DE10315758A1 - PEM-Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine PEM-Brennstoffzelle. Diese umfasst zwei Elektroden (1, 2), nämlich Anode (1) und Kathode (2), zwischen denen eine katalysatorbeschichtete, protonenleitende Elektrolyt-Membran (3) angeordnet ist. Dabei sind die Anode (1) zur Zu- und Abführung eines Wasserstoff enthaltenden Anodengases und die Kathode (2) zur Zu- und Abführung eines Sauerstoff enthaltenden Kathodengases membranseitig jeweils als mit Zu- (4, 7) und Abfuhranschlüssen (5, 8) versehene Fluidverteilerplatten (6, 9) ausgebildet. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass der zum kathodenseitigen Zufuhranschluss (7) benachbarte Bereich der Elektrolyt-Membran (3) als Befeuchtungszone (10) für das Kathodengas ausgebildet und an der anodenseitigen Fluidverteilerplatte (6) mindestens im Bereich der Befeuchtungszone (10) eine Strömungsumlenkung (11) für das Anodengas vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Derartige Brennstoffzellen sind beispielsweise aus dem Buch "Brennstoffzellen: Entwicklung, Technologie, Anwendung" von Konstantin Ledjeff-Hey, Seite 61 ff. (ISBN 3-7880-7629-1) bekannt. Sie dienen insbesondere zur Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in (Gleich-) Strom. Als Nebenprodukt fällt Wärme an, die insbesondere bei Verwendung solcher Zellen zur Hausenergieversorgung gut zu Heizzwecken nutzbar ist.
• Prinzipiell besteht eine derartige Brennstoffzelle aus der erwähnten, katalysatorbeschichteten Polymer-Elektrolyt-Membran sowie beidseitig dieser Membran angeordneten Elektroden, nämlich Anode und Kathode.
• Der in der Regel als Fluidverteilerplatte (sogenanntes "flow field") ausgebildeten Anode wird insbesondere der für den Brennstoffzellenprozess erforderliche Wasserstoff zugeführt. Da dieser bei Hausenergieversorgungsanlagen meistens vor Ort mittels eines sogenanten Reformerapparats aus dem im Haus verfügbaren Erdgas erzeugt wird, strömt ein hauptsächlich aus Wasserstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid bestehendes Anoden- bzw. Reformergas durch dieses flow field, wobei zuvor beim Reformerprozess entstandenes Kohlenmonoxid (Brennstoffzellengift!) mittels mindestens einer zwischengeschalteten Katalysatorstufen in Kohlendioxid umgewandelt wurde.
• Der ebenfalls als sogenanntes flow field (Fluidverteilerplatte) ausgebildeten Kathode wird Sauerstoff, meist in Form von Luft, zugeführt. Während des Brennstoffzellenprozesses wandern die Protonen des Wasserstoffs durch die Elektrolyt-Membran und reagieren auf der Kathodenseite mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasserdampf. Zwischen der Anode und Kathode entsteht eine Potentialdifferenz, die als Gleichstrom nutzbar ist.
• Einen wesentlichen Beitrag zur Funktion des Prozesses leistet die Elektrolyt-Membran, die allerdings zur Gewährleistung einer ausreichenden Protonenleitfähigkeit feucht gehalten werden muss.
• Anodenseitig wird beispielsweise bei Hausenergieversorgungsanlagen dadurch für diese Feuchtigkeit gesorgt, dass der beim Reformerprozess vorhandene Wasserdampf zumindest teilweise gemeinsam mit dem Wasserstoff durch das flow field gefördert wird, was zur Folge hat, dass Wasserpartikel zumindest von dieser Seite in die Membran eindringen und diese befeuchten.
