DE102020207341A1

DE102020207341A1 - Fuel cell unit

Info

Publication number: DE102020207341A1
Application number: DE102020207341.4A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Maier; Felix Wald; Johannes Biesdorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-12-16
Also published as: WO2021254692A1

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils als Komponenten der Brennstoffzellen (2) eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Gasdiffusionsschicht und eine Bipolarplatte mit drei getrennten Kanalstrukturen mit Kanälen für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid, wobei die Brennstoffzellen (2) und die Komponenten der Brennstoffzellen (2) zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen (51) aufspannen und die fiktiven Ebenen (51) im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel als Prozessgas in die Kanäle für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff als Prozessgas in die Kanäle für Brennstoff der Brennstoffzellen (2), einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abführkanal (43) zur Ableitung von Oxidationsmittel als Prozessgas aus den Kanälen für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abführkanal (45) zur Ableitung von Brennstoff als Prozessgas aus den Kanälen für Brennstoff der Brennstoffzellen (2), wobei in wenigstens einem Zuführkanal und/oder in wenigstens einem Abführkanal (43, 45) für wenigstens ein Prozessgas je eine Ableitungsöffnung (56) zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einem Zuführkanal und/oder aus dem wenigstens einem Abführkanal (43, 45) für das wenigstens eine Prozessgas ausgebildet ist.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) each comprising as components of the fuel cells (2) a proton exchange membrane, an anode, a cathode, a gas diffusion layer and a bipolar plate with three separate channel structures with channels for the separate passage of oxidizing agent, fuel and cooling fluid, the fuel cells (2) and the components of the fuel cells (2) spanning fictitious planes (51) that are essentially parallel to one another and the fictitious planes (51 ) are oriented essentially vertically, an essentially horizontally oriented supply channel for supplying oxidizing agent as process gas into the channels for oxidizing agent of the fuel cells (2), an essentially horizontally oriented supply channel for supplying fuel as process gas into di e channels for fuel of the fuel cells (2), a substantially horizontally oriented discharge channel (43) for discharging oxidizing agent as process gas from the channels for oxidizing agent of the fuel cells (2), a substantially horizontally oriented discharge channel (45) for discharging fuel as Process gas from the channels for fuel of the fuel cells (2), wherein in at least one supply channel and / or in at least one discharge channel (43, 45) for at least one process gas there is one discharge opening (56) for discharging water from the at least one supply channel and / or is formed from the at least one discharge channel (43, 45) for the at least one process gas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.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 15.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser 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 in einem Stapel als Stack angeordnet.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water 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 as a stack.

In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. An den Kathoden entsteht aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser, sodass es dadurch an dem Gasraum für Oxidationsmittel, insbesondere an der Gasdiffusionsschicht, zu einer Anreicherung von Wasser bzw. Kondensat kommt. Die Anreicherung von Wasser im Bereich der Kathode, das heißt insbesondere an der Gasdiffusionsschicht für die Kathode, führt zu einer Unterversorgung der Katalysatorschicht mit Oxidationsmittel aufgrund der Flutung der Gasdiffusionsschicht mit Wasser, sodass dadurch die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung stark abnimmt. Ferner verursacht dies eine erhöhte Alterung der Brennstoffzelle aufgrund der Anreicherung mit Wasser. Bei Temperaturen unter 0° C kann ein Gefrieren des angesammelten Wassers zu Frostschäden führen. Die Luft aus der Umgebung wird mit einer Gasfördereinrichtung, beispielsweise einem Gebläse oder einem Kompressor, in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet.In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack. Inside the fuel cells there is a gas space for oxidizing agent, that is, a flow space for the passage of oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen. The gas space for oxidizing agent is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and the oxidizing agent, namely oxygen, reaches the cathode of the fuel cells through the gas diffusion layer. As a result of the electrochemical reaction, water is generated at the cathodes, so that water or condensate accumulates in the gas space for oxidizing agents, in particular at the gas diffusion layer. The accumulation of water in the area of the cathode, i.e. in particular at the gas diffusion layer for the cathode, leads to an undersupply of the catalyst layer with oxidizing agent due to the flooding of the gas diffusion layer with water, so that the electrical voltage generated by the fuel cell is greatly reduced. Furthermore, this causes increased aging of the fuel cell due to the enrichment with water. At temperatures below 0 ° C, freezing of the accumulated water can lead to frost damage. The air from the environment is introduced into the gas spaces for the oxidizing agent with a gas delivery device, for example a fan or a compressor.

Das Oxidationsmittel wird durch einen innerhalb des Stapels ausgebildeten Zuführkanal in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet und durch einen innerhalb des Stapels ausgebildeten Abführkanal aus den Gasräumen für Oxidationsmittel ausgebleitet. In den Bipolarplatten und den Membranelektrodenanordnungen sind Verlängerungen als Abdichtplatten ausgebildet und in den Abdichtplatten sind Fluidöffnungen eingearbeitet. Die Fluidöffnungen sind fluchtend gestapelt in der Brennstoffzelleneinheit ausgerichtet, so dass die Fluidöffnungen den Zuführkanal und den Abführkanal bilden. Zwischen den Abdichtplatten im Bereich der Fluidöffnungen sind Dichtungen angeordnet, damit das Oxidationsmittel nicht unkontrolliert in die Zwischenräume zwischen den Abdichtplatten gelangt. Das Oxidationsmittel wird in die Kanäle für Oxidationsmittel aus dem Zuführkanal eingeleitet.The oxidizing agent is introduced into the gas spaces for oxidizing agent through a feed channel formed within the stack and is discharged from the gas spaces for oxidizing agent through a discharge channel formed within the stack. Extensions are designed as sealing plates in the bipolar plates and the membrane electrode arrangements, and fluid openings are incorporated in the sealing plates. The fluid openings are stacked flush in the fuel cell unit, so that the fluid openings form the supply channel and the discharge channel. Seals are arranged between the sealing plates in the area of the fluid openings so that the oxidizing agent does not get into the spaces between the sealing plates in an uncontrolled manner. The oxidizing agent is introduced into the channels for oxidizing agents from the supply channel.

