DE102019214266A1

DE102019214266A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102019214266A1
Application number: DE102019214266.4A
Authority: DE
Inventors: Juergen Hackenberg; Silvan Hippchen; Harald Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend übereinander angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10) und eine poröse, gasdurchlässige Gasdiffusionsschicht (9), wobei die Gasdiffusionsschicht (9) ein Bindemittel und einen Diffusionsstoff zur Erzielung der Porosität der Gasdiffusionsschicht (9) umfasst und der Diffusionsstoff von dem Bindemittel gebunden ist, wobei der Diffusionsstoff (38) Glaskohlenstoffpartikel (41) umfasst, um eine im Wesentlichen homogene Gasdurchlässigkeit der Gasdiffusionsschicht (9) bei einem unterschiedlichen Druck an einer Außenfläche (49, 50) der Gasdiffusionsschicht (9) zu erhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt.
Insbesondere in Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) liegt auf der Anode und Kathode jeweils eine Gasdiffusionsschicht (GDL) auf. Optional kann die Gasdiffusionsschicht lediglich mittelbar auf der Anode oder Kathode aufliegen, d. h. zwischen der Anode oder Kathode und der Gasdiffusionsschicht ist noch eine Katalysatorschicht angeordnet.
Die Gasdiffusionsschicht an der Anode oder Kathode verteilt den Brennstoff oder das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff aus Kanälen an den Bipolarplatten auf die optionale Katalysatorschicht und die Anode und Kathode. Die GDL transportiert außerdem flüssiges und dampfförmiges Wasser mittels Diffusion für dampfförmiges Wasser und mittel Kapillarkräften für flüssiges Wasser, so dass die Gasdiffusionsschicht die Protonenaustauschermembran (PEM) ausreichend befeuchtet ist. Außerdem leitet die GDL den elektrischen Strom und die Prozesswärme aus der elektrochemischen Reaktion ab.
Die Gasdiffusionsschicht ist aus einer makroporösen Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Backing Layer oder Gas Diffusion Backbone, GDB) und einer optionalen hydrophoben, mikroporösen Penetrationsschicht aus Kohlepulver (Micro Porous Layer, MPL) aufgebaut. In der GDB sind Graphit- bzw. Kohlenstofffasern mit einem thermoplastischen Bindemittel, beispielsweise PP, POM oder PPS, gebunden. Es liegt somit eine Gasdiffusionsschicht mit einem die Diffusion ermöglichenden, stationären Diffusionsstoff für die Porosität vor. Der Diffusionsstoff ist faserförmig ist. Der Diffusionsstoff stellt die Porosität zur Verfügung und ermöglicht damit die Diffusion von Gasen. Zwischen den gebundenen Graphit- bzw. Kohlenstofffasern mit einem großen Aspektverhältnis bilden sich die Poren für die Porosität aus und/oder der Diffusionsstoff ist selbst porös. Bei der Herstellung werden aus Pech- oder Kunststoffvorstufen (Phenolharz, PAN) gewonnene Kohlenstofffasern mit dem thermoplastischen Bindemittel zu einem Netzwerk mit Poren bzw. Hohlräumen miteinander verschweißt bzw. gebunden.
Herstellungsbedingt treten große Dickentoleranzen auf und diese betragen bis zu ± 20%. Bei einer Schichtdicke der GDB von ungefähr 150 µm bis 200 µm sind somit Höhentoleranzen von bis zu 30 µm bis 40 µm möglich. Die faserbasierte Gasdiffusionsschicht weist eine hohe Kompressibilität und ein kleines Elastizitätsmodul auf. Die Gasdiffusionsschicht liegt auf der Bipolarplatte mit einem Druck oder einer Normalspannung auf. Dabei sind an der Bipolarplatte Kanäle ausgebildet, so dass die Gasdiffusionsschicht an den Kanälen als einer kontaktfreien Außenfläche der Gasdiffusionsschicht keinen Kontakt zu der Bipolarplatte aufweist und damit an den kontaktfreien Außenflächen kein Druck oder Normalspannung aufgebracht ist. An Außenflächen mit Kontakt liegt die Bipolarplatte mit einem Druck oder einer Normalspannung von beispielsweise von 1,5 N/mm² auf. Aufgrund der hohen Kompressibilität und des kleinen Elastizitätsmoduls der Gasdiffusionsschicht verursachen diese Normalspannungen lokal an den Außenflächen mit Kontakt eine große Verkleinerung der Dicke der Gasdiffusionssicht, so dass an den lokal verdichteten Bereichen die Porosität und Porengrößen lokal stark reduziert ist und an den Kanälen ragt die im Wesentlichen nicht verdichtet Gasdiffusionsschicht bzw. GDB in die Kanäle hinein.