• Kathodenseitig wird die Luft in der Regel vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet. Nach der DE 199 17 812 C2 ist es aber auch bekannt, der Brennstoffzelle direkt trockene Luft zuzuführen, wobei in diesem Fall zwecks Befeuchtung an der Membran eine lokalisierte Katalysatorschicht zur Rekombination der Reaktionsgase zur Gewinnung von Wasser vorgesehen ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der trotz Verwendung einer herkömmlichen Membran und Zuführung von Umgebungsluft zur Kathode für eine ausreichende Protonenleitfähigkeit und damit Feuchtigkeit der Membran – insbesondere kathodenseitig – gesorgt ist.
• Diese Aufgabe ist mit einer PEM-Brennstoffzelle der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
• Nach der Erfindung ist also vorgesehen, an der Membran im Bereich des kathodenseitigen Zufuhranschlusses eine Befeuchtungszone vorzusehen, wobei die Befeuchtung der Membran kathodenseitig insbesondere dadurch bewirkt wird, dass mittels der mindestens einen Strömungsumlenkung für einen anodenseitig verlängerten Strömungsweg gesorgt ist, was zur Folge hat, dass dem Anoden- bzw. Reformatgas – insgesamt betrachtet – mehr Zeit bleibt, um Feuchtigkeit (Wasserdampf) an die Membran abzugeben.
• Bei einer bevorzugten Variante ist dabei vorgesehen (eine andere wird weiter unten erläutert), dass die Zufuhranschlüsse an etwa zueinander benachbarten Bereichen der Membran angeordnet sind, was gewährleistet, dass möglichst feuchtes Anoden- bzw. Reformatgas zum kathodenseitig besonders austrocknungsgefährdeten Bereich der Membran gelangt.
• Um auf eine externe Befeuchtung des sogenannten Kathodenfeedgases (Luft) ganz verzichten zu können, sind also – mit anderen Worten ausgedrückt – das Anoden- und Kathodenflowfield derart angeordnet, dass die Feuchtigkeit von dem wasserdampfgesättigten Anodenfeedgas (Reformergas) aufgrund von Diffusionsvorgängen an der Membran auf die Kathodenseite transportiert wird und somit gewissermaßen eine Eigenbefeuchtung der Kathodenzuluft innerhalb des Brennstoffzellenstacks erfolgt. Die Brennstoffzelle hat somit gewissermaßen ein eigenes, internes Feuchtemanagement.
• Wie sich bei Laborversuchen bestätigt hat, ergibt sich eine besonders gute kathodenseitige Befeuchtung der Membran, wenn die Fluidverteilerplatte der Anode im Bereich der Befeuchtungszone Strömungswege aufweist, die stumpfwinklig, vorzugsweise rechtwinklig, zu Strömungswegen auf der Fluidverteilerplatte der Kathode angeordnet sind.
• Zur Gewährleistung einer optimalen Kühlung der Brennstoffzelle ist ferner vorgesehen, dass wahlweise die Anode und/oder die Kathode jeweils membranabgewandt wahlweise mit einer kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatte versehen oder selbst als eine solche Fluidverteilerplatte ausgebildet sind, wobei auch die kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatten zur Verringerung des Stömungsweges jeweils mindestens eine Strömungsumlenkung aufweisen.
• Sollte die Brennstoffzelle als sogenannter, aus mehreren Brennstoffzellen zusammengebauter Brennstoffzellenstack ausgebildet sein, was die Regel sein dürfte, ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass die kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatten zur Festlegung eines gemeinsamen Strömungsbereichs am membranfreien Übergang zwischen Anode und Kathode kongruent zueinander ausgebildet sind, d. h. die kühlmediumdurchströmtem Strömungswege sind einerseits durch die anoden- und andererseits durch die kathodenseitigen Fluidverteilerplatte definiert. Dies wird weiter unten noch genauer erläutert.
