Gas control and operating method for a fuel cell system for water and gas distribution

专利摘要:
Es ist ein Gassteuer- und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem zur verbesserten Wasser- und Gasverteilung offenbart. Die vorliegende Erfindung sieht eine Ausführung eines Brennstoffzellensystems vor, das eine Steuerung des Anodenreaktanden und Anodenabflusses durch die Anodenanteile des Brennstoffzellensystems zulässt, um eine Wasser- und Gaverteilung auf der Anodenseite der Brennstoffzellen zu verbessern, was die Spannungsstabilität der Brennstoffzellen steigert.A gas control and operating method for a fuel cell system for improved water and gas distribution is disclosed. The present invention provides an embodiment of a fuel cell system that allows control of the anode reactant and anode effluent through the anode portions of the fuel cell system to enhance water and gas distribution on the anode side of the fuel cells, which increases the voltage stability of the fuel cells.
公开号:DE102004031162A1
申请号:DE102004031162
申请日:2004-06-28
公开日:2005-01-27
发明作者:Robert Schäfer；Peter Willimowski
申请人:Motors Liquidation Co；
IPC主号:H01M8-04

专利说明:
[0001] Dievorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellensystemeund insbesondere ein Gassteuer- und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystemzur verbesserten Wasser- und Gasverteilung.TheThe present invention relates generally to fuel cell systemsand more particularly to a gas control and operating method for a fuel cell systemfor improved water and gas distribution.
[0002] H₂-O₂(Luft)-Brennstoffzellensind in der Technik gut bekannt und für viele Anwendungen als Energie-bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Es existieren verschiedeneTypen von H₂-O₂-Brennstoffzellen,die den Säuretyp,den alkalischen Typ, den Schmelzcarbonattyp und den Festoxidtypumfassen. So genannte PEM-Brennstoffzellen (Brennstoffzellen mitProtonenaustauschmembran) (auch bekannt als SPE-Brennstoffzellen(Brennstoffzellen mit Festpolymerelektrolyt)) sind vom Säuretyp,besitzen potentiell eine hohe Leistung wie auch ein niedriges Gewichtund sind demgemäß für mobileAnwendungen (wie beispielsweise Elektrofahrzeuge) gut geeignet.PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfasseneine "Membranelektrodenanordnung" (auch bekannt alsMEA) mit einem dünnen,protonendurchlässigenFestpolymermembranelektrolyt, der auf einer seiner Seiten eine Anode undauf der gegenüberliegendenSeite eine Kathode umfasst. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paarelektrisch leitender Elemente angeordnet, die (1) als Stromkollektorenfür dieAnode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und / oder Öffnungendarin zur Verteilung der gasförmigenReaktanden der Brennstoffzelle überdie Oberflächender jeweiligen Ano den- und Kathodenkatalysatoren umfassen. Zur Bildungeines PEM-Brennstoffzellenstapels bzw.-stacks wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt.H ₂ -O ₂ (air) fuel cells are well known in the art and have been proposed for many applications as a source of energy or power. There are various types of H ₂ -O ₂ fuel cells which include the acid type, the alkaline type, the melt carbonate type and the solid oxide type. So-called PEM fuel cells (proton exchange membrane fuel cells) (also known as SPE fuel cells (solid polymer electrolyte fuel cells)) are of the acid type, potentially have high performance as well as low weight and are thus well suited for mobile applications (such as electric vehicles) , PEM fuel cells are well known in the art and include a "membrane electrode assembly" (also known as MEA) with a thin, proton-permeable solid polymer membrane electrolyte comprising an anode on one side and a cathode on the opposite side. The MEA is sandwiched between a pair of electrically conductive elements which (1) serve as current collectors for the anode and cathode and (2) suitable channels and / or openings therein for distributing the gaseous reactants of the fuel cell across the surfaces of the respective anode. and cathode catalysts. To form a PEM fuel cell stack, a plurality of individual cells are bundled together.
[0003] BeiPEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff)und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel bzw. Oxidans).Demgemäß wird dieAnodenseite des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigenGas versorgt, und die Kathodenseite wird mit Luft versorgt. Während derUmwandlung des Anodenreaktanden und des Kathodenreaktanden in elektrischeEnergie erzeugt die Brennstoffzelle Anoden- und Kathodenabflüsse. DieAnodenseite wird typischerweise in einer Betriebsart "ohne Rückfluss" (engl. "dead head mode) betrieben,bei der der Anodenabfluss nicht kontinuierlich von dem Brennstoffzellenstapelausgetragen wird. Bei diesem Betriebstyp sammelt sich Stickstoffin der Anodenseite der Brennstoffzellen aufgrund der Diffusion durch dieMEA an. Zusätzlichsammelt sich auch Wasser in der Anodenseite. Die Ansammlung vonWasser und Stickstoff resultiert in einer Verringerung der Leistungsfähigkeitder Brennstoffzellen wie auch der Spannungsstabilität der einzelnenBrennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels. Diese Ansammlung ist typischerweisein lokalen Abschnitten der Anodenseite der Brennstoffzellen konzentriertund kann als Folge dessen bewirken, dass eine Verringerung der Leistungwie auch der Spannungsstabilitätder Brennstoffzellen schnell auftreten kann. Diese lokale Ansammlungbewirkt die Verringerung der Leistung wie auch der Spannungsstabilität der Brennstoffzelle, bevorder verbleibende Anteil der Brennstoffzelle beeinträchtigt wird.atPEM fuel cell is hydrogen of the anode reactant (i.e., fuel)and oxygen is the cathode reactant (i.e., oxidant).Accordingly, theAnode side of the fuel cell stack with hydrogen or a hydrogen-containingGas is supplied, and the cathode side is supplied with air. During theConversion of the anode reactant and the cathode reactant into electricalEnergy generates the fuel cell anode and cathode outflows. TheAnode side is typically operated in a "dead head mode" mode,in which the anode effluent is not continuous from the fuel cell stackis discharged. Nitrogen accumulates in this type of operationin the anode side of the fuel cells due to diffusion through theMEA on. additionallyWater also accumulates in the anode side. The accumulation ofWater and nitrogen results in a reduction in performancethe fuel cells as well as the voltage stability of the individualFuel cells of the fuel cell stack. This collection is typicalconcentrated in local sections of the anode side of the fuel cellsand, as a result, can cause a reduction in performanceas well as the voltage stabilitythe fuel cell can occur quickly. This local collectioncauses the reduction of the power as well as the voltage stability of the fuel cell beforethe remaining portion of the fuel cell is affected.
[0004] Umdie Stickstoff- und Wasseransammlungen in der Anodenseite zu verringern,wird die Anodenseite mit Anodenreaktand gespült, während der Anodenabfluss vonder Anodenseite entlüftetwird. Jedoch führtdas Spülender Anodenseite mit dem Anodenreaktand zu einem Anodenabfluss, dereine großeMenge Wasserstoff enthält,und führtdadurch zu einem höherenWasserstoffverbrauch. Somit besteht Bedarf, die Situation der Ansammlungzu verbessern.Aroundto reduce nitrogen and water build-up in the anode side,The anode side is purged with anode reactant while the anode effluent fromthe anode side ventedbecomes. However, leadsthe rinsethe anode side with the anode reactant to an anode effluent, thea bigContains amount of hydrogen,and leadsthereby to a higher oneHydrogen consumption. Thus, there is a need, the situation of accumulationto improve.
[0005] Dievorliegende Erfindung sieht ein Gassteuer- und Betriebsverfahrendes Brennstoffzellensystems vor, das auf die oben beschriebene Ansammlungssituationgerichtet ist. Genauer sieht die vorliegende Erfindung eine Einrichtungfür einBrennstoffzellensystem vor, die eine Steuerung des Anodenreaktandenund des Anodenabflusses durch die Anodenteilstücke des Brennstoffzellensystemsermöglicht,um eine Wasser- und Gasverteilung auf der Anodenseite der Brennstoffzellenzu verbessern, was die Spannungsstabilität der Brennstoffzellen steigert undeine Verringerung des Umfangs oder der Häufigkeit eines Spülvorgangszur Folge haben kann.TheThe present invention provides a gas control and operating methodof the fuel cell system based on the above-described accumulation situationis directed. More specifically, the present invention provides a devicefor aFuel cell system that controls the anode reactantsand the anode effluent through the anode sections of the fuel cell systemallowsto a water and gas distribution on the anode side of the fuel cellto improve, which increases the voltage stability of fuel cells anda reduction in the amount or frequency of a rinsecan result.
[0006] EinBrennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen dervorliegenden Erfindung umfasst zumindest einen Kathodenabschnittmit einem Einlass und einem Auslass. Es existieren zumindest zweiAnodenabschnitte, von denen jeder einen Einlass und einen Auslassaufweist. Der zumindest eine Kathodenabschnitt und die zumindestzwei Anodenabschnitte dienen dazu, einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktandenin dem zumindest einen Kathodenabschnitt und einen wasserstoffhaltigenAnodenreaktanden in den zumindest zwei Anodenabschnitten in Elektrizität, einenoxidationsmittelhaltigen Kathodenabfluss und einen wasser stoffhaltigenAnodenabfluss umzuwandeln. Ein erster Strömungspfad dient dazu, einenersten wasserstoffhaltigen Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einenEinlass eines ersten Anodenabschnittes der zumindest zwei Anodenabschnittezu liefern. Ein zweiter Strömungspfad dientdazu, einen zweiten wasserstoffhaltigen Zufuhrstrom aus Anodenreaktandan einen Einlass eines zweiten Anodenabschnittes der zumindest zweiAnodenabschnitte zu liefern. In dem ersten Strömungspfad ist ein erstes Ventilangeordnet, das einen Durchfluss durch den ersten Strömungspfad ändern kann,währendin dem zweiten Strömungspfadein zweites Ventil vorgesehen ist, das den Durchfluss durch denzweiten Strömungspfad ändern kann.Es ist auch ein dritter Strömungspfadvorhanden, der einen Auslass des ersten Anodenabschnittes mit einemAuslass des zweiten Anodenabschnittes verbindet, so dass der Anodenabflussvon einem der Anodenabschnitte in einen Anodenauslass des anderen Anodenabschnittesströmenkann. Ein drittes Ventil steht mit dem dritten Strömungspfadin Verbindung und dient dazu, eine Entlüftung von Anodenabfluss vondem dritten Strömungspfadzu ändern.A fuel cell system according to the principles of the present invention includes at least one cathode portion having an inlet and an outlet. There are at least two anode sections, each having an inlet and an outlet. The at least one cathode section and the at least two anode sections serve to convert an oxidant-containing cathode reactant in the at least one cathode section and a hydrogen-containing anode reactant in the at least two anode sections into electricity, an oxidant-containing cathode effluent and a water-containing anode effluent. A first flow path serves to deliver a first hydrogen-containing feed stream of anode reactant to an inlet of a first anode section of the at least two anode sections. A second flow path serves to supply a second hydrogen-containing feed stream of anode reactant to an inlet of a second anode section of the at least two ano deliver the sections. In the first flow path, a first valve is arranged, which can change a flow through the first flow path, while in the second flow path, a second valve is provided, which can change the flow through the second flow path. There is also a third flow path connecting an outlet of the first anode portion to an outlet of the second anode portion such that the anode effluent may flow from one of the anode portions into an anode outlet of the other anode portion. A third valve communicates with the third flow path and serves to change a vent of anode effluent from the third flow path.
[0007] Esist auch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystemsmit zumindest einem Kathodenabschnitt und zumindest zwei Anodenabschnittenoffenbart, die dazu dienen, einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktandund einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktand in Elektrizität, einenKathodenabfluss und einen Anodenabfluss umzuwandeln. Das Verfahrenumfasst, dass: (1) ein erster Zufuhrstrom aus Anodenreaktand aneinen ersten Anodenabschnitt der zumindest zwei Anodenabschnittegeliefert wird; (2) ein zweiter Zufuhrstrom aus Anodenreaktand aneinen zweiten Anodenabschnitt der zumindest zwei Anodenabschnittegeliefert wird; (3) ein Anodenabfluss von einem des ersten und zweiten Anodenabschnittesan den anderen des ersten und zweiten Anodenabschnittes geliefertwird; und (4) eine Menge von zumindest einem des ersten und zweitenZufuhrstroms fürAnodenreaktand, die geliefert werden, so eingestellt wird, dassalternativ der eine und dann der andere des ersten und zweiten AnodenabschnittesAnodenabfluss aufnehmen.Itis also a method of operating a fuel cell systemwith at least one cathode section and at least two anode sectionswhich serve to provide an oxidant-containing cathode reactantand a hydrogen-containing anode reactant in electricity, aConvert cathode effluent and an anode effluent. The procedurecomprising: (1) a first anode reactant feed streama first anode portion of the at least two anode portionsis delivered; (2) a second anode reactant feed streama second anode portion of the at least two anode portionsis delivered; (3) an anode effluent from one of the first and second anode sectionsdelivered to the other of the first and second anode sectionsbecomes; and (4) an amount of at least one of the first and secondFeed stream forAnode reactant, which is supplied, is adjusted so thatalternatively one and then the other of the first and second anode sectionsAbsorb anode effluent.
[0008] WeitereAnwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgendendetaillierten Beschreibung offensichtlicher. Es sei zu verstehen,dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele,währendsie die bevorzugte Ausführungsformder Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung undnicht dazu bestimmt sind, die Erfindung zu beschränken.FurtherAreas of application of the present invention will become apparent from the followingdetailed description more obvious. It should be understoodthat the detailed description as well as the specific examples,whileshe the preferred embodimentspecify the invention, for illustrative purposes only andare not intended to limit the invention.
[0009] Dievorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahmeauf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:TheThe present invention will now be described by way of example onlyto the accompanying drawings, in which:
[0010] 1 eine vereinfachte schematischeDarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystemsgemäß den Grundsätzen dervorliegenden Erfindung ist; 1 a simplified schematic representation of a preferred embodiment of a fuel cell system according to the principles of the present invention;
[0011] 2 eine vereinfachte schematischeDarstellung eines ersten alternativen Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen dervorliegenden Erfindung ist; 2 a simplified schematic representation of a first alternative fuel cell system according to the principles of the present invention;
[0012] 3 eine grafische Darstellungeines Gasströmungsmustersfür einBrennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen dervorliegenden Erfindung ist, das mit einem dazwischen stattfindendenAufstoßenbetrieben wird; 3 Fig. 10 is a graphical representation of a gas flow pattern for a fuel cell system in accordance with the principles of the present invention operated with a bellows occurring therebetween;
[0013] 4 eine grafische Darstellungeines Gasströmungsmustersfür einBrennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen dervorliegenden Erfindung mit einer kontinuierlichen Entlüftung desAnodenabflusses ist; und 4 Figure 4 is a graphical representation of a gas flow pattern for a fuel cell system according to the principles of the present invention with a continuous venting of the anode effluent; and
[0014] 5 eine vereinfachte schematischeDarstellung eines zweiten alternativen Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen dervorliegenden Erfindung ist. 5 a simplified schematic representation of a second alternative fuel cell system according to the principles of the present invention is.
[0015] Diefolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglichbeispielhaft und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendungoder ihren Gebrauch zu beschränken.TheThe following description of the preferred embodiments is merelyby way of example and not intended, the invention, its applicationor restrict their use.
