DE102020205877A1 - Fuel cell unit - Google Patents

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Jochen Wessner
Ernst Hauk
Eberhard Maier
Andreas Rettich
Harald Bauer
Lars Olems
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend als schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (6), eine Kathode (7), eine Bipolarplatte (10) und eine Gasdiffusionsschicht (9), wobei in wenigstens eine schichtförmige Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) wenigstens einer Brennstoffzelle (2) wenigstens ein elektrisches Widerstandsheizelement (37) integriert ist zur Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit (1) mit elektrischer Energie.Fuel cell unit as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells, the fuel cells comprising as layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10) each a proton exchange membrane (5), an anode (6), a cathode ( 7), a bipolar plate (10) and a gas diffusion layer (9), at least one electrical resistance heating element (37) being integrated into at least one layered component (5, 6, 7, 8, 9, 10) of at least one fuel cell (2) for Heating of the fuel cell unit (1) with electrical energy.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 9.The present invention relates to a fuel cell unit according to the preamble of claim 1 and a fuel cell system according to the preamble of claim 9.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels als Prozessfluide 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 fluchtend in einem Stapel als Stack angeordnet. Als weiteres Prozessfluid wird mit einem Kühlfluid, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, während des Betriebes die in der exothermen Redoxreaktion anfallende Abwärme abgleitet für eine Temperierung der Brennstoffzelleneinheit.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent as process fluids 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 in a stack in an aligned manner. As a further process fluid, a cooling fluid, in particular a cooling liquid, is used to dissipate the waste heat generated in the exothermic redox reaction during operation in order to control the temperature of the fuel cell unit.

Bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit bei niedrigen Temperaturen, insbesondere unter 0° C, besteht die Gefahr, dass die Prozessfluide nicht mehr ordnungsgemäß durch die Kanäle und Gasräume gleitet werden können. Die Gasdiffusionssichten bilden Gasräume zum Durchleiten von Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Gasdiffusionsschicht an der Kathode verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen für Oxidationsmittel einer Bipolarplatte gleichmäßig auf die Katalysatorschicht an der Kathode. An der Kathode entsteht Wasser und dieses Wasser reichert sich in der Gasdiffusionsschicht an. Die Gasdiffusionssicht ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut, so dass das an der Kathode entstehende Wasser von der Gasdiffusionssicht teilweise gespeichert bzw. aufgesaugt wird. Bei niedrigen Temperaturen von unter 0° C vor einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit gefriert dieses Wasser und blockiert die Durchleitung des Oxidationsmittels Luft. Damit ist eine Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit schwierig und die Brennstoffzelleneinheit erbringt zu Beginn der Inbetriebnahme in nachteiliger Weise eine deutlich reduzierte elektrische Leistung. Dies Problematik tritt in geringeren Umfang auch an der Gasdiffusionsschicht der Anoden auf, weil sich auch hier Wasser anreichern kann.When the fuel cell unit is put into operation at low temperatures, in particular below 0 ° C., there is a risk that the process fluids can no longer be properly glided through the channels and gas spaces. The gas diffusion layers form gas spaces for the passage of fuel and oxidizing agent. The gas diffusion layer on the cathode distributes the oxidizing agent from channels for oxidizing agents of a bipolar plate evenly onto the catalyst layer on the cathode. Water is created at the cathode and this water accumulates in the gas diffusion layer. The gas diffusion layer is composed, for example, of a hydrophobized carbon paper and a bonded layer of carbon powder, so that the water produced at the cathode is partially stored or absorbed by the gas diffusion layer. At low temperatures of below 0 ° C before the fuel cell unit is started up, this water freezes and blocks the passage of the oxidizing agent air. This makes it difficult to start up the fuel cell unit and, at the start of start-up, the fuel cell unit disadvantageously produces a significantly reduced electrical output. This problem also occurs to a lesser extent on the gas diffusion layer of the anodes, because water can also accumulate here.

