DE102020212737A1

DE102020212737A1 - fuel cell unit

Info

Publication number: DE102020212737A1
Application number: DE102020212737.9A
Authority: DE
Inventors: Siegbert Griesinger; Holger Stierle; Matthias Horn; Philipp Wachter; Lars Olems
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (29 jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der Brennstoffzellen (2) Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden und die Brennstoffzellen (2) und Komponenten der Brennstoffzellen (2) fiktive Ebenen (37) aufspannen, ein Gehäuse (42) mit Seitenwandungen (45) und einer Deckwandung (46), welches den Brennstoffzellenstapel (40) umschließt, mit einer dem Brennstoffzellenstapel (40) zugewandten Innenseite (43), wobei in einem Schnitt senkrecht zu den fiktiven Ebenen (37) der Abstand parallel zu den fiktiven Ebenen (37) zwischen den Innenseiten (43) von je zwei Seitenwandungen (45) des Gehäuses (42) in Richtung zu der Deckwandung (46) zunimmt.Fuel cell unit (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells (2) and the fuel cells (29 each comprise stacked layered components and the components of the fuel cells (2) are proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, so that the stacked fuel cells (2) form a fuel cell stack (40) and the fuel cells (2) and components of the fuel cells (2) span imaginary levels (37), a housing (42) with side walls (45) and a top wall (46), which encloses the fuel cell stack (40), with an inner side (43) facing the fuel cell stack (40), wherein in a section perpendicular to the notional planes (37), the distance parallel to the notional planes (37) between the inner sides (43) of each two side walls (45) of the housing (42) increases towards the top wall (46).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.The present invention relates to a fuel cell unit according to the preamble of claim 1 and a fuel cell system according to the preamble of claim 15.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other in a stack as a stack.

Brennstoffzelleneinheiten sind aus einem Brennstoffzellenstapel mit gestapelten Brennstoffzellen und einem Gehäuse ausgebildet. Zwischen dem Gehäuse und dem Brennstoffzellenstapel ist ein Zwischenraum vorhanden, damit kein Kontakt zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse auftritt. Das Gehäuse ist quaderförmig mit Seitenwandungen senkrecht zu fiktiven Ebenen aufgespannt von den Brennstoffzellen. Aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten kann der Brennstoffzellenstapel nicht in der Idealform des Quaders hergestellt werden, sondern weist ungefähr die Form eines Parallelepipeds auf. Zur Erzielung eines ausreichenden Zwischenraumes ist der Abstand zwischen der Innenseite des Gehäuses und dem Brennstoffzellenstapel an die maximalen Abweichungen von der Idealform an dem oberen Endbereich des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet, so dass die Seitenwandungen des Gehäuses am unteren Endbereich der Seitenwandungen einen wesentlich größeren Abstand zu dem Brennstoffzellenstapel aufweisen als notwendig. Damit benötigt das Gehäuse in nachteilige Weise einen großen Bauraum.Fuel cell units are formed of a fuel cell stack having stacked fuel cells and a case. A clearance is provided between the housing and the fuel cell stack to prevent contact between the fuel cell stack and the housing. The housing is cuboid with side walls perpendicular to fictitious planes spanned by the fuel cells. Due to manufacturing inaccuracies, the fuel cell stack cannot be manufactured in the ideal cuboid shape, but has approximately the shape of a parallelepiped. To achieve a sufficient gap, the distance between the inside of the housing and the fuel cell stack is aligned with the maximum deviations from the ideal shape at the upper end area of the fuel cell stack, so that the side walls of the housing have a significantly greater distance from the fuel cell stack at the lower end area of the side walls than necessary. Thus, the housing disadvantageously requires a large amount of space.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden und die Brennstoffzellen und Komponenten der Brennstoffzellen fiktive Ebenen aufspannen, ein Gehäuse mit Seitenwandungen und einer Deckwandung, welches den Brennstoffzellenstapel umschließt, mit einer dem Brennstoffzellenstapel zugewandten Innenseite, wobei in einem Schnitt senkrecht zu den fiktiven Ebenen der Abstand parallel zu den fiktiven Ebenen zwischen den Innenseiten von je zwei Seitenwandungen des Gehäuses in Richtung zu der Deckwandung zunimmt, insbesondere aufgrund der Ausrichtung beider der je zwei gegenüberliegenden Seitenwandungen in einem spitzen Winkel α zu den fiktiven Ebenen, vorzugsweise ist der spitze Winkel α zwischen 89,8° und 80°, insbesondere zwischen 89,5° und 85°.Fuel cell unit according to the invention for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells and the fuel cells each comprise stacked layered components and the components of the fuel cells are proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, so that the stacked fuel cells form a fuel cell stack and the fuel cells and Components of the fuel cells span fictitious planes, a housing with side walls and a cover wall, which encloses the fuel cell stack, with an inner side facing the fuel cell stack, with the distance parallel to the fictitious planes between the inner sides of each two side walls in a section perpendicular to the fictitious planes of the housing increases towards the top wall, in particular due to the alignment of both of the two opposite side walls en at an acute angle α to the imaginary planes, preferably the acute angle α is between 89.8° and 80°, in particular between 89.5° and 85°.

