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DE102021119655A1 - Membrane electrode assembly, fuel cell stack, fuel cell device and motor vehicle with such - Google Patents

Membrane electrode assembly, fuel cell stack, fuel cell device and motor vehicle with such Download PDF

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DE102021119655A1
DE102021119655A1 DE102021119655.8A DE102021119655A DE102021119655A1 DE 102021119655 A1 DE102021119655 A1 DE 102021119655A1 DE 102021119655 A DE102021119655 A DE 102021119655A DE 102021119655 A1 DE102021119655 A1 DE 102021119655A1
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DE
Germany
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fuel cell
reactant
cell stack
membrane
membrane electrode
Prior art date
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DE102021119655.8A
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German (de)
Inventor
Markus RUF
Sebastian Rau
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membranelektrodenanordnung (20), die eine Membran umfasst, welche auf ihren beiden gegenüberliegenden Oberflächen einen elektrochemisch aktiven Bereich (A) aufweist, in welchem die Membran beidseits zur Bildung einer Elektrode mit Katalysatorpartikeln beschichtet und eingerichtet ist, um von einem an der Brennstoffzellenreaktion beteiligten Reaktanten bestrichen zu werden, wobei die Membran an ihren beiden Oberflächen abseits des aktiven Bereichs (A) in Strömungsrichtung vor dem aktiven Bereich (A) und/oder abseits des aktiven Bereichs (A) in Strömungsrichtung nach dem aktiven Bereich (A) katalysatorfrei gebildet und eingerichtet ist, um von Feuchtigkeit oder Flüssigkeit bestrichen zu werden. Die Erfindung betrifft außerdem einen Brennstoffzellenstapel (1), eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) und ein Kraftfahrzeug.

Figure DE102021119655A1_0000
The invention relates to a membrane electrode assembly (20), which comprises a membrane which has an electrochemically active area (A) on its two opposite surfaces, in which the membrane is coated on both sides with catalyst particles to form an electrode and is set up to Reactants involved in the fuel cell reaction are to be coated, the membrane being catalyst-free on both of its surfaces away from the active region (A) in the flow direction before the active region (A) and/or away from the active region (A) in the flow direction after the active region (A). formed and arranged to be swept by moisture or liquid. The invention also relates to a fuel cell stack (1), a fuel cell device (1) and a motor vehicle.
Figure DE102021119655A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranelektrodenanordnung, durch welche ein verbessertes Feuchte- oder Wassermanagement gewährleistet werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Membranelektrodenanordnung, eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem solchen Brennstoffzellenstapel sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a membrane electrode arrangement, through which improved moisture or water management can be ensured. The invention also relates to a fuel cell stack with such a membrane electrode arrangement, a fuel cell device with such a fuel cell stack and a motor vehicle with such a fuel cell device.

Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung, die aus einer protonenleitenden Membran gebildet sind, auf deren einer Seite die Anode und auf derer anderen Seite die Kathode ausgebildet ist. Den Elektroden werden mittels Polarplatten Reaktantengase zugeführt, nämlich anodenseitig insbesondere Wasserstoff und kathodenseitig Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft. Bei der Versorgung der Brennstoffzelle mit den Reaktanten werden diese über einen Kanal in die Polarplatte geleitet, die unter Nutzung einer Mehrzahl von Kanälen eine Verteilung der Reaktanten bewirken soll, um die gesamte Fläche der Elektrode möglichst gleichmäßig mit den Reaktanten zu bestreichen. Unverbrauchte Reaktanten werden über einen Gasauslasskanal wieder abgeleitet. Bei der elektrochemischen Reaktion entsteht aus den Edukten auch Produktwasser, insbesondere auf der Kathodenseite, wobei aber durch Diffusion bzw. Osmose Produktwasser auch auf die Anodenseite gelangt. Ein Flüssigwasseraustrag ist daher auch erforderlich, damit die Brennstoffzelle verlässlich und dauerhaft betrieben werden kann. Es ist allerdings für einen zuverlässigen Protonentransport notwendig, dass die Membran feuchtegesättigt ist, wozu es bekannt ist, insbesondere auf der Kathodenseite Befeuchter einzusetzen, um das der Brennstoffzelle zugeführte Kathodengas vorzukonditionieren. Ein solcher zusätzlicher Befeuchter benötigt zusätzlichen Bauraum, der typischerweise beim Einsatz der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug nur bedingt vorhanden ist. Außerdem sind verschiedenste Verschlauchungen vorhanden, die ebenfalls sehr bauraumintensiv sind. Aufgrund der sich durch die Verschlauchungen ergebenden Laufzeiten für die einzelnen Medien bis zum Brennstoffzellenstapel ist außerdem stets ein Zeitverzug vorhanden, der eine schnelle Reaktion auf sich verändernde Umstände im Brennstoffzellenstapel erschweren.Fuel cells include a membrane electrode assembly formed from a proton conducting membrane having the anode on one side and the cathode on the other side. Reactant gases are supplied to the electrodes by means of polar plates, namely hydrogen in particular on the anode side and oxygen or an oxygen-containing gas, in particular air, on the cathode side. When supplying the fuel cell with the reactants, these are conducted via a channel into the polar plate, which is intended to distribute the reactants using a plurality of channels in order to cover the entire surface of the electrode with the reactants as evenly as possible. Unused reactants are discharged again via a gas outlet channel. During the electrochemical reaction, product water is also formed from the educts, in particular on the cathode side, but product water also reaches the anode side as a result of diffusion or osmosis. A liquid water discharge is therefore also necessary so that the fuel cell can be operated reliably and permanently. However, for reliable proton transport it is necessary for the membrane to be moisture-saturated, for which purpose it is known to use humidifiers, in particular on the cathode side, in order to precondition the cathode gas supplied to the fuel cell. Such an additional humidifier requires additional installation space, which is typically only available to a limited extent when the fuel cell device is used in a motor vehicle. In addition, a wide variety of hoses are available, which also take up a lot of space. Due to the running times for the individual media resulting from the tubing to the fuel cell stack, there is also always a time delay, which makes it difficult to react quickly to changing circumstances in the fuel cell stack.

