DE10217712A1

DE10217712A1 - Electrode plate with humidification area

Info

Publication number: DE10217712A1
Application number: DE10217712A
Authority: DE
Inventors: Felix Blank; Cosmas Heller
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2002-04-20
Filing date: 2002-04-20
Publication date: 2003-11-13
Also published as: WO2003090301A3; AU2003240395A8; AU2003240395A1; DE10391815D2; WO2003090301A2

Abstract

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem der Befeuchtung einer PEM bzw. einer MEA. Es wird eine Elektrodenplatte für eine PEM-Brennstoffzelle vorgeschlagen, die wenigstens einen auf ihr integrierten Bereich für die Befeuchtung eines Reaktandenstroms aufweist. Ferner wird eine PEM-Brennstoffzelle vorgeschlagen, die diese Elektrodenplatte aufweist, sowie ein PEM-Brennstoffzellenstapel, der diese PEM-Brennstoffzellen aufweist. Außerdem wird ein Verfahren zur Befeuchtung von Reaktandenströmen für PEM-Brennstoffzellen vorgeschlagen, bei dem Reaktanden nach Eintritt in die Brennstoffzelle und vor Eintritt in einen Verteilungsbereich in einem Befeuchtungsbereich befeuchtet werden. Ferner wird ein Verfahren zum Befeuchten einer PEM einer PEM-Brennstoffzelle vorgeschlagen sowie ein Verfahren zum Betreiben von PEM-Brennstoffzellen. Die Erfindung ermöglicht v. a. die Durchführung der Befeuchtung auf einfache und wirkungsvolle Weise in einer PEM-Brennstoffzelle. Dadurch können beispielsweise Volumen und Gewicht reduziert werden.The invention is concerned with the problem of moistening a PEM or an MEA. An electrode plate for a PEM fuel cell is proposed, which has at least one integrated region for humidifying a reactant stream. Furthermore, a PEM fuel cell is proposed, which has this electrode plate, and a PEM fuel cell stack having these PEM fuel cells. Also proposed is a method for humidifying reactant streams for PEM fuel cells, in which reactants are humidified after entering the fuel cell and before entering a distribution area in a humidification area. Furthermore, a method for moistening a PEM of a PEM fuel cell and a method for operating PEM fuel cells is proposed. The invention enables v. a. performing humidification in a simple and effective manner in a PEM fuel cell. As a result, for example, volume and weight can be reduced.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenplatte für eine PEM- Brennstoffzelle auf der ein Befeuchtungsbereich integriert ist, eine PEM-Brennstoffzelle mit einem integrierten Befeuchtungsbereich, ein Verfahren zur Befeuchtung von Reaktandenströmen für PEM-Brennstoffzellen, ein Verfahren zur Befeuchtung der PEM von PEM-Brennstoffzellen sowie ein Verfahren zum Betreiben von PEM-Brennstoffzellen. The invention relates to an electrode plate for a PEM Fuel cell integrated on a humidification area is a PEM fuel cell with an integrated Humidification area, a method of moistening Reactant streams for PEM fuel cells, a method for Humidification of the PEM of PEM fuel cells and a method for Operating PEM fuel cells.

Eine PEM-Brennstoffzelle besteht im allgemeinen aus einer PEM (proton exchange membrane - Protonen Austausch Membran), die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist und mit diesen die MEA (membrane electrode assembly - Membran Elektroden Einheit) bildet, wobei die MEA wiederum zwischen zwei GDL (gas diffusion layer - Gas Diffusions Schicht) angeordnet ist und diese wiederum zwischen zwei Elektrodenplatten. Die Elektrodenplatten weisen üblicherweise eine Kanalstrukur oder eine Noppenstruktur auf, mit der die Reaktanden auf die elektrochemisch aktive Fläche der Zelle verteilt werden (sog. Verteilungsbereich) und dienen außerdem als Stromableiter, wobei sie bei einer einzelnen PEM-Brennstoffzelle zunächst als monopolare Elektrodenplatten ausgelegt sind, da sie nur entweder eine positive oder eine negative Spannung aufnehmen. Da die elektrische Spannung einer einzelnen PEM-Brennstoffzelle für praktische Zwecke im allgemeinen zu niedrig ist werden die PEM- Brennstoffzellen üblicherweise in Reihe geschaltet. Dabei ergeben sich Stapel (sog. Stacks), bei denen aufeinanderfolgende monopolare Elektrodenplatten durch sogenannte bipolare Elektrodenplatten ersetzt sind. Diese nehmen auf der einen Seite eine positive und auf der anderen Seite eine negative Spannung auf und weisen üblicherweise auch auf beiden Seiten einen Verteilungsbereich mit Kanalstruktur auf. A PEM fuel cell generally consists of a PEM (proton exchange membrane - proton exchange membrane), the is arranged between two electrodes and with these the MEA (membrane electrode assembly - membrane electrode assembly) forms, with the MEA in turn between two GDL (gas Diffusion layer - gas diffusion layer) is arranged and these again between two electrode plates. The Electrode plates usually have a channel structure or a Nub structure on which the reactants on the electrochemical active area of the cell are distributed (so-called. Distribution area) and also serve as a current collector, while at a single PEM fuel cell initially as monopolar Electrode plates are designed as they only have either one take positive or negative voltage. Because the electrical voltage of a single PEM fuel cell for generally too low for practical purposes, the PEM Fuel cells usually connected in series. there arise stacks (so-called stacks), in which successive monopolar electrode plates by so-called bipolar Electrode plates are replaced. These take on one side a positive and on the other hand a negative tension and usually also have one on both sides Distribution area with channel structure on.

Durch Zuführung von Wasserstoff als typischem Reaktand an die Anodenseite der Brennstoffzelle, welche sich in einem gegen die Umgebung abgedichteten Gasraum befindet, werden in der Anodenkatalysatorschicht Wasserstoffkationen (Protonen) erzeugt, die durch die PEM diffundieren. Der Wasserstoff wird durch Abgabe von Elektronen oxidiert und die Elektronen werden durch einen äußeren Stromkreis mit Lastwiderstand von der Anode zur Kathode geführt. An die Kathode der Brennstoffzelle wird gleichzeitig Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Luft als typischem Reaktand, zugeführt. Dieser wird nun in der Kathode durch Aufnahme der Elektronen reduziert und verbindet sich mit den durch die PEM gewanderten Protonen. Als Reaktionsprodukt entsteht so Wasser. Die Reaktionsenergie wird in Form von elektrischer Energie (Strom) und thermischer Energie (Wärme) frei. Die Gesamtreaktion läßt sich wie folgt darstellen:

2H₂ + → 2H₂O + Wärme + Strom
By supplying hydrogen as a typical reactant to the anode side of the fuel cell, which is in a sealed gas chamber to the environment, hydrogen cations (protons) are generated in the anode catalyst layer, which diffuse through the PEM. The hydrogen is oxidized by the emission of electrons and the electrons are passed through an external circuit with load resistance from the anode to the cathode. To the cathode of the fuel cell is simultaneously oxygen or an oxygen-containing gas, eg. As air as a typical reactant fed. This is now reduced in the cathode by absorption of the electrons and combines with the protons migrated through the PEM. The reaction product is water. The reaction energy is released in the form of electrical energy (electricity) and thermal energy (heat). The overall reaction can be represented as follows:

2H ₂ + → 2H ₂ O + heat + electricity

Ein wesentliches Problem dabei ist der Wasserhaushalt der Brennstoffzelle. Die Membran arbeitet nur dann unter optimalen Bedingungen, d. h. sie leitet die Wasserstoffionen optimal, wenn sie ausreichend Feuchtigkeit enthält. Sinkt ihr Feuchtigkeitsgehalt zu stark ab, steigt der Innenwiderstand der Zelle aufgrund des erhöhten Membranwiderstands beträchtlich an, wodurch die Leistung sinkt. Zum optimalen Zellbetrieb bedarf es daher bei gegebener Temperatur an jeder Stelle der Membran einer Luftfeuchtigkeit von nahezu 100%. Dabei gibt es mehrere Bewegungen von Wassermolekülen innerhalb der Membran, von der Membran weg als auch in die Membran hinein. Eine Wasserbewegung von der Anode zur Kathode ist darauf zurückzuführen, daß während des Betriebes der Brennstoffzelle die Protonen bei ihrer Wanderung durch die PEM in ihrer Koordinationssphäre Wasser mitschleppen. Dieser Vorgang wird im allgemeinen "elektroosmotischer Druck" genannt. Typischerweise werden pro Proton zwischen 1 und 2,5 Wassermoleküle elektroosmotisch durch die PEM transportiert. Das bedeutet, daß speziell bei hohen Stromdichten die Anodenseite des Elektrolyten austrocknet - sogar wenn die Kathodenseite gut befeuchtet ist. Ein weiteres Problem ist der Trocknungseffekt von Luft bei hohen Temperaturen. Bei Temperaturen über 60°C kann die Luft die Elektroden unter ungünstigen Umständen schneller austrocknen als Wasser durch die Reaktion erzeugt werden kann. Strömt der Kathodenreaktand, z. B. Luft, durch die Kanäle des Verteilungsbereichs der Elektrodenplatten und diffundiert durch die Gasdiffusionsschicht, hat er beim Eintritt in den Gasraum einen niedrigen Wasserdampfpartialdruck und beim Austritt einen hohen, da Sauerstoff an der Kathode zu Wasser reagiert. Der durch die Wasserstoffpartialdruckdifferenzen zwischen Membranoberfläche und Verteilerkanal hervorgerufene Diffusionsstrom trocknet die Membran am Einlaß des Kathodenreaktanden aus, am Auslaß entstehen dagegen möglicherweise Wasserablagerungen in der Diffusionsschicht. Bei gegebener Betriebstemperatur wären demnach zum Ausgleich der Wasserbilanz der Membran eine über die Membranoberfläche möglichst konstante relative Feuchtigkeit des Kathodenreaktanden und auch des Anodenreaktanden wünschenswert. A major problem is the water balance of the Fuel Cell. The membrane only works under optimal conditions Conditions, d. H. it conducts the hydrogen ions optimally, if it contains enough moisture. Are you sinking? Moisture content too strong, the internal resistance of the cell increases considerably due to the increased membrane resistance, which reduces performance. It requires optimal cell operation therefore at a given temperature at each point of the membrane an air humidity of almost 100%. There are several Movements of water molecules within the membrane, from the Membrane away as well as into the membrane. A Water movement from the anode to the cathode is due to the fact that during operation of the fuel cell protons their migration through the PEM in their coordination sphere Carry water with you. This process will be in general called "electroosmotic pressure". Typically, per Proton between 1 and 2.5 molecules of water electroosmotically through the PEM transports. This means that especially at high Current densities the anode side of the electrolyte dries out, even if the cathode side is well moistened. Another one Problem is the drying effect of air at high Temperatures. At temperatures above 60 ° C, the air may be the electrodes dry up faster than water in unfavorable conditions can be generated by the reaction. Is it flowing? Cathode reactant, e.g. As air, through the channels of the distribution area the electrode plates and diffused through the Gas diffusion layer, he has a low on entering the gas space Water vapor partial pressure and at the outlet a high, there Oxygen at the cathode reacts to water. The one by the Hydrogen partial pressure differences between membrane surface and Distribution channel caused diffusion stream dries the Membrane at the inlet of the cathode reactant, at the outlet On the other hand, possibly water deposits in the Diffusion layer. For a given operating temperature would be accordingly to compensate for the water balance of the membrane over the Membrane surface as constant as possible relative humidity of the Cathode reactants and also the anode reactant desirable.

