DE102020211588A1

DE102020211588A1 - Cell unit and method of starting the cell unit

Info

Publication number: DE102020211588A1
Application number: DE102020211588.5A
Authority: DE
Inventors: Sriganesh Sriram
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Zelleneinheit (1), insbesondere als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend Einzelzellen (2) mit Anoden, Kathoden, Protonenaustauschermembranen, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten. Die Zelleneinheit (1) weist wenigstens einen Latentwärmespeicher (45) mit einem Phasenwechselmaterial (46) auf. Das Phasenwechselmaterial (46) ist an ein Aktivierungselement (60) gekoppelt.Cell unit (1), in particular as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising individual cells (2) with anodes, cathodes, proton exchange membranes, gas diffusion layers and bipolar plates. The cell unit (1) has at least one latent heat store (45) with a phase change material (46). The phase change material (46) is coupled to an activation element (60).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zelleneinheit, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit, und ein Verfahren zum Starten dieser Zelleneinheit.The present invention relates to a cell unit, in particular a fuel cell unit, and a method for starting this cell unit.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidant 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 multiplicity of fuel cells are arranged in a stack as a stack.

Insbesondere bei einer mobilen Anwendung von Brennstoffzelleneinheiten in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, der Schifffahrt und in der Luftfahrt sind die Brennstoffzelleneinheiten bei einem Stillstand der Temperatur der Umgebung ausgesetzt; gleiches gilt auch für andere Zelleneinheiten wie beispielsweise Batteriezelleneinheiten. In den Protonenaustauschermembranen und den Gasdiffusionssichten der Einzelzellen befindet sich Wasser, das bei Umgebungstemperaturen unter 0° C gefriert und gegebenenfalls Medienkanäle durch Eiskristalle verstopft. Insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen ist es also problematisch eine Zelleneinheit starten, gegebenenfalls Eiskristalle aus den Einzelzellen entfernen, und die Zelleneinheit schnell auf Normalbetrieb bringen zu können.In particular in the case of mobile use of fuel cell units in motor vehicles, in rail transport, in shipping and in aviation, the fuel cell units are exposed to the temperature of the environment when they are at a standstill; the same also applies to other cell units such as battery cell units. There is water in the proton exchange membranes and the gas diffusion layers of the individual cells, which freezes at ambient temperatures below 0° C and may clog media channels with ice crystals. In particular at low outside temperatures, it is therefore problematic to start a cell unit, remove any ice crystals from the individual cells, and to be able to bring the cell unit quickly to normal operation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Demgegenüber erreicht die erfindungsgemäße Zelleneinheit vergleichsweise schnell optimale Betriebstemperaturen und kann die optimale Betriebstemperatur auch vergleichsweise robust halten. Etwaige in den Einzelzellen vorhandene Eiskristalle können vergleichsweise schnell aufgetaut werden.In contrast, the cell unit according to the invention reaches optimum operating temperatures relatively quickly and can also maintain the optimum operating temperature relatively robustly. Any ice crystals present in the individual cells can be thawed comparatively quickly.

Dazu umfasst die Zelleneinheit Einzelzellen mit Anode, Kathode, Protonenaustauschermembran, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten. Die Zelleneinheit weist wenigstens einen Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial auf. Das Phasenwechselmaterial ist an ein Aktivierungselement gekoppelt.For this purpose, the cell unit includes individual cells with anode, cathode, proton exchange membrane, gas diffusion layers and bipolar plates. The cell unit has at least one latent heat store with a phase change material. The phase change material is coupled to an activation element.

Das Aktivierungselement dient dabei der Initiierung der Kristallbildung des Phasenwechselmaterials aus dem flüssigen Aggregatszustand. Das Phasenwechselmaterial weist bevorzugt einen Schmelzpunkt von 55°C bis 60°C auf. Während der Abkühlung behält das Phasenwechselmaterial bevorzugt bis zu einer Temperatur von -10°C bis -30°C seinen flüssigen Aggregatszustand bei. Dadurch befindet sich nach dem Abstellen der Zelleneinheit also das Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers trotz starker Unterschreitung seines Schmelzpunktes immer noch im flüssigen Aggregatszustand. Ein bevorzugtes Material für diese Eigenschaften des Phasenwechselmaterials ist C₂H₉NaO₅.The activation element serves to initiate crystal formation of the phase change material from the liquid state of aggregation. The phase change material preferably has a melting point of 55°C to 60°C. During the cooling, the phase change material preferably retains its liquid state of aggregation down to a temperature of -10°C to -30°C. As a result, after the cell unit has been switched off, the phase change material of the latent heat accumulator is still in the liquid state despite falling far below its melting point. A preferred material for these properties of the phase change material is C ₂ H ₉ NaO ₅ .

Die Kristallisation bzw. Erstarrung des Phasenwechselmaterials wird durch das Aktivierungselement gestartet. Erst dann beginnt das Phasenwechselmaterial seine latente Wärme abzugeben, bevorzugt an die Einzelzellen, so dass diese schnell aufgetaut und auf Betriebstemperatur gebracht werden. Das Phasenwechselmaterial setzt pro Masseneinheit und/oder Volumeneinheit eine große Menge an Erstarrungswärme frei, so dass bereits kleine Massen und/oder Volumen an Phasenwechselmaterial wesentlich zur Beschleunigung des Auftauens beitragen können. Etwaige in den Einzelzellen vorhandene Eiskristalle, welche die Medienströmungen blockieren können, werden dadurch aufgetaut und ausgespült.The crystallization or solidification of the phase change material is started by the activation element. Only then does the phase change material begin to release its latent heat, preferably to the individual cells, so that they are quickly thawed and brought to operating temperature. The phase change material releases a large amount of heat of solidification per unit mass and/or unit volume, so that even small masses and/or volumes of phase change material can contribute significantly to accelerating the thawing. Any ice crystals present in the individual cells, which can block the flow of media, are thereby thawed and flushed out.

