DE102020203048A1

DE102020203048A1 - Fuel cell unit

Info

Publication number: DE102020203048A1
Application number: DE102020203048.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Berger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-09-16

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (6), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10), eine Gasdiffusionsschicht (9), wobei die Protonenaustauschermembran (6), die Anode (7) und die Kathode (8) eine Membranelektrodenanordnung (6) bilden, wenigstens einen Zuführkanal (43) als Oxidationsmittelkanal (45) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), wenigstens einen Abführkanal (44) als Oxidationsmittelkanal (46, 47) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), wobei wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal (45, 46, 47) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) angeordnet ist.Fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells (2), the fuel cells (2) each comprising a proton exchange membrane (6), an anode (7), a cathode (8), a Bipolar plate (10), a gas diffusion layer (9), the proton exchange membrane (6), the anode (7) and the cathode (8) forming a membrane electrode arrangement (6), at least one supply channel (43) as an oxidizing agent channel (45) for the supply of Oxidizing agent in the gas chambers (32) for oxidizing agents of the fuel cells (2), at least one discharge channel (44) as oxidizing agent channel (46, 47) for discharging oxidizing agent from the gas chambers (32) for oxidizing agents of the fuel cells (2), at least one first Oxidizing agent channel (45, 46, 47) is arranged between the membrane electrode assemblies (6) of the fuel cells (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Membranelektrodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 2, eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 3 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.The present invention relates to a bipolar plate according to the preamble of claim 1, a membrane electrode arrangement according to the preamble of claim 2, a fuel cell unit according to the preamble of claim 3 and a fuel cell system according to the preamble of claim 15.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels 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 übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other in a stack as a stack.

In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen übereinander zu 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. Aus diesem Grund wird versucht, derartige Anreicherungen von Wasser in dem Gasraum für Oxidationsmittel zu vermeiden. Die Luft aus der Umgebung wird mit einer Gasfördereinrichtung, beispielsweise einem Gebläse oder einem Kompressor, in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet.In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other to form a fuel cell stack. Inside the fuel cells there is a gas space for oxidizing agent, that is to say a flow space for the passage of oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen. The gas space for oxidizing agent is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and the oxidizing agent, namely oxygen, reaches the cathode of the fuel cells through the gas diffusion layer. As a result of the electrochemical reaction, water is produced at the cathodes, so that water or condensate accumulates in the gas space for oxidizing agents, in particular at the gas diffusion layer. The accumulation of water in the area of the cathode, i.e. in particular at the gas diffusion layer for the cathode, leads to an undersupply of the catalyst layer with oxidizing agent due to the flooding of the gas diffusion layer with water, so that the electrical voltage generated by the fuel cell is greatly reduced. Furthermore, this causes increased aging of the fuel cell due to the enrichment with water. For this reason, attempts are made to avoid such accumulations of water in the gas space for oxidizing agents. The air from the environment is introduced into the gas spaces for the oxidizing agent with a gas delivery device, for example a fan or a compressor.

Das Oxidationsmittel wird durch wenigsten einen Zuführkanal in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet und durch wenigstens einen 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 wenigstens einen Zuführkanal und den wenigstens einen Abführkanal bilden. Zwischen den Abdichtplatten im Bereich der Fluidöffnungen sind Dichtungen angeordnet, damit das Oxidationsmittel nicht unkontrolliert in die Zwischenräume zwischen den Abdichtplatten gelangt. Zu- und Abführkanäle für Brennstoff und Kühlmittel sind in analoger Weise als Fluidöffnungen an den Abdichtplatten ausgebildet.The oxidizing agent is introduced into the gas chambers for oxidizing agent through at least one feed channel and discharged from the gas chambers for oxidizing agent through at least one discharge channel. Extensions are designed as sealing plates in the bipolar plates and the membrane electrode arrangements, and fluid openings are incorporated in the sealing plates. The fluid openings are stacked flush in the fuel cell unit, so that the fluid openings form the at least one supply channel and the at least one discharge channel. Seals are arranged between the sealing plates in the area of the fluid openings so that the oxidizing agent does not get into the spaces between the sealing plates in an uncontrolled manner. Supply and discharge channels for fuel and coolant are designed in an analogous manner as fluid openings on the sealing plates.

Der wenigstens eine Zuführkanal für Oxidationsmittel ist an einer Seite bzw. im Bereich eines Endes der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionssicht angeordnet und der wenigstens eine Abführkanal für Oxidationsmittel an einer anderen gegenüberliegenden Seite bzw. im Bereich eines anderen gegenüberliegenden Endes der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionssicht angeordnet. Das Oxidationsmittel muss damit bei einer Anordnung des wenigstens einen Zuführkanales und wenigstens einen Abführkanales an einer Längsseite die gesamte Querausdehnung des Gasraumes, d. h. die gesamte Querausdehnung der Kanäle für Oxidationsmittel und der Gasdiffusionsschicht für Oxidationsmittel, durchströmen, so dass dies zu großen Unterschieden in der Temperatur und der Feuchtigkeit in dem Gasraum für Oxidationsmittel führt. Ferner treten in nachteilige Weise ein großer Druckabfall und eine erhebliche Sauerstoffverarmung des Oxidationsmittels bis zum Ausströmen aus dem Gasraum auf. Damit nimmt die Leistung der Brennstoffzelle ab und die Alterung wird erhöht.The at least one supply channel for oxidizing agent is arranged on one side or in the area of one end of the membrane electrode arrangement and the gas diffusion view and the at least one discharge channel for oxidizing agent is arranged on another opposite side or in the area of another opposite end of the membrane electrode arrangement and the gas diffusion view. With an arrangement of the at least one feed channel and at least one discharge channel on one longitudinal side, the oxidizing agent must therefore cover the entire transverse extent of the gas space, i. H. the entire transverse extent of the channels for oxidizing agent and the gas diffusion layer for oxidizing agent, flow through, so that this leads to large differences in temperature and humidity in the gas space for oxidizing agent. A further disadvantage is a large pressure drop and a considerable oxygen depletion of the oxidizing agent until it flows out of the gas space. This reduces the performance of the fuel cell and increases its aging.

Die DE 10 2006 019 114 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen eine Membranelektrodenanordnung, eine Anodenkatalysatorschicht auf einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung und eine Kathodenkatalysatorschicht auf einer zweiten Seite der Membranelektrodenanordnung umfasst, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen in zumindest zwei Stufen angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen in jeder der zumindest zwei Stufen in einer parallelen Anordnung angeordnet sind und die Stufen in einer seriellen Anordnung angeordnet sind, wobei eine erste Stufe eine erste Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist und eine zweite Stufe eine zweite Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei die erste Vielzahl von Brennstoffzellen eine größere Anzahl von Brennstoffzellen als die zweite Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst; einem Anodengaseinlassverteiler in Verbindung mit der ersten Stufe; zumindest einem Einlass/Austragsverteiler für Anodengas, wobei der Einlass/Austragsverteiler für Anodengas ermöglicht, dass Anodenabgas die erste Stufe verlassen kann, und ermöglicht, dass das Anodenabgas in die zweite Stufe eintreten kann; und einem Anodengasaustragsverteiler in Verbindung mit der zweiten Stufe.the DE 10 2006 019 114 A1 discloses a fuel cell system with a plurality of fuel cells, wherein each of the fuel cells comprises a membrane electrode assembly, an anode catalyst layer on a first side of the membrane electrode assembly and a cathode catalyst layer on a second side of the membrane electrode assembly, wherein the plurality of fuel cells are arranged in at least two stages, the plurality of fuel cells in each of the at least two stages are arranged in a parallel arrangement and the stages are arranged in a series arrangement, a first stage having a first plurality of fuel cells and a second stage having a second plurality of fuel cells, the first plurality of Fuel cells have a greater number of fuel cells than the second plurality of Includes fuel cells; an anode gas inlet manifold in communication with the first stage; at least one anode gas inlet / discharge manifold, the anode gas inlet / discharge manifold allowing anode exhaust gas to exit the first stage and allowing the anode exhaust gas to enter the second stage; and an anode gas discharge manifold in communication with the second stage.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Erfindungsgemäßes Bipolarplatte für eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, die Bipolarplatte umfassend drei getrennte Kanalstrukturen mit Kanälen für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid, vorzugsweise eine Abdichtplatte, wenigstens einen Zuführkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Bipolarplatte, als Oxidationsmittelkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, insbesondere in wenigstens einen Kanal für Oxidationsmittel der Kanalstruktur, wenigstens einen Abführkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Bipolarplatte, als Oxidationsmittelkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, insbesondere aus wenigstens einem Kanal für Oxidationsmittel der Kanalstruktur, wobei wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Bipolarplatte, zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte angeordnet ist.Bipolar plate according to the invention for a fuel cell unit as a fuel cell stack with stacked fuel cells for the electrochemical generation of electrical energy, the bipolar plate comprising three separate channel structures with channels for the separate passage of oxidizing agent, fuel and cooling fluid, preferably a sealing plate, at least one feed channel, designed as a fluid opening in the Bipolar plate, as oxidizing agent channel for supplying oxidizing agent into gas spaces for oxidizing agent of the fuel cells, in particular in at least one channel for oxidizing agent of the channel structure, at least one discharge channel, designed as a fluid opening in the bipolar plate, as oxidizing agent channel for discharging oxidizing agent from the gas spaces for oxidizing agent of the fuel cells, in particular from at least one channel for oxidizing agent of the channel structure, wherein at least one first oxidizing agent channel is formed is arranged as a fluid opening in the bipolar plate, between the channel structures of the bipolar plate.

Erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, die Membranelektrodenanordnung umfassend eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, vorzugsweise eine Abdichtplatte, wenigstens einen Zuführkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Membranelektrodenanordnung, als Oxidationsmittelkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wenigstens einen Abführkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Membranelektrodenanordnung als Oxidationsmittelkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wobei wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Membranelektrodenanordnung, zwischen der Protonenaustauschermembran, Anode und Kathode der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist.Membrane electrode assembly according to the invention for a fuel cell unit as a fuel cell stack with stacked fuel cells for the electrochemical generation of electrical energy, the membrane electrode assembly comprising a proton exchange membrane, an anode, a cathode, preferably a sealing plate, at least one feed channel, designed as a fluid opening in the membrane electrode assembly, as an oxidant channel for the supply of Oxidizing agent in gas spaces for oxidizing agents of the fuel cells, at least one discharge channel, designed as a fluid opening in the membrane electrode arrangement as an oxidizing agent channel for discharging oxidizing agent from the gas spaces for oxidizing agents of the fuel cells, with at least one first oxidizing agent channel, designed as a fluid opening in the membrane electrode arrangement, between the proton exchange membrane, anode and the cathode of the membrane electrode assembly is arranged.

