DE102019219228A1

DE102019219228A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102019219228A1
Application number: DE102019219228.9A
Authority: DE
Inventors: Gernot Repphun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-06-10
Also published as: WO2021116034A1

Abstract

Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend übereinander angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10), eine poröse, gasdurchlässige Gasdiffusionsschicht (9), wobei die schichtförmigen Komponenten mit einem Druck aufeinander liegen und der Druck senkrecht zu von den Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen wirkt, wobei die Bipolarplatte (10) aufgrund des Druckes bis zu einem ersten Wert des Druckes eine im Wesentlichen elastische Verformung als Veränderung der Dicke der Bipolarplatte (10) aufweist und zwischen dem ersten Wert des Druckes und einem zweiten Wert des Druckes eine im Wesentlichen plastische Stauchung als Reduzierung der Dicke der Bipolarplatte (10) aufweist.

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. 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. Faserbasierte Gasdiffusionssichten weisen bei großen lokalen Drücken lokale Stauchungen auf, so dass lokal eine geringe Gasdurchlässigkeit auftritt.
Darüber hinaus ist es bekannt, eine Gasdiffusionssicht mit Partikeln als Diffusionsstoff einzusetzen als partikelbasierte Gasdiffusionssicht. Partikelbasierte Gasdiffusionssichten weisen ein größeres Elastizitätsmodul auf als faserbasierte Gasdiffusionssichten. Bei der Herstellung von Brennstoffzelleneinheiten treten Dickentoleranzen bei den Bipolarplatten und den Gasdiffusionssichten auf. Die Komponenten der Brennstoffzellen liegen mit einem Druck und/oder einer Normalspannung aufeinander. Der Druck oder die Normalspannung darf einerseits nicht zu klein sein, damit ein ausreichend kleiner elektrischer Kontaktwiderstand insbesondere zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionssicht vorhanden ist. Andererseits verursachen große, insbesondere lokale, Drücke und Normalspannungen innerhalb der Brennstoffzellen Verformungen, so dass die Parallelität der Komponenten der Brennstoffzellen, insbesondere die Parallelität der Bipolarplatten, in einer Brennstoffzelleneinheit nicht mehr gewährleistet ist. Gasdiffusionssichten mit einem großen Elastizitätsmodul weisen auch bei großen Drücken kleine Verformungen als Reduzierung der Dicke, d. h. lokale Verdichtungen, auf, so dass große lokale Drücke und Normalspannungen die Folge sind.
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 als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend übereinander angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte, eine poröse, gasdurchlässige Gasdiffusionsschicht, wobei die schichtförmigen Komponenten mit einem Druck aufeinander liegen und der Druck senkrecht zu von den Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen wirkt, wobei die Bipolarplatte aufgrund des Druckes bis zu einem ersten Wert des Druckes eine im Wesentlichen elastische Verformung als Veränderung der Dicke der Bipolarplatte aufweist und zwischen dem ersten Wert des Druckes und einem zweiten Wert des Druckes eine im Wesentlichen plastische Stauchung als Reduzierung der Dicke der Bipolarplatte aufweist. Eine im Wesentliche elastische Verformung als Veränderung der Dicke ist vorzugsweise eine elastische Verformung als Veränderung der Dicke, die um weniger als 30%, 20% oder 10% von der ideal elastischen Verformung als Veränderung der Dicke abweicht. Eine ideale elastische Verformung ist eine reversible Verformung gemäß dem Hookeschen Gesetz. Eine im Wesentlichen plastische Stauchung als Reduzierung der Dicke der Bipolarplatte ist vorzugweise eine plastische Stauchung als Reduzierung der Dicke der Bipolarplatte, die um weniger als 30%, 20% oder 10% von der ideal plastische Stauchung als Reduzierung der Dicke der Bipolarplatte abweicht. Eine ideal plastische Verformung, insbesondere Stauchung, ist eine irreversible Verformung. Beispielsweise ist somit eine im Wesentlichen plastische Stauchung, die um 10% von der ideal plastischen Stauchung abweicht, eine plastische Stauchung, die einen reversiblen Anteil der Verformung von 10% nach Aufhebung des Druckes aufweist. Ab dem ersten Wert des Druckes bis zu dem zweiten Wert des Druckes tritt somit eine im Wesentlichen plastische Stauchung als Reduzierung der Dicke der Bipolarplatte auf, so dass lokal hohe Drücke innerhalb der Brennstoffzelleneinheit vermieden werden können aufgrund von Fertigungstoleranzen der Bipolarplatten und/oder der Gasdiffusionssichten und/oder anderer schichtenförmiger Komponenten der Brennstoffzellen. Diese mechanischen Eigenschaften der Bipolarplatte können aufgrund der konstruktiven Ausbildung der Bipolarplatte, beispielsweise mit Stützelementen, und/oder aufgrund der werkstofftechnischen Eigenschaften der Bipolarplatte erreicht werden.
