DE102020211641A1

DE102020211641A1 - fuel cell unit and electrolytic cell unit

Info

Publication number: DE102020211641A1
Application number: DE102020211641.5A
Authority: DE
Inventors: Franz Wetzl; Philipp Krueger; Arne Stephen Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils als Komponenten der Brennstoffzellen eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Gasdiffusionsschicht (9) und eine Bipolarplatte (10) als Separatorplatte (58) mit drei getrennten Kanälen (12, 13,14) für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid als Prozessfluide, Dichtungen (11) zur Abdichtung der Kanäle (12, 13, 14) für die Prozessfluide, an den Bipolarplatten (10) ausgebildete Formschlusselemente (53) zur formschlüssigen Fixierung der Dichtungen (11) an den Bipolarplatten (10), so dass die Dichtungen (11) von den Formschlusselementen (53) formschlüssig fixiert sind, wobei die Formschlusselemente (53) aufgrund der Geometrie von an den Bipolarplatten (10) ausgebildeten Schweißnähten (54) von Teilbereichen der Schweißnähte (54) gebildet sind.Fuel cell unit as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells, the fuel cells comprising a proton exchange membrane (5), an anode (7), a cathode (8), a gas diffusion layer (9) and a bipolar plate ( 10) as a separator plate (58) with three separate channels (12, 13, 14) for the separate passage of oxidizing agent, fuel and cooling fluid as process fluids, seals (11) for sealing the channels (12, 13, 14) for the process fluids, Form-fitting elements (53) formed on the bipolar plates (10) for form-fitting fixing of the seals (11) on the bipolar plates (10), so that the seals (11) are fixed in a form-fitting manner by the form-fitting elements (53), the form-fitting elements (53) being due to the geometry of weld seams (54) formed on the bipolar plates (10) of partial areas of the weld seams (54) g are educated.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Elektrolysezelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.The present invention relates to a fuel cell unit according to the preamble of claim 1 and an electrolytic cell unit according to the preamble of claim 10.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und 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 multiplicity 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. Die Bipolarplatten sind aus einem Anodenblech und einem Kathodenblech ausgebildet und zwischen dem Anodenblech und dem Kathodenblech sind Kanäle bzw. Kanalstrukturen für ein Kühlmittel ausgebildet. Zur stoffschlüssigen Verbindung des Anoden- und Kathodenbleches und zur fluiddichten Abdichtung der Kanäle für Kühlmittel sind das Anoden- und Kathodenblech mit einer Schweißnaht stoffschlüssig und fluiddicht miteinander verbunden. Auf die Dichtung wirkt eine nach außen gerichtete Kraft, so dass die Gefahr einer Verschiebung der Dichtung besteht. Zur Vermeidung der Verschiebung der Dichtung sind in die Bipolarplatte Einprägungen als Formschlusselemente zur formschlüssigen Fixierung der Dichtung ausgebildet. Die Einprägungen müssen in einem aufwendigen zusätzlichen Arbeitsverfahren mechanisch hergestellt werden und reichen für eine sichere Fixierung der Dichtung normalerweise nicht aus, so dass zur Erhöhung der Reibung zwischen der Dichtung und der Bipolarplatte die Bipolarplatte im Bereich des Kontaktes mit der Dichtung zusätzlich beispielsweise mit Plasmaätzen aufwendig und teuer behandelt wird.In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack. Inside each fuel cell there is a gas space for oxidizing agent, ie a flow space for conducting oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen, through. The oxidant gas space 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. Water is formed at the cathodes due to the electrochemical reaction. The bipolar plates are formed from an anode sheet and a cathode sheet, and channels or channel structures for a coolant are formed between the anode sheet and the cathode sheet. For the integral connection of the anode and cathode sheets and for the fluid-tight sealing of the channels for coolants, the anode and cathode sheets are bonded to one another with a welded seam in a material-to-material and fluid-tight manner. An outward force acts on the seal, so there is a risk of the seal shifting. To prevent the seal from shifting, impressions are formed in the bipolar plate as positive-locking elements for positively locking the seal in place. The embossings have to be produced mechanically in a complex additional work process and are normally not sufficient for a secure fixation of the seal, so that in order to increase the friction between the seal and the bipolar plate, the bipolar plate in the area of contact with the seal has to be additionally etched with plasma, for example, which is complex and expensive expensive to treat.

Elektrolysezelleneinheiten dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können.Electrolytic cell units are used, for example, for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water. Furthermore, fuel cell units are known which can be operated as reversible fuel cell units and thus as electrolytic cell units.

Die DE 20 2014 008 157 U1 zeigt ein elektrochemisches System, bestehend aus einer Schichtung mehrerer Zellen, die jeweils durch Separatorplatten mit mindestens zwei metallischen Lagen voneinander abgetrennt sind, wobei die Separatorplatten Sicken zur Abgrenzung von Öffnungen zur Ab- und Zufuhr von Kühlmittel in den Zwischenraum der mindestens zwei Lagen der Separatorplatte oder zur Ab- und Zufuhr von Betriebsmedien zu den Zellen hin aufweisen und/oder die Separatorplatten Sicken zur Abgrenzung eines elektrochemisch aktiven Bereichs aufweisen, wobei zur Strömungsverminderung oder Strömungsvermeidung im Innenraum der Sicken die Sicke selbst und/oder eine zur Sicke hinleitende Struktur zumindest bereichsweise eine Querschnittsverringerung und/oder einen Querschnittsverschluss aufweist.the DE 20 2014 008 157 U1 shows an electrochemical system consisting of a layering of several cells, each of which is separated from one another by separator plates with at least two metal layers, the separator plates having beads to delimit openings for removing and supplying coolant into the space between the at least two layers of the separator plate or for removing and supplying operating media to the cells and/or the separator plates have beads for delimiting an electrochemically active area, with the bead itself and/or a structure leading to the bead having a cross-sectional reduction at least in regions in order to reduce or prevent flow in the interior of the beads and/or has a cross-sectional closure.

Die DE 10 2018 121 669 A1 zeigt eine reversible Brennstoffzelleneinheit mit mindestens einem Elektrodenpaar, bestehend aus einer positiven und einer negativen Elektrode, wobei jede Elektrode mindestens einen Strömungskanal aufweist; mehrere Membranen, wobei die Elektroden und die Membranen senkrecht zu einer Elektrodenhaupterstreckungsebene gestapelt abwechselnd angeordnet sind, sodass ein Elektroden-Membran-Stapel ausgebildet ist.the DE 10 2018 121 669 A1 shows a reversible fuel cell unit with at least one pair of electrodes, consisting of a positive and a negative electrode, each electrode having at least one flow channel; several membranes, wherein the electrodes and the membranes are stacked perpendicularly to a main plane of electrode extension and arranged alternately, so that an electrode-membrane stack is formed.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of 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, vorzugsweise eine Gasdiffusionsschicht und eine Bipolarplatte als Separatorplatte mit drei getrennte Kanäle für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid als Prozessfluide, Dichtungen zur Abdichtung der Kanäle für die Prozessfluide, an den Bipolarplatten ausgebildete Formschlusselemente zur formschlüssigen Fixierung der Dichtungen an den Bipolarplatten, so dass die Dichtungen von den Formschlusselementen formschlüssig fixiert sind, wobei die Formschlusselemente aufgrund der Geometrie von an den Bipolarplatten ausgebildeten Schweißnähten von Teilbereichen der Schweißnähte gebildet sind. Die Formschlusselemente sind damit einfach und preiswert in der Herstellung und ermöglichen eine zuverlässige Fixierung der Dichtungen. Die ohnehin notwendigen Schweißnähte zur stoffschlüssigen Verbindung eines Anoden- und Kathodenbleches der Bipolarplatte fungieren damit zusätzlich als Formschlusselemente zur Fixierung der Dichtungen.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 a proton exchange membrane as components of the fuel cells, an anode, a cathode, preferably a gas diffusion layer and a bipolar plate as a separator plate with three separate channels for the separate passage of Oxidizing agent, fuel and cooling fluid as process fluids, seals for sealing the channels for the process fluids, form-fitting elements formed on the bipolar plates for form-fitting fixation of the seals on the bipolar plates, so that the seals are fixed in a form-fitting manner by the form-fitting elements, the form-fitting elements due to the geometry from on the weld seams formed on the bipolar plates are formed by partial areas of the weld seams. The form-fitting elements are thus simple and inexpensive to manufacture and enable reliable fixation of the seals. The weld seams that are necessary anyway for the material connection of an anode and cathode sheet of the bipolar plate thus also function as form-fitting elements for fixing the seals.