In einer weiteren Variante ist der wenigstens ein erste Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte angeordnet.In a further variant, the at least one first oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the bipolar plate, in particular at least 70%, 80% or 90%, between the channel structures of the bipolar plate.

In einer weiteren Variante ist der wenigstens ein erste Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, zwischen der Protonenaustauschermembran, Anode und Kathode der Membranelektrodenanordnung angeordnet.In a further variant, the at least one first oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the membrane electrode assembly, in particular at least 70%, 80% or 90%, between the proton exchange membrane, anode and cathode of the membrane electrode assembly.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal im Wesentlichen senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene ausgerichtet. Die Ausrichtung des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanales ist die Längsachse und/oder die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in dem Oxidationsmittelkanal. Die Ausrichtung des wenigstens eine ersten Oxidationsmittelkanales im Wesentlichen senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebenen bedeutet vorzugsweise, dass der wenigstens eine Oxidationsmittelkanal mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.In an additional embodiment, the at least one first oxidizing agent channel is oriented essentially perpendicular to the fictitious plane spanned by the bipolar plate. The orientation of the at least one first oxidizing agent channel is the longitudinal axis and / or the direction of flow of the oxidizing agent in the oxidizing agent channel. The alignment of the at least one first oxidizing agent channel essentially perpendicular to the fictitious plane spanned by the bipolar plate preferably means that the at least one oxidizing agent channel is aligned with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 ° perpendicular to the fictitious plane spanned by the bipolar plate is.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal im Wesentlichen senkrecht zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene ausgerichtet. Die Ausrichtung des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanales ist die Längsachse und/oder die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in dem Oxidationsmittelkanal. Die Ausrichtung des wenigstens eine ersten Oxidationsmittelkanales im Wesentlichen senkrecht zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebenen bedeutet vorzugsweise, dass der wenigstens eine Oxidationsmittelkanal mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.In an additional embodiment, the at least one first oxidizing agent channel is oriented essentially perpendicular to the fictitious plane spanned by the membrane electrode arrangement. The orientation of the at least one first oxidizing agent channel is the longitudinal axis and / or the direction of flow of the oxidizing agent in the oxidizing agent channel. The alignment of the at least one first oxidizing agent channel essentially perpendicular to the fictitious plane spanned by the membrane electrode arrangement preferably means that the at least one oxidizing agent channel is aligned with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 ° perpendicular to the fictitious plane spanned by the membrane electrode arrangement is.

Zweckmäßig unterteilt der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte die Kanalstrukturen in je einen ersten Teil der Kanalstrukturen und je einen zweiten Teil der Kanalstrukturen. Die Querausdehnungen des ersten und zweiten Teils der Kanalstrukturen sind vorzugsweise im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, identisch. Der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal ist somit in Querrichtung im Wesentlichen mittig in der Bipolarplatte ausgebildet.The at least one first oxidizing agent channel between the channel structures of the bipolar plate expediently divides the channel structures into a first part of the channel structures and a second part of the channel structures. The transverse dimensions of the first and second parts of the channel structures are preferably essentially identical, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The at least one first oxidizing agent channel is thus formed essentially centrally in the transverse direction in the bipolar plate.

Zweckmäßig unterteilt der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, Anode und Kathode der Membranelektrodenanordnungen die Membranelektrodenanordnung in je einen ersten Teil der Membranelektrodenanordnung und je einen zweiten Teil der Membranelektrodenanordnung. Die Querausdehnungen des ersten und zweiten Teils der Membranelektrodenanordnungen sind vorzugsweise im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, identisch. Der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal ist somit in Querrichtung im Wesentlichen mittig in der Membranelektrodenanordnung ausgebildet.The at least one first oxidizing agent channel expediently divides between the Proton exchange membrane, anode and cathode of the membrane electrode assemblies, the membrane electrode assembly each in a first part of the membrane electrode assembly and each in a second part of the membrane electrode assembly. The transverse dimensions of the first and second parts of the membrane electrode arrangements are preferably essentially identical, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The at least one first oxidizing agent channel is thus formed essentially centrally in the transverse direction in the membrane electrode arrangement.

In einer ergänzenden Ausgestaltung weist die Bipolarplatte in einer Längsrichtung eine Längsausdehnung und in einer Querrichtung eine Querausdehnung auf und die Längsrichtung und Querrichtung sind zueinander senkrecht und parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene ausgerichtet.In a supplementary embodiment, the bipolar plate has a longitudinal extent in a longitudinal direction and a transverse extent in a transverse direction, and the longitudinal direction and transverse direction are mutually perpendicular and parallel to the fictitious plane spanned by the bipolar plate.

In einer ergänzenden Ausgestaltung weist die Membranelektrodenanordnung in einer Längsrichtung eine Längsausdehnung und in einer Querrichtung eine Querausdehnung auf und die Längsrichtung und Querrichtung sind zueinander senkrecht und parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene ausgerichtet. Vorzugsweise sind die Längsausdehnung der Bipolarplatten und/oder der Membranelektrodenanordnungen und/oder der Brennstoffzellen und/oder der Brennstoffzelleneinheit im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20%, 10% oder 5%, identisch. Vorzugsweise sind die Querausdehnung der Bipolarplatten und/oder der Membranelektrodenanordnungen und/oder der Brennstoffzellen und/oder der Brennstoffzelleneinheit im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20%, 10% oder 5%, identisch.In a supplementary embodiment, the membrane electrode arrangement has a longitudinal extent in a longitudinal direction and a transverse extent in a transverse direction, and the longitudinal direction and transverse direction are mutually perpendicular and parallel to the fictitious plane spanned by the membrane electrode arrangement. The longitudinal extent of the bipolar plates and / or the membrane electrode arrangements and / or the fuel cells and / or the fuel cell unit are preferably essentially identical, in particular with a deviation of less than 30%, 20%, 10% or 5%. The transverse extent of the bipolar plates and / or the membrane electrode arrangements and / or the fuel cells and / or the fuel cell unit are preferably essentially identical, in particular with a deviation of less than 30%, 20%, 10% or 5%.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte in einer Richtung parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung wesentlich größer ist als in Querrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Längsausdehnung oder die Summe der Längsausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte im Wesentlichen der Längsausdehnung der Bipolarplatte. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Kanalstrukturen sind somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Querrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.If the expansion or the sum of the expansions of the at least one first oxidizing agent channel between the channel structures of the bipolar plate in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the bipolar plate is substantially greater in the longitudinal direction than in the transverse direction, then preferably the longitudinal expansion or the sum of the longitudinal expansions corresponds to the at least one first oxidizing agent channel between the channel structures of the bipolar plate, essentially the longitudinal extent of the bipolar plate. Substantially means preferably a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The channel structures are thus divided into the first and second parts in the transverse direction by the at least one first oxidizing agent channel.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung wesentlich größer ist als in Querrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Längsausdehnung oder die Summe der Längsausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung im Wesentlichen der Längsausdehnung der Membranelektrodenanordnung. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Protonenaustauschermembran, die Anode und der Kathode sind somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Querrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.If the expansion or the sum of the expansion of the at least one first oxidizing agent channel between the proton exchange membrane, the anode and the cathode of the membrane electrode arrangement in a direction parallel to the fictional plane spanned by the membrane electrode arrangement is substantially greater in the longitudinal direction than in the transverse direction, then the longitudinal extent preferably corresponds or the sum of the longitudinal dimensions of the at least one first oxidizing agent channel between the proton exchange membrane, the anode and the cathode of the membrane electrode arrangement, essentially the longitudinal extent of the membrane electrode arrangement. Substantially means preferably a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The proton exchange membrane, the anode and the cathode are thus divided by the at least one first oxidizing agent channel in the transverse direction into the first and second parts.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte in einer Richtung parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung wesentlich größer ist als in Längsrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte im Wesentlichen der Querausdehnung der Bipolarplatte. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Kanalstrukturen sind somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Längsrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.If the extension or the sum of the expansions of the at least one first oxidizing agent channel between the channel structures of the bipolar plate in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the bipolar plate is significantly greater in the transverse direction than in the longitudinal direction, then preferably the transverse extent or the sum of the transverse extents corresponds to the at least one first oxidizing agent channel between the channel structures of the bipolar plate, essentially the transverse extent of the bipolar plate. Substantially means preferably a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The channel structures are thus divided into the first and second parts in the longitudinal direction by the at least one first oxidizing agent channel.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung wesentlich größer ist als in Längsrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung im Wesentlichen der Querausdehnungen der Membranelektrodenanordnung. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Protonenaustauschermembran, die Anode und die Kathode sind somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Längsrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.If the expansion or the sum of the expansion of the at least one first oxidizing agent channel between the proton exchange membrane, the anode and the cathode of the membrane electrode arrangement in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the membrane electrode arrangement is substantially greater in the transverse direction than in the longitudinal direction, then the transverse extent preferably corresponds or the sum of the transverse dimensions of the at least one first oxidizing agent channel between the proton exchange membrane, the anode and the cathode of the membrane electrode arrangement, essentially the transverse dimensions of the membrane electrode arrangement. Substantially means preferably a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The proton exchange membrane, the anode and the cathode are thus divided into the first and second parts in the longitudinal direction by the at least one first oxidizing agent channel.

In einer ergänzenden Variante umfasst die Bipolarplatte wenigstens einen zweiten Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Bipolarplatte, und wenigstens einen dritten Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Bipolarplatte. Vorzugsweise ist der erstes und/oder zweite und/oder dritte Oxidationsmittelkanal der Bipolarplatte als Fluidöffnung in der Abdichtplatte der Bipolarplatte ausgebildet.In a supplementary variant, the bipolar plate comprises at least one second oxidizing agent channel, designed as a fluid opening in the Bipolar plate, and at least one third oxidizing agent channel, designed as a fluid opening in the bipolar plate. The first and / or second and / or third oxidizing agent channel of the bipolar plate is preferably designed as a fluid opening in the sealing plate of the bipolar plate.

In einer ergänzenden Variante umfasst die Membranelektrodenanordnung wenigstens einen zweiten Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Membranelektrodenanordnung, und wenigstens einen dritten Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Membranelektrodenanordnung. Vorzugsweise ist der erste und/oder zweite und/oder dritte Oxidationsmittelkanal der Membranelektrodenanordnung als Fluidöffnung in der Abdichtplatte der Membranelektrodenanordnung ausgebildet.In a supplementary variant, the membrane electrode arrangement comprises at least one second oxidizing agent channel, designed as a fluid opening in the membrane electrode assembly, and at least one third oxidizing agent channel, designed as a fluid opening in the membrane electrode assembly. The first and / or second and / or third oxidizing agent channel of the membrane electrode arrangement is preferably designed as a fluid opening in the sealing plate of the membrane electrode arrangement.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine zweite Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des ersten Teils der Kanalstrukturen angeordnet.In a further embodiment, the at least one second oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the bipolar plate opposite to the at least one first oxidizing agent channel with respect to the first part of the channel structures.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine zweite Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des ersten Teils der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode angeordnet.In a further embodiment, the at least one second oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the membrane electrode arrangement opposite to the at least one first oxidizing agent channel with respect to the first part of the proton exchange membrane, the anode and the cathode.

