WO2016162289A1 - Membrane electrode unit with an electrically conductive element - Google Patents

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WO2016162289A1
WO2016162289A1 PCT/EP2016/057295 EP2016057295W WO2016162289A1 WO 2016162289 A1 WO2016162289 A1 WO 2016162289A1 EP 2016057295 W EP2016057295 W EP 2016057295W WO 2016162289 A1 WO2016162289 A1 WO 2016162289A1
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membrane
region
anode
electrode assembly
cathode
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PCT/EP2016/057295
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Manuel Schneiter
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Volkswagen Ag
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    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a membrane-electrode assembly comprising at least one
  • Exchange region, a forwarding region and a reaction region comprises, wherein at least one inlet opening and at least one outlet opening for introducing and discharging gas and coolant liquid are formed in the exchange region and the membrane electrode assembly at least one membrane and at least one cathode and at least one anode for catalyzing of the gas at the cathode or the anode, wherein the cathode is arranged on a first membrane side and the anode is arranged on a second membrane side
  • Membrane side is arranged and wherein the membrane-electrode unit comprises at least one sealing area.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and in each case an electrode arranged on both sides of the membrane (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a
  • the fuel cell is formed by a plurality of stack (stack) arranged membrane electrode assemblies whose electrical power is added. Between two membrane-electrode units, a bipolar plate is arranged in each case in a fuel cell stack, on the one hand, the supply of the process gases to the anode or Cathode of the adjacent membrane electrode assemblies and on the other hand, the dissipation of heat is used.
  • Membrane electrode assemblies are installed in fuel cells that drive vehicles. So they are exposed to the weather conditions that these
  • Fuel cell stack Therefore, components and materials that are not necessarily part of the MEA are usually installed outside of a sealing ring. However, cooling outside the sealing ring is limited or not available.
  • the sealing ring usually seals the MEA along its frame.
  • US 2010/0035090 A1 discloses in FIG. 2 that a nonlinear element is to be placed between two bipolar plates in order to reduce MEA degradation.
  • the script proposes to use as a nonlinear element a PTC resistor or a MOSFET resistor. These are, according to paragraph [0023], to be integrated outside the bipolar plate in the fuel stack. Alternatively, the non-linear element is in others
  • the non-linear element can also be used as a component within a bipolar plate, a gas seal or electrical
  • Insulating device or as part of a conductive layer or other support structures are installed.
  • a disadvantage of the proposal of US2010 / 0035090 is the strong alternating load of the bipolar plate in the vicinity of the non-linear element, the regular heating and cooling of which loads the bipolar plates.
  • the disadvantage is the complexity of Seals. Their suitability for use in fuel cells requires a high level of knowledge and skills. Producing suitable stamped or cut gaskets or seals from dispensers is complicated.
  • the PTC element is installed between two bipolar plates. Because there it closes both bipolar plates together electrically short, as long as the switching resistance of the PTC element is not reached.
  • a PTC element for example, into each bipolar plate or membrane therebetween.
  • the disadvantage is that the PTC element is clamped with leaf springs between the bipolar plates. A jamming of components is uncertain.
  • a second disadvantage is that the preferred location for the PTC element is to be near the coolant inlet manifold. However, since this location has no contact with the coolant, the thermal coupling is low.
  • the invention is based on the object of further improving the heating of a fuel cell stack during its cold start.
  • the membrane-electrode unit comprises a membrane, a cathode arranged on a first membrane side and a membrane side on a second side arranged anode.
  • the membrane electrode assembly has in plan view on its flat sides in each case a reaction region, at least one exchange region in which at least one inlet opening and at least one outlet opening for introducing and discharging gas (anode and cathode operating media) and coolant liquid are formed, and at least one arranged between reaction area and exchange area
  • the membrane-electrode unit has at least one first sealing region enclosing the at least one forwarding region and the reaction region for sealing the membrane-electrode assembly against a bipolar plate (in the assembled state in a fuel cell stack).
  • the object is achieved in that at least one element is present which has an electrical conductivity dependent on at least one parameter for short-circuiting the cathode to the anode and which is arranged within the first sealing region.
  • the invention in a further aspect relates to a fuel cell stack comprising a plurality of alternately arranged membrane-electrode assemblies according to the invention and bipolar plates.
  • the fuel cell stack can be advantageously used in an electric motor-operated vehicle, wherein the fuel cell stack supplies the electrical energy for operating the electric motor.
  • the reaction region (also referred to as the active region) is an area where the catalytic electrodes are present.
  • the reaction area of the membrane-electrode unit adjoins in each case an adjacent bipolar plate which has an open flow field in this area, for example open flow channels through which the reactant gases, ie the anode or cathode operating gas, flow.
  • the chemical fuel cell reactions thus take place during operation of the fuel cell.
  • flow channels are present in the reaction region through which the coolant flows and dissipates the heat of reaction.
  • the exchange area is an area in which the openings for the supply and removal of the operating media, ie the anode and
  • the membrane-electrode unit has two exchange areas, in each of which three openings (one for each operating medium) are formed and which are arranged opposite each other on both sides of the reaction area.
  • these openings are arranged congruently with corresponding openings of the bipolar plates, whereby main media channels are formed, which pass through the stack in the stacking direction.
  • the relay area also called distributor area
  • the forwarding area serves the fluid connection between the openings of the exchange area, so the
  • Inner and outer flow channels are present on a bipolar plate adjacent in the assembled state, which connect the corresponding outlet openings of the exchange area with the corresponding inner and outer flow channels of the bipolar plate of the reaction area. Since no chemical reactions are to take place in the forwarding area as well as in the exchange area, the membrane-electrode unit has no electrodes in these areas
  • reaction region exchange region and forwarding area together also referred to as inactive area.
  • reaction region exchange region and transfer region refer to the plan view of one of the two flat sides of the membrane-electrode assembly, these regions being formed on both flat sides.
  • each membrane-electrode unit passes through the element
  • a short-circuit element (hereinafter also referred to as a short-circuit element) can be internally short-circuited depending on the at least one parameter, the membrane-electrode unit loses its resistance and is traversed by electrical currents, wherein heat is dissipated.
  • the current flow is independent of the electrical resistances of other fuel cell stack structures. It heats all operating media in the
  • the element is in close proximity to a cooled area of an adjacent bipolar plate, that is, at least one inner coolant channel thereof.
  • a cooled area of an adjacent bipolar plate that is, at least one inner coolant channel thereof.
  • Cathode channels of the bipolar plate has formed frozen product water, which leads to the blockage of these channels, so this ice is thawed quickly by the short-circuit element and the channels are free. Therefore, the fuel cell according to the invention produces faster power during cold start. This makes the fuel cell stack more effective and requires fewer cells or membrane-electrode assemblies. The advantage of this Efficiency gain is a saving of cells and thus of space. Because the
  • membrane electrode assembly is heated by the short-circuit element, the coolant when starting the fuel cell stack must be heated less than in the prior art, whereby a coolant heater is possibly unnecessary. Other measures of heating can also be reduced, thereby reducing weight and costs.
  • Another advantage is that each membrane-electrode assembly and thus each adjacent bipolar plate is heated separately. The entire fuel cell stack heats up quickly, even if individual cells fail because flow channels of adjacent bipolar plates are blocked by ice. The fuel cell stack consequently heats up reliably. A current drain from the fuel cell stack can thus take place as soon as a single cell is free of ice blocks, especially once a
  • Another advantage of the internal short circuit of the cells is the fact that they do not reverse polarity over their intended polarity, since electrical charges are dissipated and compensated via the element. Since reversals that can take place after a shutdown of the fuel cell stack, at the start of damaging effect on the catalytic material of the anode and in particular the cathode, by the membrane electrode unit according to the invention, the creeping reduction of
  • membrane-electrode assembly according to the invention is robust to short-distance use. If some cells are not yet ice-free, they will not operate during short-distance use. You will be spared, but one
  • Fuel cell stack is still operational by the other, ice-free cells.
  • the conductivity of the short-circuit element depends on at least one parameter.
  • a meaningful parameter reflects the weather or its changes, in particular the
  • the short-circuit element is preferably designed so that it has a low or no electrical conductivity under operating conditions of the fuel cell stack and thus there is no short circuit. However, outside the operating conditions of the fuel cell stack, the element has a high electrical conductivity and short circuits the anode and cathode. Preferably, this conductivity behavior of the element is passive in response to the parameter.
  • the parameter is in a specific embodiment a control signal provided by an electronic unit. The electronic unit measures the environment of the fuel cell on the basis of different parameters. Then it can reproduce a control signal from the different measured variables. In the operation of vehicles these are
  • the parameter is a temperature, a
  • the parameter is a temperature
  • the element is preferably designed such that its conductivity changes greatly in the region of the freezing point of water, ie in the range around 0 ° C. (+/- 20 ° C., in particular +/- 15 ° C.) , If the temperature is below freezing or below a safe limit above freezing, the cell will be shorted and thus heated.
  • the parameter can also be a gas concentration. The advantage is the dependence of the conductivity of the life of a vehicle, because the gas concentration, for example of hydrogen, can be greatly reduced if the vehicle has stood for a long time.
  • the parameter is a voltage. In this case, the membrane-electrode unit is short-circuited until reaching a predetermined threshold voltage.
  • the element is a PTC element.
  • the advantage is a short circuit of the MEA as a function of the temperature without expensive and expensive electronics.
  • Each PTC element passively switches its associated MEA depending on the conditions prevailing at its position in the fuel cell stack.
  • a shunt of a PTC element within the MEA allows its shunting without electrical resistances flow through other fuel cell structures.
  • the cathode and the anode may be bonded together by a foil having an oxide layer. This has the advantage that a hydrogen injection into the
  • Cathode supply can be injected to react at the anode during startup to the Short circuit MEA. Because then the oxide layer internally shorts the MEA short. This keeps the anode free of any harmful effects.
  • the element is a diode.
  • a diode such as a reverse polarity protection diode, directs the current between the shorted cathode and anode in one direction.
  • Temperature-dependent reverse polarity protection diode allows operation of a
  • the element is a field effect transistor.
  • a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) has the advantage of being the least possible resistance in the case of a short circuit. At the same time, it offers the best possible protection against reverse polarity.
  • MOSFET also allows to integrate other circuit components. The advantage of this integration is voltage and temperature dependencies
  • the element is arranged in the forwarding region of the membrane-electrode assembly.
  • the forwarding area has sufficient installation space to insert thin and large-area short-circuiting means into the membrane-electrode unit. If one of two existing forwarding areas is a media supplying area and the other is a discharging area, the shorting element is preferably in the feeding one
  • one or more short-circuit elements may be provided both in the forwarding and in the discharging forwarding area.
  • the element is within the
  • the reaction area generally has a larger area than the relay area and a less strongly crossing channel structure on the part of an adjacent bipolar plate. He therefore has simpler flow conditions.
  • a Heat transfer from the reaction region to the coolant flowing in the adjacent bipolar plate may be more directly possible in many plate designs than out of the relay region.
  • Forwarding range and the reaction area is advantageous because the heat-up effects of multiple elements add up, so that a fuel cell vehicle is ready for cold start very quickly.
  • the short-circuit element is designed to penetrate the membrane, that is to say that it is arranged in an opening in the membrane.
  • the element is integrally inserted into the membrane-electrode unit. Integrally, the element is connected to the MEA, for example, if it is materially connected to this. But also an insertion of the element into the MEA connects the two components to form a component.
  • At least one second short-circuit element is present, which is a diode.
  • a diode is a diode.
  • the combination of a diode with a PTC element is particularly preferred. Characterized in that at least one diode and at least one PTC element are arranged in the membrane-electrode unit, the sensitivity of the MEA can be adapted to the weather even better, because the diode may be positioned in the feeding forwarding area, so near the inlet openings, the PTC element, however, in the dissipative forwarding area near the outlet openings. Thus, both the supplied gas from the diode and the discharged gas from the PTC element is heated. An advantage of this separate dual heating is the ability to configure different switching temperatures of the diode and the PTC element.
  • the diode and PTC elements can be designed for different switching temperatures.
  • incoming gas or coolant may be heated at a different temperature than gas or coolant to be discharged.
  • the advantage is the saving of energy, because gas to be discharged has a higher heat during operation than gas to be admitted and therefore has to be heated less.
  • the membrane-electrode unit which is a field-effect transistor, preferably in addition to a diode. Also advantageous is the arrangement of a second short-circuit element in the form of a PTC element, in particular in combination with a field effect transistor.
  • the membrane-electrode unit has at least one edge reinforcement, which has at least one element. The edge reinforcement is usually arranged in the non-active region of membrane-electrode assemblies, ie the exchange region and the forwarding region. It has a stabilizing function for the fragile membrane and is designed, for example, as a plastic film which supports the membrane in its electrode-free areas.
  • the edge reinforcement can be used for the installation of the element in an advantageous manner, since the membrane is particularly well stabilized here.
  • the element is embedded between two metal plates in the edge reinforcing material.
  • the element is housed in metal plates and sealed against the environment. In order to clamp the element between the metal plates, it can be held between the metal plates by a conductive pressure layer or a pressure element, such as a compression spring.
  • the element jams particularly well when the gaps between the two metal plates are glued circumferentially with sealant.
  • the element is sealed separately by a second seal.
  • the element is in the forwarding area separately against a first seal.
  • the element is formed integrally within a sealant. This has the advantage that the element is isolated from the operating gases. Consequently, it is not attacked by them. Also, pouring the element into a sealant, for example, the edge reinforcement, manufacturing technology is easy.
  • the element and the membrane-electrode assembly are made in one piece.
  • One-piece components can easily be installed further and are less susceptible.
  • Another advantage of the invention is the fact that the operating state and thus a readiness for operation of the fuel cell stack according to the invention can be read from its voltage.
  • a corresponding method is explained below with reference to the example of a PTC element as a short-circuit element.
  • the open circuit voltage can also be referred to as a so-called open circuit (OCV: Open Circuit Voltage).
  • OCV Open Circuit Voltage
  • the open circuit voltage is the maximum voltage of a Fuel cell. It occurs when the fuel cell has reached its operating temperature and no load is applied. The existence of an operating temperature can thus be over the
  • the current-voltage characteristic of the short-circuit element for example, a PTC element, however, usually has a linear course, in which the voltage
  • the element has a current-voltage characteristic for each temperature, the slope increasing with higher temperatures.
  • the characteristic "wanders" with increasing temperature in the direction of higher voltages.
  • Fuel cell systems are constantly recorded. They are also attached to the element. Of the
  • a preferred embodiment for carrying out this method comprises at least one fuel cell with at least one element, wherein the electrical resistance of the element is temperature-dependent. The method comprises the following steps:
  • Fuel cell stack wherein the characteristic represents the relationship between voltage U and current I of the cell.
  • a plurality of current-voltage characteristics are provided, each characteristic indicating the relationship between voltage U and current I of the cell for different mass flows or operating pressures of the anode and / or cathode operating media,
  • Temperature threshold reached or exceeded preferably from 0 ° C.
  • FIG. 1 shows a sectional drawing of a fuel cell cut
  • FIG. 2 shows a membrane-electrode unit in a plan view
  • FIG. 3 an enlargement of a sectional drawing
  • FIG. 4 is a perspective view of an MEA
  • FIG. 5 shows a fuel cell stack with a cutout
  • FIG. 6 shows a schematic representation of combinations of elements
  • Figure 7 is a sectional view through a fuel cell cutout.
  • Figure 1 shows the schematic structure of a section of a fuel cell stack with two exemplary individual cells in a sectional view.
  • Each single cell has a membrane-electrode assembly (MEA) 101.
  • the MEA 101 consists of a membrane 103 which has an anode layer 102 on its first membrane side 106 and a cathode layer 104 on its second membrane side 107.
  • the anode or cathode layers 102, 104 can be applied directly to the membrane sides 106, 107 and cured.
  • the MEA is also referred to as catalytically coated membrane or CCM (Catalyst Coated Membrane).
