DE102019218870A1 - Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1) für einen Brennstoffzellenstapel (11), umfassend eine als Elektrolyt dienende Polymermembran (2), die auf beiden Seiten jeweils eine Katalysatorschicht (3, 4) zur Ausbildung einer Anode (3) einerseits und einer Kathode (4) andererseits aufweist, wobei auf den beiden Katalysatorschichten (3, 4) jeweils eine Gasdiffusionslage (5) sowie eine Bipolarplatte (6) aufgebracht sind. Erfindungsgemäß ist auf mindestens einer Bipolarplatte (6) ein Kurzschlusselement (7) aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt, und zwar auf der der Gasdiffusionslage (5) abgewandten Seite.Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel (11) sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels (11).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens zwei erfindungsgemäßen Brennstoffzellen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellenstapels.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Als Edukte können Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) verwendet werden, die mit Hilfe der Brennstoffzelle in elektrische Energie, Wasser (H2O) und Wärme gewandelt werden. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Anode und eine Kathode sowie einen zwischenliegenden Elektrolyten auf. Im Betrieb der Brennstoffzelle werden der Anode Wasserstoff und der Kathode Sauerstoff zugeführt.
  • Die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle wird üblicherweise durch Platin katalysiert. Hierzu werden in der Regel kleine Platinpartikel auf einen porösen Kohlenstoffträger aufgetragen.
  • Im Betrieb einer Brennstoffzelle kann es - zumindest zeitweise - zu einer lokalen Unterversorgung mit Wasserstoff und damit zu unerwünschten Nebenreaktionen kommen. Die Gefahr einer Wasserstoffunterversorgung besteht insbesondere beim Starten der Brennstoffzelle. Denn dann sind sowohl der Kathodenbereich als auch der Anodenbereich mit Luft gefüllt („Luft/Luft-Start“). Mit Zuführen von Wasserstoff füllt sich der Anodenbereich, wobei jedoch einzelne Bereiche länger ohne Wasserstoff bleiben. In diesen Bereichen kommt es zu hohen Potentialdifferenzen zwischen der Kathode und dem Elektrolyten, die wiederum zur Kohlenstoffkorrosion in der Kathodenkatalysatorschicht führen können. Dieser Degradationsvorgang, der auch als „reverse current decay“ (RCD) bezeichnet wird, dauert solange an wie sich die H2/O2-Gasfront durch den Anodenbereich bewegt.
  • Da der vorstehend beschriebene Vorgang immer dann auftreten kann, wenn der Anodenbereich lokal mit Wasserstoff unterversorgt ist, während der Kathodenbereich mit Luft gefüllt ist, kann derselbe Effekt auch beim Herunterfahren der Brennstoffzelle eintreten. Denn dann wird die Wasserstoffversorgung abgestellt und der restliche im Anodenbereich vorhandene Wasserstoff reagiert in Kontakt mit Sauerstoff ab, der über die Umgebungsluft in den Anodenbereich gelangt. Dabei reagiert der nahe einem Eingang oder einem Ausgang vorhandene Wasserstoff zuerst ab, so dass es zu einer ungleichmäßigen Wasserstoffverteilung kommt, die den Degradationsvorgang auslöst bzw. fördert.
  • Ein weiterer Degradationsmechanismus, der „cell reversal“ genannt wird, tritt auf, wenn im Betrieb der Brennstoffzelle die Wasserstoffversorgung nicht ausreicht, um den Strombedarf zu decken. Wird ein Strom durch eine an Wasserstoff verarmte Brennstoffzelle getrieben, kann es zu unerwünschten Nebenreaktionen (z. B. Kohlenstoffkorrosion und/oder Wasserelektrolyte) in der Anodenkatalysatorschicht kommen, um die geforderten Elektronen bereit zu stellen. Dies wiederum kann zu einer irreversiblen Schädigung der Brennstoffzelle führen.