Dieses Problem wird herkömmlich nur teilweise durch externe Befeuchtungssysteme, teils kombiniert mit einem Kühlsystem, gelöst, die unter zumindest intervallweiser Messung der Membranfeuchte die Wasserbilanz der Zelle ausgleichen. Nachteilig an diesen Befeuchtungssystemen ist die zusätzliche Belastung des Brennstoffzellensystems mit Eigenenergieverbrauch und Gewicht, was vor allem für die Anwendung in mobilen Systemen nicht wünschenswert ist, und mit Kosten, welche die Wettbewerbsfähigkeit der Brennstoffzelle mit herkömmlichen Energiesystemen schwächt. This problem is conventionally only partially solved by external Humidification systems, partly combined with a cooling system, solved, the at least intermittent measurement of Membrane moisture balance the water balance of the cell. adversely at these humidification systems is the additional burden the fuel cell system with own energy consumption and Weight, especially for use in mobile systems is not desirable, and at a cost which the Competitiveness of the fuel cell with conventional Energy systems weakens.

Im Stand der Technik sind mehrere Ansätze zur Lösung dieses Problems beschrieben. Ein Ansatz sind Brennstoffzellen, die ohne Befeuchtung der Reaktanden betrieben werden können. Diesbezüglich sind z. Zt. jedoch noch keine zuverlässig gut funktionierenden Lösungen bekannt. Ein weiterer Ansatz besteht darin, Befeuchtungssysteme in die Brennstoffzellensysteme zu integrieren. In the prior art, several approaches to solving this Problems described. One approach is fuel cells, the can be operated without humidification of the reactants. In this regard, z. At the moment, however, no reliable good known functioning solutions. Another approach exists in it, humidification systems in the fuel cell systems integrate.

In der US-PS 5,382,478 (Ballard Power Systems) wird beispielsweise eine Vorrichtung beschrieben, bestehend aus einem Gehäuse mit Einlässen und Auslässen für die Reaktanden, wobei in dem Gehäuse ein Befeuchtungsbereich und ein elektrochemisch aktiver Bereich angeordnet sind. Der Befeuchtungsbereich ist strömungsaufwärts zum elektrochemisch aktiven Bereich angeordnet, so daß die Reaktanden zuerst den Befeuchtungsbereich durchströmen, bevor sie in den elektrochemisch aktiven Bereich, bestehend aus einem Stapel von Brennstoffzellen und Kühlvorrichtungen, eintreten. Nach Durchgang durch den elektrochemisch aktiven Bereich werden die Reaktanden zum Befeuchtungsbereich zurückgeführt und geben dort ihre Feuchtigkeit an die eintretenden Reaktanden ab. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, daß die Vorrichtung verhältnismäßig viel Bauraum benötigt, sowie eine verhältnismäßig große Dichtungsfläche aufweist. Ferner ist nachteilhaft, daß der Befeuchtungsbereich eine verhältnismäßig große Masse aufweist, wodurch sich zwischen den Brennstoffzellenstapel-nahen Befeuchtungszellen, die am meisten Wärme vom Brennstoffzellenstapel erhalten, und den Brennzellenstapel-fernen Befeuchtungszellen, die kaum noch Wärme vom Brennstoffzellenstapel erhalten, ein relativ großer Temperaturgradient einstellt. Der Temperaturgradient hat zudem auch noch einen ungünstigen Verlauf: Es herrschen niedrige Temperaturen dort, wo der kalte Reaktand in den Befeuchtungsbereich eintritt; dort sollten die Temperaturen eigentlich hoch sein, da Gase bei hohen Temperaturen bekanntlich mehr Wasser aufnehmen. Und es herrschen hohe Temperaturen dort, wo der Reaktand aus dem Befeuchtungsbereich in den Brennstoffzellenstapel eintritt und nur noch eine kurze Verweilzeit im Befeuchtungsbereich hat. Die Folge dieses ungünstigen Temperaturgradienten ist eine ineffektive Befeuchtung der Reaktanden. In US Patent 5,382,478 (Ballard Power Systems) is For example, a device described consisting of a Housing with inlets and outlets for the reactants, with in the housing a humidification and an electrochemical active area are arranged. The humidification area is upstream to the electrochemically active region arranged so that the reactants first the humidification area flow through before entering the electrochemically active Range consisting of a stack of fuel cells and Coolers, enter. After passing through the Electrochemically active area, the reactants for Humidification returned and where they indicate their moisture the incoming reactants. A disadvantage of this Device is that the device is relatively much space needed, as well as a relatively large sealing surface having. Furthermore, it is disadvantageous that the humidification has a relatively large mass, which is between the fuel cell stack near humidification cells, the get the most heat from the fuel cell stack, and the Fuel cell-distant wetting cells that barely Heat received from the fuel cell stack, a relatively large Temperature gradient sets. The temperature gradient also has also an unfavorable course: There are low Temperatures where the cold reactant in the Humidification area occurs; The temperatures should be there be high, since gases at high temperatures are known to be more Take up water. And there are high temperatures where the reactant from the humidification in the Fuel cell stack occurs and only a short residence time in the Humidification area has. The consequence of this unfavorable Temperature gradient is an ineffective humidification of the reactants.

In der WO 00/17952 (Energy Partners) wird ein selbstbefeuchtender PEM-Brennstoffzellenstapel offenbart, bei dem Befeuchtungsbereiche auf der MEA integriert sind, wobei Oxidantstrom und Brennstoffstrom an der MEA in entgegengesetzter Richtung vorbeiströmen. Dadurch befeuchtet der austretende Oxidantstrom den eintretenden Brennstoffstrom und der austretende Brennstoffstrom den eintretenden Oxidantstrom, indem die Ströme über die Befeuchtungsbereiche auf der MEA Feuchtigkeit austauschen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß die Befeuchtungsbereiche auf der MEA angeordnet sind und so elektrochemisch aktive Fläche verloren geht. Außerdem müssen die Befeuchtungsbereiche aufwendig auf die MEA aufgebracht werden. Und schließlich besteht die Gefahr, daß Brennstoff teilweise in den Oxidantstrom gelangt und umgekehrt. In WO 00/17952 (Energy Partners) is a self-humidifying PEM fuel cell stack disclosed in the Humidification areas are integrated on the MEA, with oxidant flow and fuel flow at the MEA in the opposite direction flow past. As a result, the exiting Oxidantstrom moistened the incoming fuel stream and the exiting Fuel stream entering the Oxidantstrom by the currents via the humidification areas on the MEA moisture change. A disadvantage of this arrangement is that the Humidification areas are arranged on the MEA and so on Electrochemically active surface is lost. In addition, the Moistening be consuming applied to the MEA. And finally, there is a risk that fuel partially enters the Oxidantstrom and vice versa.

Demgegenüber war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die Regelung des Wasserhaushalts einer PEM- Brennstoffzelle zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. In contrast, it was an object of the present invention, a Device for controlling the water balance of a PEM Fuel cell to create, which the disadvantages of the state the technology does not have.

Insbesondere war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Befeuchtung von Reaktandenströmen und der PEM auf einfache und wirkungsvolle Weise in eine PEM-Brennstoffzelle integriert werden kann. In particular, it was an object of the present invention, a To create a device with which the humidification of Reactant streams and the PEM in a simple and effective way in a PEM fuel cell can be integrated.

Außerdem war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PEM- Brennstoffzelle mit integrierter Befeuchtung von Reaktandenströmen und der PEM zu schaffen. In addition, it was an object of the present invention to provide a PEM Fuel cell with integrated humidification of Reactant streams and the PEM to create.

Weitere Aufgaben waren, ein Verfahren zur Befeuchtung von Reaktandenströmen und der PEM anzugeben, sowie ein Verfahren zum Betreiben von PEM-Brennstoffzellen mit integrierten Befeuchtungsbereichen anzugeben. Other tasks included a method of moistening Reactant streams and the PEM, as well as a method for Operate PEM fuel cells with integrated Indicate humidification ranges.

Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrodenplatte für eine PEM-Brennstoffzelle mit Verteilungsbereichen zur Verteilung von Reaktanden, Ports zur Zuführung von Reaktanden und Ports zur Abführung von Reaktanden. Die Elektrodenplatte weist wenigstens einen Bereich für die Befeuchtung eines eintretenden trockenen oder teilbefeuchteten Reaktandenstroms auf. A first object of the present invention is a Electrode plate for a PEM fuel cell with Distribution areas for distributing reactants, ports for delivery reactants and ports to remove reactants. The Electrode plate has at least one area for the Moisturizing an incoming dry or partially moisturized Reactant on.

Unter Elektrodenplatten werden Anodenplatten und Kathodenplatten verstanden. Diese weisen im allgemeinen auf ihrer Oberfläche Strukturen aus Kanälen auf, mit denen Reaktandenströme geführt und verteilt werden können, sogenannte Verteilungsbereiche. Under electrode plates are anode plates and Understood cathode plates. These are generally on their Surface structures from channels on which reactant streams managed and distributed, so-called Distribution areas.

