DE102014103200A1 - Side stream for a reliable flow from an anode to a cathode under freezing conditions - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Sicherstellen eines einwandfreien Brennstoffzellensystem-Aufwärmens oder -Ausschaltens bei Gefrierbedingungen. Es wird ein Dreiwegeventil in Verbindung mit einer strömungssteuernden Düse verwendet, um sicherzustellen, dass die Düse einen Eisstau bei Frostbedingungen vermeidet. Trockene, warme Luft wird als ein Seitenstrom unter Druck an einen Kathodenströmungspfad geliefert, wobei der Aufbau der Düse derart ist, dass er strukturell fügsam ist, um ein Biegen in Ansprechen auf den mit Druck beaufschlagten Seitenstrom zu begünstigen, um dadurch zu helfen, jede kleine Menge Eis aufzubrechen, die sich in oder auf der Düse gebildet haben kann.Device and method for ensuring proper fuel cell system warming up or shutdown in freezing conditions. A three-way valve is used in conjunction with a flow control nozzle to ensure that the nozzle avoids ice jams in freezing conditions. Dry, warm air is supplied as a sidestream under pressure to a cathode flow path, the structure of the nozzle being such that it is structurally compliant to favor bending in response to the sidestream pressurized to thereby help any small one Break up a lot of ice that may have formed in or on the nozzle.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Anmeldung Serien-Nr. 61/788 655, eingereicht am 15. März 2013.This application claims the benefit of U.S. provisional application Ser. 61/788 655 filed Mar. 15, 2013.

GEBIETTERRITORY

Diese Anmeldung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sicherstellen eines einwandfreien Brennstoffzellensystem-Aufwärmens oder -Ausschaltens bei Gefrierbedingungen. Im Spezielleren betrifft die Anmeldung ein Dreiwegeventil, das in Verbindung mit einer strömungssteuernden Düse verwendet wird, um sicherzustellen, dass die Düse einen Eisstau bei Frostbedingungen vermeidet, wobei trockene, warme Luft als ein Seitenstrom unter Druck an einen Kathodenströmungspfad geliefert werden kann, wobei der Aufbau der Düse derart ist, dass er strukturell fügsam ist, um ein Biegen in Ansprechen auf den mit Druck beaufschlagten Seitenstrom zu begünstigen, um dadurch zu helfen, jede kleine Menge Eis aufzubrechen, die sich in oder auf der Düse gebildet haben kann.This application relates generally to an apparatus and method for ensuring proper fuel cell system warm-up or -off at freezing conditions. More particularly, the application relates to a three-way valve used in conjunction with a flow directing nozzle to ensure that the nozzle avoids ice jamming in freezing conditions wherein dry, warm air can be supplied as a side stream under pressure to a cathode flowpath the nozzle is such that it is structurally compliant to promote bending in response to the pressurized sidestream, thereby helping to break up any small amount of ice that may have formed in or on the nozzle.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Diese Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen einer Brennstoffzellenfunktion bei Bedingungen, unter denen feuchtigkeitsempfindliche Komponenten Temperaturen ausgesetzt sind, bei denen Wasser gefrieren kann, und im Spezielleren ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum selektiven Leiten eines Kathoden-Seitenstromes, um die Wahrscheinlichkeit eines Staus durch gefrorenes Wasser der Brennstoffzelle bei Starts bei kaltem Wetter zu reduzieren.This invention relates generally to improvements in fuel cell performance in conditions where moisture sensitive components are exposed to temperatures at which water may freeze, and more particularly to a fuel cell system and method for selectively directing a cathode sidestream to reduce the likelihood of frozen fuel water from the fuel cell to reduce when taking off in cold weather.

Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff über eine chemische Reaktion in nutzbare Elektrizität um. Ein wesentlicher Vorteil eines solchen energieerzeugenden Mittels besteht darin, dass es erreicht wird, ohne auf eine Verbrennung als einen Zwischenschritt angewiesen zu sein. Brennstoffzellen weisen als solche mehrere umweltrelevante Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren (ICEs, vom engl. internal combustion engines) und ähnlichen leistungserzeugenden Quellen auf. In einer typischen Brennstoffzelle (wie z. B. einer Protonenaustauschmembran oder Polymerelektrolytmembran – in jedem Fall eine PEM – Brennstoffzelle) ist ein Paar mit einem Katalysator versehener Elektroden durch ein ionendurchlässiges Medium in der Form einer polysulfonierten Membran (z. B. NafionTM) getrennt, sodass eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann, wenn eine ionisierte Form eines Reduktionsmittels (z. B. Wasserstoff, H2), das durch eine der Elektroden (die Anode) hindurch eingeleitet wird, das ionendurchlässige Medium quert und sich mit einer ionisierten Form eines Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff, O2) kombiniert, das durch die andere Elektrode (die Kathode) hindurch eingeleitet wurde. Bei der Kombination an der Kathode bilden der ionisierte Wasserstoff und Sauerstoff Wasser. Die Elektronen, die bei der Ionisierung des Wasserstoffes freigesetzt wurden, gelangen in der Form von Gleichstrom (DC) über einen äußeren Schaltkreis, der in der Regel eine Last umfasst, zu der Kathode. Der Fluss dieser DC-Energie ist die Grundlage für die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle.Fuel cells convert a fuel into usable electricity via a chemical reaction. A significant advantage of such an energy-producing agent is that it is achieved without relying on combustion as an intermediate step. As such, fuel cells have several environmentally relevant advantages over internal combustion engines (ICEs) and similar power generating sources. In a typical fuel cell (such as a proton exchange membrane or polymer electrolyte membrane - in each case a PEM fuel cell), a pair of catalyst-provided electrodes are separated by an ion-permeable medium in the form of a polysulfonated membrane (e.g., Nafion ™ ) so that an electrochemical reaction can take place when an ionized form of a reducing agent (e.g., hydrogen, H 2 ) introduced through one of the electrodes (the anode) traverses the ion permeable medium and with an ionized form of oxidizing agent (eg, oxygen, O 2 ) introduced through the other electrode (the cathode). When combined at the cathode, the ionized hydrogen and oxygen form water. The electrons released upon ionization of the hydrogen pass to the cathode in the form of direct current (DC) via an external circuit, which usually comprises a load. The flow of this DC energy is the basis for power generation by the fuel cell.

Der PEM-Brennstoffzellenstapel muss unter variierenden umliegenden Umgebungsbedingungen einschließlich jener, die kalt, nass oder beides sind, laufen. Wenn sie unkontrolliert bleiben, können solche Bedingungen ein effektives Brennstoffzellen-Einschalten und -Ausschalten erschweren. Beispielsweise muss während eines Ausschaltens eine bestimmte Menge Wasser (von dem viel während eines Betriebes des Brennstoffzellensystems erzeugt worden sein kann) entfernt werden, um sicherzustellen, dass ein Eisstau von Schlüssel-Strömungspfaden vermieden wird, und dass ein anschließendes Einschalten, Aufwärmen und Wegfahren selbst dann noch möglich ist, wenn das System Gefrierbedingungen ausgesetzt war. Das Entfernen von Wasser von der Anodenschleife der Brennstoffzelle ist besonders schwierig, da sie nicht das/die große/hohe Gasvolumen und Strömungsgeschwindigkeit aufweist, welche die Kathodenschleife als eine Möglichkeit aufweist, um jegliches überschüssige Wasser wegzuspülen. Eine Möglichkeit den Anodenschleifen-Wasserabtransport zu erleichtern, besteht im direkten Abziehen des Wassers durch das ionendurchlässige Medium der verschiedenen Brennstoffzellen hindurch in Richtung der Kathode. Unglücklicherweise ist dies ein ziemlich langsamer Vorgang (es dauert oft über eine Minute, bis der Anodenwassergehalt auf ein nennenswertes Niveau abnimmt). Dieser Ansatz kann auch zu einem übermäßigen Membranaustrocknen führen, das die Haltbarkeit der einzelnen Brennstoffzellen nachteilig beeinflussen kann.The PEM fuel cell stack must run under varying surrounding environmental conditions, including those that are cold, wet, or both. If left unchecked, such conditions can make effective fuel cell switching on and off difficult. For example, during turn-off, a certain amount of water (much of which may have been generated during operation of the fuel cell system) must be removed to insure that there is no jamming of key flow paths, and then turn on, warm up, and drive away is still possible if the system was exposed to freezing conditions. Removing water from the anode loop of the fuel cell is particularly difficult because it does not have the high gas volume and flow rate that the cathode loop has as a way to flush away any excess water. One way to facilitate anodesloop water removal is by direct removal of the water through the ion permeable medium of the various fuel cells toward the cathode. Unfortunately, this is a fairly slow process (it often takes over a minute for the anode water content to decrease to a significant level). This approach can also lead to excessive membrane drying, which can adversely affect the durability of the individual fuel cells.