In einer weiteren Variante ist der zweite Wert des Druckes größer ist als der erste Wert des Druckes.
In einer ergänzenden Ausgestaltung liegt der Betrag der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Wert des Druckes zwischen 0,03 N/mm² und 2 N/mm², vorzugweise zwischen 0,07 N/mm² und 2 N/mm², insbesondere zwischen 0,1 N/mm² und 0,7 N/mm².
In einer weiteren Ausführungsform liegt der erste Wert des Druckes zwischen 0,05 N/mm² und 2 N/mm², insbesondere zwischen 0,1 N/mm² und 1,5 N/mm².
In einer ergänzenden Ausgestaltung liegt der zweite Wert des Druckes zwischen 0,5 N/mm² und 8 N/mm², insbesondere zwischen 0,7 N/mm² und 7 N/mm².
In einer weiteren Variante liegt die plastische Stauchung der Bipolarplatte als Reduzierung der Dicke der Bipolarplatte zwischen 0,03 mm und 1 mm, insbesondere zwischen 0,07 mm und 0,5 mm.
Zweckmäßig sind in der Bipolarplatte Stützelemente zur plastischen Stauchung bei der Beanspruchung der Bipolarplatte mit einem Druck zwischen dem ersten und zweiten Wert ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausführungsform resultiert die Stauchung der Bipolarplatte aufgrund der Beanspruchung der Bipolarplatte mit dem Druck zwischen dem ersten und zweiten Wert im Wesentlichen, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, aus der plastischen Verformung der Stützelemente.
In einer weiteren Variante weisen die Stützelemente in einer Richtung senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene ein erstes Ende und ein zweites Ende auf und zwischen dem ersten und zweiten Ende der Stützelemente ist eine Abstandsdifferenz in der Richtung senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene vorhanden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die Länge der Stützelemente zwischen dem ersten und zweiten Ende größer als die Abstandsdifferenz. Die Stützelemente sind somit in einem spitzen Winkel zu der Richtung senkrecht der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktive Ebene ausgerichtet und/oder gekrümmt ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die Stützelemente zwischen dem ersten und zweiten Ende gekrümmt ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Stützelemente gerade und in einem spitzen Winkel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist Elastizitätsmodul E der Gasdiffusionsschicht größer als 20 N/mm² 30 N/mm² 40 N/mm² 50 N/mm² 60 N/mm², 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 bewirken und die Gasdiffusionsschicht trotz der lokalen Druckbeanspruchungen an der Außenseite eine im Wesentlichen homogene Porosität und damit im Wesentliche homogenen Stoff- und Gastransport im Betrieb ermöglicht.
Vorzugsweise umfasst die Gasdiffusionsschicht ein Bindemittel und einen Diffusionsstoff zur Erzielung der Porosität der Gasdiffusionsschicht und der Diffusionsstoff ist von dem Bindemittel gebunden und der Diffusionsstoff umfasst Partikel, insbesondere Glaskohlenstoffpartikel. 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.