Demzufolge umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Starten der Zelleneinheit, wobei das Phasenwechselmaterial zu Beginn des Startvorgangs noch in einem flüssigen Aggregatszustand ist. Für den Startvorgang der Zelleneinheit wird das Aktivierungselement zur Keimbildung des Phasenwechselmaterials aktiviert. Insbesondere für Kaltstartvorgänge können die Einzelzellen so sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden.Accordingly, the invention also includes a method for starting the cell unit, wherein the phase change material is still in a liquid state of aggregation at the beginning of the starting process. For the starting process of the cell unit, the activation element is activated for the nucleation of the phase change material. In this way, the individual cells can be brought up to operating temperature very quickly, particularly for cold starts.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist das Aktivierungselement ein Vibrationselement oder ein Klopfelement. Damit kann auf einfache Weise die Keimbildung für die Kristallisation des Phasenwechselmaterials gestartet werden. Dies wird durch die eingebrachte Schwingungsenergie erreicht. Dafür sind beispielsweise sowohl ein hammermäßiges Klopfen als auch ein schwingendes biegbares Metallplättchen geeignet.In advantageous developments, the activation element is a vibration element or a knocking element. In this way, the nucleation for the crystallization of the phase change material can be started in a simple manner. This is achieved by the introduced vibrational energy. Both a hammer-like tapping and a vibrating, flexible metal plate are suitable for this, for example.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Zelleneinheit ein Gehäuse. Der wenigstens eine Latentwärmespeicher ist innerhalb eines von dem Gehäuse eingeschlossenen Innenraumes angeordnet. Die von dem Latentwärmespeicher freigesetzte Erstarrungswärme wird damit im Wesentlichen in die Einzelzellen geleitet und lediglich vernachlässigbar direkt in die Umgebung ohne Erwärmung der Einzelzellen.In a further configuration, the cell unit comprises a housing. The at least one latent heat store is arranged within an interior space enclosed by the housing. The heat of solidification released by the latent heat store is thus essentially conducted into the individual cells and only negligibly directly into the environment without heating the individual cells.

Zweckmäßig umschließt das Gehäuse die gestapelten Einzelzellen im Wesentlichen vollständig. Im Wesentlichen vollständig bedeutet vorzugweise, dass das Gehäuse die Einzelzellen zu wenigstens 80%, 90% oder 95% umschließt.The housing expediently encloses the stacked individual cells essentially completely. Substantially completely preferably means that the housing encloses the individual cells by at least 80%, 90% or 95%.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine Latentwärmespeicher zwischen dem Gehäuse und den gestapelten Einzelzellen ausgebildet. Dadurch ist der Latentwärmespeicher vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zu den zu erwärmenden Einzelzellen angeordnet.In a further configuration, the at least one latent heat store is formed between the housing and the stacked individual cells. As a result, the latent heat storage device is advantageously arranged in the immediate vicinity of the individual cells to be heated.

In einer weiteren Variante ist der wenigstens eine Latentwärmespeicher an einer Außenseite der gestapelten Einzelzellen ausgebildet. Dadurch kann die Latentwärme des Phasenwechselmaterials effektiv mittels Wärmeleitung von dem Latentwärmespeicher an die Einzelzellen übertragen werden.In a further variant, the at least one latent heat store is formed on an outside of the stacked individual cells. As a result, the latent heat of the phase change material can be effectively transferred from the latent heat store to the individual cells by means of heat conduction.

In einer vorteilhaften alternativen Ausführung ist der wenigstens eine Latentwärmespeicher in die Einzelzellen integriert. Bevorzugt sind dabei mehrere Latentwärmespeicher mit getrennten Teilmassen des Phasenwechselmaterials in die Einzelzellen integriert. Dadurch ist das Phasenwechselmaterial sehr effizient in der Nähe der chemischen Reaktionen der Einzelzellen angeordnet und damit in der Nähe der auf Betriebstemperatur zu bringenden Komponenten, wie beispielsweise einer Protonenaustauschermembran.In an advantageous alternative embodiment, the at least one latent heat store is integrated into the individual cells. A plurality of latent heat accumulators with separate partial masses of the phase change material are preferably integrated into the individual cells. As a result, the phase change material is arranged very efficiently in the vicinity of the chemical reactions of the individual cells and thus in the vicinity of the components to be brought to operating temperature, such as a proton exchange membrane.

In einer weiteren Ausgestaltung sind in je einer Einzelzelle mehrere Latentwärmespeicher mit getrennten Teilmassen des Phasenwechselmaterials integriert. Eine große Anzahl an Latentwärmespeichern verteilt auf die Einzelzellen ermöglichen eine gleichmäßige Erwärmung der Einzelzellen mit Erstarrungswärme.In a further embodiment, a plurality of latent heat accumulators with separate partial masses of the phase change material are integrated in each individual cell. A large number of latent heat storage devices distributed over the individual cells enable the individual cells to be heated evenly with solidification heat.

