Anteil des Wasserstoffs in dem Anodenabfluss, um Elektrizität zu erzeugen. Der von dem dritten Brennstoffzellenstapel 84 erzeugte Anodenabfluss strömt über einen Durchflusspfad 118 in Richtung der Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 82. Da der Durchflusspfad 118 der Pfad ist, in dem sich die ersten und zweiten Anteile des durch den Gasinjektor 88 gelieferten Anodenreaktanden treffen, wird das Entlüftungsventil 138 betätigt, um einen Anteil des in dem Brennstoffzellensystem 20''' erzeugten Anodenabflusses zu entlüften. Somit wird der von dem zweiten und dritten Brennstoffzellenstapel 82 und 84 erzeugte Anodenabfluss über Entlüftungsventil 138 und Durchflusspfad 146 aus dem Brennstoffzellensystem 20''' entlüftet.
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Diese Betriebsart hat zwei in Serie betriebene Paare von Brennstoffzellenstapeln zur Folge (einen ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 80 und 82 und einen dritten und n-ten Brennstoffzellenstapel 84 und 86), wobei die beiden Paare parallel zueinander betrieben werden, um Elektrizität. zu erzeugen. Nach einer Zeitdauer wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20''' in eine andere Betriebsart umgeschaltet, in der ein anderer Gasinjektor Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20''' liefert, und ein anderes Entlüftungsventil wird betätigt, um einen Anteil des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20''' kontinuierlich zu entlüften. Beispielsweise kann der zweite Gasinjektor 90 betrieben werden, um einen Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20''' zu liefern, während der erste, dritte und n-te Gasinjektor 88, 92 und 94 außer Betrieb sind. Dann wird das Entlüftungsventil 140 betätigt, um eine kontinuierliche Entlüftung eines Anteils des von dem Brennstoffzellensystem 20''' erzeugten Anodenabflusses vorzusehen. Diese Betriebsart hat zur Folge, dass ein Anteil des Anodenreaktanden, der durch den zweiten Gasinjektor 90 geliefert wird, durch die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 82 strömt, und ein anderer Anteil des Anodenreaktanden in einer umgekehrten Richtung über den Durchflusspfad 114 durch die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 80 strömt. Der in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 84 erzeugte Anodenabfluss strömt durch die Anodenseite des dritten Brennstoffzellenstapels 84 über einen Durchflusspfad 118, während der in dem ersten Brennstoffzellenstapel 80 erzeugte Anodenabfluss in einer umkehrten Richtung über Durchflusspfad 126 durch die Anodenseite des n-ten Brennstoffzellenstapels 86 strömt. Der in dem n-ten Brennstoffzellenstapel 86 erzeugte Anodenabfluss strömt dann über den Durchflusspfad 122 und 148 aus dem Entlüftungsventil 140 heraus an eine unterstromige Komponente. Der in dem dritten Brennstoffzellenstapel 84 erzeugte Anodenabfluss strömt auch über den Durchflusspfad 148 durch das Entlüftungsventil 140 an eine unterstromige Komponente. Somit werden bei dieser Betriebsart zwei Paare von Brennstoffzellenstapeln in Serie betrieben (der zweite und dritte Brennstoffzellenstapel 82 und 84 und der erste und n-te Brennstoffzellenstapel 80 und 86), die parallel zueinander betrieben werden.
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Nach einer gewünschten Zeitdauer kann ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 20''' wiederum so eingestellt werden, dass ein anderer Gasinjektor verwendet wird, um den Anodenreaktanden zu liefern, und ein anderes Entlüftungsventil verwendet wird, um einen Anteil des Anodenabflusses, der in dem Brennstoffzellensystem 20''' erzeugt wird, kontinuierlich zu entlüften. Beispielweise kann der dritte Gasinjektor 92 so betrieben werden, dass ein Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20''' geliefert wird, während ein Entlüftungsventil 142 so betätigt wird, dass ein Anteil des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20''' entlüftet wird. Dieser Betrieb hat zur Folge, dass der dritte und n-te Brennstoffzellenstapel 84 und 86 in Serie betrieben werden, während der zweite und erste Brennstoffzellenstapel 82 und 80 in Serie betrieben werden. Die beiden Paare von in Serie betriebenen Brennstoffzellenstapeln werden parallel zueinander betrieben, wobei ein Anteil des Anodenabflusses, der durch die beiden Paare von Brennstoffzellenstapeln erzeugt wird, durch das Entlüftungsventil 142 entlüftet wird. Schließlich kann nach einer gewünschten Zeitdauer der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20''' dann umgeschaltet werden, um einen Anodenreaktanden über den n-ten Gasinjektor 94 zu liefern und einen Anteil des von dem Brennstoffzellensystem 20''' erzeugten Anodenabflusses durch das Entlüftungsventil 136 zu entlüften. Diese Betriebsart hat zur Folge, dass der n-te und erste Brennstoffzellenstapel 86 und 80 in Serie betrieben werden, während der dritte und zweite Brennstoffzellenstapel 84 und 82 in Serie betrieben werden. Die beiden Paare von Brennstoffzellenstapeln werden parallel betrieben, und ein Anteil des von dem Brennstoffzellensystem 20''' erzeugten Anodenabflusses wird durch das Entlüftungsventil 136 kontinuierlich entlüftet.