Ein anderer Weg, die Wahrscheinlichkeit solch einer Strömungspfad-Eisbildung zu reduzieren oder zu beseitigen, besteht darin, zuzulassen, dass etwas von dem Wasserstoff von der Anodenschleife während eines Brennstoffzellensystem-Ausschaltens und Einschaltens in die Kathodenschleife eingeleitet wird; solch ein Ansatz kann durch ein Ventil bewerkstelligt werden, das zwischen der Anoden- und der Kathodenschleife angeordnet und lange genug (möglicherweise nur wenige Sekunden) offen gehalten wird, um die Wasserstoffströmung zu begünstigen. Während es Ausschaltens stellt das Ventil einen schnelleren Pfad für das Wasser zum Austreten aus der Anode anstelle des langsamen Verfahrens des Abziehens von Wasser durch das ionendurchlässige Medium hindurch bereit. Während des Einschaltens produziert diese katalytische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff (außer dass sie möglicherweise dabei hilft, die Leerlaufspannung (OVC, vom engl. open circuit voltage) zu reduzieren) Wärme, die verwendet werden kann, um die Temperatur benachbarter Strömungspfade und Komponenten anzuheben. Während dieser Ansatz besser in der Lage ist, ein promptes, effizientes Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems zu unterstützen, welches Gefrierbedingungen ausgesetzt war, macht die relativ große thermische Masse des Ventils selbst dieses für eine Eisbildung und einen damit verbundenen Stau anfällig. Außerdem umfassen solche Ventile typischerweise eine strömungsregulierende Öffnung (in der Form einer Düse), die infolge ihrer genau bekannten Größe verwendet wird, um genaue Mess- oder Steuerungsfunktionen bereitzustellen. Unglücklicherweise machen die Größe und die Genauigkeit, die zur Herstellung ihrer strömungsregulierenden Funktion notwendig sind, die Düse auch besonders anfällig für die Arten von Eisstau, die mit dem Rest des Ventils verbunden sind, wie oben stehend erläutert.Another way to reduce or eliminate the likelihood of such flow path ice formation is to allow some of the hydrogen from the anode loop to be injected into the cathode loop during fuel cell system turn-off and turn-on; such an approach can be accomplished by a valve located between the anode and cathode loops and kept open long enough (possibly only a few seconds) to promote hydrogen flow. During shutdown, the valve provides a faster path for the water to exit the anode instead of the slow process of draining water through it ion-permeable medium ready. During start-up, this catalytic reaction of hydrogen and oxygen (other than possibly helping to reduce the open circuit voltage (OVC)) produces heat that can be used to raise the temperature of adjacent flow paths and components. While this approach is better able to support prompt, efficient warm-up of a fuel cell system which has been subjected to freezing conditions, the relatively large thermal mass of the valve itself makes it susceptible to ice formation and congestion associated therewith. Additionally, such valves typically include a flow regulating orifice (in the form of a nozzle) which, due to its well-known size, is used to provide accurate sensing or control functions. Unfortunately, the size and accuracy necessary to establish its flow regulating function also makes the nozzle particularly susceptible to the types of ice accumulation associated with the remainder of the valve, as discussed above.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Spezifische hierin bereitgestellte Ausführungsformen beschreiben eine Vorrichtung zum Verbessern eines Brennstoffzellensystem-Einschaltens oder -Ausschaltens, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Dreiwegeventil, das fluidtechnisch mit zumindest einer Anode des Brennstoffzellensystems zusammenwirkt, um ein Wasserstoff führendes Fluid davon zu empfangen, wobei das Ventil ausgestaltet ist, um einen selektiven Durchgang zumindest eines von dem Wasserstoff führenden Fluid und einem mit Druck beaufschlagten Seitenstromfluid dadurch zuzulassen; und eine strömungssteuernde Düse, die mit dem Dreiwegeventil fluidtechnisch zusammenwirkt, um eine dosierte Menge des Seitenstromfluids zu liefern, wobei die Düse aus einem flexiblen Aufbau ausgestaltet ist, sodass unter einer Umgebungsbedingung, unter der in dem Brennstoffzellensystem vorhandenes Wasser einer Gefriertemperatur ausgesetzt ist, die Düse auf den erhöhten Druck des Seitenstromfluids anspricht, sodass jegliches darauf befindliches gefrorenes Wasser durch eine Biegeaktivität der Düse in Ansprechen auf den Durchgang des Seitenstromfluids dadurch entfernt wird.Specific embodiments provided herein describe an apparatus for improving fuel cell system turn-on or -off, the apparatus comprising: a three-way valve fluidly cooperating with at least one anode of the fuel cell system to receive a hydrogen-carrying fluid therefrom, the valve being configured; to thereby permit a selective passage of at least one of the hydrogen-carrying fluid and a pressurized sidestream fluid; and a flow control nozzle fluidly cooperating with the three-way valve to deliver a metered amount of the sidestream fluid, the nozzle being configured in a flexible configuration such that the nozzle is exposed to a freezing temperature under an ambient condition under which water present in the fuel cell system is exposed is responsive to the increased pressure of the sidestream fluid such that any frozen water thereon is thereby removed by a bending action of the nozzle in response to passage of the sidestream fluid therethrough.

Weitere hierin bereitgestellte spezifische Ausführungsformen beschreiben ein Brennstoffzellensystem, welches umfasst: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, von denen jede eine Anode zum Empfangen eines Wasserstoff führenden Fluids, eine Kathode zum Empfangen eines Sauerstoff führenden Fluids und ein Medium umfasst, das mit der Anode und der Kathode fluidtechnisch zusammenwirkt, um zumindest einen katalytisch ionisierten Reaktanden dazwischen weiterzuleiten; einen Anodenströmungspfad in fluidtechnischer Verbindung mit der Anode; einen Kathodenströmungspfad in fluidtechnischer Verbindung mit der Kathode; und ein Dreiwegeventil, das mit dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad zusammenwirkt, wobei das Ventil umfasst: zumindest einen Betätigungsmechanismus, um eine selektive Einleitung des Wasserstoff führenden Fluids von dem Anodenströmungspfad in den Kathodenströmungspfad herzustellen; und eine strömungssteuernde Düse, die ausgestaltet ist, um eine Anodenströmung in den Kathodenströmungspfad zu steuern, sodass unter einer Umgebungsbedingung, unter der in dem Strömungspfad und dem Ventil vorhandenes Wasser gefroren sein kann, die Düse auf den erhöhten Druck des Seitenstromfluids anspricht, sodass jegliches darauf befindliches gefrorenes Wasser durch eine Biegeaktivität der Düse in Ansprechen auf den Durchgang des Seitenstromes dadurch entfernt wird.Further specific embodiments provided herein describe a fuel cell system comprising: a fuel cell stack having a plurality of fuel cells, each comprising an anode for receiving a hydrogen-carrying fluid, a cathode for receiving an oxygen-carrying fluid, and a medium communicating with the anode and the cathode fluidly cooperates to pass at least one catalytically ionized reactant therebetween; an anode flowpath in fluid communication with the anode; a cathode flowpath in fluid communication with the cathode; and a three-way valve cooperating with the anode flowpath and the cathode flowpath, the valve comprising: at least one actuation mechanism for establishing selective introduction of the hydrogen-carrying fluid from the anode flowpath into the cathode flowpath; and a flow directing nozzle configured to control an anode flow into the cathode flowpath so that under an ambient condition under which water present in the flowpath and the valve may have frozen, the nozzle is responsive to the increased pressure of the sidestream fluid so that any of them frozen water therein is removed by a bending action of the nozzle in response to passage of the side stream.

Noch weitere hierin bereitgestellte spezifische Ausführungsformen beschreiben ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Ventil ausgestaltet wird, um mit einem Anodenströmungspfad und einem Kathodenströmungspfad des Brennstoffzellensystems fluidtechnisch zusammenzuwirken, wobei das Ventil zumindest einen Betätigungsmechanismus und eine strömungssteuernde Düse umfasst; ein mit Druck beaufschlagter Seitenstrom durch die Düse hindurch geleitet wird, sodass sich unter einer Umgebungsbedingung, unter der in dem Anodenströmungspfad und/oder dem Kathodenströmungspfad und/oder dem Ventil vorhandenes Wasser gefroren sein kann, die Düse in Ansprechen auf den erhöhten Druck des Seitenstromes biegt, sodass jegliches darauf befindliches gefrorenes Wasser durch das Biegen entfernt wird; und ein Wasserstoff führendes Fluid von dem Anodenströmungspfad durch den zumindest einen Betätigungsmechanismus und die Düse hindurch zu dem Kathodenströmungspfad eingeleitet wird.Yet other specific embodiments provided herein describe a method of operating a fuel cell system, the method comprising: configuring a valve to fluidly cooperate with an anode flowpath and a cathode flowpath of the fuel cell system, the valve including at least one actuation mechanism and a flow directing nozzle; a pressurized sidestream is passed through the nozzle so that under an ambient condition under which water present in the anode flowpath and / or the cathode flowpath and / or valve may have frozen, the nozzle bends in response to the increased pressure of the sidestream so that any frozen water on it is removed by bending; and introducing a hydrogen-carrying fluid from the anode flowpath through the at least one actuation mechanism and the nozzle to the cathode flowpath.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen wird am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:The following detailed description of the specific embodiments will be best understood when read in conjunction with the following drawings in which like structures are designated by like reference numerals and in which: FIG.

1A ein Fahrzeug zeigt, das ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel aufweist; 1A shows a vehicle having a fuel cell system with at least one fuel cell stack;

1B eine schematische Illustration der Wechselbeziehung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einem Antriebsstrang des Fahrzeuges von 1A zeigt; 1B a schematic illustration of the correlation between the Fuel cell stack and a drive train of the vehicle of 1A shows;

1C eine repräsentative einzelne Brennstoffzelle zeigt, die verwendet wird, um den Brennstoffzellenstapel von 1B zu bilden; 1C shows a representative single fuel cell used to power the fuel cell stack 1B to build;

2 ein Solenoidventil nach dem Stand der Technik zeigt, das verwendet wird, um Reaktanden in einem Kathodenstapeleinlass zum nachfolgenden katalytischen Spülen aktiver Reaktanden selektiv zu kombinieren; 2 shows a prior art solenoid valve used to selectively combine reactants in a cathode stack inlet for subsequent catalytic rinsing of active reactants;

3 ein Zweiwege-Solenoidventil gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt, das verwendet wird, um Reaktanden in einem Kathodenstapeleinlass zum nachfolgenden katalytischen Spülen aktiver Reaktanden selektiv zu kombinieren. Spezifische Ausführungsformen von 3 zeigen ein 2-Wegeventil mit einer hinzugefügten Seitenstromleitung 215 mit einem Sperrventil 260, insbesondere einem entenschnabelartigen Sperrventil, das arbeiten kann, indem es einen höheren Anodendruck als ein Kathodendruck aufrechterhält. 3 shows a two-way solenoid valve according to one aspect of the present invention used to selectively combine reactants in a cathode stack inlet for subsequent catalytic rinsing of active reactants. Specific embodiments of 3 show a 2-way valve with an added side stream line 215 with a shut-off valve 260 , particularly a duckbill type check valve, which can operate by maintaining a higher anode pressure than a cathode pressure.

4A eine schematische Darstellung eines Dreiwege-Stopfenventils in einem ersten Betriebszustand zeigt, wobei eine heiße und trockene Verdichterluftströmung 315 Wasser aus der Düse 320 räumt. 4A a schematic representation of a three-way stopper valve in a first operating state, wherein a hot and dry compressor air flow 315 Water from the nozzle 320 acknowledges.

