DE102020204292A1

DE102020204292A1 - Fuel cell unit

Info

Publication number: DE102020204292A1
Application number: DE102020204292.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kretschmar; Gerhard Schubert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2021-10-07
Also published as: WO2021197746A1

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2, 3) mit Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionssichten und Bipolarplatten (10), Stromleitungen (43) zur elektrischen Verbindung mit den Bipolarplatten (10) der Brennstoffzellen (2, 3) und zur Überwachung der Brennstoffzellen (2, 3) mittels einer Erfassung wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen (2, 3), Verbindungselemente (44) zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Stromleitungen (43) mit den Bipolarplatten (10), so dass die Stromleitungen (43) elektrisch und mechanisch mittels der Verbindungselemente (44) mit den Bipolarplatten (10) verbunden sind, wobei die Verbindungselemente (44) als stoffschlüssige Verbindungen (46) ausgebildet sind.

Fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells (2, 3) with proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates (10), power lines (43) for electrical connection to the bipolar plates ( 10) of the fuel cells (2, 3) and for monitoring the fuel cells (2, 3) by detecting at least one parameter of the fuel cells (2, 3), connecting elements (44) for the electrical and mechanical connection of the power lines (43) to the bipolar plates (10), so that the power lines (43) are electrically and mechanically connected to the bipolar plates (10) by means of the connecting elements (44), the connecting elements (44) being designed as integral connections (46).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.The present invention relates to a fuel cell unit according to the preamble of claim 1 and a method for producing a fuel cell unit according to the preamble of claim 10.

Stand der TechnikState of the art

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. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other in a stack as a stack.

Für einen ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ist es notwendig, wenigstens einen Parameter der Brennstoffzellen, beispielsweise die Spannung und die Feuchtigkeit der Brennstoffzellen, zu überwachen. Die Feuchtigkeit wird beispielweise mit der Impedanz als weiteren Parameter mittelbar bestimmt. Bei der Überwachung beispielsweise der Spannung wird die anliegende Spannung an den Bipolarplatten der Brennstoffzellen mittels Stromleitungen zu einer Stromabnehmerleiste und einem Kabelbaum als Datenübertragungsvorrichtungen geleitet und von den Datenübertragungsvorrichtungen zu einer zentralen Überwachungseinheit als Fuel Cell Control Unit übertragen, so dass die Daten für den Parameter der Spannung die Spannung des in Stromleitungen geleiteten Stromes selbst ist.For proper and reliable operation of the fuel cell unit, it is necessary to monitor at least one parameter of the fuel cells, for example the voltage and the humidity of the fuel cells. The humidity is indirectly determined, for example, with the impedance as a further parameter. When monitoring the voltage, for example, the voltage applied to the bipolar plates of the fuel cells is conducted by means of power lines to a current collector strip and a cable harness as data transmission devices and transmitted from the data transmission devices to a central monitoring unit as the fuel cell control unit, so that the data for the parameter of the voltage is the voltage of the current conducted in power lines itself.

Eine Brennstoffzelleneinheit mit 400 übereinander angeordneten Brennstoffzellen umfasst 401 Bipolarplatten und jede Bipolarplatte ist mechanisch und elektrisch mittels Verbindungselementen mit je einer Stromleitung zu verbinden. Aus diesem Grund sind insgesamt 401 Stromleitungen mittels 401 Verbindungselementen mit 401 Bipolarplatten zu verbinden. An den Enden der Stromleitungen sind Pins als Verbindungselemente ausgebildet und diese Pins werden in Bohrungen oder Öffnungen in den Bipolarplatten gesteckt. Die Stromleitungen sind mit den Pins und Bohrungen somit form- und/oder kraftschlüssig mit den Bipolarplatten verbunden. Die Bipolarplatten weisen eine Dicke von ca. 1 mm auf und die Bohrungen in den Bipolarplatten sind mit einem Durchmesser von ungefähr 0,7 mm ausgebildet. Die Pins werden manuell von Facharbeitern in die Bohrungen der Bipolarplatten gesteckt, so dass dieser Arbeitsvorgang aufwendig mit einem hohen Fehler- und Beschädigungsrisiko ist. Eine Automatisierung dieses komplexen Arbeitsvorganges ist schwierig bis unmöglich. Dieser Arbeitsvorgang verursacht somit bei der Herstellung hohe Kosten mit einer großen Fehleranfälligkeit. Die Brennstoffzelleneinheiten sind somit in nachteiliger Weise teuer bei einer geringen Zuverlässigkeit.A fuel cell unit with 400 fuel cells arranged one above the other comprises 401 bipolar plates and each bipolar plate is to be connected mechanically and electrically to a power line by means of connecting elements. For this reason, a total of 401 power lines are to be connected to 401 bipolar plates using 401 connecting elements. At the ends of the power lines, pins are designed as connecting elements and these pins are inserted into bores or openings in the bipolar plates. The power lines are thus connected to the bipolar plates with the pins and bores in a form-fitting and / or force-fitting manner. The bipolar plates are approximately 1 mm thick and the bores in the bipolar plates are approximately 0.7 mm in diameter. The pins are manually inserted into the holes in the bipolar plates by skilled workers, so that this work process is time-consuming with a high risk of errors and damage. Automation of this complex work process is difficult if not impossible. This work process thus causes high production costs with a high susceptibility to errors. The fuel cell units are therefore disadvantageously expensive with low reliability.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen mit Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionssichten und Bipolarplatten, Stromleitungen zur elektrischen Verbindung mit den Bipolarplatten der Brennstoffzellen und zur Überwachung der Brennstoffzellen mittels einer Erfassung wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen, Verbindungselemente zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Stromleitungen mit den Bipolarplatten, so dass die Stromleitungen elektrisch und mechanisch mittels der Verbindungselemente mit den Bipolarplatten verbunden sind, wobei die Verbindungselemente als stoffschlüssige Verbindungen ausgebildet sind. Stoffschlüssige Verbindungen sind zuverlässig und automatisiert herstellbar, so dass die Brennstoffzelleneinheit in der Herstellung preiswert ist bei einer großen Zuverlässigkeit.Fuel cell unit according to the invention as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells with proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, power lines for electrical connection to the bipolar plates of the fuel cells and for monitoring the fuel cells by detecting at least one parameter of the fuel cells, connecting elements for the electrical and mechanical connection of the power lines to the bipolar plates, so that the power lines are electrically and mechanically connected to the bipolar plates by means of the connecting elements, the connecting elements being designed as integral connections. Cohesive connections can be produced reliably and automatically, so that the fuel cell unit is inexpensive to produce with great reliability.

