DE102008005503A1 - Fuel cycle of a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems, der eine Brennstoffzellenanordnung (4) umfasst, mit einer ersten Brennstoffzelle (4A) mit einer Anode und einer ersten Rezirkulationsleitung (6A) zum Rückführen unverbrannten Brennstoffs vom Ausgang der Anode der ersten Brennstoffzelle (4A) zum Eingang der Anode der ersten Brenstoffzelle (4A), wobei die Brennstoffzellenanordnung (4) mindestens eine zweite Brennstoffzelle (4B) mit einer Anode aufweist, deren Ausgang über eine zweite Rezirkulationsleitung (6B) mit dem Eingang der Anode der zweiten Brennstoffzelle (4B) verbunden ist.The invention relates to a fuel cycle of a fuel cell system comprising a fuel cell assembly (4) comprising a first fuel cell (4A) having an anode and a first recirculation line (6A) for returning unburned fuel from the anode of the first fuel cell (4A) to the input of the first fuel cell Anode of the first fuel cell (4A), wherein the fuel cell assembly (4) has at least one second fuel cell (4B) with an anode whose output is connected via a second recirculation line (6B) to the anode of the second fuel cell (4B).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffkreislaufs gemäß den Oberbegriffen des Patentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs 16.The The invention relates to a fuel cycle of a fuel cell system and a method of operating such a fuel cycle according to the preambles of claim 1 and claim 16.

Aus WO 2006/045893 ist eine Anordnung von Brennstoffzellen in einem sogenannten Brennstoffzellenstack bekannt. Die Anoden der einzelnen Zellen werden von einer Brennstoffversorgungsleitung, an die die Anodeneingänge der Zellen parallel angeschlossen sind, mit Brennstoff versorgt. Die Anodenausgänge aller Zellen sind ebenfalls zusammengefasst und münden in eine gemeinsame Rezirkulationsleitung, welche den unverbrannten Brennstoff zur Brennstoffversorgungsleitung zurückführt. Diese Anordnung erlaubt keine individuelle Rückführung der unverbrauchten Brennstoffe zu genau der Anode, aus der sie abgeführt wurden, d. h. die Anoden verfügen über keine individuellen, auf die jeweilige Anode beschränkte Rezirkulationsleitungen.Out WO 2006/045893 an arrangement of fuel cells in a so-called fuel cell stack is known. The anodes of the individual cells are fueled by a fuel supply line to which the anode inputs of the cells are connected in parallel. The anode outputs of all cells are also combined and open into a common recirculation line, which returns the unburned fuel to the fuel supply line. This arrangement does not allow individual recycling of the unconsumed fuels to exactly the anode from which they were discharged, ie the anodes have no individual, limited to the respective anode recirculation lines.

Aus der DE 697 05 322 T2 ist ebenfalls ein Brennstoffzellenstack bekannt, bei dem unverbrauchter Brennstoff aus mehreren Anoden wieder zurück in die Brennstoffversorgungsleitung geführt wird. Aber auch hier münden alle Anodenausgänge in eine gemeinsame Rezirkulationsleitung, welche den unverbrauchten Brennstoff wiederum allen Anodeneingängen parallel zuführt.From the DE 697 05 322 T2 Also, a fuel cell stack is known in which unconsumed fuel from several anodes is fed back into the fuel supply line. But here too, all the anode outlets open into a common recirculation line, which feeds the unused fuel in turn to all anode inputs in parallel.

Die Anodenausgänge werden somit im Stand der Technik zu einer einzigen Rückführleitung zusammengefasst und die rückgeführten Brennstoffe dann einer gemeinsamen Behandlung unterzogen. Nachteilig ist hierbei, dass die gemeinsame Rückführleitung keine getrennte Weiterbehandlung der rückgeführten Brennstoffe erlaubt.The Anode outputs are thus in the prior art to a single return line summarized and the returned fuels then a common Subjected to treatment. The disadvantage here is that the common Return line no separate further treatment the recycled fuel allowed.

Zur Vermeidung von Anreicherungen von Inertgasen in der Brennstoffzellenanode, zur Vergleichmäßigung der Brennstoffkonzentration sowie zum Entfernen von Wasser aus der Anode wird das wasserstoffreiche Abgas vom Anodenauslass zum Anodeneingang der Brennstoffzelle zurückgeführt. Dazu werden in einem Anodenkreislauf meist Pumpen, sogenannte Rezirkulationspumpen oder Rezirkulationsgebläse, verwendet, zu deren Betrieb ein bestimmter Energieaufwand und eine Regelstrategie nötig ist. Eine solche Rezirkulationspumpe hat nur eine verhältnismäßig geringe Lastspreizung, was insbesondere im Leerlauf zu einer Unterversorgung der Anoden führen kann mit der Folge einer frühzeitigen Alterung oder gar Schädigung der Brennstoffzellen. Auch Systeme mit mehreren Pumpstufen, die verschiedene Lastbereiche abdecken, erhöhen den Hard- und Softwareaufwand beträchtlich und schränken die Zuverlässigkeit ein. Nachteilig ist des Weiteren auch die Anordnung einer zusätzlichen Rezirkulationspumpe, da dies einen höheren Energieaufwand zum Betrieb der weiteren Pumpe bedeutet.to Avoiding enrichments of inert gases in the fuel cell anode, to equalize the fuel concentration as well as for removing water from the anode becomes the hydrogen-rich Exhaust gas from the anode outlet to the anode inlet of the fuel cell returned. These are usually in an anode circuit pumps, so-called recirculation pumps or recirculation fan, used to operate them a certain amount of energy and a control strategy needed is. Such a recirculation pump has only a relative low load spread, which in particular at idle to a shortage The anodes can result in premature aging or even damage to the fuel cells. Also systems with several pump stages covering different load ranges, increase the hardware and software effort considerably and limit the reliability. adversely is also the arrangement of an additional Recirculation pump, as this requires more energy means to operate the other pump.

Durch den erfindungsgemäßen Brennstoffkreislauf und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffkreislaufs wird zum einen der Verlust an Wasserstoff bei der Entfernung von Inertgasen/Produktwasser, zum anderen der Energieaufwand zum Betreiben der Pumpe deutlich verringert als auch die Regelstrategie zum Betreiben des Brennstoffkreislaufs vereinfacht.By the fuel cycle of the invention and the inventive method for operating a Such a fuel cycle is firstly the loss of hydrogen in the removal of inert gases / product water, on the other hand Energy consumption for operating the pump significantly reduced as well simplifies the control strategy for operating the fuel cycle.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffkreislaufs zu schaffen, mit dem das Produktwasser/Anodenabgas einer Brennstoffzellenanordnung effizienter und mit geringerem Energieaufwand entsorgt werden kann.task The present invention is a fuel circuit of a Fuel cell system and a method for operating such a fuel cycle to create, with the product water / anode exhaust gas of a fuel cell assembly can be disposed of more efficiently and with less energy.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 16 gelöst.These The object is achieved by the characterizing Characteristics of claim 1 and of claim 16 solved.

Hierzu weist der erfindungsgemäße Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems eine Brennstoffzellenanordnung auf, die eine erste Brennstoffzelle mit einer Anode und eine erste Rezirkulationsleitung zum Rückführen unverbrannten Brennstoffs vom Ausgang der Anode der ersten Brennstoffzelle zum Eingang der Anode der ersten Brennstoffzelle umfasst, wobei die Brennstoffzellenanordnung mindestens eine zweite Brennstoffzelle mit einer Anode aufweist, deren Ausgang über eine zweite Rezirkulationsleitung mit dem Eingang der Anode der zweiten Brennstoffzelle verbunden ist.For this has the fuel circuit according to the invention a fuel cell system to a fuel cell assembly, a first fuel cell with an anode and a first recirculation line for returning unburned fuel from the outlet the anode of the first fuel cell to the entrance of the anode of the first Fuel cell comprises, wherein the fuel cell assembly at least a second fuel cell having an anode whose output via a second recirculation line to the entrance of the anode of the second Fuel cell is connected.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 sind die Eingänge der Anoden der ersten und zweiten Brennstoffzelle über eine Brennstoffversorgungsleitung mit einem Brennstoffreservoir verbunden.In a development of the invention according to claim 2, the inputs the anodes of the first and second fuel cell via a fuel supply line with a fuel reservoir connected.

Ferner ist in einer erfindungsgemäßen Ausführung nach Anspruch 3 in der Brennstoffversorgungsleitung ein Ejektor angeordnet.Further is in an embodiment of the invention according to claim 3 in the fuel supply line an ejector arranged.

Gemäß der Erfindung nach Anspruch 4 ist die zweite Rezirkulationsleitung mit der Ansaugseite des Ejektors verbunden.According to the Invention according to claim 4, the second recirculation line with connected to the suction side of the ejector.

Gemäß der Erfindung, wie in Anspruch 5 angegeben, ist in der ersten Rezirkulationsleitung ein Rezirkulationsgebläse angeordnet.According to the The invention as recited in claim 5 is in the first recirculation line arranged a recirculation fan.

In der Erfindung nach Anspruch 6 sind in beiden Rezirkulationsleitungen Flüssigwasserabscheider angeordnet.In The invention of claim 6 are in both recirculation lines Liquid water separator arranged.

Eine vorteilhafte Ausführung nach Anspruch 7 ergibt sich, wenn die erste und zweite Brennstoffzelle elektrisch in Reihe geschaltet ist.A advantageous embodiment according to claim 7 results when the first and second fuel cells are electrically connected in series is.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung nach Anspruch 8 ergibt sich, wenn die erste und zweite Brennstoffzelle elektrisch parallel geschaltet ist.A further advantageous embodiment according to claim 8 when the first and second fuel cells are electrically parallel is switched.

In einem Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 9 ist die erste und/oder zweite Brennstoffzelle über eine jeweilige elektrische Bypass-Leitung überbrückt.In a fuel circuit of a fuel cell system according to claim 9 is the first and / or second fuel cell via a bridged respective electrical bypass line.

Gemäß der Erfindung nach Anspruch 10 umfasst der Brennstoffkreislauf eine Stromregulierungseinrichtung, die vorzugsweise einen elektrischer Schalter, ein Relais, ein Halbleiterrelais, eine Diode oder einen Transistor aufweist.According to the The invention of claim 10, the fuel circuit comprises a Current regulation device, which preferably comprises an electrical switch, a relay, a semiconductor relay, a diode or a transistor having.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 11 sind in der ersten und/oder zweiten Rezirkulationsleitung und/oder in der Brennstoffversorgungsleitung Gasabsperrventile zum Absperren der jeweiligen Rezirkulationsleitung und/oder der jeweiligen Brennstoffversorgungsleitung angeordnet.In a development of the invention according to claim 11 are in the first and / or second recirculation line and / or in the fuel supply line Gas shut-off valves for shutting off the respective recirculation line and / or the respective fuel supply line.

Ferner umfasst der Brennstoffkreislauf in einer weitergebildeten Ausführung nach Anspruch 12 eine Kontrolleinheit, die zur Steuerung der Gasabsperrventile in der ersten und/oder zweiten Rezirkulationsleitung und/oder in der Brennstoffversorgungsleitung in Abhängigkeit von der Leistung der Brennstoffzellenanordnung ausgelegt ist.Further includes the fuel circuit in a refined embodiment according to claim 12, a control unit for controlling the Gasabsperrventile in the first and / or second recirculation line and / or in the fuel supply line depending on the Performance of the fuel cell assembly is designed.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung nach Anspruch 13 ist die Kontrolleinheit derart ausgelegt ist, dass im Start-up- oder Teillastbetrieb die erste Rezirkulationsleitung geöffnet und die zweite Rezirkulationsleitung gesperrt und gegebenenfalls die elektrische Bypassleitung um die zweite Brennstoffzelle aktiv geschaltet ist.In an advantageous embodiment of the invention according to claim 13, the control unit is designed in such a way that in the start-up or partial load operation, the first recirculation line is opened and the second recirculation line blocked and optionally the electrical bypass line connected to the second fuel cell active is.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 14 ist die Kontrolleinheit derart ausgelegt ist, dass bei Überschreitung einer vorbestimmten Lastschwelle die zweite Rezirkulationsleitung geöffnet wird.In a further advantageous embodiment according to claim 14 the control unit is designed so that when exceeded a predetermined load threshold, the second recirculation line is opened.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 15 ist die Kontrolleinheit derart ausgelegt, dass bei einem Downtransienten oder bei Unterschreitung einer bestimmten Stromstärke die erste Rezirkulationsleitung abgesperrt und gegebenenfalls die elektrische Bypass-Leitung um die erste Brennstoffzelle aktiv geschaltet wird.In a preferred embodiment of the invention according to claim 15 the control unit designed such that in a down-transient or falls below a certain amperage the shut off the first recirculation line and optionally the electrical Bypass line is switched to the first fuel cell active.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 16 werden die erste und zweite Rezirkulationsleitung in Abhängigkeit der elektrischen Last der Brennstoffzellenanordnung geöffnet bzw. geschlossen.In the method of operation according to the invention of a fuel cell system according to claim 16, the first and second recirculation line as a function of the electrical Load of the fuel cell assembly opened or closed.

Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 17 ist im Start-up- oder Teillastbetrieb die erste Rezirkulationsleitung geöffnet und die zweite Rezirkulationsleitung gesperrt und gegebenenfalls die elektrische Bypassleitung um die zweite Brennstoffzelle aktiv geschaltet.According to the The method of claim 17 is in the start-up or partial load operation the first recirculation line opened and the second Blocked recirculation line and possibly the electrical Bypass line switched to the second fuel cell active.

Nach einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 18 wird bei Überschreitung einer vorbestimmten Lastschwelle die zweite Rezirkulationsleitung geöffnet.To a development of the method according to claim 18 is exceeded a predetermined load threshold, the second recirculation line open.

In dem weitergebildeten Verfahren nach Anspruch 19 wird bei einem Downtransienten oder bei Unterschreitung einer bestimmten Stromstärke die erste Rezirkulationsleitung gesperrt und gegebenenfalls die elektrische Bypass-Leitung um die erste Brennstoffzelle aktiv geschaltet.In The further developed method according to claim 19 is in a down-transient or if it falls below a certain current strength, the first Blocked recirculation line and possibly the electrical Bypass line connected to the first fuel cell active.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the description and the drawings.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von schematisierten Zeichnungen beispielhaft erläutert. Dabei zeigt:The The invention will be described below with reference to schematic drawings exemplified. Showing:

1 einen Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems mit zwei getrennten Rückführleitungen zur Rezirkulation von Anodenabgas; 1 a fuel circuit of a fuel cell system with two separate return lines for recirculation of anode exhaust gas;

2 eine Brennstoffzellenanordnung mit zwei elektrischen Bypassleitungen. 2 a fuel cell assembly with two electrical bypass lines.

1 zeigt zur Veranschaulichung der Erfindung eine bevorzugte Ausgestaltung eines schematisch dargestellten Brennstoffkreislaufs eines Brennstoffzellensystems mit vorzugsweise zwei getrennten Anordnungen zur Rezirkulation von Anodenabgas (Anodenkreisläufe). 1 shows for illustrating the invention, a preferred embodiment of a schematically illustrated fuel circuit of a fuel cell system with preferably two separate arrangements for the recirculation of anode exhaust gas (anode circuits).

Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzellenanordnung zur Bereitstellung der elektrischen Energie, welche aus einer Mehrzahl von einzelnen Brennstoffzellen besteht, welche in diesem Ausführungsbeispiel als PEM-Brennstoffzellen ausgeführt sind. Im Ausführungsbeispiel weist der Brennstoffzellenstapel 4 anodenseitig zwei Anodeneingänge auf, über den der Brennstoffzellenanordnung 4 Wasserstoff über eine Brennstoffzufuhrleitung, unterteilt in die Teilbereiche 5.1, 5.2, 5.3, mittels einen in der Zufuhrleitung 5.1 befindlichen Ejektor 2 aus einem Vorratsbehältnis 1, vorzugsweise einem Hochdruckwasserstoff-Tank, zugeführt wird, wobei sich stromab des Ejektors 2 die Brennstoffzufuhrleitung 5.1 am Punkt 5B in die beiden Brennstoffzufuhrleitungen 5.2 und 5.3 aufspaltet. Die Brennstoffzellenanordnung 4 weist ferner zwei Anodenausgänge mit zwei getrennten Anordnungen 6A und 6B zur Rezirkulation von Anodenabgas auf. Der Anodenausgang der Brennstoffzelle 4A, der mit der Rezirkulationsleitung 6A zur Rückführung des Anodenabgases in die Brennstoffzufuhrleitung 5.3 verbunden ist, mündet am Punkt 5A in die Brennstoffzufuhrleitung 5.3; der Anodenausgang der Brennstoffzelle 4B, welcher mit der Rezirkulationsleitung 6B verbunden ist, mündet hingegen über die Ansaugöffnung 2A des Ejektors 2 in die Brennstoffzufuhrleitung 5.2. Beide Rezirkulationsleitungen 6A und 6B enthalten ferner eine Vorrichtung 7A, 7B zur Abscheidung von Flüssigwasser, welche im Weiteren als Abscheider bezeichnet werden.The fuel cell system comprises a fuel cell arrangement for providing the electrical energy, which consists of a plurality of individual fuel cells, which are designed in this embodiment as PEM fuel cells. In the exemplary embodiment, the fuel cell stack 4 on the anode side, two anode inputs, on the fuel cell assembly 4 Hydrogen via a fuel supply line, divided into the subregions 5.1 . 5.2 . 5.3 , by means of one in the supply line 5.1 located ejector 2 from a storage container 1 , preferably a high-pressure hydrogen tank, is supplied downstream of the ejector 2 the fuel supply line 5.1 at the point 5B in the two fuel supply lines 5.2 and 5.3 splits. The fuel cell lena order 4 also has two anode outlets with two separate arrangements 6A and 6B for the recirculation of anode exhaust gas. The anode output of the fuel cell 4A that with the recirculation line 6A for returning the anode exhaust gas to the fuel supply line 5.3 connected, flows at the point 5A into the fuel supply line 5.3 ; the anode output of the fuel cell 4B , which with the recirculation line 6B is connected, however, flows through the suction port 2A of the ejector 2 into the fuel supply line 5.2 , Both recirculation lines 6A and 6B also contain a device 7A . 7B for the separation of liquid water, which will be referred to as a separator.

Die erste Rezirkulationsleitung 6A weist außerdem ein Rezirkulationsgebläse 3 oder eine Rezirkulationspumpe auf, welche(s) vorteilhafterweise explosionsgeschützt ausgeführt ist und über eine Kontrolleinheit des Brennstoffzellensystems gesteuert wird. Das Rezirkulationsgebläse 3 fördert die Rezirkulation von nicht reagiertem, also unverbrauchtem Brennstoff in der Rezirkulationsleitung 6A, der Ejektor 2 hingegen fördert die Rezirkulation von unverbrauchtem Wasserstoff in der Rezirkulationsleitung 6B. Der mit Wasserdampf angereicherte, unverbrauchte Brennstoff aus dem Rezirkulationskreislauf A, umfassend eine Brennstoffzelle 4A mit einer Anode, eine Rezirkulationsleitung 6A, ein Rezirkulationsgebläse 3 und ein Flüssigwasserabscheider 7A, wird am Punkt 5A, der unverbrauchte Brennstoff aus dem Rezirkulationskreislauf B, umfassend eine Brennstoffzelle 4B mit einer Anode, eine Rezirkulationsleitung 6B, einen Ejektor 2 und einen Flüssigwasserabscheider 7B, am Punkt 5B mit frischem Wasserstoff gemischt.The first recirculation line 6A also has a recirculation fan 3 or a recirculation pump, which (s) is advantageously carried out explosion-proof and is controlled by a control unit of the fuel cell system. The recirculation fan 3 promotes the recirculation of unreacted, so unused fuel in the recirculation line 6A , the ejector 2 whereas recirculation promotes unused hydrogen in the recirculation line 6B , The steam-enriched, unused fuel from the recirculation circuit A, comprising a fuel cell 4A with an anode, a recirculation line 6A , a recirculation fan 3 and a liquid water separator 7A , is at the point 5A , the unconsumed fuel from the recirculation circuit B, comprising a fuel cell 4B with an anode, a recirculation line 6B , an ejector 2 and a liquid water separator 7B , at the point 5B mixed with fresh hydrogen.

Zur Vermeidung der Anreicherungen der Inertgase in der Brennstoffzellenanode werden durch „Purgen" Teile des Anodenabgases wie Inertgase und Wasser über sogenannte Purgeventile aus dem Anodenkreis entfernt. Daher kann in die Abscheider 7A, 7B zusätzlich eine Gaspurgefunktion integriert sein, so dass neben Wasser auch Gasbestandteile (Inertgase) aus den Rezirkulationsleitungen 6A und 6B entfernt werden können, welche die Leistung des Brennstoffzellensystems sonst beeinträchtigen würden. Die Gaspurgefunktion kann auch durch separate, nicht gezeigte Gaspurgeventile, vorzugsweise stromabwärts der Abscheider 7A, 7B, übernommen werden. Eine weitere Möglichkeit Inertgase aus dem Rezirkulationskreislauf zu entfernen, kann über eine nicht dargestellte Gaspurgeleitung, die sich vor dem Lufteinlass der Brennstoffzellen 4 befindet, erfolgen. Besonders nachteilig hierbei ist jedoch, dass beim „Purgen" ein Teil des Wasserstoffs verloren geht, wodurch der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung 4 vermindert wird. Da sich insbesondere im Leerlauf Produktwasser in der Brennstoffzellenanordnung 4 ansammelt, wurde diesem, mit einem erhöhten Anodendruckverlust einhergehenden Phänomen bisher durch Anhebung der Brennstoff-Stöchiometrie im Leerlauf begegnet. Dies bedeutet jedoch als weiteren Nachteil einen höheren Energieaufwand zum Betreiben der Rezirkulationspumpe 3.In order to avoid the enrichment of the inert gases in the fuel cell anode, "purges" remove parts of the anode exhaust gas, such as inert gases and water, from the anode circuit via so-called purge valves 7A . 7B In addition, a Gaspurgefunktion be integrated so that in addition to water and gas components (inert gases) from the recirculation 6A and 6B can be removed, which would affect the performance of the fuel cell system otherwise. The Gaspurgefunktion can also by separate, not shown Gaspurgeventile, preferably downstream of the separator 7A . 7B to be taken over. Another way to remove inert gases from the recirculation, can via a gas trace line, not shown, located in front of the air inlet of the fuel cell 4 is done. However, it is particularly disadvantageous here that during the "purge" part of the hydrogen is lost, as a result of which the efficiency of the fuel cell arrangement 4 is reduced. Since in particular at idle product water in the fuel cell assembly 4 So far, this phenomenon associated with increased anode pressure loss has been counteracted by increasing fuel stoichiometry at idle. However, this means a further disadvantage, a higher energy consumption for operating the recirculation pump 3 ,

Die im Ausführungsbeispiel nicht gesondert dargestellte Luftversorgung der Brennstoffzellenanordnung erfolgt mittels Kompressor oder Strömungsmaschine, Intercooler und Gas/Gas-Befeuchtungseinheit.The not shown separately in the exemplary embodiment air supply the fuel cell arrangement takes place by means of compressor or turbomachine, Intercooler and gas / gas humidification unit.

Zusätzlich können Absperrventile (nicht dargestellt) im Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems angeordnet sein, um den Gasfluss an definierten Stellen im Brennstoffkreislauf oder den Gaszutritt von außen (z. B. durch Luft) während des Start-, Teillastbetriebs, des Shutdown oder des Stillstands zu verhindern. Die Absperrventile können in den Rezirkulationsleitungen 6A und/oder 6B und/oder in den Brennstoffversorgungsleitungen 5.1, 5.2, 5.3, d. h. sowohl stromauf und/oder stromab der Brennstoffzellen 4A und/oder 4B angeordnet sein.In addition, shut-off valves (not shown) may be disposed in the fuel cycle of the fuel cell system to prevent gas flow at defined locations in the fuel circuit or external gas access (eg, air) during takeoff, part load, shutdown, or stall. The shut-off valves can be in the recirculation lines 6A and or 6B and / or in the fuel supply lines 5.1 . 5.2 . 5.3 ie both upstream and / or downstream of the fuel cells 4A and or 4B be arranged.

