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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem Membranelektrodenaufbau,
der eine Festpolymer-Ionenaustauschmembran, eine an einer Seite
der Festpolymer-Ionenaustauschmembran angebrachte Anodenelektrode
und eine an der anderen Seite der Festpolymer-Ionenaustauschmembran
angebrachte Kathodenelektrode umfasst, wobei der Membranelektrodenaufbau
zwischen einem Anodenseparator und einem Kathodenseparator aufgenommen
ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzelle.
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Beschreibung der verwandten
Technik:
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Gewöhnlich verwenden
Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen eine Ionenaustauschmembran, die
eine Polymer-Ionenaustauschmembran (Kationenaustauschmembran) umfasst.
Eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle umfasst eine Einheitszelle (Einheitserzeugurigszelle),
die einen zusammengefügten
Körper
(Membranelektrodenaufbau) umfasst, der aus Anoden- und Kathodenelektrode
aufgebaut ist, von denen jede eine hauptsächlich aus Kohlenstoff hergestellte
Basis und eine katalytische Elektrodenschicht aus Edelmetall aufweist
und die jeweils auf beiden Seiten einer Ionenaustauschmembran angeordnet
sind, wobei der zusammengefügte
Körper zwischen
Separatoren (bipolaren Platten) aufgenommen ist. Gewöhnlich wird
eine gewisse Anzahl solcher Einheitszellen gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel
zu bilden.
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Bei
den Brennstoffzellen des obigen Typs wird der Anodenelektrode ein
Brenngas wie etwa ein hauptsächlich
Wasserstoff enthaltendes Gas (hierin im Folgenden als "Wasserstoff enthaltendes
Gas" bezeichnet)
zugeführt,
und der Wasserstoff wird an der katalytischen Elektrodenschicht
der Anodenelektrode ionisiert und bewegt sich durch die Ionenaustauschmembran
in Richtung der Kathodenelektrode. Elektronen, die produziert werden,
während
die Wasserstoffionen sich in Richtung der Kathodenelektrode bewegen,
werden durch eine externe Schaltung extrahiert und als elektrische
Gleichspannungsenergie genutzt.
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Da
die Kathodenelektrode mit einem oxidierenden Gas versorgt wird,
z.B. einem Gas, das hauptsächlich
Sauerstoff oder Luft enthält
(hierin im Folgenden als "Sauerstoff
enthaltendes Gas" bezeichnet),
reagieren die Wasserstoffionen, die Elektronen und der Sauerstoff
miteinander, wobei Wasser (hierin im Folgenden als "reaktionserzeugtes
Wasser" bezeichnet)
an der Kathodenelektrode produziert wird.
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Der
Brennstoffzellenstapel war deswegen unvorteilhaft, weil durch eine
elektrochemische Reaktion erzeugtes Wasser dazu tendiert, an der
Kathodenelektrode akkumuliert zu werden, wobei der Brennstoffzellenstapel
droht, seine elektrische Erzeugungsfähigkeit zu verringern, und
der Membranelektrodenaufbau sehr wahrscheinlich übermäßig expandiert wird. Verschiedene
Versuche sind bisher gemacht worden, um das an der Kathodenelektrode
akkumulierte Wasser zu entfernen.
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Zum
Beispiel sind bekannt eine Technik, die in dem US-Patent Nr. 5,260,143
offenbart ist (hierin im Folgenden als "erster Stand der Technik" bezeichnet), eine
Technik, die in dem US-Patent Nr. 5,441,819 offenbart ist (hierin
im Folgenden als "zweiter
Stand der Technik" bezeichnet)
und eine Technik, die in dem US-Patent Nr. 5,547,776 offenbart ist
(hierin im Folgenden als "dritter
Stand der Technik" bezeichnet).
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Gemäß dem ersten
Stand der Technik wird zwischen dem Einlass und dem Auslass eines
Kathodengasdurchgangs ein Druckabfall vorgesehen, um reaktionserzeugtes
Wasser von der Kathode zu entfernen. Insbesondere wird der Druckabfall
durch Vorsehen einer Öffnung
an dem Einlass des Kathodengasdurchgangs, Verlängern des Kathodengasdurchgangs
oder Verändern
der Querschnittsform des Kathodengasdurchgangs ausgebildet.
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Gemäß dem zweiten
Stand der Technik wird die Temperatur eines Wasserstoff enthaltenden
Gases; das von dem Einlass dem Auslass eines Anodengasdurchgangs
zugeführt
wird, auf einer Temperatur gehalten, die gleich oder größer ist
als die Kondensationstemperatur von in dem Wasserstoff enthaltenden
Gas enthaltenem Wasserdampf. An der Kathode akkumuliertes Wasser
wird aufgrund eines Konzentrationsgradienten zurück in Richtung der Anode diffundiert
und als Wasserdampf in dem Wasserstoff enthaltenden Gas entfernt.
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Gemäß dem dritten
Stand der Technik wird ein Temperaturgradient in der Ebene einer
Kathodenelektrode vorgesehen, um einen Bereich niedriger Temperatur
herzustellen, der einem Bereich entspricht, an dem Sauerstoff enthaltendes
Gas eine minimale Menge von Wasser enthält, und einen Hochtemperaturbereich,
der einem Bereich entspricht, in dem das Sauerstoff enthaltende
Gas eine maximale Menge von Wasser enthält.
