DE10217712A1

DE10217712A1 - Elektrodenplatte mit Befeuchtungsbereich

Info

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

Abstract

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem der Befeuchtung einer PEM bzw. einer MEA. Es wird eine Elektrodenplatte für eine PEM-Brennstoffzelle vorgeschlagen, die wenigstens einen auf ihr integrierten Bereich für die Befeuchtung eines Reaktandenstroms aufweist. Ferner wird eine PEM-Brennstoffzelle vorgeschlagen, die diese Elektrodenplatte aufweist, sowie ein PEM-Brennstoffzellenstapel, der diese PEM-Brennstoffzellen aufweist. Außerdem wird ein Verfahren zur Befeuchtung von Reaktandenströmen für PEM-Brennstoffzellen vorgeschlagen, bei dem Reaktanden nach Eintritt in die Brennstoffzelle und vor Eintritt in einen Verteilungsbereich in einem Befeuchtungsbereich befeuchtet werden. Ferner wird ein Verfahren zum Befeuchten einer PEM einer PEM-Brennstoffzelle vorgeschlagen sowie ein Verfahren zum Betreiben von PEM-Brennstoffzellen. Die Erfindung ermöglicht v. a. die Durchführung der Befeuchtung auf einfache und wirkungsvolle Weise in einer PEM-Brennstoffzelle. Dadurch können beispielsweise Volumen und Gewicht reduziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenplatte für eine PEM- Brennstoffzelle auf der ein Befeuchtungsbereich integriert ist, eine PEM-Brennstoffzelle mit einem integrierten Befeuchtungsbereich, ein Verfahren zur Befeuchtung von Reaktandenströmen für PEM-Brennstoffzellen, ein Verfahren zur Befeuchtung der PEM von PEM-Brennstoffzellen sowie ein Verfahren zum Betreiben von PEM-Brennstoffzellen.

Eine PEM-Brennstoffzelle besteht im allgemeinen aus einer PEM (proton exchange membrane - Protonen Austausch Membran), die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist und mit diesen die MEA (membrane electrode assembly - Membran Elektroden Einheit) bildet, wobei die MEA wiederum zwischen zwei GDL (gas diffusion layer - Gas Diffusions Schicht) angeordnet ist und diese wiederum zwischen zwei Elektrodenplatten. Die Elektrodenplatten weisen üblicherweise eine Kanalstrukur oder eine Noppenstruktur auf, mit der die Reaktanden auf die elektrochemisch aktive Fläche der Zelle verteilt werden (sog. Verteilungsbereich) und dienen außerdem als Stromableiter, wobei sie bei einer einzelnen PEM-Brennstoffzelle zunächst als monopolare Elektrodenplatten ausgelegt sind, da sie nur entweder eine positive oder eine negative Spannung aufnehmen. Da die elektrische Spannung einer einzelnen PEM-Brennstoffzelle für praktische Zwecke im allgemeinen zu niedrig ist werden die PEM- Brennstoffzellen üblicherweise in Reihe geschaltet. Dabei ergeben sich Stapel (sog. Stacks), bei denen aufeinanderfolgende monopolare Elektrodenplatten durch sogenannte bipolare Elektrodenplatten ersetzt sind. Diese nehmen auf der einen Seite eine positive und auf der anderen Seite eine negative Spannung auf und weisen üblicherweise auch auf beiden Seiten einen Verteilungsbereich mit Kanalstruktur auf.

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

2H₂ + → 2H₂O + Wärme + Strom

Ein wesentliches Problem dabei ist der Wasserhaushalt der Brennstoffzelle. Die Membran arbeitet nur dann unter optimalen Bedingungen, d. h. sie leitet die Wasserstoffionen optimal, wenn sie ausreichend Feuchtigkeit enthält. Sinkt ihr Feuchtigkeitsgehalt zu stark ab, steigt der Innenwiderstand der Zelle aufgrund des erhöhten Membranwiderstands beträchtlich an, wodurch die Leistung sinkt. Zum optimalen Zellbetrieb bedarf es daher bei gegebener Temperatur an jeder Stelle der Membran einer Luftfeuchtigkeit von nahezu 100%. Dabei gibt es mehrere Bewegungen von Wassermolekülen innerhalb der Membran, von der Membran weg als auch in die Membran hinein. Eine Wasserbewegung von der Anode zur Kathode ist darauf zurückzuführen, daß während des Betriebes der Brennstoffzelle die Protonen bei ihrer Wanderung durch die PEM in ihrer Koordinationssphäre Wasser mitschleppen. Dieser Vorgang wird im allgemeinen "elektroosmotischer Druck" genannt. Typischerweise werden pro Proton zwischen 1 und 2,5 Wassermoleküle elektroosmotisch durch die PEM transportiert. Das bedeutet, daß speziell bei hohen Stromdichten die Anodenseite des Elektrolyten austrocknet - sogar wenn die Kathodenseite gut befeuchtet ist. Ein weiteres Problem ist der Trocknungseffekt von Luft bei hohen Temperaturen. Bei Temperaturen über 60°C kann die Luft die Elektroden unter ungünstigen Umständen schneller austrocknen als Wasser durch die Reaktion erzeugt werden kann. Strömt der Kathodenreaktand, z. B. Luft, durch die Kanäle des Verteilungsbereichs der Elektrodenplatten und diffundiert durch die Gasdiffusionsschicht, hat er beim Eintritt in den Gasraum einen niedrigen Wasserdampfpartialdruck und beim Austritt einen hohen, da Sauerstoff an der Kathode zu Wasser reagiert. Der durch die Wasserstoffpartialdruckdifferenzen zwischen Membranoberfläche und Verteilerkanal hervorgerufene Diffusionsstrom trocknet die Membran am Einlaß des Kathodenreaktanden aus, am Auslaß entstehen dagegen möglicherweise Wasserablagerungen in der Diffusionsschicht. Bei gegebener Betriebstemperatur wären demnach zum Ausgleich der Wasserbilanz der Membran eine über die Membranoberfläche möglichst konstante relative Feuchtigkeit des Kathodenreaktanden und auch des Anodenreaktanden wünschenswert.

Dieses Problem wird herkömmlich nur teilweise durch externe Befeuchtungssysteme, teils kombiniert mit einem Kühlsystem, gelöst, die unter zumindest intervallweiser Messung der Membranfeuchte die Wasserbilanz der Zelle ausgleichen. Nachteilig an diesen Befeuchtungssystemen ist die zusätzliche Belastung des Brennstoffzellensystems mit Eigenenergieverbrauch und Gewicht, was vor allem für die Anwendung in mobilen Systemen nicht wünschenswert ist, und mit Kosten, welche die Wettbewerbsfähigkeit der Brennstoffzelle mit herkömmlichen Energiesystemen schwächt.

