Titel

Brennstoffzelleneinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 9.

Stand der Technik

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels als Prozessfluide in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen fluchtend in einem Stapel als Stack angeordnet. Als weiteres Prozessfluid wird mit einem Kühlfluid, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, während des Betriebes die in der exothermen Redoxreaktion anfallende Abwärme abgleitet für eine Temperierung der Brennstoffzelleneinheit.

Bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit bei niedrigen Temperaturen, insbesondere unter 0° C, besteht die Gefahr, dass die Prozessfluide nicht mehr ordnungsgemäß durch die Kanäle und Gasräume gleitet werden können. Die Gasdiffusionssichten bilden Gasräume zum Durchleiten von Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Gasdiffusionsschicht an der Kathode verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen für Oxidationsmittel einer Bipolarplatte gleichmäßig auf die Katalysatorschicht an der Kathode. An der Kathode entsteht Wasser und dieses Wasser reichert sich in der Gasdiffusionsschicht an. Die Gasdiffusionssicht ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut, so dass das an der Kathode entstehende Wasser von der Gasdiffusionssicht teilweise gespeichert bzw. aufgesaugt wird. Bei niedrigen Temperaturen von unter 0° C vor einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit gefriert dieses Wasser und blockiert die Durchleitung des Oxidationsmittels Luft. Damit ist eine Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit schwierig und die Brennstoffzelleneinheit erbringt zu Beginn der Inbetriebnahme in nachteiliger weise eine deutlich reduzierte elektrische Leistung. Dies Problematik tritt in geringeren Umfang auch an der Gasdiffusionsschicht der Anoden auf, weil sich auch hier Wasser anreichern kann.

In Brennstoffzelleneinheiten als Brennstoffzellenstapel befindet sich auf der obersten und untersten Brennstoffzelle eine Stromsammelplatte. Dabei ist es bereits bekannt, auf der Außenseite der Stromsammelplatte eine Heizplatte oder eine Heizfolie als elektrisches Widerstandsheizelement anzuordnen. Dieses elektrisches Widerstandsheizelement ist elektrisch von der Stromsammelplatte isoliert und erwärmt die Stromsammelplatte sowie Brennstoffzellen in der Nähe der Stromsammelplatte. In nachteiliger Weise wird somit ein wesentlicher Teil der von dem elektrischen Widerstandsheizelement erzeugten Wärme nicht in die Brennstoffzellen, sondern in die Umgebung abgleitet, weil die elektrischen Widerstandsheizelement auf der Außenseite der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Ferner wird nur ein geringer Teil der Brennstoffzellen in der Nähe des elektrischen Widerstandsheizelementes erwärmt.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und eine Gasdiffusionsschicht, wobei in wenigstens eine schichtförmige Komponente wenigstens einer Brennstoffzelle wenigstens ein elektrisches Widerstandsheizelement integriert ist zur Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit mit elektrischer Energie. Die Brennstoffzelleneinheit kann damit vor der Inbetriebnahme und/oder während des Betriebes von dem elektrischen Widerstandsheizelement effektiv erwärmt werden, so dass auch bei Temperaturen unter 0° C eine Inbetriebnahme und/oder ein Betrieb in der Anfangsphase des Betriebes problemlos möglich ist, weil Eis aufgetaut ist und/oder in sehr kurzer Zeit aufgetaut wird mittels der von dem wenigstens einen elektrischen Wderstandsheizelement zur Verfügung gestellten Wärme. Aufgrund der Integration des elektrischen Widerstandsheizelementes in eine schichtförmige Komponente der Brennstoffzelle wird im Wesentlichen die gesamte, von dem elektrischen Wderstandsheizelement erzeugte Wärme zum Erwärmen der Brennstoffzellen genutzt.

In einerweiteren Ausgestaltung ist die wenigstens eine schichtförmige Komponente mit dem integrierten elektrischen Wderstandsheizelement die Gasdiffusionsschicht. Die Gasdiffusionssicht ist für den Einbau des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelements gut geeignet aufgrund des eingesetzten Materials und zusätzlich besteht bei der Gasdiffusionssicht, insbesondere bei äußeren, letzten Gasdiffusionssichten, die größte Gefahr der Blockierung oder Reduzierung des Leitens von Oxidationsmittel oder Brennstoff aufgrund von gefrorenen Wasser bzw. Eis.