In Brennstoffzelleneinheiten als Brennstoffzellenstapel befindet sich auf der obersten und untersten Brennstoffzelle eine Stromsammelplatte. Dabei ist es bereits bekannt, auf der Außenseite der Stromsammelplatte eine Heizplatte oder eine Heizfolie als elektrisches Widerstandsheizelement anzuordnen. Dieses elektrisches Widerstandsheizelement ist elektrisch von der Stromsammelplatte isoliert und erwärmt die Stromsammelplatte sowie Brennstoffzellen in der Nähe der Stromsammelplatte. In nachteiliger Weise wird somit ein wesentlicher Teil der von dem elektrischen Widerstandsheizelement erzeugten Wärme nicht in die Brennstoffzellen, sondern in die Umgebung abgleitet, weil die elektrischen Widerstandsheizelement auf der Außenseite der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Ferner wird nur ein geringer Teil der Brennstoffzellen in der Nähe des elektrischen Widerstandsheizelementes erwärmt.In fuel cell units as fuel cell stacks, there is a current collecting plate on the top and bottom fuel cells. It is already known to arrange a heating plate or a heating foil as an electrical resistance heating element on the outside of the current collecting plate. This electrical resistance heating element is electrically isolated from the current collecting plate and heats the current collecting plate as well as fuel cells in the vicinity of the current collecting plate. Disadvantageously, a substantial part of the heat generated by the electrical resistance heating element is not dissipated into the fuel cells but into the environment because the electrical resistance heating element is arranged on the outside of the fuel cell unit. Furthermore, only a small part of the fuel cells in the vicinity of the electrical resistance heating element is heated.

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, die Brennstoffzellen umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und eine Gasdiffusionsschicht, wobei in wenigstens eine schichtförmige Komponente wenigstens einer Brennstoffzelle wenigstens ein elektrisches Widerstandsheizelement integriert ist zur Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit mit elektrischer Energie. Die Brennstoffzelleneinheit kann damit vor der Inbetriebnahme und/oder während des Betriebes von dem elektrischen Widerstandsheizelement effektiv erwärmt werden, so dass auch bei Temperaturen unter 0° C eine Inbetriebnahme und/oder ein Betrieb in der Anfangsphase des Betriebes problemlos möglich ist, weil Eis aufgetaut ist und/oder in sehr kurzer Zeit aufgetaut wird mittels der von dem wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelement zur Verfügung gestellten Wärme. Aufgrund der Integration des elektrischen Widerstandsheizelementes in eine schichtförmige Komponente der Brennstoffzelle wird im Wesentlichen die gesamte, von dem elektrischen Widerstandsheizelement erzeugte Wärme zum Erwärmen der Brennstoffzellen genutzt.Fuel cell unit according to the invention as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells, the fuel cells comprising as layered components each a proton exchange membrane, an anode, a cathode, a bipolar plate and a gas diffusion layer, with at least one layered component of at least one fuel cell at least one electrical Resistance heating element is integrated for heating the fuel cell unit with electrical energy. The fuel cell unit can thus be effectively heated by the electrical resistance heating element before start-up and / or during operation, so that start-up and / or operation in the initial phase of operation is possible without any problems even at temperatures below 0 ° C. because ice has thawed and / or is thawed in a very short time by means of the heat made available by the at least one electrical resistance heating element. Due to the integration of the electrical resistance heating element in a layered component of the fuel cell, essentially all of the heat generated by the electrical resistance heating element is used to heat the fuel cells.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die wenigstens eine schichtförmige Komponente mit dem integrierten elektrischen Widerstandsheizelement die Gasdiffusionsschicht. Die Gasdiffusionssicht ist für den Einbau des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelements gut geeignet aufgrund des eingesetzten Materials und zusätzlich besteht bei der Gasdiffusionssicht, insbesondere bei äußeren, letzten Gasdiffusionssichten, die größte Gefahr der Blockierung oder Reduzierung des Leitens von Oxidationsmittel oder Brennstoff aufgrund von gefrorenen Wasser bzw. Eis.In a further embodiment, the at least one layered component with the integrated electrical resistance heating element is the gas diffusion layer. The gas diffusion view is well suited for the installation of the at least one electrical resistance heating element due to the material used and, in addition, with the gas diffusion view, especially in the case of external, final gas diffusion layers, there is the greatest risk of blocking or reducing the conduction of oxidizing agent or fuel due to frozen water or Ice cream.

