DE112004002518T5

DE112004002518T5 - Anfahren von kaskadierten Brennstoffzellenstapeln

Info

Publication number: DE112004002518T5
Application number: DE112004002518T
Authority: DE
Inventors: Thomas F. Glastonbury Fuller; Ryan J. West Hartford Balliet
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2008-03-06
Also published as: JP2007517370A; US20060246326A1; US7527886B2; WO2005067090A1; US20050142407A1

Abstract

Kaskadierter Brennstoffzellenstapel (9a), der zum Schaffen von elektrischer Ausgangsleistung betreibbar ist und der Folgendes aufweist:
mindestens zwei Gruppen (10 bis 12) von Brennstoffzellen (13), die in einer Abfolge mit einer ersten Gruppe (10) und einer letzten Gruppe (12) in brennstoffmäßig serieller Beziehung angeordnet sind, so dass Brennstoff von jeder Gruppe mit Ausnahme der letzten Gruppe in die nächstfolgende Gruppe der Abfolge hinein strömt und so dass jede Gruppe mit Ausnahme der ersten Gruppe Brennstoff von der unmittelbar vorausgehenden Gruppe in der Abfolge empfängt, wobei die Gruppen der Brennstoffzellen zwischen ein Paar von Stromsammel-Druckplatten (56, 57) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei eine Druckplatte mit der ersten Gruppe verbunden ist und eine weitere Druckplatte mit der letzten Gruppe verbunden ist;
eine Steuerung (25);
eine Hauptlast (53);
einen Schalter (52), der von der Steuerung betätigbar ist, um die Hauptlast mit den Druckplatten zu verbinden, so dass die elektrische...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die kaskadierte Steuerung der Brennstoffströmung und der Spannung von kaskadierten Brennstoffzellenstapeln, beispielsweise während des Anfahrens und des Stillsegens.
Einschlägiger Stand der Technik
Zum Erzielen von sehr hohen Brennstoff-Ausnutzungsgraden von ca. 98% oder 99% beim Betreiben eines Brennstoffzellenstapels 9 mit reinem Wasserstoff besitzt ein kaskadenartiges Brennstoffströmungsfeld, wie es in 1 dargestellt ist, eine Mehrzahl von Gruppen 10 bis 12 von Brennstoffzellen 13, die strömungsmäßig in Reihe angeordnet ist, so dass Brennstoff von einer Quelle (nicht gezeigt), der durch ein Brennstoffeintrittsventil 16 hindurchtritt, in eine Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung 17 eintritt, durch eine erste Gruppe 10 von Brennstoffzellen 13 hindurchströmt, dann in eine erste Umlenkverzweigungseinrichtung 19 eintritt, danach durch die zweite Gruppe 11 von Brennstoffzellen 13 hindurchströmt, anschließend durch eine zweite Umlenkverzweigungseinrichtung 20 hindurchströmt und durch die dritte Gruppe 12 von Brennstoffzellen 13 zu einer Ausgangsverzweigungseinrichtung 22 strömt.
Für einen typischen Brennstoffzellenstapel mit 40 kW weist die erste Gruppe 10 eine große Anzahl von Zellen 13 auf, deren Anzahl in der Größenordnung von ca. 200 Zellen liegen kann, die zweite Gruppe 11 weist eine geringere Anzahl von Zellen 13 auf, deren Anzahl in der Größenordnung von ca. 70 Zellen liegen kann, während die dritte Gruppe 12 eine Anzahl von größenordnungsmäßig ca. 25 Zellen aufweisen kann. Wie bekannt ist, ist dadurch sichergestellt, dass alle der Zellen auch bei hoher Wasserstoffausnutzung angemessen Wasserstoff erhalten, vorausgesetzt die letzte Gruppe der Zellen 12 erhält in angemessenem Umfang Wasserstoff.