In einerweiteren Variante ist die wenigstens eine schichtförmige Komponente mit dem integrierten elektrischen Widerstandsheizelement in einer Richtung senkrecht zu von den schichtförmigen Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen die letzte schichtförmige Komponente. Die letzte schichtförmige Komponente ist der Gefahr einer thermischen Abkühlung unter 0° C am stärksten ausgesetzt, so dass hier das elektrische Widerstandsheizelement besonders sinnvoll ist.

In einerweiteren Ausgestaltung ist die letzte schichtförmige Komponente mit dem integrierten elektrischen Widerstandsheizelement die letzte Gasdiffusionsschicht in der Richtung senkrecht zu von den schichtförmigen Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen. In einer zusätzlichen Ausführungsform ist in beide letzte Gasdiffusionsschichten in der Richtung senkrecht zu von den schichtförmigen Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen je ein elektrisches Widerstandsheizelement integriert. Damit ist in der obersten und untersten Gasdiffusionssicht je ein elektrisches Wderstandsheizelement integriert.

Zweckmäßig sind in mehrere schichtförmige Komponenten, insbesondere Gasdiffusionssichten, elektrische Widerstandsheizelemente integriert.

In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Temperatursensor, vorzugsweise mehrere Temperatursensoren, und in Abhängigkeit von der mit dem wenigstens einen Temperatursensor erfassten Temperatur ist die elektrische Heizleistung des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelements steuerbar und/oder regelbar, insbesondere vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit. Beispielsweise ist bei Temperaturen unter 0° C mit dem wenigstens einen elektrischen Wderstandsheizelement die Brennstoffzelleneinheit und/oder wenigstens eine Brennstoffzelle auf eine vorgegebene Temperatur über 0° C erwärmbar und beim Erreichen der vorgegebenen Temperatur, beispielsweise 5° C, ist das wenigstens eine elektrische Wderstandsheizelement abschaltbar.

In einer ergänzenden Variante ist das elektrische Widerstandsheizelement als ein Heizdraht und/oder Leiterbahn und/oder flächiges Heizelement, insbesondere Heizfolie, ausgebildet.

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

In einerweiteren Ausgestaltung umfasst das Brennstoffzellensystem eine Batterie zum Betrieb des wenigstens einen elektrischen

Widerstandsheizelementes vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems. Damit kann das wenigstens eine elektrische Widerstandsheizelement auch ohne elektrische Energie aus der Brennstoffzelleneinheit betrieben werden.

In einerweiteren Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem eine Steuerungs- und/oder Regeleinheit zur Steuerung und/oder Regelung der Heizleistung des wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelements, insbesondere in Abhängigkeit von der von wenigstens einem Temperatursensor erfassten Temperatur der Brennstoffzelleneinheit.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine Temperatursensor in wenigstens eine schichtförmige Komponente integriert, insbesondere in diejenige wenigstens eine schichtförmige Komponente mit dem integrierten elektrischen Widerstandsheizelement.

Zweckmäßig sind in wenigstens 3, 5, 10, 20, 30 oder 50 schichtförmige Komponenten, insbesondere Gasdiffusionssichten und/oder Bipolarplatten, elektrische Widerstandsheizelemente integriert.

In einer weiteren Ausgestaltung sind in jede zweite, dritte, vierte oder fünfte schichtförmige Komponente, insbesondere Gasdiffusionssichten und/oder Bipolarplatten, elektrische Widerstandsheizelemente integriert.

In einerweiteren Ausgestaltung ist das wenigstens eine elektrische Widerstandheizelement dahingehend in die schichtförmige Komponente integriert, so dass das elektrische Widerstandsheizelement in der schichtförmigen Komponente wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, von der schichtförmigen Komponente umhüllt ist und/oder auf einer Außenseite und/oder Innenseite der schichtförmigen Komponente aufliegt.

In einer ergänzenden Ausführungsform ist das wenigstens eine elektrische Widerstandsheizelement in schichtförmige Komponenten als Bipolarplatten integriert, insbesondere indem das wenigstens eine elektrische Widerstandsheizelement auf einer Außenseite der Bipolarplatte angeordnet ist und/oder an einer Innenseite eines Kanales für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel der Bipolarplatte angeordnet ist. In einer zusätzlichen Variante ist das wenigstens eine elektrische Widerstandsheizelement als eine Heizplatte ausgebildet.