Im Stand der Technik sind mehrere Ansätze zur Lösung dieses Problems beschrieben. Ein Ansatz sind Brennstoffzellen, die ohne Befeuchtung der Reaktanden betrieben werden können. Diesbezüglich sind z. Zt. jedoch noch keine zuverlässig gut funktionierenden Lösungen bekannt. Ein weiterer Ansatz besteht darin, Befeuchtungssysteme in die Brennstoffzellensysteme zu integrieren.

In der US-PS 5,382,478 (Ballard Power Systems) wird beispielsweise eine Vorrichtung beschrieben, bestehend aus einem Gehäuse mit Einlässen und Auslässen für die Reaktanden, wobei in dem Gehäuse ein Befeuchtungsbereich und ein elektrochemisch aktiver Bereich angeordnet sind. Der Befeuchtungsbereich ist strömungsaufwärts zum elektrochemisch aktiven Bereich angeordnet, so daß die Reaktanden zuerst den Befeuchtungsbereich durchströmen, bevor sie in den elektrochemisch aktiven Bereich, bestehend aus einem Stapel von Brennstoffzellen und Kühlvorrichtungen, eintreten. Nach Durchgang durch den elektrochemisch aktiven Bereich werden die Reaktanden zum Befeuchtungsbereich zurückgeführt und geben dort ihre Feuchtigkeit an die eintretenden Reaktanden ab. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, daß die Vorrichtung verhältnismäßig viel Bauraum benötigt, sowie eine verhältnismäßig große Dichtungsfläche aufweist. Ferner ist nachteilhaft, daß der Befeuchtungsbereich eine verhältnismäßig große Masse aufweist, wodurch sich zwischen den Brennstoffzellenstapel-nahen Befeuchtungszellen, die am meisten Wärme vom Brennstoffzellenstapel erhalten, und den Brennzellenstapel-fernen Befeuchtungszellen, die kaum noch Wärme vom Brennstoffzellenstapel erhalten, ein relativ großer Temperaturgradient einstellt. Der Temperaturgradient hat zudem auch noch einen ungünstigen Verlauf: Es herrschen niedrige Temperaturen dort, wo der kalte Reaktand in den Befeuchtungsbereich eintritt; dort sollten die Temperaturen eigentlich hoch sein, da Gase bei hohen Temperaturen bekanntlich mehr Wasser aufnehmen. Und es herrschen hohe Temperaturen dort, wo der Reaktand aus dem Befeuchtungsbereich in den Brennstoffzellenstapel eintritt und nur noch eine kurze Verweilzeit im Befeuchtungsbereich hat. Die Folge dieses ungünstigen Temperaturgradienten ist eine ineffektive Befeuchtung der Reaktanden.

In der WO 00/17952 (Energy Partners) wird ein selbstbefeuchtender PEM-Brennstoffzellenstapel offenbart, bei dem Befeuchtungsbereiche auf der MEA integriert sind, wobei Oxidantstrom und Brennstoffstrom an der MEA in entgegengesetzter Richtung vorbeiströmen. Dadurch befeuchtet der austretende Oxidantstrom den eintretenden Brennstoffstrom und der austretende Brennstoffstrom den eintretenden Oxidantstrom, indem die Ströme über die Befeuchtungsbereiche auf der MEA Feuchtigkeit austauschen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß die Befeuchtungsbereiche auf der MEA angeordnet sind und so elektrochemisch aktive Fläche verloren geht. Außerdem müssen die Befeuchtungsbereiche aufwendig auf die MEA aufgebracht werden. Und schließlich besteht die Gefahr, daß Brennstoff teilweise in den Oxidantstrom gelangt und umgekehrt.

Demgegenüber war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die Regelung des Wasserhaushalts einer PEM- Brennstoffzelle zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.

Insbesondere war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Befeuchtung von Reaktandenströmen und der PEM auf einfache und wirkungsvolle Weise in eine PEM-Brennstoffzelle integriert werden kann.

Außerdem war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PEM- Brennstoffzelle mit integrierter Befeuchtung von Reaktandenströmen und der PEM zu schaffen.

Weitere Aufgaben waren, ein Verfahren zur Befeuchtung von Reaktandenströmen und der PEM anzugeben, sowie ein Verfahren zum Betreiben von PEM-Brennstoffzellen mit integrierten Befeuchtungsbereichen anzugeben.

Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrodenplatte für eine PEM-Brennstoffzelle mit Verteilungsbereichen zur Verteilung von Reaktanden, Ports zur Zuführung von Reaktanden und Ports zur Abführung von Reaktanden. Die Elektrodenplatte weist wenigstens einen Bereich für die Befeuchtung eines eintretenden trockenen oder teilbefeuchteten Reaktandenstroms auf.

Unter Elektrodenplatten werden Anodenplatten und Kathodenplatten verstanden. Diese weisen im allgemeinen auf ihrer Oberfläche Strukturen aus Kanälen auf, mit denen Reaktandenströme geführt und verteilt werden können, sogenannte Verteilungsbereiche.

Unter Reaktanden werden die an der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle teilnehmenden Stoffe verstanden. Dabei handelt es sich um einen Brennstoff, z. B. H₂, der bei der Reaktion oxidiert wird, und um ein Oxidationsmittel, beispielsweise O₂ oder ein O₂-haltiges Gas, z. B. Luft, das bei der Reaktion reduziert wird.

Unter Ports werden Durchbrüche auf den Elektrodenplatten verstanden, die beim übereinander Stapeln der Elektrodenplatten Röhren bilden und zum Zu- und Abführen von Reaktanden und/oder Kühlmitteln im Brennstoffzellenstapel bzw. in den Brennstoffzellen dienen. Unter Ports werden im Rahmen dieser Erfindung auch seitliche Öffnungen in einer Brennstoffzelle zum Zwecke der Zu- oder Abführung der Reaktanden und/oder des Kühlmittels verstanden, sog. Einlaß- oder Auslaß-Schlitze.