• Um einen möglichst optimalen Temperaturgradienten über den membranparallelen Querschnitt der Brennstoffzelle zu gewährleisten, ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass die kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatten Zufuhranschlüsse aufweisen, die im Bereich des Zufuhranschlusses der Kathode angeordnet sind. Dies hat zum Ergebnis, dass die am Kathodenzufuhranschluss eintretende Luft nur geringfügig aufgeheizt wird und somit, wenn überhaupt, nur eine minimale zusätzliche Trocknung erfährt.
• Zur Verbesserung des Stoff- und Wärmetransports durch die Membran ist vorgesehen, dass zwischen dieser und der Anode und zwischen dieser und der Kathode jeweils eine sogenannte Gasdiffusionslage (gas diffusion layer) angeordnet ist, die vorzugsweise aus einem porösen Graphitpapier mit einer Teflonbeschichtung besteht.
• Schließlich besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung in Folgendem: Nach dem Stand der Technik sind Brennstoffzellen bekannt, bei denen das Reformergas der Anode mittels eines Kompressors mit 200 bis 300 mbar zugeführt wird. In diesem Fall ist der Druck anodenseitig so groß, dass hinreichend viel Wasserdampf die Membran befeuchtet. Nach der Erfindung ist nun zur Wirkungsgradverbesserung vorgesehen, dass einerseits am anodenseitigen Zufuhranschluss maximal ein Überdruck von 20 mbar, vorzugsweise 5 bis 10 mbar, herrscht. Ein solcher anodenseitig kompressorfreier Betrieb basiert dabei auf dem üblicherweise herrschenden Druck der Hausgasleitung, vermindert um die Druckverluste innerhalb des Reformers.
• Andererseits ist vorgesehen, dass am anodenseitigen Abfuhranschluss ein Unterdruck herrscht, der vorzugsweise dadurch zustande kommt, dass der Anoden-Abfuhranschluss der Brennstoffzelle mit der Saugseite eines Gasgebläsebrenners eines der Brennstoffzelle beigeordneten Dampfreformers verbunden ist.
• Die erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzelle wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• Es zeigt
• 1 schematisch eine Hausenergieversorgungsanlage mit der erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzelle;
• 2 als Prinzipskizze eine Möglichkeit des Strömungsverlaufs von Wasserstoff und Sauerstoff in der Zelle, insbesondere im Bereich der erfindungsgemäßen Befeuchtungszone;
• 3 perspektivisch und schematisiert eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit Anoden und Kathode mit jeweils beidseitigen Fluidverteilerplatten;
• 4 in Draufsicht die Strömungswege der Kathode mit der erfindungsgemäßen Befeuchtungszone;
• 5 in Draufsicht die Strömungswege der Anode im Sinne von 2 mit der erfindungsgemäßen Befeuchtungszone;
• 6 in Draufsicht die Strömungswege der kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatte; und
• Fig. 7 als Prinzipskizze eine zweite Möglichkeit des Strömungsverlaufs von Wasserstoff und Sauerstoff in der Zelle, insbesondere im Bereich der erfindungsgemässen Befeuchtungszone.
