DE102006016552A1

DE102006016552A1 - Dynamische Kathodengassteuerung für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102006016552A1
Application number: DE102006016552A
Authority: DE
Inventors: Robert Schäfer; Rainer Pechtold; Thorsten Rohwer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2006-10-19
Also published as: US20060234093A1; US7553569B2

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem verwendet zumindest eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung, um die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand zu variieren, die zu zwei diskreten Kathodenseiten des Brennstoffzellensystems strömt. Die Variation der stöchiometrischen Menge des Kathodenreaktand kann zwischen zwei vorbestimmten Werten erfolgen. Die Variation der stöchiometrischen Menge kann bei einer gleich bleibenden an das System angelegten Leistungsanforderung und/oder bei Übergängen in der an das System angelegten Leistungsanforderung erfolgen. Die Luftbewegungseinrichtung, die den Kathodenreaktandenstrom liefert, kann auf eine im Wesentlichen kontinuierliche Art und Weise bei einer kontinuierlichen an das Brennstoffzellensystem angelegten Leistungsanforderung betrieben werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellenvorrichtungen bzw. -systeme und insbesondere eine dynamische Steuerung von Kathodengas in einem Brennstoffzellensystem.

H₂-O₂-(Luft)-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und sind für viele Anwendungen als eine Energiequelle vorgeschlagen worden. Es existieren verschiedene Typen von H₂-O₂-Brennstoffzellen, die umfassen:
Säuretyp, Alkalityp, Schmelzcarbonattyp und Festoxidtyp. So genannte PEM-(Protonenaustauschmembran-) Brennstoffzellen (auch bekannt als SPE-(Festpolymerelektrolyt-) Brennstoffzellen) sind vom Säuretyp, besitzen potentiell eine hohe Leistung und ein geringes 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 Festpolymermembranelektrolyt, der auf einer seiner Seiten eine Anode und auf der entgegengesetzten Seite eine Kathode aufweist. 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 enthalten, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Üblicherweise wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen PEM-Brennstoffzellenstapel zu bilden.

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 Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel (oftmals getragen auf Kohlenstoffpartikeln) gemischt mit protonenleitendem Harz.

Bei der Umwandlung der Anoden- und Kathodenreaktanden in elektrische Energie erzeugt die Brennstoffzelle ungeachtet des Typs Anoden- und Kathodenabflüsse, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgetragen werden. Wasser (auch als Produktwasser bekannt) wird an der Kathodenelektrode auf Grundlage elektrisch-chemischer Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die in der MEA stattfinden, erzeugt. Ein effizienter Betrieb des Brennstoffzellenstapels hängt von der Fähigkeit ab, ein richtiges und effektives Wassermanagement in dem System vorzusehen.

Beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels wird der Kathodenreaktand typischerweise mit einer Überschussmenge (einer stöchiometrischen Größe von größer als 1,0) geliefert. Der überschüssige Kathodenreaktand wird aufgrund des Sauerstoffpartialdrucks in den Strömungsfeldern des Brennstoffzellenstapels verwendet, der abnimmt, wenn die Reaktionen über den Brennstoffzellenstapel stattfinden. Ein anderer Grund zur Lieferung von überschüssigem Kathodenreaktand besteht darin, die Entfernung von flüssigem Wasser von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu unterstützen. Während die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels Vorteile aus der höheren stöchiometrischen Menge des Kathodenreaktanden zieht, wäre eine geringere stöchiometrische Menge von einem Effizienzstandpunkt her aufgrund der Notwendigkeit günstiger, Leistung an die Luftbewegungseinrichtung (eine parasitäre Vorrichtung) zu liefern, um den Kathodenreaktand bereitzustellen. Somit wäre es vorteilhaft, eine Betriebsstrategie zu entwickeln, die die Anforderungen (eine Entfernung von Produktwasser wie auch eine stabile elektrische Produktion) eines Brennstoffzellenstapels erfüllt, jedoch eine an die Luftanlage angelegte Leistungsanforderung gering hält.

Typischerweise wird, wenn eine konstante Leistungsanforderung an einem Brennstoffzellenstapel anliegt, der Brennstoffzellenstapel mit einer konstanten Kathodenreaktandenströmung beliefert. Die Kathodenreaktandenströmung wird typischerweise durch eine Luftbewegungseinrichtung bereitgestellt, wie beispielsweise ein Gebläse oder ein Kompressor. Die Luftbewegungseinrichtung liefert die Kathodenreaktandenströmung auch bei einem Druckpegel, der von dem Brennstoffzellenstapel benötigt wird und durch andere Betriebsbedingungen definiert ist, wie beispielsweise durch die Brennstoffzellentemperatur. Der Auslassdruck des Brennstoffzellenstapels wird durch ein Rückschlagventil gesteuert. Wenn die Luftbewegungseinrichtung eine konstante Strömung von Kathodenreaktand liefert, verbraucht die Luftbewegungseinrichtung eine bestimmte Menge an Leistung. Die Erfinder haben entdeckt, dass durch Pulsieren der Strömung von Kathodenreaktand, die durch die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, anstelle der Lieferung einer konstanten Kathodenreaktandenströmung die erforderliche Wasserentfernung auf der Kathodenseite erreicht werden kann, während die durchschnittliche stöchiometrische Menge des an den Brennstoffzellenstapel gelieferten Kathodenreaktanden verringert wird. Das Pulsieren umfasst, dass die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand, die an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird, zwischen zwei diskreten Werten variiert wird. Die höhere stöchiometrische Menge wird gewählt, um der Anforderung nach Wasserentfernung nachzukommen, während die niedrigere stöchiometrische Menge gewählt wird, so dass sie für den Transport des Reaktanden und für eine stabile Erzeugung von Elektrizität ausreichend ist. Dies resultiert in einer durchschnittlichen stöchiometrischen Menge von an den Brennstoffzellenstapel geliefertem Kathodenreaktand, die geringer als diejenige ist, die geliefert würde, wenn der Kathodenreaktand nicht gepulst wird. Somit wird bei der vorliegenden Erfindung erwartet, dass die durchschnittliche elektrische Leistungsanforderung der Luftbewegungseinrichtung niedriger ist. Diese niedrigere Leistungsanforderung unterstützt den Systemwirkungsgrad.