[0016] In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsformeines Brennstoffzellensystems 20 gemäß den Grundsätzen dervorliegenden Erfindung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 20 undsein Betriebsverfahren, wie unten beschrieben ist, sorgen für eine verbesserteWasser- und Stickstoffverteilung über die gesamten Anodenabschnittedes Brennstoffzellensystems und vermeiden die oben beschriebenen Nachteile.Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst einen ersten undzweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24, vondenen jeder jeweils eine Kathodenseite oder ein Kathodenteilstück 26 und 28 aufweist,die bzw. das jeweils eine oxidationsmittelhaltige Kathodenreaktandenströmung aufnimmt.Der erste und zweite Brennstoffzellenstapel 22 und 24 besitzen auchjeweils eine Anodenseite oder einen Anodenteilstück 30 und 32,die bzw. das einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktandendurchflussoder -brennstoff aufnimmt. Genauer besitzt die erste Anodenseite 30 desersten Brennstoffzellenstapels 22 einen Einlassabschnitt 33 zurAufnahme von Anodenreaktandenströmungund einen Auslassabschnitt 34 zum Austrag von darin erzeugtemAnodenabfluss. Ähnlicherweisebesitzt die zweite Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 einenEinlassabschnitt 36 zur Aufnahme der Anodenreaktandenströmung undeinen Auslassabschnitt 37 zum Austrag des darin erzeugtenAnodenabflusses. Jeder Brennstoffzellenstapel 22 und 24 dientdazu, die Anoden- und Kathodenreaktanden in Elektrizität, einenwasserstoffhaltigen Anodenabfluss und einen sauerstoffhaltigen Kathodenabflussumzuwandeln.In 1 is a preferred embodiment of a fuel cell system 20 according to the principles of the present invention. The fuel cell system 20 and its method of operation, as described below, provide improved water and nitrogen distribution over the entire anode sections of the fuel cell system and avoid the disadvantages described above. The fuel cell system 20 includes a first and second fuel cell stack 22 and 24 each of which has a cathode side or a cathode section 26 and 28 which respectively receives an oxidant-containing cathode reactant flow. The first and second fuel cell stacks 22 and 24 also each have an anode side or an anode section 30 and 32 , which receives a hydrogen-containing anode reactant flow or fuel. More specifically, it has the first anode side 30 of the first fuel cell stack 22 an inlet section 33 for receiving anode reactant flow and an outlet section 34 for discharging anode effluent generated therein. Likewise, the second anode side has 32 of the second fuel cell stack 24 an inlet section 36 for receiving the anode reactant flow and an outlet section 37 for discharging the anode effluent generated therein. Every fuel cell stack 22 and 24 serves to convert the anode and cathode reactants into electricity, a hydrogen-containing anode effluent, and an oxygen-containing cathode effluent.
[0017] Derwasserstoffhaltige Anodenreaktand oder Brennstoff kann von einerVielzahl von Quellen geliefert werden. Derartige Quellen können beispielsweiseeinen Reformatstrom von einem Reformer und Wasserstoff von einerWasserstoffspeichervorrichtung umfassen. Der Kathodenreaktand kannauch aus einer Vielzahl von Quellen geliefert werden. DerartigeQuellen könnenbeispielsweise Sauerstoff, der von einer Sauerstoffspeichervorrichtunggeliefert wird, und Luft umfassen, die von der Umgebung entnommenwird, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird.Die Kathodenreaktandenlieferung an die Brennstoffzellenstapel wieauch die Entlüftung desin den Brennstoffzellenstapeln erzeugten Kathodenabflusses ist hiernicht detailliert beschrieben. Es sei zu verstehen, dass der Kathodenreaktandan die verschiedenen Brennstoffzellenstapel in einer Menge geliefertwird, die ausreicht, um die Betriebsanforderungen des Brennstoffzellensystems 20 zuerfüllen, unddass Kathodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 nachBedarf entfernt wird.The hydrogen-containing anode reactant or fuel can be supplied from a variety of sources. Such sources may include, for example, a reformate stream from a reformer and hydrogen from a hydrogen storage include. The cathode reactant can also be supplied from a variety of sources. Such sources may include, for example, oxygen provided by an oxygen storage device and air taken from the environment in which the fuel cell system 20 is used. The cathode reactant delivery to the fuel cell stacks as well as the venting of the cathode effluent generated in the fuel cell stacks are not described in detail here. It should be understood that the cathode reactant is delivered to the various fuel cell stacks in an amount sufficient to meet the operating requirements of the fuel cell system 20 to meet, and that cathode effluent from the fuel cell system 20 is removed as needed.
[0018] DerAnodenreaktand wird an das Brennstoffzellensystem 20 ineiner Menge geliefert, die ausreichend ist, um den Betriebsanforderungendes Brennstoffzellensystems 20 gerecht werden zu können. DerAnodenreaktand kann an das Brennstoffzellensystem 20 aufeine Vielzahl von Wegen geliefert werden. Beispielsweise kann eineGaseinspritzeinrichtung bzw. einen Gasinjektor (nicht gezeigt),die bzw. der einen Durchfluss durch diese zumessen kann, verwendetwerden, um einen Anodenreaktand in das Brennstoffzellensystem 20 einzuspritzen.Der an das Brennstoffzellensystem 20 gelieferte Anodenreaktandwird in einen ersten und einen zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 unterteilt,die übereinen ersten und einen zweiten Strömungspfad 44 und 46 andie jeweiligen Anodeneinlassabschnitte 33 und 36 desersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 strömen. Daserste Ventil 48 und das zweite Ventil 50 sindin dem jeweiligen ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 angeordnet.Die Ventile 48 und 50 ändern bzw. modulieren den erstenund zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 undsteuern demgemäß die Aufteilungdes an das Brennstoffzellensystem 20 gelieferten Anodenreaktanden.Genauer regeln die Ventile 48 und 50 die Mengean Anodenreaktand, die durch den ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 strömt, undsomit die Menge an Anodenreaktand, die an die Anodenseiten 30 und 32 desersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 strömt. DieVentile 48 und 50 können den an das Brennstoffzellensystem 20 strömenden Anodenreaktandenzwischen einem vollständigenDurchfluss überden ersten Strömungspfad 44 zudem ersten Brennstoffzellenstapel 22 und einem vollständigen Durchfluss über denzweiten Strömungspfad 46 zu demzweiten Brennstoffzellenstapel 24 oder in einer Kombinationdazwischen aufteilen.The anode reactant is sent to the fuel cell system 20 delivered in an amount sufficient to meet the operating requirements of the fuel cell system 20 to be fair. The anode reactant may be attached to the fuel cell system 20 be delivered in a variety of ways. For example, a gas injector (not shown) that can meter flow therethrough may be used to inject an anode reactant into the fuel cell system 20 inject. The to the fuel cell system 20 supplied anode reactant is in a first and a second Anodenreaktandenstrom 40 and 42 divided, via a first and a second flow path 44 and 46 to the respective anode inlet sections 33 and 36 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 stream. The first valve 48 and the second valve 50 are in the respective first and second flow paths 44 and 46 arranged. The valves 48 and 50 change or modulate the first and second anode reactant streams 40 and 42 and accordingly control the partitioning of the fuel cell system 20 supplied anode reactants. More precisely, the valves regulate 48 and 50 the amount of anode reactant passing through the first and second flow paths 44 and 46 flows, and thus the amount of Anodenreaktand, to the Anodenseiten 30 and 32 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 flows. The valves 48 and 50 can connect to the fuel cell system 20 flowing anode reactants between a complete flow through the first flow path 44 to the first fuel cell stack 22 and a complete flow through the second flow path 46 to the second fuel cell stack 24 or split in a combination in between.
[0019] Eindritter Strömungspfad 52 verbindetdie Auslassabschnitte 34 und 37 der jeweiligenersten und zweiten Anodenseite 30 und 32. DieVerbindung der Auslassabschnitte 34 und 37 erlaubt,dass ein Anodenabfluss, der in einem der Brennstoffzellenstapelerzeugt wird, durch den Auslass an dem anderen Brennstoffzellenstapelin die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels strömen kann,wie nachfolgend beschrieben ist. Ein drittes Ventil 54 stehtmit dem dritten Strömungspfad 52 inVerbindung und dient dazu, das Entlüften von Anodenabfluss von demBrennstoffzellensystem 20 zu ändern. Dies bedeutet, dassdas dritte Ventil 54 dazu verwendet wird, einen Anodenabflussvon dem Brennstoffzellensystem 20 selektiv zu entlüften, wienachfolgend beschrieben ist. Der von dem Brennstoffzellensystem 20 über dasVentil 54 entlüfteteAnodenabfluss wird abhängigvon seinem Wasserstoffgehalt entweder an die Atmosphäre abgegebenoder an eine unterstromige Komponente (nicht gezeigt) geliefert.Das Ventil 54 kann ein einfaches Ventil mit Offen- undGeschlossenstellung oder ein Proportionalventil sein, das so funktioniert,dass es die Menge von durch dieses hindurch strömendem Anodenabfluss regulieren kann.Die Betriebsanforderungen an das dritte Ventil 54 können abhängig davonvariieren, wie das Brennstoffzellensystem 20 betriebenwird, wie nachfolgend beschrieben ist.A third flow path 52 connects the outlet sections 34 and 37 the respective first and second anode side 30 and 32 , The connection of the outlet sections 34 and 37 allows an anode effluent generated in one of the fuel cell stacks to flow through the outlet on the other fuel cell stack into the anode side of the other fuel cell stack, as described below. A third valve 54 stands with the third flow path 52 communicates and serves to vent anode effluent from the fuel cell system 20 to change. This means that the third valve 54 is used to drain the anode from the fuel cell system 20 to selectively vent, as described below. The fuel cell system 20 over the valve 54 Vented anode effluent is either released to the atmosphere depending on its hydrogen content or delivered to a downstream component (not shown). The valve 54 may be a simple valve with open and closed positions, or a proportional valve that works to regulate the amount of anode effluent flowing through it. The operating requirements for the third valve 54 can vary depending on how the fuel cell system 20 is operated as described below.
[0020] EinMikroprozessor oder eine ähnlicheVorrichtung (nicht gezeigt) wird dazu verwendet, den Betrieb desBrennstoffzellensystems 20 zu steuern. Der Mikroprozessorsteuert den Betrieb der Ventile 48, 50 und 54.Der Mikroprozessor steuert den individuellen Betrieb der Ventile,um das Brennstoffzellensystem 20 in einer gewünschtenBetriebsart zu betreiben, wie nachfolgend beschrieben ist.A microprocessor or similar device (not shown) is used to operate the fuel cell system 20 to control. The microprocessor controls the operation of the valves 48 . 50 and 54 , The microprocessor controls the individual operation of the valves to the fuel cell system 20 to operate in a desired mode, as described below.
[0021] DieAnordnung des Brennstoffzellensystems 20, das in 1 gezeigt ist, verwendetzwei separate Brennstoffzellenstapel 22 und 24.Das Gassteuer- und Betriebsverfahren gemäß den Grundsätzen der vorliegendenErfindung kann jedoch auch mit einem Brennstoffzellensystem 20' verwendet werden,das in 2 gezeigt istund einen einzelnen Brennstoffzellenstapel 60 aufweist,der eine Anodenseite oder ein Anodenteilstück 62 umfasst, diebzw. das in zwei einzelne Anodenabschnitte 30' und 32' partitioniert oderuntergeteilt ist, die jeweils einen Anodenreaktandenstrom aufnehmen,wie nachfolgend beschrieben ist. Der einzelne Brennstoffzellenstapel 60 besitztauch eine Kathodenseite oder ein Kathodenteilstück 64, die bzw. daseinen Kathodenreaktandenstrom auf dieselbe Art und Weise, wie obenfür den erstenund zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 offenbartist, aufnimmt. Demgemäß ist dieKathodenseite 64 wie auch die Lieferung des Kathodenreaktandenund die Entfernung von Kathodenabfluss nicht weiter beschrieben.The arrangement of the fuel cell system 20 , this in 1 shown uses two separate fuel cell stacks 22 and 24 , However, the gas control and operating method according to the principles of the present invention may also be used with a fuel cell system 20 ' to be used in 2 is shown and a single fuel cell stack 60 comprising an anode side or an anode section 62 comprising, the or in two individual anode sections 30 ' and 32 ' partitioned or divided, each receiving an anode reactant stream, as described below. The single fuel cell stack 60 also has a cathode side or a cathode section 64 , the cathode reactant stream in the same manner as above for the first and second fuel cell stacks 22 and 24 is disclosed. Accordingly, the cathode side 64 as well as the delivery of the cathode reactant and the removal of cathode effluent are not further described.
[0022] Einerster Anodenabschnitt 30' besitztjeweilige Einlass- und Auslassabschnitte 33' und 34'. Ähnlicherweise besitzt ein zweiterAnodenabschnitt 32' auchjeweilige Einlass- und Auslassabschnitte 36' und 37'. Der an das Brennstoffzellensystem 20' gelieferteAnodenreaktand wird zwischen dem ersten und dem zweiten Anodenabschnitt 30' und 32' aufgeteilt, wieunter Bezugnahme auf das erste Brennstoffzellensystem 20 obenbeschrieben ist. Dies bedeutet, dass das Brennstoffzellensystem 20' auch einenersten und einen zweiten Strömungspfad 44' und 46' mit jeweiligenVentilen 48' und 50' aufweist, diedazu dienen, einen an das Brennstoffzellensystem 20' strömenden Anodenreaktandin einen ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40' und 42' zu unterteilen.Die Auslassabschnitte 34' und 36' des jeweiligen erstenund zweiten Anoden abschnitts 30' und 32' sind durch einen dritten Strömungspfad 52' miteinanderverbunden. Ein drittes Ventil 54' steht mit dem dritten Strömungspfad 52' in Verbindung,um den Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20' selektiv zuentlüften.Somit sind die Anodenteilstücke wieauch die Konfiguration, um einen Anodenreaktand an die Anodenteilstücke in demBrennstoffzellensystem 20' zuliefern, im Wesentlichen gleich denen des Brennstoffzellensystems 20.Aufgrund dieser Ähnlichkeitwird nur der Betrieb der Anodenteilstücke des Brennstoffzellensystems 20 detaillierter beschrieben.Es sei jedoch angemerkt, dass der Betrieb der Anodenteilstücke desBrennstoffzellensystems 20' imWesentlichen identisch zu dem des Brennstoffzellensystems 20 ist.A first anode section 30 ' has respective inlet and outlet sections 33 ' and 34 ' , Likewise, a second anode section has 32 ' also respective inlet and outlet sections 36 ' and 37 ' , The to the fuel cell system 20 ' GELIE The anode reactant is between the first and second anode sections 30 ' and 32 ' divided as with reference to the first fuel cell system 20 described above. This means that the fuel cell system 20 ' also a first and a second flow path 44 ' and 46 ' with respective valves 48 ' and 50 ' that serve to the fuel cell system 20 ' flowing anode reactant into a first and second anode reactant stream 40 ' and 42 ' to divide. The outlet sections 34 ' and 36 ' of the respective first and second anode section 30 ' and 32 ' are through a third flow path 52 ' connected with each other. A third valve 54 ' stands with the third flow path 52 ' in connection to the anode effluent from the fuel cell system 20 ' to vent selectively. Thus, as well as the configuration, the anode sections are an anode reactant to the anode sections in the fuel cell system 20 ' essentially equal to those of the fuel cell system 20 , Due to this similarity, only the operation of the anode sections of the fuel cell system 20 described in more detail. It should be noted, however, that the operation of the anode sections of the fuel cell system 20 ' essentially identical to that of the fuel cell system 20 is.
[0023] DasBrennstoffzellensystem 20 wird so betrieben, dass es einebekannte Leistungsbelastung oder -anforderung, die an dem Brennstoffzellensystem 20 anliegt,erfüllenkann. Dies bedeutet, dass eine Last- oder Leistungsanforderung andas Brennstoffzellensystem 20 angelegt wird und das Brennstoffzellensystem 20 aufeine Art und Weise betrieben wird, die geeignet ist, um diese Lastoder Anforderung zu erfüllen.Um die auf das Brennstoffzellensystem 20 angelegte Lasterfüllenzu können,wird der Kathodenreaktand an die Kathodenseiten 26 und 28 desersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 ineiner Menge geliefert, die ausreichend ist, um der Last gerechtzu werden. Ähnlicherweisewird Anodenreaktand an die Anodenabschnitte 30 und 32 desersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 ineiner Menge geliefert, die ausreichend ist, um der auf das Brennstoffzellensystem 20 angelegtenLast der Last gerecht zu werden. Der Kathodenabfluss wird von demersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 aufeiner Bedarfsbasis mit Ventilen in den Strömungspfaden für Kathodenabflussentlüftet,die eine Regulierung der Entlüftung desKathodenabflusses vorsehen und auch einen Solldruck in den Kathodenseiten 26 und 28 desersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 beibehalten.The fuel cell system 20 is operated so that there is a known power load or demand on the fuel cell system 20 is present. This means that a load or power requirement to the fuel cell system 20 is created and the fuel cell system 20 operated in a manner suitable to meet this load or requirement. To the on the fuel cell system 20 To be able to meet applied load, the cathode reactant becomes the cathode sides 26 and 28 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 delivered in an amount sufficient to meet the load. Likewise, anode reactant becomes attached to the anode sections 30 and 32 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 delivered in an amount sufficient to run on the fuel cell system 20 applied load to meet the load. The cathode effluent is from the first and second fuel cell stacks 22 and 24 on a demand basis with valves in the cathode drainage flow paths venting to provide regulation of the venting of the cathode effluent and also a set pressure in the cathode sides 26 and 28 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 maintained.