Aus diesem Grunde ist es beispielsweise aus der CN 103 915 638 A , aus der KR 2011 0 014 455 A und US 5 176 966 A bekannt, in die Stapelstruktur des Brennstoffzellenstapels zusätzliche Befeuchterplatten zu integrieren. Hierbei werden die Reaktanten also sehr zellnah befeuchtet und eine schnelle Reaktion auf sich ändernde Umstände ist möglich.For this reason it is, for example, from the CN 103 915 638 A , from the KR 2011 0 014 455 A and U.S. 5,176,966 A known to integrate additional humidifier plates in the stack structure of the fuel cell stack. In this way, the reactants are moistened very close to the cell and a quick reaction to changing circumstances is possible.

Es ist gegenüber diesen bekannten Gestaltungen die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die eigentliche Befeuchtungsfunktion noch näher an die einzelne Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels heranzuführen.Compared to these known configurations, the object of the present invention is to bring the actual humidification function even closer to the individual unit cell of the fuel cell stack.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Membranelektrodenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 3, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a membrane electrode assembly having the features of claim 1, by a fuel cell stack having the features of claim 3, by a fuel cell device having the features of claim 8 and by a motor vehicle having the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of Invention are set out in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung umfasst eine Membran, welche auf ihren beiden gegenüberliegenden Oberflächen einen elektrochemisch aktiven Bereich aufweist, in welchem die Membran beidseits zur Bildung einer Elektrode mit Katalysatorpartikeln beschichtet und eingerichtet ist, um von einem an der Brennstoffzellenreaktion beteiligten Reaktanten bestrichen zu werden. Die Membran ist erfindungsgemäß an ihren beiden Oberflächen abseits dieses aktiven Bereichs in Strömungsrichtung vor dem aktiven Bereich und/oder abseits des aktiven Bereichs in Strömungsrichtung nach dem aktiven Bereich katalysatorfrei gebildet und eingerichtet, um von Feuchtigkeit oder Flüssigkeit bestrichen zu werden.The membrane electrode assembly according to the invention comprises a membrane which has an electrochemically active region on its two opposite surfaces, in which the membrane is coated on both sides with catalyst particles to form an electrode and is set up to be coated by a reactant involved in the fuel cell reaction. According to the invention, the membrane is formed catalyst-free on both of its surfaces away from this active area in flow direction before the active area and/or away from the active area in flow direction after the active area and is set up to be coated by moisture or liquid.

Auf diese Weise ist der Vorteil gegeben, dass durch die Membran selbst ein verbesserter Wasserübertrag innerhalb der Membran aufgrund des katalysatorfreien Bereichs vorliegt, welcher mit Flüssigkeit oder Feuchtigkeit bestrichen werden kann.In this way there is the advantage that the membrane itself provides improved water transfer within the membrane due to the catalyst-free area, which can be coated with liquid or moisture.

Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, gerade in den Verteilerbereichen, wo eine sehr große Strömungsgeschwindigkeit der Reaktanten vorherrscht, Austrocknungen der Membran zu vermeiden, da diese selbst dochtartig wirkt und eine Befeuchtung der gesamten Membran in ihrem aktiven Bereich hervorruft.This configuration makes it possible to prevent the membrane from drying out, particularly in the distribution areas where the reactants flow at a very high rate, since the membrane itself acts like a wick and causes the entire membrane to be moistened in its active area.

In diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit gegeben, dass in Strömungsrichtung vor dem aktiven Bereich und in Strömungsrichtung nach dem aktiven Bereich ein katalysatorfreier Bereich vorliegt, und dass die katalysatorfreien Bereiche eine unterschiedliche Fläche bereitstellen. Diese Fläche der beiden katalysatorfreien Bereiche kann an die entsprechenden Gegebenheiten innerhalb des Brennstoffzellenstapels angepasst sein, sodass dort, wo typischerweise ein verstärktes Austrocknen vorherrscht, der katalysatorfreie Bereich tendenziell größer gewählt ist, welcher dann zur Befeuchtung der Membran genutzt wird.In this context, there is the possibility that a catalyst-free area is present upstream of the active region and downstream of the active region in the flow direction, and that the catalyst-free regions provide a different area. This area of the two catalyst-free areas can be adapted to the corresponding conditions within the fuel cell stack, so that where there is typically increased drying out, the catalyst-free area tends to be larger, which is then used to moisten the membrane.

Die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung genannten Vorteile, vorteilhafte Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel, der mit einer solchen Membranelektrodenanordnung ausgestattet ist. Neben dieser Membranelektrodenanordnung umfasst er auch eine in einer Stapelrichtung aufgebrachte Polarplatte für die Versorgung einer der Elektroden der Membranelektrodenanordnung mit dem Reaktanten, wobei die Polarplatte einen Medienport als Einlass für den Reaktanten und einen Medienport als Auslass für den Reaktanten sowie ein die beiden Medienports strömungsmechanisch verbindendes Strömungsfeld umfasst. Es ist bevorzugt, dass die Polarplatte Medienports für drei Medien bereitstellt, nämlich für die beiden Reaktanten und für ein Kühlmittel. Darüber hinaus ist die Polarplatte vorzugsweise frei von weiteren Medienports gebildet.The advantages, advantageous configurations and effects mentioned in connection with the membrane electrode arrangement according to the invention apply in the same way to a fuel cell stack according to the invention which is equipped with such a membrane electrode arrangement. In addition to this membrane electrode arrangement, it also includes a polar plate applied in a stacking direction for supplying one of the electrodes of the membrane electrode arrangement with the reactant, the polar plate having a media port as an inlet for the reactant and a media port as an outlet for the reactant, as well as a flow field that fluidically connects the two media ports includes. It is preferred that the polar plate provides media ports for three media, namely the two reactants and a coolant. In addition, the polar plate is preferably formed free of further media ports.