In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des zweiten Teils der Kanalstrukturen angeordnet.In a further embodiment, the at least one third oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the bipolar plate opposite to the at least one first oxidizing agent channel with respect to the second part of the channel structures.

In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des zweiten Teils der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode angeordnet.In a further embodiment, the at least one third oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the membrane electrode arrangement opposite to the at least one first oxidizing agent channel with respect to the second part of the proton exchange membrane, the anode and the cathode.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen ein Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Abführkanäle zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen.In a further embodiment, the at least one first oxidizing agent channel between the channel structures is a feed channel for feeding oxidizing agent into the gas spaces of the fuel cells and the at least one second and at least one third oxidizing agent channel are discharge channels for discharging oxidizing agent from the gas spaces of the fuel cells.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode ein Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Abführkanäle zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen.In a further embodiment, the at least one first oxidizing agent channel between the proton exchange membrane, the anode and the cathode is a feed channel for supplying oxidizing agent into the gas chambers of the fuel cells and the at least one second and at least one third oxidizing agent channel are discharge channels for discharging oxidizing agent from the gas chambers of the Fuel cells.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen ein Abführkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Zuführkanäle zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen.The at least one first oxidizing agent channel between the channel structures is preferably a discharge channel for discharging oxidizing agent from the gas chambers of the fuel cells and the at least one second and at least one third oxidizing agent channel are supply channels for feeding oxidizing agent into the gas chambers of the fuel cells.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode ein Abführkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Zuführkanäle zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen.The at least one first oxidizing agent channel between the proton exchange membrane, the anode and the cathode is preferably a discharge channel for discharging oxidizing agent from the gas chambers of the fuel cells and the at least one second and at least one third oxidizing agent channel are supply channels for feeding oxidizing agent into the gas chambers of the fuel cells.

Zweckmäßig ist der wenigstens eine Zuführkanal und/oder Abführkanal für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel als Fluidöffnung in der Abdichtplatte der Bipolarplatte und/oder Membranelektrodenanordnung ausgebildet.The at least one feed channel and / or discharge channel for oxidizing agent and / or fuel and / or coolant is expediently designed as a fluid opening in the sealing plate of the bipolar plate and / or membrane electrode arrangement.

Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte, eine Gasdiffusionsschicht, wobei die Protonenaustauschermembran, die Anode und die Kathode eine Membranelektrodenanordnung bilden, wenigstens einen Zuführkanal als Oxidationsmittelkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wenigstens einen Abführkanal als Oxidationsmittelkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wobei wenigstens ein erster Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen angeordnet ist und/oder die Brennstoffzelleneinheit in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Bipolarplatten umfasst und/oder die Brennstoffzelleneinheit in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Membranelektrodenanordnungen umfasst. Das Oxidationsmittel legt damit eine kleine Wegstrecke beim Durchströmen des Gasraumes für Oxidationsmittel zurück, so dass das Oxidationsmittel während des Durchströmens des Gasraumes für Oxidationsmittel einen kleinen Druckabfall und eine niedrige Temperaturdifferenz zwischen dem Ein- und Ausleiten in und aus dem Gasraum für Oxidationsmittel aufweist. Die Leistung der Brennstoffzelleneinheit kann damit erhöht werden bei einer kleinen Alterung aufgrund einer geringen Anreicherung des Gasraumes für Oxidationsmittel mit flüssigem und/oder gasförmigem Wasser.Fuel cell unit according to the invention as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells, the fuel cells each comprising a proton exchange membrane, an anode, a cathode, a bipolar plate, a gas diffusion layer, the proton exchange membrane, the anode and the cathode forming a membrane electrode arrangement, at least one Feed channel as oxidizing agent channel for feeding oxidizing agent into the gas spaces for oxidizing agent of the fuel cells, at least one discharge channel as oxidizing agent channel for discharging oxidizing agent from the gas spaces for oxidizing agent of the fuel cells, with at least one first oxidizing agent channel being arranged between the membrane electrode assemblies of the fuel cells and / or the fuel cell unit in this patent application includes bipolar plates and / or the fuel cell unit in di This patent application includes membrane electrode assemblies described. The oxidizing agent thus covers a short distance back when flowing through the gas space for oxidizing agent, so that the oxidizing agent has a small pressure drop and a low temperature difference between the inlet and outlet in and out of the gas space for oxidizing agent while flowing through the gas space for oxidizing agent. The performance of the fuel cell unit can thus be increased with a small amount of aging due to a slight enrichment of the gas space for oxidizing agents with liquid and / or gaseous water.

In einer weiteren Variante ist der wenigstens ein erste Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen angeordnet.In a further variant, the at least one first oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells, in particular at least 70%, 80% or 90%, between the membrane electrode arrangements of the fuel cells.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Die Ausrichtung des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanales ist die Längsachse und/oder die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in dem Oxidationsmittelkanal. Die Ausrichtung des wenigstens eine ersten Oxidationsmittelkanales im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen bedeutet vorzugsweise, dass der wenigstens eine Oxidationsmittelkanal mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.In an additional embodiment, the at least one first oxidizing agent channel is oriented essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. The orientation of the at least one first oxidizing agent channel is the longitudinal axis and / or the direction of flow of the oxidizing agent in the oxidizing agent channel. The orientation of the at least one first oxidizing agent channel essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells preferably means that the at least one oxidizing agent channel is oriented perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 ° is.

Zweckmäßig unterteilt der wenigstens der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen die Membranelektrodenanordnungen in je einen ersten Teil der Membranelektrodenanordnung an einer Brennstoffzelle und je einen zweiten Teil der Membranelektrodenanordnung an einer Brennstoffzelle. Die Querausdehnungen des ersten und zweiten Teils der Membranelektrodenanordnungen sind vorzugsweise im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, identisch. Der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal ist somit in Querrichtung im Wesentlichen mittig ausgebildet.The at least one first oxidant channel between the membrane electrode assemblies of the fuel cells expediently divides the membrane electrode assemblies into a first part of the membrane electrode assembly on a fuel cell and a second part of the membrane electrode assembly on a fuel cell. The transverse dimensions of the first and second parts of the membrane electrode arrangements are preferably essentially identical, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The at least one first oxidizing agent channel is thus formed essentially centrally in the transverse direction.

In einer ergänzenden Ausgestaltung weist die Brennstoffzelleneinheit, insbesondere die Brennstoffzellen, in einer Längsrichtung eine Längsausdehnung und in einer Querrichtung eine Querausdehnung auf und die Längsrichtung und Querrichtung sind zueinander senkrecht und parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet.In a supplementary embodiment, the fuel cell unit, in particular the fuel cells, has a longitudinal extent in a longitudinal direction and a transverse extent in a transverse direction, and the longitudinal and transverse directions are mutually perpendicular and parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Längsrichtung wesentlich größer ist als in Querrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Längsausdehnung oder die Summe der Längsausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen im Wesentlichen der Längsausdehnung der Membranelektrodenanordnung. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Membranelektrodenanordnung ist somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Querrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.If the extension or the sum of the expansions of the at least one first oxidizing agent channel between the membrane electrode arrangements of the fuel cells in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells is substantially greater in the longitudinal direction than in the transverse direction, then the longitudinal extent or the sum of the longitudinal expansions preferably corresponds to the at least one first oxidizing agent channel between the membrane electrode assemblies of the fuel cells, essentially the longitudinal extent of the membrane electrode assembly. Substantially means preferably a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The membrane electrode arrangement is thus divided by the at least one first oxidizing agent channel in the transverse direction into the first and second parts.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Querrichtung wesentlich größer ist als in Längsrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen im Wesentlichen den Querausdehnungen der Membranelektrodenanordnungen. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Membranelektrodenanordnung ist somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Längsrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.If the extension or the sum of the expansions of the at least one first oxidizing agent channel between the membrane electrode arrangements of the fuel cells in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells is substantially greater in the transverse direction than in the longitudinal direction, then preferably the transverse extent or the sum of the transverse extents corresponds to the at least one first oxidizing agent channel between the membrane electrode assemblies of the fuel cells, essentially the transverse dimensions of the membrane electrode assemblies. Substantially means preferably a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The membrane electrode arrangement is thus divided into the first and second parts in the longitudinal direction by the at least one first oxidizing agent channel.

In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen zweiten Oxidationsmittelkanal und wenigstens einen dritten Oxidationsm ittelkanal.In a supplementary variant, the fuel cell unit comprises at least one second oxidizing agent channel and at least one third oxidizing agent channel.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine zweite Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des ersten Teils der Membranelektrodenanordnung angeordnet.In a further embodiment, the at least one second oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells opposite to the at least one first oxidizing agent channel with respect to the first part of the membrane electrode arrangement.