Die Brennstoffzellen und die Komponenten der Brennstoffzellen, nämlich Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, sind im Wesentlichen schichtförmig und scheibenförmig ausgebildet und spannen damit fiktive Ebenen auf. Die in der Brennstoffzelleneinheit angeordneten und gestapelten Brennstoffzellen sind elektrisch in Reihe geschaltet, damit die Brennstoffzelleneinheit eine ausreichend hohe Spannung liefert, weil bei einer elektrischen Reihenschaltung die Spannung der Brennstoffzelleneinheit der Summe der elektrischen Einzelspannung der Brennstoffzellen entspricht. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine große Anzahl von beispielsweise 200 bis 400 Brennstoffzellen in einer Brennstoffzelleneinheit anzuordnen. Damit die vertikale Ausdehnung der Brennstoffzelleneinheit klein ist werden für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik die Brennstoffzellen häufig dahingehend gestapelt, dass die fiktiven Ebenen der Brennstoffzellen im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind. Als Folge hiervon ist der Zuführkanal und Abführkanal für das Oxidationsmittel horizontal ausgerichtet. Bei einer Schiefstellung des Kraftfahrzeuges, beispielsweise beim Parken an einem Randstein oder bei Bergfahrten, können die Zuführ- und Abführkanäle dahingehen geneigt bzw. schief ausgerichtet sein dass die Ein- und Auslassöffnungen des Zuführ- und Abführkanales den höchsten Bereich des Zuführ- und Abführkanales bilden, so dass sich in den tiefer liegenden Bereichen des Zuführ- und Abführkanales Wasser ansammelt, welches nicht abläuft und damit Schäden verursacht. Insbesondere an der Kathode bildet sich aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser, welches dann nicht aus dem Abführkanal für das Oxidationsmittel Luft austreten kann und Schäden verursacht. Auch an dem Gasraum für Brennstoff, d. h. der Anode, kann es zur Bildung von Wasser kommen, so dass Schäden durch Ansammlungen von Wasser in den Zuführ- und Abführkanälen für die Prozessgase Oxidationsmittel und Brennstoff in nachteiliger Weise auftreten.The fuel cells and the components of the fuel cells, namely proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, are essentially layered and disk-shaped and thus span fictitious planes. The fuel cells arranged and stacked in the fuel cell unit are electrically connected in series so that the fuel cell unit supplies a sufficiently high voltage because, in the case of an electrical series connection, the voltage of the fuel cell unit corresponds to the sum of the individual electrical voltages of the fuel cells. For this reason, it is necessary to arrange a large number of, for example, 200 to 400 fuel cells in one fuel cell unit. So that the vertical extent of the fuel cell unit is small, for applications in motor vehicle technology, the fuel cells are often stacked in such a way that the fictitious levels of the fuel cells are oriented essentially vertically. As a result of this, the feed channel and discharge channel for the oxidizing agent are aligned horizontally. If the motor vehicle is tilted, for example when parking on a curb or when driving uphill, the supply and discharge channels can be inclined or obliquely aligned so that the inlet and outlet openings of the supply and discharge channel form the highest area of the supply and discharge channel, so that water collects in the lower lying areas of the supply and discharge channels, which does not run off and thus causes damage. In particular at the cathode, due to the electrochemical reaction, water forms, which then cannot escape from the discharge channel for the oxidizing agent air and causes damage. Also on the gas space for fuel, i. H. the anode, water can form, so that damage due to the accumulation of water in the supply and discharge channels for the process gases oxidizing agent and fuel occurs in a disadvantageous manner.

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 jeweils als Komponenten der Brennstoffzellen eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Gasdiffusionsschicht und eine Bipolarplatte mit drei getrennten Kanalstrukturen mit Kanälen für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid, wobei die Brennstoffzellen und die Komponenten der Brennstoffzellen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen aufspannen und die fiktiven Ebenen im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel als Prozessgas in die Kanäle für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff als Prozessgas in die Kanäle für Brennstoff der Brennstoffzellen, einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abführkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel als Prozessgas aus den Kanälen für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abführkanal zur Ableitung von Brennstoff als Prozessgas aus den Kanälen für Brennstoff der Brennstoffzellen, wobei in wenigstens einem Zuführkanal und/oder in wenigstens einem Abführkanal für wenigstens ein Prozessgas je eine Ableitungsöffnung zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einem Zuführkanal und/oder aus dem wenigstens einem Abführkanal für das wenigstens eine Prozessgas ausgebildet ist. Ansammlungen von Wasser in dem wenigstens einem Zuführkanal und/oder Abführkanal für das wenigstens einen Prozessgas und hieraus resultierende Schäden an der Brennstoffzelle können damit vermieden werden, weil an den beiden Endbereichen des wenigstens einen Zuführkanales und/oder Abführkanales das Wasser abgeleitet werden kann: an einem Endbereich ist die Ein- oder Auslassöffnung zum Ein- oder Ausleiten des Prozessgases vorhanden und aus dieser Ein- oder Auslassöffnung kann das Wasser abgeleitet werden und an dem anderen Endbereich des wenigstens einen Zuführ- und/oder Abführkanal ist die Ableitungsöffnung vorhanden, so dass bei jeder Schiefstellung der Brennstoffzelleneinheit und damit des wenigstens einen Zuführkanales und/oder Abführkanales das Wasser aus dem wenigstens einen Zuführkanal und/oder Abführkanal abgeleitet werden kann. Im Wesentlichen vertikal ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die fiktiven Ebenen mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° zu einer vertikalen Ebene ausgerichtet ist. Im Wesentlichen horizontal ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass der wenigstens einen Zuführkanal und/oder der wenigstens eine Abführkanal mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist.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 each comprising as components of the fuel cells a proton exchange membrane, an anode, a cathode, a gas diffusion layer and a bipolar plate with three separate channel structures with channels for the separate passage of oxidizing agent , Fuel and cooling fluid, the fuel cells and the components of the fuel cells spanning fictitious planes that are substantially parallel to one another and the fictitious planes are substantially vertical, a substantially horizontally oriented supply channel for supplying oxidizing agent as process gas into the channels for oxidizing agents of the fuel cells , a substantially horizontally aligned feed channel for feeding fuel as process gas into the channels for fuel d he fuel cells, an essentially horizontally oriented discharge channel for discharging oxidizing agent as process gas from the channels for oxidizing agent of the fuel cells, a substantially horizontally oriented discharge channel for discharging fuel as process gas from the channels for fuel of the fuel cells, wherein in at least one supply channel and / or in at least one discharge channel for at least one process gas a discharge opening for discharging water from the at least one supply channel and / or from the at least one discharge channel for the at least one process gas is formed. Accumulations of water in the at least one supply channel and / or discharge channel for the at least one process gas and the resulting damage to the fuel cell can thus be avoided because the water can be drained off at the two end regions of the at least one supply channel and / or discharge channel: at one The end area is the inlet or outlet opening for introducing or discharging the process gas and the water can be discharged from this inlet or outlet opening and the discharge opening is present at the other end area of the at least one supply and / or discharge channel, so that with each Inclination of the fuel cell unit and thus of the at least one supply channel and / or discharge channel, the water can be diverted from the at least one supply channel and / or discharge channel. Aligned essentially vertically preferably means that the fictitious planes are aligned with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 ° from a vertical plane. Aligned essentially horizontally preferably means that the at least one supply channel and / or the at least one discharge channel is aligned with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 ° from a horizontal plane.