Auch dieser Brennstoffzellenstapel bietet eine verbesserte Befeuchtung und damit eine effizientere Betriebsweise. Etwaige externe Befeuchter können durch eine solche Ausgestaltung kleiner ausgelegt werden, wobei die Möglichkeit vorhanden ist, auch vollständig auf einen solchen externen Befeuchter zu verzichten. Dies bietet deutliche Bauraumeinsparungen.This fuel cell stack also offers improved humidification and thus more efficient operation. Any external humidifier can be made smaller by such a configuration, with the possibility also being present of completely dispensing with such an external humidifier. This offers significant space savings.

Vorzugsweise sind im Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl an Membranelektrodenanordnungen und eine Mehrzahl an Polarplatten vorhanden, wobei die Membranelektrodenanordnungen und die Polarplatten zwischen zwei Endplatten alternierend gestapelt sind. Auf diese Weise kann jede Einheitszelle im Brennstoffzellenstapel mit einer Membranelektrodenanordnung gebildet sein, die eine Membran mit einem katalysatorfreien Bereich aufweist. Diese katalysatorfreien Regionen der Membranen können in Abhängigkeit der Anzahl an gestapelten Einheitszelle variieren, sodass die den Anschlüssen ferner gelegenen Einheitszellen eine andere Fläche für die katalysatorfreien Regionen bereitstellen, als die anschlussnahen Membranen.A plurality of membrane electrode assemblies and a plurality of polar plates are preferably present in the fuel cell stack, the membrane electrode assemblies and the polar plates being stacked alternately between two end plates. In this way, each unit cell in the fuel cell stack can be formed with a membrane electrode assembly having a membrane with a catalyst-free region. These catalyst-free regions of the membranes can vary depending on the number of unit cells stacked, so that the unit cells further from the ports provide a different area for the catalyst-free regions than the membranes close to the ports.

Vorzugsweise ist der Brennstoffzellenstapel also mit einem strömungsmechanisch mit den einlassseitigen Medienports verbundenen Anschluss für den ersten Reaktanten gebildet, wobei ein strömungsmechanisch mit den auslassseitigen Medienports verbundener Anschluss für den ersten Reaktanten vorliegt. Ferner ist der Brennstoffzellenstapel mit einem strömungsmechanisch mit den einlassseitigen Medienports verbundenen Anschluss für den zweiten Reaktanten gebildet, wobei ein strömungsmechanisch mit den auslassseitigen Medienports verbundener Anschluss für den zweiten Reaktanten vorliegt. Die Anordnung der Anschlüsse für den ersten Reaktanten und den zweiten Reaktanten sind dabei so gewählt, dass ein Gegenstromprinzip für die beiden Reaktanten vorherrscht. Auf diese Weise ist es möglich, dass ein zuverlässiger Übertrag von Wasser und eine hohe Feuchtigkeit vorliegt, die zu einer Sättigung der Membranen für einen effizienten Ionentransport innerhalb des Brennstoffzellenstapels führen.The fuel cell stack is therefore preferably formed with a connection for the first reactant that is fluidically connected to the media ports on the inlet side, with a connection for the first reactant that is fluidly mechanically connected to the media ports on the outlet side. Furthermore, the fuel cell stack is formed with a connection for the second reactant that is fluidically connected to the media ports on the inlet side, with a connection for the second reactant that is fluidly mechanically connected to the media ports on the outlet side. The arrangement of the connections for the first reactant and the second reactant are selected in such a way that a countercurrent principle prevails for the two reactants. In this way, it is possible for there to be reliable transfer of water and high humidity, leading to saturation of the membranes for efficient ion transport within the fuel cell stack.

Vorzugsweise ist die Lage der Anschlüsse derart gewählt, dass eine ringförmige Führung der Flüssigkeit oder der Feuchtigkeit vorliegt. Insbesondere erfolgt dabei eine Strömung von einem Kathodenauslass hin zu einem Anodeneinlass, wobei die Strömung über ein Anodenströmungsfeld bis zu einem Anodenauslass entlang verläuft und zu einem Kathodeneinlass hinströmt, wo sie einem Kathodenströmungsfeld entlang verläuft und zurück beim Kathodenauslass angelangt. Es liegt in Bezug auf die Membran keine unmittelbare Strömung von Flüssigkeit vor. Vielmehr wird sie von Feuchtigkeit auf ihrer einen Seite bestrichen, wenn der Gasstrom durch das Anodenströmungsfeld geführt ist. Sie wird auf ihrer anderen Seite von Feuchtigkeit bestrichen, wenn der Gasstrom durch das Kathodenströmungsfeld geführt ist.The position of the connections is preferably selected in such a way that the liquid or moisture is guided in a ring shape. In particular, there is a flow from a cathode outlet to an anode inlet, with the flow running along an anode flow field to an anode outlet and flowing towards a cathode inlet, where it runs along a cathode flow field and arriving back at the cathode outlet. There is no direct flow of liquid relative to the membrane. Rather, it is brushed by moisture on one side when the gas flow is guided through the anode flow field. It is swept by moisture on its other side when the gas flow is passed through the cathode flow field.

