Titel

BRENNSTOFFZELLENEINHEIT MIT VORSPANNEINRICHTUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.

Stand der Technik

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels

Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt.

In einer Brennstoffzelleneinheit mit einer großen Anzahl von beispielsweise 200 bis 400 übereinander angeordneten Brennstoffzellen als Stapel (Stack) ist es notwendig, dass die Brennstoffzellen mit einer Vorspannung aufeinander liegen, um die Dichtheit für die Reaktionsgase und Kühlmittel zu gewährleisten und den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Brennstoffzellen zu reduzieren. Hierzu sind die Brennstoffzellen zwischen zwei Spannplatten angeordnet und mit auf Zug beanspruchten Bolzen als Verbindungsvorrichtungen zwischen den zwei Spannplatten kann von den Bolzen eine Druckkraft auf die zwei Spannplatten aufgebracht werden für die Vorspannung der Brennstoffzellen. Die Bolzen weisen an einem Ende einen Bolzenkopf auf und an einem anderen Ende ein Außengewinde. Mittels des Bolzenkopfes und einer auf das Außengewinde aufgeschraubten Mutter als Fixierungselement wird auf die Spannplatten die Zugkraft der Bolzen als Druckkraft in die Spannplatten übertragen. Die

Bolzenköpfe der Bolzen liegen somit beispielsweise auf einer oberen

Spannplatte auf und die Muttern auf einer unteren Spannplatte. Dies weist wesentliche Nachteile auf: zur Erhöhung der Vorspannung der Brennstoffzellen, d. h. der Verkleinerung des Abstandes zwischen den Spannplatten muss gleichzeitig das Verschrauben der Muttern zur Veränderung der axialen Position der Muttern und das Bewegen einer Spannplatte relativ zu den Bolzen ausgeführt werden. Dies erfordert die Zugänglichkeit der Muttern. Ferner ist ein teures Einarbeiten eines Außengewindes in die Bolzen notwendig und die Verwendung von kostenintensiven Muttern.

Außerdem ist es bekannt, den Stapel der Brennstoffzellen mit einem Spannband zu Umschnüren und nach dem Zusammenschnüren das Spannband zu fixieren. Dies ist jedoch aufwendig und aufgrund von Dehnungen des Spannbandes kann die Vorspannung der Brennstoffzellen sich wieder im Laufe der Zeit reduzieren.

Die DE 100 44 703 A1 zeigt eine Brennstoffzelleneinheit mit Bolzen zum

Vorspannen der Brennstoffzellen. Die Bolzen sind mit Bolzenköpfen und Muttern als Fixierungselemente mit den Spannplatten verbunden.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend

zwei Spannelemente zum Aufbringen einer Druckkraft auf übereinander angeordnete Brennstoffzellen, zwischen den Spannelementen übereinander angeordnete Brennstoffzellen, wenigstens eine mit den zwei Spannelementen mittelbar oder unmittelbar verbundene Verbindungsvorrichtung zur Aufnahme von Zugkräften, so dass von den zwei Spannelementen auf die Brennstoffzellen eine Druckkraft aufbringbar ist aufgrund einer Zugkraft in der wenigstens einen Verbindungsvorrichtung, wenigstens ein an der Verbindungsvorrichtung in Axialrichtung der Verbindungsvorrichtung an verschiedenen axialen Positionen befestigbares Fixierungselement, wobei das wenigstens eine Fixierungselement mit dem Spannelement mittelbar oder unmittelbar verbunden ist zum Aufbringen einer Druckkraft von dem wenigstens einen Fixierungselement auf das

Spannelement, wobei an dem Fixierungselement wenigstens ein

verschwenkbarer Fixierungsarm ausgebildet ist und der wenigstens einen Fixierungsarmes an je einer Kontaktfläche auf der Verbindungsvorrichtung mit einer Druckkraft aufliegt und eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung an der je einen Kontaktfläche zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und der Verbindungsvorrichtung ausgebildet ist, so dass das Fixierungselement an der Verbindungsvorrichtung in Axialrichtung der

Verbindungsvorrichtung befestigt ist.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Fixierungselement einen geschlossen oder offener Ring und an einer radialen Innenseite des Ringes ist bzw. sind der wenigstens eine Fixierungsarm, insbesondere mehrerer

Fixierungsarme, angeordnet.