In einer ergänzenden Variante ist das Phasenwechselmaterial mehrerer Latentwärmespeicher in und/oder an fluiddichten Hohlräumen in den Bipolarplatten der Einzelzellen angeordnet. Dadurch können die an den Bipolarplatten entlang strömenden Fluide sehr wirkungsvoll aufgeheizt werden; etwaige Eiskristalle in den Einzelzellen bzw. in der Zelleneinheit werden dadurch sehr schnell aufgetaut.In an additional variant, the phase change material of several latent heat accumulators is arranged in and/or on fluid-tight cavities in the bipolar plates of the individual cells. As a result, the fluids flowing along the bipolar plates can be heated up very effectively; any ice crystals in the individual cells or in the cell unit are thawed very quickly as a result.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial in wenigstens einem fluiddichten Hohlraum, begrenzt von wenigstens einer Wandung, angeordnet. Das Phasenwechselmaterial gelangt damit beispielsweise nicht in Kontakt mit dem Brennstoff, dem Oxidationsmittel oder dem Kühlmittel.In an additional embodiment, the phase change material is arranged in at least one fluid-tight cavity delimited by at least one wall. The phase change material thus does not come into contact with the fuel, the oxidizing agent or the coolant, for example.

In einer ergänzenden Variante umfasst das Volumen des Phasenwechselmaterials des wenigstens einen Latentwärmespeichers wenigstens 0,5 Volumen-%, 1 Volumen-%, 3 Volumen-% oder 5 Volumen-% des Volumens der gestapelten Einzelzellen.In a supplementary variant, the volume of the phase change material of the at least one latent heat store comprises at least 0.5% by volume, 1% by volume, 3% by volume or 5% by volume of the volume of the stacked individual cells.

Bevorzugt sind die Einzelzellen der Zelleneinheit gestapelt angeordnet.The individual cells of the cell unit are preferably arranged in a stacked manner.

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

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

In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte, genau genommen jeweils die Hälfte von zwei Bipolarplatten.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, strictly speaking in each case half of two bipolar plates.

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

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

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

Figurenlistecharacter list

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, wobei die 1 bis 5 der Beschreibung des Stands der Technik dienen. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle aus dem Stand er Technik.
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle aus dem Stand der Technik.
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle aus dem Stand der Technik.
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack aus dem Stand der Technik.
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4.
6 einen Schnitt durch eine als Brennstoffzelleneinheit ausgeführte Zelleneinheit mit einem Latentwärmespeicher in einem ersten Ausführungsbeispiel,
7 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit dem Latentwärmespeicher in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
8 einen Schnitt durch die eine als Brennstoffzelle ausgeführte Einzelzelle mit integrierten Latentwärmespeichern in einem dritten Ausführungsbeispiel.
9 einen Schnitt durch die eine Einzelzelle mit integrierten Latentwärmespeichern in einem vierten Ausführungsbeispiel.
10 ein Diagramm mit an einer Abszisse aufgetragenen Zeit t und an der Ordinate aufgetragenen Temperatur T.

In the following, exemplary embodiments of the invention are described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which: 1 until 5 serve to describe the state of the art. It shows:

1 a greatly simplified exploded view of a fuel cell system with components of a fuel cell from the prior art.
2 12 is a perspective view of a portion of a prior art fuel cell.
3 a longitudinal section through a fuel cell from the prior art.
4 a perspective view of a fuel cell unit as a fuel cell stack, ie a fuel cell stack from the prior art.
5 according to a section through the fuel cell unit 4 .
6 a section through a cell unit designed as a fuel cell unit with a latent heat accumulator in a first exemplary embodiment,
7 a section through the fuel cell unit with the latent heat storage device in a second embodiment.
8th a section through a designed as a fuel cell single cell with integrated latent heat storage in a third embodiment.
9 a section through a single cell with integrated latent heat storage in a fourth embodiment.
10 a diagram with time t plotted on an abscissa and temperature T plotted on the ordinate.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Einzelzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen 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 the basic structure of a single cell 2 is shown as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3). The principle of individual cells 2 designed as fuel cells is that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction. Hydrogen H ₂ is passed as a gaseous fuel to an anode 7 and the anode 7 forms the negative pole. A gaseous oxidizing agent, namely air with oxygen, is fed to a cathode 8, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent. A reduction (acceptance of electrons) takes place at the cathode 8 . The oxidation as electron release is carried out at the anode 7 .

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:The redox equations of the electrochemical processes are:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O Cathode: O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^- --» 2 H ₂ O
Anode: 2 H ₂ --» 4 H ⁺ + 4 e ^-
Summation reaction equation of cathode and anode: _2H2 ₊ O2 --» _2H2O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.The difference between the normal potentials of the pairs of electrodes under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or no-load voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not reached in practice. In the idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be reached and when operating with larger 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 fuel cells 2 arranged one above the other, has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2.

Die als Brennstoffzelle ausgeführte Einzelzelle 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 einem 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 single cell 2 designed as a fuel cell also includes a proton exchange membrane 5 (proton exchange membrane, PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8 . The anode 7 and cathode 8 are in the form of layers or discs. The PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst support and separator for the reaction gases. The PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8. In general, 12 μm to 150 μm thick, proton-conducting foils made from perfluorinated and sulfonated polymers are used. The PEM 5 conducts the H ⁺ protons and essentially blocks ions other than H ⁺ protons, so that the charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the H ⁺ protons. 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 7 with fuel hydrogen H ₂ and a gas space 32 at the cathode 8 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 Katalysatorschicht 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.The electrodes 7 , 8 as the anode 7 and cathode 8 lie on the two sides of the PEM 5 , each facing towards the gas chambers 31 , 32 . A unit made up of the PEM 5 and the electrodes 6, 7 is referred to as a membrane electrode assembly 6 (membrane electrode assembly, MEA). The electrodes 7, 8 are pressed with the PEM 5. The electrodes 6, 7 are platinum-containing carbon particles bonded to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and/or PVA (polyvinyl alcohol) and embedded in microporous carbon fiber, Glass fiber or plastic mats are hot-pressed. A catalyst layer 30 is normally applied to the electrodes 6, 7 on the side facing the gas chambers 31, 32. FIG. The catalyst layer 30 on the gas space 31 with fuel on the anode 7 comprises nanodisperse platinum-ruthenium on graphitized soot particles which are bound to a binder. The catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent on the cathode 8 analogously comprises nanodispersed platinum. As a binder, for example Nafion®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol are used.