Um den Kathodenreaktanden zwischen den zwei diskreten stöchiometrischen Mengen zu pulsieren, wenn er an eine einzelne Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels geliefert wird, ist es erforderlich, dass die Luftbewegungseinrichtung mit variierenden Drehzahlen oder Niveaus betrieben wird. Die Einstellung der Luftbewegungseinrichtung zwischen diesen Niveaus kann jedoch ein Rauschmuster erzeugen, das für einen Anwender störend sein kann, insbesondere wenn eine konstante Leistungsanforderung an dem Brennstoffzellensystem anliegt und/oder wenn das Brennstoffzellensystem auf einer mobilen Plattform verwendet wird. Bei Verwendung auf einer mobilen Plattform erwartet ein Anwender in der Regel, dass er bei einer im Wesentlichen gleich bleibenden Leistungsanforderung ein gleich bleibendes Geräusch hört. Bei Übergängen in der Leistungsanforderung erwartet der Anwender in der Regel eine Änderung des von dem Brennstoffzellensystem erzeugten Geräusches. Das potentiell beunruhigende Geräusch kann durch die Verwendung von zwei oder mehr Brennstoffzellenstapeln oder einem Brennstoffzellenstapel, der einen Kathodenreaktandenströmungspfad aufweist, der in zwei oder mehr diskrete Sektionen unterteilt ist, vermieden werden. Mit dieser Ausgestaltung kann die Luftbewegungseinrichtung mit einer im Wesentlichen konstanten Rate betrieben werden, um eine im Wesentlichen konstante Strömung von Kathodenreaktand zu liefern. Der Kathodenreaktandenstrom wird variierend auf die zwei oder mehr Brennstoffzellenstapel oder Sektionen eines einzelnen Brennstoffzellenstapels zwischen oberen und unteren stöchiometrischen Niveaus aufgeteilt. Mit anderen Worten werden die Kathodenreaktanden, die zu den zwei oder mehr Brennstoffzellenstapeln oder zu den zwei oder mehr Kathodensektionen strömen, zwischen oberen und unteren Niveaus gepulst und so koordiniert, dass die gesamte kontinuierliche Strömung von Kathodenreaktand, die durch die Luftbewegungseinrichtung geliefert wird, verwendet wird. Somit können die Vorteile des Pulsierens des Kathodenreaktanden realisiert werden, während die Luftbewegungseinrichtung bei einem im Wesentlichen konstanten Niveau betrieben wird, wodurch die Erzeugung von störenden oder beunruhigenden Geräuschen vermieden wird. Ferner kann die vorliegende Erfindung auch bei einer dynamischen Belastung des bzw. der Brennstoffzellenstapel verwendet werden, wobei die Impulsperiode und/oder das Strömungsmuster als eine Funktion der Lastanforderung, die an das Brennstoffzellensystem angelegt wird, geändert werden kann.

Ein Brennstoffzellensystem bzw. eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest einen Brennstoffzellenstapel und zumindest zwei Kathodenseiten. Es sind ein erster und ein zweiter Kathodenreaktandenströmungspfad vorgesehen, die mit einer jeweiligen ersten und zweiten Kathodenseite in Verbindung stehen. Es ist eine Luftbewegungseinrichtung vorgesehen, die dazu dient, einen Kathodenreaktandenstrom an die Kathodenseiten zu liefern. Ein erster Anteil des Kathodenreaktandenstroms strömt durch den ersten Strömungspfad und die erste Kathodenseite, während ein zweiter Anteil des Kathodenreaktandenstroms durch den zweiten Strömungspfad und die zweite Kathodenseite strömt. Es sind zumindest zwei Strömungsbegrenzungsvorrichtungen vorhanden, die mit den Strömungspfaden in Verbindung stehen. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen dienen dazu, eine stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand in dem ersten und zweiten Anteil des Kathodenreaktandenstromes zwischen vorbestimmten Werten selektiv zu variieren.

Ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems bzw. einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel und zumindest zwei diskreten Kathodenseiten ist ebenfalls offenbart. Das Verfahren umfasst, dass (1) ein Kathodenreaktandenstrom geliefert wird; (2) ein erster Anteil des Kathodenreaktandenstroms an eine erste der Kathodenseiten über einen ersten Kathodenreaktandenströmungspfad geführt wird; (3) ein zweiter Anteil des Kathodenreaktandenstroms an eine zweite der Kathodenseiten über einen zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad geführt wird; und (4) eine stöchiometrische Menge des Kathodenreaktanden in dem ersten und zweiten Anteil der Kathodenreaktandenströme variiert wird.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

Die vorliegende Erfindung wird 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 ein Schaubild beispielhafter stöchiometrischer Werte von zwei aufgeteilten Kathodenreaktandenströmen als eine Funktion der Zeit ist;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine erste alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems von 1 mit Strömungspfaden zum Rückführen von Kathodenabfluss ist; und
5 eine schematische Darstellung verschiedener Ausführungsoptionen für ein Brennstoffzellensystem gemäß alternativer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Der hier verwendete Begriff "Modul" betriff eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (geteilt, zweckgebunden oder Gruppe) und einen Speicher, der eines oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
In 1 ist schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 20 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst einen ersten und einen zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24, die jeweils eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweisen, um einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktand bzw. einen sauerstoffhaltigen Kathodenreaktand aufzunehmen. Jeder Brennstoffzellenstapel 22, 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 umfassen beispielsweise einen Reformatstrom von einem Reformer und Wasserstoff von einer Wasserstoffspeichervorrichtung. Die Anodenreaktandenversorgung zu den Brennstoffzellenstapeln und die Entlüftung des Anodenabflusses, der in den Brennstoffzellenstapeln erzeugt wird, ist nicht detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass der Anodenreaktand an die verschiedenen Brennstoffzellenstapel in einer Menge geliefert wird, die ausreichend ist, um die Betriebsanforderungen des Brennstoffzellensystems 20 zu erfüllen, und dass ein Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 nach Bedarf beseitigt wird.
