DE69906551T2

DE69906551T2 - Brennstoffzellensystem mit umgebungsdruck

Info

Publication number: DE69906551T2
Application number: DE69906551T
Authority: DE
Inventors: S. Mahlon WILSON
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: EP1110264B1; US6117577A; EP1110264A1; EP1110264A4; WO2000011745A1; AU5771799A; DE69906551D1; ATE236457T1; CA2340765A1

Description

Erklärung in Bezug auf bundesstaatliche (US-) Rechte
Diese Erfindung wurde mit einer durch das US-Ministerium für Energie zuerkannten staatlichen Unterstützung gemäß Vertrag Nr. W-7405-ENG-36, gemacht. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen und insbesondere Brennstoffzellen mit Elektrolytmembranen aus Polymer.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellen mit Elektrolytmembranen aus Polymer (PEFC) sind wegen ihrer relativ niedrigen Betriebstemperatur und/oder ihres nicht korrosiven Elektrolyten im Vergleich zu anderen Typen von Brennstoffzellen interessant für Verbraucheranwendungen. Andererseits ist die Reduktionsreaktion von Sauerstoff (ORR) in der stark sauren Umgebung nicht besonders leicht, und die Wasserhaltung in den PEFC wird durch die konkurrierenden Erfordernisse einer adäquaten Hydratisierung der Elektrolytmembran und einem minimalem „Überfluten" der Gaszugangskanäle zu der Membranoberfläche verkompliziert. Die normale Strategie zur Maximierung der ORR-Rate in terrestrischen Anwendungen (d. h. beim Betrieb mit Luft) besteht darin, Druckluft für die Kathode einzusetzen, um den Partialdruck von Sauerstoff auf ein Maximum einzustellen und dessen Transport in Gegenwart der inaktiven Stickstoffkomponente zu erleichtern.
Die Wasserhaltung besteht normalerweise darin, die Reaktionsgase zu befeuchten und hydrophobe Materialien dort einzusetzen, wo dies möglich ist, um die Ansammlung von flüssigem Wasser zu minimieren. Die Elektrolytmembran aus Polymer wird anschließend durch Kontakt mit dem Wasserdampf in den Strömen des reagierenden Stoffes und durch das Produktwasser der ORR hydratisiert. Mit dieser Vorgehensweise ist es schwierig, eine optimale Hydratisierung über den gesamten Betriebsbereich zu erreichen, weil die Membran bei geringen Stromdichten dazu neigt, auszutrocknen, und die Kathodenstruktur bei hohen Stromdichten dazu neigt, zu „überfluten", wenn eine Entnahme von Produktwasser zum Problem wird.
Um die Notwendigkeiten einer Druckbeaufschlagung und/oder Befeuchtung der Gase des reagierenden Stoffes im Gleichgewicht zu halten, um eine gute Leistungsfähigkeit zu erreichen, wird eine Anzahl zusätzlicher Untersysteme wichtig. In den meisten Fällen ist es auch nötig, eine Vorrichtung zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels vorzusehen. Während dieses auf bestimmte Art und Weise in das Befeuchtungs-Untersystem integriert werden kann, erfordert es normalerweise, dass bestimmte Arten von Kühlplatten oder -zellen in den Brennstoffzellenstapel einbezogen werden, was zu einem größeren Gewicht, einer größeren Größe und größerer Komplexität führt. Oftmals ist die Leistungsfähigkeit von einzelnen Zellen innerhalb des Stapels abhängig von ihrer Position im Verhältnis zu einer Kühlplatte.
Eine der hauptsächlichen Schwierigkeiten bei solchen komplexen Systemen ist die parasitäre Leistung, die benötigt wird, um die Druckluft für den Brennstoffzellenstapel zu erzeugen. An der stromabwärts gerichteten Seite kann ein Verdampfer genutzt werden, um einen Teil der verloren gegangenen Leistung zurück zu gewinnen. Jedoch verlieren die bekannten Systeme, wie das von Ballard zum Betrieb mit 3 atm (30 psig) entwickelte System, dennoch etwa 20% ihrer Gesamtleistung an Hilfssysteme, wobei der größte Leistungsverlust vom Verdichter herrührt. Außerdem ist das Verdichter/Verdampfer-System auch relativ groß, kompliziert und teuer. Die Nutzung der Verdichtung begrenzt außerdem die Menge des Überschusses an Luft, die in die kathodische Luftkammer eingeleitet werden kann. Während ein wesentlicher Luftüberschuss die Leistungsfähigkeit erheblich verbessern kann, überwiegt schnell die Leistungsanforderung an die Verdichtung gegenüber den erzielten Vorteilen, wobei die für die Kathodenluft genutzten typischen Ströme in der Größenordnung vom Zweifachen des stöchiometrischen Durchflusses (oder in einer 50%igen Sauerstoffnutzung) liegen.
Diese Betrachtungen veranschaulichen einige der Schwierigkeiten und Herausforderungen, die den Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystemen eigen sind. Einige dieser Schwierigkeiten können abgeschwächt werden, indem eine wirksame Einrichtung zur Einleitung von flüssigem Wasser direkt in die Membran/Elektroden-Anordnung (MEA) verwendet wird, anstatt sie indirekt über die Gase des reagierenden Stoffes zu befeuchten. Die Vorteile der direkten Hydratisierung mit Flüssigkeiten wurden von Watanabe et al. (J. Electrochem. Soc., 140, 3190 (1993)) beschrieben. Watanabe und Cisar et al. (US-Patent 5,635,039), die beide durch Verweis hier einbezogen sind, haben innere Membranstrukturen entwickelt, um flüssiges Wasser direkt an die ionomerische Membran zu liefern. Die von M. S. Wilson am 24. Februar 1997 eingereichte US-Patentanmeldung 08/810, 229, die hier durch Verweis einbezogen ist, beschreibt einen anderen Lösungsweg, bei dem angrenzend an die MEA „gemischte" hydrophobe/hydrophile Gasdiffusions-Schichtträger genutzt werden, um flüssiges Wasser von getrennten Kanälen in das Anoden-Strömungsfeld direkt zu der MEA zu transportieren. Anschließend wird flüssiges Wasser durch Verteiler und Verteilerkanäle, ähnlich der Wasserstoffverteilung vieler Stapelausführungen, in Strömungsfeld-Kanäle eingeleitet. Mit den in direktem flüssigen Kontakt mit einem Wasserbehälter befindlichen MEA bleiben die Membranen selbst bei erhöhten Temperaturen oder niedrigen Stromdichten nahezu völlig hydratisiert, ohne dass eine Befeuchtung des reagierenden Stoffes notwendig ist.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein System mit völlig hydratisierten Membranen gerichtet, mit dem die Probleme überwunden werden, die den mit Druck beaufschlagten, befeuchtete Reaktant-Gase nutzenden Brennstoffzellen eigen sind. Folglich besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Luftkathoden eines Brennstoftzellensystems annähernd bei Umgebungsdruck zu betreiben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen nicht befeuchteten oder trockenen Luftstrom an die Kathode der Brennstoffzelle zu leiten.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine genügend hohe Durchflussrate von Kathodengas zur Entfernung von an der Kathode gebildetem Wasser zu ermöglichen, um eine erhebliche Ansammlung von Wasser zu vermeiden.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Brennstoffzellenstapel durch direkte Verdampfung von Wasser von der Kathodenseite der Membran/Elektroden-Anordnung (MEA) der Brennstoffzelle in das Reaktantgas im kathodischen Strömungsfeld zu kühlen.
Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Kriechstromverluste zu minimieren, während für die Brennstoffzelle Reaktantgase bereitgestellt werden.
Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung erläutert und dem Fachmann bei Prüfung der folgenden Ausführungen zum Teil ersichtlich oder können durch Ausführung der Erfindung erlernt werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mit Hilfe der Mittel und Kombinationen, die insbesondere in den angefügten Ansprüchen gezeigt werden, verwirklicht und erreicht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Um die vorhergehend beschriebenen und anderen Aufgaben zu erfüllen, sowie entsprechend den Zwecken der vorliegenden Erfindung, wie sie hier ausgeführt und umfassend beschrieben wird, enthält die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit Umgebungsdruck. Ein Brennstoffzellenstapel wird aus einer Anzahl von Brennstoffzellen mit Membran/Elektroden-Anordnungen (MEA), die mit flüssigem Wasser hydratisiert werden, und bipolaren Platten gebildet, die Anoden- und Kathodenseiten aufweisen, um Wasserstoffbrenngas und Wasser zur Anodenseite jeder der MEA und Luft mit Reaktant-Sauerstoffgas an die Kathodenseite jeder der MEA zu verteilen. Der Anodenseite der bipolaren Platte wird flüssiges Wasser zugeführt, um die MEA zu hydratisieren. Ein Gebläse mit nahezu Umgebungsdruck bläst Luft in mehr als stöchiometrischen Mengen zur Reaktion mit dem Wasserstoff-Brennstoffgas durch den Brennstoftzellenstapel.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen, die in die Beschreibung einbezogen werden und einen Teil der Beschreibung bilden, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Querschnitt einer Einheitszelle, der die Wasseranlagerung an die Membran nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit Umgebungsdruck nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Darstellung einer Brennstoffzelle in einer Explosionszeichnung, die in den in 2 gezeigten Brennstoftzellenstapel einbezogen ist;
4 eine Polarisationskurve für einen 12-Zellen-Stapel, der Anoden-Dochte mit einem Druck im Luftverteiler von etwa 25 mm Wassersäule) (1 inch N₂O) nutzt.
5A und 5B Draufsichten auf die Anodenseite bzw. auf die Kathodenseite einer bipolaren Platte nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine Polarisationskurve für einen 8-Zellen-Stapel, bei dem Anoden-Dochte mit einem Druck im Luftverteiler von etwa 50 mm Wassersäule) (2 inch H₂O) genutzt sind;
7 Polarisationskurven, die das Betriebsverhalten einer einzelnen Zelle mit dem durchschnittlichen Betriebsverhalten des in
5 dargestellten 8-Zellen-Stapels vergleichen.
Ausführliche Beschreibung
Mit der vorliegenden Erfindung wird anerkannt, dass die Nutzung der direkten Hydratisierung mit Flüssigkeiten, wie sie von Watanabe et al., Cisar et al. und Wilson (s. o.) oben offenbart worden ist, wesentliche Systemvorteile aufweist. Gemäß der vorliegenden Endung wird ein die direkte Hydratisierung mit Flüssigkeiten nutzender Brennstoffzellenstapel mit Umgebungsdruck betrieben, um ein einfaches System mit geringer parasitärer Leistung zur Verfügung zu stellen und um eine direkte „Verdunstungskühlung" aus einem hochvolumigen Luftstrom mit Umgebungsdruck zu ermöglichen.
Mehrere Merkmale werden einbezogen, um das Betriebsverhalten zu verbessern, das auf Grund einer Absenkung des Partialdruckes von Sau erstoff verloren gehen könnte. Da die Anforderungen an die Verdichtung weitgehend reduziert sind, kann in die kathodische Luftkammer ohne die begleitenden Verluste parasitärer Leistung zunächst wesentlich mehr Luft eingeleitet werden, die ein unter Druck gesetztes System erfährt. Je größer der stöchiometrische Durchfluss der Luft ist, desto höher ist der Partialdruck von Sauerstoff (und die ORR-Rate) über die gesamte Länge des kathodischen Strömungsfeldes.
Ein weiterer Faktor, der dazu dient, den Partialdruck von Sauerstoff in herkömmlichen Brennstoffzellen abzusenken, ist die Anwesenheit von Wasserdampf. Wenn die Luft zum Beispiel zuerst bei einer Stapel-Temperatur von 80°C mit Wasserdampf gesättigt wird, dann ist etwa die Hälfte des Reaktantgases tatsächlich Wasserdampf, der den Partialdruck von Sauerstoff halbiert. Nach dieser Erfindung ist eine Befeuchtung des reagierenden Stoffes wegen der direkten flüssigen Hydratisierung der MEA nicht notwendig. Das Gas wird Wasserdampf innerhalb der Zelle aufnehmen, jedoch wird der Partialdruck von Sauerstoff (und dementsprechend die ORR), bis sich das Gas auf Zelltemperatur erwärmt hat und/oder mit Dampf gesättigt ist, größer sein als im Fall mit vorheriger Befeuchtung.