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Das Brennstoffzellensystem 20''', das oben beschrieben ist, kann auch in einer ”Aufstoß”-Betriebsart betrieben werden. Während der Aufstoßbetriebsart wird der von dem Brennstoffzellensystem 20''' erzeugte Anodenabfluss nicht kontinuierlich von dem System entlüftet, sondern es wird ermöglicht, dass der Anodenabfluss periodisch aufstoßen kann, um einen Aufbau von Stickstoff und/oder Wasser zu spülen.
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In der Aufstoß-Betriebsart kann das Brennstoffzellensystem 20''' auch auf eine Vielzahl von Wegen betrieben werden. Ein Betriebsverfahren besteht darin, einen Anodenreaktand von jedem zweiten Gasinjektor zu liefern und anschließend den Anodenreaktand durch die vorher außer Betrieb gewesenen Gasinjektoren zu liefern und dann zwischen den beiden Betriebsarten hin- und her zu schalten. Beispielsweise kann der Anodenreaktand von den Gasinjektoren 98 und 92 geliefert werden, während sich die Gasinjektoren 90 und 94 außer Betrieb befinden. Ein Anteil des von dem Gasinjektor 88 gelieferten Anodenreaktanden strömt an die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 80 über den Durchflusspfad 96, wobei ein Anteil des Wasserstoffs verbraucht wird, um Elektrizität zu erzeugen. Ein in dem ersten Brennstoffzellenstapel 80 erzeugter Anodenabfluss strömt in Richtung der Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 82 über Pfad 114. Jedoch trifft der Anodenabfluss von dem ersten Brennstoffzellenstapel 80 in dem Durchflusspfad 114 auf einen Widerstand von dem in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 82 erzeugten Anodenabfluss aufgrund dessen, da der Anodenreaktand in das Brennstoffzellensystem 20''' durch einen Gasinjektor 92 eingespritzt wird und einen toten Punkt zur Folge hat, wie nachfolgend beschrieben ist. Ein anderer Anteil des von dem Gasinjektor 88 gelieferten Anodenreaktand strömt an die Anodenseite des n-ten Brennstoffzellenstapels 86 über Durchflusspfad 126. Der von dem ersten Gasinjektor 88 an den n-ten Brennstoffzellenstapel 86 gelieferte Anodenreaktand strömt durch den n-ten Brennstoffzellenstapel 86 in einer umgekehrten Art und Weise, so dass der Anodenreaktand in den Anodenauslassabschnitt 124 des n-ten Brennstoffzellenstapels 86 strömt. Der n-te Brennstoffzellenstapel 86 verbraucht einen Anteil des Wasserstoffs, um Elektrizität zu erzeugen, und der in dem n-ten Brennstoffzellenstapel 86 erzeugte Anodenabfluss strömt in Richtung des dritten Brennstoffzellenstapels 84 über den Durchflusspfad 122. Jedoch trifft der Anodenabfluss von dem n-ten Brennstoffzellenstapel 86 in dem Durchflusspfad 122 auf einen Widerstand von dem Anodenabfluss, der in dem dritten Brennstoffzellenstapel 84 erzeugt wird, und hat einen toten Punkt zur Folge, wie nachfolgend beschrieben ist.