• In 1 ist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zunächst beispielhaft im Verbund mit einer Hausenergieversorgungsanlage dargestellt. Diese Anlage funktioniert wie folgt: Dem mittels eines Gasbrenners 12 beheizten Reformer 13 wird ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffgas (in der Regel Erdgas) und Wasserdampf zugeführt (und zwar über den zeichnerisch angedeuteten linken Anschluss). Das Kohlenwasserstoffgas wird gleichzeitig zum Betrieb des Brenners 12 vewendet. Das Reformat (im wesentlichen Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserdampf) wird der mindestens einen Katalysatorstufe 20 zugeführt, um den Kohlenmonoxidanteil zu reduzieren. Im Anschluss daran gelangt das Reformat zum Zufuhranschluss 4 der Anode der Brennstoffzelle, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel als sogenannter Brennstoffzellenstack, d. h. aus mehreren Einzelzellen bestehend, ausgebildet ist. Über den Zufuhranschluss 7 der Kathode wird dem Stack Sauerstoff enthaltende Umgebungsluft zugeführt. Zur Kühlung der Brennstoffzelle wird diese über den Zufuhranschluss 17 mit einem Kühlmedium (vorzugsweise Wasser) versorgt, das anschließend die in der Brennstoffzelle aufgenommene Wärme an einen Wärmetauscher 21 eines Heizkreises 22 des zu beheizenden Hauses abgibt.
• Die in der Brennstoffzelle ablaufenden Prozesse werden nachfolgend noch genauer erläutert.
• Der Abfuhranschluss 5 der Anode ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel vorteilhaft mit dem Gasbrenner 12 des Reformers 13 verbunden, und zwar mit dessen saugseitigen Eingang für den Brennstoff, was zur Folge hat, dass am Abfuhranschluss 5 der Anode ein Unterdruck anliegt, worauf später auch noch genauer eingegangen wird. Dem Gasbrenner 12 wird also das Anodenrestgas, das im wesentlichen aus nicht umgesetzten Wasserstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid besteht, zur Verbrennung zugeführt.
• Der Abfuhranschluss 8 der Kathode ist im Prinzip ein Abluftanschluss, denn über diesen wird beim Brennstoffzellenprozess nicht benötigte Luft wieder an die Umgebung abgegeben. Der Luft beigemischt sind geringe Mengen an Wasserdampf, die während des Brennstoffzellenprozesses entstanden sind.
• Die in 1 dargestellte, als Brennstoffzellenstack ausgebildete PEM-Brennstoffzelle, umfasst, wie erwähnt, zwei Elektroden 1, 2, nämlich Anode 1 und Kathode 2, zwischen denen eine katalysatorbeschichtete, protonenleitende Elektrolyt-Membran 3 angeordnet ist, wozu auf 3 verwiesen wird. Dabei sind die Anode 1 zur Zu- und Abführung eines Wasserstoff enthaltenden Anodengases und die Kathode 2 zur Zu- und Abführung eines Sauerstoff enthaltenden Kathodengases membranseitig jeweils als mit Zu- 4, 7 und Abfuhranschlüssen 5, 8 versehene Fluidverteilerplatten 6, 9 ausgebildet. Diese bestehen in der Regel aus einem gut stromleitenden Material (beispielsweise Graphit oder Metall), in das (vorzugsweise auf gießtechnische Weise) Strömungswege für die Brennstoffzellenfluide eingebracht sind. Das Anoden- bzw. Reformatgas tritt also beispielsweise über die in 3 schematisch dargestellten Zufuhranschlüsse 4 in die Brennstoffzelle ein und wird dort mittels der die Anode 1 bildenden Fluidverteilerplatte 6 in Kontakt mit der Elektrolyt-Membran 3 gebracht, wobei beim dargestellten Ausführungsbeispiel zur Verbesserung von Wärme- und Stofftransport vorteilhaft beidseitig der Membran 3 eine Gasdiffusionslage 19 vorgesehen ist, die bevorzugt aus einem porösen Graphitpapier mit einer Teflonbeschichtung besteht.