In einer ergänzenden Variante sind die stoffschlüssigen Verbindungen mittels Schweißen hergestellt.In a supplementary variant, the material connections are made by means of welding.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die stoffschlüssigen Verbindungen mittels Laserschweißen und/oder Ultraschallweißen hergestellt.In a further embodiment, the material connections are produced by means of laser welding and / or ultrasonic welding.

Zweckmäßig sind die Bipolarplatten, insbesondere wenigstens 90% oder 99% der Bipolarplatten, mittels je einer, insbesondere nur je einer, stoffschlüssigen Verbindung mit je einer, insbesondere nur je einer, Stromleitung elektrisch und mechanisch verbunden.The bipolar plates, in particular at least 90% or 99% of the bipolar plates, are expediently connected electrically and mechanically by means of one, in particular only one, cohesive connection to each one, in particular only one, power line.

In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Überwachungseinheit als Recheneinheit zur Überwachung des wenigstens einen Parameter der Brennstoffzellen. Als Parameter der Brennstoffzellen ist vorzugsweise die Spannung der Brennstoffzellen überwachbar, so dass die Überwachungseinheit ein CVM-System (Cell Voltage Monitoring-System) bildet.In a supplementary variant, the fuel cell unit comprises a monitoring unit as a computing unit for monitoring the at least one parameter of the fuel cells. The voltage of the fuel cells can preferably be monitored as a parameter of the fuel cells, so that the monitoring unit forms a CVM system (Cell Voltage Monitoring System).

In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen zu erfassenden Parameters der Brennstoffzellen von den Stromleitungen zu der Überwachungseinheit.In an additional embodiment, the fuel cell unit comprises a data transmission device for transmitting data with regard to the at least one parameter to be detected of the fuel cells from the power lines to the monitoring unit.

Zweckmäßig sind die Stromleitungen mit Zusatzverbindungselementen mit der Datenübertragungsvorrichtung elektrisch und mechanisch verbunden.The power lines are expediently electrically and mechanically connected to the data transmission device with additional connection elements.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Zusatzverbindungselemente als stoffschlüssigen Verbindungen gemäß den in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verbindungselementen ausgebildet.In a further refinement, the additional connection elements are designed as material connections in accordance with the connection elements described in this patent application.

In einer zusätzlichen Variante ist die Brennstoffzelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt. In an additional variant, the fuel cell unit is produced using a method described in this patent application.

Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Brennstoffzelleneinheit mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionssichten und Bipolarplatten, zur Verfügung stellen von Stromleitungen zur elektrischen Verbindung mit den Bipolarplatten der Brennstoffzellen und zur Überwachung wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen, mechanisches und elektrisches Verbinden der Stromleitungen mit den Bipolarplatten indem die Stromleitungen elektrisch und mechanisch mit Verbindungselementen mit den Bipolarplatten verbunden werden, wobei die Verbindungselemente als stoffschlüssige Verbindungen ausgebildet werden.Method according to the invention for the production of a fuel cell unit as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy with the following steps: providing a fuel cell unit with stacked fuel cells, the fuel cells comprising proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, providing power lines for electrical connection with the bipolar plates of the fuel cells and for monitoring at least one parameter of the fuel cells, mechanical and electrical connection of the power lines to the bipolar plates by electrically and mechanically connecting the power lines to the bipolar plates with connecting elements, the connecting elements being formed as integral connections.

Vorzugsweise werden die stoffschlüssigen Verbindungen mittels Schweißen, insbesondere Laserschweißen und/oder Ultraschallweißen, hergestellt.The material connections are preferably produced by means of welding, in particular laser welding and / or ultrasonic welding.

In einer ergänzenden Ausgestaltung werden die stoffschlüssigen Verbindungen hergestellt indem eine Prozesseinheit zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindungen, insbesondere Schweißverbindungen, von einem Roboter im Raum bewegt wird. Die Prozesseinheit, beispielsweise ein Laser oder ein Ultraschallwandler mit Sonotrode, wird von dem Roboter in eine entsprechende Prozessposition an der Bipolarplatte gebracht und anschließend wird mit der temporär aktiven Prozesseinheit in der Prozessposition die stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Die Anzahl der Prozesspositionen der Prozesseinheit während der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit entspricht der Anzahl der herzustellenden stoffschlüssigen Verbindungen für die Verbindungselemente und/oder Zusatzverbindungselemente.In a supplementary embodiment, the material connections are produced by a process unit for producing the material connections, in particular welded connections, being moved in space by a robot. The process unit, for example a laser or an ultrasonic transducer with a sonotrode, is brought into a corresponding process position on the bipolar plate by the robot and the material connection is then established with the temporarily active process unit in the process position. The number of process positions of the process unit during the production of the fuel cell unit corresponds to the number of material connections to be produced for the connecting elements and / or additional connecting elements.

In einer weiteren Ausgestaltung wird je eine, insbesondere nur je eine, Stromleitung mit dem Roboter in mechanischen Kontakt zu je einer, insbesondere nur je einer, Bipolarplatte gebracht und anschließend wird mittels der Prozesseinheit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der je einen, insbesondere nur je einen, Stromleitung und der je einen, insbesondere nur je einen, Bipolarplatte hergestellt.In a further embodiment, one, in particular only one, power line is brought into mechanical contact with the robot with one, in particular only one, bipolar plate and then, by means of the process unit, a material connection is established between the one, in particular only one, Power line and the one, in particular only one, bipolar plate made.

Vorzugsweise sind in einem Computer Positionsdaten zur geometrischen Anordnung der Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit und der relativen Position des Roboters zu den Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit gespeichert und in Abhängigkeit von den Positionsdaten wird die Bewegung des Roboters, insbesondere der von dem Roboter bewegten Prozesseinheit und Stromleitungen, im Raum gesteuert, vorzugsweise in einer Anfangsphase der Bewegung der Prozesseinheit zu je einer Bipolarplatte.Position data for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and the relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit are preferably stored in a computer and the movement of the robot, in particular the process unit and power lines moved by the robot, is controlled in space as a function of the position data , preferably in an initial phase of the movement of the process unit to one bipolar plate each.