In einer weiteren Variante sind die Formschlusselemente als Nahtüberhöhungen der Schweißnähte bezüglich je einer Außenseite der Bipolarplatte an der jeweiligen Schweißnaht ausgebildet, so dass die Nahtüberhöhungen die je eine Außenseite der Bipolarplatte an der jeweiligen Schweißnaht überragen.In a further variant, the positive-locking elements are designed as seam elevations of the weld seams with respect to an outer side of the bipolar plate at the respective weld seam, so that the seam elevations project beyond the respective outer side of the bipolar plate at the respective weld seam.

In einer ergänzenden Ausführungsform sind die Formschlusselemente als Aussparungen in den Schweißnähten ausgebildet.In a supplementary embodiment, the positive-locking elements are designed as recesses in the weld seams.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die Aussparungen bezüglich je einer Außenseite der Bipolarplatte an der jeweiligen Schweißnaht ausgebildet so dass die Aussparungen die je eine Außenseite der Bipolarplatte an der jeweiligen Schweißnaht unterragen.In an additional configuration, the recesses are formed with respect to an outer side of the bipolar plate at the respective weld seam, so that the recesses protrude below the respective outer side of the bipolar plate at the respective weld seam.

Zweckmäßig sind die Nahtüberhöhungen innerhalb der Dichtungen angeordnet. Aufgrund der Anordnung der Nahtüberhöhungen innerhalb der Dichtungen fungieren die Nahtüberhöhungen als Formschlusselemente.The raised seams are expediently arranged inside the seals. Due to the arrangement of the raised seams within the seals, the raised seams function as form-fitting elements.

In einer weiteren Variante ist in den Aussparungen der Dichtungswerkstoff der Dichtungen angeordnet. Aufgrund der Anordnung des Dichtungswerkstoffes in den Aussparungen fungieren die Aussparungen als Formschlusselemente.In a further variant, the sealing material of the seals is arranged in the recesses. Due to the arrangement of the sealing material in the recesses, the recesses function as positive-locking elements.

In einer weiteren Ausgestaltung überragen die Nahtüberhöhungen die je eine Außenseite der Bipolarplatte an der jeweiligen Schweißnaht mit einer Ausdehnung senkrecht zu der fiktiven Ebene von wenigstens 10 µm, 20 µm oder 30 µm. Aufgrund dieser Ausdehnung der Nahtüberhöhungen ist eine besonders sichere formschlüssige Fixierung der Dichtungen gewährleistet.In a further embodiment, the seam elevations protrude beyond the respective outer side of the bipolar plate at the respective weld seam with an extent perpendicular to the imaginary plane of at least 10 μm, 20 μm or 30 μm. Due to this expansion of the seam elevations, a particularly secure form-fitting fixation of the seals is guaranteed.

In einer ergänzenden Variante unterragen die Aussparungen die je eine Außenseite der Bipolarplatte an der jeweiligen Schweißnaht mit einer Ausdehnung senkrecht zu der fiktiven Ebene von wenigstens 10 µm, 20 µm oder 30 µm. Aufgrund dieser Ausdehnung der Aussparungen ist eine besonders sichere formschlüssige Fixierung der Dichtungen gewährleistet.In an additional variant, the recesses protrude below the respective outer side of the bipolar plate at the respective weld seam with an extent perpendicular to the imaginary plane of at least 10 μm, 20 μm or 30 μm. This expansion of the recesses ensures that the seals are fixed in a particularly secure, form-fitting manner.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die Bipolarplatten aus einem Anodenblech und einem Kathodenblech aufgebaut und die Schweißnähte sind als Durchschweißungen an dem Anodenblech und Kathodenblech und/oder als Einschweißung an dem Anodenblech und Kathodenblech mit Fügefunktion zwischen dem Anodenblech und Kathodenblech und/oder als Einschweißung an dem Anodenblech und Kathodenblech ohne Fügefunktion zwischen dem Anodenblech und Kathodenblech ausgebildet.In an additional embodiment, the bipolar plates are made up of an anode sheet and a cathode sheet and the welds are in the form of penetration welds on the anode sheet and cathode sheet and/or as welds on the anode sheet and cathode sheet with a joining function between the anode sheet and cathode sheet and/or as welds on the anode sheet and cathode sheet formed without joining function between the anode sheet and cathode sheet.

Erfindungsgemäße Elektrolysezelleneinheit zur Erzeugung eines ersten Stoffes und eines zweiten Stoffes als Produkte aus einem Edukt als einem flüssigen Elektrolyten mittels eines Anlegens eines elektrischen Potentials zwischen einer Anode und einer Kathode, umfassend gestapelt angeordnete Elektrolysezellen, die Elektrolysezellen umfassend jeweils als Komponenten eine Anode, eine Kathode und metallische Separatorplatten mit einem ersten Anodenblech und einem zweiten Kathodenblech und zwei getrennten Kanälen für die getrennte Durchleitung des flüssigen Elektrolyten durch einen ersten Kanal und zweiten Kanal und an dem ersten Kanal die Anode und an dem zweiten Kanal die Kathode angeordnet ist, so dass an Anoden der ersten Kanäle der erste Stoff abscheidbar ist und an den Kathoden der zweiten Kanäle der zweite Stoff abscheidbar ist, so dass der erste Stoff mit dem flüssigen Elektrolyten ein erstes Prozessfluid bildet und der zweite Stoff mit dem flüssigen Elektrolyten ein zweites Prozessfluid bildet, Dichtungen zur Abdichtung der Kanäle für die Prozessfluide, Formschlusselemente zur formschlüssigen Fixierung der Dichtungen an den Separatorplatten, so dass die Dichtungen von den Formschlusselementen formschlüssig fixiert sind, wobei die Formschlusselemente aufgrund der Geometrie von an den Separatorplatten ausgebildeten Schweißnähten von Teilbereichen der Schweißnähte gebildet sind. Optional ist die Anode von dem Anodenblech und die Kathode von dem Kathodenblech gebildet.Electrolytic cell unit according to the invention for generating a first substance and a second substance as products from a starting material as a liquid electrolyte by applying an electrical potential between an anode and a cathode, comprising electrolytic cells arranged in a stack, the electrolytic cells each comprising an anode, a cathode and as components Metallic separator plates with a first anode sheet and a second cathode sheet and two separate channels for the separate passage of the liquid electrolyte through a first channel and second channel and the anode is arranged on the first channel and the cathode on the second channel, so that the anodes of first channels, the first substance can be deposited and the second substance can be deposited on the cathodes of the second channels, so that the first substance forms a first process fluid with the liquid electrolyte and the second substance forms a second process fluid with the liquid electrolyte uid forms, seals for sealing the channels for the process fluids, form-fitting elements for form-fitting fixing of the seals on the separator plates, so that the seals are fixed in a form-fitting manner by the form-fitting elements, the form-fitting elements being formed from partial areas of the weld seams due to the geometry of weld seams formed on the separator plates are. Optionally, the anode is formed by the anode sheet and the cathode by the cathode sheet.