4B eine schematische Darstellung des Ventils von 4A in einem zweiten Betriebszustand zeigt, wobei das Ventil verwendet wird, um Reaktanden in einem Kathodenstapeleinlass zum nachfolgenden katalytischen Spülen aktiver Reaktanden 310 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung selektiv zu kombinieren; 4B a schematic representation of the valve of 4A in a second mode of operation, wherein the valve is used to detect reactants in a cathode stack inlet for subsequent catalytic rinsing of active reactants 310 to selectively combine according to one aspect of the present invention;

5A eine schematische Darstellung des Dreiwege-Solenoidventils von 3 in einem ersten Betriebszustand zeigt; 5A a schematic representation of the three-way solenoid valve of 3 in a first operating state;

5B eine schematische Darstellung des Ventils von 5A in einem zweiten Betriebszustand zeigt; 5B a schematic representation of the valve of 5A in a second operating state;

6 zwei beispielhafte Betriebsmodi von Ausführungsformen zeigt, die ein 2-Wegeventil verwenden; und 6 Figure 2 shows exemplary operating modes of embodiments using a 2-way valve; and

7 eine beispielhafte Ausführungsform einer Dreiwegeventil-Konfiguration mit einer Düse (Pfeile) zeigt. 7 an exemplary embodiment of a three-way valve configuration with a nozzle (arrows) shows.

Die in den Zeichnungen dargelegten Ausführungsformen sind rein illustrativ und sollen die durch die Ansprüche definierten Ausführungsformen nicht einschränken. Zudem werden einzelne Aspekte der Zeichnungen und der Ausführungsformen im Hinblick auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung offensichtlicher und besser verständlich.The embodiments set forth in the drawings are purely illustrative and not intended to limit the embodiments defined by the claims. In addition, individual aspects of the drawings and the embodiments will become more apparent and better understood by reference to the following detailed description.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Als Erstes Bezug nehmend auf die 1A bis 1C umfasst ein Fahrzeug 1 eine Antriebsquelle in der Form eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln 20, welche/r mit Brennstoff aus einem oder mehreren Tanks 30 versorgt wird/werden. In einer Form ist der Brennstoff in der Form eines ersten Reaktanden auf Wasserstoffbasis vorhanden. Der zweite Reaktand (z. B. ein Fluid auf Sauerstoffbasis) kann aus der umliegenden Umgebung zugeführt werden. Ein oder beide Reaktanden kann/können dem Brennstoffzellensystem 10 in einer, z. B. durch einen Verdichter, eine Pumpe oder eine ähnliche Vorrichtung (nicht gezeigt), mit Druck beaufschlagten Form zugeführt werden. Wenngleich nicht gezeigt, kann auch eine zusätzliche Antriebsquelle wie z. B. ein herkömmlicher Verbrennungsmotor (ICE) oder ein Batterieblock verwendet werden, um dem Fahrzeug 1 Hybridantriebsattribute zu verleihen.First of all, referring to the 1A to 1C includes a vehicle 1 a drive source in the form of a fuel cell system 10 with one or more fuel cell stacks 20 which fuel with one or more tanks 30 is / are supplied. In one form, the fuel is in the form of a first hydrogen-based reactant. The second reactant (eg, an oxygen-based fluid) may be supplied from the surrounding environment. One or both reactants may / may be used by the fuel cell system 10 in one, z. B. by a compressor, a pump or similar device (not shown), supplied with pressurized form. Although not shown, an additional drive source such. As a conventional internal combustion engine (ICE) or a battery pack can be used to the vehicle 1 To impart hybrid propulsion attributes.

Weiterhin Bezug nehmend auf die 1A bis 1C besteht der Brennstoffzellenstapel 20 aus vielen einzelnen Brennstoffzellen 25, die wiederum aus einer Anode 25A, einer Kathode 25B und einer protonendurchlässigen Membran 25C bestehen. Ein erster Reaktandenströmungspfad 40 dient als eine Leitung, um ein Wasserstoff führendes Fluid zu und von der Anode 25A weg zu befördern, während ein zweiter Reaktandenströmungspfad 50 das Gleiche mit einem Sauerstoff führenden Fluid an der Kathode 25B tut. Sammler/Verteiler 60 können an entgegengesetzten Enden des Stapels 20 angeordnet sein, um die Zufuhr und die Entfernung der Reaktanden durch die Leitungen 40, 50 hindurch zu koordinieren. Energiespeichervorrichtungen 70 können in der Form einer Last vorhanden sein, die aus einer oder mehreren Batterien, Kondensatoren, elektrischen Umwandlern oder selbst einem Motor zum Umwandeln des von dem Brennstoffzellenstapel 20 kommenden elektrischen Stromes in Drehwellenleistung, die verwendet werden kann, um einen Antriebsstrang 80 und eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen (wie z. B. ein Rad) 90 zu betreiben, besteht. Die Energiespeichervorrichtungen 70 sind für den Betrieb des Systems 1 nicht notwendig und können bei bestimmten Konfigurationen weggenommen sein. In einer speziellen Konfiguration sind die Brennstoffzellen 25 PEM-Brennstoffzellen, und während die vorliegende Erfindung insbesondere auf die PEM-Konfiguration anwendbar ist, liegt auch die Verwendung anderer Brennstoffzellenkonfigurationen mit der vorliegenden Erfindung innerhalb des Bereiches der vorliegenden Offenbarung. Die Anode 25A, die Kathode 25B und die Membran 25C definieren zusammen eine Membranelektrodenanordnung (MEA).Still referring to the 1A to 1C is the fuel cell stack 20 from many individual fuel cells 25 which in turn consists of an anode 25A , a cathode 25B and a proton transmissive membrane 25C consist. A first reactant flow path 40 serves as a conduit to deliver hydrogen-carrying fluid to and from the anode 25A while conveying a second reactant flow path 50 the same with an oxygen-carrying fluid at the cathode 25B does. Collectors / distributors 60 can be at opposite ends of the stack 20 be arranged to control the supply and removal of the reactants through the lines 40 . 50 to coordinate through. Energy storage devices 70 may be in the form of a load consisting of one or more batteries, capacitors, electrical converters or even a motor for converting the fuel cell stack 20 incoming electric current in rotary shaft power, which can be used to drive a powertrain 80 and one or more drive devices (such as a wheel) 90 to operate. The energy storage devices 70 are for the operation of the system 1 not necessary and may be removed in certain configurations. In a special configuration are the fuel cells 25 PEM fuel cells, and while the present invention is particularly applicable to the PEM configuration, the use of other fuel cell configurations with the present invention is also within the scope of the present disclosure. The anode 25A , the cathode 25B and the membrane 25C together define a membrane electrode assembly (MEA).

Als Nächstes Bezug nehmend auf 2 ist eine Solenoid-Version eines Ventils 100 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Während eines Normalbetriebes (z. B. wenn das Brennstoffzellensystem 20 arbeitet, um Strom zu produzieren, um das Fahrzeug 1 anzutreiben oder diesem anders Leistung bereitzustellen) bleibt das Ventil 100 geschlossen, um ein Wasserstoff führendes Fluid in einem Anodenauslass-Strömungspfad 110, der mit einem Auslass der Anoden 25A des Brennstoffzellenstapels 25 verbunden ist, zu verhindern. Eine strömungssteuernde Düse 120 wird verwendet, um den Durchgang von Wasserstoff zu gestatten, sodass eine Strömungssteuerung aufrechterhalten werden kann. Es ist die Mitte 115 eines Loches der Düse 120 gezeigt. Es ist auch eine Ausführungsform eines Düsenzapfens 125 gezeigt. Ein Beispiel solch einer Dosierkonfiguration ist in der veröffentlichten Anmeldung METHODS AND CONTROLS FOR HYDROGEN TO CATHODE INLET OF A FUEL CELL SYSTEM, Anmeldungs-Nr. 20100151284, Burch: Steven D.; et al., 17. Juni 2010 zu finden, welche sich im Besitz des Antragstellers der vorliegenden Erfindung befindet und durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Um zwischen geöffnet und geschlossen (wobei gegenwärtig Letzteres gezeigt ist) zu wechseln, erzeugt ein durch eine Spule 150 fließender Strom Magnetflusspfade, die als ein Elektromagnet auf einen Druckkolben 140 wirken und bewirken, dass dieser seine Federvorspannung überwindet und sich auf einem linearen Weg von dem die Düse enthaltenden Sitz weg bewegt, sodass ein offener Strömungspfad von dem Anodenauslass-Strömungspfad 110 zu einem Kathodeneinlass-Strömungspfad 130 gebildet wird. Das Vorhandensein einer beträchtlichen Menge relativ dichter Materialien (z. B. Stahl und seine Stahlabkömmlinge) in dem Gehäuse 101 des Ventils 100 wirkt als große thermische Masse, sodass es bei Temperaturextremen dazu neigt, unabhängig davon, welcher Hitze oder Kälte es ausgesetzt war, die latente Form über eine deutlich längere Zeitspanne zu halten als sein umliegendes Umgebungsgegenstück. Das Ventil 100 (insbesondere das Gehäuse 101) als solches zeigt unter Gefrierbedingungen die Tendenz, jegliches benachbartes Restwasser und kleine Fluiddurchgänge einzufrieren. Dies kann für die Düse 120 (mit ihrem kleinen, fein abgestimmten Durchgang) besonders störend sein, da relativ geringe Mengen gefrorenen Wassers in der Lage wären, die Düse 120 einzufrieren und zu verstopfen und dadurch den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 zu stoppen, der von der dosierten Strömung abhängig ist, die für einen Normalbetrieb durch die Düse 120 hindurch gelangt.Referring next to 2 is a solenoid version of a valve 100 shown in the prior art. During normal operation (eg when the fuel cell system 20 works to produce electricity to the vehicle 1 drive or otherwise provide power) remains the valve 100 closed to a hydrogen-carrying fluid in an anode outlet flow path 110 that with an outlet of anodes 25A of the fuel cell stack 25 connected to prevent. A flow-controlling nozzle 120 is used to allow the passage of hydrogen so that flow control can be maintained. It is the middle 115 a hole in the nozzle 120 shown. It is also an embodiment of a nozzle plug 125 shown. An example of such a dosing configuration is in the published application METHODS AND CONTROLS FOR HYDROGEN TO CATHODE INLET OF A FUEL CELL SYSTEM, registration no. 20100151284, Burch: Steven D .; et al., June 17, 2010 which is in the possession of the Applicant of the present invention and incorporated by reference in its entirety. To switch between open and closed (currently the latter is shown) one generates through a coil 150 flowing current magnetic flux paths, acting as an electromagnet on a pressure piston 140 and cause it to overcome its spring bias and move in a linear path away from the seat containing the nozzle, such that an open flow path from the anode outlet flow path 110 to a cathode inlet flow path 130 is formed. The presence of a considerable amount of relatively dense materials (e.g., steel and its steel derivatives) in the housing 101 of the valve 100 acts as a large thermal mass, so that at temperature extremes, regardless of which heat or cold it was exposed to, the latent form tends to last for a much longer period of time than its surrounding counterpart. The valve 100 (in particular the housing 101 As such, under freezing conditions, there is a tendency to freeze any adjacent residual water and small fluid passages. This may be for the nozzle 120 (with their small, finely tuned passage) be particularly troublesome, since relatively small amounts of frozen water would be able to nozzle 120 Freeze and clog and thereby the operation of the fuel cell system 20 stop, which is dependent on the metered flow, for normal operation through the nozzle 120 passes through.