Die lokal kleine Porosität und Porengrößen der lokal verdichteten GDB reduziert die Diffusion von gasförmigen und flüssigen Stoffen in der Gasdiffusionsschicht stark, so dass, insbesondere parallel zu einer von der Gasdiffusionsschicht aufgespannten fiktiven Ebene, der Stofftransport stark reduziert ist. Damit wird die pro Zeiteinheit umgesetzte Stoffmenge der elektrochemischen Reaktion an der Anode und Kathode verkleinert, d. h. die elektrische Leistung der Brennstoffzelle ist in nachteiliger Weise reduziert.
Darüber hinaus können die Fasern der GDB die Protonenaustauschermembran (PEM) durchbohren und beschädigen.
Die JP 6142963 B1 offenbart eine Gasdiffusionsschicht (GDL) für eine Brennstoffzelleneinheit. Die Gasdiffusionsschicht umfasst unter anderem auch Kohlenstoffpartikel.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend übereinander angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und eine poröse, gasdurchlässige Gasdiffusionsschicht, wobei die Gasdiffusionsschicht ein Bindemittel und einen Diffusionsstoff zur Erzielung der Porosität der Gasdiffusionsschicht umfasst und der Diffusionsstoff von dem Bindemittel gebunden ist, wobei der Diffusionsstoff Glaskohlenstoffpartikel umfasst, um eine im Wesentlichen homogene Gasdurchlässigkeit der Gasdiffusionsschicht bei einem unterschiedlichen Druck an einer Außenfläche der Gasdiffusionsschicht zu erhalten. Die Glaskohlenstoffpartikel weisen eine große Härte und ein sehr großes Elastizitätsmodul auf, so dass diese mechanischen Eigenschaften der Glaskohlenstoffpartikel ein großes Elastizitätsmodul und eine kleine Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht verursacht. Lokale Normalspannungen oder Drücke an der Außenfläche der Gasdiffusionssicht verursachen nur eine vernachlässigbare Verkleinerung der Dicke und damit auch nur eine vernachlässigbare Verkleinerung der Porosität der Gasdiffusionssicht, so dass die Gasdiffusionssicht trotz der lokalen Druckbeanspruchung an der Außenseite eine hohe und homogene Diffusion von gasförmigen und flüssigen Stoffen ermöglicht, so dass, insbesondere parallel zu einer von der Gasdiffusionsschicht aufgespannten fiktiven Ebene, ein großer Stofftransport ausgeführt wird. Die Brennstoffzelleneinheit weist damit pro Masseneinheit eine hohe elektrische Leistung auf. Die Porosität der Gasdiffusionsschicht wird verursacht durch Poren und/oder Hohlräume zwischen den Partikeln des partikelbasierten Diffusionsstoffes der Gasdiffusionsschicht und/oder durch die Stoffeigenschaften des Diffusionsstoffes selbst, beispielsweise kohlenstoffbasierten Partikel aus Ruß. Der Diffusionsstoff ist stationär und feststehend und die Porosität des Diffusionsstoffes ermöglicht die Diffusion von Gasen und Flüssigkeiten, insbesondere des Brennstoffes und des Oxidationsmittels, in der stationären und feststehenden Gasdiffusionsschicht. Eine im Wesentlichen homogene Gasdurchlässigkeit der Gasdiffusionsschicht bedeutet vorzugsweise, dass sich die Gasdurchlässigkeit der Gasdiffusionsschicht, insbesondere parallel zu einer von der Gasdiffusionsschicht aufgespannten fiktiven Ebene, um weniger als 30%, 20%, 10%, 5%, 3%, 2% oder 1% unterscheidet.