Zweckmäßig sind die Separatorplatten als Bipolarplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist und vorzugsweise die Elektrolysezellen jeweils einen dritten Kanal für die getrennte Durchleitung eines Kühlfluid als drittes Prozessfluid umfassen.The separator plates are expediently designed as bipolar plates and an electrical insulation layer, in particular a proton exchange membrane, is arranged between each anode and each cathode, and preferably the electrolysis cells each include a third channel for the separate passage of a cooling fluid as the third process fluid.

In einer ergänzenden Ausgestaltung sind die Formschlusselemente als Nahtüberhöhungen der Schweißnähte bezüglich je einer Außenseite der Separatorplatte an der jeweiligen Schweißnaht ausgebildet, so dass die Nahtüberhöhungen die je eine Außenseite der Separatorplatte an der jeweiligen Schweißnaht überragen.In a supplementary embodiment, the positive-locking elements are designed as seam elevations of the weld seams with respect to an outer side of the separator plate at the respective weld seam, so that the seam elevations protrude beyond the respective outer side of the separator plate at the respective weld seam.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Formschlusselemente als Aussparungen in den Schweißnähten ausgebildet.In a further embodiment, the positive-locking elements are designed as recesses in the weld seams.

In einer zusätzlichen Variante ist die Elektrolysezelleneinheit zusätzlich als Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet, so dass die Elektrolysezelleneinheit eine reversible Brennstoffzelleneinheit bildet. In an additional variant, the electrolytic cell unit is additionally designed as a fuel cell unit, in particular a fuel cell unit described in this patent application, so that the electrolytic cell unit forms a reversible fuel cell unit.

Vorzugsweise sind die Formschlusselemente der Elektrolysezelleneinheit gemäß wenigstens eines Merkmales der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzelleneinheit, insbesondere der Formschlusselemente der Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet.The form-fitting elements of the electrolytic cell unit are preferably designed according to at least one feature of the fuel cell unit described in this patent application, in particular the form-fitting elements of the fuel cell unit.

In einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.In a further variant, the first substance is oxygen and the second substance is hydrogen.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Bipolarplatte und/oder das Anodenblech und/oder Kathodenblech und die Schweißnähte aus dem gleichen Werkstoff, beispielsweise Metall, insbesondere Edelstahl, oder Kunststoff oder Kompositwerkstoff ausgebildet.In a further refinement, the bipolar plate and/or the anode sheet and/or cathode sheet and the weld seams are made of the same material, for example metal, in particular high-grade steel, or plastic or a composite material.

In einer weiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.In a further variant, the electrolytic cells of the electrolytic cell unit are fuel cells.

In einer ergänzenden Variante sind an den Dichtungen an der Abführleitung für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel und/oder an der Zuführleitung für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel und/oder an dem Abführkanal für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel und/oder an dem Zuführkanal für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel als die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Formschlusselemente ausgebildet zur formschlüssigen Fixierung der Dichtungen an den Bipolarplatten, so dass die Dichtungen von den Formschlusselementen formschlüssig fixiert sind.In an additional variant, the seals on the discharge line for fuel and/or oxidizing agent and/or coolant and/or on the supply line for fuel and/or oxidizing agent and/or coolant and/or on the discharge channel for fuel and/or oxidizing agent and /or coolant and/or formed on the supply channel for fuel and/or oxidizing agent and/or coolant as the form-fitting elements described in this patent application for form-fitting fixing of the seals on the bipolar plates, so that the seals are fixed in a form-fitting manner by the form-fitting elements.

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 und/oder Elektrolysezelleneinheit 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 reservoir 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 a fuel cell unit described in this patent application and/or Electrolytic cell unit is formed.

Erfindungsgemäßes Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit als Elektrolysezellenstapel mit Elektrolysezellen, vorzugsweise einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, einen Speicherbehälter für flüssigen Elektrolyten, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Elektrolysezelleneinheit und/oder Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.Electrolysis system and/or fuel cell system according to the invention, comprising an electrolysis cell unit as an electrolysis cell stack with electrolysis cells, preferably a pressurized gas store for storing gaseous fuel, preferably a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, a storage container for liquid electrolyte, a pump for delivering the liquid Electrolytes, wherein the electrolytic cell unit is designed as an electrolytic cell unit and/or fuel cell unit described in this patent application.

In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.In a further embodiment, the fuel cell unit described in this patent application also forms an electrolytic cell unit and preferably vice versa.

Vorzugsweise sind hinsichtlich der Länge je einer Schweißnaht an den Schweißnähten die Formschlusselemente als Nahtüberhöhungen und/oder als Aussparungen, insbesondere Aussparungen als Hinterschnitte und/oder Aussparungen als Teildurchbrüche bzw. Nahteinfälle, nur an Teilbereichen ausgebildet und außerhalb der Teilbereiche sind keine Formschlusselemente als Nahtüberhöhungen und/oder als Aussparungen ausgebildet. Zweckmäßig betragen die Teilbereiche mit den Formschlusselemente als Nahtüberhöhungen und/oder als Aussparungen, insbesondere Aussparungen als Hinterschnitte und/oder Aussparungen als Teildurchbrüche, wenigstens 10%, 50% oder 70% der Länge der je einen Schweißnaht. Aussparungen sind als Hinterschnitte oder als Teildurchbrüche ausgebildet. Die Ausdehnung als Breite der Hinterschnitte parallel zu der fiktiven Ebene in Richtung der Breite der Schweißnaht ist vorzugsweise kleiner als 40% der Breite der Schweißnaht. Die Ausdehnung als Breite der Teildurchbrüche parallel zu der fiktiven Ebene in Richtung der Breite der Schweißnaht ist vorzugsweise größer oder gleich 40% der Breite der Schweißnaht und vorzugsweise kleiner als 150 % der Breite der Schweißnaht. Teildurchbrüche sind Nahteinfälle.With regard to the length of each weld seam on the weld seams, the positive-locking elements are preferably designed as seam elevations and/or as recesses, in particular recesses as undercuts and/or recesses as partial openings or seam drops, only in partial areas and outside of the partial areas there are no positive-locking elements as seam elevations and/or or formed as recesses. The partial areas with the form-fitting elements as seam elevations and/or as recesses, in particular recesses as undercuts and/or recesses as partial openings, are expediently at least 10%, 50% or 70% of the length of each weld seam. Recesses are designed as undercuts or as partial openings. The expansion as width of the undercuts parallel to the imaginary plane in the direction of the width of the weld is preferably less than 40% of the width of the weld. The extent as width of the partial openings parallel to the imaginary plane in the direction of the width of the weld is preferably greater than or equal to 40% of the width of the weld and preferably less than 150% of the width of the weld. Partial breakthroughs are seam collapses.

