DE102022202195A1

DE102022202195A1 - Electrochemical Cell Unit

Info

Publication number: DE102022202195A1
Application number: DE102022202195.9A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Andreas Ringk
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

Elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77) umfassen, die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77) der elektrochemischen Zellen Membranelektrodenanordnungen (6), erstes Subgaskets (62, 63), zweite Subgaskets (62, 64), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9, 76, 77) und Kontaktplatten sind und die Membranelektrodenanordnungen (6) je eine Protonenaustauschermembran (5), je eine Anode (7) und je eine Kathode (8) umfassen und bei je einer Membranelektrodenanordnung (6) die Protonenaustauschermembran (5) in einem Zwischenraum (70) zwischen der Anode (7) und der Kathode (8) angeordnet ist, Membrankomponenten (66, 67, 68, 69) und von je wenigstens einer Membrankomponente (66, 67, 68, 69) die je eine Protonenaustauschermembran (5) ausgebildet ist, Verbindungsmittel (71) zur mechanischen Verbindung von je einem ersten Subgasket (62, 63) und je einem zweiten Subgasket (62, 64) mit je einer Membranelektrodenanordnung (6) bei je einer elektrochemischen Zelle, Kanäle zum Durchleiten von Prozessfluiden, wobei für je eine Membranelektrodenanordnung (6) an der je wenigstens einen Membrankomponente (66, 67, 68, 69) derje einen Protonenaustauschermembran (5) eine außerhalb des je einen Zwischenraumes (70) zwischen der je einen Anode (7) und der je einen Kathode (8) ausgebildete Verlängerung (72) angeordnet ist und die je eine Verlängerung (72) mit dem je einen ersten Subgasket (62, 63) und/oder mit dem je einen zweiten Subgasket (62, 64) verbunden ist, so dass die je eine Verlängerung (72) das Verbindungsmittel (71) zur mechanischen Verbindung von dem je einem ersten Subgasket (62, 63) und dem je einem zweiten Subgasket (62, 63) mit der je einen Membranelektrodenanordnung (6) ausbildet.Electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, comprising stacked electrochemical cells and the electrochemical cells each having stacked layered components (5, 6, 7, 8, 9, 62 , 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77) comprising components (5, 6, 7, 8, 9, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77) of the electrochemical cells are membrane electrode arrangements (6), first subgaskets (62, 63), second subgaskets (62, 64), preferably gas diffusion layers (9, 76, 77) and contact plates and the membrane electrode arrangements (6) each have a proton exchange membrane ( 5), each comprising an anode (7) and a cathode (8) and in each membrane electrode arrangement (6) the proton exchange membrane (5) is arranged in a space (70) between the anode (7) and the cathode (8). , membrane components (66, 67, 68, 69) and each of at least one membrane component (66, 67, 68, 69), each of which is formed as a proton exchange membrane (5), connecting means (71) for the mechanical connection of a respective first subgasket (62 , 63) and a second subgasket (62, 64) each with a membrane electrode arrangement (6) for each electrochemical cell, channels for the passage of process fluids, wherein for each membrane electrode arrangement (6) on the respective at least one membrane component (66, 67 , 68, 69) of which one proton exchange membrane (5) each has an extension (72) formed outside of each intermediate space (70) between each one anode (7) and each one cathode (8) and each one extension (72 ) with each a first subgasket (62, 63) and / or with each a second subgasket (62, 64) is connected, so that each extension (72) the connecting means (71) for mechanical connection of each one forms the first subgasket (62, 63) and the respective second subgasket (62, 63) with the respective membrane electrode arrangement (6).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The present invention relates to an electrochemical 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 Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a multiplicity of fuel cells are arranged in a stack as a stack.

In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack. Inside each fuel cell there is a gas space for oxidizing agent, ie a flow space for conducting oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen, through. The oxidant gas space is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and the oxidizing agent, namely oxygen, reaches the cathode of the fuel cells through the gas diffusion layer. A gas space for fuel is present in an analogous manner.

Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können. Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen. Brennstoffzellen weisen somit Kanäle für die Prozessfluide Brennstoff und Oxidationsmittel auf. Elektrolysezellen weisen Kanäle für die Prozessfluide Elektrolyten auf.Electrolytic cell units made up of stacked electrolytic cells, analogous to fuel cell units, are used, for example, for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water. Furthermore, fuel cell units are known which can be operated as reversible fuel cell units and thus as electrolytic cell units. Fuel cell units and electrolytic cell units form electrochemical cell units. Fuel cells and electrolytic cells form electrochemical cells. Fuel cells thus have channels for the process fluids fuel and oxidant. Electrolytic cells have channels for the process fluids, electrolytes.

In den elektrochemischen Zellen sind Membranelektrodenanordnungen mit einem Verbindungsmittel mechanisch mit Subgaskets verbunden. Die Membranelektrodenanordnungen sind aus den Anoden, Kathoden und Protonenaustauschermembranen aufgebaut. Dabei sind die Subgaskets an einem Endbereich der Subgaskets auf den Außenseiten der Anoden und Kathoden angeordnet und stoffschlüssig mit einem Klebstoff als Verbindungsmittel mit den Außenseiten der Anoden und Kathoden verbunden. In nachteiliger Weise verursacht dies eine große Bauhöhe der elektrochemischen Zellen und der elektrochemischen Zelleneinheit. Darüber hinaus wird dadurch in nachteiliger Weise die für die elektrochemische Reaktion zur Verfügung stehende Außenseite der Anoden und Kathoden verkleinert. Dadurch verringert sich beispielsweise die elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit.In the electrochemical cells, membrane electrode assemblies are mechanically connected to subgaskets with a connecting means. The membrane electrode assemblies are made up of the anodes, cathodes and proton exchange membranes. The subgaskets are arranged in an end region of the subgaskets on the outsides of the anodes and cathodes and are cohesively connected to the outsides of the anodes and cathodes using an adhesive as the connecting means. This disadvantageously causes the electrochemical cells and the electrochemical cell unit to be very tall. In addition, the outside of the anodes and cathodes available for the electrochemical reaction is disadvantageously reduced as a result. This reduces, for example, the electrical power of the fuel cell unit.

Die DE 10 2012 011 441 A1 zeigt eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, die eine Protonenaustauschmembran aufweist, die auf der einen Seite eine aktive Flache zur Ausbildung einer Anode und auf der anderen Seite eine aktive Flache zur Ausbildung einer Kathode besitzt, wobei die aktiven Flächen jeweils von einer nicht aktiven Fläche umgeben sind und die nicht aktiven Flachen anodenseitig und kathodenseitig mit einem Subgasket stabilisiert sind.The DE 10 2012 011 441 A1 shows a membrane-electrode unit for a fuel cell, which has a proton exchange membrane, which has an active surface for forming an anode on one side and an active surface for forming a cathode on the other side, with the active surfaces each not having one active surface are surrounded and the non-active surfaces are stabilized with a subgasket on the anode side and cathode side.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Erfindungsgemäße elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, die Komponenten der elektrochemischen Zellen Membranelektrodenanordnungen, erste Subgaskets, zweite Subgaskets, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Kontaktplatten sind und die Membranelektrodenanordnungen je eine Protonenaustauschermembran, je eine Anode und je eine Kathode umfassen und bei je einer Membranelektrodenanordnung die Protonenaustauschermembran in einem Zwischenraum zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, Membrankomponenten und von je wenigstens einer Membrankomponente die je eine Protonenaustauschermembran ausgebildet ist, Verbindungsmittel zur mechanischen Verbindung von je einem ersten Subgasket und je einem zweiten Subgasket mit je einer Membranelektrodenanordnung bei je einer elektrochemischen Zelle, Kanäle zum Durchleiten von Prozessfluiden, wobei, insbesondere bei je eine elektrochemischen Zelle, für je eine Membranelektrodenanordnung an der je wenigstens einen Membrankomponente der je einen Protonenaustauschermembran eine außerhalb des je einen Zwischenraumes zwischen der je einen Anode und der je einen Kathode ausgebildete Verlängerung angeordnet ist und die je eine Verlängerung mit dem je einen ersten Subgasket und/oder mit dem je einen zweiten Subgasket verbunden ist, so dass die je eine Verlängerung das Verbindungsmittel zur mechanischen Verbindung von dem je einem ersten Subgasket und dem je einem zweiten Subgasket mit der je einen Membranelektrodenanordnung ausbildet.Electrochemical cell unit according to the invention for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, comprising electrochemical cells arranged stacked and the electrochemical cells each comprising layered components arranged stacked, the components of the electrochemical cells membrane electrode arrangements, first subgaskets , second subgaskets, preferably gas diffusion layers and contact plates, and the membrane electrode assemblies each comprise a proton exchange membrane, an anode and a cathode each and, in each membrane electrode assembly, the proton exchange membrane is arranged in an intermediate space between the anode and the cathode, membrane components and of at least one membrane component each each of which has a proton exchange membrane, connecting means for mechanically connecting a first subgasket and a second subgasket each with a membrane electrode arrangement for each electrochemical cell, channels for conducting process fluids through, with, in particular for each electrochemical cell, for one membrane electrode arrangement each on each at least one membrane component of each one proton exchange membrane an extension formed outside of each intermediate space between each one anode and each one cathode is arranged and each extension with the respective first subgasket and/or connected to each second subgasket, so that each extension forms the connecting means for mechanical connection of each first subgasket and each second subgasket to each membrane electrode assembly.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die je eine Verlängerung stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig mittelbar oder unmittelbar mit dem je einen ersten Subgasket und/oder dem je einen zweiten Subgasket verbunden.In an additional embodiment, each extension is connected directly or indirectly to each first subgasket and/or each second subgasket in a materially bonded and/or force-fitting and/or form-fitting manner.