Der Kathodenreaktand kann ebenfalls von einer Vielzahl von Quellen geliefert werden. Derartige Quellen umfassen beispielsweise Sauerstoff, der von einer Speichervorrichtung geliefert wird, und Luft, die von der Umgebung entnommen wird, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird. Bei Abzug aus der Atmosphäre wird der Kathodenreaktand über eine Luftbewegungseinrichtung 26 geliefert. Die Luftbewegungseinrichtung 26 kann in einer Vielzahl von Formen vorkommen. Die Luftbewegungseinrichtung 26 kann einen Motor 28 und einen Kompressor 30 umfassen, der durch den Motor 28 betrieben wird. Alternativ dazu kann ein Gebläse anstelle des Kompressors verwendet werden. Wenn der Ka thodenreaktand von einer Speichervorrichtung geliefert wird, kann der Kathodenreaktand unter einem Druck gespeichert sein, der ausreichend ist, um zu bewirken, dass der Kathodenreaktand in die Brennstoffzellenstapel strömt, so dass keine Luftbewegungseinrichtung notwendig ist. Ungeachtet der Verwendung der Luftbewegungseinrichtung 26 oder einer unter Druck gesetzten Speichervorrichtung wird ein Kathodenreaktandenstrom 32 ausgebildet, der dazu verwendet wird, Kathodenreaktand an die Brennstoffzellenstapel zu liefern. Ein erster Kathodenreaktandenströmungspfad dient dazu, einen ersten Anteil 36 des Kathodenreaktandenstroms 32 an einen ersten Brennstoffzellenstapel 22 zu liefern und einen Kathodenabfluss von der Kathodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 22 auszutragen. Ähnlicherweise dient ein zweiter Kathodenreaktandenströmungspfad 38 dazu, einen zweiten Anteil 40 des Kathodenreaktandenstroms 32 an die Kathodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 zu liefern und einen Kathodenabfluss von der Kathodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 auszutragen.
In dem ersten Kathodenreaktandenströmungspfad 34 unterstromig der Kathodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 22 ist eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung 42 angeordnet, während in dem zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad 38 unterstromig der Kathodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 eine andere Strömungsbegrenzungsvorrichtung 44 angeordnet ist. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 dienen dazu, eine Strömung durch die ersten und zweiten Strömungspfade 34 bzw. 38 zu begrenzen. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 erlauben die Proportionierung des Kathodenreaktandenstroms 32 zwischen dem ersten und dem zweiten Anteil 36, 40 durch Variation des Strömungswiderstands in den Strömungspfaden 34, 38, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 können in einer Vielzahl von Formen vorkommen.
Beispielsweise können die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 ein beliebiger Typ von Vorrichtung sein, der eine selektive Einstellung des Widerstandes auf eine Strömung innerhalb der Kathodenreaktandenströmungspfade 34, 38 ermöglicht. Derartige Strömungsbegrenzungsvorrichtungen können beispielsweise Proportionalventile, Ventilklappen, Solenoidventile, Schieber und Absperrschieber, Kugelhahnen, Drosselventile, Stellklappen und dergleichen umfassen. Der spezifische Typ von Strömungsbegrenzungsvorrichtung hängt von der Größe der Kathodenreaktandenströmungspfade, dem volumetrischen Durchsatz des Kathodenreaktanden/Kathodenabflusses durch die Strömungspfade und den erforderlichen Strömungskapazitäten ab.
Ein Controller 46 verwendet ein oder mehrere Module, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 20 zu steuern und zu koordinieren und damit eine an das Brennstoffzellensystem 20 angelegte Leistungsanforderung zu erfüllen. Der Controller 46 kommuniziert mit der Luftbewegungseinrichtung 26, um die erforderliche Menge an Kathodenreaktand in dem Kathodenreaktandenstrom 32 zu liefern. Der Controller 46 kommuniziert auch mit Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44, um deren Betrieb selektiv zu steuern, so dass eine gewünschte stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand in dem ersten und zweiten Anteil 36, 40 des Kathodenreaktandenstroms 32 vorhanden ist, die an die Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 22 bzw. 24 strömen. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 werden auch so betätigt, dass sie den Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 22, 24 steuern. Das Steuern des Drucks in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 22, 24 wird typischerweise aus einer Vielzahl von Gründen verwendet. Beispielsweise ist für die beste Stabilität und den besten Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels ein bestimmter Bereich von Betriebsdrücken vorteilhaft. Dies umfasst die Steuerung der vorteilhaften relativen Feuchte des Kathodenauslasses, die durch den Druck beeinflusst wird. Ein anderer Grund kann sein, eine Druckdifferenz zwischen den Anoden- und Kathodenseiten unter einem vorbestimmten Wert zu halten.
Im Betrieb überwacht der Controller 46 die Leistungsanforderung, die an das Brennstoffzellensystem 20 angelegt ist, und stellt den Betrieb der verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 20 ein, um diese Leistungsanforderung zu erfüllen. Der Controller 46 weist die Luftbewegungseinrichtung 26 an, um eine gewünschte stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand in dem Kathodenreaktandenstrom 32 zu liefern. Der Controller 46 stellt die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 ein, um den Kathodenreaktandenstrom 32 zwischen dem ersten und dem zweiten Anteil 36, 40 aufzuteilen, so dass eine gewünschte stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand an die Kathodenseiten des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22, 24 geliefert wird. Genauer folgt der Kathodenreaktandenstrom 32 dem Pfad des geringsten Widerstandes, wenn er durch die Kathodenreaktandenströmungspfade 34, 38 strömt. Durch Änderung des Widerstands der Strömungspfade 34, 38 mit den Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 kann der Controller 46 den Kathodenreaktandenstrom 32 zwischen dem ersten und dem zweiten Anteil 36, 40 auf eine gewünschte Art und Weise aufzuteilen. Der Controller 46 kann dadurch bewirken, dass die stöchiometrische Menge des Kathodenreaktanden in der Kathodenseite jedes Brennstoffzellenstapels (1) gleich ist; (2) verschieden ist; (3) zwischen vorbestimmten Werten variiert; (4) zunimmt; (5) abnimmt; oder (6) ein konstanter Wert ist.