In einer weiteren Variante sind die Glaskohlenstoffpartikel im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet. Im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet bedeutet vorzugsweise, dass das Aspektverhältnis der Glaskohlenstoffpartikel zwischen 1 und 2, insbesondere zwischen 1 und 1,2, liegt.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der maximale Durchmesser der Glaskohlenstoffpartikel der Gasdiffusionsschicht kleiner als 100 µm, 40 µm, 20 µm, 10 µm , 5 µm, 1 µm, oder 0,5 µm.
In einer weiteren Variante liegt der Massenanteil der kohlenstoffbasierten Partikel an dem partikelbasierten Diffusionsstoff zwischen 10% und 95%, insbesondere zwischen 50% und 80%. Dies gewährleistet eine ausreichende Porosität der Gasdiffusionsschicht.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der Diffusionsstoff zusätzlich kohlenstoffbasierte Partikel. Ein ausreichender Massenanteil an kohlenstoffbasierte Partikel ist notwendig, um eine ausreichend große Porosität der Gasdiffusionsschicht zu erhalten. Die kohlenstoffbasierten Partikel sind nicht aus Glaskohlenstoff ausgebildet.
In einer zusätzlichen Variante umfasst der partikelbasierte Diffusionsstoff im Wesentlichen ausschließlich Glaskohlenstoffpartikel und kohlenstoffbasierte Partikel. Vorzugsweise bedeutet im Wesentlichen ausschließlich Glaskohlenstoffpartikel und kohlenstoffbasierte Partikel, dass der Massenanteil der Glaskohlenstoffpartikel und kohlenstoffbasierte Partikel als dem Diffusionsstoff größer als 70%, 80%, 90%, 95% oder 98 % ist.
Zweckmäßig umfasst die Gasdiffusionsschicht, insbesondere der Diffusionsstoff der Gasdiffusionsschicht, im Wesentlichen keinen faserförmigen Stoff, insbesondere keine Graphit- oder Kohlenstofffasern. Vorzugsweise bedeutet im Wesentlichen keinen faserförmigen Stoff, dass der Massenanteil von dem faserförmigen Stoff in der Gasdiffusionsschicht, insbesondere der Gasdiffusionsschicht, kleiner als 10%, 5%, 3% oder 2% ist.
In einer ergänzenden Variante beträgt das Massenverhältnis zwischen Bindemittel und Diffusionsstoff zwischen 1/1 und 1/10, vorzugsweise zwischen 1/1 und 1/4.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Glaskohlenstoffpartikel spanförmig und/oder splitterförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet sind. Vorzugsweise ist das Aspektverhältnis der scheibenförmigen Glaskohlenstoffpartikel zwischen 1 und 5, insbesondere zwischen 1 und 2. Span- oder splitterförmige Glaskohlenstoffpartikel weisen ein Aspektverhältnis bis 20 auf.
In einer ergänzenden Ausgestaltung liegt das Aspektverhältnis des partikelbasierten Diffusionsstoffes zwischen 1 und 7, insbesondere zwischen 1 und 3.
In einer ergänzenden Variante liegt die Bipolarplatte auf der Gasdiffusionsschicht auf und zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Bipolarplatte sind Kanäle für gasförmiges Oxidationsmittel oder gasförmigen Brennstoff ausgebildet und an den Kanälen ist kein Kontakt zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht an einer kontaktfreien Außenfläche der Gasdiffusionsschicht vorhanden und außerhalb der Kanäle liegt die Gasdiffusionsschicht auf der Bipolarplatte unter einem Druck an einer Außenfläche der Gasdiffusionsfläche mit Kontakt auf, so dass unterschiedliche Druckbeanspruchungen an der Außenfläche der Gasdiffusionsschicht vorliegen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Gasdiffusionsschicht eine im Wesentlichen konstante Dicke an der kontaktfreien Außenfläche und an der Außenfläche mit Kontakt auf, insbesondere ist die Dicke der Gasdiffusionsschicht an der Außenfläche mit Kontakt mit Druckbeanspruchung lediglich geringfügig kleiner ist als an der Außenfläche ohne Kontakt ohne Druckbeanspruchung. Vorzugsweise bedeutet eine im Wesentlichen konstante Dicke an der kontaktfreien Außenfläche und an der Außenfläche mit Kontakt der Gasdiffusionsschicht, dass die Dicke der Gasdiffusionssicht sich um weniger als 10%, 6%, 5%, 4%, 3% oder 2% unterscheidet. Aufgrund des großen Elastizitätsmoduls der Gasdiffusionsschicht tritt eine kleine lokale Verkleinerung der Dicke der Gasdiffusionssicht auf, so dass die Gasdiffusionssicht nur geringfügig in die Kanäle hineinragt und deshalb die Gasdurchlässigkeit der Gasdiffusionsschicht lediglich vernachlässigbar aufgrund der Druckbeanspruchung verkleinert wird, so dass die Gasdiffusionsschicht eine im Wesentlichen homogene Gasdurchlässigkeit trotz Druckbeanspruchung aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Gasdiffusionsschicht, dahingehend ausgebildet, dass bei einer fiktiven Dicke der Gasdiffusionssicht von 100 µm ein Druck von 150 N/mm² eine Verkleinerung der Dicke der Gasdiffusionsschicht von weniger als 7 µm, vorzugsweise weniger als 5 µm, insbesondere weniger als 3 µm, verursacht.