Ein weiterer Vorteil im Betriebsverhalten, der erlangt wird, wenn die Kathode an nicht befeuchteten Gasen und mit einem relativ hohen stöchiometrischen Durchfluss betrieben werden, besteht darin, dass sich in dem kathodischen Strömungsfeld wenig Kondensat, falls überhaupt, ansammelt. Das Fehlen von flüssigem Wasser im Strömungsfeld ermöglicht es, die Kathodenseite des Stapels mit einem sehr kleinen Druckabfall zu betreiben (da es nicht nötig ist, flüssiges Wasser heraus zu spülen) und dennoch durchweg eine gleichmäßige Verteilung des reagierenden Stoffes zu erreichen. Dies vereinfacht die Ausführung des kathodischen Strömungsfeldes normalerweise erheblich, weil die meisten der Schwierigkeiten, ein gutes Betriebsverhalten in einem herkömmlichen Stapel zu erreichen, mit der Entnahme und Haltung des Kondensatwassers verbunden sind.
Ein glücklicher Nutzen bei der Durchströmung von großen Mengen nicht befeuchteter Luft durch die Kathoden besteht darin, dass die Luft beim Erwärmen eine erhebliche Menge Wasser aufnimmt. Da bei diesem Verdunstungsprozess eine große Wärmemenge übertragen wird, wird der Stapel ohne weiteres verdunstend gekühlt. Für jeden Milliliter Kondensat, der dadurch vermieden wird, dass mit relativ hohem stöchiometrischen Gasdurchfluss durchflossen wird, wird eine Verdunstungskühlwirkung realisiert, die etwa 4.000 Joules (1.000 Kalorien) (d. h. der Verdampfungswärme von Wasser) entspricht. Zum Vergleich, wenn ein Kühlmittel, wie Wasser, um 10°C erwärmt werden würde, wären ungefähr 400 ml Flüssigkeit erforderlich, um die entsprechende Menge Wärme zu entziehen. Es wäre nicht nur nötig, ein Kühlmittel durch spezielle, Platz verbrauchende Platten umzupumpen, sondern eine Temperaturänderung von 10°C über die verschiedenen Bereiche wird die Gleichmäßigkeit des Betriebsverhaltens beeinflussen.
So werden mit der Verdunstungskühlung mehrere Vorteile realisiert. Zunächst regelt sich die Temperatur des Stapels etwas von selbst, weil der Wärmeentzug aus den wärmeren Bereichen durch Zunahme der Wasserdampfkonzentration mit der Temperatur erleichtert wird. Der Stapel arbeitet bis zu einem bestimmten Umfang wie ein Wärmeübertragungsrohr dadurch, dass die Wärme dort, wo und wenn es nötig ist, entzogen wird. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass in dem elektrochemischen Stapel bei Kühlung „an Ort und Stelle" keine herkömmlichen Kühlplatten benötigt werden. Deshalb kann der Stapel für das gleiche Leistungsergebnis leichter und kleiner sein, wobei die begleitenden ohmschen Verluste und Kosten mit weniger inneren Komponenten gesenkt werden.
Es wird ersichtlich, dass es schwierig wäre, genügend Wasser für die MEA bereitzustellen, damit dieser Prozess effektiv ist, falls die Membran nicht durch direkten Kontakt mit flüssigem Wasser hydratisiert wäre. Die Nutzung von Verdunstungskühlung führt normalerweise zum Verlust von mehr Wasser im Abwasserstrom, als in dem, der durch die ORR erzeugt wird. Eine getrennte Wasserversorgung kann vorgesehen werden, wobei das Wasser aber bei Bedarf in einem getrennten Kondensator zurück gewonnen werden kann, der leicht und effizient ausgeführt werden kann, indem preisgünstiges Material verwendet wird. Diese einzelne externe Komponente ist vergleichbar mit dem Einbeziehen von Kühlplatten im Brennstoffzellenstapel in periodischen Abständen, die elektrisch leitfähig, nicht korrodierbar und dergleichen sein müssen.
Diese Faktoren lassen sich kombinieren, um ein Brennstoffzellensystem mit Umgebungsdruck herzustellen, das eine relativ hohe Leistungsfähigkeit aufweist, jedoch sehr einfach ist. In der grundlegendsten Ausführung ist das, was grundsätzlich benötigt wird, ein Brennstoffzellenstapel (in geeigneter Ausführung für eine direkte Hydratisierung), eine Wasserversorgung (eine Pumpe oder eine andere Einrichtung zur Einleitung des Hydratisierungswassers), eine Wasserstoff-(Brennstoff-)zuführung und ein Gebläse, das in die kathodische Luftkammer genügend Luft drückt, um über Verdunstung eine entsprechende Kühlung des Stapels zu bewirken. Obwohl Gebläse nicht besonders wirksam sind, wird nicht viel Leistung benötigt, um große Luftmengen zu bewegen, wenn die Druckabfälle ziemlich niedrig gehalten werden. Da die interessierenden Druckabfälle hier komfortabel geringer als 254 mm Wassersäule (10 inch H₂O; 0,35 psi) sind, sind die Anforderungen an die Leistung im Vergleich zu Verdichtern, die in der Umgebung von drei Atmosphären (30 psig) arbeiten, sehr gering.
Die bevorzugte Ausführungsform einer „gemischten" hydrophilen/hydrophoben Anoden-Verstärkung ist in der Patentanmeldung '229 von Wilson (s. o.) für einzelne, mit Druck beaufschlagte Brennstoffzellen beschrieben worden. Wie darin beschrieben und in 1 im Querschnitt dargestellt ist, sieht die Brennstoffzelle 10 anodische Strömungsfeldplatten 12 vor, die mit zwei parallelen, durch Verteiler verbundenen Kanalnetzen 14, 16, einem für den Durchfluss von Brennstoff (Wasserstoff) 16 und dem anderen für flüssiges Wasser 14, ausgebildet sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist jeder dritte Kanal gemäß 1 mit Wasser gefüllt. Ein hydrophiler Dochtfaden 18 ist selektiv in die hydrophobe Gasdiffusionsstruktur (Verstärkung) 22 eingenäht, die sich mit der katalysierten Membran oder Membran/Elektro den-Anordnung (MEA) 24 in den Bereichen in Kontakt befindet, welche die mit Wasser gefüllten Kanäle 14 direkt überspannen. Auf diese Weise kommt flüssiges Wasser in direkten Kontakt mit der MEA 24, wobei Wasserstoff als reagierender Stoff über die hydrophobe Komponente 22 der Gasdiffusionsverstärkung ebenfalls ohne weiteres Zugang zur Katalysatorschicht hat. In der kathodischen Strömungsfeld-Platte 26 sind Luftkanäle 25 ausgebildet, um durch die kathodische Verstärkung 28 Luft (Sauerstoff) zur MEA 24 zuzuführen.
