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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel und ein
Verfahren zu dessen Zusammenbau.
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Ein
allgemein bekannter Brennstoffzellenstapel wird gebildet, indem
eine Vielzahl an einzelnen Zellen laminiert oder geschichtet wird,
die jeweils eine Membranelektrodenbaugruppe (nachstehend ist diese
als MEA bezeichnet) haben, die zwischen zwei Separatoren angeordnet
ist. Die MEA besteht aus einer elektrolytischen Membran und Gasdiffusionselektroden.
Platin als katalytische Elektroden wird an beiden Flächen der
elektrolytischen Membran aufgetragen, die zwischen den Gasdiffusionselektroden angeordnet
wird. Die katalytische Elektrode und die Gasdiffusionselektrode,
die an einer Fläche
der MEA ausgebildet sind, bilden eine Anode, und die katalytische
Elektrode und die Gasdiffusionselektrode, die an der anderen Oberfläche der
MEA ausgebildet sind, bilden eine Kathode. Ein Brennstoffgaskanal, der
bewirkt, dass Wasserstoffgas als Brennstoffgas zu einer einzelnen
Zelle verteilt wird, ist in einem Separator der Anode zugewandt
ausgebildet. Ein Oxidationsgaskanal, der bewirkt, dass Luft als
Oxidationsgas zu der einzelnen Zelle verteilt wird, ist in einem
Separator der Kathode zugewandt ausgebildet.
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Wenn
die Streuungsbreite der Ausgabespannung unter den einzelnen Zellen,
die einen Brennstoffzellenstapel bilden, zunimmt, kann sich die Gesamtleistung
des Brennstoffzellenstapels verschlechtern. Somit gibt es mit der
Offenbung in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr.
JP 2000-208 161 A einen
Stand der Technik, bei dem Ausgabespannungen von einzelnen Zellen
jeweils während
der Betriebssteuerung eines Brennstoffzellenstapels einzeln überwacht
werden, wobei eine Standardabweichung von den Ausgabespannungen berechnet
wird und wobei die elektrische Stromdichte, die Reaktionsgasströmungsrate
oder der Reaktionsgasdruck auf der Basis der Standardabweichung im
Hinblick auf das Halten einer hohen Leistung des Brennstoffzellenstapels
als Ganzes gesteuert wird.
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Selbst
wenn die elektrische Stromdichte, die Reaktionsgasströmungsrate
oder der Reaktionsgasdruck somit auf der Grundlage einer Standardabweichung
der Abgabespannungen der einzelnen Zellen gesteuert wird, hat eine
allein derartige Steuerung ihre Grenzen beim Unterdrücken des
Einflusses der Streuung der Ausgabespannung unter den einzelnen Zellen.
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Die
DE 691 25 265 T2 zeigt,
dass die Maßgenauigkeit
an einer Kathodenplatte hohe Werte annehmen kann, d. h. was als
enge Fertigungstoleranz verstanden wird.
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Die
DE 35 16 7654 C2 zeigt
einen Brennstoffzellenstapel, bei dem die Dichtigkeit des Verteilsystems
durch den Zusammenbau – d.
h. das Stapeln und Verspannen – hergestellt
wird.
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Die
DE 40 09 138 A1 beschreibt
die Abdichtung an verschiedenen Stellen, die mittels separater Dichtflächen gasdicht
an den bipolaren Platten erfolgen soll.
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Die
DE 198 01 117 C1 zeigt
Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung
der Qualität
eines eine Membran umfassende flächigen
Elements, mit dem eine Membran auf Löcher untersucht wird.
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Die
DE 196 05 920 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Prüfung
von Keramikplatten auf Dichtigkeit, indem die Platte randseitig
abgedichtet und auf einer Seite davon Unterdruck aufgebracht wird.
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Schließlich zeigt
die
DE 4442 285 C1 eine einzelne
Brennstoffzelle, die jeweils eine negative Polplatte, eine negative
Elektrode, eine Membran, eine positive Elektrode und eine positive
Polplatte hat, wobei diese Brennstoffzelle als Einzelelement fertig
zusammengebaut werden kann, indem ein Rahmenelement die beiden Polplatten
fest miteinander verbindet.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen,
der den Einfluss der Streuung zum Zeitpunkt der Herstellung seiner
Komponenten unterdrücken
kann, sowie ein Verfahren zum Zusammenbau eines derartigen Brennstoffzellenstapels
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen von Anspruch
1 und hinsichtlich der Brennstoffzelle mit den Merkmalen von Anspruch
11 gelöst.