Auf diese Weise ist es möglich, dass eine ringförmige Verteilung der Feuchtigkeit über die Anodenräume und Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels realisiert ist. Lokal sehr trockene Bereiche werden dadurch vermieden. Zugleich kann auf einen externen Befeuchter verzichtet werden, oder ein solcher sehr viel kleiner ausgelegt werden. Durch die gewählte Ringströmung lässt sich die relative Feuchte über den Stapel insgesamt einstellen, die kreisförmig verläuft. Auf diese Weise liegt eine verbesserte Homogenität und eine höhere Dynamik vor, da kürzere Wege der Befeuchtung vorliegen, was die Stapelleistung und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels erhöhen. Weil die Befeuchtung stapelintern geregelt werden kann, liegt eine Vereinfachung für den Froststart vor.In this way, it is possible for the moisture to be distributed in an annular manner over the anode spaces and cathode spaces of the fuel cell stack. Locally very dry areas are thereby avoided. At the same time, an external humidifier can be dispensed with, or one can be designed to be much smaller. The selected annular flow allows the relative humidity to be adjusted over the stack as a whole, which runs in a circle. In this way, there is improved homogeneity and greater dynamics, since the humidification paths are shorter, which increases the stack performance and the service life of the fuel cell stack. Because the humidification can be regulated internally in the stack, there is a simplification for the frost start.

Zudem ist eine Kostenreduktion durch den Entfall des externen Befeuchters und den Wegfall der medienanbindenden Bauteile vom externen Befeuchter zum Stapeleinlass gegeben. Um jedoch den Bauraumbedarf zusätzlich zu reduzieren, oder um diesen besser ausnutzen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Anschlüsse alle an derselben Endplatte vorliegen.In addition, there is a cost reduction due to the omission of the external humidifier and the omission of the media-connecting components from the external humidifier to the stack inlet. However, in order to additionally reduce the space requirement, or to be able to make better use of it, it has proven to be advantageous if the connections are all present on the same end plate.

Die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel genannten Vorteile, vorteilhaften Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung, die mit einem solchen Brennstoffzellenstapel ausgerüstet ist.The advantages, advantageous configurations and effects mentioned in connection with the membrane electrode arrangement according to the invention and the fuel cell stack according to the invention apply in the same way to a fuel cell device according to the invention which is equipped with such a fuel cell stack.

Auch diese zeichnet sich durch den Entfall eines externen Befeuchters aus, wobei dieser aber auch lediglich kleiner ausgelegt werden kann. Eine solche Brennstoffzellenvorrichtung nutzt den verfügbaren Bauraum zuverlässig aus.This is also characterized by the omission of an external humidifier, although this can also be made smaller. Such a fuel cell device makes reliable use of the available installation space.

Es ist in diesem Zusammenhang von Vorteil, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung stapelextern befeuchterfrei gebildet ist, da dann der zur Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt wird.In this context, it is advantageous if the fuel cell device is formed without a humidifier on the outside of the stack, since the available installation space is then optimally utilized.

Die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung genannten Vorteile, vorteilhaften Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, welches mit einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung ausgestattet ist.The advantages, advantageous configurations and effects mentioned in connection with the membrane electrode arrangement according to the invention, the fuel cell stack according to the invention and the fuel cell device according to the invention apply in the same way to the motor vehicle according to the invention which is equipped with such a fuel cell device.

Auch bei diesem Kraftfahrzeug ist ein verringerter Kraftstoffverbrauch zu verzeichnen, da aufgrund der komprimierteren Ausgestaltung des Brennstoffzellenstapels ein geringeres Gewicht vorliegt. Der Brennstoffzellenstapel lässt sich aufgrund der idealen, gleichmäßigen Befeuchtung zusätzlich zum verringerten Gewicht noch effizienter betreiben, was den Kraftstoffbedarf ebenfalls senkt. Auf diese Weise ist die Reichweite des Kraftfahrzeugs erhöht.In this motor vehicle, too, reduced fuel consumption is to be noted, since the fuel cell stack is lighter due to the more compressed design. Due to the ideal, even humidification, the fuel cell stack can be operated even more efficiently in addition to the reduced weight, which also reduces fuel consumption. In this way, the range of the motor vehicle is increased.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Oberfläche einer Membranelektrodenanordnung, wobei die Strömung eines Reaktanten illustriert ist,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Oberfläche einer (Bi-)Polarplatte, wobei die Strömung eines Reaktanten illustriert ist, und
  • 4 eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht auf einen Brennstoffzellenstapel, wobei für die einzelnen Bereiche (A, B, C) die relative Feuchte im Betrieb in den nachstehenden Diagrammen zur jeweiligen Position illustriert ist; einerseits für die relative Feuchte der kathodenseitigen Luft (mittleres Diagramm) und andererseits für die relative Feuchte des anodenseitigen Wasserstoffs H2 (unteres Diagramm).
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device,
  • 2 a schematic representation of a plan view of the surface of a membrane electrode assembly, wherein the flow of a reactant is illustrated,
  • 3 a schematic representation of a plan view of the surface of a (bi)polar plate, wherein the flow of a reactant is illustrated, and
  • 4 a schematic sectional or side view of a fuel cell stack, wherein for the individual areas (A, B, C) the relative humidity during operation is illustrated in the diagrams below for the respective position; on the one hand for the relative humidity of the cathode-side air (middle diagram) and on the other hand for the relative humidity of the anode-side hydrogen H 2 (bottom diagram).

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die eine Brennstoffzelle beziehungsweise eine Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen aufweist.In the 1 a fuel cell device 1 is shown schematically, which has a fuel cell or a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack 2 .

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Membranelektrodenanordnung 20, die aus einer Anode und einer Kathode sowie einer die Anode von der Kathode trennenden protonenleitfähigen Membran aufgebaut ist. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells includes a membrane electrode assembly 20 made up of an anode and a cathode and a proton conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden ist zusätzlich ein Katalysator beigemischt, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst is additionally admixed to the anodes and/or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and/or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like. which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über gleichfalls von der Bipolarplatte 10 bereitgestellten Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).Fuel (for example hydrogen) is supplied to the anodes via anode chambers within the fuel cell stack 2 . In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons (e.g. H + ) through, but is impermeable to the electrons (e - ). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit. Cathode gas (e.g. oxygen or oxygen-containing air) can be supplied to the cathodes via cathode spaces within the fuel cell stack 2, which are also provided by the bipolar plate 10, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction /electron uptake).

