DE102009018258A1 - Brennstoffzellenmodulaufbau für robuste Druckmessungen bei Gefrierbedingungen - Google Patents

Brennstoffzellenmodulaufbau für robuste Druckmessungen bei Gefrierbedingungen Download PDF

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Abstract

Es ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, welches einen Brennstoffzellenstapel und Drucksensoren umfasst, wobei Umgehungsleitungen mit darin angeordneten Strömungsbegrenzungsvorrichtungen vorgesehen sind, um Fluide um den Brennstoffzellenstapel herum umzuleiten, um der Ansammlung von Feuchtigkeit in Leitungen in fluidtechnischer Verbindung mit den Drucksensoren entgegenwirken.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und im Spezielleren ein Brennstoffzellensystem, welches einen Brennstoffzellenstapel und Drucksensoren umfasst, wobei Umgehungsleitungen mit darin angeordneten Strömungsbegrenzungsvorrichtungen vorgesehen sind, um Fluide um den Brennstoffzellenstapel herum umzuleiten, um der Ansammlung von Feuchtigkeit in Leitungen in fluidtechnischer Verbindung mit den Drucksensoren entgegenzuwirken.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Brennstoffzellenanordnungen wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Eine Art von Brennstoffzellenanordnung verwendet eine Protonenaustauschmembran (hierin nachfolgend „PEM”), um die katalytische Reaktion von Brennstoffen (wie z. B. Wasserstoff) und Oxidationsmitteln (wie z. B. Luft oder Sauerstoff) zu erleichtern, um Elektrizität zu erzeugen. Die PEM ist eine Festspolymer-Elektrolytmembran, welche den Transport von Protonen von einer Anode zu einer Kathode in jeder einzelnen Brennstoffzelle erleichtert, die normalerweise in der Brennstoffzellenanordnung verwendet wird.
  • In einer typischen Brennstoffzellenanordnung umfassen einzelne Brennstoffzellenplatten Kanäle, durch die verschiedene Reaktanden, Kühlfluide und Nebenproduktwasser, welches während des Betriebes der Anordnung produziert wird, strömen. Wenn die Brennstoffzellenanordnung wärmer ist als die umliegende Umgebung, kann Wasserdampf in der Brennstoffzellenanordnung kondensieren. Bei Umgebungstemperaturen unter null Grad kann das Kondensat Eis in der Brennstoffzellenanordnung bilden. Das Vorhandensein von Kondensat und Eis kann die Leistung der Brennstoffzellenanordnung beeinträchtigen.
  • Während des Betriebes der Brennstoffzellenanordnung erhitzt Abwärme aus der Brennstoffzellenreaktion die Anordnung und wirkt der Dampfkondensation und Eisbildung in der Anordnung entgegen. Allerdings kann Kondensat durch das System strömen und sich in Leitungen im gesamten Brennstoffzellensystem ansammeln, wie z. B. einer Leitung in fluidtechnischer Verbindung mit einem Drucksensor in dem Brennstoffzellensystem. Kondensat, das eine fluidtechnische Verbindungsleitung zu dem Drucksensor blockiert, kann falsche Druckablesungen durch den Sensor verursachen, was zu einem niedrigen Reaktandendruck innerhalb der Brennstoffzelle führt. Niedrige Reaktandendrücke können zu einer ineffizienten Versorgung der Reaktanden führen, die benötigt werden, um einen erforderlichen elektrischen Ausgang bereitzustellen. Alternativ können falsche Druckablesungen durch die Sensoren zu einem hohen Reaktandendruck führen. Drucksensoren sind auch anfällig für falsche Ablesungen, wenn die Brennstoffzelle bei einer Temperatur unter null arbeitet. Gefrorenes Kondensat kann die falschen Ablesungen verursachen, wenn das gefrorene Kondensat die Verbindung zwischen einem Reaktandenströmungspfad und dem Sensor blockiert.
  • Es wäre wünschenswert, ein Brennstoffzellensystem zu entwickeln, das der Ansammlung von Kondensation oder Eis in einer Leitung in fluidtechnischer Verbindung mit einem Drucksensor entgegenwirkt, ohne den Druck oder die Stöchiometrie von Reaktanden zu beeinträchtigen, die durch einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems strömen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und dieser entsprechend wurde überraschenderweise ein Brennstoffzellensystem entdeckt, das der Ansammlung von Kondensation oder Eis in einer Leitung in fluidtechnischer Verbindung mit einem Drucksensor entgegenwirkt, ohne den Druck oder die Stöchiometrie von Reaktanden zu beeinträchtigen, die durch einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems strömen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem einen ersten Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Kathodeneinlass, einem Kathodenauslass, einem Anodeneinlass und einem Anodenauslass, wobei ein Oxidationsmittel dazu gebracht wird, von einer Quelle von Oxidationsmittel durch den Kathodeneinlass zu dem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels zu strömen, und ein Brennstoff dazu gebracht wird, von einer Quelle von Brennstoff durch den Anodeneinlass zu dem Anodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels zu strömen; eine erste Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle des Brennstoffes und dem Anodenauslass; eine zweite Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle des Oxidationsmittels und dem Kathodenauslass; einen ersten Drucksensor in fluidtechnischer Verbindung mit der ersten Umgehung, der geeignet ist, um einen Druck des Brennstoffes zu messen, welcher dazu gebracht wird, dadurch zu strömen; und einen zweiten Drucksensor in fluidtechnischer Verbindung mit der zweiten Umgehung, der geeignet ist, um einen Druck des Oxidationsmittels zu messen, welches dazu gebracht wird, dadurch zu strömen.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem einen ersten Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Kathodeneinlass, einem Kathodenauslass, einem Anodeneinlass und einem Anodenauslass, wobei ein Oxidationsmittel dazu gebracht wird, von einer Quelle von Oxidationsmittel durch den Kathodeneinlass zu dem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapel zu strömen, und ein Brennstoff dazu gebracht wird, von einer Quelle von Brennstoff durch den Anodeneinlass zu dem Anodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels zu strömen; einen zweiten Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Kathodeneinlass, einem Kathodenauslass, einem Anodeneinlass und einem Anodenauslass, wobei der Brennstoff dazu gebracht wird, von dem Anodeneinlass des ersten Brennstoffzellenstapels zu dem Anodeneinlass des zweiten Brennstoffzellenstapels zu strömen, und das Oxidationsmittel dazu gebracht wird, von der Quelle von Oxidationsmittel zu dem Kathodeneinlass des zweiten Brennstoffzellenstapels zu strömen; eine erste Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Brennstoff, dem Anodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels und dem Anodeneinlass des zweiten Brennstoffzellenstapels; eine zweite Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Oxidationsmittel und dem Kathodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels und des zweiten Brennstoffzellenstapels; einen ersten Drucksensor in fluidtechnischer Verbindung mit der ersten Umgehung, der geeignet ist, um einen Druck des Brennstoffes zu messen, welcher dazu gebracht wird, dadurch zu strömen, wobei ein Anteil des Brennstoffes dazu gebracht wird, durch die erste Umgehung an dem ersten Drucksensor vorbei zu strömen, und wobei der durch die erste Umgehung strömende Brennstoff der Ansammlung von Feuchtigkeit in der ersten Umgehung entgegenwirkt; und einen zweiten Drucksensor in fluidtechnischer Verbindung mit der zweiten Umgehung, der geeignet ist, um einen Druck des Oxidationsmittels zu messen, welches dazu gebracht wird, dadurch zu strömen, wobei ein Anteil des Oxidationsmittels dazu gebracht wird, durch die zweite Umgehung an dem Drucksensor vorbei zu strömen, und wobei das durch die zweite Umgehung strömende Oxidationsmittel der Ansammlung von Feuchtigkeit in der zweiten Umgehung entgegenwirkt.