Ein Grund für das Einleiten eines Wasserstoff führenden Fluids von dem Anodenströmungspfad in den Kathodenströmungspfad besteht darin, den ionisierten Wasserstoff und Sauerstoff als eine Möglichkeit katalytisch zum Reagieren zu bringen, die Leerlaufspannung (OVC) zu reduzieren, die, (wenn sie unkontrolliert bleibt), zu einer vorzeitigen Degradation spannungsempfindlicher Brennstoffzellenkomponenten wie z. B. der an der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle verwendeten Katalysatoren führen kann. Dieser Ansatz ist besonders nützlich bei Einschalt- und -ausschaltbedingungen. Ein solcher Ansatz ist in dem U.S.-Patent 7 887 963 erläutert, welches sich im Besitz des Antragstellers der vorliegenden Erfindung befindet. Dies hat auch den Vorteil des Aufwärmens der Strömungspfade, welche das Fluid transportieren, welches die katalytisch kombinierten Reaktanden enthält. Dennoch wäre es vorteilhaft, es zu vermeiden, dass das befeuchtete, Wasserstoff führende Fluid durch das Ventil 100 hindurch geführt werden muss, insbesondere in Situationen, in denen das Ventil 100 kalt ist, was die Düse 120 anfällig für ein Einfrieren macht.One reason for introducing a hydrogen-carrying fluid from the anode flowpath into the cathode flowpath is to catalytically react the ionized hydrogen and oxygen as a way to reduce open circuit voltage (OVC), which (if left uncontrolled) increases a premature degradation of voltage-sensitive fuel cell components such. B. can lead to the catalysts used at the anode and the cathode of the fuel cell. This approach is particularly useful during turn-on and turn-off conditions. Such an approach is in the U.S. Patent 7,887,963 which is owned by the Applicant of the present invention. This also has the advantage of warming up the flow paths which carry the fluid containing the catalytically combined reactants. Nevertheless, it would be advantageous to avoid having the humidified, hydrogen-carrying fluid pass through the valve 100 must be passed through, especially in situations where the valve 100 cold is what the nozzle 120 prone to freezing.

Als Nächstes Bezug nehmend auf 3 ist ein Zweiwege-Solenoidventil 200 in Kombination mit einem Sperrventil 260 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die befohlene Position des Ventils 200 steuert die Strömung zweier separater Fluidpfade, von denen der erste einen Anodenauslass-Strömungspfad (hierin auch als Anodenströmungspfad bezeichnet) 210 und einen Kathodeneinlass-Strömungspfad 230 (hierin auch als Kathodenströmungspfad bezeichnet) koppelt, und von denen der zweite einen Seitenstrom (auch als Seitenstromfluid bezeichnet) 215 in den Kathodeneinlass-Strömungspfad 230 einleitet. In einer bevorzugten Form wird der Seitenstrom 215 in einer mit Druck beaufschlagten Form von einem Verdichter (nicht gezeigt) geliefert, während in einer spezielleren Form der Seitenstrom als Zapfluft von einem Sauerstoff führenden Strömungspfad geliefert wird, der verwendet wird, um einen Reaktanden an die Kathoden der verschiedenen Zellen 25 des Brennstoffzellenstapels 20 bereitzustellen. Das durch den Seitenstrom 215 hindurch strömende Seitenstromfluid weist eine geringere Feuchtigkeit auf als das Fluid, welches von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 20 in das Ventil 200 eintritt. Ein Rückflussverhinderungsventil (z. B. ein Sperrventil 260) kann in der Leitung enthalten sein, die den Strömungspfad für den Seitenstrom 215 definiert, um die Wahrscheinlichkeit eines Rückflusses während eines Wasserstoffströmungsbetriebes zu minimieren. In der Ausführung mit dem Zweiwegeventil 200 ist das Sperrventil 260 zwischen dem Verdichter (nicht gezeigt) und dem Ventil 200 gegebenenfalls nicht notwendig, wobei die Situierung der Düse 220 unterstromig zwei Vorteile mit sich bringt: erstens wird zugelassen, dass das Fluid von dem Seitenstrom 215 durch sie hindurch strömt, um sie frei zu halten, und zweitens, dass die thermische Kopplung der Düse 220 und der thermischen Masse des Ventils 200 reduziert oder eliminiert wird. Ebenso strömt in einer anderen Konfiguration der Seitenstrom 215 durch das Ventil 200 hindurch, welches möglicherweise zulassen könnte, dass die Düse 220 in dem Ventil 200 bleibt, um die Kosten für zusätzliche Apparaturen zu sparen. Das Dreiwegeventil 200 kann jedoch auch mit der Düse 220 in der unterstromigen Position (wie gezeigt) ausgeführt werden, falls erforderlich (der Effekt eines kalten Ventils ist z. B. stärker als der Seitenstromeffekt). Es ist auch eine spezifische Ausführungsform einer Düsennadel 225 gezeigt.Referring next to 3 is a two-way solenoid valve 200 in combination with a check valve 260 shown in accordance with the present invention. The commanded position of the valve 200 controls the flow of two separate fluid paths, the first of which is an anode outlet flow path (also referred to herein as the anode flow path) 210 and a cathode inlet flow path 230 (also referred to herein as a cathode flowpath), and the second of which is a sidestream (also referred to as sidestream fluid) 215 in the cathode inlet flow path 230 initiates. In a preferred form, the side stream 215 in a pressurized form from a compressor (not shown), while in a more specific form the side stream is delivered as bleed air from an oxygen carrying flow path used to deliver a reactant to the cathodes of the various cells 25 of the fuel cell stack 20 provide. That by the side stream 215 Side stream fluid flowing therethrough has less moisture than the fluid flowing from the anode side of the fuel cell stack 20 in the valve 200 entry. A backflow prevention valve (eg, a check valve 260 ) may be included in the line, which is the flow path for the side stream 215 to minimize the likelihood of backflow during hydrogen flow operation. In the version with the two-way valve 200 is the check valve 260 between the compressor (not shown) and the valve 200 possibly not necessary, with the location of the nozzle 220 Downstream has two advantages: first, it allows the fluid from the side stream 215 flows through them to keep them free, and second, that the thermal coupling of the nozzle 220 and the thermal mass of the valve 200 is reduced or eliminated. Likewise flows in another configuration of the side stream 215 through the valve 200 through which could possibly allow the nozzle 220 in the valve 200 remains to save the cost of additional equipment. The three-way valve 200 but also with the nozzle 220 in the downstream position (as shown), if necessary (for example, the effect of a cold valve is stronger than the side-stream effect). It is also a specific embodiment of a nozzle needle 225 shown.

In einer bevorzugten Form besteht das Ventil 200 aus vielen Komponenten einschließlich eines oder mehrerer Betätigungsmechanismen (z. B. eines Druckkolbens oder Stopfens, die beide nachfolgend in näherem Detail erläutert sind), welche/r verwendet wird/werden, um eine selektive Einleitung eines Wasserstoff führenden Fluids von dem Anodenauslass-Strömungspfad 210 in den Kathodeneinlass-Strömungspfad 230 und eine strömungssteuernde Düse 220 herzustellen. Die Düse 220 ist bevorzugt aus einem Material hergestellt, das über den erwarteten Temperaturbereich des Brennstoffzellensystems 20 einschließlich der oben erwähnten Gefrierbedingungen strukturell fügsam bleibt. Solch eine strukturelle Fügsamkeit gestattet es, dass sich die Düse in Ansprechen auf ein Druckfluid (z. B. den durch sie hindurch geleiteten Seitenstrom 215) biegt. Diese Biegefähigkeit macht es einfacher, jegliches gefrorenes Restwasser, das sich auf der Düse 220 abgelagert haben kann, aufzubrechen, sodass es problemlos abblättert.In a preferred form, the valve 200 of many components, including one or more actuation mechanisms (eg, a plunger or plug, both of which are discussed in more detail below), which is used to selectively introduce a hydrogen-carrying fluid from the anode outlet flow path 210 in the cathode inlet flow path 230 and a flow-controlling nozzle 220 manufacture. The nozzle 220 is preferably made of a material that exceeds the expected temperature range of the fuel cell system 20 remains structurally compliant, including the above-mentioned freezing conditions. Such structural compliance allows the nozzle to move in response to a pressurized fluid (eg, the sidestream passing therethrough) 215 ) bends. This bendability makes it easier to remove any frozen residual water that is on the nozzle 220 may have deposited, so it peels off easily.

Wie oben erläutert, wird die Wasserentfernung aus einer Brennstoffzellen-Anodenschleife durch das geringe Volumen und die geringe Strömungsgeschwindigkeit in dieser Schleife erschwert. Die gegenständlichen Erfinder haben außerdem entdeckt, dass dieses Problem besonders bei Konfigurationen akut ist, die einen Anodenströmungspfad auf Rezirkulationsbasis verwenden, wobei etwas von dem überschüssigen Wasserstoff, der andernfalls aus dem System ausgestoßen würde, wieder zu dem Einlass der Brennstoffzellenanode geleitet wird. Solch ein Ansatz ist dabei hilfreich, Wasserstoffemissionen aus dem Brennstoffzellensystem zu reduzieren, neigt aber dazu, einen höheren Feuchtigkeitsgehalt in dem die Brennstoffzelle verlassenden Fluid wie auch in dem Anodenströmungspfad zu der Kathode zu produzieren.As discussed above, water removal from a fuel cell anode loop is hampered by the small volume and low flow rate in this loop. The present inventors have also discovered that this problem is particularly acute in configurations using a recirculation-based anode flow path wherein some of the excess hydrogen that would otherwise be expelled from the system is returned to the inlet of the fuel cell anode. Such an approach helps to reduce hydrogen emissions from the fuel cell system, but tends to produce a higher moisture content in the fuel cell leaving fluid as well as in the anode flow path to the cathode.