Vorzugsweise umfasst die die Gasdiffusionsschicht eine Zusatzschicht als einen Micro Porous Layer. Der Micro Porous Layer (MPL) ist an der der Protonenaustauschermembran zugewandten Seite der GDB angeordnet. Die MPL ist vorzugsweise aus Kohlepulver ausgebildet, insbesondere als hydrophobe, mikroporöse Penetrationssicht.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Gasdiffusionsschicht hydrophobierende Stoffe, beispielsweise PTFE.
In einer zusätzlichen Variante ist der Elastizitätsmodul E der Gasdiffusionsschicht größer als 20 N/mm², 30 N/mm², 40 N/mm², 50 N/mm², 60 N/mm^2, 80 N/mm² oder 100 N/mm². Der große Elastizitätsmodul der Gasdiffusionsschicht bewirkt eine kleine Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht, so dass die lokalen Normalspannungen oder Drücke an der Außenseite der Gasdiffusionssicht nur sehr kleine Reduzierungen der Dicke bewirkten und die Gasdiffusionsschicht trotz der lokalen Druckbeanspruchungen an der Außenseite eine im Wesentlichen homogene Porosität und damit im Wesentliche homogenen Stofftransport im Betrieb ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Bindemittel PVDF, PP, POM oder PPS.
Vorzugsweise sind die Glaskohlenstoffpartikel isotrop. Isotrop bedeutet insbesondere, dass die Partikel aufgrund der Geometrie und/oder des Partikelmaterials der Partikel in verschiedenen Richtungen des Raumes identische physikalische und/oder chemische Eigenschaften aufweisen.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist der maximale Durchmesser der Glaskohlenstoffpartikel größer als 0,1 µm, 0,5 µm , 1 µm, 2 µm, 5 µm, 10 µm oder 20 µm.
In einer weiteren Ausgestaltung liegt Aspektverhältnis der Glaskohlenstoffpartikel zwischen 1 und 20, insbesondere zwischen 1 und 2.
Vorzugsweise liegt der Massenanteil des Glaskohlenstoffes an einem partikelbasierten Diffusionsstoff zwischen 5 % und 90%, insbesondere zwischen 20% und 50%.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind die Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet ist.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist eine Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,
5 einen Schnitt durch eine Gasdiffusionsschicht in einem ersten Ausführungsbeispiel,
6 einen Schnitt durch eine Gasdiffusionsschicht in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
7 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Glaskohlenstoffpartikels und
8 eine vereinfachte Seitenansicht des Glaskohlenstoffpartikels gemäß 7 und

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4H⁺ + 4e^- --» 2H₂O
Anode: 2H₂ --» 4H⁺ + 4e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2H₂ + O₂ --» 2H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellestapel 1 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem einen Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 50 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 6, 7 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Array, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heiß verpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die poröse und gasdurchlässige Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 dient zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht, leitet den elektrischen Strom und leitet die Prozesswärme aus der elektrochemischen Reaktion ab.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemische Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Graphit eingesetzt
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehreren Brennstoffzellen 2 übereinander angeordnet (4). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei übereinander angeordneten Brennstoffzellen 1 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und können konstruktiv tatsächlich unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise als Bohrungen in einem Rahmen (nicht dargestellt) oder als fluchtende Bohrungen am Endbereich (nicht dargestellt) aufeinander liegenden Bipolarplatten 10. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 17, 18, 25, 26, 27, 28 und die Kanäle 12, 13, 14 sowie der Gasraum 31 für Brennstoff und der Gasraum 32 für Oxidationsmittel bilden je einen Fluidkanal 37 zur Durchleitung eines Fluides.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 300 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
