DE102021206211A1 - fuel cell unit - Google Patents

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DE102021206211A1 DE102021206211.3A DE102021206211A DE102021206211A1 DE 102021206211 A1 DE102021206211 A1 DE 102021206211A1 DE 102021206211 A DE102021206211 A DE 102021206211A DE 102021206211 A1 DE102021206211 A1 DE 102021206211A1
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Jochen Wessner
Armin Ruf
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) als System zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) als Brennstoffzellenstapel (67), die Brennstoffzellen (2) umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und wenigstens eine Gasdiffusionsschicht, elektrische Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen (48) für Gleichstrom für die von dem Brennstoffzellenstapel (67) erzeugte elektrische Energie und die elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen (48) mit den Brennstoffzellen (2) des Brennstoffzellenstapels (67) elektrisch leitend verbunden sind, in den Brennstoffzellenstapel (67) integrierte Kanäle zur Temperierung, insbesondere Kühlung, des Brennstoffzellenstapels (67), eine Zufuhrleitung (27) zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle (14) für Kühlmittel, eine Abfuhrleitung (28) zur Ableitung des durch die Kanäle (14) für Kühlmittel geleiteten Kühlmittels, ein Gehäuse (43), welches den Brennstoffzellenstapel (67) umschließt, eine DC/DC-Wandlungseinheit (53) mit einem Transformator (56) zur galvanischen Trennung des Brennstoffzellenstapels (67) von einem Verbraucherstromkreis (59) und die DC/DC-Wandlungseinheit (53) mit der Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung (48) mit dem Brennstoffzellestapel (67) elektrisch leitend verbunden ist, wobei die DC/DC-Wandlungseinheit (53) in wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlmittel steht, so dass die DC/DC-Wandlungseinheit (53) von dem Kühlmittel gekühlt ist.Fuel cell unit (1) as a system for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells (2) arranged as a fuel cell stack (67), the fuel cells (2) each comprising a proton exchange membrane (5), an anode, a cathode, a bipolar plate as layered components and at least one gas diffusion layer, electrical fuel cell stack connecting current lines (48) for direct current for the electrical energy generated by the fuel cell stack (67) and the electrical fuel cell stack connecting current lines (48) are electrically conductively connected to the fuel cells (2) of the fuel cell stack (67), Channels integrated into the fuel cell stack (67) for temperature control, in particular cooling, of the fuel cell stack (67), a feed line (27) for feeding coolant into the channels (14) for coolant, a discharge line (28) for discharging the coolant through the channels ( 14) for coolant el conducted coolant, a housing (43) which encloses the fuel cell stack (67), a DC / DC conversion unit (53) with a transformer (56) for galvanic isolation of the fuel cell stack (67) from a consumer circuit (59) and the DC /DC conversion unit (53) is electrically conductively connected to the fuel cell stack connecting current line (48) with the fuel cell stack (67), wherein the DC/DC conversion unit (53) is in thermally conductive connection with the coolant, so that the DC/DC - Conversion unit (53) is cooled by the coolant.

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 als Prozessfluide in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen fluchtend in einem Stapel als Stack angeordnet. Als weiteres Prozessfluid wird mit einem Kühlmittel, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, während des Betriebes die in der exothermen Redoxreaktion anfallende Abwärme abgleitet für eine Temperierung der Brennstoffzelleneinheit.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent as process fluids into electrical energy by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged in alignment in a stack as a stack. As a further process fluid, a coolant, in particular a cooling liquid, is used to dissipate the waste heat occurring in the exothermic redox reaction during operation for temperature control of the fuel cell unit.

Die Brennstoffzelleneinheit, d. h. der Brennstoffzellenstapel, stellt elektrische Energie als Gleichstrom zur Verfügung. Für die unterschiedlichsten Anwendungen, beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik, werden jedoch Gleichspannungen auf einem anderen Spannungsniveau benötigt. Hierzu wird eine DC/DC-Wandlungseinheit eingesetzt, welche den Gleichstrom aus dem Brennstoffzellenstapel auf ein anderes Spannungsniveau anhebt oder absenkt. Bei Anwendungen, welche mehrere Spannungsniveaus eingesetzt und benötigt werden, sind deshalb auch mehrere DC/DC-Wandlungseinheiten notwendig. Der Brennstoffzellenstapel ist mit zwei Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen mit der wenigstens einen DC/DC-Wandlungseinheit elektrisch leitend verbunden. Der Brennstoffzellenstapel ist dabei eine separate, getrennte und entfernt ausgebildete Baueinheit zu der wenigstens einen DC/DC-Wandlungseinheit. Damit sind in nachteiliger Weise wenigstens zwei getrennte Baueinheiten für die Brennstoffzelleneinheit und die wenigstens eine DC/DC-Wandlungseinheit notwendig, welche einen großen Bauraum benötigen. Zur sicheren elektrischen Trennung des Brennstoffzellenstapels von der wenigstens einen DC/DC-Wandlungseinheit sind in den Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen zwei mechanische Schalter als Schütze notwendig. Diese mechanischen Schalter sind jedoch in der Herstellung aufwendig und teuer und im Betrieb nicht zuverlässig.The fuel cell unit, i. H. the fuel cell stack provides electrical energy as direct current. However, DC voltages at a different voltage level are required for a wide variety of applications, for example in motor vehicle technology. A DC/DC conversion unit is used for this purpose, which raises or lowers the direct current from the fuel cell stack to a different voltage level. For applications that use and require several voltage levels, several DC/DC conversion units are therefore necessary. The fuel cell stack is electrically conductively connected to the at least one DC/DC conversion unit with two fuel cell stack connecting current lines. In this case, the fuel cell stack is a separate, separate and remotely configured structural unit from the at least one DC/DC conversion unit. This disadvantageously requires at least two separate structural units for the fuel cell unit and the at least one DC/DC conversion unit, which require a large amount of space. For safe electrical separation of the fuel cell stack from the at least one DC/DC conversion unit, two mechanical switches are required as contactors in the fuel cell stack connecting current lines. However, these mechanical switches are complex and expensive to manufacture and not reliable in operation.