Unter Reaktanden werden die an der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle teilnehmenden Stoffe verstanden. Dabei handelt es sich um einen Brennstoff, z. B. H₂, der bei der Reaktion oxidiert wird, und um ein Oxidationsmittel, beispielsweise O₂ oder ein O₂-haltiges Gas, z. B. Luft, das bei der Reaktion reduziert wird. Reactants are understood to be the substances participating in the electrochemical reaction in the fuel cell. This is a fuel, eg. B. H ₂ , which is oxidized in the reaction, and an oxidizing agent, for example, O ₂ or an O ₂ -containing gas, for. For example, air that is reduced in the reaction.

Unter Ports werden Durchbrüche auf den Elektrodenplatten verstanden, die beim übereinander Stapeln der Elektrodenplatten Röhren bilden und zum Zu- und Abführen von Reaktanden und/oder Kühlmitteln im Brennstoffzellenstapel bzw. in den Brennstoffzellen dienen. Unter Ports werden im Rahmen dieser Erfindung auch seitliche Öffnungen in einer Brennstoffzelle zum Zwecke der Zu- oder Abführung der Reaktanden und/oder des Kühlmittels verstanden, sog. Einlaß- oder Auslaß-Schlitze. Under Ports are breakthroughs on the electrode plates understood when stacking the electrode plates Form tubes and for supplying and removing reactants and / or Coolants in the fuel cell stack or in the Fuel cells serve. Under ports are within the scope of this invention also lateral openings in a fuel cell for the purpose the supply or removal of the reactants and / or the coolant understood, so-called. Inlet or outlet slots.

Der Bereich für die Befeuchtung eines eintretenden trockenen oder teilbefeuchteten Reaktandenstroms wird im folgenden kurz Befeuchtungsbereich genannt. In diesem Befeuchtungsbereich kann neben Wasser auch Wärme ausgetauscht werden, so daß dort insgesamt eine Konditionierung des eintretenden Reaktandenstroms stattfinden kann. Der Befeuchtungsbereich ist damit wenigstens teilweise auch ein Konditionierungsbereich. Der Befeuchtungsbereich ist auf der Elektrodenplatte integriert, d. h. daß er auf der Elektrodenplatte angeordnet ist und mit dieser, zusammen mit den Ports, Kanälen und Verteilungsbereichen, eine Einheit bildet. The area for moistening an incoming dry or partially humidified reactant stream will be brief in the following Called humidification area. In this humidification area In addition to water and heat can be exchanged, so that there Overall, a conditioning of the incoming Reactant stream can take place. The humidification area is with it at least partially also a conditioning area. Of the Humidification area is integrated on the electrode plate, d. H. that it is arranged on the electrode plate and with this, along with the ports, channels and Distribution areas, a unit forms.

Der Befeuchtungsbereich der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte kann z. B. durch wenigstens eine Vertiefung oder Mulde gebildet werden oder durch wenigstens eine Noppen- oder Kanalstruktur, wobei auch Kombinationen daraus in Frage kommen. Vorzugsweise wird jedoch der Befeuchtungsbereich der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte von wenigstens einer Kanalstruktur auf der Elektrodenplatte gebildet. The humidification area of the electrode plate according to the invention can z. B. formed by at least one depression or trough or by at least one nub or channel structure, although combinations of these come into question. Preferably However, the humidification of the invention Electrode plate of at least one channel structure on the Electrode plate formed.

Unter einer Kanalstruktur wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Struktur aus einem oder mehreren Kanälen verstanden, die zwei oder mehrere Ports einer Elektrodenplatte leitungsmäßig verbinden. Die Kanäle können dabei parallel angeordnet sein und einen oder mehrere Umlenkungen aufweisen, wodurch z. B. mäander- oder serpentinenförmige Kanalstrukturen entstehen. Under a channel structure is under the present Invention a structure of one or more channels understood, the two or more ports of an electrode plate connect by line. The channels can be parallel be arranged and have one or more deflections, whereby z. B. meandering or serpentine channel structures arise.

Unter einem Kanal wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vertiefung verstanden, die Ports einer Elektrodenplatte leitungsmäßig verbindet und in dem ein Fluid von einem Port zu einem anderen Port strömen kann. Der Kanal gibt den Weg vor, den das Fluid bzw. die Strömung im wesentlichen nehmen muß, um vom Kanaleingang zum Kanalausgang zu gelangen. Insofern ist ein Kanal ein Mittel zur Vorgabe einer gewünschten Strömungsgeometrie. Die Kanäle können in ihrem Verlauf einen gleich bleibenden Querschnitt aufweisen, d. h. Tiefe und/oder Breite können entlang dem Kanal konstant sein; der Querschnitt kann sich aber auch entlang eines Kanals ändern, z. B. indem sich Tiefe und/oder Breite des Kanals ändern. Sind zwei oder mehr Kanäle vorhanden, so können diese gleiche oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Durch die Wahl einer Kanalgeometrie kann ein Kanal auf bestimmte Anforderungen angepaßt werden. Die Kanäle können auf einer Elektrodenplatten beispielsweise durch Prägen oder Fräsen erzeugt werden. Under a channel is in the context of the present invention a recess understood, the ports of an electrode plate conductively connects and in which a fluid from a port to can flow to another port. The channel shows the way which must take the fluid or the flow substantially to to get from the channel input to the channel output. So far a channel means for specifying a desired Flow geometry. The channels can be equal in their course having a constant cross-section, d. H. Depth and / or width may be constant along the channel; the cross section can But also change along a channel, z. B. by yourself Change the depth and / or width of the channel. Are two or more Channels exist, so can these same or have different cross sections. By choosing one Channel geometry, a channel can be adapted to specific requirements become. The channels can be on an electrode plates be produced for example by embossing or milling.

Wird der Befeuchtungsbereich durch eine oder mehrere Noppenstrukturen gebildet, so werden die Vertiefungen um die Noppen herum als Kanäle im Sinne der vorliegenden Erfindung betrachtet. If the humidification area by one or more Formed nub structures, so the pits around the pimples around as channels in the sense of the present invention considered.

Die wenigstens eine Kanalstruktur der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte grenzt vorzugsweise an wenigstens einen, auf derselben Elektrodenplatte angeordneten Verteilungsbereich an und ist mit diesem leitungsmäßig, d. h. über kommunizierende Röhren, verbunden. Unter kommunizierenden Röhren werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Ports, Verbindungskanälen und Kanäle, z. B. der Verteilungsbereiche, verstanden. Die wenigstens eine Kanalstruktur der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte ist dabei vorzugsweise dem wenigstens einen Verteilungsbereich strömungsmäßig vorgeschaltet, d. h. strömungsaufwärts angeordnet. The at least one channel structure of the invention Electrode plate is preferably adjacent to at least one on the same electrode plate arranged distribution area and is with this line, d. H. over communicating Tubes, connected. Under communicating tubes are in the frame the present invention ports, connecting channels and Channels, e.g. As the distribution areas, understood. The least a channel structure of the electrode plate according to the invention preferably the at least one distribution area fluid upstream, d. H. upstream arranged.

Wird der Befeuchtungsbereich von einer Kanalstruktur gebildet, so muß diese von der Kanalstruktur des Verteilungsbereichs unterschieden werden. Die Kanalstrukuren der beiden Bereiche sind nicht identisch. Der Befeuchtungsbereich kann aber, wie erwähnt, auch durch eine Vertiefung oder Mulde oder eine Noppenstruktur auf der Elektrodenplatte gebildet werden, wobei auch Kombinationen in Frage kommen. If the humidification area is formed by a channel structure, so this must be from the channel structure of the distribution area be differentiated. The channel structures of the two areas are not identical. The humidification area can, however, like mentions, also by a depression or depression or a Nub structure be formed on the electrode plate, wherein also combinations come into question.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte ist die wenigstens eine Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs dem wenigstens einen Verteilungsbereich strömungsmäßig sowohl vorgeschaltet, als auch nachgeschaltet, so daß die Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs sowohl mit der Eingangsseite, als auch mit der Ausgangsseite des wenigstens einen Verteilungsbereichs leitungsmäßig verbunden ist und mit diesem kommuniziert. Das hat den Vorteil, daß der austretende und der eintretende Reaktandenstrom Teile desselben Reaktandenstroms sind. Dadurch kann z. B. vermieden werden, daß Bestandteile eines Reaktandenstroms unerwünschter Weise in einen anderen Reaktandenstrom gelangen, wie es beispielsweise möglich wäre, wenn ein eintretender H₂-Strom mit einem austretenden Luft-Strom befeuchtet werden würde. Durch Diffusion von H₂ in den Luftstrom könnten sich dabei unter ungünstigen Umständen gefährliche Knallgasgemische bilden; zumindest würde sich aber der Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle erniedrigen. In an advantageous embodiment of the electrode plate according to the invention, the at least one channel structure of the humidification area is upstream of the at least one distribution area as well as downstream so that the channel structure of the humidification area is conductively connected both to the input side and to the output side of the at least one distribution area and communicated with this. This has the advantage that the exiting and entering reactant streams are part of the same reactant stream. As a result, z. Example, be avoided that components of a reactant flow undesirably enter into another reactant stream, as would be possible, for example, if an incoming H ₂ stream would be moistened with an exiting air stream. By diffusion of H ₂ in the air flow could form under unfavorable circumstances dangerous explosive gas mixtures; but at least the efficiency of the PEM fuel cell would decrease.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte ist die wenigstens eine Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs mit einer wasserdurchlässigen Membran, insbesondere einer wasserdampfdurchlässigen Membran, abgedeckt. Die Abdeckung durch die Membran ist derart, daß sie annähernd dicht ist, d. h. daß Stoffe sie durchwandern müssen, um senkrecht zur Strömungsrichtung von einer Seite der Membran zur anderen zu gelangen und daß es enkrecht zur Strömungsrichtung im wesentlichen keinen anderen Weg von der einen Seite der Membran zur anderen Seite gibt. In a further advantageous embodiment of the The electrode plate according to the invention is the at least one channel structure the humidification area with a water-permeable Membrane, in particular a water vapor permeable membrane, covered. The cover through the membrane is such that it is nearly dense, d. H. that substances have to go through them, perpendicular to the flow direction from one side of the membrane to get to the other and that it is right to Flow direction essentially no other way from one side the membrane to the other side there.