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Der
erste Stand der Technik ist darin problematisch, dass aufgrund dessen,
dass der Druckabfall in dem Kathodengasdurchgang vorgesehen ist,
die zugeführte
Menge an reaktiven Gasen (dem Wasserstoff enthaltenden Gas und dem
Sauerstoff enthaltenden Gas) begrenzt ist, was zu einer Reduktion
der elektrischen Erzeugungseffizienz führt.
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Der
zweite Stand der Technik ist deswegen unvorteilhaft, weil ein Temperatursteuer/regelprozess zum
Steuern/Regeln der Temperatur des Wasserstoff enthaltenden Gases
bei einer gewünschten
Temperatur vergleichs weise komplex ist und nicht mit hoher Genauigkeit
durchgeführt
werden kann.
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Probleme
des dritten Stands der Technik liegen darin, dass der Temperaturgradient,
der in der Ebene der Kathodenelektrode vorgesehen ist, die Form
eines Gasdurchgangs begrenzt, wodurch die Gestaltungsfreiheit verringert
ist, und dass durch thermische Expansion verursachte Abmessungsänderungen
zu Abständen
oder Lücken
in dem Brennstoffzellenstapel führen,
was eine Verringerung der elektrischen Erzeugungsfähigkeit
derselben verursacht.
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Die
Erfindungen gemäß dem ersten
bis dritten Stand der Technik hatten lediglich zum Ziel, an der
Kathode akkumuliertes Wasser zu entfernen. Wasser wird jedoch auch
an der Anode akkumuliert, weil die relative Feuchte des Wasserdampfs
ansteigt, wenn der in dem Wasserstoff enthaltenden Gas enthaltene
Wasserstoff verbraucht ist. Das an der Anode akkumulierte Wasser
muss entfernt werden, um die elektrische Erzeugungsfähigkeit
auf einem effektiven Niveau zu halten.
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Aus
der
JP 10284095 A ist
eine Brennstoffzelle mit einer Elektrodenstruktur bekannt, bei der zwischen
einem Brenngaseinlass und einem Brenngasauslass eines mäander förmigen Brenngasdurchgangs
ein sekundärer
Einlass zum Zuführen
eines Reaktandengases angeordnet ist.
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Aus
der
US 6013385 A ist
ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem aus einem Anodenauslass
der Brennstoffzelle austretendes Wasserstoffgas in einem Zirkulationsstrom
zum Anodeneinlass zurückgeführt wird.
Der Antrieb des Zirkulationsstroms erfolgt durch eine außerhalb
der Brennstoffzelle angeordnete Strahlpumpe, der trockener, frischer
Wasserstoff aus Vorratsbehältern
zugeführt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle
bereitzustellen, die mit einer einfachen Anordnung und einem einfachen Prozess
in der Lage ist, zuverlässig
zu verhindern, dass Wasser an einer Anode kondensiert, sowie ein Verfahren
zum Betreiben einer solchen Brennstoffzelle anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch
1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch
9 gelöst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Brennstoffzelle einen Membranelektrodenaufbau
auf, umfassend eine Festpolymer-Ionenaustauschmembran, eine an einer
Seite der Festpolymer-Ionenaustauschmembran angebrachte Anodenelektrode
und eine an der anderen Seite der FestpolymerIonenaustauschmembran
angebrachte Kathodenelektrode, einen Anodenseparator, einen Kathodenseparator,
wobei der Membranelektrodenaufbau zwischen dem Anodenseparator und
dem Kathodenseparator aufgenommen ist, einen Brenngasdurchgang,
der zwischen der Anodenelektrode und dem Anodenseparator angeordnet
ist, eine Zirkulationsleitung, die eine außerhalb der Brennstoffzelle angeordnete
Brenngaspumpe in Reihe mit dem Brenngasdurchgang verbindet, eine
intermediäre Brenngaszufuhröffnung,
die mit dem Brenngasdurchgang zwischen einem Brenngaseinlass und
einem Brenngasauslass desselben verbunden ist, und einen intermediären Brenngaszufuhrmechanismus zum
Zuführen
eines Brenngases, welches eine niedrigere Feuchte aufweist als ein
stromaufwärts
der intermediären
Brenngaszufuhröffnung
strömendes Brenngas,
von der intermediären
Brenngaszufuhröffnung
zu dem Brenngasdurchgang.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Brennstoffzelle durch Zuführen eines Brenngases betrieben,
welches eine geringere Feuchte aufweist als ein Brenngas, das stromaufwärts der
intermediären
Brenngaszufuhröffnung
von der intermediären Brenngaszufuhröffnung zu
dem Brenngasdurchgang strömt,
wodurch verhindert wird, dass Wasser in dem Brenngasdurchgang kondensiert.
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Während die
Brennstoffzelle in Betrieb ist, wird durch eine Reaktion an der
Kathodenelektrode Wasser produziert. Daher diffundiert Wasserdampf von
der Kathodenelektrode in den der Anodenelektrode zugewandten Brenngas durchgang
zurück,
und das Brenngas in dem Brenngasdurchgang tendiert durch den Verbrauch
des Brenngases, wenn elektrische Energie durch die Brennstoffzelle
erzeugt wird, dazu übersättigt zu
sein.
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Da
dem Brenngasdurchgang das Brenngas mit einer niedrigeren Feuchte
als das stromaufwärts der
intermediären
Brenngaszufuhröffnung
strömende
Brenngas zugeführt
wird, wird die relative Feuchte des Brenngases in der Brennstoffzelle
auf einem Niveau gehalten, das für
die Erzeugung von elektrischer Energie optimal ist, um effektiv
zu verhindern, dass Wasser kondensiert.
