DE3137677A1

DE3137677A1 - Brennstoffelementenanordnung

Info

Publication number: DE3137677A1
Application number: DE19813137677
Authority: DE
Inventors: Jack Perth Amboy N.J. Early; Arthur West Orange N.J. Kaufman; Alfred Teaneck N.J. Stawsky
Original assignee: Engelhard Corp
Current assignee: BASF Catalysts LLC
Priority date: 1980-09-22
Filing date: 1981-09-22
Publication date: 1982-05-19
Also published as: IT1171540B; AU7424481A; GB2084387B; US4310605A; CA1164524A; IT8149320A0; FR2490882B1; FR2490882A1; GB2084387A; JPS6130386B2; JPS5780677A

Description

Brennstoffelementenanordnung Die Erfindung betrifft eine Brennstoffelementenanordnung.

Lange Zeit wurde eine Gleichstromenergieversorgung benötigt, die die Möglichkeit einer Lastanpassung zum Betreiben einer Vielzahl verschiedener elektrischer Lasten bietet. Gegenwärtig verwenden die Vorrichtungen zur Energieversorgung von Gleichstromlasten Spannungsregler. Herkömmliche Spannungsregeleinrichtungen sind mit hohen Kosten verbunden und bewirken im allgemeinen unerwünschte Energieverluste.

Durch die Erfindung wird eine Gleichstromenergieversorgung geschaffen, die aus Brennstoffzellen gebildet und so aufgebaut ist, dass sie eine Spannungsregelfunktion erfüllt. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise als Energieversorgung von Elektrolysezellen oder zur Batterieaufladung benutzt werden.

Dazu umfasst die erfindungsgeraässe Brennstoffelementenanordnung wenigstens einen Brennstoffelementenbaustein mit einer Vielzahl von Stapeln von Brennstoffelementen, die übereinander angeordnet gehalten sind, wobei jeder Stapel eine Vielzahl von Brennstoffelementen aufweist, die in Reihe geschaltet sind und an ihren Enden eine Kathoden- und eine Anodenklemme aufweisen. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, die die Anoden- und Kathodenklemmen jeweils parallel schaltet. Durch diese Ausbildung liefert die Brennstoffelementenanordnung an den Ausgangsklemmen eine Ausgangsspannung gleich der Spannung jedes Stapels. 30

Die Erfindung umfasst insbesondere eine Anordnung, bei der die Kathoden- und Anodenklemmen durch die Bausteinkühlein-

richtung in Form von Kalt- oder Kühlplatten gebildet sind, die zwischen den Stapeln jeweils vorgesehen sind. Es sind negative und positive Kühlmittelverteilereinrichtungen vorgesehen, die mit den Kühlplatten verbunden sind, um die parallelen elektrischen Anschlüsse zu bilden, wobei eine Stromabnehmereinrichtung mit den Verteilereinrichtungen verbunden ist. Bei einer typischen Ausbildung zum Erfüllen einer Spannungsregelfunktion sind mehrere derartige Bausteine elektrisch in Reihe geschaltet und ist eine Schalteinrichtung vorgesehen, um eine vorgewählte Anzahl von Bausteinen mit den Ausgangsklemmen der Brennstoffelementenanordnung zu verbinden. Bei einer anderen Ausbildung können die oben beschriebenen Stapel elektrisch in Reihe geschaltet werden und ist eine Schalteinrichtung vorgesehen, die eine vorgewählte Anzahl von Stapeln mit den Ausgangsklemmen des Brennstoffelementenbausteins verbindet. Die erfindungsgemässe Brennstoffelementenanordnung kann weiterhin in einer Kombination mit einer Elektrolysezellenanordnung verwandt werden, zu deren Arbeitsspannungs- und -stromkennwerten die Arbeitsspannungs- und "Stromausgangskennwerte der Brennstoffelementenanordnung passen. Diese Kombination weist eine Einrichtung auf, die die Ausgangsklemmen der Brennstoffelementenanordnung mit den Eingangsklemmen der Elektrolysezellenanordnung verbindet. Bei dieser Anordnung betreibt die Brennstoffelementenanordnung die Elektrolysezellenanordnung mit der gewünschten Arbeitsspannung und dem gewünschten Arbeitsstrom.

Es ist ersichtlich, dass bei der oben beschriebenen Kombination die Schalteinrichtung so arbeitet, dass sie eine schrittweise erfolgende Spannungssteuerung zur Anpassung an die zunehmenden Spannungserfordernisse der Elektrolysezellen liefert. Darüberhinaus liefert diese Anordnung

eine natürlich Anpassung, d.h. benötigt diese Anordnung keine Spannungskonditionier- oder -regeleinrichtung.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert :

Fig. 1 zeigt schematisch einen Brennstoffelementenbaustein gemäss der Erfindung, bei dem verschiedene Teile zur deutlichen Darstellung

weggebrochen sind.

zeigt in einer schematischen isometrischen Teilansicht ein einzelnes Element in Kombination mit einer Bipolarplatte und einer Kühlplatte.

zeigt eine isometrische Ansicht eines Brennstoffelementenbausteins gemäss der Erfindung, der in zwei Stapeln angeordnet ist.

zeigt eine Stirnansicht einer Kühlplatte.

zeigt eine Draufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Kühlplatte.

Fig. 6 zeigt das Schaltbild einer Schaltanordnung

zum Liefern einer sich schrittweise ändernden Ausgangsspannung.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Kombination einer

Brennstoffelementenanordnung und einer elektrolytischen RaffinierZellenanordnung.

	Fig.	2
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	Fig.	3
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	Fig.	4
	Fig.	5
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- Ji- »Ο

Fig. 8 zeigt in einer grafischen Darstellung die

Arbeitskennkurven eines Brennstoffelementes und einer elektrolytischen Raffinierzelle.