  • the CCM 105 is on both sides of an electrically conductive and gas-permeable
  • Gas diffusion layer 108, 109 contacted.
  • the first gas diffusion layer 108 and also the second gas diffusion layer 109 are placed on the CCM 105 for this purpose.
  • Gas diffusion layers 108, 109 adjoin bipolar plate halves 202.
  • Two bipolar plate halves 202 form a bipolar plate 201.
  • Cathodic gas channels 203 for conducting cathode operating gas and anode gas channels 204 for conducting anode operating gas are present in the bipolar plate halves.
  • the bipolar plate halves 202 also have cooling channels 205. These serve to cool the bipolar plates 201 from the inside.
  • a plurality of alternately stacked bipolar plates 201 and membrane electrode assemblies 101 form a fuel stack 1 15.
  • FIG. 2 shows a membrane-electrode unit 101 in a plan view.
  • the MEA 101 is stabilized by a frame-like edge reinforcement 1 16.
  • the membrane-electrode unit 101 is subdivided into five regions, each of which is marked by a circumferential broken line in the figure: In a first exchange region 110, a first transfer region 11, a reaction region 112, a second forwarding area 1 13 and a second exchange area 1 14.
  • the inlet openings 1 101 are used for introducing coolant 1 102 and the anode and cathode operating gases 1 103.
  • the inlet openings 1 101 are individually sealed, each with a circumferential seal (thick line) against an adjacent Bipolarplattenhver (not shown in Figure 2).
  • the inlet openings 1 101 may be sealed with a seal surrounding the entire exchange area 110. The sealing of the inlet openings 101 1 individually and as an area increases the safety in the event of leakage.
  • the second exchange region 1 has 14 outlet openings 1 141 for draining the coolant 1 102 and the anode and cathode operating gases 1 103 and circumferential seals 11.
  • the first exchange area 110 thus represents the inlet side of the MEA 101 and is also referred to as inlet, while the second exchange area 14 forms the outlet side and is referred to as outlet.
  • the reaction region 1 12 which is also referred to as the active region, describes a region of an MEA 101, which lies between the first and second relay region 1 1 1, 1 13 and by the presence of the cathode and anode, ie the catalytic
  • Coating distinguishes. Thus, during operation of the fuel cell in the reaction region 12, the current-generating chemical reactions take place.
  • the anode operating gas 1 103 such as oxygen or air
  • the cathode operating gas 1 103 for example, hydrogen or another Fuel
  • the anode and cathode operating gas 1 103 are discharged from the reaction area 102 and the outlet openings 1 141 supplied.
  • the coolant 1 102 flows within an adjacent bipolar plate from the corresponding inlet opening 1 101 and is parallel to the first relay region 1 1 1, the reaction region 102, the second
  • forwarding areas 1 1 1, 1 13 Preferably, in the forwarding areas 1 1 1, 1 13 therefore no catalytic coating is present.
  • the frame-like edge reinforcement 1 16 can extend advantageously over the forwarding areas 1 1 1, 1 13 extend.
  • Forwarding areas 1 1 1, 1 13 are also referred to as plenum, manifold area, transition area, or cross-flow area.
  • the forwarding areas 1 1 1, 1 13 are referred to together with the exchange areas 1 10, 1 14 as so-called inactive areas.
  • the first and second forwarding areas 1 1 1, 1 14 are together with the
  • Reaction region 102 also sealed separately by a circumferential first seal 1 1 12 and form the here hexagonal sealing region 1 171 (in addition, indicated in Figure 2 by the hexagonal symbol).
  • the first seal 1 1 12 is for example as
  • an element 1 1 1 1 is within the sealing region 1 171
  • the short-circuit element 1 1 1 1 can be arranged in one or both forwarding areas 1 1 1, 1 13 and / or in the reaction area 102. At least in the case of the arrangement in a relay region 1 1 1, 1 13, where no anode or cathode coating is present, the electrical short circuit via the adjacent gas diffusion layers 108 and 109.
  • the element may in various embodiments, a diode, a field effect transistor or a PTC Be element. Combinations of these are also beneficial.
  • the short-circuit element 1 1 1 1 is disposed within the first forwarding area 1 1 1 and there by an optional second seal 1 1 13th sealed separately.
  • it is surrounded by two metal plates which are sealed together along their edge, so that the element 1 1 1 1 1 is sealed between the metal plates. So that the element 1 1 1 1 1 is fixed between the metal plates, it is stretched with a spring between the metal plates.
  • the element 1 1 1 1 1 breaks through the MEA 101 so that it connects the first gas diffusion layer to the second gas diffusion layer (not shown).
  • the element can also be installed several times.
  • Possibility is the installation of an element on the inlet side and a second element on the outlet side.
  • the second element may also be a diode, a field effect transistor or a PTC element. If necessary, the number of elements and the combinatorics of their versions as a diode, field effect transistor or PTC element can be changed.
  • the element 1 1 1 1 1 is cast in the first relay region 1 1 1. This is alternatively or additionally possible in the second forwarding area 1 13.
  • the top and the bottom of the element 1 1 1 1 are applied to the first and second gas diffusion layer (not shown). Since the gas diffusion layers are electrically conductive, the element 1 1 1 1 can switch a short circuit between the cathode and the anode (not shown). This is done depending on a certain temperature, a certain external pressure, a certain voltage or a certain gas concentration of hydrogen or oxygen.
  • the element 1 1 1 1 1 is designed so that it is not electrically conductive under normal operating conditions of the fuel cell.
  • the element 1 1 1 1 1 not directly through a
  • the setting parameter can be dependent on a variety of conditions. In vehicle construction, this is, for example, the position of the vehicle. Because this includes latitude and / or altitude above sea level.
  • the electronic device also knows the history of different drivers, their driving behavior and their desired vehicle performance profile. For drivers who only set themselves up in the vehicle, the time between door opening and vehicle start, a slower heating of the element 1 1 1 1 can be set.
  • the first relay region 1 1 1 in parts, sub-segments or in the whole with its adjacent Bonded bipolar plate half or welded (not shown). Such joined seals withstand high temperatures or gas concentrations.
  • the reaction region 1 12 is subdivided into a membrane (not shown), as well as a cathode 102 or a cathode, which can be seen in plan view
  • the cathode 102 is thus mounted on a first membrane side 106 (in the present view, the top of the membrane).
  • the anode (not shown) is mounted on a second membrane side 107 (in the present view the underside of the membrane).
  • FIG. 3 shows an enlargement of a sectional view of a cell of a fuel cell stack 1 15.
  • FIG. 3 teaches an MEA 301.
  • An electrically conductive element 307 is arranged in the active region.
  • the MEA 301 comprises a membrane 302, the one on both sides
  • Catalyst coating 303 has. This catalyst coating is in each case surrounded by a gas diffusion layer 304.
  • the MEA 301 is sandwiched between two bipolar plate halves 305.
  • the figure teaches that an element 306 is inserted in the MEA 301.
  • the element 306 breaks through the membrane 302 and the catalyst coating 303. Thus, it is in electrical contact 306 with the catalyst coating 303. Also, there is electrical contact between element 306 and gas diffusion layer 304.
  • element 306 has no electrical resistance, then it short circuits MEA 101. Conversely, if it has a high electrical resistance, it isolates the
  • Catalyst coating 303 so that a potential arises between them.
  • element 306 The function of element 306 is shown in an enlarged replacement scheme.
  • the replacement scheme shows the role of element 306.
  • the task of element 306 is that of a potentiometer. This changes its conductivity 307 as a function of a
  • Parameters such as the temperature.
  • the element 306 produces heat so that the MEA 301 heats up.
  • the total heat of the MEA 301 is the sum of the electrochemical inefficiency. It adds to the heat radiated from the membrane-electrode assembly 301 and the heat of the member 306.
  • the element 306 is a PTC element in the present embodiment. Therefore, the total heat is directly proportional to the applied load on the membrane-electron unit 301 and the PTC element.
  • a PTC element describes a device that having temperature-dependent properties. In particular, it describes
  • PTC elements Other known names for PTC elements are PTC heating element or PTC shorting element.
  • the switching temperature is the temperature at which a PTC element increases its resistance.
  • a PTC element changes its resistance depending on its switching temperature.
  • the switching temperature of a PTC element is in the operation of fuel cells for vehicles in the range of 50 to 70 ° C.
  • a heated MEA that is, an MEA whose coolant liquid has a temperature greater than 0 ° C, has the open circuit voltage when no consumer is connected.
  • Open circuit voltage is also called OPC.
  • the abbreviation OCV means Open Circuit Voltage. It describes an open circuit voltage.
  • the open circuit voltage of a fuel cell is the
  • the element 306 is arranged in an inactive relay area (11 1, 13, 2), no catalyst coatings 303 are present in this area. In this case, the element 306 contacts the two gas diffusion layers 304 (not shown or 108, 109, Figure 1). The operation corresponds to the aforementioned.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a membrane-electrode unit 401.
  • the FIGURE shows an MEA 401 with two gas diffusion layers 401, 402.
  • the MEA 401 is held by an edge reinforcement 404.
  • FIG. 4 teaches different positions to place an element 403.
  • the element 403 may be placed inside the MEA 401 (right side of the illustration). For this purpose it is clamped in the membrane 408 between the cathode and the anode. Then it is automatically placed in the reaction area 406 as well. The element 401 is sealed separately (not shown)
  • the element 403 is arranged on one side of the membrane 408 in the transfer region 405, for example glued on. It does not break through the membrane itself. A bore (not shown) through the membrane 408 filled with an electrically conductive material performs this task.
  • placement of the element 403 within the edge enhancement 404 is also possible (left side of the illustration). That's it in
  • the edge reinforcement serves primarily to mechanically support the membrane and is impermeable to the equipment.
  • the edge reinforcement 404 may be a foil or a sheet that has openings as well as inlet and outlet openings (1 101, 1 141, FIG. 2). In some cases, edge reinforcement 404 is made in part or entirely of rubber or other non-electrically conductive material 407.
  • the element 403 may be a PTC element, a diode or field effect transistor in the present embodiment.
  • FIG. 5 teaches an embodiment of a fuel cell stack 501.
  • Fuel cell stack 501 consists of bipolar plates 502 sandwiching MEA 504 between them.
  • the embodiment teaches that the membrane 505 of the MEA 504 is pierced by an element 503.
  • the element 505 is located in a relay area 506, wherein the element 505 is a switch 5031, a field effect transistor 5032, a diode 5033 or a
  • Resistor 5034 is.
  • the field effect transistor is a MOSFET.
  • FIG. 6 shows different embodiments of the elements 601, such as switches, diodes, resistors and field-effect transistors. These are in the reaction area or in the
  • FIG. 6 shows the combination of a switch on the inlet side with a diode on the outlet side.
  • the diodes are thermal diodes.
  • a thermal diode which is known as a temperature sensor from the personal computer operation as a Schottky diode.
  • These Schottky diodes are cheap to buy in large volume. Furthermore, they have positive properties according to US5955793.
  • the diodes described here reach> 100mV / ° C in the working range of 5 ° C - 20 ° C. In this area, numerous diodes are used as temperature sensors.
  • a non-thermally responsive diode is installed. Such diodes are known to protect against cell reversal.
  • a temperature sensitive resistor there is a PTC element on the inlet side and a second PTC element on the outlet side.
  • Switching temperatures are different. This is explained in the diagram on the right in FIG.
  • the PTC element on the side of the inlet has a switching temperature of -5 ° C to 5 ° C.
  • the PTC element on the side of the outlet has a switching temperature of 30 ° C.
  • a PTC element is shown in ceramic design. Ceramic PTC elements are known in the automotive industry. They are used there for the defrosting of rear windows.
  • the PTC element is a polymer design. It is a matrix of conductive particles, such as carbon, which finds support in a polymer. Such polymer designs are designed for high voltages.
  • the inlet side is free of elements 601, but on the outlet side is a PTC element.
  • FIG. 7 shows a detail of a fuel cell stack 701.
  • Fuel cell stack 701 are two bipolar plate halves 702, 703. Between the bipolar plate halves 702, 703 is a membrane 706. This is connected by means of the two gas diffusion layers 704, 705 with the Bipolarplattenhiern.
  • FIG. 7 also shows that the membrane 706 is separated from an element 709 by a film 707.
  • the film 707 is cloth-impermeable. It also can not conduct electricity. Thus, it isolates element 709 from the MEA. Above and below the element, this is connected via deposits 708 to the gas diffusion layer 704, 705.
  • the insert 708 is cloth-impermeable but electrically conductive.

Abstract

The invention relates to a membrane electrode unit (101) comprising a membrane (103), an anode (102) arranged on a first membrane side (106), and a cathode (104) arranged on a second membrane side (107), wherein, when viewing the flat sides thereof, the membrane electrode unit (101) has a reaction region (112), at least one exchange region (114) in which at least one inlet opening (1101) and at least one outlet opening (1141) are formed for introducing and discharging gas (1103) and cooling fluid (1102), and at least one redirection region (111, 13) arranged between the reaction region (112) and exchange region (114), wherein the membrane electrode unit (101) has at least one first sealing region (1171) enclosing the redirection region (111) and the reaction region (112) for sealing the membrane electrode unit against a bipolar plate. According to the invention, at least one element (1111) is provided which has an electrical conductivity, depending on at least one parameter, for short-circuiting the anode (102) using the cathode (104) and is arranged within the first sealing region (1171).

Description

Beschreibung  description
Membran-Elektroden-Einheit mit einem elektrisch leitfähigen Element Membrane electrode unit with an electrically conductive element
Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit, die mindestens einen The invention relates to a membrane-electrode assembly comprising at least one
Austauschbereich, einen Weiterleitungsbereich und einen Reaktionsbereich umfasst, wobei mindestens eine Einlassöffnung und mindestens eine Auslassöffnung zum Ein- und Ausleiten von Gas und Kühlmittelflüssigkeit im Austauschbereich ausgebildet sind und die Membran- Elektroden-Einheit mindestens eine Membran und mindestens eine Kathode und mindestens eine Anode zum Katalysieren des Gases an der Kathode oder der Anode umfasst, wobei die Kathode an einer ersten Membranseite angeordnet ist und die Anode an einer zweiten Exchange region, a forwarding region and a reaction region comprises, wherein at least one inlet opening and at least one outlet opening for introducing and discharging gas and coolant liquid are formed in the exchange region and the membrane electrode assembly at least one membrane and at least one cathode and at least one anode for catalyzing of the gas at the cathode or the anode, wherein the cathode is arranged on a first membrane side and the anode is arranged on a second membrane side
Membranseite angeordnet ist und wobei die Membran-Elektroden-Einheit mindestens einen Dichtungsbereich umfasst. Membrane side is arranged and wherein the membrane-electrode unit comprises at least one sealing area.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer Ionen leitenden, insbesondere Protonen leitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and in each case an electrode arranged on both sides of the membrane (anode and cathode). During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a
wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 -> 2 H+ + 2 e"). Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where an electrochemical oxidation takes place with release of electrons (H 2 -> 2 H + + 2 e " ). The membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place
(wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen e" werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet ( 2 02 + 2 e -> 02~). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons e " provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line, and the cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that the oxygen is reduced by taking up the electrons (2 0 2 + 2 e -> 0 2 ~ ). At the same time, these react in the cathode compartment
Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H+ + O2" -» H20). Oxygen anions with the protons transported across the membrane to form water (2 H + + O 2 " -> H 2 O).
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist in einem Brennstoffzellenstapel jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits der Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten sowie andererseits der Abführung von Wärme dient. In general, the fuel cell is formed by a plurality of stack (stack) arranged membrane electrode assemblies whose electrical power is added. Between two membrane-electrode units, a bipolar plate is arranged in each case in a fuel cell stack, on the one hand, the supply of the process gases to the anode or Cathode of the adjacent membrane electrode assemblies and on the other hand, the dissipation of heat is used.
Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) werden in Brennstoffzellen verbaut, die dem Antrieb von Fahrzeugen dienen. Damit sind sie den Witterungsbedingungen ausgesetzt, die diese Membrane electrode assemblies (MEA) are installed in fuel cells that drive vehicles. So they are exposed to the weather conditions that these
Fahrzeuge erleiden. Tiefe Temperaturen, die unterhalb des Gefrierpunktes liegen, gefrieren Wasser und Produktwasser in Brennstoffzellen zu Eis. Dieses Eis verstopft unter anderem die Zu- und Abführungskanäle der Brennstoffzellenbetriebsgase. Diese Verstopfungen stören die Gaszufuhr und verhindern ein zuverlässiges Kaltstarten des Brennstoffzellenstapels. Darüber hinaus sind in einem Brennstoffzellenstapel Komponenten eingebaut beziehungsweise Suffer vehicles. Low temperatures below freezing freeze water and product water in fuel cells to ice. This ice clogs, among other things, the supply and discharge channels of the fuel cell operating gases. These blockages interfere with the gas supply and prevent a reliable cold start of the fuel cell stack. In addition, components are incorporated in a fuel cell stack
Werkstoffe verbaut, die teilweise Stoffe freisetzen. Deren Freisetzen resultiert aus einer Sensitivität der Komponenten beziehungsweise Werkstoffe für Wärme, Feuchtigkeit oder Wasserstoff. Diese Stoffe sind eine Verschmutzung beziehungsweise eine Materials that partially release substances. Their release results from a sensitivity of the components or materials for heat, moisture or hydrogen. These substances are a pollution or a
Verschmutzungsquelle für die MEA. Eine verschmutzte MEA leidet in ihrer Funktionalität oder nimmt Schaden. Somit bedrohen Verschmutzungen die Betriebssicherheit des Pollution source for the MEA. A contaminated MEA suffers in its functionality or takes damage. Thus, contamination threatens the reliability of the
Brennstoffzellenstapels. Daher werden Komponenten und Werkstoffe, die nicht zwingend Teil der MEA sind, üblicherweise außerhalb eines Dichtrings verbaut. Allerdings ist eine Kühlung außerhalb des Dichtrings limitiert oder sie steht nicht zur Verfügung. Der Dichtring dichtet die MEA entlang ihres Rahmen meist umlaufend. Fuel cell stack. Therefore, components and materials that are not necessarily part of the MEA are usually installed outside of a sealing ring. However, cooling outside the sealing ring is limited or not available. The sealing ring usually seals the MEA along its frame.
Wenn Eis die Flusskanäle der Anode verstopft und damit einen Brennstoffmangel an der Anode verursacht, kann dieses zur Umpolung einzelner Zellen eines Brennstoffzellenstapels führen. If ice clogs the flow channels of the anode and thus causes a lack of fuel at the anode, this can lead to the polarity reversal of individual cells of a fuel cell stack.
Die US 2010/0035090 A1 offenbart in Figur 2, dass zwischen zwei Bipolarplatten ein nichtlineares Element zu platzieren ist, um eine MEA-Degradation zu reduzieren. Die Schrift schlägt dabei vor, als nichtlineares Element einen PTC-Widerstand oder einen MOSFET- Widerstand zu verwenden. Dabei sind diese, nach Absatz [0023], außerhalb der Bipolarplatte in den Brennstoffstapel zu integrieren. Alternativ ist das nicht lineare Element in anderen US 2010/0035090 A1 discloses in FIG. 2 that a nonlinear element is to be placed between two bipolar plates in order to reduce MEA degradation. The script proposes to use as a nonlinear element a PTC resistor or a MOSFET resistor. These are, according to paragraph [0023], to be integrated outside the bipolar plate in the fuel stack. Alternatively, the non-linear element is in others
Brennstoffzellenstapelstrukturen zu platzieren. Das nichtlineare Element kann auch als Komponente innerhalb einer Bipolarplatte, einer Gasdichtung oder elektrischen Place fuel cell stack structures. The non-linear element can also be used as a component within a bipolar plate, a gas seal or electrical
Isolationseinrichtung oder als Teil einer leitenden Schicht oder anderer Stützstrukturen verbaut werden. Insulating device or as part of a conductive layer or other support structures are installed.
Ein Nachteil des Vorschlags der US2010/0035090 ist die starke Wechselbelastung der Bipolarplatte in der nahen Umgebung des nichtlinearen Elements, dessen regelmäßiges Erwärmen und Abkühlen die Bipolarplatten belastet. Nachteilig ist die Komplexität von Dichtungen. Deren Eignung für den Einsatz in Brennstoffzellen fordert ein hohes Wissen und Können. Geeignete gestanzte oder geschnittene Flachdichtungen beziehungsweise Dichtungen aus Dispensen zu produzieren, ist kompliziert. A disadvantage of the proposal of US2010 / 0035090 is the strong alternating load of the bipolar plate in the vicinity of the non-linear element, the regular heating and cooling of which loads the bipolar plates. The disadvantage is the complexity of Seals. Their suitability for use in fuel cells requires a high level of knowledge and skills. Producing suitable stamped or cut gaskets or seals from dispensers is complicated.
Die DE 10 2007 048 869 A1 lehrt die Verwendung eines PTC-Elements als einen DE 10 2007 048 869 A1 teaches the use of a PTC element as one
selbstregulierenden Widerstand im Zusammenhang mit einem Brennstoffzellenstapel. Die Schrift lehrt in Absatz [001 1 ] dieses PTC-Element dazu zu verwenden, eine durch die Self-regulating resistor in connection with a fuel cell stack. The Script teaches in paragraph [001 1] to use this PTC element, one through the
Brennstoffzelle erzeugte Spannung so lange zu begrenzen, bis die Brennstoffzelle eine normale Betriebstemperatur erreicht hat. Zur Umsetzung dieser Aufgabe, ist das PTC-Element zwischen zwei Bipolarplatten verbaut. Denn dort schließt es beide Bipolarplatten miteinander elektrisch kurz, so lange der Schaltwiderstand des PTC-Elementes nicht erreicht ist. Die Schrift führt aus, ein PTC-Element, zum Beispiel in jede Bipolarplatte oder eine dazwischen liegende Membran, zu integrieren [0026]. Fuel cell to limit the voltage generated until the fuel cell has reached a normal operating temperature. To implement this task, the PTC element is installed between two bipolar plates. Because there it closes both bipolar plates together electrically short, as long as the switching resistance of the PTC element is not reached. Scripture teaches to integrate a PTC element, for example, into each bipolar plate or membrane therebetween.
Nachteilig ist allerdings, dass das PTC-Element mit Blattfedern zwischen die Bipolarplatten geklemmt wird. Ein Klemmen von Bauteilen ist unsicher. Ein zweiter Nachteil ist, dass der bevorzugte Ort für das PTC-Element nahe der Kühlmitteleinlass-Sammelleitung sein soll. Da dieser Ort jedoch keinen Kontakt zum Kühlmittel besitzt, ist die thermische Kopplung gering. The disadvantage, however, is that the PTC element is clamped with leaf springs between the bipolar plates. A jamming of components is uncertain. A second disadvantage is that the preferred location for the PTC element is to be near the coolant inlet manifold. However, since this location has no contact with the coolant, the thermal coupling is low.
Ausgehend von der DE 10 2007 048 869 A1 weist der Stand der Technik den Nachteil auf, dass ein Erwärmen beziehungsweise Aufheizen einer Bipolarplattenanordnung beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels beim Kaltstarten eines Fahrzeugs zu lange dauert. Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde bereits versucht, Brennstoffzellen mit trockener Luft zu spülen. Weder das Spülen noch ein Heizen von Ventilen oder Kühlmittel behob diesen Nachteil. Auch ein geschicktes, Eis tolerantes, Konstruieren der MEA schuf keine Abhilfe. Aufgrund des großen Wunsches der Fachwelt, den Nachteil zu beheben, wurde versucht, eine Verbrennung von H2 und 02 auszunutzen. Der zeitliche Verzug beim Kaltstarten von Fahrzeugen hält an. Starting from DE 10 2007 048 869 A1, the prior art has the disadvantage that heating or heating of a bipolar plate arrangement or the fuel cell stack takes too long when cold starting a vehicle. To overcome this drawback, attempts have been made to flush fuel cells with dry air. Neither the rinsing nor the heating of valves or coolant solved this disadvantage. Even a skilful, ice tolerant, constructing the MEA created no remedy. Due to the great desire of the art to remedy the disadvantage, it was tried to exploit a combustion of H 2 and 0 2 . The delay in the cold start of vehicles continues.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels bei dessen Kaltstart weiter zu verbessern. The invention is based on the object of further improving the heating of a fuel cell stack during its cold start.
Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Einheit sowie durch einen This object is achieved by a membrane-electrode assembly and by a
Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Fuel cell stack solved with the features of the independent claims.
Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit umfasst eine Membran, eine an einer ersten Membranseite angeordnete Kathode und eine an einer zweiten Membranseite angeordnete Anode. Die Membran-Elektroden-Einheit weist in Aufsicht auf ihre Flachseiten jeweils einen Reaktionsbereich, mindestens einen Austauschbereich, in welchem mindestens eine Einlassöffnung und mindestens eine Auslassöffnung zum Ein- und Ausleiten von Gas (Anoden- und Kathodenbetriebsmedien) und Kühlmittelflüssigkeit ausgebildet sind, und mindestens einen zwischen Reaktionsbereich und Austauschbereich angeordneten The membrane-electrode unit according to the invention comprises a membrane, a cathode arranged on a first membrane side and a membrane side on a second side arranged anode. The membrane electrode assembly has in plan view on its flat sides in each case a reaction region, at least one exchange region in which at least one inlet opening and at least one outlet opening for introducing and discharging gas (anode and cathode operating media) and coolant liquid are formed, and at least one arranged between reaction area and exchange area
Weiterleitungsbereich auf. Ferner weist die Membran-Elektroden-Einheit mindestens einen den mindestens einen Weiterleitungsbereich und den Reaktionsbereich einschließenden ersten Dichtungsbereich zum Dichten der Membran-Elektroden-Einheit gegen eine Bipolarplatte (im Montagezustand in einem Brennstoffzellenstapel) auf. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens ein Element vorhanden ist, das eine von mindestens einem Parameter abhängige elektrische Leitfähigkeit zum Kurzschließen der Kathode mit der Anode aufweist und das innerhalb des ersten Dichtungsbereichs angeordnet ist. Forwarding area. Furthermore, the membrane-electrode unit has at least one first sealing region enclosing the at least one forwarding region and the reaction region for sealing the membrane-electrode assembly against a bipolar plate (in the assembled state in a fuel cell stack). The object is achieved in that at least one element is present which has an electrical conductivity dependent on at least one parameter for short-circuiting the cathode to the anode and which is arranged within the first sealing region.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl einander abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gemäß der Erfindung und Bipolarplatten umfasst. Der Brennstoffzellenstapel kann mit Vorteil in einem elektromotorisch betriebenen Fahrzeug eingesetzt werden, wobei der Brennstoffzellenstapel die elektrische Energie zum Betreiben des Elektromotors liefert. The invention in a further aspect relates to a fuel cell stack comprising a plurality of alternately arranged membrane-electrode assemblies according to the invention and bipolar plates. The fuel cell stack can be advantageously used in an electric motor-operated vehicle, wherein the fuel cell stack supplies the electrical energy for operating the electric motor.
Der Reaktionsbereich (auch als aktiver Bereich bezeichnet) ist ein Bereich, an dem die katalytischen Elektroden vorhanden sind. Im Montagezustand in einem Brennstoffzellenstapel grenzt der Reaktionsbereich der Membran-Elektroden-Einheit an jeweils eine benachbarte Bipolarplatte an, die in diesem Bereich ein offenes Strömungsfeld, beispielsweise offene Strömungskanäle aufweist, durch welche die Reaktantengase, also das Anodenbeziehungsweise das Kathodenbetriebsgas strömen. Im Reaktionsbereich finden somit im Betrieb der Brennstoffzelle die chemischen Brennstoffzellenreaktionen statt. Im Inneren der Bipolarplatte sind im Reaktionsbereich Strömungskanäle vorhanden, durch die das Kühlmittel strömt und die Reaktionswärme abführt. Der Austauschbereich ist ein Bereich, in dem die Öffnungen für die Zu- und Abfuhr der Betriebsmedien, also des Anoden- und The reaction region (also referred to as the active region) is an area where the catalytic electrodes are present. In the assembled state in a fuel cell stack, the reaction area of the membrane-electrode unit adjoins in each case an adjacent bipolar plate which has an open flow field in this area, for example open flow channels through which the reactant gases, ie the anode or cathode operating gas, flow. In the reaction area, the chemical fuel cell reactions thus take place during operation of the fuel cell. In the interior of the bipolar plate flow channels are present in the reaction region through which the coolant flows and dissipates the heat of reaction. The exchange area is an area in which the openings for the supply and removal of the operating media, ie the anode and
Kathodenbetriebsmediums sowie des Kühlmittels vorhanden sind. Vorzugsweise weist die Membran-Elektroden-Einheit zwei Austauschbereiche auf, in denen jeweils drei Öffnungen (eine für jedes Betriebsmedium) ausgebildet sind und die einander gegenüberliegend beidseitig an dem Reaktionsbereich angeordnet sind. Im Brennstoffzellenstapel sind diese Öffnungen deckungsgleich mit korrespondierenden Öffnungen der Bipolarplatten angeordnet, wodurch Medienhauptkanäle ausgebildet werden, die den Stapel in Stapelrichtung durchsetzen. Seitens einer an die Membran-Elektroden-Einheit angrenzenden Bipolarplatte sind im Austauschbereich in der Regel keine Strömungskanäle für die Reaktanten und das Kühlmittel vorhanden. Der Weiterleitungsbereich (auch Verteilerbereich genannt) bezeichnet einen Bereich, der zwischen dem Reaktionsbereich und einem Austauschbereich angeordnet ist. Der Weiterleitungsbereich dient der Fluidverbindung zwischen den Öffnungen des Austauschbereichs, also den Cathode operating medium and the coolant are present. Preferably, the membrane-electrode unit has two exchange areas, in each of which three openings (one for each operating medium) are formed and which are arranged opposite each other on both sides of the reaction area. In the fuel cell stack, these openings are arranged congruently with corresponding openings of the bipolar plates, whereby main media channels are formed, which pass through the stack in the stacking direction. On the side of a bipolar plate adjacent to the membrane-electrode unit are in the exchange area usually no flow channels for the reactants and the coolant present. The relay area (also called distributor area) denotes an area which is arranged between the reaction area and an exchange area. The forwarding area serves the fluid connection between the openings of the exchange area, so the
Medienhauptkanälen, und den inneren und äußeren Kanalstrukturen des Reaktionsbereichs. Zu diesem Zweck sind auf einer im Montagezustand angrenzenden Bipolarplatte innere und äußere Strömungskanäle vorhanden, welche die entsprechenden Auslassöffnungen des Austauschbereichs mit den korrespondierenden inneren und äußeren Strömungskanälen der Bipolarplatte des Reaktionsbereichs verbinden. Da im Weiterleitungsbereich ebenso wie im Austauschbereich keine chemische Reaktionen stattfinden sollen, weist die Membran- Elektroden-Einheit in diesen Bereichen keine Elektrode beziehungsweise Main media channels, and the inner and outer channel structures of the reaction area. For this purpose, inner and outer flow channels are present on a bipolar plate adjacent in the assembled state, which connect the corresponding outlet openings of the exchange area with the corresponding inner and outer flow channels of the bipolar plate of the reaction area. Since no chemical reactions are to take place in the forwarding area as well as in the exchange area, the membrane-electrode unit has no electrodes in these areas
Elektrodenbeschichtung auf. In Abgrenzung zum aktiven Reaktionsbereich werden der Electrode coating on. In contrast to the active reaction area of the
Austauschbereich und Weiterleitungsbereich zusammengenommen auch als inaktiver Bereich bezeichnet. Die Begriffe Reaktionsbereich, Austauschbereich und Weiterleitungsbereich beziehen sich auf die Aufsicht auf eine der beiden Flachseiten der Membran-Elektroden-Einheit, wobei diese Bereiche auf beiden Flachseiten ausgebildet sind. Exchange area and forwarding area together also referred to as inactive area. The terms reaction region, exchange region and transfer region refer to the plan view of one of the two flat sides of the membrane-electrode assembly, these regions being formed on both flat sides.