In einer weiteren Variante ist die wenigstens eine schichtförmige Komponente mit dem integrierten elektrischen Widerstandsheizelement in einer Richtung senkrecht zu von den schichtförmigen Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen die letzte schichtförmige Komponente. Die letzte schichtförmige Komponente ist der Gefahr einer thermischen Abkühlung unter 0° C am stärksten ausgesetzt, so dass hier das elektrische Widerstandsheizelement besonders sinnvoll ist.In a further variant, the at least one layered component with the integrated electrical resistance heating element is the last layered component in a direction perpendicular to the fictitious planes spanned by the layered components. The last layer-shaped component is most exposed to the risk of thermal cooling below 0 ° C, so that the electrical resistance heating element is particularly useful here.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die letzte schichtförmige Komponente mit dem integrierten elektrischen Widerstandsheizelement die letzte Gasdiffusionsschicht in der Richtung senkrecht zu von den schichtförmigen Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen.In a further embodiment, the last layered component with the integrated electrical resistance heating element is the last gas diffusion layer in the direction perpendicular to fictitious planes spanned by the layered components.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist in beide letzte Gasdiffusionsschichten in der Richtung senkrecht zu von den schichtförmigen Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen je ein elektrisches Widerstandsheizelement integriert. Damit ist in der obersten und untersten Gasdiffusionssicht je ein elektrisches Widerstandsheizelement integriert.In an additional embodiment, an electrical resistance heating element is integrated in each of the last two gas diffusion layers in the direction perpendicular to the fictitious planes spanned by the layered components. This means that an electrical resistance heating element is integrated in each of the top and bottom gas diffusion layers.

Zweckmäßig sind in mehrere schichtförmige Komponenten, insbesondere Gasdiffusionssichten, elektrische Widerstandsheizelemente integriert.Electrical resistance heating elements are expediently integrated into several layered components, in particular gas diffusion layers.

In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Temperatursensor, vorzugsweise mehrere Temperatursensoren, und in Abhängigkeit von der mit dem wenigstens einen Temperatursensor erfassten Temperatur ist die elektrische Heizleistung des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelements steuerbar und/oder regelbar, insbesondere vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit. Beispielsweise ist bei Temperaturen unter 0° C mit dem wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelement die Brennstoffzelleneinheit und/oder wenigstens eine Brennstoffzelle auf eine vorgegebene Temperatur über 0° C erwärmbar und beim Erreichen der vorgegebenen Temperatur, beispielsweise 5° C, ist das wenigstens eine elektrische Widerstandsheizelement abschaltbar.In a supplementary variant, the fuel cell unit comprises at least one temperature sensor, preferably several temperature sensors, and depending on the temperature detected by the at least one temperature sensor, the electrical heating power of the at least one electrical resistance heating element can be controlled and / or regulated, in particular before the fuel cell unit is started up. For example, at temperatures below 0 ° C, the at least one electrical resistance heating element can be used to heat the fuel cell unit and / or at least one fuel cell to a specified temperature above 0 ° C, and when the specified temperature, for example 5 ° C, is reached, the at least one electrical resistance heating element can be switched off .

In einer ergänzenden Variante ist das elektrische Widerstandsheizelement als ein Heizdraht und/oder Leiterbahn und/oder flächiges Heizelement, insbesondere Heizfolie, ausgebildet.In a supplementary variant, the electrical resistance heating element is designed as a heating wire and / or conductor track and / or flat heating element, in particular heating foil.

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 Ausgestaltung umfasst das Brennstoffzellensystem eine Batterie zum Betrieb des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelementes vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems.In a further embodiment, the fuel cell system comprises a battery for operating the at least one electrical resistance heating element before the fuel cell system is started up.

Damit kann das wenigstens eine elektrische Widerstandsheizelement auch ohne elektrische Energie aus der Brennstoffzelleneinheit betrieben werden.The at least one electrical resistance heating element can thus also be operated without electrical energy from the fuel cell unit.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem eine Steuerungs- und/oder Regeleinheit zur Steuerung und/oder Regelung der Heizleistung des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelements, insbesondere in Abhängigkeit von der von wenigstens einem Temperatursensor erfassten Temperatur der Brennstoffzelleneinheit.In a further embodiment, the fuel cell system comprises a control and / or regulating unit for controlling and / or regulating the heating power of the at least one electrical resistance heating element, in particular as a function of the temperature of the fuel cell unit detected by at least one temperature sensor.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine Temperatursensor in wenigstens eine schichtförmige Komponente integriert, insbesondere in diejenige wenigstens eine schichtförmige Komponente mit dem integrierten elektrischen Widerstandsheizelement.The at least one temperature sensor is preferably integrated in at least one layered component, in particular in the at least one layered component with the integrated electrical resistance heating element.