Die EP 2 949 500 B1 zeigt eine Energieversorgungs- und Regelungseinheit zur Versorgung eines Antriebskreises, insbesondere eines Traktionsantriebskreises, und eines Brennstoffzellenkompressors über gesonderte Schnittstellen, umfassend: einen DC/DC-Wandler mit einer Brennstoffzellen-Eingangsschnittstelle, einen Wechselrichter, eine Antriebskreis-Schnittstelle zum Anschluss an einen Antriebskreis, und eine Kompressormotor-Schnittstelle zum Anschluss an einen Kompressormotor eines Brennstoffzellenkompressors, wobei der Ausgang des DC/DC-Wandlers mit dem Eingang des Wechselrichters und mit der Antriebskreis-Schnittstelle verbunden ist, und wobei der Ausgang des Wechselrichters mit der Kompressormotor-Schnittstelle verbunden ist, wobei der DC/DC-Wandler und der Wechselrichter in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.the EP 2 949 500 B1 shows an energy supply and control unit for supplying a drive circuit, in particular a traction drive circuit, and a fuel cell compressor via separate interfaces, comprising: a DC/DC converter with a fuel cell input interface, an inverter, a drive circuit interface for connection to a drive circuit, and a compressor motor interface for connection to a compressor motor of a fuel cell compressor, wherein the output of the DC/DC converter is connected to the input of the inverter and to the drive circuit interface, and wherein the output of the inverter is connected to the compressor motor interface, wherein the DC/DC converter and the inverter are housed in a common housing.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als System und/oder Brennstoffzelleneinheitsystem zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen als Brennstoffzellenstapel, die Brennstoffzellen umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und wenigstens eine Gasdiffusionsschicht, elektrische Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen für Gleichstrom für die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Energie und die elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen mit den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels elektrisch leitend verbunden sind, in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle zur Temperierung, insbesondere Kühlung, des Brennstoffzellenstapels, eine Zufuhrleitung zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle für Kühlmittel, eine Abfuhrleitung zur Ableitung des durch die Kanäle für Kühlmittel geleiteten Kühlmittels, ein Gehäuse, welches den Brennstoffzellenstapel umschließt, eine DC/DC-Wandlungseinheit mit einem Transformator zur galvanischen Trennung des Brennstoffzellenstapels von einem Verbraucherstromkreis und die DC/DC-Wandlungseinheit mit der Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung mit dem Brennstoffzellestapel elektrisch leitend verbunden ist, wobei die DC/DC-Wandlungseinheit in wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlmittel steht, so dass die DC/DC-Wandlungseinheit von dem Kühlmittel gekühlt ist. In vorteilhafter Weise können damit das Kühlmittel als Kühlfluid in den Kanälen zur Kühlung der Brennstoffzellen auch zur Temperierung und Kühlung der DC/DC-Wandlungseinheit genutzt werden.Fuel cell unit according to the invention as a system and/or fuel cell unit system for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells arranged as fuel cell stacks, the fuel cells each comprising a proton exchange membrane as layered components, an anode, a cathode, a bipolar plate and at least one gas diffusion layer, electrical fuel cell stack connecting current lines for Direct current for the electrical energy generated by the fuel cell stack and the electrical fuel cell stack connecting power lines are electrically conductively connected to the fuel cells of the fuel cell stack, channels integrated in the fuel cell stack for temperature control, in particular cooling, of the fuel cell stack, a supply line for supplying coolant to the channels for coolant , a discharge line for discharging the coolant conducted through the channels for coolant by means of a housing that encloses the fuel cell stack, a DC/DC conversion unit with a transformer for galvanic isolation of the fuel cell stack from a load circuit and the DC/DC conversion unit with the fuel cell stack connection current line is electrically conductively connected to the fuel cell stack, the DC / DC conversion unit is in thermally conductive communication with the coolant, so that the DC / DC conversion unit is cooled by the coolant. The coolant can thus advantageously also be used as cooling fluid in the channels for cooling the fuel cells for temperature control and cooling of the DC/DC converter unit.

In einer weiteren Variante fungiert wenigstens ein Wärmeübertragungsteilabschnitt der Zufuhrleitung für Kühlmittel und/oder der Abfuhrleitung für Kühlmittel und/oder der Kanäle für Kühlmittel zur Wärmeübertragung von der DC/DC-Wandungseinheit zu dem Kühlmittel. Die Zufuhrleitung und/oder Abfuhrleitung für Kühlmittel und/oder die Kanäle für Kühlmittel können damit zusätzlich an dem Wärmeübertragungsteilabschnitt zur Kühlung der DC/DC-Wandlungseinheit genutzt werden.In a further variant, at least one heat-transfer section of the supply line for coolant and/or the discharge line functions for Coolant and/or coolant passages for heat transfer from the DC/DC wall unit to the coolant. The supply line and/or discharge line for coolant and/or the channels for coolant can thus also be used on the heat transfer section for cooling the DC/DC converter unit.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Abstand des wenigstens einen Wärmeübertragungsteilabschnittes der Zufuhrleitung für Kühlmittel und/oder der Abfuhrleitung für Kühlmittel und/oder der Kanäle für Kühlmittel zu der DC/DC-Wandlungseinheit kleiner als 30 cm, 10 cm, 3 cm oder 1 cm.In an additional embodiment, the distance of the at least one heat transfer section of the supply line for coolant and/or the discharge line for coolant and/or the channels for coolant to the DC/DC conversion unit is less than 30 cm, 10 cm, 3 cm or 1 cm.

Zweckmäßig steht der wenigstens eine Wärmeübertragungsteilabschnitt der Zufuhrleitung für Kühlmittel und/oder der Abfuhrleitung für Kühlmittel und/oder der Kanäle für Kühlmittel in mittelbaren oder unmittelbaren mechanischen Kontakt zu der DC/DC-Wandlungseinheit und/oder wenigstens einer Komponente der DC/DC-Wandlungseinheit.The at least one heat transfer section of the supply line for coolant and/or the discharge line for coolant and/or the channels for coolant is expediently in direct or indirect mechanical contact with the DC/DC conversion unit and/or at least one component of the DC/DC conversion unit.

In einer ergänzenden Variante ist der wenigstens eine Wärmeübertragungsteilabschnitt der Zufuhrleitung für Kühlmittel und/oder der Abfuhrleitung für Kühlmittel strömungsleitend seriell oder parallel zu den Kanälen für Kühlmittel geschalten.In an additional variant, the at least one heat transfer section of the supply line for coolant and/or the discharge line for coolant is connected in series or parallel to the channels for coolant in a flow-conducting manner.

In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine Wärmeübertragungsteilabschnitt der Abfuhrleitung für Kühlmittel strömungsleitend seriell und nach den Kanälen für Kühlmittel geschalten. Das Kühlmittel wird somit zunächst zuerst durch die Kanäle für Kühlmittel in den Brennstoffzellen geleitet und anschließend durch den Wärmeübertragungsteilabschnitt.In a further embodiment, the at least one heat transfer section of the discharge line for coolant is connected in series and downstream of the channels for coolant in terms of flow guidance. The coolant is thus first conducted first through the channels for coolant in the fuel cells and then through the heat transfer section.

Vorzugsweise sind ein primärseitiger Wechselrichter und der Transformator der DC/DC-Wandlungseinheit in das Gehäuse des Brennstoffzellenstapels integriert.An inverter on the primary side and the transformer of the DC/DC conversion unit are preferably integrated into the housing of the fuel cell stack.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der primärseitige Wechselrichter, der Transformator und ein sekundärseitiger Gleichrichter und vorzugsweise ein Wandlungseinheitgehäuse der DC/DC-Wandlungseinheit in das Gehäuse des Brennstoffzellenstapels integriert. Die Integration wird beispielsweise dadurch ausgeführt, dass die Komponente der DC/DC-Wandlungseinheit an einer Außenseite des Gehäuses befestigt ist und/oder in das Gehäuse eingebaut ist und/oder an einer Innenseite des Gehäuses befestigt ist. Die Komponente der DC/DC-Wandlungseinheit ist beispielsweise das Wandlungseinheitgehäuse und/oder der sekundärseitige Gleichrichter und/oder der primärseitige Wechselrichter und/oder der Transformator.In a further refinement, the primary-side inverter, the transformer and a secondary-side rectifier and preferably a conversion unit housing of the DC/DC conversion unit are integrated into the housing of the fuel cell stack. The integration is performed, for example, by fixing the component of the DC/DC conversion unit to an outside of the case and/or building it into the case and/or fixing it to an inside of the case. The component of the DC/DC conversion unit is, for example, the conversion unit housing and/or the secondary-side rectifier and/or the primary-side inverter and/or the transformer.

In einer ergänzenden Ausgestaltung sind der primärseitige Wechselrichter, der Transformator und vorzugsweise der sekundärseitige Gleichrichter und vorzugsweise das Wandlungseinheitgehäuse der DC/DC-Wandlungseinheit elektrisch von einem Umgebungsraum außerhalb des Gehäuses des Brennstoffzellenstapels isoliert mittels des Gehäuses des Brennstoffzellenstapels und/oder mittels des Wandlungseinheitgehäuses. Der primärseitige Wechselrichter, der Transformator und vorzugsweise der sekundärseitige Gleichrichter sind damit mittels des Gehäuses des Brennstoffzellenstapels und vorzugsweise zusätzlich mittels des Wandlungseinheitgehäuses elektrisch von der Umgebung isoliert, sodass dadurch auch bei einem Defekt des stromleitend geschaltenen Schalters in der Brennstoffzellen-Verbindungsstromleitung lediglich bei einem abgeschalteten primärseitigen Wechselrichter die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels von der Umgebung außerhalb des Gehäuses des Brennstoffzellenstapels zuverlässig isoliert ist. Das Gehäuse des Brennstoffzellenstapels und vorzugsweise das Wandlungseinheitgehäuse isoliert die mit elektrischer Gleichspannung aus dem Brennstoffzellenstapel beaufschlagten Komponenten der DC/DC-Wandlungseinheit als den primärseitigen Wechselrichter und die primäre Spule sowie die Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung von der Umgebung, so dass aufgrund der galvanischen und elektrischen Trennung aufgrund des abgeschalteten primärseitigen Wechselrichters mittels des Transformators keine elektrische Spannung von dem Brennstoffzellestapel nach außerhalb des Gehäuses und/oder Wandlungseinheitgehäuses gelangt.In a supplementary embodiment, the primary-side inverter, the transformer and preferably the secondary-side rectifier and preferably the conversion unit housing of the DC/DC conversion unit are electrically isolated from an ambient space outside the housing of the fuel cell stack by means of the housing of the fuel cell stack and/or by means of the conversion unit housing. The primary-side inverter, the transformer and preferably the secondary-side rectifier are thus electrically isolated from the environment by means of the housing of the fuel cell stack and preferably also by means of the conversion unit housing, so that even if the switch in the fuel cell connecting current line that is switched to conduct is defective, only if the primary-side is switched off Inverter the voltage of the fuel cell stack is reliably isolated from the environment outside the housing of the fuel cell stack. The housing of the fuel cell stack and preferably the conversion unit housing insulates the components of the DC/DC conversion unit that are acted upon by electrical direct voltage from the fuel cell stack as the primary-side inverter and the primary coil as well as the fuel cell stack connecting current line from the environment, so that due to the galvanic and electrical isolation due of the switched-off primary-side inverter no electrical voltage from the fuel cell stack passes to the outside of the housing and/or conversion unit housing by means of the transformer.

In einer zusätzlichen Variante sind der primärseitige Wechselrichter, der Transformator und der sekundärseitige Gleichrichter und vorzugsweise das Wandlungseinheitgehäuse der DC/DC-Wandlungseinheit innerhalb eines von dem Gehäuse des Brennstoffzellenstapels begrenzten Innenraumes angeordnet.In an additional variant, the primary-side inverter, the transformer and the secondary-side rectifier and preferably the conversion unit housing of the DC/DC conversion unit are arranged within an interior space delimited by the housing of the fuel cell stack.

In einer weiteren Ausgestaltung ist in der elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung nur ein mechanischer Schalter oder kein mechanischer Schalter ausgebildet zur elektrischen Trennung des Brennstoffzellenstapels von der DC/DC-Wandlungseinheit.In a further refinement, only a mechanical switch or no mechanical switch is formed in the electric fuel cell stack connecting current line for electrically isolating the fuel cell stack from the DC/DC conversion unit.

Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einem elektronischen Halbleiterschalter elektrisch von dem Transformator der DC/DC-Wandlungseinheit trennbar.In particular, the fuel cell stack can be electrically separated from the transformer of the DC/DC conversion unit with at least one electronic semiconductor switch.

In einer ergänzenden Ausführungsform ist der wenigstens eine elektronische Halbleiterschalter ein elektronischer Halbleiterschalter des primärseitigen Wechselrichters oder ist ein zusätzlicher, nicht für den primärseitigen Wechselrichter fungierender elektronischer Halbleiterschalter.In a supplementary embodiment, the at least one electronic semiconductor switch is an electronic semiconductor switch of the primary-side inverter or is an additional one, not electronic semiconductor switch acting for the primary-side inverter.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine elektronische Halbleiterschalter ein MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) oder IGBT (insulated-gate bipolar transistor).In a further configuration, the at least one electronic semiconductor switch is a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) or IGBT (insulated-gate bipolar transistor).

Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.Fuel cell system according to the invention, in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit with fuel cells, 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 Ausführungsform ist der wenigstens eine Wärmeübertragungsteilabschnitt der Zufuhrleitung für Kühlmittel und/oder der Abfuhrleitung für Kühlmittel strömungsleitend seriell und vor den Kanälen für Kühlmittel geschalten.In a further embodiment, the at least one heat transfer section of the supply line for coolant and/or the discharge line for coolant is connected in series and in front of the channels for coolant in a flow-conducting manner.

In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit einen Kühlmittelkreislauf mit einem Wärmeübertrager zur Abgabe von Wärme an die Umgebung mit dem Wärmeübertrager. Die Abfuhrleitung für Kühlmittel leitet das Kühlmittel von dem Brennstoffzellenstapel zu dem Wärmeübertrager. Die Zufuhrleitung für Kühlmittel leitet das Kühlmittel von dem Wärmeübertrager zu dem Brennstoffzellenstapel.In a further variant, the fuel cell unit includes a coolant circuit with a heat exchanger for dissipating heat to the environment with the heat exchanger. The coolant discharge line directs the coolant from the fuel cell stack to the heat exchanger. The coolant supply line directs the coolant from the heat exchanger to the fuel cell stack.

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

Vorzugsweise sind die Komponenten der Brennstoffzellen fluchtend gestapelt angeordnet.Preferably, the components of the fuel cells are stacked in alignment.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt als Brennstoffzellenstapel angeordnet.In a further embodiment, the fuel cells of the fuel cell unit are stacked in alignment and arranged as a fuel cell stack.

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

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Lagerplatte und/oder eine Anschlussplatte.In a further configuration, the fuel cell unit comprises a housing and/or a bearing plate and/or a connection 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 im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.The fuel 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.The fuel cell unit is preferably a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells.

Figurenlistecharacter list

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

  • 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
  • 3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
  • 4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Brennstoffzellenstapel ohne Darstellung eines Gehäuses der Brennstoffzelleneinheit,
  • 5 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4 mit Darstellung des Gehäuses und einer Lagerplatte,
  • 6 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit Darstellung des Gehäuses und der Lagerplatte,
  • 7 eine perspektivische Ansicht der Brennstoffzelleneinheit in einem dritten Ausführungsbeispiel mit dem Brennstoffzellenstapel ohne Darstellung des Gehäuses der Brennstoffzelleneinheit und
  • 8 eine stark schematisierte Funktionsdarstellung der Brennstoffzelleneinheit mit den elektrischen und hydraulischen Verbindungen.
Exemplary embodiments of the invention are 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 unit in a first embodiment with a fuel cell stack without showing a housing of the fuel cell unit,
  • 5 according to a vertical section through the fuel cell unit 4 with representation of the housing and a bearing plate,
  • 6 a vertical section through the fuel cell unit in a second embodiment tion example showing the housing and the bearing plate,
  • 7 a perspective view of the fuel cell unit in a third embodiment with the fuel cell stack without showing the housing of the fuel cell unit and
  • 8th a highly schematic functional representation of the fuel cell unit with the electrical and hydraulic connections.

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: 2H 2 → 4H + + 4e -
  • 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 in einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 67 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 a fuel cell unit 1 with a fuel cell stack 67 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 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 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 7, 8 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 7, 8 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.

Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nafion®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H+ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).Deviating from this, the electrodes 7, 8 are constructed from an ionomer, for example Nafion®, platinum-containing carbon particles and additives. These electrodes 7, 8 with the ionomer are electrically conductive due to the carbon particles and also conduct the protons H + and also function as a catalyst layer 30 due to the platinum-containing carbon particles. membrane Electrode arrangements 6 with these electrodes 7, 8 comprising the ionomer form membrane electrode arrangements 6 as CCM (catalyst coated membrane).

Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.On the anode 7 and the cathode 8 there is a gas diffusion layer 9 (gas diffusion layer, GDL). The gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from fuel channels 12 evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7. The gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from oxidant channels 13 evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8. The GDL 9 also withdraws reaction water in the reverse direction to the direction of flow of the reaction gases, i. H. in one direction each from the catalyst layer 30 to the channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 wet and conducts the current. The GDL 9, for example, is made up of hydrophobic carbon paper and a bonded layer of carbon powder.

Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder 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.A bipolar plate 10 rests on the GDL 9 . The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for conducting the reaction gases through a channel structure 29 and/or a flow field 29 and for dissipating the waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8 . Channels 14 for the passage of a liquid or gaseous coolant are incorporated into the bipolar plate 10 in order to dissipate the waste heat. The channel structure 29 in the gas space 31 for fuel is formed by channels 12 . The channel structure 29 in the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by channels 13 . Metal, conductive plastics and composite materials or graphite, for example, are used as the material for the bipolar plates 10 . 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 einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit dem Brennstoffzellenstapel 67 als einem Brennstoffzellenstack 67 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die schichtförmigen und ebenen Brennstoffzellen 2 und schichtförmigen und ebenen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 spannen fiktive Ebenen 37 auf, die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. 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 a fuel cell unit 1 with the fuel cell stack 67 as a fuel cell stack 67, a plurality of fuel cells 2 are arranged stacked in alignment ( 4 ). The layered and planar fuel cells 2 and layered and planar components 5, 6, 7, 8, 9, 10 of the fuel cells 2 span fictitious planes 37 which are essentially aligned parallel to one another. 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 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 an Abdichtschichten (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegender 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 and den Abdichtschichten der Membranelektrodenanordnungen 6 mit dazwischen liegenden Dichtungen (nicht dargestellt) zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 als in den Brennstoffzellenstack 67 integrierte kanalförmige Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28, 63, 64. 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. 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 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 in the end area near the channels 12, 13, 14 as aligned fluid openings on sealing layers (not shown) 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 on the sealing layers of the membrane electrode assemblies 6 with seals (not shown) in between for partial formation of the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 as channel-shaped supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28, 63, 64 integrated into the fuel cell stack 67. The fuel cell unit 1 together with the pressure gas storage 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 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 67 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 67 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.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 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 67 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 67 as small as possible. In order to brace the fuel cells 2 with the tensioning elements 33, four connecting devices 39 are designed as bolts 40 on the fuel cell unit 1, which are subjected to tensile stress. The four bolts 40 are firmly connected to the chipboards 34 .

In den 4 und 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ein Gehäuse 43 und eine Lagerplatte 41. Das Gehäuse 43 ist an der Lagerplatte 41 mit Fixierungselementen 44 als Schrauben 45 oder Fixierungsbolzen befestigt, so dass das Gehäuse 43 und die Lagerplatte 41 einen Innenraum 38 begrenzen und in dem Innenraum 38 ist der Brennstoffzellenstapel 67 angeordnet. Die Lagerplatte 41 bildet auch eine Anschlussplatte 42 zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 67 mit den Prozessfluiden Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. Die Lagerplatte 41 und die Anschlussplatte 42 bilden auch das Gehäuse 43. In dem Brennstoffzellenstack 67, der unteren Spannplatte 36 und der Anschlussplatte 42 sind insgesamt 6 Öffnungen (teilweise dargestellt) zum Ein- und Ausleiten der Prozessfluide in und aus dem Innenraum 38 ausgebildet. Der Brennstoffzellenstapel 67, die untere Spannplatte 36 und die Anschlussplatte 42 weist eine Kühlmittel-Einlassöffnung 46 zum Einleiten von Kühlmittel und eine Kühlmittel-Auslassöffnung 47 zum Ausleiten von Kühlmittel auf.In the 4 and 5 a first exemplary embodiment of the fuel cell unit 1 is shown. The fuel cell unit 1 comprises a housing 43 and a bearing plate 41. The housing 43 is attached to the bearing plate 41 with fixing elements 44 as screws 45 or fixing bolts, so that the housing 43 and the bearing plate 41 delimit an interior space 38 and in the interior space 38 is the Fuel cell stack 67 arranged. The bearing plate 41 also forms a connection plate 42 for supplying the fuel cell stack 67 with the process fluids fuel, oxidant and coolant. The bearing plate 41 and the connection plate 42 also form the housing 43. In the fuel cell stack 67, the lower clamping plate 36 and the connection plate 42, a total of 6 openings (partially shown) are formed for introducing and discharging the process fluids into and out of the interior 38. The fuel cell stack 67, the lower clamping plate 36 and the connection plate 42 has a coolant inlet port 46 for introducing coolant and a coolant outlet port 47 for discharging coolant.

In 8 ist ein Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 abgebildet mit Darstellung der elektrischen und hydraulischen Verbindungen. 8 dient zur Darstellung der elektrischen und hydraulischen Funktionsweise der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstapel 67 mit den gestapelten Brennstoffzellen 2 ist mit zwei elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsleitungen 48 elektrisch mit einem primärseitigen Wechselrichter 54 verbunden. Die von dem Brennstoffzellenstapel 67 erzeugte elektrische Energie in Form von Gleichstrom wird in dem primärseitigen Wechselrichter 54 mit Halbleiterschaltern in Wechselstrom oder eine andere zerhackte Form von Strom, beispielsweise als Sägezahnspannung oder rechteckförmige Spannung, zerhackt. In die zwei Brennstoffzellenstapel-Verbindungsleitungen 48 ist nur in einer Brennstoffzellenstapel-Verbindungsleitungen 48 ein Schalter 49 eingebaut. Der Schalter 49 ist als ein Halbleiterschalter 50 ausgebildet, beispielsweise als ein MOSFET 51 oder als ein IGBT 52. Eine DC/DC-Wandlungseinheit 53 umfasst neben dem primärseitigen Wechselrichter 54 einen Transformator 56 und einen sekundärseitigen Gleichrichter 55. Der Transformator 56 umfasst zwei Spulen 58, 68. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist von einem Wandlungseinheitgehäuse 57 umschlossen. Der von dem primärseitigen Wechselrichter 54 zur Verfügung gestellte Wechselstrom wird durch eine primäre Spule 58 geleitet und dieser Wechselstrom induziert in einer sekundären Spule 68 des Transformators 56 einen Wechselstrom. Dieser Wechselstrom wird in dem sekundärseitigen Gleichrichter 55 in einen Gleichstrom umgewandelt. Der sekundärseitige Gleichrichter 55 umfasst Kondensatoren und Halbleiterschalter zur Glättung des Wechselstroms in einen Gleichstrom. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 kann damit die Spannung des von dem Brennstoffzellenstapel 67 zur Verfügung gestellten Gleichstromes auf ein anderes Spannungsniveau in einem Verbraucherstromkreis 59 verändern. Beispielsweise bei einer Spannung von 400 V an dem Brennstoffzellenstapel 67 mit einer Veränderlichkeit der Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 67 kann von der DC/DC-Wandlungseinheit 53 eine im Wesentlichen konstante Gleichspannung von beispielsweise 600 V in dem Verbraucherstromkreis 59 zur Verfügung gestellt werden. Der Verbraucherstromkreis 59 ist ein Hochvoltstromkreis 60 mit einer Spannung von 600 V und dient zur Versorgung eines Elektromotors 62 für die Traktion bzw. den Antrieb eines Kraftfahrzeuges. In dem Hochvoltstromkreis 60 ist der Elektromotor 62 mit Hochvoltstromleitungen 64 mit einem Wechselrichter 63 für den Elektromotor 62 elektrisch verbunden. In die Hochvoltstromleitung 64 für Gleichstrom ist eine Batterie 61 als eine Lithiumionenbatterie 61 eingebunden zur kurzfristigen Speicherung von elektrischer Energie und zur Versorgung des Elektromotors 62 bei Leistungsspitzen. Die Batterie 61 ist mit Hochvoltstromleitungen 64 mit dem sekundärseitigen Gleichrichter 55 elektrisch verbunden. Der Wechselrichter 63 wandelt den Gleichstrom mit der Spannung von 600 V in einen vorzugsweise dreiphasigen Wechselstrom um. Der dreiphasige Wechselstrom wird mit mehreren Hochvoltstromleitungen 64 (teilweise dargestellt) dem Elektromotor 62 zur Traktion des Kraftfahrzeuges zugeführt. In dem Hochvoltstromkreis 60 ist ein weiterer, nicht dargestellter Wechselrichter eingebaut zur Versorgung eines Elektromotors zum Antrieb des Gebläse 23.In 8th 1 is an exemplary embodiment of the fuel cell unit 1 showing the electrical and hydraulic connections. 8th serves to show the electrical and hydraulic functioning of the fuel cell unit 1. The fuel cell stack 67 with the stacked fuel cells 2 is electrically connected to an inverter 54 on the primary side by means of two electrical fuel cell stack connecting lines 48. The electrical energy generated by the fuel cell stack 67 in the form of direct current is chopped in the primary-side inverter 54 with semiconductor switches into alternating current or another chopped form of current, for example as a sawtooth voltage or square-wave voltage. A switch 49 is installed in only one fuel cell stack connection line 48 of the two fuel cell stack connection lines 48 . The switch 49 is designed as a semiconductor switch 50, for example as a MOSFET 51 or as an IGBT 52. A DC/DC conversion unit 53 includes, in addition to the primary-side inverter 54, a transformer 56 and a secondary-side rectifier 55. The transformer 56 includes two coils 58 , 68. The DC/DC conversion unit 53 is enclosed by a conversion unit case 57. FIG. The alternating current provided by the primary-side inverter 54 is passed through a primary coil 58 and this alternating current induces an alternating current in a secondary coil 68 of the transformer 56 . This alternating current is converted into direct current in the rectifier 55 on the secondary side. The secondary-side rectifier 55 includes capacitors and semiconductor switches for smoothing the AC power into a DC power. The DC/DC conversion unit 53 can thus change the voltage of the direct current provided by the fuel cell stack 67 to a different voltage level in a load circuit 59 . For example, with a voltage of 400 V at the fuel cell stack 67 with a variability of the voltage at the fuel cell stack 67, the DC/DC converter unit 53 can provide a substantially constant DC voltage of, for example, 600 V in the load circuit 59. The consumer circuit 59 is a high-voltage circuit 60 with a voltage of 600 V and is used to supply an electric motor 62 for the traction or the drive of a motor vehicle. In the high-voltage circuit 60 , the electric motor 62 is electrically connected to an inverter 63 for the electric motor 62 with high-voltage current lines 64 . A battery 61 as a lithium-ion battery 61 is integrated into the high-voltage power line 64 for direct current for short-term storage of electrical energy and for supplying the electric motor 62 with power peaks. The battery 61 is electrically connected to the secondary-side rectifier 55 with high-voltage power lines 64 . The inverter 63 converts the direct current with the voltage of 600 V into a preferably three-phase alternating current. The three-phase alternating current is supplied with a plurality of high-voltage power lines 64 (partially shown). Electric motor 62 supplied to the traction of the motor vehicle. Another inverter, not shown, is installed in the high-voltage circuit 60 to supply an electric motor for driving the fan 23.

An den elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen 48 ist eine weitere, nicht dargestellte DC/DC-Wandlungseinheit angeschlossen, die einen Niedervoltstromkreis mit elektrischer Energie versorgt. Der Niedervoltstromkreis (nicht dargestellt) weist eine Spannung von 12 V oder 24 V auf und dient zur Versorgung weiterer Komponenten eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise dem Fahrlicht und der Innenraumbeleuchtung. Die DC/DC-Wandlungseinheit für den Niedervoltstromkreis ist analog wie die DC/DC-Wandlungseinheit 53 für den Hochvoltstromkreis 60 elektrisch von der Umgebung um das Gehäuse 43 und/oder das Wandlungseinheitgehäuse 57 isoliert.A further DC/DC conversion unit, not shown, is connected to the electric fuel cell stack connecting current lines 48 and supplies a low-voltage electric circuit with electric energy. The low-voltage circuit (not shown) has a voltage of 12 V or 24 V and is used to supply other components of a motor vehicle, for example the headlights and the interior lighting. Analogously to the DC/DC conversion unit 53 for the high-voltage circuit 60 , the DC/DC conversion unit for the low-voltage circuit is electrically isolated from the environment around the housing 43 and/or the conversion unit housing 57 .

Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist mittels Kühlmittel für die Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. dem Brennstoffzellenstapel 67 der Brennstoffzellen 2, gekühlt. Das Kühlmittel als eine Kühlflüssigkeit wird durch die Kühlmittel-Einlassöffnung 46 in den Brennstoffzellenstapel 67 eingeleitet und durch die Kühlmittel-Auslassöffnung 47 aus dem Brennstoffzellenstapel 67 ausgeleitet. Die Zuführleitung 27 für Kühlmittel mündet in die Kühlmittel-Einlassöffnung 46 und die Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel mündet in die Kühlmittel-Auslassöffnung 47. Die Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel ist thermisch und mechanisch mit dem Wandlungseinheitgehäuse 57 verbunden. An dem Wandlungseinheitgehäuse 57 sind mechanisch unmittelbar Komponenten der DC/DC-Wandlungseinheit 53 angeordnet, sodass eine gute Wärmeleitfähigkeit einerseits zwischen diesen Komponenten der DC/DC-Wandlungseinheit 53 und dem Wandlungseinheitgehäuse 57 und andererseits dem Kühlmittel vorhanden ist. Beispielsweise sind somit die Halbleiterschalter und der primärseitige Wechselrichter 54 der DC/DC-Wandlungseinheit 53 unmittelbar an einer Innenseite des Wandlungseinheitgehäuses 57 befestigt. Der Wärmeübertragungsteilabschnitt 65 der Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel ist unmittelbar an einer Außenseite des Wandlungseinheitgehäuses 57 befestigt. Der Wärmeübertragungsteilabschnitt 65 der Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel ist somit strömungsleitend in Serie und nach den Kanälen 14 für Kühlmittel geschalten. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst auch eine Steuerungs- und/oder Regeleinheit 66 zur Steuerung der Brennstoffzelleneinheit 1. Die Steuerungs- und oder Regeleinheit 66 dient zur Steuerung und/oder Regelung der Brennstoffzelleneinheit 1. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst neben dem Brennstoffzellenstapel 67 auch die DC/DC-Wandlungseinheit 53, sodass die Brennstoffzelleneinheit 1 als ein System insgesamt zur Versorgung des Hochvoltstromkreises 60 mit Gleichstrom mit einer im Wesentlichen konstanten Spannung an dem sekundärseitigen Gleichrichter 55 fungiert.The DC/DC conversion unit 53 is connected to the fuel cell unit 1 by means of coolant, i. H. the fuel cell stack 67 of the fuel cells 2, cooled. The coolant as a cooling liquid is introduced into the fuel cell stack 67 through the coolant inlet port 46 and discharged out of the fuel cell stack 67 through the coolant outlet port 47 . The coolant supply line 27 opens into the coolant inlet opening 46 and the coolant discharge line 28 opens into the coolant outlet opening 47 . The coolant discharge line 28 is thermally and mechanically connected to the conversion unit housing 57 . Components of the DC/DC conversion unit 53 are mechanically arranged directly on the conversion unit housing 57, so that there is good thermal conductivity between these components of the DC/DC conversion unit 53 and the conversion unit housing 57 on the one hand and the coolant on the other. For example, the semiconductor switches and the primary-side inverter 54 of the DC/DC conversion unit 53 are thus attached directly to an inside of the conversion unit housing 57 . The heat transfer section 65 of the coolant discharge pipe 28 is fixed directly to an outside of the conversion unit case 57 . The heat transfer section 65 of the discharge line 28 for coolant is thus connected in series and after the channels 14 for coolant in a flow-conducting manner. The fuel cell unit 1 also includes a control and/or regulation unit 66 for controlling the fuel cell unit 1. The control and/or regulation unit 66 is used to control and/or regulate the fuel cell unit 1. The fuel cell unit 1 also includes the DC/DC in addition to the fuel cell stack 67 -Conversion unit 53, so that the fuel cell unit 1 functions as a system as a whole for supplying the high-voltage circuit 60 with direct current with a substantially constant voltage at the secondary-side rectifier 55.

In 4 und 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Die DC/DC Wandlungseinheit 53 ist in das Gehäuse 43 des Brennstoffzellenstapels 67 integriert. Hierzu ist das Wandlungseinheitgehäuse 57 außenseitig an dem Gehäuse 43 des Brennstoffzellenstapels 67 befestigt. In 5 ist die Zuführleitung 27 für Kühlmittel nicht abgebildet. Entsprechend der Darstellung in 8 ist die Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel zu der Außenseite des Wandlungseinheitgehäuses 57 geführt, sodass ein Teil der Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel an einem Wärmeübertragungsteilabschnitt 65 in mechanisch und thermisch leitenden Kontakt zu der Außenseite des Wandlungseinheitgehäuses 57 steht. Aufgrund der Befestigung der DCDC-Wandlungseinheit 53 außenseitig an dem Gehäuse 43 ist in vorteilhafter Weise nur eine geringe Länge der Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel von der Kühlmittel-Auslassöffnung 47 zu dem Wärmeübertragungsteilabschnitt 65 der Abfuhrleitung 28 notwendig. Damit können Kosten und Bauraum eingespart werden und die Brennstoffzelleneinheit 1 ist in der Herstellung preiswert. Vorzugsweise ist die Länge der Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel von der Kühlmittel-Auslassöffnung 47 zu dem Wärmeübertragungsteilabschnitt 65 der Abfuhrleitung 28 kleiner als 50% oder 30% der maximalen Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels 67 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37. Vorzugsweise ist die Länge der Zufuhrleitung 27 für Kühlmittel von der Kühlmittel-Einlassöffnung 46 zu dem Wärmeübertragungsteilabschnitt 65 der Zufuhrleitung 27 kleiner als 50% oder 30% der maximalen Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels 67 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37.In 4 and 5 a first exemplary embodiment of the fuel cell unit 1 is shown. The DC/DC conversion unit 53 is integrated into the housing 43 of the fuel cell stack 67 . For this purpose, the conversion unit housing 57 is fastened to the housing 43 of the fuel cell stack 67 on the outside. In 5 the supply line 27 for coolant is not shown. According to the illustration in 8th For example, the coolant discharge line 28 is led to the outside of the conversion unit housing 57 so that part of the coolant discharge line 28 is in mechanically and thermally conductive contact with the outside of the conversion unit housing 57 at a heat transfer section 65 . Due to the fastening of the DCDC conversion unit 53 on the outside of the housing 43, only a small length of the discharge line 28 for coolant from the coolant outlet opening 47 to the heat transfer section 65 of the discharge line 28 is advantageously necessary. Costs and installation space can thus be saved and the fuel cell unit 1 is inexpensive to manufacture. Preferably, the length of the discharge line 28 for coolant from the coolant outlet opening 47 to the heat transfer section 65 of the discharge line 28 is less than 50% or 30% of the maximum extension of the fuel cell stack 67 perpendicular to the notional planes 37. Preferably, the length of the supply line 27 for Coolant from the coolant inlet opening 46 to the heat transfer section 65 of the supply line 27 is less than 50% or 30% of the maximum extent of the fuel cell stack 67 perpendicular to the notional planes 37.

In 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist innerhalb des Innenraumes 38 angeordnet und an einer Innenseite des Gehäuses 43 des Brennstoffzellenstapels 67 befestigt. Die Abfuhrleitung 28 ist durch das Gehäuse 43 durchgeführt, sodass der Wärmeübertragungsteilabschnitt 65 der Abfuhrleitung 28 unmittelbar innerhalb des Innenraumes 38 auf dem Wandlungseinheitgehäuse 57 aufliegt. Alternativ dazu kann der Wärmeübertragungsteilabschnitt 65 der Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel auch auf der Außenseite des Gehäuses 43 aufliegen im Bereich der DC/DC-Wandlungseinheit 53 (nicht dargestellt). Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses 43 aus Metall kann die Wärme von der DC/DC-Wandlungseinheit 53 gut durch das Gehäuse 43 zu dem Wärmeübertragungsteilabschnitt 65 der Abfuhrleitung 28 geleitet werden.In 6 a second exemplary embodiment of the fuel cell unit 1 is shown. The DC/DC conversion unit 53 is arranged inside the inner space 38 and fixed to an inside of the case 43 of the fuel cell stack 67 . The discharge line 28 is passed through the housing 43 so that the heat transfer section 65 of the discharge line 28 rests on the conversion unit housing 57 directly inside the interior 38 . As an alternative to this, the heat transfer section 65 of the discharge line 28 for coolant can also rest on the outside of the housing 43 in the area of the DC/DC conversion unit 53 (not shown). Due to the good thermal conductivity of the metal case 43 , the heat from the DC/DC conversion unit 53 can be conducted well through the case 43 to the heat transfer section 65 of the discharge line 28 .

In 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. In 7 ist das Gehäuse 43 des Brennstoffzellenstapels 67 nicht dargestellt. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist außenseitig an dem Brennstoffzellenstapel 67 mit den Brennstoffzellen 2 befestigt. Dabei ist zwischen der DC/DC-Wandlungseinheit 53 und dem Brennstoffzellenstapel 67 mit den Brennstoffzellen 2 eine elektrische Isolierung vorhanden, welche jedoch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Diese elektrische Isolierung ermöglicht einerseits, dass kein Kurzschluss an den Brennstoffzellen 2 auftritt und andererseits Abwärme aus der DC/DC-Wandlungseinheit 53 zu den Brennstoffzellen 2 geleitet und abgeleitet werden kann. Die Brennstoffzellen 2 weisen eine große Anzahl an Kanälen 14 für Kühlmittel auf, sodass dadurch die Abwärme der DC/DC-Wandlungseinheit 53 gut von dem Kühlmittel in den Kanälen 14 aufgenommen werden kann ohne dass dadurch lokal einzelne Brennstoffzellen 2 in der Nähe der DC/DC-Wandlungseinheit 53 eine zu große Temperatur aufweisen.In 7 a third exemplary embodiment of the fuel cell unit 1 is shown. In 7 the housing 43 of the fuel cell stack 67 is not shown. The DC/DC conversion unit 53 is attached to the outside of the fuel cell stack 67 with the fuel cells 2 . There is electrical insulation between the DC/DC conversion unit 53 and the fuel cell stack 67 with the fuel cells 2, but this has good thermal conductivity. On the one hand, this electrical insulation makes it possible for no short circuit to occur in the fuel cells 2 and, on the other hand, waste heat from the DC/DC conversion unit 53 can be conducted to the fuel cells 2 and dissipated. The fuel cells 2 have a large number of channels 14 for coolant, so that the waste heat from the DC/DC conversion unit 53 can be easily absorbed by the coolant in the channels 14 without locally individual fuel cells 2 in the vicinity of the DC/DC -Conversion unit 53 have too high a temperature.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Aufgrund der Integration der DC/DC-Wandlungseinheit 53 in das Gehäuse 43 des Brennstoffzellenstapels 67 oder einer Anordnung der DC/DC-Wandlungseinheit 53 innerhalb des Innenraumes 38 bzw. innerhalb des Gehäuses 43 der Brennstoff Zelleneinheit 1 werden nur sehr geringe Längen an der Abfuhrleitung 28 zur Leitung des Kühlmittels von der Kühlmittel-Auslassöffnung 47 zu dem Wärmeübertragungsteilabschnitt 65 benötigt. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 umfasst den Transformator 56 mit 2 Spulen 58, 68. Aufgrund des Transformators 56 ist der Brennstoffzellenstapel 67 mit den Brennstoffzellen 2 galvanisch von dem sekundärseitigen Gleichrichter 55 und damit auch von dem Verbraucherstromkreis 59 getrennt. Auch bei einem defekten Schalter 49 in der Brennstoffzellenstapel-Verbindungstromleitung 48, d. h. bei einem geschlossenen Schalter 49, obwohl der Schalter 49 geöffnet sein sollte, und bei einem abgeschalteten primärseitigen Wechselrichter 54 ist an dem sekundärseitigen Gleichrichter 55 keine Spannung von dem Brennstoffzellenstapel 67 vorhanden, weil an der sekundären Spule 68 kein Strom induziert wird bei abgeschalteten primärseitigen Wechselrichter 54. Da jedoch zusätzlich die DC/DC-Wandlungseinheit 53 in das Gehäuse 43 des Brennstoffzellenstapels 67 eingebaut ist oder integriert ist tritt die Spannung des Brennstoffzellenstapels 67 aufgrund der elektrischen Isolation des Gehäuses 43 nicht außerhalb des Gehäuses 43 oder nicht in einem großen Abstand, beispielsweise mehr als 5 cm, 10 cm oder 30 cm, zu dem Gehäuse 43 auf. Stromführende Komponenten weisen keinen elektrischen und mechanischen Kontakt zu dem Gehäuse 43 auf. Damit hat ein defekter Schalter 49 keine sicherheitsrelevante Auswirkung, weil lediglich durch das zuverlässige Abschalten des primärseitigen Wechselrichter 54 die von dem Brennstoffzellenstapel 67 erzeugte elektrische Spannung nicht in die Umgebung des Gehäuses 43 gelangt. In vorteilhafter Weise kann dadurch auf wenigstens einen mechanischen Schalter 49 in der Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung 48 verzichtet werden. Die Brennstoffzelleneinheit 1 ist damit kompakt und preiswert in der Herstellung aufgrund der geringen Leitungslänge der Abfuhrleitung 28 oder der Zufuhrleitung 27 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 67 und dem Wärmeübertragungsteilabschnitt 65. Die elektrische Isolationswirkung des Gehäuses 43 des Brennstoffzellenstapels 67 und/oder des Wandlungseinheitgehäuses 57 wird vorteilhaft ausgenutzt, sodass dadurch auch bei einem Defekt des Schalters 49 eine zuverlässige elektrische und galvanische Abtrennung des Brennstoffzellenstapels 67 von der Umgebung um das Gehäuse 43 und/oder das Wandlungseinheitgehäuses 57 gewährleistet ist indem der Transformator 56 die zuverlässige galvanische und elektrische Trennung bei dem abgeschalteten primärseitigen Wechselrichter 54 ermöglicht.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. Due to the integration of the DC/DC conversion unit 53 in the housing 43 of the fuel cell stack 67 or an arrangement of the DC/DC conversion unit 53 within the interior 38 or within the housing 43 of the fuel cell unit 1, only very short lengths are required on the discharge line 28 needed to conduct the coolant from the coolant outlet port 47 to the heat transfer section 65 . The DC/DC conversion unit 53 includes the transformer 56 with 2 coils 58, 68. Because of the transformer 56, the fuel cell stack 67 with the fuel cells 2 is galvanically isolated from the secondary-side rectifier 55 and thus also from the load circuit 59. Even with a defective switch 49 in the fuel cell stack connecting current line 48, i. H. with switch 49 closed, although switch 49 should be open, and with primary-side inverter 54 switched off, there is no voltage from fuel cell stack 67 at secondary-side rectifier 55 because no current is induced on secondary coil 68 with primary-side inverter 54 switched off In addition, however, since the DC/DC conversion unit 53 is built or integrated into the casing 43 of the fuel cell stack 67, the voltage of the fuel cell stack 67 does not appear outside the casing 43 or at a large distance, for example, more, due to the electrical insulation of the casing 43 than 5 cm, 10 cm or 30 cm, to the housing 43. Current-carrying components have no electrical or mechanical contact with the housing 43 . A defective switch 49 therefore has no safety-relevant effect, because the electrical voltage generated by the fuel cell stack 67 does not reach the area surrounding the housing 43 simply by reliably switching off the primary-side inverter 54 . As a result, at least one mechanical switch 49 in the fuel cell stack connecting current line 48 can advantageously be dispensed with. The fuel cell unit 1 is therefore compact and inexpensive to manufacture due to the short line length of the discharge line 28 or the supply line 27 between the fuel cell stack 67 and the heat transfer section 65. The electrical insulating effect of the housing 43 of the fuel cell stack 67 and/or the conversion unit housing 57 is advantageously used so that even in the event of a defect in switch 49, reliable electrical and galvanic isolation of fuel cell stack 67 from the environment around housing 43 and/or conversion unit housing 57 is ensured by transformer 56 enabling reliable galvanic and electrical isolation when primary-side inverter 54 is switched off .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 2949500 B1 [0004]EP 2949500 B1 [0004]

Claims (15)

Brennstoffzelleneinheit (1) als System zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) als Brennstoffzellenstapel (67), die Brennstoffzellen (2) umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10) und wenigstens eine Gasdiffusionsschicht (9), - elektrische Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen (48) für Gleichstrom für die von dem Brennstoffzellenstapel (67) erzeugte elektrische Energie und die elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen (48) mit den Brennstoffzellen (2) des Brennstoffzellenstapels (67) elektrisch leitend verbunden sind, - in den Brennstoffzellenstapel (67) integrierte Kanäle (14) zur Temperierung, insbesondere Kühlung, des Brennstoffzellenstapels (67), - eine Zufuhrleitung (27) zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle (14) für Kühlmittel, - eine Abfuhrleitung (28) zur Ableitung des durch die Kanäle (14) für Kühlmittel geleiteten Kühlmittels, - ein Gehäuse (43), welches den Brennstoffzellenstapel (67) umschließt, - eine DC/DC-Wandlungseinheit (53) mit einem Transformator (56) zur galvanischen Trennung des Brennstoffzellenstapels (67) von einem Verbraucherstromkreis (59) und die DC/DC-Wandlungseinheit (53) mit der Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung (48) mit dem Brennstoffzellestapel (67) elektrisch leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlungseinheit (53) in wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlmittel steht, so dass die DC/DC-Wandlungseinheit (53) von dem Kühlmittel gekühlt ist.Fuel cell unit (1) as a system for the electrochemical generation of electrical energy, comprising - fuel cells (2) arranged stacked as fuel cell stack (67), the fuel cells (2) comprising as layered components each a proton exchange membrane (5), an anode (7), a cathode (8), a bipolar plate (10) and at least one gas diffusion layer (9), - electrical fuel cell stack connecting power lines (48) for direct current for the electrical energy generated by the fuel cell stack (67) and the electrical fuel cell stack connecting power lines (48) with the fuel cells (2) of the fuel cell stack (67) are electrically conductively connected, - channels (14) integrated in the fuel cell stack (67) for temperature control, in particular cooling, of the fuel cell stack (67), - a supply line (27) for supplying coolant to the Channels (14) for coolant, - a discharge line (28) for discharging the du rch the channels (14) for coolant conducted coolant, - a housing (43) which encloses the fuel cell stack (67), - a DC / DC conversion unit (53) with a transformer (56) for galvanic isolation of the fuel cell stack (67) by a load circuit (59) and the DC/DC conversion unit (53) is electrically conductively connected to the fuel cell stack connecting current line (48) to the fuel cell stack (67), characterized in that the DC/DC conversion unit (53) is in a thermally conductive Connection with the coolant is, so that the DC / DC conversion unit (53) is cooled by the coolant. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wärmeübertragungsteilabschnitt (65) der Zufuhrleitung (27) für Kühlmittel und/oder der Abfuhrleitung (28) für Kühlmittel und/oder der Kanäle (14) für Kühlmittel zur Wärmeübertragung von der DC/DC-Wandungseinheit (53) zu dem Kühlmittel fungiert.fuel cell unit claim 1 , characterized in that at least one heat transfer section (65) of the feed line (27) for coolant and/or the discharge line (28) for coolant and/or the channels (14) for coolant for heat transfer from the DC/DC wall unit (53) acts to the coolant. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des wenigstens einen Wärmeübertragungsteilabschnittes (65) der Zufuhrleitung (27) für Kühlmittel und/oder der Abfuhrleitung (28) für Kühlmittel und/oder der Kanäle (14) für Kühlmittel zu der DC/DC-Wandlungseinheit (53) kleiner als 30 cm, 10 cm, 3 cm oder 1 cm ist.fuel cell unit claim 2 , characterized in that the distance of the at least one heat transfer section (65) of the supply line (27) for coolant and/or the discharge line (28) for coolant and/or the channels (14) for coolant to the DC/DC conversion unit (53 ) is less than 30 cm, 10 cm, 3 cm or 1 cm. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeübertragungsteilabschnitt (65) der Zufuhrleitung (27) für Kühlmittel und/oder der Abfuhrleitung (28) für Kühlmittel und/oder der Kanäle (14) für Kühlmittel in mittelbaren oder unmittelbaren mechanischen Kontakt zu der DC/DC-Wandlungseinheit (53) steht.fuel cell unit claim 2 or 3 , characterized in that the at least one heat transfer section (65) of the feed line (27) for coolant and/or the discharge line (28) for coolant and/or the channels (14) for coolant is in direct or indirect mechanical contact with the DC/DC -Conversion unit (53) stands. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeübertragungsteilabschnitt (65) der Zufuhrleitung (27) für Kühlmittel und/oder der Abfuhrleitung (28) für Kühlmittel strömungsleitend seriell oder parallel zu den Kanälen (14) für Kühlmittel geschalten ist.Fuel cell unit according to one or more of claims 2 until 4 , characterized in that the at least one heat transfer section (65) of the supply line (27) for coolant and / or the discharge line (28) for coolant is connected flow-conducting in series or parallel to the channels (14) for coolant. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeübertragungsteilabschnitt (65) der Abfuhrleitung (28) für Kühlmittel strömungsleitend seriell und nach den Kanälen (14) für Kühlmittel geschalten ist.fuel cell unit claim 5 , characterized in that the at least one heat transfer section (65) of the discharge line (28) for coolant is connected in series and after the channels (14) for coolant flow-guiding. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein primärseitiger Wechselrichter (54) und der Transformator (56) der DC/DC-Wandlungseinheit (53) in das Gehäuse (43) des Brennstoffzellenstapels (67) integriert sind.Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that a primary-side inverter (54) and the transformer (56) of the DC/DC conversion unit (53) are integrated into the housing (43) of the fuel cell stack (67). Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige Wechselrichter (54), der Transformator (56) und ein sekundärseitiger Gleichrichter (55) und vorzugsweise ein Wandlungseinheitgehäuse (57) der DC/DC-Wandlungseinheit (53) in das Gehäuse (43) des Brennstoffzellenstapels (67) integriert ist.Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the primary-side inverter (54), the transformer (56) and a secondary-side rectifier (55) and preferably a conversion unit housing (57) of the DC/DC conversion unit (53) in the Housing (43) of the fuel cell stack (67) is integrated. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige Wechselrichter (54), der Transformator (56) und vorzugsweise der sekundärseitige Gleichrichter (55) und vorzugsweise das Wandlungseinheitgehäuse (57) der DC/DC-Wandlungseinheit (53) elektrisch von einem Umgebungsraum außerhalb des Gehäuses (43) des Brennstoffzellenstapels (67) isoliert sind mittels des Gehäuses (53) des Brennstoffzellenstapels (67).Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the primary-side inverter (54), the transformer (56) and preferably the secondary-side rectifier (55) and preferably the conversion unit housing (57) of the DC/DC conversion unit (53) electrically are isolated from an ambient space outside the casing (43) of the fuel cell stack (67) by the casing (53) of the fuel cell stack (67). Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige Wechselrichter (54), der Transformator (56) und vorzugsweise der sekundärseitige Gleichrichter (55) und vorzugsweise das Wandlungseinheitgehäuse (57) der DC/DC-Wandlungseinheit (53) innerhalb eines von dem Gehäuse (43) des Brennstoffzellenstapels (67) begrenzten Innenraumes angeordnet sind.Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the primary-side inverter (54), the transformer (56) and preferably the secondary-side rectifier (55) and preferably the conversion unit housing (57) of the DC / DC conversion unit (53) inside one of the housing (43) of the fuel cell stack (67) delimited interior space are arranged. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung (48) nur ein mechanischer Schalter (49) oder kein mechanischer Schalter (49) ausgebildet ist zur elektrischen Trennung des Brennstoffzellenstapels (67) von der DC/DC-Wandlungseinheit (53).Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that only a mechanical switch (49) or no mechanical switch (49) is formed in the electric fuel cell stack connecting current line (48) for the electrical separation of the fuel cell stack (67) from the DC/ DC conversion unit (53). Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (67) mit wenigstens einem elektronischen Halbleiterschalter (50) elektrisch von dem Transformator (56) der DC/DC-Wandlungseinheit (53) trennbar ist.Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell stack (67) can be electrically separated from the transformer (56) of the DC/DC conversion unit (53) with at least one electronic semiconductor switch (50). Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektronische Halbleiterschalter (50) ein elektronischer Halbleiterschalter des primärseitigen Wechselrichters (54) ist oder ein zusätzlicher, nicht für den primärseitigen Wechselrichter (54) fungierender elektronischer Halbleiterschalter (54) ist.fuel cell unit claim 12 , characterized in that the at least one electronic semiconductor switch (50) is an electronic semiconductor switch of the primary-side inverter (54) or an additional electronic semiconductor switch (54) not functioning for the primary-side inverter (54). Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektronische Halbleiterschalter (50) ein MOSFET (51) oder IGBT (52) ist.fuel cell unit claim 12 or 13 , characterized in that the at least one electronic semiconductor switch (50) is a MOSFET (51) or IGBT (52). Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1) mit Brennstoffzellen (2), - einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) als eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.Fuel cell system (4), in particular for a motor vehicle, comprising - a fuel cell unit (1) with fuel cells (2), - a compressed gas store (21) for storing gaseous fuel, - a gas delivery device (22) for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes ( 8) the fuel cell (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.
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