DE19859485A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensy­ stem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine Pro­ tonenaustauschmembran als ein Elektrolyt verwendet.

Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle weist eine Protonenaustauschmembran (PEM) zwischen zwei Elektroden auf, das heißt eine Kathode, der ein Oxidationsgas zugeführt wird, und eine Anode, der ein Brennstoffgas zugeführt wird. Die PEM dient als ein Elektrolyt und transportiert dorthindurch an der Anode der Brennstoffzelle erhaltene Wasserstoffionen zur Ka­ thode in der Form von Protonen (H⁺). Jede der Elektroden weist eine auf einem porösen Basisglied abgeschiedene Katalysator­ schicht auf, durch die das Reaktantgas zugeführt wird. Außer­ halb jeder Elektrode ist eine Separator- oder Verbindungsplatte mit Rillen angebracht, die es gestatten, daß das Reaktantgas in die Elektrode mit einer konstanten Durchflußmenge eingebracht wird. Ein überschüssiges Gas, das durch die Brennstoffzellen­ reaktion nicht verbraucht worden ist, wird durch den gerillten Separator ins Freie abgelassen. Die Elektrizität, die durch die Energieumwandlungsreaktion an der Anode erzeugt wird, wird am porösen Elektrodenbasisglied gesammelt und zum Äußeren des Brennstoffzellensystems durch den Separator transportiert. Bei der tatsächlichen Anwendung weist das System mehrere Brenn­ stoffzellen auf, die in Aufeinanderfolge geschichtet sind, wo­ bei der Separator zwischen benachbarten Brennstoffzellen ange­ ordnet ist.

Da die Brennstoffzelle entsprechend der erzeugten elektri­ schen Leistung Wärme erzeugt, weist ein Brennstoffzellenstapel 100 üblicherweise zwischen Brennstoffzellen 101, 101 an vorher­ bestimmten Intervallen Kühlplatten 103 auf, wie in Fig. 9 ge­ zeigt. Jede Kühlplatte weist einen Durchgang eines Kühlmittels, wie Luft und Wasser auf, um eine übermäßige Überhitzung der Brennstoffzellen 101 im Betrieb zu verhindern.

Ein Proton wird hydriert, wenn es durch das PEM-Elektrolyt übertragen wird, so daß die PEM dazu neigt, dehydriert zu wer­ den, wenn die Brennstoffzellenreaktion fortschreitet. Die PEM muß immer richtig befeuchtet werden, um eine Abnahme der Ionen­ leitfähigkeit und der Energieumwandlungseffizienz zu verhin­ dern. Bei den herkömmlichen Gestaltungen wird Wasserstoffgas durch geeignete Einrichtungen befeuchtet, das wiederum die PEM befeuchtet, wenn es der Anode zugeführt wird.

Verschiedene Versuche sind vorgeschlagen worden, um Luft zu befeuchten, die der Kathode zugeführt werden soll. Da die Ka­ thode der Brennstoffzelle im Betrieb auf zum Beispiel 80°C er­ wärmt worden ist, sollte die Luft einer normalen Temperatur durch einen Befeuchter vorerwärmt werden, so daß ihr gesättig­ ter Dampf mit der Umgebungsdampfbedingung der Kathode konsi­ stent wird. Ein solcher Befeuchter, der es benötigt, daß er eine Wasserzuführfunktion und eine Luftvorerwärmungsfunktion auf­ weist, kann in seiner Konstruktion nicht einfach sein.

In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-14599 ist eine Wassereinspritzdüse vorgesehen, um eine not­ wendige Wassermenge in eine lufteinbringende Röhre einzusprit­ zen, durch die der Kathode der PEM-Brennstoffzelle Luft zuge­ führt wird. Da die Düse stromaufwärts eines Kompressors ange­ ordnet ist, wird aus der Düse eingespritztes flüssiges Wasser verdampft, wenn es Wärme ausgesetzt wird, die durch den Kom­ pressor erzeugt wird. Folglich wird die Kathode durch Dampf und nicht durch flüssiges Wasser befeuchtet.

Im Brennstoffzellensystem der ungeprüften japanischen Pa­ tentveröffentlichung Nr. 9-266004 wird ein Ablaßgas von der An­ ode, das Wasserstoffgas enthält, das nicht während der anodi­ schen Reaktion verbraucht worden ist, in die Kathode einge­ bracht, wo das unverbrauchte Wasserstoffgas im Ablaßgas mit Sauerstoff verbrannt wird, um Wasser zu erzeugen, das das PEM-Elektrolyt gut befeuchtet. In diesem System gibt es keinen Be­ darf, einen Befeuchter zum Befeuchten von Luft einzubauen, die der Kathode zugeführt werden soll.

Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems wird ein Elektron, das an der Anode erzeugt wird, zur Kathode bewegt, wo es mit Sauerstoff in der Luft oder irgendeinem anderen Oxida­ tionsgas reagiert, das dorthin zugeführt wird, um Wasser zu er­ zeugen. Demzufolge gibt es gemaß der herkömmlichen Kenntnis in der Technik ein größeres Bedürfnis, Wasserstoffgas zu befeuch­ ten, das der Anode zugeführt werden soll, als an der Kathode, wo Wasser mindestens teilweise selbstunterhaltend sein kann.

Als Ergebnis von wiederholten Versuchen und Untersuchungen der Erfinder ist jedoch herausgefunden worden, daß Wasser, das an der Kathode erzeugt wird, das PEM-Elektrolyt zur Anode hin durchdringt, was es überflüssig macht, Wasserstoffgas zu be­ feuchten, das der Anode zugeführt werden soll. Andererseits neigt eine Wassermenge des PEM-Elektrolyts an der Kathodenseite dazu, durch Berührung mit dem Luftstrom zur Kathode abzunehmen. Ein solcher Befund steht im Widerspruch zur herkömmlichen Kenntnis und ist durch die gegenwärtigen Erfinder zuerst er­ kannt worden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein auf dem oben beschriebenen Befund beruhendes Brennstoffzellensystem be­ reitzustellen, das fähig ist, eine Protonenaustauschmembran in einem geeigneten Feuchtigkeitszustand zu halten.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das in seiner Konstruk­ tion einfach, klein in seinen Abmessungen, einfach einzubauen und daher insbesondere geeignet ist, an einem Fahrzeug ange­ bracht zu werden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, in dem Wasser der Ober­ fläche der Kathode nicht in einem Dampfzustand, sondern in einem flüssigen Zustand zugeführt wird. Folglich weist das erfin­ dungsgemäße Brennstoffzellensystem auf: eine oder mehrere Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode an­ geordnet ist, aufweisen; erste Gaszuführeinrichtungen, um ein erstes Gas, das Brennstoffgas aufweist, der Anode zuzuführen; zweite Gaszuführeinrichtungen, um ein zweites Gas, das Sauer­ stoff aufweist, der Kathode zuzuführen; und Zuführeinrichtungen für flüssiges Wasser, um der Oberfläche der Kathode flüssiges Wasser zuzuführen. Flüssiges Wasser kann auf die Oberfläche der Kathode gesprüht werden. Die Zufuhr von flüssigem Wasser kann mit Unterbrechungen stattfinden. In einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform ist eine Düse vorgesehen, um flüssiges Wasser zur Oberfläche der Kathode zu sprühen oder einzuspritzen.