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 weiteren Variante ist die Abstandsdifferenz der Stützelemente, insbesondere sämtlicher Stützelemente, vor und/oder nach der plastischen Verformung der Stützelemente kleiner als 30%, 20%, 10% oder 5% der Dicke der Bipolarplatte.
In einer ergänzenden Ausgestaltung sind die Stützelemente S-förmig und/oder U-förmig ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Stützelemente einteilig mit einer Platte der Bipolarplatte ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Bipolarplatte von wenigstens einer, insbesondere zwei, umgeformten Platten gebildet.
In einer zusätzlichen Variante ist die Abstandsdifferenz zwischen einem ersten und zweiten Ende der Stützelemente in einer Richtung senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene kleiner als 30%, 20% oder 10% der Dicke der Bipolarplatte vor der plastischen Stauchung.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Gasdiffusionsschicht hydrophobierende Stoffe, beispielsweise PTFE.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Bindemittel PVDF, PP, POM oder PPS.
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 Gasdiffusionssicht.
6 ein schematisches Druck-Verformungs-Diagramm,
7 einen weiteren Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
8 einen vergrößerten Teillängsschnitt der Brennstoffzelle gemäß 7 mit plastisch verformbaren Stützelementen in einem ersten Ausführungsbeispiel vor einer plastischen Verformung der Stützelemente,
9 einen vergrößerten Teillängsschnitt der Brennstoffzelle gemäß 7 mit plastisch verformbaren Stützelementen in einem ersten Ausführungsbeispiel nach einer plastischen Verformung der Stützelemente,
10 einen vergrößerten Teillängsschnitt der Brennstoffzelle gemäß 7 mit plastisch verformbaren Stützelementen in einem zweiten Ausführungsbeispiel vor einer plastischen Verformung der Stützelemente,
11 einen vergrößerten Teillängsschnitt der Brennstoffzelle gemäß 7 mit plastisch verformbaren Stützelementen in einem zweiten Ausführungsbeispiel nach einer plastischen Verformung der Stützelemente,
12 einen vergrößerten Teillängsschnitt der Brennstoffzelle gemäß 7 mit plastisch verformbaren Stützelementen in einem dritten Ausführungsbeispiel vor einer plastischen Verformung der Stützelemente,
13 einen vergrößerten Teillängsschnitt der Brennstoffzelle gemäß 7 mit plastisch verformbaren Stützelementen in einem dritten Ausführungsbeispiel nach einer plastischen Verformung der Stützelemente,
14 einen vergrößerten Teillängsschnitt der Brennstoffzelle gemäß 7 mit plastisch verformbaren Stützelementen in einem vierten Ausführungsbeispiel vor einer plastischen Verformung der Stützelemente,
15 einen vergrößerten Teillängsschnitt der Brennstoffzelle gemäß 7 mit plastisch verformbaren Stützelementen in einem vierten Ausführungsbeispiel nach einer plastischen Verformung der Stützelemente.

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

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 Assembly, 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 (5) 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. Der 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 eine 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 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.
Bei einer Schichtdicke der GDL 9 in der Brennstoffzelle 2 von 100 µm und einem Druck oder einer Normalspannung von 120 N/cm² = 1,2 N/mm², welche die Bipolarplatte 10 auf eine Außenfläche 55 der GDL 9 mit Kontakt zu der Bipolarplatte 10 aufbringt, verursacht aufgrund der mechanischen Eigenschaften der GDL 9 dies 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 = (1,2 N/mm²) / 0,03 = 40 N/mm². Eine kontaktfreie Außenflächen 54 (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 54 der GDL auch kein Druck oder Normalspannung von der Bipolarplatte 10 auf die GDL 9 aufgebracht wird. An Kontaktflächen 55 weist die GDL 9 einen Kontakt zu der Bipolarplatte 9 auf und die Bipolarplatte 9 liegt mit einem Druck bzw. einer Normalspannung von 120 N/cm² = 1,2 N/mm² auf den Kontaktflächen 55 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.