In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des zweiten Teils der Membranelektrodenanordnung angeordnet.In a further embodiment, the at least one third oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells opposite to the at least one first oxidizing agent channel with respect to the second part of the membrane electrode arrangement.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen ein Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Abführkanäle zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen.In a further embodiment, the at least one first oxidizing agent channel between the membrane electrode assemblies is a feed channel for feeding oxidizing agent into the gas spaces of the fuel cells and the at least one second and at least one third oxidizing agent channel are discharge channels for discharging oxidizing agent from the gas spaces of the fuel cells.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen ein Abführkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Zuführkanäle zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen.The at least one first oxidizing agent channel between the membrane electrode assemblies is preferably a discharge channel for discharging oxidizing agent from the gas chambers of the fuel cells and the at least one second and at least one third oxidizing agent channel are supply channels for feeding oxidizing agent into the gas chambers of the fuel cells.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu der von der Brennstoffzelle aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Querrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu der von der Brennstoffzelle aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.If the expansion or the sum of the expansion of the at least one first oxidizing agent channel between the channel structures of the fuel cells in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the fuel cell is substantially greater in the longitudinal direction, in particular by 2, 3, or 5 times Times greater than in the transverse direction, then preferably at least one supply channel and / or at least one discharge channel for fuel and / or coolant are arranged in a direction parallel to the fictional plane spanned by the fuel cell in the transverse direction and at least one supply channel on one side for fuel is arranged between at least two supply channels for coolant or at least one supply channel for coolant is arranged between at least two supply channels for fuel. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Querrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.If the expansion or the sum of the expansion of the at least one first oxidizing agent channel between the proton exchange membrane, the anode and the cathode of the membrane electrode arrangement in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the membrane electrode arrangement is substantially greater in the longitudinal direction, in particular by twice, 3 times or 5 times larger than in the transverse direction, then preferably at least one feed channel and / or at least one discharge channel for fuel and / or coolant are arranged in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the membrane electrode arrangement and next to one another in the transverse direction at least one feed channel for fuel is arranged on one side between at least two feed channels for coolant or at least one feed channel for coolant is arranged between at least two feed channels for fuel. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Brennstoffzelle in einer Richtung parallel zu der von der Brennstoffzelle aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Längsrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu der von der Brennstoffzelle aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.If the expansion or the sum of the expansion of the at least one first oxidizing agent channel between the channel structures of the fuel cell in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the fuel cell is significantly greater in the transverse direction, in particular by 2, 3, or 5 times Times greater than in the longitudinal direction, then preferably at least one supply channel and / or at least one discharge channel for fuel and / or coolant are arranged in a direction parallel to the fictional plane spanned by the fuel cell in the longitudinal direction and at least one supply channel on one side for fuel is arranged between at least two supply channels for coolant or at least one supply channel for coolant is arranged between at least two supply channels for fuel. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Längsrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.If the expansion or the sum of the expansion of the at least one first oxidizing agent channel between the proton exchange membrane, the anode and the cathode of the membrane electrode arrangement in a direction parallel to the fictional plane spanned by the membrane electrode arrangement is substantially greater in the transverse direction, in particular by twice, 3 times or 5 times larger than in the longitudinal direction, then preferably at least one feed channel and / or at least one discharge channel for fuel and / or coolant are arranged in a direction parallel to the fictitious plane spanned by the membrane electrode arrangement in the longitudinal direction and next to one another at least one feed channel for fuel is arranged on one side between at least two feed channels for coolant, or at least one Supply channel for coolant is arranged between at least two supply channels for fuel. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Längsrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Querrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Querrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.If the expansion or the sum of the expansion of the at least one first oxidizing agent channel between the membrane electrode assemblies of the fuel cells in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells is substantially greater in the longitudinal direction, in particular by 2, 3, or 5 times Times greater than in the transverse direction, then preferably at least one supply channel and / or at least one discharge channel for fuel and / or coolant are arranged in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells next to one another in the transverse direction and at least one supply channel on one side for fuel is arranged between at least two supply channels for coolant or at least one supply channel for coolant is arranged between at least two supply channels for fuel. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.

Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Querrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Längsrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Längsrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.If the expansion or the sum of the expansion of the at least one first oxidizing agent channel between the membrane electrode assemblies of the fuel cells in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells is significantly larger in the transverse direction, in particular by 2, 3, or 5 times Times greater than in the longitudinal direction, then preferably at least one supply channel and / or at least one discharge channel for fuel and / or coolant are arranged in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells next to one another in the longitudinal direction and at least one supply channel on one side for fuel is arranged between at least two supply channels for coolant or at least one supply channel for coolant is arranged between at least two supply channels for fuel. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.

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.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 storage device for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the fuel cell unit being designed as a fuel cell unit described in this patent application.

In einer zusätzlichen Variante ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Brennstoffzellen angeordnet.In an additional variant, the at least one first oxidizing agent channel is arranged between the channel structures of the fuel cells.

In einer weiteren Variante ist der wenigstens ein erste Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, zwischen den Kanalstrukturen der Brennstoffzellen angeordnet.In a further variant, the at least one first oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells, in particular at least 70%, 80% or 90%, between the channel structures of the fuel cells.

In einer ergänzenden Ausgestaltung unterteilt der wenigstens der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Gasdiffusionsschichten der Brennstoffzellen die Gasdiffusionsschichten in je einen ersten Teil der Gasdiffusionsschicht an einer Brennstoffzelle und je einen zweiten Teil der Gasdiffusionsschicht an einer Brennstoffzelle.In a supplementary embodiment, the at least one first oxidant channel between the gas diffusion layers of the fuel cells divides the gas diffusion layers into a first part of the gas diffusion layer on a fuel cell and a second part of the gas diffusion layer on a fuel cell.

In einer ergänzenden Ausgestaltung unterteilt der wenigstens der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Brennstoffzellen die Kanalstrukturen in je einen ersten Teil der Kanalstrukturen an einer Brennstoffzelle und je einen zweiten Teil der Kanalstrukturen an einer Brennstoffzelle.In a supplementary embodiment, the at least one first oxidant channel between the channel structures of the fuel cells divides the channel structures into a first part of the channel structures on a fuel cell and a second part of the channel structures on a fuel cell.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Gasdiffusionsschichten angeordnet.The at least one first oxidizing agent channel is preferably arranged between the gas diffusion layers.

In einer weiteren Variante ist der wenigstens ein erste Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, zwischen den Gasdiffusionsschichten der Brennstoffzellen angeordnet.In a further variant, the at least one first oxidizing agent channel is arranged in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells, in particular at least 70%, 80% or 90%, between the gas diffusion layers of the fuel cells.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Querausdehnungen und/oder Längsausdehnungen der ersten Teile der Kanalstrukturen und/oder der ersten Teile der Membranelektrodenanordnungen und/oder der ersten Teile der Gasdiffusionsschichten im Wesentlichen identisch. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.In a further embodiment, the transverse dimensions and / or longitudinal dimensions of the first parts of the channel structures and / or the first parts of the membrane electrode arrangements and / or the first parts of the gas diffusion layers are essentially identical. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die ersten Teile der Kanalstrukturen und/oder die ersten Teile der Membranelektrodenanordnungen und/oder die ersten Teile der Gasdiffusionsschichten fluchtend gestapelt in der Brennstoffzelleneinheit angeordnet.In a further embodiment, the first parts of the channel structures and / or the first parts of the membrane electrode arrangements and / or the first parts of the gas diffusion layers are stacked in the fuel cell unit in an aligned manner.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Längsausdehnungen der zweiten Teile der Kanalstrukturen und/oder der zweiten Teile der Membranelektrodenanordnungen und/oder der zweiten Teile der Gasdiffusionsschichten im Wesentlichen identisch. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.In a further embodiment, the longitudinal dimensions of the second parts of the channel structures and / or the second parts of the membrane electrode arrangements and / or the second parts of the gas diffusion layers are essentially identical. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die zweiten Teile der Kanalstrukturen und/oder die zweiten Teile der Membranelektrodenanordnungen und/oder die zweiten Teile der Gasdiffusionsschichten fluchtend gestapelt in der Brennstoffzelleneinheit angeordnet.In a further embodiment, the second parts of the channel structures and / or the second parts of the membrane electrode arrangements and / or the second parts of the gas diffusion layers are stacked in the fuel cell unit in an aligned manner.

Zweckmäßig unterteilt der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatten der Brennstoffzellen die Kanalstrukturen in je einen ersten Teil der Kanalstrukturen an einer Brennstoffzelle und je einen zweiten Teil der Kanalstrukturen an einer Brennstoffzelle. Die Querausdehnungen des ersten und zweiten Teils der Kanalstrukturen sind vorzugsweise im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, identisch. Der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal ist somit in Querrichtung im Wesentlichen mittig ausgebildet.The at least one first oxidizing agent channel between the channel structures of the bipolar plates of the fuel cells expediently divides the channel structures into a first part of the channel structures on a fuel cell and a second part of the channel structures on a fuel cell. The transverse dimensions of the first and second parts of the channel structures are preferably essentially identical, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%. The at least one first oxidizing agent channel is thus formed essentially centrally in the transverse direction.

In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff in die Brennstoffzellen.In a supplementary embodiment, the fuel cell unit comprises at least one feed channel for feeding fuel into the fuel cells.

In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Brennstoff aus den Brennstoffzellen.In a further variant, the fuel cell unit comprises at least one discharge channel for discharging fuel from the fuel cells.

In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Kühlmittel in die Brennstoffzellen.In a supplementary variant, the fuel cell unit comprises at least one supply channel for supplying coolant to the fuel cells.

In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Kühlmittel aus den Brennstoffzellen.In a supplementary embodiment, the fuel cell unit comprises at least one discharge channel for discharging coolant from the fuel cells.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff in die Brennstoffzellen im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Ausrichtung mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des wenigstens Zuführkanales ist die Strömungsrichtung und/oder Längsachse des wenigstens einen Zuführkanales.In a further embodiment, the at least one feed channel for feeding fuel into the fuel cells is oriented essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. Aligned essentially perpendicularly preferably means that the alignment is aligned with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 ° perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. The orientation of the at least one feed channel is the direction of flow and / or the longitudinal axis of the at least one feed channel.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Brennstoff aus den Brennstoffzellen im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Ausrichtung mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des wenigstens Abführkanales ist die Strömungsrichtung und/oder Längsachse des wenigstens einen Abführkanals.In a further embodiment, the at least one discharge channel for discharging fuel from the fuel cells is oriented essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. Aligned essentially perpendicularly preferably means that the alignment is aligned with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 ° perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. The orientation of the at least one discharge channel is the direction of flow and / or the longitudinal axis of the at least one discharge channel.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Kühlmittel in die Brennstoffzellen im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Ausrichtung mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des wenigstens Zuführkanales ist die Strömungsrichtung und/oder Längsachse des wenigstens einen Zuführkanales.In a further embodiment, the at least one supply channel for supplying coolant into the fuel cells is oriented essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. Aligned essentially perpendicularly preferably means that the alignment is aligned with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 ° perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. The orientation of the at least one feed channel is the direction of flow and / or the longitudinal axis of the at least one feed channel.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Kühlmittel aus den Brennstoffzellen im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Ausrichtung mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des wenigstens Abführkanales ist die Strömungsrichtung und/oder Längsachse des wenigstens einen Abführkanales.In a further embodiment, the at least one discharge channel for discharging coolant from the fuel cells is oriented essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. Aligned essentially perpendicularly preferably means that the alignment is aligned with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 ° perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. The orientation of the at least one discharge channel is the direction of flow and / or the longitudinal axis of the at least one discharge channel.

In einer ergänzenden Variante sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt, insbesondere übereinander, angeordnet.In a supplementary variant, the fuel cells of the fuel cell unit are stacked in alignment, in particular one above the other.

In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.In a further variant, the fuel cell unit comprises at least one connection device, in particular several connection devices, and tensioning elements.

Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.Components for fuel cells are proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates.

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

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

In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder eine Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.In a further variant, the gas delivery device is designed as a fan and / or a compressor and / or a pressure vessel with an oxidizing agent.

Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 V erbi ndu ngsvorrichtu ngen.In particular, the fuel cell unit comprises at least 3, 4, 5 or 6 connecting devices.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet. In a further embodiment, the tensioning elements are plate-shaped and / or 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.