In einer ergänzenden Variante weisen die Seitenwandungen eine im Wesentlichen konstante Dicke auf. Eine im Wesentlichen konstante Dicke bedeutet vorzugsweise, dass sich die Dicke um weniger als 30%, 20% oder 10% unterscheidet.In an additional variant, the side walls have an essentially constant thickness. A substantially constant thickness preferably means that the thickness differs by less than 30%, 20% or 10%.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die Seitenwandungen Außenseiten auf und in einem Schnitt senkrecht zu den fiktiven Ebenen nimmt der Abstand parallel zu den fiktiven Ebenen zwischen den Außenseiten von je zwei Seitenwandungen des Gehäuses in Richtung zu der Deckwandung zu.In a further embodiment, the side walls have outer sides and in a section perpendicular to the notional planes, the distance parallel to the notional planes between the outer sides of each two side walls of the housing increases in the direction of the top wall.

In einer ergänzenden Ausgestaltung nimmt in einem Schnitt senkrecht zu den fiktiven Ebenen der Abstand parallel zu den fiktiven Ebenen zwischen den Innenseiten von je zwei Seitenwandungen des Gehäuses in Richtung zu der Deckwandung stetig und/oder konstant zu.In a supplementary embodiment, in a section perpendicular to the notional planes, the distance parallel to the notional planes between the inner sides of each two side walls of the housing increases steadily and/or constantly in the direction of the top wall.

Vorzugsweise weisen die Seitenwandungen Außenseiten auf und in einem Schnitt senkrecht zu den fiktiven Ebenen nimmt der Abstand parallel zu den fiktiven Ebenen zwischen den Außenseiten von je zwei Seitenwandungen des Gehäuses in Richtung zu der Deckwandung stetig und/oder konstant zu.The side walls preferably have outsides and in a section perpendicular to the notional planes, the distance parallel to the notional planes between the outsides of each two side walls of the housing increases steadily and/or constantly in the direction of the top wall.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die Außenseiten der Seitenwandungen in einem Schnitt senkrecht zu den fiktiven Ebenen ein oberes Ende an der Deckwandung und ein unteres Ende auf und parallel zu den fiktiven Ebenen weist zwischen den Außenseiten des oberen und unteren Endes je einer Seitenwandung das untere Ende der je einen Seitenwandung einen nach innen gerichteten Außen-Versatz auf, insbesondere als Abstandsdifferenz zwischen den Außenseiten des oberen und unteren Endes der Seitenwandungen in Richtung der fiktiven Ebenen.In a further embodiment, the outer sides of the side walls have an upper end on the top wall and a lower end in a section perpendicular to the notional planes, and the lower end of the each side wall has an inwardly directed external offset, in particular as a difference in distance between the outsides of the upper and lower ends of the side walls in the direction of the fictitious planes.

In einer ergänzenden Variante weisen die Innenseiten der Seitenwandungen in einem Schnitt senkrecht zu den fiktiven Ebenen ein oberes Ende an der Deckwandung und ein unteres Ende auf und parallel zu den fiktiven Ebenen zwischen den Innenseiten des oberen und unteren Endes je einer Seitenwandung das obere Ende der je einen Seitenwandung einen nach außen gerichteten Innen-Versatz aufweist, insbesondere als Abstandsdifferenz zwischen den Innenseiten des oberen und unteren Endes der Seitenwandungen in Richtung der fiktiven Ebenen.In a supplementary variant, the insides of the side walls have an upper end in a section perpendicular to the imaginary planes on the top wall and a lower end on and parallel to the imaginary planes between the inner sides of the upper and lower end of each side wall, the upper end of each side wall has an outwardly directed internal offset, in particular as a difference in distance between the inner sides of the upper and lower end of the side walls in the direction of the imaginary planes.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Innen-Versatz und der Außen-Versatz je einer Seitenwandung im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, identisch.In an additional embodiment, the inside offset and the outside offset of each side wall are essentially identical, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Innen-Versatz und/oder der Außenversatz größer ist als 0,5 % oder 1 % der Höhe des Gehäuses. Zweckmäßig ist die Höhe des Gehäuses die Ausdehnung des Gehäuses senkrecht zu den fiktiven Ebenen. In a further embodiment, the internal offset and/or the external offset is greater than 0.5% or 1% of the height of the housing. The height of the housing is expediently the extent of the housing perpendicular to the imaginary planes.