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Da
in dem erfindungsgemäßen Verfahren jene
in einem Brennstoffzellenstapel angewendeten Komponenten, die im
Wesentlichen im Hinblick auf die Genauigkeit oder Eigenschaft im
Wesentlichen gleichwertig sind, zusammengetragen und kombiniert
werden, wird die Streuungsbreite der Genauigkeit oder Eigenschaft
zwischen diesen Komponenten verringert. Somit kann der Einfluss
einer derartigen Streuung unterdrückt werden, und ein Brennstoffzellenstapel
mit ausgezeichneter Leistung kann erzielt werden.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren gemäß der Erfindung
außerdem
einen Schritt zum Einteilen der Komponenten in zwei oder mehr verschiedene Klassen
im Hinblick auf die Genauigkeit oder eine Eigenschaft zum Zeitpunkt
der Herstellung und zum Ansammeln und Kombinieren von jenen Komponenten,
die im Hinblick auf die Klassen gleichwertig sind. In diesem Fall
erden die Komponenten in die Klassen eingeteilt, und jene Komponenten,
die im Hinblick auf die Klasse gleichwertig sind, werden zusammengetragen
und kombiniert, wodurch der Effekt der Erfindung erzielt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann ferner einen Schritt zum Einteilen der Komponenten in Klassen
entsprechend zwei oder mehr geteilten Bereichen innerhalb eines
vorbestimmten zulässigen Bereiches
im Hinblick auf die Genauigkeit oder eine Eigenschaft zum Zeitpunkt
der Herstellung und zum Ansammeln und Kombinieren von jenen Komponenten,
die im Hinblick auf die Klasse gleichwertig sind, haben. Da in diesem
Fall die Komponenten in Klassen entsprechend den zwei oder mehr
geteilten Bereichen innerhalb der vorbestimmten zulässigen Bereiche
sind, können
jene Komponenten ausgeschlossen werden, deren Genauigkeit oder Eigenschaft
außerhalb
des zulässigen
Bereiches liegt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel
können
die Komponenten in zwei oder mehr verschiedene Klassen im Hinblick
auf die Genauigkeit oder die Eigenschaft zum Zeitpunkt der Herstellung
eingeteilt werden, und dass jene Komponenten, die im Hinblick auf
die Klasse gleichwertig sind, zusammengetragen und kombiniert werden.
In diesem Fall werden die Komponenten in die Klassen eingeteilt
und jene Komponenten, die im Hinblick auf die Klasse gleichwertig
sind, werden zusammengetragen und kombiniert, wodurch der Effekt
der Erfindung erzielt wird.
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Außerdem können die
Komponenten in Klassen entsprechend zwei oder mehr geteilten Bereichen
innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Bereiches der Genauigkeit
oder Eigenschaft zu dem Zeitpunkt der Herstellung eingeteilt werden,
und dass jene Komponenten, die im Hinblick auf die Klasse gleichwertig
sind, zusammengetragen und kombiniert werden. Da in diesem Fall
die Komponenten in die Klassen entsprechend den zwei oder mehr geteilten
Bereichen innerhalb der vorbestimmten zulässigen Bereiche eingeteilt
sind, können
jene Komponenten ausgeschlossen werden, deren Genauigkeit oder Eigenschaft
außerhalb
des zulässigen
Bereiches ist.
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Bei
der Erfindung sind die Komponenten nicht speziell beschränkt, solange
sie aus einer Vielzahl an Bestandteilen einer einzelnen Brennstoffzelle bestehen.
Beispielsweise ist es geeignet, dass die Komponenten einzelne Zellen
sind, dass die Komponenten Membranelektrodenbaugruppen oder Separatoren
sind, die die einzelnen Zellen bilden, oder dass die Komponenten
Gasdiffusionselektrodenlagen, katalytische Elektrodenlagen oder
Elektrolytmembranen sind, die Membranelektrodenbaugruppen bilden.
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Bei
der Erfindung ist der zulässige
Bereich ein Bereich, bei dem keinerlei Störung bei Situationen in der
Praxis bewirkt wird. Der zulässige
Bereich kann beispielsweise entweder empirisch oder theoretisch
bestimmt werden. Des weiteren kann der zulässige Bereich in dem Fall,
bei dem eine Einteilung auf der Grundlage der Klassen ausgeführt wird,
breiter als der zulässige
Bereich in dem Fall sein, bei dem eine Einteilung auf der Grundlage
der Klassen nicht ausgeführt
wird. Das heißt
wenn eine Einteilung auf der Grundlage der Klassen ausgeführt wird,
ist die Streuungsbreite der Genauigkeit oder der Eigenschaft verringert,
und als ein Ergebnis wird die Steuerstabilität des Brennstoffzellenstapels
erhöht.
Folglich ergibt sich selbst dann, wenn ein Bereich, der als unzulässig gemäß dem zugehörigen Stand
der Technik erachtet wird, in den zulässigen Bereich hineingenommen
ist, eine geringere Wahrscheinlichkeit für eine Störung bei der Anwendung in der
Praxis.
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Die
vorstehend dargelegten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile
der Erfindung gehen aus der nachstehend dargelegten Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen deutlich hervor, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche
Elemente bezeichnen.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Gesamtaufbaus eines Brennstoffzellenstapels
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2A zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht einer einzelnen Zelle zum
Bilden des Brennstoffzellenstapels gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2B zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht der einzelnen Zelle, die
dazu gestaltet ist, den Brennstoffzellenstapel gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zu bilden, unter Betrachtung aus einem Winkel, der
in 2A mit "A" gezeigt ist.
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3A zeigt
eine Querschnittsansicht des Gesamtaufbaus der einzelnen Zelle,
die nicht zusammengebaut ist.
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3B zeigt
eine Querschnittsansicht des Gesamtaufbaus der einzelnen Zelle,
die zusammengebaut ist.
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4 zeigt
eine erläuternde
Ansicht einer Prozedur, die mit der Messung eines Druckverlustes bei
jeder einzelnen Zelle beginnt und die mit dem Kombinieren der einzelnen
Zellen endet.
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5 zeigt
eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen dem Druckverlust
bei der einzelnen Zelle und der Anzahl der Erzeugnisse.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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Ein
Brennstoffzellenstapel 10 ist ein Brennstoffzellenstapel
der festen Hochpolymerart und besteht hauptsächlich aus einem Stapelaufbau,
der erhalten wird, indem eine Vielzahl an einzelnen Zellen 20 als
Basiseinheiten laminiert werden. Jede einzelne Zelle 20 hat
eine MEA 30, die zwischen einem ersten Separator 40 und
einem zweiten Separator 50 angeordnet ist.