In einer ergänzenden Variante ist der wenigstens eine Fixierungsarm um je eine Schwenkachse verschwenkbar und die wenigstens eine Schwenkachse ist im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5°, tangential zu einer Längsachse der Verbindungsvorrichtung

ausgerichtet. Eine geringfügige Veränderung der Drehposition des wenigstens einen Fixierungsarmes bewirkt somit eine Veränderung der Druckkraft zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und der Verbindungsvorrichtung. Eine Bewegung des Fixierungselementes in einer zweiten axialen Richtung relativ zu der Verbindungsvorrichtung vergrößert geringfügig den Winkel a zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und der Längsachse der

Verbindungsvorrichtung (beispielsweise aufgrund einer elastischen

Rückverformung des wenigstens einen Fixierungsarmes), so dass die Druckkraft an der Kontaktfläche zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und der Verbindungsvorrichtung verkleinert wird.

Vorzugsweise ist der Winkel a zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und der Längsachse der Verbindungsvorrichtung zwischen 5° und 80°, insbesondere zwischen 10° und 50°. Zweckmäßig ist der wenigstens eine Fixierungsarm mittels Biegen und/oder mit je einem Gelenk verschwenkbar.

In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die Bewegung des Fixierungselementes in Axialrichtung der Verbindungsvorrichtung in einer ersten Axialrichtung relativ zu der Verbindungsvorrichtung mittels des wenigstens einen Fixierungsarmes blockiert und in einer zweiten, entgegengesetzt zu der ersten Axialrichtung ausgerichteten, Axialrichtung relativ zu der Verbindungsvorrichtung beweglich und vorzugsweise ist die erste Axialrichtung zu einem Mittelpunkt der

Verbindungsvorrichtung abgewandt und die zweite Axialrichtung ist dem

Mittelpunkt der Verbindungsvorrichtung zugewandt.

In einer weiteren Variante ist eine fiktive Ebene senkrecht zu einer Längsachse der Verbindungsvorrichtung ausgerichtet und die fiktive Ebene schneidet den Ring des Fixierungselementes und/oder schneidet die wenigstens eine

Schwenkachse und die fiktive Ebene unterteilt den Raum an der

Brennstoffzelleneinheit in einen ersten Halbraum mit einem Mittelpunkt der Brennstoffzelleneinheit und einen zweiten Halbraum.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist bzw. sind der wenigstens eine

Fixierungsarm, insbesondere sämtliche Fixierungsarme, im Wesentlichen in dem zweiten Halbraum angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise, dass wenigstens 60%, 70%, 80%, 90% oder 95 % der Masse und/oder des Volumens des wenigstens einen Fixierungsarmes in dem zweiten Halbraum angeordnet sind.

Vorzugweise ist der wenigstens eine Fixierungsarm in einem spitzen Winkel zu einer Längsachse der Verbindungsvorrichtung ausgerichtet.

In einer weiteren Ausgestaltung erhöht eine Bewegung des Fixierungselementes relativ zu der Verbindungsvorrichtung in der ersten Axialrichtung die Druckkraft zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und der Verbindungsvorrichtung an der Kontaktfläche und dies bewirkt die Blockierung der Bewegung des Fixierungselementes in der ersten Axialrichtung und eine Bewegung des Fixierungselementes relativ zu der Verbindungsvorrichtung in der zweiten Axialrichtung verkleinert die Druckkraft zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und der Verbindungsvorrichtung an der Kontaktfläche und dies ermöglicht die Bewegung des Fixierungselementes in der zweiten Axialrichtung. Die Reibung, insbesondere Haftreibung, zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und der Verbindungsvorrichtung ist direkt proportional zu der zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und der Verbindungsvorrichtung wirkenden Druckkraft und die Reibung, insbesondere Haftreibung, bewirkt die kraftschlüssige Befestigung des wenigstens einen Fixierungselementes an der Verbindungsvorrichtung. Bei einer Bewegung des Fixierungselementes in der ersten Axialrichtung wird die Druckkraft und damit auch die Reibung erhöht, so dass die Bewegung weiterhin blockiert ist und bei einer Bewegung des