Insbesondere ist der Innen-Versatz und/oder der Außenversatz kleiner als 10 % oder 5 % der Höhe des Gehäuses.In particular, the internal offset and/or the external offset is less than 10% or 5% of the height of the housing.

In einer weiteren Ausgestaltung sind in dem Schnitt senkrecht zu den fiktiven Ebenen je eine Seitenwandung, insbesondere sämtliche Seitenwandungen, in einem Winkel α zwischen 89,8° und 80°, insbesondere zwischen 89,5° und 85°, zu den fiktiven Ebenen ausgerichtet.In a further embodiment, in the section perpendicular to the fictitious planes, one side wall each, in particular all side walls, are aligned at an angle α between 89.8° and 80°, in particular between 89.5° and 85°, to the fictitious planes.

Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Lagerplatte und die unteren Enden der Seitenwandungen sind mit einem außenseitigen Flansch an der Lagerplatte befestigt.Preferably, the fuel cell unit comprises a bearing plate and the lower ends of the side walls are attached to the bearing plate with an outside flange.

In einer weiteren Variante beträgt die Ausdehnung des Flansches in einer Richtung parallel zu den fiktiven Ebenen in dem Schnitt senkrecht zu den fiktiven Ebenen zwischen 10% und 200%, insbesondere zwischen 20% und 140%, des Außen-Versatzes.In a further variant, the extent of the flange in a direction parallel to the notional planes in the section perpendicular to the notional planes is between 10% and 200%, in particular between 20% and 140%, of the external offset.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Schnitt senkrecht zu je zwei gegenüberliegenden Seitenwandungen oder je einer Seitenwandung gebildet.In a further embodiment, the cut is formed perpendicular to two opposite side walls or one side wall.

Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.Fuel cell system according to the invention, in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit, a compressed gas store for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the fuel cell unit being designed as a fuel cell unit described in this patent application.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Merkmale der je zwei Seitenwandungen an beiden der je zwei Seitenwandungen ausgebildet.In a further embodiment, the features of the two side walls described in this patent application are formed on both of the two side walls.

Zweckmäßig ist das Gehäuse und/oder die Lagerplatte aus Metall, insbesondere Stahl und/oder Aluminium und/oder Messing, und/oder aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, ausgebildet.The housing and/or the bearing plate is expediently made of metal, in particular steel and/or aluminum and/or brass, and/or plastic, in particular fiber-reinforced plastic.

Vorzugsweise ist der Flansch innerhalb des Außen-Versatzes ausgebildet und/oder die Ausdehnung des Flansches ist kleiner als die Ausdehnung des Außen-Versatzes.The flange is preferably formed within the outward offset and/or the extent of the flange is smaller than the extent of the outward offset.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Seitenwandungen und/oder die Deckwandung eben und/oder plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet.In a further embodiment, the side walls and/or the top wall are flat and/or plate-shaped and/or disc-shaped and/or essentially rectangular.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Deckwandung im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, parallel zu den fiktiven Ebenen ausgerichtet.In an additional embodiment, the top wall is aligned essentially parallel to the imaginary planes, in particular with a deviation of less than 30°, 20° or 10°.

In deiner ergänzenden Variante sind die Seitenwandungen, insbesondere sämtliche Seitenwandungen, mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den fiktiven Ebenen ausgerichtet.In your supplementary variant, the side walls, in particular all of the side walls, are aligned perpendicular to the fictitious planes with a deviation of less than 30°, 20° or 10°.

Zweckmäßig umfasst das Gehäuse vier Seitenwandungen. Vorzugsweise weisen je zwei gegenüberliegende Seitenwandungen die im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, gleiche Länge und/oder Breite auf.The housing expediently comprises four side walls. Preferably, each two opposite side walls have essentially the same length and/or width, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.

In einer ergänzenden Ausgestaltung ist zwischen der Innenseite des Gehäuses und dem Brennstoffzellenstapel ein Zwischenraum vorhanden.In an additional configuration, there is a gap between the inside of the housing and the fuel cell stack.

In einer weiteren Variante ist der minimale Abstand zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Innenseite des Gehäuses größer als 2 mm oder 5 mm.In a further variant, the minimum distance between the fuel cell stack and the inside of the housing is greater than 2 mm or 5 mm.

Vorzugsweise weist der Brennstoffzellenstapel keinen Kontakt zu der Innenseite des Gehäuses auf.The fuel cell stack preferably has no contact with the inside of the housing.

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

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

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

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

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

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

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.In a further embodiment, the tensioning elements are plate-shaped and/or disk-shaped and/or flat and/or 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 Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.The fuel cells and/or components 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.The fuel cell unit is preferably a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells.

Figurenlistecharacter list

Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse und
5 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse.