Der Bereich für die Befeuchtung eines eintretenden trockenen oder teilbefeuchteten Reaktandenstroms wird im folgenden kurz Befeuchtungsbereich genannt. In diesem Befeuchtungsbereich kann neben Wasser auch Wärme ausgetauscht werden, so daß dort insgesamt eine Konditionierung des eintretenden Reaktandenstroms stattfinden kann. Der Befeuchtungsbereich ist damit wenigstens teilweise auch ein Konditionierungsbereich. Der Befeuchtungsbereich ist auf der Elektrodenplatte integriert, d. h. daß er auf der Elektrodenplatte angeordnet ist und mit dieser, zusammen mit den Ports, Kanälen und Verteilungsbereichen, eine Einheit bildet.

Der Befeuchtungsbereich der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte kann z. B. durch wenigstens eine Vertiefung oder Mulde gebildet werden oder durch wenigstens eine Noppen- oder Kanalstruktur, wobei auch Kombinationen daraus in Frage kommen. Vorzugsweise wird jedoch der Befeuchtungsbereich der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte von wenigstens einer Kanalstruktur auf der Elektrodenplatte gebildet.

Unter einer Kanalstruktur wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Struktur aus einem oder mehreren Kanälen verstanden, die zwei oder mehrere Ports einer Elektrodenplatte leitungsmäßig verbinden. Die Kanäle können dabei parallel angeordnet sein und einen oder mehrere Umlenkungen aufweisen, wodurch z. B. mäander- oder serpentinenförmige Kanalstrukturen entstehen.

Unter einem Kanal wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vertiefung verstanden, die Ports einer Elektrodenplatte leitungsmäßig verbindet und in dem ein Fluid von einem Port zu einem anderen Port strömen kann. Der Kanal gibt den Weg vor, den das Fluid bzw. die Strömung im wesentlichen nehmen muß, um vom Kanaleingang zum Kanalausgang zu gelangen. Insofern ist ein Kanal ein Mittel zur Vorgabe einer gewünschten Strömungsgeometrie. Die Kanäle können in ihrem Verlauf einen gleich bleibenden Querschnitt aufweisen, d. h. Tiefe und/oder Breite können entlang dem Kanal konstant sein; der Querschnitt kann sich aber auch entlang eines Kanals ändern, z. B. indem sich Tiefe und/oder Breite des Kanals ändern. Sind zwei oder mehr Kanäle vorhanden, so können diese gleiche oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Durch die Wahl einer Kanalgeometrie kann ein Kanal auf bestimmte Anforderungen angepaßt werden. Die Kanäle können auf einer Elektrodenplatten beispielsweise durch Prägen oder Fräsen erzeugt werden.

Wird der Befeuchtungsbereich durch eine oder mehrere Noppenstrukturen gebildet, so werden die Vertiefungen um die Noppen herum als Kanäle im Sinne der vorliegenden Erfindung betrachtet.

Die wenigstens eine Kanalstruktur der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte grenzt vorzugsweise an wenigstens einen, auf derselben Elektrodenplatte angeordneten Verteilungsbereich an und ist mit diesem leitungsmäßig, d. h. über kommunizierende Röhren, verbunden. Unter kommunizierenden Röhren werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Ports, Verbindungskanälen und Kanäle, z. B. der Verteilungsbereiche, verstanden. Die wenigstens eine Kanalstruktur der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte ist dabei vorzugsweise dem wenigstens einen Verteilungsbereich strömungsmäßig vorgeschaltet, d. h. strömungsaufwärts angeordnet.

Wird der Befeuchtungsbereich von einer Kanalstruktur gebildet, so muß diese von der Kanalstruktur des Verteilungsbereichs unterschieden werden. Die Kanalstrukuren der beiden Bereiche sind nicht identisch. Der Befeuchtungsbereich kann aber, wie erwähnt, auch durch eine Vertiefung oder Mulde oder eine Noppenstruktur auf der Elektrodenplatte gebildet werden, wobei auch Kombinationen in Frage kommen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte ist die wenigstens eine Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs dem wenigstens einen Verteilungsbereich strömungsmäßig sowohl vorgeschaltet, als auch nachgeschaltet, so daß die Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs sowohl mit der Eingangsseite, als auch mit der Ausgangsseite des wenigstens einen Verteilungsbereichs leitungsmäßig verbunden ist und mit diesem kommuniziert. Das hat den Vorteil, daß der austretende und der eintretende Reaktandenstrom Teile desselben Reaktandenstroms sind. Dadurch kann z. B. vermieden werden, daß Bestandteile eines Reaktandenstroms unerwünschter Weise in einen anderen Reaktandenstrom gelangen, wie es beispielsweise möglich wäre, wenn ein eintretender H₂-Strom mit einem austretenden Luft-Strom befeuchtet werden würde. Durch Diffusion von H₂ in den Luftstrom könnten sich dabei unter ungünstigen Umständen gefährliche Knallgasgemische bilden; zumindest würde sich aber der Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle erniedrigen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte ist die wenigstens eine Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs mit einer wasserdurchlässigen Membran, insbesondere einer wasserdampfdurchlässigen Membran, abgedeckt. Die Abdeckung durch die Membran ist derart, daß sie annähernd dicht ist, d. h. daß Stoffe sie durchwandern müssen, um senkrecht zur Strömungsrichtung von einer Seite der Membran zur anderen zu gelangen und daß es enkrecht zur Strömungsrichtung im wesentlichen keinen anderen Weg von der einen Seite der Membran zur anderen Seite gibt.

Dabei ist es bevorzugt, wenn der Raum im Bereich der Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs unter der wasserdurchlässigen Membran über wenigstens einen Verteilungsbereich mit dem Raum im Bereich der Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs über der Membran leitungsmäßig verbunden ist. D. h. daß Stoffe nicht nur durch Diffusion durch die Membran hindurch von einer Seite der Membran zur anderen Seite gelangen können, sondern auch den Weg über Ports und Kanäle nehmen können. Vorzugsweise kann im wesentlichen nur Wasser oder Wasserdampf direkt durch die Membran hindurch diffundieren, während alle anderen Stoffe den Weg über Ports und Kanäle nehmen müssen.

Es ist weiter bevorzugt, wenn Ports, Verteilungsbereiche, Kanalstrukturen des Befeuchtungsbereichs und wasserdurchlässige Membranen so angeordnet sind, daß ein eintretender Reaktandenstrom im Bereich der wenigstens einen Kanalstruktur des Befeuchtungsbereichs auf der einen Seite der wasserdurchlässigen Membran vorbeiströmt und nach Passage von Ports und Verteilungsbereichen als austretender Reaktandenstrom auf der anderen Seite, so daß Wasser von einem austretenden Reaktandenstrom auf einen strömungsaufwärts eintretenden Reaktandenstrom übertragen werden kann.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine PEM-Brennstoffzelle mit wenigstens einem integrierten Befeuchtungsbereich sowie einer MEA, die zwischen zwei Elektrodenplatten angeordnet ist, wobei die Elektrodenplatten Verteilungsbereiche zur Verteilung der Reaktanden an die MEA, Ports zur Zuführung der Reaktanden und Ports zur Abführung der Reaktanden aufweisen. Erfindungsgemäß wird der wenigstens eine integrierte Befeuchtungsbereich von den Elektrodenplatten gebildet.