Dadurch, dass erfindungsgemäß jede Membran-Elektroden-Einheit durch das Element In that, according to the invention, each membrane-electrode unit passes through the element
(nachfolgend auch als Kurzschlusselement bezeichnet) intern in Abhängigkeit von dem mindestens einen Parameter kurzgeschlossen werden kann, verliert die Membran-Elektroden- Einheit ihren Widerstand und wird durch elektrische Ströme durchflössen, wobei Wärme abgegeben wird. Der Stromdurchfluss ist dabei unabhängig von den elektrischen Widerständen anderer Brennstoffzellenstapelstrukturen. Er erwärmt alle Betriebsmedien, die im (hereinafter also referred to as a short-circuit element) can be internally short-circuited depending on the at least one parameter, the membrane-electrode unit loses its resistance and is traversed by electrical currents, wherein heat is dissipated. The current flow is independent of the electrical resistances of other fuel cell stack structures. It heats all operating media in the
Brennstoffzellenstapel in Nähe des Einbauorts des Kurzschlusselements die benachbarte Bipolarplatte durchströmen. Da das Kurzschlusselement im Dichtungsbereich der Membran- Elektroden-Einheit angeordnet ist, also in einem Weiterleitungsbereich und/oder Fuel cell stack in the vicinity of the installation of the short-circuit element to flow through the adjacent bipolar plate. Since the short-circuit element is arranged in the sealing region of the membrane electrode assembly, that is, in a relay region and / or
Reaktionsbereich, befindet sich das Element in unmittelbarer Nähe zu einem gekühlten Bereich einer angrenzenden Bipolarplatte, das heißt zumindest eines inneren Kühlmittelkanals derselben. Somit kommt es durch die Wärmeabgabe des Kurzschlusselements insbesondere zu einem Erwärmen des Kühlmittels, das wiederum die Wärme über die Bipolarplatte verteilt. Sofern sich nach einem Abschalten des Brennstoffzellenstapels in den Anoden- oder Reaction area, the element is in close proximity to a cooled area of an adjacent bipolar plate, that is, at least one inner coolant channel thereof. Thus, by the heat emission of the short-circuit element in particular to a heating of the coolant, which in turn distributes the heat through the bipolar plate. If, after switching off the fuel cell stack in the anode or
Kathodenkanälen der Bipolarplatte gefrorenes Produktwasser ausgebildet hat, welches zur Verstopfung dieser Kanäle führt, so wird dieses Eis schnell durch das Kurzschlusselement aufgetaut und die Kanäle werden frei. Daher produziert die erfindungsgemäße Brennstoffzelle beim Kaltstart schneller Strom. Dadurch wird der Brennstoffzellenstapel effektiver und benötigt weniger Zellen beziehungsweise Membran-Elektroden-Einheiten. Der Vorteil dieses Effizienzgewinns ist ein Einsparen von Zellen und damit von Bauraum. Da die Cathode channels of the bipolar plate has formed frozen product water, which leads to the blockage of these channels, so this ice is thawed quickly by the short-circuit element and the channels are free. Therefore, the fuel cell according to the invention produces faster power during cold start. This makes the fuel cell stack more effective and requires fewer cells or membrane-electrode assemblies. The advantage of this Efficiency gain is a saving of cells and thus of space. Because the
erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit durch das Kurzschlusselement erwärmt wird, muss das Kühlmittel beim Starten des Brennstoffzellenstapels weniger als im Stand der Technik erwärmt werden, wodurch ein Kühlmittelheizgerät gegebenenfalls entbehrlich ist. Auch andere Maßnahmen des Erwärmens können reduziert werden, wodurch Gewicht und Kosten verringert werden. Ein anderer Vorteil ist, dass jede Membran-Elektroden-Einheit und damit jede angrenzende Bipolarplatte separat erwärmt wird. Der gesamte Brennstoffzellenstapel erwärmt somit schnell, selbst dann, wenn einzelne Zellen noch ausfallen, weil Strömungskanäle benachbarter Bipolarplatten durch Eis blockiert sind. Der Brennstoffzellenstapel erwärmt sich folglich betriebssicher. Eine Stromentnahme aus dem Brennstoffzellenstapel kann somit erfolgen, sobald eine einzige Zelle frei von Eisblockaden ist, insbesondere sobald eine According to the invention membrane electrode assembly is heated by the short-circuit element, the coolant when starting the fuel cell stack must be heated less than in the prior art, whereby a coolant heater is possibly unnecessary. Other measures of heating can also be reduced, thereby reducing weight and costs. Another advantage is that each membrane-electrode assembly and thus each adjacent bipolar plate is heated separately. The entire fuel cell stack heats up quickly, even if individual cells fail because flow channels of adjacent bipolar plates are blocked by ice. The fuel cell stack consequently heats up reliably. A current drain from the fuel cell stack can thus take place as soon as a single cell is free of ice blocks, especially once a
Mindestanzahl von Einzelzellen betriebsbereit ist. Minimum number of single cells is ready.
En weiterer Vorteil des internen Kurzschlusses der Zellen ist darin zu sehen, dass sie gegenüber ihrer bestimmungsgemäßen Polung nicht umpolen, da elektrische Ladungen über das Element abgeführt und ausgeglichen werden. Da Umpolungen, die nach einem Abschalten des Brennstoffzellenstapels stattfinden können, sich beim Wiederstart schädigend auf das katalytische Material der Anode und insbesondere der Kathode auswirken, wird durch die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit die schleichende Verringerung des Another advantage of the internal short circuit of the cells is the fact that they do not reverse polarity over their intended polarity, since electrical charges are dissipated and compensated via the element. Since reversals that can take place after a shutdown of the fuel cell stack, at the start of damaging effect on the catalytic material of the anode and in particular the cathode, by the membrane electrode unit according to the invention, the creeping reduction of
Wirkungsgrades der Brennstoffzelle mit der Nutzungszeit vermindert. Reduced efficiency of the fuel cell with the useful life.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit robust gegenüber einer Kurzstreckennutzung ist. Wenn einige Zellen noch nicht eisfrei sind, sind diese während der Kurzstreckennutzung nicht in Betrieb. Sie werden geschont, aber ein Another advantage is that the membrane-electrode assembly according to the invention is robust to short-distance use. If some cells are not yet ice-free, they will not operate during short-distance use. You will be spared, but one
Brennstoffzellenstapel ist durch die anderen, eisfreien Zellen trotzdem betriebsbereit. Fuel cell stack is still operational by the other, ice-free cells.
Die Leitfähigkeit des Kurzschlusselements hängt von mindestens einem Parameter ab. Ein sinnvoller Parameter bildet die Witterung oder deren Änderungen ab, insbesondere das The conductivity of the short-circuit element depends on at least one parameter. A meaningful parameter reflects the weather or its changes, in particular the
Vorliegen von Frostbedingungen. Presence of frost conditions.
Das Kurzschlusselement ist vorzugsweise so ausgebildet, dass es unter Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels eine niedrige oder keine elektrische Leitfähigkeit aufweist und somit kein Kurzschluss vorliegt. Außerhalb der Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels hingegen weist das Element eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und schließt die Anode und Kathode elektrisch kurz. Vorzugsweise stellt sich dieses Leitfähigkeitsverhalten des Elements passiv in Antwort auf den Parameter ein. Der Parameter ist in einer speziellen Ausführungsform ein Steuersignal, das von einer elektronischen Einheit gestellt wird. Die elektronische Einheit vermisst anhand unterschiedlicher Messgrößen die Umgebung der Brennstoffzelle. Dann kann sie aus den unterschiedlichen Messgrößen heraus ein Steuersignal abbilden. Im Betrieb von Fahrzeugen sind diese The short-circuit element is preferably designed so that it has a low or no electrical conductivity under operating conditions of the fuel cell stack and thus there is no short circuit. However, outside the operating conditions of the fuel cell stack, the element has a high electrical conductivity and short circuits the anode and cathode. Preferably, this conductivity behavior of the element is passive in response to the parameter. The parameter is in a specific embodiment a control signal provided by an electronic unit. The electronic unit measures the environment of the fuel cell on the basis of different parameters. Then it can reproduce a control signal from the different measured variables. In the operation of vehicles these are
Umgebungsbedingungen Positionskoordinaten eines GPS-Systems, ein Gehalt an Environmental conditions Position coordinates of a GPS system, a salary
Frostschutzmittel im Scheibenwischerwasser, gespeicherten Daten einer Fahrhistorie, Antifreeze in windscreen wiper water, stored data of a driving history,
Temperaturen, Drücke oder historischen Daten über die Betriebsstundenanzahl der Temperatures, pressures or historical data on the number of operating hours
Brennstoffzelle. Fuel cell.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Parameter eine Temperatur, eine In an advantageous embodiment, the parameter is a temperature, a
Gaskonzentration oder eine Stromspannung. Wenn der Parameter eine Temperatur ist, ist das Element bevorzugt so ausgebildet, dass seine Leitfähigkeit sich im Bereich des Gefrierpunkts von Wasser stark ändert, also im Bereich um 0°C (+/- 20 °C, insbesondere +/- 15°C). Wenn die Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes oder unterhalb einer über dem Gefrierpunkt liegenden Sicherheitsgrenze liegt, dann wird die Zelle kurzgeschlossen und somit beheizt. Der Parameter kann aber auch eine Gaskonzentration sein. Der Vorteil ist die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Standzeit eines Fahrzeugs, denn die Gaskonzentration, zum Beispiel von Wasserstoff, kann stark reduziert sein, wenn das Fahrzeug lange gestanden hat. Alternativ ist der Parameter eine Stromspannung. Dabei ist die Membran-Elektroden-Einheit bis zum Erreichen einer vorbestimmten Grenzspannung kurzgeschlossen. Sie hat damit keine Polung und kann damit nicht umpolen. Die Kathode mit der Anode über eine Diode zu verschalten, ist in diesem Zusammenhang eine Möglichkeit, denn diese verhindert innerhalb ihres Sperrbereichs einen elektrischen Strom in eine unerwünschte Richtung. Damit schützt sie vor einer Umpolung. Gas concentration or a voltage. If the parameter is a temperature, the element is preferably designed such that its conductivity changes greatly in the region of the freezing point of water, ie in the range around 0 ° C. (+/- 20 ° C., in particular +/- 15 ° C.) , If the temperature is below freezing or below a safe limit above freezing, the cell will be shorted and thus heated. The parameter can also be a gas concentration. The advantage is the dependence of the conductivity of the life of a vehicle, because the gas concentration, for example of hydrogen, can be greatly reduced if the vehicle has stood for a long time. Alternatively, the parameter is a voltage. In this case, the membrane-electrode unit is short-circuited until reaching a predetermined threshold voltage. It has no polarity and can not reverse polarity. To interconnect the cathode with the anode via a diode is a possibility in this context, because it prevents an electric current in an undesired direction within its blocking region. This protects against a polarity reversal.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Element ein PTC-Element. Der Vorteil ist ein Kurzschließen der MEA in Abhängigkeit von der Temperatur ohne teure und aufwendige Elektronik. Jedes PTC-Element schaltet die ihm zugehörige MEA passiv in Abhängigkeit der an ihrer Position im Brennstoffzellenstapel vorherrschenden Bedingungen. Ein Verbau eines PTC- Elements innerhalb der MEA ermöglicht deren Kurzschließen ohne elektrische Widerstände anderer Brennstoffzellenstrukturen zu durchfließen. In a preferred embodiment, the element is a PTC element. The advantage is a short circuit of the MEA as a function of the temperature without expensive and expensive electronics. Each PTC element passively switches its associated MEA depending on the conditions prevailing at its position in the fuel cell stack. A shunt of a PTC element within the MEA allows its shunting without electrical resistances flow through other fuel cell structures.
Alternativ können die Kathode und die Anode über eine Folie miteinander verbunden werden, die eine Oxidschicht aufweist. Das hat den Vorteil, dass eine Wasserstoffinjektion in die Alternatively, the cathode and the anode may be bonded together by a foil having an oxide layer. This has the advantage that a hydrogen injection into the
Kathodenversorgung zur Reaktion an der Anode beim Starten eingespritzt werden kann, um die MEA kurzuschließen. Denn dann schließt die Oxidschicht intern die MEA kurz. Dies hält die Anode vor jedweder Schadeinwirkung frei. Cathode supply can be injected to react at the anode during startup to the Short circuit MEA. Because then the oxide layer internally shorts the MEA short. This keeps the anode free of any harmful effects.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Element eine Diode. Eine Diode, beispielsweise eine Verpolungsschutz-Diode (reverse-polarity protection diode), richtet den Strom zwischen der kurzgeschlossenen Kathode und Anode in eine Richtung. Ein Einsatz einer In another embodiment, the element is a diode. A diode, such as a reverse polarity protection diode, directs the current between the shorted cathode and anode in one direction. A use of a
temperaturabhängigen Verpolungsschutz-Diode ermöglicht einen Betrieb eines Temperature-dependent reverse polarity protection diode allows operation of a
Diodenheizgeräts. Diodes heater.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Element ein Feldeffekttransistor. Ein Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) hat den Vorteil, im Falle des Kurzschlusses ein geringst möglicher Widerstand zu sein. Gleichzeitig bietet er den bestmöglichen Schutz vor Umpolung. Ein MOSFET erlaubt ferner, andere Schaltkreiskomponenten zu integrieren. Der Vorteil dieser Integration ist Spannungs- und Temperaturabhängigkeiten der In a further embodiment, the element is a field effect transistor. A metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) has the advantage of being the least possible resistance in the case of a short circuit. At the same time, it offers the best possible protection against reverse polarity. A MOSFET also allows to integrate other circuit components. The advantage of this integration is voltage and temperature dependencies
Schaltkreiskomponenten in die MEA einzubauen. Install circuit components in the MEA.