Die an das Brennstoffzellensystem 20 angelegte Leistungsanforderung kann eine konstante Leistungsanforderung, ein zunehmender oder aufwärts gerichteter Übergang oder ein abnehmender oder abwärts gerichteter Übergang sein. Bei diesen verschiedenen an das Brennstoffzellensys tem 20 angelegten Leistungsanforderungen stellt der Controller 46 die Art und Weise wie auch die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand ein, die an die Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 22, 24 strömt. In einer Periode einer im Wesentlichen konstanten an das Brennstoffzellensystem 20 angelegten Leistungsanforderung bewirkt der Controller 46 bevorzugt, dass die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand, der durch die Kathodenseiten jedes Brennstoffzellenstapels 22, 24 strömt, zwischen einer ersten vorbestimmten stöchiometrischen Menge (einem hohen Niveau) und einer zweiten vorbestimmten stöchiometrischen Menge (einem niedrigen Niveau) als eine Funktion der Zeit variiert. Beispielsweise variiert, wie in 2 gezeigt ist, die stöchiometrische Menge des Kathodenreaktand, der in die Kathodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 22 strömt, als eine Funktion der Zeit zwischen dem niedrigen Niveau und dem hohen Niveau, wie durch die Kurve 54 gezeigt ist. Ähnlicherweise variiert auch die stöchiometrische Menge des Kathodenreaktanden, der in die Kathodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 strömt, zwischen dem hohen Niveau und dem niedrigen Niveau als eine Funktion der Zeit, wie durch die Kurve 56 gezeigt ist. Das Ergebnis ist, dass die Kathodenseiten beider Brennstoffzellenstapel 22, 24 eine durchschnittliche stöchiometrische Menge, die durch die Kurve 58 angegeben ist, erhalten. Die gesamte stöchiometrische Menge des Kathodenreaktanden in dem Kathodenreaktandenstrom 32 wird konstant beibehalten, während die Aufteilung des Kathodenreaktandenstroms 32 in den ersten und zweiten Anteil 36, 40 durch den Controller 46 und die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 ausgeführt wird.
Somit kann die Luftbewegungseinrichtung 26 bei einer im Wesentlichen konstanten Leistungsanforderung, die an das Brennstoffzellensystem 20 angelegt ist, mit einer im Wesentlichen konstanten Rate betrieben werden, um eine konstante stöchiometrische Menge des Kathodenreaktanden in dem Kathodenreaktandenstrom 32 zu liefern, während die stöchiometrische Menge, die durch die Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 22, 24 strömt, zwischen den beiden vorbestimmten Werten variiert werden kann. Der erste oder hohe vorbestimmte Wert ist so gewählt, dass er eine ausreichende Geschwindigkeit vorsieht, um Wasser von den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel zu entfernen. Der zweite oder niedrige vorbestimmte Wert ist so gewählt, dass eine ausreichende stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand vorhanden ist, um einen stabilen Betrieb der Brennstoffzellenstapel innerhalb des gewünschten Spannungsbereichs zu erzeugen, während der Leistungsanforderung, die an das Brennstoffzellensystem 20 angelegt ist, nachgekommen wird. Infolgedessen ist die durchschnittliche stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand, die durch die Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 22, 24 strömt, niedriger als die, die erforderlich ist, wenn die stöchiometrischen Mengen nicht gepulst werden, während dennoch eine gleichwertige oder größere Leistungsabgabe erzeugt wird. Mit anderen Worten erlaubt das Pulsieren der stöchiometrischen Menge des Kathodenreaktanden einen Abgleich zwischen der Anforderung nach Wasserentfernung und der Lieferung von überschüssigem Kathodenreaktand und dem effizienten Betrieb der Brennstoffzellenstapel durch Bereitstellung einer geringeren stöchiometrischen Menge an Kathodenreaktand, um die an das Brennstoffzellensystem 20 angelegten Leistungsanforderungen zu erfüllen.
Bei Aufwärts- oder Abwärtsübergängen in der an das Brennstoffzellensystem 20 angelegten Leistungsanforderung weist der Controller 46 die Luftbewegungseinrichtung 26 an, die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand in dem Kathodenreaktandenstrom 32 zu erhöhen oder zu verringern, wie es durch die Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 20 gefordert wird. Bei diesen Aufwärts- und Abwärtsübergängen können die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 weiterhin gesteu ert werden, um die Menge an Kathodenreaktand zu pulsieren oder zu variieren, ohne dass die Strömung zu den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 22, 24 zwischen vorbestimmten Werten gepulst wird. Gegebenenfalls kann das Brennstoffzellensystem 20 jedoch bei Aufwärts- und Abwärtsübergängen betrieben werden, um eine zunehmende oder abnehmende stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand ohne Pulsierung zu den Kathodenreaktandenseiten der Brennstoffzellenstapel 22, 24 vorzusehen, wie es durch die an das Brennstoffzellensystem 20 angelegte Leistungsanforderung erforderlich wird. Mit anderen Worten kann der Controller 46 bewirken, dass die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 eine fixierte oder konstante Aufteilung des Kathodenreaktandenstroms 32 zwischen dem ersten und dem zweiten Anteil 36, 40 vorsehen, während die gesamte stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand in dem Kathodenreaktandenstrom 32 zunimmt oder abnimmt, um die an das Brennstoffzellensystem 20 angelegte Leistungsanforderung zu erfüllen. Optional dazu kann bei den Aufwärts- oder Abwärtsübergängen eine fixierte oder konstante Aufteilung für eine festgelegte Zeitperiode mit einem Variieren der Aufteilung zwischen dem ersten und zweiten Anteil 36, 40 für eine andere Zeitperiode ergänzt werden.