Vorzugsweise wird der wenigstens eine Befeuchtungsbereich von Kanalstrukturen auf den Elektrodenplatten gebildet. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die Elektrodenplatten unversetzt so übereinander angeordnet sind, daß die Kanalstrukturen des Befeuchtungsbereichs auf den Elektrodenplatten im wesentlichen zur Deckung kommen.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle zwischen den Kanalstrukturen, die wenigstens einen Befeuchtungsbereich bilden, eine wasserdurchlässige Membran angeordnet, welche die Kanalstrukturen leitungsmäßig verbindet. Dabei ist es von Vorteil, wenn die wasserdurchlässige Membran die PEM ist.

Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn die wasserdurchlässige Membran aus einem anderen Material als die PEM besteht. Dabei haben sich insbesondere Polyimide und Polyester als geeignet erwiesen. Als besonders geeignet haben sich Polyester der Firma Sympatex erwiesen.

Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die wasserdurchlässige Membran an die PEM angrenzt und noch weiter bevorzugt ist es, wenn die wasserdurchlässige Membran wenigstens teilweise mit der PEM überlappt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle grenzt der wenigstens eine Befeuchtungsbereich an eine MEA an und ist mit dieser leitungsmäßig verbunden. Dabei ist der wenigstens eine Befeuchtungsbereich der MEA vorzugsweise strömungsmäßig vorgeschaltet.

Weiter bevorzugt ist es, wenn Oberseite und Unterseite der wasserdurchlässigen Membran über Ports und Verteilungsbereiche leitungsmäßig miteinander verbunden sind, so daß eintretende Reaktandenströme auf der einen Seite der wasserdurchlässigen Membran vorbeiströmen und austretende Reaktandenströme auf der anderen Seite.

Noch weiter bevorzugt ist es, wenn Ports und Verteilungsbereiche so angeordnet sind, daß eintretende und austretende Reaktandenströme in entgegengesetzter Richtung an der wasserdurchlässigen Membran vorbeiströmen. Dadurch kann Wasser und ggf. Wärme effektiver übertragen werden, als dies beispielsweise bei einer parallelen Strömung von eintretenden und austretenden Reaktandenströmen möglich ist.

Ein dritter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein PEM- Brennstoffzellenstapel, der die vorstehend beschriebenen PEM- Brennstoffzellen aufweist.

Ein vierter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Befeuchtung von Reaktandenströmen für PEM- Brennstoffzellen, bei dem Reaktanden nach Eintritt in die Brennstoffzelle und vor Eintritt in einen Verteilungsbereich befeuchtet werden. Dabei werden eintretende Reaktandenströme in wenigstens einem, einer MEA strömungsmäßig vorgeschalteten Befeuchtungsbereich befeuchtet.

Bevorzugt wird dabei zur Befeuchtung der eintretenden Reaktandenströme wenigstens teilweise, vorzugsweise ausschließlich das in den austretenden Reaktandenströmen enthaltene Wasser eingesetzt, wodurch die austretenden Reaktandenströme entfeuchtet werden.

Vorzugsweise gehen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die eintretenden Reaktandenströme strömungsabwärts in die austretenden Reaktandenströme über, so daß Wasser von den austretenden Reaktandenströmen auf die eintretenden Reaktandenströme derselben Ströme übertragen wird.

Insbesondere wird dabei außer Wasser auch Wärme von den eintretenden Reaktandenströmen auf die austretenden Reaktandenströme desselben Stromes übertragen. Dadurch wird das bei der elektrochemischen Reaktion entstehende Wasser für die Befeuchtung eintretender Reaktandenströme verwendet, so daß auf gesonderte Vorrichtungen zum Speichern von Wasser, das für die Befeuchtung benötigt wird, verzichtet werden kann.

Ein fünfter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Befeuchten einer PEM einer PEM-Brennstoffzelle, bei dem die PEM wenigstens teilweise durch das in den Reaktandenströmen enthaltene Wasser befeuchtet wird. Dabei werden die eintretenden Reaktandenströme gemäß dem vorstehend offenbarten Verfahren befeuchtet.

Dabei ist es bevorzugt, wenn das in einem austretenden Reaktandenstrom enthaltene Wasser wenigstens teilweise von einer wasserdurchlässigen Membran aufgenommen wird und von dieser auf die PEM übertragen wird. Das im austretenden Luftstrom enthaltene Wasser diffundiert dabei auf oder in der wasserdurchlässigen Membran zur PEM und befeuchtet diese. Dabei ist es auch möglich, daß das in einem austretenden Reaktandenstrom enthaltene Wasser wenigstens teilweise an der wasserdurchlässigen Membran auskondensiert. Durch diesen zusätzlichen Befeuchtungsmechanismus kann der Befeuchtungsbereich und damit die gesamte Elektrodenplatte oder Brennstoffzelle weiter verkleinert werden.

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

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

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Durchführung der Befeuchtung von eintretenden Reaktandenströmen und der PEM auf einfache und wirkungsvolle Weise in einer PEM-Brennstoffzelle. Dadurch kann sowohl das Volumen als auch das Gewicht eines Brennstoffzellenstapels, der die erfindungsgemäße Elektrodenplatte oder die erfindungsgemäße Brennstoffzelle enthält, reduziert werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß für die Erwärmung der eintretenden trockenen oder teilbefeuchteten Reaktandenströme sowie zum Abkühlen der austretenden Reaktandenströme oder zur Wiedergewinnung von Wasser aus diesen keine gesonderten Bauteile, d. h. keine separaten Komponenten eines Brennstoffzellensystems, benötigt werden. Alle Komponenten (Bauteile) eines Brennstoffzellensystems müssen nämlich so miteinander verbunden werden, daß sie ein geschlossenes System bilden. Alle Verbindungsstellen zwischen den Komponenten müssen daher abgedichtet werden. Solche Dichtungen stellen aber im allgemeinen Schwachstellen dar, die für Undichtigkeiten anfällig sind. Mit der vorliegenden Erfindung kann dagegen die Anzahl der System- Komponenten und damit die Anzahl bzw. die Fläche potentiell störungsanfälliger Dichtungen reduziert werden.

