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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem
Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von plattenförmigen Brennstoffzellen
aufweist, und mit einer Haltevorrichtung, mit der der Brennstoffzellenstapel
in einem Fahrzeug montierbar ist, sowie ein Fahrzeug mit einem entsprechenden
Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellenstapel
für den
mobilen Einsatz, also insbesondere für den Betrieb von Fahrzeugen,
weisen üblicherweise
eine Vielzahl von plattenförmigen
Brennstoffzellen auf, die in einem Stapel angeordnet sind. Die stapelförmige Anordnung
ist zum einen platzsparend und zum anderen werden die Brennstoffzellen
auf diese Weise elektrisch leitend in Reihenschaltung angeordnet,
um die für
den jeweiligen Anwendungszweck benötigte Gesamtspannung zu erzeugen.
Die einzelnen Brennstoffzellen umfassen einen Kathoden- und einen
Anodenbereich, die durch eine Membran, z.B. eine PEM-Membran, getrennt
sind.
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Wie
sich beispielsweise aus der Druckschrift
DE 102 97 132 T5 ergibt,
die ein Fahrgestell eines Fahrzeugs betrifft und wohl den nächstkommenden Stand
der Technik bildet, werden derartige Brennstoffzellenstapel in Fahrzeugen
in der Regel liegend angeordnet, so dass der Gesamtschwerpunkt des Fahrzeugs
möglichst
tief gehalten wird. Davon abweichend wird bei einer Ausführungsform
in dieser Druckschrift auch vorgeschlagen, den Brennstoffzellenstapel
vertikal anzuordnen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem
sowie ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem mit einem verbesserten
Betriebsverhalten – insbesondere
bei Kalt- oder Gefrierstart – vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1
sowie mit einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Bevorzugte
und/oder vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie
den beigefügten
Figuren.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
weist mindestens einen Brennstoffzellenstapel auf, der eine Vielzahl
von plattenförmigen
Brennstoffzellen umfasst. Bevorzugt sind die plattenförmigen Brennstoffzellen
in einem Stapel jeweils deckungsgleich angeordnet und werden mittels
Spannelementen zusammengepresst, um eine mechanische Stabilität und eine
gute elektrische Leitfähigkeit
zwischen den Brennstoffzellen zu erreichen. Die Brennstoffzellen
sind dabei bevorzugt in PEM-Bauart ausgeführt, im Allgemeinen kann sich
die Erfindung aber auch auf Brennstoffzellen anderer Bauarten beziehen.
Einer der mindestens einen Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl
von plattenförmigen
Brennstoffzellen, bevorzugt über
50, insbesondere über
150 Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellen weisen bevorzugt jeweils
eine Bipolarplatte sowie eine Membran (PEM) auf. Die Hauptverteilerkanäle für Zu- und/oder Abluft
und/oder den Brennstoff verlaufen parallel oder im wesentlichen
parallel zur Längserstreckung des
Brennstoffzellenstapels. Die Zellverteilerstruktur – auch flow
fields genannt – ist,
vorzugsweise in den Bipolarplatten, parallel zur Flächenerstreckung
der plattenförmigen
Brennstoffzellen angeordnet und/oder senkrecht zur Längserstreckung
des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet.
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Zur
Befestigung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels in einem
Fahrzeug ist eine Haltevorrichtung vorgesehen, mit der der mindestens eine
Brennstoffzellenstapel in dem Fahrzeug insbesondere starr montierbar
ist.
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Gemäß der Erfindung
sind die plattenförmigen
Brennstoffzellen in Einbaulage in dem Fahrzeug gegenüber der
Vertikalen geneigt angeordnet. Die Vertikale ist dabei bevorzugt
als Lotrechte ausgebildet und/oder ist relativ zu dem Fahrzeug definiert, also
z.B. als Senkrechte zu der Flächenerstreckung der
Bodengruppe des Fahrzeugs ausgebildet. Die Neigung erstreckt sich
jedoch nicht bis zur Horizontalen und ist somit kleiner als 90°.