Zweckmäßig sind die schichtförmigen Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.

Vorzugsweise sind die Komponenten der Brennstoffzellen fluchtend gestapelt angeordnet.

In einerweiteren Ausführungsform sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt angeordnet.

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

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

Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.

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

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

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

Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas. Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.

In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.

Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter

Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines

Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,

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

Fig. 5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß Fig. 4 und

Fig. 6 eine Ansicht eines elektrischen Widerstandsheizelementes in einem ersten Ausführungsbeispiel als Heizdraht,

Fig. 7 eine Ansicht des elektrischen Widerstandsheizelementes in einem zweiten Ausführungsbeispiel als Leiterbahn auf einer Leiterplatte und

Fig. 8 eine Ansicht des elektrischen Widerstandsheizelementes in einem dritten Ausführungsbeispiel als Heizfolie. In den Fig. 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H2 als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode:

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 Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.

Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 pm bis 150 pm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H ⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H ⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H ⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H2 und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.

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

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

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

Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase 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 schichtförmigen Komponenten einer Brennstoffzelle 2 sind somit die Protonenaustauschermembran 6, die Anode 7, die Kathode 8, die zwei Gasdiffusionssichten 9 und die Bipolarplatte 10. Die schichtförmigen Komponenten spannen fiktive Ebenen 41 auf.

In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 gestapelt angeordnet (Fig. 4). In Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (Fig. 1) ist Wasserstoff H2 als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (Fig. 1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.

Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in Fig. 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und können konstruktiv tatsächlich unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise als Bohrungen in einem Rahmen (nicht dargestellt) oder als fluchtende Bohrungen am Endbereich (nicht dargestellt) aufeinander liegender Bipolarplatten 10. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.

In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 300 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in Fig. 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.

In der Brennstoffzelleneinheit 1 ist in die oberste und unterste Gasdiffusionsschicht 9 jeweils ein elektrisches Widerstandsheizelement 37 als ein Heizdraht 42 (Fig. 3) integriert und eingebaut. Das elektrisches Widerstandsheizelement 37 ist mittig in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 41 in die Gasdiffusionsschicht 9 integriert, so dass das elektrisches Widerstandsheizelement 37 vollständig innerhalb der Gasdiffusionssicht 9 von der Gasdiffusionsschicht 9 umgeben ist. Das elektrisches Widerstandsheizelement 37 kann somit die Gasdiffusionsschichten 9 im Wesentlichen gleichmäßig erwärmen. Die erwärmten Gasdiffusionsschichten 9 leiten die Wärme mittels Wärmeleitung an die mittelbar und unmittelbar auf der Gasdiffusionsschicht 9 aufliegenden schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzelle 2 weiter, so dass auch diese Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 erwärmt werden. In die Gasdiffusionsschichten 9 mit integrierten elektrischen Widerstandsheizelement 37 ist außerdem ein Temperatursensor 46 eingebaut. Das Brennstoffzellensystem 4 umfasst außerdem eine nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinheit und eine Batterie 38. Der Temperatursensor 46 erfasst vor und/oder während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 4 die Temperatur in den Brennstoffzellen 2. Bei einem Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur, z. B. 0°, wird vor der Inbetriebnahme und/oder während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 4 elektrischer Strom durch das elektrisches Wderstandsheizelement 37 geleitet, so dass dadurch die Brennstoffzellen 2 erwärmt werden. Sofern die Brennstoffzellen 2 vor der Inbetriebnahme mit den elektrischen Widerstandsheizelementen 37 erwärmt werden erfolgt dies mit elektrischer Energie aus der Batterie 38. Bei einem Erwärmen der Brennstoffzellen 2 während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 4 wird die elektrische aus der Batterie 38 und/oder aus der von der Brennstoffzelleneinheit 4 erzeugten elektrischen Energie entnommen.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die elektrischen Widerstandsheizelemente 37 nicht nur in der oberen und untersten Gasdiffusionsschicht 9, sondern auch in einem Teil der dazwischen liegenden Gasdiffusionssichten 9 angeordnet, beispielsweis in jeder dritten Gasdiffusionssicht 9. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst 300 Brennstoffzellen 2 und somit 600 Gasdiffusionsschichten 9, so dass in ungefähr 200 Gasdiffusionssichten 9 die elektrischen Widerstandsheizelemente 37 integriert sind. Damit ist eine im Wesentlichen gleichmäßige Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit 1 in einer Richtung senkrecht zu den von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzellen 2 aufgespannten fiktiven Ebenen 41 möglich.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die elektrischen Widerstandsheizelemente 37 in die Bipolarplatten 10 integriert indem auf eine Außenseite der Bipolarplatten 10, welche auf der Gasdiffusionssicht 9 für die Kathode 8 aufliegen, das elektrische Widerstandsheizelement 37 angeordnet ist. Die Bipolarplatten 10 aus Metall leiten die Wärme gut, so dass auch die auf der gegenüberliegenden Außenseite der Bipolarplatte 10 aufliegende Gasdiffusionssicht 9 für die Anode 7 gut erwärmt wird. Dabei sind beispielsweis an jeder dritten oder fünften Bipolarplatte 10 oder nur auf der obersten und untersten Bipolarplatte 10 elektrische Widerstandsheizelemente 37 integriert.