Dabei ist es bevorzugt, wenn der Raum im Bereich der Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs unter der wasserdurchlässigen Membran über wenigstens einen Verteilungsbereich mit dem Raum im Bereich der Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs über der Membran leitungsmäßig verbunden ist. D. h. daß Stoffe nicht nur durch Diffusion durch die Membran hindurch von einer Seite der Membran zur anderen Seite gelangen können, sondern auch den Weg über Ports und Kanäle nehmen können. Vorzugsweise kann im wesentlichen nur Wasser oder Wasserdampf direkt durch die Membran hindurch diffundieren, während alle anderen Stoffe den Weg über Ports und Kanäle nehmen müssen. It is preferred if the space in the area of Channel structure of the humidification area under the permeable membrane over at least one distribution area with the Space in the area of the channel structure of the humidification area is conductively connected across the membrane. Ie. that substances not only by diffusion through the membrane of a Side of the membrane can get to the other side, but can also take the path via ports and channels. Preferably Essentially only water or water vapor can pass directly through diffuse through the membrane while all other substances need to take the path via ports and channels.

Es ist weiter bevorzugt, wenn Ports, Verteilungsbereiche, Kanalstrukturen des Befeuchtungsbereichs und wasserdurchlässige Membranen so angeordnet sind, daß ein eintretender Reaktandenstrom im Bereich der wenigstens einen Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs auf der einen Seite der wasserdurchlässigen Membran vorbeiströmt und nach Passage von Ports und Verteilungsbereichen als austretender Reaktandenstrom auf der anderen Seite, so daß Wasser von einem austretenden Reaktandenstrom auf einen strömungsaufwärts eintretenden Reaktandenstrom übertragen werden kann. It is further preferred if ports, distribution areas, Channel structures of the humidification area and water permeable Membranes are arranged so that an incoming Reactant stream in the region of at least one channel structure of the Humidification area on one side of the water permeable Membrane flows past and after passage of ports and Distribution areas as emerging Reaktandenstrom on the other side, leaving water from an escaping Reactant stream to an upstream entering reactant stream can be transferred.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine PEM-Brennstoffzelle mit wenigstens einem integrierten Befeuchtungsbereich sowie einer MEA, die zwischen zwei Elektrodenplatten angeordnet ist, wobei die Elektrodenplatten Verteilungsbereiche zur Verteilung der Reaktanden an die MEA, Ports zur Zuführung der Reaktanden und Ports zur Abführung der Reaktanden aufweisen. Erfindungsgemäß wird der wenigstens eine integrierte Befeuchtungsbereich von den Elektrodenplatten gebildet. Another object of the present invention is a PEM fuel cell with at least one integrated Moistening area and an MEA, between two Electrode plates is arranged, wherein the electrode plates Distribution areas for distributing the reactants to the MEA, ports for supplying the reactants and ports for discharging the Reactants have. According to the invention, the at least one integrated humidification area of the electrode plates educated.

Vorzugsweise wird der wenigstens eine Befeuchtungsbereich von Kanalstrukturen auf den Elektrodenplatten gebildet. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die Elektrodenplatten unversetzt so übereinander angeordnet sind, daß die Kanalstrukturen des Befeuchtungsbereichs auf den Elektrodenplatten im wesentlichen zur Deckung kommen. Preferably, the at least one humidification area of Channel structures formed on the electrode plates. It is it is further preferred if the electrode plates are so unadjusted are arranged one above the other, that the channel structures of Humidification on the electrode plates substantially come to cover.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle zwischen den Kanalstrukturen, die wenigstens einen Befeuchtungsbereich bilden, eine wasserdurchlässige Membran angeordnet, welche die Kanalstrukturen leitungsmäßig verbindet. Dabei ist es von Vorteil, wenn die wasserdurchlässige Membran die PEM ist. Preferably, in the fuel cell according to the invention between the channel structures, the at least one Moisturizing area, a water-permeable membrane arranged, which connects the channel structures in line. there it is advantageous if the water permeable membrane the PEM is.

Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn die wasserdurchlässige Membran aus einem anderen Material als die PEM besteht. Dabei haben sich insbesondere Polyimide und Polyester als geeignet erwiesen. Als besonders geeignet haben sich Polyester der Firma Sympatex erwiesen. But it can also be an advantage if the water-permeable membrane made of a different material than the PEM. In particular, polyimides and polyesters have as proved suitable. Particularly suitable are the polyester Company Sympatex proved.

Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die wasserdurchlässige Membran an die PEM angrenzt und noch weiter bevorzugt ist es, wenn die wasserdurchlässige Membran wenigstens teilweise mit der PEM überlappt. It is further preferred if the water-permeable Membrane adjacent to the PEM and even more preferred is when the water-permeable membrane at least partially with the PEM overlaps.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle grenzt der wenigstens eine Befeuchtungsbereich an eine MEA an und ist mit dieser leitungsmäßig verbunden. Dabei ist der wenigstens eine Befeuchtungsbereich der MEA vorzugsweise strömungsmäßig vorgeschaltet. In a further advantageous embodiment of the Fuel cell of the invention adjoins the at least one Humidification to an MEA and is with this line connected. In this case, the at least one humidification area the MEA preferably upstream upstream.

Weiter bevorzugt ist es, wenn Oberseite und Unterseite der wasserdurchlässigen Membran über Ports und Verteilungsbereiche leitungsmäßig miteinander verbunden sind, so daß eintretende Reaktandenströme auf der einen Seite der wasserdurchlässigen Membran vorbeiströmen und austretende Reaktandenströme auf der anderen Seite. It is further preferred if top and bottom of the water-permeable membrane over ports and distribution areas are conductively connected together, so that incoming Reactant streams on one side of the water-permeable Prevent flow of membrane and leaking reactant streams on the other side.

Noch weiter bevorzugt ist es, wenn Ports und Verteilungsbereiche so angeordnet sind, daß eintretende und austretende Reaktandenströme in entgegengesetzter Richtung an der wasserdurchlässigen Membran vorbeiströmen. Dadurch kann Wasser und ggf. Wärme effektiver übertragen werden, als dies beispielsweise bei einer parallelen Strömung von eintretenden und austretenden Reaktandenströmen möglich ist. It is even more preferable if ports and Distribution areas are arranged so that incoming and outgoing Reactant streams in the opposite direction at the water-permeable membrane flow past. This allows water and possibly Transfer heat more effectively than this, for example in a parallel flow of incoming and exiting reactant streams is possible.

Ein dritter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein PEM- Brennstoffzellenstapel, der die vorstehend beschriebenen PEM- Brennstoffzellen aufweist. A third subject of the present invention is a PEM Fuel cell stack comprising the above-described PEM Fuel cell has.

Ein vierter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Befeuchtung von Reaktandenströmen für PEM- Brennstoffzellen, bei dem Reaktanden nach Eintritt in die Brennstoffzelle und vor Eintritt in einen Verteilungsbereich befeuchtet werden. Dabei werden eintretende Reaktandenströme in wenigstens einem, einer MEA strömungsmäßig vorgeschalteten Befeuchtungsbereich befeuchtet. A fourth subject of the present invention is a Process for humidifying reactant streams for PEM Fuel cells, the reactants after entering the Fuel cell and before entering a distribution area be moistened. In the process, incoming reactant streams are formed in at least one, upstream of a MEA Humidification area moisturizes.

Bevorzugt wird dabei zur Befeuchtung der eintretenden Reaktandenströme wenigstens teilweise, vorzugsweise ausschließlich das in den austretenden Reaktandenströmen enthaltene Wasser eingesetzt, wodurch die austretenden Reaktandenströme entfeuchtet werden. Preference is given here for moistening the incoming Reactant streams at least partially, preferably exclusively the water contained in the exiting reactant streams used, whereby the exiting Reaktandenströme be dehumidified.

Vorzugsweise gehen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die eintretenden Reaktandenströme strömungsabwärts in die austretenden Reaktandenströme über, so daß Wasser von den austretenden Reaktandenströmen auf die eintretenden Reaktandenströme derselben Ströme übertragen wird. Preferably, in the method according to the invention go entering Reaktandenströme downstream in the leaking reactant streams, so that water from the leaking reactant streams to the incoming reactant streams the same streams is transmitted.

Insbesondere wird dabei außer Wasser auch Wärme von den eintretenden Reaktandenströmen auf die austretenden Reaktandenströme desselben Stromes übertragen. Dadurch wird das bei der elektrochemischen Reaktion entstehende Wasser für die Befeuchtung eintretender Reaktandenströme verwendet, so daß auf gesonderte Vorrichtungen zum Speichern von Wasser, das für die Befeuchtung benötigt wird, verzichtet werden kann. In particular, in addition to water and heat from the entering reactant streams on the exiting Reactant streams of the same stream transmitted. This will do that at the electrochemical reaction resulting water for the Moistening incoming Reaktandenströme used so that separate devices for storing water used for the Humidification is needed, can be dispensed with.

Ein fünfter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Befeuchten einer PEM einer PEM-Brennstoffzelle, bei dem die PEM wenigstens teilweise durch das in den Reaktandenströmen enthaltene Wasser befeuchtet wird. Dabei werden die eintretenden Reaktandenströme gemäß dem vorstehend offenbarten Verfahren befeuchtet. A fifth object of the present invention is a Method for moistening a PEM of a PEM fuel cell the PEM at least partially by the in the Reactant streams contained water is moistened. Here are the incoming reactant streams according to the above disclosed Procedure moisturizes.

Dabei ist es bevorzugt, wenn das in einem austretenden Reaktandenstrom enthaltene Wasser wenigstens teilweise von einer wasserdurchlässigen Membran aufgenommen wird und von dieser auf die PEM übertragen wird. Das im austretenden Luftstrom enthaltene Wasser diffundiert dabei auf oder in der wasserdurchlässigen Membran zur PEM und befeuchtet diese. Dabei ist es auch möglich, daß das in einem austretenden Reaktandenstrom enthaltene Wasser wenigstens teilweise an der wasserdurchlässigen Membran auskondensiert. Durch diesen zusätzlichen Befeuchtungsmechanismus kann der Befeuchtungsbereich und damit die gesamte Elektrodenplatte oder Brennstoffzelle weiter verkleinert werden. It is preferred if that in an exiting Reactant stream contained water at least partially from one water permeable membrane is absorbed and from this is transferred to the PEM. That in the exiting airflow contained water diffuses on or in the permeable membrane to the PEM and moisturizes them. It is it is also possible for this to occur in an exiting reactant stream contained water at least partially at the condensed water permeable membrane. Through this additional Moistening mechanism can be the humidification area and thus the entire electrode plate or fuel cell on be downsized.