In einer weiteren Ausgestaltung ist in dem wenigstens einem Zuführkanal für wenigstens ein Prozessgas je eine Einlassöffnung zur Einleitung des wenigstens einen Prozessgases in den wenigstens einen Zuführkanal ausgebildet.In a further embodiment, an inlet opening for introducing the at least one process gas into the at least one supply channel is formed in the at least one supply channel for at least one process gas.

In einer ergänzenden Variante ist in dem wenigstens einem Abführkanal für wenigstens ein Prozessgas je eine Auslassöffnung zur Ableitung des wenigstens einen Prozessgases aus dem wenigstens einem Abführkanal ausgebildet.In a supplementary variant, an outlet opening for discharging the at least one process gas from the at least one discharge channel is formed in the at least one discharge channel for at least one process gas.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die je eine Ableitungsöffnung zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einem Zuführkanal in dem wenigstens einem Zuführkanal an einem zu der je einen Einlassöffnung abgewandten Endbereich des jeweiligen Zuführkanales ausgebildet. Vorzugsweise beginnt der abgewandte Endbereich an dem zu der je einen Einlassöffnung abgewandten Ende des je einen Zuführkanales und weist eine Längsausdehnung zwischen 1% und 30%, insbesondere zwischen 3% und 20%, der Gesamtausdehnung des jeweiligen Zuführkanales auf.In an additional embodiment, each of the one discharge openings for discharging water from the at least one feed channel is formed in the at least one feed channel at an end region of the respective feed channel facing away from the one inlet opening. The remote end region preferably begins at the end of the one supply channel facing away from the one inlet opening and has a longitudinal extent between 1% and 30%, in particular between 3% and 20%, of the total extent of the respective supply duct.

In einer weiteren Variante ist die je eine Ableitungsöffnung zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einen Abführkanal in dem wenigstens einen Abführkanal an einem zu der je einen Auslassöffnung abgewandten Endbereich des jeweiligen Abführkanales ausgebildet. Vorzugsweise beginnt der abgewandte Endbereich an dem zu der je einen Auslassöffnung abgewandten Ende des je einen Abführkanales und weist eine Längsausdehnung zwischen 1% und 30%, insbesondere zwischen 3% und 20%, der Gesamtausdehnung des jeweiligen Abführkanales auf.In a further variant, each one discharge opening for discharging water from the at least one discharge channel is formed in the at least one discharge channel at an end region of the respective discharge channel facing away from the respective one outlet opening. The remote end region preferably begins at the end of each discharge channel facing away from the one outlet opening and has a longitudinal extent between 1% and 30%, in particular between 3% and 20%, of the total extent of the respective discharge duct.

Vorzugsweise mündet die je eine Ableitungsöffnung zur Ableitung von Wasser in eine Wasserleitung zur Ableitung von Wasser. Das durch die Ableitungsöffnung abgeleitete Wasser kann somit durch die Wasserleitung gezielt an einer bestimmten Position beispielsweise in einem Kraftfahrzeug in die Umgebung abgleitet werden.Preferably, each of the drainage openings for draining water opens into a water line for draining water. The water diverted through the diverting opening can thus be diverted into the surroundings in a targeted manner through the water line at a specific position, for example in a motor vehicle.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung mündet die Wasserleitung in eine Prozessgasleitung, insbesondere eine Prozessgasleitung zur Ableitung von Prozessgas aus einem Abführkanal. Durch die Prozessgasleitung wird neben dem Prozessgas auch Wasser aus der Ein- oder Auslassöffnung in die Umgebung gezielt abgeleitet, so dass auch das aus der Ableitungsöffnung ausgeleitet Wasser gezielt mit der Prozessgasleitung abgeleitet werden kann.In an additional embodiment, the water line opens into a process gas line, in particular a process gas line for discharging process gas from a discharge channel. In addition to the process gas, the process gas line also discharges water from the inlet or outlet opening into the environment in a targeted manner, so that the water discharged from the discharge opening can also be discharged in a targeted manner with the process gas line.

Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleeinheit wenigstens ein Schließorgan, insbesondere ein Ventil, zum Öffnen und Schließen der wenigstens einen Ableitungsöffnung. Die Ableitungsöffnung ist damit nicht ständig geöffnet, so dass Inertgase in den Gasräumen für den Brennstoff und das Oxidationsmittel nicht durch eine geöffnete Ableitungsöffnung in die Umgebung ableitet werden. The fuel cell unit preferably comprises at least one closing element, in particular a valve, for opening and closing the at least one discharge opening. The discharge opening is therefore not constantly open, so that inert gases in the gas spaces for the fuel and the oxidizing agent are not discharged into the environment through an open discharge opening.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das wenigstens eine Schließorgan in die Ableitungsöffnung eingebaut und/oder in die Wasserleitung integriert. Bei einem in die Wasserleitung integrierten Schließorgan ist bei einem geschlossenen Schließorgan die Ableitungsöffnung geschlossen und umgekehrt bei einem geöffneten Schließorgan geöffnet.In an additional embodiment, the at least one closing element is built into the discharge opening and / or integrated into the water pipe. In the case of a closing element integrated in the water line, the discharge opening is closed when the closing element is closed and, conversely, it is opened when the closing element is open.

Zweckmäßig umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Sensor zur Erfassung von Wasser in dem wenigstens einem Zuführkanal und/oder in dem wenigstens einem Abführkanal für wenigstens ein Prozessgas.The fuel cell unit expediently comprises at least one sensor for detecting water in the at least one supply channel and / or in the at least one discharge channel for at least one process gas.

In einer ergänzenden Variante ist das wenigstens eine Schließorgan in Abhängigkeit von dem mit dem wenigstens einen Sensor erfassten Wasser steuerbar und/oder regelbar, insbesondere ist bei einer Erfassung von Wasser mit dem wenigstens einen Sensor in dem wenigstens einem Zuführkanal und/oder in dem wenigstens einem Abführkanal für wenigstens ein Prozessgas je ein Schließorgan in demjenigen Zuführkanal und/oder Abführkanal temporär für eine vorgegebene Zeit und/oder während des Ablassens des Wassers öffenbar und anschließend ist das wenigstens eine Schließorgan schließbar. Die Ableitungsöffnung wird somit nur dahingehend und solange geöffnet als dies für die Ableitung des Wassers notwendig ist.In a supplementary variant, the at least one closing element can be controlled and / or regulated as a function of the water detected by the at least one sensor; Discharge channel for at least one process gas, one closing element in each supply channel and / or discharge channel can be opened temporarily for a predetermined time and / or while the water is being drained, and then the at least one closing element can be closed. The drainage opening is therefore only opened to the effect and for as long as is necessary for the drainage of the water.

In einer weiteren Ausgestaltung ist oder sind der wenigstens eine Zuführkanal und/oder der wenigstens eine Abführkanal in dem Stapel der Brennstoffzelleneinheit von fluchtenden Fluidöffnungen an Abdichtplatten eines Endbereiches der Bipolarplatten und Membranelektrodenanordnungen gebildet, wobei je eine Membranelektrodenanordnung von einer Protonenaustauschermembran, Anode und Kathode gebildet ist.In a further embodiment, the at least one feed channel and / or the at least one discharge channel in the stack of the fuel cell unit is or are formed by aligned fluid openings on sealing plates of an end region of the bipolar plates and membrane electrode assemblies, one membrane electrode assembly each being formed by a proton exchange membrane, anode and cathode.

In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die Ableitungsöffnung und der Sensor zur Erfassung von Wasser an dem Abführkanal für das Oxidationsmittel Luft angeordnet und/oder integriert. Besonders in dem Abführkanal für das Oxidationsmittel könnten sich größere Mengen an Wasser ansammeln aufgrund der elektrochemischen Reaktion an der Kathode, so dass die Ausbildung der Ableitungsöffnung hier besonders wichtig ist.In a supplementary embodiment, the discharge opening and the sensor for detecting water are arranged and / or integrated in the discharge channel for the oxidizing agent air. Particularly in the discharge channel for the oxidizing agent, larger amounts of water could accumulate due to the electrochemical reaction at the cathode, so that the design of the discharge opening is particularly important here.

Vorzugsweise weisen die Brennstoffzellen eine Längsausdehnung und eine Breitenausdehnung parallel zu den fiktiven Ebenen und eine Dickenausdehnung senkrecht zu den fiktiven Ebenen auf und die Horizontalausdehnung der Brennstoffzelleneinheit senkrecht zu den fiktiven Ebenen größer ist als 3-, 5-, 10-, 20- oder 30-Fache der Breitenausdehnung je einer Brennstoffzelle. Trotz der großen Anzahl der Brennstoffzellen für eine ausreichend große elektrische Spannung der Brennstoffzelleneinheit weist die Brennstoffzelleneinheit eine große Horizontalausdehnung bei einer kleinen Vertikalausdehnung auf und ist damit für den Einbau in Kraftfahrzeuge besonders geeignet.The fuel cells preferably have a longitudinal dimension and a width dimension parallel to the fictitious planes and a thickness dimension perpendicular to the fictitious planes and the horizontal dimension of the fuel cell unit perpendicular to the fictitious planes is greater than 3-, 5-, 10-, 20- or 30- Times the width of a fuel cell. Despite the large number of fuel cells for a sufficiently high electrical voltage of the fuel cell unit, the fuel cell unit has a large horizontal dimension with a small vertical dimension and is therefore particularly suitable for installation in motor vehicles.

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 Schutzrechtsanmelddung 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 zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine Zuführkanal und/oder der wenigstens eine Abführkanal für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Die Ausrichtung des wenigstens einen Zuführkanales und/oder Abführkanales für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel ist die Längsachse und/oder die Strömungsrichtung des Prozessfluides in dem Zuführkanal und/oder Abführkanal. Im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°.In an additional embodiment, the at least one feed channel and / or the at least one discharge channel for oxidizing agent and / or fuel and / or coolant is oriented essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. The orientation of the at least one supply channel and / or discharge channel for oxidizing agent and / or fuel and / or coolant is the longitudinal axis and / or the flow direction of the process fluid in the supply channel and / or discharge channel. Aligned essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells means preferably with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 °.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine Zuführkanal und/oder der wenigstens eine Abführkanal für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel innerhalb des Stapels der Brennstoffzellen ausgebildet.In an additional embodiment, the at least one supply channel and / or the at least one discharge channel for oxidizing agent and / or fuel and / or coolant is formed within the stack of fuel cells.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Schließorgan mittels eines Aktuators, insbesondere einem Elektromagneten, Piezoelement oder Hydraulikelement, schließbar und öffenbar.In a further embodiment, the closing element can be closed and opened by means of an actuator, in particular an electromagnet, piezo element or hydraulic element.