In einer weiteren Variante werden von einer Kamera die gestapelten Bipolarplatten optisch erfasst, die Daten der Kamera werden von einem Computer mit einer Bildverarbeitungssoftware ausgewertet und in Abhängigkeit von der mittels der Bildverarbeitungssoftware ermittelten Daten zur Position der Bipolarplatten wird die Bewegung des Roboters, insbesondere der von dem Roboter bewegten Prozesseinheit und Stromleitungen, im Raum gesteuert. Die tatsächlichen Positionen zur geometrischen Anordnung der Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit und/oder den tatsächlichen relativen Position des Roboters zu den Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit kann von den gespeicherten Positionsdaten zur geometrischen Anordnung der Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit und/oder den gespeicherten relativen Position des Roboters zu den Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit abweichen. Aufgrund der optischen Erfassung der tatsächlichen Positionen zur geometrischen Anordnung der Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit und/oder den tatsächlichen relativen Position des Roboters zu den Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit erfolgt die Bewegung des Roboters, insbesondere zu den Prozesspositionen der Prozesseinheit, bei Abweichungen im Wesentlichen in Abhängigkeit von den tatsächlichen Positionen und im Wesentlichen nicht in Abhängigkeit von den gespeicherten Positionsdaten. Abweichungen zwischen den tatsächlichen und den gespeicherten Positionen der Bipolarplatten in der Brennstoffzelleneinheit führen somit zu keinen Fehlern bei der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindungen. Da von geringen Abweichungen zwischen den tatsächlichen und gespeicherten Positionen der Bipolarplatten auszugehen ist, wird mit den erfassten tatsächlichen Positionen insbesondere die Endphase der Bewegung des Roboters kurz vor dem Erreichen der Prozesspositionen der Prozesseinheit gesteuert und die Anfangsphase der Bewegung kann mit den gespeicherten Positionen gesteuert werden. In der Endphase der Bewegung der Prozesseinheit zu je einer Bipolarplatte wird im Wesentlichen eine Bewegungsrichtung parallel zu den von den Bipolarplatten aufgespannten fiktiven Ebenen ausgeführt.In a further variant, the stacked bipolar plates are optically recorded by a camera, the data from the camera are evaluated by a computer with image processing software and, depending on the data on the position of the bipolar plates determined by the image processing software, the movement of the robot, in particular that of the Robots moved process unit and power lines, controlled in space. The actual positions for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and / or the actual relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit can be derived from the stored position data for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and / or the stored relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit differ. Due to the optical detection of the actual positions for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and / or the actual relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit, the robot moves, in particular to the process positions of the process unit, in the event of deviations essentially as a function of the actual ones Positions and essentially not as a function of the stored position data. Deviations between the actual and the stored positions of the bipolar plates in the fuel cell unit therefore do not lead to any errors in the production of the integral connections. Since slight deviations between the actual and stored positions of the bipolar plates can be assumed, the actual positions detected are used to control the end phase of the robot's movement shortly before the process unit reaches the process positions, and the initial phase of the movement can be used with the stored positions can be controlled. In the final phase of the movement of the process unit to one bipolar plate each, a direction of movement is essentially carried out parallel to the fictitious planes spanned by the bipolar plates.

In einer ergänzenden Ausführungsform ist der wenigstens eine mit den Stromleitungen überwachte Parameter der Brennstoffzellen die Spannungsdifferenz zwischen wenigstens zwei Bipolarplatten, insbesondere die Spannungsdifferenzen zwischen je wenigstens zwei unmittelbar benachbarten Bipolarplatten.In a supplementary embodiment, the at least one parameter of the fuel cells monitored with the power lines is the voltage difference between at least two bipolar plates, in particular the voltage differences between at least two immediately adjacent bipolar plates.

In einer weiteren Ausgestaltung werden die Stromleitungen mit der Datenübertragungsvorrichtung mit Zusatzverbindungselementen elektrisch und mechanisch verbunden und die Zusatzverbindungselemente werden gemäß den in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verbindungselementen als stoffschlüssige Verbindungen ausgebildet und/oder hergestellt.In a further embodiment, the power lines are electrically and mechanically connected to the data transmission device with additional connection elements and the additional connection elements are designed and / or produced as integral connections according to the connection elements described in this patent application.

Zweckmäßig sind sämtliche Bipolarplatten mittels je einer stoffschlüssigen Verbindung mit je einer Stromleitung elektrisch und mechanisch verbunden.Expediently, all of the bipolar plates are electrically and mechanically connected to one power line each by means of a material connection.

Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Generator zur Erzeugung eines Überwachungssignales, insbesondere Wechselstrom, und mit der wenigstens einen Datenübertragungsvorrichtung und den Stromleitungen ist das Überwachungssignal von dem wenigstens einen Generator zu den Bipolarplatten übertragbar zur Beaufschlagung der Bipolarplatten mit dem Überwachungssignal, insbesondere zur Erfassung der Impedanz als einen Parameter der Brennstoffzelle.The fuel cell unit preferably comprises at least one generator for generating a monitoring signal, in particular alternating current, and with the at least one data transmission device and the power lines, the monitoring signal can be transmitted from the at least one generator to the bipolar plates for applying the monitoring signal to the bipolar plates, in particular for detecting the impedance as a parameter of the fuel cell.

