DE10029468A1

DE10029468A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10029468A1
Application number: DE10029468A
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Nakanishi; Hirohisa Tanaka; Koji Yamada; Masahiro Abe; Koichiro Asazawa
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2001-04-12
Also published as: KR100376660B1; US6475655B1; KR20010007489A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (SY1) schließt eine Reformiereinheit (2) für die Produktion einer wasserstoffreichen Gasmischung durch Reformierung einer Wasserstoff enthaltenden Verbindung, ein Brennstoffzellenpaket (6) für die Erzeugung einer elektromotorischen Kraft durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff ein. Das Brennstoffzellensystem (SY1) schließt weiterhin eine Wasserstofftrenneinheit (3), angeordnet zwischen der Reformiereinheit (2) und dem Brennstoffzellenpaket (6), ein. Die Wasserstofftrenneinheit (3) ist versehen mit wasserstoffdurchlässigen Mitteln zum Erhalt eines Brennstoffgases durch Trennung des Wasserstoffgases von der Gasmischung.

Description

Brennstoffzellensystem Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für die Erzeugung von elektrischer Energie durch eine Reaktion zwischen einem wasserstoffrei chen Brennstoffgas und einem Sauerstoffgas.

2. Beschreibung verwandten Standes der Technik

Wie es allgemein bekannt ist, werden Brennstoffzellen kontinuierlich mit einem Brennstoff (Wasserstoff) und einem Oxidationsmittel (Sauerstoff) von außer halb der Brennstoffzelle versorgt, während Elektrizität erzeugt wird. Der Brenn stoff wird zu einer Negativelektrodenseite zugeführt, wohingegen das Oxida tionsmittel zu einer Positivelektrodenseite der Zelle zugeführt wird. Die Positiv elektrode und die Negativelektrode sind voneinander durch ein elektrolytisches Element getrennt. Die Brennstoffzelle wandelt die durch eine Oxidation des zugeführten Brennstoffes erzeugte chemische Energie direkt in elektrische Energie um und dient als elektrische Energiequelle.

Ein Arbeitsprinzip der Brennstoffzellen ist wie folgt: Zuerst dissoziiert der zu geführte Wasserstoff als Negativelektrodenreaktionsmittel in Elektronen und Protonen. Um die Dissoziation zu fördern, wird beispielsweise Platin (Pt) als Katalysator verwendet. Nach der Dissoziation passieren die Protonen den Elektrolyten der Brennstoffzelle und reagieren mit dem zugefügten Wasserstoff (Positivelektrodenreaktionsmittel). Die Reaktion bringt Wasser hervor. Ande rerseits bewegen sich die von der Dissoziation resultierenden Elektroden von der negativen Elektrode zu der positiven Elektrode und generieren somit eine elektromotorische Kraft zwischen den zwei Elektroden.

Die Brennstoffzelle wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Für dieses Verfahren kann eine höhere Umwandlungseffektivität erwartet werden, als für thermische Erzeugungsverfahren. Folglich kann die Brennstoff zelle wirkungsvoll, beispielsweise als Energiequelle für einen Antriebsmotor eines Elektroautos, verwendet werden. Ferner ist das Abgas der Brennstoff zelle hauptsächlich Wasserdampf, das nicht giftig ist, wie Kohlenmonoxid, das in Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine enthalten ist.

Normalerweise arbeitet die Brennstoffzelle nicht von alleine als Quelle für die Elektrizitätsversorgung. Um eine Brennstoffzelle zu betreiben, müssen Mittel für die Zufuhr des Wasserstoffgases zu der Brennstoffzelle und andere peri phere Geräte eingesetzt werden. Mit anderen Worten, die Brennstoffzelle ist Teil eines Brennstoffzellensystems, bestehend aus anderen peripheren Gerä ten und arbeitet innerhalb dieses Systems. Die Mittel für die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff können Mittel für eine Druckzufuhr von Was serstoffgas aus Wasserstoffgas gefüllten Hochdruckbehälter oder Mittel für ei ne Druckzufuhr eines Wasserstoffgases, das durch Reformierung einer Was serstoffgas enthaltenen Substanz erhalten wurde, sein. Die Verwendung des in einem Hochdruckbehälter gelagerten Wasserstoffgases kann das System ver hältnismäßig vereinfachen und hat eine Anzahl von weiteren Vorteilen. Im Ge gensatz hierzu wird für das Befüllen des Behälters mit Wasserstoff ein sehr hoher Druck und eine lange Zeit benötigt. Ein weiteres Problem ist, daß eine spezielle Infrastruktur, wie ein Netzwerk von Gasbefüllstationen, vorzuhalten ist. Diese Probleme sind die größte Hürde ein Elektroauto, angetrieben durch eine Brennstoffzelle, in die Praxis umzusetzen.

Das vorgenannte Problem kann durch Zufuhr eines durch Reformierung einer wasserstoffreichen Verbindung (wie Methanol) erhaltenen Wasserstoffgases, gelöst werden. Allgemein bekannte Beispiele für dieses Verfahren beinhalten die Kontaktierung der Wasserstoff enthaltenden Verbindung mit Dampf und die Oxidierung eines Teils der Wasserstoff enthaltenden Verbindung. In diesen Verfahren hinterläßt die Reformierung der Wasserstoff enthaltenden Verbin dung Kohlendioxid und Spuren von Kohlenmonoxidgas. Daher wird das ge wünschte Wasserstoffgas nur als eine Gasmischung, die diese Kohlendioxide und Kohlenmonoxidgase enthält, erhalten.

Wenn Platin als Katalysator für die negative Elektrode benutzt wird, ist das in der Gasmischung enthaltene Kohlenmonoxid in dem folgenden Punkt proble matisch. Wie es allgemein bekannt ist, wird Platin durch Kohlenmonoxidgas vergiftet und verschlechtert nach und nach seine Aktivität. Dadurch wird die Lebenszeit des Platinkatalysators verkürzt, wenn das Wasserstoffgas als Gasmischung, die Kohlenmonoxidgase enthält, der Brennstoffzelle zugeführt wird.

Die Vergiftung des Platins kann durch Umwandlung des Kohlenmonoxidgases in der Gasmischung in Kohlendioxidgas und eine anschließende Zuführung dieses modifizierten Gasgemisches zu der Brennstoffzelle eliminiert werden. Im allgemeinen wird eine mehrstufige Umwandlungsmethode benutzt, in der das Kohlenmonoxid zuerst bei einer hohen Temperatur oxidiert wird und dann das verbleibende Kohlenmonoxidgas bei einer tiefen Temperatur oxidiert wird.

Jedoch verbraucht die Brennstoffzelle nicht das gesamte zugeführte Wasser stoffgas für die Erzeugung von Elektrizität. Ein Teil des Wasserstoffgases wird aus der Brennstoffzelle als nichtreagiertes Gas abgeführt. In Versuchen, die ses nichtreagierte Wasserstoffgas wirkungsvoll zu verwenden, werden übli cherweise Verfahren zur Rückführung der abgeführten Gasmischung (bein haltend das nichtreagierte Wasserstoffgas und das Kohlendioxidgas) von der Brennstoffzelle zurück in die Brennstoffzelle getestet. Jedoch ist die Konzen tration des nichtreagierten Wasserstoffgases in der rückgeführten Gasmi schung niedriger als in der ursprünglich der Brennstoffzelle zugeführten Gas mischung. Daher werden bei dem Verfahren zur Reformierung von Wasserstoff enthaltenden Verbindungen, in denen erhaltenes Wasserstoffgas von geringer Reinheit ist, durch eine wiederholte Rückführung der Gasmischung andere Gase als Wasserstoffgas (wie Kohlendioxid) angereichert und somit unnötig der Energieumwandlungswirkungsgrad vermindert.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird unter den vorbeschriebenen Umständen vorge schlagen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, in einem Brennstoff zellensystem, das Elektrizität durch Benutzung einer von der Brennstoffzelle abgegebenen Gasmischung erzeugt, die Erniedrigung des Energieumwand lungswirkungsgrades des Brennstoffzellensystems insgesamt zu minimieren. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein für die Verwendung in den vorgenannten Brennstoffzellensystemen passendes Brennstoffzellenpaket zu schaffen.

Ein durch einen ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zur Verfügung ge stelltes Brennstoffzellensystem weist eine Reformiereinheit für die Produktion einer wasserstoffreichen Gasmischung durch Reformierung einer Wasserstoff enthaltenden Verbindung; eine Brennstoffzelle für die Erzeugung einer elek tromotorischen Kraft durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff und ferner eine Wasserstofftrenneinheit, angeordnet zwischen der Refor miereinheit und der Brennstoffzelle, auf. Die Wasserstofftrenneinheit ist verse hen mit wasserstoffdurchlässigen Mitteln, um ein Brennstoffgas durch Tren nung von Wasserstoffgas von der Gasmischung zu erhalten.

Bevorzugterweise weist weiterhin das Brennstoffzellensystem Zirkulationsmittel für die Zufuhr von nichtreagiertem Gas, abgeführt von der Brennstoffzelle zu der Brennstoffzelle als Brennstoffgas, auf.

Die Wasserstoff enthaltene Verbindung ist eine von Ethanol, Methanol, Dime thylether, Propan und Erdgas.

Die wasserstoffdurchlässigen Mittel können einen Palladiumlegierungsfilm ent halten. Der Palladiumlegierungsfilm kann aus einer Legierung, die Palladium und mindestens ein Metall, ausgewählt aus Silber, Gold und Ruthenium, ent hält, hergestellt sein.

Die wasserstoffdurchlässigen Mittel können feste hohle Hochpolymerfäden enthalten. Diese festen hohlen Hochpolymerfäden sind beispielsweise aus ei nem Polyimid hergestellt.

Die Reformiereinheit kann ein Dampferzeugungsteil für die Verdampfung von Wasser durch Erhitzung, ein Verbrennungsteil für das Erhitzen des Dampfer zeugungsteils durch Verbrennung eines vorbestimmten Brennstoffes und ei nem Reformierteil für die Produktion der wasserstoffreichen Gasmischung durch Reaktion des von dem Dampferzeugungsteil erzeugten Dampfes mit der Wasserstoff enthaltenen Verbindung einschließen. Die Gasmischung, von der Wasserstoff durch die Wasserstofftrenneinheit getrennt worden ist, kann durch das Verbrennungsteil als Brennstoff verwendet werden.

Das Brennstoffzellensystem kann ein Brennstoffzellenpaket, beinhaltend eine Brennstoffzelle und mindestens eine zusätzliche auf die Brennstoffzelle aufge schichtete Brennstoffzelle, aufweisen.

Ein durch einen zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitgestelltes Brennstoffzellensystem weist eine Vielzahl von Brennstoffzellenpaketen, von denen jedes eine Vielzahl von Brennstoffzellen in Aufeinanderschichtung ent hält, Zufuhrmittel für die Zufuhr von Brennstoff und einem Oxidationsmittel zu jedem der Brennstoffzellenpakete und Betriebssteuermitteln für die Steuerung des Betriebes der Brennstoffzellenpakete auf. Die Brennstoffzellenpakete sind geteilt in eine Vielzahl von Gruppen, die mindestens erste und zweite Gruppen enthalten, und die Betriebssteuermittel sind eingerichtet, um die Brennstoff zeilenpakete der ersten Gruppe, unabhängig von den Brennstoffzellenpaketen der zweiten Gruppe, zu betreiben und zu stoppen.

Bevorzugterweise sind die Betriebssteuermittel eingerichtet, um jedes der Viel zahl der Brennstoffzellenpakete unabhängig von den anderen Brennstoffzel lenpaketen zu betreiben und zu stoppen.

Bevorzugterweise weist das Brennstoffzellensystem ferner eine Leitung für die Zufuhr des Brennstoffes zu jedem der Brennstoffzellenpakete und eine Vielzahl von an der Leitung vorgesehenen Ventilen auf. Die Ventile sind eingerichtet, um die Zufuhr des Brennstoffes zu den Brennstoffzellenpaketen zu starten und zu stoppen. Jedes der Ventile ist entsprechenderweise zu einer der Vielzahl von Gruppen zugeordnet.

Bevorzugterweise steuern die Betriebssteuermittel die Öffnen/Schließen- Betätigung der Vielzahl von Ventilen im Zusammenhang mit dem benötigten Betrag an Elektrizität.

Bevorzugterweise weist das Brennstoffzellensystem ferner Ausgangssteuer mittel auf mit mindestens einem Paar von Ausgangsanschlüssen für den Bezug der Elektrizität von den Brennstoffzellenpaketen und für Weiterleitung der Elektrizität zu einem externen Bauteil. Die Ausgangssteuermittel sind einge richtet, um ein gegenseitiges Verbindungsmuster zwischen den Brennstoffzel lenpaketen und ein Verbindungsmuster der Brennstoffzellenpakete zu den Ausgangsanschlüssen zu verändern.

Ein gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung zur Verfügung ge stelltes Automobil weist einen Antriebsmotor und ein Brennstoffzellensystem für die Versorgung des Antriebsmotors mit Elektrizität auf. Das Brennstoffzel lensystem beinhaltet eine Vielzahl von Brennstoffzellenpaketen, von denen jedes eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einer Aufeinanderschichtung ent hält, Mittel für die Zufuhr von Brennstoff und einem Oxidationsmittel zu jedem der Brennstoffzellenpakete und Antriebssteuerungsmittel für die Steuerung des Betriebes der Brennstoffzellenpakete. Die Brennstoffzellenpakete sind in eine Vielzahl von Gruppen geteilt, die zumindest eine erste und eine zweite Gruppe aufweisen. Die Antriebssteuerungsmittel sind vorgesehen, um die Brennstoff zellenpakete der ersten Gruppe unabhängig von den Brennstoffzellenpakete der zweiten Gruppe zu betreiben und zu stoppen.

Ein nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung bereit gestelltes Brennstoffzellensystem weist eine Reformiereinheit für die Produktion einer wasserstoffreichen Brennstoffgasmischung durch Reformierung von Dimethyl ether und eine Brennstoffzelle, die mit Brennstoffgas und einem Sauerstoff enthaltenem Gas versorgt wird, auf, wodurch eine Reaktion zwischen Wasser stoffgas und Sauerstoffgas bedingt wird, um elektrische Energie und Wasser zu erzeugen. Die Reformiereinheit beinhaltet ein Dampferzeugungsteil für die Verdampfung von Wasser und ein Brennstoffreformierteil für die Durchführung der Dampfreformierung des Dimethylethers. Der Dimethylether wird durch von dem Dampferzeugungsteil erzeugte Hitze erhitzt, bevor dieser in das Brenn stoffreformierteil eingeführt wird. In dem Brennstoffreformierteil wird der Dime thylether in Wasserstoff und Kohlendioxid durch Dampf reformiert. Beispiele für in dem Brennstoffreformierteil angeordnete Katalysatoren für die Förderung der Reformierung beinhalten beispielsweise Cu getragen durch ein Oxid eines unedlen Metalls, ein Mischoxid (Komposite) beinhaltend eine oder mehrere von Cr, Mn, Fe, Ni, Cu und Zn und getragen auf einer hitzebeständigen Auflage.

Das Brennstoffzellensystem beinhaltet weiterhin ein thermisch leitendes hohles Element, das in dem Dampferzeugungsteil angeordnet ist. Der Dimethylether wird in das Brennstoffreformierteil über das hohle Element zugeführt.

Ein nach einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung zur Verfügung ge stelltes Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, eine Wasserstoff zufuhrquelle für die Zufuhr von Wasserstoffgas zu der Brennstoffzelle und eine Sauerstoff enthaltene Gaszufuhrquelle für die Zufuhr von Wasserstoff enthal tenem Gas zu der Brennstoffzelle auf. Die Brennstoffzelle weist weiterhin Wasserentfernungsmittel für die absatzweise Unterstützung der Entfernung von in der Brennstoffzelle verbleibenden Wasser auf.

Vorzugsweise sind die Wasserentfernungsmittel ein elektromagnetisches Ven til, das zwischen der Wasserstoff enthaltenen Gaszufuhrquelle und der Brenn stoffzelle vorgesehen ist. Alternativerweise kann das Wasserentfernungsmittel eine pulsierende Pumpe sein, die zwischen der Sauerstoff enthaltenen Gas zufuhrquelle und der Brennstoffzelle angeordnet ist. Alternativerweise kann das Wasserentfernungsmittel ein Ultraschallerzeuger sein.

Die Brennstoffzelle beinhaltet ein Negativelektrodenteil, ein Positivelektroden teil, ein Elektrolytteil, angeordnet zwischen dem Negativelektrodenteil und dem Positivelektrodenteil, eine erste Platte, angeordnet angrenzend zu dem Nega tivelektrodenteil, und eine zweite Platte, angeordnet angrenzend an dem Posi tivelektrodenteil. Die erste Platte ist versehen mit einer Wasserstoffzufuhrnut für die Zufuhr von Wasserstoffgas zu dem Negativelektrodenteil. Die zweite Platte ist versehen mit einer Sauerstoffzufuhrnut für die Zufuhr von Sauerstoff enthaltenem Gas zu dem Positivelektrodenteil.

Jedes der Positivelektrodenteile und der Negativelektrodenteile kann eine Ka talysatorschicht und einen Kollektor als getrenntes Mittel von der Katalysator schicht enthalten. In diesem Fall ist die Katalysatorschicht beispielsweise ein poröses Element, das einen Katalysator trägt. Wenn das Elektrolytteil ein fe stes Element ist, kann die Katalysatorschicht durch direkte Anordnung des Katalysators auf der Oberfläche des Elektrolyten gebildet werden.

Jedes der Positivelektrodenteife und der Negativelektrodenteife kann eine In tegration der Katalysatorschicht und des Kollektors sein.

Nach einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Entfernung von unnötigen, in der Brennstoffzelle, die mit einem Brennstoff gas und einem Sauerstoff enthaltenem Gas versorgt wird, enthaltenen Was sers zur Verfügung gestellt. Dieses Verfahren weist die Schritte der Zufuhr des Sauerstoff enthaltenen Gases in die Brennstoffzelle und den Schritt der ab satzweisen Veränderung des Druckes des Sauerstoff enthaltenen Gases auf.

Bevorzugterweise wird der Druck des Sauerstoff enthaltenen Gases für einen kurzen Augenblick erhöht.

Nach einem siebenten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Entfernung von unnötigem Wasser, das in einer mit einem Brennstoffgas und einem Sauerstoff enthaltenem Gas versorgten Brennstoffzelle verbleibt, zur Verfügung gestellt. Diese Methode weist einen Schritt der Zufuhr des Sau erstoff enthaltenen Gases in die Brennstoffzelle und einen Schritt der Anwen dung einer hochfrequenten Schwingung auf das verbleibende Wasser auf.