Fig. 9 zeigt schematisch einen Brennstoffelementenbaustein, bei dem die Stapel elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Brennstoffelementenbausteins umfasst eine Vielzahl von Stapeln 10 von Brennstoffelementen, die im folgenden auch Elementenschichtungen genannt werden, die übereinander gestapelt mit Hilfe von Spannstäben 12 gehalten sind, die sich zwischen oberen und unteren Haltestäben 14 und 16 erstrecken. Jeder Stapel 10 umfasst sechs Brennstoffelemente, die jeweils von Bipolarplatten begrenzt und elektrisch in üblicher Weise in Reihe geschaltet sind. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind bei einem Stapel 10' die sechs Elemente in der Mitte geteilt .und sind drei Brennstoffelemente an der Oberseite des Bausteins und drei Brennstoffelemente an der Unterseite des Bausteins elektrisch über eine obere Anschlussplatte 18 und eine untere Anschlussplatte 19 in Reihe geschaltet, die elektrisch miteinander verbunden sind. Es ist damit ersichtlich, dass der Stapel 10' die gleiche Gesamtanzahl von Brennstoffelementen wie die anderen Stapel 10, jedoch eine andere Anordnung hat. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Anzahl oder Anordnung der Brennstoffelemente beschränkt ist und dass diese Konstruktionselemente variiert werden können.

Der Aufbau und die Anordnung der ElementenSchichtungen und der Bipolarplatten können in verschiedener bekannter Form erfolgen, beispielsweise wie es in der US-PS 3 709 736 dargestellt ist. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist,

••ft' —

ist jede Elementenschichtung oder jedes Brennstoffelement 20 aus drei Teilen, nämlich einer Anode 22, einem Elektrolytelement 24 und einer Kathode 26 aufgebaut. Das Elektrolytelement 24 besteht aus einem festgelegten Elektrolyten, beispielsweise aus in einer mikroporösen Matrix gehaltener Phophorsäure, wobei diese Art eines Elektrolytelementes im einzelnen in der US-PS 3 453 beschrieben ist. Das Elektrolytelement 24 kann in verschiedener bekannter Form vorliegen, die vorliegende Beschreibung dieses Elementes stellt lediglich ein Beispiel dar.

Die Elementenschichtungen sind zwischen Bipolarplatten angeordnet, die effektiv Brücken sind, die eine elektrische Reihenverbindung zwischen benachbarten Elementen liefern. Die Bipolarplatten sind von einer Seite zur anderen gleichfalls gasundurchlässig und thermisch und elektrisch leitende Platten aus einem Material, wie beispielsweise Graphit. Fig. 2 zeigt die Anordnung der Elementenschichtung 20 am oberen Ende eines Stapels.10. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Gaszugang durch Rillen oder Nuten in den Stirnseiten der Bipolarplatten vorgesehen. Es versteht sich, dass andere Ausbildungsformen im Rahmen der Erfindung ver-5 wandt werden können.

Die Elementenschichtung 20 wird von einer Endabschlussplatte 28 und einer Zwischenbipolarplatte 30 begrenzt. Die Abschlussplatten 28 sind am oberen und am unteren Ende eines Stapels 10 aus Elementschichtungen 20 vorgesehen und den Bipolarplatten 30 mit der Ausnahme ähnlich, dass nur eine Seite mit der Elementenschichtung in Kontakt steht, während die Bipolarplatten 30 zwischen den Elementenschichtungen in jedem Stapel 10 vorgesehen sind. Eine weitere bedeutende Funktion der Äbschlussplatten 28 und der Bipolarplatten 30 besteht darin, dass sie

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für den Zutritt des Reaktionsgases sorgen, damit dieses die Elektrodenflächen der Elementenschichtung 20 erreicht, während sie die benachbarten Elementenschichtungen 20 tragen und trennen. Da die Endabschlussplatten 28 nur eine Elektrode bedienen, sind es nur die Flächen der Abschlussplatten 28, die einer Elektrode benachbart sind, bei denen eine Vorsorge für den Zutritt des Reaktionsgasstromes getroffen werden muss, während die andere Fläche eben und glatt sein kann, um einen maximalen thermischen und elektrischen Kontakt mit den Kühlplatten zu liefern, die an den Enden der Stapel 10 gemäss der Erfindung vorgesehen sind. Die Bipolarplatten 30 bedienen zwei Elektroden und müssen daher mit Strömungskanälen für den Gaszutritt an beiden Aussenflachen versehen sein.

Ein derartiger Aufbau ist in Fig. 2 dargestellt und wird beispielsweise im einzelnen in der US-PS 3 709 736 beschrieben, aus der ein Rillen- oder Nutaufbau zu entnehmen ist, der dazu dient, für den Gaszutritt zu sorgen. Wie es in der. US-PS 3 709 736 beschrieben ist, ist die Luftströmungsanordnung derart, dass die Umgebungsluft in jedes Element durch die Rillen, beispielsweise die Rillen 23 und 24 in den Platten 28 und 30 jeweils eintritt, und durch das Element strömt, um die Kathode mit Sauerstoff zu versorgen und Wärme und Feuchtigkeit aufzunehmen, bevor die Luft das Element von der gegenüberliegenden Seite verlässt; Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, verläuft der Brennstoffstrom senkrecht zum Luftstrom, was für einen einfachen Anschluss der Zuleitungen für das Reaktionsgas zu den Elementen zweckmässig ist. Die Luft tritt in die Elementenschichtung am Rand der Bipolar- und Abschlussplatten in einer Richtung ein, die mit dem Weg der Rillen 23 und 25 übereinstimmt,und verlässt das Element mit einer erhöhten Temperatur an der gegenüberliegenden Seite. Der Brennstoff, im typischen Fall Wasserstoff, tritt

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in das Element durch die Rillen, wie beispielsweise die Rillen 27 in den Platten 30 ein und strömt in eine Richtung senkrecht zum Luftstrom. Als ein Beispiel dieses Aufbaues sind Einzelheiten der Anschlüsse für den Gasstrom und die Anordnung von Dichtungen zur Steuerung des Stromes des Reaktionsgases in der US-PS 3 709 736 beschrieben. Zusammengefasst heisst das, dass die Luftströme von jedem zweiten Element kombiniert werden und vom Luftstrom der benachbarten zwei Elementengruppen durch lange Abstandsstücke getrennt werden, die zwischen jeder zweiten Gruppe von Bipolarplatten angeordnet sind. Die abwechselnden Bipolarplatten sind durch kurze Abstandsstücke getrennt. Die langen Abstandsstücke dienen dazu, Verteilerkammern abwechseln für die hereinströmende und herausströmende Luft zu bilden. Der Brennstoffstrom wird zum Stapel derart gerichtet, dass die Elementengruppen in Reihe liegen. Das erlaubt eine optimale Ausnutzung des Wasserstoffes in verdünnten Wasserstoffströmen. Es versteht sich, dass verschiedene Anschlussanordnungen in bekannter Weise bei der erfindungsgemässen Anordnung verwandt werden können und die obige Anordnung lediglich ein Beispiel darstellt.