Mit diesem Brennstoffzellensystem nimmt flüssiges Wasser, das der Oberfläche der Kathode zugeführt wird, latente Wärme aus der Luft um die Kathode auf, um Verdampfung von Wasser von der Elektrolytmembran zu verhindern. Folglich wird verhindert, daß die Elektrolytmembran übermäßig getrocknet wird, und sie wird in einem geeigneten Feuchtigkeitszustand gehalten, was die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzellensystems verbessert. Die Zufuhr von flüssigem Wasser auf die Oberfläche der Kathode ist auch wirksam, die Kathode und folglich den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, was es überflüssig macht, Kühlplatten im Stapeln einzubauen, wie bei der bekannten Ge­ staltung.

Vorzugsweise wird flüssiges Wasser auf die Oberfläche der Kathode gesprüht, da es effektiver ist, latente Wärme aus der Luft zu entnehmen. Obwohl das Brennstoffzellensystem der unge­ prüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-14599 die Was­ sereinspritzdüse auf der Luftzufuhrseite offenbart, wird das gesprühte flüssige Wasser verdampft, bevor es in die Kathode eintritt. Das Konzept, der Kathode flüssiges Wasser zuzuführen, wird durch diesen Stand der Technik überhaupt nicht gelehrt. Die vorliegende Erfindung benötigt keine Vorerwärmung der Luft, die der Kathode zugeführt werden soll, eine Funktion, die im Befeuchter des herkömmlichen Systems erforderlich gewesen ist.

Die Zufuhr von flüssigem Wasser zur Kathode ist insbeson­ dere wirksam, um die Kathode zu kühlen, die auf eine Temperatur erwärmt worden ist, die höher als an der Anode ist, wenn das Brennstoffzellensystem im Betrieb ist. Dies vereinfacht die Sy­ stemstruktur und verringert das Gesamtgewicht, da der Brenn­ stoffzellenstapel 110 die Kühlplatten 103 (Fig. 9) nicht benö­ tigt, wie im herkömmlichen System, wie in Fig. 10 gezeigt.

Die Zufuhr von flüssigem Wasser kann kontinuierlich oder mit Unterbrechungen stattfinden. Wenn flüssiges Wasser mit Un­ terbrechungen zugeführt wird, ist eine niedrige elektrische Leistung ausreichend, um eine Pumpe oder irgendwelche andere geeignete Vorrichtung zu betreiben, um flüssiges Wasser von ei­ nem Wassertank zu befördern. Im herkömmlichen System, in dem die Luft, die der Kathode zugeführt werden soll, mit Dampf be­ feuchtet wird, ist es notwendig gewesen, kontinuierlich Dampf zu erzeugen und die Luft auf eine vorherbestimmte Temperatur vorzuerwärmen, was eine sehr viel größere elektrische Leistung benötigt, um die Befeuchtungsvorrichtung zu betreiben.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere praktisch, wenn sie auf ein Brennstoffzellensystem angewendet wird, in dem Was­ ser, das durch die Brennstoffzellenreaktion erzeugt wird, der Elektrolytmembran zugeführt wird, und das keine spezielle Aus­ stattung zur Befeuchtung der Elektrolytmembran aufweist. In dieser Art Brennstoffzellensystem wird ein geeigneter Feuchtig­ keitszustand der Elektrolytmembran nur durch das Reaktantwasser an der Kathode durch Verbrennung oder Reaktion eines Brenn­ stoffgases und Sauerstoff erzeugt. Es gibt keine Notwendigkeit, der Kathode konstant Wasser zuzuführen, aufgrund des Vorhanden­ seins des Reaktantwassers an der Kathode. Die Düse wird nur dann betrieben, um flüssiges Wasser zur Kathode zu sprühen, wenn ein Feuchtigkeitszustand an der Oberfläche der Elektrolytmembran, die der Kathode gegenüberliegt, auf unter ein kritisches Niveau vermindert wird, so daß die Brennstoffzellenleistung vermindert wird. Dies sollte mit dem herkömmlichen System verglichen wer­ den, in dem die Befeuchtungsvorrichtung immer betrieben wird, um die Luft zu befeuchten, die der Kathode zugeführt werden soll. Dementsprechend weist das erfindungsgemäße Brennstoffzel­ lensystem, in dem keine Befeuchtungsvorrichtung eingesetzt wird, den Vorteil des Minimierens der Betriebsenergie im System auf.

Wenn das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem gestartet werden soll, wird in der bevorzugten Arbeitsweise flüssiges Wasser zur Kathode eingespritzt, bevor das Brennstoffgas zuerst der Anode zugeführt wird, und das Brennstoffzellensystem wird mit einer äußeren Vorrichtung verbunden, zu der erzeugte Elek­ trizität zugeführt werden soll (einem Fahrzeugantriebsmotor zum Beispiel), nachdem die Leistungsabgabe vom Brennstoffzel­ lensystem einen vorherbestimmten Pegel erreicht, wenn die Re­ aktion fortschreitet. Wenn das Brennstoffzellensystem für eine lange Zeitspanne außer Betrieb ist, könnte die Luft, die um die Kathode herum verbleibt, die Elektrolytmembran zur Anode hin durchdringen, die mit dem Brennstoffgas umgesetzt werden könnte, um eine Explosion zu verursachen, so daß die Membran beschädigt wird. Um dies zu verhindern, wird die Kathode vor­ zugsweise durch das Sprühen von flüssigem Wasser gekühlt, bevor das Brennstoffgas der Anode zugeführt wird. Eine solche Vorge­ hensweise ist ebenfalls wirksam, um die Membran schnell zu be­ feuchten, die nach einer langen Stillstandsperiode ausgetrock­ net sein kann. Flüssiges Wasser, das direkt auf die Oberfläche der Kathode gesprüht wird, kann aufgrund des hohen osmotischen Drucks reibungslos in der trockenen Membran auf genommen werden. Die Menge flüssigen Wassers sollte im Anfangsbetriebsstadium des Brennstoffzellensystems vorzugsweise etwas größer als im Normalbetrieb sein, um den geeigneten Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran aufrecht zu erhalten.