[0024] Derin den Anodenseiten 30 und 32 des ersten und zweitenBrennstoffzellenstapels 22 und 24 erzeugte Anodenabflussströmtaus dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 über diejeweilige Auslassabschnitte 34 und 37 heraus.Abhängigvon dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 und denDurchflussraten des ersten und zweiten Anodenreaktandenstroms 40 und 42,wie unten beschrieben ist, kann der Anodenabfluss entweder über dasVentil 54 von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet werdenoder kann in die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapelsströmen.Eine Entlüftungdes Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 kannauf eine Vielzahl von Arten ausgeführt werden. Beispielsweisekann die Entlüftung vonAnodenabfluss durch einen Aufstoßvorgang (engl. "burping"), einen diskontinuierlichenEntlüftungsvorgangoder einen kontinuierlichen Entlüftungsvorgangausgeführtwerden, wie nachfolgend beschrieben ist. Bevorzugt wird der Anodenabfluss vondem Brennstoffzellensystem 20 über einen Aufstoßvorgangoder eine Aufstoßbetriebsartentlüftet. DerAufstoßvorgangist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil 54 normalerweisegeschlossen ist und kein Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird,und der Anodenabfluss zu verschiedenen Zeiten über ein Ventil 54 für eine kurzeZeitdauer mit einer großenRate von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird.Dieser Aufstoßvorgangumfasst auch die Erhöhungder Lieferung von Anodenreaktand, der an den ersten und / oder zweitenBrennstoffzellenstapel 22 und 24 strömt, was einegrößere Durchflussratevorsieht, um Stickstoff und Wasser, die sich in den Anodenseiten 30 und/ oder 32 des ersten und / oder zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 angesammelthaben, zu spülen.The one in the anode sides 30 and 32 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 generated anode effluent flows out of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 over the respective outlet sections 34 and 37 out. Depending on the operation of the fuel cell system 20 and the flow rates of the first and second anode reactant streams 40 and 42 As described below, the anode effluent can either pass through the valve 54 from the fuel cell system 20 be vented or may flow into the anode side of the other fuel cell stack. Venting the anode effluent from the fuel cell system 20 can be done in a variety of ways. For example, venting of anode effluent may be accomplished by a burping, a batch vent, or a continuous vent, as described below. Preferably, the anode effluent from the fuel cell system 20 vented via an impingement or popping mode. The impingement process is characterized in that the valve 54 is normally closed and no anode effluent from the fuel cell system 20 is vented, and the anode effluent at different times via a valve 54 for a short period of time at a large rate of the fuel cell system 20 is vented. This impaction process also includes increasing the supply of anode reactant to the first and / or second fuel cell stacks 22 and 24 flows, which provides a greater flow rate to nitrogen and water that accumulates in the anode sides 30 and or 32 the first and / or second fuel cell stack 22 and 24 have accumulated, to rinse.
[0025] Alternativdazu kann, wie oben beschrieben ist, der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 aufeine diskontinuierliche Art und Weise entlüftet werden. Das diskontinuierlicheEntlüftendes Anodenabflusses ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil 54 normalerweisegeschlossen gehalten wird und kein Anodenabfluss entlüftet wird,und zu verschiedenen Zeiten das Ventil 54 geöffnet wirdund Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 bezüglich derAufstoßbetriebsartfür einelängere Zeitdauermit einer geringeren Rate entlüftetwird. Der diskontinuierliche Entlüftungsvorgang erfordert normalerweiseeine geringfügigeErhöhungder Durchflussrate des Anodenreaktanden durch die Ventile 48 und 50 zudem ersten und / oder zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24,um den Anodendruck im Wesentlichen konstant zu halten. Diese Steigerungist dahingehend vernachlässigbar,da sie keinen größeren Differenzdruck über dieStapel 22 und 24 oder ein stärkeres Kleinerstellen (engl. "turn down") der Ventile 48 oder 50 zurFolge hat. Es sei jedoch angemerkt, dass die niedrigere Rate derEntlüftung,die füreine längerZeitdauer auftritt, einen gleichwertigen Spülvorgang der Anodenseiten 30 und 32 desersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 vorsehenkann, um darin angesammelten Stickstoff und darin angesammeltesWasser zu entfernen. Ebenfalls kann alternativ dazu, wie oben beschriebenist, der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 aufeine kontinuierliche Art und Weise entlüftet werden. Eine kontinuierliche Entlüftung desAnodenabflusses ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil 54 sogesteuert wird, dass eine kontinuierliche Strömung von Anodenabfluss vondem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird. Diese verschiedenenVerfahren zum Entlüftenvon Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 sindnachfolgend detaillierter unter Bezugnahme auf den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 beschrieben.Alternatively, as described above, the anode effluent may be from the fuel cell system 20 be vented in a discontinuous manner. The discontinuous venting of the anode effluent is characterized in that the valve 54 is normally kept closed and no anode effluent is vented, and at various times the valve 54 is opened and anode effluent from the fuel cell system 20 is purged at a lower rate for the purging mode for a longer period of time. The discontinuous venting process normally requires a slight increase in the flow rate of the anode reactant through the valves 48 and 50 to the first and / or second fuel cell stack 22 and 24 to keep the anode pressure substantially constant. This increase is negligible in that they do not have a large differential pressure across the stacks 22 and 24 or a stronger "turn down" of the valves 48 or 50 entails. It should be noted, however, that the lower rate of venting that occurs for a longer period of time will result in an equivalent flushing of the anode sides 30 and 32 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 can provide for accumulated nitrogen and water accumulated therein to remove. Also, alternatively, as described above, the anode effluent from the fuel cell system 20 be vented in a continuous manner. A continuous venting of the anode effluent is characterized in that the valve 54 is controlled so that a continuous flow of anode effluent from the fuel cell system 20 is vented. These various methods of venting anode effluent from the fuel cell system 20 are more detailed below with reference to the operation of the fuel cell system 20 described.
[0026] Beidem bevorzugten Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 wirdein Anodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20 ineiner Menge geliefert, die ausreichend ist, um eine Last oder Anforderung zuerfüllen,die an das Brennstoffzellensystem 20 angelegt ist, undein Anodenabfluss wird in einem Aufstoßvorgang entlüftet. DerAnodenreaktand wird in einen ersten und einen zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 aufgeteilt,die durch einen jeweiligen ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 strömen. DiePartitionierung des Anodenreaktanden in den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 wirddurch das erste und zweite Ventil 48 und 50 ausgeführt. Genauerwerden die Ventile 48 und 50 so betätigt, umdie Menge von Anodenreaktand zu regulieren, der durch den erstenund zweiten Strömungspfad 44 und 46 strömt. Dererste Anodenreaktandenstrom 44 strömt durch einen Einlassabschnitt 33 indie Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22,wobei der Anodenreaktand dazu verwendet wird, elektrischen Stromzu liefern. Ähnlicherweiseströmtder zweite Anodenreaktandenstrom 42 durch den Einlassabschnitt 36 indie Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24,wobei der Anodenreaktand dazu verwendet wird, elektrischen Stromzu erzeugen. Das Ventil 54 wird in verschiedenen Intervallengeöffnet,innerhalb denen ein Aufstoßendes Brennstoffzellensystems 20 ausgeführt wird. Bei dem Aufstoßen verlassender erste und der zweite Anodenreaktandenstrom 40 und 42 diejeweiligen Anodenseiten 30 und 32 durch die Auslassabschnitte 34 und 37 alsAnodenabfluss und werden von dem Brennstoffzellensystem 20 durcheinen dritten Strömungspfad 52 undein drittes Ventil 54 entlüftet. Während des Aufstoßvorgangeswerden die Ventile 48 und / oder 50 so betätigt, dassder Durchfluss von Anodenreaktand, der an den ersten und / oderzweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 strömt, erhöht wird, waszur Folge hat, dass eine großeMenge an Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 innerhalbeiner kurzen Zeitdauer entlüftetwird und die Entfernung von Stickstoff und Wasser von Anodenseitendes ersten und / oder zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 erleichtert,wie nachfolgend beschrieben ist.In the preferred operation of the fuel cell system 20 becomes an anode reactant to the fuel cell system 20 delivered in an amount sufficient to meet a load or requirement imposed on the fuel cell system 20 is applied, and an anode effluent is vented in a puffing process. The anode reactant becomes a first and a second anode reactant stream 40 and 42 divided by a respective first and second flow path 44 and 46 stream. The partitioning of the anode reactant into the first and second anode reactant streams 40 and 42 is through the first and second valve 48 and 50 executed. The valves become more precise 48 and 50 is operated to regulate the amount of anode reactant passing through the first and second flow paths 44 and 46 flows. The first anode reactant stream 44 flows through an inlet section 33 into the anode side 30 of the first fuel cell stack 22 wherein the anode reactant is used to provide electrical power. Likewise, the second anode reactant stream flows 42 through the inlet section 36 into the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 wherein the anode reactant is used to generate electrical power. The valve 54 is opened at various intervals, within which a regurgitation of the fuel cell system 20 is performed. Upon regurgitation, the first and second anode reactant streams leave 40 and 42 the respective anode sides 30 and 32 through the outlet sections 34 and 37 as anode effluent and are from the fuel cell system 20 through a third flow path 52 and a third valve 54 vented. During the impact process, the valves 48 and or 50 so actuated that the flow of anode reactant attached to the first and / or second fuel cell stack 22 and 24 flows, which has the consequence that a large amount of anode effluent from the fuel cell system 20 is vented within a short period of time and the removal of nitrogen and water from anode sides of the first and / or second fuel cell stack 22 and 24 facilitated as described below.
[0027] DerAnodenabfluss von dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 wirdjedoch gewöhnlichnicht von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet, dadas dritte Ventil 54 gewöhnlich geschlossen ist undnur währendeines Aufstoßvorgangesgeöffnetwird. Mit anderen Worten öffnetdas Ventil 54 nur zu bestimmten Zeiten während desBetriebs des Brennstoffzellensystems 20 und ist während deranderen Zeiten geschlossen. Wenn das dritte Ventil 54 geschlossenist, kann der Anodenabfluss von dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 eventuellin den dritten Strömungspfad 52 strömen. Abhängig vonder Partitionierung des Anodenreaktanden, der an den ersten undzweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 strömt, kannder in einem der Brennstoffzellenstapel erzeugte Anodenabfluss vielmehrdurch seinen Auslassabschnitt in die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapelsströmen. Diesbedeutet, dass, wenn der erste Anodenreaktandenstrom 40 inden ersten Brennstoffzellenstapel 22 mit einer Rate eingeführt wird,die schneller ist, als die, mit der der zweite Anodenreaktandenstrom 42 in denzweiten Brennstoffzellenstapel 24 eingeführt wird,der erste Anodenreaktandenstrom 40 weiterhin durch dieAnodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 strömt und über denAuslassabschnitt 33 in den dritten Strömungspfad 52 als Anodenabflussaustritt. Der Anodenabfluss strömtsolange weiter durch den dritten Strömungspfad 52, biser auf den zweiten Anodenreaktandenstrom 42 und / oder denAnodenabfluss auftrifft oder mit diesem zusammentrifft, der über denAuslassabschnitt 37 von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24 herausströmt.The anode effluent from the first and second fuel cell stacks 22 and 24 however, usually does not come from the fuel cell system 20 vented, as the third valve 54 is usually closed and is only opened during a bumping process. In other words, the valve opens 54 only at certain times during operation of the fuel cell system 20 and is closed during the other times. If the third valve 54 is closed, the anode effluent from the first and second fuel cell stack 22 and 24 possibly in the third flow path 52 stream. Depending on the partitioning of the anode reactant attached to the first and second fuel cell stacks 22 and 24 Rather, the anode effluent generated in one of the fuel cell stacks may flow through its outlet portion into the anode side of the other fuel cell stack. This means that when the first anode reactant stream 40 in the first fuel cell stack 22 at a rate faster than that at which the second anode reactant stream is introduced 42 in the second fuel cell stack 24 is introduced, the first anode reactant stream 40 continue through the anode side 30 of the first fuel cell stack 22 flows and over the outlet section 33 in the third flow path 52 emerges as an anode effluent. The anode effluent continues to flow through the third flow path 52 until it reaches the second anode reactant stream 42 and / or the anode effluent impinges or meets with it, via the outlet section 37 from the second fuel cell stack 24 flows out.
[0028] DerOrt, an dem sich die beiden Strömein dem Brennstoffzellensystem 20 treffen, wird als "toter Punkt" bezeichnet, an demeine Strömungdurch diesen Ort des Brennstoffzellensystems 20 im Wesentlichenstagniert und ein Druckgleichgewicht der beiden Strömungen auftritt.Der Ort des stagnierenden oder toten Punktes variiert abhängig vonder Rate, mit der der erste und zweite Anodenreaktandenstrom 40 und 42 indas Brennstoffzellensystem 20 eingeführt werden und kann dadurchbewegt bzw. verschoben werden, dass die Strömungen aus dem Gleichgewichtgebracht werden. Beispielsweise kann der tote Punkt in der Anodenseite 32 deszweiten Brennstoffzellenstapels 24 auftreten, wenn dererste Anodenreaktandenstrom 40 mit einer Rate geliefertwird, die schneller als diejenige des zweiten Anodenreaktandenstromes 42 ist.In diesem Fall strömtder über denAuslassabschnitt 34 den ersten Brennstoffzellenstapel 22 verlassendeAnodenabfluss durch den dritten Strömungspfad 52 und durchden Auslassabschnitt 37 an den zweiten Brennstoffzellenstapel 24 indie Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24.Somit tritt der tote Punkt, an dem sich die beiden Strömungen begegnen,in der Anodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24 auf. Ähnlicherweisekann der tote Punkt in der Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 auftreten, wennder zweite Anodenreaktandenstrom 42 in den zweiten Brennstoffzellenstapel 24 miteiner Rate strömt,die schneller als diejenige ist, mit der der erste Anodenreaktandenstrom 40 inden ersten Brennstoffzellenstapel 22 strömt. In dieserSituation strömt derAnodenabfluss von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 24 durchden Auslassabschnitt 37, den dritten Strömungspfad 52 undin die Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 über denAuslassabschnitt 34 an dem ersten Brennstoffzellenstapel 22.In einem extremen Fall ist entweder das erste oder das zweite Ventil 48 oder 50 geschlossen,währendder gesamte Anodenreaktand überdas offene Ventil an das Brennstoffzellensystem 20 geliefert wird.In dieser Situation strömtder Anodenreaktand durch den ersten Brennstoffzellenstapel, aufden er trifft, verlässtdann diesen Brennstoffzellenstapel als Anodenabfluss und strömt durchden anderen Brennstoffzellenstapel auf umgekehrte Weise, wobei er durchden Auslass eintritt und diesen Brennstoffzellenstapel durch denEinlass wieder verlässt,bis er auf das geschlossene Ventil trifft. Somit kann durch Steuerungder Rate, mit der der erste und zweite Anodenreaktandenstrom 40 und 42 indas Brennstoffzellensystem 20 eintreten, der Ort des totenPunktes oder der Stagnation der Anodenreaktandenströmungen soeingestellt werden, dass er an verschiedenen Orten über diegesamten Anodenströmungspfade desBrennstoffzellensystems 20 vorkommen kann. Demgemäß sei angemerkt,dass der Ort des toten Punktes an einem Auslass von einem der Ventile 48 und 50 oderan einer sonstigen beliebigen Stelle dazwischen liegen kann.The place where the two streams in the fuel cell system 20 is referred to as a "dead spot" at which a flow through this location of the fuel cell system 20 essentially stagnant and a pressure balance of the two flows occurs. The location of the stagnant or dead spot varies depending on the rate at which the first and second anode reactant streams flow 40 and 42 in the fuel cell system 20 can be introduced and moved by the fact that the currents are brought out of balance. For example, the dead spot in the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 occur when the first anode reactant stream 40 at a rate faster than that of the second anode reactant stream 42 is. In this case, it flows over the outlet section 34 the first fuel cell stack 22 leaving anode effluent through the third flow path 52 and through the outlet section 37 to the second fuel cell stack 24 into the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 , Thus, the dead point where the two flows meet occurs in the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 on. Similarly, the dead spot in the anode side 30 of the first fuel cell stack 22 occur when the second anode reactant stream 42 in the second fuel cell stack 24 at a rate faster than that at which the first anode reactant stream flows 40 in the first fuel cell stack 22 flows. In this situation, the anode effluent flows from the second fuel cell stack 24 through the outlet section 37 , the third flow path 52 and into the anode side 30 of the first fuel cell stack 22 over the outlet section 34 at the first fuel cell stack 22 , In an extreme case, either the first or the second valve 48 or 50 closed, while the entire anode reactant via the open valve to the fuel cell system 20 is delivered. In this situation, the anode reactant flows through the first fuel cell stack it encounters, then leaves that fuel cell stack as the anode effluent and flows through the other fuel cell stack in reverse, entering through the outlet and leaving that fuel cell stack through the inlet until it rises the closed valve hits. Thus, by controlling the rate at which the first and second anode reactant streams flow 40 and 42 in the fuel cell system 20 the location of the dead spot or the stagnation of the anode reactant flows are adjusted to be at different locations throughout the anode flowpaths of the fuel cell system 20 can occur. Accordingly, it should be noted that the location of the dead spot at an outlet of one of the valves 48 and 50 or in any other place in between.