Während die oben beschriebene Brennstoffelementenanordnung die Verwendung eines Wasserstoff enthaltenden Brennstoffes und Luft als Sauerstoff enthaltendes Reaktionsgas benötigt, ist ersichtlich, dass die Brennstoffelementenanordnung auch andere Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Propan oder Leichtbenzin, wie bei bekannten Brennstoffelementenanordnung en verwenden kann.

Erfindungsgemäss sind dünne flache Kühlplatten zwischen jedem Stapel 10 so vorgesehen, (fess sie in einem elektrischen und thermischen Kontakt mit den Abschlussplatten 35

jedes Stapels stehen- Die Kühlplatten 40 und 42 bilden einen Teil der Kühleinrichtung für den Brennstoffelementenbaustein. Die Kühlplatten 40 und 42 sind abwechselnd zwischen den Stapeln 10 vorgesehen, was zu einem Zweck erfolgt, der später beschrieben wird.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, sind die Elementenschichtungen der Stapel 10 elektrisch in Reihe angeordnet, um einen gemeinsamen Kathodenanschluss und einen gemeinsamen Anodenanschluss zwischen benachbarten Stapeln 10 vorzusehen. Der aufgeteilte Stapel . 10 am oberen und unteren Ende des Bausteins ist nach diesem Schema angeordnet, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Die Kühlplatten 40 und 42 sind so ausgebildet, dass sie Kühlkanäle zum Durchfluss eines nichtleitenden flüssigen Kühlmittels bilden und bestehen aus einem elektrischen leitenden Material, wie beispielsweise aus Aluminium. Ein zufriedenstellendes Kühlmittel ist Therminol 44, ein käuflich erhältliches Wärmeübertragungsfluid, hergestellt von Monsanto Chemical Co. Die Kühlplatten 40 bilden effektiv die Anodenanschlussplatten für die gestapelte Anordnung in Fig. 1 und die Kühlplatten 42 bilden effektiv die Kathodenanschlussplatten für diese Anordnung.

Die Kühlplatten 40 und 42 können in verschiedener bekannter Weise ausgebildet sein. Eine Art der Ausbildung der Kühlplatten ist im einzelnen in Fig. 4 und 5 dargestellt. Diese Kühlplatte umfasst eine obere Abdeckung 41, eine untere Abdeckung 43 und einen Zwischenteil 44, der so ausgebildet ist, dass er einen serpentinförmigen Kühlkanal 46 zwischen den Abdeckungen 41 und 43 bildet. Zwei

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Rohre 48 sind an einem Ende der Kühlplatte so angebracht, dass sie mit den Enden des Kühlkanals 46 in Verbindung stehen, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Diese Rohre dienen als Einlass- und Auslassleitungen für die Kühlplatte, wie es mehr im einzelnen später beschrieben wird.

Die Kühleinrichtung für den in Fig. 1 dargestellten Brennstoffelementenbaustein umfasst gleichfalls Kühlmittelverteiler für den Kühlflüssigkeitsstrom in die Kühlplatten 40 und 42 sowie aus den Kühlplatten 40 und 42. Dazu sind Einlass- und Auslasskühlmittelverteiler 54 und 56 positiver Polarität jeweils vorgesehen, die den Kühlplatten 40 zugeordnet sind. Der Einlassverteiler 44 wird über einen Einlass 58 mit der Kühlflüssigkeit versorgt, um die Kühlplatten 40 zu versorgen und der Auslassverteiler gibt die Kühlflüssigkeit von den Kühlplatten 40' über einen Auslass 49 ab. Es sind gleichfalls Einlass- und Auslasskühlmittelverteiler 64 und 66 negativer Polarität vorgesehen, die den Kühlplatten 42 zugeordnet sind. Der Einlassverteiler 64 wird über einen Einlass 68 mit einem Kühlmittel versorgt, um dieses an die Kühlplatten 42 abzugeben und der Auslassverteiler 46 gibt das Kühlmittel von den Kühlplatten über einen Auslass 69 ab.

Durch diesen Aufbau bilden die Kühlplatten 40 und 42 und die Verteiler 58, 59 und 68, 69 eine zweckmässige Einrichtung zum Abnehmen oder Anzapfen der Spannung vom Brennstoffelementenbaustein. Die positiven Kühlmittelverteiler 58, 59 sind mit einem Stromabnehmer 70 versehen, während die negativen Kühlmittelverteiler 68, 69 mit einem Stromabnehmer 72 versehen sind. Die Stapel 10 sind damit elektrisch parallel geschaltet und so ausgebildet, dass sie eine der Spannung der Stapel 10 ent-

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sprechende Ausgangsleistung über einen.elektrischen Anschluss zu den Stromabnehmern 70 und 72 liefern.

Es ist ersichtlich/ dass gemäss der Erfindung die Kühlplatten 40 und 42 sowohl als Stromsammler als auch als Kühlplatten dienen. Erforderlichenfalls können dünne Platten, die nur als Stromsammler dienen, anstelle der Kühlplatten 40 und 42 verwandt werden. Im Rahmen der erfindungsgemässen Ausbildung können auch Kühlplatten 40 und 42 in einer Kombination mit dünnen Stromsammlerplatten verwandt werden.