In Fig. 6 ist eine Ansicht bzw. Draufsicht nur des elektrischen Widerstandsheizelementes 37 als der Heizdraht 42 dargestellt in einer Ansicht mit Blickrichtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 41 aufgespannt von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzellen 2. Der Heizdraht 42 ist mäanderförmig angeordnet und ermöglich somit auch in einer Richtung parallel zu den fiktiven Ebenen 41 aufgespannt von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzellen 2 eine gleichmäßige Erwärmung der Gasdiffusionssicht 9.

In Fig. 7 ist eine Ansicht bzw. Draufsicht nur des elektrischen Widerstandsheizelementes 37 als eine Leiterbahn 43 dargestellt in einer Ansicht mit Blickrichtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 41 aufgespannt von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzellen 2. Die Leiterbahn 43 ist auf einer Leiterplatte 44 angeordnet.

In Fig. 8 ist eine Ansicht bzw. Draufsicht nur des elektrischen Widerstandsheizelementes 37 als eine Heizfolie 45 dargestellt in einer Ansicht mit Blickrichtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 41 aufgespannt von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 10 der Brennstoffzellen 2. Die elektrisch leitfähige Heizfolie 45 weist am linken und rechten Rand einen elektrischen Leiter (nicht dargestellt) auf, so dass der Strom durch die Heizfolie 45 von dem linken Rand zu dem rechten Rand geleitet wird oder umgekehrt. Vorzugsweise ist die elektrische leitfähige Heizfolie 45 von einer nicht dargestellten elektrischen Isolierung umgeben.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Bei Temperaturen unter 0° C ist eine Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit 1 mit Schwierigkeiten verbunden, weil Prozessfluide, nämlich der Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, nur mit Schwierigkeiten durch die Brennstoffzelleneinheit 1 geleitet werden können. Insbesondere gefrorenes Wasser als Eis in den Gasdiffusionsschichten 9 an den Kathoden 8 verhindert oder reduziert ein effektives Leiten von Luft bzw. Sauerstoff zu den Kathoden 8, so dass die Brennstoffzelleneinheit 1 keinen oder nur einen reduzierten elektrischen Strom erzeugt. Die elektrischen Widerstandsheizelemente 37 sind in die Brennstoffzellen 2 integriert, so dass eine effektive und gleichmäßige Erwärmung der Brennstoffzellen 2 vor und/oder während der Anfangsphase des Betriebes der Brennstoffzellen 2 möglich ist. Damit weist die Brennstoffzelleneinheit 1 keine Probleme bei der Inbetriebnahme auf und nach der Inbetriebnahme bzw. nach dem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 kann die Brennstoffzelleneinheit 1 eine hohe elektrische Leistung abgeben. Das elektrische Widerstandsheizelement 37 der Brennstoffzelleneinheit 1 kann die Brennstoffzellen 2 in sehr kurze Zeit auf eine Temperatur über 0° C erwärmen, so dass eine Vorwärmphase der Brennstoffzelleneinheit 1 vor der Inbetriebnahme sehr kurz ist und/oder nach der Inbetriebnahme die Brennstoffzellen 2 in einer sehr kurzen Zeit auf eine Temperatur über 0° C erwärmt werden. Das Brennstoffzellensystem 4 umfasst eine Batterie 38, welche die elektrische Energie für die elektrischen Widerstandsheizelemente 37 vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Verfügung stellt.