In einer weiteren Ausführungsform sind hinsichtlich der Länge je einer Schweißnaht die Formschlusselemente als Nahtüberhöhungen und/oder als Aussparungen, insbesondere Aussparungen als Hinterschnitte und/oder Aussparungen als Teildurchbrüche bzw. Nahteinfälle, abwechselnd an verschiedenen, aufeinanderfolgenden Teilbereichen ausgebildet. Beispielsweise ist an einem ersten Teilbereich nur die Nahtüberhöhung, an einem zweiten, nachfolgenden Teilbereich nur die Aussparung als Hinterschnitt und an einem dritten, nachfolgenden Teilbereich nur die Aussparung als Teildurchbruch ausgebildet und dies wiederholt sich periodisch. Die Länge je eines Teilbereiches liegt beispielsweise zwischen 0,1 mm und 30 mm.In a further embodiment, the form-fitting elements are designed as seam elevations and/or as recesses, in particular recesses as undercuts and/or recesses as partial openings or seam drops, alternately on different, consecutive partial areas with regard to the length of each weld seam. For example, only the raised seam is formed in a first partial area, only the recess as an undercut in a second, subsequent partial area, and only the recess as a partial opening in a third, subsequent partial area, and this is repeated periodically. The length of each partial area is between 0.1 mm and 30 mm, for example.

In einer weiteren Ausgestaltung beträgt die Ausdehnung senkrecht zu der fiktiven Ebene der Nahtüberhöhungen und/oder Aussparungen wenigstens zwischen 10% und 120%, insbesondere zwischen 30% und 90%, der Breite der Schweißnaht.In a further embodiment, the extension perpendicular to the imaginary plane of the raised seams and/or recesses is small at least between 10% and 120%, in particular between 30% and 90%, of the width of the weld seam.

Vorzugsweise ist die Ausdehnung senkrecht zu der fiktiven Ebene der Nahtüberhöhungen und/oder Aussparungen kleiner als die Dicke des Anodenbleches oder des Kathodenbleches oder der Summe der Dicken des Anodenbleches und Kathodenbleches.The extension perpendicular to the imaginary plane of the raised seams and/or recesses is preferably smaller than the thickness of the anode sheet or the cathode sheet or the sum of the thicknesses of the anode sheet and cathode sheet.

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 configuration, the at least one feed 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 Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit und/oder die Elektrolysezelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.In a further variant, the fuel cell unit and/or the electrolytic cell unit comprises at least one connecting device, in particular a plurality of connecting devices, and tensioning elements.

Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Separatorplatten, insbesondere Bipolarplatten.Components for fuel cells and/or electrolytic cells are expediently insulation layers, in particular proton exchange membranes, anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and separator plates, in particular bipolar plates.

In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen jeweils eine Isolationsschicht, insbesondere Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, vorzugsweise wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Separatorplatte, insbesondere Bipolarplatte.In a further embodiment, the fuel cells and/or electrolytic cells each comprise an insulation layer, in particular a proton exchange membrane, an anode, a cathode, preferably at least one gas diffusion layer and at least one separator plate, in particular a 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 tension 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 conveying device is designed as a blower and/or a compressor and/or a pressure vessel with 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 designed as a lattice.

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 und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.The fuel cells and/or electrolytic cells are expediently designed to be essentially flat and/or disc-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 oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).Preferably, the fuel cell unit is a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells or an alkaline fuel cell (AFC).

Figurenlistecharacter list

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems und Elektrolysezellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
5 eine perspektivische Ansicht der Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
6 einen Längsschnitt durch die Brennstoffzelle gemäß 3 mit Dichtung,
7 einen Längsschnitt durch eine Bipolarplatte mit einem Anodenblech und einem Kathodenblech und zwei Schweißnähten,
8 einen Längsschnitt durch zwei übereinander angeordnete Bipolarplatten mit je einem Anodenblech und Kathodenblech, die mit je einer Schweißnaht miteinander verbunden bzw. zusammen gefügt sind eines Brennstoffzellenstacks und Elektrolysezellenstackes und mit Dichtungen zwischen den zwei Schweißnähten und an den Schweißnähten,
9 einen Längsschnitt durch zwei übereinander angeordnete Bipolarplatten mit je einem Anodenblech und Kathodenblech, die mit Schweißnähten miteinander verbunden bzw. zusammen gefügt sind eines Brennstoffzellenstacks und Elektrolysezellenstacks und einer Dichtung zwischen den zwei Schweißnähten,
10 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte.

Exemplary embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 a highly simplified exploded view of a fuel cell system and electrolysis cell system with components of a fuel cell and electrolysis cell,
2 a perspective view of part of a fuel cell and electrolytic cell,
3 a longitudinal section through a fuel cell and an electrolytic cell,
4 a perspective view of a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack,
5 a perspective view of the fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack,
6 according to a longitudinal section through the fuel cell 3 with seal,
7 a longitudinal section through a bipolar plate with an anode sheet and a cathode sheet and two welds,
8th a longitudinal section through two bipolar plates arranged one above the other, each with an anode sheet and cathode sheet, which are connected to one another or joined together with a weld seam of a fuel cell stack and electrolysis cell stack and with seals between the two weld seams and at the weld seams,
9 a longitudinal section through two bipolar plates arranged one above the other, each with an anode sheet and cathode sheet, which are connected to one another or joined together with welds of a fuel cell stack and electrolysis cell stack and a seal between the two welds,
10 a perspective view of a bipolar plate.

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 the basic structure of a fuel cell 2 is shown as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3). The principle of fuel cells 2 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:

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

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 ⁺ + 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 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 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 stacked fuel cells 2, has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2.

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 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 the 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 Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.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 each of the electrodes 6 , 7 on the side facing the gas chambers 31 , 32 . 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. Examples of binders used are Nafion®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol.

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. 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.

Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.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 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.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 as process fluids through the channel structures 29 and/or flow fields 29 and for dissipating the waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8. In order to dissipate the waste heat, channels 14 are incorporated into the bipolar plate 10 as a channel structure 29 for conducting a liquid or gaseous coolant as the process fluid. 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 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 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, a plurality of fuel cells 2 are arranged stacked in alignment ( 4 and 5 ). In 1 is an exploded view of two aligned stacked fuel cells 2 shown. Seals 11 seal the gas chambers 31, 32 or channels 12, 13 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 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 (10) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannten zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 51 auf. 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 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 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 shown as separate lines for reasons of simplification. At the end area in the vicinity of the channels 12, 13, 14, in the stack of the fuel cell unit 1, there are aligned fluid openings 41 on sealing plates 39 as an extension at the end area 40 of the bipolar plates 10 ( 10 ) and membrane electrode assemblies 6 (not shown) are formed. The fuel cells 2 and the components of the fuel cells 2 are disk-shaped and span imaginary planes 51 that are aligned essentially parallel to one another. The aligned fluid openings 41 and seals (not shown) in a direction perpendicular to the notional planes 51 between the fluid openings 41 thus form an oxidant supply channel 42, an oxidant discharge channel 43, a fuel supply channel 44, a fuel discharge channel 45, a Supply channel 46 for coolant and a discharge channel 47 for coolant. The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the stack of the fuel cell unit 1 are designed as process fluid lines. The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the stack of the fuel cell unit 1 open into the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 inside the stack of the fuel cell unit 1. The fuel cell stack 1 together with the compressed gas reservoir 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 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 Dichtungen 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.The fuel cells 2 are arranged as clamping plates 34 between two clamping elements 33 in the fuel cell unit 1 . A first clamping plate 35 lies on the first fuel cell 2 and a second clamping plate 36 lies on the last fuel cell 2 . The fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, not all of which are shown in 4 and 5 are shown. The clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, ie the first clamping plate 35 lies with a compressive force on the first fuel cell 2 and the second clamping plate 36 rests on the last fuel cell 2 with a compressive force. The fuel cell stack 2 is thus braced in order to ensure tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seals 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible. To brace the fuel cells 2 with the tensioning elements 33, four connecting devices 37 are designed as bolts 38 on the fuel cell unit 1, which are subjected to tensile stress. The four bolts 38 are firmly connected to the chipboards 34 .