FigurenlisteFigure list

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

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4,
6 eine Draufsicht einer Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel,
7 eine Draufsicht einer Membranelektrodenanordnung der Brennstoffzelleneinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel,
8 einen Schnitt A-A gemäß 6 der Bipolarplatte sowie der auf der Bipolarplatte aufliegenden Gasdiffusionsschicht,
9 eine Draufsicht einer Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel und
10 eine Draufsicht einer Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit in einem dritten Ausführungsbeispiel.

In the following, exemplary embodiments of the invention are described in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 a greatly simplified exploded view of a fuel cell system with components of a fuel cell,
2 a perspective view of part of a fuel cell,
3 a longitudinal section through a fuel cell,
4th a perspective view of a fuel cell unit as a fuel cell stack, ie a fuel cell stack,
5 a section through the fuel cell unit according to 4th ,
6th a plan view of a bipolar plate of the fuel cell unit in a first embodiment,
7th a plan view of a membrane electrode arrangement of the fuel cell unit in the first embodiment,
8th a section AA according to 6th the bipolar plate and the gas diffusion layer resting on the bipolar plate,
9 a plan view of a bipolar plate of the fuel cell unit in a second embodiment and
10 a plan view of a bipolar plate of the fuel cell unit in a third embodiment.

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

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

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

The redox equations for the electrochemical processes are:

Cathode: O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^- - »2 H ₂ O
Anode: 2 H ₂ - »4 H ⁺ + 4 e ^-
Sum reaction equation of cathode and anode: 2 H ₂ + O ₂ - »2 H ₂ O

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 übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.The difference between the normal potentials of the 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 arranged one above the other 2 , has a higher voltage, which is the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2 is equivalent to.

Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.The fuel cell 2 also includes a proton exchange membrane 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), which is between the anode 7th and the cathode 8th is arranged. The anode 7th and cathode 8th are layered or disc-shaped. The PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst carrier and separator for the reaction gases. The PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7th and cathode 8th . In general, proton-conducting foils made from perfluorinated and sulfonated polymers are 12 µm to 150 µm thick. The PEM 5 conducts the protons H ⁺ and blocks other ions than protons H ⁺ essentially, so that due to the permeability of the PEM 5 for the protons H ⁺ the charge transport can take place. The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ , ie blocks the flow of oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ between a gas space 31 at the anode 7th with fuel hydrogen H ₂ and the gas space 32 at the cathode 8th with air or oxygen O ₂ as the oxidizing agent. The proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.

Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 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 Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.On both sides of the PEM 5 , each facing the gas compartments 31 , 32 , are the electrodes 7th , 8th than the anode 7th and cathode 8th on. A unit from the PEM 5 and the electrodes 6th , 7th is called a membrane electrode assembly 6th (Membrane Electrode Assembly, MEA). The electrodes 7th , 8th are with the PEM 5 pressed. The electrodes 6th , 7th are platinum-containing carbon particles that are bound to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and / or PVA (polyvinyl alcohol) and are hot-pressed in microporous carbon fiber, glass fiber or plastic mats are. On the electrodes 6th , 7th are on the side facing the gas compartments 31 , 32 usually one catalyst layer each 30th upset. The catalyst layer 30th on the gas compartment 31 with fuel on the anode 7th comprises nanodisperse platinum ruthenium on graphitized soot particles that are bound to a binder. The catalyst layer 30th on the gas compartment 32 with oxidizing agent on the cathode 8th analogously includes 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. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.On the anode 7th and the cathode 8th lies a gas diffusion layer 9 (Gas Diffusion Layer, GDL). The gas diffusion layer 9 at the anode 7th distributes the fuel from channels 12th for fuel evenly on the catalyst layer 30th at the anode 7th . The gas diffusion layer 9 at the cathode 8th distributes the oxidant from channels 13th for oxidizing agents evenly on the catalyst layer 30th at the cathode 8th . The GDL 9 also draws water of reaction in the opposite direction to the direction of flow of the reaction gases, ie in one direction each from the catalyst layer 30th to the canals 12th , 13th . The GDL also holds 9 the PEM 5 moist and conducts electricity. The GDL 9 is composed, for example, of a hydrophobized carbon paper and a bonded layer of carbon powder.

Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel.On the GDL 9 lies a bipolar plate 10 on. The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for draining water and for guiding the reaction gases through a channel structure 29 and / or a river field 29 and for the dissipation of waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8th occurs. To dissipate the waste heat are in the bipolar plate 10 channels 14th incorporated for the passage of a liquid or gaseous coolant. The channel structure 29 on the gas compartment 31 for fuel is from channels 12th educated. The channel structure 29 on the gas compartment 32 for oxidizer is by channels 13th educated. As a material for the bipolar plates 10 For example, metal, conductive plastics and composite materials or graphite are used. The bipolar plate 10 thus includes the three channel structures 29 , made up of channels 12th , 13th and 14th , for the separate passage of fuel, oxidizing agent and coolant.

In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.In a fuel cell unit 1 and / or a fuel cell stack 1 and / or a fuel cell stack 1 are several fuel cells 2 stacked in alignment ( 4th ). In 1 is an exploded view of two stacked fuel cells 2 pictured. A seal 11 seals the gas spaces 31 , 32 fluid-tight. In a pressurized gas storage tank 21 ( 1 ) hydrogen H _{2 is} stored as fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the pressurized gas storage 21 is the fuel through a high pressure pipe 18th to a pressure reducer 20th directed to reduce the pressure of the fuel in a medium pressure line 17th from about 10 bar to 20 bar. From the medium pressure line 17th the fuel becomes an injector 19th directed. On the injector 19th the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure between 1 bar and 3 bar. From the injector 19th becomes the fuel of a supply line 16 for fuel ( 1 ) and from the supply line 16 the canals 12th for fuel, which is the channel structure 29 for fuel form. The fuel flows through the gas space 31 for the fuel. The gas room 31 for the fuel is from the channels 12th and the GDL 9 at the anode 7th educated. After flowing through the channels 12th will not be in the redox reaction at the anode 7th Used fuel and possibly water from a control humidification of the anode 7th through a discharge line 15th from the fuel cells 2 derived.

Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen 42 an Abdichtplatten 41 als Verlängerung am Endbereich der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (6 und 7) ausgebildet. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.A gas conveyor 22nd , for example as a fan 23 or a compressor 24 formed, promotes air from the environment as an oxidizing agent in a supply line 25th for oxidizing agents. From the supply line 25th will air the ducts 13th for oxidizing agents, which have a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agent form, supplied so that the oxidizing agent enters the gas space 32 for the oxidizing agent to flow through. The gas room 32 for the oxidizer is from the channels 13th and the GDL 9 at the cathode 8th educated. After flowing through the channels 13th or the gas space 32 for the oxidizing agent 32 it won't be at the cathode 8th spent oxidizing agent and that at the cathode 8th water of reaction resulting from the electrochemical redox reaction through a discharge line 26th from the fuel cells 2 derived. A feed line 27 is used to feed coolant into the channels 14th for coolant and a discharge line 28 serves to derive the through the canals 14th directed coolant. The supply and discharge lines 15th , 16 , 25th , 26th , 27 , 28 are in 1 for the sake of simplicity, they are shown as separate lines and are actually constructed at the end area near the channels 12th , 13th , 14th as aligned fluid openings 42 on sealing plates 41 as an extension at the end of the stacked bipolar plates 10 ( 6th ) and membrane electrode assemblies 6th ( 6th and 7th ) educated. Of the Fuel cell stack 1 together with the pressurized gas storage tank 21 and the gas conveyor 22nd forms a fuel cell system 4th .

In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 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 are the fuel cells 2 between two clamping elements 33 as clamping plates 34 arranged. An upper clamping plate 35 lies on the top fuel cell 2 on and a lower clamping plate 36 lies on the bottom fuel cell 2 on. The fuel cell unit 1 includes approximately 200 to 400 fuel cells 2 which, for graphic reasons, are not all in 4th are shown. The clamping elements 33 bring on the fuel cells 2 a compressive force on, ie the upper clamping plate 35 rests on the top fuel cell with a compressive force 2 on and the lower clamping plate 36 rests on the lowest fuel cell with a compressive force 2 on. So that is the fuel cell stack 2 braced to ensure the tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seal 11 to ensure and also the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 to keep it as small as possible. For bracing the fuel cells 2 with the clamping elements 33 are on the fuel cell unit 1 four connecting devices 39 as a bolt 40 formed, which are claimed to train. The four bolts 40 are with the chipboard 34 firmly connected.

Die 1 bis 5 dienen lediglich zur Darstellung der grundlegenden Funktionsweise von Brennstoffzellen 2 und erfindungswesentliche Merkmale sind in den 1 bis 5 teilweise nicht abgebildet.the 1 until 5 serve only to illustrate the basic functionality of fuel cells 2 and features essential to the invention are in the 1 until 5 partly not shown.

In den 6 bis 8 ist eine Brennstoffzelle 2 einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Bipolarplatte 10 ist aus drei umgeformten Platten 69, 70, 71 aufgebaut, nämlich einer oberen Platte 69, einer mittleren Platte 70 und einer unteren Platte 71 (8). Die Fluidöffnungen 42 an den Abdichtplatten 41 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 sind fluchtend übereinander angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Kanäle 43 bis 51 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 41 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 42 gebildeten Kanäle 43 bis 51. Die Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (7) sind im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und weisen eine Längsausdehnung 59 als Länge 59 in einer Längsrichtung 57 auf und eine Querausdehnung 60 in einer Querrichtung 58 auf. Die im Wesentlichen schichtförmigen Bipolarplatten 10, Membranelektrodenanordnungen 6, Gasdiffusionsschichten 9 und Brennstoffzellen 2 spannen fiktive Ebenen 52 auf. Die Zeichenebenen der 6 und 7 sowie 9 und 10 sind in den fiktiven Ebenen 52 bzw. parallel zu diesen ausgerichtet.In the 6th until 8th is a fuel cell 2 a fuel cell unit according to the invention 1 shown in a first embodiment. The bipolar plate 10 is made up of three shaped plates 69 , 70 , 71 constructed, namely an upper plate 69 , a middle plate 70 and a lower plate 71 ( 8th ). The fluid openings 42 on the sealing plates 41 of the bipolar plates 10 and membrane electrode assemblies 6th are aligned one above the other within the fuel cell unit 1 so that there are channels 43 until 51 form. There are between the sealing plates 41 Seals (not shown) arranged for the fluid-tight sealing of the fluid openings 42 formed channels 43 until 51 . The bipolar plates 10 ( 6th ) and membrane electrode assemblies 6th ( 7th ) are essentially rectangular and have a longitudinal extent 59 as length 59 in a longitudinal direction 57 on and a transverse extent 60 in a transverse direction 58 on. The essentially layered bipolar plates 10 , Membrane electrode assemblies 6th , Gas diffusion layers 9 and fuel cells 2 span fictional levels 52 on. The drawing levels of the 6th and 7th as well as 9 and 10 are in the fictional levels 52 or aligned parallel to them.