• Wesentlich für die Erfindung ist nun, dass der zum kathodenseitigen Zufuhranschluss 7 benachbarte Bereich der Elektrolyt-Membran 3 als Befeuchtungszone 10 für das Kathodengas ausgebildet und an der anodenseitigen Fluidverteilerplatte 6 mindestens im Bereich der Befeuchtungszone 10 mindestens eine Strömungsumlenkung 11 für das Anodengas vorgesehen ist, d. h., wie insbesondere aus 5 erkennbar, ist erfindungsgemäß dafür gesorgt, dass das Anodengas gewissermaßen einen verlängerten Strömungsweg durch die Zelle passieren muss, und zwar mit dem Ziel, dass es insbesondere in der Befeuchtungszone 10 viel Feuchtigkeit an die kathodenseitig insbesondere in diesem Bereich austrocknungsgefährdete Membran abgibt. Die in 5 dargestellte Ausbildung der Strömungswege mit vier Strömungs umlenkungen hat sich als besonders effektiv erwiesen, ist aber nicht die einzig mögliche Form. Entscheidend ist vielmehr, wie erwähnt, dass dem Anodengas mittels mindestens einer Umlenkung (und diese könnte letztlich auch als Kurve ausgebildet sein) Zeit gegeben wird, Feuchtigkeit an die Membran abzugeben.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die anoden- und kathodenseitigen Zufuhranschlüsse 4, 7 an zueinander benachbarten Bereichen der Elektrolyt-Membran 3 angeordnet sind, die auf diese Weise die genannte Befeuchtungszone 10 definieren.
• Mit Verweis auf 2 hat es sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Fluidverteilerplatte 6 der Anode 1 mindestens im Bereich der Befeuchtungszone 10 Strömungswege aufweist, die stumpfwinklig, vorzugsweise rechtwinklig, zu Strömungswegen auf der Fluidverteilerplatte 9 der Kathode angeordnet sind. In 2 symbolisiert 4 den Zufuhranschluss der Anode 1, 7 den Zufuhranschluss der Kathode und 11 jeweils eine Strömungsumlenkung. Im Bereich 10, dessen Grenzen fliessend, letztlich aber durch die Trockenheit der zuströmenden Luft definiert sind, erfolgt die erfindungsgemäße Befeuchtung der Elektrolyt-Membran 3.
• Da die anodenseitige Strömungsumlenkung 11 zumindest einen geringen Druckverlust innerhalb der Brennstoffzelle zur Folge hat, ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass am anodenseitigen Abfuhranschluss 5 ein Unterdruck herrscht, der, wie einleitend erwähnt, vorzugsweise dadurch erzeugt wird, dass der dieser Anschluss 5 – auch zur Nutzung des Anodenrestgases – mit dem saugseitigen Eingang des Gasbrenners 12 des Reformers 13 verbunden ist. Darüber hinaus ist vorteilhaft vorgesehen, keinen weiteren Verdichter zwischen Reformer 13 und Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellenstack anzuordnen, d. h. ein im Prinzip druckloses System zu verwenden, dass anodenseitig ausschließlich den Gasdruck des Hausnetzes nutzt. Dieser beträgt am Gasanschluss etwa 20 mbar, am Anodenzufuhranschluss 4 aufgrund von Druckverlusten noch etwa 5 bis 10 mbar, die aber genügen, um das Anodengas durch die Zelle zu befördern, zumal ja, wie erwähnt, am Ausgang der Brennstoffzelle ein Unterdruck anliegt, d. h. die Druckdifferenz zwischen Zu- und Abfuhranschluss ist tatsächlich etwas größer.
• Kathodenseitig wird der Druckverlust zwischen Zu- 7 und Abfuhranschluss 8 dadurch relativ klein gehalten, dass die Fluidverteilerplatte 9 vorzugsweise keine Strömungsumlenkungen aufweist, d. h. die Luft strömt geradlinig durch das flowfield.
• Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Erfindung besteht in der wärmetechnisch besonders günstig ausgebildeten Kühlung des Brennstoffzellenstacks:
  Wie insbesondere aus 3 ersichtlich, ist vorgesehen, dass zur Kühlung von Anode 1 und Kathode 2 diese jeweils membranabgewandt zusätzlich als kühlmediumdurchströmte Fluidverteilerplatten 14, 15 ausgebildet sind, d. h. Anode 1 und Kathode 2 weisen jeweils zwei Seiten auf, nämlich einerseits das flowfield für die Prozessgase und andererseits das flowfield für das mit dem Heizkreis im Wärmetausch stehende Kühlmedium, wobei in diesem Fall ist darüber hinaus vorteilhaft vorgesehen, dass die kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatten 14, 15 zur Festlegung eines gemeinsamen Strömungsbereichs am membranfreien Übergang zwischen Anode 1 und Kathode 2 kongruent zueinander ausgebildet sind. Alternativ können die kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatten 14, 15 aber auch als separate Platten ausgebildet sein.
• Wie aus 6 ersichtlich, ist auch bei der kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatte 14, 15 vorteilhaft vorgesehen, dass diese vorzugsweise zur Verlängerung des Stömungsweges und damit zur Verbesserung der Wärmeübertragung mindestens eine Strömungsumlenkung 16 aufweist.
• Zur Realisierung eines großen Temperaturgradienten zwischen Ein- und Ausgang der Brennstoffzelle ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass die kühlmediumdurchströmten Fluidverteiler platten 14, 15 Zufuhranschlüssen 17, 18 aufweisen, die im Bereich des Zufuhranschlusses 7 der Kathode 2 angeordnet sind, so dass die Kathodenluft im Bereich der Befeuchtungszone 10 so wenig wie möglich aufgeheizt wird, gleichzeitig aber am Kathodenausgang auch kein Wasser auskondensiert.
• Ferner ist – wie aus 5 und 6 ersichtlich – bezüglich der flowfields (Ausnahme: Kathodenverteilerplatte) vorteilhaft vorgesehen, dass diese mit vier Strömungsumlenkungen 11, 16 versehen sind, wobei die Umlenkungen 11, 16 vorzugsweise einen Winkel von 90° und die Fluidverteilerplatten 6, 14, 15 vorzugsweise Strömungswege in Form eines eckigen S aufweisen.
• Schließlich ist mit Verweis auf 7 vorteilhaft als andere Ausführungsform vorgesehen, dass der anodenseitige Abfuhranschluss 5 und der kathodenseitige Zufuhranschluss 7 an zueinander benachbarten, als Befeuchtungszone 10 ausgebildeten Bereichen der Elektrolyt-Membran 3 angeordnet sind. Im Vergleich zu 2 ist somit die Befeuchtungszone 10 bezogen auf die Anode genau am anderen Ende des Strömungsweges angeordnet, d. h. die Befeuchtungszone 10 befindet sich in der Nähe des anodenseitigen Aufuhranschlusses 5.
• Wie Versuche gezeigt haben, ist es für eine effektive Befeuchtung des Kathodengases wesentlich, dass die Befeuchtungszone 10 im Bereich des kathodenseitigen Zufuhranschlusses 7 angeordnet ist und die anodenseitige Fluidverteilerplatte 6 mindestens im Bereich der Befeuchtungszone 10 eine Strömungsumlenkung aufweist. Je nach Bedarf kann dann unter diesen Voraussetzungen die Befeuchtungszone 10 entweder am anodenseitigen Zu- 4 oder Abfuhranschluss 5 angeordnet sein, wobei insbesondere bei letzterer Variante besonders gute Befeuchtungsergebnisse erzielbar sind.