Die vorhergehenden und weiteren Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung können aus der folgenden Beschreibung hervorgehen, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeich­ nungen gelesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht, die in Form eines Diagramms die Struktur einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungs­ vorrichtung zeigt, die die vorliegende Erfindung aus­ führt;

Fig. 2 eine schematische Ansicht, die eine einzelne Brenn­ stoffzellenstruktur in der in Fig. 1 gezeigten Vorrich­ tung zeigt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Steuersystems der in Fig. 1 ge­ zeigten Vorrichtung;

Fig. 4 einen Ablaufplan, der eine Zuführoperation für flüssi­ ges Wasser der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;

Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Sprühwassermenge und dem Wasserdruck zeigt;

Fig. 6 einen Ablaufplan, der die Anfahroperation der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zeigt

Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Wassersprühen auf unterschiedliche Arten und den sich ergebenden Brennstoffzellenleistungsabgaben zeigt;

Fig. 8 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen den Brennstoffzellenleistungsabgaben und den Sprühwas­ sertemperaturen zeigt;

Fig. 9 eine erläuternde Ansicht, die die bekannte Brennstoff­ zellenstapelstruktur zeigt;

Fig. 10 eine erläuternde Ansicht, die die erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapelstruktur zeigt;

Fig. 11 ist eine Tabelle, die die Versuchsbedingungen und Er­ gebnisse zeigt, aus denen die vorliegende Erfindung eine verbesserte Kühlkapazität bereitstellt;

Fig. 12 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz zwischen Innenseite und Außen­ seite der Brennstoffzelle und Eigenwärmestrahlung zeigt, die durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchser­ gebnisse bestimmt wurde;

Fig. 13 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Sprühwassermenge und der Kühlkapazität zeigt, die ebenfalls durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchser­ gebnisse bestimmt wurde;

Fig. 14 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Sprühwassermenge und der Kühlkapazität durch auf­ nehmbare Wärme zeigt, die ebenfalls durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde;

Fig. 15 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Sprühwassermenge und der Kühlkapazität durch la­ tente Wärme zeigt die ebenfalls durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde; und

Fig. 16 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Ablaßgastemperatur und der Kühlkapazität durch la­ tente Wärme zeigt; die ebenfalls durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde.

Fig. 1 zeigt in Form eines Diagramms die Struktur einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsvorrichtung 1 gemäß einer Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung, die im allgemeinen eine Protonenaustausch-Elektrolytbrennstoffzelle 10, ein Brennstoffgaszuführsystem 20, ein Luftzuführsystem 30 und ein Wasserzuführsystem 40 aufweist.

In Fig. 2 wird eine einzelne Brennstoffzellenstruktur ge­ zeigt, die, wie in der Technik bekannt, eine Luftelektrode oder Kathode 11, eine Brennstoffelektrode oder Anode 13 und eine da­ zwischen angeordnete Elektrolytmembran 12 aufweist. Bei der tatsächlichen Anwendung werden mehrere der Brennstoffzellen aufeinander geschichtet, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Ein Lufteinlaßverteiler 14 mit einer Wassereinspritz­ düse 41 und ein Luftauslaßverteiler 15 sind über bzw. unter der Kathode 11 angebracht. Der Lufteinlaßverteiler 14 ist in seiner Höhe verhältnismäßig lang, was ausreichend ist, um Wasser aus der Düse 41 auf die gesamte Oberfläche der Kathode 11 einzu­ spritzen. Wasser aus der Düse 41 kann durch den Luftauslaßver­ teiler 15 abgelassen werden.

In einer modifizierten Gestaltung kann die Düse 41 an der Seitenwand des Lufteinlaßverteilers 14 angebracht werden. In dieser Modifikation kann Wasser, das aus der Düse 41 einge­ spritzt wird, auf das gesamte Oberflächengebiet der Kathode 11 dispergiert werden, was es eher gestattet, den Lufteinlaßver­ teiler 14 zu verkürzen, als jenen, der in Fig. 1 gezeigt wird, der mit der Düse 41 an dessen oberen Teil versehen ist, was zu einer Verminderung der Größe der Brennstoffzelle 10 führt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine einzelne Brennstoffzellen­ einheit, die eine Kathode 11/Membran 12/Anode 13 aufweist, in einem dünnen Film ausgebildet, der zwischen einem Paar Kohlen­ stoff-Verbindungsplatten oder Separator 16, 17 gehalten wird. Die Verbindungsplatte oder Separator 16, die zur Kathode 11 weist, ist mit mehreren Rillen 18 versehen, die sich vertikal durch den Lufteinlaßverteiler 14 und Luftauslaßverteiler 15 er­ strecken. Die Rillen 18 dienen nicht nur als Luftstromdurch­ gänge, sondern gestatten es auch, daß Wasser aus der Düse 41 vom oberen Teil zum unteren Teil der Kathode 11 tropft.

Andererseits ist die Verbindungsplatte 17, die zur Anode 13 weist, mit mehreren Rillen 19 versehen, um dort hindurch ein Wasserstoffgas gehen zu lassen, die sich in der gezeigten Aus­ führungsform horizontal erstrecken, jedoch sich vertikal er­ strecken können, das heißt parallel zu den Luftstromdurchgangs­ rillen 18.

Die Kathode 11, der Wasser aus der Düse 41 zugeführt wird, muß aus einem wasserbeständigen Material bestehen. Es ist auch erforderlich, daß das Material, das die Kathode 11 bildet, eine verbesserte wasserabstoßende Eigenschaft aufweist, um eine Was­ serablagerung auf deren Oberfläche zu verhindern, die das Ober­ flächengebiet vermindern könnte. Ein typisches Beispiel eines geeigneten Materials, das die Kathode 11 bildet, ist ein Koh­ lenstoffgewebe, in das PTFE eingebettet ist. Die Elektrolytmem­ bran 12 kann aus einer Nafion- (Warenzeichen von Dupon) Membran einer geeigneten Dicke bestehen, insofern sie es gestattet, daß Wasser, das an der Kathode 11 erzeugt wird, dort hindurch zur Anode 13 dringt. Die Anode 13 kann aus jedem gewünschten Mate­ rial bestehen, jedoch ist es praktischerweise zu bevorzugen, daß dasselbe Material wie für die Kathode 11 auch für die Anode 13 verwendet wird.