Die Membranelektrodenanordnung 6 mit der Protonenaustauschermembran 5 und der Anoden 7 und Kathode 8, d. h. ohne der Abdichtplatte 41, ist in einen ersten Teil 53 und einen zweiten Teil 54 unterteilt. Anlog ist die Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 in einen ersten Teil 55 und einen zweiten Teil 56 unterteilt. Zwischen dem ersten Teil 53, 55 und dem zweiten Teil 54, 56 ist eine schlitzförmige Fluidöffnung 42 ausgebildet, welche einen Zuführkanal 43 für Oxidationsmittel als ersten Oxidationsmittelkanal 45 ausbildet. Analog ist auch die Gasdiffusionsschicht 9 in einem ersten und zweiten Teil (nicht dargestellt) unterteilt. Aus dem ersten Oxidationsmittelkanal 45, welcher senkrecht zu den fiktiven Ebenen 52 ausgerichtet ist, strömt die Luft als das Oxidationsmittel in die Kanäle 13 für das Oxidationsmittel in Querrichtung 58 zwischen der oberen und mittleren Platte 69, 70 der Bipolarplatte 10 zu einem Abführkanal 44 für Oxidationsmittel als einem zweiten Oxidationsmittelkanal 46. Außerdem strömt die Luft aus dem ersten Oxidationsmittelkanal 45 durch die Kanäle 13 für das Oxidationsmittel in Querrichtung 58 zwischen der oberen und mittleren Platte 69, 70 der Bipolarplatte 10 zu einem Abführkanal 44 für Oxidationsmittel als einem dritten Oxidationsmittelkanal 47. Die Querrichtung 58 ist parallel zur Zeichenebene von 8 ausgerichtet. Der zweite und dritte Oxidationsmittelkanal 46, 47 ist schlitzförmig ausgebildet. Der erste Oxidationsmittelkanal 45 unterteilt die Kanalstruktur 29 und die Membranelektrodenanordnung 6 in den ersten Teil 53, 55 und den zweiten Teil 54, 56 und die Gasdiffusionssicht 9 in einen nicht dargestellten ersten und zweiten Teil.The membrane electrode assembly 6th with the proton exchange membrane 5 and the anodes 7th and cathode 8th , ie without the sealing plate 41 , is in a first part 53 and a second part 54 divided. The channel structure is analogous 29 the bipolar plate 10 in a first part 55 and a second part 56 divided. Between the first part 53 , 55 and the second part 54 , 56 is a slit-shaped fluid opening 42 formed, which has a feed channel 43 for oxidizing agent as the first oxidizing agent channel 45 trains. The gas diffusion layer is also analogous 9 divided into a first and second part (not shown). From the first oxidizer channel 45 which is perpendicular to the fictional planes 52 is aligned, the air flows into the channels as the oxidizer 13th for the oxidizer in the transverse direction 58 between the top and middle plate 69 , 70 the bipolar plate 10 to a discharge channel 44 for oxidizer as a second oxidizer channel 46 . In addition, the air flows out of the first oxidizing agent channel 45 through the canals 13th for the oxidizer in the transverse direction 58 between the top and middle plate 69 , 70 the bipolar plate 10 to a discharge channel 44 for oxidizer as a third oxidizer channel 47 . The cross direction 58 is parallel to the plane of the drawing 8th aligned. The second and third oxidizer channels 46 , 47 is slit-shaped. The first oxidizer channel 45 divides the channel structure 29 and the membrane electrode assembly 6th in the first part 53 , 55 and the second part 54 , 56 and the gas diffusion view 9 into a first and second part, not shown.

Die Längsausdehnung 61 des ersten Oxidationsmittelkanales 45 entspricht im Wesentlichen der Längsausdehnung 63 (7) des ersten und zweiten Teils 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 und entspricht ferner im Wesentlichen der Längsausdehnung 66 (6) des ersten und zweiten Teils 55, 56 der Kanalstruktur 29. Dadurch ist beim Ausströmen des Oxidationsmittels aus dem ersten Oxidationsmittelkanal 45 in die Kanäle 13 im Wesentlichen keine Verteilung des Oxidationsmittels in der Längsrichtung 59 notwendig. Analog ist beim Einströmen des Oxidationsmittels aus den Kanälen 13 in den ersten und zweiten Oxidationsmittelkanal 46, 47 im Wesentlichen keine Verteilung des Oxidationsmittels in der Längsrichtung 59 notwendig. Die Querausdehnung 62 des ersten Oxidationsmittelkanales 45 entspricht im Wesentlichen dem Abstand in der Querrichtung 58 zwischen dem ersten und zweite Teil 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 und dem ersten und zweiten Teil 55, 56 der Kanalstruktur 29. Die Längsausdehnung 61 des ersten Oxidationsmittelkanales 45 ist wesentlich größer als die Querausdehnung 62 des ersten Oxidationsmittelkanales 45. Der erste Oxidationsmittelkanal 45 ist senkrecht zu der Zeichenebene von 6 und 7 und/oder der fiktiven Ebene 52 ausgerichtet, d. h. das Oxidationsmittel strömt senkrecht zu der Zeichenebene von 6 und 7 durch den ersten Oxidationsmittelkanal 45.The longitudinal extension 61 of the first oxidizing agent channel 45 corresponds essentially to the longitudinal extent 63 ( 7th ) of the first and second part 53 , 54 the membrane electrode assembly 6th and furthermore corresponds essentially to the longitudinal extent 66 ( 6th ) of the first and second part 55 , 56 the channel structure 29 . This is when the oxidizing agent flows out of the first oxidizing agent channel 45 in the canals 13th essentially no distribution of the oxidizing agent in the longitudinal direction 59 necessary. The same applies when the oxidizing agent flows in from the channels 13th into the first and second oxidizer channels 46 , 47 essentially no distribution of the oxidizing agent in the longitudinal direction 59 necessary. The transverse expansion 62 of the first oxidizing agent channel 45 corresponds essentially to the distance in the transverse direction 58 between the first and second part 53 , 54 the membrane electrode assembly 6th and the first and second part 55 , 56 the channel structure 29 . The longitudinal extension 61 of the first oxidizing agent channel 45 is much larger than the transverse extent 62 of the first oxidizing agent channel 45 . The first oxidizer channel 45 is perpendicular to the plane of the drawing 6th and 7th and / or the fictional level 52 aligned, ie the oxidizing agent flows perpendicular to the plane of the drawing 6th and 7th through the first oxidizer channel 45 .

In den Abdichtplatten 41 ist an einer Seite ein Zuführkanal 48 für Brennstoff und an einer anderen, gegenüberliegenden Seite in Längsrichtung 59 ein Abführkanal 49 für Brennstoff ausgebildet. Die eine und andere, gegenüberliegende Seite befindet sich im Bereich oder in der Nähe der Kanalstruktur 29 bzw. Kanalstrukturen 29 und der Membranelektrodenanordnung 6, jedoch außerhalb der Kanalstruktur 29 bzw. Kanalstrukturen 29 und außerhalb der Membranelektrodenanordnung 6. Aus dem Zuführkanal 48 wird der Brennstoff den Kanälen 12 (in 6 strichliert dargestellt) in dem ersten und zweiten Teil 55, 56 der Kanalstruktur 29 zugeleitet und strömt in Längsrichtung 57 zu dem Abführkanal 49 für Brennstoff. Außerdem sind an der einen Seite der Abdichtplatten 41 zwei Zuführkanäle 50 für Kühlmittel und an der anderen Seite zwei Abführkanäle 51 für Kühlmittel ausgebildet. Der Zuführkanal 48 für Brennstoff ist zwischen den zwei Zuführkanälen 50 für Kühlmittel an einer Seite positioniert und analog ist der Abführkanal 49 für Brennstoff zwischen den zwei Abführkanälen 51 für Kühlmittel an der anderen Seite angeordnet.In the sealing plates 41 is a feed channel on one side 48 for fuel and on another, opposite side in the longitudinal direction 59 a drainage channel 49 designed for fuel. One and the other, opposite side is in the area or near the canal structure 29 or channel structures 29 and the membrane electrode assembly 6th , but outside of the channel structure 29 or channel structures 29 and outside of the membrane electrode assembly 6th . From the feed channel 48 the fuel becomes the channels 12th (in 6th shown in dashed lines) in the first and second part 55 , 56 the channel structure 29 and flows in the longitudinal direction 57 to the discharge channel 49 for fuel. There are also sealing plates on one side 41 two feed channels 50 for coolant and two discharge channels on the other side 51 designed for coolant. The feed channel 48 for fuel is between the two feed channels 50 for coolant positioned on one side and the discharge channel is analogous 49 for fuel between the two discharge channels 51 for coolant arranged on the other side.

Die Querausdehnung 67 des ersten Teils 55 der Kanalstruktur 29 entspricht im Wesentlichen der Querausdehnung des oberen Zuführkanales 50 und des oberen Abführkanales 51 für Kühlmittel gemäß 6 und 7, so dass beim Einleiten des Kühlmittels aus dem oberen Zuführkanal 50 in die Kanäle 14 für Kühlmittel im Wesentlichen keine oder nur einer geringfügige Verteilung in der Querrichtung 58 notwendig ist. Analog ist beim Ausleiten des Kühlmittels aus den Kanälen 14 für Kühlmittel in den oberen Abführkanal 51 im Wesentlichen keine oder nur eine geringfügige Verteilung in der Querrichtung 58 notwendig ist. Dies gilt analog für den unteren Zuführkanal 50, den zweiten Teil 56 der Kanalstruktur 29 mit der Querausdehnung 68 und den unteren Abführkanal 51.The transverse expansion 67 of the first part 55 the channel structure 29 corresponds essentially to the transverse extent of the upper feed channel 50 and the upper discharge channel 51 for coolant according to 6th and 7th so that when the coolant is introduced from the upper supply channel 50 in the canals 14th for coolant essentially no or only a slight distribution in the transverse direction 58 necessary is. The same applies to discharging the coolant from the channels 14th for coolant in the upper discharge channel 51 essentially no or little distribution in the transverse direction 58 necessary is. This also applies to the lower feed channel 50 , the second part 56 the channel structure 29 with the transverse extent 68 and the lower discharge channel 51 .