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Die
außerhalb
der Brennstoffzelle angeordnete Brenngaspumpe und der Brenngasdurchgang sind
miteinander in Reihe durch die Zirkulationsleitung verbunden. Demzufolge
strömt
das ausgestoßene
Gas von der Brennstoffzelle durch die Zirkulationsleitung und wird
der Brennstoffzelle durch die Zirkulationsleitung wieder als ein
Brenngas zugeführt. Das
Brenngas kann daher effizient genutzt werden.
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Die
obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlicher,
wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden
werden, in denen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung als beispielhafte Illustrationen gezeigt
sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Perspektivansicht eines Brennstoffzellenstapels,
der eine Brennstoffzelle gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält;
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2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht der in 1 gezeigten
Brennstoffzelle;
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3 ist
eine vordere Aufrissansicht eines Anodenseparators der Brennstoffzelle;
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4 ist
eine schematische Ansicht eines Brenngaszufuhrsystems zur Zufuhr
von Brenngas in die Brennstoffzelle;
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5 ist
eine schematische Ansicht eines Oxidationsgaszufuhrsystems zur Zufuhr
eines Oxidationsgases in die Brennstoffzelle;
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6 ist
eine schematische Ansicht eines Kühlmediumzufuhrsystems zur Zufuhr
eines Kühlmediums
in die Brennstoffzelle;
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7 ist
eine schematische Ansicht, die die Beziehung zwischen dem Brenngaszufuhrsystem und
dem Anodenseparator zeigt;
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8 ist
ein Diagramm von relativen Feuchten in Bereichen, durch die das
Brenngas strömt;
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9 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Betriebsdruck und der
relativen Feuchte zeigt;
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10 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der verteilten Menge von
Brenngas und dem Strom zeigt;
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11 ist
eine schematische Perspektivansicht eines Brennstoffzellenstapels,
der eine Brennstoffzelle gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält;
und
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12 ist
eine perspektivische Explosionsansicht der in 11 gezeigten
Brennstoffzelle.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
in einer schematischen Perspektivansicht einen Brennstoffzellenstapel 11,
der eine Brennstoffzelle 10 gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält,
und 2 zeigt die Brennstoffzelle 10 in einer
Explosionsansicht.
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Wie
in 2 gezeigt, weist die Brennstoffzelle 10 einen
Membranelektrodenaufbau 12 mit einer Festpolymer-Ionenaustauschmembran 14,
einer an einer Seite der Festpolymer-Ionenaustauschmembran 14 angebrachten
Anodenelektrode 16 und einer an der anderen Seite der Festpolymer-Ionenaustauschmembran 14 angebrachten
Kathodenelektrode 18 auf. Sowohl die Anodenelektrode 16 als
auch die Kathodenelektrode 18 umfassen eine katalytische
Elektrodenschicht aus Edelmetall, welche mit einer Gasdiffusionsschicht
verbunden ist, die eine poröse
Schicht, wie zum Beispiel aus porösem Kohlenstoffpapier, umfasst.
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Der
Membranelektrodenaufbau 12 ist zwischen einem Anodenseparator 20 und
einem Kathodenseparator 22 aufgenommen, die die Brennstoffzelle 10 bilden.
Die Brennstoffzelle 10 weist einen Brenngaszufuhrdurchgang 24a,
einen Kühlmediumzufuhrdurchgang 26a und
einen Oxidationsgasausstoßdurchgang 28b auf,
welche an einem ihrer Enden in ihrer durch den Pfeil X angedeuteten
Längsrichtung
definiert sind, und weist weiterhin einen Oxidationsgaszufuhrdurchgang 28a,
einen Kühlmediumausstoßdurchgang 26b,
einen intermediären
Brenngaszufuhrdurchgang 30 und einen Brenngasausstoßdurchgang 24b auf,
welche an ihrem gegenüberliegendem
Ende in ihrer Längsrichtung
definiert sind.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt, weist der Anodenseparator 20 einen
Brenngasdurchgang 32 auf, der in seiner der Anodenelektrode 16 zugewandten
Fläche 20a definiert
ist. Der Brenngasdurchgang 32 weist ein mit dem Brenngaszufuhrdurchgang 24a verbundenes
Ende auf und ist in der Längsrichtung
zurückgekrümmt und
erstreckt sich in einem mäanderförmigen Muster
in der durch den Pfeil Y angedeuteten Schwerkraftrichtung und weist ein
mit dem Brenngasausstoßdurchgang 24b verbundenes
gegenüberliegendes
Ende auf.
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Der
Brenngasdurchgang 32 weist eine Serie von gekrümmten Enden
auf, die mit intermediären Brenngaszufuhröffnungen 34 mit
jeweiligen Drosseln 35 verbunden sind. Die intermediären Brenngaszufuhröffnungen 34 stehen
mit dem intermediären Brenngaszufuhrdurchgang 30 durch
einen in der Fläche 20a des
Anodenseparators 20 definierten Durchgang 36 in
Verbindung.