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 7 and the cathode 8 there is a gas diffusion layer 9 (gas diffusion layer, GDL). The gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from fuel channels 12 evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7. The gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from oxidant channels 13 evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8. The GDL 9 also withdraws reaction water in the reverse direction to the direction of flow of the reaction gases, i. H. in one direction each from the catalyst layer 30 to the channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 wet and conducts the current. The GDL 9, for example, is made up of hydrophobic 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 Graphit eingesetzt.A bipolar plate 10 rests on the GDL 9 . The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for conducting the reaction gases through a channel structure 29 and/or a flow field 29 and for dissipating the waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8 . Channels 14 for the passage of a liquid or gaseous coolant are incorporated into the bipolar plate 10 in order to dissipate the waste heat. The channel structure 29 in the gas space 31 for fuel is formed by channels 12 . The channel structure 29 in the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by channels 13 . Metal, conductive plastics and composite materials or graphite, for example, are used as the material for the bipolar plates 10 .

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.A plurality of fuel cells 2 are stacked in a fuel cell unit 1 and/or a fuel cell stack 1 and/or a fuel cell stack 1 ( 4 ). In 1 an exploded view of two fuel cells 2 arranged one above the other is shown. A seal 11 seals the gas chambers 31, 32 in a fluid-tight manner. In a compressed gas accumulator 21 ( 1 ) hydrogen H ₂ is stored as a fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the compressed gas reservoir 21, the fuel is passed through a high-pressure line 18 to a pressure reducer 20 to reduce the pressure of the fuel in a medium-pressure line 17 from approximately 10 bar to 20 bar. The fuel is routed to an injector 19 from the medium-pressure line 17 . At the injector 19, the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure of between 1 bar and 3 bar. From the injector 19, the fuel is supplied to a supply line 16 for fuel ( 1 ) and from the supply line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel. As a result, the fuel flows through the gas space 31 for the fuel. The gas space 31 for the fuel is formed by the channels 12 and the GDL 9 on the anode 7 . After flowing through the channels 12 , the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and any water from controlled humidification of the anode 7 are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 15 .

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 werden das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehende 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) aufeinanderliegender Bipolarplatten 10. Der Brennstoffzellenstapel 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.A gas conveying device 22, embodied for example as a fan 23 or a compressor 24, conveys air from the environment as oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agent. The air is supplied from the supply line 25 to the channels 13 for oxidizing agent, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agent, so that the oxidizing agent flows through the gas space 32 for the oxidizing agent. The gas space 32 for the oxidizing agent is formed by the channels 13 and the GDL 9 on the cathode 8 . After the oxidizing agent 32 has flowed through the channels 13 or the gas space 32, the oxidizing agent not consumed at the cathode 8 and the water of reaction formed at the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26. A supply line 27 is used to supply coolant into the channels 14 for coolant and a discharge line 28 is used to discharge the coolant conducted through the channels 14 . The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 are in 1 For reasons of simplification, they are shown as separate lines and can actually be designed differently in terms of construction, for example as bores in a frame (not shown) or as aligned bores in the end region (not shown) of bipolar plates 10 lying on top of one another. The fuel cell stack 1 together with the compressed gas storage device 21 and the gas delivery device 22 forms a fuel cell system 4.

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 500 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, gegebenenfalls jeweils unter Zwischenlage einer nicht dargestellten Stromsammelplatte. 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 Spannplatten 34 fest verbunden.The fuel cells 2 are arranged as clamping plates 34 between two clamping elements 33 in the fuel cell unit 1 . An upper clamping plate 35 lies on top fuel cell 2 and a lower clamping plate 36 lies on bottom fuel cell 2 . The fuel cell unit 1 comprises approximately 300 to 500 fuel cells 2, not all of which are shown in 4 are shown. The clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, ie the upper clamping plate 35 rests with a compressive force on the uppermost fuel cell 2 and the lower clamping plate 36 rests with a compressive force on the lowermost fuel cell 2, optionally with an intermediate layer (not shown). power collection plate. So that the fuel cell stack 2 is braced to the tightness of the fuel, the oxidant and the coolant, esp To ensure special due to the elastic seal 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible. In order to brace the fuel cells 2 with the tensioning elements 33, four connecting devices 39 are designed as bolts 40 on the fuel cell unit 1, which are subjected to tensile stress. The four bolts 40 are firmly connected to the clamping plates 34 .

Die 1 bis 5 dienen lediglich zur grundlegenden Veranschaulichung der Funktionsweise von Brennstoffzelleneinheiten 1, so dass in den 1 bis 5 ein erfindungswesentlicher Latentwärmespeicher 45 nicht dargestellt ist.the 1 until 5 serve only to illustrate the basic functioning of fuel cell units 1, so that in the 1 until 5 a latent heat accumulator 45 essential to the invention is not shown.

