DE102015206423A1 - Membrane electrode unit with an electrically conductive element - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit (101), umfassend eine Membran (103), eine an einer ersten Membranseite (106) angeordnete Anode (102) und eine an einer zweiten Membranseite (107) angeordnete Kathode (104), wobei die Membran-Elektroden-Einheit (101) in Aufsicht auf ihre Flachseiten einen Reaktionsbereich (112), mindestens einen Austauschbereich (114), in welchem mindestens eine Einlassöffnung (1101) und mindestens eine Auslassöffnung (1141) zum Ein- und Ausleiten von Gas (1103) und Kühlmittelflüssigkeit (1102) ausgebildet sind, und mindestens einen zwischen Reaktionsbereich (112) und Austauschbereich (114) angeordneten Weiterleitungsbereich (111, 113) aufweist, wobei die Membran-Elektroden-Einheit (101) mindestens einen den Weiterleitungsbereich (111) und den Reaktionsbereich (112) einschließenden ersten Dichtungsbereich (1171) zum Dichten der Membran-Elektroden-Einheit gegen eine Bipolarplatte aufweist. Es ist vorgesehen, dass mindestens ein Element (1111) vorhanden ist, das eine von mindestens einem Parameter abhängige elektrische Leitfähigkeit zum Kurzschließen der Anode (102) mit der Kathode (104) aufweist und das innerhalb des ersten Dichtungsbereichs (1171) angeordnet ist.The invention relates to a membrane electrode assembly (101), comprising a membrane (103), an anode (102) arranged on a first membrane side (106) and a cathode (104) arranged on a second membrane side (107) Membrane electrode unit (101) in plan view of its flat sides a reaction region (112), at least one exchange region (114), in which at least one inlet opening (1101) and at least one outlet opening (1141) for introducing and discharging gas (1103 ) and coolant liquid (1102) are formed, and at least one between the reaction region (112) and exchange region (114) arranged forwarding region (111, 113), wherein the membrane electrode assembly (101) at least one of the relay region (111) and the Reaction region (112) enclosing the first sealing region (1171) for sealing the membrane-electrode assembly against a bipolar plate. It is contemplated that there is at least one element (1111) having electrical conductivity dependent on at least one parameter for shorting the anode (102) to the cathode (104) and disposed within the first sealing region (1171).

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit, die mindestens einen Austauschbereich, einen Weiterleitungsbereich und einen Reaktionsbereich umfasst, wobei mindestens eine Einlassöffnung und mindestens eine Auslassöffnung zum Ein- und Ausleiten von Gas und Kühlmittelflüssigkeit im Austauschbereich ausgebildet sind und die Membran-Elektroden-Einheit mindestens eine Membran und mindestens eine Kathode und mindestens eine Anode zum Katalysieren des Gases an der Kathode oder der Anode umfasst, wobei die Kathode an einer ersten Membranseite angeordnet ist und die Anode an einer zweiten Membranseite angeordnet ist und wobei die Membran-Elektroden-Einheit mindestens einen Dichtungsbereich umfasst. The invention relates to a membrane electrode assembly comprising at least one exchange region, a transfer region and a reaction region, wherein at least one inlet opening and at least one outlet opening for introducing and discharging gas and coolant liquid are formed in the exchange region and the membrane electrode assembly at least one membrane and at least one cathode and at least one anode for catalyzing the gas at the cathode or the anode, wherein the cathode is arranged on a first membrane side and the anode is arranged on a second membrane side and wherein the membrane-electrode assembly at least includes a sealing area.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer Ionen leitenden, insbesondere Protonen leitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^–). Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen e^– werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (1/2 O₂ + 2 e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H⁺ + O^2– → H₂O). Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and in each case an electrode arranged on both sides of the membrane (anode and cathode). During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H ₂ or a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where an electrochemical oxidation takes place with release of electrons (H ₂ → 2 H ⁺ + 2 e ^- ). Via the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons e ^- provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of the oxygen taking place of the electrons takes place (1/2 O ₂ + 2 e ^- → O ^2- ). At the same time, these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported through the membrane to form water (2 H ⁺ + O ^2- > H ₂ O).

In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist in einem Brennstoffzellenstapel jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits der Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten sowie andererseits der Abführung von Wärme dient. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked membrane electrode units whose electrical powers add up. A bipolar plate is arranged in each case between two membrane-electrode assemblies in a fuel cell stack, which serves on the one hand to supply the process gases to the anode or cathode of the adjacent membrane-electrode assemblies and on the other hand to dissipate heat.

Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) werden in Brennstoffzellen verbaut, die dem Antrieb von Fahrzeugen dienen. Damit sind sie den Witterungsbedingungen ausgesetzt, die diese Fahrzeuge erleiden. Tiefe Temperaturen, die unterhalb des Gefrierpunktes liegen, gefrieren Wasser und Produktwasser in Brennstoffzellen zu Eis. Dieses Eis verstopft unter anderem die Zu- und Abführungskanäle der Brennstoffzellenbetriebsgase. Diese Verstopfungen stören die Gaszufuhr und verhindern ein zuverlässiges Kaltstarten des Brennstoffzellenstapels. Darüber hinaus sind in einem Brennstoffzellenstapel Komponenten eingebaut beziehungsweise Werkstoffe verbaut, die teilweise Stoffe freisetzen. Deren Freisetzen resultiert aus einer Sensitivität der Komponenten beziehungsweise Werkstoffe für Wärme, Feuchtigkeit oder Wasserstoff. Diese Stoffe sind eine Verschmutzung beziehungsweise eine Verschmutzungsquelle für die MEA. Eine verschmutzte MEA leidet in ihrer Funktionalität oder nimmt Schaden. Somit bedrohen Verschmutzungen die Betriebssicherheit des Brennstoffzellenstapels. Daher werden Komponenten und Werkstoffe, die nicht zwingend Teil der MEA sind, üblicherweise außerhalb eines Dichtrings verbaut. Allerdings ist eine Kühlung außerhalb des Dichtrings limitiert oder sie steht nicht zur Verfügung. Der Dichtring dichtet die MEA entlang ihres Rahmen meist umlaufend. Membrane electrode assemblies (MEA) are installed in fuel cells that drive vehicles. Thus they are exposed to the weather conditions that these vehicles suffer. Low temperatures below freezing freeze water and product water in fuel cells to ice. This ice clogs, among other things, the supply and discharge channels of the fuel cell operating gases. These blockages interfere with the gas supply and prevent a reliable cold start of the fuel cell stack. In addition, components are built into a fuel cell stack or materials are used that partially release substances. Their release results from a sensitivity of the components or materials for heat, moisture or hydrogen. These substances are a pollution or pollution source for the MEA. A contaminated MEA suffers in its functionality or takes damage. Thus, contamination threatens the reliability of the fuel cell stack. Therefore, components and materials that are not necessarily part of the MEA are usually installed outside of a sealing ring. However, cooling outside the sealing ring is limited or not available. The sealing ring usually seals the MEA along its frame.

Wenn Eis die Flusskanäle der Anode verstopft und damit einen Brennstoffmangel an der Anode verursacht, kann dieses zur Umpolung einzelner Zellen eines Brennstoffzellenstapels führen. If ice clogs the flow channels of the anode and thus causes a lack of fuel at the anode, this can lead to the polarity reversal of individual cells of a fuel cell stack.

Die US 2010/0035090 A1 offenbart in 2, dass zwischen zwei Bipolarplatten ein nichtlineares Element zu platzieren ist, um eine MEA-Degradation zu reduzieren. Die Schrift schlägt dabei vor, als nichtlineares Element einen PTC-Widerstand oder einen MOSFET-Widerstand zu verwenden. Dabei sind diese, nach Absatz [0023], außerhalb der Bipolarplatte in den Brennstoffstapel zu integrieren. Alternativ ist das nicht lineare Element in anderen Brennstoffzellenstapelstrukturen zu platzieren. Das nichtlineare Element kann auch als Komponente innerhalb einer Bipolarplatte, einer Gasdichtung oder elektrischen Isolationseinrichtung oder als Teil einer leitenden Schicht oder anderer Stützstrukturen verbaut werden. The US 2010/0035090 A1 revealed in 2 in that a nonlinear element is to be placed between two bipolar plates in order to reduce MEA degradation. The script proposes to use as a nonlinear element a PTC resistor or a MOSFET resistor. These are, according to paragraph [0023], to be integrated outside the bipolar plate in the fuel stack. Alternatively, the non-linear element is to be placed in other fuel cell stack structures. The non-linear element may also be installed as a component within a bipolar plate, a gas seal or electrical insulation device or as part of a conductive layer or other support structures.

Ein Nachteil des Vorschlags der US2010/0035090 ist die starke Wechselbelastung der Bipolarplatte in der nahen Umgebung des nichtlinearen Elements, dessen regelmäßiges Erwärmen und Abkühlen die Bipolarplatten belastet. Nachteilig ist die Komplexität von Dichtungen. Deren Eignung für den Einsatz in Brennstoffzellen fordert ein hohes Wissen und Können. Geeignete gestanzte oder geschnittene Flachdichtungen beziehungsweise Dichtungen aus Dispensen zu produzieren, ist kompliziert. A disadvantage of the proposal of US2010 / 0035090 is the strong cycling of the bipolar plate in the vicinity of the nonlinear element, the regular heating and cooling of which loads the bipolar plates. The disadvantage is the complexity of seals. Their suitability for use in fuel cells requires a high level of knowledge and skills. Producing suitable stamped or cut gaskets or seals from dispensers is complicated.

Die DE 10 2007 048 869 A1 lehrt die Verwendung eines PTC-Elements als einen selbstregulierenden Widerstand im Zusammenhang mit einem Brennstoffzellenstapel. Die Schrift lehrt in Absatz [0011] dieses PTC-Element dazu zu verwenden, eine durch die Brennstoffzelle erzeugte Spannung so lange zu begrenzen, bis die Brennstoffzelle eine normale Betriebstemperatur erreicht hat. Zur Umsetzung dieser Aufgabe, ist das PTC-Element zwischen zwei Bipolarplatten verbaut. Denn dort schließt es beide Bipolarplatten miteinander elektrisch kurz, so lange der Schaltwiderstand des PTC-Elementes nicht erreicht ist. Die Schrift führt aus, ein PTC-Element, zum Beispiel in jede Bipolarplatte oder eine dazwischen liegende Membran, zu integrieren [0026]. The DE 10 2007 048 869 A1 teaches the use of a PTC element as a self-regulating resistor in conjunction with a Fuel cell stack. The document teaches in paragraph [0011] that this PTC element be used to limit a voltage generated by the fuel cell until the fuel cell has reached a normal operating temperature. To implement this task, the PTC element is installed between two bipolar plates. Because there it closes both bipolar plates together electrically short, as long as the switching resistance of the PTC element is not reached. Scripture teaches to integrate a PTC element, for example, into each bipolar plate or membrane therebetween.

Nachteilig ist allerdings, dass das PTC-Element mit Blattfedern zwischen die Bipolarplatten geklemmt wird. Ein Klemmen von Bauteilen ist unsicher. Ein zweiter Nachteil ist, dass der bevorzugte Ort für das PTC-Element nahe der Kühlmitteleinlass-Sammelleitung sein soll. Da dieser Ort jedoch keinen Kontakt zum Kühlmittel besitzt, ist die thermische Kopplung gering. The disadvantage, however, is that the PTC element is clamped with leaf springs between the bipolar plates. A jamming of components is uncertain. A second disadvantage is that the preferred location for the PTC element is to be near the coolant inlet manifold. However, since this location has no contact with the coolant, the thermal coupling is low.

Ausgehend von der DE 10 2007 048 869 A1 weist der Stand der Technik den Nachteil auf, dass ein Erwärmen beziehungsweise Aufheizen einer Bipolarplattenanordnung beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels beim Kaltstarten eines Fahrzeugs zu lange dauert. Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde bereits versucht, Brennstoffzellen mit trockener Luft zu spülen. Weder das Spülen noch ein Heizen von Ventilen oder Kühlmittel behob diesen Nachteil. Auch ein geschicktes, Eis tolerantes, Konstruieren der MEA schuf keine Abhilfe. Aufgrund des großen Wunsches der Fachwelt, den Nachteil zu beheben, wurde versucht, eine Verbrennung von H₂ und O₂ auszunutzen. Der zeitliche Verzug beim Kaltstarten von Fahrzeugen hält an. Starting from the DE 10 2007 048 869 A1 the prior art has the disadvantage that heating or heating of a bipolar plate assembly or the fuel cell stack takes too long when cold starting a vehicle. To overcome this drawback, attempts have been made to flush fuel cells with dry air. Neither the rinsing nor the heating of valves or coolant solved this disadvantage. Even a skilful, ice tolerant, constructing the MEA created no remedy. Due to the great desire of the art to remedy the disadvantage, it was attempted to exploit a combustion of H ₂ and O ₂ . The delay in the cold start of vehicles continues.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels bei dessen Kaltstart weiter zu verbessern. The invention is based on the object of further improving the heating of a fuel cell stack during its cold start.

Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Einheit sowie durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. This object is achieved by a membrane electrode assembly and by a fuel cell stack with the features of the independent claims.

Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit umfasst eine Membran, eine an einer ersten Membranseite angeordnete Kathode und eine an einer zweiten Membranseite angeordnete Anode. Die Membran-Elektroden-Einheit weist in Aufsicht auf ihre Flachseiten jeweils einen Reaktionsbereich, mindestens einen Austauschbereich, in welchem mindestens eine Einlassöffnung und mindestens eine Auslassöffnung zum Ein- und Ausleiten von Gas (Anoden- und Kathodenbetriebsmedien) und Kühlmittelflüssigkeit ausgebildet sind, und mindestens einen zwischen Reaktionsbereich und Austauschbereich angeordneten Weiterleitungsbereich auf. Ferner weist die Membran-Elektroden-Einheit mindestens einen den mindestens einen Weiterleitungsbereich und den Reaktionsbereich einschließenden ersten Dichtungsbereich zum Dichten der Membran-Elektroden-Einheit gegen eine Bipolarplatte (im Montagezustand in einem Brennstoffzellenstapel) auf. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens ein Element vorhanden ist, das eine von mindestens einem Parameter abhängige elektrische Leitfähigkeit zum Kurzschließen der Kathode mit der Anode aufweist und das innerhalb des ersten Dichtungsbereichs angeordnet ist. The membrane electrode unit according to the invention comprises a membrane, a cathode arranged on a first membrane side and an anode arranged on a second membrane side. The membrane electrode assembly has in plan view on its flat sides in each case a reaction region, at least one exchange region in which at least one inlet opening and at least one outlet opening for introducing and discharging gas (anode and cathode operating media) and coolant liquid are formed, and at least one between the reaction area and exchange area arranged forwarding area. Furthermore, the membrane-electrode unit has at least one first sealing region enclosing the at least one forwarding region and the reaction region for sealing the membrane-electrode assembly against a bipolar plate (in the assembled state in a fuel cell stack). The object is achieved in that at least one element is present which has an electrical conductivity dependent on at least one parameter for short-circuiting the cathode to the anode and which is arranged within the first sealing region.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl einander abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gemäß der Erfindung und Bipolarplatten umfasst. Der Brennstoffzellenstapel kann mit Vorteil in einem elektromotorisch betriebenen Fahrzeug eingesetzt werden, wobei der Brennstoffzellenstapel die elektrische Energie zum Betreiben des Elektromotors liefert. The invention in a further aspect relates to a fuel cell stack comprising a plurality of alternately arranged membrane-electrode assemblies according to the invention and bipolar plates. The fuel cell stack can be advantageously used in an electric motor-operated vehicle, wherein the fuel cell stack supplies the electrical energy for operating the electric motor.

Der Reaktionsbereich (auch als aktiver Bereich bezeichnet) ist ein Bereich, an dem die katalytischen Elektroden vorhanden sind. Im Montagezustand in einem Brennstoffzellenstapel grenzt der Reaktionsbereich der Membran-Elektroden-Einheit an jeweils eine benachbarte Bipolarplatte an, die in diesem Bereich ein offenes Strömungsfeld, beispielsweise offene Strömungskanäle aufweist, durch welche die Reaktantengase, also das Anoden- beziehungsweise das Kathodenbetriebsgas strömen. Im Reaktionsbereich finden somit im Betrieb der Brennstoffzelle die chemischen Brennstoffzellenreaktionen statt. Im Inneren der Bipolarplatte sind im Reaktionsbereich Strömungskanäle vorhanden, durch die das Kühlmittel strömt und die Reaktionswärme abführt. Der Austauschbereich ist ein Bereich, in dem die Öffnungen für die Zu- und Abfuhr der Betriebsmedien, also des Anoden- und Kathodenbetriebsmediums sowie des Kühlmittels vorhanden sind. Vorzugsweise weist die Membran-Elektroden-Einheit zwei Austauschbereiche auf, in denen jeweils drei Öffnungen (eine für jedes Betriebsmedium) ausgebildet sind und die einander gegenüberliegend beidseitig an dem Reaktionsbereich angeordnet sind. Im Brennstoffzellenstapel sind diese Öffnungen deckungsgleich mit korrespondierenden Öffnungen der Bipolarplatten angeordnet, wodurch Medienhauptkanäle ausgebildet werden, die den Stapel in Stapelrichtung durchsetzen. Seitens einer an die Membran-Elektroden-Einheit angrenzenden Bipolarplatte sind im Austauschbereich in der Regel keine Strömungskanäle für die Reaktanten und das Kühlmittel vorhanden. Der Weiterleitungsbereich (auch Verteilerbereich genannt) bezeichnet einen Bereich, der zwischen dem Reaktionsbereich und einem Austauschbereich angeordnet ist. Der Weiterleitungsbereich dient der Fluidverbindung zwischen den Öffnungen des Austauschbereichs, also den Medienhauptkanälen, und den inneren und äußeren Kanalstrukturen des Reaktionsbereichs. Zu diesem Zweck sind auf einer im Montagezustand angrenzenden Bipolarplatte innere und äußere Strömungskanäle vorhanden, welche die entsprechenden Auslassöffnungen des Austauschbereichs mit den korrespondierenden inneren und äußeren Strömungskanälen der Bipolarplatte des Reaktionsbereichs verbinden. Da im Weiterleitungsbereich ebenso wie im Austauschbereich keine chemische Reaktionen stattfinden sollen, weist die Membran-Elektroden-Einheit in diesen Bereichen keine Elektrode beziehungsweise Elektrodenbeschichtung auf. In Abgrenzung zum aktiven Reaktionsbereich werden der Austauschbereich und Weiterleitungsbereich zusammengenommen auch als inaktiver Bereich bezeichnet. Die Begriffe Reaktionsbereich, Austauschbereich und Weiterleitungsbereich beziehen sich auf die Aufsicht auf eine der beiden Flachseiten der Membran-Elektroden-Einheit, wobei diese Bereiche auf beiden Flachseiten ausgebildet sind. The reaction region (also referred to as the active region) is an area where the catalytic electrodes are present. In the assembled state in a fuel cell stack, the reaction area of the membrane-electrode unit adjoins in each case an adjacent bipolar plate which has an open flow field in this area, for example open flow channels through which the reactant gases, ie the anode or cathode operating gas, flow. In the reaction area, the chemical fuel cell reactions thus take place during operation of the fuel cell. In the interior of the bipolar plate flow channels are present in the reaction region through which the coolant flows and dissipates the heat of reaction. The exchange area is an area in which the openings for the supply and discharge of the operating media, so the anode and cathode operating medium and the coolant are present. Preferably, the membrane-electrode unit has two exchange areas, in each of which three openings (one for each operating medium) are formed and which are arranged opposite each other on both sides of the reaction area. In the fuel cell stack, these openings are arranged congruently with corresponding openings of the bipolar plates, whereby main media channels are formed, which pass through the stack in the stacking direction. As a rule, no flow channels for the reactants and the coolant are present in the exchange region on the side of a bipolar plate adjoining the membrane-electrode assembly. The relay area (also called distributor area) denotes an area which is arranged between the reaction area and an exchange area. The forwarding area serves the fluid connection between the Openings of the exchange area, so the main media channels, and the inner and outer channel structures of the reaction area. For this purpose, inner and outer flow channels are present on a bipolar plate adjacent in the assembled state, which connect the corresponding outlet openings of the exchange area with the corresponding inner and outer flow channels of the bipolar plate of the reaction area. Since no chemical reactions are to take place in the forwarding area as well as in the exchange area, the membrane-electrode unit has no electrode or electrode coating in these areas. In contrast to the active reaction area, the exchange area and forwarding area together are also referred to as an inactive area. The terms reaction region, exchange region and transfer region refer to the plan view of one of the two flat sides of the membrane-electrode assembly, these regions being formed on both flat sides.

Dadurch, dass erfindungsgemäß jede Membran-Elektroden-Einheit durch das Element (nachfolgend auch als Kurzschlusselement bezeichnet) intern in Abhängigkeit von dem mindestens einen Parameter kurzgeschlossen werden kann, verliert die Membran-Elektroden-Einheit ihren Widerstand und wird durch elektrische Ströme durchflossen, wobei Wärme abgegeben wird. Der Stromdurchfluss ist dabei unabhängig von den elektrischen Widerständen anderer Brennstoffzellenstapelstrukturen. Er erwärmt alle Betriebsmedien, die im Brennstoffzellenstapel in Nähe des Einbauorts des Kurzschlusselements die benachbarte Bipolarplatte durchströmen. Da das Kurzschlusselement im Dichtungsbereich der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist, also in einem Weiterleitungsbereich und/oder Reaktionsbereich, befindet sich das Element in unmittelbarer Nähe zu einem gekühlten Bereich einer angrenzenden Bipolarplatte, das heißt zumindest eines inneren Kühlmittelkanals derselben. Somit kommt es durch die Wärmeabgabe des Kurzschlusselements insbesondere zu einem Erwärmen des Kühlmittels, das wiederum die Wärme über die Bipolarplatte verteilt. Sofern sich nach einem Abschalten des Brennstoffzellenstapels in den Anoden- oder Kathodenkanälen der Bipolarplatte gefrorenes Produktwasser ausgebildet hat, welches zur Verstopfung dieser Kanäle führt, so wird dieses Eis schnell durch das Kurzschlusselement aufgetaut und die Kanäle werden frei. Daher produziert die erfindungsgemäße Brennstoffzelle beim Kaltstart schneller Strom. Dadurch wird der Brennstoffzellenstapel effektiver und benötigt weniger Zellen beziehungsweise Membran-Elektroden-Einheiten. Der Vorteil dieses Effizienzgewinns ist ein Einsparen von Zellen und damit von Bauraum. Da die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit durch das Kurzschlusselement erwärmt wird, muss das Kühlmittel beim Starten des Brennstoffzellenstapels weniger als im Stand der Technik erwärmt werden, wodurch ein Kühlmittelheizgerät gegebenenfalls entbehrlich ist. Auch andere Maßnahmen des Erwärmens können reduziert werden, wodurch Gewicht und Kosten verringert werden. Ein anderer Vorteil ist, dass jede Membran-Elektroden-Einheit und damit jede angrenzende Bipolarplatte separat erwärmt wird. Der gesamte Brennstoffzellenstapel erwärmt somit schnell, selbst dann, wenn einzelne Zellen noch ausfallen, weil Strömungskanäle benachbarter Bipolarplatten durch Eis blockiert sind. Der Brennstoffzellenstapel erwärmt sich folglich betriebssicher. Eine Stromentnahme aus dem Brennstoffzellenstapel kann somit erfolgen, sobald eine einzige Zelle frei von Eisblockaden ist, insbesondere sobald eine Mindestanzahl von Einzelzellen betriebsbereit ist. By virtue of the fact that, according to the invention, each membrane-electrode unit can be short-circuited internally as a function of the at least one parameter by means of the element, the membrane-electrode unit loses its resistance and is traversed by electrical currents, heat being generated is delivered. The current flow is independent of the electrical resistances of other fuel cell stack structures. It heats all operating media that flow through the adjacent bipolar plate in the fuel cell stack near the installation location of the short-circuit element. Since the short-circuit element is arranged in the sealing region of the membrane-electrode assembly, ie in a relay region and / or reaction region, the element is in close proximity to a cooled region of an adjacent bipolar plate, ie at least one inner coolant channel thereof. Thus, by the heat emission of the short-circuit element in particular to a heating of the coolant, which in turn distributes the heat through the bipolar plate. If, after switching off the fuel cell stack in the anode or cathode channels of the bipolar plate has formed frozen product water, which leads to the blockage of these channels, this ice is thawed quickly by the short-circuit element and the channels are free. Therefore, the fuel cell according to the invention produces faster power during cold start. This makes the fuel cell stack more effective and requires fewer cells or membrane-electrode assemblies. The advantage of this efficiency gain is a saving of cells and thus of installation space. Since the membrane electrode assembly according to the invention is heated by the short-circuit element, the coolant must be heated less than in the prior art when starting the fuel cell stack, whereby a coolant heater may be unnecessary. Other measures of heating can also be reduced, thereby reducing weight and costs. Another advantage is that each membrane-electrode assembly and thus each adjacent bipolar plate is heated separately. The entire fuel cell stack heats up quickly, even if individual cells fail because flow channels of adjacent bipolar plates are blocked by ice. The fuel cell stack consequently heats up reliably. A current drain from the fuel cell stack can thus take place as soon as a single cell is free of ice blocks, in particular as soon as a minimum number of individual cells is ready for operation.

En weiterer Vorteil des internen Kurzschlusses der Zellen ist darin zu sehen, dass sie gegenüber ihrer bestimmungsgemäßen Polung nicht umpolen, da elektrische Ladungen über das Element abgeführt und ausgeglichen werden. Da Umpolungen, die nach einem Abschalten des Brennstoffzellenstapels stattfinden können, sich beim Wiederstart schädigend auf das katalytische Material der Anode und insbesondere der Kathode auswirken, wird durch die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit die schleichende Verringerung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle mit der Nutzungszeit vermindert. Another advantage of the internal short circuit of the cells is the fact that they do not reverse polarity over their intended polarity, since electrical charges are dissipated and compensated via the element. Since reversals that can take place after a shutdown of the fuel cell stack, damaging effect on restarting the catalytic material of the anode and in particular the cathode, the creeping reduction in the efficiency of the fuel cell is reduced with the useful life by the membrane-electrode assembly according to the invention.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit robust gegenüber einer Kurzstreckennutzung ist. Wenn einige Zellen noch nicht eisfrei sind, sind diese während der Kurzstreckennutzung nicht in Betrieb. Sie werden geschont, aber ein Brennstoffzellenstapel ist durch die anderen, eisfreien Zellen trotzdem betriebsbereit. Another advantage is that the membrane-electrode assembly according to the invention is robust to short-distance use. If some cells are not yet ice-free, they will not operate during short-distance use. You will be spared, but a fuel cell stack is still operational due to the other, ice-free cells.

Die Leitfähigkeit des Kurzschlusselements hängt von mindestens einem Parameter ab. Ein sinnvoller Parameter bildet die Witterung oder deren Änderungen ab, insbesondere das Vorliegen von Frostbedingungen. The conductivity of the short-circuit element depends on at least one parameter. A sensible parameter depicts the weather or its changes, in particular the presence of frost conditions.

Das Kurzschlusselement ist vorzugsweise so ausgebildet, dass es unter Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels eine niedrige oder keine elektrische Leitfähigkeit aufweist und somit kein Kurzschluss vorliegt. Außerhalb der Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels hingegen weist das Element eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und schließt die Anode und Kathode elektrisch kurz. Vorzugsweise stellt sich dieses Leitfähigkeitsverhalten des Elements passiv in Antwort auf den Parameter ein. The short-circuit element is preferably designed so that it has a low or no electrical conductivity under operating conditions of the fuel cell stack and thus there is no short circuit. However, outside the operating conditions of the fuel cell stack, the element has a high electrical conductivity and short circuits the anode and cathode. Preferably, this conductivity behavior of the element is passive in response to the parameter.

Der Parameter ist in einer speziellen Ausführungsform ein Steuersignal, das von einer elektronischen Einheit gestellt wird. Die elektronische Einheit vermisst anhand unterschiedlicher Messgrößen die Umgebung der Brennstoffzelle. Dann kann sie aus den unterschiedlichen Messgrößen heraus ein Steuersignal abbilden. Im Betrieb von Fahrzeugen sind diese Umgebungsbedingungen Positionskoordinaten eines GPS-Systems, ein Gehalt an Frostschutzmittel im Scheibenwischerwasser, gespeicherten Daten einer Fahrhistorie, Temperaturen, Drücke oder historischen Daten über die Betriebsstundenanzahl der Brennstoffzelle. The parameter is in a specific embodiment a control signal provided by an electronic unit. The electronic Unit measures the environment of the fuel cell based on different measures. Then it can reproduce a control signal from the different measured variables. In the operation of vehicles, these environmental conditions are position coordinates of a GPS system, a content of antifreeze in windshield wiper water, stored driving history data, temperatures, pressures or historical data on the operating hours of the fuel cell.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Parameter eine Temperatur, eine Gaskonzentration oder eine Stromspannung. Wenn der Parameter eine Temperatur ist, ist das Element bevorzugt so ausgebildet, dass seine Leitfähigkeit sich im Bereich des Gefrierpunkts von Wasser stark ändert, also im Bereich um 0°C (+/–20 °C, insbesondere +/–15°C). Wenn die Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes oder unterhalb einer über dem Gefrierpunkt liegenden Sicherheitsgrenze liegt, dann wird die Zelle kurzgeschlossen und somit beheizt. Der Parameter kann aber auch eine Gaskonzentration sein. Der Vorteil ist die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Standzeit eines Fahrzeugs, denn die Gaskonzentration, zum Beispiel von Wasserstoff, kann stark reduziert sein, wenn das Fahrzeug lange gestanden hat. Alternativ ist der Parameter eine Stromspannung. Dabei ist die Membran-Elektroden-Einheit bis zum Erreichen einer vorbestimmten Grenzspannung kurzgeschlossen. Sie hat damit keine Polung und kann damit nicht umpolen. Die Kathode mit der Anode über eine Diode zu verschalten, ist in diesem Zusammenhang eine Möglichkeit, denn diese verhindert innerhalb ihres Sperrbereichs einen elektrischen Strom in eine unerwünschte Richtung. Damit schützt sie vor einer Umpolung. In an advantageous embodiment, the parameter is a temperature, a gas concentration or a voltage. If the parameter is a temperature, the element is preferably designed such that its conductivity changes greatly in the region of the freezing point of water, ie in the range around 0 ° C. (+/- 20 ° C., in particular +/- 15 ° C.) , If the temperature is below freezing or below a safe limit above freezing, the cell will be shorted and thus heated. The parameter can also be a gas concentration. The advantage is the dependence of the conductivity of the life of a vehicle, because the gas concentration, for example of hydrogen, can be greatly reduced if the vehicle has stood for a long time. Alternatively, the parameter is a voltage. In this case, the membrane-electrode unit is short-circuited until reaching a predetermined threshold voltage. It has no polarity and can not reverse polarity. To interconnect the cathode with the anode via a diode is a possibility in this context, because it prevents an electric current in an undesired direction within its blocking region. This protects against a polarity reversal.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Element ein PTC-Element. Der Vorteil ist ein Kurzschließen der MEA in Abhängigkeit von der Temperatur ohne teure und aufwendige Elektronik. Jedes PTC-Element schaltet die ihm zugehörige MEA passiv in Abhängigkeit der an ihrer Position im Brennstoffzellenstapel vorherrschenden Bedingungen. Ein Verbau eines PTC-Elements innerhalb der MEA ermöglicht deren Kurzschließen ohne elektrische Widerstände anderer Brennstoffzellenstrukturen zu durchfließen. In a preferred embodiment, the element is a PTC element. The advantage is a short circuit of the MEA as a function of the temperature without expensive and expensive electronics. Each PTC element passively switches its associated MEA depending on the conditions prevailing at its position in the fuel cell stack. A shunt of a PTC element within the MEA allows its shunting without electrical resistances of other fuel cell structures to flow through.

Alternativ können die Kathode und die Anode über eine Folie miteinander verbunden werden, die eine Oxidschicht aufweist. Das hat den Vorteil, dass eine Wasserstoffinjektion in die Kathodenversorgung zur Reaktion an der Anode beim Starten eingespritzt werden kann, um die MEA kurzuschließen. Denn dann schließt die Oxidschicht intern die MEA kurz. Dies hält die Anode vor jedweder Schadeinwirkung frei. Alternatively, the cathode and the anode may be bonded together by a foil having an oxide layer. This has the advantage that hydrogen injection into the cathode supply can be injected to react at the anode at startup to short-circuit the MEA. Because then the oxide layer internally shorts the MEA short. This keeps the anode free of any harmful effects.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Element eine Diode. Eine Diode, beispielsweise eine Verpolungsschutz-Diode (reverse-polarity protection diode), richtet den Strom zwischen der kurzgeschlossenen Kathode und Anode in eine Richtung. Ein Einsatz einer temperaturabhängigen Verpolungsschutz-Diode ermöglicht einen Betrieb eines Diodenheizgeräts. In another embodiment, the element is a diode. A diode, such as a reverse polarity protection diode, directs the current between the shorted cathode and anode in one direction. Use of a temperature-dependent reverse polarity protection diode allows operation of a diode heater.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Element ein Feldeffekttransistor. Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) hat den Vorteil, im Falle des Kurzschlusses ein geringst möglicher Widerstand zu sein. Gleichzeitig bietet er den bestmöglichen Schutz vor Umpolung. Ein MOSFET erlaubt ferner, andere Schaltkreiskomponenten zu integrieren. Der Vorteil dieser Integration ist Spannungs- und Temperaturabhängigkeiten der Schaltkreiskomponenten in die MEA einzubauen. In a further embodiment, the element is a field effect transistor. A metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) has the advantage of being the least possible resistance in the case of a short circuit. At the same time, it offers the best possible protection against reverse polarity. A MOSFET also allows to integrate other circuit components. The advantage of this integration is to incorporate voltage and temperature dependencies of the circuit components into the MEA.

In vorteilhafter Weise ist das Element im Weiterleitungsbereich der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet. Der Weiterleitungsbereich verfügt über genügend Bauraum, um dünne und großflächige Kurzschlussmittel in die Membran-Elektroden-Einheit einzufügen. Sofern einer von zwei vorhandenen Weiterleitungsbereichen ein medienzuführender Bereich und der andere ein abführender Bereich ist, ist das Kurzschlusselement bevorzugt in dem zuführenden Weiterleitungsbereich positioniert. Auf diese Weise wird das Kühlmittel erwärmt, bevor dieses den Reaktionsbereich anströmt. Die Positionierung des Elements im medienabführenden Weiterleitungsbereich der Auslässe ermöglicht hingegen ein Erwärmen des Kühlmittels beim Austreten aus der MEA. Da bei der Brennstoffzellenreaktion Produktwasser entsteht, das aus dem Reaktionsbereich über den abführenden Weiterleitungsbereich mit dem Abgas abgeführt wird, ist die Gefahr des Gefrierens von Produktwasser im medienabführenden Weiterleitungsbereich besonders hoch. Der Vorteil des Erwärmens am Auslass, minimiert das Frostrisiko also nachhaltig am Ort des höchsten Risikos. Mit Vorteil kann sowohl im zu- als auch im abführenden Weiterleitungsbereich jeweils ein oder mehrere Kurzschlusselemente vorgesehen sein. Advantageously, the element is arranged in the forwarding region of the membrane-electrode assembly. The forwarding area has sufficient installation space to insert thin and large-area short-circuiting means into the membrane-electrode unit. If one of two existing forwarding areas is a media supplying area and the other is a discharging area, the shorting element is preferably positioned in the feeding forwarding area. In this way, the coolant is heated before it flows to the reaction area. The positioning of the element in the media-discharging forwarding area of the outlets, on the other hand, allows heating of the coolant as it exits the MEA. Since product water is formed in the fuel cell reaction, which is discharged from the reaction area via the discharging forwarding area with the exhaust gas, the risk of freezing of product water in the media-discharging forwarding area is particularly high. The advantage of heating at the outlet minimizes the risk of frost so sustainably at the place of the highest risk. Advantageously, one or more short-circuit elements may be provided both in the forwarding and in the discharging forwarding area.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Element innerhalb des Reaktionsbereichs angeordnet. Der Reaktionsbereich weist in der Regel eine größere Fläche auf als der Weiterleitungsbereich sowie eine weniger stark überkreuzende Kanalstruktur seitens einer angrenzenden Bipolarplatte. Er weist daher einfachere Strömungsverhältnisse auf. Eine Wärmeübertragung vom Reaktionsbereich zu dem in der benachbarten Bipolarplatte strömenden Kühlmittel kann bei vielen Plattengestaltungen direkter möglich sein als aus dem Weiterleitungsbereich. Eine Anordnung von zwei oder mehr Elementen im Bereich des Weiterleitungsbereichs sowie des Reaktionsbereichs ist vorteilhaft, da sich die Aufheizeffekte mehrerer Elemente summieren, sodass ein Brennstoffzellen-Fahrzeug beim Kaltstarten besonders schnell betriebsbereit ist. In a further preferred embodiment, the element is arranged within the reaction region. The reaction area generally has a larger area than the relay area and a less strongly crossing channel structure on the part of an adjacent bipolar plate. He therefore has simpler flow conditions. Heat transfer from the reaction region to the coolant flowing in the adjacent bipolar plate may be more directly possible in many plate designs than out of the relay region. An arrangement of two or more elements in the area of the forwarding area as well of the reaction area is advantageous because the heat-up effects of several elements add up, so that a fuel cell vehicle is particularly quickly ready for cold start.

Um die Anode mit der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit kurzschließen zu können, ist das Kurzschlusselement die Membran durchdringend ausgeführt, also so, dass es in einer Öffnung der Membran angeordnet ist. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Element einstückig in die Membran-Elektroden-Einheit eingefügt. Einstückig ist das Element mit der MEA verbunden, wenn es zum Beispiel stoffschlüssig mit dieser verbunden ist. Aber auch ein Einlassen des Elements in die MEA verbindet die zwei Bauteile zu einem Bauteil. In order to be able to short-circuit the anode to the cathode of the membrane-electrode assembly, the short-circuit element is designed to penetrate the membrane, that is to say that it is arranged in an opening in the membrane. In a further embodiment, the element is integrally inserted into the membrane-electrode unit. Integrally, the element is connected to the MEA, for example, if it is materially connected to this. But also an insertion of the element into the MEA connects the two components to form a component.

In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens ein zweites Kurzschlusselement vorhanden, dass eine Diode ist. Besonders bevorzugt ist die Kombination einer Diode mit einem PTC-Element. Dadurch, dass mindestens eine Diode und mindestens ein PTC-Element in der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sind, kann die Sensitivität der MEA an die Witterung noch besser angepasst werden, denn die Diode kann im zuführenden Weiterleitungsbereich, also nahe der Einlassöffnungen positioniert sein, das PTC-Element hingegen im ableitenden Weiterleitungsbereich nahe den Auslassöffnungen. Damit wird sowohl das zugeführte Gas von der Diode als auch das ausgelassene Gas vom PTC-Element erwärmt. Ein Vorteil dieses separaten, doppelten Erwärmens ist die Möglichkeit des Konfigurierens unterschiedlicher Schalttemperaturen der Diode und des PTC-Elements. Die Diode und PTC-Elemente können auf unterschiedliche Schalttemperaturen ausgelegt werden. Somit kann einströmendes Gas oder Kühlmittel bei einer anderen Temperatur erwärmt werden als auszulassendes Gas beziehungsweise Kühlmittel. Der Vorteil ist die Einsparung von Energie, denn auszulassendes Gas hat im Betrieb eine höhere Wärme als einzulassendes Gas und muss daher weniger beheizt werden. In a further embodiment, at least one second short-circuit element is present, which is a diode. Particularly preferred is the combination of a diode with a PTC element. Characterized in that at least one diode and at least one PTC element are arranged in the membrane-electrode unit, the sensitivity of the MEA can be adapted to the weather even better, because the diode may be positioned in the feeding forwarding area, so near the inlet openings, the PTC element, however, in the dissipative forwarding area near the outlet openings. Thus, both the supplied gas from the diode and the discharged gas from the PTC element is heated. An advantage of this separate dual heating is the ability to configure different switching temperatures of the diode and the PTC element. The diode and PTC elements can be designed for different switching temperatures. Thus, incoming gas or coolant may be heated at a different temperature than gas or coolant to be discharged. The advantage is the saving of energy, because gas to be discharged has a higher heat during operation than gas to be admitted and therefore has to be heated less.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Membran-Elektroden-Einheit mindestens ein zweites Kurzschlusselement vorhanden, das ein Feldeffekttransistor ist, vorzugsweise zusätzlich zu einer Diode. Ebenfalls vorteilhaft ist die Anordnung eines zweiten Kurzschlusselements in Form eines PTC-Elements, insbesondere in Kombination mit einem Feldeffekttransistor. In a further preferred embodiment, at least one second short-circuit element is present in the membrane-electrode unit, which is a field-effect transistor, preferably in addition to a diode. Also advantageous is the arrangement of a second short-circuit element in the form of a PTC element, in particular in combination with a field effect transistor.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Membran-Elektroden-Einheit mindestens eine Randverstärkung auf, die mindestens ein Element aufweist. Die Randverstärkung ist üblicherweise im nicht aktiven Bereich von Membran-Elektroden-Einheiten angeordnet, also des Austauschbereichs und des Weiterleitungsbereichs. Sie hat eine stabilisierende Funktion für die fragile Membran und ist beispielsweise als eine Kunststofffolie ausgeführt, welche die Membran in ihren elektrodenfreien Bereichen abstützt. Die Randverstärkung kann für den Einbau des Elements in vorteilhafter Weise genutzt werden, da die Membran hier besonders gut stabilisiert ist. In einer Ausführung ist das Element zwischen zwei Metallplatten in das Randverstärkungsmaterial eingelassen. Hierdurch ist das Element in Metalplatten eingehaust und gegen die Umwelt abgedichtet. Um das Element zwischen die Metallplatten zu klemmen, kann es durch eine leitfähige Druckschicht beziehungsweise ein Druckelement, wie zum Beispiel eine Druckfeder, zwischen den Metallplatten gehalten werden. Das Element klemmt besonders gut, wenn die Spalte zwischen den beiden Metallplatten umlaufend mit Dichtmasse geklebt sind. In a further embodiment, the membrane-electrode unit has at least one edge reinforcement, which has at least one element. The edge reinforcement is usually arranged in the non-active region of membrane-electrode assemblies, ie the exchange region and the forwarding region. It has a stabilizing function for the fragile membrane and is designed, for example, as a plastic film which supports the membrane in its electrode-free areas. The edge reinforcement can be used for the installation of the element in an advantageous manner, since the membrane is particularly well stabilized here. In one embodiment, the element is embedded between two metal plates in the edge reinforcing material. As a result, the element is housed in metal plates and sealed against the environment. In order to clamp the element between the metal plates, it can be held between the metal plates by a conductive pressure layer or a pressure element, such as a compression spring. The element jams particularly well when the gaps between the two metal plates are glued circumferentially with sealant.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Element durch eine zweite Dichtung separat gedichtet. Somit ist das Element im Weiterleitungsbereich separat gegen eine Bipolarplattenhälfte gedichtet. Die separate Dichtung erhöht die Betriebssicherheit, denn die Dichtungsredundanz ist erhöht. In a further embodiment, the element is sealed separately by a second seal. Thus, the element in the relay area is sealed separately against a Bipolarplattenhälfte. The separate seal increases the operational safety, because the seal redundancy is increased.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Element innerhalb einer Dichtungsmasse einstückig ausgebildet. Dieses hat den Vorteil, dass das Element von den Betriebsgasen isoliert ist. Folglich wird es von diesen nicht angegriffen. Auch ist ein Eingießen des Elements in eine Dichtungsmasse, zum Beispiel die Randverstärkung, fertigungstechnisch einfach. In a further embodiment, the element is formed integrally within a sealant. This has the advantage that the element is isolated from the operating gases. Consequently, it is not attacked by them. Also, pouring the element into a sealant, for example, the edge reinforcement, manufacturing technology is easy.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Element und die Membran-Elektroden-Einheit einstückig ausgeführt. Einstückige Bauteile können einfach weiter verbaut werden und sind weniger anfällig. In a further embodiment, the element and the membrane-electrode assembly are made in one piece. One-piece components can easily be installed further and are less susceptible.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass sich der Betriebszustand und damit eine Betriebsbereitschaft des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels an seiner Spannung ablesen lässt. Ein entsprechendes Verfahren wird nachfolgend anhand des Beispiels eines PTC-Elements als Kurzschlusselement erläutert. Another advantage of the invention is the fact that the operating state and thus a readiness for operation of the fuel cell stack according to the invention can be read from its voltage. A corresponding method is explained below with reference to the example of a PTC element as a short-circuit element.

Die Leerlaufspannung kann auch als sogenannter offener Stromkreis (OCV: Open Circuit Voltage) bezeichnet werden. Die Leerlaufspannung ist die maximale Spannung einer Brennstoffzelle. Sie liegt vor, wenn die Brennstoffzelle ihre Betriebstemperatur erreicht hat und keine Last anliegt. Das Vorliegen einer Betriebstemperatur lässt sich somit über die Brennstoffzelle feststellen, wenn ihre maximale Spannung erreicht ist. The open circuit voltage can also be referred to as a so-called open circuit (OCV: Open Circuit Voltage). The open circuit voltage is the maximum voltage of a fuel cell. It occurs when the fuel cell has reached its operating temperature and no load is applied. The presence of an operating temperature can thus be determined via the fuel cell when its maximum voltage is reached.

Dem Ansatz zum Ermitteln der Betriebsbereitschaft liegt der Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand als Wirkprinzip zugrunde. The approach for determining readiness for operation is based on the relationship between temperature and resistance as an active principle.

Zum Erkennen der Betriebsbereitschaft werden Strom-Spannungs-Kennlinien des Brennstoffzellenstapels sowie des Kurzschlusselements bereitgestellt und beispielsweise in einem Steuergerät des Brennstoffzellenstapels hinterlegt. For detecting the operational readiness current-voltage characteristics of the fuel cell stack and the short-circuit element are provided and deposited for example in a control unit of the fuel cell stack.

Strom-Spannungs-Kennlinien des Brennstoffzellenstapels bilden den nicht linearen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung einer Zelle jeweils für eine konstante Anoden- und Kathodengasversorgung (konstante Zelldrücke beziehungsweise Massenströme der Betriebsmedien) und eine konstante Temperatur ab. Dabei nimmt mit zunehmender Stromstärke die Spannung ab. Die höchsten Zellspannungen liegen bei Stromstärken nahe Null vor. Andererseits verschiebt sich die Kennlinie mit zunehmenden Zelldrücken beziehungsweise Massenströmen der Betriebsmedien in Richtung höherer Spannungen und Stromstärken. Eine ähnliche Verschiebung der Kennlinien der Brennstoffzelle liegt in Abhängigkeit von der Temperatur vor. Current-voltage characteristics of the fuel cell stack represent the non-linear relationship between current and voltage of a cell for a constant anode and cathode gas supply (constant cell pressures or mass flows of the operating media) and a constant temperature. The voltage decreases with increasing current. The highest cell voltages are at current levels near zero. On the other hand, the characteristic shifts with increasing cell pressures or mass flows of the operating media in the direction of higher voltages and currents. A similar shift of the characteristics of the fuel cell is dependent on the temperature.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Kurzschlusselements, beispielsweise eines PTC-Elements, weist hingegen zumeist einen linearen Verlauf auf, bei dem die Spannung proportional mit der Stromstärke zunimmt und die Steigung der Geraden dem Widerstand des Elements entspricht. Das Element verändert seinen Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur. Damit weist das Element für jede Temperatur eine Strom-Spannungs-Kennlinie auf, wobei die Steigung mit höheren Temperaturen zunimmt. Mit anderen Worten „wandert“ die Kennlinie mit zunehmender Temperatur in Richtung höherer Spannungen. The current-voltage characteristic of the short-circuit element, such as a PTC element, however, usually has a linear course, in which the voltage increases in proportion to the current and the slope of the line corresponds to the resistance of the element. The element changes its resistance as a function of the temperature. Thus, the element has a current-voltage characteristic for each temperature, the slope increasing with higher temperatures. In other words, the characteristic "wanders" with increasing temperature in the direction of higher voltages.

Die Spannung und der Strom durch die Membran-Elektroden-Einheit sind bekannt, da sie über entsprechende Strom- beziehungsweise Spannungsmesseinrichtungen in Brennstoffzellsystemen ständig erfasst werden. Sie liegen auch am Element an. Der Widerstand des Elements lässt sich aus dieser Kenntnis berechnen, sodass ihm durch seine gespeicherte Kennlinie eine Temperatur zuordnet werden kann. Die Brennstoffzelle wird beispielsweise bei Überschreiten einer Temperatur größer 0°Grad Celsius als betriebsbereit erkannt, da dann die Zelle eisfrei ist. The voltage and the current through the membrane-electrode assembly are known since they are constantly detected by means of corresponding current or voltage measuring devices in fuel cell systems. They are also attached to the element. The resistance of the element can be calculated from this knowledge, so that a temperature can be assigned to it by its stored characteristic curve. The fuel cell is recognized as ready for operation, for example, when a temperature greater than 0 ° C is exceeded, because then the cell is free of ice.

Eine bevorzugte Ausführungsform zum Durchführen dieses Verfahrens umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit mindestens einem Element, wobei der elektrische Widerstand des Elements temperaturabhängig ist. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

• • Bereitstellen zumindest einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels, wobei die Kennlinie den Zusammenhang zwischen Spannung U und Strom I der Zelle wiedergibt. Alternativ wird eine Mehrzahl an Strom-Spannungs-Kennlinien bereitgestellt, wobei jede Kennlinie den Zusammenhang zwischen Spannung U und Strom I der Zelle für unterschiedliche Massenströme oder Betriebsdrücke der Anoden- und/oder Kathodenbetriebsmedien angibt,
• • Ermitteln der Spannung U der Einzelzelle oder des Brennstoffzellenstapels, woraus die Spannung U jeder Einzelzelle des Stapels ermittelt werden kann.
• • Bestimmen des Widerstands R des Kurzschlusselements in Abhängigkeit von der ermittelten Spannung U.
• • Bestimmen der Temperatur T der Einzelzelle in Abhängigkeit von dem ermittelten Widerstand R des Kurzschlusselements.
• • Feststellen der Betriebsbereitschaft, wenn die Temperatur eine vorbestimmte Temperaturschwelle erreicht oder überschreitet, vorzugsweise von 0°C.

A preferred embodiment for carrying out this method comprises at least one fuel cell with at least one element, wherein the electrical resistance of the element is temperature-dependent. The method comprises the following steps:

• Providing at least one current-voltage characteristic of a single cell of the fuel cell stack, the characteristic representing the relationship between voltage U and current I of the cell. Alternatively, a plurality of current-voltage characteristics are provided, each characteristic indicating the relationship between voltage U and current I of the cell for different mass flows or operating pressures of the anode and / or cathode operating media,
• • Determining the voltage U of the single cell or the fuel cell stack, from which the voltage U of each individual cell of the stack can be determined.
• Determining the resistance R of the short-circuit element as a function of the determined voltage U.
• Determining the temperature T of the single cell as a function of the determined resistance R of the short-circuit element.
• • Determine the operational readiness when the temperature reaches or exceeds a predetermined temperature threshold, preferably from 0 ° C.

Aus diesem Verfahren resultiert der Vorteil, dass eine direkte Rückkopplung vorliegt, ob eine Brennstoffzelle durch Eis blockiert ist. Diese Rückkopplung gilt damit auch für den Brennstoffzellenstapel. Weitere Messmittel, etwa Temperatursensoren sind damit nicht notwendig. From this method results the advantage that there is a direct feedback whether a fuel cell is blocked by ice. This feedback also applies to the fuel cell stack. Further measuring means, such as temperature sensors are not necessary.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine Schnittzeichnung eines Brennstoffzellenausschnitts, 1 a sectional drawing of a fuel cell cut,

2 eine Membran-Elektroden-Einheit in einer Aufsicht, 2 a membrane-electrode unit in a plan view,

3 eine Vergrößerung einer Schnittzeichnung, 3 an enlargement of a sectional drawing,

4 eine perspektivische Ansicht auf eine MEA, 4 a perspective view of an MEA,

5 einen Brennstoffzellenstapel mit Ausschnitt, 5 a fuel cell stack with cutout,

6 eine schematische Darstellung von Kombinationen an Elementen, 6 a schematic representation of combinations of elements,

7 eine Schnittzeichnung durch einen Brennstoffzellenausschnitt. 7 a sectional view through a fuel cell cut.

1 zeigt den schematischen Aufbau eines Ausschnitts eines Brennstoffzellenstapels mit zwei exemplarischen Einzelzellen in einem Schnittbild. 1 shows the schematic structure of a section of a fuel cell stack with two exemplary individual cells in a sectional view.

Jede Einzelzelle weist eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 101 auf. Die MEA 101 besteht aus einer Membran 103, die auf ihrer ersten Membranseite 106 eine Anodenschicht 102 aufweist und auf ihrer zweiten Membranseite 107 eine Kathodenschicht 104. Die Anoden- beziehungsweise Kathodenschichten 102, 104 können direkt auf die Membranseiten 106, 107 aufgebracht und ausgehärtet sein. In diesem Fall wird die MEA auch als katalytisch beschichtete Membran oder CCM (Catalyst Coated Membrane) bezeichnet. Each single cell has a membrane-electrode unit (MEA) 101 on. The MEA 101 consists of a membrane 103 on her first membrane side 106 an anode layer 102 and on its second membrane side 107 a cathode layer 104 , The anode or cathode layers 102 . 104 can directly on the membrane sides 106 . 107 applied and cured. In this case, the MEA is also referred to as catalytically coated membrane or CCM (Catalyst Coated Membrane).

Die CCM 105 ist beidseitig von einer elektrisch leitfähigen und gasdurchlässigen Gasdiffusionsschicht 108, 109 kontaktiert. Die erste Gasdiffusionsschicht 108 und auch die zweite Gasdiffusionsschicht 109 sind dazu auf die CCM 105 aufgelegt. Die Gasdiffusionsschichten 108, 109 grenzen an Bipolarplattenhälften 202 an. The CCM 105 is on both sides of an electrically conductive and gas-permeable gas diffusion layer 108 . 109 contacted. The first gas diffusion layer 108 and also the second gas diffusion layer 109 are on the CCM 105 hung up. The gas diffusion layers 108 . 109 borders on bipolar plate halves 202 at.

Zwei Bipolarplattenhälften 202 bilden eine Bipolarplatte 201. In den Bipolarplattenhälften sind Kathodengaskanäle 203 zum Leiten von Kathodenbetriebsgas und Anodengaskanäle 204 zum Leiten von Anodenbetriebsgas vorhanden. Die Bipolarplattenhälften 202 haben darüber hinaus Kühlkanäle 205. Diese dienen einem Kühlen der Bipolarplatten 201 von innen. Two bipolar plate halves 202 form a bipolar plate 201 , In the bipolar plate halves are cathode gas channels 203 for conducting cathode operating gas and anode gas channels 204 for conducting anode operating gas. The bipolar plate halves 202 also have cooling channels 205 , These serve to cool the bipolar plates 201 from the inside.

Mehrere abwechselnd gestapelte Bipolarplatten 201 und Membran-Elektroden-Einheiten 101 bilden einen Brennstoffstapel 115. Several alternating stacked bipolar plates 201 and membrane-electrode assemblies 101 make a fuel stack 115 ,

2 zeigt eine Membran-Elektroden-Einheit 101 in einer Aufsicht. Die MEA 101 ist durch eine rahmenartige Randverstärkung 116 stabilisiert. 2 shows a membrane electrode assembly 101 in a supervision. The MEA 101 is by a frame-like edge reinforcement 116 stabilized.

Von links nach rechts ist die Membran-Elektroden-Einheit 101 in fünf Bereiche gegliedert, die in der Figur jeweils durch eine umlaufende unterbrochene Linie markiert ist: In einen ersten Austauschbereich 110, einen ersten Weiterleitungsbereich 111, einen Reaktionsbereich 112, einen zweiten Weiterleitungsbereich 113 und einen zweiten Austauschbereich 114. From left to right is the membrane electrode assembly 101 divided into five areas, which is marked in the figure by a continuous broken line: In a first exchange area 110 , a first forwarding area 111 , a reaction area 112 , a second forwarding area 113 and a second exchange area 114 ,

Die 2 zeigt, dass in den ersten Austauschbereich 110 einzelne Einlassöffnungen 1101 eingelassen sind. Die Einlassöffnungen 1101 dienen zum Einleiten von Kühlmittel 1102 und den Anoden- und Kathodenbetriebsgasen 1103. Die Einlassöffnungen 1101 sind einzeln mit jeweils einer umlaufenden Dichtung (dicke Linie) gegen eine angrenzende Bipolarplattenhälfte (in 2 nicht dargestellt) gedichtet. Zusätzlich können die Einlassöffnungen 1101 mit einer den gesamten Austauschbereich 110 umlaufenden Dichtung abgedichtet sein. Das Dichten der Einlassöffnungen 1101 einzeln und als Bereich erhöht die Sicherheit für den Fall einer Leckage. The 2 shows that in the first exchange area 110 individual inlet openings 1101 are admitted. The inlet openings 1101 serve to introduce coolant 1102 and the anode and cathode operating gases 1103 , The inlet openings 1101 are individually, each with a circumferential seal (thick line) against an adjacent Bipolarplattenhälfte (in 2 not shown) sealed. In addition, the inlet openings 1101 with one the entire exchange area 110 be sealed circumferential seal. The sealing of the inlet openings 1101 individually and as an area increases safety in the event of leakage.

Entsprechend weist der zweite Austauschbereich 114 Auslassöffnungen 1141 zum Ableiten des Kühlmittels 1102 und der Anoden- und Kathodenbetriebsgase 1103 auf sowie umlaufende Dichtungen 117. Accordingly, the second exchange area 114 outlet 1141 for draining the coolant 1102 and the anode and cathode operating gases 1103 on and circumferential seals 117 ,

Der erste Austauschbereich 110 stellt somit die Einlassseite der MEA 101 dar und wird auch als Inlet bezeichnet, während der zweite Austauschbereich 114 die Auslassseite bildet und als Outlet bezeichnet wird. The first exchange area 110 thus provides the inlet side of the MEA 101 and is also referred to as Inlet, while the second exchange area 114 forms the outlet side and is referred to as outlet.

Der Reaktionsbereich 112, welcher auch als aktiver Bereich bezeichnet wird, beschreibt einen Bereich einer MEA 101, der zwischen dem ersten und zweiten Weiterleitungsbereich 111, 113 liegt und sich durch die Anwesenheit der Kathode und Anode, also der katalytischen Beschichtung auszeichnet. Somit finden im Betrieb der Brennstoffzelle im Reaktionsbereich 112 die Strom erzeugenden chemischen Reaktionen statt. The reaction area 112 , which is also referred to as an active area, describes a portion of an MEA 101 that is between the first and second forwarding area 111 . 113 is and is characterized by the presence of the cathode and anode, so the catalytic coating. Thus, during operation, the fuel cell will find itself in the reaction zone 112 the power generating chemical reactions take place.