Fixierungselementes in der zweiten Axialrichtung nimmt die Druckkraft und damit auch die Reibung stark ab, so dass die Bewegung möglich ist bei geringer oder im Wesentlichen keiner Reibung. Aufgrund der geringen elastischen und/oder plastischen Verformung der Verbindungsvorrichtung in radialer Richtung an der Kontaktfläche kann bei einer Bewegung des Fixierungselementes in der zweiten Axialrichtung auch die formschlüssige Verbindung mit keinen oder sehr geringen Kräften überwunden werden, d. h. der wenigstens eine Fixierungsarm rutscht entlang der radialen Außenseite der Verbindungsvorrichtung ohne dass hierfür größere Kräfte notwendig sind.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung liegt der wenigstens eine Fixierungsarm auf einer glatten radialen Außenseite der Verbindungsvorrichtung auf.

In einer ergänzenden Ausführungsform liegt der wenigstens eine Fixierungsarm auf Rastelementen, insbesondere Zähnen, an einer radialen Außenseite der Verbindungsvorrichtung auf, so dass eine, insbesondere ausschließliche, formschlüssige Verbindung an der je einen Kontaktfläche zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und den Rastelementen der

Verbindungsvorrichtung ausgebildet ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.

Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet. Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit

Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigen Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen

Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die

Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.

In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet ist.

In einer ergänzenden Variante ist der wenigstens eine Fixierungsarm um jeweils mehrere Schwenkachsen verschwenkbar und die Schwenkachsen sind im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5°, tangential zu einer Längsachse der Verbindungsvorrichtung

ausgerichtet. Der Fixierungsarm ist beispielsweise mittels Biegen des

Fixierungsarmes an einem Biegebereich in Richtung einer Längsausdehnung des Fixierungsarmes verschwenkbar, so dass an dem Biegebereich eine große Anzahl an Schwenkachsen auftreten, so dass die Kinematik des Biegens mit der großen Anzahl an Schwenkachsen abgebildet ist. Das Biegen des

Fixierungsarmes an dem Biegebereich kann auch mit nur einer Schwenkachse als einem vereinfachten Modell der Kinematik des Biegens angenähert werden.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Elastizitätsmodul und/oder das Kompressionsmodul und/oder das Schubmodul des wenigstens einen

Fixierungsarmes, insbesondere der Kontaktfläche des Fixierungsarmes, größer, insbesondere um das 1 ,5-, 2-, 3-, 5-, 10,- 20- oder 30-Fache größer, als der Elastizitätsmodul und/oder der Kompressionsmodul und/oder das Schubmodul der Verbindungsvorrichtung, insbesondere der Kontaktfläche und/oder radialen Außenseite der Verbindungsvorrichtung. Der große Unterschied des

Elastizitätsmoduls und/oder des Kompressionsmoduls und/oder des

Schubmoduls bewirkt eine große plastische und/oder elastische Verformung der Verbindungsvorrichtung an der Kontaktfläche in radialer Richtung nach innen, so dass die formschlüssige Verbindung an der je einen Kontaktfläche zwischen dem wenigstens einen Fixierungsarm und der Verbindungsvorrichtung einen großen signifikanten Anteil aufweist im Verhältnis zur kraftschlüssigen Verbindung. In einer weiteren Ausgestaltung ist die wenigstens eine Verbindungsvorrichtung im Querschnitt kreisförmig, quadratisch oder polygonal ausgebildet.

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

Zweckmäßig ist die Verbindungsvorrichtung als ein, vorzugsweise auf Zug beanspruchtes, Seil, insbesondere Stahlseil, ausgebildet.

In einer weiteren Ausführungsform ist das wenigstens eine Fixierungselement einteilig mit dem Spannelement ausgebildet oder als gesondertes Bauteil zu dem Spannelement ausgebildet.

In einer ergänzenden Variante ist das wenigstens eine Fixierungselement mit dem Spannelement formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder

stoffschlüssig verbunden, insbesondere mittels einer Klebeverbindung und/oder Schweißverbindung und/oder Pressverbindung und/oder mittels Umspritzen.

Vorzugsweise ist das wenigstens eine Fixierungselement einteilig oder mehrteilig ausgebildet.