Die Gasdiffusionsschicht 8 ist mit einem partikelbasierten Diffusionsstoff 38 ausgebildet mit im Wesentlichen kugelförmigen Glaskohlenstoffpartikeln 41 aus Glaskohlenstoff (glassy carbon) und stäbchenförmigen und/oder plättchenförmigen kohlenstoffbasierten Partikeln 42 aus Graphit. Die kohlenstoffbasierten Partikel 42 aus Kohlenstoff können auch aus anderen Modifikationen des Kohlenstoffs sowie auch aus weiteren Formen des Kohlenstoffs, beispielsweise amorphen Kohlenstoff oder Ruß, ausgebildet sein. Die Glaskohlenstoff ist formstabil bei einer großen Härte und Steifigkeit und aus reinem Kohlenstoff aufgebaut, der glasartige keramische mechanische Eigenschaften aufweist bei einer guten elektrischen Leitfähigkeit ähnlich wie bei Graphit. Ferner weist Glaskohlenstoff gute thermische Leitfähigkeit auf. Glaskohlenstoffpartikel 41 sind somit für einer Verwendung in einer Gasdiffusionsschicht 8 gut geeignet, weil Glaskohlenstoff eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist bei einer hohen elektrochemischen Stabilität und einem geringen Kontaktwiderstand. Die Verwendung von Glaskohlenstoffpartikeln 41 in der GDL 9 verkleinert die Kompressibilität und erhöht den Elastizitätsmodul E in der Gasdiffusionssicht 9. Der maximale Durchmesser 46 der Glaskohlenstoffpartikel 41 ist im Bereich von 5 µm bis 10 µm. Der Massenanteil der Glaskohlenstoffpartikel 41 aus der Summe der Masse von Glaskohlenstoffpartikeln 41 und kohlenstoffbasierten Partikeln 42 als dem partikelbasierten Diffusionsstoff 38 beträgt ungefähr 30%. Ein Massenanteil zwischen 20% und 50% ist optimal, weil ein kleinerer Massenanteil der Glaskohlenstoffpartikel 41 keine ausreichenden mechanischen Eigenschaften erzielt, d. h. die GDL 9 einen zu kleinen Elastizitätsmodul E aufweist. Bei einem Massenanteil der Glaskohlenstoffpartikel 41 über 50% ist die Porosität und damit die Fähigkeit zum Leiten von Gasen zu gering. Die Porosität ist zur Leitung von Gas und dampfförmigen Wasser mittels Diffusion und von flüssigem Wasser in der GDL aufgrund von Kapillarkräften notwendig. Die GDL 9 weist eine Porosität, d. h. einen Anteil an Gas, von ungefähr 50% bis 70% auf.
Die mechanischen Eigenschaften der GDL 9 sind sehr vorteilhaft. Bei einer Schichtdicke der GDL 9 in der Brennstoffzelle 2 von 100 µm und einem Druck oder einer Normalspannung von 150 N/cm² = 1,5 N/mm², welche die Bipolarplatte 10 auf eine Außenfläche 50 der GDL 9 mit Kontakt zu der Bipolarplatte 10 aufbringt, verursacht lediglich eine Verkleinerung der Dicke der GDL 9 von ungefähr 3 µm. Damit ist ε = 3 µm/100µm = 0,03. Bei einer idealisierten und vereinfachten Anwendung des Hookeschen Gesetzes von $σ = E ε$
Damit ist der Elastizitätsmodul E = σ / ε = (1,5 N/mm²) / 0,03 = 50 N/mm². Eine kontaktfreie Außenflächen 49 (3) der GDL 9 weisen an den Kanälen 12 für Brennstoff und an den Kanälen 13 für Oxidationsmittel keinen Kontakt zu der Bipolarplatte 10 auf, so dass an der kontaktfreien Außenfläche 49 der GDL auch kein Druck oder Normalspannung von der Bipolarplatte 10 auf die GDL 9 aufgebracht wird. An Kontaktflächen 50 weist die GDL 9 einen Kontakt zu der Bipolarplatte 9 auf und die Bipolarplatte 9 liegt mit einem Druck bzw. einer Normalspannung von 150 N/cm² = 1,5 N/mm² auf den Kontaktflächen 50 auf. Diese Normalspannung ist eine Folge der notwendigen Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33, die mit vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 verbunden sind.