Zweckmäßig sind in wenigstens 3, 5, 10, 20, 30 oder 50 schichtförmige Komponenten, insbesondere Gasdiffusionssichten und/oder Bipolarplatten, elektrische Widerstandsheizelemente integriert.Electrical resistance heating elements are expediently integrated in at least 3, 5, 10, 20, 30 or 50 layered components, in particular gas diffusion layers and / or bipolar plates.

In einer weiteren Ausgestaltung sind in jede zweite, dritte, vierte oder fünfte schichtförmige Komponente, insbesondere Gasdiffusionssichten und/oder Bipolarplatten, elektrische Widerstandsheizelemente integriert.In a further embodiment, electrical resistance heating elements are integrated into every second, third, fourth or fifth layered component, in particular gas diffusion layers and / or bipolar plates.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das wenigstens eine elektrische Widerstandheizelement dahingehend in die schichtförmige Komponente integriert, so dass das elektrische Widerstandsheizelement in der schichtförmigen Komponente wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, von der schichtförmigen Komponente umhüllt ist und/oder auf einer Außenseite und/oder Innenseite der schichtförmigen Komponente aufliegt.In a further embodiment, the at least one electrical resistance heating element is integrated into the layered component so that the electrical resistance heating element in the layered component is at least partially, in particular completely, encased by the layered component and / or on an outside and / or inside of the layered component Component rests.

In einer ergänzenden Ausführungsform ist das wenigstens eine elektrische Widerstandsheizelement in schichtförmige Komponenten als Bipolarplatten integriert, insbesondere indem das wenigstens eine elektrische Widerstandsheizelement auf einer Außenseite der Bipolarplatte angeordnet ist und/oder an einer Innenseite eines Kanales für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel der Bipolarplatte angeordnet ist.In a supplementary embodiment, the at least one electrical resistance heating element is integrated into layered components as bipolar plates, in particular in that the at least one electrical resistance heating element is arranged on an outside of the bipolar plate and / or on an inside of a channel for fuel and / or oxidizing agent and / or coolant of the Bipolar plate is arranged.

In einer zusätzlichen Variante ist das wenigstens eine elektrische Widerstandsheizelement als eine Heizplatte ausgebildet.In an additional variant, the at least one electrical resistance heating element is designed as a heating plate.

Zweckmäßig sind die schichtförmigen Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.The layered components of the fuel cell proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates are expedient.

Vorzugsweise sind die Komponenten der Brennstoffzellen fluchtend gestapelt angeordnet.The components of the fuel cells are preferably stacked in an aligned manner.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt angeordnet.In a further embodiment, the fuel cells of the fuel cell unit are stacked in an aligned manner.

In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht, vorzugsweise zwei Gasdiffusionssichten, und wenigstens eine Bipolarplatte.In a further embodiment, the fuel cells each include a proton exchange membrane, an anode, a cathode, at least one gas diffusion layer, preferably two gas diffusion layers, 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.

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.

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 und
  • 6 eine Ansicht eines elektrischen Widerstandsheizelementes in einem ersten Ausführungsbeispiel als Heizdraht,
  • 7 eine Ansicht des elektrischen Widerstandsheizelementes in einem zweiten Ausführungsbeispiel als Leiterbahn auf einer Leiterplatte und
  • 8 eine Ansicht des elektrischen Widerstandsheizelementes in einem dritten Ausführungsbeispiel als Heizfolie.
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 and
  • 6th a view of an electrical resistance heating element in a first embodiment as a heating wire,
  • 7th a view of the electrical resistance heating element in a second embodiment as a conductor track on a circuit board and
  • 8th a view of the electrical resistance heating element in a third embodiment as a heating film.

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 H2 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.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. To an anode 7th hydrogen H 2 is passed as a gaseous fuel and the anode 7th forms the negative pole. To 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 + 4 H+ + 4 e- --» 2 H2O
  • Anode: 2 H2 --» 4 H+ + 4 e-
  • Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H2 + O2 → 2H2O
The redox equations for the electrochemical processes are:
  • Cathode: O 2 + 4 H + + 4 e - - »2 H 2 O
  • Anode: 2 H 2 - »4 H + + 4 e -
  • Sum reaction equation of cathode and anode: 2 H 2 + O 2 → 2H 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 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 over 1.0 V can be reached and in operation with higher currents voltages between 0.5 V and 1.0 V are reached. The series connection of several fuel cells 2 , in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several stacked fuel cells 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 directs the protons H + and blocks other ions 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 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 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 Assembly, 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.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.