Dem Brennstoffzellenstapel 2 wird über eine Kathodenfrischgasleitung 3 durch einen Verdichter 4 komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist die Brennstoffzelle mit einer Kathodenabgasleitung 6 verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel 2 durch eine Anodenfrischgasleitung 8 aus einem Wasserstofftank 5 Wasserstoff zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden mittels eines Medienports 15 in Polarplatten bzw. Bipolarplatten 10 an deren aktive Fläche A geleitet bzw. von dieser ausgeleitet, wobei in der Polarplatte bzw. Bipolarplatte 10 von Stegen 13 getrennt verlaufende Strömungskanäle 11 ausgebildet sind für die weitere Verteilung der Gase an die Membranelektrodenanordnung 20 sowie für deren Ausleitung aus dem Brennstoffzellenstapel 2 und die Durchleitung eines Kühlmediums.Compressed air is supplied to the fuel cell stack 2 via a cathode fresh gas line 3 by a compressor 4 . In addition, the fuel cell is connected to a cathode exhaust gas line 6 . On the anode side, hydrogen is supplied to the fuel cell stack 2 through an anode fresh gas line 8 from a hydrogen tank 5 in order to provide the reactants required for the electrochemical reaction in a fuel cell. These gases are conducted by means of a media port 15 in polar plates or bipolar plates 10 to their active surface A or discharged from them, with flow channels 11 running separately from webs 13 being formed in the polar plate or bipolar plate 10 for the further distribution of the gases to the Membrane electrode assembly 20 and for their discharge from the fuel cell stack 2 and the passage of a cooling medium.

Ein Ventil oder auch eine in der Figur illustrierte Saugstrahlpumpe können dabei geeignet sein, um den gewünschten Partialdruck an frischem Brennstoff innerhalb eines Anodenkreislaufes zu realisieren, der durch die Anodenrezirkulationsleitung 7 zustande kommt. Mit einer solchen Anodenrezirkulationsleitung 7 kann der in dem Brennstoffzellenstapel 2 nicht verbrauchter Brennstoff den Anodenräumen stromauf der Brennstoffzelle erneut zugeführt werden, so dass dabei die Anodenrezirkulationsleitung 7 wieder in die Anodenfrischgasleitung 8 mündet. Verbrauchter Brennstoff wird über die Anodenabgasleitung 9 aus der Brennstoffzelle entfernt. Um die Rezirkulation zu bewirken kann alternativ oder ergänzend auch ein in der Figur ebenfalls gezeigte Rezirkulationsgebläse genutzt werden.A valve or a suction jet pump illustrated in the figure can be suitable in this case in order to realize the desired partial pressure of fresh fuel within an anode circuit, which comes about through the anode recirculation line 7 . With such an anode recirculation line 7 , the fuel not consumed in the fuel cell stack 2 can be fed back to the anode chambers upstream of the fuel cell, so that the anode recirculation line 7 opens back into the anode fresh gas line 8 . Spent fuel is removed from the fuel cell via the anode exhaust line 9 . Alternatively or additionally, a recirculation fan, also shown in the figure, can also be used to bring about the recirculation.

In 2 ist eine Membranelektrodenanordnung 20 gezeigt, die eine Membran umfasst, welche auf ihren beiden gegenüberliegenden Oberflächen einen elektrochemischen aktiven Bereich A aufweist, in welchem die Membran beidseits zur Bildung der Elektrode mit Katalysatorpartikeln beschichtet und eingerichtet ist, um von einem an der Brennstoffzellenreaktion beteiligten Reaktanten bestrichen zu werden, wie durch die Pfeile symbolisiert ist. Die Membran weist aber an ihren beiden Oberflächen abseits des aktiven Bereichs A in Strömungsrichtung vor dem aktiven Bereich A und in Strömungsrichtung nach dem aktiven Bereich A Regionen auf, die katalysatorfrei gebildet und eingerichtet sind, um von Feuchtigkeit oder Flüssigkeit bestrichen zu werden. Diese beiden Regionen B und C dienen dabei lediglich der Befeuchtung der Membran, wobei insbesondere in den Bereichen, in denen eine besonders starke Strömung herrscht (einlassseitig) eine verringerte Austrocknung der Membranelektrodenanordnung 20 die Folge ist. Auf diese Weise liegt ein verbessertes Wassermanagement vor.In 2 a membrane electrode assembly 20 is shown comprising a membrane having on both of its opposing surfaces an electrochemically active region A in which the membrane is coated on both sides with catalyst particles to form the electrode and arranged to be swept by a reactant involved in the fuel cell reaction as symbolized by the arrows. However, the membrane has on both of its surfaces away from the active area A in the direction of flow in front of the active area A and in the direction of flow after the active area A regions that are formed without a catalyst and set up to be coated by moisture or liquid. These two regions B and C only serve to moisten the membrane, the consequence being reduced drying out of the membrane electrode arrangement 20, particularly in the areas in which there is a particularly strong flow (on the inlet side). In this way, there is improved water management.

Es ist die Möglichkeit vorhanden, dass die beiden katalysatorfreien Bereiche B und C eine unterschiedliche Fläche bereitstellen, und zwar insbesondere in Abhängigkeit ihrer Lage innerhalb eines Brennstoffzellenstapels 2 und auch insbesondere in Abhängigkeit des Grades der Austrocknung durch den jeweiligen Reaktantenstrom.There is the possibility that the two catalyst-free areas B and C provide a different area, in particular depending on their position within a fuel cell stack 2 and also in particular depending on the degree of drying out by the respective reactant flow.