An exemplary embodiment of the invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 a greatly simplified exploded view of a fuel cell system with components of a fuel cell,
2 a perspective view of part of a fuel cell,
3 a longitudinal section through a fuel cell,
4 a perspective view of a fuel cell stack without housing and
5 a section through a fuel cell unit with housing.

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 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.The difference between the normal potentials of the pairs of electrodes under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or no-load voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not reached in practice. In the idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be reached and when operating with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are reached. The series connection of several fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 with a fuel cell stack 40 of several fuel cells 2 arranged one above the other, has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2.

Die 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 protons H ⁺ and blocks ions other than protons H ⁺ substantially, so that due to the permeability of the PEM 5 for the protons H ⁺ the charge transport can take place. The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ , ie blocks the flow of oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ between a gas space 31 at the anode 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 Anode 7 sowie Kathode 8 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 anode 7 and cathode 8 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. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.On the anode 7 and the cathode 8 there is a gas diffusion layer 9 (gas diffusion layer, GDL). The gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from fuel channels 12 evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7. The gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from oxidant channels 13 evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8. The GDL 9 also withdraws reaction water in the reverse direction to the direction of flow of the reaction gases, i. H. in one direction each from the catalyst layer 30 to the channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 wet and conducts the current. The GDL 9, for example, is made up of hydrophobic carbon paper and a bonded layer of carbon powder.

Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Kühlfluid 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. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Brennstoffzellenstapel 40 und/oder einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3) auf. Die Komponenten 5, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.A bipolar plate 10 rests on the GDL 9 . The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for conducting the reaction gases through a channel structure 29 and/or a flow field 29 and for dissipating the waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8 . Channels 14 for conducting a liquid or gaseous coolant as a cooling fluid are incorporated into the bipolar plate 10 in order to dissipate the waste heat. The channel structure 29 in the gas space 31 for fuel is formed by channels 12 . The channel structure 29 in the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by channels 13 . Metal, conductive plastics and composite materials or graphite, for example, are used as the material for the bipolar plates 10 . The bipolar plate 10 thus comprises the three channel structures 29 formed by the channels 12, 13 and 14 for the separate passage of fuel, oxidizing agent and coolant. In a fuel cell unit 1 with a fuel cell stack 40 and/or a fuel cell stack 40, a plurality of fuel cells 2 are arranged stacked in alignment ( 4 ). The fuel cells 2 and the components 5, 7, 8, 9, 10 of the fuel cells 2 are in the form of layers and/or discs and span imaginary planes 37 ( 3 ) on. The components 5, 7, 8, 9, 10 of the fuel cells are proton exchange membranes 5, anodes 7, cathodes 8, gas diffusion layers 9 and bipolar plates 10.

In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.In 1 an exploded view of two stacked fuel cells 2 is shown. A seal 11 seals the gas chambers 31, 32 in a fluid-tight manner. In a compressed gas accumulator 21 ( 1 ) hydrogen H ₂ is stored as a fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the compressed gas reservoir 21, the fuel is passed through a high-pressure line 18 to a pressure reducer 20 to reduce the pressure of the fuel in a medium-pressure line 17 from approximately 10 bar to 20 bar. The fuel is routed to an injector 19 from the medium-pressure line 17 . At the injector 19, the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure of between 1 bar and 3 bar. From the injector 19, the fuel is supplied to a supply line 16 for fuel ( 1 ) and from the supply line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel. As a result, the fuel flows through the gas space 31 for the fuel. The gas space 31 for the fuel is formed by the channels 12 and the GDL 9 on the anode 7 . After flowing through the channels 12 , the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and any water from controlled humidification of the anode 7 are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 15 .

Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegenden Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen (nicht dargestellt) an den Membranelektrodenanordnungen 6 zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. Die Brennstoffzelleneinheit 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. From the supply line 25, the air is the Channels 13 for oxidizing agent, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agent, supplied 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 and are actually constructed as aligned fluid openings (not shown) at the end area in the vicinity of the channels 12, 13, 14 at the end area of the membrane electrode arrangements 6 lying one on top of the other. Similarly, fluid openings (not shown) are also formed on plate-shaped extensions (not shown) of the bipolar plates 10 and the fluid openings in the plate-shaped extensions of the bipolar plates 10 are aligned with the fluid openings (not shown) on the membrane electrode arrangements 6 for the partial formation of the supply and discharge lines 15 , 16, 25, 26, 27, 28. The fuel cell unit 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 obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 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 obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.The fuel cells 2 are arranged as clamping plates 34 between two clamping elements 33 in the fuel cell unit 1 . An upper clamping plate 35 lies on top fuel cell 2 and a lower clamping plate 36 lies on bottom fuel cell 2 . The fuel cell unit 1 comprises approximately 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 upper clamping plate 35 rests on the uppermost fuel cell 2 with a compressive force and the lower clamping plate 36 rests on the lowermost fuel cell 2 with a compressive force. The fuel cell stack 40 is thus braced in order to ensure tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seal 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 40 as small as possible. To brace the fuel cells 2 with the tensioning elements 33, four connecting devices 38 are designed as bolts 39 on the fuel cell unit 1, which are subjected to tensile stress. The four bolts 39 are firmly connected to the clamping plates 34 .