  • Eine effiziente Methode, um der Degradation beim Starten und/oder beim Herunterfahren der Brennstoffzelle vorzubeugen, stellt der Zellenkurzschluss dar. Der Kurzschluss sorgt dafür, dass die Potentiale der Kathode und der Anode aufeinander fallen und sich die schädliche Potentialerhöhung reduziert. Falls der Kurzschluss jedoch mehreren Zellen aufgeprägt wird, ist die Zellspannung in der Summe zwar Null, aber nicht zwingend in jeder einzelnen Zelle, so dass es weiterhin zu einer Schädigung der Zelle kommen kann. Sind einzelne Zellen zudem mit Wasserstoff unterversorgt, kann es zu einer Degradation durch „cell reversal“ kommen.
  • Im Stand der Technik wurde daher bereits vorgeschlagen, den Kurzschluss zellenindividuell aufzuprägen. Beispielhaft wird hier auf die DE 10 2013 226 028 A1 verwiesen. Problematisch beim zellenindividuellen Kurzschluss ist jedoch die Schaltung, die eine aufwändige Verkabelung mit mehreren Schaltern bzw. eine entsprechende Ein- und Ausschaltlogik erfordert.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den zellenindividuellen Kurzschluss zu vereinfachen. Ferner sollen Kosten und Bauraum bei der Umsetzung eingespart werden.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird die Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden der Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen des Anspruchs 8 angegeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagene Brennstoffzelle umfasst eine als Elektrolyt dienende Polymermembran, die auf beiden Seiten jeweils eine Katalysatorschicht zur Ausbildung einer Anode einerseits und einer Kathode andererseits aufweist. Auf den beiden Katalysatorschichten sind dabei jeweils eine Gasdiffusionslage sowie eine Bipolarplatte aufgebracht. Erfindungsgemäß ist auf mindestens einer Bipolarplatte ein Kurzschlusselement aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt, und zwar auf der der Gasdiffusionslage abgewandten Seite.
  • Die vorgeschlagene Brennstoffzelle weist demnach auf mindestens einer Außenseite, vorzugsweise auf beiden Außenseiten, ein Kurzschlusselement zur Realisierung eines zellenindividuellen Kurzschlusses auf. Das Kurzschlusselement wird hierzu in Kontakt mit einem weiteren Kurzschlusselement einer weiteren Brennstoffzelle gebracht, die in gespiegelter Anordnung auf der ersten Brennstoffzelle angeordnet ist. Um den Kurzschluss zu beenden, wird der Kontakt aufgehoben. Die Vorteile eines zellenindividuellen Kurzschlusses werden somit ganz ohne Verkabelung und Schalter erreicht, da das Kurzschlusselement selbst als Schalter dient. Auf diese Weise werden zugleich Bauraum und Kosten eingespart.
  • Bevorzugt ist das Kurzschlusselement ein elastisch verformbares Element, beispielsweise ein Plättchen oder eine Membran. Der Schaltvorgang kann in diesem Fall durch eine elastische Verformung des Kurzschlusselements erreicht werden.
  • Um das Schalten bzw. die hierzu erforderliche elastische Verformung des Kurzschlusselements zu bewirken, wird ferner vorgeschlagen, dass das Kurzschlusselement einen druckbeaufschlagbaren Druckraum begrenzt. Durch eine Druckbeaufschlagung des Druckraums, wirkt auf das elastische verformbare Kurzschlusselement eine Druckkraft, die schließlich zur benötigten elastischen Verformung des Kurzschlusselements führt. Wird die Druckbeaufschlagung beendet und/oder der Druck im Druckraum abgebaut, nimmt das Kurzschlusselement wieder seine Ausgangsform ein.
  • Das Kurzschlusselement kann derart ausgebildet sein, das die elastische Verformung zu einem Kurzschluss führt oder einen bestehenden Kurzschluss aufhebt. Das heißt, dass in Abhängigkeit von der konkreten Ausführungsform des Kurzschlusselements die Druckbeaufschlagung des Druckraums zu einem Kurzschluss oder zur Aufhebung eines Kurzschlusses führt.