In vorteilhafter Weise ist das Element im Weiterleitungsbereich der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet. Der Weiterleitungsbereich verfügt über genügend Bauraum, um dünne und großflächige Kurzschlussmittel in die Membran-Elektroden-Einheit einzufügen. Sofern einer von zwei vorhandenen Weiterleitungsbereichen ein medienzuführender Bereich und der andere ein abführender Bereich ist, ist das Kurzschlusselement bevorzugt in dem zuführenden Advantageously, the element is arranged in the forwarding region of the membrane-electrode assembly. The forwarding area has sufficient installation space to insert thin and large-area short-circuiting means into the membrane-electrode unit. If one of two existing forwarding areas is a media supplying area and the other is a discharging area, the shorting element is preferably in the feeding one
Weiterleitungsbereich positioniert. Auf diese Weise wird das Kühlmittel erwärmt, bevor dieses den Reaktionsbereich anströmt. Die Positionierung des Elements im medienabführenden Weiterleitungsbereich der Auslässe ermöglicht hingegen ein Erwärmen des Kühlmittels beim Austreten aus der MEA. Da bei der Brennstoffzellenreaktion Produktwasser entsteht, das aus dem Reaktionsbereich über den abführenden Weiterleitungsbereich mit dem Abgas abgeführt wird, ist die Gefahr des Gefrierens von Produktwasser im medienabführenden Forwarding area positioned. In this way, the coolant is heated before it flows to the reaction area. The positioning of the element in the media-discharging forwarding area of the outlets, on the other hand, allows heating of the coolant as it exits the MEA. Since in the fuel cell reaction product water is formed, which is discharged from the reaction area via the laxative forwarding area with the exhaust gas, the risk of freezing of product water in the medienabführenden
Weiterleitungsbereich besonders hoch. Der Vorteil des Erwärmens am Auslass, minimiert das Frostrisiko also nachhaltig am Ort des höchsten Risikos. Mit Vorteil kann sowohl im zu- als auch im abführenden Weiterleitungsbereich jeweils ein oder mehrere Kurzschlusselemente vorgesehen sein. Forwarding area particularly high. The advantage of heating at the outlet minimizes the risk of frost so sustainably at the place of the highest risk. Advantageously, one or more short-circuit elements may be provided both in the forwarding and in the discharging forwarding area.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Element innerhalb des In a further preferred embodiment, the element is within the
Reaktionsbereichs angeordnet. Der Reaktionsbereich weist in der Regel eine größere Fläche auf als der Weiterleitungsbereich sowie eine weniger stark überkreuzende Kanalstruktur seitens einer angrenzenden Bipolarplatte. Er weist daher einfachere Strömungsverhältnisse auf. Eine Wärmeübertragung vom Reaktionsbereich zu dem in der benachbarten Bipolarplatte strömenden Kühlmittel kann bei vielen Plattengestaltungen direkter möglich sein als aus dem Weiterleitungsbereich. Eine Anordnung von zwei oder mehr Elementen im Bereich des Reaction area arranged. The reaction area generally has a larger area than the relay area and a less strongly crossing channel structure on the part of an adjacent bipolar plate. He therefore has simpler flow conditions. A Heat transfer from the reaction region to the coolant flowing in the adjacent bipolar plate may be more directly possible in many plate designs than out of the relay region. An arrangement of two or more elements in the area of the
Weiterleitungsbereichs sowie des Reaktionsbereichs ist vorteilhaft, da sich die Aufheizeffekte mehrerer Elemente summieren, sodass ein Brennstoffzellen-Fahrzeug beim Kaltstarten besonders schnell betriebsbereit ist. Forwarding range and the reaction area is advantageous because the heat-up effects of multiple elements add up, so that a fuel cell vehicle is ready for cold start very quickly.
Um die Anode mit der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit kurzschließen zu können, ist das Kurzschlusselement die Membran durchdringend ausgeführt, also so, dass es in einer Öffnung der Membran angeordnet ist. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Element einstückig in die Membran-Elektroden-Einheit eingefügt. Einstückig ist das Element mit der MEA verbunden, wenn es zum Beispiel stoffschlüssig mit dieser verbunden ist. Aber auch ein Einlassen des Elements in die MEA verbindet die zwei Bauteile zu einem Bauteil. In order to be able to short-circuit the anode to the cathode of the membrane-electrode assembly, the short-circuit element is designed to penetrate the membrane, that is to say that it is arranged in an opening in the membrane. In a further embodiment, the element is integrally inserted into the membrane-electrode unit. Integrally, the element is connected to the MEA, for example, if it is materially connected to this. But also an insertion of the element into the MEA connects the two components to form a component.
In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens ein zweites Kurzschlusselement vorhanden, dass eine Diode ist. Besonders bevorzugt ist die Kombination einer Diode mit einem PTC- Element. Dadurch, dass mindestens eine Diode und mindestens ein PTC-Element in der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sind, kann die Sensitivität der MEA an die Witterung noch besser angepasst werden, denn die Diode kann im zuführenden Weiterleitungsbereich, also nahe der Einlassöffnungen positioniert sein, das PTC-Element hingegen im ableitenden Weiterleitungsbereich nahe den Auslassöffnungen. Damit wird sowohl das zugeführte Gas von der Diode als auch das ausgelassene Gas vom PTC-Element erwärmt. Ein Vorteil dieses separaten, doppelten Erwärmens ist die Möglichkeit des Konfigurierens unterschiedlicher Schalttemperaturen der Diode und des PTC-Elements. Die Diode und PTC-Elemente können auf unterschiedliche Schalttemperaturen ausgelegt werden. Somit kann einströmendes Gas oder Kühlmittel bei einer anderen Temperatur erwärmt werden als auszulassendes Gas beziehungsweise Kühlmittel. Der Vorteil ist die Einsparung von Energie, denn auszulassendes Gas hat im Betrieb eine höhere Wärme als einzulassendes Gas und muss daher weniger beheizt werden. In a further embodiment, at least one second short-circuit element is present, which is a diode. Particularly preferred is the combination of a diode with a PTC element. Characterized in that at least one diode and at least one PTC element are arranged in the membrane-electrode unit, the sensitivity of the MEA can be adapted to the weather even better, because the diode may be positioned in the feeding forwarding area, so near the inlet openings, the PTC element, however, in the dissipative forwarding area near the outlet openings. Thus, both the supplied gas from the diode and the discharged gas from the PTC element is heated. An advantage of this separate dual heating is the ability to configure different switching temperatures of the diode and the PTC element. The diode and PTC elements can be designed for different switching temperatures. Thus, incoming gas or coolant may be heated at a different temperature than gas or coolant to be discharged. The advantage is the saving of energy, because gas to be discharged has a higher heat during operation than gas to be admitted and therefore has to be heated less.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Membran-Elektroden-Einheit mindestens ein zweites Kurzschlusselement vorhanden, das ein Feldeffekttransistor ist, vorzugsweise zusätzlich zu einer Diode. Ebenfalls vorteilhaft ist die Anordnung eines zweiten Kurzschlusselements in Form eines PTC-Elements, insbesondere in Kombination mit einem Feldeffekttransistor. In einer weiteren Ausführungsform weist die Membran-Elektroden-Einheit mindestens eine Randverstärkung auf, die mindestens ein Element aufweist. Die Randverstärkung ist üblicherweise im nicht aktiven Bereich von Membran-Elektroden-Einheiten angeordnet, also des Austauschbereichs und des Weiterleitungsbereichs. Sie hat eine stabilisierende Funktion für die fragile Membran und ist beispielsweise als eine Kunststofffolie ausgeführt, welche die Membran in ihren elektrodenfreien Bereichen abstützt. Die Randverstärkung kann für den Einbau des Elements in vorteilhafter Weise genutzt werden, da die Membran hier besonders gut stabilisiert ist. In einer Ausführung ist das Element zwischen zwei Metallplatten in das Randverstärkungsmaterial eingelassen. Hierdurch ist das Element in Metalplatten eingehaust und gegen die Umwelt abgedichtet. Um das Element zwischen die Metallplatten zu klemmen, kann es durch eine leitfähige Druckschicht beziehungsweise ein Druckelement, wie zum Beispiel eine Druckfeder, zwischen den Metallplatten gehalten werden. Das Element klemmt besonders gut, wenn die Spalte zwischen den beiden Metallplatten umlaufend mit Dichtmasse geklebt sind. In a further preferred embodiment, at least one second short-circuit element is present in the membrane-electrode unit, which is a field-effect transistor, preferably in addition to a diode. Also advantageous is the arrangement of a second short-circuit element in the form of a PTC element, in particular in combination with a field effect transistor. In a further embodiment, the membrane-electrode unit has at least one edge reinforcement, which has at least one element. The edge reinforcement is usually arranged in the non-active region of membrane-electrode assemblies, ie the exchange region and the forwarding region. It has a stabilizing function for the fragile membrane and is designed, for example, as a plastic film which supports the membrane in its electrode-free areas. The edge reinforcement can be used for the installation of the element in an advantageous manner, since the membrane is particularly well stabilized here. In one embodiment, the element is embedded between two metal plates in the edge reinforcing material. As a result, the element is housed in metal plates and sealed against the environment. In order to clamp the element between the metal plates, it can be held between the metal plates by a conductive pressure layer or a pressure element, such as a compression spring. The element jams particularly well when the gaps between the two metal plates are glued circumferentially with sealant.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Element durch eine zweite Dichtung separat gedichtet. Somit ist das Element im Weiterleitungsbereich separat gegen eine In a further embodiment, the element is sealed separately by a second seal. Thus, the element is in the forwarding area separately against a
Bipolarplattenhälfte gedichtet. Die separate Dichtung erhöht die Betriebssicherheit, denn die Dichtungsredundanz ist erhöht. Bipolar plate half sealed. The separate seal increases the operational safety, because the seal redundancy is increased.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Element innerhalb einer Dichtungsmasse einstückig ausgebildet. Dieses hat den Vorteil, dass das Element von den Betriebsgasen isoliert ist. Folglich wird es von diesen nicht angegriffen. Auch ist ein Eingießen des Elements in eine Dichtungsmasse, zum Beispiel die Randverstärkung, fertigungstechnisch einfach. In a further embodiment, the element is formed integrally within a sealant. This has the advantage that the element is isolated from the operating gases. Consequently, it is not attacked by them. Also, pouring the element into a sealant, for example, the edge reinforcement, manufacturing technology is easy.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Element und die Membran-Elektroden-Einheit einstückig ausgeführt. Einstückige Bauteile können einfach weiter verbaut werden und sind weniger anfällig. In a further embodiment, the element and the membrane-electrode assembly are made in one piece. One-piece components can easily be installed further and are less susceptible.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass sich der Betriebszustand und damit eine Betriebsbereitschaft des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels an seiner Spannung ablesen lässt. Ein entsprechendes Verfahren wird nachfolgend anhand des Beispiels eines PTC-Elements als Kurzschlusselement erläutert. Another advantage of the invention is the fact that the operating state and thus a readiness for operation of the fuel cell stack according to the invention can be read from its voltage. A corresponding method is explained below with reference to the example of a PTC element as a short-circuit element.
Die Leerlaufspannung kann auch als sogenannter offener Stromkreis (OCV: Open Circuit Voltage) bezeichnet werden. Die Leerlaufspannung ist die maximale Spannung einer Brennstoffzelle. Sie liegt vor, wenn die Brennstoffzelle ihre Betriebstemperatur erreicht hat und keine Last anliegt. Das Vorliegen einer Betriebstemperatur lässt sich somit über die The open circuit voltage can also be referred to as a so-called open circuit (OCV: Open Circuit Voltage). The open circuit voltage is the maximum voltage of a Fuel cell. It occurs when the fuel cell has reached its operating temperature and no load is applied. The existence of an operating temperature can thus be over the
Brennstoffzelle feststellen, wenn ihre maximale Spannung erreicht ist. Detect fuel cell when its maximum voltage is reached.
Dem Ansatz zum Ermitteln der Betriebsbereitschaft liegt der Zusammenhang zwischen The approach to determining operational readiness lies in the relationship between
Temperatur und Widerstand als Wirkprinzip zugrunde. Temperature and resistance as the principle of action.
Zum Erkennen der Betriebsbereitschaft werden Strom-Spannungs-Kennlinien des To recognize the operational readiness current-voltage characteristics of the
Brennstoffzellenstapels sowie des Kurzschlusselements bereitgestellt und beispielsweise in einem Steuergerät des Brennstoffzellenstapels hinterlegt. Provided fuel cell stack and the short-circuit element and deposited for example in a control unit of the fuel cell stack.
Strom-Spannungs-Kennlinien des Brennstoffzellenstapels bilden den nicht linearen Current-voltage characteristics of the fuel cell stack form the non-linear
Zusammenhang zwischen Strom und Spannung einer Zelle jeweils für eine konstante Anoden- und Kathodengasversorgung (konstante Zelldrücke beziehungsweise Massenströme der Betriebsmedien) und eine konstante Temperatur ab. Dabei nimmt mit zunehmender Relationship between current and voltage of a cell in each case for a constant anode and cathode gas supply (constant cell pressures or mass flows of the operating media) and a constant temperature. It increases with increasing
Stromstärke die Spannung ab. Die höchsten Zellspannungen liegen bei Stromstärken nahe Null vor. Andererseits verschiebt sich die Kennlinie mit zunehmenden Zelldrücken beziehungsweise Massenströmen der Betriebsmedien in Richtung höherer Spannungen und Stromstärken. Eine ähnliche Verschiebung der Kennlinien der Brennstoffzelle liegt in Abhängigkeit von der Amperage the voltage. The highest cell voltages are at current levels near zero. On the other hand, the characteristic shifts with increasing cell pressures or mass flows of the operating media in the direction of higher voltages and currents. A similar shift of the characteristics of the fuel cell is dependent on the
Temperatur vor. Temperature before.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Kurzschlusselements, beispielsweise eines PTC- Elements, weist hingegen zumeist einen linearen Verlauf auf, bei dem die Spannung The current-voltage characteristic of the short-circuit element, for example, a PTC element, however, usually has a linear course, in which the voltage
proportional mit der Stromstärke zunimmt und die Steigung der Geraden dem Widerstand des Elements entspricht. Das Element verändert seinen Widerstand in Abhängigkeit der increases proportionally with the current and the slope of the line corresponds to the resistance of the element. The element changes its resistance depending on
Temperatur. Damit weist das Element für jede Temperatur eine Strom-Spannungs-Kennlinie auf, wobei die Steigung mit höheren Temperaturen zunimmt. Mit anderen Worten„wandert" die Kennlinie mit zunehmender Temperatur in Richtung höherer Spannungen. Temperature. Thus, the element has a current-voltage characteristic for each temperature, the slope increasing with higher temperatures. In other words, the characteristic "wanders" with increasing temperature in the direction of higher voltages.
Die Spannung und der Strom durch die Membran-Elektroden-Einheit sind bekannt, da sie über entsprechende Strom- beziehungsweise Spannungsmesseinrichtungen in The voltage and the current through the membrane-electrode assembly are known, since they have corresponding current or voltage measuring devices in
Brennstoffzellsystemen ständig erfasst werden. Sie liegen auch am Element an. Der Fuel cell systems are constantly recorded. They are also attached to the element. Of the
Widerstand des Elements lässt sich aus dieser Kenntnis berechnen, sodass ihm durch seine gespeicherte Kennlinie eine Temperatur zuordnet werden kann. Die Brennstoffzelle wird beispielsweise bei Überschreiten einer Temperatur größer 0°Grad Celsius als betriebsbereit erkannt, da dann die Zelle eisfrei ist. Eine bevorzugte Ausführungsform zum Durchführen dieses Verfahrens umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit mindestens einem Element, wobei der elektrische Widerstand des Elements temperaturabhängig ist. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Resistance of the element can be calculated from this knowledge, so that a temperature can be assigned to it by its stored characteristic curve. The fuel cell is recognized as ready for operation, for example, when a temperature greater than 0 ° C is exceeded, because then the cell is free of ice. A preferred embodiment for carrying out this method comprises at least one fuel cell with at least one element, wherein the electrical resistance of the element is temperature-dependent. The method comprises the following steps:
• Bereitstellen zumindest einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Einzelzelle des Providing at least one current-voltage characteristic of a single cell of the
Brennstoffzellenstapels, wobei die Kennlinie den Zusammenhang zwischen Spannung U und Strom I der Zelle wiedergibt. Alternativ wird eine Mehrzahl an Strom-Spannungs- Kennlinien bereitgestellt, wobei jede Kennlinie den Zusammenhang zwischen Spannung U und Strom I der Zelle für unterschiedliche Massenströme oder Betriebsdrücke der Anoden- und/oder Kathodenbetriebsmedien angibt,  Fuel cell stack, wherein the characteristic represents the relationship between voltage U and current I of the cell. Alternatively, a plurality of current-voltage characteristics are provided, each characteristic indicating the relationship between voltage U and current I of the cell for different mass flows or operating pressures of the anode and / or cathode operating media,
• Ermitteln der Spannung U der Einzelzelle oder des Brennstoffzellenstapels, woraus die Spannung U jeder Einzelzelle des Stapels ermittelt werden kann. • Determining the voltage U of the single cell or the fuel cell stack, from which the voltage U of each individual cell of the stack can be determined.
• Bestimmen des Widerstands R des Kurzschlusselements in Abhängigkeit von der Determining the resistance R of the short-circuit element as a function of the
ermittelten Spannung U.  determined voltage U.
• Bestimmen der Temperatur T der Einzelzelle in Abhängigkeit von dem ermittelten • Determining the temperature T of the single cell as a function of the determined
Widerstand R des Kurzschlusselements.  Resistor R of the shorting element.