In einer ergänzenden Ausführungsform ist das wenigstens eine

Fixierungselemente, insbesondere sämtliche Fixierungselemente, wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Stahl,

vorzugsweise Federstahl, Messing und/oder Aluminium, und/oder aus Kunststoff ausgebildet.

Vorzugsweise sind an dem Fixierungselement mehrere Fixierungsarme ausgebildet.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere eine Längsachse der Verbindungsvorrichtung, im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5°, senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. In einer ergänzenden Variante entspricht die Ausdehnung und/oder Länge der wenigstens einen Verbindungsvorrichtung im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20%, 10% oder 5%, der Ausdehnung und/oder Höhe der Brennstoffzelleneinheit senkrecht zu den von den

Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen.

Vorzugsweise ist die Ausdehnung der wenigstens einen Verbindungsvorrichtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen größer, insbesondere um das 2-, 5-, 7-, oder 10-Fache größer, als die

Ausdehnung, insbesondere maximale Ausdehnung, der wenigstens einen Verbindungsvorrichtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen.

Zweckmäßig ist Axialrichtung der Verbindungsvorrichtung parallel zu der Längsachse der Verbindungsvorrichtung.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Axialrichtung der Verbindungsvorrichtung im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5°, senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet.

In einer weiteren Variante ist bzw. sind das wenigstens eine Fixierungselement, insbesondere sämtliche Fixierungselemente, stufenlos an der

Verbindungsvorrichtung befestigt und/oder befestigbar.

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

Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, Reformatgas oder Erdgas.

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

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

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter

Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines

Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Fixierungselementes in einem

ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Fixierungselementes in einem

zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als

Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß Fig. 6,

Fig. 8 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen unteren Endbereich einer Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen mit dem Fixierungselement und einer ersten Variante einer Ausnehmung eines Spannelementes,

Fig. 9 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen unteren Endbereich der Verbindungsvorrichtung mit dem Fixierungselement und einer zweiten Variante der Ausnehmung des Spannelementes, Fig. 10 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen unteren Endbereich der Verbindungsvorrichtung mit dem Fixierungselement in einem weiteren Ausführungsbeispiel und

Fig. 11 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen oberen Endbereich der Verbindungsvorrichtung.

In den Fig. 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer

elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H ₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode:

0 ₂ + 4 H ⁺ + 4 e- --» 2 H ₂ 0

Anode:

2 H _{2 ~} » 4 H ⁺ + 4 e-

Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:

2 H ₂ + 0 ₂ --» 2 H ₂ 0

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter

Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder

Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1 ,23 V. Diese theoretische Spannung von 1 ,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im

Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1 ,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1 ,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellestapel 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.

Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem einen 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 50 pm bis 150 pm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren

eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H ⁺ und sperrt andere Ionen als

Protonen H ⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H ⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff 0 ₂ und Wasserstoff H ₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H ₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die

Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.

Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31 , 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 6, 7 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Array, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer),

PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA

(Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser oder Kunststoff matten 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 Rußpartikel, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.

Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die

Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 dient zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur

Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem

hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.

Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige

Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase 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

In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehreren Brennstoffzellen 2 übereinander angeordnet (Fig. 6 und 7). In Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei übereinander angeordneten Brennstoffzellen 1 abgebildet. Eine

Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31 , 32 fluiddicht ab. In einem

Druckgasspeicher 21 (Fig. 1) ist Wasserstoff H ₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der

Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer

Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (Fig. 1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine

Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.

Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das

Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der

elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten

Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in Fig. 1 aus vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und können konstruktiv tatsächlich unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise als Bohrungen in einem Rahmen (nicht dargestellt) oder als fluchtende Bohrungen am Endbereich (nicht dargestellt) aufeinander liegenden Bipolarplatten 10. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4. In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 300 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in den Figuren dargestellt sind. In die Spannplatten 35 sind vier

Ausnehmungen 37 als Sacklöcher eingearbeitet und an den Ausnehmungen 37 sind mit einem geringeren Durchmesser Bohrungen 38 als