Mit der Reduktion der Systemkomponenten ist auch eine vorteilhafte Verminderung des Gesamtweges der Reaktandenströme durch das Brennstoffzellen-System verbunden. Dadurch kann der Druckverlust und die für den Transport der Reaktandenströme aufzubringende Leistung verringert werden, so daß insgesamt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems ansteigt.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch eine, im Vergleich zum Stand der Technik, homogenere Temperaturverteilung im Befeuchtungsbereich bei höheren Temperaturen. Herkömmliche Befeuchtereinheiten weisen nämlich in ihrer der Brennstoffzelle zugewandten Seite höhere Temperaturen auf, als in ihrer der Brennstoffzelle abgewandten Seite. Dadurch kommt es zu einer sehr inhomogenen Temperaturverteilung in der Befeuchtereinheit, was sich ungünstig auf den Wasseraustausch zwischen eintretenden und austretenden Reaktandenströmen auswirkt.

Ferner kann der Gesamtdruckverlust eines Brennstoffzellensystems reduziert werden, weil die Reaktandenströme weniger System-Komponenten durchströmen müssen und es weniger Verbindungsstellen zwischen System-Komponenten gibt, die abgedichtet werden müssen und die potentiell anfällig für unerwünschte Undichtigkeiten sind.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß Anodenreaktandenstrom mit Anodenreaktandenstrom und Kathodenreaktandenstrom mit Kathodenreaktandenstrom befeuchtet werden kann. Dadurch kann verhindert werden, daß H₂ - ein üblicher Anodenreaktand - durch die Befeuchtungsmembran in den Kathodenreaktandenstrom eindiffundiert, wie es bei Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik möglich ist. Ein solches Eindiffundieren von Anodenreaktand in den Kathodenreaktandenstrom führt zu einem verminderten Wirkungsgrad und kann unter ungünstigen Umständen zu einer Explosion führen.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 den Stand der Technik, nämlich eine Kombination aus einem Brennstoffzellenstapel und einem Befeuchtungsmodul;
Fig. 2 (a) eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte mit integriertem Befeuchtungsbereich; (b) eine Ansicht einer erfindungsgemäße Brennstoffzelle entlang der Linie A-A (vgl. (a));
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte mit einer möglichen Führung eines Reaktandenstroms;
Fig. 4 zwei erfindungsgemäße Elektrodenplatten für Niederdruck-Brennstoffzellen;
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte für Niederdruck-Brennstoffzellen mit alternativer Führung eines Reaktandenstroms;
Fig. 6 (a) eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte, bei der die Befeuchtungsmembran direkt an die MEA angrenzt; (b) eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte, bei der die Befeuchtungsmembran teilweise mit der MEA überlappt;
Fig. 7 (a) eine Elektrodenplatte des Standes der Technik, d. h. ohne Befeuchtungsbereich und (b) den dazugehörigen Temperaturverlauf der Kathodenluft; (c) eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte mit Befeuchtungsbereich und (d) den dazugehörigen Temperaturverlauf der Kathodenluft.
Als Reaktand sei im Nachfolgenden stets Luft als Oxidationsmittel angenommenen. Bei allen nachstehenden Erläuterungen hinsichtlich der Reaktandenströme wird davon ausgegangen, daß die dargestellten Elektrodenplatten in Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapel eingebaut sind, wobei der Übersichtlichkeit halber nicht alle Bauteile der Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapel dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt den Stand der Technik, nämlich die Kombination aus einem Befeuchtungsmodul (3) mit einem Brennstoffzellenstapel (1), die in einem Gehäuse angeordnet sind. Der Verlauf des Luftstroms ist durch Pfeile dargestellt. Die Luft tritt über den Einlaß (5) in das Befeuchtungsmodul (3) ein, durchströmt dieses, wobei Wasser und ggf. Wärme aufgenommen werden, strömt dann weiter über das Interface (2) in den Brennstoffzellenstapel (1), wo sie auf die einzelnen Brennstoffzellen verteilt wird und teilweise oder ganz abreagiert und dabei mit Wasser und Wärme angereichert wird. Danach wird sie erneut durch das Interface (2) geleitet und tritt in das Befeuchtungsmodul (3) ein, wo sie durch Befeuchtungsmembranen (4) hindurch Wasser und ggf. Wärme an den eintretenden Luftstrom abgibt (durch gebogene Pfeile dargestellt), bevor sie schließlich über den Auslaß (6) aus dem Befeuchtungsmodul (3) austritt.
Der Brennstoffzellenstapel (1) gibt über das Interface (2) Wärme an das Befeuchtungs-Modul (3) ab, allerdings nur an eine Seite des Befeuchtungs-Moduls, nämlich an die linke Seite. Die Folge davon ist, daß das Befeuchtungsmodul (3) auf der linken Seite eine höhere Temperatur aufweist als auf der rechten Seite. Dieser ungünstige Temperaturverlauf hat, wie bereits im Zusammenhang mit der US-PS 5,382,478 erläutert, eine ineffektive Befeuchtung der Reaktanden zur Folge.