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems die Schritte, dass: ein erster Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Kathodeneinlass in Verbindung mit einer Quelle von Oxidationsmittel, einem Kathodenauslass, einem Anodeneinlass in fluidtechnischer Verbindung mit einer Quelle von Brennstoff und einem Anodenauslass vorgesehen wird; eine erste Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Brennstoff vorgesehen wird; eine zweite Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Oxidationsmittel vorgesehen wird; ein erster Drucksensor vorgesehen wird, der geeignet ist, um einen Druck eines Brennstoffes zu messen, welcher dazu gebracht wird, von der Quelle von Brennstoff durch die erste Umgehung zu strömen; ein zweiter Drucksensor vorgesehen wird, der geeignet ist, um einen Druck eines Oxidationsmittels zu messen, welches dazu gebracht wird, von der Quelle von Oxidationsmittel durch die zweite Umgehung zu strömen; ein Anteil des Brennstoffes dazu gebracht wird, durch die erste Umgehung an dem ersten Drucksensor vorbei zu strömen, wobei der durch die erste Umgehung strömende Brennstoff der Ansammlung von Feuchtigkeit in der ersten Umgehung entgegenwirkt; und ein Anteil des Oxidationsmittels dazu gebracht wird, durch die zweite Umgehung an dem zweiten Drucksensor vorbei zu strömen, wobei das durch die zweite Umgehung strömende Oxidationsmittel der Ansammlung von Feuchtigkeit in der zweiten Umgehung entgegenwirkt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die obigen wie auch weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Licht der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
  • 1 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
  • 2 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
  • Die folgende detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen sollen einen Fachmann in die Lage versetzten, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und soll den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhaft und die Reihenfolge der Schritte ist daher nicht notwendig oder von Bedeutung.
  • 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eines typisches Brennstoffzellensystem kann mehrere Systemkomponenten mit einem Befeuchter, einem Verdichter, einem Abgassystem und einen Wärmetauscher umfassen. Solch ein Brennstoffzellensystem ist in der in gemeinsamen Besitz befindlichen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/684 906 offenbart, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Das Brennstoffzellensys tem 10 umfasst eine Vielzahl von Drucksensoren 12, 12' in fluidtechnischer Verbindung mit einem Brennstoffzellenstapel 14, einer ersten Umgehung 16 und einer zweiten Umgehung 17.
  • In der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, ist der Drucksensor 12 geeignet, um einen Druck eines Oxidationsmittels zu messen, welches dazu gebracht wird, aus einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 14 zu strömen, während der Drucksensor 12' geeignet ist, um einen Druck eines Brennstoffes zu messen, welcher dazu gebracht wird, aus einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 14 zu strömen. Der Drucksensor 12' steht in fluidtechnischer Verbindung mit der ersten Umgehung 16, die in fluidtechnischer Verbindung mit einer Brennstoffquelle 28 steht. Der Drucksensor 12 steht in fluidtechnischer Verbindung mit der zweiten Umgehung 17, die in fluidtechnischer Verbindung mit einem Befeuchter 18 steht. Der Befeuchter 18 steht ferner in fluidtechnischer Verbindung mit einer Quelle von Oxidationsmittel 26. Beide Drucksensoren 12 und 12' stehen in elektrischer Verbindung mit einem Controller 13. Der Controller 13 ist geeignet, um ein Signal oder Daten bereitzustellen, das/die die Druckmessungen von den Sensoren 12, 12' an einen Computer oder Bediener angeben, sodass die Fluidströmungen angepasst werden können, um einen optimalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 aufrechtzuerhalten. Der Controller 13 kann jede beliebige Vorrichtung sein, die geeignet ist, um ein durch die Drucksensoren 12, 12' erzeugtes Signal zu empfangen, wie z. B. ein speicherprogrammierbarer Controller (PLC). Es ist einzusehen, dass das Oxidationsmittel jedes beliebige Fluid sein kann, welches Sauerstoff enthält, wie z. B. Luft. Der Brennstoff kann jeder beliebige Brennstoff wie z. B. Wasserstoff sein.
  • Der Befeuchter 18 ist eine Wasserdampftransporteinheit, die geeignet ist, um das Oxidationsmittel zu befeuchten, bevor es in den Brennstoffzellen stapel 14 eintritt. Die Wasserdampftransporteinheit umfasst eine trockene Seite und eine nasse Seite, die durch eine wasserdampfdurchlässige Membran (nicht gezeigt) oder dergleichen getrennt sind. Die trockene Seite weist einen Einlass 18a und einen Auslass 18b auf und die nasse Seite weist einen Einlass 18c und einen Auslass 18d auf. Der Einlass 18a steht in fluidtechnischer Verbindung mit einem Verdichter 24. Der Auslass 18b steht in fluidtechnischer Verbindung mit einem Kathodeneinlass 14a des Brennstoffzellenstapels 14. Der Einlass 18c steht in fluidtechnischer Verbindung mit einem Kathodenauslass 14b des Brennstoffzellenstapels 14 und der zweiten Umgehung 17. Der Auslass 18d steht in fluidtechnischer Verbindung einem Abgassystem 30.
  • Der Verdichter 24 umfasst einen Einlass 24a und einen Auslass 24b. Der Einlass 24a des Verdichters 24 steht in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Oxidationsmittel 26 und der Auslass 24b des Verdichters 24 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Einlass 18a des Befeuchters 18 und der zweiten Umgehung 17. Die Quelle von Oxidationsmittel 26 ist typischerweise eine Quelle von Luft. Es ist einzusehen, dass die Quelle von Oxidationsmittel 26 je nach Wunsch z. B. ein Sauerstoffspeicherbehälter oder die Umgebung sein kann. Der Verdichter 24 kann jeder beliebige herkömmliche Verdichter, wie z. B. ein Zentrifugal-Luftverdichter, eine Turbomaschine, ein Zentrifugalverdichter, ein Diagonalverdichter, ein Gebläse und ein Ventilator sein.