Durchgangsbohrungen 38 ausgebildet. Die biegesteifen 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. Die Druckkraft ist im Wesentlichen gleichmäßig verteilt, d. h. der Druck zwischen dem Spannelement 33 und der Brennstoffzelle 2 ist im Wesentlichen konstant. 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 Brennstoffstapels 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 durch die vier Bohrungen 38 durchgeführt. An einem oberen Endbereich der Bolzen 40 ist jeweils ein Bolzenkopf 60 ausgebildet. Der Bolzenkopf 60 des Bolzens 40 liegt in der Ausnehmung 37 auf der oberen Spannplatte 35 mit einer Druckkraft auf und überträgt damit die Zugkraft als Druckkraft auf die obere Spannplatte 35, d. h. der Bolzenkopf 60 als Bestandteil der Verbindungsvorrichtung 39 ist unmittelbar mit dem Spannelement 33 verbunden. Bei einer Anordnung eines Zwischenrings (nicht dargestellt) zwischen dem Bolzenkopf 60 und der oberen Spannplatte 35 liegt der Bolzenkopf 60 lediglich mittelbar auf der oberen Spannplatte 35 auf, d. h. der Bolzenkopf 60 ist mittelbar mit der oberen Spannplatte 35 verbunden (nicht dargestellt). Eine Längsachse 45 der Verbindungsvorrichtung 39 als dem Bolzen 40 ist senkrecht zu den von den im Wesentlichen ebenen

Brennstoffzellen 2 aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Fixierungselementes 48 abgebildet. An einem Ring 53 als geschlossener Ring 54 sind sechs

Fixierungsarme 49 ausgebildet. Die Fixierungsarme 49 sind um je eine

Schwenkachse 50 mittels Biegen und/oder Verformen des Fixierungsarmes 49 und/oder des Ringes 53 verschwenkbar. Die Schwenkachsen 50 der

Fixierungsarme 48 sind im Wesentlichen tangential zu dem geschlossenen Ring 54 ausgerichtet. Die Fixierungsarme 49 sind im Wesentlichen radial ausgerichtet und an einer radialen Innenseite 62 des Ringes 53 befestigt. Das Fixierungselement 48 in dem ersten Ausführungsbeispiel ist einteilig aus Metall, beispielsweise Federstahl, ausgebildet.

In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Fixierungselementes 48 abgebildet. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Der Ring 53 ist als ein offener Ring 55 ausgebildet und an dem offenen Ring 55 sind drei Fixierungsarm 49 verschwenkbar befestigt.

In den Fig. 8 und 9 ist ein Ausführungsbeispiel eines stufenlos an einer glatten radialen Außenseite 41 des Bolzens 40 fixierbaren Fixierungselementes 48 abgebildet. Hierzu sind in Fig. 8 und 9 die in den Fig. 4 und 5 abgebildeten einteiligen Fixierungselemente 48 an der radialen Außenseite 41 form- und kraftschlüssig befestigt. Ein Endbereich des Fixierungsarmes 49 liegt an einer Kontaktfläche 52 mit einer Druckkraft auf der radialen Außenseite 41 auf.

Aufgrund dieser Druckkraft tritt Reibung, insbesondere Haftreibung, zwischen den Fixierungsarmen 49 und der radialen Außenseite 41 des Bolzens 40 auf und die Summe dieser Reibungen, insbesondere Haftreibungen, an den

Kontaktflächen 52 in Axialrichtung als in Richtung der Längsachse 45 des Bolzens 40 ist größer als die Zugkraft in dem Bolzen 40, so dass das

Fixierungselement 48 im Wesentlichen kraftschlüssig an der

Verbindungsvorrichtung 39 als dem Bolzen 40 befestigt ist. Die Reibung, insbesondere Haftreibung, ist direkt proportional zu der Druckkraft zwischen den Fixierungsarmen 49 und der radialen Außenseite 41 an dem Bolzen 40, wobei als Proportionalitätskonstante die Reibungszahl, insbesondere die

Haftreibungszahl, vorhanden ist. Die Reibungszahl ist abhängig von dem

Material des Fixierungsarmes 49 und des Bolzens 40 an der Kontaktfläche 52, so dass die Reibung und damit die kraftschlüssige Haltekraft zur kraftschlüssigen Befestigung des Fixierungselementes 48 an dem Bolzen 40 durch die Wahl des Materials beeinflusst werden kann.