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Bei
der Erfindung wurde das Problem erkannt, dass bei liegend eingebautem
Brennstoffzellenstapel, also mit vertikal stehenden Brennstoffzellen,
beim Abkühlen
des gesamten Brennstoffzellensystems Feuchtigkeit kondensiert und
sich Kondensat (Wasser) in den Hauptverteilerkanälen bildet. Bei einem nachfolgenden
Kaltstart wird das Kondensat durch den Gasstrom in die Zelleinlässe und
die Zellverteilerstruktur transportiert und kann hier zu einer ungleichmäßigen Gasverteilung
beitragen, was zu Betriebsstörungen
führen
kann. Bei einem Gefrierstart des Brennstoffzellensystems wirkt sich
dieser Effekt noch gravierender aus. Bei einer vertikalen Anordnung
des Brennstoffzellenstapels fließt dagegen das Kondensat nicht
vollständig
aus der Zellverteilerstruktur aus, so dass das verbleibende Kondensat ebenfalls
bei einem nachfolgenden Kaltstart oder Gefrierstart zu einer ungleichmäßigen Gasverteilung führt.
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Mit
einer geneigten Anordnung der plattenförmigen Brennstoffzellen wird
dagegen zum einen sichergestellt, dass das Kondensat aus den einzelnen
Brennstoffzellen über
die Zellverteilerstruktur sicher abgeführt wird und zum zweiten, dass
das abgeführte
Kondensat über
die Hauptverteilerkanäle
aus dem Brennstoffzellenstapel abgeleitet werden kann. Das beim
Abkühlprozess
aus den feuchten Gasen nachkondensierende Wasser läuft schlichtweg
aufgrund der Schwerkraft aus dem Brennstoffzellenstapel ab und führt damit
nicht zu Störungen
bei einem nachfolgenden Kalt- oder Gefrierstart.
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Auch
hinsichtlich der Aufnahme und Verarbeitung von Stoßbelastungen
ist die erfindungsgemäße Anordnung
ein guter Kompromiss: Bei den bekannten, liegend eingebauten Brennstoffzellenstapeln
kann es bei vertikalen Stoßbelastungen
zu bleibenden Verformungen kommen, wobei in Extremfällen die
Brennstoffzellenstapel sogar bananenförmig verformt werden können. Dieser
Verformung kann nur durch hohe Vorspannkräfte der Spannelemente, die
die einzelnen Brennstoffzellen zusammenpressen, entgegengewirkt
werden. Nachteilig bei dem Einsatz von hohen Vorspannkräften ist
aber, dass das Setzverhalten der Brennstoffzellen und damit der Kanalstrukturen,
insbesondere der Zellverteilerstrukturen, beschleunigt wird. Das
Setzverhalten betrifft dabei ein nach ausgeübter Pressung einsetzenden Dickenschwund
der Komponenten.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
der Brennstoffzellen treten bei Stoßbelastungen in vertikaler
Richtung keine oder nur geringe störende Scherkräfte zwischen
den einzelnen Brennstoffzellen beziehungsweise den einzelnen Platten
der Brennstoffzellen auf, so dass die Gefahr der Verformung des
Brennstoffzellenstapels reduziert wird. Auf diese Weise wird eine
Reduzierung der Vorspannung der Spannelemente ermöglicht,
was sich positiv auf das Setzverhalten der Brennstoffzellen auswirkt.
Folglich wird eine gleichmäßige Gasverteilung
auch dauerhaft sichergestellt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Brennstoffzellen in flächiger
Erstreckung und/oder der mindestens eine Brennstoffzellenstapel in
Längserstreckung
gegenüber
der Vertikalen um einen Betrag von 10° bis 80°, bevorzugt von 30° bis 60° und insbesondere
von circa 60° oder
30° geneigt.
Der Betrag der Neigung ist dabei unter Berücksichtigung des Kondensatsablaufs
aus den einzelnen Brennstoffzellen und der Empfindlichkeit des Brennstoffzellenstapels
auf vertikale Stoßbelastung
abzustimmen.
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Die
Neigung der Brennstoffzellen ist prinzipiell durch eine geneigte
Anordnung der einzelnen Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel
erreichbar. Bevorzugt ist jedoch, dass die Brennstoffzellen in flächiger Erstreckung
senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung des zugehörigen, mindestens
einen Brennstoffzellenstapels angeordnet sind. Mit dieser Anordnung
ist eine Pressung mittels der Spannelemente besonderes effektiv durchführbar. Die
beanspruchte Neigung der Brennstoffzellen wird vorteilhaft über eine
Neigung des Brennstoffzellenstapels erreicht.