In Fig. 2a ist eine erfindungsgemäße Kathodenplatte (21) mit integriertem Befeuchtungsbereich (8) dargestellt. Die Kanalstrukturen des Befeuchtungsbereichs (8) und des Verteilungsbereichs (14) sowie die Verbindungskanäle sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Kathodenplatte weist sechs Durchbrüche auf, die als Ports vorgesehen sind (7, 9, 11, 12, 18, 19). Sie weist ferner den Befeuchtungsbereich (8) auf, in dem der eintretende Luftstrom durch Kanäle von Port (7) zu Port (9) geführt wird. Die Kanäle des Befeuchtungsbereichs (8) und des Verteilungsbereichs (14) sind wie erwähnt nicht dargestellt; durch Pfeile dargestellt ist lediglich der schematische Verlauf des Luftstroms in beiden Bereichen. Der Kathodenplatte (21) wird Luft über Port (7) zugeführt, die dann über einen Verbindungskanal zum Befeuchtungsbereich (8) geführt wird, der von einer Befeuchtungsmembran (4) bedeckt ist. Die Luft strömt auf der Unterseite der Befeuchtungsmembran (4) durch den Befeuchtungsbereich (8). Dort nimmt sie Wasser und ggf. Wärme auf und gelangt über einen Verbindungskanal zu Port (9). Von dort aus strömt die Luft durch einen Verteilungsbereich (14) der in einer Brennstoffzelle über der elektrochemisch aktiven Fläche angeordnet ist. (18) und (19) sind Ports zur Zu- bzw. Abfuhr von Brennstoff, z. B. H₂.
Port (9) ist nicht unbedingt nötig, um den Verlauf der Strömung zu realisieren, er kann aber von Vorteil sein, wenn ein Brennstoffzellenstapel realisiert wird. Der Vorteil kann darin bestehen, daß durch die Verbindung der einzelnen Brennstoffzellen eine gleichmäßigere Verteilung der Luft erzielt wird. Wird die Elektrodenplatte ohne Port (9) ausgeführt, so strömt die befeuchtete und ggf. erwärmte Luft vom Befeuchtungsbereich (8) direkt über einen Verbindungskanal in den Verteilungsbereich (14) bzw. über die elektrochemisch aktiven Fläche der Brennstoffzelle.
Beim Durchströmen des Verteilungsbereichs (14) reagiert der Sauerstoff der Luft an der elektrochemisch aktiven Fläche der Brennstoffzelle teilweise oder ganz ab, wobei Wasser entsteht. Nach Passage des Verteilungsbereichs (14) wird die Luft zum Port (11) geführt, von wo sie von der Kathodenplatte (21) zur Anodenplatte (20, vgl. Fig. 2b) übergeleitet wird. Die Anodenplatte (20) ist spiegelbildlich zur Kathodenplatte (21) aufgebaut. Von Port (11) aus strömt die Luft wieder durch den Befeuchtungsbereich (8), diesmal auf der Oberseite der Befeuchtungsmembran (4), in entgegengesetzter Richtung wie zuvor (nicht dargestellt), wobei sie Wasser und ggf. Wärme abgibt, und gelangt zu Port (12) von wo aus sie als Abgas abgeführt wird.
Fig. 2b zeigt eine Brennstoffzelle mit Kathodenplatte (21), Anodenplatte (20) und dazwischen liegender MEA (16). Ferner ist die Befeuchtungsmembran (4) zu erkennen, sowie der Bereich (15) in dem der Brennstoff, z. B. H₂, in Kontakt mit der MEA (16) tritt. Der Befeuchtungsbereich (8), hier durch die gestrichelte Ellipse markiert, besteht aus einer oberen und einer unteren Kanalstruktur und der dazwischenliegenden Befeuchtungsmembran (4). (18) und (19) sind Ports zur Zu- bzw. Abfuhr von Brennstoff, z. B. H₂, (17) ist eine Kühleinrichtung. Der Verlauf der Luft-Strömung ist: Eintritt in die Brennstoffzelle durch Port (7) → (8) → (9) → (14) → (11) → (8) → Austritt aus der Brennstoffzelle durch Port (12).
In Fig. 3 ist ein Beispiel einer vorteilhaften Führung einer Luftströmung (vgl. Pfeile) dargestellt. Verbindungskanäle werden im folgenden, mit Ausnahme von Verbindungskanal (22), nicht mehr erwähnt. Die Luft tritt über Port (7) ein, strömt durch den Befeuchtungsbereich (8) zu Port (9) und wird dabei mit Wasser und ggf. Wärme angereichert. Von dort aus, strömt sie durch einen Verteilungsbereich (14) über einen elektrochemisch aktiven Bereich zu dem diagonal gegenüber liegenden Port (11). Der Port (11) ist über einen Verbindungskanal (22) mit Port (11a) verbunden. Der Verbindungskanal (22) kann entweder auf oder außerhalb der Elektrodenplatte verlaufen. Vom Port (11a) gelangt die Luft wieder zum Befeuchtungsbereich (8), durchströmt diesen nun in entgegengesetzter Richtung und auf der anderen Seite der Befeuchtungsmembran (4) wie zuvor und wird dabei mit Wasser und ggf. Wärme abgereichert. (18) und (19) sind Ports zur Zu- bzw. Abfuhr von Brennstoff, z. B. H₂. Randbedingung bei der Gestaltung von Flowfields ist, daß in allen Kanälen ein im wesentlichen gleicher Druckabfall stattfindet, was u. a. dadurch erreicht werden kann, daß alle Kanäle in etwa gleich lang ausgeführt werden. Wählt man, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, Einlaß- (9) und Auslaß-Ports (11) diagonal gegenüberliegend auf der Elektrodenplatte, so kann diese Randbedingung in sehr einfacher Art und Weise erfüllt werden. Zusätzlich erlaubt diese Anordnung der Ports größere Freiheiten bei der Wahl der Lage der Ports auf der Elektrodenplatte.
Fig. 4a zeigt ein Beispiel einer vorteilhaften Führung einer Luftströmung für Anwendungen bei niedrigem Druck, z. B. bei etwa 1 bis 2 bara. Die Luftströmung wird durch Pfeile verdeutlicht. Bei niedrigem Druck müßten die Ports sehr groß ausgelegt werden, was nachteilhaft ist, da ein großer Teil der Elektrodenfläche den Ports geopfert werden müßte. Dies wirkte dem Bestreben nach einer möglichst kompakten Bauweise entgegen. Fig. 4 zeigt, wie die Luft bei niedrigem Druck zugeführt werden kann, ohne daß zuviel Platz verbraucht wird, nämlich über große seitliche (Luft-)Schlitze (23). Die Luft wird über Einlaß-Schlitz (23) zugeführt, strömt durch die Unterseite des Befeuchtungsbereichs (8) zu Port (9) und wird dabei befeuchtet und ggf. erwärmt. Vom Port (9) strömt die Luft durch den Verteilungsbereich (14) über die elektrochemisch aktive Fläche einer Brennstoffzelle, wird dabei mit Wasser und ggf. Wärme angereichert, strömt dann über Port (11) erneut durch den Befeuchtungsbereich (8), allerdings über die Oberseite der Befeuchtungsmembran (4), und gibt dabei durch die Befeuchtungsmembran (4) hindurch Wasser und ggf. Wärme an den eintretenden Luftstrom ab. Der Luftstrom tritt schließlich über Auslaß- Luftschlitz (24) aus. (18) und (19) sind Ports zur Zu- bzw. Abfuhr von Brennstoff, z. B. H₂.