Unter Bezugnahme auf 1 liefert während der Erzeugung von Elektrizität im normalen Brennstoffzellen-Betriebsmodus eine Mikrosteuerung 25 ein Signal auf einer Leitung 26, das ein Brennstoffeintrittsventil 16 öffnet, um der Eingangsverzweigungseinrichtung 17 Brennstoff zuzuführen. Der Prozessor 25 liefert ferner ein Signal auf einer Leitung 27, um ein normales Brennstoffaustrittsventil 23 in einen geöffneten Zustand zu bringen. In diesem Zustand tritt der Brennstoff in die Eingangsverzweigungseinrichtung 17 ein, strömt durch die Gruppe 10 der Zellen 13 in die erste Umlenkverzweigungseinrichtung 19, durch die Gruppe 11 der Zellen 13, durch die zweite Umlenkverzweigungseinrichtung 20, durch die Gruppe 12 der Zellen 13, durch die Ausgangsverzweigungseinrichtung 22, durch das Austrittsventil 23 sowie zu der Austrittseinrichtung 30.
Der Brennstoffzellenstapel kann einen von einer Pumpe 39 betriebenen Umlaufkreislauf 38 aufweisen, wobei all dies in herkömmlicher Weise erfolgen kann; die Verwendung eines Umlaufkreislaufs ist jedoch optional.
In der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 09/742,481 , eingereicht am 20. Dezember 2000, der Anmelderin ist gezeigt, dass je rascher der frische wasserstoffhaltige Brennstoff beim Anfahren durch das Anodenströmungsfeld hindurchströmt, um die darin vorhandene Luft zu verdrängen, desto schneller bewegt sich die Wasserstoff/Luft-Grenzfläche durch das Anodenströmungsfeld hindurch und desto geringer ist die Zeit für das Auftreten von Korrosion des Platinkatalysators und des Katalysatorträgers.
In der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 09/921,809 , angemeldet am 03. August 2001, weist ein kaskadenartiges Reaktionspartnerströmungsfeld eines Brennstoffzellenstapels zusätzliche Brennstoffeintrittsventile auf, um Eingangsbrennstoff direkt jeder Kaskade des Stapels zuzuführen, und weist ferner wenigstens ein zusätzliches Austrittsventil auf, um den Brennstoff direkt von jeder Kaskade des Stapels abzuführen. Dies kann zum raschen Ausbreiten des Brennstoffs in dem Brennstoffströmungsfeld während des Anfahrens verwendet werden.
Obwohl ein rascher Durchspülvorgang die vorstehend geschilderten Anfahrprobleme vermindert, ist der Leistungsabfall von kaskadierten Brennstoffzellenstapeln immer noch inakzeptabel.
Ferner ist es in der Technik bekannt, wie auch in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 10/305,301 , angemeldet am 26. November 2002, gezeigt ist, eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung 45 über die elektrischen Hauptausgangsanschlüsse 46, 47 zu schalten, sobald eine durchschnittliche Spannung pro Zelle von ca. 0,2 Volt von einer Spannungserfassungsvorrichtung 48 detektiert wird, wodurch die Mikrosteuerung 25 zum Schließen eines Schalters 50 veranlasst wird. Bei der vorstehend genannten Anmeldung handelt es sich bei der Spannungsbegrenzungsvorrichtung einfach um einen Hilfslastwiderstand.
Wenn festgestellt wird, und zwar entweder durch das Verstreichen der Zeit oder durch Erfassen von Parametern des Brennstoffzellenstapels, dass ein normaler Betrieb erzielt werden kann, schließt die Mikrosteuerung 25 einen Schalter 52, um die Hauptlast 53 über die elektrischen Brennstoffzellen-Ausgangsanschlüsse 46, 67 zu schalten, und öffnet den Schalter 50.
Wenn die Spannungsbegrenzungsvorrichtung nicht über den Stapel geschaltet ist, während die Gruppen der Zellen 10 mit Wasserstoff versorgt wird, dann weisen diese Zellen eine übermäßige Spannung auf, woraus Kohlenstoffkorrosion und letztendliche Leistungsverluste resultieren. Wenn andererseits die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 45 über den Stapel geschaltet wird, bevor der Wasserstoff die zweite und die dritte Gruppe 11, 12 von Zellen erreicht, werden die Anoden in den Zellen in der zweiten und der dritten Gruppe auf ein erhöhtes Potential gebracht, das zu Korrosion des kohlenstoffhaltigen Katalysatorträgers sowie von anderen Komponenten der Zellen führt.