In einer weiteren Variante ist die wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung als wenigstens eine Stromabnehmerleiste mit Stromleitungen und/oder als wenigstens eine CAN-Schnittstelle und/oder wenigstens eine LIN-Schnittstelle und/oder wenigstens ein Funkübertragungsmittel ausgebildet. Das Funkübertragungsmittel überträgt die Daten mittels Funk, beispielsweise mit WLAN oder Bluetooth.In a further variant, the at least one data transmission device is designed as at least one current collector strip with power lines and / or as at least one CAN interface and / or at least one LIN interface and / or at least one radio transmission means. The radio transmission medium transmits the data by radio, for example with WLAN or Bluetooth.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Bipolarplatten und die Stromleitungen, insbesondere ein Endabschnitt der Stromleitungen, aus dem gleichen Material, insbesondere Metall, leitfähiger Kunststoff, Kompositwerkstoffe oder Grafit, ausgebildet. Damit können die stoffschlüssigen Verbindungen der Verbindungselemente aus dem gleichen Material ausgebildet werden.In a further embodiment, the bipolar plates and the power lines, in particular an end section of the power lines, are made from the same material, in particular metal, conductive plastic, composite materials or graphite. In this way, the material connections of the connecting elements can be formed from the same material.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Kontaktflächen der Stromabnehmerleiste und die Stromleitungen, insbesondere ein Endabschnitt der Stromleitungen, aus dem gleichen Material, insbesondere Metall, leitfähiger Kunststoff, Kompositwerkstoffe oder Grafit, ausgebildet. Damit können die stoffschlüssigen Verbindungen der Zusatzverbindungselemente aus dem gleichen Material ausgebildet werden.In a further embodiment, the contact surfaces of the current collector strip and the power lines, in particular an end section of the power lines, are made from the same material, in particular metal, conductive plastic, composite materials or graphite. The material connections of the additional connecting elements can thus be formed from the same material.

In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Parameter die elektrische Spannung und/oder die Impedanz wenigstens einer überwachten Brennstoffzelle.In a supplementary embodiment, the at least one parameter is the electrical voltage and / or the impedance of at least one monitored fuel cell.

In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.In a further variant, the fuel cell unit comprises at least one connection device, in particular several connection devices, and tensioning elements.

Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.Components for fuel cells are proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates.

In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.In a further embodiment, the fuel cells each comprise a proton exchange membrane, an anode, a cathode, at least one gas diffusion layer and at least one bipolar plate.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.In a further embodiment, the connecting device is designed as a bolt and / or is rod-shaped.

Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.The clamping elements are expediently designed as clamping plates.

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.Fuel cell system according to the invention, in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas storage device for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the fuel cell unit being designed as a fuel cell unit described in this patent application.

In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.In a further variant, the gas delivery device is designed as a fan or a compressor.

Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.In particular, the fuel cell unit comprises at least 3, 4, 5 or 6 connection devices.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.In a further embodiment, the tensioning elements are plate-shaped and / or disk-shaped and / or flat and / or are designed as a grid.

Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.Preferably the fuel is hydrogen, hydrogen-rich gas, reformate gas or natural gas.

Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.The fuel cells are expediently designed to be essentially flat and / or disk-shaped.

In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.In a supplementary variant, the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.

Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.The fuel cell unit is preferably a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells.

Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.The invention further comprises a computer program with program code means which are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.

Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.Part of the invention is also a computer program product with program code means which are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.

FigurenlisteFigure list

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 die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4,
6 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Darstellung von Stromleitungen, einer Datenübertragungsvorrichtung und einer Überwachungseinheit zur Überwachung wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen und
7 eine stark vereinfachte Darstellung eines Roboters.

In the following, exemplary embodiments of the invention are described in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 a greatly simplified exploded view of a fuel cell system with components of a fuel cell,
2 a perspective view of part of a fuel cell,
3 a longitudinal section through a fuel cell,
4th a perspective view of a fuel cell unit as a fuel cell stack, ie a fuel cell stack,
5 a section through the fuel cell unit according to 4th ,
6th a section through the fuel cell unit showing power lines, a data transmission device and a monitoring unit for monitoring at least one parameter of the fuel cells and
7th a greatly simplified representation of a robot.

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 einer Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An einer 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.In the 1 until 3 is the basic structure of a fuel cell 2 than a PEM fuel cell 3 (Polymer electrolyte fuel cell 3 ) shown. The principle of fuel cells 2 consists in that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction. At an anode 7th hydrogen H _{2 is passed} as a gaseous fuel and the anode 7th forms the negative pole. At a cathode 8th a gaseous oxidizing agent, namely air with oxygen, is passed, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent. At the cathode 8th a reduction (electron uptake) takes place. The oxidation as electron donation occurs at the anode 7th executed.

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

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

The redox equations for the electrochemical processes are:

Cathode: O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- - »2 H ₂ O
Anode: 2H ₂ - »4 H ⁺ + 4e ^-
Sum reaction equation of cathode and anode: 2 H ₂ + O ₂ - »2 H ₂ O

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 Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.The difference between the normal potentials of the electrode pairs under standard conditions as reversible fuel cell voltage or open circuit voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not achieved in practice. In the idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be reached and in operation with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are achieved. The series connection of several fuel cells 2 , in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several fuel cells stacked in alignment 2 , has a higher voltage, which is the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2 is equivalent to.

Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine 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 12 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.The fuel cell 2 also includes a proton exchange membrane 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), which is between the anode 7th and the cathode 8th is arranged. The anode 7th and cathode 8th are layered or disc-shaped. The PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst carrier and separator for the reaction gases. The PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7th and cathode 8th . In general, proton-conducting foils made from perfluorinated and sulfonated polymers are 12 µm to 150 µm thick. The PEM 5 conducts the protons H ⁺ and blocks ions other than protons H ⁺ essentially, so that due to the permeability of the PEM 5 for the protons H ⁺ the charge transport can take place. The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ , ie blocks the flow of oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ between a gas space 31 at the anode 7th with fuel hydrogen H ₂ and the gas space 32 at the cathode 8th with air or oxygen O ₂ as the oxidizing agent. The proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.

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 heißverpresst 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.On both sides of the PEM 5 , each facing the gas compartments 31 , 32 , are the electrodes 7th , 8th than the anode 7th and cathode 8th on. A unit from the PEM 5 and the electrodes 6th , 7th is called a membrane electrode assembly 6th (Membrane Electrode Array, MEA). The electrodes 7th , 8th are with the PEM 5 pressed. The electrodes 6th , 7th are platinum-containing carbon particles that are bound to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and / or PVA (polyvinyl alcohol) and are hot-pressed in microporous carbon fiber, glass fiber or plastic mats are. On the electrodes 6th , 7th are on the side facing the gas compartments 31 , 32 usually one catalyst layer each 30th upset. The catalyst layer 30th on the gas compartment 31 with fuel on the anode 7th comprises nanodisperse platinum ruthenium on graphitized soot particles that are bound to a binder. The catalyst layer 30th on the gas compartment 32 with oxidizing agent on the cathode 8th analogously includes nanodisperse platinum. Nafion®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol, for example, are used as binders.

Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die 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 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 und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut. Die Brennstoffzellen 2 sind schichtförmige und scheibenförmig ausgebildet und dies gilt auch für die Komponenten Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionssichten 9 und Bipolarplatten 10. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 spannen fiktive Ebenen 54, die parallel zueinander ausgerichtet sind.On the anode 7th and the cathode 8th lies a gas diffusion layer 9 (Gas Diffusion Layer, GDL). The gas diffusion layer 9 at the anode 7th distributes the fuel from channels 12th for fuel evenly on the catalyst layer 30th at the anode 7th . The gas diffusion layer 9 at the cathode 8th distributes the oxidant from channels 13th for oxidizing agents evenly on the catalyst layer 30th at the cathode 8th . The GDL 9 also draws water of reaction in the opposite direction to the direction of flow of the reaction gases, ie in one direction each from the catalyst layer 30th to the canals 12th , 13th . The GDL also holds 9 the PEM 5 moist and conducts electricity. The GDL 9 is composed, for example, of a hydrophobized carbon paper and a bonded layer of carbon powder. The fuel cells 2 are layered and disk-shaped and this also applies to the components of proton exchange membranes 5 , Anodes 7th , Cathodes 8th , Gas diffusion views 9 and bipolar plates 10 . The fuel cells 2 and the components of the fuel cells 2 span fictional levels 54 that are aligned parallel to each other.

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 elektrochemischen 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 Grafit eingesetzt.On the GDL 9 lies a bipolar plate 10 on. The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for draining water and for guiding the reaction gases through a channel structure 29 and / or a river field 29 and for the dissipation of waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8th occurs. To dissipate the waste heat are in the bipolar plate 10 channels 14th incorporated for the passage of a liquid or gaseous coolant. The channel structure 29 on the gas compartment 31 for fuel is from channels 12th educated. The channel structure 29 on the gas compartment 32 for oxidizer is by channels 13th educated. As a material for the bipolar plates 10 For example, metal, conductive plastics and composite materials or graphite are used.

In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 übereinander angeordnet (4). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2 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.In a fuel cell unit 1 and / or a fuel cell stack 1 and / or a fuel cell stack 1 are several fuel cells 2 arranged one above the other ( 4th ). In 1 is an exploded view of two fuel cells arranged one above the other 2 pictured. A seal 11 seals the gas spaces 31 , 32 fluid-tight. In a pressurized gas storage tank 21 ( 1 ) hydrogen H _{2 is} stored as fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the pressurized gas storage 21 is the fuel through a high pressure pipe 18th to a pressure reducer 20th directed to reduce the pressure of the fuel in a medium pressure line 17th from about 10 bar to 20 bar. From the medium pressure line 17th the fuel becomes an injector 19th directed. On the injector 19th the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure between 1 bar and 3 bar. From the injector 19th becomes the fuel of a supply line 16 for fuel ( 1 ) and from the supply line 16 the canals 12th for fuel, which is the channel structure 29 for fuel form. The fuel flows through the gas space 31 for the fuel. The gas room 31 for the fuel is from the channels 12th and the GDL 9 at the anode 7th educated. After flowing through the channels 12th will not be in the redox reaction at the anode 7th Used fuel and possibly water from a control humidification of the anode 7th through a discharge line 15th from the fuel cells 2 derived.

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 liegender Bipolarplatten 10. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.A gas conveyor 22nd , for example as a fan 23 or a compressor 24 formed, promotes air from the environment as an oxidizing agent in a supply line 25th for oxidizing agents. From the supply line 25th will air the ducts 13th for oxidizing agents, which have a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agent form, supplied so that the oxidizing agent enters the gas space 32 for the oxidizing agent flows through. The gas room 32 for the oxidizer is from the channels 13th and the GDL 9 at the cathode 8th educated. After flowing through the channels 13th or the gas space 32 for the oxidizing agent 32 it won't be at the cathode 8th spent oxidizing agent and that at the cathode 8th water of reaction resulting from the electrochemical redox reaction through a discharge line 26th from the fuel cells 2 derived. A feed line 27 is used to feed coolant into the channels 14th for coolant and a discharge line 28 serves to derive the through the canals 14th directed coolant. The supply and discharge lines 15th , 16 , 25th , 26th , 27 , 28 are in 1 for reasons of simplification shown as separate lines and can actually be designed differently, for example as holes in a frame (not shown) or as aligned holes in the end area (not shown) of superposed bipolar plates 10 . The fuel cell stack 1 together with the pressurized gas storage tank 21 and the gas conveyor 22nd forms a fuel cell system 4th .

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 Brennstoffzellenstapels 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.In the fuel cell unit 1 are the fuel cells 2 between two clamping elements 33 as clamping plates 34 arranged. An upper clamping plate 35 lies on the top fuel cell 2 on and a lower clamping plate 36 lies on the bottom fuel cell 2 on. The fuel cell unit 1 includes approximately 300 to 400 fuel cells 2 which, for graphic reasons, are not all in 4th are shown. The clamping elements 33 bring on the fuel cells 2 a compressive force on, ie the upper clamping plate 35 rests on the top fuel cell with a compressive force 2 on and the lower clamping plate 36 rests on the lowest fuel cell with a compressive force 2 on. So that is the fuel cell stack 2 braced to ensure the tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seal 11 to ensure and also the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 to keep it as small as possible. For bracing the fuel cells 2 with the clamping elements 33 are on the fuel cell unit 1 four connecting devices 39 as a bolt 40 formed, which are claimed to train. The four bolts 40 are with the chipboard 34 firmly connected.