Ein sechster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben von PEM-Brennstoffzellen, das die folgende Schritte aufweist:

1. a.) Zuführen von Reaktandenströmen zu einer PEM- Brennstoffzelle;
2. b.) befeuchten von wenigstens einem der eintretenden Reaktandenströme in wenigstens einem integrierten Befeuchtungsbereich;
3. c.) führen der Reaktandenströme durch wenigstens einen Verteilungsbereich über eine MEA;
4. d.) entfeuchten des wenigstens einen Reaktandenstroms in dem wenigstens einen integrierten Befeuchtungsbereich;
5. e.) übertragen des bei der Entfeuchtung gewonnenen Wassers auf den eintretenden Reaktandenstrom;
6. f.) abführen der Reaktandenströme aus der PEM- Brennstoffzelle.

A sixth aspect of the present invention is a method of operating PEM fuel cells comprising the steps of:

1. a.) Supplying reactant streams to a PEM fuel cell;
2. b.) Moistening at least one of the incoming reactant streams in at least one integrated moistening area;
3. c.) The reactant streams pass through at least one distribution area via an MEA;
4. d.) Dehumidifying the at least one reactant stream in the at least one integrated moistening area;
5. e.) Transfer of the water obtained during dehumidification to the incoming reactant stream;
6. f.) Removing the reactant streams from the PEM fuel cell.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Durchführung der Befeuchtung von eintretenden Reaktandenströmen und der PEM auf einfache und wirkungsvolle Weise in einer PEM-Brennstoffzelle. Dadurch kann sowohl das Volumen als auch das Gewicht eines Brennstoffzellenstapels, der die erfindungsgemäße Elektrodenplatte oder die erfindungsgemäße Brennstoffzelle enthält, reduziert werden. The present invention enables the implementation of Humidification of incoming reactant streams and the PEM simple and effective way in a PEM fuel cell. This allows both the volume and the weight of a Fuel cell stack, the inventive Contains electrode plate or the fuel cell according to the invention, be reduced.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß für die Erwärmung der eintretenden trockenen oder teilbefeuchteten Reaktandenströme sowie zum Abkühlen der austretenden Reaktandenströme oder zur Wiedergewinnung von Wasser aus diesen keine gesonderten Bauteile, d. h. keine separaten Komponenten eines Brennstoffzellensystems, benötigt werden. Alle Komponenten (Bauteile) eines Brennstoffzellensystems müssen nämlich so miteinander verbunden werden, daß sie ein geschlossenes System bilden. Alle Verbindungsstellen zwischen den Komponenten müssen daher abgedichtet werden. Solche Dichtungen stellen aber im allgemeinen Schwachstellen dar, die für Undichtigkeiten anfällig sind. Mit der vorliegenden Erfindung kann dagegen die Anzahl der System- Komponenten und damit die Anzahl bzw. die Fläche potentiell störungsanfälliger Dichtungen reduziert werden. Another advantage is that for the heating of the entering dry or partially wetted reactant streams and for cooling the exiting Reaktandenströme or Recovery of water from these no separate Components, d. H. no separate components of one Fuel cell system, needed. All components (components) of a That is because fuel cell systems must work together like this that they form a closed system. All Connection points between the components must therefore be sealed. But such seals generally pose Weaknesses prone to leaks. With On the other hand, according to the present invention, the number of system Components and thus the number or area potentially fault-prone seals are reduced.

Mit der Reduktion der Systemkomponenten ist auch eine vorteilhafte Verminderung des Gesamtweges der Reaktandenströme durch das Brennstoffzellen-System verbunden. Dadurch kann der Druckverlust und die für den Transport der Reaktandenströme aufzubringende Leistung verringert werden, so daß insgesamt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems ansteigt. With the reduction of the system components is also a advantageous reduction of the total path of the reactant streams the fuel cell system connected. This allows the Pressure loss and for the transport of the reactant streams be reduced to be applied power, so that the total Efficiency of the fuel cell system increases.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch eine, im Vergleich zum Stand der Technik, homogenere Temperaturverteilung im Befeuchtungsbereich bei höheren Temperaturen. Herkömmliche Befeuchtereinheiten weisen nämlich in ihrer der Brennstoffzelle zugewandten Seite höhere Temperaturen auf, als in ihrer der Brennstoffzelle abgewandten Seite. Dadurch kommt es zu einer sehr inhomogenen Temperaturverteilung in der Befeuchtereinheit, was sich ungünstig auf den Wasseraustausch zwischen eintretenden und austretenden Reaktandenströmen auswirkt. The present invention also allows one, in comparison to the prior art, more homogeneous temperature distribution in Humidification range at higher temperatures. conventional Humidifying units have namely in their fuel cell facing side higher temperatures than in their the Fuel cell side facing away. This leads to a very inhomogeneous temperature distribution in the Humidifier unit, which is unfavorable to the water exchange between entering and exiting reactant streams.

Ferner kann der Gesamtdruckverlust eines Brennstoffzellensystems reduziert werden, weil die Reaktandenströme weniger System-Komponenten durchströmen müssen und es weniger Verbindungsstellen zwischen System-Komponenten gibt, die abgedichtet werden müssen und die potentiell anfällig für unerwünschte Undichtigkeiten sind. Furthermore, the total pressure loss of a Fuel cell system can be reduced because the reactant streams less System components must flow through and less There are joints between system components that are sealed must be and the potentially vulnerable to unwanted Leaks are.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß Anodenreaktandenstrom mit Anodenreaktandenstrom und Kathodenreaktandenstrom mit Kathodenreaktandenstrom befeuchtet werden kann. Dadurch kann verhindert werden, daß H₂ - ein üblicher Anodenreaktand - durch die Befeuchtungsmembran in den Kathodenreaktandenstrom eindiffundiert, wie es bei Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik möglich ist. Ein solches Eindiffundieren von Anodenreaktand in den Kathodenreaktandenstrom führt zu einem verminderten Wirkungsgrad und kann unter ungünstigen Umständen zu einer Explosion führen. Another advantage of the present invention is that anode reactant stream with anode reactant stream and cathode reactant stream can be wetted with cathode reactant stream. This will prevent H ₂ - a common anode reactant - from diffusing through the humidifying membrane into the cathode reactant stream, as is possible with prior art devices and processes. Such diffusing of anode reactant into the cathode reactant stream results in reduced efficiency and may lead to an explosion in unfavorable circumstances.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigt The present invention is described below with reference to FIGS explained in more detail. It shows

Fig. 1 den Stand der Technik, nämlich eine Kombination aus einem Brennstoffzellenstapel und einem Befeuchtungsmodul; Fig. 1 of the prior art, namely a combination of a fuel cell stack and a humidifier module;

Fig. 2 (a) eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte mit integriertem Befeuchtungsbereich; (b) eine Ansicht einer erfindungsgemäße Brennstoffzelle entlang der Linie A-A (vgl. (a)); FIG. 2 (a) shows an electrode plate according to the invention with integrated wetting area; FIG. (b) a view of a fuel cell according to the invention along the line AA (see (a));

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte mit einer möglichen Führung eines Reaktandenstroms; Fig. 3 is an electrode plate according to the invention with a possible guiding a reactant stream;

Fig. 4 zwei erfindungsgemäße Elektrodenplatten für Niederdruck-Brennstoffzellen; Fig. 4, two electrode plates according to the invention for low pressure fuel cells;

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte für Niederdruck-Brennstoffzellen mit alternativer Führung eines Reaktandenstroms; Fig. 5 is an electrode plate according to the invention for low pressure fuel with alternative guide a reactant stream;

Fig. 6 (a) eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte, bei der die Befeuchtungsmembran direkt an die MEA angrenzt; (b) eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte, bei der die Befeuchtungsmembran teilweise mit der MEA überlappt; Fig. 6 (a) shows an electrode plate according to the invention in which the humidifying membrane is directly adjacent to the MEA; (b) an electrode plate according to the invention in which the moistening membrane partially overlaps with the MEA;

Fig. 7 (a) eine Elektrodenplatte des Standes der Technik, d. h. ohne Befeuchtungsbereich und (b) den dazugehörigen Temperaturverlauf der Kathodenluft; (c) eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte mit Befeuchtungsbereich und (d) den dazugehörigen Temperaturverlauf der Kathodenluft. Fig. 7 (a) shows an electrode plate of the prior art, ie without moistening region and (b) the associated temperature profile of the cathode air; (C) an electrode plate according to the invention with humidification and (d) the associated temperature profile of the cathode air.

Als Reaktand sei im Nachfolgenden stets Luft als Oxidationsmittel angenommenen. Bei allen nachstehenden Erläuterungen hinsichtlich der Reaktandenströme wird davon ausgegangen, daß die dargestellten Elektrodenplatten in Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapel eingebaut sind, wobei der Übersichtlichkeit halber nicht alle Bauteile der Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapel dargestellt sind. As reactant in the following always air as Oxidizing agents assumed. For all explanations below with regard to the reactant streams, it is assumed that the illustrated electrode plates in fuel cells or Fuel cell stacks are installed, wherein the For clarity, not all components of the fuel cell or Fuel cell stacks are shown.