Die Längsausdehnung 63 des ersten und zweiten Teils 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 entspricht im Wesentlichen der Längsausdehnung 66 des ersten und zweiten Teils 55, 56 der Kanalstruktur 29. Die Querausdehnung 64 des ersten Teils 53 der Membranelektrodenanordnung 6 entspricht im Wesentlichen der Querausdehnung 67 des ersten Teils 55 der Kanalstruktur 29. Die Querausdehnung 65 des zweiten Teils 54 der Membranelektrodenanordnung 6 entspricht im Wesentlichen der Querausdehnung 68 des zweiten Teils 56 der Kanalstruktur 29. Die Querausdehnungen 64, 65, 67 und 68 sowie die Längsausdehnungen 63, 66 sind im Wesentlichen identisch, so dass die ersten und zweiten Teile 53, 54, 55, 56 eine im Wesentlichen identische Fläche und Form in Richtung der fiktiven Ebenen 52 aufweisen.The longitudinal extension 63 of the first and second part 53 , 54 the membrane electrode assembly 6th corresponds essentially to the longitudinal extent 66 of the first and second part 55 , 56 the channel structure 29 . The transverse expansion 64 of the first part 53 the membrane electrode assembly 6th essentially corresponds to the transverse extent 67 of the first part 55 the channel structure 29 . The transverse expansion 65 of the second part 54 the membrane electrode assembly 6th essentially corresponds to the transverse extent 68 of the second part 56 the channel structure 29 . The transverse expansions 64 , 65 , 67 and 68 as well as the longitudinal expansions 63 , 66 are essentially identical, so are the first and second parts 53 , 54 , 55 , 56 an essentially identical area and shape in the direction of the fictional planes 52 exhibit.

In den 9 ist die Brennstoffzelle 2 der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 bis 8 beschrieben. Der erste Oxidationsmittelkanal 45, der zweite Oxidationsmittelkanal 46 und der dritte Oxidationsmittelkanal 47 sind in der Längsrichtung 57 in je drei Teiloxidationsmittelkanäle 45, 46, 47 unterteilt. Die Längsausdehnung 61 (nicht dargestellt) beispielsweise des ersten Oxidationsmittelkanales 45 ergibt sich somit aus der Summe der Längsausdehnungen der drei ersten Teiloxidationsmittelkanäle 45. Dies gilt analog für den zweiten Oxidationsmittelkanal 46 und den dritten Oxidationsmittelkanal 47. In den Abdichtplatten 41 sind an einer Seite ein Zuführkanal 48 für Brennstoff und zwei Zuführkanäle 50 für Kühlmittel ausgebildet analog dem ersten Ausführungsbeispiel. An der anderen, gegenüberliegenden Seite in Längsrichtung 57 ist ein Abführkanal 51 für Kühlmittel zwischen zwei Abführkanälen 49 für Brennstoff ausgebildet. Die Querausdehnung des Abführkanales 51 für Kühlmittel ist wesentlich größer als die Summe der Querausdehnungen der zwei Abführkanäle 49 für Brennstoff, insbesondere um das 2- oder 3-fache größer als die Summe der Querausdehnungen der zwei Abführkanäle 49 für Brennstoff.In the 9 is the fuel cell 2 the fuel cell unit according to the invention 1 shown in a second embodiment. In the following, essentially only the differences from the first exemplary embodiment according to FIG 6th until 8th described. The first oxidizer channel 45 , the second oxidizer channel 46 and the third oxidizer channel 47 are in the longitudinal direction 57 in three partial oxidizing agent channels each 45 , 46 , 47 divided. The longitudinal extension 61 (not shown) for example the first oxidizing agent channel 45 thus results from the sum of the longitudinal dimensions of the three first partial oxidizing agent channels 45 . This applies analogously to the second oxidizing agent channel 46 and the third oxidizer channel 47 . In the sealing plates 41 are a feed channel on one side 48 for fuel and two feed channels 50 designed for coolant analogous to the first exemplary embodiment. On the other, opposite side lengthways 57 is a drainage canal 51 for coolant between two discharge channels 49 designed for fuel. The transverse extent of the discharge channel 51 for coolant is much larger than the sum of the transverse dimensions of the two discharge channels 49 for fuel, in particular 2 or 3 times greater than the sum of the transverse dimensions of the two discharge channels 49 for fuel.

In den 10 ist die Brennstoffzelle 2 der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 in einem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 beschrieben. Die Kanäle 12 für Brennstoff in der Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 von dem Zuführkanal 48 an der einen Seite zu den zwei Abführkanälen 49 an der anderen Seite sind nicht geradlinig und parallel zu einander in der Längsrichtung 57 ausgerichtet wie in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, sondern mäanderförmig und S-förmig. Damit weist der je eine Einleitungsbereich von dem Zuführkanal 48 für Brennstoff in die Kanäle 12 für Brennstoff lediglich eine Querausdehnung von ungefähr einem Drittel der Querausdehnung 67, 68 des ersten und zweiten Teils 55, 56 der Kanalstruktur 29 auf. In 6 und 9 entspricht die Querausdehnung der Einleitungsbereiche den Querausdehnungen 67, 68 der Teile 55, 56 der Kanalstruktur 29. An dem ersten und zweiten Teil 55, 56 der Kanalstruktur 29 tritt jeweils ein Einleitungsbereich auf. Dies gilt analog für den Ausleitungsbereich aus der Kanalstruktur 29 in die zwei Abführkanäle 49 für Brennstoff.In the 10 is the fuel cell 2 the fuel cell unit according to the invention 1 shown in a third embodiment. In the following, only the differences from the second exemplary embodiment are essentially described in accordance with FIG 9 described. The channels 12th for fuel in the channel structure 29 the bipolar plate 10 from the feed channel 48 on one side to the two drainage channels 49 on the other hand are not straight and parallel to each other in the longitudinal direction 57 aligned as in the first and second exemplary embodiment, but meander-shaped and S-shaped. This means that each has an inlet area from the feed channel 48 for fuel in the channels 12th for fuel only a transverse dimension of approximately one third of the transverse dimension 67 , 68 of the first and second part 55 , 56 the channel structure 29 on. In 6th and 9 the transverse extent of the discharge areas corresponds to the transverse extent 67 , 68 Of the parts 55 , 56 the channel structure 29 . On the first and second part 55 , 56 the channel structure 29 an introductory area occurs in each case. This also applies to the area diverted from the channel structure 29 into the two discharge channels 49 for fuel.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10, der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung 6, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Der erste Oxidationsmittelkanal 45 als Zuführkanal 43 für Oxidationsmittel ist im Wesentlichen mittig zwischen dem ersten und zweiten Teil 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 und dem ersten zweiten Teil 55, 56 der Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 angeordnet. Das Oxidationsmittel strömt bezüglich des Volumenstromes jeweils zur Hälfte durch den ersten zweiten Teil 55, 56 der Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 in entgegengesetzter Richtung. Damit legt das Oxidationsmittel bei der Durchströmung durch die zwei Teile 55, 56 Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 und die zwei Teile (nicht dargestellt) der Gasdiffusionssicht 9 einen sehr kurzen Weg in Querrichtung 58 zurück, welcher der Querausdehnung 64, 65, 67, 68 des ersten und zweiten Teils 55, 56 der Kanalstruktur 29 und des ersten und zweiten Teils 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 entspricht. Damit tritt während des Durchleitens des Oxidationsmittels durch die Kanalstruktur 29 eine geringe Sauerstoffreduzierung und ein kleiner Druckabfall auf. Ferner ist in vorteilhafter Weise die Temperaturdifferenz zwischen den in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel einströmenden und ausströmenden Oxidationsmittel klein. Die Brennstoffzelleneinheit 1 weist damit, insbesondere bei großen angeforderten elektrischen Leistungen, eine nur geringfügig ansteigende Temperatur des Oxidationsmittels und eine kleine Reduzierung des Sauerstoffgehaltes in dem Gasraum 32 für Brennstoff sowie eine geringe Anreicherung von Wasser auf. Ferner wird das Oxidationsmittel, nämlich aus der Umgebung von der Gasfördereinrichtung 22 komprimierte Luft, in dem zentrischen ersten Oxidationsmittel 45 vorgewärmt auf eine optimale Betriebstemperatur. Damit kann mit der Brennstoffzelleneinheit 1 eine große elektrische Leistung pro Masseneinheit der Brennstoffzelleneinheit 1 erreicht werden bei einer hohen Zuverlässigkeit und einer geringen Alterung. Diese Vorteile sind insbesondere bei mobilen Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik wichtig.Overall, with the bipolar plate according to the invention 10 , the membrane electrode assembly according to the invention 6th , the fuel cell unit according to the invention 1 and the fuel cell system according to the invention 4th significant advantages associated. The first oxidizer channel 45 as a feed channel 43 for oxidizer is essentially midway between the first and second part 53 , 54 the membrane electrode assembly 6th and the first second part 55 , 56 the channel structure 29 the bipolar plate 10 arranged. With respect to the volume flow, half of the oxidizing agent flows through the first second part 55 , 56 the channel structure 29 the bipolar plate 10 in the opposite direction. So that the oxidizing agent lays in the flow through the two parts 55 , 56 Channel structure 29 the bipolar plate 10 and the two parts (not shown) of the gas diffusion layer 9 a very short way in the transverse direction 58 back, which of the transverse extent 64 , 65 , 67 , 68 of the first and second part 55 , 56 the channel structure 29 and the first and second parts 53 , 54 the membrane electrode assembly 6th is equivalent to. This occurs during the passage of the oxidizing agent through the channel structure 29 a small oxygen reduction and a small pressure drop. Furthermore, the temperature difference between the channels in an advantageous manner 13th small for oxidizing agent flowing in and out flowing oxidizing agent. The fuel cell unit 1 thus has, in particular in the case of high electrical power requirements, an only slightly increasing temperature of the oxidizing agent and a small reduction in the oxygen content in the gas space 32 for fuel as well as a low enrichment of water. Furthermore, the oxidizing agent, namely from the environment of the gas delivery device 22nd compressed air, in the centric first oxidizer 45 preheated to an optimal operating temperature. This can be used with the fuel cell unit 1 a large electric power per unit mass of the fuel cell unit 1 can be achieved with high reliability and low aging. These advantages are particularly important in mobile applications in automotive engineering.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102006019114 A1 [0006]DE 102006019114 A1 [0006]

Claims

Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (2) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, die Bipolarplatte (10) umfassend - drei getrennte Kanalstrukturen (29) mit Kanälen (12, 13, 14) für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid, - eine Abdichtplatte (41), - wenigstens einen Zuführkanal (43), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Bipolarplatte (10), als Oxidationsmittelkanal (45) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in Gasräume (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), insbesondere in wenigstens einen Kanal (13) für Oxidationsmittel der Kanalstruktur (29), - wenigstens einen Abführkanal (44), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Bipolarplatte (10), als Oxidationsmittelkanal (46, 47) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), insbesondere aus wenigstens einem Kanal (13) für Oxidationsmittel der Kanalstruktur (29), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal (45), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Bipolarplatte (10), zwischen den Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatte (10) angeordnet ist.Bipolar plate (10) for a fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) with stacked fuel cells (2) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising the bipolar plate (10) - three separate channel structures (29) with channels (12, 13, 14 ) for the separate passage of oxidizing agent, fuel and cooling fluid, - a sealing plate (41), - at least one supply channel (43), designed as a fluid opening (42) in the bipolar plate (10), as an oxidizing agent channel (45) for the supply of oxidizing agent in Gas chambers (32) for oxidizing agents of the fuel cells (2), in particular in at least one channel (13) for oxidizing agents of the channel structure (29), - at least one discharge channel (44), designed as a fluid opening (42) in the bipolar plate (10), as Oxidizing agent channel (46, 47) for discharging oxidizing agent from the gas spaces (32) for oxidizing agent of the fuel cells (2), in particular from at least one channel (13) for O Oxidation agent of the channel structure (29), characterized in that at least one first oxidant channel (45), designed as a fluid opening (42) in the bipolar plate (10), is arranged between the channel structures (29) of the bipolar plate (10).