In 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 mit Gehäuse 42 dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel 40 ist von dem Gehäuse 42 und einer Lagerplatte 56 als Anschlussplatte 57 umschlossen (5), so dass der Brennstoffzellenstapel 40 vor Umwelteinflüssen und mechanischen Beschädigungen geschützt ist. Das Gehäuse 42 weist eine dem Brennstoffzellenstapel 40 zugewandte Innenseite 43 und eine gegenüberliegend zu der Innenseite 43 ausgerichtete Außenseite 44 zugewandt zu der Umgebung auf. Das Gehäuse 42 weist vier Seitenwandungen 45 und eine Deckwandung 46 auf. Die Seitenwandungen 45 und die Deckwandung 46 sind jeweils scheibenförmig, eben und im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet. Die Seitenwandungen 45 weisen ein oberes Ende 51 und ein unteres Ende 52 sowie eine Dicke 50 auf. Die Höhe 55 ist die Ausdehnung des Gehäuses 42 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 und beträgt 500 mm. Je zwei gegenüberliegende Seitenwandungen 45 weisen jeweils die im Wesentlichen gleiche Länge und Breite auf. Am unteren Endbereich der Seitenwandungen 45 ist ein umlaufender Flansch 58 mit einer Ausdehnung 59 parallel zu den fiktiven Ebenen 37 als Breite in dem Schnitt gemäß 5 ausgebildet. Der Flansch 58 ist vorzugsweise einteilig mit den Seitenwandungen 45 ausgebildet und kann abweichend hiervon auch als ein gesondertes Bauteil, befestigt an den Seitenwandungen 45, ausgebildet sein. Der Flansch 58 ist mit Fixierungselementen 60 als Schrauben 61 oder Nieten (nicht dargestellt) an der Lagerplatte 56 befestigt. Das Gehäuse 42 ist somit mittelbar mit dem Flansch 58 an der Lagerplatte 56 fixiert. In 5 ist ein Schnitt mit einer Schnittebene durch die Brennstoffzelleneinheit 1 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 und senkrecht zu den geschnittenen je zwei gegenüberliegenden plattenförmigen Seitenwandungen 45 dargestellt.In 5 an exemplary embodiment of the fuel cell unit 1 with the housing 42 is shown. The fuel cell stack 40 is enclosed by the housing 42 and a bearing plate 56 as a connection plate 57 ( 5 ), so that the fuel cell stack 40 is protected from environmental influences and mechanical damage. The housing 42 has an inner side 43 facing the fuel cell stack 40 and an outer side 44 oriented opposite to the inner side 43 and facing the environment. The housing 42 has four side walls 45 and a top wall 46 . The side walls 45 and the top wall 46 are each disc-shaped, flat and essentially rectangular. The side walls 45 have an upper end 51 and a lower end 52 and a thickness 50 . The height 55 is the extent of the housing 42 perpendicular to the notional planes 37 and is 500 mm. Each pair of opposing side walls 45 each have essentially the same length and width. At the lower end portion of the side walls 45 is a peripheral flange 58 with an extension 59 parallel to the notional planes 37 as width in the section according to FIG 5 educated. The flange 58 is preferably formed in one piece with the side walls 45 and, deviating from this, can also be formed as a separate component, fastened to the side walls 45 . The flange 58 is fixed to the bearing plate 56 with fixing elements 60 in the form of screws 61 or rivets (not shown). The housing 42 is thus fixed indirectly to the bearing plate 56 with the flange 58 . In 5 a section with a section plane through the fuel cell unit 1 perpendicular to the imaginary planes 37 and perpendicular to the sectioned two opposing plate-shaped side walls 45 is shown.