Die Druckkraft zwischen den Fixierungsarmen 49 und der radialen Außenseite 41 des Bolzens 40 bewirkt außerdem eine geringe lokale elastische und/oder plastische Verformung in radialer Richtung der radialen Außenseite 41 nach innen, so dass die Fixierungsarme 49 zusätzlich formschlüssig an dem Bolzen 40 befestigt sind. Die Fixierungsarme 49 sind in einem spitzen Winkel a von ungefähr 45° zu der Längsachse 45 des Bolzens 40 ausgerichtet. Eine fiktive Ebene 56 ist senkrecht zu der Längsachse 45 des Bolzens 40 und parallel zu den von den Brennstoffzellen 2 aufgespannten fiktiven Ebenen (nicht dargestellt) ausgerichtet. Die fiktive Ebene 56 schneidet den Ring 53 und/oder wenigstens eine Schwenkachse 50 der Fixierungsarme 49. Die fiktive Eben 56 als

Trennebene 56 unterteilt den Raum an der Brennstoffzelleneinheit 1 in einen ersten Halbraum 58 mit einem Mittelpunkt 57 der Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder mit einem Mittelpunkt 44 der Verbindungsvorrichtung 39 und einen zweiten Halbraum 59. Das Fixierungselement 48 ist in der Ausnehmung 37 in radialer Richtung zwischen dem Bolzen 40 und der unteren Spannplatte 36 angeordnet. Ein Haltering 63 und die untere Spannplatte 36 befestigt das Fixierungselement 48 in Axialrichtung der Verbindungsvorrichtung 39 in der Ausnehmung 37.

Die Fixierungsarme 49, insbesondere ein Endbereich der Fixierungsarme 49 mit den Kontaktflächen 52, sind im Wesentlichen in dem zweiten Halbraum 59 angeordnet, so dass aufgrund der Ausrichtung der Fixierungsarme 49 die Kinematik der Fixierungsarme 49 und der Reibung an den Kontaktflächen 52 eine Bewegung des Fixierungselementes 48 in einer ersten axialen Richtung 46 relativ zu dem Bolzen 40 stufenlos blockiert ist, weil diese Relativbewegung wegen der Reibung, insbesondere Haftreibung, an den Kontaktflächen 52 und der kraftschlüssigen Verbindung zwischen den Fixierungsarmen 48 und der radialen Außenseite 41 des Bolzens 40 eine Verkleinerung des Winkels a bewirken würde, jedoch die Verkleinerung des Winkels a eine Vergrößerung des Durchmessers des Fixierungselementes 48 bewirkten würde und eine

Vergrößerung des Durchmessers des Fixierungselementes 48 blockiert ist, weil eine radiale Außenseite des Fixierungselementes 48 auf der unteren Spannplatte 36 an der Ausnehmung 37 aufliegt. Bei einer Bewegung des Fixierungselementes 48 in einer zweiten axialen Richtung 47 relativ zu dem Bolzen 40 und aufgrund der Ausrichtung der Fixierungsarme 49 bedingt die Kinematik der Fixierungsarme 49 eine starke Reduzierung der Druckkraft und damit auch eine starke Reduzierung der Reibung an den Kontaktflächen 52, so dass eine Bewegung des Fixierungselementes 48 in einer zweiten axialen Richtung 47 relativ zu dem Bolzen 40 nicht blockiert ist und damit mit geringen Kräften ausgeführt werden kann. Diese Relativbewegung bewirkt wegen der Reibung, insbesondere Haftreibung, an den Kontaktflächen 52 und der Kinematik zwischen den Fixierungsarmen 48 und der radialen Außenseite 41 des

Bolzens 40 eine Vergrößerung des Winkels a.

Aufgrund der oben beschriebenen Bewegbarkeit des Fixierungselementes 48 in der zweiten axialen Richtung 47 kann somit die untere Spannplatte 36 stufenlos in Richtung zu dem Mittelpunkt 44 des Bolzens 40 und in Richtung zu dem Mittelpunkt 57 des Brennstoffzellenstapels 1 und in Richtung zu der oberen Spannplatte 35 bewegt werden und dies bewirkt eine Erhöhung der Verspannung der Brennstoffzellen 1 , d. h eine Vergrößerung der Druckkraft mit der die

Brennstoffzellen 1 aufeinander liegen.