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.

Die schichtförmigen Komponenten einer Brennstoffzelle 2 sind somit die Protonenaustauschermembran 6, die Anode 7, die Kathode 8, die zwei Gasdiffusionssichten 9 und die Bipolarplatte 10. Die schichtförmigen Komponenten spannen fiktive Ebenen 41 auf.The layered components of a fuel cell 2 are thus the proton exchange membrane 6th who have favourited anode 7th who have favourited cathode 8th , the two gas diffusion views 9 and the bipolar plate 10 . The layered components span fictional levels 41 on.

In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 gestapelt 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 stacked arranged ( 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 to flow 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.

In der Brennstoffzelleneinheit 1 ist in die oberste und unterste Gasdiffusionsschicht 9 jeweils ein elektrisches Widerstandsheizelement 37 als ein Heizdraht 42 (3) integriert und eingebaut. Das elektrisches Widerstandsheizelement 37 ist mittig in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 41 in die Gasdiffusionsschicht 9 integriert, so dass das elektrisches Widerstandsheizelement 37 vollständig innerhalb der Gasdiffusionssicht 9 von der Gasdiffusionsschicht 9 umgeben ist. Das elektrisches Widerstandsheizelement 37 kann somit die Gasdiffusionsschichten 9 im Wesentlichen gleichmäßig erwärmen. Die erwärmten Gasdiffusionsschichten 9 leiten die Wärme mittels Wärmeleitung an die mittelbar und unmittelbar auf der Gasdiffusionsschicht 9 aufliegenden schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzelle 2 weiter, so dass auch diese Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 erwärmt werden. In die Gasdiffusionsschichten 9 mit integrierten elektrischen Widerstandsheizelement 37 ist außerdem ein Temperatursensor 46 eingebaut. Das Brennstoffzellensystem 4 umfasst außerdem eine nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinheit und eine Batterie 38. Der Temperatursensor 46 erfasst vor und/oder während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 4 die Temperatur in den Brennstoffzellen 2. Bei einem Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur, z. B. 0°, wird vor der Inbetriebnahme und/oder während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 4 elektrischer Strom durch das elektrisches Widerstandsheizelement 37 geleitet, so dass dadurch die Brennstoffzellen 2 erwärmt werden. Sofern die Brennstoffzellen 2 vor der Inbetriebnahme mit den elektrischen Widerstandsheizelementen 37 erwärmt werden erfolgt dies mit elektrischer Energie aus der Batterie 38. Bei einem Erwärmen der Brennstoffzellen 2 während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 4 wird die elektrische aus der Batterie 38 und/oder aus der von der Brennstoffzelleneinheit 4 erzeugten elektrischen Energie entnommen.In the fuel cell unit 1 is in the top and bottom gas diffusion layer 9 an electrical resistance heating element each 37 as a heating wire 42 ( 3 ) integrated and built-in. The electrical resistance heating element 37 is centered in a direction perpendicular to the fictitious planes 41 into the gas diffusion layer 9 integrated so that the electrical resistance heating element 37 completely within the gas diffusion view 9 from the gas diffusion layer 9 is surrounded. The electrical resistance heating element 37 can thus the gas diffusion layers 9 heat essentially evenly. The heated gas diffusion layers 9 conduct the heat by means of thermal conduction to the directly and indirectly on the gas diffusion layer 9 overlying layered components 5 , 6th , 7th , 8th , 10 the fuel cell 2 further so that these components too 5 , 6th , 7th , 8th , 10 be heated. In the gas diffusion layers 9 with integrated electrical resistance heating element 37 is also a temperature sensor 46 built-in. The fuel cell system 4th also includes a control and / or regulating unit (not shown) and a battery 38 . The temperature sensor 46 recorded before and / or during operation of the fuel cell system 4th the temperature in the fuel cells 2 . When falling below a predetermined temperature, e.g. B. 0 °, is before commissioning and / or during operation of the fuel cell system 4th electrical current through the electrical resistance heating element 37 routed, thereby making the fuel cells 2 be heated. Unless the fuel cells 2 before commissioning with the electrical resistance heating elements 37 This is done with electrical energy from the battery 38 . When the fuel cells are heated 2 during operation of the fuel cell system 4th gets the electric from the battery 38 and / or from the fuel cell unit 4th generated electrical energy taken.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die elektrischen Widerstandsheizelemente 37 nicht nur in der oberen und untersten Gasdiffusionsschicht 9, sondern auch in einem Teil der dazwischen liegenden Gasdiffusionssichten 9 angeordnet, beispielsweis in jeder dritten Gasdiffusionssicht 9. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst 300 Brennstoffzellen 2 und somit 600 Gasdiffusionsschichten 9, so dass in ungefähr 200 Gasdiffusionssichten 9 die elektrischen Widerstandsheizelemente 37 integriert sind. Damit ist eine im Wesentlichen gleichmäßige Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit 1 in einer Richtung senkrecht zu den von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzellen 2 aufgespannten fiktiven Ebenen 41 möglich.In a further exemplary embodiment, not shown, of the fuel cell unit 1 are the electrical resistance heating elements 37 not only in the upper and lower gas diffusion layer 9 , but also in part of the gas diffusion layers in between 9 arranged, for example in every third gas diffusion layer 9 . The fuel cell unit 1 includes 300 fuel cells 2 and thus 600 gas diffusion layers 9 so that in about 200 gas diffusion views 9 the electrical resistance heating elements 37 are integrated. This results in an essentially uniform heating of the fuel cell unit 1 in a direction perpendicular to that of the components 5 , 6th , 7th , 8th , 10 the fuel cells 2 spanned fictional levels 41 possible.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die elektrischen Widerstandsheizelemente 37 in die Bipolarplatten 10 integriert indem auf eine Außenseite der Bipolarplatten 10, welche auf der Gasdiffusionssicht 9 für die Kathode 8 aufliegen, das elektrische Widerstandsheizelement 37 angeordnet ist. Die Bipolarplatten 10 aus Metall leiten die Wärme gut, so dass auch die auf der gegenüberliegenden Außenseite der Bipolarplatte 10 aufliegende Gasdiffusionssicht 9 für die Anode 7 gut erwärmt wird. Dabei sind beispielsweis an jeder dritten oder fünften Bipolarplatte 10 oder nur auf der obersten und untersten Bipolarplatte 10 elektrische Widerstandsheizelemente 37 integriert.In a further exemplary embodiment, not shown, of the fuel cell unit 1 are the electrical resistance heating elements 37 into the bipolar plates 10 integrated by placing on an outside of the bipolar plates 10 which on the gas diffusion view 9 for the cathode 8th rest, the electrical resistance heating element 37 is arranged. The bipolar plates 10 Made of metal conduct heat well, so also those on the opposite outside of the bipolar plate 10 overlying gas diffusion view 9 for the anode 7th is heated well. There are, for example, on every third or fifth bipolar plate 10 or only on the top and bottom bipolar plates 10 electrical resistance heating elements 37 integrated.