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Der
Kathodenseparator 22 weist einen mäanderförmigen Oxidationsgasdurchgang
(nicht gezeigt) auf, der in seiner der Kathodenelektrode 18 zugewandten
Fläche 22a definiert
ist, wobei der mäanderförmige Oxidationsgasdurchgang
jeweils mit dem Oxidationsgaszufuhrdurchgang 28a und dem
Oxidationsgasausstoßdurchgang 28b verbundene
gegenüberliegende
Enden aufweist. Der Kathodenseparator 22 weist weiterhin
einen Kühlmediumdurchgang 37 auf,
der in seiner gegenüberliegenden
Fläche 22b definiert
ist und jeweils mit dem Kühlmediumzufuhrdurchgang 26a und
dem Kühlmediumausstoßdurchgang 26b verbunden
ist.
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Wie
in 1 gezeigt, ist eine Mehrzahl von auf diese Weise
konstruierten Brennstoffzellen 10 in der durch den Pfeil
Z angedeuteten Richtung gestapelt, und Endplatten 38a, 38b sind
an den jeweiligen Enden des Stapels angeordnet. Die Endplatten 38a, 38b sind
aneinander durch nicht gezeigte Befestigungsbolzen befestigt, wobei
die gestapelten Brennstoffzellen 10 dazwischen eingeschoben
sind, und stellen einen Brennstoffzellenstapel 11 bereit.
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Der
Brennstoffzellenstapel 11 ist mit einem Brenngaszufuhrsystem 40 zum
Zuführen
eines Brenngases, wie etwa Wasserstoff enthaltendes Gas, in die
Brennstoffzellen 10, einem Oxidationsgaszufuhrsystem 42 zum
Zuführen
eines Oxidationsgases, wie etwa ein Sauerstoff enthaltendes Gas oder
Luft, in die Brennstoffzellen 10 und einem Kühlmediumzufuhrsystem
zum Zuführen
eines Kühlmediums
in die Brennstoffzellen 10 kombiniert.
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Wie
in den 1 und 4 gezeigt, umfasst das Gaszufuhrsystem 40 eine
Zirkulationsleitung 48, die eine außerhalb der Brennstoffzellen 10 in
Reihe zu dem Brenngasdurchgang 32 angeordnete Brenngaspumpe 46 verbindet,
und einen intermediären Brenngaszufuhrmechanismus 50 zum
Zuführen
eines Brenngases, welches eine geringere Feuchte aufweist als ein
stromaufwärts
der mit dem Brenngasdurchgang 32 verbundenen intermediären Brenngaszufuhröffnung 34 strömendes Brenngas,
von den intermediären Brenngaszufuhröffnungen 34 zu
dem Brenngasdurchgang 32.
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Mit
der Zirkulationsleitung 48 sind ein Durchflussmessgerät 52 und
ein Temperatur/Drucksensor 54 verbunden, die an einer Auslassseite
der Brenngaspumpe 46 angeordnet sind, und ein Taupunkt-Hygrometer 56 und
ein Temperatur/Drucksensor 58, die an einer Einlassseite
der Brenngaspumpe 46 angeordnet sind.
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Der
intermediäre
Brenngaszufuhrmechanismus 50 weist einen mit dem intermediären Brenngaszufuhrdurchgang 30 durch
eine intermediäre
Brenngasleitung 62 verbundenen Brenngastank 60 auf.
Mit der intermediären
Brenngasleitung 62 sind ein Temperaturregler, wie etwa
ein Wärmetauscher 64,
ein Temperatur/Drucksensor 66, ein erster Regler 68 und ein
erstes Prüfventil 70 verbunden,
welche aufeinander folgend von dem Brenngastank 60 zu den
Brennstoffzellen 10 angeordnet sind.
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Mit
der intermediären
Brenngasleitung 62 ist weiterhin eine Umgehungsgasleitung 72 verbunden, die
ein zwischen dem Temperatur/Drucksensor 66 und dem ersten
Regler 68 verbundenes Ende aufweist. Das gegenüberliegende
Ende der Umgehungsgasleitung 72 ist mit der Zirkulationsleitung 48 zwischen
dem Brenngasausstoßdurchgang 24b als eine
Brenngasausstoßöffnung und
der Brenngaseinlassöffnung
der Brenngaspumpe 46 verbunden.
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Ein
zweiter Regler 74 und ein zweites Prüfventil 76 sind mit
der Umgehungsgasleitung 72 verbunden. Das Taupunkt-Hygrometer 56 ist
mit der Zirkulationsleitung 48 zwischen der Brenngaseinlassöffnung der
Brenngaspumpe 46 und der Abzweigung zwischen der Brenngasleitung 72 und
der Zirkulationsleitung 48 verbunden.
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Wie
in den 1 und 5 gezeigt, umfasst das Oxidationsgaszufuhrsystem 42 Gasleitungen 80, 82,
die jeweils mit dem Oxidationsgaszufuhrdurchgang 28a und
dem Oxidationsgasausstoßdurchgang 28b verbunden
sind. Ein an einen Motor 84 gekoppeltes Aufladegerät 86 und
ein Luftbefeuchter 88 sind mit der Oxidationsgasleitung 80 verbunden,
und ein Druckregulierventil 90 ist mit der Oxidationsgasleitung 82 verbunden.
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Wie
in den 1 und 6 gezeigt, weist das Kühlmediumzufuhrsystem 44 eine
schleifenförmige
Kühlmediumleitung 92 auf,
die mit dem Kühlmediumzufuhrdurchgang 26a und
dem Kühlmediumausstoßdurchgang 26b verbunden
ist.
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Eine
Pumpe 94 und ein an einer Kühlmediumauslassseite der Pumpe 94 angeordneter
Kühler 96 sind
mit der Kühlmediumleitung 92 verbunden. Der
Kühlmediumzufuhrdurchgang 26a der
Brennstoffzellen 10 ist mit dem Kühler 96 durch ein
Durchflussmessgerät 98 und
einen Temperatur/Drucksensor 100 verbunden. Das Durchflussmessgerät 98 und
der Temperatur/Drucksensor 100 sind stromabwärts des
Kühlers 96 angeordnet.
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Ein
Temperatur/Drucksensor 102 ist mit der Kühlmediumleitung 92 in
der Nähe
des Kühlmediumausstoßdurchgangs 26b verbunden.
Der Wärmetauscher 64 ist
mit der Kühlmediumleitung 92 zwischen dem
Temperatur/Drucksensor 102 und der Pumpe 94 verbunden.
Ein Kühlmedium
mit einer relativ hohen Temperatur, das aus den Brennstoffzellen 10 ausgestoßen wird,
wird in den Wärmetauscher 64 eingeführt und
führt einen
Wärmeaustausch
mit dem von dem Brenngastank 60 zugeführten Brenngas durch, um die
Temperatur des Brenngases zu regulieren, so dass diese im Wesentlichen
gleich der Temperatur des durch die Brennstoffzellen 10 strömenden Brenngases
ist.
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Der
Betrieb des mit dem Brenngaszufuhrsystem 40, dem Oxidationsgaszufuhrsystem 42 und dem
Kühlmediumzufuhrsystem 44,
die auf diese Weise konstruiert sind, in Verbindung stehenden Brennstoffzellenstapels 11 wird
im Folgenden in Bezug zu einem Betriebsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
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Bei
dem Brenngaszufuhrsystem 40, wie es in 4 gezeigt
ist, ist ein Brenngas, wie etwa ein Wasserstoff enthaltendes Gas,
in der Zirkulationsleitung 48 vorhanden. Wenn die Brenngaspumpe 46 in
Betrieb ist, wird das Brenngas durch die Zirkulationsleitung 48 den
Brennstoffzellen 10 des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt.
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Wie
in 5 gezeigt, wird bei dem Brenngaszufuhrsystem 42 der
Motor 84 erregt, um das Aufladegerät 86 dazu zu veranlassen,
ein Oxidationsgas, wie etwa ein Sauerstoff enthaltendes Gas oder Luft,
unter Druck zu fördern.
Das Oxidationsgas wird durch den Luftbefeuchter 88 befeuchtet
und dann den Brennstoffzellen 10 des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt, wird in jeder der
Brennstoffzellen 10 dann, wenn das Brenngas dem Brenngaszufuhrdurchgang 24a zugeführt wird,
dieses Brenngas in den mit dem Brenngaszufuhrdurchgang 24a verbundenen
Brenngasdurchgang 32 eingeführt. Das Brenngas strömt durch
den Brenngasdurchgang 32 und wird zwischen der Anodenelektrode 16 und
dem Anodenseparator 20 zugeführt, bewegt sich entlang der
Ebene der Anodenelektrode 16 und wird dann in den Brenngasausstoßdurchgang 24b ausgestoßen und
zu der mit dem Brenngasausstoßdurchgang 24b verbundenen
Zirkulationsleitung 48 gefördert.
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Das
Oxidationsgas wird dem Oxidationsgaszufuhrdurchgang 28a zugeführt, strömt durch
den Oxidationsgasdurchgang (nicht gezeigt), der zwischen der Kathodenelektrode 18 und
dem Kathodenseparator 22 definiert ist, und wird dann in
den Oxidationsgasausstoßdurchgang 28b ausgestoßen. In
dem Membranelektrodenaufbau 12 werden daher das entlang
der Ebene der Anodenelektrode 16 zugeführte Brenngas und das entlang
der Ebene der Kathodenelektrode 18 zugeführte Oxidationsgas durch
eine katalytische Reaktion in der Katalyseschicht verbraucht, wobei
elektrische Energie erzeugt wird.
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Wie
in den 1 und 6 gezeigt, wird zu diesem Zeitpunkt
in dem Kühlmediumzufuhrsystem 44 das
Kühlmedium
in der Kühlmediumleitung 92 durch
die Pumpe 94 gefördert,
durch den Kühler 96 gekühlt und
jeder der Brennstoffzellen 10 des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt.
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In
jeder der Brennstoffzellen 10 wird der Kühlmediumzufuhrdurchgang 26a mit
dem Kühlmedium,
wie etwa pures Wasser, Ethylenglykol oder Öl versorgt. Das Kühlmedium
strömt
durch den Kühlmediumdurchgang 37 in
den Kathodenseparator 22, kühlt die Brennstoffzelle 10 und
wird danach in den Kühlmediumausstoßkanal 26b (siehe 2)
ausgestoßen.
Da die Kühlmediumleitung 92 mit
dem Auslass des Kühlmediumausstoßdurchgangs 26b verbunden
ist, wird das aus dem Brennstoffzellenstapel 11 ausgestoßene Kühlmedium
zu der Kühlmediumleitung 92 zurückgeführt.
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In
der ersten Ausführungsform
führt der Brenngastank 60 des
intermediären
Brenngaszufuhrmechanismus 50 des Brenngaszufuhrsystems 40 das
Brenngas mit einer niedrigen Feuchte der intermediären Brenngasleitung 62 (siehe 1 und 4)
zu.