In 6 ist die als Brennstoffzelleneinheit ausgeführte Zelleneinheit 1 mit einer großen Anzahl an gestapelt angeordneten als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen 2 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die gestapelten Einzelzellen 2 als Brennstoffzellenstapel 1 weisen eine Außenseite 49 auf. Ein Gehäuse 41 begrenzt einen Innenraum 43 und innerhalb des Innenraumes 43 sind die Einzelzellen 2 angeordnet. Die gestapelten Einzelzellen 2 sind mit Haltefüßen 44 an dem Gehäuse 41 fixiert. In einem im Wesentlichen konstanten Abstand zu einer Innenseite 42 des Gehäuses 41 ist eine Wandung 48 ausgebildet, so dass zwischen der Wandung 48 und dem Gehäuse 41 ein Hohlraum 47 vorhanden ist. Das Gehäuse 41 dient somit ebenfalls zur Begrenzung des Hohlraumes 47, so dass das Gehäuse 41 zusätzlich eine Wandung 48 zur Begrenzung des fluiddichten Hohlraumes 47 bildet. An einer Außenseite 50 des Gehäuses 41 ist eine thermische Isolierung 51 vorhanden. Der Hohlraum 47 ist mit einem Phasenwechselmaterial 46 als Latentwärmespeicher 45 befüllt, dessen Erstarrungspunkt zwischen 0° C und 15° C liegt. Bei dem Phasenwechselmaterial 46 handelt es sich beispielsweise um Natriumacetat, bevorzugt um C₂H₉NaO₅. Obwohl C₂H₉NaO₅ seinen Erstarrungspunkt bzw. seine Kristallisationstemperatur bei etwa 58° C hat, kann es bei langsamer Abkühlung dennoch bis etwa -30°C flüssig bleiben. Wird in diesem überkühlten Zustand ein Keimbildungsort bereitgestellt, so beginnt das gesamte Phasenwechselmaterial 46 zu kristallisieren, also zu erstarren, und seine latente Wärme freizugeben. Durch die Freigabe der latenten Wärme wird das kristallisierte Phasenwechselmaterial 46 wieder bis an die Kristallisationstemperatur, oder in diesem Fall Schmelztemperatur von 58°C erwärmt, wobei es jedoch im festen Zustand bleibt.In 6 shows the cell unit 1 designed as a fuel cell unit with a large number of stacked individual cells 2 designed as fuel cells in a first exemplary embodiment. The stacked individual cells 2 as a fuel cell stack 1 have an outside 49 . A housing 41 delimits an interior space 43 and the individual cells 2 are arranged within the interior space 43 . The stacked individual cells 2 are fixed to the housing 41 with holding feet 44 . A wall 48 is formed at a substantially constant distance from an inner side 42 of the housing 41 , so that a cavity 47 is present between the wall 48 and the housing 41 . The housing 41 thus also serves to delimit the cavity 47 so that the housing 41 also forms a wall 48 to delimit the fluid-tight cavity 47 . A thermal insulation 51 is present on an outer side 50 of the housing 41 . The cavity 47 is filled with a phase change material 46 as a latent heat store 45, the solidification point of which is between 0.degree. C. and 15.degree. The phase change material 46 is, for example, sodium acetate, preferably C ₂ H ₉ NaO ₅ . Although C ₂ H ₉ NaO ₅ has its solidification point or its crystallization temperature at about 58°C, it can still remain liquid down to about -30°C if cooled slowly. If a nucleation site is provided in this supercooled state, all of the phase change material 46 will begin to crystallize, i.e., solidify, and release its latent heat. With the release of the latent heat, the crystallized phase change material 46 is reheated to the crystallization temperature, or in this case melting temperature of 58°C, while remaining in the solid state.

Erfindungsgemäß weist die Zelleneinheit 1 einen Aktuator 60 zur Kristallbildung auf. In der Ausführung der 6 ist der Aktuator 60 zusammen mit dem Phasenwechselmaterial 46 in dem Hohlraum 47 angeordnet. Der Aktuator 60 führt bei seiner Aktivierung dem Phasenwechselmaterial 46 letztendlich thermische Energie zu, welche quasi als Katalysator wirkt, so dass die Keimbildung gestartet wird und dadurch das gesamte Phasenwechselmaterial 46 unter Abgabe seiner latenten Wärme kristallisiert. Die eigentliche Anregung des Aktuators 60 kann dabei beispielsweise mittels elektrischer Energie oder Vibrationsenergie erfolgen, welche in thermische Energie umgewandelt wird. Der Aktuator 60 kann somit beispielsweise als Metallelement ausgeführt sein, welches mittels elektrischer Energie erhitzt wird. Der Aktuator 60 kann beispielsweise aber auch als Schockelement ausgeführt sein, welches das Gehäuse 41 erschüttert und dadurch dem Phasenwechselmaterial 46 Vibrationsenergie zuführt. Zum Beispiel kann der Aktuator 60 dafür als Klopfelement ausgeführt sein, welches wie ein Hammer auf das Phasenwechselmaterial wirkt. Oder der Aktuator 60 kann als Metallplättchen ausgeführt sein, welches sich bei Aktivierung biegt und dadurch das Phasenwechselmaterial 46 in Schwingungen versetzt.According to the invention, the cell unit 1 has an actuator 60 for crystal formation. In the execution of 6 the actuator 60 is arranged in the cavity 47 together with the phase change material 46 . When activated, the actuator 60 ultimately supplies the phase change material 46 with thermal energy, which acts more or less as a catalyst, so that nucleation is started and the entire phase change material 46 crystallizes as a result, releasing its latent heat. The actual excitation of the actuator 60 can take place, for example, by means of electrical energy or vibration energy, which is converted into thermal energy. The actuator 60 can thus be designed as a metal element, for example, which is heated by means of electrical energy. However, the actuator 60 can also be designed as a shock element, for example, which shakes the housing 41 and thereby supplies vibration energy to the phase change material 46 . For example, the actuator 60 can be designed as a tapping element, which acts like a hammer on the phase change material. Or, the actuator 60 may be implemented as a metal plate that flexes upon activation, causing the phase change material 46 to vibrate.

