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Stand der Technik
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Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung bekannt, welche einen Brennstoffzellenstapel und eine Rückführungsleitung aufweist, welche einen Ausgang des Brennstoffzellenstapels mit einem Eingang des Brennstoffzellenstapels zur Rezirkulation von Prozessfluid verbindet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung, mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel, welcher zumindest eine erste Brennstoffzelle und zumindest eine zweite Brennstoffzelle umfasst, und mit einer Fluidleiteinheit, welche zur Versorgung der Brennstoffzellen mit zumindest einem Prozessfluid vorgesehen ist.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Fluidleiteinheit zumindest einen Fluidleitpfad umfasst, welcher zumindest zu einem Großteil innerhalb des Brennstoffzellenstapels zumindest einen, insbesondere jeweils genau einen, Ausgang einer der Brennstoffzellen mit zumindest einem, insbesondere jeweils genau einem, Eingang einer der Brennstoffzellen verbindet.
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Durch die Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung kann insbesondere eine Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung verbessert werden. Vorteilhaft kann eine Nutzungseffizienz eines Prozessfluides verbessert werden, wodurch sich insbesondere ein Wirkungsgrad erhöht. Ferner kann eine Kosteneffizienz verbessert werden, da aufgrund geringerer Volumenströme Wärmeüberträger kleiner ausgelegt werden können. Zudem können besonders vorteilhaft Kosten insbesondere durch Bauteilersparnis, reduziert werden, da vorteilhaft auf ein Hauptrezirkulationsgebläse verzichtet werden kann. Darüber hinaus kann eine Standzeit verbessert werden, da auf insbesondere temperaturempfindliche Bauteile, wie insbesondere das Hauptrezirkulationsgebläse, verzichtet werden kann.
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Unter einem „Brennstoffzellenstapel“ soll insbesondere eine gemeinschaftliche Anordnung zumindest zweier, insbesondere mehrerer Brennstoffzellen verstanden werden, welche mittels zumindest einer gemeinsamen Hauptfluidzuleitung zur Zuleitung zumindest eines Prozessfluides und zumindest einer gemeinsamen Hauptfluidhauptableitung zur Ableitung des Prozessfluides, insbesondere parallel, verbunden sind. Unter einem „Prozessfluid“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Fluid verstanden werden, welches zu einer elektrochemischen Reaktion innerhalb einer Brennstoffzelle vorgesehen ist. Insbesondere ist ein Prozessfluid, welches für eine Anode der Brennstoffzelle vorgesehen ist, ein Fluid, welches zumindest Wasserstoff, Methan und/oder ein Gemisch dieser aufweist. Ferner ist insbesondere ein Prozessfluid, welches für eine Kathode der Brennstoffzelle vorgesehen ist, ein Fluid, welches zumindest Sauerstoff, Luft und/oder ein Gemisch dieser aufweist. Unter dem Ausdruck „zumindest zu einem Großteil“ sollen dabei insbesondere zumindest zu 55 %, vorteilhaft zumindest zu 65 %, vorzugsweise zumindest zu 75 %, besonders bevorzugt zumindest zu 85 % und besonders vorteilhaft zumindest zu 95 % eines Volumens, einer Masse und/oder einer Erstreckung, insbesondere einer Längserstreckung, eines Objekts verstanden werden. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Der Fluidpfad verbindet insbesondere zumindest zwei Brennstoffzellen zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig räumlich und/oder fluidtechnisch innerhalb des Brennstoffzellenstapels. Insbesondere ist eine Anzahl von Fluidleitpfaden zumindest größer als eins, vorzugsweise höchstens um eins kleiner als eine Anzahl an Brennstoffzellen und besonders bevorzugt gleich einer Anzahl an Brennstoffzellen. Besonders vorteilhaft ist der Fluidleitpfad zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig in eine Brennstoffzellentopologie integriert und/ oder von dieser ausgebildet. Unter einem „Fluidleitpfad“ soll insbesondere ein gedachter Pfad eines Fluids verstanden werden, welcher in einem Betriebszustand einen Strömungspfad des Fluides durch die Fluidleiteinheit in Strömungsrichtung beschreibt. Besonders bevorzugt wird vorgeschlagen, dass die Fluidleiteinheit und der Brennstoffzellenstapel zumindest zu einem Großteil in einem gemeinsamen Gehäuse der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet sind.