Zur Verteilung des Reaktantenstroms wird über den katalysatorfreien Bereich B, C sowie über die aktive Fläche A eine Bipolarplatte 10 genutzt. In 3 ist eine solche Bipolarplatte 10 illustriert, bei der drei linksseitig dargestellte Medienports 15 für den Zufluss der beiden Reaktanten sowie des Kühlmittels und drei rechtsseitige Medienports 15 für deren Abfluss vorhanden sind. Rein illustrativ ist der Brennstoffstrom von dem links oben dargestellten Medienport 15 zu dem rechts unten dargestellten Medienport 15 dargestellt, der sich über die Bipolarplatte 10 bzw. über deren Strömungsfeld 12 verteilt erstreckt. Das Strömungsfeld 12 weist lediglich schematisch dargestellte Strömungskanäle 11 auf, die von Stegen 13 getrennt werden. In dem aktiven Bereich A erfolgt die elektrochemische Reaktion, da in diesem Bereich die Membranelektrodenanordnung 20 beidseits von den beiden Reaktionsmedien bestrichen wird und sie dort außerdem mit Katalysatorpartikeln beschichtet ist. Aufgrund der vorliegenden Reaktantenströmung kommt es einlassseitig, also nahe dem links oben dargestellten Medienport 15, zu einer verstärkten Trocknung der Membran der Membranelektrodenanordnung 20. Deshalb ist der illustrativ punktiert hervorgehobene Bereich B vorhanden, der frei von Katalysatorpartikeln gebildet ist. Um die Strömungsrichtung umkehren zu können, liegt der weitere punktiert hervorgehobene Bereich C vor, der eine übermäßige Austrocknung ebenfalls verhindert. Beide Bereiche B und C können für Flüssigkeit oder Feuchtigkeit wie ein Docht wirken, so dass die Membran insgesamt befeuchtet wird und ein externer Befeuchter entfallen kann.A bipolar plate 10 is used to distribute the reactant flow over the catalyst-free area B, C and over the active area A. In 3 Such a bipolar plate 10 is illustrated, in which three media ports 15 shown on the left for the inflow of the two reactants and the coolant and three media ports 15 on the right for their outflow are present. The flow of fuel from the media port 15 shown at the top left to the media port 15 shown at the bottom right, which extends distributed over the bipolar plate 10 or over its flow field 12, is shown purely by way of illustration. The flow field 12 has flow channels 11 , shown only schematically, which are separated by webs 13 . The electrochemical reaction takes place in the active area A, since in this area the membrane electrode arrangement 20 is coated on both sides by the two reaction media and it is also coated there with catalyst particles. Due to the present flow of reactants, there is increased drying of the membrane of the membrane electrode arrangement 20 on the inlet side, i.e. near the media port 15 shown at the top left. Therefore, the illustratively dotted highlighted region B is present, which is formed free of catalyst particles. In order to be able to reverse the direction of flow, there is the further area C, which is highlighted in a dotted manner and also prevents excessive drying out. Both areas B and C can act like a wick for liquid or moisture, so that the membrane is moistened overall and an external moistener can be omitted.

In 4 ist eine Seiten- oder Schnittansicht durch den Brennstoffzellenstapel 2 zu erkennen, wobei hier verdeutlicht wird, dass bei jeder Einheitszelle sowohl einlassseitig als auch auslassseitig ein Bereich B, C vorliegt, der katalysatorfrei gebildet ist. Auf diese Weise kann also auf jeder Seite eine entsprechende Befeuchtung aufgrund des während der Brennstoffzellenreaktion entstehenden Produktwassers erfolgen.In 4 a side view or sectional view through the fuel cell stack 2 can be seen, it being made clear here that in each unit cell there is an area B, C on the inlet side as well as on the outlet side, which is formed without a catalyst. In this way, corresponding moistening can therefore take place on each side due to the product water formed during the fuel cell reaction.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Reaktanten im Gegenstromprinzip den Brennstoffzellenstapel 2 durchströmen, da auf diese Weise eine verbesserte Feuchteverteilung vorliegt. In einem solchen Brennstoffzellenstapel 2 sind eine Mehrzahl an Membranelektrodenanordnungen 20 und eine Mehrzahl an Polarplatten 10 vorhanden, wobei die Membranelektrodenanordnungen 20 und die Polarplatten 10 zwischen zwei Endplatten 16 alternierend gestapelt sind. Der Brennstoffzellenstapel weist an ein- und derselben Endplatte 16 einen strömungsmechanisch mit den einlassseitigen Medienports 15 verbundenen Anschluss 17 für den ersten Reaktanten auf. Ferner weist er ein strömungsmechanisch mit den auslassseitigen Medienports 15 verbundenen Anschluss 17 für den ersten Reaktanten auf, wobei er außerdem einen strömungsmechanisch mit den einlassseitigen Medienports 15 verbundenen Anschluss 17 für den zweiten Reaktanten umfasst. Ferner ist ein strömungsmechanisch mit den auslassseitigen Medienports 15 verbundener Anschluss 17 für den zweiten Reaktanten vorhanden, wobei die Anordnung der Anschlüsse 17 für den ersten Reaktanten und den zweiten Reaktanten so gewählt ist, dass ein Gegenstromprinzip für die beiden Reaktanten vorherrscht.It has turned out to be advantageous if the reactants flow through the fuel cell stack 2 in the countercurrent principle, since in this way there is improved moisture distribution. In such a fuel cell stack 2, a plurality of membrane electrode assemblies 20 and a plurality of polar plates 10 are present, the membrane electrode assemblies 20 and the polar plates 10 are alternately stacked between two end plates 16. The fuel cell stack has on one and the same end plate 16 a connection 17 for the first reactant which is fluidically connected to the media ports 15 on the inlet side. It also has a connection 17 for the first reactant, which is fluidically connected to the media ports 15 on the outlet side, and also includes a connection 17 for the second reactant, which is fluidically connected to the media ports 15 on the inlet side. Furthermore, there is a connection 17 for the second reactant, which is fluidically connected to the media ports 15 on the outlet side, the arrangement of the connections 17 for the first reactant and the second reactant being chosen such that a countercurrent principle prevails for the two reactants.