In Fig. 3 ist ein Brennstoffelementenbaustein gemäss der Erfindung dargestellt, bei dem beispielsweise zwei Stapel von Brennstoffelementen 80 und 82 vorgesehen sind. Jeder Stapel 80 und 82 besteht aus Teilen, die in ähnlicher Weise wie der in Fig. 1 dargestellte Brennstoffelementenstapel aufgebaut und angeordnet sind, wobei die entsprechenden Bauteile mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Die Stapel 80 und 82 sind in ihrem Aufbau auch identisch, so dass nur der Stapel im einzelnen beschrieben wird. Es sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Teile des in Fig. 3 dargestellten Brennstoffelementenbausteins zum Zweck der Deutlichkeit der Darstellung weggelassen sind. Beispielsweise sind die Anschluss- und Verteilerbauteile weggelassen, um die Anordnung der Kühlplatten als Spannungsabnehmer deutlich darzustellen.

Der" Stapel 80 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffelementeneinzelstapeln 10 , von denen jeder aus sechs in Reihe geschalteten Elementenschichtungen besteht, die durch Bipolarplatten begrenzt sind, wie es anhand von Fig. 1 beschrieben wurde. Einer der Einzelstapel 10' ist in drei Elementenschichtungen am oberen und drei Elementeschichtungen am unteren Ende aufgeteilt, wie es gleich-

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falls anhand von Fig. 1 beschrieben wurde. Die Einzelstapel 10 und 10' werden übereinander gestapelt über sechs Spannstäbe 12 zusammengehalten, die sich zwischen oberen Haltestreben 14 und unteren Haltestreben 16 erstrecken.

Eine Lufteinlassleitung 84 ist zwischen den gegenüberliegenden Enden der Stapel 80 und 82 vorgesehen, während Wasserstoffanschlüsse oder-verteiler 86 neben den anderen Enden der Stapel 80 und 82 vorgesehen sind.

Es sind Kühlplatten 40 und 42 zum Kühlen der Anordnung vorgesehen, wobei diese Platten abwechselnd zwischen den Einzelstapeln 10 in der in Fig. 3 dargestellten Weise angeordnet sind. Die Elementenschichtungen der Einzelstapel 10 sind so angeordnet, dass sich ein gemeinsamer Kathodenanschluss und ein gemeinsamer Anodenanschluss ergeben, wie es anhand von Fig. 1 beschrieben wurde, wobei die Kühlplatten 4 0 die Anodenanschlussplatten bilden, während die Kühlplatten 42 die Kathodenanschlussplatten für den Stapel 80 bilden=

Einlass- und Auslassverteiler 54 und 56 positiver Polarität sind mit den Rohren 48 der Kühlplatten 40 verbunden, so dass der Einlassverteiler 54 die von einer Versorgungsleitung 55 zugeführte Kühlflüssigkeit an den Kanal 46 (Fig. 4) der Kühlplatten 40 abgibt, während der Auslassverteiler 56 die Kühlflüssigkeit vom Kanal 46 der Kühlplatte 40 an eine Rückführungsleitung 57 abgibt.

Die Einlassverteiler 64 und 66 negativer Polarität sind mit den Rohren 48 der Kühlplatten 42 verbunden, so dass der Einlassverteiler 64 die von einer Versorgungsleitung 65 zugeführte Kühlflüssigkeit an den internen Kanal 46 (Fig. 4) der Kühlplatte 42 abgibt, während der Auslass-

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verteiler 46 die Kühlflüssigkeit von diesem Kanal an eine Rückführungsleitung 67 abgibt.

Ein positiver Abgriff 90 ist mit einer Sammelschiene 92 verbunden, die ihrerseits mit den Verteilern 54 und 56 positiver Polarität jedes Stapels 80 und 82 über Stromabnahmestreifen verbunden ist. In ähnlicher Weise ist der negative Abgriff 91 mit einer Sammelschiene 93 verbunden, die ihrerseits mit den Verteilern 64 und 66 negativer Polarität jedes Stapels 8 0 und 82 über Stromabnahmestreifen 72 verbunden ist.

In dieser Weise bilden die Kühlplatten 4 0 und 42 und ihre zugehörigen Verteiler 54, 56 und 64, 66 eine zweckmassige Einrichtung zum Abnehmen der Spannung des Brennstoffelementenbausteins in Fig. 3. Die Anordnung ist derart, dass die Einzelstapel 10 elektrisch parallel geschaltet sind, so dass der Brennstoffelementenbaustein eine Ausgangsspannung liefert, die der Spannung eines Einzelstapeis 10 entspricht. Die Stromstärke wird natürlich von dem Strom jedes Einzelstapels und der Anzahl der parallelgeschalteten Einzelstapeln abhängen. Beispielsweise liefert ein Brennstoffelementenbaustein, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, mit Kühlplatten" zwischen Einzelstapeln aus sechs Elementen, wobei jedes Element eine Nennspannung von 0,6 V Gleichspannung hat, eine Nennspannung für jeden Einzelstapel von 3,6 V und somit gleichfalls eine Nennspannung für den Baustein von 3,6 V. Ein gewünschter Strom des Bausteins von 6000 A würde beispielsweise von insgesamt 40 Einzelstapeln geliefert, die elektrisch im Baustein parallelgeschaltet sind, wobei jeder Einzelstapel· einen Strom von 150 A abgibt.