  • Vorteilhafterweise wird ein Kurzschluss hergestellt, wenn in einem Druckraum bzw. in einem Seitenkanal Druck abgebaut wird, so dass die Kurzschlusselemente zweier benachbarter Brennstoffzellen in ihren ursprünglichen Zustand zurückfedern und die Kurzschlussflächen der Kurzschlusselemente unmittelbar aufeinanderliegen. Diese Ausführung besitzt den Vorteil, dass in der Abstellphase oder in einem Fehlerfall ein Kurzschluss besteht, was einen eigensicheren Zustand darstellt. Die Aufhebung des Kurzschlusses erfolgt im Betrieb, das heißt in einem Zustand, in dem Druck vorhanden ist. Dieser kann dann zur Druckbeaufschlagung des Druckraums genutzt werden.
  • Bevorzugt ist das Kurzschlusselement in entspanntem Zustand bereits konkav oder konvex ausgeführt, was die Ausbildung des Druckraums vereinfacht. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Kurzschlusselement den Druckraum gemeinsam mit der Bipolarplatte begrenzt. Der Druckraum wird in diesem Fall zwischen der Bipolarplatte und dem Kurzschlusselement ausgebildet. Das heißt, dass das Kurzschlusselement nicht vollflächig an der Bipolarplatte anliegt.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Druckraum über einen Seitenkanal, der vorzugsweise in der Bipolarplatte ausgebildet ist und/oder die Bipolarplatte durchsetzt, druckbeaufschlagbar ist. Das Druckmedium kann ein Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Luft, sein, da diese Gase verfügbar sind. Alternativ kann eine Flüssigkeit, beispielweise ein Kühlmittel, das in der Regel in einem Brennstoffzellensystem ebenfalls verfügbar ist, als Druckmedium verwendet werden. Bei einer Druckbeaufschlagung mit dem jeweiligen Druckmedium kann der Druck im Druckraum beispielsweise 2 bis 3 bar betragen.
  • Vorteilhafterweise ist das Kurzschlusselement vorgespannt. Die Vorspannung kann bereits beim Aufbringen, vorzugsweise Aufdrucken, auf die Bipolarplatte und/oder beim Aufeinanderstapeln mehrerer Brennstoffzellen erzielt werden. Vorzugsweise werden beim Stapeln zwei Brennstoffzellen derart aufeinandergelegt, dass die Kurzschlusselemente einander zugewandt sind und übereinander liegen.
  • Bei einer Vorspannung der Kurzschlusselemente kann die Druckbeaufschlagung des Druckraums dazu führen, dass sich das Kurzschlusselement gegen die Vorspannung oder in Vorspannrichtung weiter verformt.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass auf die Bipolarplatte und das Kurzschlusselement zumindest bereichsweise eine Dichtung aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt, ist. Hauptaufgabe der Dichtung ist es, den Druckraum nach außen abzudichten. Vorzugsweise umgibt daher die Dichtung das Kurzschlusselement umlaufend. Ferner vorzugsweise ist die Dichtung auch um den Seitenkanal geführt, so dass auch dieser nach außen abgedichtet ist.
  • Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Dichtung das Kurzschlusselement vollflächig abdeckt. Die Dichtung kann somit - zumindest zeitweise - einen Kurzschluss verhindern.
  • Um die notwendige elastische Verformung des Kurzschlusselements nicht zu behindern, ist vorzugsweise auch die Dichtung aus einem elastisch verformbaren Material, hergestellt.
  • Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das Kurzschlusselement verschiedene Zonen aufweist, die sich im Hinblick auf ihren elektrischen Widerstand unterscheiden. Die Zonen können insbesondere ineinanderliegend ausgebildet sein, so dass beispielsweise eine erste Zone mit einem ersten elektrischen Widerstand von einer zweiten Zone mit einem zweiten elektrischen Widerstand umgeben ist, und so weiter. Abhängig von der Form des Kurzschlusselements, können die unterschiedliche Zonen auch höhenversetzt sein, so dass eine erste Zone mit einem ersten elektrischen Widerstand einen größeren Abstand zur Bipolarplatte aufweist als beispielsweise eine zweite Zone mit einem zweiten elektrischen Widerstand, und so weiter. In diesem Fall weist vorzugsweise die weiter entfernt liegende Zone einen höheren elektrischen Widerstand als die darauffolgende Zone auf. Dadurch ist sichergestellt, dass bei jeder Kontaktierung der Kurzschlusselemente sich der elektrische Widerstand kontinuierlich reduziert bzw. bei jeder Aufhebung des Kurzschlusses kontinuierlich erhöht.
  • Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, der mindestens zwei erfindungsgemäße Brennstoffzellen umfasst. Die Brennstoffzellen sind dabei derart gestapelt, dass die jeweiligen Kurzschlusselemente in gespiegelter Anordnung übereinanderliegend angeordnet sind und im Fall eines Kurzschlusses sich im Bereich einer gemeinsamen Kurzschlussfläche berühren.
  • Vorteilhafterweise sind zur Ausbildung des Brennstoffzellenstapels mehr als nur zwei Brennstoffzellen aufeinander gestapelt. Auf diese Weise kann die Leistung des Brennstoffzellenstapels erhöht werden. Zwischen jeweils zwei Brennstoffzellen des Stapels sind dann jeweils zwei Kurzschlusselemente angeordnet, wobei ein erstes Kurschlusselement auf einer Bipolarplatte einer ersten Brennstoffzelle und das weitere Kurzschlusselement auf der Bipolarplatte der weiteren Brennstoffzelle angeordnet ist. Um diese Anordnung zu ermöglichen, weist daher bevorzugt jede Brennstoffzelle auf seinen beiden Außenseiten jeweils ein Kurzschlusselement auf.
  • Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen. Bei dem Verfahren werden die Kurzschlusselemente der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels über eine zentrale Druckversorgung wahlweise zu- und abgeschaltet. Das Schalten über die zentrale Druckversorgung macht eine aufwändige Verkabelung und das Vorsehen einer Vielzahl von Schaltern entbehrlich. Das heißt, dass Bauraum und Kosten eingespart werden können. Zugleich kann mit Hilfe der zentralen Druckversorgung jede einzelne Brennstoffzelle bzw. jedes Kurzschlusselement erreicht werden, so dass ein zellenindividueller Kurzschluss realisierbar ist.
  • Vorzugsweise werden die Kurzschlusselemente der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels über die zentrale Druckversorgung druckbeaufschlagt und elastisch verformt. Die elastische Verformung führt in diesem Fall zum Zu- oder Abschalten der Kurzschlusselemente. Das heißt, dass die Kurzschlusselemente jeweils auch als Schalter fungieren.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Druckbeaufschlagung ein Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Luft, verwendet. Wasserstoff und Luft sind prinzipbedingt in einem Brennstoffzellensystem vorhanden und damit verfügbar. Alternativ wird vorgeschlagen, dass zur Druckbeaufschlagung eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Kühlmittel, verwendet wird. In der Regel verfügen Brennstoffzellensystem über einen Kühlkreis oder sind zumindest an einen Kühlkreis angeschlossen, so dass auch das Kühlmittel als Druckmedium verfügbar ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle,
    • 2 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle,
    • 3 eine schematische Darstellung des Kurzschlusselements der Brennstoffzelle der 2,
    • 4 einen schematischen Längsschnitt durch die Brennstoffzelle der 2,
    • 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel umfassend die Brennstoffzelle der 4, ohne Kurzschluss,
    • 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel umfassend die Brennstoffzelle der 4, mit Kurzschluss,
    • 7 eine schematische Darstellung eines alternativen Kurzschlusselements,
    • 8 einen schematischen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle mit dem Kurzschlusselement der 7,
    • 9 eine Prinzipdarstellung der Arbeitsweise einer Brennstoffzelle und
    • 10 eine Potentialverteilung in einer Brennstoffzelle.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Anhand der 1 wird beispielhaft der Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 beschrieben. Zentrales Element ist eine Polymermembran 2, die als Elektrolyt dient. Die Polymermembran 2 weist beidseits eine Katalysatorschicht 3, 4 auf, wobei die Katalysatorschicht 3 eine Anode und die Katalysatorschicht 4 eine Kathode ausbilden. Auf die Katalysatorschicht 3, 4 folgen jeweils beidseits eine Gasdiffusionslage 5 sowie eine Bipolarplatte 6.