Die vorstehend geschilderten Probleme haben zu der Schlussfolgerung geführt, dass Brennstoffzellenstapel mit kaskadenartiger Brennstoffzufuhr aufgrund der Gewissheit eines frühzeitigen Leistungsabfalls nicht praktikabel sind.
Offenbarung der Erfindung
Gesichtspunkte der Erfindung beinhalten: Einen Brennstoffzellenstapel mit dem Vorteil einer hohen Brennstoffausnutzung bei einem kaskadenartigen Brennstoffströmungsfeld ohne die Anfahrprobleme, wie z.B. Rückwärtsspannung der Zellen, Kohlenstoffkorrosion und Leistungsverlust, wie diese bisher in Verbindung damit aufgetreten sind; sowie einen verbesserten Brennstoffzellenstapel, der kaskadenartige Strömungsfelder verwendet und bei dem keine ungewöhnliche Beeinträchtigung von Katalysatoren und anderen Teilen als Ergebnis von häufigen Stilllegungs- und Anfahrvorgängen auftritt.
Die vorliegende Erfindung basiert zum Teil auf unserer Feststellung, dass die Brennstoffverteilung in den verschiedenen Gruppen von Brennstoffzellen innerhalb eines kaskadierten Brennstoffzellenstapels betriebsmäßig ineffektiv ist sowie zum Teil auf die Tatsache, dass die Spannungssteuerung während des Anfahrens und Stilllegens eines Brennstoffzellenstapels in Verbindung mit jeder Gruppe von Brennstoff erhaltenden Brennstoffzellen erfolgen muss.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Kaskade von Gruppen von Brennstoffzellen, die in einer seriellen Brennstoffströmungsanordnung angeordnet sind, eine Eingangsbrennstoff verteilende Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung für jede Gruppe der Serienanordnung, um dadurch für eine betriebsmäßig angemessene Brennstoffverteilung in jeder Gruppe der Brennstoffzellen zu sorgen. Weiterhin erfolgt bei der Erfindung die Spannungssteuerung während des Anfahrens eines Brennstoffzellenstapels in einem kaskadierten Brennstoffzellenstapel mit serieller Brennstoffströmung jeweils pro Gruppe von Brennstoffzellen, um dadurch direkt auf das Einleiten von Brennstoff in jede Gruppe zu reagieren.
Die Erfindung ermöglicht das Anfahren von jeder Gruppe einer kaskadierten Gruppe von Brennstoffzellen in einem Stapel jeweils pro Gruppe, wobei jede Gruppe vorteilhafte Anfahrbedingungen aufweist, wie dies auch bei einzelnen, nicht kaskadierten Brennstoffzellenstapeln der Fall ist, die im Stand der Technik bekannt sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines drei Gruppen aufweisenden, kaskadierten Brennstoffzellenstapels, wie er im Stand der Technik bekannt ist;
2 eine schematische Darstellung eines exemplarischen, drei Gruppen aufweisenden, kaskadierten Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3 bis 5 fragmentarische, vereinfachte schematische Darstellungen von verschiedenen Spannungsbegrenzungsvorrichtungen.