In 6 ist eine Ansicht bzw. Draufsicht nur des elektrischen Widerstandsheizelementes 37 als der Heizdraht 42 dargestellt in einer Ansicht mit Blickrichtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 41 aufgespannt von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzellen 2. Der Heizdraht 42 ist mäanderförmig angeordnet und ermöglich somit auch in einer Richtung parallel zu den fiktiven Ebenen 41 aufgespannt von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzellen 2 eine gleichmäßige Erwärmung der Gasdiffusionssicht 9.In 6th Fig. 13 is a plan view of the electrical resistance heating element only 37 than the heating wire 42 shown in a view looking perpendicular to the fictitious planes 41 spanned by the components 5 , 6th , 7th , 8th , 10 the fuel cells 2 . The heating wire 42 is arranged in a meander shape and thus also allows in a direction parallel to the fictitious planes 41 spanned by the components 5 , 6th , 7th , 8th , 10 the fuel cells 2 uniform heating of the gas diffusion layer 9 .

In 7 ist eine Ansicht bzw. Draufsicht nur des elektrischen Widerstandsheizelementes 37 als eine Leiterbahn 43 dargestellt in einer Ansicht mit Blickrichtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 41 aufgespannt von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzellen 2. Die Leiterbahn 43 ist auf einer Leiterplatte 44 angeordnet.In 7th Fig. 13 is a plan view of the electrical resistance heating element only 37 as a conductor track 43 shown in a view looking perpendicular to the fictitious planes 41 spanned by the components 5 , 6th , 7th , 8th , 10 the fuel cells 2 . The conductor track 43 is on a circuit board 44 arranged.