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Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Fluidleiteinheit zumindest einen Fluidleitpfad, insbesondere den zuvor genannten Fluidleitpfad, umfasst, welcher zumindest einen Ausgang der ersten Brennstoffzelle mit zumindest einem Eingang der zweiten Brennstoffzelle verbindet. Hierdurch kann insbesondere eine Nutzungseffizienz eines Prozessfluides verbessert werden, da die erste Brennstoffzelle und die zweite Brennstoffzelle in Reihe verbunden werden können.
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Des Weiteren wird ferner vorgeschlagen, dass die Fluidleiteinheit zumindest einen Fluidleitpfad, insbesondere den zuvor genannten Fluidleitpfad, umfasst, welcher zumindest einen Ausgang der ersten Brennstoffzelle mit zumindest einem Eingang der ersten Brennstoffzelle verbindet. Hierdurch kann insbesondere eine Nutzungseffizienz eines Prozessfluides verbessert werden, da so das Prozessfluid innerhalb einer Brennstoffzelle rezirkuliert werden kann.
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Denkbar ist, dass der Ausgang ein kathodenseitiger Ausgang einer der Brennstoffzellen und der Eingang ein kathodenseitiger Eingang einer der Brennstoffzellen sein kann. Um eine Kosteneffizienz weiter zu verbessern und zwar insbesondere eine Nutzungseffizienz des hochpreisigen Prozessfluid der Anode, wird ferner vorgeschlagen, dass der Ausgang ein anodenseitiger Ausgang einer der Brennstoffzellen und der Eingang ein anodenseitiger Eingang einer der Brennstoffzellen ist.
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Insbesondere um eine Rezirkulation aufrecht zu erhalten wird vorschlagen, dass die Fluidleiteinheit zumindest eine Fluidfördereinheit zur Förderung des Prozessfluids durch den Fluidleitpfad aufweist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Fluidfördereinheit zumindest eine Venturi-Düse aufweist. Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die Fluidfördereinheit zumindest eine Strahlpumpe aufweist. Hierdurch kann eine besonders kostengünstige Förderung des Prozessfluides erreicht werden. Insbesondere kann auf bewegliche Teile verzichtet werden, wodurch eine Standzeit erhöht und Wartungszeiten verringert werden.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel, welcher zumindest eine erste Brennstoffzelle und zumindest eine zweite Brennstoffzelle aufweist, wobei innerhalb des Brennstoffzellenstapels ein Prozessfluid von zumindest einem Ausgang einer Brennstoffzelle einem Eingang einer der Brennstoffzellen zugeführt wird.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
- 1 eine Brennstoffzellenvorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,
- 2 ein Teil der Brennstoffzellenvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
- 3 ein alternatives Ausführungsbespiel einer Brennstoffzellenvorrichtung in einer schematischen Darstellung und
- 4 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenvorrichtung in einer schematischen Darstellung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung in einer schematischen Ansicht. Im vorliegenden Fall ist die Brennstoffzellenvorrichtung als eine Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung ausgebildet. Alternativ kann diese auch als eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle ausgebildet sein.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung weist ein Gehäuse 32a auf. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen Brennstoffzellenstapel 10a auf. Der Brennstoffzellenstapel 10a ist zumindest zu einem Großteil und bevorzugt vollständig in dem Gehäuse 32a angeordnet. Das Gehäuse 32a weist ein erstes Gehäuseteil 36a und ein zweites Gehäuseteil 38a auf. Das erste Gehäuseteil 36a und das zweite Gehäuseteil 38a umschließen zusammen den Brennstoffzellenstapel 10a von zumindest zwei Seiten. Denkbar ist, dass das Gehäuse 32a den Brennstoffzellenstapel 10a von allen Seiten umschließt. Insbesondere könnte das Gehäuse 32a einstückig ausgebildet sein.