Fig. 4b zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Ports (9) und (11) annähernd parallel zu den Einlaß- bzw. Auslaß-Schlitzen (23, 24) angeordnet sind. Dadurch können die Kanäle, die den Einlaß-Schlitz (23) mit Port (9) verbinden, bzw. Port (11) mit dem Auslaß-Schlitz (24), gleich lang ausgeführt werden. (18) und (19) sind Ports zur Zu- bzw. Abfuhr von Brennstoff, z. B. H₂.
Eine weitere alternative Ausführungsform zeigt Fig. 5. Die Luftströmung wird durch Pfeile verdeutlicht. Die Luft tritt über Einlaß-Schlitz (23) ein, durchströmt den Befeuchtungsbereich (8) auf der Unterseite der Befeuchtungsmembran (4), wird durch den Verteilungsbereich (14) hindurch über die elektrochemisch aktive Fläche einer Brennstoffzelle zu Auslaß-Schlitz (24) geführt und dann über einen Verbindungskanal (22), der entweder auf oder außerhalb der Elektrodenplatte verlaufen kann, zu Port (11a). Dort wird die mit Wasser und ggf. Wärme angereicherte Luft, anders als vorstehend beschrieben, senkrecht zum eintretenden Luftstrom geleitet, und zwar auf der Oberseite der Befeuchtungsmembran (4), wobei sie Wasser und ggf. Wärme durch die Befeuchtungsmembran (4) hindurch an den eintretenden Luftstrom abgibt. Die Luft tritt schließlich über Port (12) aus. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht in ihrer besonderen Einfachheit, die eine kompakte Bauweise ermöglicht: Annähernd parallele, gleich lange Kanäle und im wesentlichen rechte Winkel.
Bei den bisher erläuterten Figuren wird die MEA, bzw. deren PEM, indirekt befeuchtet, indem eintretende Reaktandenströme mit gasförmigem Wasser angereichert werden. In Fig. 6a ist dargestellt, wie die PEM direkt, z. B. mit flüssigem Wasser, befeuchtet werden kann. Eine Befeuchtungsmembran (4) deckt die Kanalstrukur des Befeuchtungsbereichs (8) so ab, daß sie mit der angrenzenden MEA (16), insbesondere mit der PEM der MEA (16), Kontakt hat. Dabei sind Befeuchtungsmembran (4) und MEA (16) so miteinander verbunden, daß Leckströme größtenteils ausgeschlossen sind. Das im austretenden Luftstrom enthaltene Wasser kann so von der Befeuchtungsmembran (4) zur MEA (16) diffundieren und diese befeuchten. Durch diesen zusätzlichen Befeuchtungsmechanismus kann der Befeuchtungsbereich, und damit die gesamte Elektrodenplatte und folglich auch eine Brennstoffzelle, weiter verkleinert werden.
In Fig. 6b ist die Befeuchtungsmembran (4) so geformt, daß eine Vielzahl von Laschen (10) (in der Figur wird stellvertretend für alle Laschen beispielhaft auf nur 2 Laschen hingewiesen) mit der MEA (16), insbesondere der PEM der MEA (16), überlappen. Dadurch wird die direkte Befeuchtung durch eindiffundierendes Wasser noch besser unterstützt.
Fig. 7a zeigt eine Elektrodenplatte des Standes der Technik, d. h. ohne Befeuchtungsbereich (8). Die Luftströmung ist anhand von durchgezogenen Pfeilen verdeutlicht, die Strömung eines Kühlmediums anhand von gestrichelten Pfeilen. Die Luft tritt über Port (9) ein, wird durch den Verteilungsbereich (14) über die elektrochemisch aktive Fläche einer Brennstoffzelle geleitet und tritt schließlich wieder über Port (12) aus. In Fig. 7b (daneben) ist der Temperaturverlauf gezeigt, der sich dabei entlang des Verteilungsbereichs (14), bzw. entlang der elektrochemisch aktiven Fläche ergibt. T ist die Temperatur, T_ein die Temperatur der Luft beim Eintritt über Port (9), T_aus die Temperatur der Luft beim Austritt über Port (12). Man erkennt, daß sich ein Temperaturgradient (13) einstellt, was sich nachteilhaft auf die Befeuchtung der MEA (16), bzw. deren PEM, und die Aktivität des elektrochemisch aktiven Bereichs und damit insgesamt auf den Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle auswirkt.
Demgegenüber zeigt die erfindungsgemäße Fig. 7c - sie entspricht im wesentlichen Fig. 3 - wie sich der auf die Elektrodenplatte integrierte Befeuchtungsbereich (8) vorteilhaft auf den Temperaturverlauf (Fig. 7d) auswirkt. T_ein ist die Temperatur der Luft beim Eintritt in den Befeuchtungsbereich (8) über Port (7), T_{Verteiler,ein} ist die Temperatur der Luft beim Eintritt in den Verteilungsbereich (14) über Port (9) (Eintritt in den elektrochemisch aktiven Bereich). Der steilste Teil des Temperaturgradienten (13) befindet sich im Bereich des Befeuchtungsbereichs (8), während im Bereich des Verteilungsbereichs (14) (über der elektrochemisch aktiven Fläche) ein verhältnismäßig flacher Teil des Temperaturgradienten (13) vorliegt. Die homogenere Temperaturverteilung wirkt sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle aus. Bezugszeichenliste 1 Brennstoffzellenstapel
2 Interface
3 Befeuchtungsmodul
4 Befeuchtungsmembran
5 Luft-Einlaß
6 Luft-Auslaß
7 Einlaß-Port für Luft
8 Befeuchungsbereich
9 Einlaß-Port für Luft
10 Befeuchtungsmembran-Laschen
11 Auslaß-Port für Luft
11a Auslaß-Port für Luft
12 Auslaß-Port für Luft
13 Temperaturgradient
14 Verteilungsbereich für Luft
15 Verteilungsbereich für Brennstoff
16 MEA
17 Kühleinrichtung
18 Einlaß-Port für Brennstoff
19 Auslaß-Port für Brennstoff
20 Anodenplatte
21 Kathodenplatte
22 Verbindungskanal
23 Einlaß-Schlitz für Luft
24 Auslaß-Schlitz für Luft