Jede Oberfläche der Kathode 11 und Anode 13, die zur Elek­ trolytmembran 12 weist, ist mit einem dünnen Film einer vorher­ bestimmten gleichmäßigen Dicke eines Katalysators der Platin­ gruppe beschichtet, der die Brennstoffzellenreaktion zwischen Wasserstoff im Brennstoffgas und Sauerstoff in der Luft unter­ stützt. Die Beschichtung des Katalysatorfilms kann zum Beispiel durch Kathodenzerstäubung, gefolgt von Warmpressen erfolgen.

Eine Wasserstoffquelle 21 eines Wasserstoffgaszuführsy­ stems 20 besteht in dieser Ausführungsform aus einer Wasser­ stoffgasflasche 21 aus einer wasserstoffspeichernden Legierung, wie LaNi₅, TiFe, ZrMn₂, Mg₂Ni, aus der Wasserstoffgas der Anode 13 der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird. Zum Beispiel ist be­ kannt, daß LaNi₅ eine endotherme Reaktion LaNi₅H₆ → LaNi₅ + 3H₂ liefert, wenn es auf etwa 50-80°C erwärmt wird, was bewirkt, daß Wasserstoffgas mit etwa 300 Liter pro Stunde erzeugt wird. Ein weiteres Beispiel einer Wasserstoffquelle 11 weist eine Rektifiziervorrichtung auf, die ein Rohmaterial, wie eine Was­ ser/Methanol-Mischflüssigkeit in ein wasserstoffangereichertes Gas rektifiziert, das einem Tank zugeführt und darin gespei­ chert wird. Wenn die Vorrichtung 1 stationär in einem Raum in­ stalliert wird, kann die Wasserstoffquelle 21 eine feste Gas­ leitung mit einem Regulationsventil sein.

Ablaßgas von der Anode 13 kann durch einen Ablaßgasdurch­ gang 24 mit einem Ventil 25 dem Lufteinlaßverteiler 14 zugeführt werden, wo es mit der Luft gemischt wird. Das Ventil 25 regu­ liert die Speiserate des Ablaßgases von der Anode 13 zum Ver­ teiler 14. In einer Modifikation gibt es keinen Ablaßgasdurch­ gang 24, wobei in diesem Fall das gesamte Ablaßgas von der Anode 13 ins Freie abgelassen wird.

Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, ist ein Gebläse angebracht, das die atmosphärische Luft in den Lufteinlaßver­ teiler 14 der Kathode 11 durch einen Luftstromdurchgang 31 ein­ bringt. Wie vorhergehend beschrieben, geht die in den Luftein­ laßverteiler 14 eingebrachte Luft durch sich vertikal erstrec­ kende Rillen 18 über die gesamte Oberfläche der Kathode 11 hin­ weg. Ein Ablaßgas von der Kathode 11 wird durch einen Durchgang 32 einem Konzentrator 33 zugeführt, wo Wasser vom Ablaßgas ge­ trennt und abgelassen oder durch einen Durchgang 36 mit einem Steuerventil 34 umgewälzt wird, das die Ablaßrate steuert. Der Durchgang 36 kann mit dem Durchgang 31 zum Wiedereintritt des verbleibenden Gases in die Kathode 11 verbunden sein. Das Ventil 34 kann weggelassen werden, wobei in diesem Fall das gesamte Ablaßgas der Kathode 11 ins Freie abgelassen wird.

Das vom Ablaßgas getrennte Wasser wird einem Wassertank 42 zugeführt. Der Wasserstand im Tank 42 wird durch einen Wasser­ standssensor 43 ermittelt, der ein Signal an eine Alarmvorrich­ tung 44 ausgibt, wenn der Wasserstand im Tank 42 unter einen vorherbestimmten Stand fällt, so daß die Alarmvorrichtung eine sichtbare und/oder hörbare Warnung an den Bediener ausgibt.

Im Wasserzuführsystem 40 dieser Ausführungsform ist ein Wasserzuführdurchgang 45, der eine Pumpe 46 und einen Wasser­ drucksensor 47 aufweist, zwischen dem Tank 42 und der Düse 41 geschaltet, so daß Wasser im Tank 42 der Kathode 11 zugeführt werden kann. Insbesondere ist eine Wasserleitung vom Tank 42 mit der Düse 41 über die Pumpe 46, einem Wasserdrucksensor 47 und einem Wassersprühdrucksteuerventil 48 verbunden. Wasser aus dem Tank 42 wird durch das Steuerventil 48 so reguliert, daß es einen optimalen Druck aufweist, mit dem es in den Lufteinlaß­ verteiler 14 durch die Düse 41 gesprüht wird. Die Einspritzrate des Wassers aus der Düse 41, das Eigengewicht des gesprühten Wassers und der Luftstrom im Lufteinlaßverteiler 14 werden so ausgewählt und miteinander kombiniert, daß es gestattet wird, daß das gesprühte Wasser über die gesamte Oberfläche der Kathode 11 verteilt wird.

Wasser auf der Oberfläche der Kathode 11 wird latente Wärme aus der Umgebungsluft und der Oberfläche selbst entziehen, um zu verdampfen, was nicht nur eine Verdampfung von Wasser in der Elektrolytmembran 12 verhindert, sondern auch dazu dient, die Kathode 11 zu kühlen. Es ist wirksam, die Kathode 11 zu kühlen, um eine Beschädigung der Elektroden 11, 13 und der Membran 12 infolge einer Reaktion des zugeführten Wassers und des verblei­ benden Sauerstoffs, um eine Verbrennung oder Explosion zu ver­ ursachen, zu verhindern, die in einem Anfangsbetriebsstadium der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsvorrichtung 1 auftreten könnte. Ein Spannungsmesser 50 mißt eine Spannung zwischen der Kathode 11 und der Anode 13.

Die Arbeitsweise der Brennstoffzellenvorrichtung 1 dieser Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 - Fig. 6 be­ schrieben. Eine Steuereinheit 70, die einen Mikroprozessor und einen Speicher 73 aufweist, ist in eine (in Fig. 1 nicht ge­ zeigte) Steuerbox der Vorrichtung 1 eingebaut. Der Speicher 73 speichert Steuerprogramme, die den Betrieb der Steuereinheit 70 regeln. Verschiedene Parameter und Verweistabellen, die in durch die Steuervorrichtung 70 ausgeführten Steuerprozeduren verwendet werden sollen, sind ebenfalls im Speicher 73 gespei­ chert.