In dem in 10 dargestellten Diagramm ist an der Abszisse die Zeit t und an der Ordinate die Temperatur T aufgetragen. In dem Zeitraum von der Zeit 0 bis t₁ befindet sich die Zelleneinheit 1 in Betrieb bei beispielsweise 70°C. Die Außentemperatur beträgt beispielsweise -10° C. Im Zeitraum von t₁ bis t₂ ist die Zelleneinheit 1 abgeschaltet. Zum Zeitpunkt t₂ wird die Zelleneinheit 1 wieder eingeschaltet bzw. aktiviert. Die Außentemperatur ist mit einer strichpunktieren Gerade in dem Diagramm dargestellt. Die Temperatur der gestapelten Einzelzellen 2 ist mit einer strichlierten Linie dargestellt. Elektrochemische Vorgänge in der dargestellten Zelleneinheit 1 sind exotherm, so dass aufgrund der Abwärme und der Kühlung der als Brennstoffzelleneinheit ausgeführten Zelleneinheit 1 mit dem Kühlmittel während des Betriebes die Betriebstemperatur im Wesentlichen konstant 70° C beträgt bis zum Abschalten der Zelleneinheit 1 zum Zeitpunkt t₁. Nach dem Abschalten der Zelleneinheit 1 wird keine Abwärme mehr freigesetzt, so dass die Temperatur der gestapelten Einzelzellen 2 absinkt.in the in 10 The diagram shown shows the time t on the abscissa and the temperature T on the ordinate. In the period from time 0 to t ₁ , the cell unit 1 is in operation at, for example, 70°C. The outside temperature is, for example, -10° C. In the period from t ₁ to t ₂ the cell unit 1 is switched off. At time t ₂ the cell unit 1 is switched on or activated again. The outside temperature is shown with a dot-dash straight line in the diagram. The temperature of the stacked individual cells 2 is shown with a dashed line. Electrochemical processes in the cell unit 1 shown are exothermic, so that due to the waste heat and the cooling of the cell unit 1 designed as a fuel cell unit with the coolant during operation, the operating temperature is essentially constant at 70° C. until the cell unit 1 is switched off at time t ₁ . After the cell unit 1 has been switched off, waste heat is no longer released, so that the temperature of the stacked individual cells 2 drops.

Der fluiddichte Hohlraum 47 ist mit C₂H₉NaO₅ als Phasenwechselmaterial 46 gefüllt und weist einen Erstarrungspunkt von ungefähr 58° C auf. Während des Betriebes der Zelleneinheit 1 ist das Phasenwechselmaterial 46 ähnlich erhitzt wie die Zelleneinheit 1, beispielsweise bei 60°C unter Berücksichtigung der niedrigeren Außentemperatur. Und somit ist das Phasenwechselmaterial 46 während des Betriebs in einem flüssigen Aggregatzustand. Zum Zeitpunkt t₁ wird die Zelleneinheit 1 abgeschaltet; die Temperaturen der Zelleneinheit 1 und mit ihr auch des Phasenwechselmaterials 46 gleichen sich der Außentemperatur von - 10°C an. Das Phasenwechselmaterial 46 bleibt dabei allerdings noch im flüssigen Aggregatszustand.The fluid-tight cavity 47 is filled with C ₂ H ₉ NaO ₅ as phase change material 46 and has a solidification point of approximately 58°C. During operation of the cell unit 1, the phase change material 46 is heated similarly to the cell unit 1, for example at 60° C., taking into account the lower outside temperature. And thus, the phase change material 46 is in a liquid state of aggregation during operation. At time t ₁ the cell unit 1 is switched off; the temperatures of the cell unit 1 and with it also the phase change material 46 are equal to the outside temperature of -10°C. However, the phase change material 46 still remains in the liquid state of aggregation.

Zum Zeitpunkt t₂ wird die Zelleneinheit 1 wieder gestartet, und zwar mit Aktivierung des Aktuators 60, der für eine Kristallisation des Phasenwechselmaterials 46 sorgt. Beim Umwandeln des Phasenwechselmaterials 46 von dem flüssigen in den festen Aggregatzustand werden von dem Phasenwechselmaterial 46 große Mengen an Erstarrungswärme freigesetzt, so dass sich das Phasenwechselmaterial 46 bis zu seiner Schmelztemperatur von 58°C (Zeitpunkt t₃) erhitzt. Mit dem Phasenwechselmaterial 46 werden durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung auch die Einzelzellen 2 erwärmt, und zwar vergleichsweise schnell erwärmt. Das Phasenwechselmaterial 46 gibt seine latente Wärme quasi an die Einzelzellen 2 ab, die dadurch während des Kaltstartvorgangs sehr schnell auf optimale Betriebstemperaturen kommen.At time t ₂ the cell unit 1 is started again, namely with activation of the actuator 60, which ensures that the phase change material 46 crystallizes. When converting the phase change material 46 from the liquid to the solid state of aggregation, large amounts of solidification heat are released by the phase change material 46, so that the phase change material 46 heats up to its melting temperature of 58° C. (time t ₃ ). The individual cells 2 are also heated with the phase change material 46 by thermal conduction and/or thermal radiation, and that is heated comparatively quickly. The phase-change material 46 gives off its latent heat, as it were, to the individual cells 2, which as a result reach optimum operating temperatures very quickly during the cold start process.