  • Im Betrieb der Brennstoffzelle 1 werden der Anode 3 Wasserstoff (H2) und der Kathode 4 Sauerstoff (O2) zugeführt. In einer chemischen Reaktion werden die Edukte Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie umgewandelt, wobei zudem Wasser (H2O) entsteht, das als Produktwasser abgeführt wird.
  • In der 1 ist erkennbar, dass jeweils außen auf den Bipolarplatten 6 ein Element 7 angeordnet ist. Bei diesem Element handelt es sich um ein Kurzschlusselement 7, das nachfolgend anhand der 2 bis 8 näher erläutert wird.
  • Der Draufsicht der 2 ist zu entnehmen, dass das Kurzschlusselement 7 außen auf die Bipolarplatte 6 der Brennstoffzelle aufgebracht ist, und zwar in einem Eckbereich. Das Kurzschlusselement 7 kann beispielsweise ein Plättchen oder eine Membran sein, so dass es vergleichsweise flach baut. Das Kurzschlusselement 7 ist elastisch verformbar.
  • Das Kurzschlusselement 7 begrenzt einen Druckraum 8, der vorzugsweise zwischen dem Kurzschlusselement 7 und der Bipolarplatte 6 ausgebildet ist (siehe 4). Der Druckraum 8 ist über einen Seitenkanal 9, der in der Bipolarplatte 6 ausgebildet ist, mit einem Druckmedium beaufschlagbar, so dass sich das Kurzschlusselement 7 elastisch verformt. Zur Abdichtung des Druckraums 8 ist das Kurzschlusselement 7 von einer Dichtung 10 umgeben, die bis auf die Bipolarplatte 6 reicht und auch den Seitenkanal 9 nach außen abdichtet (siehe 3 und 4).
  • Werden zwei Brennstoffzellen 1, 1' mit jeweils mindestens einem Kurzschlusselement 7, 7' zur Ausbildung eines Brennstoffzellenstapels 11 übereinander angeordnet, erfolgt die Anordnung in der Weise, dass sich zwei Bipolarplatten 6, 6' mit jeweils einem Kurzschlusselement 7, 7' einander gegenüber liegen, so dass die beiden Kurzschlusselemente 7, 7' in Überdeckung gebracht und bereits geringfügig elastisch verformt werden (siehe 5). Werden die Druckräume 8, 8' (nicht dargestellt) über eine zentrale Druckversorgung mit einem Druckmedium beaufschlagt, verformen sich die beiden Kurzschlusselemente 7, 7' weiter. Auf diese Weise wird ein Kurzschluss über eine gemeinsame Kurzschlussfläche 12 hergestellt (siehe 6). Um den in der 5 dargestellten ursprünglichen Zustand wieder zu erreichen, wird der Druck in den Druckräumen 8, 8' abgebaut.
  • Eine alternative Ausführungsform eines Kurzschlusselements 7 für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 1 ist den 7 und 8 zu entnehmen. Hier weist das Kurzschlusselement 7 Zonen A, B, C auf, die sich im Hinblick auf ihren elektrischen Widerstand unterscheiden. Der elektrische Widerstand der Zone A ist am höchsten und liegt im kΩ-Bereich, während der elektrische Widerstand der Zone B im Ω-Bereich und der elektrische Widerstand der Zone C im mΩ-Bereich oder darunter liegen. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei jeder Kontaktierung des Kurzschlusselements 7 der elektrische Widerstand kontinuierlich reduziert wird bzw. bei jeder Aufhebung des Kurzschlusses kontinuierlich erhöht wird.