Fig. 1 zeigt den Stand der Technik, nämlich die Kombination aus einem Befeuchtungsmodul (3) mit einem Brennstoffzellenstapel (1), die in einem Gehäuse angeordnet sind. Der Verlauf des Luftstroms ist durch Pfeile dargestellt. Die Luft tritt über den Einlaß (5) in das Befeuchtungsmodul (3) ein, durchströmt dieses, wobei Wasser und ggf. Wärme aufgenommen werden, strömt dann weiter über das Interface (2) in den Brennstoffzellenstapel (1), wo sie auf die einzelnen Brennstoffzellen verteilt wird und teilweise oder ganz abreagiert und dabei mit Wasser und Wärme angereichert wird. Danach wird sie erneut durch das Interface (2) geleitet und tritt in das Befeuchtungsmodul (3) ein, wo sie durch Befeuchtungsmembranen (4) hindurch Wasser und ggf. Wärme an den eintretenden Luftstrom abgibt (durch gebogene Pfeile dargestellt), bevor sie schließlich über den Auslaß (6) aus dem Befeuchtungsmodul (3) austritt. Fig. 1 shows the prior art, namely the combination of a humidification module ( 3 ) with a fuel cell stack ( 1 ), which are arranged in a housing. The course of the air flow is shown by arrows. The air enters via the inlet ( 5 ) in the moistening module ( 3 ), flows through this, wherein water and possibly heat are absorbed, then flows further through the interface ( 2 ) in the fuel cell stack ( 1 ), where they on the individual Fuel cells is distributed and partially or completely reacted and thereby enriched with water and heat. Thereafter, it is again passed through the interface ( 2 ) and enters the humidification module ( 3 ), where it passes through humidifying membranes ( 4 ) through water and possibly heat to the incoming air flow (shown by curved arrows), before finally over the outlet ( 6 ) from the moistening module ( 3 ) exits.

Der Brennstoffzellenstapel (1) gibt über das Interface (2) Wärme an das Befeuchtungs-Modul (3) ab, allerdings nur an eine Seite des Befeuchtungs-Moduls, nämlich an die linke Seite. Die Folge davon ist, daß das Befeuchtungsmodul (3) auf der linken Seite eine höhere Temperatur aufweist als auf der rechten Seite. Dieser ungünstige Temperaturverlauf hat, wie bereits im Zusammenhang mit der US-PS 5,382,478 erläutert, eine ineffektive Befeuchtung der Reaktanden zur Folge. The fuel cell stack ( 1 ) emits heat to the moistening module ( 3 ) via the interface ( 2 ), but only to one side of the moistening module, namely to the left side. The result of this is that the moistening module ( 3 ) has a higher temperature on the left side than on the right side. This unfavorable temperature profile has, as already explained in connection with the US-PS 5,382,478, an ineffective humidification of the reactants result.

In Fig. 2a ist eine erfindungsgemäße Kathodenplatte (21) mit integriertem Befeuchtungsbereich (8) dargestellt. Die Kanalstrukturen des Befeuchtungsbereichs (8) und des Verteilungsbereichs (14) sowie die Verbindungskanäle sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Kathodenplatte weist sechs Durchbrüche auf, die als Ports vorgesehen sind (7, 9, 11, 12, 18, 19). Sie weist ferner den Befeuchtungsbereich (8) auf, in dem der eintretende Luftstrom durch Kanäle von Port (7) zu Port (9) geführt wird. Die Kanäle des Befeuchtungsbereichs (8) und des Verteilungsbereichs (14) sind wie erwähnt nicht dargestellt; durch Pfeile dargestellt ist lediglich der schematische Verlauf des Luftstroms in beiden Bereichen. Der Kathodenplatte (21) wird Luft über Port (7) zugeführt, die dann über einen Verbindungskanal zum Befeuchtungsbereich (8) geführt wird, der von einer Befeuchtungsmembran (4) bedeckt ist. Die Luft strömt auf der Unterseite der Befeuchtungsmembran (4) durch den Befeuchtungsbereich (8). Dort nimmt sie Wasser und ggf. Wärme auf und gelangt über einen Verbindungskanal zu Port (9). Von dort aus strömt die Luft durch einen Verteilungsbereich (14) der in einer Brennstoffzelle über der elektrochemisch aktiven Fläche angeordnet ist. (18) und (19) sind Ports zur Zu- bzw. Abfuhr von Brennstoff, z. B. H₂. FIG. 2 a shows a cathode plate ( 21 ) according to the invention with integrated wetting area ( 8 ). The channel structures of the humidification area ( 8 ) and the distribution area ( 14 ) as well as the connection channels are not shown for the sake of clarity. The cathode plate has six openings, which are provided as ports ( 7 , 9 , 11 , 12 , 18 , 19 ). It also has the humidification area ( 8 ), in which the incoming air flow is conducted through channels from port ( 7 ) to port ( 9 ). The channels of the humidification area ( 8 ) and the distribution area ( 14 ) are not shown as mentioned; shown by arrows is only the schematic course of the air flow in both areas. The cathode plate ( 21 ) is supplied with air via port ( 7 ), which is then passed through a connection channel to the humidification area ( 8 ) covered by a humidifying membrane ( 4 ). The air flows through the humidifying area ( 8 ) on the underside of the humidifying membrane ( 4 ). There it takes up water and possibly heat and passes through a connecting channel to port ( 9 ). From there, the air flows through a distribution region ( 14 ) which is arranged in a fuel cell above the electrochemically active surface. ( 18 ) and ( 19 ) are ports for the supply and removal of fuel, eg. B. H ₂ .

Port (9) ist nicht unbedingt nötig, um den Verlauf der Strömung zu realisieren, er kann aber von Vorteil sein, wenn ein Brennstoffzellenstapel realisiert wird. Der Vorteil kann darin bestehen, daß durch die Verbindung der einzelnen Brennstoffzellen eine gleichmäßigere Verteilung der Luft erzielt wird. Wird die Elektrodenplatte ohne Port (9) ausgeführt, so strömt die befeuchtete und ggf. erwärmte Luft vom Befeuchtungsbereich (8) direkt über einen Verbindungskanal in den Verteilungsbereich (14) bzw. über die elektrochemisch aktiven Fläche der Brennstoffzelle. Port ( 9 ) is not necessarily necessary to realize the flow of the flow, but it may be advantageous if a fuel cell stack is realized. The advantage may be that by the connection of the individual fuel cells, a more uniform distribution of the air is achieved. If the electrode plate is designed without a port ( 9 ), the humidified and possibly heated air flows from the humidification region ( 8 ) directly into the distribution region ( 14 ) or via the electrochemically active surface of the fuel cell via a connecting channel.

Beim Durchströmen des Verteilungsbereichs (14) reagiert der Sauerstoff der Luft an der elektrochemisch aktiven Fläche der Brennstoffzelle teilweise oder ganz ab, wobei Wasser entsteht. Nach Passage des Verteilungsbereichs (14) wird die Luft zum Port (11) geführt, von wo sie von der Kathodenplatte (21) zur Anodenplatte (20, vgl. Fig. 2b) übergeleitet wird. Die Anodenplatte (20) ist spiegelbildlich zur Kathodenplatte (21) aufgebaut. Von Port (11) aus strömt die Luft wieder durch den Befeuchtungsbereich (8), diesmal auf der Oberseite der Befeuchtungsmembran (4), in entgegengesetzter Richtung wie zuvor (nicht dargestellt), wobei sie Wasser und ggf. Wärme abgibt, und gelangt zu Port (12) von wo aus sie als Abgas abgeführt wird. When flowing through the distribution region ( 14 ), the oxygen of the air at the electrochemically active surface of the fuel cell reacts partially or completely, whereby water is formed. After passage of the distribution area ( 14 ), the air is led to the port ( 11 ), from where it is transferred from the cathode plate ( 21 ) to the anode plate (20, see Fig. 2b). The anode plate ( 20 ) is constructed in mirror image to the cathode plate ( 21 ). From port ( 11 ) the air flows again through the humidifying area ( 8 ), this time on top of the humidifying membrane ( 4 ), in the opposite direction as before (not shown), giving off water and possibly heat, and goes to port ( 12 ) from where it is discharged as exhaust gas.

Fig. 2b zeigt eine Brennstoffzelle mit Kathodenplatte (21), Anodenplatte (20) und dazwischen liegender MEA (16). Ferner ist die Befeuchtungsmembran (4) zu erkennen, sowie der Bereich (15) in dem der Brennstoff, z. B. H₂, in Kontakt mit der MEA (16) tritt. Der Befeuchtungsbereich (8), hier durch die gestrichelte Ellipse markiert, besteht aus einer oberen und einer unteren Kanalstruktur und der dazwischenliegenden Befeuchtungsmembran (4). (18) und (19) sind Ports zur Zu- bzw. Abfuhr von Brennstoff, z. B. H₂, (17) ist eine Kühleinrichtung. Der Verlauf der Luft-Strömung ist: Eintritt in die Brennstoffzelle durch Port (7) → (8) → (9) → (14) → (11) → (8) → Austritt aus der Brennstoffzelle durch Port (12). Fig. 2b shows a fuel cell with cathode plate ( 21 ), anode plate ( 20 ) and intermediate MEA ( 16 ). Furthermore, the humidifying membrane ( 4 ) can be seen, as well as the area ( 15 ) in which the fuel, for. B. H ₂ , in contact with the MEA ( 16 ) occurs. The humidification area ( 8 ), here marked by the dashed ellipse, consists of an upper and a lower channel structure and the moistening membrane ( 4 ) lying between them. ( 18 ) and ( 19 ) are ports for the supply and removal of fuel, eg. B. H ₂ , ( 17 ) is a cooling device. The course of the air flow is: Entry into the fuel cell through port ( 7 ) → ( 8 ) → ( 9 ) → ( 14 ) → ( 11 ) → ( 8 ) → exit from the fuel cell through port ( 12 ).