In 10 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 10 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 10 the bipolar plate 10 of the fuel cell 2 is shown. The bipolar plate 10 includes the channels 12, 13 and 14 as three separate channel structures 29. The channels 12, 13 and 14 are in 10 not shown separately, but only in simplified form 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 arrangements 6 (not shown) are arranged stacked in alignment within the fuel cell unit 1, so that supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47. Seals (not shown) are arranged between the sealing plates 39 for fluid-tight sealing of the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 formed by the fluid openings 41.

Die Kanäle 12 für Brennstoff zwischen den Anoden 7 und einem Anodenblech 59 der Bipolarplatte 10 bilden teilweise auch den Gasraum 31 für Brennstoff. Die Kanäle 13 für Oxidationsmittel zwischen den Kathoden 8 und einem Kathodenblech 60 der Bipolarplatte 10 bilden teilweise auch den Gasraum 32 für Oxidationsmittel. Die Bipolarplatte 10 ist somit aus dem Anodenblech 59 und dem Kathodenblech 60 aufgebaut. Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 58 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Die Gasräume 31, 32 sind an den Randbereichen mit Dichtungen 11 (6) abgedichtet. Die Dichtungen 11 sind zwischen der Bipolarplatte 10 und der Protonenaustauschermembran 5 angeordnet. Aufgrund des geringen Überdruckes des Brennstoffes und Oxidationsmittels in den Gasräumen 31, 32 im Vergleich zum Umgebungsdruck wirkt auf die Dichtungen eine nach außen wirkende Kraft F (6). In 6 sind die Katalysatorschichten 30 nicht dargestellt.The channels 12 for fuel between the anodes 7 and an anode sheet 59 of the bipolar plate 10 partially also form the gas space 31 for fuel. The channels 13 for oxidizing agents between the cathodes 8 and a cathode sheet 60 of the bipolar plate 10 also partially form the gas space 32 for oxidizing agents. The bipolar plate 10 is thus made up of the anode sheet 59 and the cathode sheet 60 . Since the bipolar plate 10 also separates the gas space 31 for fuel from the gas space 32 for oxidizing agent in a fluid-tight manner and also seals the channel 14 for coolant in a fluid-tight manner, the term separator plate 58 for the fluid-tight separation or separation of process fluids can also be selected for the bipolar plate 10 . The gas chambers 31, 32 are sealed at the edges with seals 11 ( 6 ) sealed. The seals 11 are arranged between the bipolar plate 10 and the proton exchange membrane 5 . Due to the low overpressure of the fuel and oxidizing agent in the gas chambers 31, 32 compared to the ambient pressure, an outward force F ( 6 ). In 6 the catalyst layers 30 are not shown.

Das Anodenblech 59 und das Kathodenblech 60 aus Metall, insbesondere Edelstahl, sind mit einer Schweißnaht 54 aus Metall, insbesondere Edelstahl, stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Schweißnaht 54 wurde mittels Laserstrahlschweißen hergestellt. Dabei dient die Schweißnaht 54 neben der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Anodenblech 59 und dem Kathodenblech 60, d. h. als Fügeverbindung, auch zur fluiddichten Abdichtung zwischen dem Anodenblech 59 und dem Kathodenblech 60, insbesondere der Kanäle 14 für Kühlmittel, aufgrund der großen Länge der Schweißnaht 54 in einer Richtung senkrecht zu der Zeicheneben von 6, 7, 8 und 9. Außerdem dient die Schweißnaht 54 aus Metall auch zum elektrischen leitenden Verbinden des Anodenbleches 59 und des Kathodenbleches 60.The anode sheet 59 and the cathode sheet 60 made of metal, in particular high-grade steel, are cohesively connected to one another with a weld seam 54 made of metal, in particular high-grade steel. The weld 54 was made by laser beam welding. In addition to the material connection between the anode sheet 59 and the cathode sheet 60, i.e. as a joint, the weld seam 54 also serves to provide a fluid-tight seal between the anode sheet 59 and the cathode sheet 60, in particular the channels 14 for coolant, due to the great length of the weld seam 54 in a direction perpendicular to the drawing plane of 6 , 7 , 8th and 9 . In addition, the weld seam 54 made of metal also serves to electrically conductively connect the anode sheet 59 and the cathode sheet 60.