  • Der Brennstoffzellenstapel 14 umfasst einen Stapel aus Brennstoffzellen. Es ist einzusehen, dass die Anzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 14 variieren kann. Jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 14 weist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) auf, die durch eine elektrisch leitfähige bipolare Platte getrennt ist. Die MEAs und die bipolaren Platten sind zwischen Klemmplatten oder Endplatten und Endkontaktelementen zusammengestapelt. Die Endkontaktelemente und die bipolaren Platten umfassen eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen zum Verteilen des Brennstoffes und des Oxidationsmittelgase an die MEAs.
  • Der Brennstoffzellenstapel 14 umfasst den Kathodeneinlass 14a, den Kathodenauslass 14b, einen Anodeneinlass 14c und einen Anodenauslass 14d. Der Kathodeneinlass 14a steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Auslass 18b des Befeuchters 18. Der Kathodenauslass 14b steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Einlass 18c des Befeuchters 18 und der zweiten Umgehung 17. Der Anodeneinlass 14c steht in fluidtechnischer Verbindung mit der Brennstoffquelle 28. Der Anodenauslass 14d steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Abgassystem 30 und der ersten Umgehung 16. Die Anzahl der Einlässe und Auslässe in dem Brennstoffzellenstapel 14 kann auf der Basis der Größe des verwendeten Brennstoffzellenstapels 14, der Menge an Auslassenergie, die von dem Brennstoffzellenstapel 14 benötigt wird, und anderen Designüberlegungen variieren. Es ist einzusehen, dass die Brennstoffquelle 28 z. B. ein Wasserstoffspeicherbehälter oder eine andere Systemkomponente sein kann. Es ist auch einzusehen, dass der Anodenauslass 14d je nach Wunsch in fluidtechnischer Verbindung mit der Umgebung, einem weiteren Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) oder einer anderen Systemkomponente stehen kann.
  • Die erste Umgehung 16 ist eine Leitung, die eine Strömung mit einer gewünschten Menge von Fluid von der Brennstoffquelle 28 an den Drucksensor 12' und an das Abgassystem 30 bereitstellt und dabei den Brennstoffzellenstapel 14 umgeht. Die erste Umgehung 16 kann eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung 32 umfassen, die geeignet ist, um die Strömung von Fluid dadurch zu begrenzen. Es ist einzusehen, dass die Strömungsbegrenzungsvorrichtung 32 jede beliebige Vorrichtung sein kann, die geeignet ist, um die Strömung eines Fluids zu begrenzen, wie z. B. ein Düsenkopf mit Innengewinde und ein Düsenkopf mit Außengewinde.
  • Die zweite Umgehung 17 ist eine Leitung, die eine Strömung mit einer gewünschten Menge von Fluid von dem Auslass 24b des Verdichters 24 an den Drucksensor 12 und an den Einlass 18c des Befeuchters 18 bereitstellt und dabei eine Befeuchtung in dem Befeuchter 18 und den Brennstoffzellenstapel 14 umgeht. Die zweite Umgehung 17 kann eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung 34 umfassen, die geeignet ist, um die Strömung von Fluid dadurch zu begrenzen. Es ist einzusehen, dass die Strömungsbegrenzungsvorrichtung 34 jede beliebige Vorrichtung sein kann, die geeignet ist, um die Strömung eines Fluids zu begrenzen, wie z. B. ein Düsenkopf mit Innengewinde und ein Düsenkopf mit Außengewinde.
  • Im Gebrauch wird Wasserstoffgas dazu gebracht, von der Brennstoffquelle 28 durch die Leitung 36 zu dem Anodeneinlass 14c des Brennstoffzellenstapels 14 zu strömen. Ein Anteil des Wasserstoffgases von der Brennstoffquelle 28 wird dazu gebracht, durch die erste Umgehung 16 zu dem Drucksensor 12' und dann zu dem Abgassystem 30 zu strömen. Der Feuchtegehalt des durch die Umgehung 16 zu dem Drucksensor 12' strömenden Wasserstoffes ist minimiert, da die Befeuchtung des Wasserstoffes durch Produktwasser, das in dem Brennstoffzellenstapel 14 gebildet wird, wenn der Wasserstoff dadurch strömt, umgangen wird. Ein durch den Drucksensor 12' gemessener Druck entspricht im Wesentlichen dem Druck des Fluids aus dem Anodenauslass 14d des Brennstoffzellenstapels 14, da die Strömung von Wasserstoffgas durch die erste Umgehung 16 eine Fluidströmung parallel zu der primären Wasserstoffgasströmung durch den Brennstoffzellenstapel 14 ist, die an dem Anodeneinlass 14c beginnt und an dem Anodenauslass 14d endet. Die in der ersten Umgehung 16 angeordnete Strömungsbegrenzungsvorrichtung 32 führt eine Begrenzung für die Strömung des Wasserstoffgases dadurch ein, wodurch eine Druckabnahme verursacht wird. Die Größe der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 32 ist optimiert, um die Strömung von Wasserstoffgas durch die erste Umgehung 16 zu minimieren und sicherzustellen, dass die Menge von Wasserstoffgas, die dazu gebracht wird, dadurch zu strömen, die Stöchiometrie der Reaktanden, die dazu gebracht werden, durch den Brennstoffzellenstapel 14 zu strömen, nicht wesentlich verringert. Da ein Abschnitt der ersten Umgehung 16 zwischen dem Drucksensor 12' und der Leitung 36 in Verbindung mit dem Abgassystem 30 angeordnet ist, ist die Größe der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 32 optimiert, um der Druckabnahme über den Abschnitt der Leitung der ersten Umgehung 16 nach dem Drucksensor 12' Rechnung zu tragen, um die Genauigkeit der Druckmessung durch den Drucksensor 12' zu maximieren.
  • Der durch den Anodenauslass 14d des Brennstoffzellenstapels 14 strömende Wasserstoff kann durch die Reaktion darin gebildetes Produktwasser enthalten. Demgemäß kann sich Wasser an einem Verbindungspunkt 16a der Umgehungsleitung 16 und von dem Anodenauslass 14d durch die Leitung 36 zu dem Abgassystem 30 ansammeln. Die Ansammlung von Feuchtigkeit an dem Verbindungspunkt 16a kann die Strömung des trockenen Fluids durch die Umgehungen 16 blockieren. Allerdings wirkt das Wasserstoffgas, welches dazu gebracht wird, durch die erste Umgehung 16 zu strömen, der Ansammlung von Feuchtigkeit in der ersten Umgehung 16 entgegen, indem eine kontinuierliche Strömung von Fluid dadurch erzeugt wird. Die kontinuierliche Strömung des trockenen Fluids wirkt einem Zufluss von befeuchtetem Fluid entgegen. Da sich Feuchtigkeit an dem Verbindungspunkt 16a ansammeln kann, wenn kein Fluid durch die erste Umgehung 16 strömt, z. B. wenn die Brennstoffzellenan ordnung 10 heruntergefahren wird, wird das durch die Umgehungsleitung 16 strömende Fluid die Feuchtigkeit verdampfen, wenn das Fluid erneut dazu gebracht wird, dadurch zu strömen, um dadurch der Ansammlung von Feuchtigkeit darin entgegenzuwirken.