In Fig. 3 ist ein Beispiel einer vorteilhaften Führung einer Luftströmung (vgl. Pfeile) dargestellt. Verbindungskanäle werden im folgenden, mit Ausnahme von Verbindungskanal (22), nicht mehr erwähnt. Die Luft tritt über Port (7) ein, strömt durch den Befeuchtungsbereich (8) zu Port (9) und wird dabei mit Wasser und ggf. Wärme angereichert. Von dort aus, strömt sie durch einen Verteilungsbereich (14) über einen elektrochemisch aktiven Bereich zu dem diagonal gegenüber liegenden Port (11). Der Port (11) ist über einen Verbindungskanal (22) mit Port (11a) verbunden. Der Verbindungskanal (22) kann entweder auf oder außerhalb der Elektrodenplatte verlaufen. Vom Port (11a) gelangt die Luft wieder zum Befeuchtungsbereich (8), durchströmt diesen nun in entgegengesetzter Richtung und auf der anderen Seite der Befeuchtungsmembran (4) wie zuvor und wird dabei mit Wasser und ggf. Wärme abgereichert. (18) und (19) sind Ports zur Zu- bzw. Abfuhr von Brennstoff, z. B. H₂. Randbedingung bei der Gestaltung von Flowfields ist, daß in allen Kanälen ein im wesentlichen gleicher Druckabfall stattfindet, was u. a. dadurch erreicht werden kann, daß alle Kanäle in etwa gleich lang ausgeführt werden. Wählt man, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, Einlaß- (9) und Auslaß-Ports (11) diagonal gegenüberliegend auf der Elektrodenplatte, so kann diese Randbedingung in sehr einfacher Art und Weise erfüllt werden. Zusätzlich erlaubt diese Anordnung der Ports größere Freiheiten bei der Wahl der Lage der Ports auf der Elektrodenplatte. In Fig. 3, an example of an advantageous guidance of an air flow (see FIG. Arrows) is shown. Connection channels are not mentioned in the following, with the exception of connection channel ( 22 ). The air enters via port ( 7 ), flows through the humidification area ( 8 ) to port ( 9 ) and is thereby enriched with water and possibly heat. From there, it flows through a distribution region ( 14 ) via an electrochemically active region to the diagonally opposite port ( 11 ). The port ( 11 ) is connected via a connecting channel ( 22 ) with port ( 11 a). The connection channel ( 22 ) can run either on or outside the electrode plate. From the port ( 11 a) the air returns to the humidification area ( 8 ), flows through it now in the opposite direction and on the other side of the humidifying membrane ( 4 ) as before and is thereby depleted with water and possibly heat. ( 18 ) and ( 19 ) are ports for the supply and removal of fuel, eg. B. H ₂ . The boundary condition in the design of flowfields is that a substantially equal pressure drop takes place in all channels, which can be achieved by, among other things, carrying out all channels in approximately the same length. If one chooses, as in the present embodiment, inlet ( 9 ) and outlet ports ( 11 ) diagonally opposite each other on the electrode plate, this boundary condition can be met in a very simple manner. In addition, this arrangement of the ports allows greater freedom in choosing the location of the ports on the electrode plate.

Fig. 4a zeigt ein Beispiel einer vorteilhaften Führung einer Luftströmung für Anwendungen bei niedrigem Druck, z. B. bei etwa 1 bis 2 bara. Die Luftströmung wird durch Pfeile verdeutlicht. Bei niedrigem Druck müßten die Ports sehr groß ausgelegt werden, was nachteilhaft ist, da ein großer Teil der Elektrodenfläche den Ports geopfert werden müßte. Dies wirkte dem Bestreben nach einer möglichst kompakten Bauweise entgegen. Fig. 4 zeigt, wie die Luft bei niedrigem Druck zugeführt werden kann, ohne daß zuviel Platz verbraucht wird, nämlich über große seitliche (Luft-)Schlitze (23). Die Luft wird über Einlaß-Schlitz (23) zugeführt, strömt durch die Unterseite des Befeuchtungsbereichs (8) zu Port (9) und wird dabei befeuchtet und ggf. erwärmt. Vom Port (9) strömt die Luft durch den Verteilungsbereich (14) über die elektrochemisch aktive Fläche einer Brennstoffzelle, wird dabei mit Wasser und ggf. Wärme angereichert, strömt dann über Port (11) erneut durch den Befeuchtungsbereich (8), allerdings über die Oberseite der Befeuchtungsmembran (4), und gibt dabei durch die Befeuchtungsmembran (4) hindurch Wasser und ggf. Wärme an den eintretenden Luftstrom ab. Der Luftstrom tritt schließlich über Auslaß- Luftschlitz (24) aus. (18) und (19) sind Ports zur Zu- bzw. Abfuhr von Brennstoff, z. B. H₂. Fig. 4a shows an example of advantageous guidance of air flow for low pressure applications, e.g. B. at about 1 to 2 bara. The air flow is indicated by arrows. At low pressure, the ports would have to be made very large, which is disadvantageous because a large part of the electrode area would have to be sacrificed to the ports. This counteracted the desire for the most compact possible construction. Fig. 4 shows how the air can be supplied at low pressure without consuming too much space, namely over large lateral (air) slots ( 23 ). The air is supplied via inlet slot ( 23 ), flows through the bottom of the humidification area ( 8 ) to port ( 9 ) and is thereby moistened and possibly heated. From the port ( 9 ), the air flows through the distribution area ( 14 ) over the electrochemically active surface of a fuel cell, is thereby enriched with water and possibly heat, then flows through port ( 11 ) again through the humidification area ( 8 ), but over the Top of the humidifying membrane ( 4 ), and thereby passes through the humidifying membrane ( 4 ) through water and possibly heat to the incoming air flow. The air flow finally exits through outlet louver ( 24 ). ( 18 ) and ( 19 ) are ports for the supply and removal of fuel, eg. B. H ₂ .

Fig. 4b zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Ports (9) und (11) annähernd parallel zu den Einlaß- bzw. Auslaß-Schlitzen (23, 24) angeordnet sind. Dadurch können die Kanäle, die den Einlaß-Schlitz (23) mit Port (9) verbinden, bzw. Port (11) mit dem Auslaß-Schlitz (24), gleich lang ausgeführt werden. (18) und (19) sind Ports zur Zu- bzw. Abfuhr von Brennstoff, z. B. H₂. Fig. 4b shows an alternative embodiment in which the ports ( 9 ) and ( 11 ) are arranged approximately parallel to the inlet and outlet slots ( 23 , 24 ). This allows the channels connecting the inlet slot ( 23 ) to port ( 9 ) and port ( 11 ) to the outlet slot ( 24 ) to be of equal length. ( 18 ) and ( 19 ) are ports for the supply and removal of fuel, eg. B. H ₂ .

Eine weitere alternative Ausführungsform zeigt Fig. 5. Die Luftströmung wird durch Pfeile verdeutlicht. Die Luft tritt über Einlaß-Schlitz (23) ein, durchströmt den Befeuchtungsbereich (8) auf der Unterseite der Befeuchtungsmembran (4), wird durch den Verteilungsbereich (14) hindurch über die elektrochemisch aktive Fläche einer Brennstoffzelle zu Auslaß-Schlitz (24) geführt und dann über einen Verbindungskanal (22), der entweder auf oder außerhalb der Elektrodenplatte verlaufen kann, zu Port (11a). Dort wird die mit Wasser und ggf. Wärme angereicherte Luft, anders als vorstehend beschrieben, senkrecht zum eintretenden Luftstrom geleitet, und zwar auf der Oberseite der Befeuchtungsmembran (4), wobei sie Wasser und ggf. Wärme durch die Befeuchtungsmembran (4) hindurch an den eintretenden Luftstrom abgibt. Die Luft tritt schließlich über Port (12) aus. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht in ihrer besonderen Einfachheit, die eine kompakte Bauweise ermöglicht: Annähernd parallele, gleich lange Kanäle und im wesentlichen rechte Winkel. A further alternative embodiment is shown in FIG. 5. The air flow is illustrated by arrows. The air enters via the inlet slot ( 23 ), passes through the humidification area ( 8 ) on the underside of the humidifying membrane ( 4 ), is passed through the distribution area ( 14 ) to the outlet slot ( 24 ) via the electrochemically active area of a fuel cell and then to port ( 11a ) via a connection channel ( 22 ), which may be either on or outside the electrode plate. There, the air enriched with water and possibly heat, unlike the above described, directed perpendicular to the incoming air flow, on the top of the humidifying membrane ( 4 ), wherein they water and possibly heat through the humidifying membrane ( 4 ) through the emits incoming airflow. The air finally exits via port ( 12 ). The advantage of this embodiment is its particular simplicity, which allows a compact design: approximately parallel, equal length channels and substantially right angles.

Bei den bisher erläuterten Figuren wird die MEA, bzw. deren PEM, indirekt befeuchtet, indem eintretende Reaktandenströme mit gasförmigem Wasser angereichert werden. In Fig. 6a ist dargestellt, wie die PEM direkt, z. B. mit flüssigem Wasser, befeuchtet werden kann. Eine Befeuchtungsmembran (4) deckt die Kanalstrukur des Befeuchtungsbereichs (8) so ab, daß sie mit der angrenzenden MEA (16), insbesondere mit der PEM der MEA (16), Kontakt hat. Dabei sind Befeuchtungsmembran (4) und MEA (16) so miteinander verbunden, daß Leckströme größtenteils ausgeschlossen sind. Das im austretenden Luftstrom enthaltene Wasser kann so von der Befeuchtungsmembran (4) zur MEA (16) diffundieren und diese befeuchten. Durch diesen zusätzlichen Befeuchtungsmechanismus kann der Befeuchtungsbereich, und damit die gesamte Elektrodenplatte und folglich auch eine Brennstoffzelle, weiter verkleinert werden. In the previously explained figures, the MEA, or its PEM, is indirectly moistened by enriching incoming reactant streams with gaseous water. In Fig. 6a is shown how the PEM directly, z. B. with liquid water, can be moistened. A humidifying membrane ( 4 ) covers the channel structure of the humidifying section ( 8 ) so as to contact the adjacent MEA ( 16 ), in particular the PEM of the MEA ( 16 ). In this case humidifying membrane ( 4 ) and MEA ( 16 ) are connected to each other so that leakage currents are largely excluded. The water contained in the exiting air flow can thus diffuse from the humidifying membrane ( 4 ) to the MEA ( 16 ) and moisten it. By means of this additional moistening mechanism, the moistening area, and thus the entire electrode plate and consequently also a fuel cell, can be further reduced.

In Fig. 6b ist die Befeuchtungsmembran (4) so geformt, daß eine Vielzahl von Laschen (10) (in der Figur wird stellvertretend für alle Laschen beispielhaft auf nur 2 Laschen hingewiesen) mit der MEA (16), insbesondere der PEM der MEA (16), überlappen. Dadurch wird die direkte Befeuchtung durch eindiffundierendes Wasser noch besser unterstützt. In Fig. 6b, the moistening membrane ( 4 ) is shaped so that a plurality of tabs ( 10 in the figure is representative of all tabs exemplified only 2 tabs) with the MEA ( 16 ), in particular the PEM of the MEA ( 16 ), overlap. As a result, the direct moistening by diffusing water is better supported.

