WO2021197746A1 - Fuel cell unit - Google Patents

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WO2021197746A1
WO2021197746A1 PCT/EP2021/055352 EP2021055352W WO2021197746A1 WO 2021197746 A1 WO2021197746 A1 WO 2021197746A1 EP 2021055352 W EP2021055352 W EP 2021055352W WO 2021197746 A1 WO2021197746 A1 WO 2021197746A1
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cell unit
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power lines
fuel cells
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Inventor
Thomas Kretschmar
Gerhard Schubert
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell unit according to the preamble of claim 1 and a method for producing a fuel cell unit according to the preamble of claim 10.
  • Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy by means of redox reactions at an anode and cathode.
  • Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other in a stack as a stack.
  • the fuel cell unit For proper and reliable operation of the fuel cell unit, it is necessary to monitor at least one parameter of the fuel cells, for example the voltage and the humidity of the fuel cells.
  • the humidity is indirectly determined, for example, with the impedance as a further parameter.
  • the voltage applied to the bipolar plates of the fuel cells is conducted by means of power lines to a current collector strip and a cable harness as data transmission devices and from the data transmission devices to a central monitoring unit as Fuel Cell Control Unit transmitted so that the data for the parameter of the voltage is the voltage of the current conducted in power lines itself.
  • a fuel cell unit with 400 fuel cells arranged one above the other comprises 401 bipolar plates and each bipolar plate is to be connected mechanically and electrically to a power line by means of connecting elements. For this reason, a total of 401 power lines are to be connected to 401 bipolar plates using 401 connecting elements. At the ends of the power lines, pins are designed as connecting elements and these pins are inserted into bores or openings in the bipolar plates. The power lines are thus connected to the bipolar plates with the pins and bores in a form-fitting and / or force-fitting manner.
  • the bipolar plates are approximately 1 mm thick and the bores in the bipolar plates are approximately 0.7 mm in diameter.
  • Fuel cell unit according to the invention as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy comprising stacked fuel cells with proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, power lines for electrical connection to the bipolar plates of the fuel cells and for monitoring the fuel cells by detecting at least one parameter of the fuel cells, connecting elements for the electrical and mechanical connection of the power lines with the bipolar plates, so that the power lines are electrically and mechanically connected to the bipolar plates by means of the connecting elements, the connecting elements as integral connections are formed. Cohesive connections can be produced reliably and automatically, so that the fuel cell unit is inexpensive to produce with great reliability.
  • the material connections are made by means of welding.
  • the material connections are made by means of laser welding and / or ultrasonic welding.
  • the bipolar plates in particular at least 90% or 99% of the bipolar plates, are expediently connected electrically and mechanically by means of one, in particular only one, cohesive connection to each one, in particular only one, power line.
  • the fuel cell unit comprises a monitoring unit as a computing unit for monitoring the at least one parameter of the fuel cells.
  • the voltage of the fuel cells can preferably be monitored as a parameter of the fuel cells, so that the monitoring unit forms a CVM system (Cell Voltage Monitoring System).
  • the fuel cell unit comprises a data transmission device for transmitting data with regard to the at least one parameter of the fuel cells to be detected from the power lines to the monitoring unit.
  • the power lines are expediently electrically and mechanically connected to the data transmission device with additional connection elements.
  • connection elements are designed as cohesive connections in accordance with the connection elements described in this patent application.
  • the fuel cell unit is produced using a method described in this patent application.
  • Method according to the invention for the production of a fuel cell unit as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy with the following steps: providing a fuel cell unit with stacked fuel cells, the fuel cells comprising proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, providing power lines for electrical connection with the bipolar plates of the fuel cells and for monitoring at least one parameter of the fuel cells, mechanical and electrical connection of the power lines with the bipolar plates by electrically and mechanically connecting the power lines to the bipolar plates with connecting elements, the connecting elements being formed as integral connections.
  • the material connections are preferably produced by means of welding, in particular laser welding and / or ultrasonic welding.
  • the material connections are produced by a process unit for producing the material connections, in particular welded connections, being moved in space by a robot.
  • the process unit for example a laser or an ultrasonic transducer with a sonotrode, is brought into a corresponding process position on the bipolar plate by the robot and the material connection is then established with the temporarily active process unit in the process position.
  • the number of process positions of the process unit during the production of the fuel cell unit corresponds to the number of material connections to be produced for the connecting elements and / or additional connecting elements.
  • one, in particular only one, power line with the robot is brought into mechanical contact with each, in particular only one, bipolar plate and then a material connection is established between the one, in particular only one, power line by means of the process unit and the one, in particular only one, bipolar plate produced.
  • Position data for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and the relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit are preferably stored in a computer and the movement of the robot, in particular the process unit and power lines moved by the robot, is controlled in space as a function of the position data , preferably in an initial phase of the movement of the process unit to one bipolar plate each.
  • the stacked bipolar plates are optically recorded by a camera, the data from the camera are evaluated by a computer with image processing software and the movement of the robot, in particular that of the robot, is determined by the image processing software moving process unit and power lines, controlled in space.
  • the actual positions for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and / or the actual relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit can be derived from the stored position data for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and / or the stored relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit differ.
  • the robot moves, in particular to the process positions of the process unit, in the event of deviations essentially as a function of the actual ones Positions and essentially not as a function of the stored position data. Deviations between the actual and the stored positions of the bipolar plates in the fuel cell unit therefore do not lead to any errors in the production of the integral connections. Since small deviations between the actual and stored positions of the bipolar plates are to be assumed, the final phase of the movement of the robot shortly before reaching the process positions of the process unit is controlled with the recorded actual positions and the initial phase of the movement can be controlled with the stored positions. In the final phase of the movement of the process unit to each bipolar plate, essentially one Direction of movement parallel to the fictitious planes spanned by the bipolar plates.
  • the at least one parameter of the fuel cells monitored with the power lines is the voltage difference between at least two bipolar plates, in particular the voltage differences between at least two immediately adjacent bipolar plates.
  • the power lines are electrically and mechanically connected to the data transmission device with additional connection elements and the additional connection elements are designed and / or produced as material connections according to the connection elements described in this patent application.
  • all of the bipolar plates are electrically and mechanically connected to one power line each by means of a material connection.
  • the fuel cell unit preferably comprises at least one generator for generating a monitoring signal, in particular alternating current, and with the at least one data transmission device and the power lines, the monitoring signal can be transmitted from the at least one generator to the bipolar plates for applying the monitoring signal to the bipolar plates, in particular for detecting the impedance as a parameter of the fuel cell.
  • the at least one data transmission device is designed as at least one current collector strip with power lines and / or as at least one CAN interface and / or at least one LIN interface and / or at least one radio transmission means.
  • the radio transmission medium transmits the data by radio, for example with WLAN or Bluetooth.
  • the bipolar plates and the power lines are made of the same material, in particular metal, conductive plastic, composite materials or graphite, educated.
  • the material connections of the connecting elements can be formed from the same material.
  • the contact surfaces of the current collector strip and the power lines, in particular an end section of the power lines are made from the same material, in particular metal, conductive plastic, composite materials or graphite.
  • the material connections of the additional connecting elements can thus be formed from the same material.
  • the at least one parameter is the electrical voltage and / or the impedance of at least one monitored fuel cell.
  • the fuel cell unit comprises at least one connection device, in particular several connection devices, and tensioning elements.
  • Proton exchange membranes anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates.
  • the fuel cells each comprise a proton exchange membrane, an anode, a cathode, at least one gas diffusion layer and at least one bipolar plate.
  • the connecting device is designed as a bolt and / or is rod-shaped.
  • the clamping elements are expediently designed as clamping plates.
  • Fuel cell system in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas reservoir for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the Fuel cell unit is designed as a fuel cell unit described in this patent application.
  • the gas delivery device is designed as a fan or a compressor.
  • the fuel cell unit comprises at least 3, 4, 5 or 6 connection devices.
  • the tensioning elements are plate-shaped and / or disk-shaped and / or flat and / or are designed as a grid.
  • the fuel is hydrogen, hydrogen-rich gas, reformate gas or natural gas.
  • the fuel cells are expediently designed to be essentially flat and / or disk-shaped.
  • the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.
  • the fuel cell unit is preferably a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells.
  • the invention further comprises a computer program with program code means which are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.
  • Part of the invention is also a computer program product with program code means that are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.
  • program code means that are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.
  • Fig. 1 is a greatly simplified exploded view of a
  • Fuel cell system with components of a fuel cell Fuel cell system with components of a fuel cell
  • FIG. 4 shows a perspective view of a fuel cell unit as a fuel cell stack, i.e. H. a fuel cell stack,
  • FIG. 5 shows a section through the fuel cell unit according to FIG. 4,
  • FIG. 6 shows a section through the fuel cell unit, showing FIG
  • FIG. 1 to 3 show the basic structure of a fuel cell 2 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 H2 is conducted as a gaseous fuel at an anode 7 and the anode 7 forms the negative pole.
  • a gaseous oxidizing agent namely air with oxygen, is passed to a cathode 8, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent.
  • a reduction (electron uptake) takes place at the cathode 8.
  • the oxidation as the release of electrons is carried out at the anode 7.
  • the redox equations for the electrochemical processes are:
  • the difference between the normal potentials of the electrode pairs under standard conditions as reversible fuel cell voltage or open circuit voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not achieved in practice. In the idle state and with small currents, voltages over 1.0 V can be reached and in operation with higher 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 fuel cells 2 arranged in an aligned stack, has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of a fuel cell 2.
  • the fuel cell 2 also comprises a proton exchange membrane 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8.
  • PEM Proton Exchange Membrane
  • the anode 7 and cathode 8 are layered or disk-shaped.
  • the PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst carrier and separator for the reaction gases.
  • the PEM 5 also functions as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8.
  • proton-conducting foils made of perfluorinated and sulfonated polymers are 12 ⁇ m to 150 ⁇ m thick.
  • the PEM 5 conducts the protons H + and essentially blocks ions other than protons H + , so that the charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the protons H +.
  • the PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O2 and hydrogen H2, ie it blocks the flow of oxygen O2 and hydrogen H2 between one Gas space 31 on the anode 7 with fuel hydrogen H2 and the gas space 32 on the cathode 8 with air or oxygen O2 as the oxidizing agent.
  • the proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.
  • the electrodes 7, 8 as the anode 7 and cathode 8 rest on the two sides of the PEM 5, each facing the gas spaces 31, 32.
  • a unit composed of the PEM 5 and the electrodes 6, 7 is referred to as a membrane electrode arrangement 6 (membrane electrode array, MEA).
  • MEA membrane electrode array
  • the electrodes 7, 8 are pressed with the PEM 5.
  • the electrodes 6, 7 are platinum-containing carbon particles attached to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer),
  • a catalyst layer 30 is normally applied to each of the electrodes 6, 7 on the side facing the gas spaces 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 nanodisperse platinum.
  • Nafion®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol, for example, are used as binders.
  • a gas diffusion layer 9 rests on the anode 7 and the cathode 8.
  • the gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from channels 12 for fuel evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7.
  • the gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidizing agent from channels 13 for oxidizing agent evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8.
  • the GDL 9 also draws off water of reaction in the opposite 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 moist and conducts the current.
  • the GDL 9 is composed, for example, of a hydrophobized carbon paper and a bonded layer of carbon powder.
  • the fuel cells 2 are layered and disk-shaped and this also applies to the components proton exchange membranes 5, anodes 7, cathodes 8, gas diffusion layers 9 and bipolar plates 10.
  • the fuel cells 2 and the Components of the fuel cells 2 span fictitious planes 54 which are aligned parallel to one another.
  • a bipolar plate 10 rests on the GDL 9.
  • the electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, to drain water and to conduct the reaction gases through a channel structure 29 and / or a flow field 29 and to dissipate the waste heat that occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8.
  • channels 14 for the passage of a liquid or gaseous coolant are incorporated into the bipolar plate 10.
  • the channel structure 29 on the gas space 31 for fuel is formed by channels 12.
  • the channel structure 29 in the gas space 32 for oxidizing agent is formed by channels 13.
  • metal, conductive plastics and composite materials or graphite are used as the material for the bipolar plates 10.
  • a plurality of fuel cells 2 are arranged one above the other in a fuel cell unit 1 and / or a fuel cell stack 1 and / or a fuel cell stack 1 (FIG. 4).
  • 1 shows an exploded view of two fuel cells 2 arranged one above the other.
  • a seal 11 seals the gas spaces 31, 32 in a fluid-tight manner.
  • hydrogen H2 is stored as fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar.
  • 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 fed from the medium pressure line 17 to an injector 19.
  • the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure between 1 bar and 3 bar.
  • the fuel is fed to a feed line 16 for fuel (FIG. 1) and from the feed line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel.
  • the fuel thereby 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.
  • the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and possibly water from a controlled humidification of the anode 7 is diverted from the fuel cells 2 through a discharge line 15.
  • a gas delivery device 22 for example designed as a fan 23 or a compressor 24, delivers air from the environment as an oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agent. From the supply line 25, the air is fed to the channels 13 for oxidizing agents, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agents, 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.
  • the oxidizing agent not consumed at the cathode 8 and the water of reaction arising at the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26.
  • a feed line 27 is used to feed 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 shown in FIG End region (not shown) of bipolar plates 10 lying on top of one another.
  • the fuel cell stack 1 together with the compressed gas storage device 21 and the gas delivery device 22 form a fuel cell system 4.
  • the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34.
  • An upper clamping plate 35 rests on the uppermost fuel cell 2 and a lower clamping plate 36 rests on the lowermost fuel cell 2.
  • the fuel cell unit 1 comprises approximately 300 to 400 fuel cells 2, which are not all shown in FIG. 4 for reasons of drawing.
  • the clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, ie the upper clamping plate 35 rests on the uppermost fuel cell 2 with a compressive force and the lower clamping plate 36 rests on the lowermost fuel cell 2 with a compressive force.
  • the fuel cell stack 2 is thus braced in order to ensure the tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seal 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible.
  • To brace the fuel cells 2 with the tensioning elements 33 are formed on the fuel cell unit 1 four connecting devices 39 as bolts 40, which are subject to tension.
  • the four bolts 40 are firmly connected to the chipboard 34.
  • At least one parameter of the fuel cell unit 1 is monitored by a monitoring unit 37 (FIG. 6).
  • the voltage of the fuel cells 2 is monitored as an essential parameter, i. H. the difference between the voltage between two bipolar plates 10.
  • the monitoring unit 37 FCCU, Fuel Cell Control Unit
  • CVM system Cell Voltage Monitoring System
  • All of the bipolar plates 10 are electrically and mechanically connected to power lines 43, and the power lines 43 are electrically connected to the monitoring unit 37 by means of a data transmission device 38.
  • Each power line 43 is thus electrically connected to the monitoring unit 37 in order to detect the at least one parameter.
  • the data transmission device 38 is formed by a current collector strip 41 with contact surfaces 42 and a cable harness 47.
  • the power lines 43 are electrically and mechanically connected to the bipolar plates 10 by connecting elements 44 as material connections 46.
  • the current collector strip 41 is electrically connected to the monitoring unit 37 by the cable harness 47.
  • Each bipolar plate 10 is connected to a power line 43 by means of a material connection 46.
  • the power lines 43 are mechanically and electrically connected to the contact surfaces 42 of the current collector strip 41 by additional connecting elements 45.
  • the number of contact surfaces 42 corresponds to the number of power lines 43 and each power line 43 is connected to a contact surface 42.
  • the additional connection elements 45 are identical to the connection elements 44 as material connections 46.
  • the bipolar plates 10, the power lines 43 and the contact surfaces 42 are made of identical electrically conductive material, in particular metal.
  • the number of bipolar plates 10 thus corresponds to the number of power lines 43, the number of connecting elements 44 and the number of additional connecting elements 45 the monitoring unit 37 outputs an error message.
  • fuel cells 2 are stacked to form the fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1, ie the fuel cell unit 1 with the stacked fuel cells 2 is made available.
  • a robot 48 comprises robot arms 49 and robot joints 50.
  • a process unit 52 as a laser 53, a camera 51 and gripping tongs 56 are attached to an end region of a last robot arm 49.
  • the gripping tongs 56 are fastened to the last robot arm 49 by means of a motor-driven ball joint (not shown).
  • the robot 48 controls a computer 55 with a processor and a data memory.
  • Position data on the intended geometric arrangement of the bipolar plates 10 and / or on the relative position of the robot 48 to the fuel cell unit 1 are stored in the data memory.
  • the camera 51 optically captures images of the bipolar plates 10 and the actual relative position of the bipolar plates 10 to the robot 48 is captured with image processing software in the computer 55.
  • the movement of the robot 48 is thus controlled as a function of the intended position data stored in the data memory and / or the data on the actual position of the bipolar plates 10 relative to the robot 48 determined by the image processing software certain data on the actual position of the bipolar plates 10 relative to the robot 48 are corrected, so that advantageously deviations in the geometric arrangement of the bipolar plates 10 due to manufacturing inaccuracies have no effect on the production.
  • the power lines 43 are stored in a container (not shown).
  • the gripping tongs 56 each grip a power line 43 and leads one end of the power line 43 to the outside of a bipolar plate 10 by means of a controlled movement of the robot 48.
  • the laser 53 is then aligned and switched on while the power line 43 is fixed by the gripping tongs 56 to the bipolar plate 10 is, so that the laser beam emitted by the laser 53 is directed to the end of the power line 43, which rests on the outside of the bipolar plate 10.
  • the laser beam has a power of approximately one to a few kW with a diameter of a few tenths of a millimeter, so that the metal of the end of the power line 43 and im Essentially, the metal on the outside of the bipolar plate 10 melts locally and the material connection 46 is produced as a welded connection with laser welding between the bipolar plate 10 and the power line 43.
  • This process is automatically repeated by the robot 48 for each bipolar plate 10 until all of the bipolar plates 10 are each connected to a power line 43.
  • the additional connection elements 45 are produced as material connections 46 between the other ends of the power lines 43 and the contact surfaces 42 of the current collector strip 41.
  • Each power line 43 is electrically and mechanically connected to a respective contact surface 42.
  • the process unit 52 is designed as an ultrasonic transducer and a sonotrode. Otherwise, this exemplary embodiment of the production corresponds to the exemplary embodiment described above with the laser 53 as the process unit 52.
  • a generator generates a high-frequency alternating current which generates an ultrasonic oscillation in the ultrasonic transducer with piezoelectric and magnetostrictive effects. This ultrasonic oscillation is transmitted to the sonotrode and the sonotrode is placed by the robot 48 on the power line 43, which is arranged between the outside of the bipolar plate 10 and the sonotrode. In this way, material connections 46 as the connecting elements 44 between the bipolar plates 10 and the power lines 43 are produced by means of ultrasonic welding.
  • the additional connecting elements 45 are produced between the other ends of the power lines 43 and the contact surfaces 42 by means of ultrasonic welding.
  • the joining partners ie the bipolar plates 10 and power lines 43
  • the joining partners ie the bipolar plates 10 and power lines 43
  • material connections 46 which are made with laser welding or ultrasonic welding, can also be distinguished from one another structurally by a material test, for example with a visual test with a microscope, acoustic emission analysis, time-domain reflectometry or ultrasound, after production.
  • the fuel cell unit 1 according to the invention and the method according to the invention for producing the fuel cell unit 1 are associated with significant advantages.
  • the connecting elements 44 between the bipolar plates 10 and a first end of the power lines 43 and the additional connecting elements 45 between a second end of the power lines 43 and the contact surfaces 42 are automatically produced as material connections 46 by a robot 48 with a process unit 52.
  • the connecting elements 44 and additional connecting elements 45 have no manually caused manufacturing errors due to the automated production and are inexpensive to manufacture.
  • robots 48 simple built robots 48 can also be used, which can essentially only execute straight-line movements parallel and perpendicular to the fictitious planes 54, so that the production costs can be reduced even further.

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Abstract

The invention relates to a fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for electrochemically producing electrical energy, comprising: - stacked fuel cells (2, 3) having proton-exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and flow field plates (10); - current lines (43) for electrically connecting to the flow field plates (10) of the fuel cells (2, 3) and for monitoring the fuel cells (2, 3) by sensing at least one parameter of the fuel cells (2, 3); - connecting elements (44) for electrically and mechanically connecting the current lines (43) to the flow field plates (10) so that the current lines (43) are electrically and mechanically connected to the flow field plates (10) by means of the connecting elements (44), the connecting elements (44) being in the form of integral connections (46).

Description

Beschreibung description
Titel title
Brennstoffzelleneinheit Fuel cell unit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10. The present invention relates to a fuel cell unit according to the preamble of claim 1 and a method for producing a fuel cell unit according to the preamble of claim 10.
Stand der Technik State of the art
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet. Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other in a stack as a stack.
Für einen ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ist es notwendig, wenigstens einen Parameter der Brennstoffzellen, beispielsweise die Spannung und die Feuchtigkeit der Brennstoffzellen, zu überwachen. Die Feuchtigkeit wird beispielweise mit der Impedanz als weiteren Parameter mittelbar bestimmt. Bei der Überwachung beispielsweise der Spannung wird die anliegende Spannung an den Bipolarplatten der Brennstoffzellen mittels Stromleitungen zu einer Stromabnehmerleiste und einem Kabelbaum als Datenübertragungsvorrichtungen geleitet und von den Datenübertragungsvorrichtungen zu einer zentralen Überwachungseinheit als Fuel Cell Control Unit übertragen, so dass die Daten für den Parameter der Spannung die Spannung des in Stromleitungen geleiteten Stromes selbst ist. For proper and reliable operation of the fuel cell unit, it is necessary to monitor at least one parameter of the fuel cells, for example the voltage and the humidity of the fuel cells. The humidity is indirectly determined, for example, with the impedance as a further parameter. When monitoring the voltage, for example, the voltage applied to the bipolar plates of the fuel cells is conducted by means of power lines to a current collector strip and a cable harness as data transmission devices and from the data transmission devices to a central monitoring unit as Fuel Cell Control Unit transmitted so that the data for the parameter of the voltage is the voltage of the current conducted in power lines itself.
Eine Brennstoffzelleneinheit mit 400 übereinander angeordneten Brennstoffzellen umfasst 401 Bipolarplatten und jede Bipolarplatte ist mechanisch und elektrisch mittels Verbindungselementen mit je einer Stromleitung zu verbinden. Aus diesem Grund sind insgesamt 401 Stromleitungen mittels 401 Verbindungselementen mit 401 Bipolarplatten zu verbinden. An den Enden der Stromleitungen sind Pins als Verbindungselemente ausgebildet und diese Pins werden in Bohrungen oder Öffnungen in den Bipolarplatten gesteckt. Die Stromleitungen sind mit den Pins und Bohrungen somit form- und/oder kraftschlüssig mit den Bipolarplatten verbunden. Die Bipolarplatten weisen eine Dicke von ca. 1 mm auf und die Bohrungen in den Bipolarplatten sind mit einem Durchmesser von ungefähr 0,7 mm ausgebildet. Die Pins werden manuell von Facharbeitern in die Bohrungen der Bipolarplatten gesteckt, so dass dieser Arbeitsvorgang aufwendig mit einem hohen Fehler- und Beschädigungsrisiko ist. Eine Automatisierung dieses komplexen Arbeitsvorganges ist schwierig bis unmöglich. Dieser Arbeitsvorgang verursacht somit bei der Herstellung hohe Kosten mit einer großen Fehleranfälligkeit. Die Brennstoffzelleneinheiten sind somit in nachteiliger Weise teuer bei einer geringen Zuverlässigkeit. A fuel cell unit with 400 fuel cells arranged one above the other comprises 401 bipolar plates and each bipolar plate is to be connected mechanically and electrically to a power line by means of connecting elements. For this reason, a total of 401 power lines are to be connected to 401 bipolar plates using 401 connecting elements. At the ends of the power lines, pins are designed as connecting elements and these pins are inserted into bores or openings in the bipolar plates. The power lines are thus connected to the bipolar plates with the pins and bores in a form-fitting and / or force-fitting manner. The bipolar plates are approximately 1 mm thick and the bores in the bipolar plates are approximately 0.7 mm in diameter. The pins are manually inserted into the holes in the bipolar plates by skilled workers, so that this work process is time-consuming with a high risk of errors and damage. Automation of this complex work process is difficult if not impossible. This work process thus causes high production costs with a high susceptibility to errors. The fuel cell units are therefore disadvantageously expensive with low reliability.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen mit Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionssichten und Bipolarplatten, Stromleitungen zur elektrischen Verbindung mit den Bipolarplatten der Brennstoffzellen und zur Überwachung der Brennstoffzellen mittels einer Erfassung wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen, Verbindungselemente zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Stromleitungen mit den Bipolarplatten, so dass die Stromleitungen elektrisch und mechanisch mittels der Verbindungselemente mit den Bipolarplatten verbunden sind, wobei die Verbindungselemente als stoffschlüssige Verbindungen ausgebildet sind. Stoffschlüssige Verbindungen sind zuverlässig und automatisiert herstellbar, so dass die Brennstoffzelleneinheit in der Herstellung preiswert ist bei einer großen Zuverlässigkeit. Fuel cell unit according to the invention as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells with proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, power lines for electrical connection to the bipolar plates of the fuel cells and for monitoring the fuel cells by detecting at least one parameter of the fuel cells, connecting elements for the electrical and mechanical connection of the power lines with the bipolar plates, so that the power lines are electrically and mechanically connected to the bipolar plates by means of the connecting elements, the connecting elements as integral connections are formed. Cohesive connections can be produced reliably and automatically, so that the fuel cell unit is inexpensive to produce with great reliability.
In einer ergänzenden Variante sind die stoffschlüssigen Verbindungen mittels Schweißen hergestellt. In a supplementary variant, the material connections are made by means of welding.
In einerweiteren Ausgestaltung sind die stoffschlüssigen Verbindungen mittels Laserschweißen und/oder Ultraschallweißen hergestellt. In a further embodiment, the material connections are made by means of laser welding and / or ultrasonic welding.
Zweckmäßig sind die Bipolarplatten, insbesondere wenigstens 90% oder 99% der Bipolarplatten, mittels je einer, insbesondere nur je einer, stoffschlüssigen Verbindung mit je einer, insbesondere nur je einer, Stromleitung elektrisch und mechanisch verbunden. The bipolar plates, in particular at least 90% or 99% of the bipolar plates, are expediently connected electrically and mechanically by means of one, in particular only one, cohesive connection to each one, in particular only one, power line.
In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Überwachungseinheit als Recheneinheit zur Überwachung des wenigstens einen Parameter der Brennstoffzellen. Als Parameter der Brennstoffzellen ist vorzugsweise die Spannung der Brennstoffzellen überwachbar, so dass die Überwachungseinheit ein CVM-System (Cell Voltage Monitoring-System) bildet. In a supplementary variant, the fuel cell unit comprises a monitoring unit as a computing unit for monitoring the at least one parameter of the fuel cells. The voltage of the fuel cells can preferably be monitored as a parameter of the fuel cells, so that the monitoring unit forms a CVM system (Cell Voltage Monitoring System).
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen zu erfassenden Parameters der Brennstoffzellen von den Stromleitungen zu der Überwachungseinheit. In an additional embodiment, the fuel cell unit comprises a data transmission device for transmitting data with regard to the at least one parameter of the fuel cells to be detected from the power lines to the monitoring unit.
Zweckmäßig sind die Stromleitungen mit Zusatzverbindungselementen mit der Datenübertragungsvorrichtung elektrisch und mechanisch verbunden. The power lines are expediently electrically and mechanically connected to the data transmission device with additional connection elements.
In einerweiteren Ausgestaltung sind die Zusatzverbindungselemente als stoffschlüssigen Verbindungen gemäß den in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verbindungselementen ausgebildet. In a further refinement, the additional connection elements are designed as cohesive connections in accordance with the connection elements described in this patent application.
In einer zusätzlichen Variante ist die Brennstoffzelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt. Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Brennstoffzelleneinheit mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionssichten und Bipolarplatten, zur Verfügung stellen von Stromleitungen zur elektrischen Verbindung mit den Bipolarplatten der Brennstoffzellen und zur Überwachung wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen, mechanisches und elektrisches Verbinden der Stromleitungen mit den Bipolarplatten indem die Stromleitungen elektrisch und mechanisch mit Verbindungselementen mit den Bipolarplatten verbunden werden, wobei die Verbindungselemente als stoffschlüssige Verbindungen ausgebildet werden. In an additional variant, the fuel cell unit is produced using a method described in this patent application. Method according to the invention for the production of a fuel cell unit as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy with the following steps: providing a fuel cell unit with stacked fuel cells, the fuel cells comprising proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, providing power lines for electrical connection with the bipolar plates of the fuel cells and for monitoring at least one parameter of the fuel cells, mechanical and electrical connection of the power lines with the bipolar plates by electrically and mechanically connecting the power lines to the bipolar plates with connecting elements, the connecting elements being formed as integral connections.
Vorzugsweise werden die stoffschlüssigen Verbindungen mittels Schweißen, insbesondere Laserschweißen und/oder Ultraschallweißen, hergestellt. The material connections are preferably produced by means of welding, in particular laser welding and / or ultrasonic welding.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden die stoffschlüssigen Verbindungen hergestellt indem eine Prozesseinheit zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindungen, insbesondere Schweißverbindungen, von einem Roboter im Raum bewegt wird. Die Prozesseinheit, beispielsweise ein Laser oder ein Ultraschallwandler mit Sonotrode, wird von dem Roboter in eine entsprechende Prozessposition an der Bipolarplatte gebracht und anschließend wird mit der temporär aktiven Prozesseinheit in der Prozessposition die stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Die Anzahl der Prozesspositionen der Prozesseinheit während der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit entspricht der Anzahl der herzustellenden stoffschlüssigen Verbindungen für die Verbindungselemente und/oder Zusatzverbindungselemente. In a supplementary embodiment, the material connections are produced by a process unit for producing the material connections, in particular welded connections, being moved in space by a robot. The process unit, for example a laser or an ultrasonic transducer with a sonotrode, is brought into a corresponding process position on the bipolar plate by the robot and the material connection is then established with the temporarily active process unit in the process position. The number of process positions of the process unit during the production of the fuel cell unit corresponds to the number of material connections to be produced for the connecting elements and / or additional connecting elements.
In einerweiteren Ausgestaltung wird je eine, insbesondere nur je eine, Stromleitung mit dem Roboter in mechanischen Kontakt zu je einer, insbesondere nur je einer, Bipolarplatte gebracht und anschließend wird mittels der Prozesseinheit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der je einen, insbesondere nur je einen, Stromleitung und der je einen, insbesondere nur je einen, Bipolarplatte hergestellt. Vorzugsweise sind in einem Computer Positionsdaten zur geometrischen Anordnung der Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit und der relativen Position des Roboters zu den Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit gespeichert und in Abhängigkeit von den Positionsdaten wird die Bewegung des Roboters, insbesondere der von dem Roboter bewegten Prozesseinheit und Stromleitungen, im Raum gesteuert, vorzugsweise in einer Anfangsphase der Bewegung der Prozesseinheit zu je einer Bipolarplatte. In a further embodiment, one, in particular only one, power line with the robot is brought into mechanical contact with each, in particular only one, bipolar plate and then a material connection is established between the one, in particular only one, power line by means of the process unit and the one, in particular only one, bipolar plate produced. Position data for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and the relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit are preferably stored in a computer and the movement of the robot, in particular the process unit and power lines moved by the robot, is controlled in space as a function of the position data , preferably in an initial phase of the movement of the process unit to one bipolar plate each.
In einerweiteren Variante werden von einer Kamera die gestapelten Bipolarplatten optisch erfasst, die Daten der Kamera werden von einem Computer mit einer Bildverarbeitungssoftware ausgewertet und in Abhängigkeit von der mittels der Bildverarbeitungssoftware ermittelten Daten zur Position der Bipolarplatten wird die Bewegung des Roboters, insbesondere der von dem Roboter bewegten Prozesseinheit und Stromleitungen, im Raum gesteuert. Die tatsächlichen Positionen zur geometrischen Anordnung der Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit und/oder den tatsächlichen relativen Position des Roboters zu den Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit kann von den gespeicherten Positionsdaten zur geometrischen Anordnung der Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit und/oder den gespeicherten relativen Position des Roboters zu den Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit abweichen. Aufgrund der optischen Erfassung der tatsächlichen Positionen zur geometrischen Anordnung der Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit und/oder den tatsächlichen relativen Position des Roboters zu den Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheit erfolgt die Bewegung des Roboters, insbesondere zu den Prozesspositionen der Prozesseinheit, bei Abweichungen im Wesentlichen in Abhängigkeit von den tatsächlichen Positionen und im Wesentlichen nicht in Abhängigkeit von den gespeicherten Positionsdaten. Abweichungen zwischen den tatsächlichen und den gespeicherten Positionen der Bipolarplatten in der Brennstoffzelleneinheit führen somit zu keinen Fehlern bei der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindungen. Da von geringen Abweichungen zwischen den tatsächlichen und gespeicherten Positionen der Bipolarplatten auszugehen ist, wird mit den erfassten tatsächlichen Positionen insbesondere die Endphase der Bewegung des Roboters kurz vor dem Erreichen der Prozesspositionen der Prozesseinheit gesteuert und die Anfangsphase der Bewegung kann mit den gespeicherten Positionen gesteuert werden. In der Endphase der Bewegung der Prozesseinheit zu je einer Bipolarplatte wird im Wesentlichen eine Bewegungsrichtung parallel zu den von den Bipolarplatten aufgespannten fiktiven Ebenen ausgeführt. In a further variant, the stacked bipolar plates are optically recorded by a camera, the data from the camera are evaluated by a computer with image processing software and the movement of the robot, in particular that of the robot, is determined by the image processing software moving process unit and power lines, controlled in space. The actual positions for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and / or the actual relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit can be derived from the stored position data for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and / or the stored relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit differ. Due to the optical detection of the actual positions for the geometric arrangement of the bipolar plates of the fuel cell unit and / or the actual relative position of the robot to the bipolar plates of the fuel cell unit, the robot moves, in particular to the process positions of the process unit, in the event of deviations essentially as a function of the actual ones Positions and essentially not as a function of the stored position data. Deviations between the actual and the stored positions of the bipolar plates in the fuel cell unit therefore do not lead to any errors in the production of the integral connections. Since small deviations between the actual and stored positions of the bipolar plates are to be assumed, the final phase of the movement of the robot shortly before reaching the process positions of the process unit is controlled with the recorded actual positions and the initial phase of the movement can be controlled with the stored positions. In the final phase of the movement of the process unit to each bipolar plate, essentially one Direction of movement parallel to the fictitious planes spanned by the bipolar plates.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist der wenigstens eine mit den Stromleitungen überwachte Parameter der Brennstoffzellen die Spannungsdifferenz zwischen wenigstens zwei Bipolarplatten, insbesondere die Spannungsdifferenzen zwischen je wenigstens zwei unmittelbar benachbarten Bipolarplatten. In a supplementary embodiment, the at least one parameter of the fuel cells monitored with the power lines is the voltage difference between at least two bipolar plates, in particular the voltage differences between at least two immediately adjacent bipolar plates.
In einerweiteren Ausgestaltung werden die Stromleitungen mit der Datenübertragungsvorrichtung mit Zusatzverbindungselementen elektrisch und mechanisch verbunden und die Zusatzverbindungselemente werden gemäß den in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verbindungselementen als stoffschlüssige Verbindungen ausgebildet und/oder hergestellt. In a further embodiment, the power lines are electrically and mechanically connected to the data transmission device with additional connection elements and the additional connection elements are designed and / or produced as material connections according to the connection elements described in this patent application.
Zweckmäßig sind sämtliche Bipolarplatten mittels je einer stoffschlüssigen Verbindung mit je einer Stromleitung elektrisch und mechanisch verbunden. Expediently, all of the bipolar plates are electrically and mechanically connected to one power line each by means of a material connection.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Generator zur Erzeugung eines Überwachungssignales, insbesondere Wechselstrom, und mit der wenigstens einen Datenübertragungsvorrichtung und den Stromleitungen ist das Überwachungssignal von dem wenigstens einen Generator zu den Bipolarplatten übertragbar zur Beaufschlagung der Bipolarplatten mit dem Überwachungssignal, insbesondere zur Erfassung der Impedanz als einen Parameter der Brennstoffzelle. The fuel cell unit preferably comprises at least one generator for generating a monitoring signal, in particular alternating current, and with the at least one data transmission device and the power lines, the monitoring signal can be transmitted from the at least one generator to the bipolar plates for applying the monitoring signal to the bipolar plates, in particular for detecting the impedance as a parameter of the fuel cell.
In einerweiteren Variante ist die wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung als wenigstens eine Stromabnehmerleiste mit Stromleitungen und/oder als wenigstens eine CAN-Schnittstelle und/oder wenigstens eine LIN-Schnittstelle und/oder wenigstens ein Funkübertragungsmittel ausgebildet. Das Funkübertragungsmittel überträgt die Daten mittels Funk, beispielsweise mit WLAN oder Bluetooth. In a further variant, the at least one data transmission device is designed as at least one current collector strip with power lines and / or as at least one CAN interface and / or at least one LIN interface and / or at least one radio transmission means. The radio transmission medium transmits the data by radio, for example with WLAN or Bluetooth.
In einerweiteren Ausgestaltung sind die Bipolarplatten und die Stromleitungen, insbesondere ein Endabschnitt der Stromleitungen, aus dem gleichen Material, insbesondere Metall, leitfähiger Kunststoff, Kompositwerkstoffe oder Grafit, ausgebildet. Damit können die stoffschlüssigen Verbindungen der Verbindungselemente aus dem gleichen Material ausgebildet werden. In a further embodiment, the bipolar plates and the power lines, in particular an end section of the power lines, are made of the same material, in particular metal, conductive plastic, composite materials or graphite, educated. In this way, the material connections of the connecting elements can be formed from the same material.
In einerweiteren Ausgestaltung sind die Kontaktflächen der Stromabnehmerleiste und die Stromleitungen, insbesondere ein Endabschnitt der Stromleitungen, aus dem gleichen Material, insbesondere Metall, leitfähiger Kunststoff, Kompositwerkstoffe oder Grafit, ausgebildet. Damit können die stoffschlüssigen Verbindungen der Zusatzverbindungselemente aus dem gleichen Material ausgebildet werden. In a further embodiment, the contact surfaces of the current collector strip and the power lines, in particular an end section of the power lines, are made from the same material, in particular metal, conductive plastic, composite materials or graphite. The material connections of the additional connecting elements can thus be formed from the same material.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Parameter die elektrische Spannung und/oder die Impedanz wenigstens einer überwachten Brennstoffzelle. In a supplementary embodiment, the at least one parameter is the electrical voltage and / or the impedance of at least one monitored fuel cell.
In einerweiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente. In a further variant, the fuel cell unit comprises at least one connection device, in particular several connection devices, and tensioning elements.
Zweckmäßig sind Komponenten für BrennstoffzellenComponents for fuel cells are useful
Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten. Proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates.
In einerweiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte. In a further embodiment, the fuel cells each comprise a proton exchange membrane, an anode, a cathode, at least one gas diffusion layer and at least one bipolar plate.
In einerweiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig. In a further embodiment, the connecting device is designed as a bolt and / or is rod-shaped.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet. The clamping elements are expediently designed as clamping plates.
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 Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist. Fuel cell system according to the invention, in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas reservoir for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the Fuel cell unit is designed as a fuel cell unit described in this patent application.
In einerweiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet. In a further variant, the gas delivery device is designed as a fan or a compressor.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen. In particular, the fuel cell unit comprises at least 3, 4, 5 or 6 connection devices.
In einerweiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet. In a further embodiment, the tensioning elements are plate-shaped and / or disk-shaped and / or flat and / or are designed as a grid.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas. Preferably the fuel is hydrogen, hydrogen-rich gas, reformate gas or natural gas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet. The fuel cells are expediently designed to be essentially flat and / or disk-shaped.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff. In a supplementary variant, the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen. The fuel cell unit is preferably a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird. The invention further comprises a computer program with program code means which are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Part of the invention is also a computer program product with program code means that are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit. Brief description of the drawings
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt: In the following, exemplary embodiments of the invention are described in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung einesFig. 1 is a greatly simplified exploded view of a
Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle, Fuel cell system with components of a fuel cell,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle, 2 shows a perspective view of part of a fuel cell,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle, 3 shows a longitudinal section through a fuel cell,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack, 4 shows a perspective view of a fuel cell unit as a fuel cell stack, i.e. H. a fuel cell stack,
Fig. 5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß Fig. 4, FIG. 5 shows a section through the fuel cell unit according to FIG. 4,
Fig. 6 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Darstellung vonFIG. 6 shows a section through the fuel cell unit, showing FIG
Stromleitungen, einer Datenübertragungsvorrichtung und einer Überwachungseinheit zur Überwachung wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen und Power lines, a data transmission device and a monitoring unit for monitoring at least one parameter of the fuel cells and
Fig. 7 eine stark vereinfachte Darstellung eines Roboters. 7 shows a greatly simplified representation of a robot.
In den Fig. 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 einer Anode 7 wird Wasserstoff H2 als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An einer 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. Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten: 1 to 3 show the basic structure of a fuel cell 2 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 H2 is conducted as a gaseous fuel at an anode 7 and the anode 7 forms the negative pole. A gaseous oxidizing agent, namely air with oxygen, is passed to a cathode 8, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent. A reduction (electron uptake) takes place at the cathode 8. The oxidation as the release of electrons is carried out at the anode 7. The redox equations for the electrochemical processes are:
Kathode: Cathode:
02 + 4 H+ + 4 e- -» 2 H20 0 2 + 4 H + + 4 e- - »2 H 2 0
Anode: Anode:
2 H2 -» 4 H+ + 4 e- 2 H 2 - »4 H + + 4 e-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H2 + 02 ~» 2 H20 Sum reaction equation of cathode and anode: 2 H 2 + 0 2 ~ »2 H 2 0
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 fluchtend 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 electrode pairs under standard conditions as reversible fuel cell voltage or open circuit voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not achieved in practice. In the idle state and with small currents, voltages over 1.0 V can be reached and in operation with higher 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 fuel cells 2 arranged in an aligned stack, has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of a fuel cell 2.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 pm bis 150 pm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H+ und sperrt andere Ionen als Protonen H+ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H+ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H2 und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt. The fuel cell 2 also comprises 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 layered or disk-shaped. The PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst carrier and separator for the reaction gases. The PEM 5 also functions as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8. In general, proton-conducting foils made of perfluorinated and sulfonated polymers are 12 μm to 150 μm thick. The PEM 5 conducts the protons H + and essentially blocks ions other than protons H + , so that the charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the protons H +. The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O2 and hydrogen H2, ie it blocks the flow of oxygen O2 and hydrogen H2 between one Gas space 31 on the anode 7 with fuel hydrogen H2 and the gas space 32 on the cathode 8 with air or oxygen O2 as the oxidizing agent. The proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31 , 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 6, 7 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Array, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer),The electrodes 7, 8 as the anode 7 and cathode 8 rest on the two sides of the PEM 5, each facing the gas spaces 31, 32. A unit composed of the PEM 5 and the electrodes 6, 7 is referred to as a membrane electrode arrangement 6 (membrane electrode array, MEA). The electrodes 7, 8 are pressed with the PEM 5. The electrodes 6, 7 are platinum-containing carbon particles attached to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer),
PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin- Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt. PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and / or PVA (polyvinyl alcohol) are bound and hot-pressed in microporous carbon fiber, glass fiber or plastic mats. A catalyst layer 30 is normally applied to each of the electrodes 6, 7 on the side facing the gas spaces 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 nanodisperse platinum. Nafion®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol, for example, are used as binders.
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.A gas diffusion layer 9 (gas diffusion layer, GDL) rests on the anode 7 and the cathode 8. The gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from channels 12 for fuel evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7. The gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidizing agent from channels 13 for oxidizing agent evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8. The GDL 9 also draws off water of reaction in the opposite 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 moist and conducts the current.
Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut. Die Brennstoffzellen 2 sind schichtförmige und scheibenförmig ausgebildet und dies gilt auch für die Komponenten Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionssichten 9 und Bipolarplatten 10. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 spannen fiktive Ebenen 54, die parallel zueinander ausgerichtet sind. The GDL 9 is composed, for example, of a hydrophobized carbon paper and a bonded layer of carbon powder. The fuel cells 2 are layered and disk-shaped and this also applies to the components proton exchange membranes 5, anodes 7, cathodes 8, gas diffusion layers 9 and bipolar plates 10. The fuel cells 2 and the Components of the fuel cells 2 span fictitious planes 54 which are aligned parallel to one another.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. A bipolar plate 10 rests on the GDL 9. The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, to drain water and to conduct the reaction gases through a channel structure 29 and / or a flow field 29 and to dissipate the waste heat that occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8. In order to dissipate the waste heat, channels 14 for the passage of a liquid or gaseous coolant are incorporated into the bipolar plate 10. The channel structure 29 on the gas space 31 for fuel is formed by channels 12. The channel structure 29 in the gas space 32 for oxidizing agent is formed by channels 13. For example, metal, conductive plastics and composite materials or graphite are used as the material for the bipolar plates 10.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 übereinander angeordnet (Fig. 4). In Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (Fig. 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 (Fig. 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. 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 Fig. 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und können konstruktiv tatsächlich unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise als Bohrungen in einem Rahmen (nicht dargestellt) oder als fluchtende Bohrungen am Endbereich (nicht dargestellt) aufeinander liegender Bipolarplatten 10. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4. A plurality of fuel cells 2 are arranged one above the other in a fuel cell unit 1 and / or a fuel cell stack 1 and / or a fuel cell stack 1 (FIG. 4). 1 shows an exploded view of two fuel cells 2 arranged one above the other. A seal 11 seals the gas spaces 31, 32 in a fluid-tight manner. In a compressed gas reservoir 21 (FIG. 1), hydrogen H2 is stored as fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the pressurized 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 fed from the medium pressure line 17 to an injector 19. At the injector 19, the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure between 1 bar and 3 bar. From the injector 19, the fuel is fed to a feed line 16 for fuel (FIG. 1) and from the feed line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel. The fuel thereby 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 possibly water from a controlled humidification of the anode 7 is diverted from the fuel cells 2 through a discharge line 15. A gas delivery device 22, for example designed as a fan 23 or a compressor 24, delivers air from the environment as an oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agent. From the supply line 25, the air is fed to the channels 13 for oxidizing agents, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agents, 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 flowing through the channels 13 or the gas space 32 for the oxidizing agent 32, the oxidizing agent not consumed at the cathode 8 and the water of reaction arising at the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26. A feed line 27 is used to feed 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 shown in FIG End region (not shown) of bipolar plates 10 lying on top of one another. The fuel cell stack 1 together with the compressed gas storage device 21 and the gas delivery device 22 form a fuel cell system 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 300 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in Fig. 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden. In the fuel cell unit 1, the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34. An upper clamping plate 35 rests on the uppermost fuel cell 2 and a lower clamping plate 36 rests on the lowermost fuel cell 2. The fuel cell unit 1 comprises approximately 300 to 400 fuel cells 2, which are not all shown in FIG. 4 for reasons of drawing. The clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, ie the upper clamping plate 35 rests on the uppermost fuel cell 2 with a compressive force and the lower clamping plate 36 rests on the lowermost fuel cell 2 with a compressive force. The fuel cell stack 2 is thus braced in order to ensure the tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seal 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible. To brace the fuel cells 2 with the tensioning elements 33 are formed on the fuel cell unit 1 four connecting devices 39 as bolts 40, which are subject to tension. The four bolts 40 are firmly connected to the chipboard 34.
Wenigstens ein Parameter der Brennstoffzelleneinheit 1 wird von einer Überwachungseinheit 37 überwacht (Fig. 6). Als wesentlicher Parameter wird die Spannung der Brennstoffzellen 2 überwacht, d. h. die Differenz zwischen Spannung zwischen zwei Bipolarplatten 10. Die Überwachungseinheit 37 (FCCU, Fuel Cell Control Unit) bildet damit insbesondere ein CVM-System (Cell Voltage Monitoring-System). Sämtliche Bipolarplatten 10 sind elektrisch und mechanisch mit Stromleitungen 43 verbunden und die Stromleitungen 43 sind mit einer Datenübertragungsvorrichtung 38 mit der Überwachungseinheit 37 elektrisch verbunden. Jede Stromleitung 43 ist somit zur Erfassung des wenigstens eines Parameters elektrisch mit der Überwachungseinheit 37 verbunden. Die Datenübertragungsvorrichtung 38 ist von einer Stromabnehmerleiste 41 mit Kontaktflächen 42 und einem Kabelbaum 47 gebildet. Die Stromleitungen 43 sind mit Verbindungselementen 44 als stoffschlüssige Verbindungen 46 elektrisch und mechanisch mit den Bipolarplatten 10 verbunden. Die Stromabnehmerleiste 41 ist mit dem Kabelbaum 47 elektrisch mit der Überwachungseinheit 37 verbunden. Jede Bipolarplatte 10 ist mittels je einer stoffschlüssigen Verbindung 46 mit je einer Stromleitung 43 verbunden. Die Stromleitungen 43 sind mit Zusatzverbindungselementen 45 mechanisch und elektrisch mit den Kontaktflächen 42 der Stromabnehmerleiste 41 verbunden. Die Anzahl der Kontaktflächen 42 entspricht der Anzahl der Stromleitungen 43 und jede Stromleitung 43 ist mit je einer Kontaktfläche 42 verbunden. Die Zusatzverbindungselemente 45 sind identisch wie die Verbindungselemente 44 als stoffschlüssige Verbindungen 46 ausgebildet. Die Bipolarplatten 10, die Stromleitungen 43 und die Kontaktflächen 42 sind aus identischem elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Metall, ausgebildet. At least one parameter of the fuel cell unit 1 is monitored by a monitoring unit 37 (FIG. 6). The voltage of the fuel cells 2 is monitored as an essential parameter, i. H. the difference between the voltage between two bipolar plates 10. The monitoring unit 37 (FCCU, Fuel Cell Control Unit) thus forms in particular a CVM system (Cell Voltage Monitoring System). All of the bipolar plates 10 are electrically and mechanically connected to power lines 43, and the power lines 43 are electrically connected to the monitoring unit 37 by means of a data transmission device 38. Each power line 43 is thus electrically connected to the monitoring unit 37 in order to detect the at least one parameter. The data transmission device 38 is formed by a current collector strip 41 with contact surfaces 42 and a cable harness 47. The power lines 43 are electrically and mechanically connected to the bipolar plates 10 by connecting elements 44 as material connections 46. The current collector strip 41 is electrically connected to the monitoring unit 37 by the cable harness 47. Each bipolar plate 10 is connected to a power line 43 by means of a material connection 46. The power lines 43 are mechanically and electrically connected to the contact surfaces 42 of the current collector strip 41 by additional connecting elements 45. The number of contact surfaces 42 corresponds to the number of power lines 43 and each power line 43 is connected to a contact surface 42. The additional connection elements 45 are identical to the connection elements 44 as material connections 46. The bipolar plates 10, the power lines 43 and the contact surfaces 42 are made of identical electrically conductive material, in particular metal.
Die Anzahl der Bipolarplatten 10 entspricht somit der Anzahl der Stromleitungen 43, der Anzahl der Verbindungselemente 44 und der Anzahl der Zusatzverbindungselemente 45. Als Parameter wird beispielsweise die elektrische Spannung zwischen zwei Bipolarplatten 10 erfasst und bei einer Abweichung der erfassten Spannung von einem vorgegebenen Sollwertbereich wird von der Überwachungseinheit 37 eine Fehlermeldung ausgegeben. Bei der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 werden Brennstoffzellen 2 gestapelt zu der Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 angeordnet, d. h. die Brennstoffzelleneinheit 1 mit den gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 zur Verfügung gestellt. Ein Roboter 48 umfasst Roboterarme 49 und Robotergelenke 50. An einem Endbereich eines letzten Roboterarmes 49 sind eine Prozesseinheit 52 als ein Laser 53, eine Kamera 51 und eine Greifzange 56 befestigt. Die Greifzange 56 ist mit einem motorisch bewegbaren Kugelgelenk (nicht dargestellt) an dem letzten Roboterarm 49 befestigt. Ein Computer 55 mit einem Prozessor und einem Datenspeicher steuert der Roboter 48. In dem Datenspeicher sind Positionsdaten zur vorgesehenen geometrischen Anordnung der Bipolarplatten 10 und/oder zur relativen Position des Roboters 48 zu der Brennstoffzelleneinheit 1 gespeichert. Die Kamera 51 erfasst optisch Bilder der Bipolarplatten 10 und mit einer Bildverarbeitungssoftware in dem Computer 55 wird die tatsächliche relative Position der Bipolarplatten 10 zu dem Roboter 48 erfasst. Die Steuerung der Bewegung des Roboters 48 erfolgt somit in Abhängigkeit von den in dem Datenspeicher gespeicherten vorgesehenen Positionsdaten und/oder den von der Bildverarbeitungssoftware bestimmten Daten zur tatsächlichen Position der Bipolarplatten 10 relativ zu dem Roboter 48. Die gespeicherten Positionsdaten können somit mit den von der Bildverarbeitungssoftware bestimmten Daten zur tatsächlichen Position der Bipolarplatten 10 relativ zu dem Roboter 48 korrigiert werden, so dass in vorteilhafter Weise Abweichungen in der geometrischen Anordnung der Bipolarplatten 10 aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten keine Auswirkungen auf die Herstellung haben. The number of bipolar plates 10 thus corresponds to the number of power lines 43, the number of connecting elements 44 and the number of additional connecting elements 45 the monitoring unit 37 outputs an error message. During the production of the fuel cell unit 1, fuel cells 2 are stacked to form the fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1, ie the fuel cell unit 1 with the stacked fuel cells 2 is made available. A robot 48 comprises robot arms 49 and robot joints 50. A process unit 52 as a laser 53, a camera 51 and gripping tongs 56 are attached to an end region of a last robot arm 49. The gripping tongs 56 are fastened to the last robot arm 49 by means of a motor-driven ball joint (not shown). The robot 48 controls a computer 55 with a processor and a data memory. Position data on the intended geometric arrangement of the bipolar plates 10 and / or on the relative position of the robot 48 to the fuel cell unit 1 are stored in the data memory. The camera 51 optically captures images of the bipolar plates 10 and the actual relative position of the bipolar plates 10 to the robot 48 is captured with image processing software in the computer 55. The movement of the robot 48 is thus controlled as a function of the intended position data stored in the data memory and / or the data on the actual position of the bipolar plates 10 relative to the robot 48 determined by the image processing software certain data on the actual position of the bipolar plates 10 relative to the robot 48 are corrected, so that advantageously deviations in the geometric arrangement of the bipolar plates 10 due to manufacturing inaccuracies have no effect on the production.
In einem nicht dargestellten Behälter sind die Stromleitungen 43 bevorratet. Die Greifzange 56 greift je eine Stromleitung 43 und führt ein Ende der Stromleitung 43 mittels einer gesteuerten Bewegung des Roboters 48 zu einer Außenseite einer Bipolarplatte 10. Anschließend wird der Laser 53 ausgerichtet und eingeschalten während die Stromleitung 43 von der Greifzange 56 an der Bipolarplatte 10 fixiert ist, so dass der von dem Laser 53 ausgesendete Laserstrahl auf das Ende der Stromleitung 43, welches auf der Außenseite der Bipolarplatte 10 aufliegt, gerichtet ist. Der Laserstrahl weist eine Leistung von ungefähr einem bis einigen kW auf bei einem Durchmesser von wenigen Zehntel Millimetern, so dass das Metall des Endes der Stromleitung 43 und im Wesentlichen punktuell das Metall an der Außenseite der Bipolarplatte 10 lokal schmilzt und die stoffschlüssige Verbindung 46 als eine Schweißverbindung mit Laserschweißen zwischen der Bipolarplatte 10 und der Stromleitung 43 hergestellt wird. Dieser Vorgang wird automatisiert von dem Roboter 48 für jede Bipolarplatte 10 wiederholt bis sämtliche Bipolarplatten 10 mit je einer Stromleitung 43 verbunden sind. In analoger Weise wie die Verbindungselemente 44 als stoffschlüssige Verbindungen 46 zwischen den Bipolarplatten 10 und den Stromleitungen 43 hergestellt werden, werden die Zusatzverbindungselemente 45 als stoffschlüssige Verbindungen 46 zwischen den anderen Enden der Stromleitungen 43 und den Kontaktflächen 42 der Stromabnehmerleiste 41 hergestellt. Jede Stromleitung 43 ist elektrisch und mechanisch mit je einer Kontaktfläche 42 verbunden. The power lines 43 are stored in a container (not shown). The gripping tongs 56 each grip a power line 43 and leads one end of the power line 43 to the outside of a bipolar plate 10 by means of a controlled movement of the robot 48. The laser 53 is then aligned and switched on while the power line 43 is fixed by the gripping tongs 56 to the bipolar plate 10 is, so that the laser beam emitted by the laser 53 is directed to the end of the power line 43, which rests on the outside of the bipolar plate 10. The laser beam has a power of approximately one to a few kW with a diameter of a few tenths of a millimeter, so that the metal of the end of the power line 43 and im Essentially, the metal on the outside of the bipolar plate 10 melts locally and the material connection 46 is produced as a welded connection with laser welding between the bipolar plate 10 and the power line 43. This process is automatically repeated by the robot 48 for each bipolar plate 10 until all of the bipolar plates 10 are each connected to a power line 43. In a manner analogous to the way in which the connecting elements 44 are produced as material connections 46 between the bipolar plates 10 and the power lines 43, the additional connection elements 45 are produced as material connections 46 between the other ends of the power lines 43 and the contact surfaces 42 of the current collector strip 41. Each power line 43 is electrically and mechanically connected to a respective contact surface 42.
Die Prozesseinheit 52 ist in einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Ultraschallwandler und eine Sonotrode ausgebildet. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel der Herstellung dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit dem Laser 53 als der Prozesseinheit 52. Ein Generator erzeugt einen hochfrequenten Wechselstrom, der in dem Ultraschallwandler mit piezoelektrischen und magnetostriktiven Effekten eine Ultraschallschwingung erzeugt. Diese Ultraschallschwingung wird auf die Sonotrode übertragen und die Sonotrode wird von dem Roboter 48 auf die Stromleitung 43 aufgelegt, welche zwischen der Außenseite der Bipolarplatte 10 und der Sonotrode angeordnet ist. Damit werden mittels Ultraschallschweißen stoffschlüssige Verbindungen 46 als die Verbindungselemente 44 zwischen den Bipolarplatten 10 und den Stromleitungen 43 hergestellt. In analoger Weise werden die Zusatzverbindungselemente 45 zwischen den anderen Enden der Stromleitungen 43 und den Kontaktflächen 42 mittels Ultraschallschweißen hergestellt. Beim Ultraschallschweißen werden die Fügepartner, d. h. die Bipolarplatten 10 und Stromleitungen 43, im Wesentlichen durch ein ineinander verzahnen und -verhaken durch plastisches Fließen miteinander verbunden ohne dass ein Schmelzen des Materials wie beim Laserschweißen eintritt. Damit können stoffschlüssige Verbindungen 46, die mit Laserschweißen oder Ultraschallschweißen hergestellt sind, auch konstruktiv durch eine Materialprüfung, beispielsweise mit visueller Prüfung mit dem Mikroskop, Schallemissionsanalyse, Zeitbereichsreflektometrie oder Ultraschall, nach der Herstellung noch voneinander unterschieden werden. Insgesamt betracht sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Verbindungselemente 44 zwischen den Bipolarplatten 10 und einem ersten Ende der Stromleitungen 43 und die Zusatzverbindungselemente 45 zwischen einem zweiten Ende der Stromleitungen 43 und den Kontaktflächen 42 werden als stoffschlüssige Verbindungen 46 automatisiert von einem Roboter 48 mit einer Prozesseinheit 52 herstellt. Die Verbindungselemente 44 und Zusatzverbindungselemente 45 weisen wegen der automatisierten Herstellung keine manuell verursachte Fertigungsfehler auf und sind in der Herstellung preiswert. Als Roboter 48 können auch einfache gebaute Roboter 48 eingesetzt werden, welche im Wesentlichen nur geradlinige Bewegungen parallel und senkrecht zu den fiktiven Ebenen 54 ausführen können, so dass die Kosten für Herstellung noch weiter reduziert werden können. In a further exemplary embodiment, not shown, the process unit 52 is designed as an ultrasonic transducer and a sonotrode. Otherwise, this exemplary embodiment of the production corresponds to the exemplary embodiment described above with the laser 53 as the process unit 52. A generator generates a high-frequency alternating current which generates an ultrasonic oscillation in the ultrasonic transducer with piezoelectric and magnetostrictive effects. This ultrasonic oscillation is transmitted to the sonotrode and the sonotrode is placed by the robot 48 on the power line 43, which is arranged between the outside of the bipolar plate 10 and the sonotrode. In this way, material connections 46 as the connecting elements 44 between the bipolar plates 10 and the power lines 43 are produced by means of ultrasonic welding. In an analogous manner, the additional connecting elements 45 are produced between the other ends of the power lines 43 and the contact surfaces 42 by means of ultrasonic welding. In the case of ultrasonic welding, the joining partners, ie the bipolar plates 10 and power lines 43, are essentially connected to one another by interlocking and interlocking through plastic flow without the material melting as in laser welding. In this way, material connections 46, which are made with laser welding or ultrasonic welding, can also be distinguished from one another structurally by a material test, for example with a visual test with a microscope, acoustic emission analysis, time-domain reflectometry or ultrasound, after production. Viewed overall, the fuel cell unit 1 according to the invention and the method according to the invention for producing the fuel cell unit 1 are associated with significant advantages. The connecting elements 44 between the bipolar plates 10 and a first end of the power lines 43 and the additional connecting elements 45 between a second end of the power lines 43 and the contact surfaces 42 are automatically produced as material connections 46 by a robot 48 with a process unit 52. The connecting elements 44 and additional connecting elements 45 have no manually caused manufacturing errors due to the automated production and are inexpensive to manufacture. As robots 48, simple built robots 48 can also be used, which can essentially only execute straight-line movements parallel and perpendicular to the fictitious planes 54, so that the production costs can be reduced even further.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend1. Fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising
- gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2, 3) mit Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionssichten (9) und Bipolarplatten (10), - stacked fuel cells (2, 3) with proton exchange membranes (5), anodes (7), cathodes (8), gas diffusion layers (9) and bipolar plates (10),
- Stromleitungen (43) zur elektrischen Verbindung mit den Bipolarplatten (10) der Brennstoffzellen (2, 3) und zur Überwachung der Brennstoffzellen (2, 3) mittels einer Erfassung wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen (2, 3), - Power lines (43) for the electrical connection to the bipolar plates (10) of the fuel cells (2, 3) and for monitoring the fuel cells (2, 3) by means of a detection of at least one parameter of the fuel cells (2, 3),
- Verbindungselemente (44) zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Stromleitungen (43) mit den Bipolarplatten (10), so dass die Stromleitungen (43) elektrisch und mechanisch mittels der Verbindungselemente (44) mit den Bipolarplatten (10) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (44) als stoffschlüssige Verbindungen (46) ausgebildet sind. - Connecting elements (44) for the electrical and mechanical connection of the power lines (43) to the bipolar plates (10), so that the power lines (43) are electrically and mechanically connected to the bipolar plates (10) by means of the connecting elements (44), characterized in that, that the connecting elements (44) are designed as cohesive connections (46).
2. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssigen Verbindungen (46) mittels Schweißen hergestellt sind. 2. Fuel cell unit according to claim 1, characterized in that the material connections (46) are made by welding.
3. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssigen Verbindungen (46) mittels Laserschweißen und/oder Ultraschallweißen hergestellt sind. 3. Fuel cell unit according to claim 1 or 2, characterized in that the material connections (46) are made by means of laser welding and / or ultrasonic welding.
4. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10), insbesondere wenigstens 90% oder 99% der Bipolarplatten (10), mittels je einer stoffschlüssigen Verbindung (46) mit je einer Stromleitung (43) elektrisch und mechanisch verbunden sind. 4. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the bipolar plates (10), in particular at least 90% or 99% of the bipolar plates (10), electrically by means of a cohesive connection (46) each with a power line (43) and are mechanically connected.
5. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) eine Überwachungseinheit (37) als Recheneinheit zur Überwachung des wenigstens einen Parameter der Brennstoffzellen (2, 3) umfasst. 5. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1) comprises a monitoring unit (37) as a computing unit for monitoring the at least one parameter of the fuel cells (2, 3).
6. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) eine Datenübertragungsvorrichtung (38) zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen zu erfassenden Parameters der Brennstoffzellen (2, 3) von dem Stromleitungen (43) zu der Überwachungseinheit (37) umfasst. 6. Fuel cell unit according to claim 5, characterized in that the fuel cell unit (1) has a data transmission device (38) for transmitting data regarding the at least one parameter of the fuel cells (2, 3) to be detected from the power lines (43) to the monitoring unit (37 ) includes.
7. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitungen (43) mit Zusatzverbindungselementen (45) mit der Datenübertragungsvorrichtung (38) elektrisch und mechanisch verbunden sind. 7. Fuel cell unit according to claim 6, characterized in that the power lines (43) are electrically and mechanically connected to the data transmission device (38) with additional connecting elements (45) are.
8. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzverbindungselemente (45) gemäß den stoffschlüssigen Verbindungen (46) nach den Ansprüchen 1 bis 3 ausgebildet sind. 8. The fuel cell unit according to claim 7, characterized in that the additional connecting elements (45) are designed according to the cohesive connections (46) according to claims 1 to 3.
9. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 10 bis 15 hergestellt ist. 9. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1) is produced using a method according to one or more of claims 10 to 15.
10. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (2, 3), die Brennstoffzellen (2, 3) umfassend Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionssichten (9) und Bipolarplatten (10), zur Verfügung stellen von Stromleitungen (43) zur elektrischen Verbindung mit den Bipolarplatten (10) der Brennstoffzellen (2, 3) und zur Überwachung wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen (2, 3), mechanisches und elektrisches Verbinden der Stromleitungen (43) mit den Bipolarplatten (10) indem die Stromleitungen (43) elektrisch und mechanisch mit Verbindungselementen (44) mit den Bipolarplatten (10) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (44) als stoffschlüssige Verbindungen (46) ausgebildet werden. 10. A method for producing a fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy with the following steps: providing a fuel cell unit (1) with stacked fuel cells (2, 3), the fuel cells (2, 3) comprising proton exchange membranes (5), anodes (7), cathodes (8), gas diffusion layers (9) and bipolar plates (10), providing power lines (43) for electrical connection with the bipolar plates (10) of the fuel cells (2, 3) and for monitoring at least one parameter of the fuel cells (2, 3), mechanical and electrical connection of the power lines (43) to the bipolar plates (10) by connecting the power lines (43) electrically and mechanically with connecting elements (44) to the bipolar plates (10) are characterized in that the connecting elements (44) are designed as cohesive connections (46).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssigen Verbindungen (46) mittels Schweißen, insbesondere Laserschweißen und/oder Ultraschallweißen, hergestellt werden. 11. The method according to claim 10, characterized in that the material connections (46) are produced by means of welding, in particular laser welding and / or ultrasonic welding.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssigen Verbindungen (46) hergestellt werden indem eine Prozesseinheit (52) zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindungen (46), insbesondere Schweißverbindungen (46), von einem Roboter (48) im Raum bewegt wird. 12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the material connections (46) are produced by a process unit (52) for producing the material connections (46), in particular welded connections (46), by a robot (48) in space is moved.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Stromleitung (43) mit dem Roboter (48) in mechanischen Kontakt zu je einer Bipolarplatte (10) gebracht wird und anschließend mittels der Prozesseinheit (52) eine stoffschlüssige Verbindung (46) zwischen der je einen Stromleitung (43) und der je einen Bipolarplatte (10) hergestellt wird. 13. The method according to claim 12, characterized in that each one power line (43) with the robot (48) is brought into mechanical contact with a respective bipolar plate (10) and then by means of the process unit (52) a material connection (46) between each one power line (43) and each one bipolar plate (10) is produced.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Computer (55) Positionsdaten zur geometrischen Anordnung der Bipolarplatten (10) der Brennstoffzelleneinheit (1) und der relativen Position des Roboters (48) zu der Bipolarplatten (10) der Brennstoffzelleneinheit (1) gespeichert sind und in Abhängigkeit von den Positionsdaten die Bewegung des Roboters (48), insbesondere der von dem Roboter (48) bewegten Prozesseinheit (52) und Stromleitungen (43), im Raum gesteuert wird. 14. The method according to claim 12 or 13, characterized in that in a computer (55) position data for the geometric arrangement of the bipolar plates (10) of the fuel cell unit (1) and the relative position of the robot (48) to the bipolar plates (10) Fuel cell unit (1) are stored and the movement of the robot (48), in particular of the process unit (52) and power lines (43) moved by the robot (48), is controlled in space as a function of the position data.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Kamera (51) die gestapelten Bipolarplatten (10) optisch erfasst werden, die Daten der Kamera (51) von einem Computer (55) mit einer Bildverarbeitungssoftware ausgewertet werden und in Abhängigkeit von der mittels der Bildverarbeitungssoftware ermittelten Daten zur Position der Bipolarplatten (10) die Bewegung des Roboters (48), insbesondere der von dem Roboter (48) bewegten Prozesseinheit (52) und Stromleitungen (43), im Raum gesteuert wird. 15. The method according to one or more of claims 12 to 14, characterized in that the stacked bipolar plates (10) are optically captured by a camera (51), the data from the camera (51) evaluated by a computer (55) with image processing software and the movement of the robot (48), in particular of the process unit (52) and power lines (43) moved by the robot (48), is controlled in space as a function of the data on the position of the bipolar plates (10) determined by the image processing software.
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