Gemäß 2 besteht ein Brennstoffzellensystem 30 mit Umgebungsdruck in erster Linie aus einem Brennstoftzellenstapel 32, einem Luftgebläse 34, einer Wasserpumpe 36 und bedarfsweise einem Verdichter 38 zur Umwälzung des Wasserstoffes an der anodischen Seite 42 der Zelle 44. Erstrebenswert ist, dass der Verdichter 38 ein System ist, bei dem die Wasserstoffzufuhr mit einem blinden Ende versehen ist, weil Wasser dazu neigt, in den Wasserstoffkanälen zu kondensieren und ausgespült werden muss, andernfalls könnte der reagierende Stoff in Bereichen der Zellen verarmen. Zusätzliche Komponenten in dem in 2 dargestellten System sind, wie der Druckregler 53 und eine Kombination von Wasserbehälter und Wasserauslass 48, verhältnismäßig einfach. Beim Betrieb saugt die Wasserpumpe 36 die Flüssigkeit aus dem Wasserbehälter 48 an und leitet sie in den Wasserverteiler innerhalb des Stapels, der die Wasserkanäle 14 (1) in anodischen Strömungsfeld-Platten 12 der einzelnen Zellen 10 versorgt. Das Wasser wird mit relativ geringem Durchsatz (in einem 400 W-System z. B. mit etwa 15 ml/min) durch den Stapel 32 und zurück in den Behälter 48 gepumpt. Während der Durchsatz im Prinzip nur der Verdunstungsgeschwindigkeit in dem Stapel entsprechen muss, entfernt eine leicht zirkulierende Strömung alle Gasblasen, die sich ansammeln können, um zu gewährleisten, dass durchweg eine kontinuierliche Zuführung von Wasser bewirkt wird.
Mit erneutem Bezug auf 2 wird Wasserstoff-Brennstoff 50 in einen Wasserstoff-Verteiler innerhalb des Stapels 32 eingeleitet, der die Brennstoffkanäle in den anodischen Strömungsfeldplatten 12 (1) der einzel nen Zellen 10 versorgt. Der Druckregler 46 hält den Druck am vorderen Ende des Stapels 32 auf mehreren Zehnteln eines bar über dem Umgebungsdruck (mehrere psig). In einem mit blindem Ende versehenen, statischen System würde der gesamte Wasserstoff beim elektrochemischen Oxidationsprozess im Stapel verbraucht werden, wobei jedoch durch die Verwendung einer Wasserstoffpumpe 38 im System ein zusätzlicher Durchfluss hervorgerufen wird, um Kondensat aus den Wasserstoff-Durchströmkanälen heraus zu spülen. Nach dem Verlassen des Stapels verläuft der Wasserstoff-Umwälzweg 52 zuerst durch den Wasserauslass 48, der auch als Wasserbehälter für das Wassersystem dient, und anschließend in die Wasserstoffpumpe 38. Während die Pumpe 38 etwas parasitäre Leistung benötigt, ist sie einfach zu realisieren.
In einem System mit größerem Maßstab oder bei einem handelsüblichen System kann es vorteilhafter sein, eine Zirkulation auszulösen, bei dem die Leistung abgezweigt wird, die in dem verdichteten Wasserstoff-Brennstoff verfügbar ist. Ein Beispiel einer solchen Vorgehensweise ist von Ballard vorgesehen worden (Merritt et al., „Electrochemical fuel cell system with regulated vacuum ejector for recirculation of the fluid feed stream" („Elektrochemisches Brennstoftzellensystem mit reguliertem Ejektor zur Umwälzung der Flüssigkeitsversorgungsleitung"), US-Patent 5,441,821, ausgegeben am 15. August 1995, das durch Vennreis hier einbezogen ist). Die Zirkulation des reagierenden Stoffes durch die anodischen Luftkammern wird durch ein Vakuum hervorgerufen, das durch einen an der Brennstoffversorgungsleitung angeordneten Ejektor in der Abflussleitung angesaugt wird.
Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, den Wasserstoff für den Brennstoftzellenstapel zuzuführen, indem ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff reformiert wird. Erdgas ist zum Beispiel ein geeigneter Brennstoff für stationäre Energieanwendungen, wobei ein flüssiger Kohlenwasserstoff, wie Benzin, für Transportanwendungen geeignet wäre. Diese Brennstoffe können durch Nutzung der Heißdampf-Reformierung und/oder thermischer Zersetzung in einem partiellen Oxidationsprozess in Wasserstoffumgewandelt werden.
Wenn ein Reformer mit Teiloxidation (POX) zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird, liegt der Wasserstoffgehalt des Brennstoffstromes in der Größenordnung von nur 40%, wobei die Reste Nebenprodukte der POX aus CO₂ und N₂ sind. Da es wünschenswert ist, soviel Wasserstoff wie möglich zu nutzen, und da es Verdünnungseffekte hinsichtlich der Anodenleistung gibt, wird die optimale Leistung mit einer Strömungsform mit Einfachpassage durch die Anode erreicht, mit der in idealer Weise etwa 90% des Wasserstoffes oder so verbraucht werden. Jedoch fließen 60% oder mehr des Reaktantstromes weiter durch die anodische Luftkammer, um die gewünschte Klärwirkung zur Entfernung des Kondensates zu erreichen. Eine Umwälzung ist in diesem Falle an sich nicht notwendig und würde tatsächlich kontraproduktiv sein. Dies macht das Brennstoffzellensystem einfach und senkt die parasitäre Leistung der unterstützenden Komponenten.