  • Gleichzeitig mit der Strömung von Wasserstoffgas durch die Brennstoffzellenanordnung 10 wird Luft dazu gebracht, von der Quelle von Oxidationsmittel 26 und durch die Leitung 36 zu dem Einlass 24a des Verdichters 24 zu strömen. In dem Verdichter 24 wird das Volumen der Luft verringert, wodurch ihr Druck erhöht wird. Ein Anteil der Luft aus dem Auslass 24b des Verdichters 24 strömt zu dem ersten Einlass 18a des Befeuchters 18 und durch die trockene Seite des Befeuchters 18 zur Befeuchtung davon. In dem Befeuchter 18 wird Luft, die einen höheren Feuchtigkeitsgehalt aufweist als die Luft, die durch die trockene Seite strömt, dazu gebracht, durch die nasse Seite zu strömen. Wasserdampf wird durch die Membran auf die durch die trockene Seite strömende Luft übertragen. Die Luft in der nassen Seite wird dazu gebracht, durch den zweiten Auslass 18d des Befeuchters 18 und zu dem Abgassystem 30 zu strömen. Die Luft in der trockenen Seite wird dazu gebracht, durch den ersten Auslass 18b zu dem Kathodeneinlass 14a des Brennstoffzellenstapels 14 zu strömen.
  • Ein weiterer Anteil der Luft aus dem Auslass 24b des Verdichters 24 wird dazu gebracht, durch die zweite Umgehung 17 zu dem Drucksensor 12 und dann zu dem zweiten Einlass 18c des Befeuchters 18 zu strömen. Der Feuchtegehalt der durch die zweite Umgehung 17 zu dem Drucksensor 12 strömenden Luft ist minimiert, da der Befeuchter 18 umgangen wird und dadurch die Befeuchtung der Luft darin umgangen wird. Ein durch den Drucksensor 12 gemessener Druck entspricht im Wesentlichen dem Druck des Fluids aus dem Kathodenauslass 14b des Brennstoffzellensta pels 14, da die Strömung von Luft durch die zweite Umgehung 17 eine Fluidströmung parallel zu der primären Luftstoffströmung durch den Brennstoffzellenstapel 14 ist, die an dem Kathodeneinlass 14a beginnt und an dem Kathodenauslass 14b endet. Die in der zweiten Umgehung 17 angeordnete Strömungsbegrenzungsvorrichtung 34 führt eine Begrenzung für die Strömung der Luft dadurch ein, wodurch eine Druckabnahme verursacht wird. Die Größe der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 34 ist optimiert, um die Strömung von Luft durch die zweite Umgehung 17 zu minimieren und sicherzustellen, dass die Menge von Luft, die dazu gebracht wird, dadurch zu strömen, die Stöchiometrie der Reaktanden, die dazu gebracht werden, durch den Brennstoffzellenstapel 14 zu strömen, nicht wesentlich verringert. Da ein Abschnitt der zweiten Umgehung 17 zwischen dem Drucksensor 12 und der Leitung 36 angeordnet ist, ist die Größe der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 34 optimiert, um der Druckabnahme über den Abschnitt der Leitung der zweiten Umgehung 17 nach dem Drucksensor 12 Rechnung zu tragen, um die Genauigkeit der Druckmessung durch den Drucksensor 12 zu maximieren.
  • Die durch die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 14 strömende Luft wird in dem Befeuchter 18 befeuchtet, bevor sie in den Brennstoffzellenstapel 14 eintritt. Die aus dem Kathodenauslass 14b des Brennstoffzellenstapels 14 austretende Luft kann durch die Reaktion darin erzeugtes Produktwasser enthalten. Demgemäß kann sich Wasser an einem Verbindungspunkt 17a der Umgehungsleitung 17 und der Leitung 36 zu der nassen Seite des Befeuchters 18 ansammeln. Die Ansammlung von Feuchtigkeit an dem Verbindungspunkt 17a kann die Strömung des trockenen Fluids durch die zweiten Umgehungen 17 blockieren. Allerdings wirkt die Luft, welche dazu gebracht wird, durch die zweite Umgehung 17 zu strömen, der Ansammlung von Feuchtigkeit in der zweiten Umgehung 17 entgegen, indem eine kontinuierliche Strömung von Luft dadurch er zeugt wird. Die kontinuierliche Strömung des trockenen Fluids wirkt einem Zufluss von befeuchtetem Fluid entgegen. Da sich Feuchtigkeit an dem Verbindungspunkt 17a ansammeln kann, wenn kein Fluid durch die zweite Umgehung 17 strömt, z. B. wenn die Brennstoffzellenanordnung 10 heruntergefahren wird, werden die durch die zweite Umgehungsleitung 17 strömenden Fluide die Feuchtigkeit verdampfen, wenn die Fluide erneut dazu gebracht werden, dadurch zu strömen, um dadurch der Ansammlung von Feuchtigkeit darin entgegenzuwirken.
  • Die Druckmessung durch den Drucksensor 12 und die Druckmessung durch den Drucksensor 12' sind elektrisch mit dem Controller 13 verbunden. Der Controller 13 vergleicht die Druckmessungen der Sensoren 12, 12' und stellt ein Signal oder Daten bereit, das/die die Druckmessungen an einen Computer oder Bediener angeben, sodass die Reaktandenfluidströmungen angepasst werden können, um die Stöchiometrie der Reaktanden in dem Brennstoffzellenstapel 14 aufrechtzuerhalten und einen optimalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 aufrechtzuerhalten.
  • In dem Brennstoffzellenstapel 14 reagiert der Sauerstoff in der Luft elektrochemisch mit dem Wasserstoff, um Leistung zum Antreiben eines Fahrzeuges oder anderen Systems zu erzeugen, wie auf dem technischen Gebiet bekannt. Nicht umgesetzter Wasserstoff wird dazu gebracht, aus dem Brennstoffzellenstapel 14, durch den Anodenauslass 14d und zu dem Abgassystem 30 zu strömen. Nicht umgesetzter Sauerstoff wird dazu gebracht, durch den Kathodenauslass 14b in die Umgebung zu strömen.
  • 2 zeigt das Brennstoffzellensystem 110 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 110 umfasst einen Drucksensor 112 in fluidtechnischer Verbindung mit einem ersten Brenn stoffzellenstapel 114, einem zweiten Brennstoffzellenstapel 115 einer ersten Umgehung 116 und einer zweiten Umgehung 117.