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 connecting device, in particular a plurality of connecting devices, and tensioning elements.

Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.Components for fuel cells proton exchange membranes are useful, 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 und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.In a further embodiment, the connecting device is designed as a bolt and / or is rod-shaped and / or is designed as a tensioning belt.

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 und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.In a further variant, the gas delivery device is designed as a fan and / or a compressor and / or a pressure vessel with an oxidizing agent.

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 ohne Spannplatten,
5 eine perspektivische Ansicht der Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack mit Spannplatten,
6 eine Draufsicht einer Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit,
7 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit im Bereich der Abführkanäle für Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel in einem ersten Ausführungsbeispiel,
8 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit im Bereich der Abführkanäle für Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel in einem zweiten Ausführungsbeispiel und
9 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit im Bereich der Abführkanäle für Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel in einem dritten Ausführungsbeispiel.

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 without clamping plates,
5 a perspective view of the fuel cell unit as a fuel cell stack, ie a fuel cell stack with clamping plates,
6th a plan view of a bipolar plate of the fuel cell unit,
7th a vertical section through the fuel cell unit in the area of the discharge channels for oxidizing agent, fuel and coolant in a first embodiment,
8th a vertical section through the fuel cell unit in the area of the discharge channels for oxidizing agent, fuel and coolant in a second embodiment and
9 a vertical section through the fuel cell unit in the area of the discharge channels for oxidizing agent, fuel and coolant in a third embodiment.

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⁺ + 4e^- Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O The redox equations of the electrochemical processes are: Cathode: O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^- - »2 H ₂ O Anode: 2 H 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 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. At rest and at With small currents, voltages above 1.0 V can be achieved and when operating 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 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 Nation®, 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. Nation®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol are used as binding agents.

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 als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 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 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid 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 water drainage and for guiding the reaction gases as process fluids through the channel structures 29 and / or river fields 29 and to dissipate the waste heat, which is especially generated during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8th occurs. To dissipate the waste heat are in the bipolar plate 10 channels 14th as a channel structure 29 incorporated as process fluid 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 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt 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 in alignment ( 4th and 5 ). In 1 is an exploded view of two fuel cells stacked in an aligned manner 2 pictured. A seal 11th 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 tank 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 ) supplied and from the supply line 16 the canals 12th for fuel, which is the channel structure 29 for Form fuel. 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 take part 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. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 51 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen 50 (9) ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. 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 conducted coolant. The supply and discharge lines 15th , 16 , 25th , 26th , 27 , 28 are in 1 shown as separate lines for the sake of simplicity. At the end near the canals 12th , 13th , 14th are in the stack of the fuel cell unit 1 aligned fluid openings 41 on sealing plates 39 as an extension at the end area 40 of the superimposed bipolar plates 10 ( 6th ) and membrane electrode assemblies 6th (not shown) formed. The aligned fluid openings 41 and seals (not shown) in a direction perpendicular to the notional planes 51 between the fluid ports 41 thus form a feed channel 42 for oxidizing agents, a drainage channel 43 for oxidizing agents, a feed channel 44 for fuel, a discharge duct 45 for fuel, a feed channel 46 for coolant and a discharge duct 47 for coolant. The supply and discharge lines 15th , 16 , 25th , 26th , 27 , 28 outside the stack of the fuel cell unit 1 are as process fluid lines 50 ( 9 ) educated. The supply and discharge lines 15th , 16 , 25th , 26th , 27 , 28 outside the stack of the fuel cell unit 1 open into the feed and discharge channels 42 , 43 , 44 , 45 , 46 , 47 within the stack of the fuel cell unit 1 . 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 erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten 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 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 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. A first clamping plate 35 lies on top of the first fuel cell 2 on and a second clamping plate 36 lies on the last fuel cell 2 on. The fuel cell unit 1 includes approximately 200 to 400 fuel cells 2 which, for reasons of drawing, are not all in 4th and 5 are shown. The clamping elements 33 bring on the fuel cells 2 a compressive force, ie the first clamping plate 35 rests on the first fuel cell with a compressive force 2 on and the second clamping plate 36 rests on the last 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 11th 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 37 as a bolt 38 formed, which are claimed to train. The four bolts 38 are with the chipboard 34 firmly connected.

Die 1 bis 3 dienen lediglich zur Darstellung der grundlegenden Funktionsweise von Brennstoffzellen 2 und erfindungswesentliche Merkmale sind in den 1 bis 3 teilweise nicht abgebildet.the 1 until 3 serve only to illustrate the basic functionality of fuel cells 2 and features essential to the invention are in the 1 until 3 partly not shown.

In den 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47.In the 6th is the bipolar plate 10 the fuel cell 2 shown. The bipolar plate 10 includes the channels 12th , 13th and 14th as three separate channel structures 29 . The channels 12th , 13th and 14th are in 6th not shown separately, but simply as a layer of a channel structure 29 . The fluid openings 41 on the sealing plates 39 of the bipolar plates 10 and membrane electrode assemblies 6th (not shown) are stacked in alignment within the fuel cell unit 1 so that feed and discharge channels 42 , 43 , 44 , 45 , 46 , 47 form. There are between the sealing plates 39 Seals (not shown) arranged for the fluid-tight sealing of the fluid openings 41 formed supply and discharge channels 42 , 43 , 44 , 45 , 46 , 47 .

Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 und die Brennstoffzellen 2 sind im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und weisen eine Längsausdehnung 52 als Länge auf und eine Breitenausdehnung 53 parallel zu einer von der Brennstoffzelle 2 aufgespannten fiktiven Ebene 51. Senkrecht zu der fiktiven Ebene 51 weist die Brennstoffzelle 2 eine Dickenausdehnung 54 auf (4). Die Horizontalausdehnung 55 des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 senkrecht zu der fiktiven Ebene 51 entspricht der Summe der Dickenausdehnungen 54 der Brennstoffzellen 2. Aufgrund der Geometrie der Brennstoffzellen 2 und der großen Anzahl von gestapelten und vertikal ausgerichteten Brennstoffzellen 2 in der Brennstoffzelleneinheit 1 ist die Horizontalausdehnung 55 der Brennstoffzelleneinheit 1 wesentlich größer als die Breitenausdehnung 53, so dass trotz der großen Anzahl an Brennstoffzellen 2 die Brennstoffzelleneinheit 1 eine kleine Höhe als im Wesentlichen der Breitenausdehnung 53 der Brennstoffzellen 2 aufweist. In mobilen Anwendungen, insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik, ist es einerseits notwendig zur Erzielung einer ausreichend großen Spannung eine große Anzahl an Brennstoffzellen 2 elektrisch in Reihe zu schalten und andererseits sollen derartige Stapel an Brennstoffzellen 2 nur eine kleine Höhe aufweisen zum Einbau in das Kraftfahrzeug. Dies ist nur mit Brennstoffzellen 2 möglich, deren fiktive Ebenen 51 im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind. Als Folge hiervon sind die in die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 integrierten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 im Wesentlichen horizontal ausgerichtet, so dass Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, nicht oder nur schwierig aus den Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ablaufen können. Die Zuführkanäle 42, 44, 46 weisen an den Enden Einlassöffnungen 48 zum Einleiten der Prozessgase und des Kühlmittels in die Zuführkanäle 42, 44, 46 auf und die Abführkanäle 43, 45, 47 weisen an den Enden Auslassöffnungen 49 zum Ausleiten der Prozessgase und des Kühlmittels aus den Abführkanäle 43, 45, 47 auf. Die Einlassöffnungen 48 münden in Zuführleitungen 16, 25, 27 und die Auslassöffnungen 49 münden in Abführleitungen 15, 26, 28.The components 5 , 6th , 7th , 8th , 9 , 10 the fuel cells 2 and the fuel cells 2 are essentially rectangular and have a longitudinal extent 52 as a length and a width extension 53 parallel to one from the fuel cell 2 spanned fictional level 51 . Perpendicular to the fictional plane 51 instructs the fuel cell 2 an expansion in thickness 54 on ( 4th ). The horizontal expansion 55 of the stack of the fuel cell unit 1 perpendicular to the fictional plane 51 corresponds to the sum of the thickness expansions 54 the fuel cells 2 . Due to the geometry of the fuel cells 2 and the large number of stacked and vertically aligned fuel cells 2 in the fuel cell unit 1 is the horizontal extent 55 the fuel cell unit 1 much larger than the breadth 53 so that despite the large number of fuel cells 2 the fuel cell unit 1 a small height than essentially the width extension 53 the fuel cells 2 having. In mobile applications, in particular in automotive engineering, a large number of fuel cells is necessary on the one hand to achieve a sufficiently high voltage 2 to be connected electrically in series and on the other hand such stacks of fuel cells 2 only have a small height for installation in the motor vehicle. This is only possible with fuel cells 2 possible their fictional levels 51 are oriented essentially vertically. As a result, they are in the fuel cells 2 the fuel cell unit 1 integrated feed and discharge channels 42 , 43 , 44 , 45 , 46 , 47 aligned essentially horizontally, so that liquids, in particular water, cannot, or only with difficulty, escape from the supply and discharge channels 42 , 43 , 44 , 45 , 46 , 47 can expire. The feed channels 42 , 44 , 46 have inlet openings at the ends 48 for introducing the process gases and the coolant into the supply channels 42 , 44 , 46 up and the drainage ducts 43 , 45 , 47 have outlet openings at the ends 49 for discharging the process gases and the coolant from the discharge channels 43 , 45 , 47 on. The inlet openings 48 open into feed lines 16 , 25th , 27 and the outlet openings 49 open into discharge lines 15th , 26th , 28 .

Insbesondere an der Kathode 8 bildet sich aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser, so dass aus dem Abführkanal 43 für das Oxidationsmittel Luft Wasser ausgeleitet wird. Bei einer Schiefstellung des Kraftfahrzeuges, beispielsweise beim Parken oder Bergfahrten, sind die Abführkanäle 43 schief ausgerichtet, so dass die Auslassöffnungen 49 der Abführkanäle 43 höher ausgerichtet sind als die Enden der Abführkanäle 43 gegenüberliegend zu den Auslassöffnungen 49 (7 bis 9). Damit sammelt sich an den tiefen Bereichen der Abführkanäle 43 Wasser an.Especially at the cathode 8th Due to the electrochemical reaction, water is formed, so that it flows out of the discharge channel 43 for the oxidizing agent air, water is discharged. If the motor vehicle is tilted, for example when parking or driving uphill, the discharge channels are 43 misaligned so that the outlet openings 49 the drainage channels 43 are aligned higher than the ends of the discharge channels 43 opposite to the outlet openings 49 ( 7th until 9 ). This collects in the deep areas of the drainage channels 43 Water on.

In dem in 7 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 ist an der tiefsten Stelle des Abführkanales 43 eine Ableitungsöffnung 56 ausgebildet und diese Ableitungsöffnung 56 mündet in eine Wasserleitung 57. Damit sammelt sich auch bei einer Schiefstellung des Abführkanales 43 für Oxidationsmittel kein Wasser an, weil bei einer Schiefstellung in einer Richtung das Wasser aus der Ableitungsöffnung 56 austreten kann und bei einer Schiefstellung in einer anderen Richtung (nicht in 7 bis 9 dargestellt) kann das Wasser aus der Auslassöffnung 49 auslaufen kann.In the in 7th illustrated first embodiment of the fuel cell unit 1 is at the deepest point of the discharge channel 43 a drainage opening 56 formed and this discharge opening 56 opens into a water pipe 57 . This also collects when the discharge channel is inclined 43 no water for oxidizing agents, because if it is tilted in one direction the water will come out of the drainage opening 56 can emerge and if it is tilted in a different direction (not in 7th until 9 shown) the water can flow out of the outlet opening 49 can leak.