Die 1 bis 4 dienen lediglich zur allgemeinen Darstellung der grundlegenden Funktionsweise der Brennstoffzelleneinheit 1 und nicht der besonderen konstruktiven Ausbildung der Bipolarplatte 10 der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1.
In 7 ist die konstruktive Ausbildung der Bipolarplatte 10 als umgeformte Bipolarplatte 44 aus Platten 52, 53 der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 abgebildet. Die Bipolarplatte 10 ist aus einer oberen, umgeformten Platte 52 und einer unteren, umgeformten Platte 53, die an Kontaktabschnitten 51 mittelbar oder unmittelbar aufeinander liegen, aufgebaut. Die Platten 52, 53 wurden beispielweise mittels Tiefziehen zu den in 7 abgebildeten Platten 52, 53 umgeformt. Zwischen den Platten 52, 53 bilden sich somit analog 3 die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel aus. Je eine Platte 52, 53 liegt an den Kontaktflächen 55 auf der Gasdiffusionsschicht 9 auf und dazwischen weist die Gasdiffusionssicht 9 kontaktfrei Außenflächen 54 auf.
In 8 und 9 ist ein erstes Ausführungsbeispiel von Stützelementen 47 dargestellt. Die Stützelemente 47 sind einteilig mit der unteren Platte 53 ausgebildet. Die obere Platte 52 und die untere Platte 53 liegen an dem Kontaktabschnitt 51 unmittelbar aufeinander. Die schichtförmigen Komponenten der Brennstoffzelle 2 spannen fiktive, parallel zueinander ausgerichtete Ebenen 45 (3 und 7) auf. Die Richtung 46 ist senkrecht zu diesen parallelen Ebenen 45 ausgerichtet. Die Stützelemente 47 weisen in der Richtung 46 ein erstes Ende 48 und ein zweites Ende 49 auf. Das erste und zweite Ende 48, 49 weisen in der Richtung 46 eine Abstandsdifferenz 50 auf. In 8 sind die gekrümmten-S-förmigen Stützelemente 47 vor einer im Wesentlichen plastischen Verformung und in 9 nach der im Wesentlichen plastischen Verformung abgebildet. Die Abstandsdifferenz 50 nach der plastischen Verformung entspricht ungefähr 1/3 der Abstandsdifferenz 50 vor der plastischen Verformung. Die Differenz zwischen den Abstandsdifferenzen 50 vor und nach der plastischen Verformung ist klein bezüglich der Gesamtdicke der Bipolarplatte 10, so dass die Differenz zwischen den Abstandsdifferenzen 50 vor und nach der plastischen Verformung lediglich eine vernachlässigbare Verkleinerung der Querschnittsfläche des Kanales 12 für Brennstoff bewirkt.
Bei der Herstellung der Bipolarplatten 10 und der Gasdiffusionsschichten 9 treten Toleranzen in den Dicken als der Ausdehnung in der Richtung 46 auf. Diese Toleranzen der Dicken bewirken bei der Verspannung der Brennstoffzelleneinheit 1 mittels der Verbindungsvorrichtungen 39 als den Bolzen 40 ab einem Druck von p₁=0,8 N/mm² bis zu einem Druck p₂=1,2 N/mm² eine im Wesentlichen plastische Verformung der Stützelemente 47, so dass sich resultierend hieraus die Dicke der Bipolarplatte 10 um den Betrag Δx = 0,1 mm verkleinert (6). Bei der Verspannung der Brennstoffzelleneinheit 1 mittels der Verbindungsvorrichtungen 39 als den Bolzen 40 von einem Druck von 0 bis zu einem Druck von p₁=0,8 N/mm² tritt eine im Wesentlichen elastische Verformung der Bipolarplatte 10 auf. Der Unterschied zwischen der im Wesentlichen elastischen Verformung und der idealen elastischen Verformung ist in 6 somit die Differenz in Richtung der Ordinate zwischen der durchgezogenen Linie und der strichlierten Gerade bis zu dem Druck p₁ bzw. der Veränderung der Dicke x₁. In 6 ist an der Ordinate die Veränderung der Dicke x in mm aufgetragen und an der Abszisse der Druck p in N/mm². Die Veränderung der Dicke bis zu dem Druck von p₁=0,8 N/mm² als ideale elastische Verformung ist in 6 strichliert dargestellt. Soweit in 6 an der Ordinate eine Dehnung ε aufgetragen ist (nicht dargestellt), ist in 6 ein Spannungs-DehnungsDiagramm gemäß dem Hookeschen Gesetz abgebildet.