Viele Brennstoffzellen arbeiten bei einem Druck, der höher ist als der Umgebungsdruck, um die Betriebsleistung zu verbessern und die Größe des Systems zu verkleinern. Es ergeben sich einige Vorteile, wenn die Anode der Brennstoffzelle auch in diesem Druckbereich arbeiten kann. Obwohl die Kathode in der Stapelausführung nach der vorliegenden Erfindung nahezu bei Umgebungsdruck arbeitet, ist es möglich, die Anode bei erhöhtem Druck, wie bei 207·10³ Pa (30 psig), zu betreiben, um die Integration der beiden Systeme zu erleichtern.
Wie oben in der '229-er Patentanmeldung beschrieben ist, ist es wünschenswert, den Druck in den Wasserkanälen 14 (1) der Anodenplatten 12 etwas höher als den in den Wasserstoffkanälen 16 zu halten, um eine Verdrängung des Wassers in den Kanälen durch den Wasserstoff zu vermeiden. An der Wasserabflussleitung 54 ist an sich ein Gegendruckregler 53 angeordnet, um den Druck des Wassers innerhalb des Stapels 32 höher als den in der Wasserstoffzuführleitung 56 zu halten.
An der Kathodenseite 44 des Stapels 32 wird Luft einfach durch ein kleines Gebläse 34 (2) an den von außen angeschlossenen Luftkanälen 25 (1) bereitgestellt, die in den bipolaren Platten 26 von einzelnen Zellen 10 ausgebildet sind. Das Luftgebläse 34 arbeitet fast bei Umgebungsdruck. Wie hier verwendet, bedeutet „fast Umgebungsdruck" einen Druck, der geringer ist als etwa 254 mm Wassersäule (10 inch H₂O) über dem Umgebungsdruck und vorzugsweise weniger als etwa 51 mm Wassersäule (2 inch H₂O) über dem Umgebungsdruck. Da der Druckabfall im Verteiler nur in der Größenordnung von 25,4 mm Wassersäule (1 inch H₂O; 0,002 bar) bei maximaler Leistung liegt, ist die benötigte Leistung klein genug, obwohl die verwendeten Durchflussraten höher sind als es für mit Druck beaufschlagte Systeme typisch ist.
Wie oben beschrieben, wird eine Kühlung des Stapels durch die Verdunstung von Wasser von der Kathodenseite 44 der gut hydratisierten MEA in den kathodischen Luftstrom an jeder Zelle erreicht. Da sich die Geschwindigkeit der Verdunstungskühlung mit der Temperatur erhöht, neigen die Temperaturen über dem Stapel dazu, sich zu normalisieren. Im Betrieb wird die Drehzahl des Gebläses 34 durch die Steuereinheit 35, die ein beliebiger normaler Drehzahlregler sein kann, geregelt, um die maximale Temperatur im Stapel auf einer Höhe von etwa 70 bis 75°C zu halten, ausgenommen in Fällen, wie beim Anlauf, wo ein relativ hoher Luftdurchfluss genutzt wird, um beim Anlauf eine potenzielle Ansammlung von Kondensat in den Durchflusskanälen bei den relativ niedrigen Temperaturen zu vermeiden.
Das Brennstoffzellensystem nach der vorliegenden Erfindung benötigt keine Wärmeaustauscher, Heizungen, Verdichter/Verdampfer oder Luftbefeuchtermodule. Im einfachsten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden eine direkte Wasserversorgung zur MEA-Hydratisierung und ein Luftgebläse mit fast Umgebungsdruck genutzt. Mit dem hier beschriebenen System wird ein Verlust von Netzwasser in Kauf genommen, weil die Verdunstungskühlung normalerweise mehr Wasser als das durch die elektrochemi sche Kathodenreaktion erzeugte benötigt. Wenn die Energieanwendung stationär ist und eine Wasserversorgung verfügbar ist, dann schafft eine direkte Wasserversorgung die geringsten parasitären Leistungsverluste. Wenn die Anwendung zum Transport gedacht ist, kann es wünschenswert sein, einen Teil des Wassers von den Kathoden 44 gemäß 2 in einem Kondensator 62 zurück zu gewinnen, um einen genügenden Wasserspiegel aufrechtzuerhalten. Ein Kühlgebläse 64 für den Kondensator 62 erfordert die Größenordnung von einem zusätzlichen Prozent der Leistung, die für einen Luftdurchsatz von etwa dem Fünffachen der stöchiometrischen Anforderung erzeugt wird.
Die Wasserpumpe 36 und der Wasserstoffverdichter 38 in dem System waren Membranpumpen (Thomas) mit 12 V Gleichstrom. Das Gebläse 34 war ein Schneckengebläse (EG & G Rotron) mit 12 V Gleichstrom. Diese Komponenten wurden mit einer 12 V-Batterie gespeist. Zur Regelung der Motordrehzahl wurden in diesen Beispielen regelbare Widerstände verwendet.
In einer beispielhaften experimentellen Ausführung, die in 3 dargestellt ist, hatten die Einheitszellen 70 in den hier beschriebenen Stapeln aktive Bereiche von 100 cm² (15,5 inch²). Die bipolaren Platten waren handelsübliche Platten aus Graphit/Epoxidharz-Verbundstoff (Pure Carbon, Inc.) mit einer Größe von 12,1 cm·14,0 cm (4,75 inch·5,5 inch) und einer Dicke von 3,2 mm (1/8 inch), wobei Strömungsfelder der Anode 72 und der Kathode 74 in jeder Seite maschinell eingearbeitet waren. Die Kanäle und Rippen, die Wasserstoff/Wasser-Kanäle 76 und Luftkanäle 78 bildeten, waren beide 1 mm (0,040 inch) breit, und die Kanaltiefen betrugen etwa 0,8 mm (0,032 inch) an der Anodenseite 72 und 1,2 mm (0,050 inch) an der Kathodenseite 74. In 3 werden die maschinell in die Anodenseite 72 eingearbeiteten Wasser- und Wasserstoff-Durchflusskanäle 76 durch getrennte innere Verteiler 84 bzw. 82/86 gemeinsam mit jeder Einheitszelle 70 in der Weise versorgt, die normalerweise in herkömmliche, innen mit Verteilern versehene Stapeln eingesetzt werden. Das dreikanalige serpentinenförmige Strömungsfeld 76 ist so angeordnet und verteilt, dass jeder dritte Kanal mit Wasser gefüllt wird. So führen die erste Verteilerdurchführung 82 und die dritte Verteilerdurchführung 86 das Wasserstoff-Brennstoffgas über die obere Zuführung zu, und die zweite Verteilerdurchführung 84 stellt das Hydratisierungswasser bereit. Die Anodenseite 72 der bipolaren Platte in 3 stößt an die anodische Gasdiffusionsverstärkung 92 an, die einen Dochtfaden 94 aufweist, der in einem geeigneten Muster geheftet ist, um über dem von der Verteiler-Durchführung 84 versorgten, mit Wasser gefüllten Kanal zu liegen. Der in diesem Versuchssystem verwendete Dochtfaden war ein dünner Faden aus Dacron von DuPont, der speziell mit einer inneren Struktur ausgeführt ist, die die Dochtwirkung von Wasser erleichtert, wie z. B. der in COOLMAX^TM-Geweben vervendete Faden. Eine beliebige Anzahl von geeigneten Fäden ist verfügbar, siehe z. B. Watanabe, oben. Eine computergesteuerte Stickmaschine wird genutzt, um den Dochtfaden 94 in die anodische Verstärkung 92 einzunähen. Die Maschine ist programmiert, um ein Muster in das Verstärkungsmaterial 92 zu heften, das den Stellen der mit Wasser gefüllten Kanäle entspricht.
Die katalysierte Membran 96 ist in herkömmlicher Weise in einem „Bildraster" von Dichtungen mit geeigneter Dicke angeordnet, um abzudichten und ein ausreichendes Zusammendrücken der Komponenten des aktiven Bereiches zu ermöglichen. Die kathodische Verstärkung 98 wird so verwendet, wie sie geliefert wird. Hier wird keine Dochtwirkung genutzt, weil sie nur kontraproduktiv sein würde, indem Wasser aus der MEA wirksam entfernt und flüssiges Wasser in die kathodischen Durchströmkanäle 78 eingeleitet würde. In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen waren die Gasdiffusionsverstärkungen 92, 98 sowohl für die anodische Seite 72 als auch für die kathodische Seite 74 nicht katalysierte ELAT von E-TEK, Inc. (Natick, MA), und die MEA 96 waren aus der Serie 5000 Gore-Primea von W. L. Gore & Assoc. Es wird deutlich, dass für diese Komponenten Werkstoffe aus anderen Quellen, die in der Funktion äquivalent sind, verwendet werden können.
Im Gegensatz zur Anode 72 sind kathodische Luftkanäle 78 vorzugsweise außen mit Verteilern versehen, um eine gleichmäßige Verteilung des rea gierenden Stoffes in einer Ausführung mit minimalem Druckabfall zu bewirken. An sich besteht das kathodische Strömungsfeld 78 aus Nuten, die, wie aus 3 ersichtlich, maschinell über die Breite der Seite der Kathoden 74 der bipolaren Platte eingearbeitet sind.
Die in 3 dargestellten Komponenten der Einheitszelle werden anschließend auf herkömmliche Art und Weise mit einer Anzahl von ähnlichen Einheitszellen kombiniert, um einen Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) herzustellen. Von jedem Ende des Stapels von Einheitszellen wird Strom über Sammlerplatten aus vergoldetem Kupfer gesammelt. Diese werden wiederum mit 1,3 cm (1/2 inch) dicken Platten aus Faser-Verbundstoff bedeckt, die die Stromsammlerplatten von den Endplatten aus Aluminium elektrisch und thermisch isolieren. Die Endplatten bewirken eine Verdichtung der Stapelkomponenten, indem Ankerbolzen eingesetzt werden, die auf herkömmliche Art und Weise über den Umfang beabstandet sind. Das effektive Abstandsraster der Zellen von nur etwa 3,6 mm (0,140 inch) wird durch das Fehlen einer getrennten Kühlung oder von Befeuchtungsplatten ermöglicht.
Im ersten Ausführungsbeispiel des Systems mit Umgebungsdruck wurde ein Stapel mit 12 Zellen verwendet. In 4 ist eine Polarisationskurve dieses 12-Zellen-Stapels und -Systems dargestellt. Während dieser Anfangsstapel gemeinsam keine sehr gute Ruhe-Zellspannung (OCV) erzeugte, bewirkte er ein besseres Betriebsverhalten bei höheren Stromdichten, z. B. bei 600 mA/cm² bei 0,5 V pro Zelle, wobei eine maximale Leistung von fast 400 W erreicht wurde. Es soll erwähnt werden, dass diese Leistung wegen der Höhe des Labors über dem Meeresspiegel (7.300 Fuß oder 2.250 m) bei einem Umgebungsdruck von nur 0,76 atm erreicht wurde. Der parasitäre Leistungsverlust zum Betrieb von Gebläse, Verdichter und Pumpe betrug maximal etwa 2,5% bei maximaler Leistung, wobei die elektronischen Steuerungen nicht enthalten waren. Während hier regelbare Widerstände genutzt wurden, sind Schaltregler für Gleichstrommotoren normalerweise über 80% effizient, so dass die parasitären Verluste dennoch in der Größenordnung von nur 3% liegen sollten.
Im Allgemeinen arbeiteten der 12-Zellen-Stapel und das System gut, wobei sich bei der Abdichtung zwischen dem Wasserstoffbereich und dem Wasserbereich an den Anodenplatten Schwierigkeiten ergaben. Infolgedessen war es notwendig, die relativen Drücke der beiden Durchströmnetze auszugleichen, was zu Problemen bei der Stapelstabilität führte. Einzelne Zellen innerhalb des Stapels würden auf Grund von fehlendem Wasser gelegentlich ausfallen. Es wurde offensichtlich, dass die Ausführung der Anodenplatte im Wettbewerb mit der direkten Zelle wegen der hohen Druckabfälle, die mit dem einzelnen, langen serpentinenförmigen Wasserkanal pro Platte erzielt wurde, problematisch war. Daher wurde das anodische Strömungsfeld neu ausgelegt, so dass der Durchfluss durch die einzelnen Wasserkanäle zu einer parallelen Form mit Einfachpassage umgestaltet wurde, um den zum Pumpen von Wasser durch die Kanäle erforderlichen Druckabfall erheblich zu verringern.
