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TECHNISCHES
GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein verbessertes
Brennstoffzellensystem mit einer festen Hochmolekularmembran als
Elektrolytmembran und ein verbessertes Steuerungsverfahren dafür.
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STAND DER TECHNIK
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Eine Brennstoffzelle, die als Elektrolytmembran
eine feste Hochmolekularmembran verwendet, umfasst ein Paar Elektroden,
das die feste Hochmolekularmembran von beiden Seiten bedeckt, und
ist so gestaltet, dass der Oberfläche der einen Elektrode ein
Brennstoffgas wie Sauerstoff und der Oberfläche der anderen Elektrode ein
sauerstoffhaltiges Oxidgas zugeführt
wird, wodurch elektrische Energie erzielt wird. 5 zeigt in Schrittansicht den Aufbau
einer solchen herkömmlichen
Brennstoffzelle. In 5 sind
auf den jeweiligen Seiten einer Elektrolytmembran 10 eine
Anode 12, die eine Wasserstoffelektrode darstellt, und
eine Kathode 14 angeordnet, die eine Sauerstoffelektrode
darstellt. Auf der Außenfläche der
Anode 12 und der Kathode 14 ist außerdem jeweils
ein Ladungskollektor 16 vorgesehen, und diese Ladungskollektoren 16 sind
dann von einem Paar Separatoren 18 bedeckt.
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Um eine hervorragende elektrische
Leitfähigkeit
zu erreichen, muss die als Elektrolytmembran verwendete feste Hochmolekularmembran
ausreichend Wasser enthalten, um für einen feuchten Zustand zu
sorgen. Dementsprechend wurde bislang typischerweise ein Verfahren
verwendet, bei dem der der Anode 12 zuzuführende Wasserstoff
und das der Kathode 14 zuzuführende Oxidgas, etwa Luft,
vor ihrer Zuführung
zu der Brennstoffzelle befeuchtet werden. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel wird
der der Anode 12 zugeführte
Wasserstoff befeuchtet.
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Allerdings kann die oben beschriebene
herkömmliche,
eine feste Hochmolekularmembran verwendende Brennstoffzelle unter
dem sogenannte Überflutungseffekt
leiden, bei dem die zur Befeuchtung verwendete Feuchtigkeit in den
Poren der als Wasserstoffelektrode dienenden Anode 12 und
des Ladungskollektors 16 kondensieret, so dass die Poren
verstopft werden und es dadurch wie in 6 gezeigt zu einer ungleichmäßigen Wasserstoffströmung kommt.
In diesem Zustand konzentriert sich die Wasserstoffversorgung nur
auf bestimmte Bereiche, in denen sich die Stromdichte erhöht, was
zu dem Problem führt,
dass die Elektrolytmembran 10 reißen kann. Ein ähnliches
Problem tritt auf, wenn Luft als das der Kathode 14 zuzuführende Oxidgas
befeuchtet wird.
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Um diesem Überflutungseffekt entgegenwirken
zu können,
wird in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2000-251912 ein Verfahren
vorgeschlagen, bei dem ein Zuführungsrohr
für das
der Brennstoffzelle zuzuführende
Gas (z.B. Wasserstoff oder Luft) erwärmt wird, um die Kondensation
der zur Befeuchtung verwendeten Feuchtigkeit zu verringern.
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Wenn das Gaszuführungsrohr erwärmt wird, nimmt
jedoch auch die Temperatur des zuzuführenden Gases zu, so dass,
wenn das erwärmte
Gas mit der Gesamtfläche
der festen Hochmolekularmembran in Kontakt kommt, die ganze Membran
erwärmt wird
und es leicht zu einer Schädigung
kommt.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Angesichts der obigen Probleme beim
Stand der Technik erbringt die Erfindung den Vorteil, ein Brennstoffzellensystem
und ein Steuerungsverfahren dafür
zur Verfügung
zu stellen, die es erlauben, kondensiertes Wasser aus lediglich
dem Bereich der Brennstoffzelle zu entfernen, in dem eine Überflutung entsteht,
ohne dass es zu einer Schädigung
der Elektrolytmembran kommt.