  • In der Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, ist der Drucksensor 112 geeignet, um einen Druck eines Oxidationsmittels zu messen, welches dazu gebracht wird, aus einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 114 zu strömen, während der Drucksensor 112' geeignet ist, um einen Druck eines Brennstoffes zu messen, welcher dazu gebracht wird, aus einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 114 zu strömen. Der Drucksensor 112' steht in fluidtechnischer Verbindung mit der ersten Umgehung 116, die in fluidtechnischer Verbindung mit einer Brennstoffquelle 128 und einem Anodenauslass 114d des ersten Brennstoffzellenstapels 114 steht. Der Drucksensor 112 steht in fluidtechnischer Verbindung mit der zweiten Umgehung 117, die in fluidtechnischer Verbindung mit einem Verdichter 124 und einem Befeuchter 118 steht. Beide Drucksensoren 112 und 112' stehen in elektrischer Verbindung mit einem Controller 113. Der Controller 113 ist geeignet, um ein Signal oder Daten bereitzustellen, das/die die Druckmessungen von den Sensoren 112, 112' an einen Computer oder Bediener angeben, sodass die Fluidströmungen angepasst werden können, um einen optimalen Betrieb der Brennstoffzellenstapel 114, 115 aufrechtzuerhalten. Der Controller 113 kann jede beliebige Vorrichtung sein, die geeignet ist, um ein durch die Drucksensoren 112, 112' erzeugtes Signal zu empfangen, wie z. B. ein PLC. Es ist einzusehen, dass das Oxidationsmittel jedes beliebige Fluid sein kann, welches Sauerstoff enthält, wie z. B. Luft. Der Brennstoff kann jeder beliebige Brennstoff wie z. B. Wasserstoff sein.
  • Der Befeuchter 118 ist eine Wasserdampftransporteinheit, die geeignet ist, um das Oxidationsmittel zu befeuchten, bevor es in den Brennstoffzellenstapel 114 eintritt. Die Wasserdampftransporteinheit umfasst eine trocke ne Seite und eine nasse Seite, die durch eine wasserdampfdurchlässige Membran (nicht gezeigt) oder dergleichen getrennt sind. Die trockene Seite weist einen Einlass 118a und einen Auslass 118b auf und die nasse Seite weist einen Einlass 118c und einen Auslass 118d auf. Der Einlass 118a steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Verdichter 124. Der Auslass 118b steht in fluidtechnischer Verbindung mit einem Kathodeneinlass 114a des ersten Brennstoffzellenstapels 114 und einem Kathodeneinlass 115a des zweiten Brennstoffzellenstapels 115. Der Einlass 118c steht in fluidtechnischer Verbindung mit der Umgehungsleitung 117, einem Kathodenauslass 114b des ersten Brennstoffzellenstapels 114 und einem Kathodenauslass 115b des zweiten Brennstoffzellenstapels 115. Der Auslass 118d steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Abgassystem 30.
  • Der Verdichter 124 umfasst einen Einlass 124a und einen Auslass 124b. Der Einlass 124a des Verdichters 124 steht in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Oxidationsmittel 126 und der Auslass 124b des Verdichters 124 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Einlass 120a des Befeuchters 118 und der zweiten Umgehung 117. Die Quelle von Oxidationsmittel 126 ist typischerweise eine Quelle von Luft. Es ist einzusehen, dass die Quelle von Oxidationsmittel 126 je nach Wunsch z. B. ein Sauerstoffspeicherbehälter oder die Umgebung sein kann. Der Verdichter 124 kann jedes beliebige herkömmliche Mittel zum Verdichten eines Fluids wie z. B. ein Zentrifugal-Luftverdichter, eine Turbomaschine, ein Zentrifugalverdichter, ein Diagonalverdichter, ein Gebläse und ein Ventilator sein.
  • Die Brennstoffzellenstapel 114, 115 umfassen jeweils einen Stapel aus Brennstoffzellen, wie hierin zuvor erläutert. Es ist einzusehen, dass die Anzahl von Brennstoffzellen in den Brennstoffzellenstapeln 114, 115 variieren kann. Jede Brennstoffzelle der Brennstoffzellenstapel 114, 115 weist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) (nicht gezeigt) auf, die durch eine elektrisch leitfähige bipolare Platte (nicht gezeigt) getrennt ist. Die MEAs und die bipolaren Platten sind zwischen Klemmplatten oder Endplatten (nicht gezeigt) und Endkontaktelementen (nicht gezeigt) zusammengestapelt. Die Endkontaktelemente und die bipolaren Platten umfassen eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen zum Verteilen des Brennstoffes und des Oxidationsmittels.
  • Der erste Brennstoffzellenstapel 114 umfasst den Kathodeneinlass 114a, den Kathodenauslass 114b, einen Anodeneinlass 114c und den Anodenauslass 114d. Der Kathodeneinlass 114a steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Auslass 118b des Befeuchters 118. Der Kathodenauslass 114b steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Einlass 118c des Befeuchters 118 und dem Drucksensor 112. Der Anodeneinlass 114c steht in fluidtechnischer Verbindung mit einer Wasserstoffquelle 128 und der ersten Umgehung 116. Der Anodenauslass 114d steht in fluidtechnischer Verbindung mit einem Anodeneinlass 115c des zweiten Brennstoffzellenstapels 115 und dem Drucksensor 112. Die Anzahl der Einlässe und Auslässe in dem ersten Brennstoffzellenstapel 114 kann auf der Basis der Größe des verwendeten Stapels, der Menge an Auslassenergie, die von dem Stapel benötigt wird, und anderen Designüberlegungen variieren. Es ist einzusehen, dass die Wasserstoffquelle 128 je nach Wunsch z. B. ein Brennstoffbehälter oder eine andere Systemkomponente sein kann.
  • Der zweite Brennstoffzellenstapel 115 umfasst den Kathodeneinlass 115a, den Kathodenauslass 115b, den Anodeneinlass 115c und einen Anodenauslass 115d. Der Kathodeneinlass 115a steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Auslass 118b des Befeuchters 118. Der Kathodenauslass 115b steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Einlass 118c des Befeuchters 118. Der Anodeneinlass 115c steht in fluidtechnischer Ver bindung mit dem Anodenauslass 114d des ersten Brennstoffzellenstapels 114 und der ersten Umgehung 116. Der Anodenauslass 115d steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Abgassystem 130. Die Anzahl der Einlässe und Auslässe in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 115 kann auf der Basis der Größe des verwendeten Stapels, der Menge an Auslassenergie, die von dem Stapel benötigt wird, und anderen Designüberlegungen variieren. Es ist einzusehen, dass der Anodenauslass 115 je nach Wunsch in fluidtechnischer Verbindung mit der Umgebung, einem weiteren Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) oder einer anderen Systemkomponente stehen kann.
  • Die erste Umgehung 116 ist eine Leitung, die eine Strömung mit einer gewünschten Menge von Fluid von der Wasserstoffquelle 128 an den Drucksensor 112' bereitstellt und dabei den Brennstoffzellenstapel 114 umgeht. Die erste Umgehung 116 kann eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung 132 umfassen, die geeignet ist, um die Strömung des Fluids dadurch zu begrenzen. Es ist einzusehen, dass die Strömungsbegrenzungsvorrichtung 132 jede beliebige Vorrichtung sein kann, die geeignet ist, um die Strömung eines Fluids zu begrenzen, wie z. B. ein Düsenkopf mit Außengewinde, falls erwünscht.