Das Wasserstoffgaszuführsystem 20 wird wie folgt betrieben. Während eines Anfangsbetriebsstadiums der Vorrichtung 1 bleibt das Wasserstoffablaßventil 25 geschlossen, und ein Wasserstoff­ gas-Zuführsteuerventil 23, das in einem Wasserstoffgaszuführ­ durchgang 22 vorgesehen ist, wird so eingestellt, daß es ge­ stattet wird, daß Wasserstoffgas einer vorherbestimmten Konzen­ tration unter der Explosionsgrenze von einer Quelle 21 der Anode 13 zugeführt wird.

Während die Vorrichtung 1 in Betrieb gehalten wird, wobei das Ventil 25 geschlossen ist, wird ein Partialdruck des Was­ serstoffes im an der Anode 13 verbrauchten Gas schrittweise un­ ter dem Einfluß von Stickstoff und Sauerstoff in der Luft, die der Kathode 11 zugeführt wird, und des an der Kathode 11 er­ zeugten Wassers, das durch die Elektrolytmembran 12 hindurch­ dringt, verringert, was die elektrische Leistungsabgabe aus der Brennstoffzelle 10 verschlechtert und unstabil macht. Folglich wird das Ventil 25 entsprechend einem vorgeschriebenen Ventil­ steuerprogramm geöffnet, um das verschlechternde Gas von der Anode 13 abzulassen, um das Gas in der Anode 13 aufzufrischen. Das Ventilsteuerprogramm ist im Speicher 73 gespeichert und wird daraus durch die Steuereinheit 70 ausgelesen, um das Ventil 25 zu öffnen oder zu schließen und den Grad der Öffnung des Ventils 23 zu steuern. In einer besonderen Ausführungsform ist das Programm vorbereitet, das Ventil 25 über eine vorherbe­ stimmte Periode (1 Sekunde zum Beispiel) zu öffnen, wenn die durch den Spannungsmesser 50 gemessene Ausgangsspannung unter einen vorherbestimmten kritischen Wert fällt. In einer anderen Ausführungsform kann das Programm dazu bestimmt sein, mit Un­ terbrechungen das Ventil 25 mit einem vorherbestimmten Inter­ vall zu öffnen und zu schließen, das im wesentlichen dasselbe oder geringfügig kürzer als eine experimentell bestimmte Zeit­ spanne ist, in der die Ausgangsspannung nach dem Anfahren der Brennstoffzelle 10 anfangen sollte, abzunehmen.

Das Luftzuführsystem 30 wird wie folgt arbeiten. Die atmo­ sphärische Luft wird durch den Luftdurchgang 31 dem Lufteinlaß­ verteiler 14 mit einem vorherbestimmten Druck zugeführt. Ein Anteil des Ablaßgases von der Kathode 11 wird ins Äußere des Systems abhängig vom Grad der Öffnung des Ventils 34 abgesogen, das durch die Steuereinheit 70 entsprechend einem vorherbe­ stimmten Luftablaßsteuerprogramm im Speicher 73 gesteuert wird. In einer besonderen Ausführungsform jedoch wird das Ventil 34 einen festen Öffnungsgrad aufweisen, da der Wasserausgleich in der Brennstoffzelle 10 durch das Wasserzuführsystem 40 auf eine Weise gesteuert wird, die unten beschrieben wird.

Im Betrieb des Wasserzuführsystems 40 wird Wasser durch die Pumpe 46 aus dem Tank 42 hochgepumpt und durch das Ventil 48 so gesteuert, daß es einen optimalen Druck aufweist, das in der Form von Wassertröpfchen auf die Oberfläche der Kathode 14 mit­ tels der Düse 41 gesprüht wird, die am nahe der Kathode 11 an­ geordneten Lufteinlaßverteiler angebracht ist. Die Wasserzu­ führmenge wird durch die Steuereinheit 70 entsprechend einem vorherbestimmten Wasserzuführsteuerprogramm im Speicher 73 ge­ steuert.

Nun speziell auf den Ablaufplan der Fig. 4 bezugnehmend, überwacht in dieser Ausführungsform die Steuereinheit 70 die Ausgangsspannung zwischen der Kathode 11 und der Anode 13, die durch den Spannungsmesser 50 gemessen wird, beim Schritt S11, um eine optimale Sprühwassermenge abhängig von der gemessenen Ausgangsspannung bei S12 zu berechnen. Diese Berechnung kann durch Verwendung einer vorherbestimmten Formel oder Verweis­ tabelle im Speicher 73 geschehen. Vorzugsweise wird die opti­ male Sprühwassermenge so bestimmt, daß ein richtiger Feuchtig­ keitszustand der Elektrolytmembran 12 und ein geeigneter Tem­ peraturbereich der Brennstoffzelle 10 aufrecht erhalten wird. Wie im folgenden beschrieben werden wird, kann die Brennstoff­ zelle 10 selbst mit einer verhältnismäßig kleinen Sprühwasser­ menge durch Nutzung der latenten Verdampfungswärme des Wassers wirksam gekühlt werden. In Normalsteuerung fährt das Wasserzu­ führsystem 40 an, wenn die Ausgangsspannung unter einen vorher­ bestimmten Wert fällt oder wenn die Ausgangsspannung in einem Bereich variiert, der größer als eine vorherbestimmte Breite ist.

Dann berechnet die Steuereinheit 70 am Schritt S13 einen optimalen Wasserdruck, der auf der so bestimmten optimalen Sprühwassermenge beruht. Da es eine proportionale Beziehung zwischen der Sprühwassermenge und dem Wasserdruck gibt, wovon ein Beispiel in Fig. 5 gezeigt wird, ist eine gewisse Formel oder Verweistabelle, die diese Beziehung repräsentiert, im Speicher 73 gespeichert. In dieser Ausführungsform wird der Öffnungsgrad des Ventils 48 an einem Umwälzdurchgang 49 einge­ stellt, um den Druck des Wassers zu steuern, das durch die Düse 41 gesprüht wird, während der Antriebspumpe 46 eine konstante Antriebsleistung zugeführt wird. Auf diese Steuerungsweise nimmt der Sprühwasserdruck ab, wenn das Ventil 48 einen größeren Öffnungsgrad aufweist. Dementsprechend führt bei Schritt S14 die Steuereinheit 70 die Rückkopplungssteuerung durch, in der sie den Öffnungsgrad des Ventils 48 so steuert, daß der tat­ sächliche Wasserdruck, der durch einen Wasserdrucksensor 47 ge­ messen wird, identisch mit einem optimalen Sprühwasserdruck wird, der bei S13 bestimmt worden ist. In einer anderen Steue­ rung wird das Wasserzuführsystem 40 mit einem vorherbestimmten konstanten Wasserdruck über ein vorherbestimmtes Zeitintervall (5-10 Sekunden zum Beispiel) periodisch betrieben.