In einer weiteren Variante ist die je eine Protonenaustauschermembran aus je einer Trägerschicht für einen Membranstoff mit Membranwirkung und dem je einen Membranstoff mit Membranwirkung ausgebildet, so dass die Membrankomponenten der je einen Protonenaustauschermembran die je eine Trägerschicht und der je eine Membranstoff sind. Der Membranstoff ist durchlässig für Protonen, jedoch nicht für Gase, insbesondere Brennstoff und Oxidationsmittel. Vorzugsweise ist der Membranstoff PFSA (Perfluorsulfonsäure).In a further variant, each proton exchange membrane consists of a carrier layer for a membrane material with a membrane effect and a membrane material with a membrane effect, so that the membrane components of each proton exchange membrane are each a carrier layer and each a membrane material. The membrane material is permeable to protons, but not to gases, especially fuel and oxidizing agents. Preferably, the membrane fabric is PFSA (perfluorosulfonic acid).

In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die je eine Trägerschicht als eine Folie, insbesondere gestreckte Folie mit Öffnungen zum Durchwandern von Protonen, ausgebildet.In an additional configuration, each carrier layer is designed as a film, in particular a stretched film with openings for protons to migrate through.

Vorzugsweise ist die je eine Trägerschicht aus PTFE (Polytetrafluorethylen), insbesondere als gestreckte Folie aus PTFE, ausgebildet.Each carrier layer is preferably made of PTFE (polytetrafluoroethylene), in particular as a stretched film made of PTFE.

In einer weiteren Variante umfasst bei je einer elektrochemischen Zelle die Verlängerung der wenigstens einen Membrankomponente als das Verbindungsmittel die Trägerschicht.In a further variant, in the case of one electrochemical cell each, the extension of the at least one membrane component comprises the carrier layer as the connecting means.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst bei je einer elektrochemischen Zelle die Verlängerung der wenigstens einen Membrankomponente als das Verbindungsmittel die Trägerschicht und den Membranstoff.In an additional configuration, for each electrochemical cell, the extension of the at least one membrane component comprises the carrier layer and the membrane material as the connecting means.

Zweckmäßig ist bei je einer elektrochemischen Zelle die Verlängerung der wenigstens einen Membrankomponente als das Verbindungsmittel zwischen dem ersten Subgasket und dem zweiten Subgasket angeordnet.In the case of one electrochemical cell each, the extension of the at least one membrane component is expediently arranged as the connecting means between the first subgasket and the second subgasket.

In einer ergänzenden Ausführungsform ist bei je einer elektrochemischen Zelle zwischen dem ersten Subgasket und dem zweiten Subgasket, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu fiktiven Ebenen aufgespannt von den Komponenten der elektrochemischen Zellen, im Wesentlichen keine Anode und/oder im Wesentlichen keine Kathode ausgebildet. Im Wesentlichen keine Anode und/oder im Wesentlichen keine Kathode bedeutet vorzugsweise, dass bei je einer elektrochemischen Zelle zwischen dem ersten Subgasket und dem zweiten Subgasket der Massenanteil und/oder der Volumenanteil der Anode und/oder der Kathode kleiner als 10%, 5 %, 3 % oder 1 % der Anode und/oder der Kathode ist. In a supplementary embodiment, essentially no anode and/or essentially no cathode is formed in each electrochemical cell between the first subgasket and the second subgasket, in particular in a direction perpendicular to imaginary planes spanned by the components of the electrochemical cells. Essentially no anode and/or essentially no cathode preferably means that in each electrochemical cell between the first subgasket and the second subgasket the mass fraction and/or the volume fraction of the anode and/or the cathode is less than 10%, 5%, 3% or 1% of the anode and/or the cathode.

Insbesondere ist bei je einer elektrochemischen Zelle auf wenigstens 90% der Fläche der Außenseiten, insbesondere der gesamten Fläche der Außenseiten, der Anode und/oder der Kathode der Membranelektrodenanordnung kein erstes Subgasket und/oder kein zweites Subgasket angeordnet oder befestigt und vorzugsweise die Außenseiten der Anode und/oder Kathode im Wesentlichen parallel zu den fiktiven Ebenen aufgespannt von den Komponenten der elektrochemischen Zellen ausgerichtet sind. Vorzugsweise wird als Außenseite der Anoden und/oder Kathode auch eine Außenseite einer Katalysatorschicht auf der Anode und/oder Kathode betrachtet. Im Wesentlichen parallel bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°. Die Außenseite der Anode und/oder Kathode ist eine Seite der Anode und/oder Kathode abgewandt zu der Protonenaustauschermembran bei je einer elektrochemischen Zelle.In particular, for each electrochemical cell, no first subgasket and/or no second subgasket is arranged or attached to at least 90% of the area of the outsides, in particular the entire area of the outsides, of the anode and/or the cathode of the membrane electrode assembly, and preferably the outsides of the anode and/or cathode are aligned essentially parallel to the imaginary planes spanned by the components of the electrochemical cells. An outside of a catalyst layer on the anode and/or cathode is preferably also considered as the outside of the anode and/or cathode. Substantially parallel means preferably with a deviation of less than 30°, 20° or 10°. The outside of the anode and/or cathode is a side of the anode and/or cathode facing away from the proton exchange membrane in each case of an electrochemical cell.

In einer weiteren Ausführungsform ist bei je einer elektrochemischen Zelle die Verlängerung der wenigstens einen Membrankomponente, welche das Verbindungsmittel ausbildet, einteilig mit der gleichen wenigstens einen Membrankomponente ausgebildet, welche in dem Zwischenraum zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist.In a further embodiment, in each electrochemical cell the extension of the at least one membrane component which forms the connecting means is formed in one piece with the same at least one membrane component which is arranged in the space between the anode and the cathode.

In einer ergänzenden Variante ist bei je einer elektrochemischen Zelle die Verlängerung der wenigstens eine Membrankomponente der Protonenaustauschermembran als das Verbindungsmittel stoffschlüssig mit einem Klebstoff mit dem ersten Subgasket und/oder mit dem zweiten Subgasket verbunden.In an additional variant, for each electrochemical cell, the extension of the at least one membrane component of the proton exchange membrane is bonded as the connecting means with an adhesive to the first subgasket and/or to the second subgasket.

In einer weiteren Ausgestaltung ist bei je einer elektrochemischen Zelle die Verlängerung der wenigstens eine Membrankomponente der Protonenaustauschermembran als das Verbindungsmittel kraftschlüssig mit dem ersten Subgasket und mit dem zweiten Subgasket verbunden aufgrund einer zwischen dem ersten Subgasket, der Verlängerung der wenigstens einen Membrankomponente der Protonenaustauschermembran als dem Verbindungsmittel und dem zweiten Subgasket wirkenden Druckkraft.In a further embodiment, for each electrochemical cell, the extension of the at least one membrane component of the proton exchange membrane as the connecting means is non-positively connected to the first subgasket and to the second subgasket due to a between the first subgasket, the extension of the at least one membrane component of the proton exchange membrane as the connecting means and the compressive force acting on the second subgasket.

In einer ergänzenden Variante in je einer elektrochemischen Zelle mit einer ersten Gasdiffusionsschicht für den Gasraum für Brennstoff an der Anode und mit einer zweiten Gasdiffusionsschicht für den Gasraum für Oxidationsmittel an der Kathode, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu fiktiven Ebenen aufgespannt von Komponenten der elektrochemischen Zellen, zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht und der Anode kein Subgasket angeordnet ist und zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht und der Kathode kein Subgasket angeordnet ist.In an additional variant in one electrochemical cell each with a first gas diffusion layer for the gas space for fuel at the anode and with a second gas diffusion layer for the gas space for oxidizing agent at the cathode, in particular in a direction perpendicular to imaginary planes spanned by components of the electrochemical cells, no subgasket is arranged between the first gas diffusion layer and the anode and no subgasket is arranged between the second gas diffusion layer and the cathode.

In einer zusätzlichen Variante in je einer elektrochemischen Zelle mit einer ersten Gasdiffusionsschicht für den Gasraum für Brennstoff an der Anode und mit einer zweiten Gasdiffusionsschicht für den Gasraum für Oxidationsmittel an der Kathode, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu fiktiven Ebenen aufgespannt von Komponenten der elektrochemischen Zellen, zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht und der Anode Klebstoff, insbesondere nur Klebstoff und/oder ein Gas, angeordnet ist und zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht und der Kathode Klebstoff, insbesondere nur Klebstoff und/oder ein Gas, angeordnet ist.In an additional variant in one electrochemical cell each with a first gas diffusion layer for the gas space for fuel at the anode and with a second gas diffusion layer for the gas space for oxidizing agent at the cathode, in particular in a direction perpendicular to fictitious planes spanned by components of the electrochemical cells, Adhesive, in particular only adhesive and/or a gas, is arranged between the first gas diffusion layer and the anode and adhesive, in particular only adhesive and/or a gas, is arranged between the second gas diffusion layer and the cathode.

In einer ergänzenden Ausgestaltung ist an wenigstens 50 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 95 % Fläche der Innenseiten des ersten und zweiten Subgaskets und/oder der Fläche des Zwischenraumes zwischen dem ersten und zweiten Subgasket je einer elektrochemischen Zelle wenigstens eine Membrankomponente, insbesondere die Trägerschicht, angeordnet. Das erste und zweite Subgasket je einer elektrochemischen Zelle weist je eine Innenseite auf und an diesen Innenseiten liegt das erste und zweite Subgasket mittelbar aufeinander mittels der wenigstens einen Membrankomponente.In a supplementary embodiment, at least one membrane component is on at least 50%, 70%, 80%, 90% or 95% of the area of the insides of the first and second subgasket and/or the area of the space between the first and second subgasket of an electrochemical cell, in particular the carrier layer arranged. The first and second subgaskets of an electrochemical cell each have an inner side, and the first and second subgaskets lie directly on top of one another on these inner sides by means of the at least one membrane component.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Kontaktplatten Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten und/oder Endplatten.In a further embodiment, the contact plates are monopolar plates and/or bipolar plates and/or end plates.

In einer weiteren Ausführungsform sind wenigstens 90% der elektrochemischen Zellen, insbesondere sämtliche elektrochemischen Zellen, der elektrochemischen Zelleneinheit wie in dieser Schutzrechtsanmeldung beschrieben ausgebildet.In a further embodiment, at least 90% of the electrochemical cells, in particular all electrochemical cells, of the electrochemical cell unit are designed as described in this patent application.

Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, Membranelektrodenanordnungen, Subgaskets, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Kontaktplatten als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten, und/oder Endplatten.Components for electrochemical cells, in particular fuel cells and/or electrolysis cells, are expedient, preferably insulation layers, in particular proton exchange membranes, membrane electrode arrangements, subgaskets, anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and contact plates as monopolar plates and/or bipolar plates, in particular separator plates, and/or end plates.

In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die elektrochemische Zelleneinheit eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder eine Elektrolysezelleneinheit zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie.In an additional embodiment, the electrochemical cell unit is a fuel cell unit as a fuel cell stack for converting electrochemical energy into electrical energy and/or an electrolytic cell unit for converting electrical energy into electrochemical energy.

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

In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Stapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.In a further variant, the electrochemical cell unit comprises a housing and/or a connection plate. The stack is enclosed by the housing and/or the connection board.

Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.Fuel cell system according to the invention, in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas 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 a fuel cell unit described in this patent application and/or Electrolytic cell unit is formed.

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

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

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

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

In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.In a further variant, the gas conveying device is in the form of a blower and/or a compressor sor and / or formed a pressure vessel with oxidizing agent.

Insbesondere umfasst die elektrochemischen Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit, wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.In particular, the electrochemical cell unit, in particular a fuel cell unit and/or an electrolytic cell unit, comprises at least 3, 4, 5 or 6 connecting 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 Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.The fuel cells and/or electrolytic cells are expediently designed to be essentially flat and/or disc-shaped.

In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.In a supplementary variant, the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.

Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).Preferably, the fuel cell unit is a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells, or a SOFC fuel cell unit with SOFC fuel cells, or an alkaline fuel cell (AFC).

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 elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
7 eine perspektivische Ansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in 9,
8 einen Teilschnitt durch eine Membranelektrodenanordnung, zwei Subgaskets und zwei Gasdiffusionsschichten einer elektrochemischen Zelle aus dem Stand der Technik (prior art),
9 einen Teilschnitt durch die Membranelektrodenanordnung, zwei Subgaskets und zwei Gasdiffusionsschichten der elektrochemischen Zelle der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel,
10 einen Teilschnitt durch die Membranelektrodenanordnung, zwei Subgaskets und zwei Gasdiffusionsschichten der elektrochemischen Zelle der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
11 einen Teilschnitt durch die Membranelektrodenanordnung, zwei Subgaskets und zwei Gasdiffusionsschichten der elektrochemischen Zelle der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit in einem dritten Ausführungsbeispiel und
12 einen Teilschnitt durch die Membranelektrodenanordnung, zwei Subgaskets und zwei Gasdiffusionsschichten der elektrochemischen Zelle der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit in einem vierten Ausführungsbeispiel.

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

1 a highly simplified exploded view of an electrochemical cell system as a fuel cell system and electrolysis cell system with components of an electrochemical cell as a fuel cell and electrolysis cell,
2 a perspective view of part of a fuel cell and electrolytic cell,
3 a longitudinal section through electrochemical cells as fuel cells and electrolytic cells,
4 a perspective view of an electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack,
5 a side view of the electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack,
6 a perspective view of a bipolar plate,
7 a perspective view of a membrane electrode assembly according to the first embodiment in 9 ,
8th a partial section through a membrane electrode assembly, two subgaskets and two gas diffusion layers of an electrochemical cell from the prior art (prior art),
9 a partial section through the membrane electrode assembly, two subgaskets and two gas diffusion layers of the electrochemical cell of the electrochemical cell unit according to the invention in a first embodiment,
10 a partial section through the membrane electrode assembly, two subgaskets and two gas diffusion layers of the electrochemical cell of the electrochemical cell unit according to the invention in a second embodiment,
11 a partial section through the membrane electrode assembly, two subgaskets and two gas diffusion layers of the electrochemical cell of the electrochemical cell unit according to the invention in a third embodiment and
12 a partial section through the membrane electrode assembly, two subgaskets and two gas diffusion layers of the electrochemical cell of the electrochemical cell unit according to the invention in a fourth embodiment.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.In the 1 until 3 the basic structure of a fuel cell 2 is shown as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3). The principle of fuel cells 2 is that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction. Hydrogen H ₂ is passed as a gaseous fuel to an anode 7 and the anode 7 forms the negative pole. A gaseous oxidizing agent, namely air with oxygen, is fed to a cathode 8, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent. A reduction (acceptance of electrons) takes place at the cathode 8 . The oxidation as electron release is carried out at the anode 7 .