In 10 und 11 ist ein zweites Ausführungsbeispiel von Stützelementen 47 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 8 und 9 beschrieben. Die Stützelemente 47 sind als gesonderte Bauteile zwischen den Kontaktabschnitten 51 der oberen Platte 52 und der unteren Platte 53 angeordnet, so dass die obere und untere Platte 52, 53 mittelbar an dem Kontaktabschnitt 51 aufeinander liegen. Die plattenförmigen Stützelemente 47 weisen ebene Abschnitt auf, die jeweils an den Kontaktabschnitten 51 der Platten 52, 53 aufliegen und gekrümmte, S-förmige Bereiche zur plastischen Verformung.
In 12 und 13 ist ein drittes Ausführungsbeispiel von Stützelementen 47 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 8 und 9 beschrieben. Die Stützelemente 47 sind als gesonderte Bauteile stützenartig zwischen den Kontaktabschnitten 51 der oberen Platte 52 und der unteren Platte 53 angeordnet, so dass die obere und untere Platte 52, 53 mittelbar an dem Kontaktabschnitt 51 aufeinander liegen. Die stützenartigen Stützelemente 47 weisen vor der Verformung ebene und gerade Abschnitt parallel zu der Richtung 46 auf, die jeweils an den Kontaktabschnitten 51 der Platten 52, 53 aufliegen und dazwischen liegende gekrümmte, S-förmige Bereiche zur plastischen Verformung. Die stützenartigen Stützelemente 47 sind gesonderte Bauteile mit einer entsprechenden Ausdehnung senkrecht zu der Zeichenebene von 12 und 13.
In 14 und 15 ist ein viertes Ausführungsbeispiel von Stützelementen 47 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 8 und 9 beschrieben. Die plattenförmigen und stützenartigen Stützelemente 47 sind in Sägezahnform vor der plastischen Verformung zwischen den Kontaktabschnitten 51 der oberen Platte 52 und der unteren Platte 53 angeordnet, so dass die obere und untere Platte 52, 53 mittelbar an dem Kontaktabschnitt 51 aufeinander liegen. Nach der plastischen Verformung (15) weisen die Stützelemente 47 zwischen den ersten und zweiten Enden 48, 49 gekrümmte, S-förmige Bereiche aufgrund der plastischen Verformung auf. Die Stützelemente 47 sind aufgrund der statischen Auslegung ab dem Druck von p₁=0,8 N/mm² innerhalb der gesamten Brennstoffzelle 2 entsprechen plastisch verformbar, beispielsweise aufgrund des Werkstoffes der Stützelemente 47 und/oder aufgrund der konstruktiven Ausbildung der Stützelemente 47.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Die in die Bipolarplatten 10 aus Metall integrierten Stützelemente 47 aus Metall sind ab einem Druck von p₁=0,8 N/mm² innerhalb der gesamten Brennstoffzelle 2 im Wesentlichen plastisch verformbar, so dass auch Fertigungstoleranzen in den Dicken der Bipolarplatten 10 und der Gasdiffusionsschichten 9 keine lokal sehr großen Drücke bewirken. Dadurch können in vorteilhafter Weise lokal große Drücke in der Brennstoffzelle 2 und damit auch in der Brennstoffzelleneinheit 1 vermieden werden, so dass die Kanäle 12, 13, 14 und damit auch die Gasräume 31, 32 eine ausreichende Durchlässigkeit für Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel aufweisen. Die plastische Verformbarkeit der Bipolarplatten 10 innerhalb vorgegebener quantitativer Kriterien des Druckes und Reduzierung der Dicke der Bipolarplatten 10 zwischen einem ersten und zweiten Wert des Druckes ist besonderes bei Brennstoffzelleneinheiten 1 mit Gasdiffusionsschichten 9 mit einem großen Elastizitätsmodul und/oder einer kleinen Dicke von Vorteil, weil derartige Gasdiffusionsschichten 9 auch bei großen Drücken die Dicke nur geringfügig verkleinern und damit nur einen kleinen Beitrag zur Reduzierung von lokal großen Drücken leisten können. Hohe Werte von lokalen Drücken in der Brennstoffzelleneinheit 