Eine nach einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung zur Verfügung ge stellte Brennstoffzelle weist ein Negativelektrodenteil zum Aufspalten von Wasserstoffgas in Wasserstoffionen und Elektronen, ein Positivelektrodenteil für die Produktion von Wasser durch eine Reaktion der Wasserstoffionen, Elektronen und Wasserstoffgas; ein Elektrolytteil, angeordnet zwischen dem Negativelektrodenteil und dem Positivelektrodenteil in einer Weise, daß ein Durchtritt von Wasserstoffionen erlaubt wird; eine erste Platte, angeordnet an grenzend zu dem Negativelektrodenteil und versehen mit einer Wasserstoff zufuhrnut für die Zufuhr des Wasserstoffgases zu dem Negativelektrodenteil, und einer zweiten Platte auf, angeordnet angrenzend zu dem Positivelektro denteil und versehen mit einer Wasserstoffzufuhrnut für die Zufuhr eines Sau erstoff enthaltenen Gases zu dem Positivelektrodenteil. Zumindest eine der Sauerstoffzufuhrnuten und der Wasserstoffzufuhrnuten ist gebildet mit einer Vielzahl von Vorsprüngen.

Bevorzugterweise sind die Vorsprünge versehen mit Schrägen für die Umlen kung des Stroms des zugeführten Gases zu dem Elektrolytteil.

Eine nach einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellte Brennstoffzelle weist mindestens ein Elektrodenteil, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche hat, ein Elektrolytteil, angrenzend zu der der ersten Oberfläche, und eine Platte auf, angrenzend zu der zweiten Oberfläche und gebildet mit einer gaszuführenden Nut für die Zuführung des vorbestimmten Gases auf. Die Gaszufuhrnut ist versehen mit einer Flächen pressung zusichernden Mitteln für die Zusicherung einer Flächenpressung auf das Elektrodenteil.

Bevorzugterweise ist die Platte versehen mit einer Durchgangsbohrung, die in Verbindung mit der Gaszufuhrnut steht. Die eine Flächenpressung zusichern den Teile sind nahe der Durchgangsöffnung angeordnet.

Die Oberflächendruck zusichernden Teile beinhalten ein Hohlelement und das Hohlelement hat eine Dicke, die im wesentlichen gleich zu der Tiefe der Gas zufuhrnut sind: Alternativerweise beinhalten die eine Flächenpressung zusi chernden Mittel ein gasdurchlässiges poröses Element und das poröse Ele ment hat eine Dicke, die im wesentlichen gleich zu der Tiefe der Gaszufuhrnut sind.

Die Gaszufuhrnut kann mit einem gestuften Teil für das Tragen der eine Flä chenpressung zusichernden Mittel versehen sein.

Nach einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein plattenartiges Trennelement, das in einem Brennstoffzellenpaket, das aufeinandergeschich tete Brennstoffzellen aufweist, zur Verfügung gestellt. Das Trennelement weist eine Durchgangsöffnung zum Erlauben einer Durchführung des zuzuführenden Gases, eine Gaszufuhrnut, die in Verbindung mit der Durchgangsöffnung steht und eine Flächenpressung zusicherndes Mittel, angeordnet in der Gaszufuhr nut auf. Die eine Flächenpressung zusichernden Mittel sind nahe der Durch gangsöffnung angeordnet.

Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der detaillierten Beschreibung klarer werden, die im Anschluß in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gemacht wird.

Kurze Beschreibung der beigefügten Zeichnungen:

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführung eines Brenn stoffzellensystems nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umreißt,

Fig. 2A und 2B sind Diagramme, die eine Wasserstofftrenneinheit eines Brennstoffzellensystems zeigen,

Fig. 3A und 3B sind Diagramme, die ein weiteres Beispiel einer Wasser stofftrenneinheit, verwendet in dem Brennstoffzellensy stem, darstellen,

Fig. 4 ist ein Diagramm, das eine Ausführung eines Brennstoff zellensystems nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umreißt,

Fig. 5 bis 8 sind Diagramme, die elektrische Schaltungen eines Aus gangssteuerungsteils, verwendet in dem Brennstoffzellen system nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung, beschreiben,

Fig. 9 ist ein Diagramm, das ein Auto, angetrieben durch ein Brennstoffzellensystem nach dem zweiten Ausführungs beispiel, umreißt,

Fig. 10 zeigt ein Variationsbeispiel eines Brennstoffzellensystems nach dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 11 zeigt ein weiteres Variationsbeispiel eines Brennstoffzel lensysteni nach einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 12A ist ein Diagramm, das eine Ausführung eines Brennstoff zellensystems nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindungen umreißt,

Fig. 12B ist ein Diagramm, das eine Ausführung eines Brennstoff zellensystems nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umreißt,

Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht auf ein Brennstoffzellen paket, das in einem Brennstoffzellensystem nach der vor liegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 14 ist eine Explosionsansicht eines Brennstoffzellenpakets,

Fig. 15 ist eine Teilansicht eines ersten Teils eines Brennstoffzel lenpakets,

Fig. 16 ist ein Diagramm, das ein eine Flächenpressung zusi cherndes Element zeigt, das in einem Brennstoffzellenpa ket verwendet wird,

Fig. 17 ist ein Diagramm, das ein durch die Abwesenheit von ei nem eine Flächenpressung zusicherndem Element hervor gerufenes Problem zeigt,

Fig. 18 ist eine Seitenansicht, die ein weiteres Anordnungsbeispiel der eine Flächenpressung zusichernden Elemente zeigt,

Fig. 19 ist eine Seitenansicht, die ein weiteres Anordnungsbeispiel der eine Flächenpressung zusichernden Elemente zeigt,

Fig. 20 ist eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel der eine Flächenpressung zusichernden Elemente zeigt, die in einem Brennstoffzellenpaket verwendet werden,

Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht, die noch ein weiteres Bei spiel von eine Flächenpressung zusichernden Elemente zeigt, die in einem Brennstoffzellenpaket verwendet wer den,

Fig. 22 und 23 sind Ansichten, die noch ein weiteres Beispiel von eine Flächenpressung zusichernden Elementen zeigen, die in einem Brennstoffzellenpaket verwendet werden,

Fig. 24 ist eine Seitenansicht, die ein weiteres Beispiel eines Brennstoffzellenpakets zeigt, das in einem Brennstoffzel lensystem nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 25 ist eine Teilansicht eines Erstteils des Brennstoffzellenpa kets gemäß Fig. 24,

Fig. 26 ist eine Explosionsansicht des Brennstoffzellenpakets von Fig. 24,

Fig. 27 und 28 sind Diagramme, die Vorsprünge zeigen, die in einer Gas zufuhrnut des Brennstoffzellenpaketes in Fig. 24 vorgese hen sind,

Fig. 29 ist ein Diagramm, das ein Verfahren für den Abzug von nicht notwendigen Wasser zeigt, das sich innerhalb des Brennstoffzellenpakets aufstaut,

Fig. 30 ist ein Diagramm, das eine Variation des Druckes der zu dem in Fig. 29 gezeigten Brennstoffzellenpaket zugeführ ten Luft zeigt,

Fig. 31 ist ein Diagramm, das ein weiteres Verfahren für die Ent fernung des nicht notwendigen und sich innerhalb des Brennstoffzellenpakets aufstauenden Wassers zeigt und

Fig. 32 ist ein Diagram, das noch ein weiteres Verfahren für die Entfernung des nicht notwendigen Wassers, das sich in nerhalb des Brennstoffzellenpaket aufstaut, zeigt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfin dung im besonderen mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Als erstes wird Bezug auf Fig. 1 genommen. Diese Figur ist ein Blockdia gramm, das ein Brennstoffzellensystem SY1 nach einem ersten Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Das dargestellte System umfaßt eine Wasserstoffgaszufuhrquelle 1. Die Was serstoffgaszufuhrquelle 1 beinhaltet im wesentlichen eine Reformiereinheit 2, eine Wasserstofftrenneinheit 3, einen Wasserbehälter 4 und einen Methanol behälter 5. Zusätzlich zu der Wasserstoffgaszufuhrquelle 1 besteht das Sy stem SY1 weiterhin aus einem Brennstoffzellenpaket 6, einem Luftkompressor 7 und einer Wassersammeleinheit 8.

Die Reformiereinheit 2 der Wasserstoffgaszufuhrquelle 1 ist vorgesehen, um Methanol (eine Wasserstoff enthaltende Verbindung), zugeführt von dem Methanolbehälter 5, in eine wasserstoffreiche Gasmischung zu reformieren. Hierfür ist die Reformiereinheit 2 mit einem Dampferzeugungsteil 2a, einem Reformierteil 2b und einem Verbrennungsteil 2 ausgestattet.

Nach dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird Methanol als die Was serstoff beinhaltende Verbindung verwendet. Jedoch soll dies nicht die vorlie gende Erfindung beschränken. Im besonderen kann die Wasserstoff enthal tende Verbindung eine organische Verbindung oder eine anorganische Ver bindung sein. Beispiele einer geeignet verwendbaren organischen Verbindung beinhalten Kohlenwasserstoffe, sowohl Erdgas als auch Benzin, die in erster Linie aus Kohlenwasserstoffen bestehen. Andere Beispiele von organischen Verbindungen sind Derivate, die von Kohlenwasserstoffen durch Substitution von einigen Wasserstoffatomen durch Funktionsgruppen (wie Sauerstoffunk tionsgruppen, Stickstoffunktionsgruppen und Schwefelfunktionsgruppen) ab stammen. Alkohole, Phenole, Aldehyde, Carbonsäuren, Ketone, Ether usw. sind Derivate, die durch Substitution mit einer Sauerstoffunktionsgruppe ab stammen. Derivate, abstammend von Substitution mit einer Stickstoffunktions gruppe, beinhalten Nitroverbindungen und Aminderivate. Derivate, die durch Substitution mit einer Schwefelfunktionsgruppe abstammen, beinhalten Thioal kohol, Sulfosäure usw. Andererseits können für anorganische Verbindungen Kohlensäure, Ammoniak und Hydrazin verwendet werden. Unter Berücksichti gung des Wirkungsgrades des gesamten Systems werden bevorzugt Verbin dungen verwendet, die mit einer relativ geringen Energie (geringer Tempera tur) reformierbar sind. Andere Anforderungen beinhalten einen hohen Grad an Sicherheit, gute zuverlässige Versorgung in einem industriellen Maßstab und Einfachheit in der Handhabung. Aus diesen Gründen sind Methanol, Dimethy lether, Propan, Methan und Erdgas geeignet als Stoffe für die Reformierung.

Das Dampferzeugungsteil 2a der Reformiereinheit 2 wird versorgt mit Wasser und Methanol von dem Wasserbehälter 4 bzw. dem Methanolbehälter 5. Das zugeführte Wasser und Methanol werden durch das Verbrennungsteil 2c er hitzt. Folglich wandelt sich das Wasser in Dampf um, wohingegen das Metha nol auf eine für die Reformierung passende Temperatur erhitzt wird. Das Ver brennungsteil 2c ist mit einem Brenner oder einem Verbrennungskatalysator versehen, der eine Verbrennung des Methanols, zugeführt von dem Methanol behälter 5, und der Luft, zugeführt von dem Luftkompressor 7 in das Verbren nungsteil 2c, bedingt. Weiterhin wird das Verbrennungsteil 2c mit einem Zu satzgas (wird später beschrieben) von der Wasserstofftrenneinheit 3 versorgt. Das Zusatzgas wird auch für die Verbrennung in dem Verbrennungsteil 2c verwendet.

Der aus dem Dampferzeugungsteil 2a erhaltene Dampf wird zusammen mit dem Methanol erhitzt und durch das Verbrennungsteil 2c dem Reformierteil 2b zugeführt. Das Reformierteil 2b wird ferner mit Luft von dem Luftkompressor 7 versorgt. Das Reformierteil 2b nimmt einen geeigneten Katalysator auf, (wie einem Cu-Zn-Katalysator oder einem Pt-Katalysator), der von einem Metall netz, einer Wabenauflage oder dergleichen getragen ist. Unter Förderung durch den Katalysator wird das Methanol reformiert und Wasserstoffgas wird erhalten. Im besonderen, wie in den folgenden Reaktionsformeln (1) und (2) gezeigt, setzt eine Reaktion zwischen dem Methanol und dem Dampf (Dampf reformierungsreaktion) und eine Reaktion (Teiloxidationsreaktion) zwischen dem Methanol und der Luft (sauerstoffenthaltendes Gas) das Wasserstoffgas ein.

Es ist hier zu erwähnen, daß von diesen beiden Reaktionen die Reaktion ver körpert durch die Formel (1) die Reaktion dominiert.

CH₃OH + H₂O → 3H₂+ CO₂ (1)

CH₃OH + 1/2O₂ → 2H₂ + CO₂ (2)

Wie sich aus den obigen Reaktionsformeln (1) und (2) klar ergibt, hinterlassen sowohl die Dampfreformierungsreaktion als auch die Teiloxidationsreaktion Kohlendioxid zusätzlich zu dem Kohlenwasserstoffgas. Ferner werden die Re aktionen auch Kohlenmonoxid zurücklassen, wenn die Oxidation nicht ausrei chend ist. Weiterhin wird nicht alles von dem zugeführten Methanol reformiert. Folglich gibt das Reformierteil 2b eine wasserstoffreiche Gasmischung ab, die Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Methanol enthält.

Die Gasmischung wird der Wasserstofftrenneinheit 3 zugeführt. Die Wasser stofftrenneinheit 3 ist mit wasserstoffdurchgängigen Mitteln versehen. Daher kann ein Brennstoffgas mit Wasserstoff in einem extrem hohen Konzentrati onsgehalt erhalten werden. Beispiele für die wasserstoffdurchgängigen Mittel beinhalten einen wasserstoffdurchlässigen Film, getragen auf einem porösen Element, geformt in eine Spirale, und ein Rohr, versehen mit einer Vielzahl von rohrförmigen Filmen oder einem Bündel von hohlen Fäden. Der wasserstoff durchlässige Film ist verfügbar als ein Produkt, hergestellt aus einem Metall, das eine hohe Kapazität zum Wasserstoffeinschluß hat oder als ein Produkt, hergestellt aus einem Polymerstoff. Hier beinhalten Beispiele für Metalle, die eine hohe Kapazität haben Wasserstoff einzuschließen, Palladium und Palla diumlegierungen. Die Palladiumlegierungen umfassen eine Vielzahl von allge mein bekannten Zusammensetzungen mit Beispielen, von Legierungen, die Palladium (Pd) und mindestens ein Metall, ausgewählt von der Metallgruppe aus Silber (Ag), Gold (Au) und Ruthenium (Ru) aufweisen. Im besonderen können eine Pd-Ag-Legierung, eine Pd-Ag-Au-Legierung, eine Pd-Ag-Au-Ru- Legierung usw. in geeigneter Weise verwendet werden. Bevorzugterweise sollte die Pd-Ag-Legierung 20 bis 30 Gew.-% von Silber enthalten. Die Pd-Ag- Au-Legierung sollte 20 bis 30 Gew.-% von Silber und 5 bis 10 Gew.-% von Gold bevorzugterweise enthalten, wohingegen die Pd-Ag-Au-Ru-Legierung 20 bis 30 Gew.-% von Silber, 5 bis 10 Gew.-% von Gold und 1 bis 5 Gew.-% von Ruthenium bevorzugterweise enthalten sollte.

Der hochpolymere wasserstoffdurchlässige Film muß eine hohe Wasserstoff permeabilität und eine hohe Wasserstofftrennbarkeit aufweisen und daher aus einem steifen amorphen Polymer, das eine hohe Einfriertemperatur (glass transition-temperature) und eine hohe dimensionale (3-dimensionale) Struktur aufweist, die Lücken hat, die selektiv die Passage von Molekülen und Atomen von der Größe eines Wasserstoffmoleküls erlauben. Beispiele für geeignete Materialien sind Zelluloseacetat, Polysulfone, Polyimide und Polyamide, wobei Polyimide von besonderer Bevorzugung sind. Wenn dort zwischen den beiden Seiten des hochpolymeren wasserstoffdurchlässigen Films eine Druckdifferenz besteht, wird nur den Wasserstoffmolekülen selektiv erlaubt, den Film zu durchdringen, und werden dadurch getrennt.

Für jedes der metall- und hochpolymerwasserstoffdurchlässigen Filme kann die Form des Films ein flacher Film, ein hohler Faden oder röhrenförmig sein.

Fig. 2A und 2B zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Wasserstofftrenneinheit 3, die einen Palladiumlegierungsfilm benutzt. Andererseits zeigen die Fig. 3A und Fig. 3B ein Ausführungsbeispiel einer Wasserstofftrenneinheit 3, die einen festen Hochpolymerfilm aus hohlen Fäden benutzt.

In der Wasserstofftrenneinheit 3, gezeigt in Fig. 2A, beherbergt ein erstes Rohr 3a ein zweites Rohr 3b. Das zweite Rohr 3b beherbergt eine Vielzahl von Pal ladiumlegierungsrohren 3c. Das erste Rohr 3a ist versehen mit einer Zufuhr öffnung 3d für die Zufuhr der Gasmischung. Das zweite Rohr 3b ist versehen mit einer ersten Auslaßöffnung 3e zum Austritt des Zusatzgases. Jedes der Palladiumlegierungsrohre 3c hat ein geschlossenes Ende, wohingegen das andere Ende zu einem Kammerraum 3f offen ist. Der Kammerraum 3f ist ver sehen mit einer zweiten Auslaßöffnung 3g für den Austritt des Wasserstoffga ses.

Mit der obigen Anordnung wird die von der Zufuhröffnung 3d zugeführte Gas mischung in das zweite Rohr 3b eingeführt. Dann erreicht nur das Wasser stoffgas in der Gasmischung das Innere der Palladiumlegierungsrohre 3c, wo hingegen die anderen Gaskomponenten als Zusatzgas von der ersten Auslaß öffnung 3a des zweiten Rohres 3b abgezogen wird.

Wie in Fig. 2b gezeigt, adsorbieren die Wasserstoffmoleküle an einer Oberflä che der Palladiumlegierungsrohre 3c. Dann dissoziieren die Wasserstoffmole küle in zwei Wasserstoffatome. Jedes der Wasserstoffatome gibt ein Elektron an das Palladiumlegierungsrohr 3c ab, um ein Wasserstoffion (H⁺) zu werden. Das Wasserstoffion wandert durch den Palladiumlegierungsfilm und erreicht das Innere des Palladiumlegierungsrohres 3c, wo ein niedriger Wasserstoff partialdruck herrscht. Dann erhält das Wasserstoffion ein Elektron von dem Palladiumlegierungsrohr 3c, um ein Wasserstoffatom zu werden und paart sich mit einem weiteren Wasserstoffatom, um ein Wasserstoffmolekül zu bilden. Anschließend wird das Wasserstoffmolekül von der zweiten Auslaßöffnung 3g (Fig. 2A) abgezogen. Andererseits können die anderen Komponenten wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid nicht durch den Palladiumlegierungsfilm hin durchwandern und werden daher von der ersten Auslaßöffnung 3e abgezogen.

In der Wasserstofftrenneinheit 3, gezeigt in Fig. 3A, beherbergt ein Rohr 3h eine Vielzahl von hohlen Polyimidfäden 3i. Das Rohr 3h ist versehen mit einer Zufuhröffnung 3j für die Zufuhr der Gasmischung, einer ersten Auslaßöffnung 3k für den Abzug des Zusatzgases und einer zweiten Auslaßöffnung 3l für den Abzug des Wasserstoffgases. Jedes der hohlen Polyimidfäden 32b hat ein ge schlossenes Ende, wohingegen das andere Ende zu einem Kammerraum 3m geöffnet ist. Der Kammerraum 3m steht in Verbindung mit der zweiten Auslaß öffnung 3l.

Mit der obigen Anordnung, wie sich klar aus Fig. 3A ergibt, erreicht die Was serstoffgasmischung, zugeführt von der Zufuhröffnung 3j, das Innere des Roh res 3h, wo jede Komponente der Gasmischung die hohlen Polyimidfäden 3i kontaktiert. Jedoch die Komponenten, die eine größere Molekülgröße haben, wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, können nicht durch die hohlen Polyi midfäden 3i durchwandern und werden als Zusatzgas von der ersten Auslaß öffnung 3k des Rohres 3h abgezogen. Wie es klar von der Fig. 3B ist, wandern die Wasserstoffmoleküle, die die hohlen Pofyimidfäden 3i kontaktieren, durch die hohlen Polyimidfäden 3i aufgrund der kleineren Molekulargröße und errei chen dort das Innere der hohlen Polyimidfäden 3i. Das wie oben beschrieben, selektiv getrennte Wasserstoffgas wird dann von der zweiten Auslaßöffnung 3l abgezogen.

Wie beschrieben worden ist, können durch Benutzung der Wasserstoff trenneinheit 3, gezeigt in der Fig. 2A oder der Fig. 3A, nur Wasserstoffmole küle effektiv aus der Gasmischung getrennt werden. In anderen Worten wird es möglich, die Wasserstoffgasreinheit des Brennstoffgases, erhalten durch die Wasserstofftrenneinheit 3, auf einen extrem hohen Wert zu steigern. Das der artig erhaltene Brennstoffgas wird dann dem Brennstoffzellenpaket 6 zuge führt, wohingegen das Zusatzgas dem Verbrennungsteil 2c der Reformierein heit 2 zugeführt wird.

Das Brennstoffzellenpaket, das detailliert später beschrieben wird, besteht aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen, die schichtweise aneinander in Reihe ge fügt sind. Jede der Brennstoffzellen hat einen positiven Elektrodenteil, einen negativen Elektrodenteil und einen Elektrolytteil. Der negative Elektrodenteil wird versorgt mit dem Brennstoffgas von der Wasserstofftrenneinheit 3. Der positive Elektrodenteil wird versorgt mit Luft von dem Kompressor 7. An dem negativen Elektrodenteil wird das Wasserstoffgas in dem Brennstoffgas disso ziiert in Wasserstoffionen und Elektronen, wie in der Reaktionsformel (3) ge zeigt. Andererseits reagiert an dem positiven Elektrodenteil wie in der Reakti onsformel (4) gezeigt, Sauerstoffgas in der Luft mit Elektroden und den Was serstoffionen, die durch den Elektrolytteil kommen, um Wasser zu produzieren.

H₂→ 2H⁺+ 2e^- (3)

4H⁺ + O₂ + 4e^-→ 2H₂O (4)

An dem negativen Elektrodenteil produziertes Wasser wird zu der Wasser sammeleinheit 8 zusammen mit von dem Brennstoffzellenpaket abgezogener Luft geführt und dann in dem Wasserbehälter 4 gelagert. Es ist hier zu bemer ken, daß die Wassersammeleinheit 8 nicht erforderlich wird, wenn der Was serbehälter 4 ausgebildet ist, um rechtzeitig mit Wasser aufgefüllt zu werden. In solch einem Fall, wie mit dem Pfeil (durchbrochene Linie) 8' in Fig. 1 ge zeigt, kann das Wasser, produziert an dem negativen Elektrodenteil, in die At mosphäre zusammen mit der von dem Brennstoffzellenpaket 6 abgezogenen Luft abgeführt werden.

Wie zuvor beschrieben, ist die Wasserstoffgasreinheit des zu dem Brennstoff zellenpaket zugeführten Brennstoffgases, außerordentlich hoch. Daher enthält das Gas, abgezogen von dem Brennstoffzellenpaket 6, auch einen großen Be trag von nichtreagiertem Wasserstoffgas. Gemäß dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel, wie in Fig. 1 gezeigt, wird das von der Brennstoffzelle 6 abge zogene Gas zu dem Brennstoffzellenpaket zugeführt. Hierdurch wird es mög lich, nichtreagiertes Wasserstoffgas in dem Brennstoffzellenpaket 6 zu ver wenden. Zurückführungsmittel für diesen Zweck sind in dem Brennstoffzellen system SY1 vorgesehen. Die Rückführungsmittel beinhalten Rohre und andere Bauteile, die einen Rückkehrweg für das nichtreagierte und von dem Brenn stoffzellenpaket 6 abgezogene Gas bilden, um zurück in das Brennstoffzellen paket 6 zu gelangen. Hierdurch wird es möglich, das nichtreagierte Wasser stoffgas effektiv zu benutzen.

Nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Rein heit des Brennstoffgases, das dem Brennstoffzellenpaket 6 zugefügt wird, sehr hoch. Daher kann das abgezogene Gas von dem Brennstoffzellenpaket 6 in dem Brennstoffzellenpaket 6 wieder verwendet werden, ohne daß Probleme bedingt werden und daß möglich gemacht wird, vorteilhafterweise die Brenn stoffgasverwendungseffektivität und insbesondere den Energieumwandlungs wirkungsgrad des Wasserstoffgases zu steigern.

Des weiteren kann das Problem vergifteter Katalysatoren in dem Brennstoff zellenpaket entsprechend vermieden werden, da das Brennstoffzellenpaket 6 mit einem Brennstoffgas, das einen hohen Grad an Wasserstoffgasreinheit aufweist, versorgt wird.

Nachfolgend wird Bezug genommen zu den Fig. 4 bis 6. Diese Figuren zeigen ein Brennstoffzellensystem SY2 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Brennstoffzellensystem SY2 unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem SY1 (in Fig. 1) in der Bereitstellung einer Vielzahl von Brennstoffzellenpaketen 9.

Zusätzlich zu den Brennstoffzellenpaketen 9 weist das Brennstoffzellensystem SY2 hauptsächlich eine Wasserstoffgaszufuhrquelle 10, eine Wasserstoffgas zufuhrleitung 11, eine Wasserstoffgassammelleitung 12; eine Luftzufuhrleitung 13, eine Luftsammelleitung 14, eine Vielzahl von Ventilen, ein Betriebssteue rungsteil 16 und ein Ausgangssteuerungsteil 17 auf. Ähnlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Wasserstoffgaszufuhrquelle 10 versehen mit einem Gerät zur Trennung von Wasserstoffgas von einer Wasserstoff enthaltenden Verbindung. Jedoch abweichend von dem ersten Ausführungsbeispiel benutzt das zweite Ausführungsbeispiel nicht das Verfahren der Sammlung des abge zogenen Wassers von jeder der Brennstoffzellenpakete 6, um die Wasser stoffgaszufuhrquelle 10 zu versorgen. Es ist anzumerken, daß anstatt der Ein heit für die Trennung des Wasserstoffgases von der Wasserstoff enthaltenden Verbindung die Wasserstoffgaszufuhrquelle 10 einen Hochdruckbehälter, ge füllt mit Hochdruckwasserstoffgas, einen Hochdruckbehälter, gefüllt mit ver flüssigtem Wasserstoff oder eine Wasserstoff einschließende Legierung, die einen Betrag von Wasserstoff aufnimmt, enthalten kann. Die Wasserstoffgas zufuhrleitung 11 ist vorgesehen, um Wasserstoffgas von der Wasserstoffzu fuhrquelle 10 zu jedem Brennstoffzellenpaket 9 (insgesamt 16 Brennstoffzel lenpakete) zu führen. Wie in Fig. 4 dargestellt, hat die Wasserstoffgaszufuhr leitung 11 eine Vielzahl von Zweigleitungen 11a, die jeweils mit einem der Brennstoffzellenpakete 9 verbunden sind. Die Wasserstoffgaszufuhrquelle 10 und jeder der Zweigleitungen 11a sind durch ein Hauptrohr verbunden, das mit einem Ventil 18 versehen ist. Das Ventil 18 ist beispielsweise ein fernsteuerba res Elektromagnetventil, das durch das Betriebssteuerungsteil 16 gesteuert wird, um die Zufuhr von Wasserstoffgas zu den Brennstoffzellenpaketen 9 zu stoppen und das Wasserstoffgas von innerhalb der Wasserstoffgaszufuhrlei tung 11 in die Atmosphäre abzulassen. Das Ventil 18 ist günstig für eine Not abschaltung des Betriebes eines jeden Brennstoffzellenpakets 19, falls diese erforderlich sein sollte. Die Wasserstoffgassammelleitung 12 dient zum Sam meln von nichtreagiertem Wasserstoffgas, das von jedem der Brennstoffzel lenpakete 9 abgezogen wird, und dem Wasserstoffgas stammt, das ursprüngli cherweise jedem der Brennstoffzellenpakete 9 zugeführt worden ist. Die Was serstoffgassammelleitung 12 ist derart ausgebildet, daß das gesammelte Was serstoffgas für eine Wiederbenutzung zu der Wasserstoffgaszufuhrquelle 10 zurückgeführt werden kann.

Jedes der Ventile 15 ist einer der Zweigleitungen 11a der Wasserstoffgas sammelleitung 11 zugeordnet. Diese Ventile 15 sind wie das Ventil 18 fern steuerbare Elektromagnetventile. Wie später beschrieben wird, kann jedes Ventil 15 unabhängig von den anderen Ventilen 15 geöffnet/geschlossen wer den. Jedes der Brennstoffzellenpakete 9 ist nur betriebsbereit, wenn das ent sprechende Ventil 15 geöffnet und Wasserstoffgas zugeführt wird. Obwohl nicht in den Zeichnungen dargestellt, ist jede der Zweigleitungen 11a mit ei nem separaten Durchflußsteuerungsventil für die Steuerung der Menge von Wasserstoffgas, das dem Brennstoffzellenpaket 9 zugeführt wird, versehen.

Die Luftzufuhrleitung 13 dient für die Zufuhr von Luft von dem Luftkompressor oder einem Gebläse zu jedem der Brennstoffzellenpakete 9 und hat Zweiglei tungen ähnlich zu denen der Wasserstoffgaszufuhrleitung 11. Die Luftzufuhr leitung 13 ist auch mit einem zu dem Ventil 18 vergleichbarem Ventil 19 verse hen. Das Ventil 19, das durch das Betriebssteuerungsteil 16 gesteuert wird, macht es möglich, Luft von innerhalb der Luftzufuhrleitung 13 nach außen ab zuführen. Weiterhin bevorzugterweise ist, wie bei der Wasserstoffgaszufuhr leitung 11, jede der Zweigleitungen der Luftzufuhrleitung 13 auch mit einem Durchflußsteuerungsventil versehen, das fähig ist, die Menge von Luft zu steu ern, die dem entsprechenden Brennstoffzellenpaket 9 zugefügt wird. Die Luftsammelleitung 14 dient zum Sammeln der Luft, die von jedem der Brenn stoffzelfenpakete 9 stammt. Die durch die Luftsammelleitung 13 gesammelte Luft wird beispielsweise in die Atmosphäre abgeleitet.

Das Betriebssteuerungsteil 16 steuert das Öffnen/Schließen der Vielzahl von Ventilen 15, wodurch der Betrieb von jedem Brennstoffzellenpaket 9 gesteuert wird. Das Betriebssteuerungsteil 16 öffnet/schließt die Vielzahl von Ventilen 15 in Antwort auf Steuerbefehle, die von einem externen Bauteil übermittelt wer den. Das Betriebssteuerungsteil 16 kann arithmetische Rechenmittel enthalten, die mit einem Zentralrechner und einem hiermit verbundenen Speicher verse hen sind. In einem derartigen Fall wird es möglich, in Verbindung mit einem vorbestimmten Programm, arithmetisch zu bestimmen, welches der Ventile 15 geöffnet/geschlossen werden sollte.

Nach der vorliegenden Erfindung kann das Betriebssteuerungsteil 16 mit der Fähigkeit versehen werden, eine Spannung zwischen den Elektroden von je dem Brennstoffzellenpaket 9 anzuzeigen. Mit dieser Einrichtung wird es mög lich, zu bestimmen, ob oder ob nicht die Brennstoffzellenpakete 9 einwandfrei arbeiten. Im besonderen, wenn ein Schaden in einem Brennstoffzellenpaket 9 hervorgerufen wird, wird dieses Brennstoffzellenpaket 9 betriebsunfähig, auch wenn Wasserstoffgas zugeführt wird. Das Betriebssteuerungsteil 16 kann ei nen derartigen Fall kennen und bedient das entsprechende Ventil 15, wodurch die Zufuhr von Wasserstoff zu diesem besonderen Brennstoffzellenpaket 9 ge stoppt wird. Dies macht es möglich, zweckmäßigerweise Situationen zu verhin dern, in denen Wasserstoffgas beispielsweise von einem beschädigten Brenn stoffzellenpaket 9 entweicht. Das Ausgangssteuerungsteil 17 hat eine Vielzahl von Ausgangsanschlußpaaren 17a, 17b. Die durch die Brennstoffzellenpaket erzeugte Elektrizität wird zu dem Ausgangssteuerungsteil 17 gesandt und dann von den Ausgangsanschlüssen 17a, 17b ausgegeben. Nach der vorliegenden Erfindung kann das Ausgangssteuerungsteil 17 nur ein Paar von Ausgangsan schlüssen 17a, 17b haben.

Fig. 5 zeigt einen Teil eines elektrischen Schaltkreises des Ausgangssteue rungsteils 17. Für ein einfacheres Verständnis zeigt die Figur einen elektri schen Schaltkreis, bezogen auf nur vier Brennstoffzellenpakete 9 (9a bis 9d). In der dargestellten elektrischen Schaltung 20 ist jede positive Elektrode 9p der Brennstoffzellenpakete 9a bis 9d mit dem Ausgangsanschluß 17a verbun den, wohingegen jede negative Elektrode 9n mit dem Ausgangsanschluß 17b verbunden ist. Ein Schalter S1 ist zwischen dem negativen Anschluß 9n des Brennstoffzelleripakets 9a und der negativen Elektrode 9n des Brennstoffzel lenpakets 9b vorgesehen. Gleichermaßen ist ein Schalter 52 zwischen der ne gativen Elektrode 9n des Brennstoffzellenpakets 9b und der negativen Elektro de 9n des Brennstoffzellenpakets 9c vorgesehen und ein Schalter S3 ist zwi schen der negativen Elektrode 9n des Brennstoffzellenpakets 9c und der ne gativen Elektrode 9n des Brennstoffzellenpakets 9d vorgesehen. Ferner sind Schalter S5, S7 und S9 zwischen dem Ausgangsanschluß 17a und der jeweili gen positiven Elektrode 9p der Brennstoffzellenpakete 9b bis 9d vorgesehen. Weiterhin kann jede der positiven Elektroden 9p der Brennstoffzellenpakete 9b bis 9d mit dem negativen Ausgangsanschluß 17b über den entsprechenden der Schalter S4, S6 und S8 verbunden werden.

Mit der elektrischen Schaltung 20 gemäß der obigen Ausführung, wie gezeigt in Fig. 5, können die vier Brennstoffzellenpakete 9a bis 9d parallel zu den Paa ren der Ausgangsanschlüsse 17a, 17b verbunden werden, wenn die Schalter S1, S2, S3, S5, S7 und S9 angeschaltet sind, wohingegen die Schalter S4, S6 und S8 ausgeschaltet sind. Im Gegenteil können wie in Fig. 6 dargestellt, die vier Brennstoffzellenpakete 9a bis 9d in Serie zu den Paaren von Ausgangs anschlüssen 17a, 17b verbunden werden, wenn die Schalter S1, S2, S3, S5, S7 und S9 ausgeschaltet sind, wohingegen die Schalter S4, S6 und S8 ange schaltet sind.

Ferner ist, wie in Fig. 7 gezeigt, wenn die Schalter S1, S2 und S3 angeschaltet und die anderen Schalter S4 bis S9 ausgeschaltet sind, nur das Brennstoff zellenpaket 9a mit den Ausgangsanschlüssen 17a, 17b verbunden. Wie in Fig. 8 gezeigt, sind, wenn die Schalter S2, S3 und S4 angeschaltet und die an deren Schalter S1 und S5 bis S9 ausgeschaltet sind, nur zwei Brennstoffzel lenpakete 9a, 9b mit den Ausgangsanschlüssen 17a, 17b verbunden.

Es ist einfach zu verstehen, daß gemäß dieser elektrischen Schaltung 20 es auch möglich ist, nur drei Brennstoffzellenpakete 9 mit den Ausgangsan schlüssen 17a, 17b durch Betätigung der Schalter S1 bis S9 zu verbinden. Die obengenannten Schaltungsbetätigungen werden ausgeführt unter der Steue rung des Betriebssteuerungsteils 16. Selbstverständlich können die Ein/Aus- Betätigungen der Schalter S1 bis S9 auch durch andere Steuerungsbauteile, die getrennt von dem Betriebssteuerungsteil 16 vorgesehen werden, erfolgen.

In dem Betriebssteuerungsteil 16 ist die elektrische Schaltung 20 in der zuvor beschriebenen Ausführung auch entsprechend für die anderen zwölf Brenn stoffzellenpakete 9 vorgesehen. Folglich kann eine gewünschte Anzahl von Brennstoffzellenpaketen 9 von den insgesamt sechzehn parallel miteinander verbunden werden, wobei die generierte Elektrizität über die Ausgangsan schlüsse 17a, 17b abgegeben wird. Alternativerweise kann eine gewünschte Anzahl von Brennstoffzellenpaketen 9 in Serie miteinander verbunden werden, wobei die generierte Elektrizität über die Ausgangsanschlüsse 17a, 17b aus gegeben wird.

Als nächstes wird die Funktion des Brennstoffzellensystems SY2 mit der obi gen Ausführung beschrieben.

In Bezug auf Fig. 4 wird jetzt die Annahme getroffen, daß alle Ventile 15 offen sind. In diesem Fall wird jeder der Brennstoffzellenpakete 9 mit Wasserstoffgas versorgt. Zu der gleichen Zeit wird jeder der Brennstoffzellenpakete 9 mit Luft von der Luftzufuhrleitung 13 versorgt. Dies erlaubt allen Brennstoffzellenpa keten 9 zu arbeiten. Jedes der Brennstoffzellenpakete 9 liefert Elektrizität zu dem Ausgangssteuerungsteil 17 und die Elektrizität wird zu einem externen Bauteil von den vielen Paaren von Ausgangsanschlüssen 17a, 17b des Aus gangssteuerungsteils 17 geführt. In diesem Fall erlaubt die elektrische Schal tung des Ausgangssteuerungsteils 17 jedwede Auswahl zwischen dem Zu stand, in dem eine Vielzahl von Brennstoffzellenpaketen 9 parallel miteinander verbunden sind (Fig. 5) und dem Zustand, in dem eine Vielzahl von Brennstoff zellenpaketen 9 in Serie miteinander verbunden sind (Fig. 6). Die Spannung an den Ausgangsanschlüssen 17a, 17b ist größer in dem letzteren Zustand als in dem vorherigen Zustand. Dies bedeutet, daß selbst, wenn alle der Brenn stoffzellenpakete 9 in Betrieb sind, der an den Ausgangsanschlüssen 17a; 17b ausgegebene Spannungswert der Elektrizität durch Wechseln der gegenseiti gen Verbindung von Serienschaltung zu Parallelschaltung oder umgekehrt ge wechselt werden kann.

Wenn das externe Bauteil, das mit den Ausgangsanschlüssen 17a, 17b ver bunden ist, keinen großen Betrag von Elektrizität benötigt, dann wird bei spielsweise das Ventil 15 zugehörig zu dem Brennstoffzellenpaket 9 wie in Fig. 7 gezeigt, geöffnet, wohingegen die Ventile 15 zugehörig zu den anderen Brennstoffzellenpaketen 9b bis 9d geschlossen werden. In diesem Fall ist nur das Brennstoffzellenpaket 9a in Betrieb. Die anderen Brennstoffzellenpakete 9b bis 9d sind nicht in Betrieb, weil die Zufuhr von Wasserstoffgas gestoppt ist und daher die chemische Reaktion aufhört. In dieser Situation kann die Zufuhr von Luft zu jedem Brennstoffzellenpaket fortgesetzt werden. Wenn, wie zuvor beschrieben, nur das Brennstoffzellenpaket 9a betrieben wird, sollte die elek trische Schaltung 20 des Ausgangssteuerungsteils 17 zu dem in Fig. 7 ge zeigten Muster geschaltet werden.

Ferner kann das Brennstoffzellensystem SY2 auch in der folgenden Weise verwendet werden: Beispielsweise sind, wie in Fig. 8 gezeigt, die Ventile 15, die den zwei Brennstoffzellenpaketen 9a und 9b zugeordnet sind, offen, wo hingegen die Ventile 15, die den anderen beiden Brennstoffzellenpaketen 9c, 9d zugeordnet sind, geschlossen. In diesem Betriebszustand können die zwei Brennstoffzellenpakete 9a, 9b in Betrieb sein, wohingegen die anderen zwei Brennstoffzellenpakete 9c, 9d nicht in Betrieb sind. In diesem Fall wird die elektrische Schaltung 20 des Ausgangssteuerungsteils 17 in das in Fig. 8 ge zeigte Muster geschaltet. Mit diesem Schaltungsmuster, da die beiden Brenn stoffzellenpakete 9a, 9b in Serie miteinander verbunden sind, ist der an den Ausgangsanschlüssen 17a, 17b ausgegebene Spannungswert doppelt so groß wie der Spannungswert, der von in Fig. 7 gezeigten Schaltungsmuster erhalten wird.

Noch eine weitere Betriebsweise, die von den vorgenannten Beispielen ab weicht, ist, daß drei Brennstoffzellenpakete 9a bis 9c in serieller Verbindung mit den Ausgangsanschlüssen 17a, 17b arbeiten. In diesem Fall ist der Span nungswert, der an den Ausgangsanschlüssen 17a, 17b ausgegeben wird, das Dreifache des Spannungsbetrages, der durch das Schaltungsmuster gezeigt in Fig. 7 erhalten wird.

Wie der vorhergehenden Beschreibung entnehmbar ist, können nach der zweiten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems SY2 sechzehn Brenn stoffzellenpakete durch selektives Öffnen und Schließen der Vielzahl von Ven tilen 15 selektiv betrieben werden. Daher ist es möglich geworden, zweckmä ßig mit dem Fall umzugehen, wenn ein großer Betrag von Elektrizität benötigt wird. Zusätzlich, wenn kein Bedarf für einen großen Betrag von Elektrizität be steht, kann nur eine zweckmäßige Anzahl von Brennstoffzellenpaketen 9 be trieben werden, wodurch ein nutzloser Betrieb von Brennstoffzellenpaketen 9 vermieden wird. Dadurch kann eine effektive Elektrizitätsversorgung, die den Bedürfnissen entspricht, erreicht werden. Ferner kann nach dem Brennstoff zellensystem SY2 der Spannungsbetrag der Elektrizität, die an den Ausgangs anschlüssen 17a, 17b ausgegeben wird, zeitweise gewechselt werden durch Wechseln der Anzahl der Brennstoffzellenpakete 9 im Betrieb und durch Schalten der elektrischen Schaltung des Ausgangsteils 17. Daher kann das externe Bauteil leicht und vorteilhaft mit einem genauen Spannungsbetrag oder nahe dem geforderten Spannungsbetrag versorgt werden.

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das einen groben Aufbau eines Elektroautos, an getrieben durch das vorgenannte Brennstoffzellensystem SY2, zeigt.

Das in Fig. 9 gezeigte Elektroauto B weist zusätzlich zu dem Brennstoffzellen system SY2 einen Elektromotor M zum Antreiben der Antriebsräder W, ein An triebsmotorsteuerungsteil 21, ein Hauptsteuerungsteil 22, einen Gaspedalbe tätigungssensor 23, einen Bremspedalbetätigungssensor 24 und elektrische Bauteile 25 auf.

Der Motor M ist ein Gleichstrommotor. Der Antriebsmotorsteuerungsteil 21 ist versehen mit einer elektrischen Schaltung für die Steuerung (beispielsweise einer Zerhackersteuerung) der Spannung, die an den Motor M angelegt wird, basierend auf Befehlen von dem Hauptsteuerungsteil 22. Der Antriebsmotor steuerungsteil 21 wird versorgt mit Elektrizität, die, wie die Elektrizität für den Antrieb des Motors, von dem Ausgangssteuerungsteil 17 des Brennstoffzellen systems SY2 ausgegeben wird. Die elektrischen Bauteile 25 umfassen solche Bauteile wie eine Vielzahl von Leuchten, einen Scheibenwischermotor und ei nen Kompressor für eine Klimaanlage. Diese elektrischen Bauteile 15 werden auch mit Elektrizität von dem Ausgangssteuerungsteil 17 des Brennstoffzellen systems SY2 versorgt. Der Betrag von Elektrizität, der von den elektrischen Bauteilen 25 benötigt wird, wird überwacht durch das Hauptsteuerungsteil 22.

Das Hauptsteuerungsteil 22 steuert das Antriebssteuerungsteil 16 des Brenn stoffzellensystems SY2 und das Antriebsmotorsteuerungsteil 21. Das Haupt steuerungsteil 22 berechnet die für den Antrieb des Motors M benötigte Span nung als Antwort auf Signale, die von dem Gaspedalbetätigungssensor 23 und dem Bremspedalbetätigungssensor 24 gesendet werden. Ferner sendet das Hauptsteuerungsteil 22 Befehle zu dem Antriebssteuerungsteil 16 und dem Ausgangssteuerungsteil 17, so daß der Betrag von Elektrizität, der notwendig ist, um die berechnete Spannung zu erreichen, von dem Brennstoffzellensy stem SY2 dem Antriebsmotorsteuerungsteil 21 zugeführt wird. Auch sendet ferner das Hauptsteuerungsteil 22 Steuerungsbefehle zu dem Antriebssteue rungsteil 16 und dem Ausgangssteuerungsteil 17, so daß der Betrag an Elek trizität, der für die elektrischen Bauteile 25 notwendig ist, passend von dem Brennstoffzellensystem SY2 den elektrischen Bauteilen 25 zugeführt wird. Im Zusammenhang mit diesen Steuerbefehlen führt das Antriebssteuerungsteil 16 die öffnenden/schließenden Betätigungen der Ventile 15 durch, die der not wendigen Anzahl von Brennstoffzellenpaketen 9 erlaubt zu arbeiten. Gleicher maßen wechselt das Ausgangssteuerungsteil 17 nach den Steuerbefehlen die Schaltungsmuster der elektrischen Verbindung zwischen der Gesamtheit der sechzehn Brennstoffzellenpakete 9.

Ein Teil der sechzehn Brennstoffzellenpakete 9 dient als Energiequelle für den Antrieb des Motors M, wohingegen der Rest der Brennstoffzellenpakete 9 als Energiequelle für die elektrischen Bauteile 25 dient. Dort ist kein oder nur ein geringer Bedarf, die Spannung der Elektrizität, die zu den elektrischen Kompo nenten 25 geführt wird, zu variieren. Daher können die Brennstoffzellenpakete 9, die als Energiequelle für die elektrischen Bauteile 25 verwendet werden, permanent in Serie mit den Ausgangsanschlüssen 17a, 17b des Ausgangs steuerungsteils 17 verbunden werden.

In dem Elektroauto B der vorherigen Ausführung, werden, wenn der Betrag der Betätigung des Gaspedals groß ist (nicht dargestellt), alle oder die meisten der Brennstoffzellenpakete 9, die sich dem Antrieb des Motors widmen, unter der Steuerung des Hauptsteuerungsteils 22 und des Antriebssteuerungsteils 16, gesteuert, um eine hohe Spannung von Elektrizität von dem Ausgangssteue rungsteil 17 dem Antriebsmotorsteuerungsteil 21 zuführen. Daher kann die Spannung, die von dem Antriebsmotorsteuerungsteil 21 zu dem Motor M ge führt wird, erhöht werden, wodurch möglich wird, das Drehmoment des Motors M entsprechend zu steigern.

Wenn der Betrag der Gaspedalbetätigung gering ist oder wenn der Betrag der Bremspedalbetätigung groß ist, wird nur eine kleine Anzahl von Brennstoffzel lenpaketen 9, die sich dem Antrieb des Motors widmen, betrieben und eine Niederspannungselektrizität wird von dem Ausgangssteuerungsteil 17 dem Antriebsmotorsteuerungsteil 21 zugeführt. In diesem Fall kann die Spannung, die von dem Antriebsmotorsteuerungsteil 21 zu dem Motor M zugeführt wird, erniedrigt werden, wodurch es möglich wird, auch entsprechend das Drehmo ment des Motors M zu erniedrigen.

Andererseits werden, wenn die elektrischen Bauteile 25 einen großen Betrag von Elektrizität benötigen, alle oder die meisten der Brennstoffzellenpakete 9, die sich den elektrischen Bauteilen widmen, unter der Steuerung des Haupt steuerungsteils 22 und des Antriebssteuerungsteils 16 betrieben. Im Gegenteil wird, wenn der Betrag der benötigten Elektrizität gering ist; die Anzahl der be triebenen Brennstoffzellenpakete 9 vermindert.

Wie in Verbindung mit dem Elektroauto B beschrieben worden ist, können bei de, der Motor M für den Antrieb des Autos und die elektrischen Bauteile 25 mit Elektrizität einer benötigten Spannung oder einem benötigten Betrag von dem Brennstoffzellensystem SY2 versorgt werden. Ferner kann durch Eliminierung von unnötigem Betrieb der Brennstoffzellenpakete 9 eine effektive Elektrizi tätsversorgung erreicht werden.

Fig. 10 zeigt ein Abwandlungsbeispiel des in Fig. 4 gezeigten Brennstoffzel lensystems SY2. In der dargestellten Anordnung sind die Brennstoffzellenpa kete 9 geteilt in eine Vielzahl von Gruppen, die jeweils zwei Brennstoffzellen pakete 9 beinhalten. Jede Gruppe ist mit einem Ventil 15 versehen. Gemäß dieser Ausführung kann durch Öffnen oder Schließen eines Ventils 15 die Zu fuhr von Wasserstoffgas zu den entsprechenden beiden Brennstoffzellenpa keten 9 simultan gestartet oder gestoppt werden. Es ist überflüssig zu sagen, daß entsprechend der vorliegenden Erfindung die Brennstoffzellenpakete 9 so geteilt werden können, daß jede der Gruppen drei Brennstoffzellenpakete 9 enthält.

Fig. 11 zeigt eine Anordnung, in der die Brennstoffzellenpakete 9 in zwei Gruppen N1, N2 geteilt sind. Auch mit dieser Ausführung ist es möglich, Elek trizität in Verbindung mit dem gewünschten Betrag zuzuführen durch Schalten zwischen einem Zustand, in dem alle der Brennstoffzellenpakete 9 in Betrieb sind und einem Zustand, in dem nur die Brennstoffzellenpakete 9 in einer der beiden Gruppen N1, N2 in Betrieb sind. In dem zweiten zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel (s. Fig. 4) ist die Leitung 13 für die Zufuhr von Luft zu den Brennstoffzellenpaketen 9 nur mit einem Ventil versehen. Die vorliegende Er findung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und die Leitung 13 kann mit einer Vielzahl von Ventilen versehen werden. In diesem Fall kann, wenn die Was serstoffgaszufuhr zu den Brennstoffzellenpaketen 9 gestoppt wird, auch die Zufuhr von Luft gleichzeitig gestoppt werden. Ferner ist es entsprechend der vorliegenden Erfindung auch möglich, die Brennstoffzellenpakete 9 durch Weiterführung der Zufuhr von Wasserstoffgas zu den Brennstoffzellenpaketen 9 und Steuerung der Zufuhr von Luft zu den Brennstoffzellenpaketen 9 zu be treiben und zu stoppen.

Als nächstes wird auf die Fig. 12A Bezug genommen. Diese Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem SY3 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung. Wie das Brennstoffzellensystem SY1 (Fig. 1) nach dem ersten Ausführungsbeispiel, ist das Brennstoffzellensystem SY3 mit einem Brennstoffzellenpaket 26 versehen. Zusätzlich hierzu weist das Brennstoffzel lensystem SY3 ferner eine Wasserstoffgaszufuhrquelle 27, einen Kompressor 28 und einen Befeuchter 29 auf.

Die Wasserstoffgaszufuhrquelle 27 beinhaltet eine Dimethyletherzufuhrquelle 30, eine Reformiereinheit 31 und eine CO Oxidiereinheit 35. Die Dimethyle therzufuhrquelle 30 ist versehen mit Druckbehältern 30a, die beispielsweise aus Aluminium hergestellt sind. Jeder der Druckbehälter 30a ist gefüllt mit un ter Druck verflüssigtem Dimethylether (DME). Der Druck ist etwa 5 atm (507 kPa). Durch die Verflüssigung kann ein größerer Betrag von Dimethylether vorteilhafterweise gelagert und transportiert werden.

Die Reformiereinheit 31 ist eine Einheit zum Herstellen von Wasserstoffgas durch eine Reaktion des Dimethylethers. Für diesen Zweck beinhaltet die Re formiereinheit 31 ein Vergasungsteil 32, ein Dampferzeugungsteil 33 und ein Brennstoffreformierteil 34.

Das Vergasungsteil 32 vergast den von der Dimethyletherzufuhrquelle 30 zu geführten Dimethylether. Das Vergasungsteil 32 beinhaltet einen Behälter 32a und ein darin eingehaustes Wärmeaustauscherrohr 32b. Der Behälter 32a wird passiert von Abgas (wärmer als Raumtemperatur) von dem Brennstoffzellen paket 26. Das Wärmeaustauscherrohr 32b steht in Verbindung mit der Dime thyletherzufuhrquelle 30. Wie bereits zuvor erwähnt, ist der Dimethylether in dem Druckbehälter 30a unter Druck in verflüssigtem Zustand enthalten. Je doch muß der Dimethylether, wenn der Dimethylether reformiert wird, vergast und auf eine angemessene Temperatur für die Reformierung erhitzt werden. Der Dimethylether von der Dimethyletherzufuhrquelle 30 strömt zu dem Verga sungsteil 31 aufgrund der Differenz zwischen dem Druck in dem Druckbehälter 30a und in dem Wärmeaustauscherrohr 32b. Mit einer Druckerniedrigung ver dampft ein Teil des Dimethylethers. Der Dimethylether, der das Wärmeaustau scherrohr 32b erreicht, absorbiert die Wärme von der Umgebung (das Gas in nerhalb des Behälters 32a), wenn das Wärmeaustauscherrohr 32b passiert wird. Dies vergast den Dimethylether. Andererseits erniedrigt sich die Tempe ratur des Gases, welches seine Wärme an den Dimethylether abgegeben hat, wodurch Wasserdampf erlaubt wird, zu kondensieren. Folglich wird Wasser in einem unteren Teil des Behälters 32a produziert und das Wasser wird in einem Wasserbehälter 36 gelagert.

Das Dampferzeugungsteil 33 generiert Dampf durch Erhitzen von Wasser aus dem Wasserbehälter 36. Das Dampferzeugungsteil 33 beinhaltet einen Be hälter 33a, Temperaturerhöhungsrohre 33b und ein Thermoelement TC1. Der Behälter 33a ist beladen mit einem Katalysator, der die Verbrennung von Was serstoff fördert; und einem weiteren Katalysator, der die Verbrennung von Di methylether fördert. Das Temperaturerhöhungsrohr 33b steht in Verbindung mit dem Wärmeaustauscherrohr 32a des Vergasungsteils 32. Das Thermoelement TC1 überwacht die Temperaturen in dem Temperaturerhöhungsrohr 33b und in dem Behälter 33a. Beispiele für Katalysatoren für die Förderung der Verbren nung von Wasserstoff und Dimethylether beinhalten Edelmetalle wie Pt, die direkt von einer Monolithauflage getragen werden, und diese getragen von der Monolithauflage mit einer Katalysatorauflage. Weitere Beispiele für Katalysato ren von unterschiedlicher Herkunft beinhalten Oxide eines unedlen Metalls und ein Kompositoxid wie Perowskite, gebildet in einer zweckmäßigen Form.

Der Dampferzeugungsteil 33 wird ferner durch einen Kompressor 28 versorgt mit Luft (Sauerstoff). Weiterhin wird das Dampferzeugungsteil 33 versorgt mit einem Teil des Ausgangsmaterials Dimethylether, gesammelt zwischen den Wärmeaustauscherrohren 32b und den Temperaturerhöhungsrohren 31b und wird ferner versorgt mit nichtreagiertem Gas (nichtreagiertem Wasserstoffgas), das nicht in dem Brennstoffzellenpaket 26 benutzt wurde. Der Dimethylether, gesammelt zwischen dem Wärmeaustauscherrohr 32b und dem Temperaturer höhungsrohr 31b, wird über Steuermittel 37a dem Dampferzeugungsteil 33 zu geführt. Die Steuermittel 37a arbeiten mit dem Thermoelement TC1.

In dem Dampferzeugungsteil 33 wird Wasser verdampft, durch Verbren nungsoxidation des Wasserstoffes oder durch Erhöhung der Temperatur in dem Behälter 3a durch Verbrennungsoxidation des gesammelten Ausgangs materials Dimethylether.

Während einer unmittelbar auf den Systemstart folgenden bestimmten Zeit dauer ist es schwierig, die Zufuhr von nichtreagiertem Gas von dem Brenn stoffzellenpaket 26 zu dem Dampferzeugungsteil 33 zu stabilisieren. Daher wird, durch Verbrennung des über die Steuermittel 37 zugeführten Ausgangs materials Dimethylether, Wasser in Dampf umgewandelt. Wenn das nichtrea gierte Gas stabil zugeführt werden kann, wird das nichtreagierte Gas zu dem Dampferzeugungsteil 33 zugeführt und verbrannt, um das Wasser in Dampf zu verwandeln.

Nach dem in Fig. 12A gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Steuermittel 37b fähig, zwischen dem Status Luftzufuhr Ein und dem Status Luftzufuhr Aus aus zuwählen. Die Steuermittel 37b arbeiten mit dem Thermoelement TC1.

Wenn das Thermoelement erkennt, daß die Temperatur innerhalb des Damp ferzeugungsteils 33 nicht tiefer als ein vorbestimmter Wert ist, sind die Steu ermittel 37a und die Steuermittel 37b in Betrieb, um den Betrag von Aus gangsmaterial Dimethylether und der Luft, die dem Dampferzeugungsteil 33 zugeführt wird, zu erniedrigen. Dies verringert die Verbrennungsoxidationsre aktion in dem Dampferzeugungsteil 33 und verhindert, daß die Temperatur in dem Dampferzeugungsteil 33 übermäßig hoch wird. Im Gegenteil wird, wenn die Temperatur innerhalb des Dampferzeugungsteils 33 unter einen vorbe stimmten Wert abgesunken ist, die Verbrennungsoxidationsreaktion gefördert durch Erhöhung des Betrages des Rohmaterials Dimethylether und der Luft, die dem Dampferzeugungsteil 33 zugeführt wird. Mit dieser Ausführung wird es möglich, den erzeugten Dampf in dem Dampferzeugungsteil 33 zu stabilisieren sowie auch zweckmäßigerweise eine Überhitzung in dem Dampferzeugungsteil 33 zu verhindern. Die Steuermittel 37a, 37b können durch eine Verschieden heit von Durchflußsteuermitteln beispielsweise Verteilventile gebildet werden.

Nach dem in Fig. 12A gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Brennstoff zum Erhalt des Wasserstoffgases Dimethylether. Die Verwendung von Dimethyle ther ist vorteilhafter als die Verwendung von Methanol aus den folgenden Gründen: Im besonderen ist die Verbrennungsoxidation von Dimethylether (vollständige Oxidationsreaktion) darstellbar durch die Reaktionsformel (5), wobei die vollständige Oxidationsreaktion von Methanol durch die Reaktions formel (6) dargestellt ist:

CH₃OCH₃ (g) + 3O₂ (g)
→ 3H₂O (g) + 2CO₂ (g) + 1460,46 kJ/mol (5)

CH₃OH (I) + 3/2O₂ (g)
→ 2H₂O (g) + CO₂ (g) + 637,64 kJ/mol (6)

Wie sich klar aus diesen Reaktionsformeln ergibt, generiert Dimethylether in der Verbrennungsoxidation mehr als die zweifache der thermischen Energie als Methanol je Masseneinheit der Substanz. Mit anderen Worten, wenn Di methylether als Brennstoff für die Erhitzung, Temperaturerhöhungen usw. ver wendet wird, ist die Menge von Dimethylether, die benötigt wird, geringer als die Hälfte der Menge von Methanol, die notwendig ist, um die äquivalente thermische Energie zu erhalten. Folglich ist der Verlust von Ausgangsmaterial, wenn das nichtreagierte Gas nicht ausreichend dem Dampferzeugungsteil 33 zugeführt werden kann (d. h. wenn es notwendig ist, einen Teil des Reformati onsausgangsmaterials zu verbrennen) geringer, wenn Dimethylether als Re formierungsausgangsmaterial verwendet wird, als wenn Methanol als Refor mierungsausgangsmaterial verwendet wird.

Der in dem Dampferzeugungsteil 33 generierte Dampf und das Ausgangsmate rial Dimethylether, das die Temperaturerhöhungsrohre 33b passiert hat, wer den zu dem Brennstoffreformierungsteil 34 über jeweilige getrennte Kanäle ge sendet. Da das Temperaturerhöhungsrohr 33b in dem Dampferzeugungsteil 33 enthalten ist, wird der Dimethylether durch Hitze in dem Behälter 33a erhitzt, wenn dieser durch die Temperaturerhöhungsrohre 33b geführt wird.

Der Brennstoffreformierteil 34 produziert Wasserstoffgas durch eine Reaktion zwischen dem Dimethylether und dem Dampf, der von dem Dampferzeu gungsteil 33 zuströmt. Um diese Reaktion zu fördern, ist das Brennstoffrefor mierteil 34 innerhalb mit einem Katalysator beladen. Beispiele für diesen Ka talysator sind Cu-Zn-Katalysatoren und Ni-Katalysatoren. Der von diesen aus gewählte Katalysator ist auf einer Tragauflage wie einem Metallnetz, einer Wabenauflage usw. beschichtet oder getragen durch eine Auflage wie Pellets und in den Behälter geladen.

Wie in Fig. 12A gezeigt, wird das Brennstoffreformierteil 34 mit einem Thermo element TC2 versehen. Weiterhin werden Steuermittel 37c zwischen dem Brennstoffreformierteil 34 und dem Kompressor 28 vorgesehen. Die Steuer mittel 37c arbeiten mit dem Thermoelement TC2. Die Temperatur in dem Brennstoffreformierteil 34 wird durch das Thermoelement TC2 erkannt und die Steuermittel 37c arbeiten auf der Basis der erkannten Temperatur. Mit dieser Ausführung kann der Betrag von Luft, die dem Brennstoffreformierteil 34 zu geführt wird, in Abhängigkeit von der Temperatur in dem Brennstoffreformierteil 34 gesteuert werden.

In dem Brennstoffreformierteil 34 tritt eine Reaktion zwischen dem Dimethyle ther und dem Dampf (Dampfreformierreaktion) dargestellt durch die folgende Reaktionsformel (7) auf. Weiter mit dieser Hauptreaktion tritt eine weitere Re aktion (Partialoxidationsreaktion) zwischen Dimethylether und Sauerstoffgas dargestellt durch die folgende Formel (8) auch auf. Diese Reaktionen produ zieren Wasserstoffgas:

CH₃OCH₃ (g) + 3H₂O (g)
→ 6H₂ (g) + 2CO₂ (g) - 122,49 kJ/mol (85,7%) (7)

CH₃OCH₃ (g) + 3/2O₂ (g)
→ 3H₂ (g) + 2CO₂ (g) + 735 kJ/mol (14,3%) (8)

Andererseits wird, wenn Methanol als Ausgangsmaterial verwendet wird, Was serstoffgas durch die folgende Dampfreformierreaktion dargestellt durch die Reaktionsformel (9) und eine Partialoxidationsreaktion dargestellt durch die Reaktionsformel (10) produziert:

CH₃OH (g) + H₂O (g)
→ 3H₂ (g) + 2CO₂ (g) - 49,5 kJ/mol (79,3%) (9)

CH₃OH (g) + 1/2O₂ (g)
2H₂ (g) + CO₂ (g) + 189,5 kJ/mol (20,7%) (10)

Wie durch einen Vergleich zwischen der Verwendung von Methanol und Di methylether als Reformierausgangsmaterial klar wird, hat Dimethylether den Vorteil einer Produktion eines größeren Betrages von Wasserstoff je Massen einheit der Substanz.

Wie sich klar aus den obigen Reaktionsformeln (7) und (8) ergibt, wird von der Dampfreformierreaktion und auch von der Partialoxidationsreaktion Kohlendi oxid zusätzlich zu dem Wasserstoffgas hinterlassen. Ferner werden diese Re aktionen auch Kohlenmonoxid hinterlassen, wenn die Oxidation nicht vollstän dig ist. Folglich bringt das Brennstoffreformierteil 34 ein wasserstoffreiches Gas hervor, das das zugeführte Dimethylether, Kohlenmonoxid und Kohlendi oxid enthält. Das Brennstoffgas wird in die CO-Oxidiereinheit 35 eingeführt.

Die CO-Oxidiereinheit 35 oxidiert das Kohlenmonoxid in Kohlendioxid. Für die sen Zweck ist die CO-Oxidiereinheit 35 beladen mit einem oder mehreren Ar ten von Katalysatoren ausgewählt aus z. B. Pt, Pd, Ru und Rh Katalysatoren. Die von diesen ausgewählten Katalysatoren, werden getragen durch eine Tragauflage wie einem Metallnetz, Aluminiumpellets usw. und in den Behälter geladen. Eine später zu beschreibende Brennstoffzelle benutzt eine Reaktion zwischen Wasserstoffgas und Sauerstoffgas unter Anwesenheit von Platin als Katalysator. Wie es allgemein bekannt ist, vergiftet Kohlenmonoxid Platin. Da her sollte die Konzentration von Kohlenmonoxid in dem Brennstoffgas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, so niedrig wie möglich sein. Folglich wird in dem in Fig. 12 A gezeigten Ausführungsbeispiel die Kohlenmonoxidkonzentra tion durch die CO-Oxidiereinheit 52890 00070 552 001000280000000200012000285915277900040 0002010029468 00004 5277135 reduziert, in der Kohlenmonoxid zu Koh lendioxid oxidiert wird. Das so erhaltene Brennstoffgas wird dann in ein Brenn stoffzellenpaket 26 eingeführt.

Obwohl es nicht in der Fig. 12A dargestellt ist, besteht das Brennstoffzellen paket 26 aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen, die in Reihen geschichtet sind. Jede der Brennstoffzellen hat eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und ein Elektrolytteil. Die negative Elektrode wird mit Brennstoffgas von der CO-Oxidiereinheit 35 versorgt: Die positive Elektrode wird mit Luft von dem Kompressor 28 versorgt. Die Luft wird durch einen Befeuchter 29 be feuchtet, bevor sie zu dem Brennstoffzellenpaket 26 zugeführt wird. Die Be feuchtung wird durchgeführt unter Verwendung von Wasser, das in dem Was serbehälter 36 gespeichert ist.

An der negativen Elektrode von jeder Brennstoffzelle wird das Wasserstoffgas in dem Brennstoffgas dissoziiert in Wasserstoffionen und Elektronen wie in der Reaktionsformel (11) gezeigt. Andererseits reagiert an der positiven Elektrode jeder Brennstoffzelle wie in der folgenden Reaktionsformel (12) gezeigt Was serstoffgas in der Luft mit den Elektronen und den Wasserstoffionen, die durch das Elektrolytteil kommen, um Wasser zu produzieren.

H₂→ 2H⁺+ 2e^- (11)

4H⁺ + O₂ + 4e^- → 2H₂O (12)

Das produzierte Wasser wird zu dem Vergasungsteil 32 der Reformiereinheit 31 zusammen mit Luft, die aus dem Brennstoffzellenpaket 26 austritt, geführt und dann für die Vergasung des Ausgangsmaterials Dimethylether benutzt. Ferner wird nichtreagiertes Gas, das nicht in dem Brennstoffzellenpaket 26 verwendet wurde, zu dem Dampferzeugungsteil 31 für die Verbrennungsoxida tion zugeführt.

Nach der vorliegenden Erfindung als die Wasserstoff enthaltende Verbindung und in dem Brennstoffzellensystem SY3 verwendeter Dimethylether kann er setzt werden durch Ethanol. Fig. 12B ist ein Diagramm, das einen groben Auf bau eines Brennstoffzellensystems SY4 zeigt, das Ethanol als die Wasserstoff enthaltende Verbindung verwendet. Das Brennstoffzellensystem SY4 weist ein Brennstoffzellenpaket 26', eine Reformiereinheit 31' und eine CO- Oxidiereinheit 35' auf.

Die Reformiereinheit 31' beinhaltet ein Heizgerät 31a' zum Erhitzen des Inne ren der Reformiereinheit 31' auf eine Temperatur zweckmäßig für die Refor mierung von Ethanol. Weiter beinhaltet die Reformiereinheit 31' eine Refor mierkammer 31b'. Die Reformierkammer 31b' ist beladen mit einem Katalysator für die Reformierung des Ethanols. Wie in Fig. 12B gezeigt, wird die Refor mierkammer 31b' versorgt mit Ethanol und Wasser. Dieses Ethanol und Was ser wird durch das Heizgerät 31a' erhitzt. Unter der Anwesenheit eines aktiven Katalysators reagiert dieses erhitzte Ethanol und Wasser miteinander, wodurch Kohlenmonoxid und Wasserstoff produziert wird. Es ist hier anzumerken, dass ein Teil des Ethanols dem Heizgerät 31a' als Brennstoff für den Betrieb des Heizgeräts 31a' zugeführt wird.

Das wie zuvor beschrieben erhaltene Kohlenmonoxid und der Wasserstoff werden dann zu der CO-Oxidiereinheit 35' gesandt. Wie in der Fig. 12B ge zeigt, wird die CO-Oxidiereinheit 35c auch mit Luft versorgt. Hier wird nur Kohlenmonoxid unter Anwesenheit des Katalysators (z. B. ein Fotokatalysator) oxidiert, um in Kohlendioxid umgewandelt zu werden. Anschließend werden der Wasserstoff und das Kohlendioxid dem Brennstoffzellenpaket 26' zugeführt und verwendet für die Erzeugung von Elektrizität. Nicht für die Elektrizitätser zeugung benutzter Wasserstoff und benutztes Kohlendioxid werden dem Heiz gerät 31a' als Brennstoff für den Betrieb des Heizgeräts 31a' zugeführt.

Als nächstes wird ein Bezug zu den Fig. 13 bis 15 gemacht. Diese Figuren zei gen ein Beispiel eines Brennstoffzellenpakets, das in den vorbeschriebenen Brennstoffzellensystem SY1 bis SY3 verwendbar ist.

Die dargestellten Brennstoffzellenpakete (das vollständige Paket ist mit der Bezugsziffer 38 gekennzeichnet) beinhaltet eine Vielzahl von Brennstoffzellen 39 in einer Aufeinanderschichtung. Diese Brennstoffzellen 39 werden in Serie verbunden und zwischen einer ersten Endplatten 38A und einer zweiten End platten 38B getragen. Diese Endplatten 38A, 38B sind miteinander über vier Bolzen B1 bis B4 und vier Muttern N1 bis N4 verbunden.

Wie klar in Fig. 14 gezeigt, beinhaltet jede der Brennstoffzellen 39 ein erstes Trennelement 40, ein zweites Trennelement 42 und ein Ionenaustauschfilm (Elektrolytteil) 42 angeordnet zwischen diesen Trennelementen. Jedes der Trennelemente 40, 41 muss eine gute Hitzebeständigkeit und Korrosionsbe ständigkeit, eine hohe mechanische Festigkeit und eine einfache Bearbeitbar keit haben. Um dies zu befriedigen, ist jedes der Trennelemente 40, 41 herge stellt aus einem hochdichten Kohlenstoffmaterial gebunden durch Phenolharz und einer Variation von Metallen und Legierungen (z. B. Titan, rostfreiem Stahl, Titanlegierungen).

Die Brennstoffzelle 39 beinhaltet einen kreuzförmigen Negativelektrodenkol lektor 43 angeordnet zwischen dem ersten Trennelement 40 und dem Ionen austauschfilm 42 und einen kreuzförmigen Positivelektrodenkollektor 44, an geordnet zwischen dem zweiten Trennelement 41 und dem Ionenaustauschfilm 42. Weiterhin beinhaltet die Brennstoffzelle 39 eine erste Dichtung 45, die zwi schen dem ersten Trennelement 40 und dem Ionenaustauschfilm 42 angeord net ist, und eine zweite Dichtung 46, die zwischen dem zweiten Trennelement 41 und dem Ionenaustauschfilm 42 angeordnet ist. Die Dichtung 45 ist mit ei ner kreuzförmigen Öffnung 45a zum Einpassen des Negativelektrodenkollek tors 43 ausgeformt, wobei die zweite Dichtung 46 mit einer kreuzförmigen Öff nung 46A zum Einpassen des Positivelektrodenkollektors 44 ausgebildet ist. In Fig. 14 gehört das erste Trennelement 40 gemeinschaftlich zu der dargestell ten Brennstoffzelle und einer weiteren Brennstoffzelle (nicht dargestellt) auf der linken Seite. Ebenso gehört das zweite Trennelement 41 gemeinsam zu der dargestellten Brennstoffzelle und einer anderen Brennstoffzelle (nicht dar gestellt) auf der rechten Seite.

Das erste Trennelement 40 hat vier Ecken mit einer ersten bis zu einer vierten Durchgangsöffnung 40a bis 40d für die Einführung der vier Bolzen B1 bis B4 (Fig. 13). Jede der Durchgangsöffnungen hat einen eckigen Querschnitt. Ebenso hat das zweite Trennelement 41 vier Ecken, die mit einem ersten bis zu einer vierten Durchgangsöffnung 41a bis 41d ausgebildet sind. Entspre chend zu diesen ersten bis vierten Durchgangsöffnungen der Trennelemente sind der Ionenaustauschfilm 42, die erste Dichtung 45 und die zweite Dichtung 46 mit vier Öffnungen (42a bis 42d, 45a bis 45d, 46a bis 46d) versehen.

Wie in Fig. 15 gezeigt, gelangen die zuvor beschriebenen ersten Durch gangsöffnungen in eine Ausrichtung auf eine gemeinsame Achse, wenn die Brennstoffzellen 39 passend geschichtet sind. Folglich wird eine Verbin dungsöffnung 400a gebildet, die die Einführung des Bolzens B₁ erlaubt (siehe auch Fig. 14). Ebenso gelangen die zuvor beschriebenen zweiten Durch gangsöffnungen in eine Ausrichtung auf eine Achse und bilden eine Verbin dungsöffnung 400b (Fig. 14), die eine Einführung des Bolzens B₂ erlaubt. Wie es einfach zu verstehen ist, werden Durchgangsöffnungen 400c (Fig. 14, 15) und 400d (Fig. 14) gebildet, um die Einführung der anderen beiden Bolzen B₃ und B₄ zu erlauben. Ein Element bezeichnet mit dem Buchstaben C in Fig. 17 ist ein Rohr, durch das die die Bolzen B₁ bis B₄ eingefügt sind. Wie in Fig. 13 gezeigt, ist die erste Endplatte 38A gebildet mit vier Zufuhröffnungen 38c, 38d, 38e, 38f für die Zufuhr von Wasserstoffgas und Sauerstoff enthaltenen Gas. Die Zufuhröffnungen 38c bis 38f stehen in Verbindung mit den Verbin dungsöffnungen 400a bis 400d innerhalb der Endplatte 38A. Obwohl nicht in der Figur dargestellt, ist die zweite Endplatte 38B auch mit vier Öffnungen (Ausströmöffnungen) entsprechend den Zufuhröffnungen 38c, 38d, 38e, 38f ausgebildet, die entsprechender Weise in Verbindung mit den Verbindungsöff nungen 400a bis 400d stehen.

Die ersten und zweiten Trennelemente 40, 41 sind insgesamt aus einem me tallischen Leiter wie Titan hergestellt und ausgebildet wie Platten. Wie nach folgend beschrieben wird, werden die ersten und zweiten Trennelemente 40, 41 benutzt, wenn Wasserstoffgas und Sauerstoff enthaltenes Gas zugeführt wird und sind daher aus einem Material hergestellt, das eine gute Hitzebestän digkeit und hohe mechanische Festigkeit aufweist. Die anderen Materialien als Titan für die Herstellung der ersten und zweiten Trennelemente 40, 41 können rostfreier Stahl, Titanlegierungen usw. sein.

Wie in den Fig. 14 und 15 gezeigt, hat jeder der ersten Trennelemente 40 eine erste Oberfläche 40A und eine zweite davon abgewandte Oberfläche 40B. Ebenso hat jeder der zweiten Trennelemente 41 eine erste Oberfläche 41A und eine hiervon abgewandte zweite Oberfläche 41 B. Die erste Oberfläche 40A des ersten Trennelements 40 ist versehen mit einer Vielzahl von Nuten 40e, von denen jede zwischen der ersten Durchgangsöffnung 40a und der zweiten Durchgangsöffnung 40b eine Verbindung bildet ohne untereinander zu kreuzen. Diese Nuten 40e können beispielsweise durch Fotoätzung gebildet werden. Ebenso ist die erste Oberfläche 41A des zweiten Trennelements 41 mit einer Vielzahl von Nuten 41e versehen, die die erste Durchgangsöffnung 41a und die zweite Durchgangsöffnung 41b miteinander verbinden. Diese Nu ten 40e und 41a sind Wege für die Zufuhr des Sauerstoff enthaltenen Gases. Andererseits ist die zweite Oberfläche 40B des ersten Trennelements 40 mit einer Vielzahl von Nuten 40f versehen, die die dritten Durchgangsbohrungen 40c mit den vierten Durchgangsbohrungen 40d verbinden, wohingegen die zweite Oberfläche 41B des zweiten Trennelements 41 gebildet ist mit einer Vielzahl von Nuten 41f, die die dritte Durchgangsbohrung 41c und die vierte Durchgangsbohrung 41d miteinander verbinden. Diese Nuten 40f und 41f ge bildet in den zweiten Oberflächen von jedem Trennelement sind Wege für die Zufuhr des Wasserstoffgases.

Die Oberflächen des ersten Trennelements 40 mit Ausnahme der Nuten 40e sind beschichtet aus Schutzgründen mit Platin. Ebenso sind die Oberflächen des zweiten Trennelements mit Ausnahme der Nuten 41e mit Platin zum Schutz beschichtet. Bodenflächen und innere Wände der Nuten 40e des er sten Trennelements 40 und der Nuten 41e des zweiten Trennelements 41 sind beispielsweise mit einem Fluorharz beschichtet.

Der Ionenaustauschfilm 42 hat eine Protonenkonduktivität, um selektiv den Durchtritt von Wasserstoffionen zu erlauben. Ein Katalysatorteil ist auf jeder Seite des Ionenaustauschfilms 42 gebildet. Insbesondere ist in Fig. 15 die linke Oberfläche des Ionenaustauschfilms 42 mit einem Negativelektroden- Katalysatorteil 42A gebildet, wobei die rechte Oberfläche mit einem Positive lektroden-Katalysatorteil 42B gebildet ist.

Das negative Elektrodenkatalysatorteil 42a ist beispielsweise eine poröse Schicht, hergestellt aus Katalysatorkörnern von Kohlenstoff, die eine Platin (oder Palladium) tragende Oberfläche haben und Wasserstoffmolekülen und Wasserstoffionen einen Durchtritt erlauben. Die Negativelektroden- Katalysatorteile 42A dissoziieren das zugeführte Wasserstoffgas in Wasser stoffionen und Elektronen.

Andererseits ist beispielsweise das Positivelektroden-Katalysatorteil 42B aus einer porösen Schicht hergestellt aus Katalysatorkörnern aus Kohlenstoff, die Oberflächen zum Tragen von Platin (oder Palladium) und Rhodium haben und Sauerstoffmolekülen einen Durchtritt erlauben. An dem Positivelektroden- Katalysatorteil 42B reagiert das Sauerstoffgas mit den Wasserstoffionen und Elektronen, um Wasser zu produzieren.

Der Negativelektrodenkollektor 43 ist ein poröses Element, beispielsweise aus einem Kohlenstoffmaterial hergestellt, und ist allgemein in einer Kreuzform ausgebildet. Der Negativelektrodenkollektor 43 sammelt die Elektronen, die von dem Wasserstoffgas an dem Negativelektroden-Katalysatorteil 42A disso ziiert sind, so dass die Elektronen aus der Brennstoffzelle 39 entnommen wer den können. Ferner erlaubt der Negativelektrodenkollektor 43 dem zugeführten Wasserstoff zu dem Negativelektroden-Katalysatorteil 42A durchzutreten.

Andererseits ist der Positivelektrodenkollektor 44 wie der Negativelektroden kollektor 43 ein poröses Element, beispielsweise hergestellt aus einem Koh lenstoffmaterial und ist im Allgemeinen in einer Kreuzform geformt. Der Positi velektrodenkollektor 44 erhält Elektronen von außen, so dass die Elektronen dem Positivelektroden-Katalysatorteil 42B zugeführt werden können. Ferner erlaubt der Positivelektrodenkollektor 44 dem zugeführten Wasserstoff enthal tenen Gas zu dem Positivelektroden-Katalysatorteil 42B zu passieren.

Die erste Dichtung 45 steigert die Abdichtung zwischen dem Ionenaus tauschfilm 42 und dem ersten Trennelement 40, wohingegen die zweite Dich tung 46 die Abdichtung zwischen dem Ionenaustauschfilm 42 und dem zweiten Trennelement 41 erhöht. Wie zuvor beschrieben, sind die ersten und zweiten Dichtungen 45, 46 mit hauptsächlich kreuzförmigen Öffnungen 45A, 46A in ih ren entsprechenden Zentralteilen ausgebildet. Daher umgeben die Dichtungen 45 und 46 die Kollektoren 43, 44, wenn die Brennstoffzelle montiert wird (Fig. 15). Das zuvor beschriebene Brennstoffzellenpaket 38 arbeitet wie folgt:

Zuerst wird Wasserstoffgas zu den dritten und vierten Verbindungsöffnungen 400c, 400d über die dritten und vierten Zufuhröffnungen 38e, 38f der ersten Endplatte 38A zugeführt. Dies liefert Wasserstoffgas zu den Nuten 40f des er sten Trennelements 40 und den Nuten 41f des zweiten Trennelements 41 in jeder der Brennstoffzellen 39 (siehe Fig. 14 und 15). Ein Überschußbetrag von zugeführtem Wasserstoffgas wird von den Öffnungen, die in der zweiten End platte 38B gebildet sind, abgezogen. Wie es für die Brennstoffzellensysteme SY1 bis SY3 beschrieben wurde, wird das abgezogene Wasserstoffgas ge sammelt und dann wieder zu den Brennstoffzellenpaketen 38 zugeführt oder als Brennstoff für Heizmittel in der Reformiereinheit verwendet.

Andererseits wird Sauerstoff enthaltenes Gas zu den ersten und zweiten Ver bindungsöffnungen 40a, 40b über die ersten und zweiten Zufuhröffnungen 38c; 38d der ersten Endplatte 38A zugeführt. Dies liefert Sauerstoff enthaltenes Gas zu den Nuten 40e des ersten Trennelementes 40 und zu den Nuten 41e des zweiten Trennelements 41 in jeder Brennstoffzelle 39. Normalerweise wird als Sauerstoff enthaltenes Gas Luft zugeführt.

Bezugnehmend jetzt auf Fig. 15 passiert zu den Nuten 40f des ersten Tren nelementes zugeführtes Wasserstoffgas durch den Negativelektrodenkollektor 43 und wird dann dissozüert in Wasserstoffionen und Elektronen an dem Ne gativelektroden-Katalysatorteil 42A. Die Elektronen werden gesammelt in dem Negativelektrodenkollektor 43. Anschließend werden die Elektronen über das erste Trennelement 40 zu dem Positivelektrodenkollektor der angrenzenden Brennstoffzelle auf der linken Seite zugeführt, die dieses Trennelement ge meinsam benutzen.

Andererseits passieren die durch die Reaktionen an dem negativen Elektro den-Katalysatorteil 42a produzierten Wasserstoffionen durch den Ionenaus tauschfilm 42 zu dem Positivelektroden-Katalysatorteil 42B. Der Positivelektro den-Katalysatorteil 42B wird auch mit Elektronen von dem Negativelektroden kollektor der angrenzenden Brennstoffzelle auf der rechten Seite versorgt, die das Trennelement gemeinsam benutzen.

Das Wasserstoff enthaltene Gas, das zu den Nuten 41e des zweiten Tren nelements 41 zugeführt wird, wird zu dem Positivelektroden-Katalysatorteil 42B über den Positivelektrodenkollektor 44 zugeführt. In dieser Weise wird der Po sitivelektroden-Katalysatorteil 42B mit Sauerstoffgas, Elektronen und Wasser stoffionen versorgt. Diese Substanzen reagieren, um Wasser zu produzieren.

Wie zuvor beschrieben, werden die in dem Negativelektrodenkollektor 43 einer jeden Brennstoffzelle 39 gesammelten Elektronen dem Positivelektrodenkol lektor der angrenzenden Brennstoffzelle zugeführt. Elektronen, die in dem Ne gativelektrodenkollektor 43 der Brennstoffzelle angeordnet an dem am meisten stromabwärts gelegenen Ende des Elektronenflusses gesammelt werden, wer den dem Positivelektrodenkollektor der Brennstoffzelle angeordnet an dem am meisten stromaufwärts gelegenen Elektrodenflusses über einen externen Kreislauf zugeführt. In anderen Worten fließen in den Brennstoffzellenpaketen 38 die Elektronen insgesamt in einer Richtung, wobei die Elektronen von dem am meisten stromabwärts gelegenen Brennstoffzelle zu der am meisten strom aufwärts gelegenen Brennstoffzelle über einen externen Kreislauf zirkuliert wird. Die erzeugte Energie wird entnommen und von einem externen Kreislauf verwendet.

Als nächstes wird Bezug zur Fig. 16 genommen. Diese Figur zeigt ein Erstteil (eine Region nahe der ersten Durchgangsöffnung 40a der ersten Oberfläche 40A des ersten Trennelements 40). Wie in der Figur gezeigt öffnet ein Ende von jeder Nut 40a sich zu der ersten Durchgangsöffnung 40a. Jedes Ende die ser Nuten 40e ist versehen mit einem rohrförmigen eine Flächenpressung zu sicherndem Element 47. Jedes der eine Flächenpressung zusichernden Ele mente 47 ist verbunden mit der Bodenfläche der Nut 40e und dessen Ende ist im wesentlichen egalisiert mit einer Oberfläche 40e der Durchgangsöffnung 40a.

Der andere Endbereich (Öffnung zu der zweiten Durchgangsöffnung 40b) von jeder Nut 40e ist auch mit einem eine Flächenpressung zusicherndem Element versehen. Dieses eine Flächenpressung zusichernde Element 37 versichert, daß das erste Trennelement 40 die Dichtung, die die erste Oberfläche 40A von diesem Trennelement kontaktiert, mit einer ausreichenden Flächenpressung preßt.

Der Effekt der Verwendung von eine Flächenpressung zusichernden Elemen ten wie zuvor beschrieben wird jetzt detaillierter mit Bezug auf die Fig. 17 be schrieben. Diese Figur stellt die Nachteile einer Nichtbenutzung von eine Flä chenpressung zusichernden Elementen dar. Die Aufmerksamkeit wird jetzt auf die Nuten 40e des ersten Trennelements 40 gelenkt. Diese Nuten 40e sind nicht versehen mit den eine Flächenpressung zusichernden Elementen. Daher kann, wenn die geschichteten Brennstoffzellen über die Bolzen und Schrauben miteinander verbunden sind, die zweite Dichtung 46 verformt werden und sich in die Nuten 40a hineinwölben. Dies kann auch den Ionenaustauschfilm 42 und die erste Dichtung 45 wie in der Figur gezeigt deformieren. Folglich kann eine Lücke G zwischen der ersten Dichtung 45 und dem zweiten Trennelement 41 entstehen. Wenn die Abdichtung zwischen der ersten Dichtung 45 und dem zweiten Trennelement 41 wie zuvor beschrieben verschlechtert wird, kann das zugeführte Wasserstoff enthaltene Gas über die Lücke G in die Nuten 41e des zweiten Trennelements 41 gelangen oder zugeführtes Wasserstoffgas kann über die Lücke G in die erste Durchgangsbohrung 41a des zweiten Trennele ments 41 gelangen, dies führt zu Schwierigkeiten, so daß die Brennstoffzellen pakete nicht einwandfrei arbeiten.

Dieses Problem kann zweckmäßigerweise gelöst werden durch die Anordnung der eine Flächenpressung zusichernden Elemente 47 in den Nuten 40e wie gezeigt in Fig. 16. Obwohl nicht in der Figur gezeigt, können die gleichen eine Flächenpressung zusichernden Elemente in den Nuten 40f gebildet in der zweiten Oberfläche 40B des ersten Trennelementes 40 vorgesehen werden. Diese eine Flächenpressung zusichernden Elemente in den Nuten 40f sind nahe der dritten Durchgangsöffnung 40c oder der vierten Durchgangsöffnung 40d des ersten Trennelements 40 angeordnet. Ebenso sind die eine Flächen pressung zusichernden Elemente in den Nuten 41e und Nuten 41f gebildet in dem zweiten Trennelement vorgesehen. Diese eine Flächenpressung zusi chernden Elemente in dem zweiten Trennelement 41 sind nahe einer der er sten Durchgangsöffnungen 41a bis der vierten Durchgangsöffnung 41d des zweiten Trennelements 41 angeordnet. Jedes der eine Flächenpressung zusi chernden Elemente 47 ist hergestellt aus einem Metall wie rostfreiem Stahl oder Titan. Wie in Fig. 18 dargestellt, ist der äußere Durchmesser der eine Flächenpressung zusichernden Elemente 47 gleich zu der Tiefe der Nuten 40e. Im Besonderen ist der äußere Durchmesser der eine Flächenpressung zusichernden Elemente 47 80 ± 10 µm, wenn die Tiefe der Nut 40e 80 µm ist. Das dargestellte eine Flächenpressung zusichernde Element 47, welches rohrförmig ist, ruft eine geringe Blockierung des Flusses des zugeführten Ga ses zu den Nuten 40e hervor.

In Fig. 18 sind zwei rohrförmige eine Flächenpressung zusichernden Elemente 47 in jeder Nut 40e angeordnet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf begrenzt. Beispielsweise können - wie in Fig. 19 gezeigt - 5 eine Flä chenpressung zusichernden Elemente 47 in den Nuten 40e angeordnet wer den. Alternativ können - wie in Fig. 20 gezeigt - rechteckige parallele flache Hohlelemente 47' verwendet werden. Weiterhin alternativ kann - wie in Fig. 21 gezeigt - ein rechteckiger parallel flacher gasdurchlässiger poröser Block 47" verwendet werden. Der poröse Block 47" kann geeigneter Weise aus Schaummaterialien gefertigt werden, die aus Metall oder Keramik sind, worin Schäume enthalten sind, die gegenseitig miteinander verbunden sind oder aus gesintertem Metallpulver hergestellt sind. Das poröse Element 47" hat eine Dicke, die im allgemeinen gleich zu der Tiefe der Nut 40e ist.

Fig. 22 und 23 zeigen eine alternative Ausführung, um die eine Flächenpres sung zusichernden Elemente in den Nuten 41e' des ersten Trennelementes 40 bereitzustellen. Wie klar in Fig. 23 gezeigt ist, hät jede der Nuten einen ge stuften Teil 48. Jedes der eine Flächenpressung zu sichernden Elemente 47''' ist ein plattenförmiges Element. Wie in Fig. 23 gezeigt, ist jedes der eine Flä chenpressung zusichernden Elemente 47''' mit einem zugeordneten gestuften Teil 48 der Nut 41e' verbunden. Nach dieser Ausführung ist in jeder Nut 41e' ein Durchgang 49 unterhalb des eine Flächenpressung zusichernden Ele mentes 47''' gebildet und das notwendige Wasserstoffgas (oder Sauerstoff enthaltene Gas) kann durch den Durchgang 49 zugeführt werden. Daher kann jedes der eine Flächenpressung zusichernden Teile 47''' aus einem nicht für das zuzuführende Gas durchlässigen Material hergestellt sein. In diesem Fall kann das eine Flächenpressung zusichernde Teile 47''' fest und aus Metall oder einem Plastikmaterial hergestellt sein. Jedoch sollte, um den Fluß des zuzuführenden Gases zu verbessern, jeder der eine Flächenpressung zusi chernden Elemente 47''' als Hohlelement ausgebildet oder aus einem Schaummaterial hergestellt sein.

Wie zuvor im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellenpaket 38, das in Fig. 13 gezeigt ist, beschrieben wurde, werden beide das Wasserstoffgas und das Sauerstoff enthaltene Gas, zu den in der ersten Endplatte 38A vorgesehenen Zufuhröffnungen (38c bis 38f) zugeführt und abgeführt über die Öffnungen, die in der zweiten Endplatte 38B vorgesehen sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch hierauf nicht begrenzt. Beispielsweise kann das Wasserstoffgas zu den Öffnungen, die in der zweiten Endplatte 38B vorgesehen sind, zugeführt wer den und von den Öffnungen, die in der ersten Endplatte 38A vorgesehen sind, abgezogen werden.

Als nächstes wird Bezug auf die Fig. 24 bis 28 genommen. Diese Figuren zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenpakets ver wendbar in einem Brennstoffzellensystem SY1 bis SY3 wie zuvor beschrieben. Wie in Fig. 24 gezeigt, erhält dieses Brennstoffzellenpaket (das gesamte Brennstoffzellenpaket ist mit der Nummer 50 bezeichnet) Wasserstoffgas (Brennstoffgas) von einer Wasserstoffgaszufuhrquelle 51 und Luft (Sauerstoff enthaltenes Gas) von einer Luftzufuhrquelle 52.

Wie in Fig. 24 gezeigt, weist das Brennstoffzellenpaket 50 eine Vielzahl von Brennstoffzellen 53 auf, die in Reihe aufeinandergeschichtet sind. Diese Brennstoffzellen 53 sind übereinandergeschichtet zwischen einem Paar von Endplatten 54a, 54b durch die Verwendung von mehreren Paaren von Bolzen und Muttern.

Wie in den Fig. 25 und 26 gezeigt, hat jede Brennstoffzelle 53 einen Positi velektrodenteil 55, einen Negativelektrodenteil 56 und einen Efektrolytteil 57 übereinandergeschichtet zwischen zwei Trennelementen 58. Wechselseitig angrenzende Brennstoffzellen 53 benutzen gemeinsam ein Trennelement 58. Das Elektrolytteil 57 ist von einem sogenannten festen Hochpolymertyp, in dem ein fester Hochpolymertyp als Elektrolyt verwendet wird. Als fester Hochpoly merfilm wird zweckmäßigerweise ein Polystyrolkationaustauschfilm (beispiels weise aus einem Perfluorsulfosäurenpolymer hergestellt) benutzt. Dieses Po lymer wird protonenleitfähig, wenn es mit Wasser befeuchtet wird. Daher kön nen die an dem Negativelektrodenteil 56 dissoziierten Protonen von dem Was serstoffgas den Elektrolytteil 57 in einem hydrierten Zustand passieren, um zu dem Positivelektrodenteil 55 zu wandern.