2 stellt lediglich in schematischer Weise die elektrischen Verbindungen der ersten 4A und zweiten 4B Brennstoffzelle dar. Die nach unten führenden offenen elektrischen Leitungen liefern den Strom zum Verbraucher. Die außerdem noch vorhandenen Brennstoffleitungen (Versorgung und Rezirkulation) sowie weitere Komponenten des Brennstoffkreislaufs sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die beiden Brennstoffzellen 4A und 4B sind in Reihe geschaltet und jeweils über eine eigene elektrische Bypass-Leitung 9.1, 9.2 überbrückbar. 2 zeigt beispielhaft eine Anordnung von 2 Brennstoffzellen 4A und 4B; erfindungsgemäß kann dies aber ohne weiteres analog auf eine Anordnung von mehr als 2 Brennstoffzellen übertragen werden. In dieser Darstellung ist jede Bypass-Leitung einzeln über einen jeweiligen Schalter an- und abschaltbar angeordnet. Die Steuerung dieser Schalter wird ebenfalls von der Kontrolleinheit des Brennstoffzellensystems übernommen. An Stelle des Schalters kann jedoch auch eine andere Stromreguliereinrichtung, wie z. B. ein Relais, ein Halbleiterrelais, eine Diode oder ein Transistor eingesetzt werden. 2 merely schematically illustrates the electrical connections of the first 4A and second 4B Fuel cell. The downwardly leading open electrical lines provide the power to the consumer. The still existing fuel lines (supply and recirculation) and other components of the fuel cycle are not shown here for clarity. The two fuel cells 4A and 4B are connected in series and each have their own electrical bypass line 9.1 . 9.2 bridged. 2 shows an example of an arrangement of 2 fuel cells 4A and 4B ; However, according to the invention, this can readily be transferred analogously to an arrangement of more than 2 fuel cells. In this illustration, each bypass line is individually switched on and off via a respective switch. The control of these switches is also taken over by the control unit of the fuel cell system. However, instead of the switch, another Stromreguliereinrichtung such. As a relay, a semiconductor relay, a diode or a transistor can be used.

Durch elektrische Parallelschaltung kann die Stromstärke für die Brennstoffzellenanordnung 4 mit den Brennstoffzellen 4A und 4B unabhängig geregelt werden, z. B. über DC/DC-Konverter.By electrical parallel connection, the current intensity for the fuel cell assembly 4 with the fuel cells 4A and 4B be independently regulated, z. B. via DC / DC converter.

Im Startup- oder im Teillastbetrieb wird zunächst der Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 4A im Rezirkulationskreis A mit der Rezirkulationspumpe 3 betrieben. Der Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 4B kann während diesen Betriebszuständen abgeschaltet bleiben, indem die Gasabsperrventile (nicht dargestellt) im Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 4B geschlossen bleiben. Der Ejektor 2 fördert weiterhin Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstoff-Tank an die Anode der Brennstoffzelle 4A. Bei Überschreitung einer bestimmten Lastschwelle, z. B. beim Beschleunigen des Fahrzeugs, wird durch eine Kontrolleinheit des Brennstoffzellensystems (nicht dargestellt) ebenfalls der Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 4B hinzugeschaltet. Die Gasabsperrventile (nicht dargestellt) im Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 4B werden dafür geöffnet.In startup or part-load operation, the anode circuit of the fuel cell is first 4A in the recirculation A with the recirculation pump 3 operated. The anode circuit of the fuel cell 4B can remain switched off during these operating conditions by the gas shut-off valves (not shown) in the anode circuit of the fuel cell 4B stay closed. The ejector 2 further promotes hydrogen from the high pressure hydrogen tank to the anode of the fuel cell 4A , When exceeding a certain threshold, z. B. when accelerating the vehicle, by a control unit of the fuel cell system (not shown) also the anode circuit of the fuel cell 4B hooked up. The Gasabsperrventile (not shown) in the anode circuit of the fuel cell 4B are opened for it.

Jedoch auch unterhalb der Lastschwelle können beide Anodenkreisläufe 6A und 6B in Betrieb sein, da dem Ejector 2 druckseitig die gesamte Brennstoffmenge für alle Anoden zugeführt wird, der Ejector 2 saugseitig aber nur einen Teil der Anoden betreiben muss, wozu die geringere Energie zum Antrieb des Ejectors 2 ausreicht.However, even below the threshold load both anode circuits 6A and 6B be in operation since the Ejector 2 On the pressure side, the entire amount of fuel is supplied to all anodes, the ejector 2 On the suction side, however, only a part of the anodes must operate, including the lower energy to drive the ejector 2 sufficient.

Die Leistung der Pumpe 3 und die Länge der Öffnungsintervalle der Purgeventile (nicht dargestellt) in beiden Anodenkreisen werden von der Kontrolleinheit (nicht dargestellt) gesteuert und sind abhängig von den Brennstoffzellenbetriebsparametern, wie z. B. elektrische Last, Temperatur und/oder Feuchte. Bei höheren elektrischen Lasten werden im Brennstoffkreislauf beide Rezirkulationsleitungen 6A, 6B und beide Anoden der Brennstoffzellen 4A, 4B gemeinsam betrieben.The performance of the pump 3 and the length of the opening intervals of purge valves (not shown) in both anode circuits are controlled by the control unit (not shown) and are dependent on the fuel cell operating parameters, such as the fuel cell operating parameters. As electrical load, temperature and / or humidity. At higher electrical loads in the fuel circuit both recirculation lines 6A . 6B and both anodes of the fuel cells 4A . 4B operated together.