In 8 ist eine Ansicht bzw. Draufsicht nur des elektrischen Widerstandsheizelementes 37 als eine Heizfolie 45 dargestellt in einer Ansicht mit Blickrichtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 41 aufgespannt von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzellen 2. Die elektrisch leitfähige Heizfolie 45 weist am linken und rechten Rand einen elektrischen Leiter (nicht dargestellt) auf, so dass der Strom durch die Heizfolie 45 von dem linken Rand zu dem rechten Rand geleitet wird oder umgekehrt. Vorzugsweise ist die elektrische leitfähige Heizfolie 45 von einer nicht dargestellten elektrischen Isolierung umgeben.In 8th Fig. 13 is a plan view of the electrical resistance heating element only 37 as a heating foil 45 shown in a view looking perpendicular to the fictitious planes 41 spanned by the components 5 , 6th , 7th , 8th , 10 the fuel cells 2 . The electrically conductive heating foil 45 has an electrical conductor (not shown) on the left and right edge so that the current flows through the heating foil 45 from the left edge to the right edge or vice versa. The electrically conductive heating foil is preferred 45 surrounded by electrical insulation, not shown.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Bei Temperaturen unter 0° C ist eine Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit 1 mit Schwierigkeiten verbunden, weil Prozessfluide, nämlich der Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, nur mit Schwierigkeiten durch die Brennstoffzelleneinheit 1 geleitet werden können. Insbesondere gefrorenes Wasser als Eis in den Gasdiffusionsschichten 9 an den Kathoden 8 verhindert oder reduziert ein effektives Leiten von Luft bzw. Sauerstoff zu den Kathoden 8, so dass die Brennstoffzelleneinheit 1 keinen oder nur einen reduzierten elektrischen Strom erzeugt. Die elektrischen Widerstandsheizelemente 37 sind in die Brennstoffzellen 2 integriert, so dass eine effektive und gleichmäßige Erwärmung der Brennstoffzellen 2 vor und/oder während der Anfangsphase des Betriebes der Brennstoffzellen 2 möglich ist. Damit weist die Brennstoffzelleneinheit 1 keine Probleme bei der Inbetriebnahme auf und nach der Inbetriebnahme bzw. nach dem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 kann die Brennstoffzelleneinheit 1 eine hohe elektrische Leistung abgeben. Das elektrische Widerstandsheizelement 37 der Brennstoffzelleneinheit 1 kann die Brennstoffzellen 2 in sehr kurze Zeit auf eine Temperatur über 0° C erwärmen, so dass eine Vorwärmphase der Brennstoffzelleneinheit 1 vor der Inbetriebnahme sehr kurz ist und/oder nach der Inbetriebnahme die Brennstoffzellen 2 in einer sehr kurzen Zeit auf eine Temperatur über 0° C erwärmt werden. Das Brennstoffzellensystem 4 umfasst eine Batterie 38, welche die elektrische Energie für die elektrischen Widerstandsheizelemente 37 vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Verfügung stellt.Viewed as a whole, the fuel cell unit according to the invention is used 1 and the fuel cell system according to the invention 4th significant advantages associated. The fuel cell unit must be started up at temperatures below 0 ° C 1 associated with difficulties because process fluids, namely the fuel, the oxidizing agent and the coolant, only with difficulty through the fuel cell unit 1 can be directed. In particular frozen water as ice in the gas diffusion layers 9 on the cathodes 8th prevents or reduces the effective conduction of air or oxygen to the cathodes 8th so that the fuel cell unit 1 generates no or only a reduced electrical current. The electrical resistance heating elements 37 are in the fuel cells 2 integrated, so that an effective and even heating of the fuel cells 2 before and / or during the initial phase of operation of the fuel cells 2 is possible. The fuel cell unit thus has 1 no problems during commissioning on and after commissioning or after starting the fuel cell unit 1 can the fuel cell unit 1 give off a high electrical output. The electrical resistance heating element 37 the fuel cell unit 1 can the fuel cells 2 Warm up in a very short time to a temperature above 0 ° C, so that a preheating phase of the fuel cell unit 1 before commissioning is very short and / or after commissioning the fuel cells 2 be heated to a temperature above 0 ° C in a very short time. The fuel cell system 4th includes a battery 38 which provide the electrical energy for the electrical resistance heating elements 37 before commissioning the fuel cell unit 1 provides.