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Der Brennstoffzellenstapel 10a weist zumindest eine erste Brennstoffzelle 12a auf. Ferner weist der Brennstoffzellenstapel 10a zumindest eine zweite Brennstoffzelle 14a auf. Ferner weist der Brennstoffzellenstapel 10a eine Vielzahl an Brennstoffzellen 12a, 14a auf. Der Übersichtlichkeit halber sind in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen die erste Brennstoffzelle 12a und die zweite Brennstoffzelle 14a näher beschrieben und mit einem Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung kann auch auf weitere Brennstoffzellen übertragen werden. Zudem kann der Brennstoffzellenstapel 10a eine für einen Fachmann besonders bevorzugte Anzahl an Brennstoffzellen 12a, 14a umfassen.
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Die erste Brennstoffzelle 12a und die zweite Brennstoffzelle 14a sind, insbesondere abgesehen von Herstellungs- und/oder Montagetoleranzen, identisch ausgebildet. Die erste Brennstoffzelle 12a weist eine erste Elektrode 40a auf. Die erste Elektrode 40a der ersten Brennstoffzelle 12a ist eine Anode. Ferner weist die erste Brennstoffzelle 12a eine zweite Elektrode 42a auf. Die zweite Elektrode 42a der ersten Brennstoffzelle 12a ist eine Kathode. Die zweite Brennstoffzelle 14a weist eine erste Elektrode 44a auf. Die erste Elektrode 44a der zweiten Brennstoffzelle 14a ist eine Anode. Ferner weist die zweite Brennstoffzelle 14a eine zweite Elektrode 46a auf. Die zweite Elektrode 46a der zweiten Brennstoffzelle 14a ist eine Kathode.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung weist eine Hauptfluideinheit 48a auf. Die Hauptfluideinheit 48a weist eine erste Hauptfluidzuleitung 50a auf. Die erste Hauptfluidzuleitung 50a ist dazu vorgesehen, dem Brennstoffzellenstapel 10a ein, insbesondere frisches, erstes Prozessfluid zuzuführen. Das erste Prozessfluid umfasst zumindest Wasserstoff, Methan und/oder ein Gemisch dieser. Ferner weist die Hauptfluideinheit 48a eine erste Hauptfluidableitung 52a auf. Die erste Hauptfluidableitung 52a ist dazu vorgesehen, das, insbesondere verbrauchte, erste Prozessfluid von dem Brennstoffzellenstapel 10a abzuführen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die erste Hauptfluidzuleitung 50a und die erste Hauptfluidableitung 52a mittels einer Hauptrückführleitung zu einer Rezirkulation des ersten Prozessfluids miteinander verbunden sind.
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Die Brennstoffzellen 12a, 14a sind mit der ersten Hauptfluidzuleitung 50a und der zweiten Hauptfluidableitung 52a, insbesondere parallel, verbunden. Die erste Hauptfluidzuleitung 50a und die erste Hauptfluidableitung 52a sind insbesondere mit den ersten Elektroden 40a, 44a der Brennstoffzellen 12a, 14a, insbesondere anodenseitig, verbunden.
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Die Hauptfluideinheit 48a weist eine zweite Hauptfluidzuleitung 54a auf. Die zweite Hauptfluidzuleitung 54a ist dazu vorgesehen, dem Brennstoffzellenstapel 10a ein zweites, insbesondere frisches, Prozessfluid zuzuführen. Das zweite Prozessfluid umfasst zumindest Sauerstoff, Luft und/oder ein Gemisch dieser. Ferner weist die Hauptfluideinheit 48a eine zweite Hauptfluidableitung 56a auf. Die zweite Hauptfluidableitung 56a ist dazu vorgesehen, das zweite, insbesondere verbrauchte, Prozessfluid von dem Brennstoffzellenstapel 10a abzuführen.