In einer Form (wie in 3 gezeigt) kann die Düse 220 oberstromig und weg von dem Ventil 200 angeordnet sein. Dies deshalb, da das Gehäuse 201 des Ventils – welches unter Gefrierbedingungen kalt ist und Wasser während einer vorherigen Abkühlung des Brennstoffzellensystems 20 in einer Weise ähnlich der des Gehäuses 101 des Ventils 100 von 2 zu sich abzieht) – von der gefrieranfälligen Düse 220 weg gehalten werden sollte. Wie an anderer Stelle in dieser Offenbarung erläutert, ist die Düse 220 aus einem dünnen, flexiblen Material hergestellt, um das Abstreifen jeglichen Eises zu begünstigen, das sich auf der Düse 220 während einer anhaltenden Periode von Kälteeinwirkung (z. B. wenn sie in einem Fahrzeug angeordnet ist, das über längere Zeitspannen unter gefrierenden Wetterbedingungen ausgesetzt ist) bildet. Die flexible Beschaffenheit der Düse 220 als solche ist derart, dass die Strömung und der Druck, die mit einem Verdichter-Einschalten verbunden sind, dabei helfen, jegliches aufgebautes Eis (in einer Weise allgemein analog dem Entfernen von Eiswürfeln von einem Kunststofffach durch Biegen desselben) frei zu brechen.In a form (as in 3 shown) can be the nozzle 220 upstream and away from the valve 200 be arranged. This is because the case 201 the valve - which is cold under freezing conditions and water during a previous cooling of the fuel cell system 20 in a manner similar to that of the housing 101 of the valve 100 from 2 to peel off) - from the freeze-prone nozzle 220 should be kept away. As explained elsewhere in this disclosure, the nozzle is 220 made of a thin, flexible material to promote the stripping of any ice that sits on the nozzle 220 during a sustained period of cold exposure (eg, when placed in a vehicle that is exposed for extended periods under freezing weather conditions). The flexible nature of the nozzle 220 As such, the flow and pressure associated with compressor power-up will help break any built-up ice (in a manner generally analogous to removing ice cubes from a plastic compartment by bending it).

Als nächstes Bezug nehmend auf die 4A, 4B, 5A und 5B sind zwei verschiedene Ausführungsformen des vorliegenden Dreiwegeventils 300 in schematischem Detail gezeigt. Im Speziellen entspricht die in den 4A und 4B abgebildete Ausführungsform einem linearen Ventilaufbau, der wie die in 3 abgebildete Solenoidversion funktionieren könnte. Während die Düse 320 entweder Teil des Ventils 300 im Allgemeinen und im Besonderen innerhalb des Gehäuses situiert sein kann, ist sie bevorzugt entfernt angeordnet, wie gezeigt. Dies ist insofern vorteilhaft, als sie einfach mit minimaler Störung für den Rest des Systems im Allgemeinen und das Ventil 300 im Besonderen ausgetauscht oder modifiziert werden kann. Die gegenständlichen Erfinder betonen, dass solch eine entfernte unterstromige Anordnung der Düse 320 von dem Ventil in Fällen gegebenenfalls nicht notwendig ist, in denen entweder (a) eine entsprechende thermische Isolierung zwischen der Düse 320 und dem Gehäuse hergestellt werden kann, oder (b) in denen die Temperaturbedingungen (einschließlich der durch das Gehäuse auferlegten Niedertemperaturbedingungen) nicht ausreichen, um die Düse 320 durch Frieren hart werden zu lassen. Eine spezifische Ausführungsform, ein Kanal 325 ist in 4B ebenfalls gezeigt. In spezifischen Ausführungsformen weisen die Düse 220 und die Düse 320 die gleiche Größe auf. In spezifischen Ausführungsformen sind einige oder alle von den Durchgängen größer als die Düsen 220/320.Next, referring to the 4A . 4B . 5A and 5B are two different embodiments of the present three-way valve 300 shown in schematic detail. In particular, the equivalent in the 4A and 4B illustrated embodiment of a linear valve assembly, like those in 3 pictured solenoid version could work. While the nozzle 320 either part of the valve 300 generally and in particular within the housing, it is preferably located remotely as shown. This is advantageous in that it is simple with minimal disruption to the rest of the system in general and the valve 300 in particular can be replaced or modified. The present inventors emphasize that such a remote downstream arrangement of the nozzle 320 may not be necessary from the valve in cases where either (a) a corresponding thermal insulation between the nozzle 320 and (b) where the temperature conditions (including the low temperature conditions imposed by the housing) are insufficient to close the nozzle 320 freezing through freezing. A specific embodiment, a channel 325 is in 4B also shown. In specific embodiments, the nozzle 220 and the nozzle 320 the same size. In specific embodiments, some or all of the passageways are larger than the nozzles 220 / 320 ,

Mit spezieller Bezugnahme auf die 5A und 5B ist die Vorrichtung als ein Dreiwege-Stopfenventil 300 ausgestaltet, wobei eine Drehung eines kugelförmigen Stopfens 340 einen selektiven Durchgang von einem oder dem anderen von einem ersten Kanal 325A und einem zweiten Kanal 325B in den anderen zulässt; auf diese Weise können die Kanäle 325A, 325B abhängig von der Position des Stopfens 340 alternativ als Fluideinlässe oder -auslässe dienen. Wenn sich daher der Stopfen 340 des Dreiwegeventils 300 in einer ersten Position befindet, die dem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 20 entspricht, strömt der Seitenstrom 315 durch den ersten Kanal 325A und den in dem Stopfen 340 gebildeten Durchgang hindurch zu dem zweiten Kanal 325B, um dann durch die Düse 320 hindurch zu strömen und in den Kathodenströmungspfad 330 einzutreten. Wenn sich der Stopfen 340 des Dreiwegeventils 300 in einer zweiten Position befindet, die einem Ablassbetrieb des Brennstoffzellensystems 20 entspricht, strömt befeuchteter Wasserstoff 310 durch den ersten Kanal 325B und den in dem Stopfen 340 gebildeten Durchgang hindurch zu dem zweiten Kanal 325A, um dann durch die Düse 320 hindurch zu strömen und in den Kathodenströmungspfad 330 einzutreten.With special reference to the 5A and 5B the device is as a three-way plug valve 300 configured, wherein a rotation of a spherical plug 340 a selective passage of one or the other of a first channel 325A and a second channel 325B in the other admits; That way, the channels can 325A . 325B depending on the position of the plug 340 alternatively serve as fluid inlets or outlets. Therefore, if the stopper 340 of the three-way valve 300 is in a first position, the normal operation of the fuel cell system 20 corresponds, flows the side stream 315 through the first channel 325A and in the stopper 340 formed passage to the second channel 325B , then through the nozzle 320 through and into the cathode flowpath 330 enter. When the stopper 340 of the three-way valve 300 located in a second position, which is a bleed operation of the fuel cell system 20 corresponds, humidified hydrogen flows 310 through the first channel 325B and in the stopper 340 formed passage to the second channel 325A , then through the nozzle 320 through and into the cathode flowpath 330 enter.

Nunmehr Bezug nehmend auf 6, illustriert 6 zwei beispielhafte Betriebsmodi von Ausführungsformen, die ein 2-Wegeventil verwenden: 1) beim Strömen von der Anode zu der Kathode (nasser Strom): das 2-Wegeventil öffnet und Anodengas strömt von 210 durch 200 hindurch in den Düsenzapfen 225 (siehe 2) und nach unten an der Düse 220 vorbei, um über die Leitung 230 in den Kathodeneinlass zu gelangen. Das Sperrventil 260 kann verhindern, dass die Anodenströmung zu dem Kanal aus dem Verdichter (wo 215 entspringt) gelangt. In spezifischen Ausführungsformen ist das Sperrventil 260 aus folgenden Gründen notwendig: die genaue Steuerung der Strömung von der Anode zu der Kathode ist sehr wichtig. Dies kann durch Steuern des Deltadruckes (dP) zwischen der Anoden- und der Kathodenseite des Stapels erfolgen. Wenn das Ventil 200 öffnet, findet der Hauptdruckabfall über die Düse 220 hinweg statt. Die Düse 200 weist eine bekannte, genaue wirksame Fläche auf. Wenn die Anode über beide Pfade (215 und 230) zu der Kathode gelangen könnte, wäre es schwieriger, die genaue Strömung bei gegebenem dP vorherzusagen. Die beiden Pfade parallel würden eine viel größere Fertigungsvarianz von Teil zu Teil verglichen mit einem Druckabfall in einem Pfad mit einer sorgfältig gefertigten Düse aufweisen. Überdies kann das Zulassen, dass eine befeuchtete Anodenströmung in die Seitenstromleitung 215 eintritt, ein Gefrieren der Leitung und dass die Seitenstromfunktion ausgeschaltet ist, zur Folge haben. Während einer Anodenströmung ist der Druck in der Kammer 235 höher als der Druck in 215 (man erinnere sich, dass der Anodendruck über dem Kathodendruck gehalten wird), sodass das Entenschnabel-Sperrventil schließt, und eine Strömung von der Anode zu 215 verhindert. Es zwingt die gesamte Anodenströmung durch 220 hindurch. Ein bedauerlicher Nebeneffekt besteht darin, dass diese Strömung befeuchtet wird, sodass Wasser zu 200 gelangen kann. In einem zweiten Beispiel von spezifischen Ausführungsformen, wobei weiterhin auf 6 Bezug genommen wird, besteht, wenn keine Strömung von der Anode zu der Kathode stattfindet, während der Zeiten, in denen der befeuchtete Anodenstrom nicht durch die Düse 220 hindurch strömt (wenn das Ventil 200 geschlossen ist), die Notwendigkeit, jegliches Wasser zu entfernen, das während der nassen Anodenströmung auf die Düse gelangt ist. Wenn daher das 2-Wegeventil (200) schließt, geht der Druck in der Kammer (Düsenzapfen) nach unten. Da ein Druckabfall über den CAC (Kathodenluftkühler) und den WVT (Wasserdampftransfer) vorhanden ist, ist der Druck bei 230 niedriger als der Druck bei 215. Dies lässt zu, dass eine kleine Menge Luft von der Hauptstrom-Luftströmung über den CAC und den WVT, an dem Sperrventil 260 vorbei und durch die Düse 220 hindurch zurück in den Kathodenstrom umgeleitet wird. Da die Luft aus dem Verdichter heiß und trocken ist, funktioniert sie gut, um die Düse 220 auszutrocknen.Referring now to 6 , illustrated 6 two exemplary operating modes of embodiments using a 2-way valve: 1) when flowing from the anode to the cathode (wet stream): the 2-way valve opens and anode gas flows from 210 by 200 through the nozzle cone 225 (please refer 2 ) and down at the nozzle 220 over to the line 230 to get into the cathode inlet. The check valve 260 can prevent the anode flow to the channel from the compressor (where 215 springs). In specific embodiments, the check valve is 260 necessary for the following reasons: the precise control of the flow from the anode to the cathode is very important. This can be done by controlling the delta pressure (dP) between the anode and cathode sides of the stack. When the valve 200 opens, finds the main pressure drop across the nozzle 220 away. The nozzle 200 has a known, accurate effective area. If the anode is on both paths ( 215 and 230 ) to the cathode, it would be more difficult to predict the exact flow at given dP. The two paths in parallel would have a much larger manufacturing variance from part to part compared to a pressure drop in a path with a carefully manufactured nozzle. Moreover, allowing for a humidified anode flow into the side stream conduit 215 occurs, a freezing of the line and that the side-stream function is turned off, the result. During an anode flow, the pressure in the chamber is 235 higher than the pressure in 215 (remember that the anode pressure is kept above the cathode pressure) so that the duckbill check valve closes and flow from the anode to 215 prevented. It forces the entire anode flow through 220 therethrough. An unfortunate side effect is that this flow is humidified, causing water to 200 can get. In a second example of specific embodiments, wherein further 6 When no flow from the anode to the cathode occurs, during times when the humidified anode stream is not through the nozzle, there is no flow 220 passes through (when the valve 200 closed), the need to remove any water that has come onto the nozzle during wet anode flow. Therefore, if the 2-way valve ( 200 ) closes, the pressure in the chamber (nozzle pin) goes down. Since there is a pressure drop across the CAC (cathode air cooler) and the WVT (water vapor transfer), the pressure is at 230 lower than the pressure at 215 , This allows a small amount of air from the mainstream airflow through the CAC and WVT to the check valve 260 over and through the nozzle 220 is redirected back into the cathode current. Because the air from the compressor is hot and dry, it works well around the nozzle 220 drying out.