1 können somit vermieden werden, so dass im Wesentlichen keine lokale Reduzierung der Gasdurchlässigkeit der Gasdiffusionsschicht 9, keine Aufhebung der Parallelität der Komponenten der Brennstoffzellen 2 und keine lokale mechanische Beschädigung auftritt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 6142963 B1 [0006]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend übereinander angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10), eine poröse, gasdurchlässige Gasdiffusionsschicht (9), wobei die schichtförmigen Komponenten mit einem Druck aufeinander liegen und der Druck senkrecht zu von den Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) aufgrund des Druckes bis zu einem ersten Wert des Druckes eine im Wesentlichen elastische Verformung als Veränderung der Dicke der Bipolarplatte (10) aufweist und zwischen dem ersten Wert des Druckes und einem zweiten Wert des Druckes eine im Wesentlichen plastische Stauchung als Reduzierung der Dicke der Bipolarplatte (10) aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert des Druckes größer ist als der erste Wert des Druckes.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Wert des Druckes zwischen 0,03 N/mm² und 2 N/mm², vorzugweise zwischen 0,07 N/mm² und 2 N/mm², insbesondere zwischen 0,1 N/mm² und 0,7 N/mm², liegt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wert des Druckes zwischen 0,05 N/mm² und 2 N/mm², insbesondere zwischen 0,1 N/mm² und 1,5 N/mm², liegt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert des Druckes zwischen 0,5 N/mm² und 8 N/mm², insbesondere zwischen 0,7 N/mm² und 7 N/mm², liegt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Stauchung der Bipolarplatte (10) als Reduzierung der Dicke der Bipolarplatte zwischen 0,03 mm und 1 mm, insbesondere zwischen 0,07 mm und 0,5 mm, liegt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bipolarplatte (10) Stützelemente (47) zur plastischen Stauchung bei der Beanspruchung der Bipolarplatte (10) mit einem Druck zwischen dem ersten und zweiten Wert ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauchung der Bipolarplatte (10) aufgrund der Beanspruchung der Bipolarplatte (10) mit dem Druck zwischen dem ersten und zweiten Wert im Wesentlichen resultiert aus der plastischen Verformung der Stützelemente (47).
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (47) in einer Richtung (46) senkrecht zu der von der Bipolarplatte (10) aufgespannten fiktiven Ebene (45) ein erstes Ende (48) und ein zweites Ende (49) aufweisen und zwischen dem ersten und zweiten Ende (48, 49) der Stützelemente (47) eine Abstandsdifferenz (50) in der Richtung (46) senkrecht zu der von der Bipolarplatte (10) aufgespannten fiktiven Ebene vorhanden ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Stützelemente (47) zwischen dem ersten und zweiten Ende (48, 49) größer ist als die Abstandsdifferenz (50).
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (47) zwischen dem ersten und zweiten Ende (48, 49) gekrümmt ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (47) gerade und in einem spitzen Winkel zu der von der Bipolarplatte (10) aufgespannten fiktiven Ebene (45) ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elastizitätsmodul E der Gasdiffusionsschicht (9) größer als 20 N/mm², 30 N/mm², 40 N/mm², 50 N/mm², 60 N/mm², 80 N/mm² oder 100 N/mm² ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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 und der Diffusionsstoff Partikel (41, 42), insbesondere Glaskohlenstoffpartikel (41), 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 (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist