DE102022202192A1

DE102022202192A1 - fuel cell unit

Info

Publication number: DE102022202192A1
Application number: DE102022202192.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Remlinger; Lutz Schilling; Uwe Hammer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-09-07

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen(2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, ein Rezirkulationssystem (65) mit einer Rezirkulationsleitung (50) zur Rezirkulation des aus den Kanälen (12) für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle (12) für Rezirkulationsbrennstoff, so dass in der Brennstoffzelleneinheit (1) ein Rezirkulationskreislauf mit rezirkulierendem Rezirkulationsbrennstoff gebildet ist, wobei das Rezirkulationssystem (65) mit einer thermischen Isolierung (74) thermisch von dem Brennstoffzellenstapel (40) isoliert ist.Fuel cell unit (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells (2) and the fuel cells (2) each comprise stacked layered components, so that the stacked fuel cells (2) form a fuel cell stack (40) integrated into the fuel cell stack Channels for recirculation fuel, a recirculation system (65) with a recirculation line (50) for recirculating the recirculation fuel discharged from the channels (12) for recirculation fuel back into the channels (12) for recirculation fuel, so that in the fuel cell unit (1) a recirculation circuit with recirculating recirculation fuel is formed, wherein the recirculation system (65) with thermal insulation (74) is thermally insulated from the fuel cell stack (40).

Description

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

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 der Brennstoffzelleneinheit sind eine große Anzahl an Brennstoffzellen zu dem Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstack gestapelt. In den Brennstoffzellenstapel sind Kanäle zum Durchleiten von Rezirkulationsbrennstoff, Kanäle zum Durchleiten von Oxidationsmittel und Kanäle zum Durchleiten von Kühlmittel integriert. Der durch die Kanäle geleitete Rezirkulationsbrennstoff wird nicht vollständig verbraucht nach dem Durchleiten, sodass nach dem Ausleiten des Rezirkulationsbrennstoffes aus den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff dieser wieder mit einer Rezirkulationsleitung eines Rezirkulationssystems den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff zugeführt wird. Der, entsprechend der angeforderten Leistung der Brennstoffzelleneinheit verbrauchte Brennstoff, wird mit einem Injektor der Rezirkulationsleitung zugeführt. Je größer die Leistung der Brennstoffzelleneinheit ist, desto größer ist der Verbrauch an Brennstoff und dieser verbrauchte Brennstoff wird entsprechend mit dem Injektor zugeführt. Der Brennstoff, im Allgemeinen Wasserstoff, wird in einem Druckgasspeicher unter einem hohen Druck gespeichert. In dem aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoff tritt ein hoher Feuchtigkeitsgehalt auf, sodass mit einem Wasserabscheider des Rezirkulationssystems vor Wiedereinführung des Rezirkulationsbrennstoffes in den Brennstoffzellenstapel eine mechanische Abscheidung von Wasser ausgeführt wird.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 the fuel cell unit, a large number of fuel cells are stacked into the fuel cell stack as a fuel cell stack. Channels for passing recirculation fuel, channels for passing oxidant, and channels for passing coolant are integrated into the fuel cell stack. The recirculation fuel conducted through the channels is not completely consumed after the passage, so that after the recirculation fuel has been discharged from the channels for recirculation fuel, it is fed back to the channels for recirculation fuel with a recirculation line of a recirculation system. The fuel consumed in accordance with the required power of the fuel cell unit is fed to the recirculation line with an injector. The greater the power of the fuel cell unit, the greater the consumption of fuel, and this consumed fuel is accordingly supplied with the injector. The fuel, generally hydrogen, is stored under high pressure in a compressed gas accumulator. A high moisture content occurs in the recirculation fuel discharged from the fuel cell stack, so that mechanical separation of water is carried out with a water separator of the recirculation system before the recirculation fuel is reintroduced into the fuel cell stack.

Das Rezirkulationssystem umfasst als Komponenten ein Gebläse, eine Strahlpumpe, den Wasserabscheider und Ablassventile. Bei einem Start der Brennstoffzelleneinheit bei Temperaturen unter 0 °C gefriert Wasser an diesen Komponenten, sodass mittels elektrischer Widerstandsheizelemente an diesen Komponenten das Wasser aufgetaut werden muss. Eine Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit mit gefrorenem Eis an dem Rezirkulationssystem ist nicht möglich. Das Rezirkulationssystem ist mit einer gut thermisch leitenden Verbindung mechanisch mit dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzelleneinheit verbunden. Während des Erwärmens der Komponenten des Rezirkulationssystems mit den elektrischen Widerstandsheizelementen tritt damit ein großer Wärmestrom von dem erwärmten Rezirkulationssystem zu der übrigen Brennstoffzelleneinheit mit dem Brennstoffzellenstapel auf. Der Brennstoffzellenstapel weist eine sehr große Masse auf. Aus diesem Grund tritt ein großer Wärmestrom von dem Rezirkulationssystem mit einer kleinen Masse zu dem Brennstoffzellenstapel auf. Dadurch wird in nachteiliger Weise eine große Menge an elektrischer Energie benötigt, um mittels der elektrischen Widerstandsheizelemente das Eis an dem Rezirkulationssystem zu Wasser zu schmelzen. Aufgrund der niedrigen Temperaturen weist eine Batterie als Pufferbatterie in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges eine kleine Leistung auf. Für die Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit bei Temperaturen von unter 0 °C ist deshalb in nachteiliger Weise die Batterie entsprechend groß zu dimensionieren und weist dadurch eine große Masse und Bauraum auf. Bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen ist dies besonders nachteilig, weil das Antriebsystem des Kraftfahrzeuges möglichst wenig Bauraum und Masse erfordern soll.The components of the recirculation system include a blower, a jet pump, the water separator and drain valves. When the fuel cell unit is started at temperatures below 0 °C, water freezes on these components, so that the water on these components has to be thawed using electrical resistance heating elements. It is not possible to start up the fuel cell unit with frozen ice on the recirculation system. The recirculation system is mechanically connected to the fuel cell stack of the fuel cell unit with a good thermally conductive connection. During the heating of the components of the recirculation system with the electrical resistance heating elements, a large flow of heat occurs from the heated recirculation system to the rest of the fuel cell unit with the fuel cell stack. The fuel cell stack has a very large mass. For this reason, a large heat flow occurs from the recirculation system with a small mass to the fuel cell stack. This disadvantageously requires a large amount of electrical energy in order to use the electrical resistance heating elements to melt the ice on the recirculation system into water. Because of the low temperatures, a battery used as a backup battery in a drive system of a motor vehicle has a low output. To start up the fuel cell unit at temperatures below 0° C., the disadvantage is that the battery has to be dimensioned correspondingly large and thus has a large mass and installation space. When used in motor vehicles, this is particularly disadvantageous because the drive system of the motor vehicle should require as little installation space and mass as possible.

Die DE 10 2017 215 501 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend einen Brennstoffzellenstapel, eine Anodenversorgung zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases zu dem Brennstoffzellenstapel und Abführung eines Anodenabgases aus demselben, wobei die Anodenversorgung ein Rezirkulationssystem zur Rückführung des Anodenabgases zum Brennstoffzellenstapel aufweist.The DE 10 2017 215 501 A1 shows a method for operating a fuel cell system, comprising a fuel cell stack, an anode supply for supplying an anode operating gas to the fuel cell stack and removing an anode exhaust gas from the same, the anode supply having a recirculation system for returning the anode exhaust gas to the fuel cell stack.

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, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, ein Rezirkulationssystem mit einer Rezirkulationsleitung zur Rezirkulation des aus den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, so dass in der Brennstoffzelleneinheit ein Rezirkulationskreislauf mit rezirkulierendem Rezirkulationsbrennstoff gebildet ist, wobei das Rezirkulationssystem mit einer thermischen Isolierung thermisch von dem Brennstoffzellenstapel isoliert ist. Die thermische Isolierung reduziert in vorteilhafter Weise den Wärmestrom von dem Rezirkulationssystem zu der übrigen Brennstoffzelleneinheit, d. h. insbesondere dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit. Bei einem Erwärmen des Rezirkulationssystems bei Temperaturen unter 0° C zum Auftauen von Eis in dem Rezirkulationssystem wird somit in vorteilhafter Weise wenig elektrische Energie zum Betrieb von elektrischen Widerstandsheizelementen benötigt.Fuel cell unit according to the invention for the electrochemical generation of electrical energy, comprising fuel cells arranged in a stack and the fuel cells each comprising layered components arranged in a stack, so that the stacked fuel cells form a fuel cell stack, channels for recirculation fuel integrated into the fuel cell stack, a recirculation system with a recirculation line for recirculating the Channels for recirculation fuel discharged recirculation fuel back into the channels for recirculation fuel, so that a recirculation circuit with recirculating recirculation fuel is formed in the fuel cell unit, the recirculation system being thermally insulated from the fuel cell stack with thermal insulation. The thermal insulation advantageously reduces the flow of heat from the recirculation system to the rest of the fuel cell unit, ie in particular the fuel cell stack and the housing of the fuel cell unit. When the recirculation system is heated at temperatures below 0° C. to thaw ice in the recirculation system, little electrical energy is advantageously required to operate electrical resistance heating elements.

In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse, insbesondere ein Gehäuse mit einer Anschlussplatte, und vorzugsweise der Brennstoffzellenstapel von dem Gehäuse umhüllt ist.In a supplementary embodiment, the fuel cell unit comprises a housing, in particular a housing with a connecting plate, and the fuel cell stack is preferably encased by the housing.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die thermische Isolierung zwischen dem Gehäuse und dem Rezirkulationssystem angeordnet.In a further embodiment, the thermal insulation is arranged between the housing and the recirculation system.

In einer ergänzenden Variante ist die thermische Isolierung von einem mit Luft und/oder Isoliermaterial als thermischen Wärmedämmstoff befüllten Zwischenraum einerseits zwischen dem Rezirkulationssystem und andererseits dem Brennstoffzellenstapel und/oder dem Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit gebildet.In a supplementary variant, the thermal insulation is formed by an intermediate space filled with air and/or insulating material as thermal insulation material, on the one hand between the recirculation system and on the other hand the fuel cell stack and/or the housing of the fuel cell unit.

Vorzugsweise ist der Zwischenraum als Spalt ausgebildet.The intermediate space is preferably designed as a gap.

In einer weiteren Ausführungsform spannt der ebene Zwischenraum eine fiktive Isolierebene auf und vorzugsweise weist der Zwischenraum in Richtung der fiktiven Isolierebene eine wesentlich größere Ausdehnung auf als senkrecht zu der fiktiven Isolierebene. Im Wesentlichen größere Ausdehnung in Richtung der fiktiven Isolierebene des Zwischenraumes als senkrecht zu der fiktiven Isolierebene bedeutet vorzugsweise, dass die Ausdehnung des Zwischenraumes in Richtung der fiktiven Ebene um das 2-Fache, 3-Fache, 5-Fache, 10-Fache, 15-Fache, 20-Fache oder 30-Fache größer ist als senkrecht zu der fiktiven Isolierebene.In a further embodiment, the level intermediate space spans a fictitious insulating plane and the intermediate space preferably has a significantly greater extent in the direction of the fictitious insulating plane than perpendicularly to the fictitious insulating plane. Substantially greater expansion in the direction of the fictitious insulating plane of the intermediate space than perpendicular to the fictitious insulating plane preferably means that the expansion of the intermediate space in the direction of the fictitious plane by a factor of 2, 3, 5, 10, 15 Times, 20 times or 30 times larger than perpendicular to the fictitious insulating plane.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung spannen die Brennstoffzellen und/oder Komponenten der Brennstoffzellen fiktive Ebenen auf und die fiktive Isolierebene im Wesentlichen parallel zu den fiktiven Ebenen ausgerichtet ist. Im Wesentlichen parallel zu den fiktiven Ebenen ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die fiktiven Isolierebene mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5° parallel zu den fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.In an additional configuration, the fuel cells and/or components of the fuel cells span fictitious planes and the fictitious insulating plane is aligned essentially parallel to the fictitious planes. Aligned essentially parallel to the fictitious planes preferably means that the fictitious insulating plane is aligned parallel to the fictitious planes with a deviation of less than 30°, 20°, 10° or 5°.

In einer weiteren Variante beträgt die Fläche der thermischen Isolierung wenigstens 50%, 70%, 80% oder 90% der Fläche je einer Brennstoffzelle und/oder je einer Komponente der Brennstoffzelle.In a further variant, the area of the thermal insulation is at least 50%, 70%, 80% or 90% of the area of each fuel cell and/or each component of the fuel cell.

Insbesondere beträgt die Dicke der thermischen Isolierung zwischen 0,5 mm und 70 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 50 mm.In particular, the thickness of the thermal insulation is between 0.5 mm and 70 mm, in particular between 2 mm and 50 mm.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Isolierung kleiner als 0,3 W/mK oder 0,1 W/mK oder 0,01 W/mK. Dabei ist W/mK gleich Watt/Meter * Kelvin.In another embodiment, the thermal conductivity of the thermal insulation is less than 0.3 W/mK or 0.1 W/mK or 0.01 W/mK. Where W/mK is equal to Watt/meter * Kelvin.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einem mechanischen Kontaktelement, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 20 W/mK oder 40 W/mK oder 60 W/mK, mechanisch mit dem Rezirkulationssystem verbunden.In an additional embodiment, the fuel cell stack is mechanically connected to the recirculation system with at least one mechanical contact element, in particular with a thermal conductivity greater than 20 W/mK or 40 W/mK or 60 W/mK.

Vorzugsweise ist die Summe der wenigstens einen Fläche des wenigstens einen mechanischen Kontaktelements in einem Schnitt parallel zu der fiktiven Isolierebene kleiner als 30% oder 20% oder 10 % der Fläche der thermischen Isolierung.The sum of the at least one area of the at least one mechanical contact element in a section parallel to the fictitious insulating plane is preferably less than 30% or 20% or 10% of the area of the thermal insulation.

Zweckmäßig fungiert das wenigstens eine mechanische Kontaktelement als Verbindungselement zur mittelbaren oder unmittelbaren mechanischen Verbindung des Rezirkulationssystems mit dem Brennstoffzellenstapel. Bei einer mittelbaren Verbindung ist das Verbindungselement beispielsweise mit der Anschlussplatte als Gehäuse des Brennstoffzellenstapels mechanisch verbunden und die Anschlussplatte ist mit dem Brennstoffzellenstapel mechanisch verbunden.The at least one mechanical contact element expediently functions as a connecting element for the direct or indirect mechanical connection of the recirculation system to the fuel cell stack. In the case of an indirect connection, the connecting element is mechanically connected, for example, to the connection plate as the housing of the fuel cell stack, and the connection plate is mechanically connected to the fuel cell stack.

In einer ergänzenden Variante umfasst das Rezirkulationssystem eine Fördervorrichtung, insbesondere ein Gebläse und/oder eine Strahlpumpe, zur Förderung des Rezirkulationsbrennstoff durch den Rezirkulationskreislauf.In an additional variant, the recirculation system includes a delivery device, in particular a blower and/or a jet pump, for delivering the recirculation fuel through the recirculation circuit.

Vorzugsweise ist das Rezirkulationssystem als eine Baueinheit ausgebildet.The recirculation system is preferably designed as a structural unit.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Rezirkulationssystem einen Wasserabscheider zur Abscheidung von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff.In another embodiment, the recirculation system includes a water separator for separating water from the recirculation fuel.

Zweckmäßig ist die Dicke der thermischen Isolierung im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, konstant. Vorzugsweise ist die Dicke der thermischen Isolierung die Ausdehnung der thermischen Isolierung senkrecht zu der fiktiven Isolierebene.The thickness of the thermal insulation is expediently essentially constant, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The thickness of the thermal insulation is preferably the extent of the thermal insulation perpendicular to the fictitious plane of insulation.

In einer weiteren Variante sind die Komponenten des Rezirkulationssystems mit einem Verbindungsmittel, insbesondere ein Rahmen und/oder ein Gestell und/oder ein Fachwerk und/oder eine Tragplatte, miteinander zu der Baueinheit verbunden. Vorzugsweise fungiert eine Tragplatte als Verbindungsmittel für die Komponenten des Rezirkulationssystems zusätzlich als Anschlussplatte des Rezirkulationssystems.In a further variant, the components of the recirculation system are connected to one another to form the structural unit with a connecting means, in particular a frame and/or a stand and/or a framework and/or a support plate. Preferably, a support plate acts as a link means of connection for the components of the recirculation system as a connection plate for the recirculation system.

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

In einer weiteren Variante ist das Isoliermaterial geschäumter Kunststoff, insbesondere Polystyrol (Styropor) und/oder Polyurethan und/oder Polyisocyanurat und/oder Phenolharz und/oder Polyethylen, und/oder geschäumtes Elastomer und/oder mineralische Fasern, vorzugsweise Mineralwolle und/oder Hochtemperaturwolle, und/oder mineralischer Schaum, vorzugsweise Bimsstein und/oder Thermosit. Bei einer Verwendung von einem Isoliermaterial, welches bei einer Belastung mit einer Druckkraft senkrecht zu der fiktiven Isolierebene nur über eine kleine Verformung als eine Verringerung der Dicke aufweist, kann vorzugsweise auf gesonderte Abstandselemente verzichtet werden, weil das Abstandselement für eine im Wesentlichen konstante Dicke der thermischen Isolierung von der thermischen Isolierung selbst gebildet ist.In a further variant, the insulating material is foamed plastic, in particular polystyrene (Styrofoam) and/or polyurethane and/or polyisocyanurate and/or phenolic resin and/or polyethylene, and/or foamed elastomer and/or mineral fibers, preferably mineral wool and/or high-temperature wool. and/or mineral foam, preferably pumice stone and/or thermosite. When using an insulating material which, when subjected to a compressive force perpendicular to the fictitious insulating plane, only exhibits a small deformation as a reduction in thickness, separate spacer elements can preferably be dispensed with, because the spacer element for a substantially constant thickness of the thermal Insulation is formed from the thermal insulation itself.

In einer ergänzenden Variante liegen die Anschlussplatte des Brennstoffzellenstapels und die Anschlussplatte des Rezirkulationssystems mit einer Druckkraft auf dem wenigstens einen Abstandselement auf. Das Abstandselement ermöglicht somit trotz der Druckkraft einen, vorzugsweise im Wesentlichen konstanten, Abstand zwischen der Anschlussplatte des Brennstoffzellenstapels und der Anschlussplatte des Rezirkulationssystems. Im Wesentlichen konstanter Abstand bedeutet vorzugsweise, dass sich der Abstand um weniger als 30%, 20% oder 10% unterscheidet.In an additional variant, the connection plate of the fuel cell stack and the connection plate of the recirculation system lie on the at least one spacer element with a compressive force. Despite the compressive force, the spacer element thus enables a preferably essentially constant distance between the connection plate of the fuel cell stack and the connection plate of the recirculation system. Substantially constant distance preferably means that the distance differs by less than 30%, 20% or 10%.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Rezirkulationssystem wenigstens ein elektrisches Widerstandsheizelement, insbesondere mehrere elektrische Widerstandsheizelemente, zum Erwärmen wenigstens einer Komponente des Rezirkulationssystems und/oder zum Erwärmen des Rezirkulationssystems. Somit kann mit dem wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelement Eis zu Wasser aufgetaut werden.In a further configuration, the recirculation system comprises at least one electrical resistance heating element, in particular a plurality of electrical resistance heating elements, for heating at least one component of the recirculation system and/or for heating the recirculation system. Thus, with the at least one electrical resistance heating element, ice can be thawed into water.

Zweckmäßig ist das wenigstens eine mechanische Kontaktelement wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Stahl und/oder Aluminium und/oder Messing, ausgebildet.The at least one mechanical contact element is expediently made at least partially, in particular completely, from metal, in particular steel and/or aluminum and/or brass.

In einer zusätzlichen Variante ist das wenigstens eine mechanische Kontaktelement als wenigstens ein Fixierungselement und/oder als wenigstens ein Abstandselement ausgebildet.In an additional variant, the at least one mechanical contact element is designed as at least one fixing element and/or as at least one spacer element.

Vorzugsweise ist die Wärmeleitfähigkeit des wenigstens einen mechanischen Kontaktelementes größer, insbesondere um das 2-, 3-, 5-, 10- oder 20-Fache größer, als die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Isolierung.The thermal conductivity of the at least one mechanical contact element is preferably greater, in particular 2, 3, 5, 10 or 20 times greater than the thermal conductivity of the thermal insulation.

In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit mehrere mechanische Kontaktelemente.In a further variant, the fuel cell unit comprises a number of mechanical contact elements.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das wenigstens eine mechanische Kontaktelement in die thermische Isolierung integriert, insbesondere indem das wenigstens eine mechanischen Kontaktelement von der thermischen Isolierung wenigstens teilweise umhüllt ist und/oder das wenigstens eine mechanische Kontaktelemente als die thermische Isolierung durchragend ausgebildet ist und/oder das wenigstens eine mechanische Kontaktelemente im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Isolierebene ausgebildet ist. Im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Isolierebene ausgerichtet bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°.In an additional embodiment, the at least one mechanical contact element is integrated into the thermal insulation, in particular in that the at least one mechanical contact element is at least partially surrounded by the thermal insulation and/or the at least one mechanical contact element is designed to protrude through the thermal insulation and/or the at least one mechanical contact element is formed essentially perpendicularly to the fictitious insulating plane. Oriented essentially perpendicularly to the fictitious insulating plane preferably means with a deviation of less than 30°, 20° or 10°.

In einer ergänzenden Ausgestaltung fungiert das wenigstens eine mechanische Kontaktelement als Abstandselement zur Ausbildung des Zwischenraumes.In an additional configuration, the at least one mechanical contact element acts as a spacer element for forming the intermediate space.

In einer weiteren Variante ist die Ausdehnung der thermischen Isolierung in Richtung der fiktiven Isolierebene größer, insbesondere um das 2-, 3-, 5-, 10-, 15-, 20- oder 30-Fache größer, als senkrecht zu der fiktiven Isolierebene.In a further variant, the expansion of the thermal insulation in the direction of the fictitious insulating plane is greater, in particular 2, 3, 5, 10, 15, 20 or 30 times greater than perpendicular to the fictitious insulating plane.

In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst der Wasserabscheider einen Abscheidungsströmungsraum zum Durchleiten des Rezirkulationsbrennstoffes und zum Abscheiden von Wasser und/oder Feuchtigkeit aus dem Rezirkulationsbrennstoff.In a supplementary embodiment, the water separator comprises a separation flow space for passing the recirculation fuel and for separating water and/or moisture from the recirculation fuel.

Zweckmäßig sind die Komponenten des Rezirkulationssystems eine Rezirkulationsleitung und/oder eine Fördereinrichtung für Rezirkulationsbrennstoff, insbesondere ein Gebläse und/oder eine Strahlpumpe, und/oder ein Wasserabscheider und/oder wenigstens ein Ablassventil und/oder ein Injektor für Brennstoff und/oder ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte und/oder wenigstens ein Verbindungsmittel.The components of the recirculation system are expediently a recirculation line and/or a delivery device for recirculation fuel, in particular a blower and/or a jet pump and/or a water separator and/or at least one drain valve and/or an injector for fuel and/or a housing and/or or a connection plate and/or at least one connecting means.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit, insbesondere das Rezirkulationssystem, einen Injektor zur Zuführung von Brennstoff von einem Druckgasspeicher für Brennstoff in die Rezirkulationsleitung und/oder eine Druckgasleitung zur Leitung von Brennstoff von dem Druckgasspeicher in den Injektor.In a further embodiment, the fuel cell unit, in particular the recirculation system, comprises an injector for supplying fuel from a compressed gas reservoir for fuel into the recirculation line and/or a compressed gas line for conducting fuel from the compressed gas reservoir into the injector.

In einer ergänzenden Variante ist das Abscheiden von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Wasserabscheider als einem mechanischen Wasserabscheider mittels Sedimentation und/oder Drall ausführbar. Bei einer Abscheidung mittels Drall ist beispielsweise in einem Zyklon der Rezirkulationsbrennstoff in eine Rotationsbewegung versetzbar, sodass aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte Wasser abscheidbar ist.In a supplementary variant, the separation of water from the recirculation fuel in the water separator can be carried out as a mechanical water separator by means of sedimentation and/or swirl. In the case of separation by means of a twist, for example, the recirculation fuel in a cyclone can be made to rotate, so that water can be separated due to the centrifugal forces that occur.

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.

Vorzugsweise ist die Strömungsquerschnittsfläche des Abscheidungsströmungsraumes wenigstens um das 2-, 5-, 7-oder 10-fache größer als die Strömungsquerschnittsfläche der Rezirkulationsleitung für Rezirkulationsbrennstoff. Damit weist der Rezirkulationsbrennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum eine wesentlich kleinere Strömungsgeschwindigkeit auf als in der Rezirkulationsleitung, sodass dadurch auch eine effektive mechanische Wasserabscheidung in dem Abscheidungsströmungsraum ausführbar ist.Preferably, the flow cross-sectional area of the separation flow space is at least 2, 5, 7 or 10 times larger than the flow cross-sectional area of the recirculation line for recirculation fuel. The recirculation fuel in the separation flow space thus has a significantly lower flow rate than in the recirculation line, so that effective mechanical water separation can also be carried out in the separation flow space.

In einer weiteren Variante ist in die Rezirkulationsleitung ein Ventil zur Abgabe von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung ausgebildet. Bei einem sehr geringen Anteil von Brennstoff in dem Rezirkulationsbrennstoff, d. h. einer großen Anreicherung von anderen Stoffen und/oder Gasen als Brennstoff in dem Rezirkulationsbrennstoff, können diese Stoffe und/oder Gase in die Umgebung abgeleitet werden. Der Rezirkulationsbrennstoff umfasst somit vorzugsweise neben dem Brennstoff als Reinstoff auch andere Stoffe und/oder Gase.In a further variant, a valve for releasing recirculation fuel into the environment is formed in the recirculation line. At a very low level of fuel in the recycle fuel, i. H. a large accumulation of substances and/or gases other than fuel in the recirculation fuel, these substances and/or gases can be discharged into the environment. The recirculation fuel thus preferably includes other substances and/or gases in addition to the fuel as a pure substance.

In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte.In an additional embodiment, the fuel cell unit comprises a housing and/or a connection plate.

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 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 disc-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.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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 eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse und ohne Rezirkulationssystem,
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse und mit Rezirkulationssystem,
6 eine Seitenansicht der Brennstoffzelleneinheit mit Rezirkulationssystem und ohne optionales Gehäuse des Rezirkulationssystems.

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 stack without a housing and without a recirculation system,
5 a section through the fuel cell unit with housing and with recirculation system,
6 a side view of the fuel cell unit with recirculation system and without optional housing of the recirculation system.

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 Rezirkulationsbrennstoff 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. At an anode 7, hydrogen H ₂ as a gas shaped recirculation fuel 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: 2H₂ --» 4 H⁺ + 4e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O

The redox equations of the electrochemical processes are:

Cathode: O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^- --» 2 H ₂ O
Anode: 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, 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 Rezirkulationsbrennstoff 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 recirculation 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 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Rezirkulationsbrennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.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 (not shown) is normally applied to each of the electrodes 7, 8 on the side facing the gas chambers 31, 32. The catalyst layer 30 on the gas space 31 with recirculation fuel on the anode 7 comprises nanodispersed platinum-ruthenium on graphitized soot particles bound to a binder. The catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent on the cathode 8 analogously comprises nanodispersed platinum. For example, Nation®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol are used as binders.

Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, 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 Nation®, 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 assemblies 6 with these electrodes 7, 8 comprising the ionomer form membrane electrode assemblies 6 as a 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 Rezirkulationsbrennstoff aus Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff 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 recirculation fuel from recirculation 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, ie, in one direction at a time 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 Rezirkulationsbrennstoff 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 Rezirkulationsbrennstoff, 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, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3) auf. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 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 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 on the gas space 31 for recirculation 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 recirculation 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, 6, 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, 6, 7, 8, 9, 10 of the fuel cells 2 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 800 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 mittelbar mittels einer Strahlpumpe 62 (nur in 5 dargestellt) einer Zufuhrleitung 16 für Rezirkulationsbrennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Rezirkulationsbrennstoff bilden. Der Rezirkulationsbrennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Rezirkulationsbrennstoff. Der Gasraum 31 für den Rezirkulationsbrennstoff 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 storage 21 ( 1 ) hydrogen H ₂ is stored as a fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 800 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. The fuel is pumped indirectly from the injector 19 by means of a jet pump 62 (only in 5 shown) a supply line 16 for recirculation fuel ( 1 ) and from the supply line 16 to the recirculation fuel channels 12 forming the recirculation fuel channel structure 29 . As a result, the recirculation fuel flows through the gas space 31 for the recirculation fuel. The gas space 31 for the recirculation 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. Die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel mündet in die Umgebung. 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. The air is supplied from the supply line 25 to the channels 13 for oxidizing agent, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agent, so that the oxidizing agent flows through the gas space 32 for the oxidizing agent. The gas space 32 for the oxidizing agent is formed by the channels 13 and the GDL 9 on the cathode 8 . After the oxidizing agent 32 has flowed through the channels 13 or the gas space 32, the oxidizing agent not consumed at the cathode 8 and the water of reaction formed at the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26. The discharge line 26 for oxidizing agent opens into the environment. 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 designed 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 bis 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.In the fuel cell unit 1 the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34 . 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 them for drawing reasons in 4 until 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 .

Der Brennstoffzellenstapel 40 ist in einem Gehäuse 42 (5) angeordnet. Das Gehäuse 42 weist eine Innenseite 43 und eine Außenseite 44 auf. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 42 ist ein Zwischenraum 41 ausgebildet. Das Gehäuse 42 ist außerdem von einer Anschlussplatte 47 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Das übrige Gehäuse 42 ohne der Anschlussplatte 47 ist mit Fixierungselementen 48 als Schrauben 49 an der Anschlussplatte 47 befestigt. In der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 45 zum Einleiten von Rezirkulationsbrennstoff in die Kanäle 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgebildet. Außerdem ist in der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 eine Öffnung 46 zum Ausleiten von Rezirkulationsbrennstoff aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgebildet. In der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 als dem Spannelemente 33 sind weitere, nicht dargestellte Öffnungen ausgebildet zum Einleiten von Oxidationsmittel, zum Ausleiten von Oxidationsmittel, zum Einleiten von Kühlmittel und zum Ausleiten von Kühlmittel. Damit sind in der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 insgesamt 6 Öffnungen ausgebildet.The fuel cell stack 40 is housed in a housing 42 ( 5 ) arranged. The housing 42 has an inside 43 and an outside 44 . An intermediate space 41 is formed between the fuel cell stack 40 and the housing 42 . The housing 42 is also formed by a connection plate 47 made of metal, in particular steel. The remainder of the housing 42 without the connection plate 47 is fastened to the connection plate 47 with fixing elements 48 in the form of screws 49 . An opening 45 for introducing recirculation fuel into the channels 12 for recirculation fuel is formed in the connecting plate 47 and in the lower clamping plate 36 . In addition, an opening 46 for discharging recirculation fuel from the channels 12 for recirculation fuel is formed in the connection plate 47 as well as in the lower clamping plate 36 . In the connection plate 47 and the lower clamping plate 36 as the clamping element 33, further openings (not shown) are formed for introducing oxidizing agent, for discharging oxidizing agent, for introducing coolant and for discharging coolant. A total of 6 openings are thus formed in the connecting plate 47 and the lower clamping plate 36 .

Der Rezirkulationsbrennstoff als Rezirkulationswasserstoff wird durch die Kanäle 12 für Rezirkulationsbrennstoff und damit auch durch den Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff geleitet. Eine Rezirkulationsleitung 50 dient zur Rezirkulation des aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes, d. h. der aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleitete Rezirkulationsbrennstoff wird mit der Rezirkulationsleitung 50 wieder den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff und damit auch dem Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff zugeführt. Die Abfuhrleitung 15 für Rezirkulationsbrennstoff und die Zufuhrleitung 16 für Rezirkulationsbrennstoff fungieren damit auch als die Rezirkulationsleitung 50. In die Rezirkulationsleitung 50 ist ein Wasserabscheider 51 integriert. Der Wasserabscheider 51 (5) ist somit in die Rezirkulationsleitung 50 eingebaut und ist außerdem auch als ein mechanischer Wasserabscheider 52 ausgebildet mit einem Abscheidungsströmungsraum 53. In 1 ist der Wasserabscheider 51 nicht dargestellt. Der Abscheidungsströmungsraum 53 weist eine wesentlich größere Strömungsquerschnittsfläche auf als die Rezirkulationsleitung 50, sodass dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Rezirkulationsbrennstoffes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 wesentlich kleiner ist als in der Rezirkulationsleitung 50 und damit kleine Wassertröpfchen in dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum 53 mittels Sedimentation abgeschieden werden, sodass damit ein mechanischer Wasserabscheider 53 vorliegt. Der Abscheidungsströmungsraum 53 ist von Wandungen 54 des Wasserabscheiders 51 begrenzt.The recirculation fuel as recirculation hydrogen is conducted through the channels 12 for recirculation fuel and thus also through the gas space 31 for recirculation fuel. A recirculation line 50 serves to recirculate the recirculation fuel discharged from the channels 12 for recirculation fuel, ie the recirculation fuel discharged from the channels 12 for recirculation fuel is fed back with the recirculation line 50 to the channels 12 for recirculation fuel and thus also to the gas chamber 31 for recirculation fuel. The discharge line 15 for recirculation fuel and the supply line 16 for recirculation fuel thus also function as the recirculation line 50. A water separator 51 is integrated into the recirculation line 50. The water separator 51 ( 5 ) is thus built into the recirculation line 50 and is also designed as a mechanical water separator 52 with a separation flow space 53. In 1 the water separator 51 is not shown. The separation flow space 53 has a substantially larger flow cross-sectional area than the recirculation line 50, so that the flow velocity of the recirculation fuel in the separation flow space 53 is substantially smaller than in the recirculation line 50, and small water droplets in the recirculation fuel are separated in the separation flow space 53 by means of sedimentation, so that a mechanical water separator 53 is present. The separation flow space 53 is delimited by walls 54 of the water separator 51 .

In dem Abscheidungsströmungsraum 53 ist eine Wasserableitungsöffnung 57 eingebaut, sodass dadurch in dem Abscheidungsströmungsraum 53 abgeschiedenes Wasser durch die Wasserableitungsöffnung 57 in die Umgebung abgeleitet werden kann. An der Wasserableitungsöffnung 57 ist ein Ablassventil 63 ausgebildet, sodass dadurch das abgeschiedene Wasser zunächst in dem Abscheidungsströmungsraum 53 gesammelt und gezielt in die Umgebung abgegeben werden kann. Hierzu ist optional zusätzlich an dem Wasserabscheider 51 ein nicht dargestellter Sensor zur Erfassung des Wasserstandes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 vorhanden, sodass damit mittels des Ablassventiles 63 automatisch und selbsttätig eine Öffnung des Ventiles bei dem Erreichen eines vorgegebenen Wasserstandes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 aktiviert wird in Abhängigkeit von einem weiteren Parameter, beispielsweise dem Standort eines Kraftfahrzeuges. In dem Wasserabscheider 51 ist eine Einleitungsöffnung 55 zum Einleiten des Rezirkulationsbrennstoffes in den Abscheidungsströmungsraum 53 ausgebildet und eine Ausleitungsöffnung 56 zum Ableiten des Rezirkulationsbrennstoffes aus dem Abscheidungsströmungsraum 53. Die Rezirkulationsleitung 50 mündet in die Einleitungsöffnung 55 und die Ausleitungsöffnung 56. Die Mitteldruckleitung 17 und die Hochdruckleitung 18 werden als Oberbegriff auch mit Druckgasleitung 59 für Brennstoff bezeichnet. Der Brennstoff ist in dem Druckgasspeicher 21 unter einem sehr großen Druck von beispielsweise 400 oder 800 bar gespeichert.A water drainage hole 57 is installed in the separation flow space 53 so that water separated in the separation flow space 53 can be discharged to the outside through the water drainage hole 57 . A drain valve 63 is formed on the water discharge opening 57 so that the separated water can first be collected in the separation flow space 53 and released into the environment in a targeted manner. For this purpose, a sensor (not shown) for detecting the water level in the separation flow space 53 is optionally additionally present on the water separator 51, so that the drain valve 63 automatically and automatically opens the valve when a predetermined water level is reached in the separation flow space 53, depending on another parameter, for example the location of a motor vehicle. In the water separator 51 there is an inlet opening 55 for introducing the recirculation fuel into the separation flow space 53 and an outlet opening 56 for draining the recirculation fuel out of the separation flow space 53. The recirculation line 50 opens into the inlet opening 55 and the outlet opening 56. The medium-pressure line 17 and the high-pressure line 18 are also referred to as a generic term with compressed gas line 59 for fuel. The fuel is stored in the compressed gas reservoir 21 under a very high pressure of, for example, 400 or 800 bar.

Ein Rezirkulationssystem 65 der Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst somit die Rezirkulationsleitung 50 und den Wasserabscheider 51. Das Rezirkulationssystem 65 umfasst außerdem eine Fördereinrichtung 60 für den Rezirkulationsbrennstoff als ein Gebläse 61. Mit der Fördereinrichtung 60 wird der Rezirkulationsbrennstoff, d. h. eine Mischung aus dem Rezirkulationsbrennstoff Wasserstoff, Stickstoff, Wasserdampf und flüssigen Wasser, in dem Kreislauf umgewälzt. Die Fördereinrichtung 60 wird von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. Zur Einsparung von elektrischer Energie zum Antrieb der elektrisch betriebenen Fördereinrichtung 60 umfasst das Rezirkulationssystem 65 zusätzlich die Strahlpumpe 62. Mithilfe der Strahlpumpe 62 wird der hohe Druck des Rezirkulationsbrennstoffes ausgenutzt, um den Rezirkulationsbrennstoff umzuwälzen und dadurch elektrische Energie für die Fördereinrichtung 60 einzusparen. Bei einer kleinen, von der elektrischen Brennstoffzelleneinheit 1 abzugebenden elektrischen Leistung wird auch nur ein kleiner Volumenstrom an Wasserstoff mittels des Injektors 19 und der Strahlpumpe 62 in die Rezirkulationsleitung 50 eingeleitet, sodass auch nur eine geringe Energie pro Zeiteinheit aus dem Volumenstrom an Wasserstoff für die Förderung des Rezirkulationsbrennstoffes ausgenutzt werden kann. Aus diesem Grund ist es notwendig, bei einer kleinen, von der Brennstoffzelleneinheit 1 abzugebenden elektrischen Leistung zusätzlich die Fördereinrichtung 60 mittels elektrischer Energie zu betreiben. Andererseits wird bei einer großen, von der Brennstoffzelleneinheit 1 abzugebenden Leistung die Fördereinrichtung 60 nicht benötigt und ist abgeschaltet, weil der Volumenstrom an Wasserstoff zur Forderung des Rezirkulationsbrennstoffes mittels der Strahlpumpe 62 ausreichend ist.A recirculation system 65 of the fuel cell unit 1 thus includes the recirculation line 50 and the water separator 51. The recirculation system 65 also includes a conveyor device 60 for the recirculation combustion material as a blower 61. The recirculation fuel, ie a mixture of the recirculation fuel hydrogen, nitrogen, water vapor and liquid water, is circulated in the circuit with the conveying device 60. The conveyor 60 is driven by an electric motor, not shown. To save electrical energy for driving the electrically operated conveyor 60, the recirculation system 65 also includes the jet pump 62. With the aid of the jet pump 62, the high pressure of the recirculation fuel is used to circulate the recirculation fuel and thereby save electrical energy for the conveyor 60. When the electrical power to be delivered by the electric fuel cell unit 1 is small, only a small volume flow of hydrogen is introduced into the recirculation line 50 by means of the injector 19 and the jet pump 62, so that only a small amount of energy per unit of time from the volume flow of hydrogen is used for delivery of the recirculation fuel can be utilized. For this reason, it is necessary to additionally operate the delivery device 60 by means of electrical energy when the electrical power to be delivered by the fuel cell unit 1 is small. On the other hand, when the power to be delivered by the fuel cell unit 1 is high, the delivery device 60 is not required and is switched off because the volume flow of hydrogen is sufficient to supply the recirculation fuel by means of the jet pump 62 .

An der Wasserableitungsöffnung 57 des Wasserabscheiders 51 ist das Ablassventil 63 ausgebildet. Das Ablassventil 63 mündet in eine Ablassleitung 64 und die Ablassleitung 64 mündet in die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel und Wasser. Die Abfuhrleitung 26 mündet in die Umgebung. Da sich auch an der Fördereinrichtung 60 als dem Gebläse 61 Kondensationswasser ansammeln kann, ist auch an der Fördereinrichtung 60 das Ablassventil 63 mit Ablassleitung 64 ausgebildet. Auch die Ablassleitung 64 des Ablassventiles 63 der Fördereinrichtung 60 mündet in die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel.The drain valve 63 is formed at the water drainage opening 57 of the water separator 51 . The drain valve 63 opens into a drain line 64 and the drain line 64 opens into the discharge line 26 for oxidizing agent and water. The discharge line 26 opens into the environment. Since condensation water can also collect on the conveying device 60 as the blower 61 , the discharge valve 63 with discharge line 64 is also formed on the conveying device 60 . The drain line 64 of the drain valve 63 of the delivery device 60 also opens into the discharge line 26 for oxidizing agent.

An der Fördereinrichtung 60, der Strahlpumpe 62 und den Ablassventilen 63 sind elektrische Widerstandsheizelemente 58 angeordnet. Bei einem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 bei Temperaturen unter 0 °C gefriert das Wasser an der Fördereinrichtung 60, der Strahlpumpe 62 und den Ablassventilen 63, sodass dadurch das Rezirkulationssystem 65 nicht funktionsfähig ist und somit auch die Brennstoffzelleneinheit 1 nicht gestartet werden kann. Ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeuge umfasst eine Batterie als Pufferbatterie zur Speicherung von elektrischer Energie. Bei einem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 bei Temperaturen unter 0° werden mittels elektrischer Energie aus der Batterie (nicht dargestellt) die elektrischen Widerstandsheizelemente 58 betrieben und dadurch die Fördereinrichtung 60, die Strahlpumpe 62 und die Ablassventiles 63 erwärmt, sodass das darin enthaltene gefrorene Wasser als Eis aufgetaut und in Form von flüssigem Wasser vorliegt. Anschließend kann die Brennstoffzelleneinheit 1 gestartet werden.Electrical resistance heating elements 58 are arranged on the delivery device 60 , the jet pump 62 and the discharge valves 63 . When the fuel cell unit 1 is started at temperatures below 0° C., the water on the conveyor device 60, the jet pump 62 and the drain valves 63 freezes, so that the recirculation system 65 is not functional and the fuel cell unit 1 cannot be started either. A drive system for a motor vehicle includes a battery as a backup battery for storing electrical energy. When the fuel cell unit 1 is started at temperatures below 0°, the electrical resistance heating elements 58 are operated using electrical energy from the battery (not shown), and the conveyor device 60, the jet pump 62 and the drain valve 63 are thereby heated, so that the frozen water contained therein forms ice thawed and in the form of liquid water. The fuel cell unit 1 can then be started.

Das Rezirkulationssystem 65 umfasst eine Anschlussplatte 66. Die Anschlussplatte 66 ist aus Metall, insbesondere Stahl oder Aluminium, ausgebildet und ist im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig. Die Anschlussplatte 66 des Rezirkulationssystems 65 ist im Wesentlichen parallel zu der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet. Im Wesentlichen parallel bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5°. Das Rezirkulationssystem 65 umfasst optional ein Gehäuse 79. Das in 5 strichliert dargestellte Gehäuse 79 umhüllt die Komponenten des Rezirkulationssystems 65 zusammen mit der Anschlussplatte 66. Die Anschlussplatte 66 ist somit auch Bestandteil des Gehäuses 79 des Rezirkulationssystems 65.The recirculation system 65 includes a connection plate 66. The connection plate 66 is made of metal, in particular steel or aluminum, and is essentially flat and/or disk-shaped. The connection plate 66 of the recirculation system 65 is aligned essentially parallel to the connection plate 47 of the fuel cell stack. Substantially parallel means preferably with a deviation of less than 30°, 20°, 10° or 5°. The recirculation system 65 optionally includes a housing 79. The in 5 The housing 79 shown in dashed lines encloses the components of the recirculation system 65 together with the connection plate 66. The connection plate 66 is therefore also part of the housing 79 of the recirculation system 65.

Zwischen der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels 40 und der Anschlussplatte 66 des Rezirkulationssystems 65 ist eine thermische Isolierung 74 als ein Zwischenraum 75, d. h. Spalt 76, ausgebildet. Die thermische Isolierung 74 ist ein mit Luft befüllter Zwischenraum 75 zwischen der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels 40 und der Anschlussplatte 66 des Rezirkulationssystems 65. Die thermische Isolierung 74 spannt eine fiktive Isolierebene 77 auf. Die fiktive Isolierebene 77 ist im Wesentlichen parallel zu den fiktiven Ebenen 37 aufgespannt von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzelle 2. Die Dicke 78 der thermischen Isolierung 74 beträgt ungefähr 10 mm. Aufgrund dieser Dicke 78 der thermischen Isolierung 74 sammelt sich somit in dem Spalt 76 kein Wasser an, sodass die zuverlässige thermische Isolierung stets gewährleistet ist. Optional kann die thermische Isolierung 74 nicht von Luft, sondern von einem Isoliermaterial als thermischen Wärmedämmstoff, beispielsweise Glaswolle oder Styropor, gebildet sein.Between the connection plate 47 of the fuel cell stack 40 and the connection plate 66 of the recirculation system 65 is a thermal insulation 74 as a gap 75, i. H. Gap 76 formed. The thermal insulation 74 is an air-filled intermediate space 75 between the connection plate 47 of the fuel cell stack 40 and the connection plate 66 of the recirculation system 65. The thermal insulation 74 spans an imaginary insulating plane 77 . The fictitious insulating plane 77 is essentially parallel to the fictitious planes 37 spanned by the components 5, 6, 7, 8, 9, 10 of the fuel cell 2. The thickness 78 of the thermal insulation 74 is approximately 10 mm. Due to this thickness 78 of the thermal insulation 74, no water collects in the gap 76, so that reliable thermal insulation is always guaranteed. Optionally, the thermal insulation 74 can be formed not from air but from an insulating material as a thermal heat insulation material, for example glass wool or styrofoam.

Das Rezirkulationssystem 65 ist mit mechanischen Kontaktelementen 73 aus Metall mit der übrigen Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. dem Brennstoffzellenstapel 40 mit dem Gehäuse 42, mechanisch und thermisch leitend verbunden. Die mechanischen Kontaktelemente 73 sind von Fixierungselementen 67 und Abstandselementen 70 gebildet. Die Fixierungselemente 67 als Verbindungselemente 69 aus Metall dienen zur mechanischen Verbindung des Rezirkulationssystems 65 mit der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels. Die Fixierungselemente 67 sind dabei vorzugsweise als Schrauben 68 ausgebildet. Die thermische Isolierung 74 weist eine im Wesentlichen konstante Dicke 78 von 10 mm auf. Hierzu sind Abstandselemente 70 zwischen der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels 40 und der Anschlussplatte 66 des Rezirkulationssystems 65 vorhanden. Die Abstandselemente 70 sind als Abstandsringe 71 und/oder Noppen 72 ausgebildet. Die Abstandsringe 71 umhüllen als Hülse die Fixierungselemente 67 zwischen der Anschlussplatte 47 und der Anschlussplatte 66. Die Abstandsringe 71 sind dabei entweder an der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels 40 ausgebildet und liegen damit auf der Anschlussplatte 66 des Rezirkulationssystems 65 auf oder umgekehrt. Abweichend hiervon können die Abstandsringe 71 auch von Beilagscheiben als gesonderte Bauteile in Ergänzung zu der Anschlussplatte 47 und der Anschlussplatte 66 gebildet sein. Im Wesentlichen gleichmäßig verteilt in dem Zwischenraum 75 sind Noppen 72 ausgebildet. Die Noppen 72 sind an der Anschlussplatte 47 und/oder an der Anschlussplatte 66 ausgebildet. Die mechanischen Kontaktelemente 73 aus Metall weisen eine große Wärmeleitfähigkeit auf. Bei einem Schnitt mit einer Schnittebene parallel zu der fiktiven Isolierebene 77 durch den Zwischenraum 75 als die thermische Isolierung 74 ist die Summe der Flächen der mechanischen Kontaktelemente 73 kleiner als 5 % der Fläche der thermischen Isolierung 74 in dem gleichen Schnitt, sodass durch die mechanischen Kontaktelemente 73 bei einem Temperaturunterschied zwischen der Anschlussplatte 47 und der Anschlussplatte 66 nur ein vernachlässigbarer Wärmestrom oder Wärmefluss leitbar ist.The recirculation system 65 is mechanically and thermally conductively connected to the rest of the fuel cell unit 1, ie the fuel cell stack 40 to the housing 42, by mechanical contact elements 73 made of metal. The mechanical contact elements 73 are formed by fixing elements 67 and spacer elements 70 . The fixing elements 67 as metal connecting elements 69 serve to mechanically connect the recirculation system 65 to the connection plate 47 of the fuel cell stack. The fixing elements 67 are preferably in the form of screws 68 trained. The thermal insulation 74 has a substantially constant thickness 78 of 10 mm. For this purpose, there are spacer elements 70 between the connection plate 47 of the fuel cell stack 40 and the connection plate 66 of the recirculation system 65 . The spacer elements 70 are designed as spacer rings 71 and/or knobs 72 . The spacer rings 71 envelop the fixing elements 67 between the connection plate 47 and the connection plate 66 as a sleeve. The spacer rings 71 are either formed on the connection plate 47 of the fuel cell stack 40 and are therefore on the connection plate 66 of the recirculation system 65 or vice versa. Deviating from this, the spacer rings 71 can also be formed by washers as separate components in addition to the connection plate 47 and the connection plate 66 . Knobs 72 are formed essentially uniformly distributed in the intermediate space 75 . The nubs 72 are formed on the connection plate 47 and/or on the connection plate 66 . The mechanical contact elements 73 made of metal have a high thermal conductivity. In a section with a section plane parallel to the fictitious insulating plane 77 through the intermediate space 75 as the thermal insulation 74, the sum of the areas of the mechanical contact elements 73 is less than 5% of the area of the thermal insulation 74 in the same section, so that the mechanical contact elements 73 with a temperature difference between the connection plate 47 and the connection plate 66 only a negligible heat flow or heat flow can be conducted.

Bei einem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 bei Temperaturen von unter 0° C ist das Wasser in der Fördereinrichtung 60, der Strahlpumpe 62 und an den Ablassventilen 63 sowie an dem Wasserabscheider 51 zu Eis gefroren. Zum Starten der Brennstoffzelleneinheit 1 ist es deshalb notwendig, mittels der elektrischen Widerstandsheizelemente 58 die Komponenten 51, 60, 61, 62 und 63 zu erwärmen und damit das Eis zu Wasser zu schmelzen. Die elektrische Energie hierfür stammt aus einer nicht dargestellten Batterie. Aufgrund dieses Erwärmens für die Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit 1 bei Temperaturen von unter 0 °C tritt somit ein Temperaturunterschied zwischen dem Rezirkulationssystem 65 mit der Anschlussplatte 66 und der übrigen Brennstoffzelleneinheit 1 mit dem Brennstoffzellenstapel 40 und der Anschlussplatte 47 auf. Aufgrund der thermischen Isolierung 74 zwischen der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels 40 und der Anschlussplatte 66 des Rezirkulationssystems 65 tritt nur ein sehr vernachlässigbarer Wärmestrom von dem erwärmten Rezirkulationssystem 65 zu der übrigen Brennstoffzelleneinheit 1 mit dem Brennstoffzellenstapel 40 auf. Für das Erwärmen der Komponenten 51, 60, 61, 62 und 63 des Rezirkulationssystems 65 auf Temperaturen über 0 °C zum Schmelzen von Eis zu Wasser wird somit nur wenig elektrische Energie benötigt, weil beim Erwärmen im Wesentlichen nur das Rezirkulationssystem 65 mit einer kleinen Masse erwärmt wird und im Wesentlichen nicht der Brennstoffzellenstapel 40 mit einer großen Masse.When the fuel cell unit 1 is started at temperatures below 0° C., the water in the conveying device 60, the jet pump 62 and at the drain valves 63 and at the water separator 51 is frozen to ice. To start the fuel cell unit 1, it is therefore necessary to heat the components 51, 60, 61, 62 and 63 by means of the electrical resistance heating elements 58 and thus to melt the ice into water. The electrical energy for this comes from a battery, not shown. Due to this heating for starting up the fuel cell unit 1 at temperatures below 0° C., there is a temperature difference between the recirculation system 65 with the connection plate 66 and the rest of the fuel cell unit 1 with the fuel cell stack 40 and the connection plate 47 . Because of the thermal insulation 74 between the connection plate 47 of the fuel cell stack 40 and the connection plate 66 of the recirculation system 65 , only a very negligible flow of heat occurs from the heated recirculation system 65 to the rest of the fuel cell unit 1 with the fuel cell stack 40 . For the heating of the components 51, 60, 61, 62 and 63 of the recirculation system 65 to temperatures above 0 ° C for melting ice to water only little electrical energy is required because during heating essentially only the recirculation system 65 with a small mass is heated and substantially not the fuel cell stack 40 with a large mass.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Bei einem Einsatz der Brennstoffzelleneinheit 1 in einem Kraftfahrzeug umfasst das Antriebssystem neben der Brennstoffzelleneinheit 1 auch eine Batterie zur temporären, kurzzeitigen Speicherung von elektrischer Energie. Bei einem Start des Kraftfahrzeuges bei Temperaturen von unter 0 °C wird in der Anfangsphase der Fahrt mit dem Kraftfahrzeug die elektrische Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeuges ausschließlich aus der Batterie verwendet, weil zunächst das Erwärmen der Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. des Rezirkulationssystems 65, notwendig ist, um das gefrorene Eis zu Wasser zu schmelzen. Erst nach dem Auftauen des Rezirkulationssystems 65 nach wenigen Minuten kann die Brennstoffzelleneinheit 1 gestartet werden und anschließend der Antrieb des Kraftfahrzeuges mit elektrischer Energie aus der Brennstoffzelleneinheit 1 ausgeführt werden. Aufgrund der niedrigen Temperaturen weist jedoch die Batterie nur eine kleine elektrische Leistung auf. Darüber hinaus sind andere Verbraucher an dem Kraftfahrzeug in der Anfangsphase der Fahrt eingeschaltet, beispielsweise eine Heizung als Wärmepumpe zum Erwärmen des Fahrgastinnenraumes. Die thermische Isolierung 74 bewirkt, dass zum Erwärmen des Rezirkulationssystems 65 mit den elektrischen Widerstandsheizelementen 58 nur wenig elektrische Energie benötigt wird, sodass in vorteilhafter Weise die Batterie klein dimensioniert werden kann bei einem geringen Bauraumbedarf und einer kleinen Masse.Considered overall, significant advantages are associated with the fuel cell unit 1 according to the invention. When the fuel cell unit 1 is used in a motor vehicle, the drive system includes not only the fuel cell unit 1 but also a battery for the temporary, short-term storage of electrical energy. When starting the motor vehicle at temperatures below 0 ° C, the electrical energy to drive the motor vehicle is used exclusively from the battery in the initial phase of driving the vehicle, because initially the heating of the fuel cell unit 1, d. H. of the recirculation system 65, is necessary to melt the frozen ice into water. Only after the recirculation system 65 has thawed out after a few minutes can the fuel cell unit 1 be started and the motor vehicle then be driven with electrical energy from the fuel cell unit 1 . Due to the low temperatures, however, the battery only has a small electrical output. In addition, other loads on the motor vehicle are switched on in the initial phase of the journey, for example a heater as a heat pump for heating the passenger compartment. The thermal insulation 74 means that only a small amount of electrical energy is required to heat the recirculation system 65 with the electrical resistance heating elements 58, so that the battery can advantageously have small dimensions with a small installation space requirement and a small mass.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102017215501 A1 [0004]

Claims

Fuel cell unit (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising - stacked fuel cells (2) and the fuel cells (2) each comprise stacked layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10), so that the stacked fuel cells (2) form a fuel cell stack (40), - channels (12) for recirculation fuel integrated into the fuel cell stack (40), - a recirculation system (65) with a recirculation line (50) for recirculating the recirculation fuel discharged from the channels (12) for recirculation fuel back into the channels (12) for recirculation fuel, so that a recirculation circuit with recirculating recirculation fuel is formed in the fuel cell unit (1), characterized in that the recirculation system (65) is thermally separated from the fuel cell stack (40) with thermal insulation (74) is isolated.

fuel cell unit claim 1 , characterized in that the fuel cell unit (1) comprises a housing (42), in particular a housing (42) with a connecting plate (47), and preferably the fuel cell stack (40) is encased by the housing (42, 47).

fuel cell unit claim 2 , characterized in that the thermal insulation (74) is arranged between the housing (42, 47) and the recirculation system (65).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the thermal insulation (74) consists of an intermediate space (75) filled with air and/or insulating material as thermal heat insulation material, on the one hand between the recirculation system (65) and on the other hand the fuel cell stack (40) and / or the housing (42, 47) of the fuel cell unit (1) is formed.

fuel cell unit claim 4 , characterized in that the intermediate space (75) is designed as a gap (76).

fuel cell unit claim 4 or 5 , characterized in that the level intermediate space (75) spans a fictitious insulating plane (77) and preferably the intermediate space (75) has a significantly greater extent in the direction of the fictitious insulating plane (77) than perpendicular to the fictitious insulating plane (77).

fuel cell unit claim 6 , characterized in that the fuel cells (2) and / or components (5, 6, 7, 8, 9, 10) of the fuel cells (2) span fictitious planes (37) and the fictitious insulating plane (77) substantially parallel to the fictitious planes (37) is aligned.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the area of the thermal insulation (74) is at least 50%, 70%, 80% or 90% of the area of each fuel cell (2) and/or each component (5, 6, 7, 8, 9,10) of the fuel cell (2).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the thickness (78) of the thermal insulation (74) is between 0.5 mm and 70 mm, in particular between 2 mm and 50 mm.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the thermal conductivity of the thermal insulation (74) is less than 0.3 W/mK or 0.1 W/mK or 0.01 W/mK.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell stack (40) with at least one mechanical contact element (73), in particular with a thermal conductivity greater than 20 W / mK or 40 W / mK or 60 W / mK, mechanically with connected to the recirculation system (65).

fuel cell unit claim 11 , characterized in that the sum of the at least one area of the at least one mechanical contact element (73) in a section parallel to the fictitious insulating plane (77) is less than 30% or 20% or 10% of the area of the thermal insulation (74).

fuel cell unit claim 11 or 12 , characterized in that the at least one mechanical contact element (73) acts as a connecting element (69) for direct or indirect mechanical connection of the recirculation system (65) to the fuel cell stack (40).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the recirculation system (65) comprises a delivery device (60), in particular a blower (61) and/or a jet pump (62), for delivering the recirculation fuel through the recirculation circuit.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the recirculation system (65) is designed as a structural unit.