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In ähnlicher Weise strömt ein Anteil des von dem dritten Gasinjektors 92 gelieferten Anodenreaktanden an die Anodenseite des dritten Brennstoffzellenstapels 84 über einen Durchflusspfad 100, wobei ein Anteil des Wasserstoffs verbraucht wird, um Elektrizität zu erzeugen. Der in dem dritten Brennstoffzellenstapel 84 erzeugte Anodenreaktand strömt dann, wie oben beschrieben ist, über einen Durchflusspfad 122 in Richtung des n-ten Brennstoffzellenstapels 86. Jedoch strömt der in dem n-ten Brennstoffzellenstapel 86 erzeugte Anodenabfluss auch in dem Durchflusspfad 122 in einer entgegengesetzten Richtung und trifft auf den in dem dritten Brennstoffzellenstapel 84 erzeugten Anodenabfluss. Der Strom der Anodenabflüsse von dem dritten und n-ten Brennstoffzellenstapel 84 und 86 in Richtung zueinander hat zur Folge, dass in dem Durchflusspfad 122 ein toter Punkt auftritt. Ein anderer Anteil des von dem dritten Gasinjektor 92 gelieferten Anodenreaktanden strömt über einen Durchflusspfad 118 an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 82, wobei ein Anteil des Wasserstoffs verbraucht wird, um Elektrizität zu erzeugen. Ein in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 82 erzeugter Anodenabfluss wird von dem Anodeneinlassabschnitt 106 ausgestoßen und strömt über den Durchflusspfad 114 in Richtung des ersten Brennstoffzellenstapels 80. Jedoch strömt, wie oben beschrieben ist, auch der in dem ersten Brennstoffzellenstapel 80 erzeugte Anodenabfluss in dem Durchflusspfad 114 in Richtung des zweiten Brennstoffzellenstapels 82. Somit strömen die von den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapeln 80 und 82 erzeugten Anodenabflüsse in Richtung zueinander, was zur Folge hat, dass ein toter Punkt in dem Durchflusspfad 114 auftritt. Um einen Austrocknen oder eine Entfeuchtung eines Anteils von einem der Brennstoffzellenstapel zu verhindern und eine allgemein gleichförmige Stickstoff- und Wasserverteilung zu unterstützen, kann das Brennstoffzellensystem 20''' dann in einer alternativen Betriebsart betrieben werden, in der Gasinjektoren 90 und 94 den Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20''' liefern, während sich die Gasinjektoren 88 und 92 außer Betrieb befinden. Es ist anzumerken, dass die toten Punkte auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20''' nun in den Durchflusspfaden 118 und 126 auftreten. Ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 20''' kann dann zwischen diesen beiden Betriebsarten abgewechselt werden, um einen gewünschten Betrieb vorzusehen und eine gleichförmige Stickstoff- und Wasserverteilung über das gesamte Brennstoffzellensystem 20''' zu unterstützen.
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Der in dem Brennstoffzellensystem 20''' erzeugte Anodenabfluss wird dann nach Bedarf periodisch entlüftet bzw. einem Aufstoßvorgang unterzogen. Dies bedeutet, dass eines oder mehrere der Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142 geöffnet werden, um einen Anteil des von dem Brennstoffzellensystems 20''' erzeugten Anodenabfluss zu entlüften. Bevorzugt entsprechen die Entlüftungsventile, die geöffnet werden, den toten Punkten, die in dem Brennstoffzellensystem 20''' aufgetreten sind. Dies bedeutet, dass, wenn ein toter Punkt in dem Durchflusspfad 114 auftritt, es bevorzugt ist, dass das Entlüftungsventil 136 dazu verwendet wird, den Anodenabschluss von dem Brennstoffzellensystem 20''' entlüften. Gleichermaßen ist es, wenn der tote Punkt in den Durchflusspfaden 118, 122 und/oder 126 auftritt, bevorzugt, dass der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20''' durch Entlüftungsventile 138, 140 und/oder 142 entlüftet wird. Somit wird der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20''' über eines oder mehrere der Entlüftungsventile 136, 138, 140 und 142 selektiv einem Aufstoßvorgang unterzogen oder entlüftet. Es sei angemerkt, dass der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20''' zwischen den verschiedenen offenbarten Betriebsarten geschaltet werden kann, während ein Entlüftungs- oder Aufstoßvorgang des Anodenabflusses nach Bedarf ausgeführt wird, und ein Entlüften oder Aufstoßen nicht während jeder anderen Betriebsart notwendig ist.
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Eine Änderung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 20''' dahingehend, welcher Gasinjektor den Anodenreaktand liefert und welches Entlüftungsventil einen Anteil des Andenabflusses entlüftet, verteilt den Stickstoff und das Wasser über die gesamte Anodenseite des Brennstoffzellensystems 20'''. Bevorzugt haben die Intervalle, innerhalb denen zwischen den verschiedenen Betriebsarten geschaltet wird, eine im Wesentlichen gleichförmige Stickstoffverteilung und Wasserverteilung über das gesamte Brennstoffzellensystem 20''' zur Folge. Wie oben unter Bezugnahme auf die Brennstoffzellensysteme 20, 20' und 20'' beschrieben worden ist, können die Intervalle, innerhalb denen der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20''' zwischen verschiedenen Betriebsarten geschaltet wird, als Grundlage eine Vielzahl von Faktoren haben. Beispielsweise kann der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20''' mit empirischen Daten verglichen werden, um die geeignete Häufigkeit bzw. Frequenz zu bestimmen, mit der Betriebsvorgänge geschaltet werden, oder es kann ein Algorithmus verwendet werden, um die Frequenz bzw. Häufigkeit zu bestimmen, mit der das Brennstoffzellensystem 20''' zwischen den verschiedenen Betriebsarten geschaltet werden soll.