In 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 7 beschrieben. In die Wasserleitung 57 ist ein Schließorgan 58, insbesondere ein Ventil 59 oder ein Kugelhahn, eingebaut. Das Schließorgan 58 wird von einem Aktuator 60, insbesondere einem Elektromagneten oder einem Piezoelement, geöffnet und geschlossen. In den Abführkanal 43 ist in der Nähe der Ableitungsöffnung 56 ein Sensor 61 zur Erfassung von Wasser eingebaut. Eine nicht dargestellte Steuerungs- und/oder Regeleinheit steuert und/oder regelt das Öffnen und Schließen des Schließorganes 58 in Abhängigkeit von dem mit dem Sensor 61 erfassten Wasser in dem Abführkanal 43. Bei Wasser in dem Abführkanal 43 wird die Schließorgan 58 für eine vorgegebene Zeit oder bis zum vollständigen Ablaufen des Wassers aus dem Abführkanal 43 geöffnet und anschließend wieder geschlossen. Darüber hinaus kann optional als Schließorgan 58 für eine kurze Zeit, z. B. 10 s, in größeren Zeitabständen, z. B. 1 bis 4 h, geöffnet werden, so dass auch bei einem Schaden an dem Sensor 61 das Wasser aus dem Abführkanal 43 ausgeleitet wird. Nach dem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1 wird für eine kurze Zeit weiterhin Brennstoff durch die Kanäle 12 geleitet, jedoch keine Luft bzw. Oxidationsmittel durch die Kanäle 13, so dass die elektrochemische Reaktion solange weiterläuft, bis der vorhanden Restsauerstoff in den Kanälen 13 verbraucht ist und damit in den Kanälen 12 nur Wasserstoff ist und in den Kanälen 13 nur im Wesentlichen Stickstoff vorhanden ist. Der Wasserstoff und Stickstoff wirkt als Inertgas um Schäden an der Brennstoffzelleneinheit 1, insbesondere der Protonenaustauschermembran 5 und der Katalysatorschicht 30, zu vermeiden. Ein ständiges Öffnen des Schließorganes 58 nach dem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1 würde dazu führen, dass Luft und damit Sauerstoff in den Abführkanal 43 mit Stickstoff gelangen würde.In 8th is a second embodiment of the fuel cell unit 1 shown. In the following, essentially only the differences from the first exemplary embodiment according to FIG 7th described. In the water pipe 57 is a closing device 58 , especially a valve 59 or a ball valve installed. The closing device 58 is operated by an actuator 60 , in particular an electromagnet or a piezo element, opened and closed. In the drainage canal 43 is near the drainage opening 56 a sensor 61 built-in to collect water. A control and / or regulating unit, not shown, controls and / or regulates the opening and closing of the closing element 58 depending on the one with the sensor 61 detected water in the discharge channel 43 . With water in the drainage channel 43 becomes the closing device 58 for a specified time or until the water has completely drained from the drainage channel 43 opened and then closed again. In addition, it can optionally be used as a locking device 58 for a short time, e.g. B. 10 s, at longer intervals, e.g. B. 1 to 4 h, so that even if the sensor is damaged 61 the water from the drainage channel 43 is diverted. After switching off the fuel cell unit 1 will continue to fuel through the channels for a short time 12th but no air or oxidizing agents through the channels 13th so that the electrochemical reaction continues until there is residual oxygen in the channels 13th is consumed and thus in the channels 12th only hydrogen is and in the channels 13th only essentially nitrogen is present. The hydrogen and nitrogen acts as an inert gas to damage the fuel cell unit 1 , especially the proton exchange membrane 5 and the catalyst layer 30th , to avoid. Constant opening of the locking device 58 after switching off the fuel cell unit 1 would cause air and therefore oxygen to enter the exhaust duct 43 with nitrogen.

In 9 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 8 beschrieben. Die Wasserleitung 57 mündet nicht direkt in Umgebung wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel, sondern mündet in die Abführleitung 26 als eine Prozessfluidleitung 50. Das Wasser wird somit indirekt durch die Abführleitung 26 in die Umgebung abgeleitet.In 9 Fig. 3 is a third embodiment of the fuel cell unit 1 shown. In the following, essentially only the differences from the second exemplary embodiment according to FIG 8th described. The water pipe 57 does not open directly into the environment as in the second exemplary embodiment, but opens into the discharge line 26th as a process fluid line 50 . The water is thus indirectly through the drainage line 26th diverted into the environment.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. In wenigstens einem, vorzugweise mehreren, Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45 für Prozessgase, jedoch nicht Zuführ- und Abführkanälen 46, 47 für Kühlmittel, ist wenigstens eine Ableitungsöffnung 56 eingebaut oder integriert. Wasser, das sich während des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 1 ansammelt, insbesondere an dem Abführkanal 43 für Luft, kann damit stets auch bei einer Schiefstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 mit schiefen Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45 für Prozessgase in die Umgebung ableitet werden. Damit kann ein Befüllen der Kanäle 13 für Oxidationsmittel mit Wasser im Wesentlichen ausgeschlossen werden, so dass ein wenigstens teilweiser Ausfall der Kathode 8 aufgrund Wasseransammlungen nicht auftritt. Ansammlungen von Wasser in den Gasräumen 31, 32 während des Betriebes und im Stillstand bei Temperaturen über 0° C verursachen im Allgemeinen keine dauerhaften Schäden an der Brennstoffzelleneinheit 1. Während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 11 können Ansammlungen von Wasser in den Gasräumen 31, 32 jedoch die elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 reduzieren. Aufgrund des Ableitens des Wassers aus den Gasräumen 31, 32 treten insbesondere beim Stillstand keine Ansammlungen von Wasser auf, so dass bei Temperaturen unter 0° C Frostschäden aufgrund der Bildung von Eis in der Brennstoffzelleneinheit 1 vermieden werden.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 associated significant advantages. In at least one, preferably several, supply and discharge channels 42 , 43 , 44 , 45 for process gases, but not supply and discharge channels 46 , 47 for coolant, is at least one discharge opening 56 built-in or integrated. Water that is released during operation of the fuel cell unit 1 accumulates, especially on the discharge channel 43 for air, can therefore always be used even if the fuel cell unit is inclined 1 with inclined feed and discharge channels 42 , 43 , 44 , 45 for process gases are discharged into the environment. This allows the channels to be filled 13th for oxidizing agents with water are essentially excluded, so that an at least partial failure of the cathode 8th does not occur due to water retention. Accumulation of water in the gas compartments 31 , 32 During operation and at a standstill at temperatures above 0 ° C generally do not cause permanent damage to the fuel cell unit 1 . During operation of the fuel cell unit 11th water can build up in the gas compartments 31 , 32 however, the electric power of the fuel cell unit 1 to reduce. Due to the drainage of the water from the gas spaces 31 , 32 there is no accumulation of water, especially when the machine is at a standstill, so that at temperatures below 0 ° C, frost damage due to the formation of ice in the fuel cell unit 1 be avoided.