Verfahrensweise(n) zum Ausführen der Erfindung
Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet ein erfindungsgemäßer kaskadierter Brennstoffzellenstapel 9a eine Eingangsbrennstoff verteilende Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung 17a an dem Eingang zu den Brennstoffströmungsfeldern der Brennstoffzellen 13 in der ersten Gruppe 10. Bei der Brennstoff verteilenden Verzweigungseinrichtung 17a kann es sich um eine kaskadenartige Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung handeln, wie diese in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 10/269,654 , angemeldet am 10. Oktober 2002, beschrieben ist. Die dort offenbarte Vorrichtung teilt den Brennstoff mehrmals, wie z.B. viermal, so dass der Brennstoff über den gesamten Stapel von Brennstoffzellen gleichmäßig verteilt wird, so dass jedes Brennstoffzellen-Brennstoffströmungsfeld eine gleichmäßige Menge an Brennstoff gleichzeitig mit den Brennstoffströmungsfeldern der anderen Brennstoffzellen erhält. Die Brennstoff verteilende Verzweigungseinrichtung 17a kann auch in Form einer als durchlässige Strömungsleiteinrichtung ausgebildeten Eingangsbrenngasverteilers vorliegen, wie er in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen (internes Aktenzeichen C-2950) offenbart ist, die am 15. Dezember 2003 angemeldet wurde und den Titel "Durchlässiger Eingangsbrenngasverteiler für Brennstoffzellen" trägt, wobei Brennstoff dadurch gleichmäßig verteilt wird, dass er zwangsweise durch eine durchlässige Strömungsleiteinrichtung hindurchgeführt wird, die porös sein kann, Öffnungen aufweisen kann, in Form eines Siebes, Gitters oder anderer Materialien vorliegen kann. Oder es können andere Eingangsbrennstoff verteilende, zusammengesetzte Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtungen verwendet werden.
Der durch die Brennstoffströmungsfelder der ersten Gruppe 10 von Brennstoffzellen 13 hindurch tretende Brennstoff erreicht eine Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung 19a, die an sich nicht in direkter Verbindung mit den Brennstoffzellen 13 der Gruppe 11 steht. Stattdessen speist die Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung 19a eine Brennstoffleitung 19b, die wiederum eine weitere Brennstoff verteilende Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung 19c speist. Obwohl die Verzweigungseinrichtungen 17a, 20a und 20c und die Brennstoffleitung 20b als separate Elemente dargestellt sind, können diese auch zu einer einzigen Konstruktion integriert werden; in ähnlicher Weise können auch die Verzweigungseinrichtungen 19a, 19c und 22 zusammen mit der Brennstoffleitung 19b zu einer einzigen Konstruktion integriert werden. Diese Verzweigungseinrichtung verteilt in ähnlicher Weise wie die Verzweigungseinrichtung 17a den Brennstoff in gleichmäßiger Weise über die gesamte Gruppe 11 von Brennstoffzellen 13. Dies steht im Gegensatz zu der Art der Brennstoffverteilung im Stand der Technik, wie er in 1 dargestellt ist und bei dem eine inhärente Tendenz dafür besteht, dass die am nähesten bei der Gruppe 10 befindlichen Brennstoffzellen 13 der Gruppe 11 den Brennstoff als Erstes empfangen und dabei mehr Brennstoff erhalten als diejenigen Brennstoffzellen 10, die näher bei der Gruppe 12 angeordnet sind. Dies ist ein wesentlicher Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung.
Anstatt einer einfachen Umlenkverzweigungseinrichtung zwischen der Gruppe 11 und der Gruppe 12 weist die Gruppe 11 eine Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung 20a auf, die eine Brennstoffleitung 20b speist, die den Brennstoff zu einer weiteren Brennstoff verteilenden Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung 20c ähnlich den anderen Verzweigungseinrichtungen 17a, 19c zuführt. Dies wiederum führt zu einer gleichmäßigen und gleichzeitigen Strömung von Brennstoff beim Eintritt in die Brennstoffströmungsfelder der Brennstoffzellen 13 in der Gruppe 12. Dies steht im Gegensatz zu der beim Stand der Technik der 1 dargestellten Tendenz, dass der Brennstoff in diejenigen Brennstoffzellen 13 der Gruppe 12 eintritt, die sich näher bei der Gruppe 11 befinden, so dass weniger Brennstoff sowie eine Verzögerung bei der Ankunft des Brennstoffs für die von der Gruppe 11 weiter beabstandeten Brennstoffzellen 13 entstehen. Die Gruppe 12 der Brennstoffzellen 13 steht insgesamt mit einer Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung 22 in Verbindung, die wiederum die in 1 dargestellte Brennstoffumlaufeinrichtung 38, 39 speisen kann, falls dies gewünscht ist.
Ein erster Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beinhaltet somit das gleichmäßige Verteilen des Brennstoffs auf jede Gruppe nacheinander, so dass alle der Brennstoffzellen in einer bestimmten Gruppe gleichzeitig mit den anderen Brennstoffzellen der gleichen Gruppe eine gleichmäßige Menge an Brennstoff erhalten.
Ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beinhaltet stapelmäßig untergeordnete Spannungsüberwachungseinrichtungen 48a bis 48c, die wiederum die Mikrosteuerung 25 dazu veranlassen, separate Spannungsbegrenzungsvorrichtungsschalter 50a bis 50c zu betätigen. Die stapelmäßig untergeordneten Überwachungseinrichtungen 48a bis 48c sind entweder mit zwei leitfähigen Separatorplatten 58, 59 oder mit einer Endplatte 56, 57 und einer Separatorplatte 58, 59 verbunden.
Beim Anfahren der Brennstoffzelle öffnet die Mikrosteuerung das Ventil 16 mittels eines Signals auf der Leitung 26, und Wasserstoff beginnt durch die Brennstoff verteilende Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung 17a hindurch zu strömen. Der Brennstoff tritt gleichzeitig in die Zellen ein, und dies führt zur Entwicklung einer Spannung zwischen der Endplatte 57 und der Separatorplatte 59. Wenn die stapelmäßig untergeordnete Spannungsüberwachungseinrichtung 48a eine geeignete durchschnittliche Zellenspannung feststellt, die in der Größenordnung von 0,2 Volt pro Zelle liegen könnte, schließt die Mikrosteuerung 25 den Schalter 50a, der die Spannungsbegrenzungsvorrichtung über die Gruppe 10 von Brennstoffzellen 13 schaltet. Die beiden anderen Brennstoffzellengruppen haben noch keinen Brennstoff erhalten und sind noch nicht mit der Spannungsbegrenzungsvorrichtung verbunden. Sobald Brennstoff in die Gruppe 11 der Brennstoffzellen 13 einzutreten beginnt, wobei er durch die Brennstoff verteilende Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung 19c gleichmäßig verteilt wird, beginnt sich die Zellenspannung zwischen der Separatorplatte 58 und der Separatorplatte 59 aufzubauen. Wenn die stapelmäßig untergeordnete Spannungsüberwachungseinrichtung 48b eine angemessene Spannung feststellt, die in der Größenordnung von 0,2 Volt pro Zelle liegen kann, veranlasst die Mikrosteuerung 25 den Schalter 50b zu schließen und den Schalter 50a im Anschluss daran zu öffnen, um dadurch die Gruppe 11 über die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 45 durch den Schalter 50b mit der Gruppe 10 in Reihe zu schalten. Auf diese Weise wird die Spannung zu dem geeigneten Zeitpunkt begrenzt, wenn sich Brennstoff in den Brennstoffströmungsfeldern der Brennstoffzellen 13 aufbaut.
Schließlich erreicht der Brennstoff die Brennstoff verteilende Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung 20c, und es beginnt ein Spannungsaufbau zwischen der Endplatte 56 und der Separatorplatte 58. Wenn die stapelmäßig untergeordnete Spannungsüberwachungseinrichtung 48c eine durchschnittliche Spannung anzeigt, die in der Größenordnung von 0,2 Volt pro Zelle liegen kann, schließt die Mikrosteuerung 25 den Schalter 50c und öffnet danach den Schalter 50b, so dass alle drei Gruppen 10 bis 12 durch den Schalter 50 über die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 45 miteinander verbunden werden. Wenn die Mikrosteuerung feststellt, dass alle drei Gruppen normal arbeiten, veranlasst sie den Schalter 52 zu schließen, um dadurch die Hauptlast 53 über den Stapel 9a zu schalten, indem sie diese mit den Druckplatten 56, 57 verbindet, wobei die Mikrosteuerung den Schalter 50c unmittelbar öffnet.