• Feststellen der Betriebsbereitschaft, wenn die Temperatur eine vorbestimmte • Determine the operational readiness when the temperature is a predetermined
Temperaturschwelle erreicht oder überschreitet, vorzugsweise von 0°C.  Temperature threshold reached or exceeded, preferably from 0 ° C.
Aus diesem Verfahren resultiert der Vorteil, dass eine direkte Rückkopplung vorliegt, ob eine Brennstoffzelle durch Eis blockiert ist. Diese Rückkopplung gilt damit auch für den From this method results the advantage that there is a direct feedback whether a fuel cell is blocked by ice. This feedback also applies to the
Brennstoffzellenstapel. Weitere Messmittel, etwa Temperatursensoren sind damit nicht notwendig. Fuel cell stack. Further measuring means, such as temperature sensors are not necessary.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other. The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 eine Schnittzeichnung eines Brennstoffzellenausschnitts, FIG. 1 shows a sectional drawing of a fuel cell cut,
Figur 2 eine Membran-Elektroden-Einheit in einer Aufsicht, FIG. 2 shows a membrane-electrode unit in a plan view,
Figur 3 eine Vergrößerung einer Schnittzeichnung, FIG. 3 an enlargement of a sectional drawing,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht auf eine MEA, FIG. 4 is a perspective view of an MEA;
Figur 5 einen Brennstoffzellenstapel mit Ausschnitt, FIG. 5 shows a fuel cell stack with a cutout,
Figur 6 eine schematische Darstellung von Kombinationen an Elementen, FIG. 6 shows a schematic representation of combinations of elements,
Figur 7 eine Schnittzeichnung durch einen Brennstoffzellenausschnitt. Figure 7 is a sectional view through a fuel cell cutout.
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Ausschnitts eines Brennstoffzellenstapels mit zwei exemplarischen Einzelzellen in einem Schnittbild. Figure 1 shows the schematic structure of a section of a fuel cell stack with two exemplary individual cells in a sectional view.
Jede Einzelzelle weist eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 101 auf. Die MEA 101 besteht aus einer Membran 103, die auf ihrer ersten Membranseite 106 eine Anodenschicht 102 aufweist und auf ihrer zweiten Membranseite 107 eine Kathodenschicht 104. Die Anodenbeziehungsweise Kathodenschichten 102, 104 können direkt auf die Membranseiten 106, 107 aufgebracht und ausgehärtet sein. In diesem Fall wird die MEA auch als katalytisch beschichtete Membran oder CCM (Catalyst Coated Membrane) bezeichnet. Each single cell has a membrane-electrode assembly (MEA) 101. The MEA 101 consists of a membrane 103 which has an anode layer 102 on its first membrane side 106 and a cathode layer 104 on its second membrane side 107. The anode or cathode layers 102, 104 can be applied directly to the membrane sides 106, 107 and cured. In this case, the MEA is also referred to as catalytically coated membrane or CCM (Catalyst Coated Membrane).
Die CCM 105 ist beidseitig von einer elektrisch leitfähigen und gasdurchlässigen The CCM 105 is on both sides of an electrically conductive and gas-permeable
Gasdiffusionsschicht 108, 109 kontaktiert. Die erste Gasdiffusionsschicht 108 und auch die zweite Gasdiffusionsschicht 109 sind dazu auf die CCM 105 aufgelegt. Die Gas diffusion layer 108, 109 contacted. The first gas diffusion layer 108 and also the second gas diffusion layer 109 are placed on the CCM 105 for this purpose. The
Gasdiffusionsschichten 108, 109 grenzen an Bipolarplattenhälften 202 an. Gas diffusion layers 108, 109 adjoin bipolar plate halves 202.
Zwei Bipolarplattenhälften 202 bilden eine Bipolarplatte 201 . In den Bipolarplattenhälften sind Kathodengaskanäle 203 zum Leiten von Kathodenbetriebsgas und Anodengaskanäle 204 zum Leiten von Anodenbetriebsgas vorhanden. Die Bipolarplattenhälften 202 haben darüber hinaus Kühlkanäle 205. Diese dienen einem Kühlen der Bipolarplatten 201 von innen. Mehrere abwechselnd gestapelte Bipolarplatten 201 und Membran-Elektroden-Einheiten 101 bilden einen Brennstoff Stapel 1 15. Two bipolar plate halves 202 form a bipolar plate 201. Cathodic gas channels 203 for conducting cathode operating gas and anode gas channels 204 for conducting anode operating gas are present in the bipolar plate halves. The bipolar plate halves 202 also have cooling channels 205. These serve to cool the bipolar plates 201 from the inside. A plurality of alternately stacked bipolar plates 201 and membrane electrode assemblies 101 form a fuel stack 1 15.
Figur 2 zeigt eine Membran-Elektroden-Einheit 101 in einer Aufsicht. Die MEA 101 ist durch eine rahmenartige Randverstärkung 1 16 stabilisiert. FIG. 2 shows a membrane-electrode unit 101 in a plan view. The MEA 101 is stabilized by a frame-like edge reinforcement 1 16.
Von links nach rechts ist die Membran-Elektroden-Einheit 101 in fünf Bereiche gegliedert, die in der Figur jeweils durch eine umlaufende unterbrochene Linie markiert ist: In einen ersten Austauschbereich 1 10, einen ersten Weiterleitungsbereich 1 1 1 , einen Reaktionsbereich 1 12, einen zweiten Weiterleitungsbereich 1 13 und einen zweiten Austauschbereich 1 14. From left to right, the membrane-electrode unit 101 is subdivided into five regions, each of which is marked by a circumferential broken line in the figure: In a first exchange region 110, a first transfer region 11, a reaction region 112, a second forwarding area 1 13 and a second exchange area 1 14.
Die Figur 2 zeigt, dass in den ersten Austauschbereich 1 10 einzelne Einlassöffnungen 1 101 eingelassen sind. Die Einlassöffnungen 1 101 dienen zum Einleiten von Kühlmittel 1 102 und den Anoden- und Kathodenbetriebsgasen 1 103. Die Einlassöffnungen 1 101 sind einzeln mit jeweils einer umlaufenden Dichtung (dicke Linie) gegen eine angrenzende Bipolarplattenhälfte (in Figur 2 nicht dargestellt) gedichtet. Zusätzlich können die Einlassöffnungen 1 101 mit einer den gesamten Austauschbereich 1 10 umlaufenden Dichtung abgedichtet sein. Das Dichten der Einlassöffnungen 1 101 einzeln und als Bereich erhöht die Sicherheit für den Fall einer Leckage. 2 shows that in the first exchange area 1 10 individual inlet openings 1 101 are embedded. The inlet openings 1 101 are used for introducing coolant 1 102 and the anode and cathode operating gases 1 103. The inlet openings 1 101 are individually sealed, each with a circumferential seal (thick line) against an adjacent Bipolarplattenhälfte (not shown in Figure 2). In addition, the inlet openings 1 101 may be sealed with a seal surrounding the entire exchange area 110. The sealing of the inlet openings 101 1 individually and as an area increases the safety in the event of leakage.
Entsprechend weist der zweite Austauschbereich 1 14 Auslassöffnungen 1 141 zum Ableiten des Kühlmittels 1 102 und der Anoden- und Kathodenbetriebsgase 1 103 auf sowie umlaufende Dichtungen 1 17. Accordingly, the second exchange region 1 has 14 outlet openings 1 141 for draining the coolant 1 102 and the anode and cathode operating gases 1 103 and circumferential seals 11.
Der erste Austauschbereich 1 10 stellt somit die Einlassseite der MEA 101 dar und wird auch als Inlet bezeichnet, während der zweite Austauschbereich 1 14 die Auslassseite bildet und als Outlet bezeichnet wird. The first exchange area 110 thus represents the inlet side of the MEA 101 and is also referred to as inlet, while the second exchange area 14 forms the outlet side and is referred to as outlet.
Der Reaktionsbereich 1 12, welcher auch als aktiver Bereich bezeichnet wird, beschreibt einen Bereich einer MEA 101 , der zwischen dem ersten und zweiten Weiterleitungsbereich 1 1 1 , 1 13 liegt und sich durch die Anwesenheit der Kathode und Anode, also der katalytischen The reaction region 1 12, which is also referred to as the active region, describes a region of an MEA 101, which lies between the first and second relay region 1 1 1, 1 13 and by the presence of the cathode and anode, ie the catalytic
Beschichtung auszeichnet. Somit finden im Betrieb der Brennstoffzelle im Reaktionsbereich 1 12 die Strom erzeugenden chemischen Reaktionen statt. Coating distinguishes. Thus, during operation of the fuel cell in the reaction region 12, the current-generating chemical reactions take place.
Im ersten Weiterleitungsbereich 1 1 1 werden das Anodenbetriebsgas 1 103, wie Sauerstoff oder Luft, und das Kathodenbetriebsgas 1 103, beispielsweise Wasserstoff oder ein anderer Brennstoff, von den Einlassöffnungen 1 101 zu den katalytischen Elektroden des Reaktionsbereichs 102 geführt und in diesen verteilt. Im zweiten Weiterleitungsbereich 1 13 werden das Anoden und Kathodenbetriebsgas 1 103 aus dem Reaktionsbereich 102 abgeführt und den Auslassöffnungen 1 141 zugeführt. Ebenso strömt das Kühlmittel 1 102 innerhalb einer angrenzenden Bipolarplatte aus der entsprechenden Einlassöffnung 1 101 und wird parallel zu dem ersten Weiterleitungsbereich 1 1 1 , den Reaktionsbereich 102, den zweiten In the first relaying area 1 1 1, the anode operating gas 1 103, such as oxygen or air, and the cathode operating gas 1 103, for example, hydrogen or another Fuel, led from the inlet openings 1 101 to the catalytic electrodes of the reaction area 102 and distributed in this. In the second relaying area 1 13, the anode and cathode operating gas 1 103 are discharged from the reaction area 102 and the outlet openings 1 141 supplied. Likewise, the coolant 1 102 flows within an adjacent bipolar plate from the corresponding inlet opening 1 101 and is parallel to the first relay region 1 1 1, the reaction region 102, the second
Weiterleitungsbereich 1 13 in die entsprechende Auslassöffnung 1 141 geführt. In den Forwarding area 1 13 in the corresponding outlet opening 1 141 out. In the
Weiterleitungsbereichen 1 1 1 , 1 14 findet keine chemische Reaktion der Reaktanten statt. Forwarding areas 1 1 1, 1 14 no chemical reaction of the reactants takes place.
Bevorzugt ist in den Weiterleitungsbereichen 1 1 1 , 1 13 daher keine katalytische Beschichtung vorhanden. Jedoch kann die rahmenartige Randverstärkung 1 16 sich vorteilhaft bis über die Weiterleitungsbereiche 1 1 1 , 1 13 erstrecken. Weiterleitungsbereiche 1 1 1 , 1 13 werden auch als Plenum, Verteilerbereich, Übergangsbereich oder Kreuzflussregion bezeichnet. Preferably, in the forwarding areas 1 1 1, 1 13 therefore no catalytic coating is present. However, the frame-like edge reinforcement 1 16 can extend advantageously over the forwarding areas 1 1 1, 1 13 extend. Forwarding areas 1 1 1, 1 13 are also referred to as plenum, manifold area, transition area, or cross-flow area.
Die Weiterleitungsbereiche 1 1 1 , 1 13 werden zusammen mit den Austauschbereichen 1 10, 1 14 auch als sogenannte inaktive Bereiche bezeichnet. The forwarding areas 1 1 1, 1 13 are referred to together with the exchange areas 1 10, 1 14 as so-called inactive areas.
Die ersten und zweiten Weiterleitungsbereiche 1 1 1 , 1 14 sind zusammen mit dem The first and second forwarding areas 1 1 1, 1 14 are together with the
Reaktionsbereich 102 ebenfalls separat durch eine umlaufende erste Dichtung 1 1 12 gedichtet und bilden den hier sechseckigen Dichtungsbereich 1 171 (in Figur 2 zusätzlich durch das sechseckige Symbol angedeutet). Die erste Dichtung 1 1 12 ist beispielsweise als Reaction region 102 also sealed separately by a circumferential first seal 1 1 12 and form the here hexagonal sealing region 1 171 (in addition, indicated in Figure 2 by the hexagonal symbol). The first seal 1 1 12 is for example as
Vollgummilippe in eine vorgelaserte Dichtrille der Randverstärkung 1 16 (nicht dargestellt) eingelegt oder auf die Randverstärkung 1 16 aufgespritzt. Solid rubber lip in a pre-lasered sealing groove of the edge reinforcement 1 16 inserted (not shown) or sprayed onto the edge reinforcement 1 16.
Erfindungsgemäß ist innerhalb des Dichtungsbereichs 1 171 ein Element 1 1 1 1 According to the invention, an element 1 1 1 1 is within the sealing region 1 171
(Kurzschlusselement) angeordnet, das ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem geeigneten Parameter einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 102 und der Kathode 104 der Membran-Elektroden-Einheit herzustellen (siehe auch Figur 2). Das Kurzschlusselement 1 1 1 1 kann in einem oder beiden Weiterleitungsbereichen 1 1 1 , 1 13 und/oder in dem Reaktionsbereich 102 angeordnet sein. Zumindest im Fall der Anordnung in einem Weiterleitungsbereich 1 1 1 , 1 13, wo keine Anoden- beziehungsweise Kathodenbeschichtung vorliegt, erfolgt der elektrische Kurzschluss über die angrenzenden Gasdiffusionsschichten 108 und 109. Das Element kann in unterschiedlichen Ausführungsformen eine Diode, ein Feldeffekttransistor oder ein PTC- Element sein. Kombinationen von diesen sind ebenfalls von Vorteil. (Short-circuit element), which is designed to produce an electrical short circuit between the anode 102 and the cathode 104 of the membrane-electrode assembly in dependence on a suitable parameter (see also FIG. 2). The short-circuit element 1 1 1 1 can be arranged in one or both forwarding areas 1 1 1, 1 13 and / or in the reaction area 102. At least in the case of the arrangement in a relay region 1 1 1, 1 13, where no anode or cathode coating is present, the electrical short circuit via the adjacent gas diffusion layers 108 and 109. The element may in various embodiments, a diode, a field effect transistor or a PTC Be element. Combinations of these are also beneficial.
In dem in Figur 2 dargestellten Beispiel ist das Kurzschlusselement 1 1 1 1 innerhalb des ersten Weiterleitungsbereichs 1 1 1 angeordnet und dort durch eine optionale zweite Dichtung 1 1 13 separat gedichtet. Dazu ist es von zwei Metallplatten umgeben, die entlang ihres Randes miteinander gedichtet sind, sodass das Element 1 1 1 1 gedichtet zwischen den Metallplatten liegt. Damit das Element 1 1 1 1 zwischen den Metallplatten fixiert ist, ist es mit einer Feder zwischen den Metallplatten gespannt. Das Element 1 1 1 1 durchbricht die MEA 101 , sodass es die erste Gasdiffusionsschicht mit der zweiten Gasdiffusionsschicht verbindet (nicht dargestellt). In the example shown in Figure 2, the short-circuit element 1 1 1 1 is disposed within the first forwarding area 1 1 1 and there by an optional second seal 1 1 13th sealed separately. For this purpose it is surrounded by two metal plates which are sealed together along their edge, so that the element 1 1 1 1 is sealed between the metal plates. So that the element 1 1 1 1 is fixed between the metal plates, it is stretched with a spring between the metal plates. The element 1 1 1 1 breaks through the MEA 101 so that it connects the first gas diffusion layer to the second gas diffusion layer (not shown).