Jedes Positivelektrodenteil 55 beinhaltet einen Kollektor 55a und eine Kataly satorschicht 55b. Jedes Negativelektrodenteil 56 beinhaltet ein Kollektor 56a und eine Katalysatorschicht 56b. Die Kollektoren 55a, 56a werden aus einem porösen Element, hergestellt aus leitfähigen Körnern, gebildet. Der Kollektor des Positivelektrodenteils 55 erlaubt wasserstoffenthaltenem Gas durch die Katalysatorschicht 55b zu passieren. Ferner versorgt der Kollektor 55a die Katalysatorschicht 55b mit Elektronen. Andererseits erlaubt der Kollektor 56a des Negativelektrodenteils 56 dem Wasserstoffgas die Katalysatorschicht 56b zu passieren. Ferner sammelt der Kollektor 56a Elektronen, die in der Kataly satorschicht 56e produziert werden. Für diese Funktionen muß jeder der Kol lektoren 55a, 56a eine zweckmäßige Porösität und eine gute Elektronenleitfä higkeit haben. Zusätzlich muß jeder der Kollektoren 55a, 56a eine hervorra gende mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Korrosionen durch den Elektrolyten haben. Materialien, die diese Anforderungen erfüllen, beinhalten Kohlenstoffmaterialien (Kohlenstoffpulver wie Ruß und Kohlefa sern).

Die Katalysatorschichten 55b, 56b sind Matrizen, die hergestellt sind aus Kohlenstoffkörnern, die einen passenden Katalysator wie Platin in Form eines Pulvers tragen. Im besonderen werden die leitfähigen Körner, wie Kohlenstoff körner, zuerst mit dem Katalysatorpulver beschichtet und dann in poröse Ma trizen der Katalysatorschichten 55b, 56b geformt. Der Katalysator der Kataly satorschicht 56b des Negativelektrodenteils 56 kann auch aus anderen Stoffen als Platin, wie Ruthenium, hergestellt werden. Alternativ können die Katalysa torschichten 55b, 56b auch gebildet werden durch Vorbereitung einer porösen Matrize hergestellt aus Kohlenstoffkörnern zuerst und anschließend durch Eintauchen der porösen Matrizen in eine Lösung, die die Katalysatorbestand teile enthält und dann durch eine Wärmebehandlung der Matrizen.

In einer weiteren Alternative können die Katalysatorschichten 55b, 56b durch direkte Anordnung der Katalysatorsubstanzen auf einer Oberfläche des Elek trolytteils 57 gebildet werden. In diesem Fall können die Katalysatorschichten 55b, 56b in den folgenden Schritten gebildet werden: Zuerst wird Kohlenstoff pulver, das den Katalysator trägt, in eine Paste (oder Lösung) durch Zugabe einer Flüssigkeit verwandelt. Dann wird die Kohlenstoffpulverpaste auf das Elektrolytteil 57 durch beispielsweise Filmdruck aufgebracht. Letztendlich wird der Flüssigkeitsanteil aus der Kohlenstoffpulverpaste durch Verdampfung ent fernt. Bei dieser Methode ist das Kohlenstoffpulver nicht notwendigerweise mit dem Katalysator beschichtet, bevor dieses mit der Flüssigkeit gemischt wird. In anderen Worten, die Flüssigkeit kann zu einer Mischung des Katalysators und des Kohfenstoffpulvers zugegeben werden.

Da ist weiterhin eine andere Methode zur Bildung der Katalysatorschichten 55b, 56b mit Benutzung einer wasserabweisenden Schicht, beispielsweise hergestellt aus einem Fluorharz. In diesem Fall wird zunächst ein dünner Koh lenstoffilm auf der wasserabweisenden Schicht beispielsweise durch Filmdruck gebildet. Dann wird der dünne Kohlenstoffilm thermisch auf das Elektrolytteil 57 gedruckt, um die Katalysatorschicht 55b, 56b zu bilden.

Jeder der Positivelektrodenteile 55 und der Negativelektrodenteile 56 hat äu ßere Begrenzungen, die von einer Dichtung 59 umgeben sind. Jede der Dich tungen 59 hat vier Ecken, von denen jede mit einer Durchgangsöffnung 59a oder einer Durchgangsöffnung 59b versehen ist.

Der Elektrolytteil ist hergestellt aus einem Ionenaustauschfilm, der eine Proto nenleitfähigkeit hat, der selektiv Protonen (Wasserstoffionen) passieren läßt. Der Elektrolytteil 57 hat vier Ecken, von denen jede mit einer Durchgangsöff nung 59a oder einer Durchgangsöffnung 59b entsprechend den Durch gangsöffnungen 59a oder 59b der Dichtung 59 ausgebildet ist.

Jedes der Trennelemente 58 ist aus einem leitfähigem Material wie rostfreiem Stahl oder einer Titanlegierung hergestellt. Wie in den Fig. 25 und 26 darge stellt, hat jedes Trennelement 58 eine Oberfläche, die mit einem Wasserstoff zuführenden Nutenmuster 58A versehen ist. Das Wasserstoff zuführende Nu tenmuster 58A beinhaltet eine Vielzahl von einzelnen linearen Nuten 58a und zwei gemeinsamen Nuten 58e, die vertikal zu den einzelnen Nuten 58a sich erstreckt. Die einzelnen Nuten 58a stehen untereinander über die gemeinsame Nut 58e in Verbindung. Jeder der Trennelemente 58 hat eine weitere Oberflä che, die mit einem Luft (Sauerstoff) zuführenden Nutenmuster 58B ähnlich zu dem vorbeschriebenen Wasserstoff zuführenden Nutenmuster versehen ist. Das Luft zuführende Nutenmuster beinhaltet eine Vielzahl von einzelnen 58b (Fig. 25) und zwei gemeinsamen Nuten 58f, die vertikal zu den einzelnen Nu ten 58b verlaufen und eine gegenseitige Verbindung unterhalb der einzelnen Nuten bereitstellen. Jeder der Trennelemente 58 hat vier Ecken, von denen jede mit einer Durchgangsöffnung 58c oder 58d entsprechend den Durch gangsöffnungen 59a oder 59b der Dichtung 59 ausgebildet ist. Von diesen Durchgangsöffnungen 58c, 58d stehen die diagonal zueinander angeordneten Durchgangsöffnungen 58c mit den gemeinsamen Nuten 58e des Wasserstoff zufuhrnutenmusters 58A in Verbindung, wohingegen die verbleibenden Durch gangsöffnungen 58b in Verbindung mit den gemeinsamen Nuten des Luftzu fuhrmusters in Verbindung stehen.

Wie in den Fig. 27 und 28 gezeigt, ist jede der einzelnen Nuten 58a (und 58b) des Wasserstoffzufuhrnutenmusters 58A (und des Luftzufuhrnutenmusters 58B) durchgehend mit Vorsprüngen 60A (60B) versehen. Diese Vorsprünge 60A (60B) haben Schrägen 60a (60b), um den Gasfluß in einer Richtung ent lang der Nut 58a (58b) zu reduzieren.

Wie in der Fig. 24 sind die Endplatten 54a und 54b größer als jede der Tren nelemente 58. Obwohl nicht in der Figur dargestellt, ist jede der Endplatten 54a und 54b mit vier Öffnungen entsprechend den Durchgangsöffnungen 58c, 58d von jedem Trennelement 58 versehen. Im zusammengebauten Zustand des Brennstoffzellenpaketes stehen die Durchgangsöffnungen 58c und die Durch gangsöffnungen 58d von jedem Trennelement mit den jeweiligen Durch gangsöffnungen der anderen Trennelemente in Verbindung und bilden einen Wasserstoffgasdurchgang 61a und einen Luftdurchgang 61b (siehe Fig. 25).

Die nicht dargestellten Öffnungen in den Endplatten 54a und 54b stehen in Verbindung mit dem Wasserstoffgasdurchgang 61a oder dem Luftdurchgang 61b. Zufuhr und Abzug des Wasserstoffgases und der Luft zu und von dem Brennstoffzellenpaket erfolgt über diese Öffnungen.

Wasserstoffgas, zugeführt von der Wasserstoffzufuhrquelle 51 (Fig. 24), wird dem Wasserstoffgasdurchgang 61a (Fig. 25) zugeführt und dann zu dem Was serstoffzufuhrnutenmuster 58A über die Durchgangsöffnung 58d eines jeden Trennelementes 58 zugeführt. Das zu dem Wasserstoffzufuhrnutenmuster 58A gesandte Wasserstoffgas wird dann über die gemeinsamen Nuten 58e den einzelnen Nuten 58a zugeführt. Andererseits wird die von der Luftzufuhrquelle 52 (Fig. 24) kommende Luft dem Luftzufuhrnutenmuster 58B eines jeden Tren nelementes über den Luftdurchgang 61b zugeführt. Die zu dem Luftzufuhrnu tenmuster 58B zugeführte Luft wird dann über die gemeinsamen Nuten 58f den einzelnen Nuten 58b zugeführt.

Wie in Fig. 27 gezeigt, strömt der zu jeder einzelnen Nut 58a (58b) zugeführte Wasserstoff (Luft) entlang der einzelnen Nuten 58a (58b), wobei jeweils die Schrägen 60a (60b) von jedem Vorsprung 60A (60B) getroffen werden. Diese Kollision mit den Schrägen 60a (60b) verlagert den Fluß des Wasserstoffs (der Luft) auf den Kollektor 55a (56a) zu. Anschließend diffundiert ein Teil des Wasserstoffs (der Luft) in den Kollektor 55a (56a), wohingegen ein anderer Teil von der Oberfläche des Kollektors 55a (56a) reflektiert wird. Folglich wird der Gasfluß in den einzelnen Nuten 58a (58b) turbulent, aber insgesamt strömt das Gas entlang der einzelnen Nuten 58a (58b).

Wie beschrieben worden ist, kann durch Anordnung der Vorsprünge 60A (60B) in den einzelnen Nuten 58a (58b) der Fluß des den einzelnen Nuten 58a (58b) zugeführten Gases auf den Kollektor 55a (55b) zugerichtet werden. Folglich kann das zugeführte Gas effektiv in den Kollektor 55a (56a) eindiffundiert wer den. Die Form der Vorsprünge 60A (60B) ist nicht auf die in der Fig. 27 und in der Fig. 28 gezeigten Beispiele beschränkt und kann in vielen Weisen variiert werden. Im besonderen können die Vorsprünge beispielsweise prismatisch oder säulenartig oder ferner kuppelartig oder nadelartig sein. Ferner können die Vorsprünge ersetzt werden durch Rücksprünge, um die turbulente Strö mung des Gases zu bedingen.

Wie zuvor beschrieben worden ist, diffundiert ein Teil des als Brennstoff zu geführten Wasserstoffes in den Kollektor 56a ein. Dann erreicht der Wasser stoff die Katalysatorschicht 56b und dissoziiert in Wasserstoffionen und Elek tronen. Die Wasserstoffionen passieren durch den Elektrolytteil 56, um die Katalysatorschicht 55b des Positivelektrodenteils 55 zu erreichen. Die Elektro nen passieren den Kollektor 56a nochmalig, um das Trennelement 58 zu errei chen und zu der Katalysatorschicht 55b des Positivelektrodenteils 55 der an grenzenden Brennstoffzelle 53.

Andererseits passiert die in das Luftzufuhrnutenmuster 58B zugeführte Luft den Kollektor 55a des Positivelektrodenteils 55 und erreicht die Katalysator schicht 55b. Anschließend reagiert das Sauerstoffgas in der Luft, das die Ka talysatorschicht 55b erreicht hat, mit den Wasserstoffionen, die durch den Elektrolytteil 57 kommen, und den Elektronen, die von der angrenzenden Brennstoffzelle 53 zugeführt werden, um Wasser zu produzieren.

Das Wasser strömt teilweise mit der Luft und wird von jeder einzelnen Nut 58b des Luftzufuhrnutenmusters 58B abgezogen. Der Rest des Wassers konden siert in den einzelnen Nuten 58b. Wenn das kondensierte Wasser in den ein zelnen Nuten 58b verbleibt, wird der Stau eine ausreichende Versorgung mit Luft verhindern. Ferner wird, wenn das kondensierte Wasser in der Katalysa torschicht 55b und/oder dem Kollektor 55a verbleibt, eine ausreichende Bewe gung und Reaktion des Wasserstoffgases an dem Positivelektrodenteil verhin dert.

Als Mittel für die Entfernung des verbleibenden Wassers kann der Druck der zu dem Luftzufuhrnutenmuster zugeführten Luft erhöht werden, so daß das verbleibende Wasser herausgedrückt wird. Jedoch ist dieses Verfahren nicht unbedingt vorzuziehen, weil so ein Verfahren nachteilig ist in Bezug auf den Energiewirkungsgrades des Brennstoffzellensystems.

Um sich diesem Problem zuzuwenden, wird im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen Brennstoffzellenpaket 50 die einzelne Nut für die Zufuhr von Luft mit Vorsprüngen für das Hervorrufen von Turbulenzen in dem Luftstrom versehen. Wenn der Luftstrom turbulent ist, ist das kondensierte Wasser ge neigt, sich in Tröpfchen mit einem kleineren Durchmesser zu teilen. Weiterhin wird das kondensierte Wasser auch durch die Kollision mit den Vorsprüngen in Tröpfchen mit kleinerem Durchmesser geteilt. Die kleineren Tröpfchen, die ei ne kleinere Kontaktfläche mit den einzelnen Nuten 58b haben, werden einfa cher durch den Luftstrom geblasen und wirkungsvoll abgezogen. Wie zuvor beschrieben, kann durch Anordnung der Vorsprünge, wie in der Fig. 27 und der Fig. 28 gezeigt, das nicht notwendige Wasser vorteilhafter Weise aus dem Inneren des Brennstoffzellenpaketes entfernt werden, ohne einen Bedarf zum Erhöhen des Druckes der zugeführten Luft.

Das in den Brennstoffzellenpaket 50 produzierte Wasser kann durch das vor beschriebene Verfahren (nachfolgend als erstes Verfahren bezeichnet) jedoch auch mit anderen Verfahren entfernt werden. Solche Verfahren beinhalten ein Verfahren, in dem der Druck des zu dem Brennstoffzellenpaket zugeführten Sauerstoff enthaltenen Gases absatzweise gewechselt wird (nachfolgend als zweites Verfahren bezeichnet) und ein Verfahren, in den Ultraschallschwin gungen auf das in dem Brennstoffzellenpaket verbleibende Wasser angewen det werden (nachfolgend als drittes Verfahren bezeichnet). Jetzt wird eine Be schreibung für das zweite und dritte Verfahren gemacht.

Fig. 29 stellt das zweite Verfahren dar. Um das zweite Verfahren auszuführen, ist ein Elektromagnetventil 64 zwischen dem Brennstoffzellenpaket 62 und der Luftzufuhrquelle 63 angeordnet. Die Luftzufuhrquelle 63 dient für die Zufuhr der als Sauerstoff enthaltenes Gas verwendeten Luft zu dem Brennstoffzellen paket 62 und wird bereit gestellt durch ein allgemein bekanntes Bauteil, wie einen Kompressor.

Das Brennstoffzellenpaket 62 wird gebildet durch eine Vielzahl von Brennstoff zellen in einer Aufeinanderschichtung und enthält eine Vielzahl von Trennele menten 65, die jede Brennstoffzelle von der anderen trennt. Obwohl nicht in der Figur dargestellt, ist jedes der Trennelemente mit Nuten für die Zufuhr der Luft und Nuten für die Zufuhr des Wasserstoffes versehen. Das Brennstoffzel lenpaket 62 hat eine innere Struktur, die ähnlich zu der in den Fig. 13 bis 15 gezeigten Brennstoffzellenpaketes 38 oder zu der in den Fig. 24 bis 26 ge zeigten Brennstoffzellenpaketes 50 ist. Daher wird die innere Struktur des Brennstoffzellenpaketes 62 hier nicht im Detail beschrieben. Das elektroma gnetische Ventil wird geöffnet und/oder geschlossen durch elektromagnetische Kräfte. Beispielsweise wird das Ventil geöffnet, wenn das Elektromagnetventil 64 mit Elektrizität beaufschlagt ist, wohingegen das Ventil geschlossen ist, wenn es nicht mit Elektrizität beaufschlagt ist.

Mit der vorhergehenden Anordnung wird durch Öffnen des Elektromagnetven tils 65 Luft von der Luftzufuhrquelle 63 über eine Leitung 66 zu dem Brenn stoffzellenpaket 62 geführt. Dies führt die Luft in die Luftzufuhrnuten eines je den Trennelementes 65. Andererseits wird das Wasserstoffgas von der Was serstoffgaszufuhrquelle 67 über eine Leitung 68 zu dem Brennstoffzellenpaket 62 zugeführt. Das zugeführte Wasserstoffgas wird dann in die Wasserstoffzu fuhrnuten eines jeden Trennelementes 56 eingeführt. Die Reaktion zwischen der zugeführten Luft und dem Wasserstoff produziert Wasser in den Luftzu fuhrnuten eines jeden Trennelementes. Ein Teil des Wassers wird von dem Luftstrom mitgerissen und von dem Brennstoffzellenpaket 62 abgezogen, wo hingegen der Rest in den Luftzufuhrnuten des Trennelementes 65 kondensiert. Das kondensierte Wasser kann durch die folgende Methode entfernt werden:

Wie zuvor beschrieben, ist das die Zufuhr von Luft steuernde Elektromagnet ventil 64 zwischen der Luftzufuhrquelle 63 und dem Brennstoffzellenpaket 62 angeordnet. Hier wird die Luft durchgehend von der Luftzufuhrquelle 63 zuge führt, während das Brennstoffzellenpaket 62 in Betrieb ist. In einem derartigen Fall wird, wenn das Elektromagnetventil 64 betrieben wird, der zugeführte Luft strom in der Leitung 66 blockiert. Folglich wird der Druck der Luft größer, wenn das Elektromagnetventil 64 nicht betätigt wird. Das bedeutet, daß durch Wie derholung eines absatzweise Öffnen und Schließens des Elektromagnetventils 64 der Druck der zugeführten Luft zu dem Brennstoffzellenpaket 62 über einen Zeitraum gewechselt werden kann. Z. B. ändert sich der Druck der zugeführten Luft, wie in Fig. 30 gezeigt, wenn das Elektromagnetventil periodisch und für einen Augenblick geschlossen wird. Es ist anzumerken, daß der Anstieg des Gesamtdruckes nach der Zeit T₀ bedingt ist durch eine Belastungsänderung des Brennstoffzellenpaketes 62.

Durch Erhöhung des Luftdruckes für einen Augenblick und ein vorbestimmtes Zeitintervall, wie zuvor beschrieben, kann eine absatzweise antreibende Kraft auf das in den Luftzufuhrnuten eines jeden Trennelementes 65 verbleibende Wasser aufgegeben werden. Dies macht es möglich, das verbleibende Wasser aus dem Inneren des Brennstoffzellenpaketes 62 wirksam zu entfernen. Ferner kann, da dieses Verfahren nicht eine Entfernung des verbleibenden Wassers mit einem konstanten hohen Druck (Entfernungskraft) vorsieht, die für die Wasserentfernung verwendete Energie klein sein. Daher wird es möglich, wirksam einen Leistungsabfall der Brennstoffzellenpakete 62 bedingt durch das verbleibende Wasser zu vermeiden, ohne wesentlich den Gesamtenergie wirkungsgrad des Systems, welches das Brennstoffzellenpaket 62 benutzt, zu verringern.

Nach dem vorbeschriebenen Beispiel ist der Öffnen-/Schließbetrieb des Elek tromagnetventils gebildet mit regelmäßigen Intervallen. Jedoch ist die vorlie gende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann der elektrische Ausgang des Brennstoffzellenpaketes 62 überwacht werden und das Elektro magnetventil 64 kann auf der Basis des Ausgangswertes gesteuert werden. Im Besonderen wird der Druck der zugeführten Luft ansteigen, wenn die ausge gebene Elektrizität geringer wird als ein vorbestimmter Wert. Ferner kann, wenn die Entfernung des verbleibenden Wassers möglich ist, der Druck der zugeführten Luft in einem Sinuskurvenmuster geändert werden.

Alternativerweise können die Mittel für das absatzweise Erhöhen des Druckes der zu dem Brennstoffzellenpaket 62 zugeführten Luft eine pulsierende Pumpe wie in Fig. 31 gezeigt sein. Im Besonderen kann die Luft von der Luftzufuhr quelle 63 unter Druck von der pulsierenden Pumpe gefördert werden. In die sem Fall brauchen die Elektromagnetventile 64 notwendigerweise nicht benutzt werden.

Als nächstes wird Bezug auf die Fig. 32 genommen. Diese Figur stellt das dritte Verfahren für die Entfernung von nicht notwendigen verbleibenden Was ser in dem Brennstoffzellenpaket 62 dar. Das dritte Verfahren unterscheidet sich von dem zweiten Verfahren darin, daß ein Ultraschallerzeuger 17 anstatt des Elektromagnetventils 64 (Fig. 29) verwendet wird. Wie in der Figur gezeigt, ist der Ultraschallerzeuger 70 an der Leitung 66 für die Zufuhr der Luft zu dem Brennstoffzellenpaket 62 angeordnet.

Nach der obigen Ausführung kann durch Betätigung des Ultraschallerzeugers 17 eine hochfrequente Schwingung auf die zu dem Brennstoffzellenpaket 62 zugeführte Luft aufgegeben werden. Die Schwingung wird über die Luft zu dem in dem Brennstoffzellenpaket 62 zurückbleibenden Wasser übertragen, wo durch das zurückgebliebene Wasser veranlaßt wird zu schwingen. Wie es all gemein bekannt ist, gleiten Wassertröpfchen einfacher auf einer Oberfläche, wenn eine Ultraschallschwingung auf die auf einer Oberfläche einer Substanz aufliegenden Wassertröpfchen aufgegeben wird. Nach diesem Prinzip wird das verbleibende Wasser in dem Brennstoffzellenpaket 20 mehr dazu neigen, in der Luftzufuhrnut eines jeden Trennelementes 65 zu gleiten. Daher wird das zurückbleibende Wasser leichter aus dem Brennstoffzellenpaket 62 durch die durch das Brennstoffzellenpaket 62 strömende Luft ausgeschleust werden können. Nach diesem Verfahren kann das zurückbleibende Wasser sehr ef fektiv aus der Brennstoffzelle 62 entfernt werden, ohne daß ein Bedarf für ei nen besonderen Anstieg des Druckes der zu dem Brennstoffzellenpaket 62 zugeführten Luft, erforderlich ist.

Die Anwendung einer Ultraschallschwingung auf das zurückbleibende Wasser kann durchgehend oder absatzweise erfolgen, während das Brennstoffzellen paket 62 in Betrieb ist. Wenn die Anwendung von Ultraschallschwingungen absatzweise erfolgt, kann die Anwendung regelmäßig in bestimmten Zeitinter vallen oder unregelmäßig in Abhängigkeit mit der elektrischen Ausgangslei stung des Brennstoffzellenpaketes 62 erfolgen. In dem in Fig. 32 dargestellten Beispiel ist der Ultraschallerzeuger 17 angeordnet an der Leitung 66, aber die vorliegende Erfindung ist nicht hierauf begrenzt. Z. B. kann der Ultraschallge nerator 70 auch an dem Brennstoffzellenpaket 62 angeordnet werden.

Claims

1. Ein Brennstoffzellensystem bestehend aus:
einer Reformiereinheit (2, 31, 31') für die Produktion einer wasserstoff reichen Gasmischung durch Reformierung einer Wasserstoff enthalte nen Verbindung und
einer Brennstoffzelle (39, 53) für die Erzeugung einer elektromotori schen Kraft durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Wasserstofftrenneinheit (3) zwischen der Reformiereinheit (2, 31, 31') und der Brennstoffzelle (39, 53) angeordnet ist, die Wasser stofftrenneinheit (3) mit wasserstoffdurchlässigen Mittel zum Erhalt eines Brennstoffgases durch Trennung des Wasserstoffgases von der Gasmi schung versehen ist.

2. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiterhin bestehend aus Umlaufmitteln für die Zufuhr von aus der Brennstoffzelle (39, 53) ausge stoßenen und nichtreagierten Gas zu der Brennstoffzelle (39, 53) als Brennstoffgas.

3. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Was serstoff enthaltene Verbindung eine aus Ethanol, Methanol, Dimethyle ther, Propan oder Erdgas ist.

4. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die wasserstoffdurchlässigen Mittel einen Palladiumlegierungsfilm ent halten.

5. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei der Palladiumle gierungsfilm aus einer Legierung hergestellt ist, die Palladium und min destens ein aus Silber, Gold und Ruthenium ausgewähltes Metall ent hält.

6. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die wasserstoffdurchlässigen Mittel einen festen hochpolymeren hohlen Faden einschließen.

7. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei der feste hochpo lymere hohle Faden aus Polyimit hergestellt ist.

8. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Reformiereinheit (2, 31, 31') ein Dampferzeugungsteil (2a, 31) für die Verdampfung von Wasser durch Erhitzen; ein Verbrennungsteil (2c) für das Erhitzen des Dampferzeugungsteils durch Verbrennung eines vorbestimmten Brennstoffes und einem Reformierteil (2b, 34) für die Produktion der wasserstoffreichen Gasmischung durch Reaktion des durch den Dampferzeugungsteil (2a, 31) erzeugten Dampfes mit der Wasserstoff enthaltenen Verbindung aufweist; der Verbrennungsteil (2c) als Brennstoff die Gasmischung, von der Wasserstoff durch die Was serstofftrenneinheit (3) abgetrennt wird, verwendet.

9. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, beste hend aus einem Brennstoffzellenpaket (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) das ei ne Brennstoffzelle (39, 53) und mindestens eine zusätzliche, auf die Brennstoffzelle (39, 53) angefügte Brennstoffzelle (39, 53) schichtweise einschließt.

10. Ein Brennstoffzellensystem bestehend aus:
einer Vielzahl von Brennstoffzellenpaketen (6, 9, 26, 26', 38, 50, 52), von denen jedes eine Vielzahl von Brennstoffzellen (39, 53) in Aufein anderschichtung einschließt;
Zufuhrmitteln (1, 7; 10; 27, 28; 51, 52; 67, 63) für die Zufuhr eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels zu jedem der Brennstoffzel lenpakete (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) und
Betriebssteuerungsmitteln für die Steuerung des Betriebes der Brenn stoffzellenpakete (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoffzellenpakete (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) in eine Viel zahl von Gruppen aufgeteilt sind, die mindestens eine erste und eine zweite Gruppe einschließen, die Betriebssteuermittel (16) eingerichtet sind, um die Brennstoffzellenpakete der ersten Gruppe unabhängig von den Brennstoffzellenpaketen der zweiten Gruppe zu betreiben und zu stoppen.

11. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei die Betriebssteu ermittel (16) eingerichtet sind, um jedes der Vielzahl von Brennstoffzel lenpaketen unabhängig von den anderen Brennstoffzellenpaketen (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) zu betreiben und zu stoppen.

12. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10 oder 11, weiterhin be stehend aus einer Leitung (11) für die Zufuhr des Brennstoffes zu jedem der Brennstoffzellenpakete (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) und einer Vielzahl von Ventilen (15) vorgesehen an der Leitung; wobei die Ventile (15) eingerichtet sind, um den Brennstoff zu den Brennstoffzellenpaketen (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) zuzuführen oder zu stoppen, jedes der Ventile entsprechend zu einer der Vielzahl von Gruppen zugeordnet ist.

13. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei die Betriebssteu ermittel (16) die Öffen-/Schließbetätigung der Vielzahl von Ventilen (15) im Zusammenhang mit dem Betrag der benötigten Elektrizität steuern.

14. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wei terhin bestehend aus Ausgangssteuermitteln (17) versehen mit minde stens einem Paar von Ausgangsanschlüssen (17a, 17b) für die Entge gennahme der Elektrizität von den Brennstoffzellenpaketen (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) und zum Weitergeben der Elektrizität an ein externes Bauteil, wobei die Ausgangssteuermittel (17) eingerichtet sind, um die gegenseitigen Verbindungsmuster zwischen den Brennstoffzellenpake ten (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) und ein Verbindungsmuster der Brenn stoffzellenpakete (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) zu den Ausgangsanschlüs sen (17a, 17b) zu ändern.

15. Ein Elektroauto bestehend aus:
einem Antriebsmotor (M) und
einem Brennstoffzellensystem (SY2) für die Zufuhr von Elektrizität zu dem Antriebsmotor (M), das Brennstoffzellensystem (SY2) einschlie ßend,
eine Vielzahl von Brennstoffzellenpaketen (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62), je des eine Vielzahl von Brennstoffzellen (39, 53) in Aufeinanderschich tung einschließend,
Mitteln (1, 7; 10; 27, 28; 51, 52; 67, 63) für die Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel zu jedem der Brennstoffzellenpakete (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) und
Antriebssteuermitteln (16) für die Steuerung des Betriebes der Brenn stoffzellenpakete (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoffzellenpakete (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) in eine Viel zahl von Gruppen aufgeteilt sind, die mindestens eine erste und eine zweite Gruppe einschließen, die Antriebssteuerungsmittel (16) einge richtet sind, um die Brennstoffzellenpakete der ersten Gruppe unabhän gig von den Brennstoffzellenpaketen der zweiten Gruppe zu betreiben und zu stoppen.

16. Ein Brennstoffzellensystem bestehend aus:
einer Reformiereinheit (2, 31, 31') für die Produktion einer wasserstoff reichen Brennstoffgasmischung durch Reformierung von Dimethylether und
einer Brennstoffzelle (39, 53) versorgt mit dem Brennstoffgas und einem Sauerstoff enthaltenen Gas, wodurch eine Reaktion zwischen dem Wasserstoffgas und dem Sauerstoffgas bedingt ist, um elektrische Energie und Wasser zu produzieren, wobei die Reformiereinheit (2, 31) ein Dampferzeugungsteil (2a, 33) für die Verdampfung von Wasser und ein Brennstoffreformierteil für die Durchführung der Dampfreformierung des Dimethylethers einschließt, der Dimethylether durch an dem Dampferzeugungsteil (2a, 33) erzeugte Hitze erhitzt wird, bevor der Di methylether dem Brennstoffreformierteil (2a, 34) zugeführt wird.

17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, weiterhin bestehend aus ei nem thermisch leitenden hohlen Element (33b) angeordnet in dem Dampferzeugungsteil (2a, 33); der Dimethylether über das hohle Ele ment (33b) dem Dampfreformierteil (34) zugeführt wird.

18. Ein Brennstoffzellensystem bestehend aus:
einer Brennstoffzelle (39, 53),
einer Wasserstoffzufuhrquelle (1, 10, 28, 52, 63, 67) für die Zufuhr von Wasserstoffgas zu der Brennstoffzelle und
einer Sauerstoff enthaltenen Gaszufuhrquelle (7, 28, 52, 63) für die Zu fuhr von Sauerstoff enthaltenem Gas zu der Brennstoffzelle;
gekennzeichnet durch weiterhin bestehend aus Wasserentfernungsmit tel (60A, 60B; 64; 69; 70) für die absatzweise Förderung der Entfernung des in der Brennstoffzelle (39, 53) verbleibenden Wassers.

19. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, wobei das Wasserent fernungsmittel ein Elektromagnetventil (64) ist, vorgesehen zwischen der Sauerstoff enthaltenen Gaszufuhrquelle und der Brennstoffzelle.

20. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, wobei das Wasserent fernungsmittel eine pulsierende Pumpe (69) ist, vorgesehen zwischen der Sauerstoff enthaltenen Gaszufuhrquelle und der Brennstoffzelle.

21. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, wobei das Wasserent fernungsmittel ein Ultraschallerzeuger (70) ist.

22. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Brennstoffzelle (39, 53) ein Negativelektrodenteil (43, 46); ein Posi tivelektrodenteil (44, 45); ein Elektrolytteil (42, 57) angeordnet zwischen dem Negativelektrodenteil und dem Positivelektrodenteil; einer ersten Platte (40, 58) angeordnet angrenzend zu dem Negativelektrodenteil (43, 58) und einer zweiten Platte (41, 58) angrenzend angeordnet zu dem Positivelektrodenteil (44, 55) einschließt, die erste Platte (40, 58) mit Wasserstoffzufuhrnuten für die Zufuhr von Wasserstoffgas zu dem Ne gativelektrodenteil versehen ist, die zweite Platte (41, 58) mit Sauer stoffzufuhrnuten für die Zufuhr des Sauerstoff enthaltenen Gases zu dem Positivelektrodenteil (44, 55) versehen ist.

23. Ein Verfahren zur Entfernung von unnötigem Wasser verbleibend in ei ner Brennstoffzelle, die mit Brennstoffgas und einem Sauerstoff enthal tenen Gas versorgt wird, das Verfahren gekennzeichnet ist durch die folgenden Schritte:
Zufuhr des Sauerstoff enthaltenen Gases in die Brennstoffzelle und
absatzweiser Veränderung des Druckes des Wasserstoff enthaltenen Gases.

24. Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Druck des Sauerstoff ent haltenen Gases für einen Augenblick erhöht wird.

25. Ein Verfahren für die Entfernung von unnötigem Wasser verbleibend in einer Brennstoffzelle, versorgt mit einem Brennstoffgas und einem Sau erstoff enthaltenen Gas, das Verfahren gekennzeichnet durch die fol genden Schritte ist:
Zufuhr des Sauerstoff enthaltenen Gases in die Brennstoffzelle und
Anwendung einer hochfrequenten Schwingung auf das verbleibende Wasser.

26. Eine Brennstoffzelle bestehend aus:
einem Negativelektrodenteil (43, 56) zum Ausspalten des Wasserstoff gases in Wasserstoffionen und Elektronen;
einem Positivelektrodenteil (44, 55) für die Produktion von Wasser durch eine Reaktion der Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoff gas;
einem Elektrolytteil (42, 57) angeordnet zwischen dem Negativelektro denteil (43, 56) und dem Positivelektrodenteil (44, 55) in einer Weise, die ein Durchtritt der Wasserstoffionen erlaubt;
einer ersten Platte (40, 58) angeordnet angrenzend zu dem Negative lektrodenteil (43, 46) und versehen mit einer Wasserstoffzufuhrnut für die Zufuhr von Wasserstoffgas zu dem Negativelektrodenteil (43, 56) und
einer zweiten Platte (41, 58) angeordnet angrenzend zu dem Positive lektrodenteil (44, 55) und versehen mit einer Sauerstoffzufuhrnut für die Zufuhr von Sauerstoff enthaltenem Gas zu Positivelektrodenteil (44, 55) dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine der sauerstoffzuführenden Nuten und der wasser stoffzuführenden Nuten mit einer Vielzahl von Vorsprüngen (60A, 60B) ausgebildet ist.

27. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, wobei die Vorsprünge (60A, 60B) versehen sind mit Schrägen (60a, 60b) für die Umlenkung des Stromes des zugeführten Gases zu dem Elektrolytteil (42, 57).

28. Eine Brennstoffzelle bestehend aus
mindestens einem Elektrodenteil (43, 56, 44, 55) das eine erste Ober fläche und eine zweite Oberfläche hat,
einem Elektrolytteil (42, 57) angrenzend zu der ersten Oberfläche und eine Platte (40, 41, 58) angrenzend zu der zweiten Oberfläche und aus gebildet mit einer gaszuführenden Nut für die Zufuhr eines vorbestimm ten Gases
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gaszufuhrnut mit einem eine Flächenpressung zusichernden Mittel (47, 47', 47", 47''') für die Zusicherung einer eine Flächenpres sung zu dem Elektrodenteil (42, 57) versehen ist.

29. Die Brennstoffzelle nach Anspruch 28, wobei die Platte (40, 41, 58) mit einer Durchgangsöffnung versehen ist, die in Verbindung mit Gaszu fuhrnut steht, die eine Flächenpressung zusichernden Mittel (47, 47', 47", 47''') nahe der Durchgangsöffnung angeordnet sind.

30. Die Brennstoffzelle nach Anspruch 28, wobei die eine Flächenpressung zusichernden Mittel ein Hohlelement (47, 47') einschließen, das Hohle lement (47, 47') eine Dicke aufweist, die im wesentlichen gleich zu der Tiefe der Gaszufuhrnut ist.

31. Die Brennstoffzelle nach Anspruch 28, wobei die eine Flächenpressung zusichernden Mittel ein gasdurchlässiges poröses Element (47") ein schließen, dieses poröse Element (47") eine Dicke hat, die im wesentli chen gleich zu der Tiefe der Gaszufuhrnut ist.

32. Die Brennstoffzelle nach Anspruch 28, wobei die Gaszufuhrnut mit ei nem gestuften Teil (48) für die Tragung der eine Flächenpressung zusi chernden Mittel versehen ist.

33. Ein plattenförmiges Trennelement verwendet in einem Brennstoffzellen paket (6, 9, 26, 26', 38, 50, 62) bestehend aus aufeinander geschichte ten Brennstoffzellen (39, 53), das Trennelement (40, 41) bestehend aus:
einer Durchgangsöffnung (40a bis 40d, 41a bis 41d) für den Durchfluß des zugeführten Gases und
einer Gaszufuhrnut (40e, 40f, 41e, 41f), in Verbindung mit der Durch gangsöffnung stehend,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Flächenpressung zusicherndes Mittel (47, 47', 47", 47''') in der Gaszufuhrnut angeordnet ist, die eine Flächenpressung zusichern den Mittel in der Nähe der Durchgangsöffnung angeordnet sind.

34. Das Trennelement nach Anspruch 33, wobei die eine Flächenpressung zusichernden Mittel ein Hohlelement (47, 47') einschließen, das Hohle lement eine Dicke hat, die im wesentlichen gleich zu der Tiefe der Gas zufuhrnut ist.

35. Das Trennelement nach Anspruch 33, wobei die eine Flächenpressung zusichernden Mittel ein gasdurchlässiges poröses Element (47") ein schließen, das poröse Element eine Dicke hat, die im wesentlichen gleich zu der Tiefe der Gaszufuhrnut ist.

36. Das Trennelement nach Anspruch 33, wobei die Gaszufuhrnut mit ei nem gestuften Teil (48) versehen ist für die Unterstützung der eine Flä chenpressung zusichernden Mittel.