Der Controller 46 kann die Frequenz, mit der die Aufteilung des Kathodenreaktandenstroms 32 erfolgt, wie auch die Größe der Variationen einstellen. Ferner sind die in 2 gezeigten Kurven lediglich repräsentativ für einen Typ von Steuerschema, und es sei angemerkt, dass die Kurven andere Formen annehmen können. Beispielsweise können die Kurven sinusförmig sein oder können Stufenänderungen mit schnelleren oder langsameren Übergängen zwischen den vorbestimmten Werten der stöchiometrischen Menge besitzen. Der Controller 46 kann auch die Variationen der Aufteilungen so steuern, dass eine Druckdifferenz zwischen den Kathoden- und Anodenseiten der Brennstoffzellenstapel unterhalb eines vorbestimmten Wertes gehalten wird. Indem die Druckdifferenz unter einem vorbestimmten Wert gehalten wird, kann ein Schaden an den internen Komponenten, die die Kathoden- und Anodenseiten der Brennstoffzellenstapel trennen, vermieden werden.
Der Controller 46 kann eine Anzahl verschiedener Szenarien verwenden, um Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42, 44 einzustellen, und zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 20. Beispielsweise kann der Controller 46 einen Algorithmus verwenden, der eine gewünschte Frequenz und Größe der Aufteilung des Kathodenreaktandenstroms 32 zwischen den Brennstoffzellenstapeln 22, 24 auf Grundlage von Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 20 vorsieht. Zusätzlich kann der Controller 46 eine Nachschlagetabelle 62 verwenden, um die geeignete Frequenz und Größe zur Aufteilung des Kathodenreaktandenstroms 32 zwischen dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22, 24 auf Grundlage der Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 20 zu bestimmen.
Somit erlaubt die erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Aufteilung des Kathodenreaktandenstroms 32 zwischen dem ersten und zweiten Anteil 36, 40, um die stöchiometrischen Mengen des Kathodenreaktanden, der durch die Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 22, 24 strömt, als eine Funktion der Zeit zu variieren. Die Variation der stöchiometrischen Menge des Kathodenreaktanden erlaubt die Entfernung von Produktwasser, das an den Kathodenseiten erzeugt wird, zusammen mit der Beibehaltung des stabilen Betriebs der Brennstoffzellen. Ferner werden der stabile Betrieb und die Wasserentfernung mit einer durchschnittlichen stöchiometrischen Menge an Kathodenreaktand, der durch die Kathodenseiten strömt, ausgeführt, die typischerweise kleiner als die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand ist, die verwendet wird, wenn die stöchiometrische Menge nicht variiert oder gepulst wird.
In 3 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 20' gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 20' einen einzelnen Brennstoffzellenstapel 66', der aufgeteilt ist, so dass er zwei diskrete Kathodenseiten aufweist. Mit anderen Worten ist der Brennstoffzellenstapel 66' im Wesentlichen ein einzelner Brennstoffzellenstapel, wobei die Kathode in zwei Sektionen unterteilt ist. Das Brennstoffzellensystem 20' ist im Wesentlichen gleich dem Brennstoffzellensystem 20, mit dem Unterschied, dass die beiden Brennstoffzellenstapel in einen einzelnen unterteilten Brennstoffzellenstapel 66' kombiniert sind. Eine Luftbewegungseinrichtung 26' wird durch den Controller 46' gesteuert, um einen Kathodenreaktandenstrom 32' an den Brennstoffzellenstapel 66' zu liefern. Der Kathodenreaktandenstrom 32' wird in einen ersten und einen zweiten Anteil 36', 40' unterteilt, die an die zwei diskreten Kathodenseiten des Brennstoffzellenstapels 66' über einen ersten und zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad 34', 38' zugeführt werden. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42', 44' sind in dem ersten und zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad 34', 38' unterstromig der Kathodenseiten des Brennstoffzellenstapels 66' angeordnet. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 42', 44' variieren den Strömungswiderstand in den Strömungspfaden 34', 38', um den Kathodenreaktandenstrom 32' zwischen dem ersten und zweiten Anteil 36', 40' zu unterteilen. Somit kann das Brennstoffzellensystem 20' auf eine Weise betrieben werden, die im Wesentlichen identisch zu der ist, die oben unter Bezugnahme auf das Brennstoffzellensystem 20 offenbart ist, mit dem Unterschied, dass der einzelne Brennstoffzellenstapel 66' unterteilt ist, so dass er als der erste und zweite Brennstoffzellenstapel 22, 24 funktioniert.
In 4 ist eine erste alternative Ausführungsform der ersten bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 20 gezeigt und allgemein als Brennstoffzellensystem 120 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 120 ist im Wesentlichen gleich dem Brennstoffzellensystem 20 mit dem Zusatz von Strömungspfaden 172, 174 zur Rückführung von Kathodenabfluss mit Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 176, 178 darin. Zuerst verbindet der Rückführströmungspfad 172 den ersten Kathodenreaktandenströmungspfad 134 unterstromig der Kathodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 122 mit dem zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad 138 oberstromig der Kathodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 124. Ähnlicherweise verbindet der zweite Rückführströmungspfad 174 den zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad 138 unterstromig der Kathodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 124 mit dem ersten Kathodenreaktandenströmungspfad 134 oberstromig der Kathodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 122. Somit ermöglicht der erste Rückführströmungspfad 172, dass ein Anteil des den ersten Brennstoffzellenstapel 122 verlassenden Kathodenabflusses in den Einlass der Kathodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 124 strömt. Ähnlicherweise ermöglicht der zweite Rückführströmungspfad 174, dass ein Anteil des den zweiten Brennstoffzellenstapel 124 verlassenden Kathodenabflusses in den Einlass der Kathodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 122 strömt. Der Controller 146 ermöglicht selektiv einen Eintritt von Kathodenabfluss von einem Brennstoffzellenstapel in die Kathodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels durch selektives Betätigen der Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 176, 178. Die Strömung des Kathodenabflusses von einem Brennstoffzellenstapel zu dem Einlass eines anderen Brennstoffzellenstapels wird durch Druckdifferenzen zwischen den verschiedenen Strömungspfaden bewirkt.