Die 5A und 5B sind Draufsichten einer Ausführung mit bipolarer Platte, die es ermöglicht, dass Wasser in einer einmaligen Passage durchfließt, während die Wasserstoffkanäle eine serpentinenförmige Struktur beibehalten, um die Entnahme von Kondensat zu erleichtern. 5A stellt die Anodenseite 106 der bipolaren Platte 100 dar und 5B die Kathodenseite 114 der bipolaren Platte 100. Die Wasserkanäle 102 und die Wasserstoffkanäle 104 sind an der Anodenseite 106 der bipolaren Platte 100 vorgesehen, wobei jeder dritte Kanal mit Wasser gefüllt ist. Verteiler-Durchführungen 108a, 110a sind durch Hauptverteilerrohre 106a-h jeweils mit sechs Wasserstoffkanälen 104 verbunden. Der Wasserstoff führt anschließend drei 6-Kanal-Durchläufe durch die Verteilungskanäle 106a-h durch das Strömungsfeld der Anode 106 aus, bevor er durch die Auslassdurchführungen 108b, 110b des Verteilers austritt. Eine Anodenverstärkung und Dichtungen (nicht gezeigt) verhindern, dass der Wasserstoff von den Kanälen 104 und den Hauptverteilerrohren 106a-h direkten Zugang zu den Wasserkanälen 102 hat.
Wasser wird den Wasserkanälen 102 von der Verteiler-Durchführung 112a an der Kathodenseite 114 und durch das Wasser-Hauptverteilerrohr 120a, die Durchführungen 122 durch die bipolare Platte 100 zu den Wasserkanälen 102 an der Anodenseite 106 versorgen, zugeführt. Das Wasser wird aus den Wasserkanälen 102 durch das Hauptverteilerrohr 120b am Auslassverteiler 112b entnommen. Dichtungen (nicht dargestellt) an der Kathodenseite 114 verhindern, dass in den Hauptverteilerrohren 120a-b befindliches Wasser in die außen verteilten kathodischen Luftdurchströmkanäle 122 austritt.
Außerdem wurde die Anzahl von in der Anodenverstärkung verwendeten Heftungen erhöht, um die Wassermenge, die gefördert werden könnte, zu vergrößern. Die Wasserstoffkanäle wurden dennoch in serpentinenförmiger oder Mehrfach-Passagen-Struktur angeordnet, um den Druckabfall höher als den zu halten, der mit einer Struktur mit Einfachpassage erreicht werden würde, um die Entnahme von Kondensat zu erleichtern. Die Wasserverteilung zu den Kanälen 102 von den Hauptverteilerrohren 120a-b verbesserte die Wasserzuführung zu jeder Zelle bedeutend. Ein 8-Zellen-Stapel wurde mit der verbesserten Ausführung der bipolaren Platten zusammengebaut.
Mit der gesteigerten Hydratisierung und gleichmäßigeren Wasserzuführung verbesserte die Erhöhung des Luftdrucks im Verteiler (und daher der Durchsatz) auf 51 mm Wassersäule (2 inch H₂O) das Betriebsverhalten in den Bereichen höherer Stromdichte. In 6 ist eine Polarisationskurve des 8-Zellen-Stapels gezeigt. Die Zellen lieferten durchschnittlich nahezu 800 mA/cm² bei 0,5 V pro Zelle, was etwa ein Drittel besser als beim 12-Zellen-Stapel war, wobei das Betriebsverhalten bei geringer Stromdichte gegenüber dem 12-Zellen-Stapel stark verbessert war (obwohl die letzteren Ergebnisse MEA mit mehreren schrittweisen Näherungen an ihnen betrafen). Die parasitären Verluste betrugen 3,5% bei maximaler Leistung, was höher war als beim 12-Zellen-Stapel, weil das Gebläse mit dem höheren Verteilerdruck nicht so effektiv war. Der 8-Zellen-Stapel lieferte einen viel beständigeren Betrieb von Zelle zu Zelle und spiegelte die Leistungsfähigkeit genau wider, die von einer einzelnen Zelle erreicht wird.
In 7 wird die „durchschnittliche" Zellenleistung des 8-Zellen-Stapels mit einer einzelnen Zelle verglichen, die unter ungefähr den ähnlichen Bedingungen wie der Stapel arbeitet. Die beiden eng nebeneinander liegenden Kurven veranschaulichen, dass das „scale-up" von einer einzelnen Zelle zu einem mit Verteilern versehenen Stapel zu keinen Schwierigkeiten mit dem reagierenden Stoff oder der Wasserzuführung zu den einzelnen Zellen geführt hat.
Ein Vergleich der Leistungsdichten der beiden Stapel bei „nominaler" und maximaler Leistung ist in Tabelle 1 dargestellt. In Abhängigkeit von den für die Berechnung verwendeten Kriterien lieferte der Stapel im 8-Zellen-System eine maximale volumetrische Leistungsdichte von über 1 kW/L.
Tabelle 1: Volumetrische Leistungsdichten der beiden Stapel
Die in Tabelle 1 wiedergegebenen volumetrischen Leistungsdichten der 8-Zellen-und 12-Zellen-Stapel lassen sich günstig mit Stapeln von Brennstoffzellen, die mit Druck beaufschlagt sind, vergleichen. Werden die Netto-Leistungsdichten der Stapel mit Druck und mit Umgebungsdruck verglichen, dann hat das System mit Umgebungsdruck einen Vorteil wegen seiner wesentlich geringeren Anforderungen an die parasitäre Leistung.
Zur Veranschaulichung müsste ein mit Druck beaufschlagter Stapel mit einem System mit 20% parasitärer Leistung bei einer Spannung von 0,83 V pro Zelle betrieben werden, um der gleichen Leistung und Netto-Leistungsdichte je Bereich eines bei Umgebungsdruck arbeitenden und beispielsweise mit 5% parasitären Leistungsverlusten bei einer Spannung von 0,7 V pro Zelle arbeitenden Systems zu entsprechen, wobei die Stromdichten denen ziemlich ähnlich sind, die im Stapel bei Umgebungsdruck mit einer Spannung von 0,7 V pro Zelle erreicht werden. Für solche ähnlichen Netto-Leistungsdichten je Bereich würde der Stapel mit Umgebungsdruck tatsächlich höhere volumetrische Netto-Leistungsdichten aufweisen, weil der Stapel mit Umgebungsdruck nicht die Kühlplatten oder Befeuchtungsmodule eines mit Druck beaufschlagten Systems benötigen würde.