In einer weiteren Ausführungsform kann das Element auch mehrfach verbaut sein. Eine In a further embodiment, the element can also be installed several times. A
Möglichkeit ist der Verbau eines Elements auf der Einlassseite und eines zweiten Elementes auf der Auslassseite. Das zweite Element kann ebenfalls eine Diode, ein Feldeffekttransistor oder ein PTC-Element sein. Je nach Bedarfsfall können die Anzahl an Elementen und die Kombinatorik ihrer Ausführungen als Diode, Feldeffekttransistor oder PTC-Element verändert werden. Possibility is the installation of an element on the inlet side and a second element on the outlet side. The second element may also be a diode, a field effect transistor or a PTC element. If necessary, the number of elements and the combinatorics of their versions as a diode, field effect transistor or PTC element can be changed.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Element 1 1 1 1 in den ersten Weiterleitungsbereich 1 1 1 eingegossen. Das ist alternativ oder zusätzlich auch im zweiten Weiterleitungsbereich 1 13 möglich. Die Ober- und die Unterseite des Elements 1 1 1 1 liegen an der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht an (nicht dargestellt). Da die Gasdiffusionsschichten elektrisch leitfähig sind, kann das Element 1 1 1 1 einen Kurzschluss zwischen der Kathode und der Anode schalten (nicht dargestellt). Dies tut es in Abhängigkeit einer bestimmten Temperatur, eines bestimmten Außendrucks, einer bestimmten Stromspannung oder einer bestimmten Gaskonzentration an Wasserstoff oder Sauerstoff. Das Element 1 1 1 1 ist so ausgebildet, dass es unter normalen Betriebsbedingungen der Brennstoffzellen nicht elektrisch leitfähig ist. In the present embodiment, the element 1 1 1 1 is cast in the first relay region 1 1 1. This is alternatively or additionally possible in the second forwarding area 1 13. The top and the bottom of the element 1 1 1 1 are applied to the first and second gas diffusion layer (not shown). Since the gas diffusion layers are electrically conductive, the element 1 1 1 1 can switch a short circuit between the cathode and the anode (not shown). This is done depending on a certain temperature, a certain external pressure, a certain voltage or a certain gas concentration of hydrogen or oxygen. The element 1 1 1 1 is designed so that it is not electrically conductive under normal operating conditions of the fuel cell.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Element 1 1 1 1 nicht direkt durch einen In a further embodiment, the element 1 1 1 1 not directly through a
Betriebsparameter, sondern durch einen Stellparameter einer elektronischen Einrichtung geschaltet werden. Der Stellparameter kann dabei von einer Vielzahl von Voraussetzungen abhängig sein. Im Fahrzeugbau ist dies zum Beispiel die Position des Fahrzeugs. Denn dieser beinhaltet den Breitengrad und/oder die Höhe über Normalnull. Die elektronische Einrichtung kennt ferner die Historie unterschiedlicher Fahrer, deren Fahrverhalten und deren gewünschtes Fahrzeugleistungsprofil. Bei Fahrern, die sich erst im Fahrzeug einrichten, der Zeit zwischen Türöffnen und Fahrzeugstart, kann ein langsameres Erwärmen des Elements 1 1 1 1 eingestellt werden. Operating parameters, but are switched by a control parameter of an electronic device. The setting parameter can be dependent on a variety of conditions. In vehicle construction, this is, for example, the position of the vehicle. Because this includes latitude and / or altitude above sea level. The electronic device also knows the history of different drivers, their driving behavior and their desired vehicle performance profile. For drivers who only set themselves up in the vehicle, the time between door opening and vehicle start, a slower heating of the element 1 1 1 1 can be set.
Um eine hohe Druckstabilität zu erreichen, ist in einer weiteren Ausführungsform der erste Weiterleitungsbereich 1 1 1 in Teilen, Untersegmenten oder im Ganzen mit der ihn benachbarten Bipolarplattenhälfte verklebt oder verschweißt (nicht dargestellt). Derartige gefügte Dichtungen halten hohen Temperaturen oder Gaskonzentrationen stand. In order to achieve a high pressure stability, in a further embodiment, the first relay region 1 1 1 in parts, sub-segments or in the whole with its adjacent Bonded bipolar plate half or welded (not shown). Such joined seals withstand high temperatures or gas concentrations.
Der Reaktionsbereich 1 12 untergliedert sich in eine Membran (nicht dargestellt), sowie eine in der Aufsicht zu sehende darauf aufgetragene Kathode 102 beziehungsweise The reaction region 1 12 is subdivided into a membrane (not shown), as well as a cathode 102 or a cathode, which can be seen in plan view
Kathodenbeschichtung 102. Die Kathode 102 ist also auf einer ersten Membranseite 106 (in der vorliegenden Ansicht die Oberseite der Membran) angebracht. Hingegen ist die Anode (nicht dargestellt) auf einer zweiten Membranseite 107 (in der vorliegenden Ansicht die Unterseite der Membran) angebracht. Cathode coating 102. The cathode 102 is thus mounted on a first membrane side 106 (in the present view, the top of the membrane). On the other hand, the anode (not shown) is mounted on a second membrane side 107 (in the present view the underside of the membrane).
Figur 3 zeigt eine Vergrößerung einer Schnittansicht einer Zelle eines Brennstoffzellenstapels 1 15. Figur 3 lehrt eine MEA 301 . Ein elektrisch leitfähiges Element 307 ist im aktiven Bereich angeordnet. Die MEA 301 umfasst eine Membran 302, die beidseitig eine FIG. 3 shows an enlargement of a sectional view of a cell of a fuel cell stack 1 15. FIG. 3 teaches an MEA 301. An electrically conductive element 307 is arranged in the active region. The MEA 301 comprises a membrane 302, the one on both sides
Katalysatorenbeschichtung 303 aufweist. Diese Katalysatorenbeschichtung ist jeweils von einer Gasdiffusionsschicht 304 umgeben. Die MEA 301 liegt zwischen zwei Bipolarplattenhälften 305. Die Figur lehrt, dass ein Element 306 in der MEA 301 eingesetzt ist. Das Element 306 durchbricht die Membran 302 und die Katalysatorenbeschichtung 303. Somit steht es mit der Katalysatorenbeschichtung 303 in elektrischem Kontakt 306. Ebenfalls liegt ein elektrischer Kontakt zwischen Element 306 und Gasdiffusionsschicht 304 vor. Wenn das Element 306 also keinen elektrischen Widerstand aufweist, dann schließt es die MEA 101 kurz. Im umgekehrten Fall, wenn es einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, isoliert es die Catalyst coating 303 has. This catalyst coating is in each case surrounded by a gas diffusion layer 304. The MEA 301 is sandwiched between two bipolar plate halves 305. The figure teaches that an element 306 is inserted in the MEA 301. The element 306 breaks through the membrane 302 and the catalyst coating 303. Thus, it is in electrical contact 306 with the catalyst coating 303. Also, there is electrical contact between element 306 and gas diffusion layer 304. Thus, if element 306 has no electrical resistance, then it short circuits MEA 101. Conversely, if it has a high electrical resistance, it isolates the
Katalysatorenbeschichtung 303, sodass zwischen ihnen ein Potential entsteht. Catalyst coating 303 so that a potential arises between them.
Die Funktion des Elements 306 ist in einem vergrößerten Ersatzschema dargestellt. Das Ersatzschema zeigt die Aufgabe des Elements 306. Die Aufgabe des Elements 306 entspricht der eines Potentiometers. Dieses ändert seine Leitfähigkeit 307 in Abhängigkeit eines The function of element 306 is shown in an enlarged replacement scheme. The replacement scheme shows the role of element 306. The task of element 306 is that of a potentiometer. This changes its conductivity 307 as a function of a
Parameters, wie der Temperatur. Parameters, such as the temperature.
Das Element 306 produziert Wärme, sodass sich die MEA 301 erwärmt. Die Gesamtwärme der MEA 301 ist die Summe aus der elektrochemischen Ineffizienz. Sie summiert sich aus der Wärme, die von der Membran-Elektroden-Einheit 301 abgestrahlt wird und der Wärme des Elements 306. The element 306 produces heat so that the MEA 301 heats up. The total heat of the MEA 301 is the sum of the electrochemical inefficiency. It adds to the heat radiated from the membrane-electrode assembly 301 and the heat of the member 306.
Das Element 306 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein PTC-Element. Daher ist die Gesamtwärme direkt proportional zur angelegten Last an die Membran-Elektronen-Einheit 301 und des PTC-Elements. Ein PTC-Element beschreibt ein Bauelement, das temperaturabhängige Eigenschaften aufweist. Insbesondere beschreibt es The element 306 is a PTC element in the present embodiment. Therefore, the total heat is directly proportional to the applied load on the membrane-electron unit 301 and the PTC element. A PTC element describes a device that having temperature-dependent properties. In particular, it describes
temperaturabhängige elektrische Widerstände. Die Abkürzung PTC steht für Positiver temperature-dependent electrical resistances. The abbreviation PTC stands for more positive
Temperatur-Coeffizient. Andere bekannte Bezeichnungen für PTC-Elemente sind PTC- Heizelement oder PTC-Kurzschlusselement. Die Schalttemperatur ist die Temperatur bei der ein PTC-Element seinen Widerstand erhöht. Ein PTC-Element ändert seinen Widerstand in Abhängigkeit seiner Schalttemperatur. Die Schalttemperatur eines PTC-Elements liegt beim Betrieb von Brennstoffzellen für Fahrzeuge im Bereich von 50 bis 70°C. Temperature Coefficient. Other known names for PTC elements are PTC heating element or PTC shorting element. The switching temperature is the temperature at which a PTC element increases its resistance. A PTC element changes its resistance depending on its switching temperature. The switching temperature of a PTC element is in the operation of fuel cells for vehicles in the range of 50 to 70 ° C.
Eine MEA muss erwärmt werden, damit sie eine Leerlaufspannung aufweist. Eine erwärmte MEA, das heißt eine MEA deren Kühlmittelflüssigkeit eine Temperatur größer 0°C aufweist, weist die Leerlaufspannung auf, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Die An MEA must be heated to have an open circuit voltage. A heated MEA, that is, an MEA whose coolant liquid has a temperature greater than 0 ° C, has the open circuit voltage when no consumer is connected. The
Leerlaufspannung wird auch OPC genannt. Das Kürzel OCV bedeutet Open Circuit Voltage. Es beschreibt eine Leerlaufspannung. Die Leerlaufspannung einer Brennstoffzelle ist die Open circuit voltage is also called OPC. The abbreviation OCV means Open Circuit Voltage. It describes an open circuit voltage. The open circuit voltage of a fuel cell is the
Spannung, die an einer Zelle anliegt, wenn kein Verbraucher zugeschaltet ist. Eine Zelle beschreibt eine MEA zusammen mit den beiden ihr zugeordneten Gasdiffusionsschichten und Bipolarplattenhälften. Wenn das Element 306 gemäß einer alternativen Ausführungsform in einem inaktiven Weiterleitungsbereich (1 1 1 , 1 13, Figur 2) angeordnet ist, sind in diesem Bereich keine Katalysatorbesch ichtungen 303 vorhanden. In diesem Fall kontaktiert das Element 306 die beiden Gasdiffusionsschichten 304 (nicht dargestellt beziehungsweise 108, 109, Figur 1 ). Die Funktionsweise entspricht der vorgenannten. Voltage applied to a cell when no load is switched on. One cell describes an MEA along with the two associated gas diffusion layers and bipolar plate halves. If, according to an alternative embodiment, the element 306 is arranged in an inactive relay area (11 1, 13, 2), no catalyst coatings 303 are present in this area. In this case, the element 306 contacts the two gas diffusion layers 304 (not shown or 108, 109, Figure 1). The operation corresponds to the aforementioned.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Membran-Elektroden-Einheit 401 . Die Figur zeigt eine MEA 401 mit zwei Gasdiffusionsschichten 401 , 402. Die MEA 401 wird von einer Randverstärkung 404 gehalten. Die Figur 4 lehrt unterschiedliche Positionen, um ein Element 403 zu platzieren. FIG. 4 shows a perspective view of a membrane-electrode unit 401. The FIGURE shows an MEA 401 with two gas diffusion layers 401, 402. The MEA 401 is held by an edge reinforcement 404. FIG. 4 teaches different positions to place an element 403.
Das Element 403 kann innerhalb der MEA 401 platziert sein (rechte Seite der Darstellung). Dazu ist es in die Membran 408 zwischen Kathode und der Anode geklemmt. Dann ist es automatisch auch im Reaktionsbereich 406 platziert. Das Element 401 ist separat gedichtet (nicht dargestellt) The element 403 may be placed inside the MEA 401 (right side of the illustration). For this purpose it is clamped in the membrane 408 between the cathode and the anode. Then it is automatically placed in the reaction area 406 as well. The element 401 is sealed separately (not shown)
In einer weiteren Ausführungsform ist das Element 403 auf einer Seite der Membran 408 im Weiterleitungsbereich 405 angeordnet, zum Beispiel aufgeklebt. Es durchbricht die Membran selber nicht. Eine Bohrung (nicht dargestellt) durch die Membran 408, die mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt ist, übernimmt diese Aufgabe. In einer weiteren Ausführungsform ist auch ein Platzieren des Elements 403 innerhalb der Randverstärkung 404 möglich (linke Seite der Darstellung). Damit liegt es im In a further embodiment, the element 403 is arranged on one side of the membrane 408 in the transfer region 405, for example glued on. It does not break through the membrane itself. A bore (not shown) through the membrane 408 filled with an electrically conductive material performs this task. In another embodiment, placement of the element 403 within the edge enhancement 404 is also possible (left side of the illustration). That's it in
Weiterleitungsbereich 405. Die Randverstärkung dient in erster Linie der mechanischen Stützung der Membran und ist undurchlässig für die Betriebsmittel. Die Randverstärkung 404 kann eine Folie oder ein Blech sein, dass Öffnungen, sowie Ein- und Auslassöffnungen (1 101 , 1 141 , Figur 2), aufweist. In einigen Fällen ist die Randverstärkung 404 in Teilen oder ganz aus Gummi oder anderen nicht elektrisch leitenden Materialen 407 hergestellt. Forwarding area 405. The edge reinforcement serves primarily to mechanically support the membrane and is impermeable to the equipment. The edge reinforcement 404 may be a foil or a sheet that has openings as well as inlet and outlet openings (1 101, 1 141, FIG. 2). In some cases, edge reinforcement 404 is made in part or entirely of rubber or other non-electrically conductive material 407.
Das Element 403 kann in der vorliegenden Ausführungsform ein PTC-Element, eine Diode oder Feldeffekttransistor sein. The element 403 may be a PTC element, a diode or field effect transistor in the present embodiment.
Figur 5 lehrt eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 501 . Der FIG. 5 teaches an embodiment of a fuel cell stack 501. Of the
Brennstoffzellenstapel 501 besteht aus Bipolarplatten 502, die MEA 504 zwischen sich lagern. Die Ausführungsform lehrt, dass die Membran 505 der MEA 504 von einem Element 503 durchbrochen ist. Das Element 505 liegt in einem Weiterleitungsbereich 506, wobei das Element 505 ein Schalter 5031 , ein Feldeffekttransistor 5032, eine Diode 5033 oder ein Fuel cell stack 501 consists of bipolar plates 502 sandwiching MEA 504 between them. The embodiment teaches that the membrane 505 of the MEA 504 is pierced by an element 503. The element 505 is located in a relay area 506, wherein the element 505 is a switch 5031, a field effect transistor 5032, a diode 5033 or a
Widerstand 5034 ist. Der Feldeffekttransistor ist ein MOSFET. Resistor 5034 is. The field effect transistor is a MOSFET.