Erfindungsgemäss kann eine Schaltanordnung vorgesehen. sein, so dass Bausteine einer Brennstoffelementenanordnung

zusätzlich in der erforderlichen Weise zugeschaltet werden können, um die Ausgangsspannung zu erhöhen. Eine derartige Anordnung ist schematisch in Fig. 6 dargestellt.
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Bei der in Fig. 6 dargestellten Anordnung sind fünf Brennstoffelementenbausteine 100 des in Fig. 3 dargestellten Typs in Reihe geschaltet,wobei jeder Baustein 100 zwei Stapel 80 und 82 umfasst und eine Ausgangsspannung von 3,6 V liefert. Die Bausteine 100 sind mit Ausgangsklemmen 106 über eine Schalteinrichtung verbunden, die fünf Schalter 101 - 105 umfasst, die schrittweise den Anschluss einer unterschiedlichen Anzahl von Bausteinen 100 an die Ausgangsklemmen 106 erlauben, um die Ausgangsspannung in Schritten bis auf das Maximum der Summe der Spannungen der fünf Bausteine zu erhöhen. Bei fünf Bausteinen, von denen beispielsweise jeder eine Nennspannung von 3,6 V liefert, ergibt sich dann, wenn nur ein Schalter 101 geschlossen ist, eine Spannung ' ε (Potentialunterschied) von 3,6 V an den Ausgangsklemmen 106. Wenn nur der Schalter 102 geschlossen ist, beträgt die Spannung E 7,2 V an den Ausgangsklemmen 106. Wenn nur der Schalter .103 geschlossen ist, beträgt die Spannung • E 10,8 V an den Ausgangsklemmen 106. Wenn nur der Schalter 104 geschlossen ist, beträgt die Spannung E_Q 14,4 V an den Ausgangsklemmen 106. Wenn nur der Schalter 105 geschlossen ist, beträgt die Spannung E_Q 18 V an den Ausgangsklemmen 106.

Es versteht sich, dass dann, wenn kleinere Spannungsschritte erforderlich sind, zusätzliche Spannungsabgriffe in der erforderlichen Weise vorgesehen sein können. Es können auch kompliziertere Schaltanordnungen vorgesehen sein, bei denen

alle Teile der Brennstoffelementenanordnung immer sich in 35

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die Last teilen- Derartige Schaltanordnungen sind bekannt .

Die erfindungsgemässe Brennstoffelementenanordnung kann die elektrische Energieversorgung für elektrochemische Prozesse aufgrund der direkten Zuführung eines Gleichstromes vereinfachen, ohne dass eine Gleichrichtung notwendig ist und ohne dass Energieverluste auftreten. Aufgrund der bausteinförmigen Ausbildung kann die erfindungsgemässe Brennstoffelementenanordnung so ausgelegt werden, dass sie sich direkt und von selbst auf den Energiebedarf eines gegebenen elektrochemischen Prozesses anpasst. Fig. 7 zeigt eine typische Kombination der erfindungsgemässen Brennstoffelementenanordnung mit einer elektrolytischen Raffinierzellenanordnung, während Fig. 8 zeigt, wie die von selbst erfolgende oder natürliche Anpassung zwischen beiden Anordnungen erreicht wird.

Die in Fig. 7 dargestellte Brennstoffelementenanordnung 108 umfasst eine Brennstoffelementenenergieversorgung 109 aus sieben Brennstoffelementenbausteinen 110, die beispielsweise von dem in Fig. 3 dargestellten Typ sein können. Die Bausteine 110 sind elektrisch in der in Fig. 6 schematisch dargestellten Weise miteinander verbunden, wobei die Bausteine 110 in Reihe geschaltet sind und mit einem Spannungsabgriffwählschalter 112 verbunden sind, der auf sieben verschiedene Stellungen gebracht werden kann, um irgendeine Anzahl von Bausteinen 110 mit der positiven und der negativen Ausgangsklemme 114 und 116 der Energieversorgung 109 jeweils zu verbinden. Die Brennstoffelementenanordnung 108 umfasst gleichfalls herkömmliche Einrichtungen, wie beispielsweise eine Wasserstoffversorgungseinrichtung mit einer Versorgungsleitung 118, die Wasserstoffgas den Brennstoffelementenbausteinen 110 über eine Messpumpe 120 und eine Vielzahl von Steuerventilen 122 liefert, von denen jeweils eines jedem Baustein 110 zugeordnet ist.

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Die Ausgangsklemmen 114 und 116 sind über Leitungen 124, 126 jeweils verbunden, um an Versorgungseingangsklemmen

131 und 133 eine elektrolytische Zellenanordnung 130 mit Strom zu versorgen. Die elektrolytische Zellenan-

5 Ordnung 130 umfasst eine Bank elektrolytischer Raffinierzellen 132. Obwohl in Fig. 7 nur zwei Zellen 132 dargestellt sind, sind im typischen Fall acht derartige Zellen 132 beispielsweise bei einer tatsächlichen Anordnung vorgesehen. Es ist somit eine Anzahl von Raffinierzellen 132 vorgesehen, die um eins grosser als die Anzahl der Brennstoffelemente 110 ist, da während der typischen Betriebsverhältnisse wenigstens eine Raffinierzelle

132 für Wartungs- oder Reparaturzwecke ausser Betrieb sein wird.

Jeder Raffinierzelle 132 ist eine Bypasschaltungseinrichtung 134 zugeordnet, die dazu dienen kann, die zugehörige Raffinierzelle 132 kurzzuschliessen, wenn sie nicht benutzt wird.

Die in Fig. 7 dargestellte Anordnung ist für die Anwendung einer schrittweise erfolgenden Spannungssteuerung aufgebaut, um eine Anpassung an den zunehmenden Spannungsbedarf jeder elektrolytischen Raffinierzelle 132 zu liefern, indem die Brennstoffelementenenergieversorgung 109 bausteinartig aufgebaut ist. Die Brennstoffelementenenergieversorgung 109 ist somit in Form von in Reihe geschalteten Bausteinen 110 vorgesehen, wobei jeder Baustein so ausgelegt ist, dass er eine Ausgangsspannung liefert, die dem gewünschten Spannungsbedarf einer Raffinierzelle 132 äquivalent ist,und jeder Baustein 110 unabhängig in die Energieversorgungsschaltung eingeschaltet oder aus der Energieversorgungsschaltung herausgeschaltet werden kann. Zusätzlich wird eine Gesamtbrennstoffelementen— ausgangsspannung geliefert, die zum Gesamtspannungsbedarf der Raffinierzellen passt, die zu irgendeinem ge-

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gebenen Zeltpunkt arbeiten. Der gewünschte Arbeitsstrom wird dadurch geliefert, dass in jedem Baustein Teile aus parallelgeschalteten Einzelstapeln gleicher Spannung aufgebaut werden, um sich an die Erfordernisse der Raffinierzellen anzupassen. Während der Benutzung wird der Schalter 112 so geschaltet, dass eine geeignete Anzahl von Brennstoffelementenbausteinen 11G mit den Ausgangsklemmen 114 und 116 verbunden ist, die zur Anzahl der zu betreibenden Elektrolysezellen 132 passt.