Claims (10)

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend als schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (6), eine Kathode (7), eine Bipolarplatte (10) und eine Gasdiffusionsschicht (9), dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens eine schichtförmige Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) wenigstens einer Brennstoffzelle (2) wenigstens ein elektrisches Widerstandsheizelement (37) integriert ist zur Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit (1) mit elektrischer Energie.Fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells (2), the fuel cells (2) comprising as layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10) each a proton exchange membrane ( 5), an anode (6), a cathode (7), a bipolar plate (10) and a gas diffusion layer (9), characterized in that at least one layered component (5, 6, 7, 8, 9, 10) of at least one fuel cell (2) at least one electrical resistance heating element (37) is integrated for heating the fuel cell unit (1) with electrical energy. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine schichtförmige Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) mit dem integrierten elektrischen Widerstandsheizelement (37) die Gasdiffusionsschicht (9) ist.Fuel cell unit according to Claim 1 , characterized in that the at least one layered component (5, 6, 7, 8, 9, 10) with the integrated electrical resistance heating element (37) is the gas diffusion layer (9). Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine schichtförmige Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) mit dem integrierten elektrischen Widerstandsheizelement (37) in einer Richtung senkrecht zu von den schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) aufgespannten fiktiven Ebenen (41) die letzte schichtförmige Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) ist.Fuel cell unit according to Claim 1 or 2 , characterized in that the at least one layered component (5, 6, 7, 8, 9, 10) with the integrated electrical resistance heating element (37) in a direction perpendicular to the layered components (5, 6, 7, 8, 9 , 10) spanned fictional planes (41) is the last layer-shaped component (5, 6, 7, 8, 9, 10). Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte schichtförmige Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) mit dem integrierten elektrischen Widerstandsheizelement (37) die letzte Gasdiffusionsschicht (9) in der Richtung senkrecht zu von den schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) aufgespannten fiktiven Ebenen (41) ist.Fuel cell unit according to Claim 3 , characterized in that the last layer-like component (5, 6, 7, 8, 9, 10) with the integrated electrical resistance heating element (37) the last gas diffusion layer (9) in the direction perpendicular to the layer-like components (5, 6, 7, 8, 9, 10) spanned fictional planes (41). Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in beide letzte Gasdiffusionsschichten (9) in der Richtung senkrecht zu von den schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) aufgespannten fiktiven Ebenen (41) je ein elektrisches Widerstandsheizelement (37) integriert ist.Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that in each of the last two gas diffusion layers (9) in the direction perpendicular to the layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10) spanned fictitious planes (41) electrical resistance heating element (37) is integrated. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mehrere schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10), insbesondere Gasdiffusionssichten (9), elektrische Widerstandsheizelemente (37) integriert sind.Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that electrical resistance heating elements (37) are integrated into several layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10), in particular gas diffusion layers (9). Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens einen Temperatursensor (46), vorzugsweise mehrere Temperatursensoren (46), umfasst und in Abhängigkeit von der mit dem wenigstens einen Temperatursensor (46) erfassten Temperatur die elektrische Heizleistung des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelements (37) steuerbar und/oder regelbar ist, insbesondere vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit (1).Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1) comprises at least one temperature sensor (46), preferably several temperature sensors (46), and depending on the temperature detected with the at least one temperature sensor (46) the electrical The heating power of the at least one electrical resistance heating element (37) can be controlled and / or regulated, in particular before the fuel cell unit (1) is started up. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Widerstandsheizelement (37) als ein Heizdraht (42) und/oder eine Leiterbahn (43) und/oder ein flächiges Heizelement, insbesondere eine Heizfolie (45), ausgebildet ist.Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electrical resistance heating element (37) is designed as a heating wire (42) and / or a conductor track (43) and / or a flat heating element, in particular a heating foil (45). Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) 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 (1) als eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.Fuel cell system (4), in particular for a motor vehicle, comprising - a fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) with fuel cells (2), - a compressed gas reservoir (21) for storing gaseous fuel, - a gas delivery device (22) for delivering a gaseous fuel Oxidizing agent to the cathodes (8) of the fuel cells (2), characterized in that the fuel cell unit (1) is designed as a fuel cell unit (1) according to one or more of the preceding claims. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (4) eine Batterie (38) umfasst zum Betrieb des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelementes (37) vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems (4).Fuel cell system according to Claim 9 , characterized in that the fuel cell system (4) comprises a battery (38) for operating the at least one electrical resistance heating element (37) before the start-up of the fuel cell system (4).
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