Das Gehäuse 42 und die Lagerplatte 56 begrenzen einen Innenraum 47. In der Lagerplatte 56 und der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 62 zum Einleiten des Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel 40 und eine Öffnung 63 zum Ausleiten des Oxidationsmittels aus dem Brennstoffstapel 40 ausgebildet. Außerdem sind in der Lagerplatte 56 und der unteren Spannplatte 36 je eine Öffnung (nicht dargestellt) zum Einleiten des Brennstoffes und des Kühlmittels in den Brennstoffzellenstapel 40 und je eine Öffnung (nicht dargestellt) zum Ausleiten des Brennstoffes und Kühlmittels aus dem Brennstoffstapel 40 ausgebildet. Die Lagerplatte 56 dient damit zum Ein- und Ausleiten der Prozessfluide Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel und fungiert damit auch als Anschlussplatte 57. In der Anschlussplatte 57 und der unteren Spannplatte 36 sind somit insgesamt 6 Öffnung zum Einleiten und Ausleiten der Prozessfluide Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel ausgebildet.The housing 42 and the bearing plate 56 delimit an inner space 47. In the bearing plate 56 and the lower clamping plate 36, an opening 62 for introducing the oxidant into the fuel cell stack 40 and an opening 63 for discharging the oxidant from the fuel stack 40 are formed. In addition, the bearing plate 56 and the lower clamping plate 36 each have an opening (not shown) for introducing the fuel and the coolant into the fuel cell stack 40 and an opening (not shown) for discharging the fuel and the coolant from the fuel stack 40. The bearing plate 56 is thus used to introduce and discharge the process fluids fuel, oxidizing agent and coolant and thus also acts as a connection plate 57. In the connection plate 57 and the lower clamping plate 36 a total of 6 openings are thus formed for introducing and discharging the process fluids oxidizing agent, fuel and coolant.

In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind bei beiden der je zwei gegenüberliegenden Seitenwandungen 45 diese nach oben in Richtung zu der Deckwandung 46 konisch vergrößernd zueinander ausgerichtet, d. h. je zwei gegenüberliegende Seitenwandungen 45 weiten sich nach oben trapezförmig auf. Damit nimmt der Abstand 48 parallel zu den fiktiven Ebenen 37 zwischen den Innenseiten 43 der Seitenwandungen 45 in dem Schnitt in 5 von unten nach oben zu. Da die Seitenwandungen 45 als Platten mit im Wesentlichen konstanter Dicke 50 ausgebildet sind, nimmt der Abstand 48 von unten nach oben stetig und konstant zu. Analog nimmt der Abstand 49 parallel zu den fiktiven Ebenen 37 zwischen den Außenseiten 44 der Seitenwandungen 45 in dem Schnitt in 5 von unten nach oben stetig und konstant zu. Damit tritt an der Außenseite 44 jeder Seitenwandung 45 ein Außen-Versatz 53 als der Differenz zwischen den Außenseiten 44 an dem oberen und unteren Ende 51, 52 in Richtung der fiktiven Ebene 37 in der Schnittebene gemäß 5 auf. Analog tritt an der Innenseite 43 jeder Seitenwandung 45 ein Innen-Versatz 54 als der Differenz zwischen den Innenseiten 43 an dem oberen und unteren Ende 51, 52 in Richtung der fiktiven Ebene 37 in der Schnittebene gemäß 5 auf. Aufgrund der konstanten Dicke 50 der Seitenwandungen ist der Außen-Versatz 53 und der Innen-Versatz 54 identisch und beträgt 10 mm.In the fuel cell unit 1, in both of the two opposite side walls 45, these are aligned upwards in the direction of the top wall 46, increasing conically towards one another, ie each two opposite side walls 45 widen upwards in a trapezoidal manner. The distance 48 thus increases parallel to the imaginary planes 37 between the inner sides 43 of the side walls 45 in the section 5 from bottom to top. Since the side walls 45 are designed as plates with a substantially constant thickness 50, the distance 48 increases steadily and constantly from bottom to top. Similarly, the distance 49 parallel to the imaginary planes 37 between the outer sides 44 of the side walls 45 in the section 5 steadily and constantly from bottom to top. Thus, on the outside 44 of each side wall 45, there is an outside offset 53 as the difference between the outsides 44 at the upper and lower ends 51, 52 in the direction of the imaginary plane 37 in the section plane 5 on. Analogously, on the inside 43 of each side wall 45, there is an inside offset 54 as the difference between the insides 43 at the upper and lower ends 51, 52 in the direction of the imaginary plane 37 in the section plane 5 on. Due to the constant thickness 50 of the side walls, the outside offset 53 and the inside offset 54 are identical and are 10 mm.

Bei der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 werden die schichtförmigen Brennstoffzellen 2 und die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 zu dem Brennstoffzellenstapel 40 gestapelt. Bei einem idealen Stapeln der schichtförmigen Brennstoffzellen 2 und die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 ohne einen Versatz entsteht ein quaderförmiger Brennstoffzellenstapel 40, der in dem Schnitt in 5 rechteckförmig dargestellt ist. In der Praxis der Fertigungstechnik können jedoch Fertigungsungenauigkeiten nicht ganz ausgeschlossen werden, d. h. es tritt ein Versatz beim Stapeln der schichtförmigen Brennstoffzellen 2 und der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 auf, so dass der Brennstoffzellenstapel 40 im Wesentlichen in der Form eines Parallelepipeds entsteht, der in 5 als ein strichliertes, nach rechts verschobenes Parallelogramm 64 dargestellt ist. Abweichend hiervon kann der Brennstoffzellenstapel 40, 64 in 5 auch ein nach links verschobenes Parallelogramm 64 sein (nicht dargestellt). Die ungefähren Abweichungen des Brennstoffzellenstapels 40, 64 als Parallelepiped sind bekannt und die Geometrie der Seitenwandungen 45 des Gehäuses 42 ist dahingehend ausgebildet, dass trotz der Abweichungen kein Kontakt zwischen dem Gehäuse 42 und dem Brennstoffzellenstapel 40, 64 auftritt, d. h. ein minimaler Abstand zwischen der Innenseite 43 der Gehäuses 42 und dem Brennstoffzellenstapel 40, 64 vorhanden ist insbesondere für eine elektrische Isolierung des Brennstoffzellenstapels 40, 64 von dem elektrisch leitfähigen Gehäuse 42 aus Metall.During the production of the fuel cell unit 1, the layered fuel cells 2 and the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10 of the fuel cells 2 are stacked to form the fuel cell stack 40. With an ideal stacking of the layered fuel cells 2 and the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10 of the fuel cells 2 without an offset, a cuboid fuel cell stack 40 results, which in the section in 5 is shown as a rectangle. In the practice of manufacturing technology, however, manufacturing inaccuracies cannot be completely ruled out, i.e. there is an offset when stacking the layered fuel cells 2 and the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10 of the fuel cells 2, so that the fuel cell stack 40 in essentially in the form of a parallelepiped, which in 5 is shown as a dashed parallelogram 64 shifted to the right. Deviating from this, the fuel cell stack 40, 64 in 5 could also be a parallelogram 64 shifted to the left (not shown). The approximate deviations of the fuel cell stack 40, 64 as a parallelepiped are known and the geometry of the side walls 45 of the housing 42 is designed in such a way that despite the deviations there is no contact between the housing 42 and the fuel cell stack 40, 64, i.e. a minimal distance between the inside 43 of the housing 42 and the fuel cell stack 40, 64 is present in particular for electrical insulation of the fuel cell stack 40, 64 from the electrically conductive housing 42 made of metal.

Bei der Montage der Brennstoffzelleneinheit 1 werden zuerst die Seitenwandungen 45 mit dem Flansch 58 an der Lagerplatte 56 fixiert, anschließend wird der Brennstoffzellenstapel 40 an der Lagerplatte 56 befestigt und darauffolgend wird an den Seitenwandungen 45 die Deckwandung 46 fixiert. Bei einer Ausbildung der Seitenwandungen 45 aus mehreren getrennten Baueinheiten kann auch zuerst der Brennstoffzellenstapel 40 auf der Lagerplatte 56 befestigt werden und anschließend werden die separaten Seitenwandungen 45 an der Lagerplatte 56 befestigt, darauffolgend wird die Deckwandung 46 an den Seitenwandungen 45 fixiert.When assembling the fuel cell unit 1 , the side walls 45 are first fixed to the bearing plate 56 with the flange 58 , then the fuel cell stack 40 is fixed to the bearing plate 56 and then the top wall 46 is fixed to the side walls 45 . If the side walls 45 are formed from several separate structural units, the fuel cell stack 40 can also first be fastened to the bearing plate 56 and then the separate side walls 45 are fastened to the bearing plate 56, after which the top wall 46 is fixed to the side walls 45.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Die Geometrie des Gehäuses 42 ist an die aufgrund von unvermeidbaren Fertigungsungenauigkeiten auftretende Abweichung von der Idealform des Brennstoffzellenstapels 40 als Quader angepasst und benötigt damit im Vergleich zu einem quaderförmigen Gehäuse 42 weniger Bauraum, weil ein quaderförmiges Gehäuse 42 Seitenwandungen senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 aufweist und auch am oberen Endbereich des Brennstoffzellenstapels 40, 64 als Parallelepiped ein ausreichender minimaler Abstand zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40, 64 vorhanden sein muss, so dass am unteren Endbereich des Brennstoffzellenstapels 40, 64 als Parallelepiped ein übergroßer, nicht notwendiger Abstand vorhanden ist, der unnötig Bauraum benötigt. Der notwendige Flansch 58 zur Fixierung des Gehäuses 42 an der Lagerplatte 56 ist im Wesentlichen in dem Außen-Versatz 53 ausgebildet, so dass der Außen-Versatz 53 konstruktiv zur Aufnahme des Flansches 56 und zu Optimierung des notwendigen Bauraumes genutzt werden kann. Insbesondere bei Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik ist ein minimaler, kleiner Bauraum von Brennstoffzelleneinheiten 1 von erheblichem Vorteil.Considered overall, significant advantages are associated with the fuel cell unit 1 according to the invention and the fuel cell system 4 according to the invention. The geometry of the housing 42 is adapted to the deviation from the ideal shape of the fuel cell stack 40 as a cuboid that occurs due to unavoidable manufacturing inaccuracies and therefore requires less installation space compared to a cuboid housing 42 because a cuboid housing 42 has side walls perpendicular to the fictitious planes 37 and there must also be a sufficient minimum distance between the fuel cell stack 40, 64 as a parallelepiped at the upper end area of the fuel cell stack 40, 64, so that at the lower end area of the fuel cell stack 40, 64 as a parallelepiped there is an oversized, unnecessary distance that requires unnecessary installation space . The necessary flange 58 for fixing the housing 42 to the bearing plate 56 is formed essentially in the outer offset 53, so that the outer offset 53 can be used structurally to accommodate the flange 56 and to optimize the necessary installation space. A minimal, small installation space for fuel cell units 1 is of considerable advantage, particularly in the case of applications in motor vehicle technology.