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Fig. 8 zeigt die natürliche Anpassung gemäss der Erfindung bei der elektrolytischen Raffinierzellenanordnung in Fig. 7. Eine elektrolytisch^ Raffinierzelle benötigt eine optimale Spannung und einen optimalen Strom, um eine maximale Produktion, die eine Funktion des Zellenstromes ist, bei minimaler Leistung zu liefern, die eine Funktion der erforderlichen Spannung ist. Der spezielle Stromspannungsarbeitspunkt der elektrolytischen Raffinierzelle ist effektiv eine Funktion ihres Innenwiderstandes mit Änderungen, d.h. Zunahmen während des Betriebes.

Die Kurven für die Stromspannungsarbeitspunkte für elektro-Iytische Raffinierzellen sind in Fig. 8 dargestellt, wobei die Kurven für den Anfang und das Ende der Lebensdauer die Arbeitsgrenzen auf der Grundlage von Entscheidungen bezüglich den gewünschten Arbeitsverhältnissen der Raffinierzellen wiedergeben.

Eine Brennstoffzelle hat ihre eigene charakteristische Stromspannungsarbeitskurve, die durch ihre spezielle elektrochemische Auslegung und ihre Arbeitsbedingungen einschliesslich der Temperatur und der äusseren Last vorgeschrieben ist. Die Arbeitskurve einer Brennstoffelementenenergieversorgungseinheit wird darüberhinaus durch ihre gesamte elektrische Ausbildung bestimmt, wie es oben beschrieben wurde. Eine typische Arbeitskurve eines Brenn-

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stoffelementes ist in Fig. 8 dargestellt. Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, ändert sich ein gegebener Arbeitskennwert des Brennstoffelementes mit der Zeit, d.h. nimmt die Spannung für einen gegebenen Strom unter gegebenen Arbeitsverhältnissen ab.

Die Arbeitskurven für das Brennstoffelement und für den Beginn und das Ende der Lebensdauer einer elektrolytischen Zelle sind effektiv in Form der Ausbildungserfordernisse der Anordnung bestimmt. Diese Kurven, die in Fig. 8 dargestellt sind, sollen nicht angeben, dass eine der Anordnungen bei bestimmten Arbeitsverhältnissen aufhört zu arbeiten, sondern nur dass bestimmte Werte der Arbeitsverhältnisse für die jeweilige Anordnung nicht von Interesse sind.

Wenn die Brennstoffelementenenergieversorgung und die elektrolytischen Raffinierzellen verbunden werden, wird schnell ein Energieübertragungsgleichgewichtspunkt erreicht. Dieser Punkt sind die natürlichen gemeinsamen Arbeitsverhältnisse und wird durch den Schnittpunkt der tatsächlichen Arbeitskurven in diesem Augenblick wiedergegeben. Wenn die Brennstoffelementenetiergieversorgung in geeigneter Weise so ausgelegt ist, dass sie zu den erforderlichen Arbeitsverhältnissen der Raffinierzelle passt, dann ist dieser Gleichgewichtspunkt ein Stromspannungspunkt, der beide Erfordernisse auf der Grundlage der Wirtschaftlichkeit, der Produktionsrate, der Arbeitslebensdauer usw. erfüllt. Wenn die Brennstoffelementenanordnung so ausgelegt ist, dass sie einen zufriedenstellenden ArbeitsSchnittkennwert mit der Arbeitskennlinie der elektrolytischen Raffinierzellen · liefert, dann wird die Anordnung mit einer natürlichen Anpassung zwischen der Energieversorgung und der elektro-

³^ lytischen Zellenanordnung arbeiten. Dementsprechend ist es nicht notwendig, irgendeine Energiekonditionierein-

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richtung, beispielsweise einen Spannungsregler oder ähnliches vorzusehen, da diese Anordnung effektiv selbstregelnd arbeitet. D.h. m.a.W., dass die an der Brennstoffelementenanordnung liegende Last derart" ist, dass die Spannung und der Strom der Anordnung auf dem gewünschten Arbeitspunkt, d.h. im Arbeitsbereich der Kurven in Fig. 8 liegen. Da sich die Kennwerte der Last und der Energieversorgung während des Betriebes ändern, wird sich der Arbeitspunkt ändern,jedoch an derselben Stelle im Arbeitsbereich in Fig. 8 bleiben.

Fig. 9 zeigt den Aufbau eines Brennstoffelementenbausteins mit einer Vielzahl von Einzelstapeln 10, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, wobei die Einzelstapel elektrisch in Reihe geschaltet sind und eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, um eine vorgewählte Anzahl von Einzelstapeln 10 mit den Ausgangsklemmen des Bausteins zu verbinden. Der in Fig. 9 dargestellte Brennstoffelementenbaustein umfasst Elemente, die gleich denen bei dem in Fig. 1 dargestellten Baustein sind, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Der Brennstoffelemehtenbaustein umfasst"eine Vielzahl von Brennstoffelementenstapeln 10, die übereinander gestapelt mittels Spannstäben 12 und Haltestangen 14 und 16 gehalten und mit Abschlussplatten 18 und 19 versehen sind, wobei die Haltestangen 14 elektrisch gegenüber der Abschlussplatte 18 isoliert ist. Jeder Stapel το umfasst eine Vielzahl von Brennstoffelementen 20, die miteinander in Reihe geschaltet und von Bipolarplatten 28 begrenzt sind. Kühlplatten 40 sind zwischen den Stapeln 10 vorgesehen und dienen als eine Einrichtung, die eine Kathodenklemme an einem Ende eines Stapels der 35

in Reihe geschalteten Brennstoffelemente und eine Anodenklemme am anderen Ende des Stapels der in Reihe geschalteten Brennstoffelemente liefert, sowie als eine Einrichtung, die die Stapel elektrisch in Reihe schaltet. 5