Vorliegend ist die Lage der Anschlüsse 17 derart gewählt, dass eine ringförmige Führung der Flüssigkeit oder Feuchtigkeit vorliegt, wobei die Strömung von einem Kathodenauslass 18 hin zu einem Anodeneinlass 19 geführt ist. Ausgehend vom Anodeneinlass 19 durchströmt sie ein Anodenströmungsfeld bis zu einem Anodenauslass 21. Ausgehend von dem Anodenauslass 21 wird die Strömung der dampfförmigen Flüssigkeit zu einem Kathodeneinlass 22 geführt, wo sie einem Kathodenströmungsfeld entlang verläuft und zurück beim Kathodenauslass 18 angelangt.In the present case, the position of the connections 17 is selected in such a way that the liquid or moisture is guided in an annular manner, with the flow being guided from a cathode outlet 18 to an anode inlet 19 . Starting from the anode inlet 19 , it flows through an anode flow field to an anode outlet 21 .

Die relative Feuchte der beiden Reaktanten sind in den unten stehenden Diagrammen zu erkennen, wobei im mittleren Diagramm die relative Feuchte des Kathodengases aufgetragen ist bei einer Durchströmung des oben eingezeichneten Brennstoffzellenstapels 2 „von links nach rechts“. Darunter ist die relative Feuchte des Brennstoffs eingezeichnet, bei einer Durchströmung des Brennstoffzellenstapels 2 „von rechts nach links“.The relative humidity of the two reactants can be seen in the diagrams below, with the middle diagram showing the relative humidity of the cathode gas as it flows through the fuel cell stack 2 shown above “from left to right”. Below that, the relative humidity of the fuel is drawn, with a flow through the fuel cell stack 2 “from right to left”.

Auf diese Weise lassen sich lokal sehr trockene Bereiche vermeiden, wobei auf externe Befeuchter vollständig verzichtet werden kann oder diese auch lediglich verkleinert einzusetzen sind. Die relative Feuchte des Stapels wird dabei „im Kreis“ geführt, was zu einer verstärkten Homogenisierung der Feuchtigkeit über den gesamten Stapel hinweg führt.In this way, locally very dry areas can be avoided, whereby external humidifiers can be completely dispensed with or they can only be used on a smaller scale. The relative humidity of the stack is guided "in a circle", which leads to an increased homogenization of the humidity over the entire stack.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich also durch eine verbesserte Homogenisierung der Feuchteverteilung aus, wobei kürzere Wege für die Verteilung der Feuchtigkeit vorherrschen und damit eine höhere Dynamik für den Brennstoffzellenstapel 2 bereitgestellt ist. Da die Befeuchtung nun stapelintern geregelt werden kann, liegen unter anderem auch Vereinfachungen für den Froststart vor. Ein externer Befeuchter kann dabei entfallen, wobei auch die medienanbindenden Bauteile vom externen Befeuchter zum Stapeleinlass nicht mehr benötigt werden. Dies führt dazu, dass die Brennstoffzellenvorrichtung 1 insgesamt kompakter ausgestaltet ist; sie nutzt den verfügbaren Bauraum noch besser aus. Auch das Gesamtgewicht der Brennstoffzellenvorrichtung und damit des Kraftfahrzeugs reduziert sich durch die gewählte Ausgestaltung.The present invention is therefore distinguished by an improved homogenization of the moisture distribution, with shorter paths prevailing for the distribution of the moisture and thus greater dynamics being provided for the fuel cell stack 2 . Since the humidification can now be controlled internally in the stack, there are also simplifications for the frost start. There is no need for an external humidifier, and the media-connecting components from the external humidifier to the stack inlet are no longer required. This results in the fuel cell device 1 being designed to be more compact overall; it makes even better use of the available space. The overall weight of the fuel cell device and thus of the motor vehicle is also reduced by the design selected.

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
33
KathodenfrischgasleitungCathode fresh gas line
44
Verdichtercompressor
55
Wasserstofftankhydrogen tank
66
Kathodenabgasleitungcathode exhaust line
77
Anodenrezirkulationsleitunganode recirculation line
88th
Anodenfrischgasleitunganode fresh gas line
99
Anodenabgasleitunganode exhaust line
1010
Polarplatte / BipolarplattePolar Plate / Bipolar Plate
1111
Strömungskanalflow channel
1212
Strömungsfeldflow field
1313
Stegewebs
1414
Verteilerbereichdistribution area
1515
Medienportmedia port
1616
Endplatteendplate
1717
AnschlussConnection
1818
Kathodenauslasscathode outlet
1919
Anodeneinlassanode inlet
2020
Membranelektrodenanordnungmembrane electrode assembly
2121
Anodenauslassanode outlet
2222
Kathodeneinlasscathode inlet
AA
aktiver Bereichactive area
BB
erste Region abseits des aktiven Bereichsfirst region away from the active area
CC
zweite Region abseits des aktiven Bereichssecond region away from the active area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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  • KR 20110014455 A [0003]KR 20110014455 A [0003]
  • US 5176966 A [0003]US5176966A [0003]

Claims (10)