Bei der elektrischen Parallelschaltung ist ein teilweiser Start/Stop-Betrieb möglich, d. h. bei einem Downtransienten des angeforderten Stromes oder bei Unterschreitung einer bestimmten Stromstärke kann die Rezirkulationspumpe 3, zusätzliche Gasabsperrventile im Anodenkreislauf 6A der Brennstoffzelle 4A und damit die Anode sofort abgeschaltet werden. Dadurch kann der energetische Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden. Im teilweisen Start/Stop-Betrieb steht immer noch die elektrische Leistung aus Anode der Brennstoffzelle 4B zur Verfügung, da der Ejector 2 immer noch arbeitet. Die Wiederinbetriebnahme der Anode der Brennstoffzelle 4A ist kurzfristig möglich durch Anschalten der Pumpe 3 und Öffnen der Gasabsperrventile im Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 4A.In the electrical parallel circuit, a partial start / stop operation is possible, ie at a Downtransienten the requested current or falls below a certain current, the recirculation pump 3 , additional gas shut-off valves in the anode circuit 6A the fuel cell 4A and thus the anode will be turned off immediately. As a result, the energy efficiency of the fuel cell system can be increased. In partial start / stop operation is still the electrical power from the anode of the fuel cell 4B available as the ejector 2 still working. Re-commissioning of the anode of the fuel cell 4A is possible at short notice by switching on the pump 3 and opening the Gasabsperrventile in the anode circuit of the fuel cell 4A ,

Bei elektrischer Reihenschaltung der Brennstoffzellen 4A und 4B kann die Stromstärke durch beide Anoden nicht unabhängig voneinander geregelt werden. Um trotzdem eine unabhängige Regelung der Stromstärke zu ermöglichen, wird eine Brennstoffzelle 4A oder 4B mit einer elektrischen Bypass-Leitung 9.1, 9.2 überbrückt. In der Bypass-Leitung 9.1, 9.2 kann eine Stromreguliereinrichtung, z. B. ein elektrischer Schalter, ein Relais, ein Halbleiterrelais, eine Diode oder ein Transistor enthalten sein. Vorzugsweise wird die Brennstoffzelle 4B mit einer elektrischen Bypass-Leitung 9.2 überbrückt. Dadurch wird erreicht, dass diese Brennstoffzelle im niedrigeren Lastbereich nicht betrieben werden muss. Zur Strom-Spannungsregelung können an die Anoden DC/DC-Wandler angeordnet werden, so dass, auch wenn nur eine Anode betrieben wird, die Spannung auf die notwendige Betriebsspannung für die Verbraucher hochgesetzt werden kann.In electrical series connection of the fuel cell 4A and 4B the current through both anodes can not be controlled independently. In order to still allow independent regulation of the current, a fuel cell 4A or 4B with an electrical bypass line 9.1 . 9.2 bridged. In the bypass line 9.1 . 9.2 may be a Stromreguliereinrichtung, z. As an electrical switch, a relay, a semiconductor relay, a diode or a transistor may be included. Preferably, the fuel cell becomes 4B with an electrical bypass line 9.2 bridged. This ensures that this fuel cell does not have to be operated in the lower load range. For current-voltage regulation, DC / DC converters can be arranged on the anodes, so that even if only one anode is operated, the voltage can be boosted to the necessary operating voltage for the consumers.

Im Startup- oder im Teillastbetrieb wird zunächst die Anode der Brennstoffzelle 4A im Rezirkulationskreis A mit der Rezirkulationspumpe 3 betrieben. Die Anode der Brennstoffzelle 4B kann während diesen Betriebszuständen abgeschaltet bleiben, indem die Gasabsperrventile (nicht dargestellt) im Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 4B geschlossen bleiben und die elektrische Bypass-Leitung 9.2 um die Brennstoffzelle 4B aktiv geschaltet wird. Der Ejektor 2 fördert weiterhin Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstoff-Tank an die Anode der Brennstoffzelle 4A. Bei Überschreitung einer bestimmten Lastschwelle wird durch eine nicht gezeigte Kontrolleinheit des Brennstoffzellensystems ebenfalls die Brennstoffzelle 4B hinzugeschaltet. Die Gasabsperrventile (nicht dargestellt) im Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 4B werden dafür geöffnet und die elektrische Bypass-Leitung 9.2 um die Brennstoffzelle 4B inaktiv geschaltet. Jedoch auch unterhalb der Lastschwelle können beide Anodenkreisläufe 6A und 6B in Betrieb sein, da dem Ejector 2 druckseitig die gesamte Brennstoffmenge für alle Anoden zugeführt wird, der Ejector 2 saugseitig aber nur einen Teil der Anoden betreiben muss, wozu die geringere Energie zum Antrieb des Ejectors 2 ausreicht.In startup or partial load operation, the anode of the fuel cell is initially 4A in the recirculation A with the recirculation pump 3 operated. The anode of the fuel cell 4B can remain switched off during these operating conditions by the Gasabsperrventile (not shown) in the anode circuit of the fuel cell 4B stay closed and the electrical bypass line 9.2 around the fuel cell 4B is activated. The ejector 2 further promotes hydrogen from the high pressure hydrogen tank to the anode of the fuel cell 4A , When exceeding a certain threshold load is also by a control unit, not shown, of the fuel cell system, the fuel cell 4B hooked up. The Gasabsperrventile (not shown) in the anode circuit of the fuel cell 4B are opened for this and the electrical bypass line 9.2 around the fuel cell 4B switched inactive. However, even below the threshold load both anode circuits 6A and 6B be in operation since the Ejector 2 On the pressure side, the entire amount of fuel is supplied to all anodes, the ejector 2 On the suction side, however, only a part of the anodes must operate, including the lower energy to drive the ejector 2 sufficient.

Die Leistung der Pumpe 3 und die Länge der Öffnungsintervalle der nicht gezeigten Purgeventile in beiden Anodenkreisen werden von der Kontrolleinheit (nicht dargestellt) gesteuert und sind abhängig von den Brennstoffzellenbetriebsparametern, wie z. B. elektrische Last, Temperatur und/oder Feuchte.The performance of the pump 3 and the length of the opening intervals of the purge valves (not shown) in both anode circuits are controlled by the control unit (not shown) and are dependent on the fuel cell operating parameters, such as the fuel cell operating parameters. As electrical load, temperature and / or humidity.