Fig. 6 ist der Ablaufplan, der die Steuerungsprozedur beim Anfahren der Vorrichtung 1 zeigt. Wenn die Vorrichtung 1 durch Betätigen eines (nicht gezeigten) Hauptschalters bei Schritt S21 eingeschaltet wird, wird auch die Wasserpumpe 46 bei Schritt S22 eingeschaltet. Wasser wird bei Schritt 23 aus der Düse 41 in einer gegebenen Menge gesprüht. Normalerweise wird die Wasser­ sprühmenge reguliert, indem der Öffnungsgrad des Ventils 48 eingestellt wird, wie in einer Weise, die in Verbindung mit dem Ablaufplan der Fig. 4 beschrieben worden ist. Um zu verhindern, daß die Brennstoffzelle 10 beschädigt wird, was infolge der vor­ her erwähnten außerordentlichen Reaktion stattfinden könnte, soll Wasser in einer Menge, die größer als jene in der Normal­ steuerung ist, zur Kathode 11 gesprüht werden. Dann werden das Luftzuführsystem 30 und Wasserstoffzufürsystem 20 aufeinander­ folgend an den Schritten S24 und S25 eingeschaltet. Nachdem die Ausgangsspannung zwischen der Kathode 11 und Anode 13 einen vor­ herbestimmten Pegel erreicht, wird sie tatsächlich einer äuße­ ren Vorrichtung zugeführt.

Hinsichtlich der Zeit, wenn das Wasserstoffzuführsystem 20, das Luftzuführsystem 30 und das Wasserzuführsystem 40 angefah­ ren werden sollen, kann das Luftzuführsystem 30 vor oder nach dem Anfahren des Wasserzuführsystems 40 angefahren werden. Das Wasserstoffzuführsystem 20 kann vor dem Anfahren des Luftzu­ führsystems angefahren werden, wobei in diesem Fall Schritt S25 dem Schritt S24 im Ablaufplan der Fig. 6 vorangeht. Jedoch ist es absolut notwendig, das Wasserzuführsystem 40 zu starten, be­ vor das Wasserstoffzuführsystem 20 zu arbeiten beginnt. Da es unabhängig vom Betrieb des Luftzuführsystems 30 Luft in der Vor­ richtung 1 gibt, könnte, wenn Wasserstoff zugeführt werden sollte, während die Elektrolytmembran 12 noch nicht ausreichend befeuchtet ist, eine außerordentliche Verbrennung stattfinden, wie vorhergehend beschrieben worden ist, die mit einem Mal eine Wärmemenge erzeugt, so daß die Temperatur der Brennstoffzelle 10 schnell erhöht wird, die nicht auf die normale Betriebstem­ peratur durch eine daran angebrachte normale Kühlvorrichtung abgekühlt werden könnte, was eine Beschädigung des Katalysator und/oder der Elektrolytmembran 12 verursacht. Um eine solche Beschädigung zu verhindern, ist es notwendig, Wasser auf die Kathode 11 zu sprühen, bevor Wasserstoff der Anode 13 zugeführt wird. Diese Art des Betriebes wird es unterstützen, daß die Mem­ bran 12 richtig befeuchtet ist, und auch die erzeugte Wärme zur Verdampfung des gesprühten Wassers nutzen.

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Wasserzuführung auf unterschiedliche Arten und der sich ergebenden Ausgangsspannung aus dem Brennstoffzellenstapel der 200 W-Klasse. Die Ausgangs­ spannungen in Fig. 7 zeigen Werte nach 15 Minuten nach dem An­ fahren der Brennstoffzelle 10 an. Auf der Abszisse werden Strom­ dichten der Belastung zwischen der Kathode 11 und der Anode 13 gezeigt. In Beispielen, die durch "keine Befeuchtung" bezeich­ net werden, wird kein Wasser zugeführt, wobei in diesem Fall in die Anode 13 eingebrachtes Wasserstoffgas der Kathode 11 nicht zugeführt, sondern ins Freie abgelassen wird. In Beispielen, die durch "Blasenbildner-Befeuchtung" (bubbler humidification) bezeichnet wird, wird Dampf der Luft zugesetzt die der Kathode 11 zugeführt werden soll, und die Luft wird auf annährend 65°C erwärmt, wie im herkömmlichen Brennstoffzellenbetrieb. Durch "direktes Wassersprühen" werden Beispiele der vorliegenden Er­ findung bezeichnet, in denen 2 g, 5 g, 10 g und 20 g Wasser normaler Temperatur auf die Oberfläche der Kathode 11 pro Minute und pro Zelle gesprüht werden.

Wie aus Fig, 7 entnommen werden kann, zeigen die Bespiele der vorliegende Erfindung verhältnismäßig hohe Ausgangsspannun­ gen, verglichen mit jenen der herkömmlichen Beispiele, die die Befeuchtungsvorrichtung aufweisen. Der minimale Pegel der Sprühwassermenge, der als noch wirksam erachtet wird, um die Ausgangsspannung zu erzeugen, die vergleichbar mit der herkömm­ lichen Brennstoffzelle ist, wird abhängig von der Art und Ge­ staltung der Brennstoffzelle von Fall zu Fall variieren. Annä­ hernd 30% der Gesamtwassermenge, die durch Luft verdampft wer­ den kann, die durch die Kathode 11 strömt, sollten im üblichen Fall als die minimale Menge des gesprühten Wassers erachtet wer­ den.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Temperatur des Sprühwassers. Es wird deutlich, daß die Ausgangsspannung auf einen Pegel erhöht werden kann, der im we­ sentlichen identisch mit jenem der herkömmlichen Beispiele ist, die die Befeuchtungsvorrichtung aufweisen, wenn die Temperatur des Sprühwassers erhöht wird. Dementsprechend ist es vorzuzie­ hen, das Wasser vorzuerwärmen, das der Kathode 11 zugeführt wer­ den soll. Das Sprühwasser sollte sich vorzugsweise in einem Be­ reich von 40-60°C befinden, bevorzugter in einem Bereich von 45-55°C befinden, und noch bevorzugter annähernd 50°C aufwei­ sen.

Die folgenden Versuche wurden vorgenommen, um zu bestäti­ gen, daß das Wassersprühen auf die Kathode auch wirksam ist, die Brennstoffzelle zu kühlen. Die Versuchsvorrichtung war ähn­ lich zu jener, die in Fig. 9 gezeigt wird, weist jedoch neun Zellen 101 auf. Es wurde Wasser, das eine Temperatur von 40°C, 60°C oder 80°C aufwies, durch Kühlplatten 103 laufen gelassen, um den Brennstoffzellenstapel 100 zu erwärmen. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 100 wurden nach dem Wassersprühen unter unterschiedlichen Bedingungen gemessen, die zusammen mit den Versuchsergebnissen in einer Tabelle der Fig. 11 gezeigt werden.

In der Versuchsart Nr. 1-Nr. 4 lief Wasser von 40°C durch die Kühlplatten 103, um einen Scheinbetriebszustand zu erzeu­ gen, in dem der Brennstoffzellenstapel 100 bei 40°C arbeitet, und Wasser wurde in unterschiedlichen Mengen auf die Kathode gesprüht. In der Versuchsart Nr. 5-Nr. 8 lief Wasser von 60°C durch die Kühlplatten 103, um einen Scheinbetriebszustand zu erzeugen, in dem der Brennstoffzellenstapel 100 bei 60°C arbei­ tet, und Wasser wurde in unterschiedlichen Mengen auf die Ka­ thode gesprüht. Ebenso lief in der Versuchsart Nr. 9-Nr. 12 Wasser von 80°C durch die Kühlplatten 103, um einen Scheinbe­ triebszustand zu erzeugen, in dem der Brennstoffzellenstapel 100 bei 80°C arbeitet, und Wasser wurde in unterschiedlichen Mengen auf die Kathode gesprüht.

Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen der Temperaturdiffe­ renz zwischen der Brennstoffzelle und der atmosphärischen Luft und der Eigenwärmestrahlung, die durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurden. Insbesondere wurden Daten aus der Differenz zwischen der Wassertemperatur am Einlaß und am Auslaß der Kühlplatten 103 in der Versuchsart Nr. 1, Nr. 5 und Nr. 9 erhalten, in der kein Wasser auf die Kathode gesprüht wurde. Diese Versuchsergebnisse zeigen an, wie der Brennstoff­ zellenstapel, der keine Kühleinrichtungen aufweist, nur durch Eigenwärmestrahlung gekühlt wird. Wie in Fig. 12 gezeigt, be­ trug die Eigenwärmestrahlung im Versuchsbrennstoffzellenstapel höchstens 5 W pro Zelle. Es wird angenommen, daß die Eigenwär­ mestrahlung gesenkt werden wird, wenn die Differenz zwischen der Brennstoffzellentemperatur und der Temperatur der atmosphä­ rischen Luft klein wird.

Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen der Sprühwassermenge und der Kühlkapazität, die ebenfalls durch die in Fig. 11 ge­ zeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde. Wie gezeigt, konnte keine wesentlichen Veränderung der Kühlkapazität erkannt wer­ den, selbst wenn die Sprühwassermenge zunimmt. Vielmehr wird gefolgert, daß die Ablaßgastemperatur einen größeren Einfluß auf die Kühlkapazität aufweist.

Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen der Sprühwassermenge und der Kühlkapazität durch aufnehmbare Wärme, die ebenfalls durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde. Die aufnehmbare Wärme bedeutet Wärme, die vom Brenn­ stoffzellenstapel verbraucht oder entzogen wird, wenn das ge­ sprühte Wasser (26°C) auf die jeweilige Ablaßgastemperatur (33°C und 46°C in Fig. 14) angehoben wird, während das gesprühte Wasser in einem flüssigen Zustand gehalten wird, das heißt, ohne Verdampfung. Wie gezeigt, weist, obwohl die Kühlkapazität durch aufnehmbare Wärme schrittweise mit der Sprühwassermenge erhöht wird, jedoch vielmehr die Ablaßgastemperatur einen größeren Einfluß auf die Kühlkapazität durch aufnehmbare Wärme des ge­ sprühten Wassers auf.

Fig. 15 zeigt eine Beziehung zwischen der Sprühwassermenge und der Kühlkapazität durch latente Wärme, die ebenfalls durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde. Die latente Wärme bedeutet Wärme, die vom Brennstoffzellenstapel durch Verdampfung des gesprühten Wassers verbraucht oder ent­ zogen wird. Wie gezeigt, besteht eine Neigung, daß die Kühlka­ pazität durch latente Wärme erhöht wird, wenn die Sprühwasser­ menge abnimmt. Dennoch weist die Ablaßgastemperatur einen grö­ ßeren Einfluß auf die Kühlkapazität durch latente Wärme des ge­ sprühten Wassers auf.

Die in den Fig. 13-15 gezeigten graphischen Darstel­ lungen zeigen, daß flüssiges Wasser, das auf die Oberfläche der Kathode 11 gesprüht wird, Kühlkapazität durch aufnehmbare Wärme (Fig. 14) und Kühlkapazität durch latente Wärme (Fig. 15) auf­ weist, deren Stimme als Gesamtkühlkapazität auf der Ordinate der graphischen Darstellung in Fig. 13 gezeigt wird. Als Ergebnis des Experimentierens der Erfinder hinsichtlich der Kühlkapazi­ tät des Wassersprühens in noch kleineren Mengen, als jene, die in den Fig. 13-15 gezeigt werden, sind ähnliche Ergebnisse erhalten worden. Genauer gesagt wird eine kleinere Menge des Sprühwassers die Kühlkapazität durch aufnehmbare Wärme senken, jedoch ausgleichend die Kühlkapazität durch latente Wärme er­ höhen, um im wesentlichen dieselbe Gesamtkühlkapazität zu er­ halten, wie sie aus der graphischen Darstellung in Fig. 13 zu entnehmen ist. Die Menge des Wassers, das in einer besonderen Gestaltung der Vorrichtung 1 gesprüht werden soll, sollte so bestimmt werden, daß die maximale Kühlkapazität latenter Wärme bereitgestellt wird, die tatsächlich vom Ausgangsvolumen aus der Brennstoffzelle 10, ihrer Größe, ihrer Betriebstemperatur, usw. abhängt. Da wie oben beschrieben auf jeden Fall die Sprüh­ wassermenge nicht kritisch ist, gibt es kein Bedürfnis, Wasser in einer großen Menge zu sprühen, da es natürlich hinsichtlich der Größe und Kosten des Wasserzuführsystems 40 unerwünscht ist.

Fig. 16 zeigt die Beziehung zwischen der Ablaßgastemperatur und der Kühlkapazität durch latente Wärme, die ebenfalls durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde. Die gepunktete Linie zeigt den vorhergesagten maximalen Wärmeerzeu­ gungspegel pro Einheitsfläche (cm²) des Brennstoffzellenstapels im Betrieb. Die durch einen durchgezogene Linie in Fig. 16 ge­ zeigte Kühlkapazität, die mit der Ablaßgastemperatur erhalten wird, die sich von 33°C bis 46°C erstreckt, erreicht nicht den maximalen Pegel der Wärmeerzeugung des Brennstoffzellenstapels. Es kann beobachtet werden, daß die Kühlkapazität durch latente Wärme des gesprühten Wassers proportional mit der Ablaßgastem­ peratur zunehmen wird. Dementsprechend sollte gefolgert werden, daß wenn der Brennstoffzellenstapel bei einer Temperatur arbei­ tet, die höher als 50°C ist, die Kühlkapazität durch latente Wärme des gesprühten Wassers den maximalen Wärmeerzeugungspegel des Brennstoffzellenstapels überschreitet, das heißt, eine aus­ reichende Kühlkapazität während des Betriebs des Brennstoffzel­ lenstapels erhalten werden könnte. Dies bedeutet, daß der er­ findungsgemäße Brennstoffzellenstapel, in dem Wasser auf die Kathode gesprüht wird, keine Kühlplatten 103 benötigt und eine einfache Stapelanordnung aufweisen kann, wie in Fig. 10 ge­ zeigt, was eine höhere Effizienz und ein niedrigeres Gewicht des Brennstoffzellenstapels bereitstellt.

Wie im Detail beschrieben worden ist, entzieht gemäß der vorliegenden Erfindung Wasser, das auf die Kathodenoberfläche gesprüht wird, latente Wärme aus der umgebenden Luft, um eine Verdampfung von Wasser in der Elektrolytmembran zu verhindern, die daher in einem gewünschten Feuchtigkeitszustand verbleibt. Wasser, das auf die Kathodenoberfläche gesprüht wird, wird auch wirksam sein, die Brennstoffzelle und den Brennstoffzellensta­ pel zu kühlen, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels im Betrieb zu steuern, was bedeutet, daß keine zusätzliches Kühl­ mittel dorthindurch geschickt werden muß. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist eine einfache Konstruktion auf, wird mit niedrigeren Kosten hergestellt und stellt eine verbes­ serte Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit bereit.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit spezi­ fischen Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, ist zu verstehen, daß sie zu einer beträchtlichen Variation und Mo­ difikation fähig ist, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Zum Beispiel ist die Wassersprühdüse vorzugsweise am Lufteinlaßverteiler an der Kathode angebracht, kann aber an jedem Ort und in jeder Entfernung von der Kathode vorgesehen werden, soweit sie der Kathode flüssiges Wasser zuführen kann.

Wenn das Brennstoffzellensystem in einer Fabrik oder im Haus­ halt installiert ist kann es an Wasserwerke gekoppelt werden, so daß Stadtwasser der Kathode zugeführt wird.

Claims (13)

1. Brennstoffzellensystem, das aufweist: eine oder mehrere Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Ka­ thode angeordnet ist, aufweisen; erste Gaszuführeinrichtun­ gen, um ein erstes Gas, das Brennstoffgas aufweist, der An­ ode zuzuführen; zweite Gaszuführeinrichtungen, um ein zwei­ tes Gas, das Sauerstoff aufweist, der Kathode zuzuführen, und Zuführeinrichtungen für flüssiges Wasser, um einer Ober­ fläche der Kathode flüssiges Wasser zuzuführen.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Zuführ­ einrichtungen für flüssiges Wasser Wasser auf die Oberfläche der Kathode sprühen.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Zuführ­ einrichtungen für flüssiges Wasser eine Düse zum Sprühen von Wasser auf die Oberfläche der Kathode aufweisen.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Düse an einem Gaseinlaßverteiler angebracht ist, durch den das zweite Gas der Kathode zugeführt wird.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Zuführ­ einrichtungen für flüssiges Wasser flüssiges Wasser mit Un­ terbrechungen zuführen.

6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner aufweist: einen Ausgangsleistungssensor zum Ermit­ teln einer Ausgangsspannung zwischen der Anode und der Ka­ thode und Wassersteuereinrichtungen zum Steuern einer Was­ sermenge, die durch die Zuführeinrichtungen für flüssiges Wasser als Reaktion auf die Ermittlung durch den Ausgangs­ leistungssensor zugeführt werden soll.

7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner Wasserrückführungseinrichtungen aufweist, um minde­ stens einen Anteil des Wassers, das durch die Brennstoff­ zellenreaktion an der Kathode erzeugt wird, wieder zur Ka­ thode zurückzuführen.

8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Wasser­ rückführungseinrichtungen aufweisen: Wassersammeleinrich­ tungen zum Sammeln mindestens eines Anteils des Wassers, das durch die Brennstoffzellenreaktion an der Kathode erzeugt wird, einen Wassertank zum Aufnehmen und Aufbewahren des Wassers, das durch die Wassersammeleinrichtungen gesammelt wird, und einen Wasserrückführdurchgang, der zwischen den Wassertank und die Zuführeinrichtungen für flüssiges Wasser geschaltet ist, um der Kathode Wasser im Wassertank durch die Zuführeinrichtungen für flüssiges Wasser zuzuführen.

9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wo­ bei die Elektrolytmembran eine Dicke aufweist, die es ge­ stattet, daß Wasser, das durch die Brennstoffzellenreaktion an der Kathode erzeugt wird, durch die Membran zur Anode dringt.

10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wo­ bei die ersten Gaszuführeinrichtungen Befeuchtungseinrich­ tungen ausschließen, die das erste Gas befeuchten, bevor es in die Anode eintritt.

11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei flüssiges Wasser, das durch die Zuführeinrichtungen für flüssiges Wasser zugeführt wird, ein Kühlmittel zum Küh­ len der Brennstoffzellen aufweist.

12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei flüssiges Wasser, das durch die Zuführeinrichtungen für flüssiges Wasser zugeführt wird, ein Kühlmittel zum Küh­ len der Kathode aufweist.

13. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12.