Wenigstens ein Parameter der Brennstoffzelleneinheit 1 wird von einer Überwachungseinheit 37 überwacht (6). Als wesentlicher Parameter wird die Spannung der Brennstoffzellen 2 überwacht, d. h. die Differenz zwischen Spannung zwischen zwei Bipolarplatten 10. Die Überwachungseinheit 37 (FCCU, Fuel Cell Control Unit) bildet damit insbesondere ein CVM-System (Cell Voltage Monitoring-System). Sämtliche Bipolarplatten 10 sind elektrisch und mechanisch mit Stromleitungen 43 verbunden und die Stromleitungen 43 sind mit einer Datenübertragungsvorrichtung 38 mit der Überwachungseinheit 37 elektrisch verbunden. Jede Stromleitung 43 ist somit zur Erfassung des wenigstens eines Parameters elektrisch mit der Überwachungseinheit 37 verbunden. Die Datenübertragungsvorrichtung 38 ist von einer Stromabnehmerleiste 41 mit Kontaktflächen 42 und einem Kabelbaum 47 gebildet. Die Stromleitungen 43 sind mit Verbindungselementen 44 als stoffschlüssige Verbindungen 46 elektrisch und mechanisch mit den Bipolarplatten 10 verbunden. Die Stromabnehmerleiste 41 ist mit dem Kabelbaum 47 elektrisch mit der Überwachungseinheit 37 verbunden. Jede Bipolarplatte 10 ist mittels je einer stoffschlüssigen Verbindung 46 mit je einer Stromleitung 43 verbunden. Die Stromleitungen 43 sind mit Zusatzverbindungselementen 45 mechanisch und elektrisch mit den Kontaktflächen 42 der Stromabnehmerleiste 41 verbunden. Die Anzahl der Kontaktflächen 42 entspricht der Anzahl der Stromleitungen 43 und jede Stromleitung 43 ist mit je einer Kontaktfläche 42 verbunden. Die Zusatzverbindungselemente 45 sind identisch wie die Verbindungselemente 44 als stoffschlüssige Verbindungen 46 ausgebildet. Die Bipolarplatten 10, die Stromleitungen 43 und die Kontaktflächen 42 sind aus identischem elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Metall, ausgebildet.At least one parameter of the fuel cell unit 1 is controlled by a monitoring unit 37 supervised ( 6th ). The voltage of the fuel cells is used as an essential parameter 2 monitored, i.e. the difference between voltage between two bipolar plates 10 . The monitoring unit 37 (FCCU, Fuel Cell Control Unit) thus forms in particular a CVM system (Cell Voltage Monitoring System). All bipolar plates 10 are electrical and mechanical with power lines 43 connected and the power lines 43 are with a data transmission device 38 with the monitoring unit 37 electrically connected. Any power line 43 is thus electrical to the monitoring unit for detecting the at least one parameter 37 tied together. The data transmission device 38 is from a pantograph bar 41 with contact surfaces 42 and a wire harness 47 educated. The power lines 43 are with fasteners 44 as material connections 46 electrically and mechanically with the bipolar plates 10 tied together. The pantograph bar 41 is with the harness 47 electrically with the monitoring unit 37 tied together. Any bipolar plate 10 is by means of a material connection 46 with one power line each 43 tied together. The power lines 43 are with additional fasteners 45 mechanically and electrically with the contact surfaces 42 the pantograph strip 41 tied together. The number of contact areas 42 corresponds to the number of power lines 43 and every power line 43 is with one contact surface each 42 tied together. The additional fasteners 45 are identical to the connecting elements 44 as material connections 46 educated. The bipolar plates 10 who have favourited power lines 43 and the contact surfaces 42 are made of identical electrically conductive material, in particular metal.

Die Anzahl der Bipolarplatten 10 entspricht somit der Anzahl der Stromleitungen 43, der Anzahl der Verbindungselemente 44 und der Anzahl der Zusatzverbindungselemente 45. Als Parameter wird beispielsweise die elektrische Spannung zwischen zwei Bipolarplatten 10 erfasst und bei einer Abweichung der erfassten Spannung von einem vorgegebenen Sollwertbereich wird von der Überwachungseinheit 37 eine Fehlermeldung ausgegeben.The number of bipolar plates 10 thus corresponds to the number of power lines 43 , the number of fasteners 44 and the number of additional fasteners 45 . For example, the electrical voltage between two bipolar plates is used as a parameter 10 detected and if the detected voltage deviates from a specified setpoint range, the monitoring unit 37 an error message is issued.

Bei der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 werden Brennstoffzellen 2 gestapelt zu der Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 angeordnet, d. h. die Brennstoffzelleneinheit 1 mit den gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 zur Verfügung gestellt. Ein Roboter 48 umfasst Roboterarme 49 und Robotergelenke 50. An einem Endbereich eines letzten Roboterarmes 49 sind eine Prozesseinheit 52 als ein Laser 53, eine Kamera 51 und eine Greifzange 56 befestigt. Die Greifzange 56 ist mit einem motorisch bewegbaren Kugelgelenk (nicht dargestellt) an dem letzten Roboterarm 49 befestigt. Ein Computer 55 mit einem Prozessor und einem Datenspeicher steuert der Roboter 48. In dem Datenspeicher sind Positionsdaten zur vorgesehenen geometrischen Anordnung der Bipolarplatten 10 und/oder zur relativen Position des Roboters 48 zu der Brennstoffzelleneinheit 1 gespeichert. Die Kamera 51 erfasst optisch Bilder der Bipolarplatten 10 und mit einer Bildverarbeitungssoftware in dem Computer 55 wird die tatsächliche relative Position der Bipolarplatten 10 zu dem Roboter 48 erfasst. Die Steuerung der Bewegung des Roboters 48 erfolgt somit in Abhängigkeit von den in dem Datenspeicher gespeicherten vorgesehenen Positionsdaten und/oder den von der Bildverarbeitungssoftware bestimmten Daten zur tatsächlichen Position der Bipolarplatten 10 relativ zu dem Roboter 48. Die gespeicherten Positionsdaten können somit mit den von der Bildverarbeitungssoftware bestimmten Daten zur tatsächlichen Position der Bipolarplatten 10 relativ zu dem Roboter 48 korrigiert werden, so dass in vorteilhafter Weise Abweichungen in der geometrischen Anordnung der Bipolarplatten 10 aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten keine Auswirkungen auf die Herstellung haben.During the manufacture of the fuel cell unit 1 become fuel cells 2 stacked to form the fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 arranged, ie the fuel cell unit 1 with the stacked fuel cells 2 made available. A robot 48 includes robotic arms 49 and robot joints 50 . At one end of a last robot arm 49 are a process unit 52 than a laser 53 , a camera 51 and a gripper 56 attached. The gripping pliers 56 is with a motorized movable ball joint (not shown) on the last robot arm 49 attached. A computer 55 the robot controls with a processor and a data memory 48 . The data memory contains position data relating to the intended geometric arrangement of the bipolar plates 10 and / or the relative position of the robot 48 to the fuel cell unit 1 saved. The camera 51 optically captures images of the bipolar plates 10 and with image processing software in the computer 55 becomes the actual relative position of the bipolar plates 10 to the robot 48 recorded. Controlling the movement of the robot 48 thus takes place as a function of the intended position data stored in the data memory and / or the data on the actual position of the bipolar plates determined by the image processing software 10 relative to the robot 48 . The stored position data can thus be combined with the data determined by the image processing software on the actual position of the bipolar plates 10 relative to the robot 48 be corrected, so that deviations in the geometric arrangement of the bipolar plates in an advantageous manner 10 have no effect on manufacturing due to manufacturing inaccuracies.