Ein anderer Unterschied ist die Verwendung eines variablen Strömungsteilers 170, der den Kathodenreaktandenstrom 132 selektiv in einen ersten und einen zweiten Anteil 136, 140 aufteilt. Der Teiler 170 wird durch den Controller 146 gesteuert, um die Kathodenreaktandströmung 132 nach Bedarf aufzuteilen. Bei dieser Ausführungsform werden die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 142, 144 zur Steuerung des Drucks in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 122, 124 verwendet. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 142, 144 werden selektiv betätigt, um die Entlüftung des Kathodenabflusses von dem zugeordneten Brennstoffzellenstapel zu begrenzen. Durch Steuerung des Austrags des Kathodenabflusses von den Brennstoffzellenstapeln kann der Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel gesteuert werden. Der Controller 146 steuert einen Betrieb der Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 176, 178 synchron mit dem Teiler 170 und den Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 142, 144, um eine Strömung des Kathodenabflusses selektiv von einem Brennstoffzellenstapel zu dem anderen zu einem geeigneten Zeitpunkt zu ermöglichen, wenn eine Druckdifferenz vorhanden ist. Die Rückführung von Kathodenabfluss lässt zu, dass nicht verbrauchter Sauerstoff in dem Kathodenabfluss rückgeführt und zur Umwandlung in elektrische Energie in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels verwendet wird, in den sie eingeführt wird. Zusätzlich sieht die Rückführung des Kathodenabflusses, wenn der Kathodenabfluss Produktwasser enthält, eine gewisse Befeuchtung der Kathodeneinlassströmung zu dem anderen Stapel vor, der abhängig von den Betriebsbedingungen eine minimale Feuchte benötigen kann. Unter bestimmten Bedingungen können die Begrenzungsvorrichtungen 176 und 178 passive Vorrichtungen wie Rückschlagventile sein.
In 5 sind andere Ausführungsoptionen für ein Brennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung offenbart, die die in
1 gezeigte bevorzugte Ausführungsform umfassen. Diese alternativen Ausführungsoptionen umfassen verschiedene Wege zum Aufteilen des Kathodenreaktandenstroms, der durch die Luftbewegungseinrichtung 226 geliefert wird, zwischen den Brennstoffzellenstapeln und die Steuerung des Drucks in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel. In 5 sind drei verschiedene Ausführungsoptionen für die Strömungspfade oberstromig der Brennstoffzellenstapel als (a), (b) und (c) gezeigt, während drei verschiedene Ausführungsoptionen für die Strömungspfade unterstromig der Brennstoffzellenstapel als (d), (e) und (f) gezeigt sind. Die Pfeile, die die oberstromige Ausführung mit der unterstromigen Ausführung verbinden, geben die zulässigen Kombinationen an. Der Einfachheit halber ist der Controller in 5 nicht gezeigt. Es sei angemerkt, dass ein Controller ungeachtet der Kombination verwendet wird, die dazu angewendet wird, die verschiedenen Komponenten eines Brennstoffzellensystems zu steuern und zu koordinieren und den Kathodenreaktand, der durch die Kathodenseite der Brennstoffzellenstapel strömt, in Ansprechen auf die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems zu pulsieren oder zu variieren.
Wie in 5 gezeigt ist, kann die oberstromige Ausführung (a) in Verbindung mit den unterstromigen Ausführungen (d), (e) oder (f) verwendet werden. Die oberstromige Ausführung (a) verwendet Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 284, 286, die in jeweiligen ersten und zweiten Kathodenreaktandenströmungspfaden 234, 238 angeordnet sind und betätigt werden, um den Kathodenreaktandenstrom 232 zwischen dem ersten und zweiten Anteil 236, 240 zu unterteilen. Die unterstromige Ausführung (d) verwendet eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung 288, um den Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 222, 224 zu steuern. Somit werden, wenn die oberstromige Ausführung (a) in Verbindung mit der unterstromigen Ausführung (d) verwendet wird, die oberstromigen Strö mungsbegrenzungsvorrichtungen 284, 286 verwendet, um den Kathodenreaktandenstrom 232 zu unterteilen, während die unterstromige Strömungsbegrenzungsvorrichtung 288 dazu verwendet wird, den Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 222, 224 zu steuern.
Eine andere Option besteht darin, die oberstromige Ausführung (a) mit der unterstromigen Ausführung (e) zu verwenden. Bei dieser Ausgestaltung werden die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 284, 286 in Verbindung mit den unterstromigen Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 242, 244 betätigt, um den Kathodenreaktandenstrom 232 zwischen dem ersten und zweiten Anteil 236, 240 zu unterteilen und den Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 222, 224 zu steuern.
Eine andere Option besteht darin, die oberstromige Ausführung (a) in Verbindung mit der unterstromigen Ausführung (f) zu verwenden. Bei dieser Ausgestaltung werden die oberstromigen Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 284, 286 in Verbindung mit einem unterstromigen variablen Strömungsteiler 290 dazu verwendet, den Kathodenreaktandenstrom 232 in einen ersten und einen zweiten Anteil 236, 240 zu unterteilen. Die unterstromige Strömungsbegrenzungsvorrichtung 292 wird dazu verwendet, den Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 222, 224 zu steuern.
Die oberstromige Ausführung (b) kann in Verbindung mit den unterstromigen Ausführungen (d), (e) oder (f) verwendet werden. Die unterstromige Ausführung (b) verwendet einen oberstromigen variablen Strömungsteiler 270, um den Kathodenreaktandenstrom 232 in den ersten und zweiten Anteil 236, 240 zu unterteilen. Wenn die oberstromige Ausführung (b) mit der unterstromigen Ausführung (d) kombiniert wird, sieht die unterstromige Strömungsbegrenzungsvorrichtung 288 eine Gegendrucksteuerung vor und steuert den Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 222, 224.