Membranelektrodenanordnung (20), die eine Membran umfasst, welche auf ihren beiden gegenüberliegenden Oberflächen einen elektrochemisch aktiven Bereich (A) aufweist, in welchem die Membran beidseits zur Bildung einer Elektrode mit Katalysatorpartikeln beschichtet und eingerichtet ist, um von einem an der Brennstoffzellenreaktion beteiligten Reaktanten bestrichen zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran an ihren beiden Oberflächen abseits des aktiven Bereichs (A) in Strömungsrichtung vor dem aktiven Bereich (A) und/oder abseits des aktiven Bereichs (A) in Strömungsrichtung nach dem aktiven Bereich (A) katalysatorfrei gebildet und eingerichtet ist, um von Feuchtigkeit oder Flüssigkeit bestrichen zu werden.Membrane electrode assembly (20) comprising a membrane having on its two opposite surfaces an electrochemically active region (A) in which the membrane is coated on both sides with catalyst particles to form an electrode and arranged to be coated by a reactant involved in the fuel cell reaction characterized in that the membrane is formed catalyst-free on its two surfaces away from the active area (A) in the direction of flow before the active area (A) and/or away from the active area (A) in the direction of flow after the active area (A). and adapted to be swept by moisture or liquid. Membranelektrodenanordnung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem aktiven Bereich (A) und in Strömungsrichtung nach dem aktiven Bereich (A) ein katalysatorfreier Bereich (B, C) vorliegt, und dass die katalysatorfreien Bereiche (B, C) eine unterschiedliche Fläche bereitstellen.Membrane electrode assembly (20) after claim 1 , characterized in that upstream of the active region (A) and downstream of the active region (A) there is a catalyst-free region (B, C), and that the catalyst-free regions (B, C) provide a different area. Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Membranelektrodenanordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2 und mit einer in einer Stapelrichtung aufgebrachten Polarplatte (10) für die Versorgung einer der Elektroden der Membranelektrodenanordnung (20) mit dem Reaktanten, wobei die Polarplatte (10) einen Medienport (15) als Einlass für den Reaktanten und einen Medienport (15) als Auslass für den Reaktanten sowie ein die beiden Medienports (15) strömungsmechanisch verbindendes Strömungsfeld (12) umfasst.Fuel cell stack (2) with a membrane electrode assembly (20). claim 1 or 2 and with a polar plate (10) applied in a stacking direction for supplying one of the electrodes of the membrane electrode assembly (20) with the reactant, the polar plate (10) having a media port (15) as an inlet for the reactant and a media port (15) as an outlet for the reactant and a flow field (12) that fluidically connects the two media ports (15). Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Membranelektrodenanordnungen (20) und eine Mehrzahl an Polarplatten (10) vorhanden sind, und dass die Membranelektrodenanordnungen (20) und die Polarplatten (10) zwischen zwei Endplatten (16) alternierend gestapelt sind.Fuel cell stack (2) after claim 3 , characterized in that there are a plurality of membrane electrode assemblies (20) and a plurality of polar plates (10), and that the membrane electrode assemblies (20) and the polar plates (10) are alternately stacked between two end plates (16). Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein strömungsmechanisch mit den einlassseitigen Medienports (15) verbundener Anschluss (17) für den ersten Reaktanten vorliegt, dass ein strömungsmechanisch mit den auslassseitigen Medienports (15) verbundener Anschluss (17) für den ersten Reaktanten vorliegt, dass ein strömungsmechanisch mit den einlassseitigen Medienports (15) verbundener Anschluss (17) für den zweiten Reaktanten vorliegt, dass ein strömungsmechanisch mit den auslassseitigen Medienports (15) verbundener Anschluss (17) für den zweiten Reaktanten vorliegt, und dass die Anordnung der Anschlüsse (17) für den ersten Reaktanten und den zweiten Reaktanten so gewählt ist, dass ein Gegenstromprinzip für die beiden Reaktanten vorherrscht.Fuel cell stack (2) after claim 4 , characterized in that there is a connection (17) for the first reactant that is fluidically connected to the media ports (15) on the inlet side, that there is a connection (17) that is fluidically connected to the media ports (15) on the outlet side for the first reactant, that a connection (17) that is fluidly connected to the media ports (15) is present the inlet-side media ports (15) connected connection (17) for the second reactant, that there is a flow-mechanically connected to the outlet-side media ports (15) connection (17) for the second reactant, and that the arrangement of the connections (17) for the first Reactants and the second reactant is chosen so that a countercurrent principle prevails for the two reactants. Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Anschlüsse (17) derart gewählt ist, dass eine ringförmige Führung der Flüssigkeit oder Feuchtigkeit vorliegt, wobei die Strömung von einem Kathodenauslass (18) hin zu einem Anodeneinlass (19) geführt ist, wobei sie einem Anodenströmungsfeld bis zu einem Anodenauslass (21) entlang verläuft und zu einem Kathodeneinlass (22) hinströmt, wo sie einem Kathodenströmungsfeld entlang verläuft und zurück beim Kathodenauslass (18) angelangt.Fuel cell stack (2) after claim 5 , characterized in that the position of the connections (17) is selected such that there is an annular guidance of the liquid or moisture, the flow being guided from a cathode outlet (18) towards an anode inlet (19), with an anode flow field to passes along an anode outlet (21) and flows towards a cathode inlet (22) where it passes along a cathode flow field and arrives back at the cathode outlet (18). Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (17) alle an derselben Endplatte (16) vorliegen.Fuel cell stack (2) after claim 5 or 6 , characterized in that the connections (17) are all on the same end plate (16). Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 7.Fuel cell device (1) with a fuel cell stack (2) according to one of claims 3 until 7 . Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 8, die stapelextern befeuchterfrei gebildet ist.Fuel cell device (1) after claim 8 , which is formed without a humidifier on the outside of the stack. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9.Motor vehicle with a fuel cell device (1). claim 8 or 9 .
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