Die Prozessparameter bei der Herstellung der Schweißnaht 54 sind dahingehend gewählt, dass sich an Teilbereichen der Schweißnaht 54 als Durchschweißung 55 eine Nahtüberhöhung 62 ausbildet bei der in 7 links abgebildeten Schweißnaht 54 und ferner Aussparungen 63. Eine Durchschweißung 55 ist eine Schweißnaht 54, die in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebene 51 durch das gesamte Anodenblech 59 und das gesamte Kathodenblech 60 ausgebildet ist. Beispiele für Durchschweißungen 55 sind die Schweißnaht 54 in 7 links, die Schweißnähte 54 in 8, die Schweißnaht 54 in 9 in der oberen Bipolarplatte 10 und die linke Schweißnaht 54 in 9 in der unteren Bipolarplatte 10. Die Nahtüberhöhung 62 der in 7 links dargestellten Schweißnaht 54 weist eine Ausdehnung 65 senkrecht zu der fiktiven Ebene 51 von ungefähr 25 µm auf. Die Ausdehnung 66 senkrecht zu der fiktiven Ebene 51 der Aussparung 63 der in 7 links dargestellten Schweißnaht 54 weist eine Ausdehnung 66 von ungefähr 25 µm auf. Die Ausdehnung 65 der Nahtüberhöhung 62 wird in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebene 51 bestimmt beginnend an der Außenseite 61 der Bipolarplatte 10, welche an die Schweißnaht 54 angrenzt, bis zum Ende der Nahtüberhöhung 62. Die Ausdehnung 66 der Aussparung 63 wird in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebene 51 bestimmt beginnend an der Außenseite 61 der Bipolarplatte 10, welche an die Schweißnaht 54 angrenzt, bis zum Ende der Aussparung 63 in der Bipolarplatte 10. Die Breite B der in 7 links dargestellten Schweißnaht 54 beträgt ungefähr 40 µm, so dass die Ausdehnung 65 der Nahtüberhöhung 62 und die Ausdehnung 66 der Aussparung 63 ungefähr 50% bis 75 % der Breite B der Schweißnaht 54 aufweist. Die in 7 rechts dargestellte Schweißnaht 54 ist eine Einschweißung 57 ohne Fügefunktion, d. h. ohne der Funktion einer stoffschlüssigen Schweißverbindung zwischen dem Anodenblech 59 und dem Kathodenblech 60. Die Einschweißung 57 ist ausschließlich in dem Anodenblech 59 ausgebildet und hat somit nur die Funktion eines Formschlusselementes 53 für die Dichtung 11. Die Schweißnaht 54 weist in einer Richtung senkrecht zu der Zeichenebene von 7 eine Länge auf und optional sind die Aussparung 63 und/oder die Nahtüberüberhöhung 62 hinsichtlich der Länge nur an einem Teilbereich der Länge der Schweißnaht 54 ausgebildet.The process parameters in the production of the weld seam 54 are selected in such a way that a seam elevation 62 is formed as a penetration weld 55 in partial areas of the weld seam 54 in 7 weld seam 54 shown on the left and also recesses 63. A penetration weld 55 is a weld seam 54 which is formed through the entire anode sheet 59 and the entire cathode sheet 60 in a direction perpendicular to the imaginary plane 51. Examples of penetration welds 55 are the weld seam 54 in 7 left, the welds 54 in 8th , the weld 54 in 9 in the upper bipolar plate 10 and the left weld 54 in 9 in the lower bipolar plate 10. The suture elevation 62 of the in 7 The weld seam 54 shown on the left has an extent 65 perpendicular to the imaginary plane 51 of approximately 25 μm. The extension 66 perpendicular to the imaginary plane 51 of the recess 63 in 7 The weld seam 54 shown on the left has an extension 66 of approximately 25 μm. The extension 65 of the seam elevation 62 is determined in a direction perpendicular to the imaginary plane 51, starting at the outside 61 of the bipolar plate 10, which adjoins the weld seam 54, to the end of the seam elevation 62. The extension 66 of the recess 63 is in one direction determined perpendicularly to the imaginary plane 51 starting on the outside 61 of the bipolar plate 10, which adjoins the weld seam 54, to the end of the recess 63 in the bipolar plate 10. The width B of the in 7 The weld seam 54 shown on the left is approximately 40 μm, so that the extent 65 of the seam elevation 62 and the extent 66 of the recess 63 is approximately 50% to 75% of the width B of the weld seam 54 . In the 7 The weld seam 54 shown on the right is a weld 57 without a joining function, i.e. without the function of a material weld connection between the anode plate 59 and the cathode plate 60. The weld 57 is formed exclusively in the anode plate 59 and therefore only has the function of a form-fitting element 53 for the seal 11 The weld 54 points in a direction sunk right to the drawing plane of 7 a length and optionally the recess 63 and/or the seam overhang 62 with regard to the length is formed only on a partial area of the length of the weld seam 54 .

In 8 sind zwei Schweißnähte 54 als Durchschweißungen 55 dargestellt zusammen mit den Dichtungen 11. Die Nahtüberhöhungen 62 sind innerhalb der elastisch und plastisch verformbaren Dichtungen 11 angeordnet, so dass die Nahtüberhöhungen 62 als Formschlusselemente 53 zur formschlüssigen Fixierung der Dichtung 11 an der Bipolarplatte 10 fungieren. Bei der in 8 unten dargestellten Schweißnaht 54 ist in den Aussparungen 63 vollständig der niederviskose Dichtungswerkstoff der Dichtungen 11 angeordnet, so dass auch die Aussparungen 63 als Formschlusselemente 53 fungieren. Aufgrund der Formschlusselemente 53 ist somit die Dichtung 11 formschlüssig an den Bipolarplatten 11 fixiert, so dass eine Kraft F in einer Richtung parallel zu der fiktiven Ebene 51 die Dichtung 11 nicht verschieben kann. Bei der in 8 oben dargestellten Schweißnaht 54 ist in den Aussparungen 63 kein Dichtungswerkstoff der Dichtung 11 vorhanden, weil die Dichtungen 11 hier aus einem hochviskosen Dichtungswerkstoff mit geringer Fließfähigkeit ausgebildet sind, so dass der Dichtungswerkstoff nicht in die Aussparungen 63 als Hinterschnitt mit kleinem Durchmesser in Richtung der Breite B der Schweißnaht 54 strömen kann.In 8th two weld seams 54 are shown as penetration welds 55 together with the seals 11. The raised seams 62 are arranged within the elastically and plastically deformable seals 11, so that the raised seams 62 act as positive-locking elements 53 for positively locking the seal 11 to the bipolar plate 10. At the in 8th At the weld seam 54 shown below, the low-viscosity sealing material of the seals 11 is completely arranged in the recesses 63, so that the recesses 63 also function as positive-locking elements 53. Due to the form-fitting elements 53, the seal 11 is thus fixed to the bipolar plates 11 in a form-fitting manner, so that a force F in a direction parallel to the imaginary plane 51 cannot move the seal 11. At the in 8th Weld seam 54 shown above, there is no sealing material of the seal 11 in the recesses 63 because the seals 11 are made of a high-viscosity sealing material with low flowability here, so that the sealing material does not get into the recesses 63 as an undercut with a small diameter in the direction of the width B of the weld 54 can flow.

Die in 9 dargestellte Dichtung 11 ist unten von drei Nahtüberhöhungen 62 aus drei Schweißnähten 54 formschlüssig fixiert. Die links unten dargestellte Schweißnaht 54 ist eine bereits beschriebene Durchschweißung 55. Die rechts unten dargestellte Schweißnaht 54 ist eine bereits beschriebene Einschweißung 57 ohne Fügefunktion. Die mittig unten dargestellte Schweißnaht 54 ist eine Einschweißung 56 mit Fügefunktion, d. h. die Schweißnaht 54 ist in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebne 51 vollständig in dem Anodenblech 59 und nur teilweise in dem Kathodenblech 60 ausgebildet, d. h. nicht bis zur Unterseite als Außenseite 61 des Kathodenbleches 60, so dass die Einschweißung 56 das Anodenblech 59 und Kathodenblech 60 stoffschlüssig miteinander verbindet. Die drei Schweißnähte 54 an der unteren Bipolarplatte 10 weisen Nahtüberhöhungen 62 auf, die in der Dichtung 11 angeordnet sind und außerdem sind an den drei Schweißnähten 54 Aussparungen 63 ausgebildet, welche mit dem Dichtungswerkstoff gefüllt sind, so dass die Nahtüberhöhungen 62 und die Aussparungen 63 Formschlusselemente 53 bilden. Die in 9 oben dargestellte Schweißnaht 54 weist an der Unterseite eine Aussparung 63 als einen Teildurchbruch 64 auf. Der Teildurchbruch 64 als ein Nahteinfall weist eine Breite auf, der im Wesentlichen der Breite B der Schweißnaht 54 entspricht. Aufgrund des großen Durchmessers des Teildurchbruches, der im Wesentlichen der Breite B der Schweißnaht 54 entspricht, kann auch hochviskoser Dichtungswerkstoff mit einer geringen Fließfähigkeit in den Teildurchbruch 64 einströmen.In the 9 The seal 11 shown is positively fixed at the bottom by three raised seams 62 made of three weld seams 54 . The weld seam 54 shown at the bottom left is a penetration weld 55 that has already been described. The weld seam 54 shown at the bottom right is a weld seam 57 that has already been described and has no joining function. The weld seam 54 shown in the middle below is a weld 56 with a joining function, i.e. the weld seam 54 is formed completely in the anode sheet 59 and only partially in the cathode sheet 60 in a direction perpendicular to the fictitious plane 51, i.e. not up to the underside as the outside 61 of the Cathode sheet 60, so that the weld 56 connects the anode sheet 59 and cathode sheet 60 to one another in a materially bonded manner. The three weld seams 54 on the lower bipolar plate 10 have seam elevations 62, which are arranged in the seal 11, and recesses 63 are also formed on the three weld seams 54, which are filled with the sealing material, so that the seam elevations 62 and the recesses 63 form-fitting elements 53 form. In the 9 The weld seam 54 shown above has a recess 63 as a partial opening 64 on the underside. The partial breakthrough 64 as a seam drop has a width that essentially corresponds to the width B of the weld seam 54 . Because of the large diameter of the partial opening, which essentially corresponds to the width B of the weld seam 54 , highly viscous sealing material with low fluidity can also flow into the partial opening 64 .

Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 52 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 52. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 52 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (1/2 H₂SO₄)=1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H₃0⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.The fuel cell unit 1 can also be used and operated as an electrolytic cell unit 52, ie it forms a reversible fuel cell unit 52. A number of features that enable the fuel cell unit 1 to be operated as an electrolytic cell unit 52 are described below. A liquid electrolyte, namely highly diluted sulfuric acid with a concentration of approximately c(1/2 H ₂ SO ₄ )=1 mol/l, is used for the electrolysis. A sufficient concentration of oxonium ions H ₃ 0 ⁺ in the liquid electrolyte is necessary for the electrolysis.

Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

Kathode: 4 H₃O⁺ + e^- --» 2 H₂ + 2 H₂O
Anode: 6 H₂O --» O₂ + 4 H₂O + e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂O --» 2 H₂ + O₂

The following redox reactions take place during electrolysis:

Cathode: 4 H ₃ O ⁺ + e ^- --» 2 H ₂ + 2 H ₂ O
Anode: 6 H ₂ O --» O ₂ + 4 H ₂ O + e ^-
Summation reaction equation of cathode and anode: 2H2O --» _2H2 ₊ _O2

Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 52 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff als zweite Kanäle 50 (nur in 6 ist die Bezugsziffer des Kanales 50 der Elektrolysezelleneinheit 52 dargestellt), durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H₂ als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H₂ von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel als erste Kanäle 49 (nur in 6 ist die Bezugsziffer des Kanales 49 der Elektrolysezelleneinheit 52 dargestellt) der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O₂ als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 52 als Elektrolysezellen 2. Der gebildete Sauerstoff O₂ wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 67 gelagert. In 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 67 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Ein 3-Wege-Ventil 68 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 52 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 69 aus dem Speicherbehälter 67 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 68 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 52 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 69 aus dem Speicherbehälter 67 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 52 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 9 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 aus Metall nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10.With electrolysis, the polarity of the electrodes 7, 8 is reversed (not shown) during operation as an electrolytic cell unit 52 as during operation as a fuel cell unit 1, so that in the channels 12 for fuel there are second channels 50 (only in 6 the reference number of the channel 50 of the electrolytic cell unit 52 is shown), through which the liquid electrolyte is conducted, hydrogen H ₂ is formed as a second substance at the cathodes and the hydrogen H ₂ is taken up by the liquid electrolyte and transported along with it in dissolved form. Analogously, through the channels 13 for oxidizing agents as the first channels 49 (only in 6 the reference number of the channel 49 of the electrolytic cell unit 52 is shown) the liquid electrolyte is conducted and at the anodes in or at channels 13 for oxidizing agent oxygen O ₂ is formed as the first substance. The fuel cells 2 of the fuel cell unit 1 act as electrolytic cells 2 during operation as an electrolytic cell unit 52. The oxygen O ₂ formed is absorbed by the liquid electrolyte and transported along with it in dissolved form. The liquid electrolyte is stored in a storage tank 67 . In 1 For reasons of simplification in the drawing, two storage tanks 67 of the fuel cell system 4 are shown, which are also known as electrolysis cell systems tem 48 functions. A 3-way valve 68 on the fuel feed line 16 is switched over during operation as an electrolytic cell unit 52, so that the liquid electrolyte is fed into the fuel feed line 16 from the storage tank 67 with a pump 69 and not fuel from the compressed gas storage tank 21 . A 3-way valve 68 on the supply line 25 for oxidant is switched over during operation as an electrolytic cell unit 52, so that the liquid electrolyte with the pump 69 from the storage tank 67 is fed into the supply line 25 for oxidant rather than oxidant as air from the gas delivery device 22 is initiated. The fuel cell unit 1, which also functions as an electrolytic cell unit 52, has optional modifications to the electrodes 7, 9 and the gas diffusion layer 9 compared to a fuel cell unit 1 that can only be operated as a fuel cell unit 1: for example, the metal gas diffusion layer 9 is not absorbent, so that the liquid electrolyte easily drains completely, or the gas diffusion layer 9 is not formed, or the gas diffusion layer 9 is a structure on the bipolar plate 10.

An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 70 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 70 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 70 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 67 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 71 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 71 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird. Der aus dem Abscheider 71 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 67 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 52 und dem Abschalten der Pumpe 69 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 67 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 52 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigen Brennstoff und Oxidationsmittel.A separator 70 for hydrogen is arranged on the discharge line 15 for fuel. The separator 70 separates the hydrogen from the electrolyte with hydrogen and the separated hydrogen is introduced into the compressed gas reservoir 21 with a compressor (not shown). The electrolyte discharged from the hydrogen separator 70 is then returned to the electrolyte storage tank 67 through a pipe. A separator 71 for oxygen is arranged on the discharge line 26 for fuel. The separator 71 separates the oxygen from the electrolyte with oxygen, and the separated oxygen is introduced with a compressor (not shown) into a compressed gas reservoir (not shown) for oxygen. The oxygen in the compressed gas reservoir for oxygen (not shown) can optionally be used for the operation of the fuel cell unit 1 by the oxygen being guided into the feed line 25 for oxidizing agent with a line (not shown). The electrolyte discharged from the oxygen separator 71 is then returned to the electrolyte storage tank 67 through a pipe. The channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 are designed in such a way that after use as an electrolytic cell unit 52 and the pump 69 has been switched off, the liquid electrolyte runs back completely into the storage container 67 due to gravity. Optionally, after use as an electrolytic cell unit 52 and before use as a fuel cell unit 1, an inert gas is passed through the channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 for the complete removal of the liquid electrolyte before the passage of gaseous fuel and oxidizing agent.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 52, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 52, betrieben werden.In a further exemplary embodiment, which is not shown, the fuel cell unit 1 is designed as an alkaline fuel cell unit 1 . Potassium hydroxide solution is used as a mobile electrolyte. The fuel cells are stacked. A monopolar cell structure or a bipolar cell structure can be formed. The potassium hydroxide solution circulates between an anode and cathode and transports reaction water, heat and impurities (carbonates, dissolved gases) away. The fuel cell unit 1 can also be used as a reversible fuel cell unit 52, i. H. as an electrolytic cell unit 52.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und der erfindungsgemäßen Elektrolysezelleneinheit 52 wesentliche Vorteile verbunden. Die Dichtungen 11, beispielsweise aus Gummi oder Polymeren, sind mit den Nahtüberhöhungen 62 und Aussparungen 63, 64 als Formschlusselemente 53 fixiert, so dass auch bei großen auf die Dichtungen 11 wirkenden Kräften F, insbesondere bei der Durchleitung des flüssigen Elektrolyten durch die Kanäle 12, 13 und Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26, die Dichtungen 11 sicher formschlüssig fixiert sind. Die Schweißnähte 54 können einfach, zuverlässig und preiswert mittels Laserstrahlschweißen hergestellt werden. Dabei können auch Schweißnähte 54, die ohnehin für die stoffschlüssige Verbindung von Anodenblech 59 und Kathodenblech 60 der Bipolarplatte 10 notwendig sind, genutzt werden, so dass im Wesentlichen keine zusätzlichen Kosten für die Herstellung der Formschlusselemente 53 anfallen. Die Schweißnähte 54 mit Nahtüberhöhungen 62 und/oder Aussparungen 63, 64 können auch an den Abdichtplatten 39 (10) an dem Endbereich 40 der Bipolarplatte 10 ausgebildet werden zur formschlüssigen Fixierung der Dichtungen 11 an Fluidöffnungen 41 ausgebildet werden. Die Geometrie der Nahtüberhöhungen 62 und Aussparungen 63, 64 ermöglichen eine sichere und zuverlässige Fixierung der Dichtungen 11 nur mit den Nahtüberhöhungen 62 und Aussparungen 63, 64, so dass keine weiteren Mittel zur Fixierung Dichtungen 11 notwendig sind.Considered overall, significant advantages are associated with the fuel cell unit 1 according to the invention and the electrolytic cell unit 52 according to the invention. The seals 11, for example made of rubber or polymers, are fixed with the raised seams 62 and recesses 63, 64 as form-fitting elements 53, so that even with large forces F acting on the seals 11, in particular when the liquid electrolyte is conducted through the channels 12, 13 and discharge and supply lines 15, 16, 25, 26, the seals 11 are securely fixed in a form-fitting manner. The weld seams 54 can be produced simply, reliably and inexpensively by means of laser beam welding. Welding seams 54, which are necessary in any case for the integral connection of anode sheet 59 and cathode sheet 60 of bipolar plate 10, can also be used, so that essentially no additional costs are incurred for the production of form-fitting elements 53. The weld seams 54 with seam elevations 62 and/or recesses 63, 64 can also be made on the sealing plates 39 ( 10 ) are formed on the end region 40 of the bipolar plate 10 for positively locking the seals 11 in fluid openings 41 . The geometry of the raised seams 62 and recesses 63, 64 enable the seals 11 to be fixed securely and reliably using only the raised seams 62 and recesses 63, 64, so that no further means are required to fix the seals 11.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 202014008157 U1 [0005]
DE 102018121669 A1 [0006]