Es ist eine elektrische Schaltung vorgesehen, die in der in Fig. 9 dargestellten Weise an den Ausgangsklemmen 150 und 152 des Bausteins einen Strom liefert, der dem Strom eines Einzelstapels 10 entspricht. Es ist gleichfalls eine Schalteinrichtung vorgesehen, um eine vorgewählte Anzahl von Einzelstapeln 10 mit den Ausgangsklemmen 150 und 152 zu verbinden. Dazu dient ein Wählschalter 154, der auf eine Vielzahl verschiedener Stellungen eingestellt werden kann, um irgendeine Anzahl von Einzelstapeln 10 mit der Ausgangsklemme 152 zu verbinden. Die Ausgangsklemme 150 ist mit dem unteren Ende des Bausteins an der Abschlussplatte 19 verbunden. Durch diese Anordnung umfasst die elektrische Schaltung eine Vielzahl von Stromabgriffen, die an Endpunkten A, B, E, F und G in der in Fig. 9 dargestellten Weise mit den Kühlplatten 40 sowie der Abschlussplatte 18 verbunden sind. Die Stromabgriffe sind mit zunehmender Spannung angeordnet, wobei die niedrigste Spannung am Punkt A und die höchste Spannung am Punkt G bei der in Fig. 9 dargestellten Anordnung liegt. Obwohl in Fig. 9 nur fünf Stromabgriffe dargestellt sind, ist es ersichtlich, dass für jeden Einzelstapel im Baustein ein Stromabgriff vorgesehen ist.

Claims

GRÜNECKER, KINKELDEY, STOCKMAIR & PARTNER

PATENTANWÄLTE

AN PATE-NT AFrORNt-YS

A GRÜNECKER, or. -"-ta

DR. H. KINKELDEY. or.-ins

DR W.STOCKMAIR. aw.-ing-a

DR K. SCHUMANN, opl-phys

P. H. JAKOB.

DR. G. BEZOLD,

W. MEISTER. ocPL-iNS

H. HILGERS. ocr-ing.

DR H. MEYER-PLATH. oipl-ing.

ENGELHAIiD CORPORATION 70 Wood Avenue South Metro Park Plaza Iselin, Hew Jersey USA

8000 MÜNCHEN 22 MAXIMILIANSTRASSE 43

P 16 567

22. September 1981

PATENTANSPRÜCHE

1/. Brennstoffelementenanordnung, gekennzeich net durch einen Brennstoffelementenbaustein, der· eine Vielzahl von Brennstoffelementenstapeln (10), die übereinander gestapelt zusammengehalten sind, wobei jeder
Stapel (10) eine Vielzahl von Brennstoffelementen (20) aufweist, die elektrisch in Reihe zusammengeschaltet
sind, eine Einrichtung, die einen Kathodenanschluss an einem Ende der in Reihe geschalteten Brennstoffelemente (20) liefert, eine Einrichtung, die einen Anodenanschluss am anderen Ende der in Reihe geschalteten Brennstoffelemente (20) liefert, und eine Einrichtung aufweist, die elektrisch die Anodenanschlüsse der Stapel (10) und

(O Bö) 22 28 G2

die Kathodenanschlüsse der Stapel(1O)parallelschaltet, wobei die Brennstoffelementenanordnung an den Ausgangsklemmen eine Ausgangsspannung erzeugt, die der Spannung eines Stapels (10) entspricht.
5
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Kathodenanschlüsse und die Anodenanschlüsse durch Kühlplatten (40, 42) gebildet sind, die zwischen den Stapeln (10) angeordnet sind, wobei die Kühlplatten (40,42) Kanäle für den zirkulierenden Strom eines Kühlmittels durch die Kühlplatten (40, 42) bilden.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die Einrichtung, die die Kathoden-

und die Anodenanschlüsse parallelschaltet, eine Kühlmittelverteilereinrichtung (64, 66) negativer Polarität, die mit den Kühlplatten (42) verbunden ist, die die

*·' Käthodenanschlüsse bilden, und eine Kühlmittelverteilerr

einrichtung (54, 56) positiver Polarität umfasst, die

* mit den Kühlplatten (40) verbunden ist, die die Anoden

anschlüsse bilden.
4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Stromabnehmer (70, 72), der mit den

Kühlmittelverteilern (54, 56, 64, 66) negativer und positiver Polarität jeweils verbunden ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Bausteinen (100), die

elektrisch in Reihe geschaltet sind, und durch eine Schalteinrichtung (101-105), um eine vorgewählte Anzahl von

; Bausteinen (100) mit den Ausgangsklemmen (106) der An-

, Ordnung zu verbinden.

; 35
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Kathodenanschlüsse und die Anodenanschlüsse abwechselnd in der Stapelanordnung vorgesehen sind, um einen gemeinsamen Kathodenanschluss und einen gemeinsamen Anodenanschluss zwischen benachbarten Stapeln (10) zu bilden, wobei die Brennstoffelemente (20) jedes Stapels (10) mit ihren Kathoden und Anoden konform zu der Anordnung der gemeinsamen Kathoden- und Anodenanschlüsse angeordnet sind.
10
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass die Kathoden- und die Anodenanschlüsse von Kühlplatten (40, 42) gebildet sind, die zwischen den Stapeln (10) angeordnet sind, wobei die Kühlplatten (40, 42) Kanäle für den zirkulierenden Strom eines Kühlmittels durch die Kühlplatten (40, 4 2) bilden.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Einrichtung, die elektrisch die Kathoden- und die Anodenanschlüsse parallelschaltet, eine Kühlmittelverteilereinrichtung (64, 66) negativer Polarität, die mit den Kühlplatten (42) verbunden ist, die die Kathodenanschlüsse bilden, und eine Kühlmittelverteilereinrichtung (54, 56) positiver Polarität umfasst, die mit den Kühlplatten (40) verbunden ist, die die Anodenanschlüsse bilden.
9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Stromabnehmereinrichtung (70,72), die mit den Kühlmittelverteilern (54, 56, 64, 66)negativer und positiver Polarität jeweils verbunden ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichn.e t durch wenigstens zwei Stapelbausteine (80,82) mit einer Vielzahl von Brennstoffelementenstapeln (10), die Seite an Seite angeordnet sind.