[0029] DieFähigkeit,den Totpunkt oder Punkt der Stagnation des Anodenreaktanden über dieAnodenströmungspfadedes Brennstoffzellensystems 20 zu bewegen, erlaubt eineverbesserte Wasser- und Gasverteilung über den Anodenabschnitt. Diesbedeutet, dass der Stagnationspunkt den Ort darstellt, an dem sicheine erhebliche Menge des Stickstoffes in den Strömungspfadenansammelt. Die Fähigkeit, denOrt des toten Punktes oder Punkt der Stagnation über die Anodenströmungspfadeder Brennstoffzellensysteme 20 dynamisch zu bewegen, hatzur Folge, dass auch der Stickstoff und das Wasser in den Anodenströmungspfaden über dieAnodenströmungspfadebewegt und dadurch gleichmäßiger entlangder Membrane verteilt werden können,die die Anoden- und Kathodenseiten trennen. Die gleichmäßigere Verteilungdes Stickstoffes entlang der Oberfläche der Membrane, die Anoden-und Kathodenseiten trennen, erhöhtdie Dauer, mit der das Brennstoffzellensystem 20 betriebenwerden kann, ohne den Anodenabfluss zu entlüften. Dies bedeutet, dass die gleichmäßigere Verteilungvon Stickstoff entlang der Oberfläche der Membrane ermöglicht,dass die Leistungsfähigkeitaller Brennstoffzellen, die der Brennstoffzellenstapel umfasst,gesteigert werden kann, und die Leistungsfähigkeit aller Brennstoffzellenmit einer niedrigeren oder ähnlichenRate abnimmt, bevor sie auf einen Punkt zurück geht, an dem der Stickstoffvon den Anodenseiten des Brennstoffzellensystems 20 entferntwerden muss. Durch Erhöhungder Intervalle zwischen der Entlüftungvon Anodenabfluss kann mehr Wasserstoff in den Anodenreaktandenströmen 40 und 42 zurErzeugung elektrischer Energie verbraucht werden, bevor er von dem Brennstoffzellensystem 20 alsTeil des Anodenabflusses entlüftetwird.The capability, the dead center or point of stagnation of the anode reactant via the anode flow paths of the fuel cell system 20 to move, allows improved water and gas distribution over the anode section. This means that the stagnation point represents the place where a significant amount of nitrogen accumulates in the flow paths. The ability to locate the location of the dead spot or point of stagnation across the anode flowpaths of the fuel cell systems 20 As a result, even the nitrogen and water in the anode flowpaths can be moved across the anode flowpaths and thereby more evenly distributed along the membrane separating the anode and cathode sides. The more even distribution of nitrogen along the surface of the membrane, separating the anode and cathode sides, increases the duration with which the fuel cell system 20 can be operated without venting the anode effluent. This means that the more even distribution of nitrogen along the surface of the membrane allows the performance of all the fuel cells comprising the fuel cell stack to be increased, and decreases the performance of all fuel cells at a lower or similar rate before returning to a point goes where the nitrogen from the anode sides of the fuel cell system 20 must be removed. By increasing the intervals between venting of anode effluent, more hydrogen can flow in the anode reactants 40 and 42 to be consumed for generating electrical energy before it from the fuel cell system 20 is vented as part of the anode effluent.
[0030] Umdiese bessere Verteilung zu erreichen, wird das Brennstoffzellensystem 20 sobetrieben, dass die überden ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefertenMengen an Anodenreaktand dynamisch zueinander variieren, um dentoten Punkt zu verschiedenen Orten innerhalb der Anodenseiten undStrömungspfadedes Brennstoffzellensystems zu bewegen. Wenn der tote Punkt umherbewegt wird, werden der Stickstoff und das Wasser in den Anodenseitenund Strö mungspfaden desBrennstoffzellensystems 20 gleichmäßiger zwischen dem ersten undzweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 verteilt.Das Einstellen oder die Variation der Menge an Anodenreaktand, der über denersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefertwird, kann auf Grundlage einer Vielzahl von Steuerszenarien erfolgen.Ein Steuerszenario basiert auf dem Vergleich des gegenwärtigen Betriebszustandesdes Brennstoffzellensystems 20, wie beispielsweise derLast auf das System, der Spannungsstabilität der Brennstoffzellen und/ oder Brennstoffzellenstapel, dem Druck, etc., mit empirischen Datenund dem Einstellen der Menge an Anodenreaktand, der an den erstenund zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefertwird, auf Grundlage des Vergleichs. Die empirischen Daten werdengebildet, indem das Brennstoffzellensystem 20 oder eine gleichwertigeVorrichtung in einem Testaufbau betrieben wird, wobei die Last aufdas Brennstoffzellensystem geändertwird, währendandere Betriebsparameter des Systems überwacht werden, wie beispielsweiseder Stickstoffgehalt, die Stickstoffverteilung, der Wassergehalt,die Wasserverteilung wie auch die Zellenspannungen. Die Last aufdas Brennstoffzellensystem wird konstant gehalten, während dieMenge an Anodenreaktand, der durch den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert wird,abgeändertwird. Auf Grundlage dieser Beobachtungen werden optimale Einstellmengenbzw. -größen oderZeiten zum Einstellen der Mengen gebildet, die einen gewünschtenBetrieb des Brennstoffzellensystems vorsehen, wie beispielsweiseeine im Wesentlichen homogene Verteilung von Stickstoff und / oderWasser überdas gesamte Brennstoffzellensystem 20, eine erhöhte Spannungsstabilität wie aucheine Verringerung der Menge an überschüssigem Wasserstoff,der von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird.Die Last auf das Brennstoffzellensystem wird dann eingestellt, unddie Raten und / oder Intervalle, mit bzw. in denen die Menge anAnodenreaktand an das Brennstoffzellensystem 20 über denersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefertwird, werden erneut variiert, um optimale Einstellmengen und / oderZeiten zum Einstellen der Mengen zu erhalten. Die Optimierung kann aufGrundlage einer Vielzahl von Faktoren erfolgen, wie beispielsweisedem Erhalt einer gewünschten Stickstoffverteilung,Wasserverteilung und / oder einem gewünschten Zeilenspannungsausgang.Es sei jedoch angemerkt, dass auch andere Betriebsparameter beider Entwicklung der empirischen Daten und der zugeordneten Einstellmengeund / oder Zeit zum Einstellen der Mengen überwacht und optimiert werdenkönnen.To achieve this better distribution, the fuel cell system 20 operated so that the via the first and second Anodenreaktandenstrom 40 and 42 supplied amounts of anode reactant vary dynamically to each other to move the dead spot to different locations within the anode side and flow paths of the fuel cell system. When the dead spot is moved around, the nitrogen and water in the anode side and Strö flow paths of the fuel cell system 20 more uniform between the first and second fuel cell stacks 22 and 24 distributed. Adjusting or varying the amount of anode reactant flowing through the first and second anode reactant streams 40 and 42 can be delivered based on a variety of tax scenarios. A control scenario is based on the comparison of the current operating state of the fuel cell system 20 , such as load on the system, voltage stability of the fuel cells and / or fuel cell stacks, pressure, etc., with empirical data and adjusting the amount of anode reactant flowing to the first and second anode reactant streams 40 and 42 is delivered based on the comparison. The empirical data are formed by the fuel cell system 20 or an equivalent device operating in a test setup wherein the load on the fuel cell system is changed while monitoring other operating parameters of the system, such as nitrogen content, nitrogen distribution, water content, water distribution, as well as cell voltages. The load on the fuel cell system is kept constant while the amount of anode reactant flowing through the first and second anode reactant streams 40 and 42 delivered is changed. Based on these observations, optimal set levels or times are set up to adjust the amounts that provide a desired operation of the fuel cell system, such as a substantially homogeneous distribution of nitrogen and / or water throughout the fuel cell system 20 Increased voltage stability as well as a reduction in the amount of excess hydrogen produced by the fuel cell system 20 is vented. The load on the fuel cell lens system is then adjusted, and the rates and / or intervals, with or in which the amount of anode reactant to the fuel cell system 20 via the first and second anode reactant streams 40 and 42 are varied again to obtain optimum adjustment amounts and / or times for adjusting the amounts. Optimization may be based on a variety of factors, such as obtaining a desired nitrogen distribution, water distribution, and / or a desired line voltage output. It should be noted, however, that other operating parameters may be monitored and optimized in the development of the empirical data and the associated set-up amount and / or set-up time.
[0031] Einzweites Steuerszenario, mit dem das Brennstoffzellensystem 20 betriebenwerden kann, betrifft die Verwendung eines Algorithmus, der die Einstellmengenund / oder die Zeit zum Einstellen der Mengen bestimmt und dannein Brennstoffzellensystem 20 auf Grundlage des Algorithmusbetreibt. Der Algorithmus bestimmt die Rate, mit der die Mengen, diegeliefert werden, variieren sollen, und / oder die Zeit, innerhalbder die Raten variieren sollen, auf Grundlage der Last auf das Brennstoffzellensystem 20 oderauf Grundlage einiger anderer Parameter, wie beispielsweise derZellenspannung. Der gewählteAlgorithmus basiert darauf, dass ein gewünschter Betrieb eines Brennstoffzellensystems 20 vorgesehenwird, wie beispielsweise eine gewünschte Stickstoffverteilung,eine gewünschteWasserverteilung und / oder ein gewünschter Zeilenspannungsausgang.A second control scenario with which the fuel cell system 20 The invention relates to the use of an algorithm which determines the set amounts and / or the time for adjusting the amounts and then a fuel cell system 20 operates on the basis of the algorithm. The algorithm determines the rate at which the quantities being delivered should vary and / or the time within which the rates are to vary based on the load on the fuel cell system 20 or based on some other parameters, such as cell voltage. The algorithm chosen is based on that a desired operation of a fuel cell system 20 is provided, such as a desired nitrogen distribution, a desired water distribution and / or a desired line voltage output.
[0032] Beieinem dritten Steuerszenario wird der über den ersten und zweitenAnodenreaktandenstrom 40 und 42 gelieferte Anodenreak tandauf Grundlage von vorbestimmten Intervallen und Änderungsraten variiert. Beispielsweisekann, wie in 3 gezeigtist, die Menge an Anodenreaktand in dem ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 sinusförmig sein.Dies bedeutet, dass die Menge und / oder die Durchflussrate vonAnodenreaktand in dem ersten Anodenreaktandenstrom 40 sinusförmig variierenkann, wie durch Kurve 70 dargestellt ist. Gleichermaßen kanndie Menge und / oder die Durchflussrate des Anodenreaktanden indem zweiten Anodenreaktandenstrom 42 ebenfalls sinusförmig variieren,wie durch die Kurve 72 dargestellt ist. Die Kurven 70 und 72 sindum 180° phasenverschobengezeigt, so dass ein Durchschnittsbetrag der Durchflussrate desAnodenreaktanden innerhalb des Brennstoffzellensystems 20 imWesentlichen konstant bleibt, wie durch Kurve 74 gezeigtist. Die Kurve 74 ist im Wesentlichen horizontal und gibtan, dass die durchschnittliche Menge von Anodenreaktand in dem Brennstoffzellensystem 20 etwaeine stöchiometrischeDurchflussrate von 1,0 ist. Die sinusförmigen Variationen der Mengean Anodenreaktand in dem ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 habenzur Folge, dass sich der tote Punkt in dem Brennstoffzellensystem 20 bewegtund damit der Stickstoff und das Wasser gleichmäßiger über das gesamte Brennstoffzellensystem 20 verteiltwerden. Es sei angemerkt, dass die Frequenz der sinusförmigen Kurve(n)geändertwerden kann, um ein gewünschtesStrömungsmusterzu erreichen, wobei die Änderungauf Grundlage empirischer Daten erfolgen kann, wie oben unter Bezugnahmeauf das erste Steuerszenario beschrieben ist.In a third control scenario, the flow through the first and second anode reactant streams 40 and 42 supplied anode reactant varied on the basis of predetermined intervals and rates of change. For example, as in 3 the amount of anode reactant in the first and second anode reactant streams is shown 40 and 42 be sinusoidal. This means that the amount and / or the flow rate of anode reactant in the first anode reactant stream 40 may vary sinusoidally, as by curve 70 is shown. Likewise, the amount and / or flow rate of the anode reactant in the second anode reactant stream 42 also vary sinusoidally, as through the curve 72 is shown. The curves 70 and 72 are shown 180 ° out of phase so that an average amount of the flow rate of the anode reactant within the fuel cell system 20 remains essentially constant, as by curve 74 is shown. The curve 74 is substantially horizontal, indicating that the average amount of anode reactant in the fuel cell system 20 is about a stoichiometric flow rate of 1.0. The sinusoidal variations of the amount of anode reactant in the first and second anode reactant streams 40 and 42 As a result, the dead spot in the fuel cell system 20 moves and thus the nitrogen and the water more evenly over the entire fuel cell system 20 be distributed. It should be noted that the frequency of the sinusoidal curve (s) may be changed to achieve a desired flow pattern, which change may be based on empirical data, as described above with reference to the first control scenario.