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Da
das Brenngas mit niedriger Feuchte in den Wärmetauscher 64 eingeführt wird,
führt es
einen Wärmeaustausch
mit dem Kühlmedium
durch, welches durch Kühlung
der Brennstoffzellen 10 auf eine höhere Temperatur erwärmt worden
ist. Daher wird die Temperatur des Brenngases mit niedriger Feuchte
auf im Wesentlichen dieselbe Temperatur wie die des durch die Zirkulationsleitung 48 dem Brenngasdurchgang 32 zugeführten Brenngases
reguliert.
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Das
Brenngas mit niedriger Feuchte, dessen Temperatur auf diese Weise
reguliert worden ist, wird teilweise durch den ersten Regler 68 und
das erste Prüfventil 70 dem
intermediären
Brenngaszufuhrdurchgang 30 der Brennstoffzelle 10 zugeführt. Das übrige Brenngas
mit niedriger Feuchte wird in die Umgehungsgasleitung 72 eingeführt und
durch den zweiten Regler 74 und das zweite Prüfventil 76 der Zirkulationsleitung 48 zugeführt.
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Wie
in den 3 und 7 gezeigt, wird das Brenngas
mit niedriger Feuchte, das dem intermediären Brenngaszufuhrdurchgang
zugeführt
wird, durch den in der Fläche 20a des
Anodenseparators 20 definierten Durchgang 36 gleichförmig zu
den intermediären
Brenngaszufuhröffnungen 34 gefördert, nachdem
sein Druck durch die Drosseln 35 reduziert worden ist.
Da die intermediären
Brenngaszufuhröffnungen 34 mit
den jeweiligen gekrümmten
Enden des Brenngasdurchgangs 32 verbunden sind, wird das
Brenngas mit niedriger Feuchte von den intermediären Brenngaszufuhröffnungen 34 dem
Brenngasdurchgang 32 zugeführt.
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Zu
diesem Zeitpunkt wird durch eine Reaktion auf der Kathodenelektrode 18 jeder
der Brennstoffzellen 10 Wasser erzeugt. Daher diffundiert
Wasserdampf von der Kathodenelektrode 18 in den der Anodenelektrode 16 zugewandten
Brenngasdurchgang 32, und das Brenngas in dem Brenngasdurchgang 32 tendiert
dazu, durch den Verbrauch des Brenngases, wenn elektrische Energie
durch den Brennstoffzellenstapel 11 erzeugt wird, übersättigt zu sein.
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Gemäß der ersten
Ausführungsform
wird das Brenngas mit niedrigerer Feuchte als das Brenngas, das
stromaufwärts
der intermediären
Brenngaszufuhröffnungen 34 entlang
des Brenngasdurchgangs 32 strömt, von den intermediären Brenngaszufuhröffnungen 34 dem
Brenngasdurchgang 32 zugeführt. Daher wird die relative
Feuchte des Brenngases in der Brennstoffzelle 10 auf einem
Niveau gehalten, das für
die Erzeugung von elektrischer Energie optimal ist, d.h. bei 80
% oder höher
und weniger als 100 %, um effektiv zu verhindern, dass Wasser kondensiert.
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Insbesondere
werden die in 8 gezeigten Resultate erhalten,
wenn in Bereichen A bis H, in denen in 3 und 7 das
Brenngas strömt,
die relativen Feuchten erfasst werden. Daher wird dann, wenn die
relative Feuchte des Brenngases aufgrund der Rückdiffusion des Wasserdampfes
und des Verbrauchs des Brenngases ansteigt, die relative Feuchte
durch das Brenngas mit niedriger Feuchte verringert, das den intermediären Brenngaszufuhröffnungen 34 zugeführt wird,
so dass die Gesamtrelativfeuchte auf einem für die Erzeugung von elektrischer Energie
optimalen Wert gehalten wird.
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Bei
der ersten Ausführungsform
sind die Brenngasdurchgänge 32 der
Brennstoffzellen 10 und die außerhalb der Brennstoffzellen 10 angeordnete Brenngaspumpe 46 miteinander
in Reihe durch die Zirkulationsleitung 48 verbunden. Daher
strömt
das ausgestoßene
Gas, das das aus den Brennstoffzellen 10 ausgestoßene Brenngas
enthält,
durch die Zirkulationsleitung 48 und wird danach wieder
als ein Brenngas den Brenngasdurchgängen 32 der Brennstoffzellen 10 zugeführt. Das
Brenngas kann daher effizient und hochgradig ökonomisch genutzt werden.
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Bei
dem intermediären
Brenngaszufuhrmechanismus 50 wird das den intermediären Brenngaszufuhröffnungen 34 zugeführte Brenngas
mit niedriger Feuchte durch den Wärmetauscher 64 hinsichtlich
seiner Temperatur reguliert, so dass es im Wesentlichen dieselbe
Temperatur wie das durch den Zirkulationsdurchgang 48 dem
Brenngasdurchgang 32 zugeführte Brenngas aufweist. Daher
verändert sich
die Brenngastemperatur nicht, wenn das durch den Brenngasdurchgang 32 strömende Brenngas und
das Brenngas mit niedriger Feuchte, das von den intermediären Brenngaszufuhröffnungen 34 zugeführt wird,
ineinander münden.
Im Ergebnis wird mit einer einfachen Anordnung effektiv verhindert,
dass Wasser aufgrund einer Verringerung der Temperatur des Brenngases
kondensiert.