In 5 ist ein Schnitt durch die GDL 9 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. In der GDL 9 sind die im Wesentlichen kugelförmigen Glaskohlenstoffpartikel 41 und kohlenstoffbasierte Partikel 41 als Diffusionsstoff 38 von einem Bindemittel 43 gebunden. Das Bindemittel 43 bindet die losen und schütt- und rieselfähigen Glaskohlenstoffpartikel 41 und kohlenstoffbasierten Partikel 41 zu der GDL 9. Der Diffusionsstoff 38 stellt die notwendige Porosität und Porengrößenverteilung zur Verfügung, damit die GDL Gas, d. h. Brennstoff und Oxidationsmittel leiten kann. Zwischen dem Diffusionsstoff 38 sind die Poren ausgebildet und die kohlenstoffbasierten Partikel 41 weisen selbst eine Porosität auf. Als Bindemittel werden beispielsweise thermische Binder wie PP, POM oder PPS eingesetzt. Die GDL 9 enthält außerdem hydrophobierende Stoff, beispielsweise PFTE.
In 6 ist ein Schnitt durch die GDL 9 in einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5 beschrieben. Die GDL 9 umfasst eine Schicht als der GDL 9 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und zusätzlich einen Micro Porous Layer 51 (MPL 51). Der MPL 51 mit einer sehr kleinen Dicke wird mit einem Sprühverfahren auf die Schicht als der GDL 9 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebracht und führt zu im Wesentlichen keiner Veränderung der mechanischen Eigenschaften aufgrund der sehr kleinen Schichtdicke der MPL 51.
In 7 ist eine Ansicht eines Glaskohlenstoffpartikels und in 8 eine Seitenansicht des Glaskohlenstoffpartikels 41 gemäß 7. Die Glaskohlenstoffpartikel 41 sind scheibenförmig ausgebildet und weisen in einer ersten Richtung 44 einen maximalen Durchmesser 46 auf und in einer zweiten Richtung 45 einen minimalen Durchmesser 47 auf. Die erste und zweite Richtung 44, 45 stehen aufeinander senkrecht und liegen in einer von dem scheibenförmigen Glaskohlenstoffpartikel 41 aufgespannten fiktiven Ebene 48 (8). Der maximale Durchmesser 46 beträgt 10 µm und der minimale Durchmesser beträgt 5 µm , so dass die Glaskohlenstoffpartikel 41 ein Aspektverhältnis von 2:1 innerhalb der fiktiven Ebene 54 aufweisen. Die Dicke senkrecht zu der fiktiven Ebene 54 beträgt 2 µm, so dass das Aspektverhätnis 10/2=5 beträgt. Bei im Wesentlichen kugelförmigen Glaskohlenstoffpartikel 41 beträgt das Aspektverhältnis 1 bis 1,5, vorzugsweise 1 bis 1,2.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Der große Elastizitätsmodul E der Gasdiffusionsschicht 9 bewirkt eine sehr kleine Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht. Die lokale Beanspruchung der GDL 9 an der Außenfläche 50 mit Kontakt mit dem Druck oder der Normalspannung aufgrund des Aufliegens der Bipolarplatte 10 bewirkt lediglich eine vernachlässigbare Verkleinerung der Dicke der GDL 9 aufgrund einer elastischen und/oder plastischen Verformung, insbesondere Verkleinerung der Dicke der GDL 9. Damit tritt an der GDL 9 trotz der lokalen Beanspruchung an der Außenfläche 50 mit Druck und Normalspannung nur eine vernachlässigbare Verkleinerung der Porosität auf. Die Porosität der GDL 9 bewirkt die Gasdurchlässigkeit der GDL 9, so dass die GDL 9, trotz der lokalen Beanspruchung mit Normalspannung an den Außenflächen 50, eine homogene und große Gasdurchlässigkeit aufweist. Die GDL 9 kann damit den Brennstoff und das Oxidationsmittel gleichmäßig zur Anode 7 und der Kathode 8 leiten und Wasser sowohl dampfförmig als auch flüssig homogen leiten. Auch bei einem konstanten Druck an der Außenfläche der Gasdiffusionsschicht 9 tritt nur eine vernachlässigbare Verkleinderung der Dicke und der Porosität der Gasdiffusionsschicht 9 auf. Dies erhöht die elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 pro Masseneinheit was insbesondere bei mobilen Anwendungen in Kraftfahrzeugen von besonderem Vorteil ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 6142963 B1 [0009]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - übereinander angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10), eine poröse, gasdurchlässige Gasdiffusionsschicht (9), wobei - die Gasdiffusionsschicht (9) ein Bindemittel (43) und einen Diffusionsstoff (38) zur Erzielung der Porosität der Gasdiffusionsschicht (9) umfasst und der Diffusionsstoff (38) von dem Bindemittel (43) gebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionsstoff (38) Glaskohlenstoffpartikel (41) umfasst, um eine im Wesentlichen homogene Gasdurchlässigkeit der Gasdiffusionsschicht (9) bei einem unterschiedlichen Druck an einer Außenfläche (49, 50) der Gasdiffusionsschicht (9) zu erhalten.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskohlenstoffpartikel (41) im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser (46) der Glaskohlenstoffpartikel (41) der Gasdiffusionsschicht (9) kleiner als 100 µm, 40 µm, 20 µm, 10 µm, 5 µm, 1 µm oder 0,5 µm ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil der kohlenstoffbasierten Partikel (42) an dem partikelbasierten Diffusionsstoff (38) zwischen 10% und 95%, insbesondere zwischen 50% und 80% liegt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionsstoff (38) zusätzlich kohlenstoffbasierte Partikel (42) umfasst
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der partikelbasierte Diffusionsstoff (38) im Wesentlichen ausschließlich Glaskohlenstoffpartikel (41) und kohlenstoffbasierte Partikel (42) umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (9), insbesondere der Diffusionsstoff (38) der Gasdiffusionsschicht (9), im Wesentlichen keinen faserförmigen Stoff, insbesondere keine Graphit- oder Kohlenstofffasern, umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenverhältnis zwischen Bindemittel (43) und Diffusionsstoff (38) zwischen 1/1 und 1/10, vorzugsweise zwischen 1/1 und 1/4, beträgt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskohlenstoffpartikel (41) spanförmig und/oder splitterförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Aspektverhältnis des partikelbasierten Diffusionsstoffes (38) zwischen 1 und 7, insbesondere zwischen 1 und 3, liegt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) auf der Gasdiffusionsschicht (9) aufliegt und zwischen der Gasdiffusionsschicht (9) und der Bipolarplatte (10) Kanäle (12, 13) für gasförmiges Oxidationsmittel oder gasförmigen Brennstoff ausgebildet sind und an den Kanälen (12, 13) kein Kontakt zwischen der Bipolarplatte (10) und der Gasdiffusionsschicht (9) an einer kontaktfreien Außenfläche (49) der Gasdiffusionsschicht (9) vorhanden ist und außerhalb der Kanäle (12, 13) die Gasdiffusionsschicht (9) auf der Bipolarplatte (10) unter einem Druck an einer Außenfläche (50) der Gasdiffusionsfläche (9) mit Kontakt aufliegt, so dass unterschiedliche Druckbeanspruchungen an der Außenfläche (49, 50) der Gasdiffusionsschicht (9) vorliegen.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (9) eine im Wesentlichen konstante Dicke an der kontaktfreien Außenfläche (49) und an der Außenfläche (50) mit Kontakt aufweist, insbesondere die Dicke der Gasdiffusionsschicht (9) an der Außenfläche (50) mit Kontakt mit Druckbeanspruchung lediglich geringfügig kleiner ist als an der Außenfläche (49) ohne Kontakt ohne Druckbeanspruchung.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (9) dahingehend ausgebildet ist, dass bei einer fiktiven Dicke der Gasdiffusionssicht (9) von 100 µm ein Druck von 150 N/mm² eine Verkleinerung der Dicke der Gasdiffusionsschicht (9) von weniger als 7 µm, vorzugsweise weniger als 5 µm, insbesondere weniger als 3 µm, verursacht.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (9) eine Zusatzschicht als einen Micro Porous Layer (51) umfasst.
Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen (2), - einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit als eine Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist