WO2021254692A1

WO2021254692A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: WO2021254692A1
Application number: PCT/EP2021/062328
Authority: WO
Inventors: Eberhard Maier; Felix Wald; Johannes Biesdorf
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2021-12-23
Also published as: DE102020207341A1

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils als Komponenten der Brennstoffzellen (2) eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Gasdiffusionsschicht und eine Bipolarplatte mit drei getrennten Kanalstrukturen mit Kanälen für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid, wobei die Brennstoffzellen (2) und die Komponenten der Brennstoffzellen (2) zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen (51) aufspannen und die fiktiven Ebenen (51) im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel als Prozessgas in die Kanäle für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff als Prozessgas in die Kanäle für Brennstoff der Brennstoffzellen (2), einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abführkanal (43) zur Ableitung von Oxidationsmittel als Prozessgas aus den Kanälen für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abführkanal (45) zur Ableitung von Brennstoff als Prozessgas aus den Kanälen für Brennstoff der Brennstoffzellen (2), wobei in wenigstens einem Zuführkanal und/oder in wenigstens einem Abführkanal (43, 45) für wenigstens ein Prozessgas je eine Ableitungsöffnung (56) zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einem Zuführkanal und/oder aus dem wenigstens einem Abführkanal (43, 45) für das wenigstens eine Prozessgas ausgebildet ist.

Description

Beschreibung

Titel

Brennstoffzelleneinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.

Stand der Technik

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, 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 in einem Stapel als Stack angeordnet.

In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. An den Kathoden entsteht aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser, sodass es dadurch an dem Gasraum für Oxidationsmittel, insbesondere an der Gasdiffusionsschicht, zu einer Anreicherung von Wasser bzw. Kondensat kommt. Die Anreicherung von Wasser im Bereich der Kathode, das heißt insbesondere an der Gasdiffusionsschicht für die Kathode, führt zu einer Unterversorgung der Katalysatorschicht mit Oxidationsmittel aufgrund der Flutung der Gasdiffusionsschicht mit Wasser, sodass dadurch die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung stark abnimmt. Ferner verursacht dies eine erhöhte Alterung der Brennstoffzelle aufgrund der Anreicherung mit Wasser. Bei Temperaturen unter 0° C kann ein Gefrieren des angesammelten Wassers zu Frostschäden führen. Die Luft aus der Umgebung wird mit einer Gasfördereinrichtung, beispielsweise einem Gebläse oder einem Kompressor, in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet.

Das Oxidationsmittel wird durch einen innerhalb des Stapels ausgebildeten Zuführkanal in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet und durch einen innerhalb des Stapels ausgebildeten Abführkanal aus den Gasräumen für Oxidationsmittel ausgebleitet. In den Bipolarplatten und den Membranelektrodenanordnungen sind Verlängerungen als Abdichtplatten ausgebildet und in den Abdichtplatten sind Fluidöffnungen eingearbeitet. Die Fluidöffnungen sind fluchtend gestapelt in der Brennstoffzelleneinheit ausgerichtet, so dass die Fluidöffnungen den Zuführkanal und den Abführkanal bilden. Zwischen den Abdichtplatten im Bereich der Fluidöffnungen sind Dichtungen angeordnet, damit das Oxidationsmittel nicht unkontrolliert in die Zwischenräume zwischen den Abdichtplatten gelangt. Das Oxidationsmittel wird in die Kanäle für Oxidationsmittel aus dem Zuführkanal eingeleitet.

Die Brennstoffzellen und die Komponenten der Brennstoffzellen, nämlich Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, sind im Wesentlichen schichtförmig und scheibenförmig ausgebildet und spannen damit fiktive Ebenen auf. Die in der Brennstoffzelleneinheit angeordneten und gestapelten Brennstoffzellen sind elektrisch in Reihe geschaltet, damit die Brennstoffzelleneinheit eine ausreichend hohe Spannung liefert, weil bei einer elektrischen Reihenschaltung die Spannung der Brennstoffzelleneinheit der Summe der elektrischen Einzelspannung der Brennstoffzellen entspricht. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine große Anzahl von beispielsweise 200 bis 400 Brennstoffzellen in einer Brennstoffzelleneinheit anzuordnen. Damit die vertikale Ausdehnung der Brennstoffzelleneinheit klein ist werden für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik die Brennstoffzellen häufig dahingehend gestapelt, dass die fiktiven Ebenen der Brennstoffzellen im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind. Als Folge hiervon ist der Zuführkanal und Abführkanal für das Oxidationsmittel horizontal ausgerichtet. Bei einer Schiefstellung des Kraftfahrzeuges, beispielsweise beim Parken an einem Randstein oder bei Bergfahrten, können die Zuführ- und Abführkanäle dahingehen geneigt bzw. schief ausgerichtet sein dass die Ein- und Auslassöffnungen des Zuführ- und Abführkanales den höchsten Bereich des Zuführ- und Abführkanales bilden, so dass sich in den tiefer liegenden Bereichen des Zuführ- und Abführkanales Wasser ansammelt, welches nicht abläuft und damit Schäden verursacht. Insbesondere an der Kathode bildet sich aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser, welches dann nicht aus dem Abführkanal für das Oxidationsmittel Luft austreten kann und Schäden verursacht. Auch an dem Gasraum für Brennstoff, d. h. der Anode, kann es zur Bildung von Wasser kommen, so dass Schäden durch Ansammlungen von Wasser in den Zuführ- und Abführkanälen für die Prozessgase Oxidationsmittel und Brennstoff in nachteiliger weise auftreten.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils als Komponenten der Brennstoffzellen eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Gasdiffusionsschicht und eine Bipolarplatte mit drei getrennten Kanalstrukturen mit Kanälen für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid, wobei die Brennstoffzellen und die Komponenten der Brennstoffzellen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen aufspannen und die fiktiven Ebenen im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel als Prozessgas in die Kanäle für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff als Prozessgas in die Kanäle für Brennstoff der Brennstoffzellen, einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abführkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel als Prozessgas aus den Kanälen für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abführkanal zur Ableitung von Brennstoff als Prozessgas aus den Kanälen für Brennstoff der Brennstoffzellen, wobei in wenigstens einem Zuführkanal und/oder in wenigstens einem Abführkanal für wenigstens ein Prozessgas je eine Ableitungsöffnung zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einem Zuführkanal und/oder aus dem wenigstens einem Abführkanal für das wenigstens eine Prozessgas ausgebildet ist. Ansammlungen von Wasser in dem wenigstens einem Zuführkanal und/oder Abführkanal für das wenigstens einen Prozessgas und hieraus resultierende Schäden an der Brennstoffzelle können damit vermieden werden, weil an den beiden Endbereichen des wenigstens einen Zuführkanales und/oder Abführkanales das Wasser abgeleitet werden kann: an einem Endbereich ist die Ein- oder Auslassöffnung zum Ein- oder Ausleiten des Prozessgases vorhanden und aus dieser Ein- oder Auslassöffnung kann das Wasser abgeleitet werden und an dem anderen Endbereich des wenigstens einen Zuführ- und/oder Abführkanal ist die Ableitungsöffnung vorhanden, so dass bei jeder Schiefstellung der Brennstoffzelleneinheit und damit des wenigstens einen Zuführkanales und/oder Abführkanales das Wasser aus dem wenigstens einen Zuführkanal und/oder Abführkanal abgeleitet werden kann. Im Wesentlichen vertikal ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die fiktiven Ebenen mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° zu einer vertikalen Ebene ausgerichtet ist. Im Wesentlichen horizontal ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass der wenigstens einen Zuführkanal und/oder der wenigstens eine Abführkanal mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist.

In einerweiteren Ausgestaltung ist in dem wenigstens einem Zuführkanal für wenigstens ein Prozessgas je eine Einlassöffnung zur Einleitung des wenigstens einen Prozessgases in den wenigstens einen Zuführkanal ausgebildet.

In einer ergänzenden Variante ist in dem wenigstens einem Abführkanal für wenigstens ein Prozessgas je eine Auslassöffnung zur Ableitung des wenigstens einen Prozessgases aus dem wenigstens einem Abführkanal ausgebildet. In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die je eine Ableitungsöffnung zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einem Zuführkanal in dem wenigstens einem Zuführkanal an einem zu der je einen Einlassöffnung abgewandten Endbereich des jeweiligen Zuführkanales ausgebildet. Vorzugsweise beginnt der abgewandte Endbereich an dem zu der je einen Einlassöffnung abgewandten Ende des je einen Zuführkanales und weist eine Längsausdehnung zwischen 1% und 30%, insbesondere zwischen 3% und 20%, der Gesamtausdehnung des jeweiligen Zuführkanales auf.

In einer weiteren Variante ist die je eine Ableitungsöffnung zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einen Abführkanal in dem wenigstens einen Abführkanal an einem zu der je einen Auslassöffnung abgewandten Endbereich des jeweiligen Abführkanales ausgebildet. Vorzugsweise beginnt der abgewandte Endbereich an dem zu der je einen Auslassöffnung abgewandten Ende des je einen Abführkanales und weist eine Längsausdehnung zwischen 1% und 30%, insbesondere zwischen 3% und 20%, der Gesamtausdehnung des jeweiligen Abführkanales auf.

Vorzugsweise mündet die je eine Ableitungsöffnung zur Ableitung von Wasser in eine Wasserleitung zur Ableitung von Wasser. Das durch die Ableitungsöffnung abgeleitete Wasser kann somit durch die Wasserleitung gezielt an einer bestimmten Position beispielsweise in einem Kraftfahrzeug in die Umgebung abgleitet werden.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung mündet die Wasserleitung in eine Prozessgasleitung, insbesondere eine Prozessgasleitung zur Ableitung von Prozessgas aus einem Abführkanal. Durch die Prozessgasleitung wird neben dem Prozessgas auch Wasser aus der Ein- oder Auslassöffnung in die Umgebung gezielt abgeleitet, so dass auch das aus der Ableitungsöffnung ausgeleitet Wasser gezielt mit der Prozessgasleitung abgeleitet werden kann.

Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleeinheit wenigstens ein Schließorgan, insbesondere ein Ventil, zum Öffnen und Schließen der wenigstens einen Ableitungsöffnung. Die Ableitungsöffnung ist damit nicht ständig geöffnet, so dass Inertgase in den Gasräumen für den Brennstoff und das Oxidationsmittel nicht durch eine geöffnete Ableitungsöffnung in die Umgebung ableitet werden. In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das wenigstens eine Schließorgan in die Ableitungsöffnung eingebaut und/oder in die Wasserleitung integriert. Bei einem in die Wasserleitung integrierten Schließorgan ist bei einem geschlossenen Schließorgan die Ableitungsöffnung geschlossen und umgekehrt bei einem geöffneten Schließorgan geöffnet.

Zweckmäßig umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Sensor zur Erfassung von Wasser in dem wenigstens einem Zuführkanal und/oder in dem wenigstens einem Abführkanal für wenigstens ein Prozessgas.

In einer ergänzenden Variante ist das wenigstens eine Schließorgan in Abhängigkeit von dem mit dem wenigstens einen Sensor erfassten Wasser steuerbar und/oder regelbar, insbesondere ist bei einer Erfassung von Wasser mit dem wenigstens einen Sensor in dem wenigstens einem Zuführkanal und/oder in dem wenigstens einem Abführkanal für wenigstens ein Prozessgas je ein Schließorgan in demjenigen Zuführkanal und/oder Abführkanal temporär für eine vorgegebene Zeit und/oder während des Ablassens des Wassers öffenbar und anschließend ist das wenigstens eine Schließorgan schließbar. Die Ableitungsöffnung wird somit nur dahingehend und solange geöffnet als dies für die Ableitung des Wassers notwendig ist.

In einerweiteren Ausgestaltung ist oder sind der wenigstens eine Zuführkanal und/oder der wenigstens eine Abführkanal in dem Stapel der Brennstoffzelleneinheit von fluchtenden Fluidöffnungen an Abdichtplatten eines Endbereiches der Bipolarplatten und Membranelektrodenanordnungen gebildet, wobei je eine Membranelektrodenanordnung von einer Protonenaustauschermembran, Anode und Kathode gebildet ist.

In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die Ableitungsöffnung und der Sensor zur Erfassung von Wasser an dem Abführkanal für das Oxidationsmittel Luft angeordnet und/oder integriert. Besonders in dem Abführkanal für das Oxidationsmittel könnten sich größere Mengen an Wasser ansammeln aufgrund der elektrochemischen Reaktion an der Kathode, so dass die Ausbildung der Ableitungsöffnung hier besonders wichtig ist. Vorzugsweise weisen die Brennstoffzellen eine Längsausdehnung und eine Breitenausdehnung parallel zu den fiktiven Ebenen und eine Dickenausdehnung senkrecht zu den fiktiven Ebenen auf und die Horizontalausdehnung der Brennstoffzelleneinheit senkrecht zu den fiktiven Ebenen größer ist als 3-, 5-,

10-, 20- oder 30-Fache der Breitenausdehnung je einer Brennstoffzelle. Trotz der großen Anzahl der Brennstoffzellen für eine ausreichend große elektrische Spannung der Brennstoffzelleneinheit weist die Brennstoffzelleneinheit eine große Horizontalausdehnung bei einer kleinen Vertikalausdehnung auf und ist damit für den Einbau in Kraftfahrzeuge besonders geeignet.

Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine Zuführkanal und/oder der wenigstens eine Abführkanal für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Die Ausrichtung des wenigstens einen Zuführkanales und/oder Abführkanales für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel ist die Längsachse und/oder die Strömungsrichtung des Prozessfluides in dem Zuführkanal und/oder Abführkanal. Im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine Zuführkanal und/oder der wenigstens eine Abführkanal für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel innerhalb des Stapels der Brennstoffzellen ausgebildet.

In einerweiteren Ausführungsform ist das Schließorgan mittels eines Aktuators, insbesondere einem Elektromagneten, Piezoelement oder Hydraulikelement, schließbar und öffenbar. In einerweiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.

Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen

Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.

In einerweiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.

In einerweiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.

Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.

In einerweiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.

Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.

In einerweiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.

Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.

Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.

In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter

Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines

Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack ohne Spannplatten,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack mit Spannplatten,

Fig. 6 eine Draufsicht einer Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit,

Fig. 7 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit im Bereich der Abführkanäle für Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel in einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit im Bereich der Abführkanäle für Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel in einem zweiten Ausführungsbeispiel und Fig. 9 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit im Bereich der Abführkanäle für Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel in einem dritten Ausführungsbeispiel.

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 eine Anode 7 wird Wasserstoff H2 als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode:

0₂ + 4 H⁺ + 4 e- ~» 2 H₂0

Anode:

2 H_{2 ~}» 4 H⁺ + 4 e-

Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:

2 H₂ + 0_{2 ~}» 2 H₂0

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.

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.

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 Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen- Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin- Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.

Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom.

Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.

Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt.

In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (Fig. 4 und 5). In Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (Fig. 1) ist Wasserstoff Fh 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. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (Fig. 6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 51 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen 50 (Fig. 9) ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.

In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in Fig. 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen 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 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.

Die Fig. 1 bis 3 dienen lediglich zur Darstellung der grundlegenden Funktionsweise von Brennstoffzellen 2 und erfindungswesentliche Merkmale sind in den Fig. 1 bis 3 teilweise nicht abgebildet.

In den Fig. 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in Fig. 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47.

Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 und die Brennstoffzellen 2 sind im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und weisen eine Längsausdehnung 52 als Länge auf und eine Breitenausdehnung 53 parallel zu einer von der Brennstoffzelle 2 aufgespannten fiktiven Ebene 51. Senkrecht zu der fiktiven Ebene 51 weist die Brennstoffzelle 2 eine Dickenausdehnung 54 auf (Fig. 4). Die Horizontalausdehnung 55 des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 senkrecht zu der fiktiven Ebene 51 entspricht der Summe der Dickenausdehnungen 54 der Brennstoffzellen 2. Aufgrund der Geometrie der Brennstoffzellen 2 und der großen Anzahl von gestapelten und vertikal ausgerichteten Brennstoffzellen 2 in der Brennstoffzelleneinheit 1 ist die Horizontalausdehnung 55 der Brennstoffzelleneinheit 1 wesentlich größer als die Breitenausdehnung 53, so dass trotz der großen Anzahl an Brennstoffzellen 2 die Brennstoffzelleneinheit 1 eine kleine Höhe als im Wesentlichen der Breitenausdehnung 53 der Brennstoffzellen 2 aufweist. In mobilen Anwendungen, insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik, ist es einerseits notwendig zur Erzielung einer ausreichend großen Spannung eine große Anzahl an Brennstoffzellen 2 elektrisch in Reihe zu schalten und andererseits sollen derartige Stapel an Brennstoffzellen 2 nur eine kleine Höhe aufweisen zum Einbau in das Kraftfahrzeug. Dies ist nur mit Brennstoffzellen 2 möglich, deren fiktive Ebenen 51 im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind. Als Folge hiervon sind die in die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 integrierten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 im Wesentlichen horizontal ausgerichtet, so dass Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, nicht oder nur schwierig aus den Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ablaufen können. Die Zuführkanäle 42, 44, 46 weisen an den Enden Einlassöffnungen 48 zum Einleiten der Prozessgase und des Kühlmittels in die Zuführkanäle 42, 44, 46 auf und die Abführkanäle 43, 45, 47 weisen an den Enden Auslassöffnungen 49 zum Ausleiten der Prozessgase und des Kühlmittels aus den Abführkanäle 43, 45, 47 auf. Die Einlassöffnungen 48 münden in Zuführleitungen 16, 25, 27 und die Auslassöffnungen 49 münden in Abführleitungen 15, 26, 28.

Insbesondere an der Kathode 8 bildet sich aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser, so dass aus dem Abführkanal 43 für das Oxidationsmittel Luft Wasser ausgeleitet wird. Bei einer Schiefstellung des Kraftfahrzeuges, beispielsweise beim Parken oder Bergfahrten, sind die Abführkanäle 43 schief ausgerichtet, so dass die Auslassöffnungen 49 der Abführkanäle 43 höher ausgerichtet sind als die Enden der Abführkanäle 43 gegenüberliegend zu den Auslassöffnungen 49 (Fig. 7 bis 9). Damit sammelt sich an den tiefen Bereichen der Abführkanäle 43 Wasser an.

In dem in Fig. 7 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 ist an der tiefsten Stelle des Abführkanales 43 eine Ableitungsöffnung 56 ausgebildet und diese Ableitungsöffnung 56 mündet in eine Wasserleitung 57. Damit sammelt sich auch bei einer Schiefstellung des Abführkanales 43 für Oxidationsmittel kein Wasser an, weil bei einer Schiefstellung in einer Richtung das Wasser aus der Ableitungsöffnung 56 austreten kann und bei einer Schiefstellung in einer anderen Richtung (nicht in Fig. 7 bis 9 dargestellt) kann das Wasser aus der Auslassöffnung 49 auslaufen kann.

In Fig. 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 beschrieben. In die Wasserleitung 57 ist ein Schließorgan 58, insbesondere ein Ventil 59 oder ein Kugelhahn, eingebaut. Das Schließorgan 58 wird von einem Aktuator 60, insbesondere einem Elektromagneten oder einem Piezoelement, geöffnet und geschlossen. In den Abführkanal 43 ist in der Nähe der Ableitungsöffnung 56 ein Sensor 61 zur Erfassung von Wasser eingebaut. Eine nicht dargestellte Steuerungs- und/oder Regeleinheit steuert und/oder regelt das Öffnen und Schließen des Schließorganes 58 in Abhängigkeit von dem mit dem Sensor 61 erfassten Wasser in dem Abführkanal 43. Bei Wasser in dem Abführkanal 43 wird die Schließorgan 58 für eine vorgegebene Zeit oder bis zum vollständigen Ablaufen des Wassers aus dem Abführkanal 43 geöffnet und anschließend wieder geschlossen. Darüber hinaus kann optional als Schließorgan 58 für eine kurze Zeit, z. B. 10 s, in größeren Zeitabständen, z. B. 1 bis 4 h, geöffnet werden, so dass auch bei einem Schaden an dem Sensor 61 das Wasser aus dem Abführkanal 43 ausgeleitet wird. Nach dem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1 wird für eine kurze Zeit weiterhin Brennstoff durch die Kanäle 12 geleitet, jedoch keine Luft bzw. Oxidationsmittel durch die Kanäle 13, so dass die elektrochemische Reaktion solange weiterläuft, bis der vorhanden Restsauerstoff in den Kanälen 13 verbraucht ist und damit in den Kanälen 12 nur Wasserstoff ist und in den Kanälen 13 nur im Wesentlichen Stickstoff vorhanden ist. Der Wasserstoff und Stickstoff wirkt als Inertgas um Schäden an der Brennstoffzelleneinheit 1, insbesondere der Protonenaustauschermembran 5 und der Katalysatorschicht 30, zu vermeiden. Ein ständiges Öffnen des Schließorganes 58 nach dem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1 würde dazu führen, dass Luft und damit Sauerstoff in den Abführkanal 43 mit Stickstoff gelangen würde.

In Fig. 9 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 beschrieben. Die Wasserleitung 57 mündet nicht direkt in Umgebung wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel, sondern mündet in die Abführleitung 26 als eine Prozessfluidleitung 50. Das Wasser wird somit indirekt durch die Abführleitung 26 in die Umgebung abgeleitet.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. In wenigstens einem, vorzugweise mehreren, Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45 für Prozessgase, jedoch nicht Zuführ- und Abführkanälen 46, 47 für Kühlmittel, ist wenigstens eine Ableitungsöffnung 56 eingebaut oder integriert. Wasser, das sich während des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 1 ansammelt, insbesondere an dem Abführkanal 43 für Luft, kann damit stets auch bei einer Schiefstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 mit schiefen Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45 für Prozessgase in die Umgebung ableitet werden. Damit kann ein Befüllen der Kanäle 13 für Oxidationsmittel mit Wasser im Wesentlichen ausgeschlossen werden, so dass ein wenigstens teilweiser Ausfall der Kathode 8 aufgrund Wasseransammlungen nicht auftritt. Ansammlungen von Wasser in den Gasräumen 31, 32 während des Betriebes und im Stillstand bei Temperaturen über 0° C verursachen im Allgemeinen keine dauerhaften Schäden an der Brennstoffzelleneinheit 1.

Während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 11 können Ansammlungen von Wasser in den Gasräumen 31, 32 jedoch die elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 reduzieren. Aufgrund des Ableitens des Wassers aus den Gasräumen 31, 32 treten insbesondere beim Stillstand keine Ansammlungen von Wasser auf, so dass bei Temperaturen unter 0° C Frostschäden aufgrund der Bildung von Eis in der Brennstoffzelleneinheit 1 vermieden werden.

Claims

Ansprüche

1. Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend

- gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils als Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2) eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Gasdiffusionsschicht (9) und eine Bipolarplatte (10) mit drei getrennten Kanalstrukturen (29) mit Kanälen (12, 13, 14) für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid,

- wobei die Brennstoffzellen (2) und die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9,

10) der Brennstoffzellen (2) zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen (51) aufspannen und die fiktiven Ebenen (51) im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind,

- einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Zuführkanal (42) zur Zuleitung von Oxidationsmittel als Prozessgas in die Kanäle (13) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2),

- einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Zuführkanal (44) zur Zuleitung von Brennstoff als Prozessgas in die Kanäle (12) für Brennstoff der Brennstoffzellen (2),

- einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abführkanal (43) zur Ableitung von Oxidationsmittel als Prozessgas aus den Kanälen (13) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2),

- einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abführkanal (45) zur Ableitung von Brennstoff als Prozessgas aus den Kanälen (12) für Brennstoff der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Zuführkanal (42, 44) und/oder in wenigstens einem

Abführkanal (43, 45) für wenigstens ein Prozessgas je eine Ableitungsöffnung (56) zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einem Zuführkanal (42, 44) und/oder aus dem wenigstens einem Abführkanal (43, 45) für das wenigstens eine Prozessgas ausgebildet ist.

2. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einem Zuführkanal (42, 44) für wenigstens ein Prozessgas je eine Einlassöffnung (48) zur Einleitung des wenigstens einen Prozessgases in den wenigstens einen Zuführkanal (42, 44) ausgebildet ist.

3. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einem Abführkanal (43, 45) für wenigstens ein Prozessgas je eine Auslassöffnung (49) zur Ableitung des wenigstens einen Prozessgases aus dem wenigstens einem Abführkanal (43, 45) ausgebildet ist.

4. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die je eine Ableitungsöffnung (56) zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einem Zuführkanal (42, 44) in dem wenigstens einem Zuführkanal (42, 44) an einem zu der je einen Einlassöffnung (48) abgewandten Endbereich des jeweiligen Zuführkanales (42, 44) ausgebildet ist.

5. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die je eine Ableitungsöffnung (56) zur Ableitung von Wasser aus dem wenigstens einen Abführkanal (43, 45) in dem wenigstens einen Abführkanal (43, 45) an einem zu der je einen Auslassöffnung (49) abgewandten Endbereich des jeweiligen Abführkanales (43, 45) ausgebildet ist.

6. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die je eine Ableitungsöffnung (56) zur Ableitung von Wasser in eine Wasserleitung (57) zur Ableitung von Wasser mündet.

7. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitung (57) in eine Prozessgasleitung (15, 16, 25, 26), insbesondere eine Prozessgasleitung (15, 26) zur Ableitung von Prozessgas aus einem Abführkanal (43, 45), mündet.

8. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleeinheit (1) wenigstens ein Schließorgan (58), insbesondere ein Ventil (59), zum Öffnen und Schließen der wenigstens einen Ableitungsöffnung (56) umfasst.

9. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Schließorgan (58) in die Ableitungsöffnung (56) eingebaut und/oder in die Wasserleitung (57) integriert ist.

10. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens einen Sensor (61) zur Erfassung von Wasser in dem wenigstens einem Zuführkanal (42, 44) und/oder in dem wenigstens einem Abführkanal (43, 45) für wenigstens ein Prozessgas umfasst.

11. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Schließorgan (58) in Abhängigkeit von dem mit dem wenigstens einen Sensor (61) erfassten Wasser steuerbar und/oder regelbar ist, insbesondere bei einer Erfassung von Wasser mit dem wenigstens einen Sensor (61) in dem wenigstens einem Zuführkanal (42, 44) und/oder in dem wenigstens einem Abführkanal (43, 45) für wenigstens ein Prozessgas je ein Schließorgan (58) in demjenigen Zuführkanal (42, 44) und/oder Abführkanal (43, 45) temporär für eine vorgegebene Zeit und/oder während des Ablassens des Wassers öffenbar ist und anschließend das wenigstens eine Schließorgan (58) schließbar ist.

12. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zuführkanal (42, 44) und/oder der wenigstens eine Abführkanal (43, 45) in dem Stapel der Brennstoffzelleneinheit (1) von fluchtenden Fluidöffnungen (41) an Abdichtplatten (39) eines Endbereiches der Bipolarplatten (10) und Membranelektrodenanordnungen (6) gebildet ist oder sind, wobei je eine Membranelektrodenanordnung (6) von einer

Protonenaustauschermembran (5), Anode (7) und Kathode (8) gebildet ist.

13. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitungsöffnung (56) und der Sensor (61) zur Erfassung von Wasser an dem Abführkanal (43) für das Oxidationsmittel Luft angeordnet und/oder integriert ist.

14. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen (2) eine Längsausdehnung (52) und eine Breitenausdehnung (53) aufweisen parallel zu den fiktiven Ebenen (51) und eine Dickenausdehnung (54) senkrecht zu den fiktiven Ebenen (51) aufweisen und die Horizontalausdehnung (55) der Brennstoffzelleneinheit (1) senkrecht zu den fiktiven Ebenen (51) größer ist als 3-, 5-, 10-, 20- oder 30-Fache der Breitenausdehnung (53) je einer Brennstoffzelle (2).

15. Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend

- eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen (2),

- einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff,

- eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) als eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.