Claims

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 a proton exchange membrane (5), an anode (7) as components of the fuel cells (2) , a cathode (8), a gas diffusion layer (9) and a bipolar plate (10) as a separator plate (58) with three separate channels (12, 13,14) for the separate passage of oxidizing agent, fuel and cooling fluid as process fluids, - seals ( 11) for sealing the channels (12, 13, 14) for the process fluids, - positive-locking elements (53) formed on the bipolar plates (10) for positively locking the seals (11) in place on the bipolar plates (10), so that the seals (11 ) of the form-fitting elements (53) are positively fixed, characterized in that the form-fitting elements (53) due to the geometry of the bipolar plates (10) formed weld th (54) of partial areas (62, 63, 64) of the welds (54) are formed.

fuel cell unit claim 1 , characterized in that the positive-locking elements (53) are designed as seam elevations (62) of the weld seams (54) with respect to an outer side (61) of the bipolar plate (10) on the respective weld seam (54), so that the seam elevations (62) protrude beyond an outer side (61) of the bipolar plate (10) at the respective weld seam (54).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the positive-locking elements (53) are designed as recesses (63, 64) in the weld seams (54).

fuel cell unit claim 3 , characterized in that the recesses (63, 64) are formed with respect to an outer side (61) of the bipolar plate (10) on the respective weld seam (54), so that the recesses (63, 64) each have an outer side (61) of the bipolar plate (10) at the respective weld seam (54).

Fuel cell unit according to one or more of claims 2 until 4 , characterized in that the seam elevations (62) are arranged within the seals (11).

Fuel cell unit according to one or more of claims 3 until 5 , characterized in that the sealing material of the seals (11) is arranged in the recesses (63, 64).

Fuel cell unit according to one or more of claims 2 until 6 , characterized in that the seam elevations (62) each have an outer side (61) of the bipolar plate (10) on the respective weld seam (54) with an extent (65) perpendicular to the imaginary plane (51) of at least 10 µm, 20 µm or exceed 30 µm.

Fuel cell unit according to one or more of claims 3 until 7 , characterized in that the recesses (63, 64) each have an outer side (61) of the bipolar plate (10) at the respective weld seam (54) with an extension (66) perpendicular to the imaginary plane (51) of at least 10 µm, 20 µm or 30 µm below.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the bipolar plates (10) are constructed from an anode sheet (59) and a cathode sheet (60) and the weld seams (54) are penetration welds (55) on the anode sheet (59) and Cathode sheet (60) are formed.

Electrolytic cell unit (52) for producing a first substance and a second substance as products from an educt as a liquid electrolyte by applying an electrical potential between an anode (7, 8) and a cathode (7, 8), comprising - electrolytic cells arranged in a stack (2), the electrolytic cells (2) each comprising as components an anode (7, 8), a cathode (7, 8) and metallic separator plates (58) with a first anode sheet (59) and a second cathode sheet (60) and two separate channels (49, 50) for the separate passage of the liquid electrolyte through a first channel (49) and second channel (50) and on the first channel (49) the anode (7, 8) and on the second channel (50) the cathode (7, 8) is arranged so that the first substance can be deposited on the anodes (7, 8) of the first channels (49) and the second substance can be deposited on the cathodes (7, 8) of the second channels (50). , so that the first substance with the liquid electrolyte ten forms a first process fluid and the second substance forms a second process fluid with the liquid electrolyte, - seals (11) for sealing the channels (49, 50) for the process fluids, - form-fitting elements (53) for form-fitting fixing of the seals (11). the separator plates (58), so that the seals (11) are positively fixed by the form-fit elements (53), characterized in that the form-fit elements (11) due to the geometry of the separator plates (58) formed welds (54) are formed by partial areas (62, 63, 64) of the weld seams (54).

electrolytic cell unit claim 10 , characterized in that the separator plates (58) are designed as bipolar plates (10) and an electrical insulation layer, in particular a proton exchange membrane (5), is arranged between each anode (7, 8) and each cathode (7, 8) and preferably the electrolytic cells (2) each comprise a third channel (14) for the separate passage of a cooling fluid as the third process fluid.

electrolytic cell unit claim 10 or 11 , characterized in that the positive-locking elements (53) are designed as seam elevations (62) of the weld seams (54) with respect to an outer side (61) of the separator plate (58) on the respective weld seam (54), so that the seam elevations (62) protrude beyond an outer side (61) of the separator plate (58) at the respective weld seam (54).

Electrolytic cell unit according to one or more of Claims 10 until 12 , characterized in that the form-fitting elements (53) are designed as recesses (63, 64) in the weld seams (54).

Electrolytic cell unit according to one or more of Claims 10 until 13 , characterized in that the electrolytic cell unit (52) additionally as a fuel cell unit (1), in particular fuel cell unit (1) according to one or more of Claims 1 until 9 , Is formed so that the electrolytic cell unit (52) forms a reversible fuel cell unit (52).

Electrolytic cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the form-fitting elements (53) according to at least one feature of the characterizing part one or more of Claims 1 until 9 are trained.