Claims

1. Elektrodenplatte für eine PEM-Brennstoffzelle mit Verteilungsbereichen zur Verteilung von Reaktanden, Ports zur Zuführung von Reaktanden und Ports zur Abführung von Reaktanden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatte wenigstens einen Bereich für die Befeuchtung eines eintretenden trockenen oder teilbefeuchteten Reaktandenstroms aufweist.

2. Elektrodenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Befeuchtungsbereich von wenigstens einer Kanalstruktur auf der Elektrodenplatte gebildet wird.

3. Elektrodenplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Kanalstruktur an wenigstens einen, auf derselben Elektrodenplatte angeordneten Verteilungsbereich angrenzt und mit diesem leitungsmäßig verbunden ist.

4. Elektrodenplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Kanalstruktur dem wenigstens einen Verteilungsbereich strömungsmäßig vorgeschaltet ist.

5. Elektrodenplatte nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Kanalstruktur dem wenigstens einen Verteilungsbereich strömungsmäßig sowohl vorgeschaltet, als auch nachgeschaltet ist, so daß die Kanalstruktur sowohl mit der Eingangsseite, als auch mit der Ausgangsseite des wenigstens einen Verteilungsbereichs leitungsmäßig verbunden ist.

6. Elektrodenplatte nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Kanalstruktur mit einer wasserdurchlässigen Membran abgedeckt ist.

7. Elektrodenplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß, daß der Raum im Bereich der Kanalstruktur unter der wasserdurchlässigen Membran über wenigstens einen Verteilungsbereich mit dem Raum im Bereich der Kanalstruktur über der wasserdurchlässigen Membran leitungsmäßig verbunden ist.

8. Elektrodenplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Ports, Verteilungsbereiche, Kanalstrukturen und wasserdurchlässige Membranen so angeordnet sind, daß ein eintretender Reaktandenstrom im Bereich der wenigstens einen Kanalstruktur auf der einen Seite der wasserdurchlässigen Membran vorbeiströmt und nach Passage von Ports und Verteilungsbereichen als austretender Reaktandenstrom auf der anderen Seite, so daß Feuchtigkeit von einem austretenden Reaktandenstrom auf einen strömungsaufwärts eintretenden Reaktandenstrom übertragen werden kann.

9. PEM-Brennstoffzelle mit wenigstens einem integrierten Befeuchtungsbereich sowie einer MEA, die zwischen zwei Elektrodenplatten angeordnet ist, wobei die Elektrodenplatten Verteilungsbereiche zur Verteilung der Reaktanden an die MEA, Ports zur Zuführung der Reaktanden und Ports zur Abführung der Reaktanden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine integrierte Befeuchtungsbereich von den Elektrodenplatten gebildet wird.

10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Befeuchtungsbereich von Kanalstrukturen auf den Elektrodenplatten gebildet wird.

11. Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatten vorzugsweise unversetzt so übereinander angeordnet sind, daß die Kanalstrukturen auf den Elektrodenplatten zur Deckung kommen.

12. Brennstoffzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kanalstrukturen, die wenigstens einen Befeuchtungsbereich bilden, eine wasserdurchlässige Membran angeordnet ist, welche die Kanalstrukturen leitungsmäßig verbindet.

13. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserdurchlässige Membran die PEM ist.

14. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserdurchlässige Membran aus einem anderen Material als die PEM besteht, bevorzugt aus Polyimiden oder Polyestern oder Mischungen daraus.

15. Brennstoffzelle nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserdurchlässige Membran an die PEM angrenzt.

16. Brennstoffzelle nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserdurchlässige Membran wenigstens teilweise mit der PEM überlappt.

17. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Befeuchtungsbereich an eine MEA angrenzt und mit dieser leitungsmäßig verbunden ist.

18. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Befeuchtungsbereich einer MEA strömungsmäßig vorgeschaltet ist.

19. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Oberseite und Unterseite der wasserdurchlässigen Membran über Ports und Verteilungsbereiche leitungsmäßig miteinander verbunden sind, so daß eintretende Reaktandenströme auf der einen Seite der wasserdurchlässigen Membran vorbeiströmen und austretende Reaktandenströme auf der anderen Seite.

20. Brennstoffzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß Ports und Verteilungsbereiche so angeordnet sind, daß eintretende und austretende Reaktandenströme in entgegengesetzter Richtung an der wasserdurchlässigen Membran vorbeiströmen.

21. PEM-Brennstoffzellenstapel, der PEM-Brennstoffzellen nach einem der Ansprüche 9 bis 20 aufweist.

22. Verfahren zur Befeuchtung von Reaktandenströmen für PEM- Brennstoffzellen, bei dem Reaktanden nach Eintritt in die Brennstoffzelle und vor Eintritt in einen Verteilungsbereich befeuchtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eintretende Reaktandenströme in wenigstens einem, einer MEA strömungsmäßig vorgeschalteten Befeuchtungsbereich befeuchtet werden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befeuchtung der eintretenden Reaktandenströme wenigstens teilweise, bevorzugt ausschließlich das in austretenden Reaktandenströmen enthaltene Wasser eingesetzt wird, wodurch die austretenden Reaktandenströme entfeuchtet werden.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die eintretenden Reaktandenströme strömungsabwärts in die austretenden Reaktandenströme übergehen, so daß Wasser von den austretenden Reaktandenströmen auf die eintretenden Reaktandenströme derselben Ströme übertragen wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß außer Wasser auch Wärme von eintretenden Reaktandenströmen auf austretende Reaktandenströme desselben Stromes übertragen wird.

26. Verfahren zum Befeuchten einer PEM einer PEM- Brennstoffzelle, bei dem die PEM wenigstens teilweise durch das in den Reaktandenströmen enthaltene Wasser befeuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die eintretenden Reaktandenströme gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26 befeuchtet werden.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das in einem austretenden Reaktandenstrom enthaltene Wasser wenigstens teilweise von einer wasserdurchlässigen Membran aufgenommen wird und von dieser auf die PEM übertragen wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das von der wasserdurchlässigen Membran aufgenommene Wasser durch Diffusion auf oder in der wasserdurchlässigen Membran auf die PEM übertragen wird.

29. Verfahren zum Betreiben von PEM-Brennstoffzellen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

1. a.) Zuführen von Reaktandenströmen zu einer PEM- Brennstoffzelle;

2. b.) befeuchten von wenigstens einem der eintretenden Reaktandenströme in wenigstens einem integrierten Befeuchtungsbereich;

3. c.) führen der Reaktandenströme durch wenigstens einen Verteilungsbereich über eine MEA;

4. d.) entfeuchten des wenigstens einen Reaktandenstroms in dem wenigstens einen integrierten Befeuchtungsbereich;

5. e.) übertragen des bei der Entfeuchtung gewonnenen Wassers auf den eintretenden Reaktandenstrom;

6. f.) abführen der Reaktandenströme aus der PEM- Brennstoffzelle.