Wenn die oberstromige Ausführung (b) in Verbindung mit der unterstromigen Ausführung (e) verwendet wird, wird der oberstromige Strömungsteiler 270 dazu verwendet, den Kathodenreaktandenstrom 232 in den ersten und zweiten Anteil 236, 240 zu unterteilen. Die unterstromigen Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 242, 244 werden für die Gegendrucksteuerung verwendet, um den Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 222, 224 zu steuern. Die unterstromigen Strömungsbegrenzungsvorrichtungen 242, 244 können auch mit dem Betrieb des Strömungsteilers 270 koordiniert werden, um die Aufteilung des Kathodenreaktandenstroms 232 in den ersten und zweiten Anteil 236, 240 zu erleichtern.
Wenn die oberstromige Ausführung (b) in Verbindung mit der unterstromigen Ausführung (f) verwendet wird, werden die oberstromigen und unterstromigen variablen Strömungsteiler 270, 290 koordiniert, um den Kathodenreaktandenstrom 232 in den ersten und zweiten Anteil 236, 240 aufzuteilen. Die unterstromige Strömungsbegrenzungsvorrichtung 292 wird dazu verwendet, den Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 222, 224 zu steuern.
Die oberstromige Ausführung (c) kann in Verbindung mit der unterstromigen Ausführung (e) verwendet werden, wodurch die erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird, und mit der unterstromigen Ausführung (f) verwendet werden. Bei der oberstromigen Ausführung (c) sind keine oberstromigen Strömungsbegrenzungsvorrichtungen oder Strömungsteiler vorhanden, und diese Ausführung ist auf die unterstromige Ausführung angewiesen, um den Kathodenreaktan denstrom 232 in den ersten und zweiten Anteil 236, 240 zu unterteilen und eine Gegendrucksteuerung vorzusehen. Somit kann die oberstromige Ausführung (c) nicht in Kombination mit der unterstromigen Ausführung (d) verwendet werden, da keine Vorrichtungen vorhanden sind, um den Kathodenreaktandenstrom 232 zu unterteilen. Die Kombination der oberstromigen Ausführung (c) mit der unterstromigen Ausführung (e) ist die erste bevorzugte Ausführungsform, deren Betrieb oben beschrieben ist. Wenn die oberstromige Ausführung (c) in Kombination mit der unterstromigen Ausführung (f) verwendet wird, wird der Strömungsteiler 290 betätigt, um den Kathodenreaktandenstrom 232 in den ersten und zweiten Anteil 236, 240 zu unterteilen. Die unterstromige Strömungsbegrenzungsvorrichtung 292 steuert den Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 222, 224.
Somit kann bei den in 5 gezeigten alternativen Ausführungsformen eine Vielzahl verschiedener Kombinationen aus oberstromigen und unterstromigen Ausführungsoptionen verwendet werden, um eine Aufteilung des Kathodenreaktandenstroms 232 und eine Variation der stöchiometrischen Menge des Kathodenreaktanden vorzusehen, die an die Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 222, 224 strömt. Zusätzlich wird auch eine Gegendrucksteuervorrichtung verwendet, um den Druck in den Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel zu steuern.
Die obige Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Beispielsweise sei angemerkt, dass, während die Verwendung von zwei Brennstoffzellenstapeln gezeigt ist, mehr als zwei Brennstoffzellenstapel verwendet werden können und ein ähnliches oder im Wesentlichen dasselbe Steuerschema verwendet werden kann, um den Kathoden reaktandenstrom über den verschiedenen Brennstoffzellenstapeln, die verwendet werden, aufzuteilen. Ferner sei angemerkt, dass ein einzelner Brennstoffzellenstapel verwendet und in eine gewünschte Anzahl diskreter Kathodenströmungspfade aufgeteilt werden kann, und die verschiedenen Ausführungsoptionen dazu verwendet werden können, jede aufgeteilte Kathodenseite als einen diskreten Brennstoffzellenstapel zu behandeln. Somit sind derartige Abwandlungen nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel und zumindest zwei diskreten Kathodenseiten, wobei das Verfahren umfasst, dass: (a) ein Kathodenreaktandenstrom geliefert wird; (b) ein erster Anteil des Kathodenreaktandenstroms an eine erste der Kathodenseiten über einen ersten Kathodenreaktandenströmungspfad geführt wird; (c) ein zweiter Anteil des Kathodenreaktandenstroms an eine zweite der Kathodenseiten über einen zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad geführt wird; und (d) eine stöchiometrische Menge des Kathodenreaktand in dem ersten und zweiten Anteil der Kathodenreaktandströme variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass (d) umfasst, dass ein Strömungswiderstand in den Strömungspfaden geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung eines Strömungswiderstandes in den Strömungspfaden umfasst, dass ein Strömungswiderstand in den Strömungspfaden unterstromig der Kathodenseiten geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung eines Strömungswiderstandes in den Strömungspfaden umfasst, dass ein Strömungswiderstand in den Strömungspfaden oberstromig der Kathodenseiten geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung eines Strömungswiderstandes in den Strömungspfaden umfasst, dass ein Strömungswiderstand in den Strömungspfaden sowohl oberstromig als auch unterstromig der Kathodenseiten geändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest zwei Ventile umfasst, die mit den Kathodenströmungspfaden in Verbindung stehen, und eine Änderung eines Strömungswiderstandes in den Strömungspfaden umfasst, dass die zumindest zwei Ventile betätigt werden, um den Strömungswiderstand zu ändern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Luftbewegungseinrichtung umfasst, und (a) umfasst, dass der Kathodenreaktandenstrom mit der Luftbewegungseinrichtung geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass (a) umfasst, dass die Luftbewegungseinrichtung mit einer im Wesentlichen konstanten Rate bei einer im Wesentlichen gleich bleibenden, an die Brennstoffzellenvorrichtung angelegten Leistungsanforderung betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (d) umfasst, dass ein minimaler stöchiometrischer Durchsatz von Kathodenreaktand in jede der Kathodenseiten beibehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (d) bei einer im Wesentlichen gleich bleibenden, an die Brennstoffzellenvorrichtung angelegten Leistungsanforderung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (d) bei Übergängen in einer an die Brennstoffzellenvorrichtung angelegten Leistungsanforderung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (d) umfasst, dass die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand mit einer vorbestimmten Frequenz variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (d) umfasst, dass die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand in dem ersten und zweiten Anteil zwischen zwei vorbestimmten stöchiometrischen Größen variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Brennstoffzellenstapel zumindest zwei Brennstoffzellenstapelumfasst, und die erste und zweite Kathodenseite einem jeweiligen ersten und zweiten der Brennstoffzellenstapel zugeordnet sind, (b) umfasst, dass ein erster Anteil des Kathodenreaktandenstroms an die Kathodenseite eines ersten der Brennstoffzellenstapel über den ersten Kathodenreaktandenströmungspfad geführt wird, und (c) umfasst, dass ein zweiter Anteil des Kathodenreaktandenstroms an die Kathodenseite eines zweiten der Brennstoffzellenstapel über den zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil eines Kathodenabflusses, der den ersten Brennstoffzellenstapel verlässt, an die Kathodenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels geführt wird; ein Anteil eines Kathodenabflusses, der den zweiten Brennstoffzellenstapel verlässt, an die Kathodenseite des ersten Brennstoffzellenstapels geführt wird; und das ihren des Kathodenabflusses an die Kathodenseiten des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (c) umfasst, dass ein Restanteil des Kathodenreaktandenstroms an die zweite Kathodenseite geführt wird.
