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.
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.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung umfasst einen ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel,
die jeweils eine Anodenseite mit einem Einlass und einem Auslass
und eine Kathodenseite mit einem Einlass und Auslass besitzen. Jeder
Brennstoffzellenstapel dient dazu, einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktandenzufuhrstrom
und einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktandenzufuhrstrom
in Elektrizität,
einen wasserstoffhaltigen Anodenabfluss und einen oxidationsmittelhaltigen
Kathodenabfluss umzuwandeln. Ein erster Durchflusspfad verbindet
den Anodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels mit dem Anodeneinlass
des zweiten Brennstoffzellenstapels. Ein zweiter Durchflusspfad
verbindet den Anodenauslass des zweiten Brennstoffzellenstapels mit
dem Anodeneinlass des ersten Brennstoffzellenstapels. Ein erstes
Ventil in dem ersten Durchflusspfad dient dazu, einen Durchfluss
durch den ersten Durchflusspfad selektiv zu blockieren. Ein zweites Ventil
in dem zweiten Durchflusspfad dient dazu, einen Durchfluss durch
den zweiten Durchflusspfad selektiv zu blockieren. Ein Entlüftungsventil
steht mit einem der ersten und zweiten Durchflusspfade in Verbindung.
Das Entlüftungsventil
dient dazu, einen Anodenabfluss, der durch den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel
erzeugt wird, selektiv zu entlüften.
Es ist ein Verfahren zum Betrieb
eines Brennstoffzellensystems mit einem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel
offenbart, 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: (a) das Brennstoffzellensystem in einer ersten Betriebsart
betrieben wird, die umfasst, dass (i) ein Anodenreaktand an die
Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels geliefert wird; (ii)
ein Anodenabfluss von dem ersten Brennstoffzellenstapel an die Anodenseite
des zweiten Brennstoffzellenstapels geführt wird; und (iii) Elektrizität mit dem
ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel erzeugt wird; (b) das Brennstoffzellensystem
in einer zweiten Betriebsart betrieben wird, die umfasst, dass (i)
ein Anodenreaktand an die Anodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels
geliefert wird; (ii) ein Anodenabfluss von dem zweiten Brennstoffzellenstapel
an die Anodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels geführt wird; und
(iii) Elektrizität
mit dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel erzeugt wird;
und (c) ein Betrieb des Brennstoffzellensystems zwischen der ersten
und zweiten Betriebsart umgeschaltet wird.
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.
Die vorliegende Erfindung ist im
Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine
schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist;
2 eine
schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist;
3 eine
erste alternative Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems von 2 mit Rückschlagventilen
in den Durchflusspfaden zwischen den Brennstoffzellenstapeln ist;
und
4 eine
zweite alternative Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems von 2 ohne Ventile
in den Durchflusspfaden zwischen den Brennstoffzellenstapeln ist.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
ist lediglich beispielhafter Beschaffenheit und nicht dazu bestimmt,
die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Gebräuche zu beschränken.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Be triebsart
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.
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.
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 Brennstoffzellen systeme zwischen Betriebsarten geschaltet
werden sollen, überwacht
und optimiert werden können.
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.
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.
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 Stick stoff und das Wasser homogen über das
gesamte Brennstoffzellensystem 20 zu verteilen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Brennstoff zellensystems 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.
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.
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.
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.
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 Entlüf tungsventil, 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.
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.
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 Gasinjek tor 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.
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.
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.
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 Aus trocknen
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.
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 entlüf tet.
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.
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.
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.
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
liegen. 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 Ano denreaktand
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.
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 befindlich anzusehen. Derartige Variationen sind nicht als
Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung anzusehen.
Zusammengefasst ist ein Brennstoffzellensystem
offenbart, das einen Anodenabfluss von einem Brennstoffzellenstapel
an die Anodenseite eines anderen Brennstoffzellenstapels führt, um
nicht verwendeten Wasserstoff bei der Erzeugung von Elektrizität zu verbrauchen.
Das Führen
des Anodenabflusses von einem Brennstoffzellenstapel zu einem anderen
wird dadurch erreicht, dass Durchflusspfade vorgesehen werden, die
die Anodenseiten der verschiedenen Brennstoffzellenstapel miteinander
verbinden. Die Durchflusspfade umfassen Ventile, die dazu dienen, einen
Durchfluss durch die verschiedenen Durchflusspfade nach Bedarf selektiv
zu blockieren. Optional dazu können
die Durchflusspfade ohne Ventile betrieben werden. Es sind auch
Verfahren zum Betrieb derartiger Brennstoffzellensysteme offenbart.