  • In der 9 ist der Zustand einer Brennstoffzelle 1 während eines Starts des Brennstoffzellenstapels 11 dargestellt. Im Ausgangszustand sind ein Anodenbereich 13 und ein Kathodenbereich 14 mit Luft bzw. Sauerstoff (O2) gefüllt. Zum Starten wird Wasserstoff (H2) in den mit Luft gefüllten Anodenbereich 13 geleitet, so dass der Wasserstoff die Luft allmählich verdrängt. In den in der 9 dargestellte Zustand ist die linke Seite des Anodenbereichs 13 bereits mit Wasserstoff versorgt, während auf der rechten Seite des Anodenbereichs 13 noch Luft vorliegt. Dabei tritt eine Potentialverteilung auf wie sie beispielshaft in der 10 dargestellt ist. Aufgrund der beschriebenen Gasverteilung kommt es zu hohen Potentialdifferenzen zwischen der Kathode 4 und dem Elektrolyten, der durch die Polymermembran 2 ausgebildet wird, so dass folgende Gleichung gilt: Δ φ C > 1  V
    Figure DE102019218870A1_0001
    Diese Potentialdifferenzen führen zu einer Kohlenstoffkorrosion in der Katalysatorschicht 4 der Kathode und damit zu einer Degradation der Brennstoffzelle 1. Die Degradation hält solange an wie sich die H2/O2-Gasfront durch den Anodenbereich 13 bewegt.
  • Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann der Degradation aufgrund hoher Potentialdifferenzen beim Starten und Herunterfahren der Brennstoffzelle 1 entgegengewirkt werden, und zwar durch einen zellenindividuellen Kurzschluss.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013226028 A1 [0008]

Claims (10)

  1. Brennstoffzelle (1) für einen Brennstoffzellenstapel (11), umfassend eine als Elektrolyt dienende Polymermembran (2), die auf beiden Seiten jeweils eine Katalysatorschicht (3, 4) zur Ausbildung einer Anode (3) einerseits und einer Kathode (4) andererseits aufweist, wobei auf den beiden Katalysatorschichten (3, 4) jeweils eine Gasdiffusionslage (5) sowie eine Bipolarplatte (6) aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Bipolarplatte (6) ein Kurzschlusselement (7) aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt, ist, und zwar auf der der Gasdiffusionslage (5) abgewandten Seite.
  2. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlusselement (7) ein elastisch verformbares Element, beispielsweise ein Plättchen oder eine Membran, ist.
  3. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlusselement (7), vorzugsweise gemeinsam mit der Bipolarplatte (6), einen druckbeaufschlagbaren Druckraum (8) begrenzt.
  4. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (8) über einen Seitenkanal (9), der vorzugsweise in der Bipolarplatte (6) ausgebildet ist und/oder die Bipolarplatte (6) durchsetzt, druckbeaufschlagbar ist.
  5. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Bipolarplatte (6) und das Kurzschlusselement (7) zumindest bereichsweise eine Dichtung (10) aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt, ist, die vorzugsweise das Kurzschlusselement (7) umlaufend umgibt und/oder vollflächig abdeckt.
  6. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlusselement (7) verschiedene Zonen (A, B, C) aufweist, die sich im Hinblick auf ihren elektrischen Widerstand unterscheiden.
  7. Brennstoffzellenstapel (11), umfassend mindestens zwei Brennstoffzellen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzellen (1) derart gestapelt sind, dass die jeweiligen Kurzschlusselemente (7) in gespiegelter Anordnung übereinanderliegend angeordnet sind und im Fall eines Kurzschlusses sich im Bereich einer gemeinsamen Kurzschlussfläche (12) berühren.
  8. Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels (11) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusselemente (7) über eine zentrale Druckversorgung wahlweise zu- und abgeschaltet werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusselemente (7) über die zentrale Druckversorgung druckbeaufschlagt und elastisch verformt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Druckbeaufschlagung ein Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Luft, oder eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Kühlmittel, verwendet wird.
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