  • Die zweite Umgehung 117 ist eine Leitung, die eine Strömung mit einer gewünschten Menge von Fluid von dem Verdichter 124 an den Drucksensor 112 bereitstellt und dabei eine Befeuchtung in dem Befeuchter 118 und die Brennstoffzellenstapel 114, 115 umgeht. Die zweite Umgehung 117 kann eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung 134 umfassen, die geeignet ist, um die Strömung des Fluids dadurch zu begrenzen. Es ist einzusehen, dass die Strömungsbegrenzungsvorrichtung 134 jede beliebige Vorrichtung sein kann, die geeignet ist, um die Strömung eines Fluids zu begrenzen, wie z. B. ein Düsenkopf mit Außengewinde, falls erwünscht.
  • Im Gebrauch wird Wasserstoffgas dazu gebracht, von der Wasserstoffquelle 128 durch die Leitung 136 zu dem Anodeneinlass 114c des ersten Brennstoffzellenstapels 114 zu strömen. Ein Anteil des Wasserstoffgases von der Brennstoffquelle 128 wird dazu gebracht, durch die erste Umgehung 116 zu dem Drucksensor 112' und zu dem Anodeneinlass 115c des zweiten Brennstoffzellenstapels 115 zu strömen. Der Feuchtegehalt des durch die Umgehung 116 zu dem Drucksensor 112' strömenden Wasserstoffes ist minimiert, da die Befeuchtung des Wasserstoffes durch das Produktwasser, das in dem ersten Brennstoffzellenstapel 114 gebildet wird, wenn der Wasserstoff dadurch strömt, umgangen wird. Ein durch den Drucksensor 112' gemessener Druck entspricht im Wesentlichen dem Druck des Fluids aus dem Anodenauslass 114d des ersten Brennstoffzellenstapels 114, da die Strömung von Wasserstoffgas durch die erste Umgehung 116 eine Fluidströmung parallel zu der primären Wasserstoffgasströmung durch den ersten Brennstoffzellenstapel 114 ist, die an dem Anodeneinlass 114c beginnt und an dem Anodenauslass 114d endet. Die in der ersten Umgehung 116 angeordnete Strömungsbegrenzungsvorrichtung 132 führt eine Begrenzung für die Strömung des Wasserstoffgases dadurch ein, wodurch eine Druckabnahme verursacht wird. Die Größe der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 132 ist optimiert, um die Strömung von Wasserstoffgas durch die erste Umgehung 116 zu minimieren und sicherzustellen, dass die Menge von Wasserstoffgas, die dazu gebracht wird, dadurch zu strömen, die Stöchiometrie der Reaktanden, die dazu gebracht werden, durch den Brennstoffzellenstapel 114 zu strömen, nicht wesentlich verringert. Da ein Abschnitt der ersten Umgehung 116 zwischen dem Drucksensor 112' und der Leitung 136 angeordnet ist, ist die Größe der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 132 optimiert, um der Druckabnahme über den Abschnitt der Leitung der ersten Umgehung 116 nach dem Drucksensor 112' Rechnung zu tragen, um die Genauigkeit der Druckmessung durch den Drucksensor 112' zu maximieren.
  • Der durch den Anodenauslass 114d des ersten Brennstoffzellenstapels 114 strömende Wasserstoff kann durch die Reaktion darin gebildetes Produktwasser enthalten. Demgemäß kann sich Wasser an einem Verbindungspunkt 116a der Umgehungsleitung 116 und von dem Anodenauslass 114d durch die Leitung 136 zu dem Abgassystem 130 ansammeln. Die Ansammlung von Feuchtigkeit an dem Verbindungspunkt 116a kann die Strömung des trockenen Fluids durch die Umgehungen 116 blockieren. Allerdings wirkt das Wasserstoffgas, welches dazu gebracht wird, durch die erste Umgehung 116 zu strömen, der Ansammlung von Feuchtigkeit in der ersten Umgehung 116 entgegen, indem eine kontinuierliche Strömung von Fluid dadurch erzeugt wird. Die kontinuierliche Strömung des trockenen Fluids wirkt einem Zufluss von befeuchtetem Fluid entgegen. Da sich Feuchtigkeit an dem Verbindungspunkt 116a ansammeln kann, wenn keine trockenen Fluide durch die erste Umgehung 116 strömen, z. B. wenn die Brennstoffzellenanordnung 110 heruntergefahren wird, werden die durch die Umgehungsleitung 116 strömenden Fluide die Feuchtigkeit verdampfen, wenn die Fluide erneut dazu gebracht werden, dadurch zu strömen, um dadurch der Ansammlung von Feuchtigkeit darin entgegenzuwirken.
  • Gleichzeitig mit der Strömung von Wasserstoffgas durch den ersten Brennstoffzellenstapel 114 wird Luft dazu gebracht, von der Quelle von Oxidationsmittel 126 und durch die Leitung 136 zu dem Einlass 124a des Verdichters 124 zu strömen. In dem Verdichter 124 wird das Volumen der Luft verringert, wodurch ihr Druck erhöht wird. Ein Anteil der Luft aus dem Auslass 124b des Verdichters 124 strömt zu dem ersten Einlass 118a des Befeuchters 118 und durch die trockene Seite des Befeuchters 118 zur Befeuchtung davon. In dem Befeuchter 118 wird Luft, die einen höheren Feuchtigkeitsgehalt aufweist als die Luft, die durch die trockene Seite strömt, dazu gebracht, durch die nasse Seite zu strömen. Wasserdampf wird durch die Membran auf die durch die trockene Seite strömende Luft übertragen. Die Luft in der nassen Seite wird dazu gebracht, durch den zweiten Auslass 181d des Befeuchters 118 und zu dem Abgassystem 130 zu strömen. Die Luft in der trockenen Seite wird dazu gebracht, durch den ersten Auslass 118b zu dem Kathodeneinlass 114a des ersten Brennstoffzellenstapels 114 zu strömen.