[0033] Wieoben beschrieben ist, wird ein Anodenabfluss in dem Brennstoffzellensystem 20 ineinem Aufstoßvorgangvon dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet. Der Aufstoßvorgangumfasst das Öffnen des Ventils 54,so dass eine großeMenge an Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 über einkurzes Intervall oder eine kurze Zeitdauer entlüftet wird. Gleichermaßen drückt oderspült einewesentliche Erhöhungder Menge an Anodenreaktand, die an das Brennstoffzellensystem 20 über denersten und / oder zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefertwird, den Anodenabfluss zusammen mit dem Wasser und Stickstoff ausdem Anodenströmungspfaddes Brennstoffzellensystems 20. Die Menge an von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftetem Anodenabflussbestimmt die Menge an Stickstoff und / oder Wasser, die aus demBrennstoffzellensystem gespültwerden. Mit anderen Worten ist es nicht nötig, die gesamte Menge an Wasserund / oder Stickstoff währendjedes Aufstoßintervallsaus dem Brennstoffzellensystem 20 zu spülen. Die exakte Menge von Wasserund / oder Stickstoff, die von dem Brennstoffzellensystem 20 während desAufstoßens gespült wird,variiert abhängigvon dem gewünschten Betriebdes Brennstoffzellensystems 20.As described above, an anode effluent in the fuel cell system becomes 20 in an impingement process of the fuel cell system 20 vented. The impaction process involves opening the valve 54 so that a large amount of anode effluent from the fuel cell system 20 is vented for a short interval or a short period of time. Likewise, a substantial increase in the amount of anode reactant pressed onto or flushed to the fuel cell system 20 via the first and / or second anode reactant stream 40 and 42 is supplied, the anode effluent together with the water and nitrogen from the anode flow path of the fuel cell system 20 , The amount of fuel cell system 20 deaerated anode effluent determines the amount of nitrogen and / or water that is flushed out of the fuel cell system. In other words, it is not necessary to use the entire amount of water and / or nitrogen during each Aufstoßintervalls from the fuel cell system 20 to wash. The exact amount of water and / or nitrogen coming from the fuel cell system 20 purged during impact varies depending on the desired operation of the fuel cell system 20 ,
[0034] DerAufstoßvorgangdes Brennstoffzellensystems 20 ist in 3 gezeigt, in der die Kurven 70, 72 und 74 Spitzenaufweisen, die allgemein mit 76 bezeichnet sind. Die Spitzenzeigen die erhöhteMenge von Anodenreaktand, der an das Brennstoffzellensystem 20 über denersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 während desSpülvorganges geliefertwird, wie auch die zugeordnete Erhöhung des Durchschnitts dieserbeiden Strömungen.Die Periode oder das Zeitintervall zwischen den Aufstoßvorgängen kannvariieren, wie nachfolgend beschrieben ist. Zusätzlich muss das Intervall derAufstoßvorgänge nichtmit der Einstellung der Anodenreaktandenströme synchron sein. Dies bedeutet,dass, wie in 3 gezeigtist, die Aufstoßvorgänge nichtmit dem sinusförmigenSchalten der Mengen von Anodenreaktand synchron sind, die über denersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefertwerden. Es sei jedoch angemerkt, dass der Aufstoßvorgang gegebenenfalls mitdem Schalten der Reaktandenströmesynchron erfolgen kann.The impingement process of the fuel cell system 20 is in 3 shown in the curves 70 . 72 and 74 Have tips that generally with 76 are designated. The peaks indicate the increased amount of anode reactant attached to the fuel cell system 20 via the first and second anode reactant streams 40 and 42 during the flushing process, as well as the associated increase in the average of these two flows. The period or time interval between the launching operations may vary, as described below. In addition, the puffing interval need not be synchronous with the anode reactant stream setting. This means that, as in 3 2, the knock-ups are not synchronous with the sinusoidal switching of the amounts of anode reactant passing across the first and second anode reactant streams 40 and 42 to be delivered. It should be noted, however, that the impingement process may optionally occur synchronously with the switching of the reactant streams.
[0035] DasAufstoßendes Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 kannso gesteuert werden, dass währendeines gegebenen Entlüftungsvorgangeslediglich ein Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem 20 gespült wird.Dies bedeutet, dass währenddes Entlüftungsvorganges nureines der Ventile 48 und 50 eingestellt wird,um einen Stoß vonAnodenreaktand zu dem zugeordneten unterstromigen Brennstoffzellenstapelvorzusehen, währenddas andere Ventil eine geringere Durchflussrate von Anodenreaktandzu den anderen Brennstoffzellenstapel zulässt. Der Stoß von Anodenreaktandströmtdurch den zugeordneten unterstromigen Brennstoffzellenstapel undverlässtden Brennstoffzellenstapel als Anodenabfluss, der dann durch dasVentil 54 entlüftetwird. Der Stoß desAnodenreaktanden hilft, den Brennstoffzellenstapel, durch den erströmt,von Wasser und Stickstoff zu spülen.Der andere Brennstoffzellenstapel erhält Anodenreaktand mit einerRate, die ausreichend ist, um den Stoß des Anodenreaktanden, derdurch das Brennstoffzellensystem strömt, an einem Eintritt in diesenBrennstoffzellenstapel in einer umgekehrten Art und Weise zu hindern.Es sei jedoch angemerkt, dass ein Anteil des Stoßes des Anodenreaktanden in einerumgekehrten Weise durch den anderen Brennstoffzellenstapel strömen kann,ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Der andere Brennstoffzellenstapelkann dann durch einen nachfolgenden Entlüftungsvorgang gespült werden,indem ein Stoß einesAnodenreaktanden an diesen Brennstoffzellenstapel geliefert wird,währendder andere Brennstoffzellenstapel auf einer Durchflussrate gehaltenwird, die ausreichend ist, um die Strömung von Anodenfluid in einerumgekehrten Art und Weise durch den anderen Brennstoffzellenstapelzu verhindern oder zu minimieren. Gegebenenfalls können beideBrennstoffzellenstapel gleichzeitig gespült werden, indem die Strömung vonAnodenreaktand zu beiden Brennstoffzellenstapeln gesteigert wird,währenddas Ventil 54 offen ist. Somit kann während eines Entlüftungsvorgangsdes Brennstoffzellensystems 20 je nach Bedarf ein einzelnerBrennstoffzellenstapel von Wasser und Stickstoff gespült werden oderes könnenbeide Brennstoffzellenstapel von Wasser und Stickstoff gespült werden.The regurgitation of the anode effluent from the fuel cell system 20 can be controlled so that during a given venting process, only a fuel cell stack in the fuel cell system 20 is rinsed. This means that during the venting process only one of the valves 48 and 50 is set to provide a surge of anode reactant to the associated downstream fuel cell stack, while the other valve allows a lower flow rate of anode reactant to the other fuel cell stack. The burst of anode reactant flows through the associated downstream fuel cell stack and exits the fuel cell stack as anode effluent, which then passes through the valve 54 is vented. The shock of the anode reactant helps to flush the fuel cell stack through which it flows of water and nitrogen. The other fuel cell stack receives anode reactant at a rate sufficient to prevent the shock of the anode reactant flowing through the fuel cell system from entering this fuel cell stack in a reverse manner. It should be noted, however, that a portion of the shock of the anode reactant may flow in a reverse manner through the other fuel cell stack without departing from the scope of the invention. The other fuel cell stack may then be purged by a subsequent venting operation by providing a burst of an anode reactant to this fuel cell stack while maintaining the other fuel cell stack at a flow rate sufficient to reverse the flow of anode fluid in an inverse manner prevent or minimize other fuel cell stacks. Optionally, both fuel cell stacks may be purged simultaneously by increasing the flow of anode reactant to both fuel cell stacks while the valve 54 is open. Thus, during a venting operation of the fuel cell system 20 as needed, a single fuel cell stack of water and nitrogen may be purged, or both fuel cell stacks of water and nitrogen may be purged.
[0036] DasIntervall zwischen den Aufstoßvorgängen kannvariieren und kann auf einer Vielzahl von Steuerszenarien basieren.Ein Steuerszenario kann darauf basieren, dass der gegenwärtige Betriebszustanddes Brennstoffzellensystems 20 mit empirischen Daten verglichenwird und auf Grundlage dieses Vergleichs das Zeitintervall zwischenden Aufstoßvorgängen eingestelltwird. Die empirischen Daten könnenin Verbindung mit dem oben beschriebenen Verfahren erstellt werden,mit dem empirische Daten fürdie Einstellung der Mengen und Zeiten zwischen den Einstellungender Mengen von Anodenreaktand, der zu den Brennstoffzellenstapelnströmt, erhaltenwerden.The interval between bumping operations may vary and may be based on a variety of control scenarios. A control scenario may be based on the current operating state of the fuel cell system 20 is compared with empirical data and based on this comparison, the time interval between the launching operations is set. The empirical data may be compiled in conjunction with the method described above to obtain empirical data for adjusting the amounts and times between the adjustments of the amounts of anode reactant flowing to the fuel cell stacks.
[0037] Einzweites Steuerszenario fürden Aufstoßvorgangdes Brennstoffzellensystems 20 ist die Verwendung einesAlgorithmus, der die Aufstoßzeiten bestimmtund dann das Brennstoffzellensystem 20 auf Grundlage desAlgorithmus einem Aufstoßvorgangunterzieht. Der gewählteAlgorithmus wird basierend darauf gewählt, dass ein gewünschterBetriebsablauf fürdas Brennstoffzellensystem 20 vorgesehen wird, wie beispielsweiseeine gewünschte Stickstoffverteilung,Wasserverteilung und / oder einen gewünschten Spannungsausgang.A second control scenario for the impingement process of the fuel cell system 20 is the use of an algorithm that determines the impact times and then the fuel cell system 20 undergo a butting operation based on the algorithm. The selected algorithm is chosen based on a desired operation of the fuel cell system 20 is provided, such as a desired nitrogen distribution, water distribution and / or a desired voltage output.
[0038] Beieinem dritten Steuerszenario basiert die Zeit, bei der das Brennstoffzellensystem 20 einem Aufstoßvorgangunterzogen wird, auf einem spezifischen oder auf mehreren Betriebsparameterndes Brennstoffzellensystems 20. Dies bedeutet, dass eineroder mehrere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 20,wie beispielsweise die Stickstoffmenge, Wassermenge und Zellenspannungsstabilität, überwachtwerden, und, wenn eine Schwelle für einen oder mehrere dieserParameter erreicht ist, der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 ineinem Aufstoßvorgangentlüftetwird. Gegebenenfalls könnendie überwachtenParameter füreinen einzelnen Brennstoffzellenstapel spezifisch sein, so dass,wenn der überwachteParameter fürdiesen Brennstoffzellenstapel eine vorbestimmte Schwelle durchläuft, dieserBrennstoffzellenstapel dann in einem Aufstoßvorgang des Brennstoffzellensystems 20 gespült wird,währendder andere Brennstoffzellenstapel nicht gespült wird, wie oben beschrieben ist.Somit erleichtert dieses Steuerszenario die Überwachung der Betriebsparameterder einzelnen Brennstoffzellenstapel wie auch das Spülen von Stickstoffund Wasser von einem spezifischen Brennstoffzellenstapel auf einerBedarfsbasis oder in einem Bedarfsintervall.In a third control scenario, the time at which the fuel cell system is based 20 subjected to a puffing operation, on a specific one or more operating parameters of the fuel cell system 20 , This means that one or more operating parameters of the fuel cell system 20 , such as the amount of nitrogen, amount of water and cell voltage stability, are monitored and, if a threshold for one or more of these parameters is reached, the anode effluent from the fuel cell system 20 is vented in an impingement process. Optionally, the monitored parameters may be specific to a single fuel cell stack, such that when the monitored parameter for that fuel cell stack passes a predetermined threshold, that fuel cell stack is then in an impingement operation of the fuel cell system 20 is rinsed while the other fuel cell stack is not rinsed, as described above. Thus, this control scenario facilitates the monitoring of the operating parameters of the individual fuel cell stacks, as well as the purging of nitrogen and water from a specific fuel cell stack on a demand basis or in a demand interval.
[0039] Demgemäß wird dasBrennstoffzellensystem 20 bevorzugt in einer Aufstoßbetriebsartbetrieben, wobei die Mengen an Anodenreaktand, die an den erstenund zweiten Brennstoffzellenstapel 22 und 24 über denersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefertwerden, so variiert werden, dass ein gewünschter Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 erhaltenwird. Das Brennstoffzellensystem 20 kann auf diese Art undWeise betrieben werden, um eine gewünschte Stickstoffverteilung,Wasserverteilung und / oder Spannungsstabilität des Brennstoffzellensystems 20 vorzusehen.Accordingly, the fuel cell system becomes 20 preferably operated in a puffing mode, wherein the amounts of anode reactant attached to the first and second fuel cell stacks 22 and 24 via the first and second anode reactant streams 40 and 42 be supplied, so that a desired operation of the fuel cell system 20 is obtained. The fuel cell system 20 can be operated in this manner to achieve a desired nitrogen distribution, water distribution and / or voltage stability of the fuel cell system 20 provided.
[0040] DasBrennstoffzellensystem 20 kann in einer ersten alternativenBetriebsart betrieben werden, wobei der Anodenabfluss auf eine diskontinuierlicheArt und Weise entlüftetwird, die von der des oben beschriebenen Aufstoßvorgangs verschieden ist.Dies bedeutet, dass, wie oben beschrieben ist, sich der Aufstoßvorgangvon dem diskontinuierlichen Betrieb durch die Rate wie auch dieDauer des Entlüftungsvorgangesunterscheidet. Genauer betrifft der Aufstoßvorgang das Entlüften einergroßenMenge an Anodenabfluss innerhalb einer kurzen Zeitdauer, während beieinem diskontinuierlichen EntlüftungsvorgangAnodenabfluss mit einer geringeren oder langsameren Rate über einelängereZeitdauer entlüftetwird. Zusätzlichwird der Aufstoßvorgangdurch einen Stoß inder Menge an Anodenreaktand, der an die Brennstoffzellenstapel strömt, begleitet,während beider diskontinuierlichen Entlüftungder Stoß inder Anodenreaktandenströmungnicht erforderlich ist. Dies bedeutet, dass die diskontinuierlicheEntlüftungsbetriebsartkein Spülender Anodenströmungspfadedes Brennstoffzellensystems 20 darstellt, wie dies beider Aufstoßbetriebsartder Fall ist, und demgemäß keinenStoß inder Menge an Anodenreaktand erfordert, der an das Brennstoffzellensystem 20 geliefertwird, und, wie oben beschrieben ist, bestenfalls eine geringfügige Erhöhung derAnodenreaktandenströmungerfordert, um den Anodendruck im Wesentlichen konstant zu halten.Wenn das Brennstoffzellensystem 20 mit einer diskontinuierlichenEntlüftungdes Anodenabflusses betrieben wird, wird das Ventil 54 zuverschiedenen Zeitintervallen und für verschiedene Zeitdauern geöffnet, umeine Entlüftungvon Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 zuermöglichen.The fuel cell system 20 may be operated in a first alternative mode of operation wherein the anode effluent is vented in a discontinuous manner that is different from that of the impacting operation described above. This means that, as described above, the Aufstoßvorgang of the discontinuous operation by the rate as well as the duration of the deaeration process is different. More specifically, the puffing operation involves venting a large amount of anode effluent within a short period of time, while in a batch venting operation, anode effluent is vented at a slower or slower rate over an extended period of time. In addition, the impaction process is accompanied by a surge in the amount of anode reactant flowing to the fuel cell stacks, whereas in the case of discontinuous venting, the shock in the anode reactant flow is not required. This means that the discontinuous bleed mode does not purge the anode flow paths of the fuel cell system 20 represents, as is the case in the puffing mode, and accordingly does not require a surge in the amount of anode reactant to be supplied to the fuel cell system 20 and, as described above, at best requires a slight increase in anode reactant flow to maintain the anode pressure substantially constant. If the fuel cell system 20 operated with a discontinuous venting of the anode effluent, the valve 54 at various time intervals and for various periods of time to vent the anode effluent from the fuel cell system 20 to enable.
[0041] DasIntervall zwischen der diskontinuierlichen Entlüftung von Anodenabfluss undder Dauer der Entlüftungkann variieren und auf einer Vielzahl von Steuerszenarien basieren.Beispielsweise kann das Intervall zwischen diskontinuierlichen Entlüftungenund der Dauer auf einem Vergleich des gegenwärtigen Betriebszustandes desBrennstoffzellensystems 20 mit empirischen Daten basieren,auf einem Algorithmus basieren oder auf spezifischen Betriebsparameterndes Brennstoffzellensystems 20 basieren, wie beispielsweiseder Spannungsstabilitätvon einem oder mehreren Brennstoffzellen und / oder Brennstoffzellenstapelnauf dieselbe Art und Weise, wie oben unter Bezugnahme auf das einemAufstoßvorgangunterzogene Brennstoffzellensystem 20 beschrieben ist.Die diskontinuierliche Entlüftungvon Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 wirdin Verbindung mit dem Variieren der Mengen an Anodenreaktand durchgeführt, diean die Brennstoffzellenstapel in dem ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefertwerden, um einen gewünschtenBetrieb des Brennstoffzellensystems 20 vorzusehen, wiebeispielsweise eine gewünschte Wasserverteilung,Stickstoffverteilung und / oder Spannungsstabilität.The interval between the discontinuous venting of anode effluent and the duration of venting may vary and be based on a variety of control scenarios. For example, the interval between discontinuous vents and duration may be based on a comparison of the current operating state of the fuel cell system 20 based on empirical data, based on an algorithm or on specific operating parameters of the fuel cell system 20 such as, for example, the voltage stability of one or more fuel cells and / or fuel cell stacks in the same manner as described above with reference to the impacted fuel cell system 20 is described. The discontinuous venting of anode effluent from the fuel cell system 20 is performed in conjunction with varying the amounts of anode reactant flowing to the fuel cell stacks in the first and second anode reactant streams 40 and 42 be delivered to a desired operation of the fuel cell system 20 such as a desired water distribution, nitrogen distribution and / or voltage stability.