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

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

The redox equations of the electrochemical processes are:

Cathode: O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^- --» 2 H ₂ O
Anode: 2 H ₂ --» 4 H ⁺ + 4 e ^-
Summation reaction equation of cathode and anode: _2H2 + _O2 --» _2H2O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.The difference between the normal potentials of the pairs of electrodes under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or no-load voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not reached in practice. In the idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be reached and when operating with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are reached. The series connection of several fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several stacked fuel cells 2, has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2.

Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden für 5 µm bis 150 µm dicke, Schichten mit expandierten Folien mit Öffnungen als Trägerschicht und daran angelagerte protonenleitende Membranstoffe mit Membranwirkung als perfluorierte und/oder sulfonierte Verbindungen für die PEM 5 eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.The fuel cell 2 also includes a proton exchange membrane 5 (proton exchange membrane, PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8 . The anode 7 and cathode 8 are in the form of layers or discs. The PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst support and separator for the reaction gases. The PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8. In general, for 5 µm to 150 µm thick layers with expanded foils with openings as a carrier layer and attached thereto proton-conducting membrane materials with a membrane effect as perfluorinated and / or sulfonated compounds for the PEM 5 used. The PEM 5 conducts the H ⁺ protons and essentially blocks ions other than H ⁺ protons, so that the charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the H ⁺ protons. The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ , ie blocks the flow of oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ between a gas space 31 at the anode 7 with fuel hydrogen H ₂ and the gas space 32 at the cathode 8 with air or oxygen O ₂ as the oxidizing agent. The proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.

Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 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 Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise 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 the electrodes 7, 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 fuel on the anode 7 comprises nanodisperse platinum-ruthenium on graphitized soot particles which are bound to a binder. The catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent on the cathode 8 analogously comprises nanodispersed platinum. 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 Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut.On the anode 7 and the cathode 8 there is a gas diffusion layer 9 (gas diffusion layer, GDL). The gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from fuel channels 12 evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7. The gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from oxidant channels 13 evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8. The GDL 9 also withdraws reaction water in the reverse direction to the direction of flow of the reaction gases, i. H. in one direction each from the catalyst layer 30 to the channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 wet and conducts the current. The GDL 9 is constructed, for example, from hydrophobic carbon paper as the carrier and substrate layer and a bonded carbon powder layer as the microporous layer.

Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe und/oder Graphit eingesetzt.A bipolar plate 10 rests on the GDL 9 . The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for conducting the reaction gases as process fluids through the channel structures 29 and/or flow fields 29 and for dissipating the waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8. To dissipate the waste heat are in the bipolar plate 10 channels 14 as a channel structure 29 for the passage of a liquid or gaseous moderate coolant incorporated as process fluid. The channel structure 29 in the gas space 31 for fuel is formed by channels 12 . The channel structure 29 in the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by channels 13 . Metal, conductive plastics and composite materials and/or graphite, for example, are used as the material for the bipolar plates 10 .

In einer Brennstoffzelleneinheit 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.In a fuel cell unit 1, several fuel cells 2 are arranged stacked in alignment ( 4 and 5 ). In 1 is an exploded view of two aligned stacked fuel cells 2 shown. Seals 11 seal the gas chambers 31, 32 or channels 12, 13 in a fluid-tight manner. In a compressed gas storage 21 ( 1 ) hydrogen H ₂ is stored as a fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the compressed gas reservoir 21, the fuel is passed through a high-pressure line 18 to a pressure reducer 20 to reduce the pressure of the fuel in a medium-pressure line 17 from approximately 10 bar to 20 bar. The fuel is routed to an injector 19 from the medium-pressure line 17 . At the injector 19, the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure of between 1 bar and 3 bar. From the injector 19, the fuel is supplied to a supply line 16 for fuel ( 1 ) and from the supply line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel. As a result, the fuel flows through the gas space 31 for the fuel. The gas space 31 for the fuel is formed by the channels 12 and the GDL 9 on the anode 7 . After flowing through the channels 12 , the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and any water from controlled humidification of the anode 7 are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 15 .

Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Zellenstack 65 der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und an den Subgaskets 62 der Membranelektrodenanordnungen 6 (7) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 59 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Zellenstacks 65 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Zellenstacks 65 der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Zellenstacks 65 der Brennstoffzelleneinheit 1. 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. A supply line 27 is used to supply coolant into the channels 14 for coolant and a discharge line 28 is used to discharge the coolant conducted through the channels 14 . The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 are in 1 shown as separate lines for reasons of simplification. At the end area in the vicinity of the channels 12, 13, 14, in the cell stack 65 of the fuel cell unit 1, there are aligned fluid openings 41 on sealing plates 39 as an extension on the end area 40 of the bipolar plates 10 ( 6 ) and on the subgaskets 62 of the membrane electrode assemblies 6 ( 7 ) educated. The fuel cells 2 and the components of the fuel cells 2 are disk-shaped and span imaginary planes 59 aligned essentially parallel to one another. The aligned fluid openings 41 and seals (not shown) in a direction perpendicular to the notional planes 59 between the fluid openings 41 thus form an oxidant supply duct 42, an oxidant discharge duct 43, a fuel supply duct 44, a fuel discharge duct 45, a Supply channel 46 for coolant and a discharge channel 47 for coolant. The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside of the cell stack 65 of the fuel cell unit 1 are designed as process fluid lines. The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside of the cell stack 65 of the fuel cell unit 1 open into the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 within the cell stack 65 of the fuel cell unit 1. 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 erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 verbunden.In the fuel cell unit 1 the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34 . A first clamping plate 35 lies on the first fuel cell 2 and a second clamping plate 36 lies on the last fuel cell 2 . The fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, not all of which are shown in 4 and 5 are shown. The clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, ie the first clamping plate 35 rests on the first fuel cell 2 with a compressive force and the second clamping plate 36 rests on the last fuel cell 2 with a compressive force. The fuel cell stack 2 is thus braced in order to ensure tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seals 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible. To brace the fuel cells 2 with the clamping elements 33, four connecting devices 37 are designed as bolts 38 on the fuel cell unit 1, which bean on train are said. The four bolts 38 are connected to the chipboards 34 .

In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 (6) und an den Subgaskets 62 der Membranelektrodenanordnungen 6 (7) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47.In 6 the bipolar plate 10 of the fuel cell 2 is shown. The bipolar plate 10 includes the channels 12, 13 and 14 as three separate channel structures 29. The channels 12, 13 and 14 are in 6 not shown separately but only in simplified form as a layer of a channel structure 29. The fluid openings 41 on the sealing plates 39 of the bipolar plates 10 ( 6 ) and on the subgaskets 62 of the membrane electrode assemblies 6 ( 7 ) are arranged stacked in alignment within the fuel cell unit 1, so that feed and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 are formed. Seals (not shown) are arranged between the sealing plates 39 for fluid-tight sealing of the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 formed by the fluid openings 41.

Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.Since the bipolar plate 10 also separates the gas space 31 for fuel from the gas space 32 for oxidizing agent in a fluid-tight manner and also seals the channel 14 for coolant in a fluid-tight manner, the term separator plate for the fluid-tight separation or separation of process fluids can also be selected for the bipolar plate 10. The term separator plate is thus also subsumed under the term bipolar plate 10 and vice versa. The channels 12 for fuel, the channels 13 for oxidant and the channels 14 for coolant of the fuel cell 2 are also formed on the electrochemical cell 52, but with a different function.

Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H₂SO₄) = 1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H₃0⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.The fuel cell unit 1 can also be used and operated as an electrolytic cell unit 49, ie forms a reversible fuel cell unit 1. A number of features that allow the fuel cell unit 1 to be operated as an electrolytic cell unit 49 are described below. A liquid electrolyte, namely highly diluted sulfuric acid with a concentration of approximately c(H ₂ SO ₄ ) = 1 mol/l, is used for the electrolysis. A sufficient concentration of oxonium ions H ₃ 0 ⁺ in the liquid electrolyte is necessary for the electrolysis.

Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

Kathode: 4 H₃0⁺ + 4 e^- --» 2 H₂ + 4 H₂O
Anode: 6 H₂O --» O₂ + 4 H₃O⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂O --» 2 H₂ + O₂

The following redox reactions take place during electrolysis:

Cathode: 4 H ₃ 0 ⁺ + 4 e ^- --» 2 H ₂ + 4 H ₂ O
Anode: 6 H ₂ O --» O ₂ + 4 H ₃ O ⁺ + 4 e ^-
Summation reaction equation of cathode and anode: _2H2O --» _2H2 + _O2

Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H₂ als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H₂ von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O₂ als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O₂ wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Das 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10. Die Elektrolysezelleneinheit 49 mit dem Speicherbehälter 54, der Pumpe 56 und den Abscheidern 57, 58 und vorzugsweise dem 3-Wege-Ventil 55 bildet ein elektrochemisches Zellensystem 60.The polarity of the electrodes 7, 8 with electrolysis when operating as an electrolytic cell unit 49 is reversed (not shown) as when operating as a fuel cell unit 1, so that in the channels 12 for fuel, through which the liquid electrolyte is conducted, at the cathodes Hydrogen H ₂ is formed as a second substance and the hydrogen H ₂ is taken up by the liquid electrolyte and transported in dissolved form. Analogously, the liquid electrolyte is conducted through the channels 13 for oxidizing agent and oxygen O ₂ is formed as the first substance at the anodes in or at channels 13 for oxidizing agent. The fuel cells 2 of the fuel cell unit 1 act as electrolytic cells 50 during operation as an electrolytic cell unit 49. The fuel cells 2 and electrolytic cells 50 thus form electrochemical cells 52. The oxygen O ₂ formed is absorbed by the liquid electrolyte and transported in dissolved form. The liquid electrolyte is stored in a storage tank 54 . In 1 For reasons of simplification in the drawing, two storage tanks 54 of the fuel cell system 4 are shown, which also functions as an electrolytic cell system 48 . The 3-way valve 55 on the fuel supply line 16 is switched over during operation as an electrolytic cell unit 49, so that the liquid electrolyte is introduced into the fuel supply line 16 from the storage tank 54 with a pump 56 and not fuel from the compressed gas storage tank 21 . A 3-way valve 55 on the supply line 25 for oxidant is switched over during operation as an electrolytic cell unit 49, so that the liquid electrolyte with the pump 56 from the storage tank 54 is fed into the supply line 25 for oxidant rather than oxidant as air from the gas delivery device 22 is initiated. The fuel cell unit 1, which also functions as an electrolysis cell unit 49, has optional modifications to the electrodes 7, 8 and the gas diffusion layer 9 compared to a fuel cell unit 1 that can only be operated as a fuel cell unit 1: for example, the gas diffusion layer 9 is not absorbent, so that the liquid electrolyte easily drains completely or the gas diffusion layer 9 is not formed or the gas diffusion layer 9 is a structure on the bipolar plate 10. The electrolytic cell unit 49 with the storage tank 54, the pump 56 and the separators 57, 58 and preferably the 3-way valve 55 forms a electrochemical cell system 60.

An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.A separator 57 for hydrogen is arranged on the discharge line 15 for fuel. The separator 57 separates the hydrogen from the electrolyte with hydrogen and the separated hydrogen is introduced into the compressed gas reservoir 21 with a compressor (not shown). The electrolyte discharged from the hydrogen separator 57 is then returned to the electrolyte storage tank 54 through a pipe. A separator 58 for oxygen is arranged on the discharge line 26 for fuel. The separator 58 separates the oxygen from the electrolyte with oxygen, and the separated oxygen is introduced with a compressor (not shown) into a compressed gas reservoir for oxygen (not shown). The oxygen in the compressed gas reservoir for oxygen (not shown) can optionally be used to operate the fuel cell unit 1 by using a line (not shown) to slide the oxygen into the supply line 25 for oxidizing agent when operating as a fuel cell unit 1. The electrolyte derived from the separator 58 for oxygen is then fed back to the storage tank 54 for the electrolyte with a line. The channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 are designed in such a way that after use as an electrolytic cell unit 49 and the pump 56 has been switched off, the liquid electrolyte runs back completely into the storage container 54 due to gravity. Optionally, after use as an electrolytic cell unit 49 and before use as a fuel cell unit 1, an inert gas is passed through the channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 for the complete removal of the liquid electrolyte before the passage of gaseous fuel and oxidizing agent. The fuel cells 2 and the electrolytic cells 2 thus form electrochemical cells 52. The fuel cell unit 1 and the electrolytic cell unit 49 thus form an electrochemical cell unit 53. The channels 12 for fuel and the channels for oxidizing agent thus form channels 12, 13 for the passage of the liquid electrolyte during operation as an electrolytic cell unit 49 and this applies analogously to the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26. An electrolytic cell unit 49 does not normally require any channels 14 for the passage of coolant for process-related reasons. In an electrochemical cell unit 49, the channels 12 for fuel also form channels 12 for passing fuel and/or electrolyte and the channels 13 for oxidant also form channels 13 for passing fuel and/or electrolyte.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen 2 sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden. In a further exemplary embodiment, which is not illustrated, the fuel cell unit 1 is designed as an alkaline fuel cell unit 1 . Potassium hydroxide solution is used as a mobile electrolyte. The fuel cells 2 are stacked. A monopolar cell structure or a bipolar cell structure can be formed. The potassium hydroxide solution circulates between an anode and cathode and transports reaction water, heat and impurities (carbonates, dissolved gases) away. The fuel cell unit 1 can also be used as a reversible fuel cell unit 1, i. H. as an electrolytic cell unit 49.

Kontaktplatten 51 können als Monopolarplatten, Bipolarplatten 10 oder Endplatten ausgebildet sein. Monopolarplatten weisen nur einen einheitlichen Pol auf beiden Seiten auf, sodass in einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Monopolarplatten die Monopolarplatten mit einer elektrischen Stromleitung mit anderen Monopolarplatten zu verbinden sind. Endplatten sind an einem Ende des Zellenstacks angeordnet.Contact plates 51 can be designed as monopolar plates, bipolar plates 10 or end plates. Monopolar plates have only one uniform pole on both sides, so that in a fuel cell unit 1 with monopolar plates, the monopolar plates are to be connected to other monopolar plates with an electrical power line. End plates are located at one end of the cell stack.

Für die Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit 53 erfolgt zunächst ein zur Verfügung stellen der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77 von elektrochemischen Zellen 52. Die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77 sind beispielsweise bei einer Brennstoffzelleneinheit 1 eine Protonenaustauschermembran 5, eine Anode 7, eine Kathode 8, eine Gasdiffusionsschicht 9 und eine Bipolarplatte 10. Dabei bilden die Anode 7, die Kathode 8 und die Protonenaustauschermembran 5 eine Membranelektrodenanordnung 6 (7 bis 12) bei denen in die Anode 7 und die Kathode 8 als CCM (catalyst coated membrane) zusätzlich mit einem Katalysatorstoff versehen sind, sodass die Anode 7 und die Kathode 8 zusätzlich eine Katalysatorschicht 30 bilden. Die Subgaskets 62 sind Folien, welche den Brennstoff im Gasraum 31 für Brennstoff von dem Oxidationsmittel im Gasraum 32 für Oxidationsmittel trennen und die Membranelektrodenanordnung 6 stützen und spannen. Die Subgaskets 62 sind beispielsweise aus PEEK (Polyetheretherketon) oder PPS (Polyphenylensulfid) ausgebildet. Die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77 der Brennstoffzellen 2 werden zu einem beispielsweise in 3 und 4 dargestellten Zellenstack 65 gestapelt. Nach dem zur Verfügung stellen der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77 wird ein Stapeln der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77 ausgeführt.To produce an electrochemical cell unit 53, the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77 are first made available electrochemical cells 52. The layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77 are, for example, in a fuel cell unit 1 a proton exchange membrane 5, an anode 7, a cathode 8, a gas diffusion layer 9 and a bipolar plate 10. The anode 7, the cathode 8 and the proton exchange membrane 5 form a membrane electrode assembly 6 ( 7 until 12 ) in which the anode 7 and the cathode 8 are additionally provided with a catalyst material as a CCM (catalyst coated membrane), so that the anode 7 and the cathode 8 also form a catalyst layer 30 . The subgaskets 62 are foils which separate the fuel in the fuel headspace 31 from the oxidant in the oxidant headspace 32 and support and tension the membrane electrode assembly 6 . The subgaskets 62 are made of PEEK (polyetheretherketone) or PPS (polyphenylene sulfide), for example. The layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77 of the fuel cells 2 become an example in 3 and 4 shown cell stack 65 stacked. After providing the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77, the layered components 5, 6 , 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77 executed.

In 8 ist einen Teilschnitt durch die Membranelektrodenanordnung 5, zwei Subgaskets 62 und zwei Gasdiffusionsschichten 9 der elektrochemischen Zellen 52 aus dem Stand der Technik (prior art) dargestellt. In der elektrochemischen Zelle 52 sind insgesamt 2 Subgaskets 62, d. h. ein erstes Subgasket 63 und ein zweites Subgasket 64 vorhanden. Darüber hinaus sind 2 Gasdiffusionsschichten 9, nämlich eine erste Gasdiffusionsschicht 76 und eine zweite Gasdiffusionsschicht 77, vorhanden. Das erste Subgasket 63 und das zweite Subgasket 64 sind mit einem Klebstoff 78 stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Anode 7 weist eine Außenseite 79 auf, welche im Wesentlichen parallel zu der fiktiven Ebene 59 ist. Die Kathode 8 weist eine Außenseite 80 auf, welche im Wesentlichen parallel zu der fiktiven Ebene 59 ausgerichtet ist. An einem Rand oder Endbereich der Außenseite 79 ist das erste Subgasket 63 mit dem Klebstoff 78 mit diesem Randbereich der Außenseite 79 verbunden, sodass dieser Klebstoff 78 an der Außenseite 79 auch ein Verbindungsmittel 71 zur mechanischen Verbindung des ersten Subgaskets 63 mit der Anode 7 bildet. In analoger Weise ist die Außenseite 80 der Kathode 8 mit dem Klebstoff 78 stoffschlüssig mit dem zweiten Subgasket 64 verbunden, sodass der Klebstoff 78 an der Außenseite 80 der Kathode 8 ebenfalls das Verbindungsmittel 71 bildet. Das erste und zweite Subgasket 63, 64 weist eine im Wesentlichen rechteckförmige Aussparung 75 auf an welcher die Anode 7 und Kathode 8 jeweils in den Gasraum 31, 32 ragt für die elektrochemische Reaktion. Diese rechteckförmige Aussparung 75 ist von Enden 74 des ersten Subgaskets 63 und des zweiten Subgaskets 64 begrenzt und diese Enden 74 des ersten und zweiten Subgaskets 63, 64 liegen auf der Anode 7 und der Kathode 8 mittelbar auf. Damit ist in der elektrochemischen Zelle 52 in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebene 59 zwischen der Anode 7 und der ersten Gasdiffusionsschicht 76 das erste Subgasket 63 angeordnet und zwischen der Kathode 8 und der zweiten Gasdiffusionsschicht 77 das zweite Subgasket 64 angeordnet. In nachteiliger Weise wird damit die zur Verfügung stehende Fläche an der Anode 7 und der Kathode 8 für die elektrochemische Reaktion verringert und ferner weist die elektrochemische Zelleneinheit 52 eine große Dicke auf, da zwischen der Anode 7 und ersten Gasdiffusionsschicht 76 das erste Subgasket 63 angeordnet ist und zwischen der Kathode 8 und der zweiten Gasdiffusionsschicht 77 das zweite Subgasket 64 angeordnet ist.In 8th a partial section through the membrane electrode arrangement 5, two subgaskets 62 and two gas diffusion layers 9 of the electrochemical cells 52 from the prior art (prior art) is shown. A total of 2 subgaskets 62 , ie a first subgasket 63 and a second subgasket 64 , are present in the electrochemical cell 52 . In addition, there are 2 gas diffusion layers 9, namely a first gas diffusion layer 76 and a second gas diffusion layer 77. The first subgasket 63 and the second subgasket 64 are cohesively connected to one another with an adhesive 78 . The anode 7 has an outer side 79 which is essentially parallel to the imaginary plane 59 . The cathode 8 has an outside 80 which is aligned essentially parallel to the imaginary plane 59 . At an edge or end area of the outside 79, the first subgasket 63 is connected to the adhesive 78 with this edge area of the outside 79, so that this adhesive 78 also forms a connecting means 71 on the outside 79 for mechanically connecting the first subgasket 63 to the anode 7. In an analogous manner, the outside 80 of the cathode 8 is cohesively connected to the second subgasket 64 with the adhesive 78 so that the adhesive 78 on the outside 80 of the cathode 8 also forms the connecting means 71 . The first and second subgasket 63, 64 has an essentially rectangular recess 75 at which the anode 7 and cathode 8 each protrude into the gas space 31, 32 for the electrochemical reaction. This rectangular recess 75 is delimited by ends 74 of the first subgasket 63 and of the second subgasket 64 and these ends 74 of the first and second subgaskets 63, 64 lie on the anode 7 and the cathode 8 indirectly. The first subgasket 63 is thus arranged in the electrochemical cell 52 in a direction perpendicular to the imaginary plane 59 between the anode 7 and the first gas diffusion layer 76 and the second subgasket 64 is arranged between the cathode 8 and the second gas diffusion layer 77 . The disadvantage is that the area available on the anode 7 and the cathode 8 for the electrochemical reaction is reduced, and the electrochemical cell unit 52 is also thick because the first subgasket 63 is arranged between the anode 7 and the first gas diffusion layer 76 and the second subgasket 64 is arranged between the cathode 8 and the second gas diffusion layer 77 .

In 9 ist ein Teilschnitt durch die Membranelektrodenanordnung 5, zwei Subgaskets 62 und zwei Gasdiffusionsschichten 9 der elektrochemischen Zelle 52 der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei in 9 in dem Teilschnitt nur ein Teilbereich der Gasdiffusionsschicht 9 und der Membranelektrodenanordnung 6 abgebildet sind. Die Protonenaustauschermembran 5 ist von 2 Membrankomponenten 66 gebildet. Die Membrankomponenten 66 sind eine Trägerschicht 67 und ein Membranstoff 69. Die Trägerschicht 67 ist eine gestreckte Folie 68 mit einer Vielzahl an kleinen Öffnungen (nicht dargestellt). Die Folie 68 ist beispielsweise aus PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgebildet). Der Membranstoff 69 ist beispielsweise PFSA (Perfluorsulfonsäure). Die Trägerschicht 67 dient als Tragstruktur für den Membranstoff 69 mit Membranwirkung. Die Trägerschicht 67 ist mit dem Membranstoff 69 imprägniert und/oder beschichtet und/oder an der Trägerschicht 67 ist der Membranstoff 69 angelagert und/oder stoffschlüssig verbunden. Der Membranstoff 69 ist für Protonen durchlässig, jedoch nicht für Gase wie den Brennstoff und das Oxidationsmittel. Die Trägerschicht 67 ist für Protonen und Gase nicht durchlässig, sodass die Vielzahl der kleinen Öffnungen (nicht dargestellt) notwendig ist, damit durch die Öffnungen, welche mit dem Membranstoff 69 befüllt sind, die Protonen durchwandern können. Die Protonenaustauschermembran 5 ist in der Membranelektrodenanordnung 6 somit in einem Zwischenraum 70 zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet und ausgebildet.In 9 a partial section through the membrane electrode arrangement 5, two subgaskets 62 and two gas diffusion layers 9 of the electrochemical cell 52 of the electrochemical cell unit 53 according to the invention is shown in a first exemplary embodiment, with FIG 9 only a portion of the gas diffusion layer 9 and the membrane electrode assembly 6 are shown in the partial section. The proton exchange membrane 5 is formed by 2 membrane components 66 . The membrane components 66 are a backing layer 67 and a membrane fabric 69. The backing layer 67 is a stretched film 68 having a plurality of small apertures (not shown). The film 68 is made of PTFE (polytetrafluoroethylene), for example. The membrane material 69 is, for example, PFSA (perfluorosulfonic acid). The carrier layer 67 serves as a supporting structure for the membrane material 69 with a membrane effect. The carrier layer 67 is impregnated and/or coated with the membrane material 69 and/or the membrane material 69 is attached to the carrier layer 67 and/or connected in a cohesive manner. The membrane material 69 is permeable to protons but not to gases such as the fuel and oxidant. The carrier layer 67 is not permeable to protons and gases, so that the large number of small openings (not shown) is necessary so that the protons can migrate through the openings, which are filled with the membrane material 69 . The proton exchange membrane 5 is thus arranged and formed in the membrane electrode arrangement 6 in an intermediate space 70 between the anode 7 and the cathode 8 .

Die Membranelektrodenanordnung 6 für das erste Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist in 7 dargestellt. Die rechteckförmige Aussparung 75 des ersten und zweiten Subgaskets 63, 64 ist von dem Ende 74 des Subgaskets 62 in Richtung der fiktiven Ebene 59 begrenzt. In Richtung der fiktiven Ebenen 59 weist die Membranelektrodenanordnung 6, d. h. die Anode 7 und die Kathode 8, ein Ende 73 auf. Die Trägerschicht 67 als die Folie 68 ist von dem Zwischenraum 70 heraus verlängert in Richtung der fiktiven Ebene 59, sodass die Trägerschicht 67 zwischen dem ersten Subgasket 63 und dem zweiten Subgasket 64 angeordnet ist. Diese Verlängerung 72 der Membrankomponente 66 als der Trägerschicht 67 ist form- und/oder kraftschlüssig mit dem ersten Subgasket 63 und dem zweiten Subgasket 64 verbunden. Der Zellenstack 65 ist von den Spannplatten 34 mit einer Druckkraft beaufschlagt, sodass das erste Subgasket 63 und das zweite Subgasket 64 mittelbar mit einer Druckkraft aufeinander liegend mit der dazwischen angeordneten Trägerschicht 67. Die Trägerschicht 67 ist an der Verlängerung 72 nicht mit dem Membranstoff 69 imprägniert und/oder beschichtet, sodass die Öffnungen in der Folie 68 als der gestreckten Folie 68 sich formschlüssig mit dem ersten und zweiten Subgasket 63, 64 verkrallen. Die Verlängerung 72 der Folie 68 zwischen dem ersten Subgasket 63 und dem zweiten Subgasket 64 bildet damit das Verbindungsmittel 71 zur mechanischen Verbindung des ersten und zweiten Subgaskets 63, 64 mit der Membranelektrodenanordnung 6. In dem in 9 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel liegen die Enden 74 der Subgaskets 62 auf dem Ende 73 der Membranelektrodenanordnung 6 unmittelbar auf. Die erste Gasdiffusionsschicht 76 ist mit dem Klebstoff 78 stoffschlüssig mit dem ersten Subgaskets 63 und der Protonenaustauschermembran 5 verbunden. Die zweite Gasdiffusionsschicht 77 ist mit dem Klebstoff 78 stoffschlüssig mit dem zweiten Subgaskets 64 und der Protonenaustauschermembran 5 verbunden.The membrane electrode assembly 6 for the first embodiment according to 9 is in 7 shown. The rectangular recess 75 of the first and second subgaskets 63, 64 is delimited by the end 74 of the subgasket 62 in the direction of the imaginary plane 59. The membrane electrode arrangement 6, ie the anode 7 and the cathode 8, has an end 73 in the direction of the imaginary planes 59. FIG. The carrier layer 67 as the film 68 is extended from the intermediate space 70 in the direction of the imaginary plane 59 so that the carrier layer 67 is arranged between the first subgasket 63 and the second subgasket 64 . This extension 72 of the membrane component 66 as the carrier layer 67 is positively and/or non-positively connected to the first subgasket 63 and the second subgasket 64 . The cell stack 65 is subjected to a compressive force by the clamping plates 34, so that the first subgasket 63 and the second subgasket 64 lie indirectly on top of each other with a compressive force with the carrier layer 67 arranged in between. The carrier layer 67 is not impregnated with the membrane material 69 on the extension 72 and/or coated, so that the openings in the film 68 as the stretched film 68 dig into the first and second subgasket 63, 64 in a form-fitting manner. The extension 72 of the film 68 between the first subgasket 63 and the second subgasket 64 thus forms the connecting means 71 for mechanically connecting the first and second subgaskets 63, 64 to the membrane electrode arrangement 6. In FIG 9 illustrated first embodiment are the ends 74 of the subgaskets 62 on the end 73 of the membrane electrode assembly 6 directly. The first gas diffusion layer 76 is bonded to the first subgasket 63 and the proton exchange membrane 5 by the adhesive 78 . The second gas diffusion layer 77 is bonded to the second subgasket 64 and the proton exchange membrane 5 by the adhesive 78 .

In 10 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der elektrochemischen Zelle 52 der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 9 beschrieben. Zwischen den Enden 74 des ersten und zweiten Subgaskets 63, 64 und dem Ende 73 der Membranelektrodenanordnung 6 ist ein Abstand vorhanden, welcher mit dem Klebstoff 78 aufgefüllt ist.In 10 A second exemplary embodiment of the electrochemical cell 52 of the electrochemical cell unit 53 according to the invention is shown. In the following, essentially only the differences from the first exemplary embodiment are explained in accordance with FIG 9 described. Between the ends 74 of the first and second subgaskets 63 , 64 and the end 73 of the membrane electrode arrangement 6 there is a distance which is filled with the adhesive 78 .

In 11 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der elektrochemischen Zelle 52 der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 9 beschrieben. Die Verlängerung 72 der Trägerschicht 67 ist mit dem ersten Subgasket 63 und dem zweiten Subgasket 64 zusätzlich stoffschlüssig mit dem Klebstoff 78 verbunden. Aufgrund der Öffnungen in der Trägerschicht 67 ist es für die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung ausreichend, beispielsweise den Klebstoff nur auf den zweiten Subgasket 64 aufzubringen und aufgrund der Öffnungen und Löcher in der Folie 68 wird der Klebstoff durch diese Öffnungen und Löcher durchgedrückt zu dem ersten Subgasket 63. Bei der Herstellung werden somit das zweite Subgasket 64, die Verlängerung 72 der Trägerschicht 67 und das erste Subgasket 68 aufeinandergestapelt.In 11 A third exemplary embodiment of the electrochemical cell 52 of the electrochemical cell unit 53 according to the invention is shown. In the following, essentially only the differences from the first exemplary embodiment are explained in accordance with FIG 9 described. The extension 72 of the carrier layer 67 is additionally bonded to the first subgasket 63 and the second subgasket 64 with the adhesive 78 . Due to the openings in the carrier layer 67, it is sufficient for the production of the material connection to apply the adhesive only to the second subgasket 64, for example, and due to the openings and holes in the film 68, the adhesive is pressed through these openings and holes to the first subgasket 63. During manufacture, the second subgasket 64, the extension 72 of the carrier layer 67 and the first subgasket 68 are thus stacked on top of one another.

In 12 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der elektrochemischen Zelle 52 der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 11 beschrieben. Zwischen den Enden 74 des ersten und zweiten Subgaskets 63, 64 und dem Ende 73 der Membranelektrodenanordnung 6 ist ein Abstand vorhanden, welcher mit dem Klebstoff 78 aufgefüllt ist.In 12 A fourth exemplary embodiment of the electrochemical cell 52 of the electrochemical cell unit 53 according to the invention is shown. In the following, essentially only the differences from the third embodiment according to FIG 11 described. Between the ends 74 of the first and second subgaskets 63 , 64 and the end 73 of the membrane electrode arrangement 6 there is a distance which is filled with the adhesive 78 .

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Für die mechanische Verbindung zwischen den 2 Subgaskets 62 der elektrochemischen Zelle 52 zu der Protonenaustauschermembran 5 ist eine Überlappung der Protonenaustauschermembran 5 bzw. ein Umgreifen der Protonenaustauschermembranen 5 mit den Enden 74 der Subgaskets 62 nicht notwendig. Damit kann in vorteilhafter Weise die Bauhöhe der elektrochemischen Zelle 52 und aufgrund der Vielzahl der elektrochemischen Zellen 52 auch die Bauhöhe oder die Ausdehnung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 wesentlich reduziert werden. Da auf den Außenseiten 79 der Anoden 7 und den Außenseiten 80 der Kathoden 8 keine erste und zweite Subgaskets 63, 64 aufliegen steht ein größerer Anteil der Außenseiten 79, 80 für die elektrochemische Reaktion zur Verfügung. Dadurch kann in vorteilhafter Weise zusätzlich die elektrische Leistung beispielsweise der Brennstoffzelleneinheit 1 pro Volumen- und/oder Masseneinheit erhöht werden. Dies ist insbesondere bei der Anwendung der Brennstoffzelleneinheit 1 in der Kraftfahrzeugtechnik von Vorteil.Overall, there are significant advantages associated with the electrochemical cell unit 53 according to the invention. For the mechanical connection between the 2 subgaskets 62 of the electrochemical cell 52 to the proton exchange membrane 5, it is not necessary for the proton exchange membrane 5 to overlap or for the ends 74 of the subgaskets 62 to encompass the proton exchange membranes 5. In this way, the overall height of the electrochemical cell 52 and, due to the large number of electrochemical cells 52, also the overall height or the extent of the electrochemical cell unit 53 perpendicular to the imaginary planes 59 can be significantly reduced in an advantageous manner. Since no first and second subgaskets 63, 64 lie on the outsides 79 of the anodes 7 and the outsides 80 of the cathodes 8, a larger proportion of the outsides 79, 80 are available for the electrochemical reaction. As a result, the electrical power, for example, of the fuel cell unit 1 per volume and/or mass unit can be increased in an advantageous manner. This is particularly advantageous when using the fuel cell unit 1 in motor vehicle technology.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102012011441 A1 [0006]

Claims

Electrochemical cell unit (53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit (49), comprising - stacked electrochemical cells (52) and the electrochemical cells (52) each stacked layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77), - the components (5, 6, 7 , 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77) of the electrochemical cells (52) membrane electrode assemblies (6), first subgaskets (62, 63), second subgaskets (62, 64), preferably gas diffusion layers (9, 76, 77) and contact plates (10, 51) and - the membrane electrode arrangements (6) each have a proton exchange membrane (5), an anode (7) and a cathode (8) and in the case of each membrane electrode arrangement (6), the proton exchange membrane (5) is arranged in an intermediate space (70) between the anode (7) and the cathode (8), - membrane components (66, 67, 68, 69) and of at least a membrane component (66, 67, 68, 69), each of which is formed by a proton exchange membrane (5), - connecting means (71) for the mechanical connection of a first subgasket (62, 63) and a second subgasket (62, 64) each one membrane electrode arrangement (6) each for one electrochemical cell (52), - channels (12, 13, 14) for the passage of process fluids, characterized in that for each membrane electrode arrangement (6) on the respective at least one membrane component (66, 67 , 68, 69) of each one proton exchange membrane (5) an extension (72) formed outside of each one intermediate space (70) between each one anode (7) and each one cathode (8) is arranged and each one extension ( 72) is connected to the first subgasket (62, 63) and/or to the second subgasket (62, 64), so that each extension (72) has the connecting means (71) for the mechanical connection of each a first subgasket (62, 63) and a second subgasket (62, 63) each with a membrane electrode arrangement (6).

Electrochemical cell unit according to claim 1 , characterized in that each extension (72) is connected directly or indirectly to the first subgasket (62, 63) and/or the second subgasket (62, 64) in a materially bonded and/or force-fitting and/or form-fitting manner .

Electrochemical cell unit according to claim 1 or 2 , characterized in that each proton exchange membrane (5) is formed from a carrier layer (67) for a membrane material (69) with a membrane effect and each membrane material (69) with a membrane effect, so that the membrane components (66, 67, 68 , 69) each having a proton exchange membrane (5), each having a carrier layer (67, 68) and each having a membrane material (69).

Electrochemical cell unit according to claim 3 , characterized in that each carrier layer (67) is designed as a film (68), in particular a stretched film (68) with openings for protons to pass through.

Electrochemical cell unit according to claim 3 or 4 , characterized in that each carrier layer (67) is made of PTFE, in particular as a stretched film (68) made of PTFE.

Electrochemical cell unit according to one or more of claims 3 until 5 , characterized in that for each electrochemical cell (52) the extension (72) of the at least one membrane component (66, 67, 68) comprises the carrier layer (67, 68) as the connecting means (71).

Electrochemical cell unit according to claim 6 , characterized in that for each electrochemical cell (52) the extension (72) of the at least one membrane component (66, 67, 68) comprises the carrier layer (67, 68) and the membrane material (69) as the connecting means (71).

Electrochemical cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that for each electrochemical cell (52) the extension (72) of the at least one membrane component (66, 67, 68) is used as the connecting means (71) between the first subgasket (62 , 63) and the second subgasket (62, 64).

Electrochemical cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that in each case there is one electrochemical cell (52) between the first subgasket (62, 63) and the second subgasket (62, 64), in particular in a direction perpendicular to imaginary planes ( 59) spanned by the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77) of the electrochemical cells (52), essentially no anode (7) and/or essentially no cathode (8) is formed.

Electrochemical cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that for each electrochemical cell (52) on at least 90% of the area of the outer sides (79, 80), in particular the entire area of the outer sides (79, 80), the anode (7) and/or the cathode (8) of the membrane electrode assembly (6) no first subgasket (62, 63) and/or no second subgasket (62, 64) is arranged or attached and preferably the outer sides (79, 80) of the anode (7) and/or cathode (8) essentially parallel to the imaginary planes (59) spanned by the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 66, 67, 68 , 71, 72, 76, 77) of the electrochemical cells (52) are aligned.

Electrochemical cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that for each electrochemical cell (52) the extension (72) of the at least one membrane component (66, 67, 68, 69) which forms the connecting means (71) is in one piece is formed with the same at least one membrane component (66, 67, 68, 69) which is arranged in the space (70) between the anode (7) and the cathode (8).

Electrochemical cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that for each electrochemical cell (52) the extension (72) of the at least one membrane component (66, 67, 68, 69) of the proton exchange membrane (5) serves as the connecting means (71 ) is cohesively connected with an adhesive (78) to the first subgasket (62, 63) and/or to the second subgasket (62, 64).

Electrochemical cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that for each electrochemical cell (52) the extension (72) of the at least one membrane component (66, 67, 68, 69) of the proton exchange membrane (5) serves as the connecting means (71 ) is non-positively connected to the first subgasket (62, 63) and to the second subgasket (62, 64) due to a connection between the first subgasket (62, 63), the extension (72) of the at least one membrane component (66, 67, 68 , 69) of the proton exchange membrane (5) acting as the connecting means (71) and the second subgasket (62, 64).

Electrochemical cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that in each electrochemical cell (52) with a first gas diffusion layer (9, 76) for the gas space (31) for fuel at the anode (7) and with a second gas diffusion layer (9, 77) for the gas space (32) for the oxidizing agent on the cathode (8), in particular in a direction perpendicular to the imaginary planes (59) spanned by components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62 , 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77) of the electrochemical cells (52), between the first gas diffusion layer (9, 76) and the anode (7) no subgasket (62, 63, 64) is arranged and no subgasket (62, 63, 64) is arranged between the second gas diffusion layer (9, 77) and the cathode (8).

Electrochemical cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that in each electrochemical cell (52) with a first gas diffusion layer (9, 76) for the gas space (31) for fuel at the anode (7) and with a second gas diffusion layer (9, 77) for the gas space (32) for the oxidizing agent on the cathode (8), in particular in a direction perpendicular to the imaginary planes (59) spanned by components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62 , 63, 64, 66, 67, 68, 71, 72, 76, 77) of the electrochemical cells (52), between the first gas diffusion layer (9, 76) and the anode (7) adhesive (78), in particular only adhesive ( 78) and/or a gas, and between the second gas diffusion layer (9, 77) and the cathode (8) adhesive (78), in particular only adhesive (78) and/or a gas, is arranged.