Brennstoffzellenvorrichtung mit: zumindest einem Brennstoffzellenstapel; zumindest zwei Kathodenseiten; einem ersten und zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad, die mit einer jeweiligen ersten und zweiten Kathodenseite in Verbindung stehen; einer Luftbewegungseinrichtung, die betätigbar ist, um einen Kathodenreaktandenstrom an die Kathodenseiten zu liefern; wobei ein erster Anteil des Kathodenreaktandenstroms durch den ersten Strömungspfad und die erste Kathodenseite strömt; wobei ein zweiter Anteil des Kathodenreaktandenstroms durch den zweiten Strömungspfad und die zweite Kathodenseite strömt; und zumindest zwei Strömungsbegrenzungsvorrichtungen, die mit den Strömungspfaden in Verbindung stehen, wobei die Strömungsbegrenzungsvorrichtungen betätigbar sind, um eine stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand in dem ersten und zweiten Anteil des Kathodenreaktandenstroms zwischen vorbestimmten Werten selektiv zu variieren.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Strömungsbegrenzungsvorrichtungen die stöchiometrische Menge durch Variation eines Strömungswiderstandes in den Strömungspfaden variieren.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Strömungsbegrenzungsvorrichtungen einen Strömungswiderstand in den Strömungspfaden unterstromig der Kathodenseiten variieren.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Strömungsbegrenzungsvorrichtungen einen Strömungswiderstand in den Strömungspfaden sowohl oberstromig als auch unterstromig der Kathodenseiten variieren.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Strömungsbegrenzungsvorrichtungen einen Strömungswiderstand in den Strömungspfaden oberstromig der Kathodenseiten variieren.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Strömungsbegrenzungsvorrichtungen die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand in den ersten und zweiten Strömungspfaden mit einer vorbestimmten Frequenz variieren.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Frequenz und die vorbestimmten stöchiometrischen Werte auf einer Nachschlagetabelle basieren.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Brennstoffzellenstapel zumindest zwei Brennstoffzellenstapelumfasst, von denen jeder eine Kathodenseite und eine Anodenseite aufweist, und die erste und zweite Kathodenseite einem jeweiligen ersten und zweiten der Brennstoffzellenstapel zugeordnet sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 24, ferner mit: einem ersten Strömungspfad zum Rückführen von Kathodenabfluss, der zwischen dem ersten Kathodenreaktandenströmungspfad unterstromig des ersten Brennstoffzellenstapels und dem zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad oberstromig des zweiten Brennstoffzellenstapels verläuft; einem zweiten Strömungspfad zum Rückführen von Kathodenabfluss, der zwischen dem zweiten Kathodenreaktandenströmungspfad unterstromig des zweiten Brennstoffzellenstapels und dem ersten Kathodenreaktandenströmungspfad oberstromig des ersten Brennstoffzellenstapels verläuft; und einer ersten und zweiten Rückführströmungsbegrenzungsvorrichtung, die betätigbar sind, um eine Strömung durch die jeweiligen ersten und zweiten Strömungspfade zur Rückführung von Kathodenabfluss selektiv zu begrenzen, um eine Menge an Kathodenabfluss, der von einem der Brennstoffzellenstapel zu einem anderen der Brennstoffzellenstapel strömt, zu steuern.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbewegungseinrichtung mit einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl bei einer im Wesentlichen gleich bleibenden Leistungsanforderung arbeitet.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Strömungsbegrenzungsvorrichtungen eine Druckdifferenz zwischen einer Anodenseite und einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels unterhalb einer vorbestimmten Größe beibehalten.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten stöchiometrischen Werte des Kathodenreaktanden für sowohl den ersten als auch den zweiten Anteil gleich sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Strömungsbegrenzungsvorrichtungen die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand in dem ersten und zweiten Anteil des Kathodenreaktandenstroms bei einer im Wesentlichen gleich bleibenden, an die Brennstoffzellenvorrichtung angelegten Leistungsanforderung variieren.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Strömungsbegrenzungsvorrichtungen die stöchiometrische Menge an Kathodenreaktand in dem ersten und zweiten Anteil des Kathodenreaktandenstroms bei einem Übergang in einer an die Brennstoffzellenvorrichtung angelegten Leistungsanforderung variieren.