In einer Form kann die Zweiwegeventil 200-Konfiguration verwendet werden, um durch Hinzufügen des Sperrventils die Rückflussfeuchtigkeit zu überwinden. In einer Form kann solch eine Konfiguration verwendet werden, um die Möglichkeit eines Seitenstrom-Einfrierens in Folge eines nassen Gasrückflusses zu beseitigen. In einer anderen Form kann das Dreiwegeventil 300 verwendet werden, um die Rückflussfeuchtigkeit ohne Hinzufügen eines Sperrventils zu überwinden. Die Geometrie des Dreiwegeventils sperrt den Seitenstromdurchgang 315 während des Wasserstoffströmungsbetriebes ab.In one form, the two-way valve 200 Configuration can be used to overcome the Rückflussfeuchtigkeit by adding the check valve. In one form, such a configuration may be used to eliminate the possibility of side stream freezing due to wet gas reflux. In another form, the three-way valve 300 used to overcome the Rückflussfeuchtigkeit without adding a check valve. The geometry of the three-way valve locks the side flow passage 315 during hydrogen flow operation.

7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Dreiwegeventil-Konfiguration mit einer Düse (Pfeile). Die Düse kann sich in spezifischen Ausführungsformen in dem Ventil befinden. Die Komponenten (einschließlich der Düse) in 7 weisen in spezifischen Ausführungsformen die gleiche Größe auf wie jene in den 4 und 5, und können in anderen Ausführungsformen eine unterschiedliche Größe aufweisen. 7 shows an exemplary embodiment of a three-way valve configuration with a nozzle (arrows). The nozzle may be located in specific embodiments in the valve. The components (including the nozzle) in 7 have the same size in specific embodiments as those in FIGS 4 and 5 , and may have a different size in other embodiments.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Sicherstellen eines einwandfreien Brennstoffzellensystem-Aufwärmens bei Gefrierbedingungen offenbart. Die Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass die gefrieranfällige Steuerungsdüse in Verbindung mit einer Zweiwegeventil- und einer Sperrventil-Kombination oder einem Dreiwegeventil verwendet, um sicherzustellen, dass die Düse einen Eisstau bei Gefrierbedingungen vermeidet. Die Vorrichtung ist insbesondere derart ausgestaltet, dass ein trockener, warmer Luftstrom von dem Auslass eines Verdichters, der verwendet wird, um einen mit Druck beaufschlagten Kathodenreaktanden an das Brennstoffzellensystem zu liefern, eingeleitet wird, sodass diese Luft einen Seitenstrom bildet, der fluidtechnisch oberstromig der Düse eingeleitet wird, sodass er beim Durchströmen derselben dabei hilft, sie frei von Wasser zu halten, welches andernfalls den Strömungspfad versperrendes Eis bilden könnte. In dem Kontext der vorliegenden Erfindung ist dieser Seitenstrom (auch als „Seitenstromluft”, „Seitenstromfluid” oder dergleichen bezeichnet) derjenige, der um den normalen Luftströmungspfad herum strömt, welcher durch das Ventil hindurch strömt. Somit findet diese Drucklufteinleitung in einer Form stattstatt, wenn das 2-Wegeventil geschlossen ist und das Sperrventil von der Druckdifferenz über dasselbe hinweg öffnet. Außer dass sie von der Seitenstrom-Druckluft erwärmt wird, kann die Düse strukturell fügsam gemacht werden, sodass sich die Düse beim Durchgang des Seitenstromes biegen wird und dadurch hilft, jede kleine Menge Eis aufzubrechen, die sich darauf gebildet haben kann oder verbleibt. In einer speziellen Form ist das Ventil als eine Dreiwegevorrichtung ausgestaltet; solch eine Konfiguration verhindert, wenn sie in Verbindung mit einem Seitenstrom verwendet wird, dass ein Rückfluss von Verdichterauslassluft zu der Anodenschleife strömt. In spezifischen Ausführungsformen verhindert das Dreiwegeventil einen Rückfluss, da es den eigentlichen Seitenstrompfad abschneidet, wenn es den Ablasspfad öffnet; es kann nur ein Pfad auf einmal aktiv sein. In spezifischen Ausführungsformen des Zweiwegeventils in Kombination mit dem Sperrventil (3) verhindert das Sperrventil, dass Wasserstoff zu dem Verdichterauslass zurückströmt. In spezifischen Ausführungsformen wird das Ablassventil während einer Seitenstrom-Strömung geschlossen, um einen Rückfluss von Luft zu der Anode zu verhindern.In one aspect of the invention, an apparatus for ensuring proper fuel cell system warming in freezing conditions is disclosed. The device is configured such that the freeze-prone control nozzle is used in conjunction with a two-way valve and a check valve combination or three-way valve to ensure that the nozzle avoids ice jamming in freezing conditions. In particular, the apparatus is configured to introduce a dry, warm airflow from the outlet of a compressor used to deliver a pressurized cathode reactant to the fuel cell system such that this air forms a sidestream fluidly upstream of the nozzle is introduced, so that when flowing through it helps to keep it free of water, which could otherwise form the flow path obstructing ice. In the context of the present invention, this sidestream (also referred to as "sidestream air", "sidestream fluid" or the like) the one flowing around the normal air flow path which flows through the valve. Thus, this compressed air introduction takes place in a form when the 2-way valve is closed and the check valve opens from the pressure difference across it. In addition to being heated by the sidestream pressurized air, the nozzle can be made structurally compliant, so that the nozzle will bend as the sidestream passes, thereby helping to break up any small amount of ice that may have formed or remains thereon. In a particular form, the valve is configured as a three-way device; such configuration, when used in conjunction with a side stream, prevents backflow of compressor discharge air to the anode loop. In specific embodiments, the three-way valve prevents backflow since it cuts off the actual sidestream when it opens the drain path; only one path can be active at a time. In specific embodiments of the two-way valve in combination with the check valve ( 3 ) prevents the check valve from flowing hydrogen back to the compressor outlet. In specific embodiments, the bleed valve is closed during a sidestream flow to prevent backflow of air to the anode.

Erneut Bezug nehmend auf spezifische Ausführungsformen von 3 kann: in Ausführungsformen, in denen das Sperrventil 260 entfernt ist, das befeuchtete Anoden(Wasserstoff führende)-Gas dann von 210 sowohl zu 230 als auch 215 gelangen. In spezifischen Ausführungsformen kann, wenn genug Wasser in die Leitung 215 gelangt, diese während der kurzen Zeit des Ausschaltens, nachdem das Ventil 200 geschlossen ist, nicht frei werden; dann kann es den für das nächste Einschalten geschlossenen Seitenstromdurchgang einfrieren; das Sperrventil kann jegliche Strömung von 210 zu 215 verhindern; in ähnlicher Weise kann in den Dreiwegeventil-Konfiguration die Seitenstromleitung 315 in spezifischen Ausführungsformen abgesperrt werden, wenn die Ablassströmung aktiv ist. Außer dass es die Gefrierbedingungs-Einschaltzuverlässigkeit verbessert, besitzt solch ein System das Potential, die Abschalt-Spülzeit und -energie zu verringern, um dadurch die Kaltwetter-Winter-Kraftstoffökonomie für ein Brennstoffzellensystem auf Fahrzeugbasis zu verbessern.Referring again to specific embodiments of 3 can: in embodiments in which the check valve 260 then the humidified anode (hydrogen carrying) gas is removed from 210 both too 230 as well as 215 reach. In specific embodiments, when there is enough water in the pipe 215 This will come off during the short time of switching off after the valve 200 is closed, not free; then it can freeze the side flow passage closed for the next turn on; the check valve can remove any flow from 210 to 215 prevent; Similarly, in the three-way valve configuration, the side-flow line 315 shut off in specific embodiments when the bleed flow is active. As well as improving the freeze-up turn-on reliability, such a system has the potential to reduce the turn-off purging time and energy, thereby improving the cold-weather winter fuel economy for a vehicle-based fuel cell system.