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Die
MEA 30 ist eine Membranelektrodenbaugruppe mit einer elektrolytischen
Membran 31, die zwischen einer Anode 32 und einer
Kathode 33 angeordnet ist. Es sollte hierbei beachtet werden,
dass die elektrolytische Membran 31 eine Proton-Leition-Austauschmembran
(beispielsweise eine von DuPont® hergestellte Nafion®-Membran)
ist, die aus einem festen Hochpolymermaterial wie beispielsweise Fluorharz
hergestellt ist und eine hohe elektrische Leitfähigkeit im feuchten Zustand
aufweist. Platin oder eine aus Platin oder einem anderen Metall
bestehende Legierung wird auf beide Flächen der elektrolytischen Membran 31 aufgetragen,
wodurch katalytische Elektrodenlagen 34 und 35 ausgebildet
werden. Gasdiffusionselektrodenlagen 36 und 37,
die aus Kohlenstofftextilien ausgebildet sind, die aus Kohlenstofffaserdrähten gewebt
sind, werden außerhalb
der katalytischen Elektrodenlagen 34, 35 jeweils angeordnet.
Die katalytische Elektrodenlage 34 und die Gasdiffusionselektrodenlage 36 bilden
die Anode 32. Die katalytische Elektrodenlage 35 und
die Gasdiffusionselektrodenlage 37 bilden die Kathode 33. Es
ist nicht unbedingt erforderlich, dass die Gasdiffusionselektrodenlagen 36 und 37 aus
Kohlenstofftextilstück
ausgebildet sind. Die Gasdiffusionselektrodenlagen 36 und 37 können außerdem aus
Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofffilz ausgebildet sein, der aus
Kohlenstofffaser hergestellt ist, und es ist lediglich erforderlich,
dass sie ein ausreichendes Gaszerstreuungsvermögen und eine ausreichende Leitfähigkeit
aufzeigen.
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Sowohl
der erste als auch der zweite Separator 40 und 50 ist
aus einem gegenüber
Gas undurchlässigen
leitfähigen
Element ausgebildet, wie beispielsweise aus geformten Kohlenstoff,
das durch ein Verdichten des Kohlenstoffs gegenüber Gas undurchlässig gemacht
worden ist. Lochabschnitte 41 und 42 sind entlang
einer der beiden entgegengesetzten Seiten des ersten Separators 40 ausgebildet. Lochabschnitte 46 und 47 sind
entlang der anderen Seite des ersten Separators 40 ausgebildet.
Eine gewundene konkave Nut 43 für eine Verbindung zwischen
den Lochabschnitten 41 und 42 ist an einer Fläche des
ersten Separators 40 ausgebildet, die der Anode 32 der
MEA 30 zugewandt ist. Die konkave Nut 43 bildet
einen Brennstoffgaskanal 21 in der einzelnen Zelle 20.
Das heißt
wenn Brennstoffgas von dem Lochabschnitt 41 bei der einzelnen
Zelle 20 geliefert wird, wird das Brennstoffgas von dem
Lochabschnitt 42 über
die konkave Nut 43 abgegeben. Es sollte hierbei beachtet
werden, dass eine Vielzahl an kleinen Vorsprüngen 44 mit einer
vorbestimmten Form von einer Bodenfläche der konkaven Nut 43 vorragen.
Die kleinen Vorsprünge 44 haben
eine Funktion zum Sicherstellen einer ausreichenden Leitfähigkeit
durch einen Kontakt zwischen ihren Endflächen und der Gasdiffusionselektrodenlage 36 der
Anode 32 und zum Verbessern des Gasnutzverhältnisses
durch eine Diffusion des Gases, das durch den Brennstoffgaskanal 21 strömt, der
durch die konkave Nut 43 ausgebildet ist. Andererseits
sind Lochabschnitte 51 und 52 entlang einer der
beiden entgegengesetzten Seiten des zweiten Separators 50 ebenfalls
ausgebildet. Lochabschnitte 56 und 57 sind entlang
der anderen Seite des zweiten Separators 50 ausgebildet.
Eine gewundene konkave Nut 53 für eine Verbindung der Lochabschnitte 56 und 57 ist
an einer Fläche
des zweiten Separators 50 ausgebildet, die der Kathode 33 der
MEA 30 zugewandt ist. Die konkave Nut 53 bildet
einen Oxidationsgaskanal 22 bei der einzelnen Zelle 20.
Das heißt,
wenn Brennstoffgas von dem Lochabschnitt 56 bei der einzelnen Zelle 20 geliefert
wird, wird das Brennstoffgas von dem Lochabschnitt 57 durch
die konkave Nut 53 abgegeben. Obwohl dies nicht gezeigt
ist, sind kleine Vorsprünge,
die im Wesentlichen die gleichen wie jene bei der konkaven Nut 43 sind,
in der konkaven Nut 53 ausgebildet. Die Lochabschnitte 41 und 42 des
ersten Separators 40 stehen mit den Lochabschnitten 51 und 52 des
zweiten Separaturs 50 jeweils in Verbindung. Die Lochabschnitte 46 und 47 des
ersten Separators 40 stehen mit den Lochabschnitten 56 und 57 des
zweiten Separators 50 jeweils in Verbindung.