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Für ein besseres
Verständnis
der nachfolgenden Beschreibung wird eine Querschnittsebene durch
das Brennstoffzellensystem definiert, die durch die Vertikale und
einen Neigungsvektor, der der Richtung der geneigten Längserstreckung
des Brennstoffzellenstapels entspricht und/oder senkrecht zur Neigung
der plattenförmigen
Brennstoffzellen angeordnet ist, aufgespannt.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der mindestens
eine Brennstoffzellenstapel in der Querschnittsebene einen aufgrund
der Neigung höher
liegenden Seiten- und/oder Randabschnitt auf, der sich in der Querschnittsebene über die
gesamte Höhe
oder Längserstreckung
und senkrecht zur Querschnittsebene über die gesamte Breite des
Brennstoffzellenstapels erstreckt. In diesem höheren Seiten- und/oder Randabschnitt
wird die Zuluft für
den Brennstoffzellenstapel vorzugsweise vertikal beziehungsweise
im Wesentlichen vertikal aufwärts
geführt.
Hierzu sind z.B. Hauptverteilerkanäle in dem höheren Seiten- und/oder Randabschnitt vorgesehen,
die sich entlang des Brennstoffzellenstapels in vertikaler oder
in weitgehend vertikaler Richtung und/oder parallel zu dem Neigungsvektor und/oder
parallel zur Längserstreckung
des Brennstoffzellenstapels erstrecken. Anders ausgedrückt wird
die Zuluft in dem Bereich des Brennstoffzellenstapels geführt, aus
dem das Kondensat aufgrund der Neigung und der Schwerkraft abläuft.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass in der Querschnittsebene in einem tiefer liegenden
Seiten- und/oder
Randabschnitt des Brennstoffzellenstapels, der dem höheren Seiten- und/oder
Randabschnitt gegenüberliegt,
die Abluft des Brennstoffzellenstapels vorzugsweise vertikal beziehungsweise
im wesentlichen vertikal abwärts geführt wird und/oder
führbar
ist. Vorzugsweise weist der Brennstoffzellenstapel in dem tieferen
Seiten- und/oder Randabschnitt Hauptverteilerkanäle für die Abluft auf. Anders ausgedrückt wird
die Abluft des Brennstoffzellenstapels dort geführt, wo eventuell austretendes
Kondensat aufgrund der Neigung geführt wird. Vorzugsweise wird
die Abluft vertikal nach unten geführt, so dass das Kondensat
aufgrund der Schwerkraft in Strömungsrichtung
der Abluft abgeführt
wird.
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Zur
Realisierung der Neigung ist die Haltevorrichtung vorzugsweise als
Sockel ausgebildet, der insbesondere mindestens einen im Querschnitt
keilförmigen
Aufnahme- und/oder
Auflageabschnitt zur Aufnahme des mindestens einen Brennstoffzellenstapels
umfasst. Bevorzugt weist der Sockel ergänzend eine Montagefläche auf,
die senkrecht zu der Vertikalen angeordnet ist, und die die Kontaktfläche zwischen
Sockel und Fahrzeug bildet. Alternativ ist es auch möglich, dass
die Haltevorrichtung nur als Befestigungsvorrichtung ausgebildet
ist und die Neigung des Brennstoffzellenstapels und/oder der Brennstoffzellen
durch eine entsprechende Aufnahmevorrichtung im Fahrzeug sichergestellt
ist.
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Bei
einer besonders bevorzugten und platzsparenden Ausführungsform
sind in dem Sockel und/oder in dem keilförmigen Aufnahmeabschnitt ein Verteiler
und/oder ein Sumpf zur Aufnahme von Flüssigkeit, insbesondere zur
Aufnahme des Kondensats, vorgesehen. Damit weist der Sockel eine
Doppelfunktion auf, nämlich
einerseits als Haltevorrichtung und andererseits als Auffangbehälter für das aufgrund
der Schwerkraft ablaufende Kondensat.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform weist
der Sockel zwei der keilförmigen
Aufnahmeabschnitte auf, die jeweils zur Aufnahme eines Brennstoffzellenstapels
ausgebildet sind.
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Besonders
bevorzugt sind dabei die zwei Brennstoffzellenstapel zueinander
V-förmig
angeordnet. Bei dieser Anordnung wird zwischen den Brennstoffzellenstapeln
ein Raum gebildet, der vorteilhaft zum Einbau von Versorgungs- und/oder
Hilfseinrichtungen für
die Brennstoffzellenstapel nutzbar ist und/oder genutzt wird. Damit
ist ein platzsparendes Konzept für
die Anordnung eines Brennstoffzellensystems mit zwei Brennstoffzellenstapeln
geschaffen worden, wobei die zwei Brennstoffzellenstapel in kompakter
Anordnung, jedoch insbesondere thermisch ausreichend voneinander
getrennt sind.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem,
wie es soeben beschrieben wurde beziehungsweise nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei die plattenförmigen
Brennstoffzellen gegenüber
der Vertikalen geneigt angeordnet sind. Bei dem Fahrzeug handelt
es sich insbesondere um einen Personenkraftwagen.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung und aus den Figuren.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische dreidimensionale Darstellung eines Brennstoffzellensystems
als ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einer Ansicht schräg von oben;
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2 das
Brennstoffzellensystem in 1 in einer
Seitenansicht parallel zur Querschnittsebene;
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3 den
Sockelaufsatz des Brennstoffzellensystems in den 1 beziehungsweise 2 in schematischer
dreidimensionaler Ansicht schräg
von oben;
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4 eine
schematische dreidimensionale Zeichnung eines Ausschnitts des Brennstoffzellensystems
in den 1 beziehungsweise 2 zur Illustration
des inneren Aufbaus des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems.
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Einander
entsprechende Teile beziehungsweise Größen sind in den jeweiligen
Figuren mit den gleichen Bezugszeichen angegeben.
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Die 1 zeigt
ein Brennstoffzellensystem 1 welches zwei zueinander V-förmig angeordnete Brennstoffzellenstapel 2 aufweist,
die auf einem gemeinsamen Sockelaufsatz 3a angeordnet und
befestigt sind. Zwischen den Brennstoffzellenstapeln 2, also
in dem durch die V-förmige
Anordnung gebildeten Zwischenraum, sind Hilfsaggregate 4 für den Betrieb
der Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet. Ebenso sind in
der Darstellung in 1 unterhalb des Sockelaufsatzes 3a in
oder an einem Sockelkörper 3b weitere
Aggregate 5 des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise
eines Antriebsstrangs eines nicht gezeigten Fahrzeugs angeordnet.
Sockelaufsatz 3a und Sockelkörper 3b bilden gemeinsam
einen Sockel 3, an dessen einem Ende die Brennstoffzellenstapel 2 und
an dessen anderem Ende eine Montagefläche angeordnet ist, die die
Kontaktfläche
zwischen Sockel und einem Fahrzeug bildet.
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Für ein besseres
Verständnis
der Einbaulage des Brennstoffzellensystems 1 in dem Fahrzeug
ist in der 2 das Brennstoffzellensystem 1 nochmals
in Seitenansicht gezeigt und ergänzend
eine Bodengruppe 6 des Fahrzeugs (nicht dargestellt) angedeutet.
Die Bodengruppe 6 umfasst in der schematischen Darstellung
zwei Räder 7,
die auf dem Boden 8, zum Beispiel der Straße, aufliegen.
Das Brennstoffzellensystem 1 ist im Wesentlichen entlang
einer Vertikalen 9, die senkrecht zu dem Boden 8 beziehungsweise
zu der Bodengruppe 6 ausgerichtet ist, angeordnet. Die
Brennstoffzellenstapel 2 sind um einen Winkel alpha = 30° relativ
zu der Vertikalen 9 geneigt platziert. In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Brennstoffzellenstapel 2 symmetrisch geneigt,
bei anderen Ausführungsbeispielen
kann der Neigungswinkel jedoch auch unterschiedlich ausgebildet
sein. Die Blickrichtung der Seitenansicht in 2 ist senkrecht
zu einer Querschnittsebene, die durch die Vertikale 9 und
die die Neigung der Brennstoffzellenstapel repräsentierenden Linien (Neigungsvektoren) aufgespannt
ist.
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In
der 2 sind ergänzend
die einzelnen Brennstoffzellen 10 beziehungsweise die Platten
der einzelnen Brennstoffzellen 10 skizziert, die senkrecht zu
der Längserstreckung
der jeweiligen Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet sind.
Gegenüber
der Vertikalen 9 sind die Brennstoffzellen um einen Winkel β = 90° – α = ca. 60° geneigt.
Bei anderen Ausführungsformen
kann das Brennstoffzellensystem 1 um einen beliebigen Winkel
um die Vertikale 9 gedreht auf der Bodengruppe 6 angeordnet
sein.
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Die 3 zeigt
den Sockelaufsatz 3a in einer vergrößerten Darstellung in einer
Ansicht schräg von
oben. Der Sockelaufsatz 3a weist zwei keilförmige Abschnitte 11 auf,
die zur Aufnahme jeweils eines Brennstoffzellenstapels 2 ausgebildet
sind und die jeweils Durchgangsöffnungen
für die
Zuführung
von Zuluft und Abführung
der Abluft 12 bzw. 13 aufweisen. Der Sockelaufsatz 3a ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
einstückig
ausgebildet, alternativ kann dieser auch aus mehreren Teilabschnitten
zusammengesetzt sein.
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4 zeigt
den Ausschnitt A in 1 des Brennstoffzellensystems 1 in
schematischer Ansicht zur Illustration des inneren Aufbaus des Brennstoffzellenstapels 2 sowie
der Anordnung der Brennstoffzellen 10. Wie sich aus der
schematischen Darstellung ergibt, weist der Brennstoffzellenstapel 2 eine Vielzahl
der Brennstoffzellen 10 auf, die in Flächenerstreckung senkrecht zur
Längserstreckung
des Brennstoffzellenstapels 2 und parallel zueinander angeordnet
sind. Die Brennstoffzellen 10 werden mittels nicht dargestellter
Spannelemente miteinander verspannt, um die elektrische Leitfähigkeit
zwischen den Brennstoffzellen 10 sicherzustellen. Die Zuführung der
Zuluft in dem Brennstoffzellenstapel 2 erfolgt über die
Durchgangsöffnung 12,
so dass die Zuluft ausgehend von dem Sockelaufsatz 3a durch
die Durchgangsöffnung 12 innerhalb
des Brennstoffzellenstapels 2 bis zum freien Ende des Brennstoffzellenstapels 2 geführt wird
und dort gegebenenfalls durch eine Austrittsöffnung 14 austreten
kann. Die Zuluft ist dabei innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 in
dem aufgrund der Neigung höher
liegenden Seiten- oder Randabschnitt des Brennstoffzellenstapels 2 geführt, so
dass auftretendes Kondensat oder andere Flüssigkeiten aufgrund der Neigung
von den Verteilerkanälen
bzw. der Verteilerstruktur der Zuluft und der wirkenden Schwerkraft
ablaufen. Die Abluft wird dagegen durch eine Durchlassöffnung 15 am freien
Ende des Brennstoffzellenstapels 2 angesaugt, durch den
Brennstoffzellenstapel 2 geführt und tritt durch die Durchgangsöffnung 13 in
den Sockelaufsatz 3a ein. Der Sockelaufsatz 3a weist
einen Auffangbehälter
oder Sumpf 16 zur Aufnahme von Flüssigkeiten oder des Kondensats
auf. Im Weiteren wird die Abluft durch eine weitere Durchgangsöffnung 17 in
das Innere des Sockelaufsatzes 3a weitergeführt.
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Die
Hauptverteilerkanäle
der Abluft sind dabei in dem tiefer liegenden Seitenabschnitt des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet,
so dass das auftretende Kondensat aufgrund der Schwerkraft in die
Hauptverteilerkanäle
der Abluft fließt
und von dort – ebenfalls
aufgrund der Schwerkraft – selbsttätig in den
Sumpf 16 abfließen
kann.
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Mit
dieser Anordnung ist zum einen sichergestellt, dass auftretendes
Kondensat sicher aus dem Brennstoffzellenstapel 2 abgeführt wird
und sich nicht negativ bei einem nachfolgenden Kalt- oder Gefrierstart
des Brennstoffzellensystems 1 bemerkbar macht und zum zweiten
die einzelnen Brennstoffzellen 10 so angeordnet sind, dass
auftretende Scherkräfte
bei vertikaler Stoßbelastung
vermieden beziehungsweise minimiert werden.