Claims

Fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising - stacked fuel cells (2), each comprising the fuel cells (2) as components (5, 6, 7, 8, 9, 10) of the fuel cells ( 2) a proton exchange membrane (5), an anode (7), a cathode (8), a gas diffusion layer (9) and a bipolar plate (10) with three separate channel structures (29) with channels (12, 13, 14) for the separate Passage of oxidizing agent, fuel and cooling fluid, - the fuel cells (2) and the components (5, 6, 7, 8, 9, 10) of the fuel cells (2) spanning fictitious planes (51) that are essentially parallel to one another and the fictitious Planes (51) are aligned essentially vertically, - an essentially horizontally aligned feed channel (42) for supplying oxidizing agent as process gas into the channels (13) for oxidizing agent of the fuel cells (2), - one in the Wes Entlichen horizontally aligned supply channel (44) for feeding fuel as process gas into the channels (12) for fuel of the fuel cells (2), - a substantially horizontally aligned discharge channel (43) for discharging oxidizing agent as process gas from the channels (13) for Oxidizing agent of the fuel cells (2), - a substantially horizontally aligned discharge channel (45) for discharging fuel as process gas from the channels (12) for fuel of the fuel cells (2), characterized in that in at least one supply channel (42, 44) and / or in at least one discharge channel (43, 45) for at least one process gas, one discharge opening (56) each for discharging water from the at least one supply channel (42, 44) and / or from the at least one discharge channel (43, 45) for the at least one process gas is formed.

Fuel cell unit according to Claim 1 , characterized in that an inlet opening (48) for introducing the at least one process gas into the at least one supply channel (42, 44) is formed in the at least one supply channel (42, 44) for at least one process gas.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that an outlet opening (49) for discharging the at least one process gas from the at least one discharge channel (43, 45) is formed in the at least one discharge channel (43, 45) for at least one process gas is.

Fuel cell unit according to Claim 2 , characterized in that the one discharge opening (56) for discharging water from the at least one feed channel (42, 44) in the at least one feed channel (42, 44) at an end region of the respective one facing away from the one inlet opening (48) Feed channel (42, 44) is formed.

Fuel cell unit according to Claim 3 , characterized in that the one discharge opening (56) for discharging water from the at least one discharge channel (43, 45) in the at least one discharge channel (43, 45) at an end area of the respective outlet facing away from the one outlet opening (49) Discharge channel (43, 45) is formed.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that each of the one discharge openings (56) for discharging water opens into a water line (57) for discharging water.

Fuel cell unit according to Claim 6 , characterized in that the water line (57) opens into a process gas line (15, 16, 25, 26), in particular a process gas line (15, 26) for discharging process gas from a discharge channel (43, 45).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1) comprises at least one closing element (58), in particular a valve (59), for opening and closing the at least one discharge opening (56).

Fuel cell unit according to Claim 7 , characterized in that the at least one closing member (58) is built into the discharge opening (56) and / or is integrated into the water pipe (57).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1) has at least one sensor (61) for detecting water in the at least one supply channel (42, 44) and / or in the at least one discharge channel (43, 45 ) for at least one process gas.

Fuel cell unit according to Claim 10 , characterized in that the at least one closing element (58) can be controlled and / or regulated as a function of the water detected with the at least one sensor (61), in particular when water is detected with the at least one sensor (61) in the at least a supply channel (42, 44) and / or in the at least one discharge channel (43, 45) for at least one process gas, a closing element (58) in each supply channel (42, 44) and / or discharge channel (43, 45) temporarily for one predetermined time and / or can be opened while the water is being drained and then the at least one closing element (58) can be closed.

Fuel cell unit according to Claim 11 , characterized in that the at least one supply channel (42, 44) and / or the at least one discharge channel (43, 45) in the stack of the fuel cell unit (1) of aligned fluid openings (41) on sealing plates (39) of an end region of the bipolar plates ( 10) and membrane electrode assemblies (6) is or are formed, a membrane electrode assembly (6) each being formed by a proton exchange membrane (5), anode (7) and cathode (8).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding Claims 8 until 12th , characterized in that the discharge opening (56) and the sensor (61) for detecting water on the discharge channel (43) for the oxidizing agent air are arranged and / or integrated.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cells (2) have a longitudinal dimension (52) and a width dimension (53) parallel to the fictitious planes (51) and a thickness dimension (54) perpendicular to the fictitious planes ( 51) and the horizontal extension (55) of the fuel cell unit (1) perpendicular to the fictitious planes (51) is greater than 3, 5, 10, 20 or 30 times the width (53) of a fuel cell (2 ).

Fuel cell system (4), in particular for a motor vehicle, comprising - a fuel cell unit (1) as a fuel cell stack with fuel cells (2), - a compressed gas reservoir (21) for storing gaseous fuel, - a gas delivery device (22) for delivering a gaseous 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.