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Der
Brennstoffzellenstapel 10 wird vollendet, indem die einzelnen
Zellen 20 laminiert werden und anschließend eine Kollektorplatte 11,
eine Isolationsplatte 13 und eine Endplatte 15 an
einem Ende und eine Kollektorplatte 12, eine Isolationsplatte 14 und eine
Endplatte 16 an dem anderen Ende angeordnet werden. Die
Kollektorplatten 11 und 12 sind aus einem gegenüber Gas
undurchlässigen
leitfähigen
Element ausgebildet, wie beispielsweise kompakter Kohlenstoff, eine
Kupferplatte oder dergleichen. Die Isolationsplatten 13 und 14 sind
aus einem isolierenden Element wie beispielsweise Gummi, Harz oder dergleichen
ausgebildet. Die Endplatten 15 und 16 sind aus
einem Metall wie beispielsweise unelastischem Stahl oder dergleichen
ausgebildet. Die Kollektorplatten 11 und 12 haben
jeweils Ausgangsanschlüsse 17 und 18,
so dass eine in dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte
elektromotorische Kraft ausgegeben werden kann. Die Endplatten 15 und 16 beaufschlagen
die laminierten einzelnen Zellen 20 in der Richtung der
Laminierung mittels einer (nicht gezeigten) Druckbeaufschlagungsvorrichtung
mit Druck und halten somit diese.
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In
dem Brennstoffzellenstapel 10 mit den laminierten einzelnen
Zellen 20 stehen die Lochabschnitte 41 und 51 von
jeder der sämtlichen
einzelnen Zellen 20 miteinander in Verbindung und bilden somit
eine Brennstoffgasliefersammelleitung 61. Die Lochabschnitte 42 und 52 von
jeder der sämtlichen einzelnen
Zellen 20 stehen miteinander in Verbindung und bilden somit
eine Brennstoffgasabgabesammelleitung 62. Die Lochabschnitte 46 und 56 von jeder
der sämtlichen
einzelnen Zellen 20 stehen miteinander in Verbindung und
bilden somit eine Oxidationsgasliefersammelleitung 66.
Die Lochabschnitte 47 und 57 von jeder der sämtlichen
einzelnen Zellen 20 stehen miteinander in Verbindung und
bilden somit eine Oxidationsgasabgabesammelleitung 67.
Es sollte hierbei beachtet werden, dass ein Abdichtelement 38 in
einem Zwischenraum zwischen dem ersten Separator 40 und
dem zweiten Separator 50 angeordnet ist. Das Abdichtelement 38 spielt
eine Rolle zum Verhindern eines Vermischens von Brennstoffgas und
Oxidationsgas in jenem Abschnitt und zum Verhindern eines Austretens
der Gase zu der Außenseite.
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Wenn
der Brennstoffzellenstapel 10 betrieben wird, wird Brennstoffgas
(in diesem Fall Wasserstoffgas) zu der Brennstoffgasliefersammelleitung 61 mittels
einer (nicht gezeigten) Steuervorrichtung geliefert und Oxidationsgas
(Druckluft in diesem Fall) wird zu der Oxidationsliefersammelleitung 66 mittels der
Steuervorrichtung geliefert. Dann strömt das Brennstoffgas durch
den Brennstoffgaskanal 21 von jeder der einzelnen Zellen 20 und
wird zu der Außenseite
des Brennstoffzellenstapels 10 über die Brennstoffgasabgabesammelleitung 62 abgegeben.
Oxidationsgas strömt
durch den Oxidationsgaskanal 22 von jeder der einzelnen
Zellen 22 und wird zu der Außenseite des Brennstoffzellenstapels 10 durch
die Oxidationsgasabgabesammelleitung 67 abgegeben. Zu diesem
Zeitpunkt wird eine elektromotorische Kraft in jeder der einzelnen
Zellen 20 durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt.
Da jedoch die einzelnen Zellen 20 in Reihe verbunden sind,
ist die Summe der elektromotorischen Kräfte in den einzelnen Zellen 20 einer
Abgabeleistung des Brennstoffzellenstapels 10 gleich.
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Obwohl
dies in den Zeichnungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels nicht gezeigt
ist, sind Kühlmittelkanäle, durch
die ein Kühlmittel
strömt, ebenfalls
in den einzelnen Zellen 20 ausgebildet. Da die in dem Brennstoffzellenstapel 10 voranschreitende
elektrochemische Reaktion eine exothermische Reaktion ist, wird
die Innentemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 in einem
vorbestimmten Temperaturbereich gehalten, indem bewirkt wird, dass
ein Kühlmittel
durch die Kühlmittelkanäle umläuft.
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Der
Brennstoffzellenstapel 10 hat einen aus laminierten einzelnen
Zellen 20 bestehenden Stapelaufbau. Es sollte hierbei beachtet
werden, dass sämtliche
laminierten einzelnen Zellen 20 erhalten werden, indem
einzelne Zellen zusammengetragen und kombiniert werden, die im Wesentlichen
den gleichen Druckverlust in dem Brennstoffgaskanal 21 haben
und die im Wesentlichen den gleichen Druckverlust in dem Oxidationsgaskanal 22 haben.
Obwohl die folgende Beschreibung ein Beispiel des Druckverlustes
in dem Oxidationsgaskanal 22 behandelt, gilt das gleiche
für den
Druckverlust in dem Brennstoffgaskanal 21.
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4 zeigt
eine erläuternde
Ansicht einer Prozedur, die mit dem Messen eines Druckverlustes in
jeder einzelnen Zelle beginnt und die mit dem Kombinierender einzelnen
Zellen endet. Um einen Druckverlust in dem Oxidationsgaskanal 22 von
jeder der einzelnen Zellen 20 zu messen, wie dies durch den
Ausdruck "(1) Messung
eines Druckverlustes in jeder einzelnen Zelle" aufgezeigt ist, wird eine erste Abdichtplatte 80 zunächst in
einen engen Kontakt mit dem ersten Separator 40 von jedem
der einzelnen Zellen 20 gebracht, so dass die Lochabschnitte 41, 42, 46 und 47 durch
die erste Abdichtplatte 80 geschlossen sind.
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Eine
zweite Abdichtplatte 82 wird in einen engen Kontakt mit
dem zweiten Separator 50 der einzelnen Zelle 20 gebracht,
so dass die Lochabschnitte 51, 52, 56 und 57 durch
die zweite Abdichtplatte 82 geschlossen sind. Jede der
Abdichtplatten 80 und 82 hat eine Gummifläche, die
mit der einzelnen Zelle 20 in Kontakt gelangt. Die Gummifläche schließt entsprechende
Lochabschnitte in einer luftdichten Weise. Des weiteren hat die
zweite Abdichtplatte 82 ein Einführloch 82a und ein
Abgabeloch 82b. Das Einführloch 82a erstreckt
sich von einer Seitenfläche
der zweiten Abdichtplatte 82 bis zu einer Position, die dem
Lochabschnitt 51 zugewandt ist. Das Abgabeloch 82b erstreckt
sich von einer Position, die dem Lochabschnitt 52 zugewandt
ist, zu einer Seitenfläche
der zweiten Abdichtplatte 82.
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Ein
Regler 70 zum Stabilisieren eines Ausgangsdrucks, ein Filter 72 zum
Entfernen von Staub aus dem Gas, eine Strömungssteuereinrichtung 74 zum
Steuern einer Strömungsrate,
ein Drosselventil 76 zum Einstellen der Drosselung der
Gasströmung und
ein erster Druckmesser 78 zum Messen eines Drucks eines
Gases, das zu der einzelnen Zelle 20 geliefert wird, sind
in einer Gaslieferleitung Lin eingebaut, die mit dem Einführloch 82a verbunden
ist. Diese Komponenten oder Bauteile sind in dieser Reihenfolge
beginnend von einem stromaufwärtigen
Abschnitt der Gaslieferleitung Lin angeordnet. Andererseits sind
ein zweiter Druckmesser 84 zum Messen eines Druckes eines
Gases, das von der einzelnen Zelle 20 abgegeben wird, und
ein Drosselventil 86 zum Einstellen der Drosselung der
Gasströmung
in einer Gasabgabeleitung Lout eingebaut, die mit dem Abgabeloch 82b verbunden
ist. Diese Komponenten oder Bauteile sind in dieser Reihenfolge,
beginnend von einem stromaufwärtigen
Abschnitt der Gasabgabeleitung Lout, angeordnet. Beim Messen eines Druckverlustes
wird ein Druckgas zu der Gaslieferleitung Lin geliefert und der
Regler 70 wird bei einem vorbestimmten Ausgangsdruck eingestellt.
Die Strömungsrate
des Druckgases wird durch die Strömungssteuereinrichtung 74 eingestellt
und die Drosselung des Druckgases wird durch die Drosselventile 76, 86 eingestellt.
Dann wird ein von dem ersten Druckmesser 78 gelesener Wert
als ein lieferseitiger Gasdruck erachtet und ein von dem zweiten
Druckmesser 84 gelesener Wert wird als ein abgabeseitiger
Gasdruck erachtet. Eine Differenz zwischen den beiden Gasdrücken wird
berechnet und als ein Druckverlust erachtet, der dann in eine bestimmte von
vorbestimmten Klassen eingeteilt wird.
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Vor
der Erläuterung
der Einteilung auf der Grundlage der Klassen ist ein Verfahren zum
Bestimmen der Klassen beschrieben. 5 zeigt
eine graphische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Druckverlust
in jeder der einzelnen Zellen und der Anzahl der Erzeugnisse. Wie
dies in 5 gezeigt ist, hat der Druckverlust
in dem Oxidationsgaskanal 22 einen vorbestimmten zulässigen Bereich. Wenn
angenommen wird, dass die Abszissenachse den Druckverlust darstellt
und dass die Ordinatenachse die Häufigkeit (die Anzahl an Erzeugnissen) darstellt,
wird eine im Wesentlichen normale Verteilung erhalten. Dieser zulässige Bereich
wird in zwei oder mehr kleine Bereiche geteilt, denen eine erste Klasse,
eine zweite Klasse, ... und eine n-te Klasse jeweils zugeordnet
ist. Die erste Klasse ist als ein Bereich mit einem minimalen Druckverlust
definiert, das heißt
ein Bereich mit einem minimalen Widerstand gegenüber der Gasströmung. Wenn
die Ordnungszahl der Klasse zunimmt, nimmt der Druckverlust allmählich zu.
Die n-te Klasse ist als ein Bereich mit einem maximalen Druckverlust
definiert, das heißt
ein Bereich mit einem maximalen Widerstand gegenüber der Gasströmung. Bei
der Einteilung auf der Grundlage der Klassen können die kleinen Bereiche bestimmt
werden, indem der zulässige
Bereich entweder gleich oder ungleich geteilt wird.
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Der
Druckverlust in dem Oxidationsgaskanal 22 in der einzelnen
Zelle 20 wird vermutlich gestreut, da der Oxidationsgaskanal 22 bei
den Erzeugnissen geringfügig
im Hinblick auf das Volumen oder die Innenform unterschiedlich ist.
Eine derartig geringfügige
Differenz ist vermutlich dem Umstand zuschreibbar, dass die Genauigkeit
beim Ausbilden der konkaven Nut 53 des Separators 50 oder
sich die Genauigkeit beim Ausbilden der kleinen, von der konkaven Nut
vorragenden Vorsprünge
unter den Erzeugnissen unterscheidet, dass sich die elektrolytische Membran 31,
die katalytische Elektrodenlage 35 oder die Gasdiffusionselektrodenlage 37 der
MEA 30 im Hinblick auf die Dicke oder Dichte unter den
Erzeugnissen unterscheidet oder dass sich der Betrag des Abdichtelementes 38,
das beim miteinander erfolgenden Verbinden des ersten und zweiten
Separators 40 und 50 verwendet wird, bei den Erzeugnissen unterscheidet.
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Die
Einteilung auf der Grundlage der Klassen wird wie folgt ausgeführt. Das
heißt,
der Oxidationsgaskanal 22 der einzelnen Zelle 20,
die in diesem Augenblick zu messen ist, wird in eine bestimmte Klasse
in Abhängigkeit
davon eingeteilt, welche der ersten bis n-ten Klasse einem Druckverlust
in dem Oxidationsgaskanal 22 entspricht. In ähnlicher
Weise wird der Brennstoffgaskanal 21 der einzelnen Zelle 20,
die in diesem Augenblick zu messen ist, in eine bestimmte Klasse
in Abhängigkeit
davon eingeteilt, welche der ersten bis n-ten Klasse einem Druckverlust
in dem Brennstoffgaskanal entspricht. Dann wird eine entsprechende
Position der einzelnen Zelle 20, die zu diesem Zeitpunkt
zu messen ist, in einer bei dem Ausdruck "(2) Einteilung auf der Grundlage von Klassen" in 4 gezeigten
Tabelle, das heißt
in einer Tabelle, die die Klassen des Oxidationsgaskanals 22 und
des Brennstoffgaskanals 21 wiedergibt, aufgezeichnet. Wenn
beispielsweise der Druckverlust in dem Oxidationsgaskanal 22 der
ersten Klasse entspricht und der Druckverlust in dem Brennstoffgaskanal 21 der
zweiten Klasse entspricht, wird die Position der einzelnen Zelle 20 als "Klasse 1-2" in der Tabelle aufgezeichnet.
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Nachdem
die Position von jeder einzelnen Zelle 20 als "Klasse O-O" (O gibt eine ganze Zahl gleich wie
oder größer als
1 wieder) in der Tabelle aufgezeichnet worden ist, werden die einzelnen
Zellen 20, die zu der gleichen Klasse gehören, zusammengetragen
und so kombiniert, dass der Brennstoffzellenstapel 10 hergestellt
wird, wie dies aus dem Ausdruck "(3)
Kombinieren von einzelnen Zellen" in 4 hervorgeht.
Beispielsweise werden die einzelnen Zellen 20, die zu "Klasse 1-1" gehören, zusammengetragen
und kombiniert, oder die einzelnen Zellen 20, die zu "Klasse 1-2" gehören, werden
zusammengetragen und kombiniert. Als ein Ergebnis hat der somit
erhaltene Brennstoffzellenstapel 10 einen im Wesentlichen
gleichen Druckverlust in dem Oxidationsgaskanal 22. Folglich
strömt
Oxidationsgas, das von der Oxidationsgasliefersammelleitung 66 geliefert
worden ist, durch den Oxidationsgaskanal 22 von einer beliebigen
der einzelnen Zellen 20, die den Brennstoffzellenstapel 10 bilden,
bei einer im Wesentlichen gleichen Strömungsrate. Des Weiteren strömt, da der
Brennstoffzellenstapel 10 im Wesentlichen einen gleichen
Druckverlust in dem Brennstoffgaskanal 21 hat, Brennstoffgas,
das von der Brennstoffgasliefersammelleitung 61 geliefert
worden ist, durch den Brennstoffgaskanal 21 von einer beliebigen
der einzelnen Zellen 20, die den Brennstoffzellenstapel 10 bilden,
bei einer im Wesentlichen gleichen Strömungsrate. Dem gemäß tritt
eine elektrochemische Reaktion im Wesentlichen in der gleichen Weise
auf und eine im Wesentlichen gleiche Ausgabespannung wird in jeder
der einzelnen Zellen 20 erzeugt.
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In
dem Brennstoffzellenstapel 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels,
das vorstehend detaillierter beschrieben ist, ist die Streuungsbreite
der Eigenschaft der einzelnen Zellen 20 als eine Vielzahl von
Bestandteilen, die bei dem Brennstoffzellenstapel 10 angewandt
werden, das heißt
die Streuungsbreite des Druckverlustes in den Gaskanälen 21 und 22 verringert.
Folglich kann der Einfluss einer derartigen Streuung unterdrückt werden
und es wird eine ausgezeichnete Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 erzielt.
Wenn beispielsweise die Druckverluste in den einzelnen Zellen 20 weit
gestreut sind, werden die einzelnen Zellen 20 mit erwünschten
Druckverlusten und die einzelnen Zellen 20 mit annähernd nicht
akzeptablen Druckverlusten in dem Brennstoffzellenstapel 10 miteinander
vermengt. Es ist schwierig, gleichzeitig Steuerungen auszuführen, die
für die einzelnen
Zellen 20 von diesen zwei verschiedenen Arten geeignet
sind. Wenn jedoch die Druckverluste wie in dem Fall des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
eng gestreut sind, enthält
der jeweilige Brennstoffzellenstapel 10 lediglich die einzelnen
Zellen 20, die einen im Wesentlichen gleichen Druckverlust
haben. Somit muss lediglich eine Steuerung ausgeführt werden,
die für
die einzelnen Zellen 20 von dieser einen Art geeignet ist.
Folglich ist die Steuerstabilität bei
dem Brennstoffzellenstapel 10 erhöht.
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Des
Weiteren wird, da die Einteilung auf der Grundlage der Klassen gemäß den zwei
oder mehr Klassen ausgeführt
wird, die den vorbestimmten zulässigen
Bereich bilden, jede der einzelnen Zellen 20, deren Genauigkeit
oder Eigenschaftswert außerhalb des
zulässigen
Bereiches ist, ausgeschlossen. Es sollte jedoch beachtet werden,
dass der zulässige Bereich
des Druckverlustes bei jedem der Gaskanäle 21 und 22 bei
dem vorstehend erwähnten
Ausführungsbeispiel
breiter als der zulässige
Bereich in dem Fall des zugehörigen
Standes der Technik sein kann, bei dem die Einteilung auf der Grundlage
der Klassen nicht ausgeführt
wird. Das heißt,
wenn eine Einteilung auf der Grundlage von Klassen ausgeführt wird, wird
die Streuungsbreite des Druckverlustes bei jedem der Gaskanäle 21 und 22 verringert,
und als ein Ergebnis wird die Steuerstabilität des Brennstoffzellenstapels 10 erhöht. Folglich
gibt es selbst dann, wenn eine als unzulässig gemäß dem zugehörigen Stand der Technik erachtete
Klasse in den zulässigen Bereich
hineingenommen ist, eine geringe Möglichkeit einer Störung beim
Betrieb in der Praxis.
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Es
ist unbestreitbar offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf das
vorstehend erwähnte
Ausführungsbeispiel
beschränkt
ist und dass die Erfindung in verschiedenen Modi ausgeführt werden
kann, so lange diese zu dem technischen Umfang der Erfindung gehören.
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Beispielsweise
in dem Fall, bei dem hochgradig reines Wasserstoffgas als ein Brennstoffgas
in einer überschüssigen Menge
geliefert wird, die eine Menge weit überschreitet, die für eine elektrochemische
Reaktion bei dem vorstehend erwähnten
Ausführungsbeispiel
erforderlich ist, wenn angenommen wird, dass die einzelnen Zellen 20 mit
geringen Druckverlusten in dem Brennstoffgaskanal 21 und die
einzelnen Zellen 20 mit hohen Druckverlusten in dem Brennstoffgaskanal 21 miteinander
vermengt und laminiert worden sind, um den Brennstoffzellenstapel 10 herzustellen,
strömt
Brennstoffgas bei einer geringeren Strömungsrate durch den Brennstoffgaskanal 21 von
jeder der einzelnen Zellen 20 mit hohen Druckverlusten
als durch den Brennstoffgaskanal 21 von jeder der einzelnen
Zellen 20 mit geringen Druckverlusten. Trotzdem ist die
gelieferte Menge an Wasserstoff übermäßig und
kann somit das Erfordernis der elektrochemischen Reaktion erfüllen. In
einem derartigen Fall ist es nicht unbedingt erforderlich, die Streuung
des Druckverlustes in dem Brennstoffkanal 21 zu berücksichtigen.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass die einzelnen Zellen 20, die
einen im Wesentlichen gleichen Druckverlust in dem Brennstoffgaskanal 21 haben,
zusammengetragen und kombiniert werden. Somit kann ebenfalls in
Abhängigkeit
von der gelieferten Menge an Brennstoffgas bestimmt werden, ob die
Streuung des Druckverlustes in dem Brennstoffgaskanal 21 berücksichtigt
werden muss. Das gleiche gilt für
das Oxidationsgas.
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Bei
dem vorstehend erwähnten
Ausführungsbeispiel
werden die einzelnen Zellen 20, die einen im Wesentlichen
gleichen Druckverlust in dem Oxidationsgaskanal 22 und
einen im Wesentlichen gleichen Druckverlust in dem Brennstoffgaskanal 21 haben,
zusammengetragen und kombiniert, um den Brennstoffzellenstapel 10 herzustellen.
Es ist jedoch auch geeignet, dass die einzelnen Zellen 20,
die lediglich im Wesentlichen einen gleichen Druckverlust in dem
Oxidationsgaskanal 22 haben oder die lediglich einen im
Wesentlichen gleichen Druckverlust in dem Brennstoffgaskanal 21 haben,
zusammengetragen und kombiniert werden, um den Brennstoffzellenstapel 10 herzustellen.
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Des
Weiteren werden, obwohl die einzelnen Zellen 20, die einen
im Wesentlichen gleichen Druckverlust in jedem der Gaskanäle 21 und 22 haben,
zusammengetragen und kombiniert, um den Brennstoffzellenstapel 10 bei
dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel
herzustellen, ist es ebenfalls geeignet, dass die einzelnen Zellen 20,
die eine im Wesentlichen gleiche Ausgabespannung haben, zusammengetragen
und kombiniert werden, um den Brennstoffzellenstapel 10 herzustellen.
In diesem Fall wird die Streuung der Ausgabespannung unter den einzelnen
Zellen 20 vermindert, und eine ausgezeichnete Leistung
wird in dem Brennstoffzellenstapel 10 erzielt. Beim Messen
einer Ausgabespannung von jeder der einzelnen Zellen 20 wird
vorzugsweise die Messung bei unverändert bleibenden Bedingungen wie
beispielsweise der elektrischen Stromdichte, der Gasströmungsrate
und dergleichen ausgeführt.
Alternativ können
außerdem
die einzelnen Zellen 20, die eine im Wesentlichen gleiche
IV-Eigenschaft (eine Eigenschaft, die die Beziehung zwischen der
elektrischen Stromdichte und der Ausgabespannung wiederspiegelt)
haben, zusammengetragen und kombiniert werden, um den Brennstoffzellenstapel 10 herzustellen.
In diesem Fall wird die Streuung der IV-Eigenschaft unter den einzelnen
Zellen vermindert, und eine ausgezeichnete Leistung wird in dem
Brennstoffzellenstapel 10 erzielt. Alternativ können außerdem die
einzelnen Zellen 20, die jeweils den ersten Separator 40 mit
der konkaven Nut 43, die bei im Wesentlichen gleicher Herstellgenauigkeit
ausgebildet ist, und den zweiten Separator 50 mit der konkaven Nut 53,
die mit im Wesentlichen gleicher Herstellgenauigkeit ausgebildet
ist, haben, zusammengetragen und kombiniert werden, um den Brennstoffzellenstapel 10 herzustellen.
In diesem Fall ist die Streuungsbreite der Herstellgenauigkeit der
konkaven Nut 53, die bei dem ersten Separator 40 ausgebildet
ist, oder der konkaven Nut 53, die bei dem zweiten Separator 50 ausgebildet
ist, verringert. Folglich ist auch die Streuungsbreite der Form,
des Volumens oder dergleichen von jedem der Gaskanäle 21 und 22 unter
den einzelnen Zellen 20 verringert. Als ein Ergebnis kann
die Streuungsbreite des Druckverlustes oder der Ausgabespannung
ebenfalls verringert werden. Alternativ können außerdem die einzelnen Zellen 20,
deren Herstellgenauigkeit oder Eigenschaft der MEA 30 im
Wesentlichen gleichwertig ist, zusammengetragen und kombiniert werden,
um den Brennstoffzellenstapel 10 herzustellen.
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Darüber hinaus
können
bei dem vorstehend erwähnten
Ausführungsbeispiel
außerdem
die einzelnen Zellen, die im Wesentlichen einen gleichwertige Genauigkeit
oder Eigenschaft bei den in dem Brennstoffzellenstapel 10 angewandten
Gasdiffusionselektrodenlagen 36 und 37 zum Zeitpunkt
der Herstellung haben, zusammengetragen und kombiniert werden. In
diesem Fall werden vorzugsweise die einzelnen Zellen 20,
die im Wesentlichen gleichwertig im Hinblick auf die Genauigkeit
oder die Eigenschaft der Gasdiffusionselektrodenlage 36 an
der Seite der Anode 32 sind, oder die einzelnen Zellen 20,
die im Wesentlichen gleichwertig im Hinblick auf die Genauigkeit
oder die Eigenschaft der Gasdiffusionselektrodenlage 37 an
der Seite der Kathode 33 sind, zusammengetragen und kombiniert.
Die Gasdiffusionselektrodenlage kann im Hinblick auf die erforderliche
Genauigkeit oder die erforderliche Eigenschaft in Abhängigkeit
von ihrer Funktion verschieden sein (das heißt in Abhängigkeit davon, ob die Gasdiffusionselektrodenlage
an der Anodenseite oder an der Kathodenseite ist). Folglich werden
vorzugsweise die einzelnen Zellen, die im Wesentlichen gleichwertig
im Hinblick auf die Genauigkeit oder Eigenschaft im Hinblick auf
die funktionsmäßig gleichwertigen
Gasdiffusionselektrodenlagen sind, zusammengetragen und kombiniert.
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Wenn
die in dem Brennstoffzellenstapel angewandten Komponenten oder Bauteile
im Hinblick auf die Genauigkeit oder Eigenschaft weit gestreut sind,
haben einige Bauteile eine außerordentlich wunschgemäße Genauigkeit
oder Eigenschaft, während
andere Bauteile annähernd
unakzeptabel sind. Somit ist es schwierig, gleichzeitig Steuerungen
auszuführen,
die für
die Bauteile dieser beiden verschiedenen Arten geeignet sind. Wenn
jedoch, wie aus dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel hervorgeht,
die Bauteile, die eng gestreut im Hinblick auf die Genauigkeit oder
Eigenschaft sind, kombiniert sind, und in dem Brennstoffzellenstapel
angewendet zu werden, enthält
der Brennstoffzellenstapel lediglich die Bauteile, die eine im Wesentlichen
gleichwertige Genauigkeit oder Eigenschaft haben. Daher muss lediglich
eine Steuerung ausgeführt
werden, die für
die Bauteile dieser einen Art geeignet ist, und die Steuerstabilität des Brennstoffzellenstapels
ist erhöht.
Somit wird eine ausgezeichnete Leistung des Brennstoffzellenstapels
erzielt.
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Der
Druckverlust in dem Oxidationsgaskanal 22 von jeder der
einzelnen Zellen 20 wird erhalten, indem bewirkt wird,
dass Gas durch den Oxidationsgaskanal 22 strömt und eine
Differenz zwischen den Gasdrücken
berechnet wird, die durch einen ersten und einen zweiten Druckmesser 78, 84 erfasst
werden. Dieser Druckverlust wird mit vorbestimmten Klassen so verglichen,
dass eine Einteilung gemäß den Klassen
ausgeführt
wird. Der Druckverlust in dem Oxidationsgaskanal 22 hat
einen vorbestimmten zulässigen
Bereich, der in zwei oder mehr kleine Bereiche geteilt ist, die
jeweils als eine erste Klasse, eine zweite Klasse, ... und eine
n-te Klasse bezeichnet sind. Die einzelne Zelle 20, die
zu diesem Zeitpunkt zu messen ist, wird in eine bestimmte Klasse der
Klassen in Abhängigkeit
davon eingeteilt, welche der ersten bis n-ten Klasse dem Druckverlust
in dem Oxidationsgaskanal 22 entspricht. Die Einteilung
wird in ähnlicher
Weise auch bei dem Druckverlust in einem Brennstoffgaskanal 21 ausgeführt. Jene
einzelnen Zellen 20, die im Hinblick auf die Klasse gleichwertig
sind, werden zusammengetragen und kombiniert, um einen Brennstoffzellenstapel 10 herzustellen.