Figur 6 zeigt unterschiedliche Ausführungsformen der Elemente 601 , wie Schalter, Dioden, Widerstände und Feldeffekttransistoren. Diese werden im Reaktionsbereich oder im FIG. 6 shows different embodiments of the elements 601, such as switches, diodes, resistors and field-effect transistors. These are in the reaction area or in the
Weiterleitungsbereich der MEA kombiniert. Die Einlassseite, erster Weiterleitungsbereich 1 1 1 in Figur 2, ist durch ein I (Inlet) gekennzeichnet, die Auslassseite, zweiter Weiterleitungsbereich 1 14 in Figur 2, ist mit einem O (Outlet) gekennzeichnet. Dargestellt sind unterschiedliche Kombinationen von PTC-Element, Diode, Feldeffekttransistor und offener Einlassöffnung beziehungsweise offener Auslassöffnung. Von oben nach unten zeigt Figur 6 die Kombination eines Schalters auf der Einlassseite mit einer Diode auf der Auslassseite. Forwarding area of the MEA combined. The inlet side, first forwarding area 1 1 1 in Figure 2, is characterized by an I (inlet), the outlet side, second forwarding area 1 14 in Figure 2, is marked with an O (outlet). Shown are different combinations of PTC element, diode, field effect transistor and open inlet opening or open outlet opening. From top to bottom, FIG. 6 shows the combination of a switch on the inlet side with a diode on the outlet side.
Bei den Dioden handelt es sich um thermische Dioden. In der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um eine thermische Diode, die als Temperatursensor aus dem Personal Computer Betrieb als Schottky Diode bekannt ist. Diese Schottky-Dioden sind günstig in großem Volumen einkaufbar. Ferner weisen sie nach der US5955793 positive Eigenschaften auf. So erreichen die dort beschriebenen Dioden >100mV/°C im Arbeitsbereich von 5°C - 20°C. In diesen Bereich werden zahlreiche Dioden als Temperatursensoren eingesetzt. The diodes are thermal diodes. In the present embodiment is a thermal diode, which is known as a temperature sensor from the personal computer operation as a Schottky diode. These Schottky diodes are cheap to buy in large volume. Furthermore, they have positive properties according to US5955793. The diodes described here reach> 100mV / ° C in the working range of 5 ° C - 20 ° C. In this area, numerous diodes are used as temperature sensors.
In einer alternativen Ausführungsform ist eine nicht thermisch antwortende Diode verbaut. Derartige Dioden sind bekannt, um vor einer Zellumpolung zu schützen. In einer zweiten Kombination ist ein temperaturempfindlicher Widerstand, ein PTC-Element auf der Einlassseite und ein zweites PTC-Element auf der Auslassseite vorhanden. Mittels dieser Kombination aus zwei PTC-Elementen können Kühlmittelflüssigkeiten und Gase im Einlassund Auslassbereich in unterschiedlichen Temperaturbereichen erwärmt werden. Denn die beiden PTC-Elemente schalten ihren Widerstand in Abhängigkeit ihrer jeweiligen In an alternative embodiment, a non-thermally responsive diode is installed. Such diodes are known to protect against cell reversal. In a second combination, there is a temperature sensitive resistor, a PTC element on the inlet side and a second PTC element on the outlet side. By means of this combination of two PTC elements, coolant liquids and gases in the inlet and outlet areas can be heated in different temperature ranges. Because the two PTC elements switch their resistance depending on their respective
Schalttemperaturen unterschiedlich. Dieses ist im Diagramm rechts in Figur 5 erläutert. Das PTC-Element auf der Seite des Einlasses weist eine Schalttemperatur von -5°C bis 5°C auf. Das PTC-Element auf der Seite des Auslasses hingegen weist eine Schalttemperatur von 30°C auf. Switching temperatures are different. This is explained in the diagram on the right in FIG. The PTC element on the side of the inlet has a switching temperature of -5 ° C to 5 ° C. The PTC element on the side of the outlet, however, has a switching temperature of 30 ° C.
In der dargestellten Ausführungsform ist ein PTC-Element in keramischer Ausführung dargestellt. Keramische PTC Elemente sind im Fahrzeugbau bekannt. Sie werden dort zum Entfrosten von Heckscheiben verwendet. In the illustrated embodiment, a PTC element is shown in ceramic design. Ceramic PTC elements are known in the automotive industry. They are used there for the defrosting of rear windows.
In weiterer Ausführungsform ist das PTC-Element eine Polymerausführung. Dabei handelt es sich um eine Matrix aus leitenden Partikeln, zum Beispiel Carbon, die in einem Polymer Halt findet. Derartige Polymerausführungen sind für hohe Stromspannungen ausgelegt. In another embodiment, the PTC element is a polymer design. It is a matrix of conductive particles, such as carbon, which finds support in a polymer. Such polymer designs are designed for high voltages.
In einer dritten Ausführungsform befindet sich auf der Einlassseite ein Schalter, hingegen ist die Auslassseite frei von Elementen 601 . In a third embodiment, there is a switch on the inlet side, while the outlet side is free of elements 601.
Im vierten Fall ist die Einlassseite frei von Elementen 601 , aber auf der Auslassseite befindet sich ein PTC-Element. In the fourth case, the inlet side is free of elements 601, but on the outlet side is a PTC element.
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapel 701 . Innerhalb des FIG. 7 shows a detail of a fuel cell stack 701. Within the
Brennstoffzellenstapels 701 befinden sich zwei Bipolarplattenhälften 702, 703. Zwischen den Bipolarplattenhälften 702, 703 befindet sich eine Membran 706. Diese ist mittels der beiden Gasdiffusionsschichten 704, 705 mit den Bipolarplattenhälften verbunden. Die Figur 7 zeigt ferner, dass die Membran 706 von einem Element 709 durch eine Folie 707 getrennt ist. Die Folie 707 ist stoffundurchlässig. Sie kann auch keinen Strom leiten. Somit isoliert sie das Element 709 von der MEA. Oberhalb und unterhalb des Elements ist dieses über Einlagen 708 mit der Gasdiffusionsschicht 704, 705 verbunden. Die Einlage 708 ist stoffundurchlässig aber elektrisch leitfähig. Wenn also das Element 709, ein PTC-Element oder eine Diode oder ein MOSFET seinen Widerstand ändert und ein Strom fließt, ist die MEA (nicht dargestellt) kurzgeschlossen. Vorschläge zu Bezeichnungen, Besonderheiten und Normen von Dichtungen sind in der DIN 3750 niedergelegt. Auch im Höischen, 29. Auflage S.31 1 wird das Thema Dichtungen kurz erläutert. Dort werden zum Beispiel unterschiedliche Dichtungsarten, wie Flachdichtungen oder Profildichtungen offenbart. Fuel cell stack 701 are two bipolar plate halves 702, 703. Between the bipolar plate halves 702, 703 is a membrane 706. This is connected by means of the two gas diffusion layers 704, 705 with the Bipolarplattenhälften. FIG. 7 also shows that the membrane 706 is separated from an element 709 by a film 707. The film 707 is cloth-impermeable. It also can not conduct electricity. Thus, it isolates element 709 from the MEA. Above and below the element, this is connected via deposits 708 to the gas diffusion layer 704, 705. The insert 708 is cloth-impermeable but electrically conductive. Thus, when the element 709, a PTC element or a diode or a MOSFET changes its resistance and a current flows, the MEA (not shown) is shorted. Suggestions for designations, special features and standards of seals are laid down in DIN 3750. Also in the Höischen, 29th edition p.31 1 the subject seals is briefly explained. There, for example, different types of seals, such as gaskets or gaskets are disclosed.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
101 Membran-Elektroden-Einheit 101 membrane electrode assembly
102 Kathode (Kathodenschicht)  102 cathode (cathode layer)
103 Membran  103 membrane
104 Anode (Anodenschicht)  104 anode (anode layer)
105 CCM  105 CCM
106 erste Membranseite  106 first membrane side
107 zweite Membranseite  107 second membrane side
108 erste Gasdiffusionsschicht  108 first gas diffusion layer
109 zweite Gasdiffusionsschicht  109 second gas diffusion layer
1 10 erster Austauschbereich 1 10 first exchange area
1 101 Einlassöffnung  1 101 inlet opening
1 102 Kühlmittelflüssigkeit  1 102 Coolant fluid
1 103 Reaktantengas  1 103 reactant gas
1 1 1 erster Weiterleitungsbereich 1 1 1 first forwarding area
1 1 1 1 Element (Kurzschlusselement)  1 1 1 1 element (short-circuit element)
1 1 12 erste Dichtung 1 1 12 first seal
1 1 13 zweite Dichtung  1 1 13 second seal
1 12 Reaktionsbereich 1 12 reaction area
1 13 zweiter Weiterleitungsbereich  1 13 second forwarding area
1 14 zweiter Austauschbereich 1 14 second exchange area
1 141 Auslassöffnung 1 141 outlet opening
1 15 Brennstoffzellenstapel 1 15 fuel cell stacks
1 16 Rahmen  1 16 frames
1 17 Dichtung 1 17 seal
1 171 erster Dichtungsbereich  1 171 first sealing area
201 Bipolarplatte 202 Bipolarplattenhälfte201 bipolar plate 202 bipolar plate half
203 Kathodengaskanäle 203 cathode gas channels
204 Anodengaskanäle  204 anode gas channels
205 Kühlmittelkanal  205 coolant channel
301 MEA  301 MEA
302 Membran  302 membrane
303 Katalysatorenbeschichtung 303 catalyst coating
304 Gasdiffusionsschicht 304 gas diffusion layer
305 Bipolarplattenhälfte  305 bipolar plate half
306 Element  306 element
307 Leitfähigkeit  307 conductivity
401 MEA 401 MEA
402 Gasdiffusionssicht  402 gas diffusion view
403 Element  403 element
404 Randverstärkung  404 edge reinforcement
405 Weiterleitungsbereich  405 forwarding area
406 Reaktionsbereich  406 reaction area
407 nicht elektrisch leitendes Material  407 non-electrically conductive material
501 Brennstoff zellenstapel 501 fuel cell stacks
502 Bipolarplattenhälfte  502 bipolar plate half
503 Element  503 element
5031 Schalter  5031 switch
5032 Feldeffekttransistor  5032 field effect transistor
5033 Diode  5033 diode
5034 Widerstand  5034 resistance
504 MEA  504 MEA
505 Membran  505 membrane
506 Weiterleitungsbereich  506 forwarding area
601 Element 601 element
701 Brennstoffzellenstapel 701 fuel cell stack
702 Bipolarplattenhälfte  702 bipolar plate half
703 Bipolarplattenhälfte Gasdiffusionsschicht Gasdiffusionsschicht Membran 703 bipolar plate half Gas diffusion layer Gas diffusion layer Membrane
Folie foil
Einlage inlay
Element element

Claims

Patentansprüche claims
1 . Membran-Elektroden-Einheit (101 ), umfassend eine Membran (103), eine an einer ersten Membranseite (106) angeordnete Anode (102) und eine an einer zweiten 1 . A membrane-electrode assembly (101) comprising a membrane (103), an anode (102) disposed on a first membrane side (106), and an anode (102)
Membranseite (107) angeordnete Kathode (104), wobei die Membran-Elektroden- Einheit (101 ) in Aufsicht auf ihre Flachseiten einen Reaktionsbereich (1 12), mindestens einen Austauschbereich (1 10, 1 14), in welchem mindestens eine Einlassöffnung (1 101 ) und mindestens eine Auslassöffnung (1 141 ) zum Ein- und Ausleiten von Gas (1 103) und Kühlmittelflüssigkeit (1 102) ausgebildet sind, und mindestens einen zwischen  Diaphragm (104) arranged cathode (104), wherein the membrane-electrode unit (101) in plan view of their flat sides a reaction region (1 12), at least one exchange region (1 10, 1 14), in which at least one inlet opening (1 101) and at least one outlet opening (1 141) for introducing and discharging gas (1 103) and coolant liquid (1 102) are formed, and at least one between
Reaktionsbereich (1 12) und Austauschbereich (1 10, 1 14) angeordneten  Reaction region (1 12) and exchange region (1 10, 1 14) arranged
Weiterleitungsbereich (1 1 1 , 1 13) aufweist, wobei die Membran-Elektroden-Einheit (101 ) mindestens einen den Weiterleitungsbereich (1 1 1 ) und den Reaktionsbereich (1 12) einschließenden ersten Dichtungsbereich (1 171 ) zum Dichten der Membran-Elektroden- Einheit gegen eine Bipolarplatte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element (1 1 1 1 ) vorhanden ist, das eine von mindestens einem Parameter abhängige elektrische Leitfähigkeit zum Kurzschließen der Anode (102) mit der Kathode (104) aufweist und das innerhalb des ersten Dichtungsbereichs (1 171 ) angeordnet ist.  Forwarding region (1 1 1, 1 13), wherein the membrane-electrode assembly (101) at least one of the forwarding region (1 1 1) and the reaction region (1 12) enclosing the first sealing region (1 171) for sealing the membrane electrodes - Unit against a bipolar plate, characterized in that at least one element (1 1 1 1) is present, which has a dependent on at least one parameter electrical conductivity for shorting the anode (102) to the cathode (104) and within the first sealing region (1 171) is arranged.
2. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der 2. membrane electrode assembly according to claim 1, characterized in that the
Parameter eine Temperatur, eine Gaskonzentration oder eine Stromspannung ist.  Parameter is a temperature, a gas concentration or a voltage.
3. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1 1 1 1 ) ein PTC-Element ist. 3. membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the element (1 1 1 1) is a PTC element.
4. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1 1 1 1 ) eine Diode ist. 4. membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the element (1 1 1 1) is a diode.
5. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1 1 1 1 ) ein Feldeffekttransistor ist. 5. membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the element (1 1 1 1) is a field effect transistor.
6. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 6. membrane electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass das Element (1 1 1 1 ) innerhalb des Weiterleitungsbereichs (1 1 1 , 1 13) angeordnet ist, insbesondere in einem medienzuführenden Weiterleitungsbereich. characterized in that the element (1 1 1 1) within the forwarding area (1 1 1, 1 13) is arranged, in particular in a media-supplying forwarding area.
7. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1 1 1 1 ) innerhalb des Reaktionsbereichs (1 12) angeordnet ist. 7. membrane electrode assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that the element (1 1 1 1) within the reaction region (1 12) is arranged.
8. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch 8. membrane electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Element zum Kurzschließen der  characterized in that at least one second element for shorting the
Anode (102) mit der Kathode (104) vorhanden ist, das eine Diode ist.  Anode (102) with the cathode (104) is present, which is a diode.
9. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch 9. membrane electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Element zum Kurzschließen der  characterized in that at least one second element for shorting the
Anode (102) mit der Kathode (104) vorhanden ist, das ein Feldeffekttransistor ist.  Anode (102) with the cathode (104) is present, which is a field effect transistor.
10. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch 10. membrane electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Element zum Kurzschließen der  characterized in that at least one second element for shorting the
Anode (102) mit der Kathode (104) vorhanden ist, das ein PTC-Element ist.  Anode (102) with the cathode (104) is present, which is a PTC element.
1 1 . Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 1 1. Membrane-electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Einheit (401 ) mindestens eine  in that the membrane-electrode unit (401) has at least one
Randverstärkung (404) aufweist und die Randverstärkung (404) mindestens ein  Edge reinforcement (404) and the edge reinforcement (404) at least one
Element (403) zum Kurzschließen der Anode (102) mit der Kathode (104) aufweist.  Comprising element (403) for shorting the anode (102) to the cathode (104).
12. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch 12. Membrane electrode unit according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass das Element (1 1 1 1 ) durch eine zweite Dichtung (1 1 13) separat gedichtet ist.  characterized in that the element (1 1 1 1) by a second seal (1 1 13) is sealed separately.
13. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch 13. Membrane electrode unit according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass das Element (1 1 1 1 ) innerhalb einer Dichtungsmasse einstückig ausgebildet ist.  characterized in that the element (1 1 1 1) is integrally formed within a sealant.
14. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch 14. Membrane electrode unit according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass das Element (709) in der Membran (706) einstückig ausgebildet ist.  characterized in that the element (709) in the membrane (706) is integrally formed.
15. Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Mehrzahl einander abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten (101 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und 15. A fuel cell stack comprising a plurality of alternately arranged membrane electrode assemblies (101) according to any one of claims 1 to 14 and
Bipolarplatten (201 ).  Bipolar plates (201).
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