Bei der elektrischen Reihenschaltung mit einer elektrischen Bypass-Leitung um eine Brennstoffzelle ist ein teilweiser Start/Stop-Betrieb möglich, d. h. bei einem Downtransienten des angeforderten Stromes oder bei Unterschreitung einer bestimmten Stromstärke kann die Rezirkulationspumpe 3 und zusätzliche Gasabsperrventile im Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 4A geschlossen, die elektrische Bypass- Leitung 9.1 um die Brennstoffzelle 4A aktiviert und damit die Brennstoffzelle 4A sofort abgeschaltet werden. Dadurch kann der energetische Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden. Im teilweisen Start/Stop-Betrieb steht immer noch die elektrische Leistung aus Brennstoffzelle 4B zur Verfügung, da der Ejector 2 immer noch arbeitet. Die Wiederinbetriebnahme der Brennstoffzelle 4A ist kurzfristig möglich durch Anschalten der Pumpe 3, Öffnen der Gasabsperrventile im Anodenkreislauf 4A und Inaktivschalten der elektrischen Bypass-Leitung 9.1 um die Brennstoffzelle 4A.In the series electrical connection with an electrical bypass line to a fuel cell, a partial start / stop operation is possible, ie at a Downtransienten the requested current or falls below a certain current, the recirculation pump 3 and additional Gasabsperrventile in the anode circuit of the fuel cell 4A closed, the electrical bypass line 9.1 around the fuel cell 4A activated and thus the fuel cell 4A be switched off immediately. As a result, the energy efficiency of the fuel cell system can be increased. In partial start / stop operation, the electric power is still from fuel cell 4B available as the ejector 2 still working. The recommissioning of the fuel cell 4A is possible at short notice by switching on the pump 3 , Opening the gas shut-off valves in the anode circuit 4A and inactivating the electrical bypass line 9.1 around the fuel cell 4A ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - WO 2006/045893 [0002] WO 2006/045893 [0002]
  • - DE 69705322 T2 [0003] - DE 69705322 T2 [0003]

Claims (19)

Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems, umfassend eine Brennstoffzellenanordnung (4) mit einer ersten Brennstoffzelle (4A) mit einer Anode und einer ersten Rezirkulationsleitung (6A) zum Rückführen unverbrannten Brennstoffs vom Ausgang der Anode der ersten Brennstoffzelle (4A) zum Eingang der Anode der ersten Brennstoffzelle (4A), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung (4) mindestens eine zweite Brennstoffzelle (4B) mit einer Anode aufweist, deren Ausgang über eine zweite Rezirkulationsleitung (6B) mit dem Eingang der Anode der zweiten Brennstoffzelle (4B) verbunden ist.Fuel cycle of a fuel cell system, comprising a fuel cell assembly ( 4 ) with a first fuel cell ( 4A ) with an anode and a first recirculation line ( 6A ) for returning unburned fuel from the exit of the anode of the first fuel cell ( 4A ) to the entrance of the anode of the first fuel cell ( 4A ), characterized in that the fuel cell assembly ( 4 ) at least one second fuel cell ( 4B ) having an anode, the output of which via a second recirculation line ( 6B ) with the input of the anode of the second fuel cell ( 4B ) connected is. Brennstoffkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge der Anoden der ersten (4A) und zweiten (4B) Brennstoffzelle über eine Brennstoffversorgungsleitung (5.1, 5.2, 5.3) mit einem Brennstoffreservoir (1) verbunden sind.Fuel circuit according to claim 1, characterized in that the inputs of the anodes of the first ( 4A ) and second ( 4B ) Fuel cell via a fuel supply line ( 5.1 . 5.2 . 5.3 ) with a fuel reservoir ( 1 ) are connected. Brennstoffkreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffversorgungsleitung (5.1) ein Ejektor (2) angeordnet ist.Fuel circuit according to claim 2, characterized in that in the fuel supply line ( 5.1 ) an ejector ( 2 ) is arranged. Brennstoffkreislauf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Rezirkulationsleitung (6B) mit der Ansaugseite (2A) des Ejektors (2) verbunden ist.Fuel circuit according to claim 3, characterized in that the second recirculation line ( 6B ) with the suction side ( 2A ) of the ejector ( 2 ) connected is. Brennstoffkreislauf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Rezirkulationsleitung (6A) ein Rezirkulationsgebläse (3) angeordnet ist.Fuel cycle according to one of the preceding claims, characterized in that in the first recirculation line ( 6A ) a recirculation fan ( 3 ) is arranged. Brennstoffkreislauf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Rezirkulationsleitungen (6A, 6B) Flüssigwasserabscheider (7A, 7B) angeordnet sind.Fuel circuit according to one of the preceding claims, characterized in that in both recirculation lines ( 6A . 6B ) Liquid water separator ( 7A . 7B ) are arranged. Brennstoffkreislauf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (4A) und zweite (4B) Brennstoffzelle elektrisch in Reihe geschaltet ist.Fuel cycle according to one of the preceding claims, characterized in that the first ( 4A ) and second ( 4B ) Fuel cell is electrically connected in series. Brennstoffkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (4A) und zweite (4B) Brennstoffzelle elektrisch parallel geschaltet ist.Fuel circuit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first ( 4A ) and second ( 4B ) Fuel cell is electrically connected in parallel. Brennstoffkreislauf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (4A) und/oder zweite (4B) Brennstoffzelle über eine jeweilige elektrische Bypass-Leitung (9.1, 9.2) überbrückt ist.Fuel circuit according to claim 7, characterized in that the first ( 4A ) and / or second ( 4B ) Fuel cell via a respective electrical bypass line ( 9.1 . 9.2 ) is bridged. Brennstoffkreislauf nach Anspruch 9 mit einer Stromregulierungseinrichtung, die vorzugsweise einen elektrischen Schalter, ein Relais, ein Halbleiterrelais, eine Diode oder einen Transistor umfasst.A fuel circuit according to claim 9, comprising a current regulating device, preferably an electrical switch, a relay, a semiconductor relay, a diode or a transistor. Brennstoffkreislauf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten (6A) und/oder zweiten (6B) Rezirkulationsleitung und/oder in der Brennstoffversorgungsleitung Gasabsperrventile zum Absperren der jeweiligen Rezirkulationsleitung und/oder der jeweiligen Brennstoffversorgungsleitung angeordnet sind.Fuel cycle according to one of the preceding claims, characterized in that in the first ( 6A ) and / or second ( 6B ) Recirculation line and / or in the fuel supply line Gasabsperrventile for shutting off the respective recirculation line and / or the respective fuel supply line are arranged. Brennstoffkreislauf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit umfasst ist, die zur Steuerung der Gasabsperrventile in der ersten (6A) und/oder zweiten (6B) Rezirkulationsleitung und/oder in der Brennstoffversorgungsleitung (5.2, 5.3) in Abhängigkeit von der Leistung der Brennstoffzellenanordnung ausgelegt ist.Fuel circuit according to claim 11, characterized in that it comprises a control unit which is used to control the gas shut-off valves in the first ( 6A ) and / or second ( 6B ) Recirculation line and / or in the fuel supply line ( 5.2 . 5.3 ) is designed in dependence on the performance of the fuel cell assembly. Brennstoffkreislauf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit derart ausgelegt ist, dass im Start-up- oder Teillastbetrieb die erste Rezirkulationsleitung (6A) geöffnet und die zweite Rezirkulationsleitung (6B) gesperrt ist und gegebenenfalls die elektrische Bypassleitung (9.2) um die zweite Brennstoffzelle (4B) aktiv geschaltet ist.Fuel circuit according to claim 12, characterized in that the control unit is designed such that in the start-up or part-load operation, the first recirculation line ( 6A ) and the second recirculation line ( 6B ) and if necessary the electrical bypass line ( 9.2 ) around the second fuel cell ( 4B ) is active. Brennstoffkreislauf nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit derart ausgelegt ist, dass bei Überschreitung einer vorbestimmten Lastschwelle die zweite Rezirkulationsleitung (6B) geöffnet wird.Fuel circuit according to one of claims 12 or 13, characterized in that the control unit is designed such that when exceeding a predetermined threshold load, the second recirculation line ( 6B ) is opened. Brennstoffkreislauf nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit derart ausgelegt ist, dass bei einem Downtransienten oder bei Unterschreitung einer bestimmten Stromstärke die erste Rezirkulationsleitung (6A) abgesperrt und gegebenenfalls die elektrische Bypassleitung (9.1) um die erste Brennstoffzelle (4A) aktiv geschaltet wird.Fuel circuit according to one of claims 12 to 14, characterized in that the control unit is designed such that in a down-transient or falls below a certain current, the first recirculation line ( 6A ) and optionally the electrical bypass line ( 9.1 ) around the first fuel cell ( 4A ) is activated. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffkreislaufs eines Brennstoffzellensystems gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (6A) und zweite (6B) Rezirkulationsleitung in Abhängigkeit der elektrischen Last der Brennstoffzellenanordnung geöffnet bzw. geschlossen werden.Method for operating a fuel cycle of a fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the first ( 6A ) and second ( 6B ) Rezirkulationsleitung depending on the electrical load of the fuel cell assembly can be opened or closed. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Start-up- oder Teillastbetrieb die erste Rezirkulationsleitung (6A) geöffnet und die zweite Rezirkulationsleitung (6B) gesperrt und gegebenenfalls die elektrische Bypassleitung (9.2) um die zweite Brennstoffzelle (4B) aktiv geschaltet wird.A method according to claim 16, characterized in that in the start-up or part-load operation, the first recirculation line ( 6A ) and the second recirculation line ( 6B ) and possibly the electrical bypass line ( 9.2 ) around the second fuel cell ( 4B ) is activated. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung einer vorbestimmten Lastschwelle die zweite Rezirkulationsleitung (6B) geöffnet wird.A method according to claim 16 or 17, characterized in that when exceeding a predetermined threshold load, the second recirculation line ( 6B ) is opened. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Downtransienten oder bei Unterschreitung einer bestimmten Stromstärke die erste Rezirkulationsleitung (6A) abgesperrt und gegebenenfalls die elektrische Bypassleitung (9.1) um die erste Brennstoffzelle (4A) aktiv geschaltet wird.Method according to one of claims 16 to 18, characterized in that, in the case of a down-transient or when a specific current intensity is undershot, the first recirculation line ( 6A ) and optionally the electrical bypass line ( 9.1 ) around the first fuel cell ( 4A ) is activated.
DE102008005503A 2008-01-22 2008-01-22 Fuel cycle of a fuel cell system Withdrawn DE102008005503A1 (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010054937A1 (en) * 2008-11-14 2010-05-20 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system with energy-efficient reactant recycling
DE102018210194A1 (en) 2018-06-22 2019-12-24 Audi Ag Method for starting a fuel cell system, fuel cell system for carrying out the method and fuel cell vehicle
EP3471183A4 (en) * 2016-11-30 2020-03-18 CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd. Method, device and system for controlling fuel cells and rail vehicle

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69705322T2 (en) 1996-11-13 2001-11-08 Stichting Energie FLOW ARRANGEMENT FOR THE REACTANTS OF A POWER PLANT FROM SEVERAL FUEL CELL STACKS WITH INTERNAL REFORMING
WO2006045893A1 (en) 2004-10-28 2006-05-04 Wärtsilä Finland Oy Flow arrangement for fuel cell stacks

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060088743A1 (en) * 2004-10-20 2006-04-27 Gallagher Emerson R Fuel cell system method and apparatus

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69705322T2 (en) 1996-11-13 2001-11-08 Stichting Energie FLOW ARRANGEMENT FOR THE REACTANTS OF A POWER PLANT FROM SEVERAL FUEL CELL STACKS WITH INTERNAL REFORMING
WO2006045893A1 (en) 2004-10-28 2006-05-04 Wärtsilä Finland Oy Flow arrangement for fuel cell stacks

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010054937A1 (en) * 2008-11-14 2010-05-20 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system with energy-efficient reactant recycling
US9048467B2 (en) 2008-11-14 2015-06-02 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system with energy-efficient reactant recycling
EP3471183A4 (en) * 2016-11-30 2020-03-18 CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd. Method, device and system for controlling fuel cells and rail vehicle
DE102018210194A1 (en) 2018-06-22 2019-12-24 Audi Ag Method for starting a fuel cell system, fuel cell system for carrying out the method and fuel cell vehicle

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