[0042] Diediskontinuierliche Entlüftungdes Anodenabflusses lässtzu, dass die Strömungdes Anodenabflusses von einem der Brennstoffzellenstapel in dieAnodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels über seinen Auslass eintretenkann, sogar währendder Entlüftungvon Anodenabfluss. Dies wird dadurch erreicht, dass der Anodenreaktandan einen der Brennstoffzellenstapel mit einer größeren Rate als der an den anderenBrennstoffzellenstapel und mit einer größeren Rate geliefert wird,als von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird.Dies hat zur Folge, dass ein Anteil von Anodenabfluss, der durch einender Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird,währendder verbleibende Anteil des Anodenabflusses von diesem Brennstoffzellenstapelin die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels strömen kannund einen toten Punkt in dem anderen Brennstoffzellenstapel zurFolge hat. Hiermit kann immer noch ein toter Punkt in den Anodenströmungspfaden während derEntlüftungdes Brennstoffzellensystems 20 auftreten, und dieser totePunkt kann überden gesamten Anodenströmungspfaddes Brennstoffzellensystems 20 eingestellt werden, indemdie Mengen an Anodenreaktand, die an den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefertwerden, und die Menge an Anodenabfluss variiert wird, der von demBrennstoffzellensystem 20 entlüftet wird, was das Druckgleichgewichtder Strömungen ändert. Somitkann das Brennstoffzellensystem 20 mit einer diskontinuierlichenEntlüftungvon Anodenabfluss betrieben werden, wodurch eine verbesserte Verteilung vonWasser, von Stickstoff und / oder eine Spannungsstabilität des Brennstoffzellensystems 20 erreichtwird.The discontinuous venting of the anode effluent allows the flow of anode effluent from one of the fuel cell stacks into the anode side of the other fuel cell stack to enter via its outlet, even during venting of anode effluent. This is accomplished by providing the anode reactant to one of the fuel cell stacks at a rate greater than that of the other fuel cell stack and at a greater rate than the fuel cell system 20 is vented. As a result, a portion of anode effluent generated by one of the fuel cell stacks is discharged from the fuel cell system 20 is deaerated while the remaining portion of the anode effluent from this fuel cell stack can flow into the anode side of the other fuel cell stack and result in a dead spot in the other fuel cell stack. This still leaves a dead spot in the anode flowpaths during venting of the fuel cell system 20 occur, and this dead spot can over the entire anode flow path of the fuel cell system 20 can be adjusted by the amounts of anode reactant flowing to the first and second anode reactant streams 40 and 42 are supplied, and the amount of anode effluent is varied by the fuel cell system 20 is vented, which changes the pressure balance of the currents. Thus, the fuel cell system 20 operated with a discontinuous vent of anode effluent, whereby an improved distribution of water, nitrogen and / or a voltage stability of the fuel cell system 20 is reached.
[0043] DasBrennstoffzellensystem 20 kann auch in einer zweiten alternativenBetriebsart betrieben werden, in der der Anodenabfluss kontinuierlichvon dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird. In dieser Betriebsartbleibt das Ventil 54 offen und eine Anodenabflussströmung wirdkontinuierlich von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet. DieMenge an Anodenabfluss, die von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird,kann abhängigvon dem Betrieb des Ventils 54 variieren. Beispielsweisekann das Ventil 54 eine sehr niedrige und kontinuierlicheRate der Entlüftungvon Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 vorsehenoder kann um einen weiteren Betrag geöffnet werden, um eine vergrößerte Strömung vonAnodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 zuzulassen.Währendder kontinuierlichen Entlüftungvon Anodenabfluss wird auch die Menge an Anodenreaktand, die anden ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert wird,variiert, wie oben beschrieben ist, um einen gewünschten Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 vorzusehen.Aufgrund der kontinuierlichen Entlüftung von Anodenabfluss istdie Gesamtmenge an Anodenreaktand, der an das Brennstoffzellensystem 20 geliefertwird, größer alsdann, wenn es in den Betriebsarten mit einer Entlüftung über Aufstoßen oder einerdiskontinuierlichen Entlüftungbetrieben wird. Beispielsweise kann, wie in 4 gezeigt ist, die Menge an Anodenreaktand,die an den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert wird,eine graduelle schrittweise Änderungsein, wie durch die Kurven 80 bzw. 82 gezeigtist. Die durchschnittliche stöchiometrischeDurchflussrate von Anodenreaktand in dem Brennstoffzellensystem 20 liegt,wie mit Kurve 84 gezeigt ist, aufgrund der kontinuierlichenEntlüftungeines Anteils von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 über 1,0. DiestöchiometrischeRate, mit der Anodenreaktand in dem Brennstoffzellensystem 20 verbrauchtwird, bleibt jedoch, wie mit Kurve 86 gezeigt ist, für den Idealbetriebdes Brennstoffzellensystems 20 bei 1,0.The fuel cell system 20 can also be operated in a second alternative mode in which the anode effluent continuously from the fuel cell system 20 is vented. In this operating mode the valve remains 54 open and an anode effluent flow is continuously from the fuel cell system 20 vented. The amount of anode effluent from the fuel cell system 20 may be vented, depending on the operation of the valve 54 vary. For example, the valve 54 a very low and continuous rate of venting of anode effluent from the fuel cell system 20 or may be opened by a further amount to increase flow of anode effluent from the fuel cell system 20 permit. During the continuous deaerating of anode effluent, the amount of anode reactant flowing to the first and second anode reactant streams also increases 40 and 42 as described above, varies a desired operation of the fuel cell system 20 provided. Due to the continuous deaerating of anode effluent, the total amount of anode reactant attached to the fuel cell system 20 greater than when operating in modes with venting or intermittent venting. For example, as in 4 shown is the Amount of anode reactant flowing to the first and second anode reactant streams 40 and 42 will be a gradual step change, as through the curves 80 respectively. 82 is shown. The average stoichiometric flow rate of anode reactant in the fuel cell system 20 lies as if with a curve 84 due to the continuous venting of a portion of anode effluent from the fuel cell system 20 over 1.0. The stoichiometric rate with the anode reactant in the fuel cell system 20 is consumed, however, remains as with curve 86 is shown, for the ideal operation of the fuel cell system 20 at 1.0.
[0044] Diekontinuierliche Entlüftungvon Anodenabfluss erlaubt dennoch, dass die Strömung von Anodenabfluss voneinem der Brennstoffzellenstapel in die Anodenseite des anderenBrennstoffzellenstapels überden Auslassabschnitt auf eine ähnlicheArt und Weise, wie oben beschrieben ist, strömen kann. Dies wird dadurcherreicht, dass der Anodenreaktand an einen der Brennstoffzellenstapelmit einer größeren Rateals der an den anderen Brennstoffzellenstapel und mit einer größeren Rategeliefert wird, als von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird.Dies hat zur Folge, dass ein Anteil von Anodenabfluss, der durcheinen der Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird, während derverbleibende Anteil des Anodenabflusses von diesem Brennstoffzellenstapelin die Anodenseite des anderen Brennstoffzellenstapels strömen kannund einen toten Punkt in dem anderen Brennstoffzellenstapel zurFolge hat. Hiermit kann immer noch ein toter Punkt in den Anodenseitenund Strömungspfadenwährendeiner kontinuierlichen Entlüftungdes Anodenabflusses von dem Brennstoffzellensystem 20 auftreten,und dieser tote Punkt kann überdas gesamte Brennstoffzellensystem 20 eingestellt werden,indem die Mengen an Anodenreaktand, die an den ersten und zweitenAnodenreaktandenstrom 40 und 42 geliefert werden,und die Menge an Anodenabfluss variiert wird, der von dem Brennstoffzellensystem 20 entlüftet wird,was das Druckgleichgewicht der Strömungen ändert. Somit kann das Brennstoffzellensystem 20 miteiner kontinuierlichen Entlüftungvon Anodenabfluss betrieben werden, während die Verteilung von Wasser,die Verteilung von Stickstoff und / oder die Spannungsstabilität des Brennstoffzellensystems 20 verbessertwird. Es sei jedoch angemerkt, dass das Ventil 54 gegebenenfallsum einen größeren Betraggeöffnetwerden kann, so dass eine größere Mengean Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem 20 nachBedarf in einem Pseudospülbetriebentlüftetwerden kann.Nevertheless, the continuous venting of anode effluent allows the flow of anode effluent from one of the fuel cell stacks into the anode side of the other fuel cell stack to flow via the outlet section in a similar manner as described above. This is accomplished by providing the anode reactant to one of the fuel cell stacks at a rate greater than that of the other fuel cell stack and at a greater rate than the fuel cell system 20 is vented. As a result, a portion of anode effluent generated by one of the fuel cell stacks is discharged from the fuel cell system 20 is deaerated while the remaining portion of the anode effluent from this fuel cell stack can flow into the anode side of the other fuel cell stack and result in a dead spot in the other fuel cell stack. This still leaves a dead spot in the anode side and flow paths during continuous venting of the anode effluent from the fuel cell system 20 can occur, and this dead spot can be across the entire fuel cell system 20 can be adjusted by the amounts of anode reactant flowing to the first and second anode reactant streams 40 and 42 are supplied, and the amount of anode effluent is varied by the fuel cell system 20 is vented, which changes the pressure balance of the currents. Thus, the fuel cell system 20 be operated with a continuous venting of anode effluent, while the distribution of water, the distribution of nitrogen and / or the voltage stability of the fuel cell system 20 is improved. It should be noted, however, that the valve 54 optionally can be opened by a larger amount, so that a larger amount of anode effluent from the fuel cell system 20 can be vented as needed in a pseudo-purging operation.
[0045] In 5 ist eine zweite alternativeAusführungsformeines Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen dervorliegenden Erfindung gezeigt und mit 20'' bezeichnet.Das Brennstoffzellensystem 20'' ist imWesentlichen gleich zu dem Brennstoffzellensystem 20, wiein 1 beschrieben ist,mit dem Zusatz eines vierten Strömungspfades 100 undeines Ventils 102, das dazu verwendet wird, einen dritten Anodenreaktandenstrom 104 vorzusehen.Ein Ende des vierten Strömungspfades 100 istmit dem ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 oberstromig desersten und zweiten Ventils 48 und 50 verbunden, während einentgegengesetztes Ende des vierten Strömungspfades 100 mitdem dritten Strömungspfad 52 verbundenist. Das Ventil 102 ist in dem Strömungspfad 100 zwischendem ersten und zweiten Strömungspfad 44 und 46 unddem dritten Strömungspfad 52 positioniert.Mit dieser Anordnung kann der von dem Brennstoffzellensystem 20 gelieferteAnodenreaktand zwischen dem ersten Strömungspfad 44, demzweiten Strömungspfad 46 und demvierten Strömungspfad 100 aufgeteiltwerden, um so einen ersten, zweiten und dritten Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 zubilden. Der Zusatz des dritten Anodenreaktandenstromes 104 zudem Brennstoffzellensystem 20'' erlaubteine Steuerung der Konzentration von Anodenreaktand, der in die Auslässe derAnodenseiten des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 strömt, wienachfolgend beschrieben ist.In 5 A second alternative embodiment of a fuel cell system according to the principles of the present invention is shown and incorporated herein by reference 20 '' designated. The fuel cell system 20 '' is essentially the same as the fuel cell system 20 , as in 1 described with the addition of a fourth flow path 100 and a valve 102 which is used to generate a third anode reactant stream 104 provided. One end of the fourth flow path 100 is with the first and second flow paths 44 and 46 upstream of the first and second valves 48 and 50 connected while an opposite end of the fourth flow path 100 with the third flow path 52 connected is. The valve 102 is in the flow path 100 between the first and second flow paths 44 and 46 and the third flow path 52 positioned. With this arrangement, that of the fuel cell system 20 supplied anode reactant between the first flow path 44 , the second flow path 46 and the fourth flow path 100 to form a first, second and third anode reactant stream 40 . 42 and 104 to build. The addition of the third anode reactant stream 104 to the fuel cell system 20 '' allows control of the concentration of anode reactant entering the outlets of the anode sides of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 flows as described below.
[0046] DasBrennstoffzellensystem 20'' wird bevorzugtso betrieben, dass der Anodenabfluss entweder in einem Aufstoßvorgangoder in einem diskontinuierlichen Vorgang entlüftet wird. Die Aufstoßbetriebsweiseoder diskontinuierliche Betriebsweise des Entlüftens von Anodenabfluss wirdgewählt,um zu verhindern, dass der dritte Anodenreaktandenstrom 104 oderein Anteil desselben von dem Brennstoffzellensystem 20'' entlüftet wird, wenn dies mit einerkontinuierlichen Entlüftungvon Anodenabfluss betrieben wird. Dies bedeutet, dass, wenn dasBrennstoffzellensystem 20'' mit einer kontinuierlichenEntlüftung vonAnodenabfluss betrieben wird, zumindest ein Anteil des dritten Anodenreaktandenstroms 104 direkt entlüftet würde undder darin enthaltene Wasserstoff verschwendet würde.The fuel cell system 20 '' is preferably operated so that the anode effluent is vented either in a puffing or in a discontinuous process. The upsetting mode or discontinuous mode of venting of anode effluent is chosen to prevent the third anode reactant stream from flowing 104 or a portion thereof from the fuel cell system 20 '' is vented when operated with a continuous vent of anode effluent. This means that if the fuel cell system 20 '' operated with a continuous vent of anode effluent, at least a portion of the third Anodenreaktandenstroms 104 would be vented directly and the hydrogen contained in it would be wasted.