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Bei
der ersten Ausführungsform
wird die Umgehungsgasleitung 72 des intermediären Brenngaszufuhrmechanismus 50 von
der intermediären Brenngasleitung 62 abgezweigt
und wird mit der Zirkulationsleitung 48 verbunden. Daher
wird der Durchgangsbereich zwischen dem Brenngasausstoßdurchgang 24b,
der als Brenngasausstoßöffnung des
Brennstoffzellenstapels 11 dient, und der Brenngaspumpe 46 mit
dem Brenngas versorgt, welches eine geringere Feuchte und im Wesentlichen eine
identische Temperatur wie das aus dem Brenngasausstoßdurchgang 24b ausgestoßene Gas
aufweist.
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Demzufolge
wird das Brenngas mit niedriger Feuchte mit dem Gas mit hoher Feuchte
vermischt, das gerade aus den Brennstoffzellen 10 ausgestoßen worden
ist, wodurch ein Gas mit niedriger Feuchte in der Zirkulationsleitung 48 erzeugt
wird. Das Gas mit niedriger Feuchte wird in ein Gas mit hoher Feuchte
umgewandelt, indem sein Druck durch die Brenngaspumpe 46 erhöht wird,
und das Gas mit hoher Feuchte wird den Brennstoffzellen 10 zugeführt. Daher
wird zuverlässig
verhindert, dass kondensiertes Wasser in der Zirkulationsleitung 48 erzeugt
wird.
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Die
Zirkulationsleitung 48 weist das Taupunkt-Hygrometer 56 auf,
das zwischen der Brenngaseinlassöffnung
der Brenngaspumpe 46 und der Verbindung zwischen dem Umgehungsgasdurchgang 72 und
dem Zirkulationsdurchgang 48 angeordnet ist. Da der Durchfluss
des Brenngases mit niedriger Feuchte aufgrund der durch das Taupunkt-Hygrometer 56 erfass ten
Feuchte reguliert wird, wird die Feuchte des in die Brenngaspumpe 46 eingeführten Brenngases
gesteuert/geregelt.
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Daher
wird zuverlässig
verhindert, dass kondensiertes Wasser erzeugt wird, und das Brenngas kann
effizient genutzt werden. Der Durchfluss des Brenngases mit niedriger
Feuchte kann zum Beispiel aufgrund eines voreingestellten Kennfeldes
reguliert werden, das die Beziehung zwischen der Feuchte und dem
Durchfluss repräsentiert,
anstelle des Benutzens des Taupunkt-Hygrometers 56.
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Bei
dem Brenngaszufuhrsystem 40 sind die Temperatur/Drucksensoren 54, 66, 58 in
Verbindung mit den Brenngaszufuhr- und -ausstoßöffnungen des Brennstoffzellenstapels 11 angeordnet.
In dem Kühlmediumzufuhrsystem 44 sind
die Temperatur/Drucksensoren 100, 102 in Verbindung
mit den Kühlmediumzufuhr-
und -ausstoßöffnungen
des Brennstoffzellenstapels 11 angeordnet. Das Brenngaszufuhrsystem 40 und
das Kühlmediumzufuhrsystem 44 besitzen
jeweils die Flusssensoren 52, 98 zur Erfassung der
Durchflüsse
des Brenngases und des Kühlmediums.
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Durch
Erfassen des Betrags von auf Wasserkondensation hin erzeugter Wärme kann
der Betriebsdruck zur Zufuhr des Brenngases von der Brenngaspumpe 46 so
weit wie möglich
gemäß den Eigenschaften
des Membranelektrodenaufbaus 12 verringert werden. Da der
Druck auf der Kathodenelektrode vergleichsweise hoch ist, wird die
relative Feuchte in den Brennstoffzellen 10 verringert,
obwohl der Betrag von Wasserdampf, der von der Kathodenelektrode
zu der Anodenelektrode zurück
diffundiert wird, sich erhöht,
was es möglich
macht, die Kondensation von Wasserdampf effektiv zu verhindern (siehe 9).
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Während Wasserdampf
dazu tendiert, kondensiert zu werden, wenn die Brennstoffzellen 10 nicht
in stetigem Betrieb sind, zum Beispiel wenn die Brennstoffzellen 10 in
Betrieb gehen, kann die Kondensation von Wasserdampf durch Erniedrigen
des Betriebsdrucks unterdrückt
werden.
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Um
eine große
Ausgabe (einen großen Strom)
aus den Brennstoffzellen 10 zu erhalten, werden der erste
und der zweite Regler 68, 74 gesteuert/geregelt,
um den Durchfluss des Brenngases, das dem intermediären Brenngaszufuhrdurchgang 30 zugeführt wird,
größer zu machen
als den Durchfluss des der Umgehungsgasleitung 72 (siehe 10)
zugeführten
Brenngases.
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11 zeigt
in schematischer Perspektivansicht einen Brennstoffzellenstapel 122,
der eine Brennstoffzelle 120 gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält,
und 12 zeigt die Brennstoffzelle 120 in einer
perspektivischen Explosionsansicht. Diejenigen Teile der Brennstoffzelle 120 und
des Brennstoffzellenstapels 122, welche mit denjenigen
der Brennstoffzelle 10 und des Brennstoffzellenstapels 11 gemäß der ersten Ausführungsform
identisch sind, sind durch identische Referenzzeichen bezeichnet
und werden im Folgenden nicht im Detail beschrieben.