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Die Brennstoffzellen 12a, 14a sind mit der zweiten Hauptfluidzuleitung 54a und der zweiten Hauptfluidableitung 56a, insbesondere parallel, verbunden. Die zweite Hauptfluidzuleitung 54a und die zweite Hauptfluidableitung 56a sind insbesondere mit den zweiten Elektroden 42a, 46a der Brennstoffzellen 12a, 14a, insbesondere kathodenseitig, verbunden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils der Brennstoffzellenvorrichtung. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist zumindest eine Fluidleiteinheit 16a auf. Die Fluidleiteinheit 16a ist zumindest zu einem Großteil, und besonders bevorzugt vollständig, in dem Gehäuse 32a angeordnet. Die Fluidleiteinheit 16a ist zur Versorgung der Brennstoffzellen 12a, 14a mit zumindest einem Prozessfluid insbesondere innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10a vorgesehen.
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Die Fluidleiteinheit 16a weist je Brennstoffzelle 12a, 14a eine Eingangsfluidleitung 58a, 59a auf. Die Eingangsfluidleitungen 58a, 59a verbinden die erste Hauptfluidzuleitung 50a jeweils mit einem Eingang 26a, 28a der ersten Elektrode 40a, 44a der Brennstoffzellen 12a, 14a. Der Eingang 26a, 28a ist ein anodenseitiger Eingang einer der Brennstoffzellen 12a, 14a. Die Fluidleiteinheit 16a weist je Brennstoffzelle 12a, 14a eine Ausgangsfluidleitung 60a, 61a auf. Die Ausgangsfluidleitungen 60a, 61a verbinden die erste Hauptfluidableitung 52a jeweils mit einem Ausgang 22a, 24a der ersten Elektrode 40a, 44a der Brennstoffzellen 12a, 14a. Der Ausgang 22a, 24a ist ein anodenseitiger Ausgang der Brennstoffzellen 12a, 14a. Ferner kann die Fluidleiteinheit 16a jeweils weitere Eingangsfluidleitungen und Ausgangsfluidleitungen zur Verbindung der zweiten Elektroden 42a, 46a mit der zweiten Hauptfluidzuleitung 54a und der zweiten Hauptfluidableitung 56a aufweisen, welche im vorliegenden Fall in den Zeichnungen der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet sind.
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Die Fluidleiteinheit 16a weist zumindest einen, insbesondere je Brennstoffzelle 12a, 14a einen, Fluidleitpfad 18a, 20a auf. Der Fluidleitpfad 18a verbindet intern zumindest den Ausgang 22a der ersten Brennstoffzelle 12a mit zumindest einem Eingang 26a der ersten Brennstoffzelle 12a. Der Fluidleitpfad 20a verbindet zumindest den Ausgang 24a der zweiten Brennstoffzelle 14a mit zumindest einem Eingang 26a der zweiten Brennstoffzelle 14a.
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Die Fluidleiteinheit 16a weist zumindest eine, insbesondere je Brennstoffzelle 12a, 14a eine, Rückführleitung 62a, 64a auf. Die Rückführleitung 62a, 64a bildet zumindest teilweise den Fluidleitpfad 18a, 20a aus. Die Rückführleitung 62a, verbindet die Ausgangsfluidleitung 60a der ersten Brennstoffzelle 12a mit der Eingangsfluidleitung 58a der ersten Brennstoffzelle 12a. Die Rückführleitung 64a, verbindet die Ausgangsfluidleitung 61a der zweiten Brennstoffzelle 14a mit der Eingangsfluidleitung 59a der zweiten Brennstoffzelle 14a . Der Fluidleitpfad 18a, 20a ist zumindest teilweise von der Rückführleitung 62a, 64a, der Ausgangsfluidleitung 60a, 61a und der Eingangsfluidleitung 58a, 59a ausgebildet. Ferner kann die Fluidleiteinheit 16a zumindest eine, insbesondere je Brennstoffzelle 12a, 14a eine, Weiterführungsleitung aufweisen, welche zumindest teilweise einen Fluidleitpfad ausbilden könnte und welche zumindest einen Ausgang 22a der ersten Brennstoffzelle 12a mit dem Eingang 28a der zweiten Brennstoffzelle 14a verbinden könnte.
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Die Fluidleiteinheit 16a weist zumindest eine Fluidfördereinheit 30a, 31a insbesondere je Brennstoffzelle 12a, 14a auf. Die Fluidfördereinheit 30a, 31a ist zur Förderung des ersten Prozessfluides entlang dem Fluidleitpfad 20a vorgesehen. Die Fluidfördereinheit 30a, 31a weist zumindest eine Venturi-Düse auf. Die Fluidfördereinheit 30a, 31a kann alternativ oder zusätzlich zumindest eine Strahlpumpe aufweisen. Beispielhaft ist hier eine Anordnung der Fluidfördereinheit 30a in Bezug auf den ersten Fluidleitpfad 18a beschrieben. Ein erster Anschluss der Fluidfördereinheit 30a ist mit der Eingangsfluidleitung 58a verbunden. Ein zweiter Anschluss der Fluidfördereinheit 30a ist mit der Rückführleitung 62a verbunden. Ein dritter Anschluss der Fluidfördereinheit 30a ist mit dem Eingang 26a der Brennstoffzelle 12a verbunden.
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In den 3 und 4 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 und 2 verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b und c ersetzt.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von dem vorhergehenden im Wesentlichen durch eine Ausgestaltung einer Fluidleiteinheit 16b. In dem vorliegenden Fall weist eine Fluidleiteinheit 16b zumindest einen Fluidleitpfad 18b auf. Der Fluidleitpfad 18b verbindet einen Ausgang 22b einer ersten Brennstoffzelle 12b mit zumindest einem Eingang 28b einer zweiten Brennstoffzelle 14b. Die Fluidleiteinheit 16b weist, insbesondere je Brennstoffzelle 12b, 14b, insbesondere anstelle einer Rückleitungsleitung, eine Weiterführungsleitung 66b auf. Die Weiterführungsleitung 66b bildet zumindest teilweise den Fluidleitpfad 18b aus. Die Rückführleitung 62b, verbindet die Ausgangsfluidleitung 60b der ersten Brennstoffzelle 12b mit einer Eingangsfluidleitung 59b der zweiten Brennstoffzelle 14b. Die erste Brennstoffzelle 12b und die zweite Brennstoffzelle 14b sind mittels der Weiterführungsleitung 66b in Reihe geschaltet. Der Fluidleitpfad 18b ist zumindest teilweise von der Weiterführungsleitung 66b, der Ausgangsfluidleitung 60b der ersten Brennstoffzelle 12b und der Eingangsfluidleitung 59b der zweiten Brennstoffzelle 14b ausgebildet.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel der 4 unterscheidet sich von dem vorhergehenden im Wesentlichen durch eine Ausgestaltung einer Fluidleiteinheit 16c. In dem vorliegenden Fall weist die Fluidleiteinheit 16c zumindest einen Fluidleitpfad 18c auf. Der Fluidleitpfad 18c, verbindet einen Ausgang 22c einer ersten Brennstoffzelle 12c mit zumindest einem Eingang 28c einer zweiten Brennstoffzelle 14c. Ferner weist die Fluidleiteinheit 16c einen weiteren Fluidleitpfad 19c auf. Der weitere Fluidleitpfad 19c, verbindet einen Ausgang 22c einer ersten Brennstoffzelle 12c mit zumindest einem Eingang 28c einer zweiten Brennstoffzelle 14c.