Gemäß spezifischen Aspekten der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart. Das System umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der aus vielen Brennstoffzellen besteht, von denen eine jede eine Anode zum Empfangen eines Wasserstoff führenden Fluids, eine Kathode zum Empfangen eines Sauerstoff führenden Fluids und ein Medium (z. B. die zuvor erwähnte Protonenaustauschmembran oder Polymerelektrolytmembran) umfasst, die mit der Anode und der Kathode zusammenwirkt, um zumindest einen katalytisch ionisierten Reaktanden zwischen denselben zu leiten. Das System umfasst außerdem einen Anodenströmungspfad und einen Kathodenströmungspfad, um als eine Leitung zu fungieren, um ihre jeweiligen Fluide zu liefern. Ein Dreiwegeventil besteht aus einem oder mehreren Betätigungsmechanismen und einer flexibel ausgestalteten strömungssteuernden Düse. Das Ventil ist in dem System enthalten, um eine selektive Einleitung von Wasserstoff führendem Fluid von dem Anodenströmungspfad in den Kathodenströmungspfad oder einem Seitenstromstrom von dem Verdichterauslass durch die Düse hindurch herzustellen, während die Düse eine genaue Fluidströmung von dem Anodenströmungspfad in den Kathodenströmungspfad zulässt. Durch solch eine Ventilkonfiguration spricht die Düse in Temperaturbereichen, in denen Wasser, das in dem System vorhanden ist, gefroren sein kann, auf den erhöhten Druck des Seitenstromfluids an, sodass jegliches auf ihr befindliche gefrorene Wasser durch eine Biegeaktivität der Düse in Ansprechen auf den Durchgang des Seitenstromes durch dieselbe entfernt wird.In accordance with specific aspects of the present invention, a fuel cell system is disclosed. The system comprises a fuel cell stack consisting of many fuel cells, each comprising an anode for receiving a hydrogen-carrying fluid, a cathode for receiving an oxygen-carrying fluid, and a medium (eg, the aforementioned proton exchange membrane or polymer electrolyte membrane), which cooperates with the anode and the cathode to direct at least one catalytically ionized reactant therebetween. The system also includes an anode flowpath and a cathode flowpath to act as a conduit to deliver their respective fluids. A three-way valve consists of one or more actuation mechanisms and a flexibly configured flow-controlling nozzle. The valve is included in the system to provide selective introduction of hydrogen carrying fluid from the anode flowpath into the cathode flowpath or a sidestream stream from the compressor outlet through the nozzle while the nozzle permits accurate fluid flow from the anode flowpath into the cathode flowpath. By such a valve configuration, in temperature ranges where water present in the system may be frozen, the nozzle will respond to the increased pressure of the sidestream fluid, so that any frozen water on it will respond by a bending action of the nozzle in response to the passage the side stream is removed by the same.

Gemäß eines noch weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Ventil ausgestaltet wird, um mit einem Anodenströmungspfad und einem Kathodenströmungspfad des Brennstoffzellensystems fluidtechnisch zusammenzuwirken. Das Ventil umfasst einen oder mehrere Betätigungsmechanismen und eine strömungssteuernde Düse. Das Verfahren umfasst ferner, dass ein mit Druck beaufschlagter Seitenstrom durch die Düse hindurch geleitet wird, sodass in einem Temperaturbereich oder unter einer ähnlichen Umgebungsbedingung, wo vorhandenes Wasser gefroren sein kann, sich die Düse in Ansprechen auf den erhöhten Druck des Seitenstromes biegt, sodass jegliche gefrorene Wasserüberreste durch die Biegebewegung entfernt werden. Außerdem wird ein Wasserstoff führendes Fluid von dem Anodenströmungspfad durch das Ventil hindurch in den Kathodenströmungspfad eingeleitet. In einer bevorzugten Form findet diese Einleitung nach dem Durchgang des Seitenstromes durch die Düse hindurch bei einem System-Einschalten und vor dem Durchgang des Seitenstromes durch die Düse hindurch unter Betriebsbedingungen statt, die ein System-Ausschalten beinhalten.In yet another aspect of the present invention, a method of operating a fuel cell system is disclosed. The method includes where a valve is configured to fluidly cooperate with an anode flowpath and a cathode flowpath of the fuel cell system. The valve includes one or more actuation mechanisms and a flow-controlling nozzle. The method further includes directing a pressurized sidestream through the nozzle such that in a temperature range or under a similar environmental condition where existing water may be frozen, the nozzle bends in response to the increased pressure of the sidestream, such that any of the sidestreams flow frozen water residues are removed by the bending movement. Additionally, hydrogen carrying fluid is introduced from the anode flowpath through the valve into the cathode flowpath. In a preferred form, this introduction occurs after passage of the side stream through the nozzle at system turn on and prior to passage of the side stream through the nozzle under operating conditions involving system shutdown.

Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht. In ähnlicher Weise werden Ausdrücke wie „im Wesentlichen” verwendet, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Er wird auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.It should be understood that terms such as "preferred,""typical," and "typically" are not used herein to limit the scope of the claimed invention or to imply that certain features are critical, essential, or even important to the structure or function of the invention claimed invention. Rather, these terms are merely alternative or highlight additional features that may or may not be used in a particular embodiment of the present invention. Similarly, terms such as "substantially" are used to represent the natural level of uncertainty that may be associated with any quantitative comparison, value, measurement, or other representation. It is also used to represent the degree to which a quantitative representation may differ from a given reference, without resulting in a change in the fundamental function of the subject under consideration.

Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine oder mehrere Komponenten oder eine Kombination von Komponenten einschließlich jener zu repräsentieren, die Teil eines/r größeren Systems oder Anordnung sein können. Des Weiteren sind Abweichungen bei den Ausdrücken „Kraftfahrzeug”, „kraftfahrzeugtechnisch” „fahrzeugtechnisch” oder dergleichen allgemein zu verstehen, sofern der Kontext nichts anderes bestimmt. Als solches wird die Bezugnahme auf ein Kraftfahrzeug oder Fahrzeug so zu verstehen sein, dass sie Autos, Lastkraftwagen, Busse, Motorräder und andere ähnliche Transportarten einschließt, sofern im Kontext nicht spezieller vorgebracht.It should be understood that in order to describe and define the present invention, the term "device" is used herein to represent one or more components or a combination of components including those that form part of a larger system or assembly could be. Furthermore, deviations in the terms "motor vehicle", "motor vehicle technology", "vehicle technology" or the like are to be understood generally, unless the context dictates otherwise. As such, reference to a motor vehicle or vehicle will be understood to include cars, trucks, buses, motorcycles, and other similar types of transport, unless specifically stated in the context.

In spezifischen Ausführungsformen umfasst ein Seitenstrom Luft mit einer Temperatur, die über der Gefriertemperatur von Wasser liegt und einer Feuchtigkeit von unter zwanzig Prozent. In spezifischen Ausführungsformen kann sie abhängig von der Außenfeuchtigkeit, der Belastung auf dem System und der Art von Verdichter variieren. Spezifische Ausführungsformen weisen trockenere Bedingungen auf. In spezifischen Ausführungsformen ist die Luft aus dem Verdichter die absolut trockenste in dem System, da 1) das System noch keinerlei Wasser hinzufügt hat und 2) die erhöhte Temperatur einen stärkeren Effekt auf die abnehmende relative Feuchtigkeit hat als der Effekt des höheren Druckes, welcher die relative Feuchtigkeit erhöht.In specific embodiments, a side stream comprises air having a temperature above the freezing temperature of water and a humidity of less than twenty percent. In specific embodiments, it may vary depending on the external humidity, the load on the system, and the type of compressor. Specific embodiments have drier conditions. In specific embodiments, the air from the compressor is the absolutely driest in the system, since 1) the system has not yet added any water and 2) the increased temperature has a stronger effect on the decreasing relative humidity than the effect of the higher pressure which is the increased relative humidity.

Hierin beschriebene Ausführungsformen arbeiten während des Einschaltens. In spezifischen Ausführungsformen hält der Seitenstrom die Düse während eines Normalbetriebes und Ausschaltens frei von Wasser, sodass Wasserstoff schnell zu der Kathode in das nächste Einschalten hinein strömen kann. Die Schritte beim Einschalten können umfassen, dass: für wenige Sekunden mit einem Seitenstrom begonnen wird, welcher die Düse biegt und jegliches restliches Eis räumt, das von nicht ausgeräumtem Wasser beim Ausschalten zurückgeblieben ist; dann sollte die Anodenströmung den Stapel aufwärmen, sodass nur wenige Sekunden in das Einschalten das 2-Wegeventil öffnet (oder das 3-Wegeventil die Position bewegt). In spezifischen Ausführungsformen sollte die Anodenströmung ohne den Seitenstrom zu Beginn auch das Eis wegräumen, da es ein natürlicher Teil des Einschaltens zum Laufen des Verdichters ist, bevor die Wasserstoffströmung beginnt.Embodiments described herein operate during power up. In specific embodiments, the side stream keeps the nozzle free of water during normal operation and shutdown so that hydrogen can flow rapidly to the cathode in the next turn on. The steps of turning on may include: starting a side stream for a few seconds, which bends the nozzle and clears any residual ice that has remained from unclogged water when turned off; then the anode flow should warm up the stack so that only a few seconds into the switch-on the 2-way valve opens (or the 3-way valve moves the position). In specific embodiments, the anode flow should also initially clear the ice without the side stream since it is a natural part of turning on the compressor before hydrogen flow begins.

Nach der Beschreibung der von Ausführungsformen der Erfindung im Detail wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte beschränkt ist.Having described in detail embodiments of the invention, it will be apparent that modifications and variations are possible without departing from the scope of the invention, which is defined in the appended claims. More particularly, although some aspects of the present invention are referred to herein as preferred or particularly advantageous, it is contemplated that the present invention is not necessarily limited to these preferred aspects.

In spezifischen Ausführungsformen können die dosierten Mengen z. B. etwa 0,5 bis etwa 1 g/s Luftströmung betragen. In anderen spezifischen Ausführungsformen kann der erhöhte Druck zwischen etwa 110 und etwa 170 kPa absolut liegen. In spezifischen Ausführungsformen findet das Biegen statt, wenn sich Eis aufbaut, und die Düse wird größer, wobei das Eis aufbricht und der Druck auf normale Niveaus zurückgeht.In specific embodiments, the metered quantities z. B. about 0.5 to about 1 g / s air flow. In other specific embodiments, the increased pressure may be between about 110 and about 170 kPa absolute. In specific embodiments, flexing takes place as ice builds up and the nozzle becomes larger, breaking the ice and returning the pressure to normal levels.