  • Ein weiterer Anteil der Luft aus dem Auslass 124b des Verdichters 124 wird dazu gebracht, durch die zweite Umgehung 117 zu dem Drucksensor 112 und zu dem zweiten Einlass 118c des Befeuchters 118 zu strömen. Der Feuchtegehalt der durch die zweite Umgehung 117 zu dem Drucksensor 112 strömenden Luft ist minimiert, da der Befeuchter 118 und die Stapel 114, 115 umgangen werden und dadurch die Befeuchtung der Luft darin umgangen wird. Ein durch den Drucksensor 112 gemessener Druck entspricht im Wesentlichen dem Druck des Fluids aus den Kathodenauslässen 114b, 115b der Brennstoffzellenstapel 114, 115, da die Strömung von Luft durch die zweite Umgehung 117 eine Fluidströmung parallel zu der primären Luftstoffströmung durch die Brennstoffzellenstapel 114, 115 ist, die an den Kathodeneinlässen 114a, 115a beginnt und an den Kathodenauslässen 114b, 115b endet. Die in der zweiten Umgehung 117 angeordnete Strömungsbegrenzungsvorrichtung 134 führt eine Begrenzung für die Strömung der Luft dadurch ein, wodurch eine Druckabnahme verursacht wird. Die Größe der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 134 ist optimiert, um die Strömung von Luft durch die zweite Umgehung 117 zu minimieren und sicherzustellen, dass die Menge von Luft, die dazu gebracht wird, dadurch zu strömen, die Stöchiometrie der Reaktanden, die dazu gebracht werden, durch die Brennstoffzellenstapel 114, 115 zu strö men, nicht wesentlich verringert. Da ein Abschnitt der zweiten Umgehung 117 zwischen dem Drucksensor 112 und der Leitung 136 angeordnet ist, ist die Größe der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 134 optimiert, um der Druckabnahme über den Abschnitt der Leitung der zweiten Umgehung 117 nach dem Drucksensor 112 Rechnung zu tragen, um die Genauigkeit der Druckmessung durch den Drucksensor 112 zu maximieren.
  • Die durch die Kathodenseite der Brennstoffzellenstapel 114, 115 strömende Luft wird in dem Befeuchter 118 befeuchtet, bevor sie in die Brennstoffzellenstapel 114, 115 eintritt. Die aus den Kathodenauslässen 114b, 115b der Brennstoffzellenstapel 114, 115 austretende Luft kann durch die Reaktion darin erzeugtes Produktwasser enthalten. Demgemäß kann sich Wasser an einem Verbindungspunkt 117a der Umgehungsleitung 117 und der Leitung 136 zu der nassen Seite des Befeuchters 118 ansammeln. Die Ansammlung von Feuchtigkeit an dem Verbindungspunkt 117a kann die Strömung des trockenen Fluids durch die zweiten Umgehungen 117 blockieren. Allerdings wirkt die Luft, welche dazu gebracht wird, durch die zweite Umgehung 117 zu strömen, der Ansammlung von Feuchtigkeit in der zweiten Umgehung 117 entgegen, indem eine kontinuierliche Strömung von Luft dadurch erzeugt wird. Die kontinuierliche Strömung des trockenen Fluids wirkt einem Zufluss von befeuchtetem Fluid entgegen. Da sich Feuchtigkeit an dem Verbindungspunkt 117a ansammeln kann, wenn kein trockenes Fluid durch die zweite Umgehung 117 strömt, z. B. wenn die Brennstoffzellenanordnung 110 heruntergefahren wird, werden die durch die zweite Umgehungsleitung 117 strömenden Fluide die Feuchtigkeit verdampfen, wenn die Fluide erneut dazu gebracht werden, dadurch zu strömen, um dadurch der Ansammlung von Feuchtigkeit darin entgegenzuwirken.
  • Die Druckmessung durch den Drucksensor 112 und die Druckmessung durch den Drucksensor 112' sind elektrisch mit dem Controller 113 verbunden. Der Controller 113 vergleicht die Druckmessungen von den Sensoren 112, 112' und stellt ein Signal oder Daten bereit, das/die die Druckmessungen an einen Computer oder Bediener angeben, sodass die Reaktandenfluidströmungen angepasst werden können, um die Stöchiometrie der Reaktanden in den Brennstoffzellenstapeln 114, 115 aufrechtzuerhalten und einen optimalen Betrieb der Brennstoffzellenstapel 114, 115 aufrechtzuerhalten.
  • In dem ersten Brennstoffzellenstapel 114 reagiert der Sauerstoff in der Luft elektrochemisch mit dem Wasserstoff, um Leistung zum Antreiben eines Fahrzeuges oder anderen Systems zu erzeugen, wie auf dem technischen Gebiet bekannt. Nicht umgesetzter Wasserstoff wird dazu gebracht, aus dem ersten Brennstoffzellenstapel 114, durch den Anodenauslass 114d und zu dem Anodeneinlass 115c des zweiten Brennstoffzellenstapels 115 zu strömen. Nicht umgesetzter Sauerstoff wird dazu gebracht, durch den Kathodenauslass 114b, durch die Leitung 136, zu dem zweiten Einlass 118c und durch den Befeuchter 118 zu dem Abgassystem 130 zu strömen.
  • In dem zweiten Brennstoffzellenstapel 115 reagiert der Sauerstoff in der Luft elektrochemisch mit dem Wasserstoff, um Leistung zum Antreiben eines Fahrzeuges oder anderen Systems zu erzeugen, wie auf dem technischen Gebiet bekannt. Nicht umgesetzter Wasserstoff wird dazu gebracht, aus dem zweiten Brennstoffzellenstapel 115, durch den Anodenauslass 115d und zu dem Abgassystem 130 zu strömen. Nicht umgesetzter Sauerstoff wird dazu gebracht, durch den Kathodenauslass 115b, durch die Leitung 136, zu dem zweiten Einlass 118c und durch den Befeuchter 118 zu dem Abgassystem 130 zu strömen.
  • Die vorhergehende Erläuterung offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus dieser Erläuterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen ohne weiteres erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung, die in den nachfolgenden Ansprüchen definiert sind, abzuweichen.

Claims (20)

  1. Brennstoffzellensystem, welches umfasst: einen ersten Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Kathodeneinlass, einem Kathodenauslass, einem Anodeneinlass und einem Anodenauslass, wobei ein Oxidationsmittel dazu gebracht wird, von einer Quelle von Oxidationsmittel durch den Kathodeneinlass zu dem Kathodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels zu strömen, und ein Brennstoff dazu gebracht wird, von einer Quelle von Brennstoff durch den Anodeneinlass zu dem Anodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels zu strömen; eine erste Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle des Brennstoffes und dem Anodenauslass; eine zweite Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle des Oxidationsmittels und dem Kathodenauslass; einen ersten Drucksensor in fluidtechnischer Verbindung mit der ersten Umgehung, der geeignet ist, um einen Druck des Brennstoffes zu messen, welcher dazu gebracht wird, dadurch zu strömen; und einen zweiten Drucksensor in fluidtechnischer Verbindung mit der zweiten Umgehung, der geeignet ist, um einen Druck des Oxidationsmittels zu messen, welches dazu gebracht wird, dadurch zu strömen.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiten Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Kathodeneinlass, einem Kathodenauslass, einem Anodeneinlass und einem Ano denauslass, wobei der Brennstoff dazu gebracht wird, von dem Anodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels und zu dem Anodeneinlass des zweiten Brennstoffzellenstapels zu strömen, und das Oxidationsmittel dazu gebracht wird, von der Quelle von Oxidationsmittel zu dem Kathodeneinlass des zweiten Brennstoffzellenstapels zu strömen.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung, die in der ersten Umgehung angeordnet und geeignet ist, um eine Strömung des Brennstoffes durch die erste Umgehung zu begrenzen.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung, die in der zweiten Umgehung angeordnet und geeignet ist, um eine Strömung des Oxidationsmittels durch die zweite Umgehung zu begrenzen.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel Luft ist, die Sauerstoff umfasst, und der Brennstoff Wasserstoff ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Befeuchter in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Oxidationsmittel und dem ersten Brennstoffzellenstapel, wobei der Befeuchter geeignet ist, um das Oxidationsmittel zu befeuchten.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei der Befeuchter eine Wasserdampftransporteinheit ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, ferner umfassend einen Verdichter in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Oxidationsmittel und dem Befeuchter, wobei der Verdichter geeignet ist, um ein Volumen des Oxidationsmittels aus der Quelle von Oxidationsmittel zu minimieren, um den Druck davon zu erhöhen und eine Strömung des Oxidationsmittels bereitzustellen, um eine gewünschte Stöchiometrie an dem Kathodeneinlass des ersten Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Controller, der mit dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor verbunden ist.