Fig. 7a zeigt eine Elektrodenplatte des Standes der Technik, d. h. ohne Befeuchtungsbereich (8). Die Luftströmung ist anhand von durchgezogenen Pfeilen verdeutlicht, die Strömung eines Kühlmediums anhand von gestrichelten Pfeilen. Die Luft tritt über Port (9) ein, wird durch den Verteilungsbereich (14) über die elektrochemisch aktive Fläche einer Brennstoffzelle geleitet und tritt schließlich wieder über Port (12) aus. In Fig. 7b (daneben) ist der Temperaturverlauf gezeigt, der sich dabei entlang des Verteilungsbereichs (14), bzw. entlang der elektrochemisch aktiven Fläche ergibt. T ist die Temperatur, T_ein die Temperatur der Luft beim Eintritt über Port (9), T_aus die Temperatur der Luft beim Austritt über Port (12). Man erkennt, daß sich ein Temperaturgradient (13) einstellt, was sich nachteilhaft auf die Befeuchtung der MEA (16), bzw. deren PEM, und die Aktivität des elektrochemisch aktiven Bereichs und damit insgesamt auf den Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle auswirkt. Fig. 7a shows an electrode plate of the prior art, ie without moistening region ( 8 ). The air flow is illustrated by solid arrows, the flow of a cooling medium using dashed arrows. The air enters via port ( 9 ), is passed through the distribution area ( 14 ) across the electrochemically active area of a fuel cell and finally exits via port ( 12 ). FIG. 7b (adjacent) shows the temperature profile that results along the distribution region ( 14 ) or along the electrochemically active surface. T is the temperature T _{is a} temperature of the air as it enters through port (9), T _from the air temperature at the exit via port (12). It can be seen that a temperature gradient ( 13 ) occurs, which adversely affects the humidification of the MEA ( 16 ), or its PEM, and the activity of the electrochemically active region and thus overall the efficiency of a fuel cell.

Demgegenüber zeigt die erfindungsgemäße Fig. 7c - sie entspricht im wesentlichen Fig. 3 - wie sich der auf die Elektrodenplatte integrierte Befeuchtungsbereich (8) vorteilhaft auf den Temperaturverlauf (Fig. 7d) auswirkt. T_ein ist die Temperatur der Luft beim Eintritt in den Befeuchtungsbereich (8) über Port (7), T_{Verteiler,ein} ist die Temperatur der Luft beim Eintritt in den Verteilungsbereich (14) über Port (9) (Eintritt in den elektrochemisch aktiven Bereich). Der steilste Teil des Temperaturgradienten (13) befindet sich im Bereich des Befeuchtungsbereichs (8), während im Bereich des Verteilungsbereichs (14) (über der elektrochemisch aktiven Fläche) ein verhältnismäßig flacher Teil des Temperaturgradienten (13) vorliegt. Die homogenere Temperaturverteilung wirkt sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle aus. Bezugszeichenliste 1 Brennstoffzellenstapel
2 Interface
3 Befeuchtungsmodul
4 Befeuchtungsmembran
5 Luft-Einlaß
6 Luft-Auslaß
7 Einlaß-Port für Luft
8 Befeuchungsbereich
9 Einlaß-Port für Luft
10 Befeuchtungsmembran-Laschen
11 Auslaß-Port für Luft
11a Auslaß-Port für Luft
12 Auslaß-Port für Luft
13 Temperaturgradient
14 Verteilungsbereich für Luft
15 Verteilungsbereich für Brennstoff
16 MEA
17 Kühleinrichtung
18 Einlaß-Port für Brennstoff
19 Auslaß-Port für Brennstoff
20 Anodenplatte
21 Kathodenplatte
22 Verbindungskanal
23 Einlaß-Schlitz für Luft
24 Auslaß-Schlitz für Luft
On the other hand, FIG. 7c according to the invention - it essentially corresponds to FIG. 3 - shows how the wetting area ( 8 ) integrated on the electrode plate has an advantageous effect on the temperature profile ( FIG. 7d). T _a is the temperature of the air when entering the wetting area (8) via port (7), T _{distributor, a} is the temperature of the air as it enters the distribution area (14) through port (9) (entering the electrochemically active area ). The steepest part of the temperature gradient ( 13 ) is in the area of the humidification area ( 8 ), while in the area of the distribution area ( 14 ) (above the electrochemically active area) there is a relatively shallow part of the temperature gradient ( 13 ). The more homogeneous temperature distribution has an advantageous effect on the efficiency of a fuel cell. LIST OF REFERENCES 1 fuel cell stack
2 interface
3 moistening module
4 humidifying membrane
5 air inlet
6 air outlet
7 inlet port for air
8 humidification area
9 inlet port for air
10 humidifying membrane tabs
11 outlet port for air
11 a outlet port for air
12 outlet port for air
13 temperature gradient
14 Distribution area for air
15 distribution area for fuel
16 MEA
17 cooling device
18 inlet port for fuel
19 outlet port for fuel
20 anode plate
21 cathode plate
22 connecting channel
23 inlet slot for air
24 outlet slot for air

Claims

An electrode plate for a PEM fuel cell having distribution areas for distributing reactants, ports for supplying reactants and ports for discharging reactants, characterized in that the electrode plate has at least one area for humidifying an incoming dry or partially humidified reactant stream.

2. Electrode plate according to claim 1, characterized in that that the humidification of at least one Channel structure is formed on the electrode plate.

3. electrode plate according to claim 2, characterized that the at least one channel structure is connected to at least one, arranged on the same electrode plate Distribution area adjacent and connected to this line.

4. electrode plate according to claim 3, characterized in that the at least one channel structure corresponds to the at least one Distribution area upstream in terms of flow.

5. electrode plate according to claim 3 or 4, characterized characterized in that the at least one channel structure the at least one distribution area fluidly upstream, as well as downstream, so that the Channel structure with both the input side, and with the Output side of the at least one distribution area connected by line.

6. electrode plate according to one of claims 2 to 5, characterized characterized in that the at least one channel structure with a water-permeable membrane is covered.

7. Electrode plate according to claim 6, characterized that the space in the region of the channel structure below the permeable membrane over at least one Distribution area with the space in the area of the channel structure over the water-permeable membrane conductively connected is.

8. electrode plate according to claim 7, characterized that ports, distribution areas, channel structures and permeable membranes are arranged so that a entering reactant stream in the region of at least one Channel structure on one side of the water-permeable Membrane flows past and after passage of ports and Distribution areas as emerging Reaktandenstrom on the other side, leaving moisture from escaping Reactant stream to an upstream entering Reactant can be transmitted.

9. PEM fuel cell with at least one integrated Moistening area and an MEA, between two Electrode plates is arranged, wherein the electrode plates Distribution areas for the distribution of the reactants to the MEA, Reactant Delivery Ports, and Ports for Having discharge of the reactants, characterized that the at least one integrated humidification area of the electrode plates is formed.

10. Fuel cell according to claim 9, characterized in that that the at least one humidification of Channel structures is formed on the electrode plates.

11. Fuel cell according to claim 10, characterized in that that the electrode plates preferably so unattached are arranged one above the other, that the channel structures on the Electrode plates come to cover.

12. Fuel cell according to claim 11, characterized in that that between the channel structures, the at least one Moisturizing area, a water-permeable membrane is arranged, which ducts the conduit structures combines.

13. Fuel cell according to claim 12, characterized in that that the water-permeable membrane is the PEM.

14. Fuel cell according to claim 12, characterized in that that the water-permeable membrane from another Material as the PEM consists, preferably of polyimides or Polyesters or mixtures thereof.

15. Fuel cell according to claim 12 or 14, characterized characterized in that the water-permeable membrane to the PEM borders.

16. Fuel cell according to claim 12 or 14, characterized characterized in that the water-permeable membrane at least partially overlapped with the PEM.

17. Fuel cell according to one of claims 9 to 16, characterized characterized in that the at least one moistening area adjacent to and connected to an MEA is.

18. Fuel cell according to one of claims 9 to 17, characterized characterized in that the at least one moistening area upstream of an MEA.

19. Fuel cell according to one of claims 12 to 18, characterized characterized in that top and bottom of the water-permeable membrane over ports and distribution areas are conductively connected together, so that entering reactant streams on one side of the water-permeable membrane flow past and exiting Reactant streams on the other side.

20. Fuel cell according to claim 19, characterized that ports and distribution areas are arranged so that entering and leaving Reaktandenströme in opposite direction to the water-permeable membrane flow past.

21. PEM fuel cell stack, the PEM fuel cell after one of claims 9 to 20.

22. Method for humidifying reactant streams for PEM Fuel cells, the reactants after entering the Fuel cell and before entering one Be moistened distribution area, characterized in that incoming reactant streams in at least one, an MEA fluidly upstream humidification be moistened.

23. The method according to claim 22, characterized in that the Humidification of the incoming reactant streams at least partially, preferably exclusively in exiting Reactant streams contained water is used, thereby the exiting reactant streams are dehumidified.

24. The method according to claim 22 or 23, characterized the incoming reactant streams are downstream in pass the exiting Reaktandenströme so that water from the exiting reactant streams to the incoming ones Reactant streams of the same streams is transmitted.

25. The method according to claim 24, characterized in that besides water, also heat from incoming reactant streams on exiting reactant streams of the same stream is transmitted.

26. Method for moistening a PEM of a PEM Fuel cell, where the PEM at least partially through the water contained in the reactant streams humidifies is characterized in that the incoming Reactant streams according to the method of any one of claims 23 be moistened to 26.

27. The method according to claim 26, characterized in that the in a leaking Reaktandenstrom contained water at least partially from a water-permeable membrane is recorded and transferred from this to the PEM becomes.

28. The method according to claim 27, characterized in that the Water absorbed by the water-permeable membrane by diffusion on or in the water-permeable membrane is transferred to the PEM.

29. A method for operating PEM fuel cells, characterized by the following steps:

1. a.) Supplying reactant streams to a PEM fuel cell;

2. b.) Moistening at least one of the incoming reactant streams in at least one integrated moistening area;

3. c.) The reactant streams pass through at least one distribution area via an MEA;

4. d.) Dehumidifying the at least one reactant stream in the at least one integrated moistening area;

5. e.) Transfer of the water obtained during dehumidification to the incoming reactant stream;

6. f.) Removing the reactant streams from the PEM fuel cell.