Wie bekannt ist, wird beim Stilllegen die Luftzufuhr zu der Kathode ausgeschaltet, wonach die Mikrosteuerung den Schalter 50c schließt, so dass die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 45 die Energie verbraucht, während der Sauerstoff in den Kathoden-Oxidationsmittelkanälen von allen drei Gruppen 10 bis 12 aufgezehrt wird. Anschließend sperrt die Mikrosteuerung 25 die Brennstoffzufuhr mittels des Ventils 16; der Schalter 50c bleibt bis zu dem nächsten Zeitpunkt, zu dem der Brennstoffzellenstapel in Betrieb genommen werden soll, typischerweise geschlossen.
Bei der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 45 kann es sich um eine einfache Widerstands-Hilfslast 45a (4) handeln, wie dies in der bereits genannten Anmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 10/305,301 der Fall ist, oder es kann sich um eine Widerstandslast 45b (5) handeln, die durch eine Steuerung 45c und einen Schalter 45d in der Art in einer Impulsbreitenmodulation angeschlossen und getrennt wird, wie dies in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 10/681,493 offenbart ist, die am 07. Oktober 2003 eingereicht wurde. Bei der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 45 kann es sich um eine Energierückgewinnungs- und Speichervorrichtung handeln, wie diese in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 10/669,273 , angemeldet am 23. September 2003, offenbart ist, die Batterien 45e (6) und Kondensatoren sowie Aufwärts-Abwärts-Steuerungen 45f beinhaltet.
3 veranschaulicht, dass anstatt einer einzigen Spannungsbegrenzungsvorrichtung 45 für den gesamten Stapel jede Gruppe auch ihre eigene Spannungsbegrenzungsvorrichtung 45g bis 45i aufweisen kann; in diesem Fall bleibt jeder Schalter 50a bis 50c, sobald dieser einmal geschlossen ist, in dem geschlossenen Zustand, bis die Mikrosteuerung den Schalter 52 schließt.
Obwohl vorliegend eine Konfiguration mit drei Gruppen offenbart ist, kann die Erfindung auch bei kaskadierten Brennstoffzellenstapeln mit nur zwei Gruppen oder mit drei, vier oder mehr Gruppen verwendet werden. Die die Spannungsbegrenzung betreffenden Gesichtspunkte der Erfindung werden vorzugsweise mit den die Eingangsbrennstoffverteilung betreffenden Gesichtspunkten der Erfindung verwendet, jedoch können die verschiedenen Gesichtspunkte der Erfindung auch separat verwendet werden.
Zusammenfassung
Ein kaskadierter Brennstoffzellenstapel (9a) beinhaltet eine Mehrzahl von Gruppen (10 bis 12) von Brennstoffzellen (13), die mittels leitfähiger Separatorplatten (58, 59) und Stromsammel-Druckplatten (56, 57) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jede Gruppe besitzt eine Eingangsbrennstoff verteilende Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung (17a, 19c, 20c), wobei eine Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung (19a, 20a) jeder Gruppe mit Ausnahme der letzten Gruppe die Eingangsverzweigungseinrichtung jeder nachfolgenden Gruppe speist. Eine Mikrosteuerung spricht auf Signale von einer Mehrzahl von Spannungserfassungsvorrichtungen (48a bis 48c) an, um entsprechende Schalter (50a bis 50c) dazu zu veranlassen, (a) jede Gruppe sowie alle vorausgehenden Gruppen in der Abfolge mit einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung (45) zu verbinden oder (b) jede Gruppe ansprechend auf die Erfassung einer vorbestimmten durchschnittlichen Zellenspannung über der entsprechenden Gruppe mit ihrer eigenen Spannungsbegrenzungsvorrichtung (45a bis 45c) zu verbinden. Wenn ein normaler Betrieb stattfindet, schaltet die Mikrosteuerung die Hauptlast in die Verbindung und trennt die Spannungsbegrenzungsvorrichtung ab (53) (25).

Claims

Kaskadierter Brennstoffzellenstapel (9a), der zum Schaffen von elektrischer Ausgangsleistung betreibbar ist und der Folgendes aufweist: mindestens zwei Gruppen (10 bis 12) von Brennstoffzellen (13), die in einer Abfolge mit einer ersten Gruppe (10) und einer letzten Gruppe (12) in brennstoffmäßig serieller Beziehung angeordnet sind, so dass Brennstoff von jeder Gruppe mit Ausnahme der letzten Gruppe in die nächstfolgende Gruppe der Abfolge hinein strömt und so dass jede Gruppe mit Ausnahme der ersten Gruppe Brennstoff von der unmittelbar vorausgehenden Gruppe in der Abfolge empfängt, wobei die Gruppen der Brennstoffzellen zwischen ein Paar von Stromsammel-Druckplatten (56, 57) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei eine Druckplatte mit der ersten Gruppe verbunden ist und eine weitere Druckplatte mit der letzten Gruppe verbunden ist; eine Steuerung (25); eine Hauptlast (53); einen Schalter (52), der von der Steuerung betätigbar ist, um die Hauptlast mit den Druckplatten zu verbinden, so dass die elektrische Ausgangsleistung des Stapels die Last betreibt; und eine (45) oder mehrere (45a bis 45c) Spannungsbegrenzungsvorrichtungen, wobei die Spannungsbegrenzungsvorrichtungen ausgewählt sind aus (a) einer Hilfswiderstandslast (4, 5) und (b) einem Energiespeichersystem (6); dadurch gekennzeichnet, dass jede der Gruppen von Brennstoffzellen eine Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung (19a, 19c, 22) und eine Eingangsbrennstoff verteilende Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung (17a, 20a, 20c) aufweist, wobei die Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung jeder Gruppe mit Ausnahme der letzten Gruppe mit der Eingangsbrennstoff verteilenden Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung der nächstfolgenden Gruppe in der Abfolge verbunden ist und die Brennstoff verteilende Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung jeder Gruppe mit Ausnahme der ersten Gruppe mit der Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung der unmittelbar vorausgehenden Gruppe in der Abfolge verbunden ist; dass eine leitfähige Separatorplatte (58, 59) zwischen einander benachbarten Gruppen angeordnet ist; dass eine Mehrzahl von Spannungserfassungsvorrichtungen (48a bis 48c) vorhanden ist, die jeweils entweder (c) mit zwei der Separatorplatten oder (d) mit einer der Separatorplatten und einer der Druckplatten verbunden sind, wobei jede Spannungserfassungsvorrichtung ansprechend auf das Vorhandensein einer vorbestimmten durchschnittlichen Zellenspannung über einer entsprechenden Gruppe der Gruppen der Steuerung ein Signal zuführt; und dass eine Mehrzahl von Schaltern (50a bis 50c) vorhanden ist, und zwar einer für jede der Gruppen, wobei jeder der Schalter von der Steuerung ansprechend auf ein Signal von einer entsprechenden der Spannungserfassungsvorrichtungen betätigbar ist, um eine entsprechende der Gruppen mit einer der Spannungsbegrenzungsvorrichtungen elektrisch zu verbinden.
Kaskadierter Brennstoffzellenstapel (9a), der zum Schaffen von elektrischer Ausgangsleistung betreibbar ist und der Folgendes aufweist: mindestens zwei Gruppen (10 bis 12) von Brennstoffzellen (13), die in einer Abfolge mit einer ersten Gruppe (10) und einer letzten Gruppe (12) in brennstoffmäßig serieller Beziehung angeordnet sind, so dass Brennstoff von jeder Gruppe mit Ausnahme der letzten Gruppe in die nächstfolgende Gruppe in der Abfolge strömt und so dass jede Gruppe mit Ausnahme der ersten Gruppe Brennstoff von der unmittelbar vorausgehenden Gruppe in der Abfolge empfängt, wobei die Gruppen der Brennstoffzellen zwischen ein Paar Stromsammel-Druckplatten (56, 57) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei eine Druckplatte mit der ersten Gruppe verbunden ist und eine weitere Druckplatte mit der letzten Gruppe verbunden ist; eine Steuerung (25); eine Hauptlast (53); dadurch gekennzeichnet, dass jede der Gruppen von Brennstoffzellen eine Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung (19a, 19c, 22) und eine Ein gangsbrennstoff verteilende Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung (7a, 20a, 20c) aufweist, wobei die Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung jeder Gruppe mit Ausnahme der letzten Gruppe mit der Eingangsbrennstoff verteilenden Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung der nächstfolgenden Gruppe in der Abfolge verbunden ist (18b, 20b) und wobei die Brennstoff verteilende, zusammengesetzte Brennstoffeingangsverzweigungseinrichtung jeder Gruppe mit Ausnahme der ersten Gruppe mit der Brennstoffausgangsverzweigungseinrichtung der nächstfolgenden Gruppe in der Abfolge verbunden ist.