O I O / D / /
11. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Bausteinen (100), die elektrisch in Reihe geschaltet sind,und durch eine Schalteinrichtung (101-105), um eine vorgewählte Anzahl der Bausteine (100) mit den Ausgangsklemmen (106) der Anordnung zu verbinden.
12. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Kraftstoffelementenstapel

(10) Bipolarplatten (30) auf jeder Seite der Kraftstoff elemente (20) und Abschlussplatten (28) an den Enden der Stapel (10) aufweisen, wobei die Kühlplatten (40, 42) in elektrisch leitendem Kontakt mit den Abschlussplatten (28) angeordnet sind.
13. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stapel (10) die gleiche Anzahl von Kraftstoffelementen (20) umfasst, und dass ein zusätzlicher Stapel (10') mit der gleichen Gesamtanzahl von Brennstoffelementen (20) vorgesehen.ist, der so unterteilt ist, dass sich einige seiner Brennstoffelemente (20) am oberen Teil der Stapelanordnung befinden, während die restlichen Brennstoffelemente sich am unteren Teil der Stapelanordnung befinden.
14. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Anschlüsse der Kühlmittelverteilereinrichtung (64, 66) negativer Polarität und der Kühlmittelverteilereinrichtung (54, 56) mit positiver Polarität an die Kühlplatten (40, 42) Leitungseinrichtungen (58, 59) aufweisen, die zwischen den Kühlplatten (40, 42) und den Verteilereinrichtungen (54, 56,, 64, 66) vorgesehen sind und Durchlässe für den Strom des Kühlmittels in die Kühlplatten (40, 42) und aus den Kühlplatten

³^ heraus bilden.
15. Brennstoffelementenanordnung, gekennzeichnet durch einen Brennstoffelementenbaustein mit einer Vielzahl von Brennstoffelementenstapeln, die übereinander gestapelt zusammengehalten sind, wobei jeder Stapel (10) eine Vielzahl von Brennstoffelementen (20), die elektrisch in Reihe geschaltet sind, eine Einrichtung, die einen Kathodenanschluss an einem Ende der in Reihe geschalteten Brennstoffelemente (20) bildet, eine Einrichtung, die einen Anodenanschluss am anderen Ende der in Reihe geschalteten Brennstoffelemente (20) bildet, und eine Einrichtung aufweist, die elektrisch die Stapel (10) in Reihe schaltet, wobei die Brennstoffelementenanordnung an den Ausgangsklemmen einen Strom liefert, der dem Strom eines Stapels (10) entspricht, und eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die eine vorgewählte Anzahl von Stapeln (10) mit den Ausgangsklemmen der Anordnung verbindet.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die Kathodenanschlüsse und die

Anodenanschlüsse von Kühlplatten (40, 42) gebildet werden, die zwischen den Stapeln (10) angeordnet sind, wobei die Kühlplatten (40, 42) Kanäle für den zirkulierenden Strom · eines Kühlmittels durch die Kühlplatte^ (40, 42) bilden. 25
17. Kombination aus einer Brennstoffelementenanordnung mit einem Brennstoffelementenbaustein (110) zum Erzeugen eines Gleichstromes mit vorgewählter Spannung und Stromstärke und zum Zuführen des Gleichstromes zu Ausgangsklemmen (114, 116) und aus einer elektrochemischen Anordnung (130) mit bestimmten Arbeitsspannungsund -strombedarf skennwer ten, dadurch gekennzeichnet , dass die vorgewählte Spannung und Stromstärke des Brennstoffelementenbausteins (110) zu den Arbeitsspannungs- und -Stromausgangskennwerten der elektrochemischen Anordnung (130) passt, und dass eine Einrichtung vorgesehen ist, die elektrisch die Ausgangs-

J Iό/D / /

klemmen (114, 116) der Brennstoffelementenanordnung

(109) mit den Eingangsklemmen (131, 133) der elektrochemischen Anordnung (130) verbindet, so dass die Brennstoffelementenanordnung (109) die elektrochemische Anordnung (130) unter den gewünschten Arbeitsspannungsund-Stromverhältnissen betreibt.
18. Kombination nach Anspruch 17, dadurch, gekennzeichnet , dass die Brennstoffelementenanordnung (109) eine Vielzahl von Brennstoffelementenbausteinen (110) aufweist, von denen jeder einen Gleichstrom mit vorgewählter Spannung und Stromstärke erzeugt, und eine Schalteinrichtung (112) vorgesehen ist, um eine vorgewählte Anzahl von Brennstoffelementenbausteinen (110) mit den Ausgangsklemmen (114, 116) der Brennstoffelementenanordnung (109) zu verbinden, wobei die elektrochemische Anordnung (130) eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen (132) umfasst , von denen jede die gleichen Arbeitsspannungs- und-stromausgangskennwerte aufweist, und wobei die vorgewählte Spannung und Stromstärke jedes Brennstoffelementenbausteins (110) zu den Arbeitsspannungs- und-stromausgangskennwerten der elektrochemischen Zellen (132) passen.
19. Kombination nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet , dass die Brennstoffelementenbausteine

(110) in Reihe geschaltet sind und die Schalteinrichtung (112) einen Spannungsabgriffwählschalter aufweist, der eine unterschiedliche Anzahl von Bausteinen (110) mit den Ausgangsklemmen (114, 116) der Brennstoffelementenanordnung (109) verbinden kann, um eine sich schrittweise ändernde Ausgangsspannung zu liefern.