1

Anode (Elektrode)

2

Kathode (Elektrode)

3

Elektrolyt-Membran

4

Zufuhranschluss (Anode)

5

Abfuhranschluss (Anode)

6

Fluidverteilerplatte (Anode)

7

Zufuhranschluss (Kathode)

8

Abfuhranschluss (Kathode)

9

Fluidverteilerplatte (Kathode)

10

Befeuchtungszone

11

Strömungsumlenkung

12

Gasbrenner

13

Dampfreformer

14

Fluidverteilerplatte (Kühlung Anode)

15

Fluidverteilerplatte (Kühlung Kathode)

16

Strömungsumlenkung

17

Zufuhranschluss (Fluidverteilerplatte)

18

Zufuhranschluss (Fluidverteilerplatte)

19

Gasdiffusionslage

20

Katalysatorstufe

21

Wärmetrauscher

22

Heizkreis

Claims (13)

1. PEM-Brennstoffzelle, umfassende zwei Elektroden (1, 2), nämlich Anode (1) und Kathode (2), zwischen denen eine katalysatorbeschichtete, protonenleitende Elektrolyt-Membran (3) angeordnet ist, wobei die Anode (1) zur Zu- und Abführung eines Wasserstoff enthaltenden Anodengases und die Kathode (2) zur Zu- und Abführung eines Sauerstoff enthaltenden Kathodengases membranseitig jeweils als mit Zu- (4, 7) und Abfuhranschlüssen (5, 8) versehene Fluidverteilerplatten (6, 9) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zum kathodenseitigen Zufuhranschluss (7) benachbarte Bereich der Elektrolyt-Membran (3) als Befeuchtungszone (10) für das Kathodengas ausgebildet und an der anodenseitigen Fluidverteilerplatte (6) mindestens im Bereich der Befeuchtungszone (10) mindestens eine Strömungsumlenkung (11) für das Anodengas vorgesehen ist.
2. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der anodenseitige Abfuhranschluss (5) und der kathodenseitige Zufuhranschluss (7) an zueinander benachbarten, als Befeuchtungszone (10) ausgebildeten Bereichen der Elektrolyt-Membran (3) angeordnet sind.
3. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anoden- und kathodenseitigen Zufuhranschlüsse (4, 7) an zueinander benachbarten, als Befeuchtungszone (10) ausgebildeten Bereichen der Elektrolyt-Membran (3) angeordnet sind.
4. PEM-Brennstofzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverteilerplatte (6) der Anode (1) mindestens im Bereich der Befeuchtungszone (10) Strömungswege aufweist, die stumpfwinklig, vorzugsweise rechtwinklig, zu Strömungswegen auf der Fluidverteilerplatte (9) der Kathode (2) angeordnet sind.
5. PEM-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung der Anode (1) und der Kathode (2) diese jeweils membranabgewandt wahlweise mit einer kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatte (14, 15) versehen oder selbst als eine solche Fluidverteilerplatte (14, 15) ausgebildet sind.
6. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatten (14, 15) zur Verlängerung des Stömungsweges jeweils mindestens eine Strömungsumlenkung (16) aufweisen.
7. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatten (14, 15) bei Ausbildung der Brennstoffzelle als Brennstoffzellenstack zur Festlegung eines gemeinsamen Strömungsbereichs am membranfreien Übergang zwischen Anode (1) und Kathode (2) kongruent zueinander ausgebildet sind.
8. PEM-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatten (14, 15) mit Zufuhranschlüssen (17, 18) versehen sind, die im Bereich des Zufuhranschlusses (7) der Kathode (2) angeordnet sind.
9. PEM-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise die Fluidverteilerplatte (6) der Anode (1) und/oder die kühlmediumdurchströmten Fluidverteilerplatten (14, 15) vier Strömungsumlenkungen (11, 16) aufweisen, wobei die Strömungsumlenkungen (11, 16) vorzugsweise einen Winkel von 90° und die Fluidverteilerplatten (6, 14, 15) vorzugsweise Strömungswege in Form eines eckigen S aufweisen.
10. PEM-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Anode (1) und Elektrolyt-Membran (3) sowie zwischen Kathode (2) und Elektrolyt-Membran (3) jeweils eine Gasdiffusionslage (19) angeordnet ist, die vorzugsweise aus einem porösen Graphitpapier mit einer Teflonbeschichtung besteht.
11. PEM-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am anodenseitigen Zufuhranschluss (4) maximal ein Überdruck von 20 mbar, vorzugsweise 5 bis 10 mbar, anliegt.
12. PEM-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass am anodenseitigen Abfuhranschluss (5) ein Unterdruck anliegt.
13. PEM-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Anodengases ein mit einem Gasbrenner (12) betriebener Dampfreformer (13) vorgesehen ist, wobei der anodenseitige Abfuhranschluss (5) der Brennstoffzelle mit einem Brennstoffzufuhranschluss des Gasbrenner (12) verbunden ist.