Während des Betriebs erwärmen sich die Einzelzellen 2, bis beispielsweise wieder 70°C. Auch das Phasenwechselmaterial 46 erwärmt sich weiter, und zwar derart, dass es wieder von dem festen in den flüssigen Aggregatszustand umgewandelt wird. Dadurch speichert es quasi wieder die latente Wärme, welche für den nächsten Kaltstartvorgang wiederverwendet werden kann.During operation, the individual cells 2 heat up again, for example to 70°C. The phase change material 46 also continues to heat up in such a way that it is again converted from the solid to the liquid state of aggregation. As a result, it virtually stores the latent heat again, which can be reused for the next cold start process.

Eine schnelle Erwärmung der Einzelzellen 2, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen, ist auch aufgrund potenzieller Eiskristalle innerhalb der Einzelzellen 2 erforderlich:

In dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel, insbesondere an der Gasdiffusionsschicht 9 des Gasraumes 32, und in der Protonenaustauschermembran 5 befindet sich Wasser. Dieses Wasser gefriert gegebenenfalls während des Stillstandes der Brennstoffzelleneinheit 1 (Zeitraum t₁ bis t₂). Nach der Wiederinbetriebnahme der Zelleneinheit 1 zum Zeitpunkt t₃ ist es also wichtig die schädlichen Eiskristalle möglichst schnell aus den Einzelzellen 2, beispielweise aus dem Gasraum 32, entfernen zu können. Dies erfolgt durch schnelles Schmelzen des Wassers in der Protonenaustauschermembran 5 und dem Gasraum 32.

Rapid heating of the individual cells 2, especially at low outside temperatures, is also necessary due to potential ice crystals inside the individual cells 2:

In the gas space 32 for oxidizing agents, in particular on the gas diffusion layer 9 of the gas space 32, and in the proton exchange membrane 5 there is water. This water may freeze while the fuel cell unit 1 is at a standstill (period t ₁ to t ₂ ). After the cell unit 1 has been put into operation again at time t ₃ , it is therefore important to be able to remove the harmful ice crystals from the individual cells 2 , for example from the gas space 32 , as quickly as possible. This is done by rapidly melting the water in the proton exchange membrane 5 and the gas space 32.

In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Zelleneinheit 1 abgebildet. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 beschrieben. Der Latentwärmespeicher 45 ist nicht an der Innenseite 42 des Gehäuses 41, sondern an der Außenseite 49 der gestapelten Einzelzellen 2 befestigt. Dabei deckt der Latentwärmespeicher 45 die Außenseite 49 der gestapelten Einzelzellen 2 im Wesentlichen vollständig ab.In 7 a second embodiment of the cell unit 1 is shown. In the following, essentially only the differences from the first exemplary embodiment are explained in accordance with FIG 6 described. The latent heat accumulator 45 is not attached to the inside 42 of the housing 41 but to the outside 49 of the stacked individual cells 2 . The latent heat accumulator 45 essentially completely covers the outside 49 of the stacked individual cells 2 .

In 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Teils einer als Brennstoffzelleneinheit ausgebildeten Zelleneinheit 1 abgebildet. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 beschrieben. In die Bipolarplatte 10 sind eine große Anzahl an Hohlräumen 47 mit dem Phasenwechselmaterial 46 ausgebildet. Dabei trennt die Wandung 48 zur Begrenzung des Hohlraumes 47 den Hohlraum 47 von dem Kanal 14 für Kühlmittel ab. Ein anderer Teil der Wandung 48 ist von der Bipolarplatte 10 gebildet. Die Latentwärmespeicher 45 sind damit in der Nähe der Gasdiffusionsschichten 9 und der Protonenaustauschermembranen 5 angeordnet, so dass die von dem Phasenwechselmaterial 46 freigesetzte Erstarrungswärme nur einen sehr kurzen Weg der Wärmeleitung bis zu den Gasdiffusionsschichten 9 und der Protonenaustauschermembranen 5 benötigt. Die Latentwärmespeicher 45 sind im Wesentlichen parallel zu von den zu den Gasdiffusionsschichten 9 und der Protonenaustauschermembranen 5 aufgespannten fiktiven Ebenen (nicht dargestellt) ausgerichtet. Die fiktiven Ebenen sind senkrecht zu der Zeichenebene von 8 ausgerichtet. Die gestapelt angeordneten Einzelzellen 2 sind von dem Gehäuse 41 umschlossen (nicht in 8 dargestellt).In 8th a third exemplary embodiment of part of a cell unit 1 designed as a fuel cell unit is shown. In the following, essentially only the differences from the first exemplary embodiment are explained in accordance with FIG 6 described. A large number of cavities 47 with the phase change material 46 are formed in the bipolar plate 10 . The wall 48 for delimiting the cavity 47 separates the cavity 47 from the channel 14 for coolant. Another part of the wall 48 is formed by the bipolar plate 10 . The latent heat accumulators 45 are thus arranged in the vicinity of the gas diffusion layers 9 and the proton exchange membranes 5, so that the heat of solidification released by the phase change material 46 only requires a very short heat conduction path to the gas diffusion layers 9 and the proton exchange membranes 5. The latent heat accumulators 45 are aligned essentially parallel to the imaginary planes (not shown) spanned by the gas diffusion layers 9 and the proton exchange membranes 5 . The notional planes are perpendicular to the plane of the drawing 8th aligned. The stacked individual cells 2 are enclosed by the housing 41 (not in 8th shown).