In einem nicht dargestellten Behälter sind die Stromleitungen 43 bevorratet. Die Greifzange 56 greift je eine Stromleitung 43 und führt ein Ende der Stromleitung 43 mittels einer gesteuerten Bewegung des Roboters 48 zu einer Außenseite einer Bipolarplatte 10. Anschließend wird der Laser 53 ausgerichtet und eingeschalten während die Stromleitung 43 von der Greifzange 56 an der Bipolarplatte 10 fixiert ist, so dass der von dem Laser 53 ausgesendete Laserstrahl auf das Ende der Stromleitung 43, welches auf der Außenseite der Bipolarplatte 10 aufliegt, gerichtet ist. Der Laserstrahl weist eine Leistung von ungefähr einem bis einigen kW auf bei einem Durchmesser von wenigen Zehntel Millimetern, so dass das Metall des Endes der Stromleitung 43 und im Wesentlichen punktuell das Metall an der Außenseite der Bipolarplatte 10 lokal schmilzt und die stoffschlüssige Verbindung 46 als eine Schweißverbindung mit Laserschweißen zwischen der Bipolarplatte 10 und der Stromleitung 43 hergestellt wird. Dieser Vorgang wird automatisiert von dem Roboter 48 für jede Bipolarplatte 10 wiederholt bis sämtliche Bipolarplatten 10 mit je einer Stromleitung 43 verbunden sind. In analoger Weise wie die Verbindungselemente 44 als stoffschlüssige Verbindungen 46 zwischen den Bipolarplatten 10 und den Stromleitungen 43 hergestellt werden, werden die Zusatzverbindungselemente 45 als stoffschlüssige Verbindungen 46 zwischen den anderen Enden der Stromleitungen 43 und den Kontaktflächen 42 der Stromabnehmerleiste 41 hergestellt. Jede Stromleitung 43 ist elektrisch und mechanisch mit je einer Kontaktfläche 42 verbunden.The power lines are in a container (not shown) 43 in stock. The gripping pliers 56 one power line each engages 43 and leads one end of the power line 43 by means of a controlled movement of the robot 48 to an outside of a bipolar plate 10 . Then the laser 53 aligned and switched on while the power line is on 43 from the gripper 56 on the bipolar plate 10 is fixed so that of the laser 53 emitted laser beam on the end of the power line 43 which is on the outside of the bipolar plate 10 rests, is directed. The laser beam has a power of approximately one to a few kW with a diameter of a few tenths of a millimeter, so that the metal of the end of the power line 43 and essentially the metal on the outside of the bipolar plate at certain points 10 melts locally and the bonded connection 46 as a welded joint with laser welding between the bipolar plate 10 and the power line 43 will be produced. This process is automated by the robot 48 for each bipolar plate 10 repeated until all bipolar plates 10 with one power line each 43 are connected. In the same way as the connecting elements 44 as material connections 46 between the bipolar plates 10 and the power lines 43 are produced, the additional connecting elements 45 as material connections 46 between the other ends of the power lines 43 and the contact surfaces 42 the pantograph strip 41 manufactured. Any power line 43 is electrical and mechanical with one contact surface each 42 tied together.

Die Prozesseinheit 52 ist in einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Ultraschallwandler und eine Sonotrode ausgebildet. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel der Herstellung dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit dem Laser 53 als der Prozesseinheit 52. Ein Generator erzeugt einen hochfrequenten Wechselstrom, der in dem Ultraschallwandler mit piezoelektrischen und magnetostriktiven Effekten eine Ultraschallschwingung erzeugt. Diese Ultraschallschwingung wird auf die Sonotrode übertragen und die Sonotrode wird von dem Roboter 48 auf die Stromleitung 43 aufgelegt, welche zwischen der Außenseite der Bipolarplatte 10 und der Sonotrode angeordnet ist. Damit werden mittels Ultraschallschweißen stoffschlüssige Verbindungen 46 als die Verbindungselemente 44 zwischen den Bipolarplatten 10 und den Stromleitungen 43 hergestellt. In analoger Weise werden die Zusatzverbindungselemente 45 zwischen den anderen Enden der Stromleitungen 43 und den Kontaktflächen 42 mittels Ultraschallschweißen hergestellt. Beim Ultraschallschweißen werden die Fügepartner, d. h. die Bipolarplatten 10 und Stromleitungen 43, im Wesentlichen durch ein ineinander verzahnen und -verhaken durch plastisches Fließen miteinander verbunden ohne dass ein Schmelzen des Materials wie beim Laserschweißen eintritt. Damit können stoffschlüssige Verbindungen 46, die mit Laserschweißen oder Ultraschallschweißen hergestellt sind, auch konstruktiv durch eine Materialprüfung, beispielsweise mit visueller Prüfung mit dem Mikroskop, Schallemissionsanalyse, Zeitbereichsreflektometrie oder Ultraschall, nach der Herstellung noch voneinander unterschieden werden.The process unit 52 is designed in a further, not shown embodiment as an ultrasonic transducer and a sonotrode. Otherwise, this embodiment of the production corresponds to the embodiment with the laser described above 53 as the process unit 52 . A generator generates a high-frequency alternating current, which generates an ultrasonic oscillation in the ultrasonic transducer with piezoelectric and magnetostrictive effects. This ultrasonic oscillation is transmitted to the sonotrode and the sonotrode is operated by the robot 48 on the power line 43 placed, which between the outside of the bipolar plate 10 and the sonotrode is arranged. This creates material-to-material connections by means of ultrasonic welding 46 than the fasteners 44 between the bipolar plates 10 and the power lines 43 manufactured. In an analogous manner, the additional connecting elements 45 between the other ends of the power lines 43 and the contact surfaces 42 manufactured by means of ultrasonic welding. With ultrasonic welding, the joining partners, ie the bipolar plates 10 and power lines 43 , essentially connected to one another by interlocking and interlocking through plastic flow without melting of the material as occurs with laser welding. This allows material connections 46 that are manufactured with laser welding or ultrasonic welding can also be distinguished from one another structurally by a material test, for example with a visual test with a microscope, acoustic emission analysis, time domain reflectometry or ultrasound, after production.