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Um diesen Vorteil zu erzielen, sieht
die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle
vor, die eine auf beiden Seiten von einem Paar Separatoren bedeckte
Elektrolytmembran enthält,
wobei sich auf zumindest einem der Separatoren eine Heizeinrichtung
befindet und das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung entsprechend
dem Zustand der Brennstoffzelle gesteuert wird.
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Des Weiteren sind bei dem obigen
Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen, von denen jede
der obigen Brennstoffzelle entspricht, übereinander geschichtet und
befindest sich in jeder Brennstoffzelle die Heizeinrichtung.
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Darüber hinaus ist in dem obigen
Brennstoffzellensystem eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, um
das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung für lediglich einige der mehreren übereinander geschichteten
Brennstoffzellen zu steuern.
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Die Erfindung sieht außerdem ein
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems mit einer
Brennstoffzelle vor, die eine auf beiden Seiten von einem Paar Separatoren
bedeckte Elektrolytmembran enthält,
wobei das Ein- und Ausschalten einer sich auf zumindest einem der
Separatoren befindenden Heizeinrichtung entsprechend dem Zustand der
Brennstoffzelle gesteuert wird.
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Bei dem obigen Verfahren zur Steuerung
eines Brennstoffzellensystems sind mehrere Brennstoffzellen, von
denen jede der obigen Brennstoffzelle entspricht, übereinander
geschichtet und befindet sich in jeder Brennstoffzelle die Heizeinrichtung
und wird das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung für lediglich
einige der mehreren Brennstoffzellen gesteuert.
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Darüber hinaus beträgt bei dem
obigen Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems die
von der Heizeinrichtung erbrachte Heiztemperatur 100°C oder mehr
und 120°C
oder weniger.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden
in der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
erläutert, die
Folgendes zeigen:
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1 ein
Beispiel für
den Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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2 eine
erläuternde
Darstellung des Falls, dass sich auf dem Separator des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems
eine Heizeinrichtung befindet;
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3 ein
weiteres Beispiel für
den Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, bei
dem mehrere wie in 1 gezeigte
Brennstoffzellen zu einem Stapel übereinander geschichtet sind;
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4 ein
Beispiel einer Spannungserfassung an einem in 3 gezeigten Spannungsüberwachungsabschnitt;
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5 ein
Beispiel für
den Aufbau eines herkömmlichen
Brennstoffzellensystems; und
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6 eine
erläuternde
Darstellung, wie Wasser in einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem
kondensiert.
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AUSFÜHRLICHE
ERLÄUTERUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung (im Folgenden einfach als „Ausführungsbeispiele" bezeichnet) beschrieben.
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1 zeigt
ein Beispiel für
den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In 1 sind
die gleichen Elemente wie in 5 und 6 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird ähnlich
wie bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Aufbau als Elektrolytmembran 10 eine
feste Hochmolekularmembran verwendet, sind auf den jeweiligen Seiten
der Elektrolytmembran 10 eine Anode 12 und eine
Kathode 14 angeordnet, befindet sich auf der Außenseite
dieser Elektroden jeweils ein Ladungskollektor 16 und sind
die Ladungskollektoren 16 wiederum von einem Paar Separatoren 18 bedeckt,
was eine Brennstoffzelle 30 ergibt.
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Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch
aus, dass dann, wenn in dem Separator 18 und dem Ladungskollektor 16 auf
der Seite der Anode 12, der befeuchtetes Gas (d.h. Wasserstoff
im Beispiel von 1) zugeführt wird,
Wasser kondensiert und eine Überflutung
entsteht, ein Schalter 20 geschlossen wird, um einer (nicht
gezeigten) Heizeinrichtung auf dem Separator 18 von einer
Spannungsquelle 22 aus elektrischen Strom zuzuführen, was den
Separator 18 erwärmt.