Membranelektrodenanordnung (6) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (2) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, die Membranelektrodenanordnung (6) umfassend - eine Protonenaustauschermembran (5), - eine Anode (7), - eine Kathode (8), - eine Abdichtplatte (41) - wenigstens einen Zuführkanal (43), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Membranelektrodenanordnung (6), als Oxidationsmittelkanal (45) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in Gasräume (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), - wenigstens einen Abführkanal (44), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Membranelektrodenanordnung (6), als Oxidationsmittelkanal (46, 47) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal (45), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Membranelektrodenanordnung (6), zwischen der Protonenaustauschermembran (5), Anode (7) und Kathode (8) der Membranelektrodenanordnung (6) angeordnet ist.Membrane electrode assembly (6) for a fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) with stacked fuel cells (2) for the electrochemical generation of electrical energy, the membrane electrode assembly (6) comprising - a proton exchange membrane (5), - an anode (7), - a cathode (8), - a sealing plate (41) - at least one feed channel (43), designed as a fluid opening (42) in the membrane electrode assembly (6), as an oxidizing agent channel (45) for feeding oxidizing agent into gas spaces (32) for oxidizing agent of the Fuel cells (2), - at least one discharge channel (44), designed as a fluid opening (42) in the membrane electrode arrangement (6), as an oxidizing agent channel (46, 47) for discharging oxidizing agent from the gas spaces (32) for oxidizing agent of the fuel cells (2) , characterized in that at least one first oxidizing agent channel (45), designed as a fluid opening (42) in the membrane electrode assembly (6), between between the proton exchange membrane (5), anode (7) and cathode (8) of the membrane electrode assembly (6) is arranged.

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (6), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10), eine Gasdiffusionsschicht (9), wobei die Protonenaustauschermembran (5), die Anode (7) und die Kathode (8) eine Membranelektrodenanordnung (6) bilden, - wenigstens einen Zuführkanal (43) als Oxidationsmittelkanal (45) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), - wenigstens einen Abführkanal (44) als Oxidationsmittelkanal (46, 47) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) angeordnet ist und/oder die Brennstoffzelleneinheit (1) Bipolarplatten (10) gemäß Anspruch 1 umfasst und/oder die Brennstoffzelleneinheit (1) Membranelektrodenanordnungen (6) gemäß Anspruch 2 umfasst.Fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising - stacked fuel cells (2), the fuel cells (2) each comprising a proton exchange membrane (6), an anode (7), a cathode (8), a bipolar plate (10), a gas diffusion layer (9), the proton exchange membrane (5), the anode (7) and the cathode (8) forming a membrane electrode arrangement (6), - at least one supply channel (43) as an oxidizing agent channel (45) for Feeding of oxidizing agent into the gas chambers (32) for oxidizing agents of the fuel cells (2), - at least one discharge channel (44) as oxidizing agent channel (46, 47) for discharging oxidizing agent from the gas chambers (32) for oxidizing agents of the fuel cells (2), thereby characterized in that at least one first oxidizing agent channel (45) is arranged between the membrane electrode assemblies (6) of the fuel cells (2) and / or the fuel cells llen unit (1) bipolar plates (10) according to Claim 1 comprises and / or the fuel cell unit (1) membrane electrode assemblies (6) according to Claim 2 includes.

Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal (45) in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52), insbesondere zu wenigstens 70'%, 80% oder 90%, zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) angeordnet ist.Fuel cell unit according to Claim 3 , characterized in that the at least one first oxidizing agent channel (45) in a direction parallel to the fictitious planes (52) spanned by the fuel cells (2), in particular at least 70%, 80% or 90%, between the membrane electrode arrangements (6 ) the fuel cells (2) is arranged.

Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal (45) im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.Fuel cell unit according to Claim 3 or 4th , characterized in that the at least one first oxidizing agent channel (45) is oriented essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells (2).

Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) die Membranelektrodenanordnungen (6) in je einen ersten Teil (53) der Membranelektrodenanordnung (6) an einer Brennstoffzelle (2) und je einen zweiten Teil (54) der Membranelektrodenanordnung (6) an einer Brennstoffzelle (2) unterteilt.Fuel cell unit according to one or more of the Claims 3 until 5 , characterized in that the at least one first oxidizing agent channel (45) between the membrane electrode assemblies (6) of the fuel cells (2) the membrane electrode assemblies (6) in each case a first part (53) of the membrane electrode assembly (6) on a fuel cell (2) and a second part (54) each of the membrane electrode assembly (6) on a fuel cell (2).

Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1), insbesondere die Brennstoffzellen (2), in einer Längsrichtung (57) eine Längsausdehnung (59) und in einer Querrichtung (58) eine Querausdehnung (60) aufweist und die Längsrichtung (57) und Querrichtung (58) zueinander senkrecht und parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) ausgerichtet sind.Fuel cell unit according to one or more of the Claims 3 until 6th , characterized in that the fuel cell unit (1), in particular the fuel cells (2), has a longitudinal extent (59) in a longitudinal direction (57) and a transverse extent (60) in a transverse direction (58) and the longitudinal direction (57) and transverse direction (58) perpendicular to each other and parallel to those of the Fuel cells (2) spanned fictitious planes (52) are aligned.

Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) in Längsrichtung (57) wesentlich größer ist als in Querrichtung (59), dann entspricht die Längsausdehnung (61) oder die Summe der Längsausdehnungen (61) des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) im Wesentlichen den Längsausdehnung (63) der Membranelektrodenanordnung (6).Fuel cell unit according to Claim 7 , characterized in that if the expansion or the sum of the expansion of the at least one first oxidizing agent channel (45) between the membrane electrode assemblies (6) of the fuel cells (2) in a direction parallel to the fictitious planes (52) spanned by the fuel cells (2) in the longitudinal direction (57) is significantly greater than in the transverse direction (59), then the longitudinal extent (61) or the sum of the longitudinal extents (61) of the at least one first oxidant channel (45) between the membrane electrode arrangements (6) of the fuel cells (2) corresponds to Essentially the longitudinal extent (63) of the membrane electrode arrangement (6).

Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) in Querrichtung (58) wesentlich größer ist als in Längsrichtung (57), dann entspricht die Querausdehnung (62) oder die Summe der Querausdehnungen (62) des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) im Wesentlichen den Querausdehnung der Membranelektrodenanordnung (6).Fuel cell unit according to Claim 7 , characterized in that if the expansion or the sum of the expansion of the at least one first oxidizing agent channel (45) between the membrane electrode assemblies (6) of the fuel cells (2) in a direction parallel to the fictitious planes (52) spanned by the fuel cells (2) is significantly larger in the transverse direction (58) than in the longitudinal direction (57), then the transverse extent (62) or the sum of the transverse extent (62) of the at least one first oxidant channel (45) between the membrane electrode assemblies (6) of the fuel cells (2) corresponds to Essentially the transverse extent of the membrane electrode assembly (6).

Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens einen zweiten Oxidationsmittelkanal (46) und wenigstens einen dritten Oxidationsmittelkanal (47) umfasst.Fuel cell unit according to one or more of the Claims 3 until 9 , characterized in that the fuel cell unit (1) comprises at least one second oxidizing agent channel (46) and at least one third oxidizing agent channel (47).

Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Oxidationsmittelkanal (46) in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal (45) bezüglich des ersten Teils (53) der Membranelektrodenanordnung (6) angeordnet ist.Fuel cell unit according to Claim 10 , characterized in that the at least one second oxidizing agent channel (46) in a direction parallel to the fictitious planes (52) spanned by the fuel cells (2) opposite to the at least one first oxidizing agent channel (45) with respect to the first part (53) of the membrane electrode arrangement (6) is arranged.

Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal (47) in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal (45) bezüglich des zweiten Teils (54) der Membranelektrodenanordnung (6) angeordnet ist.Fuel cell unit according to Claim 10 or 11 , characterized in that the at least one third oxidizing agent channel (47) in a direction parallel to the fictitious planes (52) spanned by the fuel cells (2) opposite to the at least one first oxidizing agent channel (45) with respect to the second part (54) of the membrane electrode arrangement (6) is arranged.

Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) ein Zuführkanal (43) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume (32) der Brennstoffzellen (2) ist und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal (46, 47) Abführkanäle (44) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) der Brennstoffzellen (2) sind.Fuel cell unit according to one or more of the Claims 10 until 12th , characterized in that the at least one first oxidizing agent channel (45) between the membrane electrode assemblies (6) is a feed channel (43) for feeding oxidizing agent into the gas spaces (32) of the fuel cells (2) and the at least one second and at least one third oxidizing agent channel (46, 47) discharge channels (44) for discharging oxidizing agent from the gas spaces (32) of the fuel cells (2).

Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) ein Abführkanal (44) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) der Brennstoffzellen (2) ist und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal (46, 47) Zuführkanäle (43) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume (32) der Brennstoffzellen (2) sind.Fuel cell unit according to one or more of the Claims 10 until 12th , characterized in that the at least one first oxidizing agent channel (45) between the membrane electrode assemblies (6) is a discharge channel (44) for discharging oxidizing agent from the gas spaces (32) of the fuel cells (2) and the at least one second and at least one third oxidizing agent channel (46, 47) are feed channels (43) for feeding oxidizing agent into the gas spaces (32) of the fuel cells (2).

Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) mit Brennstoffzellen (2), - einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) als eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 14 ausgebildet ist.Fuel cell system (4), in particular for a motor vehicle, comprising - a fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) with fuel cells (2), - a compressed gas reservoir (21) for storing gaseous fuel, - a gas delivery device (22) for delivering a gaseous fuel Oxidizing agent to the cathodes (8) of the fuel cells (2), characterized in that the fuel cell unit (1) as a fuel cell unit (1) according to one or more of the Claims 3 until 14th is trained.