Insgesamt betracht sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Verbindungselemente 44 zwischen den Bipolarplatten 10 und einem ersten Ende der Stromleitungen 43 und die Zusatzverbindungselemente 45 zwischen einem zweiten Ende der Stromleitungen 43 und den Kontaktflächen 42 werden als stoffschlüssige Verbindungen 46 automatisiert von einem Roboter 48 mit einer Prozesseinheit 52 herstellt. Die Verbindungselemente 44 und Zusatzverbindungselemente 45 weisen wegen der automatisierten Herstellung keine manuell verursachte Fertigungsfehler auf und sind in der Herstellung preiswert. Als Roboter 48 können auch einfache gebaute Roboter 48 eingesetzt werden, welche im Wesentlichen nur geradlinige Bewegungen parallel und senkrecht zu den fiktiven Ebenen 54 ausführen können, so dass die Kosten für Herstellung noch weiter reduziert werden können.Overall are considered with the fuel cell unit according to the invention 1 and the method according to the invention for producing the fuel cell unit 1 significant advantages associated. The fasteners 44 between the bipolar plates 10 and a first end of the power lines 43 and the additional fasteners 45 between a second end of the power lines 43 and the contact surfaces 42 are considered integral connections 46 automated by a robot 48 with one process unit 52 manufactures. The fasteners 44 and additional fasteners 45 Due to the automated production, they do not have any manually caused manufacturing errors and are inexpensive to manufacture. As a robot 48 can also use simple built robots 48 are used, which essentially only straight-line movements parallel and perpendicular to the fictitious planes 54 can perform, so that the cost of manufacturing can be reduced even further.

Claims

Fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising - stacked fuel cells (2, 3) with proton exchange membranes (5), anodes (7), cathodes (8), gas diffusion layers (9) and bipolar plates (10) ), - power lines (43) for the electrical connection to the bipolar plates (10) of the fuel cells (2, 3) and for monitoring the fuel cells (2, 3) by means of a detection of at least one parameter of the fuel cells (2, 3), - connecting elements ( 44) for the electrical and mechanical connection of the power lines (43) with the bipolar plates (10), so that the power lines (43) are electrically and mechanically connected to the bipolar plates (10) by means of the connecting elements (44), characterized in that the connecting elements (44) are designed as material connections (46).

Fuel cell unit according to Claim 1 , characterized in that the material connections (46) are made by welding.

Fuel cell unit according to Claim 1 or 2 , characterized in that the material connections (46) are produced by means of laser welding and / or ultrasonic welding.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the bipolar plates (10), in particular at least 90% or 99% of the bipolar plates (10), electrically and mechanically by means of a cohesive connection (46) each with a power line (43) are connected.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1) comprises a monitoring unit (37) as a computing unit for monitoring the at least one parameter of the fuel cells (2, 3).

Fuel cell unit according to Claim 5 , characterized in that the fuel cell unit (1) comprises a data transmission device (38) for transmitting data with regard to the at least one parameter of the fuel cells (2, 3) to be detected from the power lines (43) to the monitoring unit (37).

Fuel cell unit according to Claim 6 , characterized in that the power lines (43) are electrically and mechanically connected to the data transmission device (38) with additional connecting elements (45).

Fuel cell unit according to Claim 7 , characterized in that the additional connecting elements (45) according to the cohesive connections (46) according to the Claims 1 until 3 are trained.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1) with a method according to one or more of the Claims 10 until 15th is made.

Method for producing a fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy with the following steps: - providing a fuel cell unit (1) with stacked fuel cells (2, 3) comprising the fuel cells (2, 3) Proton exchange membranes (5), anodes (7), cathodes (8), gas diffusion layers (9) and bipolar plates (10), - providing power lines (43) for electrical connection with the bipolar plates (10) of the fuel cells (2, 3) and for monitoring at least one parameter of the fuel cells (2, 3), - mechanical and electrical connection of the power lines (43) to the bipolar plates (10) by the power lines (43) electrically and mechanically with connecting elements (44) to the bipolar plates (10) are connected, characterized in that the connecting elements (44) are formed as material connections (46).

Procedure according to Claim 10 , characterized in that the material connections (46) are produced by means of welding, in particular laser welding and / or ultrasonic welding.

Procedure according to Claim 10 or 11 , characterized in that the cohesive connections (46) are made by moving a process unit (52) for making the cohesive connections (46), in particular welded connections (46), in space by a robot (48).

Procedure according to Claim 12 , characterized in that a power line (43) with the robot (48) is brought into mechanical contact with each bipolar plate (10) and then, by means of the process unit (52), a material connection (46) between each power line (43) ) and each one bipolar plate (10) is produced.

Procedure according to Claim 12 or 13th , characterized in that position data on the geometric arrangement of the bipolar plates (10) of the fuel cell unit (1) and the relative position of the robot (48) to the bipolar plates (10) of the fuel cell unit (1) are stored in a computer (55) and are dependent on the movement of the robot (48), in particular of the process unit (52) and power lines (43) moved by the robot (48), in space is controlled by the position data.

Method according to one or more of the Claims 12 until 14th , characterized in that the stacked bipolar plates (10) are optically captured by a camera (51), the data from the camera (51) by a computer (55) with a Image processing software are evaluated and the movement of the robot (48), in particular of the process unit (52) and power lines (43) moved by the robot (48), is controlled in space as a function of the data determined by the image processing software on the position of the bipolar plates (10) will.