Die Heizeinrichtung kann ein Heizelement sein, das aus beispielsweise
einem Nichrom-Draht
bestehet. Da die Separatoren 18 voneinander elektrisch
unabhängig
sind, ist es anstelle dessen auch möglich, die Separatoren 18 selbst durch
Energiebeaufschlagung zu erwärmen.
Indem also das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung entsprechend
dem Auftreten einer Überflutung
in der Brennstoffzelle 30 gesteuert wird, kann in dem Separator 18 entstandenes
Kondenswasser rasch entfernt werden, was eine Schädigung oder
dergleichen der Elektrolytmembran infolge der erhöhten Stromdichte verhindert.
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Ein Brennstoffzellensystem besteht
typischerweise aus einem Stapel mehrerer übereinander geschichteter Brennstoffzellen 30,
die jeweils einen wie in 1 gezeigten
Aufbau haben. Dabei ist es vorzuziehen, wenn ein solches Brennstoffzellensystem
so aufgebaut ist, dass lediglich der Separator 18 der Brennstoffzelle 30 erwärmt werden
kann, in dem es zu einer Überflutung
kommt. Dies verhindert einen übermäßigen Temperaturanstieg
des zuzuführenden Wasserstoffgases,
wodurch eine Temperaturerhöhung
der Elektrolytmembran 10 und damit auch eine thermische
Schädigung
der Elektrolytmembran 10 verhindert werden können.
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2(a) und 2(b) zeigen ein Beispiel, bei dem sich
auf dem Separator 18 ein als Heizeinrichtung dienendes
Heizelement befindet. Wie in 2(a) gezeigt
ist, ist in dem Separator 18 ein Kanal 24 ausgebildet,
um den Ladungskollektoren 16, die als eine Gasdiffusionsschicht
fungieren, Wasserstoffgas oder Luft zuzuführen. 2(b) entspricht
einer Vergrößerung des
Abschnitts B des Kanals 24 und zeigt als Heizeinrichtung
ein Heizelement 26, das sich in dem Kanal 24 befindet.
Das Heizelement 26 ist aus einem Nichrom-Draht oder dergleichen
gebildet und wird ein- oder ausgeschaltet, indem die Energiebeaufschlagung
entsprechend dem Zustand der Brennstoffzelle 30, und zwar
der Lage, in wie weit in den Separatoren 18, den Ladungskollektoren 16 usw.
Kondenswasser (Überflutung)
entstanden ist, gesteuert wird. Wenn der Separator 18 durch
ein solches Heizelement 26 erwärmt wird, beträgt die Erwärmungstemperatur
vorzugsweise 100°C
oder mehr und 120°C
oder weniger. Bei einer Temperatur von 100°C oder mehr, kann das Kondenswasser
zuverlässig
verdampft werden, während
sich bei einer Temperatur von 120°C
oder weniger eine thermische Schädigung
der Elektrolytmembran 10 verhindern lässt. Des Weiteren genügt es im
Hinblick auf die Erwärmungsdauer,
wenn das kondensierte Wasser ausreichend verdampft, wobei sie vorzugsweise etwa
mehrere Sekunden beträgt,
um einen übermäßigen Anstieg
der Temperatur der Elektrolytmembran 10 zu vermeiden.
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3 zeigt
ein Beispiel, bei dem mehrere Brennstoffzellen, die jeweils den
in 1 gezeigten Aufbau
haben, zu einem Brennstoffzellenstapel übereinander geschichtet sind.
In 3 ist das Rohr zur Zuführung von
Wasserstoffgas und Luft nicht dargestellt.
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Gemäß 3 enthält jede Brennstoffzelle 30 als
die in den 1, 2(a) und 2(b) beschriebene
Heizeinrichtung ein Heizelement 26. Die Energiebeaufschlagung
des Heizelementes 26 wird von einem Energiebeaufschlagungssteuerungsabschnitt 32 gesteuert.
Die Strom erzeugende elektromotorische Kraft jeder Brennstoffzelle
wird von einem (nicht gezeigten) Spannungssensor abgefühlt, der
für jede Brennstoffzelle
vorgesehen ist, und in einem Spannungsüberwachungsabschnitt 34 eingelesen.
Mit Hilfe der in dem Spannungsüberwachungsabschnitt 34 eingelesenen
elektromotorischen Kraft jeder Brennstoffzelle lässt sich das Ereignis, dass
in dem Separator 18 oder dergleichen Wasser kondensiert,
bzw. der sogenannte Überflutungseffekt
erfassen.
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4 zeigt
eine Darstellung, die das Prinzip erläutert, wie dieser Überflutungseffekt
erfasst wird. In 4 bezeichnet
die horizontale Achse den durch jede Brennstoffzelle 30 fließenden elektrischen Strom
und die vertikale Achse die elektromotorische Kraft jeder Brennstoffzelle 30.
wenn eine Brennstoffzelle 30 normal arbeitet, ohne dass
in ihr eine Überflutung
entsteht, ergibt sich eine Beziehung zwischen dem Strom I und der
elektromotorischen Kraft V, wonach die elektromotorische Kraft wie
durch die Kurve α in 4 gezeigt monoton abnimmt.
Wenn es dagegen zu einer Überflutung
kommt, nimmt die elektromotorische Kraft der Brennstoffzelle 30 von
dem Zeitpunkt an, an dem die Überflutung
auftritt, wie durch die Kurve β in 4 gezeigt rasch ab. Der
Spannungsüberwachungsabschnitt 34 stellt
dann fest, dass in der Brennstoffzelle 30, für die ein
rascher Abfall der elektromotorischen Kraft erfasst wurde, eine Überflutung
entsteht und gibt ein für
diese Brennstoffzelle stehendes Signal an den Steuerungsabschnitt 36 aus.
Der Steuerungsabschnitt 36 gibt dann ein Befehlssignal
zu dem Energiebeaufschlagungssteuerungsabschnitt 32 aus,
um den Energiebeaufschlagungssteuerungsabschnitt 32 anzuweisen,
eine Energiebeaufschlagungssteuerung des Heizelementes 26 der
Brennstoffzelle 30 vorzunehmen, für die ein wie in 4 gezeigter rascher Abfall
der Strom erzeugenden elektromotorischen Kraft erfasst wird. Der
Energiebeaufschlagungssteuerungsabschnitt 32 steuert auf
Grundlage des von dem Steuerungsabschnitt 32 empfangenen Befehlssignals
die Energiebeaufschlagung des Heizelements 26 der Brennstoffzelle 30,
in der die Überflutung
entsteht, derart, dass das kondensierte Wasser verdampft und die Überflutung
beseitigt wird. Wie oben beschrieben wurde, beträgt die Energiebeaufschlagungsdauer
ungefähr mehrere
Sekunden und die Erwärmungstemperatur 100°C oder mehr
und 120°C
oder weniger.
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Mit dem obigen Aufbau lässt sich
rasch erfassen, in welcher Brennstoffzelle 30 eines Brennstoffzellenstapels
eine Überflutung
entsteht, so dass die Energiebeaufschlagung des als Heizeinrichtung dienenden
Heizelementes 26 zwecks Beseitigung der Überflutung
lediglich bezüglich
eines Teils des Brennstoffzellensystems gesteuert wird, und zwar
lediglich bezüglich
der Brennstoffzelle 30, in der es zur Überflutung kommt. Demnach lässt sich
eine Schädigung
der Elektrolytmembran 10 durch die erhöhte Stromdichte verhindern,
die sich aus der Konzentration des Wasserstoff- oder Luftstromes
in einem bestimmten Abschnitt der Elektrolytmembran ergibt. Insbesondere
dann, wenn wie in 3 gezeigt
mehrere Brennstoffzellen 30 zu einem Stapel übereinander
geschichtet sind und es in einem Teil eines solchen Brennstoffzellenstapels
zu einer Überflutung kommt,
nimmt die Stromdichte, da der durch den Stapel fließende Strom
konstant ist, in dem Abschnitt Brennstoffzelle 30 rasch
zu, der den Überflutungseffekt
zeigt, wo es kein Wassertropfen bzw. Wasserrückgang (water drop) entsteht.
Mit dem obige Aufbau lässt
sich dementsprechend sehr wirksam ein Schaden der Elektrolytmembran 10 verhindern.
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Da bei dem obigen Aufbau außerdem die
Energiebeaufschlagungssteuerung des Heizelementes 26 nur
für die
Brennstoffzelle 30 vorgenommen wird, in der es zur Überflutung
kommt, lässt
sich der Temperaturanstieg des Gesamtstapels verringern und kann
daher verhindert werden, dass die Elektrolytmembran 10 für eine längere Zeitdauer
einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Es kann also eine thermische
Schädigung
der Elektrolytmembran 10 vermieden werden.
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Bei den obigen Ausführungsbeispielen
befindet sich das Heizelement 26 zwar in dem Separator 18 auf
der Wasserstoffzufuhrseite, doch kann ein ähnlicher Aufbau auch bei dem
Separator 18 auf der Luftzufuhrseite Anwendung finden,
um so einem Aufbau Rechnung zu tragen, bei dem Luft, nicht Wasserstoff
befeuchtet wird.
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Darüber hinaus ist bei einem wie
in 3 gezeigten Stapel
Brennstoffzellen 30 die Temperatur typischerweise in den
Brennstoffzellen 30 an den entgegengesetzten Enden geringer
und entsteht dort die Überflutung.
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Dementsprechend kann sich das Heizelement 26 auch
nur in der Brennstoffzelle 30 am Endabschnitt befinden,
in dem eher eine Überflutung stattfindet.
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GEWERBLICHE
ANWENDBARKEIT
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Da sich die Heizeinrichtung wie oben
beschrieben erfindungsgemäß in einem
Abschnitt einer Brennstoffzelle befindet, in dem, etwa wie in einem Separator,
leicht eine Kondensation von Wasser stattfindet, lässt sich
das kondensierte Wasser in wirksamer Weise verdampfen, wodurch eine
schnelle Beseitigung der Überflutung
erreicht wird.
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Wenn außerdem mehrere Brennstoffzellen zu
einem Brennstoffzellenstapel übereinander
geschichtet werden, ist es möglich,
lediglich die Brennstoffzelle selektiv zu erwärmen, in der eine Überflutung
entsteht, so dass die Überflutung
mit nur minimaler Erwärmung
beseitigt werden kann. Dadurch lässt
sich verhindern, dass die gesamte Elektrolytmembran für eine längere Zeitdauer
einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, was eine thermische Schädigung der
Elektrolytmembran verhindert.
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Da die von der Heizeinrichtung erbrachte
Erwärmungstemperatur
zudem in einem Bereich zwischen 100°C und 120°C eingestellt wird, kann das kondensierte
Wasser schnell verdampft werden, während eine thermische Schädigung der
Elektrolytmembran verhindert werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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(1)
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Die Patentanmeldung befasst sich
mit einem Brennstoffzellensystem und einem Steuerungsverfahren dafür, die kondensiertes
Wasser lediglich von der Stelle entfernen können, an der eine Überflutung entsteht,
ohne die Elektrolytmembran (10) zu schädigen. Die Elektrolytmembran
(10), die einer festen Hochmolekularmembran entspricht,
ist auf beiden Seiten von einer Anode (12) und einer Kathode
(14) bedeckt, die von Kollektoren (16) bedeckt
sind. Diese wiederum sind von Separatoren (18) bedeckt,
wodurch sich eine Brennstoffzelle (30) ergibt. Auf den Separatoren
(18) ist eine Heizeinrichtung angeordnet, deren Schalter
(20) geschlossen wird, wenn die Feuchtigkeit zur Befeuchtung
der Elektrolytmembran (10) kondensiert, so dass der Heizeinrichtung
von einer Stromquelle (22) aus Strom zugeführt wird,
damit das kondensierte Wasser verdampft. Dadurch wird die Überflutung
rasch beseitigt.