Die Bewegung der untere Spannplatte 36 in Richtung weg von dem

Mittelpunkt 44 des Bolzens 40 und in Richtung weg von dem Mittelpunkt 57 des Brennstoffzellenstapels 1 und in Richtung weg von der oberen Spannplatte 35 ist aufgrund der oben beschriebenen Blockierung der Bewegung des

Fixierungselementes 48 in der ersten axialen Richtung 46 blockiert, weil das den Abstand zwischen der oberen Spannplatte 35 und unteren Spannplatte 36 vergrößern würde. Eine hieraus resultierende Verkleinerung der Verspannung der Brennstoffzellen 1 , d. h eine Verkleinerung der Druckkraft mit der die

Brennstoffzellen 1 aufeinander liegen, ist ausgeschlossen.

In Fig. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Fixierungselementes 48 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem in den Fig. 4, 5, 8 und 9 abgebildeten Ausführungsbeispielen beschrieben. Das Verschwenken der Fixierungsarme 48 um die Schwenkachse 50 erfolgt nicht mittels Biegen, sondern mittels eines Gelenkes 51. Das Gelenk 51 trennt den Ring 53 von den Fixierungsarmen 49. Der Ring 53 ist in einer Ringnut 61 befestigt. An der radialen Außenseite 41 des Bolzens 40 sind umlaufende Rastelemente 42 als Zähne 43 ausgebildet. Eine nicht dargestellte Drehfeder an jedem Fixierungsarm 49 bringt auf die Fixierungsarme 49 ein Drehmoment auf zur Verkleinerung des Winkels a auf. Aufgrund der Geometrie der Zähne 43 und der Ausrichtung der Fixierungsarme 49 ist die Bewegung des

Fixierungselementes 48 in einer ersten axialen Richtung 46 relativ zu dem Bolzen 40 blockiert und umgekehrt nicht. Das Fixierungselement 48 ist mittels der Fixierungsarme 49 und der Rastelemente 42 in Stufen im Wesentlichen formschlüssig an dem Bolzen 40 befestigbar und befestigt.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Die konstruktiv einfachen Fixierungselemente 48 sind in der Herstellung preiswert und können an dem Bolzen 40 ohne ein Außengewinde stufenlos einfach befestigt werden. Die Bolzen 40 können einteilig (nicht dargestellt) mit einer Spannplatte 34 ausgebildet sein oder getrennte Bauteile (Fig. 7). Die Fixierungselemente 48 können einteilig (nicht dargestellt) mit einer Spannplatte 34 ausgebildet sein oder getrennte Bauteile (Fig. 7, 8, 9, 10). Die Verbindung zwischen den Bolzen 40 und den Fixierungselementen 48 ist nicht ohne Zerstörung lösbar, so dass in vorteilhafter Weise eine nachträgliche Manipulation oder Veränderung der Vorspannung, die unbemerkt bleibt, ausgeschlossen ist. Eine nachträgliche Erhöhung der Verspannung der

Brennstoffzellen 2 ist jederzeit einfach möglich, indem auf den

Brennstoffzellenstapel 2 in einer Presse auf die Spannplatten 34 eine Druckkraft aufgebracht wird. Auch ein schiefer Brennstoffzellenstapel 1 , bei dem die Spannplatten 34 nicht parallel zueinander ausgerichtet sind, kann nachträglich ausgerichtet werden. Die Fixierungselemente 48 können zunächst auch nur als Transportsicherung dienen während der Herstellung, so dass der

Brennstoffzellenstapel 2 mit keiner oder geringer Verspannung der

Brennstoffzellen 2 transportiert werden kann ohne dass ein Verlust einzelner Brennstoffzellen 2 möglich ist und erst nach dem Transport wird die notwendige Vorspannung auf die Brennstoffzellen 2 aufgebracht. Die Bolzen 40 können einen unterschiedlichen Querschnitt und/oder Querschnittsverlauf aufweisen und/oder in Axialrichtung aus einem unterschiedlichen Material ausgebildet sein mit einem unterschiedlichen E-Modul, so dass die Bolzen 40 eine gewünschte Federkonstante aufweisen. Damit lässt sich die Änderung der Vorspannung aufgrund Höhenänderung des Brennstoffzellenstapels 1 wegen Abkühlung oder Erwärmung der Brennstoffzellen 2 reduzieren indem der Bolzen 40 mit einer kleinen Federkonstante ausgeführt wird.