[0047] Wieoben beschrieben ist, wird der dritte Anodenreaktandenstrom 104 dazuverwendet, um die Konzentration von Anodenreaktand zu steuern, der inden Auslass von einem der Brennstoffzellenstapel strömt. DerZusatz eines dritten Anodenreaktandenstroms 104 zu demdritten Strömungspfad 54 erlaubt, dassdas Brennstoffzellensystem 20'' aufeine Anzahl verschiedener Arten betrieben werden kann, die mit demBrennstoffzellensystem 20 und 20' nicht verfügbar sind. Eine erste Betriebsartbetrifft die Verwendung des dritten Anodenreaktandenstromes 104,um einen Anodenreaktand durch jeweilige Auslassabschnitte 34 und 37 andie Anodenseiten 30 und 32 des jeweiligen erstenund zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 zuliefern. Bei dieser Betriebsart werden das erste, zweite und vierteVentil 48, 50 und 100 so betrieben, umden ersten, zweiten und dritten Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 vorzusehen.Der dritte Anodenreaktandenstrom 104 folgt dem Pfad desgeringsten Widerstandes (d.h. entweder durch den Auslassabschnitt 34 indie Anodenseite 30, durch den Auslassabschnitt 37 indie Anodenseite 32 oder eine Entlüftung durch das dritte Ventil 54).Das erste, zweite und vierte Ventil 48, 50 und 102 werdenso betrieben, dass eine Menge an Anodenreaktand in dem ersten, zweitenund dritten Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 vorgesehen wird,was zur Folge hat, dass in beiden Anodenseiten 30 und 32 desersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 totePunkte auftreten. Genauer strömtder erste Anodenreaktandenstrom 40 über den Einlassabschnitt 33 indie Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22,währendein Anteil des dritten Anodenreaktandenstromes 104 über den drittenStrömungspfad 52 undden Auslassabschnitt 34 in die Anodenseite 30 desBrennstoffzellenstapels 22 strömt. Gleichermaßen strömt der zweiteAnodenreaktandenstrom 42 durch den Einlassabschnitt 36 in dieAnodenseite 32 des zweiten Brennstoffzellenstapels 24,währendder andere Anteil des dritten Anodenreaktandenstromes 104 durchden dritten Strömungspfad 52 undden Auslassabschnitt 37 in die Anodenseite 32 deszweiten Brennstoffzellenstapels 24 strömt. Die beiden Anteile desdritten Anodenreaktandenstromes 104 strömen in die jeweiligen Anodenseiten 30 und 32 desersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24,bis sie auf den ersten und zweiten Anodenreaktandenstrom 40 und 42 treffenund ein Druckgleichgewicht der Strömungen auftritt. Dies hat einentoten Punkt oder einen Punkt der Stagnation in jeder Anodenseite 30 und 32 desersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 zurFolge. Die Menge an Anodenreaktand, die in dem ersten, zweiten unddritten Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 geliefertwird, kann, wie oben beschrieben ist, variiert werden, um das Druckgleichgewichtzu ändernund die toten Punkte in den Anodenseiten 30 und 32 derjeweiligen Brennstoffzellenstapel 22 und 24 umherzu bewegen und damit die Wasserverteilung, Stickstoffverteilungund / oder Spannungsstabilitätdes Brennstoffzellensystems 20'' zu verbessern.As described above, the third anode reactant stream becomes 104 used to control the concentration of anode reactant flowing into the outlet of one of the fuel cell stacks. The addition of a third anode reactant stream 104 to the third flow path 54 allowed that the fuel cell system 20 '' can be operated in a number of different ways with the fuel cell system 20 and 20 ' are not available. A first mode of operation involves the use of the third anode reactant stream 104 to an anode reactant through respective outlet sections 34 and 37 to the anode sides 30 and 32 of the respective first and second fuel cell stacks 22 and 24 to deliver. In this mode, the first, second and fourth valves 48 . 50 and 100 so operated the first, second and third Anodenreaktandenstrom 40 . 42 and 104 provided. The third anode reactant stream 104 follows the path of least resistance (ie either through the outlet section 34 into the anode side 30 through the outlet section 37 into the anode side 32 or venting through the third valve 54 ). The first, second and fourth valves 48 . 50 and 102 are operated such that an amount of anode reactant in the first, second and third Anodenreaktandenstrom 40 . 42 and 104 is provided, which has the consequence that in both anode sides 30 and 32 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 dead spots occur. More specifically, the first anode reactant stream flows 40 over the inlet section 33 into the anode side 30 of the first fuel cell stack 22 while a portion of the third anode reactant stream 104 over the third flow path 52 and the outlet section 34 into the anode side 30 of the fuel cell stack 22 flows. Likewise, the second anode reactant stream flows 42 through the inlet section 36 into the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 while the other portion of the third anode reactant stream 104 through the third flow path 52 and the outlet section 37 into the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 flows. The two parts of the third anode reactant stream 104 flow into the respective anode sides 30 and 32 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 until they are on the first and second anode reactant streams 40 and 42 meet and a pressure balance of the currents occurs. This has a dead spot or stagnation point in each anode side 30 and 32 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 result. The amount of anode reactant flowing in the first, second and third anode reactant streams 40 . 42 and 104 can be varied, as described above, to change the pressure balance and the dead spots in the anode sides 30 and 32 the respective fuel cell stack 22 and 24 to move around and thus the water distribution, nitrogen distribution and / or voltage stability of the fuel cell system 20 '' to improve.
[0048] Alternativdazu kann das Brennstoffzellensystem 20'' ineiner zweiten Betriebsart betrieben werden, in der der erste, zweiteund dritte Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 sogesteuert werden, dass der dritte Anodenreaktandenstrom 104 vollständig innur eine der Anodenseiten 30 und 32 des erstenund zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und 24 strömt. Beispielsweisekann das erste Ventil 48 so betätigt werden, dass der ersteReaktandenstrom 40 in einer ausreichenden Menge vorhanden ist,so dass er vollständigdurch die Anodenseite 30 des ersten Brennstoffzellenstapels 22 strömt und dieAnodenseite 30 als Anodenabfluss verlässt, bevor er auf den drittenAnodenreaktandenstrom 104 in dem dritten Strömungspfad 52 trifft,was einen toten Punkt in dem dritten Strömungspfad 52 zur Folgehat. Wenn der tote Punkt in dem dritten Strömungspfad 52 auftritt, strömt der dritteAnodenreaktandenstrom 104 in die Anodenseite 32 deszweiten Brennstoffzellenstapels 24 durch den Auslassabschnitt 37 undtrifft auf den zweiten Anodenreaktandenstrom 42 darin,was einen zweiten toten Punkt zur Folge hat, der in der Anodenseite 32 deszweiten Brennstoffzellenstapels 24 auftritt. Gegebenenfallskönnendie Raten des ersten, zweiten und dritten Anodenreaktandenstroms 40, 42 und 104 soeingestellt werden, dass der Anodenabfluss, der die Anodenseite 30 desersten Brennstoffzellenstapels 22 verlässt, durch den dritten Strömungspfad 52 strömt und sichmit dem dritten Anodenreaktandenstrom 104 vereinigt, undsowohl der Anodenabfluss als auch der dritte Reaktandenstrom 104 durchden Auslassabschnitt 37 in die Anodenseite 32 deszweiten Brennstoffzellenstapels 24 strömen und auf den zweiten Anodenreaktandenstrom 42 darintreffen. Dies hat einen einzelnen toten Punkt in der Anodenseite 32 deszweiten Brennstoffzellenstapels 24 zur Folge. Der erste,zweite und dritte Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 kanndann so eingestellt werden, dass das Druckgleichgewicht geändert wirdund dieser einzelne tote Punkt von der Anodenseite 32 deszweiten Brennstoffzellenstapels 24 an die Anodenseite 30 desersten Brennstoffzellenstapels 22 bewegt wird. Diese Fähigkeitendes Brennstoffzellensystems 20'' lassenzu, dass der Anodenreaktand an eine Anodenseite eines Brennstoffzellenstapelssowohl durch seinen Einlass als auch seinen Auslass geliefert werdenkann. Somit sieht der Zusatz des dritten Reaktandenstroms 104 zusätzlicheFähigkeitenzur Lieferung von Anodenreaktanden an die Brennstoffzellenstapelund zum Einstellen toter Punkte innerhalb des Anodenströmungspfades desBrennstoffzellensystems 20'' vor, um dieWasserverteilung, Stickstoffverteilung und / oder Spannungsstabilität zu verbessern.Alternatively, the fuel cell system 20 '' be operated in a second mode in which the first, second and third Anodenreaktandenstrom 40 . 42 and 104 be controlled so that the third anode reactant stream 104 completely in only one of the anode sides 30 and 32 of the first and second fuel cell stacks 22 and 24 flows. For example, the first valve 48 be operated so that the first reactant stream 40 is present in a sufficient amount so that it passes completely through the anode side 30 of the first fuel cell stack 22 flows and the anode side 30 leaves as an anode effluent before moving to the third anode reactant stream 104 in the third flow path 52 hits, which is a dead spot in the third flow path 52 entails. If the dead spot in the third flow path 52 occurs, the third anode reactant stream flows 104 into the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 through the outlet section 37 and meets the second anode reactant stream 42 in it, resulting in a second dead spot in the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 occurs. Optionally, the rates of the first, second and third anode reactant streams 40 . 42 and 104 be adjusted so that the anode drain, the anode side 30 of the first fuel cell stack 22 leaves, through the third flow path 52 flows and reacts with the third anode reactant stream 104 and both the anode effluent and the third reactant stream 104 through the outlet section 37 into the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 flow and onto the second anode reactant stream 42 meet in it. This has a single dead spot in the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 result. The first, second and third anode reactant streams 40 . 42 and 104 can then be adjusted so that the pressure balance is changed and this single dead spot from the anode side 32 of the second fuel cell stack 24 to the anode side 30 of the first fuel cell stack 22 is moved. These capabilities of the fuel cell system 20 '' allow the anode reactant to be delivered to an anode side of a fuel cell stack through both its inlet and outlet. Thus, the addition of the third reactant stream looks 104 additional capabilities for providing anode reactants to the fuel cell stacks and adjusting dead spots within the anode flow path of the fuel cell system 20 '' to improve water distribution, nitrogen distribution and / or voltage stability.
[0049] DieEinstellung der Menge von Anodenreaktand in dem ersten, zweitenund dritten Anodenreaktand 40, 42 und 104 kannauf Grundlage einer Vielzahl von Steuerszenarien erfolgen, wie obenunter Bezugnahme auf das Brennstoffzellensystem 20 und 20' beschriebenist. Dies bedeutet, dass der Betrieb des Brennstoffzellensystem 20'' auf einem Vergleich gegenwärtiger Betriebsbedingungenmit empirischen Daten, auf einem Algorithmus und / oder spezifischen Betriebsparameterndes Brennstoffzellensystems 20'' basierenkann. Somit sieht das Brennstoffzellensystem 20'' zusätzliche Betriebsarten für das Brennstoffzellensystemgemäß den Grundsätzen dervorliegenden Erfindung vor, um die Verteilung von Wasser, Verteilungvon Stickstoff und / oder die Spannungsstabilität des Brennstoffzellensystemszu verbessern.The adjustment of the amount of anode reactant in the first, second and third anode reactants 40 . 42 and 104 may be based on a variety of control scenarios, as above with reference to the fuel cell system 20 and 20 ' is described. This means that the operation of the fuel cell system 20 '' on a comparison of current operating conditions with empirical data, on an algorithm and / or specific operating parameters of the fuel cell system 20 '' can be based. Thus sees the fuel cell system 20 '' additional modes of operation for the fuel cell system according to the principles of the present invention to improve the distribution of water, distribution of nitrogen and / or the voltage stability of the fuel cell system.
[0050] DerAnodenabfluss wird, wie oben beschrieben ist, von dem Brennstoffzellensystem 20'' bevorzugt entweder in einer Aufstoßbetriebsartoder einer diskontinuierlichen Betriebsart entlüftet. Wenn die Entlüftung über Aufstoßen oderdiskontinuierliche Entlüftungerfolgt, ist es bevorzugt, dass das vierte Ventil 102 geschlossenwird, so dass kein dritter Anodenreaktandenstrom 104 inden dritten Strömungspfad 52 strömen kann.Durch Schließendes vierten Ventils 102 wird der Anodenreaktand nicht direktvon dem Brennstoffzellensystem 20'' entlüftet. DieHäufigkeitdes Entlüftenswie auch die Dauer einer derartigen Entlüftung von Anodenabfluss unabhängig davon,ob es sich um die Aufstoßbetriebsartoder die diskontinuierliche Betriebsart handelt, kann auf denselbenSteuerszenarien basieren und auf dieselbe Art und Weise variieren,wie oben unter Bezugnahme auf das Brennstoffzellensystem 20 beschriebenworden ist.The anode effluent becomes as described above ben is from the fuel cell system 20 '' preferably vented in either a poke mode or a discontinuous mode. If the venting is via regurgitation or discontinuous venting, it is preferred that the fourth valve 102 is closed so that no third Anodenreaktandenstrom 104 in the third flow path 52 can flow. By closing the fourth valve 102 The anode reactant is not directly from the fuel cell system 20 '' vented. The frequency of venting, as well as the duration of such venting of anode effluent, whether puff mode or discontinuous mode, may be based on the same control scenarios and vary in the same manner as described above with reference to the fuel cell system 20 has been described.
[0051] Während dievorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Beispielebeschrieben worden ist, die in den Figuren gezeigt und als Brennstoffzellensysteme 20, 20' und 20'' beschrieben worden sind, sei angemerkt,dass hinsichtlich der Gestaltung wie auch dem Betrieb der verschiedenenBrennstoffzellensysteme Abwandlungen durchgeführt werden können, ohnevom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweisekönnen einoder mehrere Wasserabscheider (nicht gezeigt) in dem dritten Strömungspfad 52 vorgesehensein, um Wasser von dem durch diesen strömenden Anodenabfluss zu entfernenund damit den Zusatz von Wasser in eine der Anodenseiten 30 und 32 durch ihrejeweiligen Auslassabschnitte 34 und 37 zu verhindern.Eine Positionierung des Abscheiders oberstromig des Ventils 54 erlaubtein Spülenvon flüssigemWasser, ohne dass gleichzeitig Gas gespült wird. Dies ist bezüglich desWasserstoffwirkungsgrades in den Fällen nützlich, wenn eine Wasserspülung, jedochkeine Stickstoffspülungbenötigtwird. Zusätzlichkann das Variieren des Anodenreaktanden in dem ersten, zweiten unddritten Anodenreaktandenstrom 40, 42 und 104 vondemjenigen abweichen, das in den 3 und 4 gezeigt ist. Dies bedeutet,dass die Variation dieser Durchflussraten nicht sinusförmig seinmuss bzw. eine allmählicheschrittweise Änderungsein muss oder ähnlicheFunktionen haben muss. Vielmehr können die Variationen auf verschiedenenBetriebsszenarien basieren, wie oben beschrieben ist, und können eineForm annehmen, die einen Betrieb des Brennstoffzellensystems ineiner gewünschtenBetriebsart ermöglicht.Es ist bevorzugt, wenn die Variation der Anodenreaktandenströme jedochallmählicherfolgt, um großeDruckunterschiede zwischen den Anoden- und Kathodenseiten des Brennstoffzellenstapelszu vermeiden. Überdiessei angemerkt, dass der Anodenabfluss von den Brennstoffzellensystemenin einem Hybridentlüftungsvorgangentlüftetwerden kann, bei dem die Entlüftungvon Anodenabfluss in einer Aufstoßbetriebsart, einer diskontinuierlichenBetriebsart, einer kontinuierlichen Betriebsart oder einer Kombinationderselben erfolgen kann, so dass sich das Entlüften eines Anodenabflusses ändert, wennsich der Betrieb des Brennstoffzellensystems ändert. Ferner sei angemerkt,dass, währenddas erste, zweite und vierte Ventil 48, 50 und 102 zurVerwendung zum Regulieren der Menge von Anodenreaktand, der durchdiese strömt,dargestellt worden sind, diese Ventile durch Gasinjektoren bzw.Gaseinspritzeinrichtungen oder ähnlicheVorrichtungen ersetzt werden können,die in der Lage sind, eine Menge von hindurchströmendem Anodenreaktand zuzumessenund zu regulieren.While the present invention has been described with reference to specific examples shown in the figures and as fuel cell systems 20 . 20 ' and 20 '' It should be noted that modifications may be made in the design and operation of the various fuel cell systems without departing from the scope of the present invention. For example, one or more water separators (not shown) in the third flow path 52 be provided to remove water from the flowing through this anode drain and thus the addition of water in one of the anode sides 30 and 32 through their respective outlet sections 34 and 37 to prevent. A positioning of the separator upstream of the valve 54 allows rinsing of liquid water without gas flushing at the same time. This is useful in terms of hydrogen efficiency in cases where water flushing but no nitrogen purge is needed. In addition, varying the anode reactant in the first, second, and third anode reactant streams 40 . 42 and 104 deviate from the one in the 3 and 4 is shown. This means that the variation of these flow rates need not be sinusoidal, or must be a gradual step change, or have similar functions. Rather, the variations may be based on various operating scenarios, as described above, and may take a form that enables operation of the fuel cell system in a desired mode of operation. However, it is preferred that the variation of the anode reactant streams occurs gradually to avoid large pressure differences between the anode and cathode sides of the fuel cell stack. In addition, it should be appreciated that the anode effluent from the fuel cell systems may be vented in a hybrid venting operation wherein venting of anode effluent may be in an impingement mode, a discontinuous mode, a continuous mode, or a combination thereof, such that venting of anode effluent changes; when the operation of the fuel cell system changes. It should also be noted that while the first, second and fourth valves 48 . 50 and 102 for use in regulating the amount of anode reactant flowing therethrough, these valves may be replaced by gas injectors or similar devices capable of metering and regulating an amount of anode reactant flowing therethrough.
[0052] Dievorliegende Erfindung vermeidet lokale hohe Konzentrationen vonStickstoff und Wasser in der Anodenseite der Brennstoffzellen. Zusätzlich führt siezu einer gleichmäßigerenVerteilung des Stickstoffes und des Wassers auf der Anodenseite derBrennstoffzellen, so dass der Betrieb der Brennstoffzellen, bevorein Spülgangerforderlich wird, verlängertwird.TheThe present invention avoids local high concentrations ofNitrogen and water in the anode side of the fuel cells. In addition, she leadsto a more evenDistribution of nitrogen and water on the anode side of theFuel cells, allowing the operation of fuel cells beforea rinseis required, extendedbecomes.