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Somit sorgt das Brennstoffzellensystem 20''' für einen Betrieb von Paaren von Brenstoffzellenstapeln in Serie miteinander, die parallel mit anderen Paaren von in Serie betriebenen Brennstoffzellenstapeln betrieben werden. Das Brennstoffzellensystem 20''' sorgt auch für einen Durchfluss durch die Anodenseite der Brennstoffzellenstapel in jeder Richtung. Die Durchflussmuster resultieren in einer guten Verteilung von Stickstoff und Wasser über das gesamte Brennstoffzellensystem 20''' und können eine gesteigerte Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems zur Folge haben.
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Während die vorliegende Erfindung unter Bezugname auf spezifische Beispiele, die in den Figuren gezeigt und als Brennstoffzellensysteme 20, 20', 20'' und 20''' bezeichnet sind, beschrieben worden ist, sei angemerkt, dass Abwandlungen hinsichtlich der Gestaltung und dem Betrieb der verschiedenen Brennstoffzellensysteme durchgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist, während die verschiedene Brennstoffzellenstapel als einzelne Brennstoffzellenstapel gezeigt und beschrieben worden sind, anzumerken, dass die Brennstoffzellenstapel einen einzelnen Brennstoffzellenstapel umfassen können, der in separate Zonen oder Bereiche unterteilt oder partioniert ist, so dass die Anodenseiten getrennt sind und einzelne separate Anodendurchflusspfade bilden, durch die Anodenreaktand und/oder Anodenabfluss strömen kann und eine Stromerzeugung stattfinden kann. Zusätzlich sind die Ventile (die geöffnet und geschlossen werden können) in den Durchflusspfaden bevorzugt einfache Ein-/Aus-Ventile, die betätigbar sind, um eine Strömung durch die verschiedenen Durchflusspfade zuzulassen bzw. zu blockieren, infolge der geringen Kosten und der geringen Komplexität, wobei jedoch die Ventile auch Regler und einstellbare Ventile (Proportionalventile) sein können, die die Menge des Durchflusses durch die verschiedenen Durchflusspfade steuern können, und immer noch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung hegen. Die Verwendung von Reglern oder einstellbaren Ventilen (Proportionalventilen) erlaubt glatte Übergänge von einer Betriebsart zu der nächsten und kann Druckübergänge an den Brennstoffzellenstapeln verringern. Zusätzlich können, während Gasinjektoren gezeigt sind, die zur Lieferung von Anodenreaktand an die Brennstoffzellensysteme verwendet werden, andere Mittel zur Lieferung von Anodenreaktand an die Brennstoffzellensysteme verwendet werden. Überdies ist es, wenn flüssiges Wasser von den Brennstoffzellenstapeln erzeugt wird, anzumerken, dass Abscheider in den Durchflussfpaden, die die Anodenseiten der Brennstoffzellenstapel miteinander verbinden, positioniert sein können, um zu verhindern, dass flüssiges Wasser von der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels an die Anodenseite eines anderen Brennstoffzellenstapels strömen kann, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ferner ist es, während der Anodenabfluss, der von den Brennstoffzellensystemen entlüftet wird, dahingehend beschrieben ist, dass er an eine unterstromige Komponente geliefert wird, anzumerken, dass der Anodenabfluss abhängig von dem Wasserstoffgehalt an die Atmosphäre entlüftet werden kann und immer noch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt.
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Zusammengefasst ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Anodenabfluss von einem Brennstoffzellenstapel an die Anodenseite eines anderen Brennstoffzellenstapels führt, um nicht verbrauchten Wasserstoff bei der Erzeugung von Elektrizität zu verbrauchen. Das Führen des Anodenabflusses von einem Brennstoffzellenstapel zu einem anderen wird dadurch erreicht, dass Durchflusswege vorgesehen werden, die die Anodenseiten der verschiedenen Brennstoffzellenstapel miteinander verbinden. Die Durchflusswege enthalten Ventile, die dazu dienen, einen Durchfluss durch die verschiedenen Durchflusswege nach Bedarf selektiv zu blockieren. Optional dazu können die Durchflusswege ohne jegliche Ventile betrieben werden. Es sind auch Verfahren zum Betrieb derartiger Brennstoffzellensysteme offenbart.