Klar ist, dass die Leistungsflanke von mit Druck beaufschlagten Systemen durch ihre hohen Anforderungen bezüglich der parasitären Leistung negiert wird. Das System mit Umgebungsdruck besitzt dann Vorteile hinsichtlich der Kosten und Größe, da weniger Hilfskomponenten, wie Kühlplatten, Befeuchtermodule, ein Luftverdichter und dergleichen, benötigt werden und das System für den niedrigen Druck/Umgebungsdruck bei gleichzeitiger Reduzierung der Anforderungen an die Größe seiner Komponenten ausgelegt ist.
Die vorhergehende Beschreibung der Erfindung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt, wobei nicht beabsichtigt ist, dass die Erfindung erschöpfend beschrieben oder sie auf die offenbarte, genaue Form beschränkt ist und dass klar ist, dass viele Modifizierun gen und Veränderungen angesichts der obigen Lehre möglich sind. Die Ausführungsbeispiele wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und deren praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern, um es anderen Fachleuten dadurch zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen und mit verschiedenen Modifizierungen, wie sie für den in Erwägung gezogenen speziellen Gebrauch geeignet sind, bestmöglich zu nutzen. Es ist beabsichtigt, den Umfang der Erfindung durch die hier angefügten Ansprüche zu definieren.

Claims

Brennstoftzellensystem mit Umgebungsdruck, umfassend: ein Brennstoffzellenpaket, das eine Anzahl von Brennstoffzellen mit Membranen/Elektrodenanordnungen (MEA), die mit flüssigem Wasser hydratisiert werden, und bipolaren Platten mit Anoden- und Kathodenkanälen aufweist, um jeweils Wasserstoff-Brenngas und Wasser an eine Anodenseite jeweils einer der MEA und Luft mit Sauerstoffgas als Reaktionspartner an eine Kathodenseite jeweils einer der MEA zu verteilen; eine Zuführung von flüssigem Wasser an die Brennstoffzellen zum Hydratisieren der MEA; eine Zuführung von Wasserstoff-Brenngas; und ein Gebläse mit nahezu Umgebungsdruck zum Einblasen von Luft in mehr als stöchiometrischen Mengen zur Reaktion, durch das Brennstoffzellenpaket, um an der Kathodenseite Sauerstoff zur elektrochemischen Reaktion bereitzustellen.
Brennstoffzellensystem mit Umgebungsdruck nach Anspruch 1, in dem jeweils eine der bipolaren Platten ein Strömungsfeld aufweist, das durch parallele Nuten an der Kathodenseite der bipolaren Platte definiert ist, um die Luft gleichmäßig über die zweite Fläche einer der Membranen-/ Elektrodenanordnungen, die einbezogen ist, zu verteilen und um einen Druckabfall über dem Strömungsfeld zu minimieren.
Brennstoffzellensystem mit Umgebungsdruck nach Anspruch 1, in dem die Wasserstoff-Brenngaszuführung eine Pumpe umfasst, um einen zirkulierenden Durchfluss des Wasserstoffgases durch ein Strömungsfeld in der Anodenseite jeweils einer der bipolaren Platten zu erzeugen.
Brennstoffzellensystem mit Umgebungsdruck nach Anspruch 3, in dem das Rückführungssystem außerdem einen Wasserabscheider enthält, um Wasser vom unverbrauchten Wasserstoffgas zu trennen.
Brennstoffzellensystem mit Umgebungsdruck nach Anspruch 4, weiter umfassend eine Wasserpumpe zur Rückführung von Wasser aus dem Wasserabscheider in das Brennstoffzellenpaket zum Hydratisieren der MEA.
Brennstoftzellensystem mit Umgebungsdruck nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Kondensator zum Entfernen von Wasser in der aus dem Brennstoffzellenpaket abgesaugten Luft nach einer Reaktion mit dem Wasserstoff-Brenngas.
Brennstoffzellensystem mit Umgebungsdruck nach Anspruch 1, in dem das Gebläse weiter einen Regler zum Steuern der durch das Brennstoftzellenpaket strömenden Luft aufweist, um eine Temperaturregelung für das Brennstoffzellenpaket durch Verdunstungskühlung von Wasser vorzusehen, das sich angrenzend an die Kathodenseiten der bipolaren Platten befindet.
Brennstoffzellensystem mit Umgebungsdruck nach Anspruch 1, in dem jeweils eine der Anodenseiten Durchflusskanäle enthält, um parallele Strömungswege für flüssiges Wasser und sich schlängelnde Wege für das Wasserstoft-Brenngas zur Verfügung zu stellen.
Brennstoffzellensystem bei Umgebungsdruck nach Anspruch 2, in dem jeweils eine der Anodenseiten Durchflusskanäle enthält, um parallele Strömungswege für flüssiges Wasser und sich schlängelnde Wege für das Wasserstoft-Brenngas zur Verfügung zu stellen.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoftzellenpaketes bei Umgebungsdruck mit den Schritten: Hydratisieren von Membranen-/Elektrodenanordnungen (MEA) in das Brennstoffzellenpaket bildenden Brennstoffzellen mit flüssigem Wasser, das sich mit Membranteilen der MEA in Kontakt befindet; Durchströmen von Wasserstoff-Brenngas durch das Brennstoffzellenpaket; Einblasen von Luft mit nahezu Umgebungsdruck durch das Brennstoffzellenpaket mit Durchflussmengen in mehr als stöchiometrischen Größen zur Reaktion, um Sauerstoff zur elektrochemischen Reaktion an einer Kathode jeweils einer der Brennstoffzellen bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend den Schritt des Steuerns des Durchflusses der Luft durch das Brennstoffzellenpaket zur Temperaturregelung des Brennstoffzellenpaketes.
Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend den Schritt des Sammelns von unverbrauchten Teilen des flüssigen Wassers zum Hydratisieren der MEA, von Wasser im unverbrauchten Wasserstoff-Brenngas und von Wasser in Luft, die aus dem Brennstoffzellenpaket nach einer Reaktion mit dem Wasserstoff-Brenngas abgesaugt wird.