Claims

Fuel cell unit (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising - stacked fuel cells (2) and the fuel cells (2) each stacked layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10) and the components (5, 6, 7, 8, 9, 10) of the fuel cells (2) include proton exchange membranes (5), anodes (7), cathodes (8), gas diffusion layers (9) and bipolar plates (10), so that the stacked fuel cells (2) form a fuel cell stack (40) and the fuel cells (2) and components (5, 6, 7, 8, 9, 10) of the fuel cells (2) span imaginary levels (37), - a housing (42 ) with side walls (45) and a top wall (46), which encloses the fuel cell stack (40), with an inner side (43) facing the fuel cell stack (40), characterized in that in a section perpendicular to the imaginary planes (37) of Distance parallel to the imaginary planes (37) between the inner sides (43) of two side walls (45) of the housing (42) increases in the direction of the top wall (46).

fuel cell unit claim 1 , characterized in that the side walls (45) have a substantially constant thickness.

fuel cell unit claim 1 or 2 , characterized in that the side walls (45) have outer sides (44) and in a section perpendicular to the notional planes (37) the distance (49) parallel to the notional planes (37) between the outer sides (44) of two side walls (45) of the housing (42) increases towards the top wall (46).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that in a section perpendicular to the notional planes (37), the distance (48) parallel to the notional planes (37) between the inner sides (43) of each two side walls (45) of the housing (42) increases steadily and/or constantly in the direction of the top wall (46).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the side walls (45) have outer sides (44) and in a section perpendicular to the notional planes (37) the distance (49) parallel to the notional planes (37) between the Outsides (44) of two side walls (45) of the housing (42) in the direction of the top wall (46) increases steadily and / or constantly.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the outer sides (44) of the side walls (45) in a section perpendicular to the imaginary planes (37) have an upper end (51) on the top wall (46) and a lower end (52) and parallel to the notional planes (37) between the outer sides (44) of the upper and lower ends (51, 52) of one side wall (45) each, the lower end (52) of each side wall (45) one after has inwardly directed external offset (53).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the inner sides (43) of the side walls (45) in a section perpendicular to the imaginary planes (37) have an upper end (51) on the top wall (46) and a lower end (52) and parallel to the imaginary planes (37) between the inner sides (43) of the upper and lower ends (51, 52) of each side wall (45), the upper end (51) of each side wall (45) one after has outwardly directed internal displacement (54).

fuel cell unit claim 6 and 7 , characterized in that the inner offset (54) and the outer offset (53) of each side wall (45) is essentially identical.

Fuel cell unit according to one or more of Claims 6 until 8th , characterized in that the internal offset (53) and/or the external offset (54) is greater than 0.5% or 1% of the height (55) of the housing (42).

Fuel cell unit according to one or more of Claims 6 until 9 , characterized in that the internal offset (54) and/or the external offset (53) is less than 10% or 5% of the height (55) of the housing (42).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the section perpendicular to the imaginary planes (37) one side wall (45) each, in particular all side walls (45), at an angle (a) between 89.8° and 80°, in particular between 89.5° and 85°, are aligned with the imaginary planes (37).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1) comprises a bearing plate (56) and the lower ends (52) of the side walls (45) are fastened to the bearing plate (56) with an outside flange (58). are.

fuel cell unit claim 12 , characterized in that the expansion of the flange (58) in a direction parallel to the notional planes (37) in the section perpendicular to the notional planes (37) is between 10% and 200%, in particular between 20% and 140%, of outside offset is (53).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the section is formed perpendicular to two opposing side walls (45) or one side wall (45) each.

Fuel cell system (4), in particular for a motor vehicle, comprising - a fuel cell unit (1), - a compressed gas store (21) for storing gaseous fuel, - a gas delivery device (22) for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes (8) of the fuel cells ( 2), characterized in that the fuel cell unit (1) is designed as a fuel cell unit (1) according to one or more of the preceding claims.