Kaskadierter Brennstoffzellenstapel (9a), der zum Schaffen von elektrischer Ausgangsleistung betreibbar ist und der Folgendes aufweist: mindestens zwei Gruppen (10 bis 12) von Brennstoffzellen (13), die in einer Abfolge mit einer ersten Gruppe (10) und einer letzten Gruppe (12) in brennstoffmäßig serieller Beziehung angeordnet sind, so dass Brennstoff von jeder Gruppe mit Ausnahme der letzten Gruppe in die nächstfolgende Gruppe in der Abfolge strömt und so dass jede Gruppe mit Ausnahme der ersten Gruppe Brennstoff von der unmittelbar vorausgehenden Gruppe in der Abfolge empfängt, wobei die Gruppen der Brennstoffzellen zwischen ein Paar Stromsammel-Druckplatten (56, 57) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei eine Druckplatte mit der ersten Gruppe verbunden ist und eine weitere Druckplatte mit der letzten Gruppe verbunden ist; eine Steuerung (25); eine Hauptlast (53); einen Schalter (52), der von der Steuerung betätigbar ist, um die Hauptlast mit den Druckplatten zu verbinden, so dass die elektrische Ausgangsleistung des Stapels die Last betreibt; und eine (45) oder mehrere (45g bis 45i) Spannungsbegrenzungsvorrichtungen, wobei die Spannungsbegrenzungsvorrichtungen ausgewählt sind aus (a) einer Hilfswiderstandslast (45a, 45b) und (b) einem Energiespeichersystem (45c); gekennzeichnet durch: eine leitfähige Separatorplatte (58, 59), die zwischen einander benachbarten der Gruppen angeordnet ist; eine Mehrzahl von Spannungserfassungsvorrichtungen (48a bis 48c), die jeweils entweder (c) mit zwei der Separatorplatten oder (d) mit einer der Separatorplatten und einer der Druckplatten verbunden sind und die jeweils ansprechend auf das Vorhandensein einer vorbestimmten durchschnittlichen Zellenspannung über einer entsprechenden der Gruppen ein Signal an die Steuerung liefern; und durch eine Mehrzahl von Schaltern (50a bis 50c), und zwar jeweils einen Schalter für jede Gruppe, wobei die Schalter von der Steuerung jeweils ansprechend auf das Signal von einer entsprechenden der Spannungserfassungsvorrichtungen betätigbar sind, um eine entsprechende der Gruppen mit einer der Spannungsbegrenzungsvorrichtungen elektrisch zu verbinden.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 3, wobei eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung (45) vorhanden ist, von der eine erste Seite mit der einen von den Druckplatten (57) verbunden ist, die mit der ersten Gruppe (10) verbunden ist; und wobei jeder der Schalter (50a bis 50c) durch das entsprechende Signal betätigbar ist, um eine entsprechende der Gruppen (10 bis 12) sowie alle der dieser einen Gruppe in der Abfolge vorausgehenden Gruppen (11, 12) mit einer zweiten Seite der einen Spannungsbegrenzungsvorrichtung zu verbinden.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 3, wobei eine separate Spannungsbegrenzungsvorrichtung (45g bis 45i) für jede der Gruppen vorhanden ist; und wobei jeder der Schalter (50a bis 50c) durch ein entsprechendes Signal betätigbar ist, um eine entsprechende der Gruppen (10 bis 12) über eine entsprechende der Spannungsbegrenzungsvorrichtungen elektrisch zu verbinden.