In diesem Ausführungsbeispiel ist jeweils ein Aktuator 60 auf einer Bipolarplatte 10 angeordnet. Der Aktuator 60 ist dabei bevorzugt als Vibrationsaktuator ausgeführt.In this exemplary embodiment, an actuator 60 is arranged on a bipolar plate 10 in each case. The actuator 60 is preferably designed as a vibration actuator.

In 9 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines Teils einer als Brennstoffzelleneinheit ausgeführten Zelleneinheit 1 abgebildet. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 8 beschrieben. Die Latentwärmespeicher 45, gebildet von den Wandungen 48 und dem Phasenwechselmaterial 46, sind im Wesentlichen senkrecht zu von den zu den Gasdiffusionsschichten 9 und der Protonenaustauschermembranen 5 aufgespannten fiktiven Ebenen (nicht dargestellt) ausgerichtet.In 9 a fourth exemplary embodiment of part of a cell unit 1 designed as a fuel cell unit is shown. In the following, essentially only the differences from the third embodiment according to FIG 8th described. The latent heat accumulators 45, formed by the walls 48 and the phase change material 46, are aligned essentially perpendicularly to the imaginary planes (not shown) spanned by the gas diffusion layers 9 and the proton exchange membranes 5.

Mit der erfindungsgemäßen Zelleneinheit 1 ist ein wesentlicher Vorteil verbunden. Für einen Kaltstartvorgang der Zelleneinheit 1, insbesondere bei Umgebungstemperaturen unter 0° C, erstarrt das Phasenwechselmaterial 46 bei Aktivierung und gibt damit seine gespeicherte latente Wärme an die Einzelzellen 2 ab; die Zelleneinheit 1 erreicht somit vergleichsweise schnell ihre optimale Betriebstemperatur. Elektrische Heizelemente und Batterien, welche für einen Kaltstartvorgang bisher üblicherweise verwendet werden, können dadurch kleiner ausgeführt werden bzw. idealerweise kann gänzlich auf sie verzichtet werden.A significant advantage is associated with the cell unit 1 according to the invention. For a cold start process of the cell unit 1, in particular at ambient temperatures below 0° C., the phase change material 46 solidifies upon activation and thus releases its stored latent heat to the individual cells 2; the cell unit 1 thus reaches its optimum operating temperature comparatively quickly. Electrical heating elements and batteries, which have hitherto been customarily used for a cold start process, can be made smaller as a result, or ideally they can be dispensed with entirely.

Analoge Ausführungen der Erfindung können auch für andere Zelleneinheiten 1 als Brennstoffzelleneinheiten verwendet werden, insbesondere für andere elektrochemische Zelleneinheiten 1 wie Batteriezelleneinheiten oder Elektrolysezelleneinheiten. Die Einzelzellen 2 sind dann entsprechend Batteriezellen bzw. Elektrolysezellen.Analogous embodiments of the invention can also be used for cell units 1 other than fuel cell units, in particular for other electrochemical cell units 1 such as Bat tery cell units or electrolytic cell units. The individual cells 2 are then correspondingly battery cells or electrolytic cells.

Claims

Cell unit (1), in particular as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising individual cells (2) with an anode (7), cathode (8), proton exchange membrane (5), gas diffusion layers (9) and bipolar plates (10), wherein the cell unit (1) has at least one latent heat store (45) with a phase change material (46), characterized in that the phase change material (46) is coupled to an activation element (60).

cell unit (1) after claim 1 , characterized in that the phase change material (46) has a melting point at 55°C to 60°C.

cell unit (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the phase change material (46) retains its liquid state of aggregation when cooled down to a temperature of -10°C to -30°C.

Cell unit (1) according to any one of Claims 1 until 3 , characterized in that the phase change material (46) consists of C ₂ H ₉ NaO ₅ .

Cell unit (1) according to any one of Claims 1 until 4 , characterized in that the activating element (60) is a vibrating element or a knocking element.

cell unit (1) after claim 5 , characterized in that the activation element (46) is a flexible metal plate.

Cell unit (1) according to any one of Claims 1 until 6 , characterized in that the at least one latent heat accumulator (45) is arranged within an interior space (43) enclosed by a housing (41).

cell unit (1) after claim 7 , characterized in that the at least one latent heat accumulator (45) is formed between the housing (41) and the stacked individual cells (2).

cell unit (1) after claim 7 or 8th , characterized in that the at least one latent heat store (45) is formed on an outside (49) of the stacked individual cells (2).

Cell unit (1) according to any one of Claims 1 until 7 , characterized in that the at least one latent heat store (45) is integrated into the individual cells (2).

cell unit (1) after claim 10 , characterized in that several latent heat accumulators (45) with separate partial masses of the phase change material (46) are integrated into the individual cells (2).

cell unit (1) after claim 10 or 11 , characterized in that a plurality of latent heat accumulators (45) with separate partial masses of the phase change material (46) are integrated in each individual cell (2).

Cell unit (1) according to any one of Claims 10 until 12 , characterized in that the phase change material (46) of several latent heat accumulators (45) is arranged in fluid-tight cavities (47) in and/or on bipolar plates (10) of the individual cells (2).

A method of starting a unit cell (1) according to any one of Claims 1 until 13 , wherein the phase change material (46) is in a liquid state of aggregation, characterized in that for a starting process of the cell unit the activation element (60) for nucleation of the phase change material (60) is activated.