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Bei
der Brennstoffzelle 120 sind intermediäre Brenngaszufuhröffnungen 124 mit
jeweiligen gekrümmten
Enden des Brenngasdurchgangs 32 verbunden und erstrecken
sich durch die Brennstoffzelle 120 in der durch den Pfeil
Z angedeuteten Richtung. Es gibt beispielsweise fünf intermediäre Brenngaszufuhrdurchgänge 126,
die jeweils mit den intermediären
Brenngaszufuhröffnungen 124 verbunden
sind. Die intermediären
Brenngaszufuhrdurchgänge 126 erstrecken
sich aus dem Brennstoffzellenstapel 122 heraus und stehen
mit der intermediären
Brenngasleitung 62 in Verbindung, wobei Drosseln 128 jeweils in
den intermediären
Brenngaszufuhrdurchgängen 126 angeordnet
sind.
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Der
auf diese Weise konstruierte Brennstoffzellenstapel 122 funktioniert
wie folgt: Ein Brenngas mit niedriger Feuchte, das von der intermediären Brenngasleitung 62 gefördert wird,
wird auf die intermediären
Brenngaszufuhrdurchführungen 126 verteilt
und den intermediären
Brenngaszufuhröffnungen 124 zugeführt, nachdem
sein Druck durch die Drosseln 128 reduziert worden ist.
Das Brenngas mit niedriger Feuchte wird zu dem Brennstoffzellenstapel 122 hin
in die durch den Pfeil Z angedeutete Richtung gefördert und
gleichförmig
den intermediären
Brenngaszufuhröffnungen 124 der
Brennstoffzellen 120 zugeführt.
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Die
intermediären
Brenngaszufuhröffnungen 124 sind
mit den jeweiligen gekrümmten
Enden des Brenngasdurchgangs 32 verbunden, so dass das Brenngas
mit niedriger Feuchte von den intermediären Brenngaszufuhröffnungen 124 dem
Brenngasdurchgang 32 zugeführt wird.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
wird ein Brenngas mit niedriger Feuchte, welches im Wesentlichen
dieselbe Temperatur aufweist wie das dem Brenngasdurchgang 32 zugeführte Brenngas,
von der intermediären
Brenngasleitung 62 den intermediären Brenngaszufuhrdurchgängen 126 zugeführt. Daher
wird die relative Feuchte des Brenngases in den Brennstoffzellen 120 zuverlässig auf
einem Niveau gehalten, das für
die Erzeugung von elektrischer Energie optimal ist, so dass die
Brennstoffzellen 120 gemäß der zweiten Ausführungsform
dieselben Vorteile wie diejenigen der Brennstoffzelle 10 gemäß der ersten
Ausführungsform
bieten.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
erstrecken sich die intermediären
Brenngaszufuhrdurchgänge 126,
die mit den intermediären
Brenngaszufuhröffnungen 124 verbunden
sind, aus dem Brennstoffzellenstapel 122 heraus, und die
Drosseln 128 sind jeweils in den intermediären Brenngaszufuhrdurchgängen 126 vorgesehen.
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Die
Drosseln 128 können
daher leicht von außerhalb
des Brennstoffzellenstapels 122 justiert werden, um die
Verteilung des Brenngases auf die intermediären Brenngaszufuhröffnungen 124 zu
optimieren, wodurch die Reaktion in der Ebene, in der elektrische
Energie erzeugt wird, mit hoher Genauigkeit gleichförmig ablaufend
gemacht wird.
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Bei
der Brennstoffzelle und dem Betriebsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird daher der Brenngasdurchgang zwischen der Kathodenelektrode
und der Anodenelektrode mit Brenngas versorgt, das eine geringere
Feuchte aufweist als das Brenngas, das stromaufwärts der intermediären Brenngaszufuhröffnungen
strömt.
Daher wird die relative Feuchte des Brenngases in den Brennstoffzellen
zuverlässig
auf einem Niveau gehalten, das für die
Erzeugung von elektrischer Energie optimal ist, und es wird zuverlässig verhindert,
dass Kondenswasser erzeugt wird. Demzufolge kann das elektrische
Erzeugungsvermögen
der Brennstoffzelle mit einer einfachen Anordnung und einem einfachen Prozess
effektiv gesteigert werden.
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Die
außerhalb
der Brennstoffzelle angeordnete Brenngaspumpe und der Brenngasdurchgang sind
in Reihe miteinander durch die Zirkulationsleitung verbunden. Demzufolge
strömt
das aus der Brennstoffzelle ausgestoßene Gas durch die Zirkulationsleitung
und wird der Brennstoffzelle durch die Zirkulationsleitung wieder
als ein Brenngas zugeführt.
Das Brenngas kann daher effizient genutzt werden.
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Eine
Brennstoffzelle (10) weist einen in derselben angeordneten
Brenngasdurchgang (32) auf sowie eine Zirkulationsleitung
(48), die eine Brenngaspumpe (46) in Reihe mit
dem Brenngasdurchgang (32) verbindet, und einen intermediären Brenngaszufuhrmechanismus
(50). Der intermediäre Brenngaszufuhrmechanismus
(50) führt
ein Brenngas, das niedrigere Feuchte aufweist als ein stromaufwärts einer
intermediären
Brenngaszufuhröffnung (34)
in dem Brenngasdurchgang (32) strömendes Brenngas, der intermediären Brenngaszufuhröffnung (34)
zu, um dadurch zu verhindern, dass Wasser in den Brenngasdurchgang
(32) kondensiert.