[0053] DieBeschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur undsomit sind Variationen, die nicht vom Schutzumfang der Erfindungabweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung anzusehen.Derartige Variationen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfangder Erfindung zu betrachten.TheDescription of the invention is merely exemplary in nature andThus, variations are not within the scope of the inventiondiffer than to be considered within the scope of the invention.Such variations are not a departure from the scope of protectionto consider the invention.
[0054] Zusammengefasstist ein Gassteuer- und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystemzur verbesserten Wasser- und Gasverteilung offenbart. Die vorliegendeErfindung sieht eine Ausführungeines Brennstoffzellensystems vor, das eine Steuerung des Anodenreaktandenund Anodenabflusses durch die Anodenteilstücke des Brennstoffzellensystems zulässt, umeine Wasser- und Gasverteilung auf der Anodenseite der Brennstoffzellenzu verbessern, was die Spannungsstabilität der Brennstoffzellen steigert.Summarizedis a gas control and operating method for a fuel cell systemdisclosed for improved water and gas distribution. The presentInvention sees an embodimenta fuel cell system that controls the anode reactantand anode outflow through the anode sections of the fuel cell systema water and gas distribution on the anode side of the fuel cellto improve, which increases the voltage stability of the fuel cell.

权利要求:
Claims (33)
[1]
Brennstoffzellensystem mit: zumindest einemKathodenabschnitt, der einen Einlass und einen Auslass aufweist; zumindestzwei Anodenabschnitten, von denen jeder einen Einlass und einenAuslass aufweist; wobei der zumindest eine Kathodenabschnittund die zumindest zwei Anodenabschnitte einen oxidationsmittelhaltigenKathodenreaktanden und einen wasserstoffhaltigen Anodenreaktandenin Elektrizität,einen Kathodenabfluss und einen Anodenabfluss umwandeln können; einemersten Strömungspfad,der einen ersten Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen Einlasseines ersten Anodenabschnittes der zumindest zwei Anodenabschnitteliefern kann; einem zweiten Strömungspfad, der einen zweitenZufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen Einlass eines zweiten Anodenabschnittesder zumindest zwei Anodenabschnitte liefern kann; einem erstenVentil in dem ersten Strömungspfad, daseine Strömungdurch den ersten Strömungspfad hindurch ändern kann; einemzweiten Ventil in dem zweiten Strömungspfad, das eine Strömung durchden zweiten Strömungspfadhindurch ändernkann; einem dritten Strömungspfad,der einen Auslass des ersten Anodenabschnittes mit einem Anodenauslass deszweiten Anodenabschnittes verbindet, wodurch eine Strömungsverbindungzwischen den ersten und zweiten Anodenabschnitten durch die Auslässe vorgesehenwird; und einem dritten Ventil, das mit dem dritten Strömungspfadin Verbindung steht und eine Entlüftung von Anodenabfluss vondem dritten Strömungspfad ändern kann.A fuel cell system comprising: at least one cathode portion having an inlet and an outlet; at least two anode sections, each having an inlet and an outlet; wherein the at least one cathode portion and the at least two anode portions are capable of converting an oxidant-containing cathode reactant and a hydrogen-containing anode reactant into electricity, a cathode effluent, and an anode effluent; a first flow path capable of delivering a first anode reactant feed stream to an inlet of a first anode section of the at least two anode sections; a second flow path, the second Zu driving stream of anode reactant to an inlet of a second anode portion of the at least two anode sections can supply; a first valve in the first flow path that is capable of changing a flow through the first flow path; a second valve in the second flow path that is capable of changing a flow through the second flow path; a third flow path connecting an outlet of the first anode portion to an anode outlet of the second anode portion, thereby providing flow communication between the first and second anode portions through the outlets; and a third valve communicating with the third flow path and capable of changing a vent of anode effluent from the third flow path.
[2]
System nach Anspruch 1, ferner mit: einem viertenStrömungspfad,der einen dritten Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an den drittenStrömungspfadliefern kann; und einem vierten Ventil in dem vierten Strömungspfad, daseine Strömungdurch den vierten Strömungspfad ändern kann.The system of claim 1, further comprising:a fourthFlow paththe third feed stream of anode reactant to the thirdflow pathcan deliver; anda fourth valve in the fourth flow path, thea flowcan change through the fourth flow path.
[3]
System nach Anspruch 2, wobei das vierte Ventil einProportionalventil ist, das eine Menge des dritten Anodenzufuhrstromes,der an den dritten Strömungspfadströmt,regulieren kann.The system of claim 2, wherein the fourth valve is aProportional valve is a quantity of the third anode feed stream,the to the third flow pathflows,can regulate.
[4]
System nach Anspruch 2, wobei das vierte Ventil eineStrömungdurch den vierten Strömungspfadblockieren kann.The system of claim 2, wherein the fourth valve is aflowthrough the fourth flow pathcan block.
[5]
System nach Anspruch 1, wobei das erste und zweiteVentil Proportionalventile sind, die eine Menge der Anodenzufuhrströme, diezu dem jeweiligen ersten und zweiten Anodenabschnitt strömen, regulierenkönnen.The system of claim 1, wherein the first and secondValve proportional valves are those that produce a lot of the anode feed streamsto flow to the respective first and second anode portion, regulatecan.
[6]
System nach Anspruch 1, wobei das erste und zweiteVentil jeweils eine Strömungdurch den jeweiligen ersten und zweiten Strömungspfad blockieren können.The system of claim 1, wherein the first and secondValve one flow eachcan block through the respective first and second flow paths.
[7]
System nach Anspruch 1, wobei das dritte Ventil einProportionalventil ist, das eine Menge von Anodenabfluss, der vondem dritten Strömungspfad entlüftet wird,regulieren kann.The system of claim 1, wherein the third valve is aProportional valve is that has a lot of anode effluent fromthe third flow path is vented,can regulate.
[8]
System nach Anspruch 1, wobei das dritte Ventil eineEntlüftungvon Anodenabfluss von dem dritten Strömungspfad blockieren kann.The system of claim 1, wherein the third valve is aventof anode effluent from the third flow path can block.
[9]
System nach Anspruch 1, wobei der zumindest eineKathodenabschnitt ein Kathodenteilstück eines einzelnen Brennstoffzellenstapelsist, und die zumindest zwei Anodenabschnitte ein Anodenteilstück der einzelnenBrennstoffzelle sind.The system of claim 1, wherein the at least oneCathode section, a cathode section of a single fuel cell stackand the at least two anode sections are an anode section of the individualFuel cell are.
[10]
System nach Anspruch 1, wobei der erste Anodenabschnittein Anodenteilstückeines ersten Brennstoffzellenstapels ist und der zweite Anodenabschnittein Anodenteilstückeines zweiten Brennstoffzellenstapels ist.The system of claim 1, wherein the first anode sectionan anode sectiona first fuel cell stack and the second anode sectionan anode sectiona second fuel cell stack is.
[11]
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystemsmit zumindest einem Kathodenabschnitt und zumindest zwei Anodenabschnitten,die einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktanden und einenwasserstoffhaltigen Anodenreaktanden in Elektrizität, einenKathodenabfluss und einen Anodenabfluss umwandeln können, wobeidas Verfahren umfasst, dass: (a) ein erster Zufuhrstrom ausAnodenreaktand an einen ersten Anodenabschnitt der zumindest zweiAnodenabschnitte geliefert wird; (b) ein zweiter Zufuhrstromaus Anodenreaktand an einen zweiten Anodenabschnitt der zumindestzwei Anodenabschnitte geliefert wird; (c) ein Anodenabflussvon einem des ersten und zweiten Anodenabschnittes an den anderendes ersten und zweiten Anodenabschnittes geliefert wird; und (d)eine Menge von zumindest einem des gelieferten ersten und zweitenZufuhrstroms aus Anodenreaktand eingestellt wird, so dass alternativder eine und dann der andere des ersten und zweiten Anodenabschnittesden Anodenabfluss aufnimmt.Method for operating a fuel cell systemwith at least one cathode section and at least two anode sections,the one oxidant-containing cathode reactants and ahydrogen-containing anodic reactants in electricity, aConvert cathode effluent and an anode effluent, whereinthe method comprises:(a) a first feed streamAnode reactant to a first anode portion of the at least twoAnodenabschnitte is supplied;(b) a second feed streamfrom anode reactant to a second anode portion of at leasttwo anode sections are supplied;(c) an anode effluentfrom one of the first and second anode sections to the otherthe first and second anode sections are supplied; and(D)a lot of at least one of the delivered first and secondFeed stream is adjusted from anode reactant, so that alternativelyone and then the other of the first and second anode sectionsabsorbs the anode effluent.
[12]
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dassder Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem selektiv entlüftet wird.The method of claim 11, further comprisingthe anode effluent is selectively vented by the fuel cell system.
[13]
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das selektiveEntlüftenvon Anodenabfluss umfasst, dass zumindest ein Anteil des Anodenabflussesvon dem Brennstoffzellensystem kontinuierlich entlüftet wird.The method of claim 12, wherein the selectivebleedof anode effluent comprises that at least a portion of the anode effluentis continuously vented by the fuel cell system.
[14]
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das selektiveEntlüftenvon Anodenabfluss umfasst, dass das Brennstoffzellensystem einemAufstoßvorgang ausgesetztwird.The method of claim 12, wherein the selectivebleedof anode effluent includes that the fuel cell system oneImpacting exposedbecomes.
[15]
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das selektiveEntlüftenvon Anodenabfluss umfasst, dass der Anodenabfluss diskontinuierlichentlüftetwird.The method of claim 12, wherein the selectivebleedfrom anode effluent, that the anode effluent is discontinuousventedbecomes.
[16]
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das selektiveEntlüftenvon Anodenabfluss umfasst, dass eine Menge von Anodenabfluss, dievon dem Brennstoffzellensystem entlüftet wird; geregelt wird.The method of claim 12, wherein the selectivebleedfrom anode effluent that includes a lot of anode effluent, theis vented by the fuel cell system; is regulated.
[17]
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellenumfasst, dass die jeweiligen Mengen auf Grundlage eines Betriebsparametersdes Brennstoffzellensystems variiert werden.The method of claim 11, wherein adjustingincludes that the respective quantities based on an operating parameterof the fuel cell system can be varied.
[18]
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Betriebsparametereine Spannungsstabilitätvon zumindest einem der Anodenabschnitte darstellt.The method of claim 17, wherein the operating parametera voltage stabilityof at least one of the anode sections.
[19]
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dasszumindest ein Anteil von Wasser, das in dem Anodenabfluss enthaltenist, von dem Anodenabfluss getrennt wird, bevor der Anodenabflussan den anderen Anodenabschnitt geliefert wird.The method of claim 11, further comprisingat least a portion of water contained in the anode effluentis separated from the anode effluent before the anode effluentis delivered to the other anode section.
[20]
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellenauf Grundlage empirischer Daten erfolgt.The method of claim 11, wherein adjustingbased on empirical data.
[21]
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellenauf Grundlage eines Algorithmus erfolgt.The method of claim 11, wherein adjustingbased on an algorithm.
[22]
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellenin einem vorbestimmten Intervall erfolgt.The method of claim 11, wherein adjustingtakes place in a predetermined interval.
[23]
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellendes ersten und zweiten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand einen stöchiometrischen Wasserstoffbedarfdes Brennstoffzellensystems von bis zu 120 % erreicht.The method of claim 11, wherein adjustingthe first and second anode reactant feed streams require stoichiometric hydrogenachieved by the fuel cell system of up to 120%.
[24]
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystemsmit zumindest einem Kathodenabschnitt und zumindest zwei Anodenabschnitten,die einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenreaktanden und einenwasserstoffhaltigen Anodenreaktanden in Elektrizität, einenKathodenabfluss und einen Anodenabfluss umwandeln können, wobei: (a)ein erster Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen ersten Anodenabschnittder zumindest zwei Anodenabschnitte geliefert wird; (b) einzweiter Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an einen zweiten Anodenabschnittder zumindest zwei Anodenabschnitte geliefert wird; (c) eindritter Zufuhrstrom aus Anodenreaktand an die Strömungspfadverbindungsauslässe desersten und zweiten Anodenabschnittes geliefert wird; und (d)eine Menge von zumindest einem des gelieferten ersten, zweiten unddritten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand variiert wird.Method for operating a fuel cell systemwith at least one cathode section and at least two anode sections,the one oxidant-containing cathode reactants and ahydrogen-containing anodic reactants in electricity, aConvert cathode effluent and an anode effluent, wherein:(A)a first anode reactant feed stream to a first anode sectionthe at least two anode sections are supplied;(b) asecond feed stream of anode reactant to a second anode sectionthe at least two anode sections are supplied;(c) athird feed stream of anode reactant to the flowpath connection outlets of thefirst and second anode sections are supplied; and(D)a lot of at least one of the delivered first, second and secondthird feed stream of anode reactant is varied.
[25]
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend, dassder Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem selektiv entlüftet wird.The method of claim 24, further comprisingthe anode effluent is selectively vented by the fuel cell system.
[26]
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend, dassdie Lieferung des dritten Zufuhrstroms aus Anodenreaktand beendetwird, wenn der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellensystem entlüftet wird.The method of claim 25, further comprisingstopped the delivery of the third feed stream of anode reactantwhen the anode effluent is vented by the fuel cell system.
[27]
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das selektiveEntlüftenvon Anodenabfluss umfasst, dass eine Menge von Anodenabfluss, dievon dem Brennstoffzellensystem entlüftet wird, geregelt wird.The method of claim 25, wherein the selectivebleedfrom anode effluent that includes a lot of anode effluent, theis vented by the fuel cell system, is regulated.
[28]
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das selektiveEntlüftenvon Anodenabfluss umfasst, dass Anodenabfluss auf Grundlage einesBetriebsparameters des Brennstoffzellensystems entlüftet wird.The method of claim 25, wherein the selectivebleedof anode effluent includes that anode effluent based on aOperating parameters of the fuel cell system is vented.
[29]
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Variiereneiner Menge von zumindest einem des ersten, zweiten und drittenZufuhrstroms aus Anodenreaktand umfasst, dass die Menge auf Grundlageeines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems variiert wird.The method of claim 24, wherein varyingan amount of at least one of the first, second and thirdFeed stream from anode reactant comprises that amount based onan operating parameter of the fuel cell system is varied.
[30]
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Betriebsparametereine Spannungsstabilitätvon zumindest einem der Anodenabschnitte darstellt.The method of claim 29, wherein the operating parametera voltage stabilityof at least one of the anode sections.
[31]
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Variiereneiner Menge von zumindest einem des ersten, zweiten und drittenZufuhrstroms aus Anodenreaktand ein Variieren der Menge auf Grundlageempirischer Daten umfasst.The method of claim 24, wherein varyingan amount of at least one of the first, second and thirdAnode reactant feed stream varies based on the amountempirical data.
[32]
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Variiereneiner Menge von zumindest einem des ersten, zweiten und drittenZufuhrstroms aus Anodenreaktand umfasst, dass die Menge so eingestelltwird, dass der Anodenabfluss von einem des ersten und zweiten Anodenabschnittesin den anderen des ersten und zweiten Anodenabschnittes strömt.The method of claim 24, wherein varyingan amount of at least one of the first, second and thirdFeed stream from anode reactant includes that set the amountthat is, the anode effluent from one of the first and second anode sectionsflows in the other of the first and second anode portion.
[33]
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Variiereneiner Menge von zumindest einem des ersten, zweiten und drittenZufuhrstroms aus Anodenreaktand umfasst, dass die Menge so variiertwird, dass zumindest einer des ersten und zweiten Anodenabschnitteszwei der Anodenreaktandenströmeaufnimmt.The method of claim 24, wherein varyingan amount of at least one of the first, second and thirdFeedstream of anode reactant comprises the amount varied sois that at least one of the first and second anode portiontwo of the anode reactant streamsreceives.

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