  10. Brennstoffzellensystem, welches umfasst: einen ersten Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Kathodeneinlass, einem Kathodenauslass, einem Anodeneinlass und einem Anodenauslass, wobei ein Oxidationsmittel dazu gebracht wird, von einer Quelle von Oxidationsmittel durch den Kathodeneinlass zu dem Kathodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels zu strömen, und ein Brennstoff dazu gebracht wird, von einer Quelle von Brennstoff durch den Anodeneinlass zu dem Anodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels zu strömen; einen zweiten Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Kathodeneinlass, einem Kathodenauslass, einem Anodeneinlass und einem Anodenauslass, wobei der Brennstoff dazu gebracht wird, von dem Anodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels zu dem Anodeneinlass des zweiten Brennstoffzellenstapels zu strömen, und das Oxidationsmittel dazu gebracht wird, von der Quelle von Oxidationsmittel zu dem Kathodeneinlass des zweiten Brennstoffzellenstapels zu strömen; eine erste Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Brennstoff, dem Anodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels und dem Anodeneinlass des zweiten Brennstoffzellenstapels; eine zweite Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Oxidationsmittel und den Kathodenauslässen des ersten Brennstoffzellenstapels und des zweiten Brennstoffzellenstapels; einen ersten Drucksensor in fluidtechnischer Verbindung mit der ersten Umgehung, der geeignet ist, um einen Druck des Brennstoffes zu messen, welcher dazu gebracht wird, dadurch zu strömen, wobei ein Anteil des Brennstoffes dazu gebracht wird, durch die erste Umgehung an dem ersten Drucksensor vorbei zu strömen, und wobei der durch die erste Umgehung strömende Brennstoff der Ansammlung von Feuchtigkeit in der ersten Umgehung entgegenwirkt; und einen zweiten Drucksensor in fluidtechnischer Verbindung mit der zweiten Umgehung, der geeignet ist, um einen Druck des Oxidationsmittels zu messen, welches dazu gebracht wird, dadurch zu strömen, wobei ein Anteil des Oxidationsmittels dazu gebracht wird, durch die zweite Umgehung an dem zweiten Drucksensor vorbei zu strömen, und wobei das durch die zweite Umgehung strömende Oxidationsmittel der Ansammlung von Feuchtigkeit in der zweiten Umgehung entgegenwirkt.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung, die in der ersten Umgehung angeordnet und geeignet ist, um die Strömung des Brennstoffes durch die erste Umgehung zu begrenzen.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung, die in der zweiten Umgehung angeordnet und geeignet ist, um die Strömung des Oxidationsmittels durch die zweite Umgehung zu begrenzen.
  13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei das Oxidationsmittel Luft ist, die Sauerstoff umfasst, und der Brennstoff Wasserstoff ist.
  14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Befeuchter in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Oxidationsmittel, dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel, wobei der Befeuchter geeignet ist, um das Oxidationsmittel zu befeuchten.
  15. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, wobei der Befeuchter eine Wasserdampftransporteinheit ist.
  16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, ferner umfassend einen Verdichter in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Oxidationsmittel und dem Befeuchter, wobei der Verdichter geeignet ist, um ein Volumen des Oxidationsmittels aus der Quelle von Oxidationsmittel zu minimieren, um den Druck davon zu erhöhen und eine Strömung des Oxidationsmittel bereitzustellen, um eine gewünschte Stöchiometrie an dem Kathodeneinlass des ersten Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten.
  17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Controller, der mit dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor verbunden ist.
  18. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches die Schritte umfasst, dass: ein erster Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Kathodeneinlass in fluidtechnischer Verbindung mit einer Quelle von Oxidationsmittel, einem Kathodenauslass, einem Anodeneinlass in Verbindung mit einer Quelle von Brennstoff und einem Anodenauslass vorgesehen wird; eine erste Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Brennstoff vorgesehen wird; eine zweite Umgehung in fluidtechnischer Verbindung mit der Quelle von Oxidationsmittel vorgesehen wird; ein erster Drucksensor vorgesehen wird, der geeignet ist, um einen Druck eines Brennstoffes zu messen, welcher dazu gebracht wird, von der Quelle von Brennstoff durch die erste Umgehung zu strömen; ein zweiter Drucksensor vorgesehen wird, der geeignet ist, um einen Druck eines Oxidationsmittels zu messen, welches dazu gebracht wird, von der Quelle von Oxidationsmittel durch die zweite Umgehung zu strömen; ein Anteil des Brennstoffes dazu gebracht wird, durch die erste Umgehung an dem ersten Drucksensor vorbei zu strömen, wobei der durch die erste Umgehung strömende Brennstoff der Ansammlung von Feuchtigkeit in der ersten Umgehung entgegenwirkt; und ein Anteil des Oxidationsmittels dazu gebracht wird, durch die zweite Umgehung an dem zweiten Drucksensor vorbei zu strömen, wobei das durch die zweite Umgehung strömende Oxidationsmittel der Ansammlung von Feuchtigkeit in der zweiten Umgehung entgegenwirkt.
  19. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, ferner umfassend den Schritt, dass ein zweiter Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Kathodeneinlass, einem Kathodenauslass, einem Anodeneinlass und einem Anodenauslass vorgesehen wird, wobei der Brennstoff dazu gebracht wird, von dem Anodenauslass des ersten Brennstoffzellenstapels und zu dem Anodeneinlass des zweiten Brennstoffzellenstapels zu strömen, und das Oxidationsmittel dazu gebracht wird, von der Quelle von Oxidationsmittel zu dem Kathodeneinlass des zweiten Brennstoffzellenstapels zu strömen.
  20. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, ferner umfassend eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung, die in der ersten Umgehung angeordnet und geeignet ist, um eine Strömung des Brennstoffes zu begrenzen, und eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung, die in der zweiten Umgehung angeordnet und geeignet ist, um eine Strömung des Oxidationsmittels zu begrenzen.
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