In spezifischen Ausführungsformen kann/können ein/e oder mehrere der Verfahren oder Vorrichtungen oder Teile von Vorrichtungen eines oder mehrere von: einer Vorrichtung mit einer Düse, die als ein Teil eines Dreiwegeventils integral gebildet ist; einer Düse, die fluidtechnisch unterstromig eines Ventils in einer Leitung angeordnet ist, welche ausgestaltet ist, um das Wasserstoff führende Fluid von dem Ventil zu zumindest einer Kathode eines Brennstoffzellensystems zu befördern; einem Rückfluss-Verhinderungsventil, das fluidtechnisch zwischen einer Quelle eines Seitenstromfluids und einer Düse angeordnet ist; einem System, welches ferner derart ausgestaltet ist, dass das Seitenstromfluid in einem mit Druck beaufschlagten Zustand bezüglich des Wasserstoff führenden Fluids geliefert wird; einem System, welches ferner derart ausgestaltet ist, dass das Seitenstromfluid durch die Düse hindurch mit einer geringeren Feuchtigkeit als das Wasserstoff führende Fluid geliefert wird; einer Düse, die fluidtechnisch unterstromig des Betätigungsmechanismus angeordnet und nicht innerhalb eines Gehäuses des Ventils enthalten ist; zumindest einem Betätigungsmechanismus, der einen linear bewegbaren Druckkolben umfasst; zumindest einem Betätigungsmechanismus, der einen drehbaren Stopfen umfasst; wobei der Betrieb während eines Ausschaltens des Brennstoffzellensystems unter der Umgebungsbedingung stattfindet, unter der in zumindest einem von dem Anodenströmungspfad, dem Kathodenströmungspfad und dem Ventil vorhandenes Wasser gefroren ist; einem Seitenstrom, der Luft mit einer Temperatur über der Gefriertemperatur von Wasser und einer Feuchtigkeit von unter zwanzig Prozent umfasst; wobei Luft, die durch eine Düse geleitet wird, von einem Verdichter geliefert wird, der verwendet wird, um einen Reaktanden an einen Kathodenströmungspfad zu liefern; einem Ventil, welches ein Dreiwegeventil ist; und/oder einer Vorrichtung zum Verbessern eines Brennstoffzellensystem-Einschaltens oder -Ausschaltens, wobei die Vorrichtung umfasst; ein Zweiwegeventil mit einem Sperrventil, und wobei das Zweiwegeventil mit zumindest einer Anode des Brennstoffzellensystems fluidtechnisch zusammenwirkt, um ein Wasserstoff führendes Fluid davon zu empfangen, wobei das Ventil ausgestaltet ist, um den selektiven Durchgang zumindest eines von dem Wasserstoff führenden Fluid und einem mit Druck beaufschlagten Seitenstromfluid dadurch zuzulassen, umfassen oder damit hergestellt sind oder hierin umfassen.In specific embodiments, one or more of the methods or devices or parts of devices may include one or more of: a device having a nozzle integrally formed as part of a three-way valve; a nozzle fluidly disposed downstream of a valve in a conduit configured to convey the hydrogen-carrying fluid from the valve to at least one cathode of a fuel cell system; a backflow prevention valve fluidly disposed between a source of sidestream fluid and a nozzle; a system further configured to supply the sidestream fluid in a pressurized state with respect to the hydrogen-carrying fluid; a system further configured such that the sidestream fluid is delivered through the nozzle at a lower humidity than the fluid carrying hydrogen; a nozzle fluidly disposed downstream of the actuating mechanism and not contained within a housing of the valve; at least one actuating mechanism comprising a linearly movable pressure piston; at least one actuating mechanism comprising a rotatable plug; wherein the operation takes place during a shutdown of the fuel cell system under the ambient condition under which in at least one of the anode flowpath, the Cathode flow path and the valve existing water is frozen; a side stream comprising air at a temperature above the freezing temperature of water and below twenty percent moisture; wherein air passed through a nozzle is provided by a compressor used to deliver a reactant to a cathode flow path; a valve which is a three-way valve; and / or an apparatus for improving fuel cell system turn-on or -off, the apparatus comprising; a two-way valve having a check valve, and wherein the two-way valve fluidly cooperates with at least one anode of the fuel cell system to receive a hydrogen-carrying fluid therefrom, the valve configured to selectively pass one of the hydrogen-carrying fluid and one pressurized fluid Side stream fluid thereby, include, or are made of or include herein.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • METHODS AND CONTROLS FOR HYDROGEN TO CATHODE INLET OF A FUEL CELL SYSTEM, Anmeldungs-Nr. 20100151284, Burch: Steven D.; et al., 17. Juni 2010 [0025] METHODS AND CONTROLS FOR HYDROGEN TO CATHODE INLET OF A FUEL CELL SYSTEM, registration no. 20100151284, Burch: Steven D .; et al., June 17, 2010 [0025]

Claims (10)

Vorrichtung zum Verbessern eines Brennstoffzellensystem-Einschaltens oder -Ausschaltens, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Dreiwegeventil, das fluidtechnisch mit zumindest einer Anode des Brennstoffzellensystems zusammenwirkt, um ein Wasserstoff führendes Fluid davon zu empfangen, wobei das Ventil ausgestaltet ist, um einen selektiven Durchgang zumindest eines von dem Wasserstoff führenden Fluid und einem mit Druck beaufschlagten Seitenstromfluid dadurch zuzulassen; und eine strömungssteuernde Düse, die mit dem Dreiwegeventil fluidtechnisch zusammenwirkt, um eine dosierte Menge des Seitenstromfluids zu liefern, wobei die Düse aus einem flexiblen Aufbau ausgestaltet ist, sodass unter einer Umgebungsbedingung, unter der in dem Brennstoffzellensystem vorhandenes Wasser einer Gefriertemperatur ausgesetzt ist, die Düse auf den erhöhten Druck des Seitenstromfluids anspricht, sodass jegliches darauf befindliches gefrorenes Wasser durch eine Biegeaktivität der Düse in Ansprechen auf den Durchgang des Seitenstromes dadurch entfernt wird.An apparatus for improving fuel cell system turn-on or -off, the apparatus comprising: a three-way valve fluidly cooperating with at least one anode of the fuel cell system to receive a hydrogen-carrying fluid therefrom, the valve configured to allow selective passage of at least one of the hydrogen-carrying fluid and a pressurized sidestream fluid therethrough; and a flow-controlling nozzle fluidly cooperating with the three-way valve to deliver a metered amount of the sidestream fluid, the nozzle being configured of a flexible configuration such that the nozzle is exposed to a freezing temperature under an ambient condition under which water present in the fuel cell system is exposed the increased pressure of the sidestream fluid is responsive to any frozen water thereon being removed by a bending action of the nozzle in response to passage of the sidestream. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Düse integral als Teil des Dreiwegeventils gebildet ist.The device of claim 1, wherein the nozzle is integrally formed as part of the three-way valve. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Düse fluidtechnisch unterstromig des Ventils in einer Leitung angeordnet ist, welche ausgestaltet ist, um das Wasserstoff führende Fluid von dem Ventil zu zumindest einer Kathode des Brennstoffzellensystems zu befördern.The apparatus of claim 1, wherein the nozzle is fluidly disposed downstream of the valve in a conduit configured to convey the hydrogen-carrying fluid from the valve to at least one cathode of the fuel cell system. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend ein Rückflussverhinderungsventil, welches fluidtechnisch zwischen einer Quelle des Seitenstromfluids und der Düse angeordnet ist.The apparatus of claim 3, further comprising a backflow prevention valve fluidly disposed between a source of sidestream fluid and the nozzle. Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, von denen jede eine Anode zum Empfangen eines Wasserstoff führenden Fluids, eine Kathode zum Empfangen eines Sauerstoff führenden Fluids und ein Medium umfasst, das mit der Anode und der Kathode zusammenwirkt, um zumindest einen katalytisch ionisierten Reaktanden dazwischen weiterzuleiten; einen Anodenströmungspfad in fluidtechnischer Verbindung mit der Anode; einen Kathodenströmungspfad in fluidtechnischer Verbindung mit der Kathode; und ein Dreiwegeventil, das mit dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenstromungspfad fluidtechnisch zusammenwirkt, wobei das Ventil umfasst: zumindest einen Betätigungsmechanismus, um eine selektive Einleitung des Wasserstoff führenden Fluids von dem Anodenströmungspfad in den Kathodenströmungspfad herzustellen; und eine strömungssteuernde Düse, die ausgestaltet ist, um eine Anodenströmung in den Kathodenströmungspfad zu steuern, sodass unter einer Umgebungsbedingung, unter der in dem Strömungspfad und dem Ventil vorhandenes Wasser gefroren sein kann, die Düse auf den erhöhten Druck des Seitenstromfluids anspricht, sodass jegliches darauf befindliches gefrorenes Wasser durch eine Biegeaktivität der Düse in Ansprechen auf den Durchgang des Seitenstromes dadurch entfernt wird.Fuel cell system, comprising: a fuel cell stack having a plurality of fuel cells, each comprising an anode for receiving a hydrogen-carrying fluid, a cathode for receiving an oxygen-carrying fluid, and a medium that cooperates with the anode and the cathode to pass at least one catalytically ionized reactant therebetween ; an anode flowpath in fluid communication with the anode; a cathode flowpath in fluid communication with the cathode; and a three-way valve fluidly cooperating with the anode flowpath and the cathode flowpath, the valve comprising: at least one actuating mechanism for making selective introduction of the hydrogen-carrying fluid from the anode flowpath into the cathode flowpath; and a flow directing nozzle configured to control an anode flow into the cathode flow path so that under an ambient condition under which water present in the flow path and the valve may have frozen, the nozzle is responsive to the increased pressure of the side stream fluid Frozen water is thereby removed by a bending action of the nozzle in response to passage of the side stream. System nach Anspruch 5, wobei das System ferner derart ausgestaltet ist, dass das Seitenstromfluid in einem mit Druck beaufschlagten Zustand bezogen auf das Wasserstoff führende Fluid geliefert wird.The system of claim 5, wherein the system is further configured to provide the sidestream fluid in a pressurized state relative to the hydrogen-carrying fluid. System nach Anspruch 5, wobei das System ferner derart ausgestaltet ist, dass das Seitenstromfluid durch die Düse hindurch mit einer geringeren Feuchtigkeit als das Wasserstoff führende Fluid geliefert wird.The system of claim 5, wherein the system is further configured such that the sidestream fluid is delivered through the nozzle at a lower humidity than the fluid carrying hydrogen. System nach Anspruch 5, wobei die Düse fluidtechnisch unterstromig des Betätigungsmechanismus angeordnet und nicht innerhalb eines Gehäuses des Ventils enthalten ist.The system of claim 5, wherein the nozzle is fluidly disposed downstream of the actuating mechanism and is not contained within a housing of the valve. System nach Anspruch 5, wobei der zumindest eine Betätigungsmechanismus einen linear bewegbaren Druckkolben umfasst.The system of claim 5, wherein the at least one actuating mechanism comprises a linearly movable pressure piston. System nach Anspruch 5, wobei der zumindest eine Betätigungsmechanismus einen drehbaren Stopfen umfasst.The system of claim 5, wherein the at least one actuating mechanism comprises a rotatable plug.
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