Im ersten Weiterleitungsbereich 111 werden das Anodenbetriebsgas 1103, wie Sauerstoff oder Luft, und das Kathodenbetriebsgas 1103, beispielsweise Wasserstoff oder ein anderer Brennstoff, von den Einlassöffnungen 1101 zu den katalytischen Elektroden des Reaktionsbereichs 102 geführt und in diesen verteilt. Im zweiten Weiterleitungsbereich 113 werden das Anoden und Kathodenbetriebsgas 1103 aus dem Reaktionsbereich 102 abgeführt und den Auslassöffnungen 1141 zugeführt. Ebenso strömt das Kühlmittel 1102 innerhalb einer angrenzenden Bipolarplatte aus der entsprechenden Einlassöffnung 1101 und wird parallel zu dem ersten Weiterleitungsbereich 111, den Reaktionsbereich 102, den zweiten Weiterleitungsbereich 113 in die entsprechende Auslassöffnung 1141 geführt. In den Weiterleitungsbereichen 111, 114 findet keine chemische Reaktion der Reaktanten statt. Bevorzugt ist in den Weiterleitungsbereichen 111, 113 daher keine katalytische Beschichtung vorhanden. Jedoch kann die rahmenartige Randverstärkung 116 sich vorteilhaft bis über die Weiterleitungsbereiche 111, 113 erstrecken. Weiterleitungsbereiche 111, 113 werden auch als Plenum, Verteilerbereich, Übergangsbereich oder Kreuzflussregion bezeichnet. In the first forwarding area 111 become the anode operating gas 1103 such as oxygen or air, and the cathode operating gas 1103 , For example, hydrogen or other fuel, from the inlet openings 1101 to the catalytic electrodes of the reaction area 102 led and distributed in these. In the second forwarding area 113 become the anode and cathode operating gas 1103 from the reaction area 102 discharged and the outlet openings 1141 fed. Likewise, the coolant flows 1102 within an adjacent bipolar plate from the corresponding inlet port 1101 and becomes parallel to the first forwarding area 111 , the reaction area 102 , the second forwarding area 113 into the corresponding outlet opening 1141 guided. In the forwarding areas 111 . 114 There is no chemical reaction of the reactants. Preferred is in the forwarding areas 111 . 113 therefore no catalytic coating available. However, the frame-like edge reinforcement can 116 advantageous over the forwarding areas 111 . 113 extend. Forwarding areas 111 . 113 are also referred to as plenum, manifold region, transition region, or cross-flow region.

Die Weiterleitungsbereiche 111, 113 werden zusammen mit den Austauschbereichen 110, 114 auch als sogenannte inaktive Bereiche bezeichnet. The forwarding areas 111 . 113 be together with the exchange areas 110 . 114 also referred to as so-called inactive areas.

Die ersten und zweiten Weiterleitungsbereiche 111, 114 sind zusammen mit dem Reaktionsbereich 102 ebenfalls separat durch eine umlaufende erste Dichtung 1112 gedichtet und bilden den hier sechseckigen Dichtungsbereich 1171 (in 2 zusätzlich durch das sechseckige Symbol angedeutet). Die erste Dichtung 1112 ist beispielsweise als Vollgummilippe in eine vorgelaserte Dichtrille der Randverstärkung 116 (nicht dargestellt) eingelegt oder auf die Randverstärkung 116 aufgespritzt. The first and second forwarding areas 111 . 114 are together with the reaction area 102 also separately by a circumferential first seal 1112 sealed and make this one Hexagonal sealing area 1171 (in 2 additionally indicated by the hexagonal symbol). The first seal 1112 is for example as a solid rubber lip in a pre-lasered sealing groove of the edge reinforcement 116 (not shown) inserted or on the edge reinforcement 116 sprayed.

Erfindungsgemäß ist innerhalb des Dichtungsbereichs 1171 ein Element 1111 (Kurzschlusselement) angeordnet, das ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem geeigneten Parameter einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 102 und der Kathode 104 der Membran-Elektroden-Einheit herzustellen (siehe auch 2). Das Kurzschlusselement 1111 kann in einem oder beiden Weiterleitungsbereichen 111, 113 und/oder in dem Reaktionsbereich 102 angeordnet sein. Zumindest im Fall der Anordnung in einem Weiterleitungsbereich 111, 113, wo keine Anoden- beziehungsweise Kathodenbeschichtung vorliegt, erfolgt der elektrische Kurzschluss über die angrenzenden Gasdiffusionsschichten 108 und 109. Das Element kann in unterschiedlichen Ausführungsformen eine Diode, ein Feldeffekttransistor oder ein PTC-Element sein. Kombinationen von diesen sind ebenfalls von Vorteil. According to the invention is within the sealing area 1171 an element 1111 (Short-circuit element), which is designed, depending on a suitable parameter, an electrical short circuit between the anode 102 and the cathode 104 to produce the membrane-electrode assembly (see also 2 ). The short-circuit element 1111 can be in one or both forwarding areas 111 . 113 and / or in the reaction area 102 be arranged. At least in the case of the arrangement in a forwarding area 111 . 113 where no anode or cathode coating is present, the electrical short circuit occurs via the adjacent gas diffusion layers 108 and 109 , The element may in various embodiments be a diode, a field effect transistor or a PTC element. Combinations of these are also beneficial.

In dem in 2 dargestellten Beispiel ist das Kurzschlusselement 1111 innerhalb des ersten Weiterleitungsbereichs 111 angeordnet und dort durch eine optionale zweite Dichtung 1113 separat gedichtet. Dazu ist es von zwei Metallplatten umgeben, die entlang ihres Randes miteinander gedichtet sind, sodass das Element 1111 gedichtet zwischen den Metallplatten liegt. Damit das Element 1111 zwischen den Metallplatten fixiert ist, ist es mit einer Feder zwischen den Metallplatten gespannt. Das Element 1111 durchbricht die MEA 101, sodass es die erste Gasdiffusionsschicht mit der zweiten Gasdiffusionsschicht verbindet (nicht dargestellt). In the in 2 The example shown is the short-circuit element 1111 within the first forwarding area 111 arranged and there by an optional second seal 1113 sealed separately. For this purpose it is surrounded by two metal plates which are sealed together along their edge, so that the element 1111 sealed between the metal plates. So the element 1111 is fixed between the metal plates, it is stretched with a spring between the metal plates. The element 1111 breaks through the MEA 101 such that it connects the first gas diffusion layer to the second gas diffusion layer (not shown).

In einer weiteren Ausführungsform kann das Element auch mehrfach verbaut sein. Eine Möglichkeit ist der Verbau eines Elements auf der Einlassseite und eines zweiten Elementes auf der Auslassseite. Das zweite Element kann ebenfalls eine Diode, ein Feldeffekttransistor oder ein PTC-Element sein. Je nach Bedarfsfall können die Anzahl an Elementen und die Kombinatorik ihrer Ausführungen als Diode, Feldeffekttransistor oder PTC-Element verändert werden. In a further embodiment, the element can also be installed several times. One possibility is the installation of an element on the inlet side and a second element on the outlet side. The second element may also be a diode, a field effect transistor or a PTC element. If necessary, the number of elements and the combinatorics of their versions as a diode, field effect transistor or PTC element can be changed.

In der vorliegenden Ausführungsform ist das Element 1111 in den ersten Weiterleitungsbereich 111 eingegossen. Das ist alternativ oder zusätzlich auch im zweiten Weiterleitungsbereich 113 möglich. Die Ober- und die Unterseite des Elements 1111 liegen an der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht an (nicht dargestellt). Da die Gasdiffusionsschichten elektrisch leitfähig sind, kann das Element 1111 einen Kurzschluss zwischen der Kathode und der Anode schalten (nicht dargestellt). Dies tut es in Abhängigkeit einer bestimmten Temperatur, eines bestimmten Außendrucks, einer bestimmten Stromspannung oder einer bestimmten Gaskonzentration an Wasserstoff oder Sauerstoff. Das Element 1111 ist so ausgebildet, dass es unter normalen Betriebsbedingungen der Brennstoffzellen nicht elektrisch leitfähig ist. In the present embodiment, the element is 1111 in the first forwarding area 111 cast. This is alternatively or additionally also in the second forwarding area 113 possible. The top and bottom of the item 1111 are applied to the first and second gas diffusion layers (not shown). Since the gas diffusion layers are electrically conductive, the element 1111 to switch a short circuit between the cathode and the anode (not shown). This is done depending on a certain temperature, a certain external pressure, a certain voltage or a certain gas concentration of hydrogen or oxygen. The element 1111 is designed so that it is not electrically conductive under normal operating conditions of the fuel cells.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Element 1111 nicht direkt durch einen Betriebsparameter, sondern durch einen Stellparameter einer elektronischen Einrichtung geschaltet werden. Der Stellparameter kann dabei von einer Vielzahl von Voraussetzungen abhängig sein. Im Fahrzeugbau ist dies zum Beispiel die Position des Fahrzeugs. Denn dieser beinhaltet den Breitengrad und/oder die Höhe über Normalnull. Die elektronische Einrichtung kennt ferner die Historie unterschiedlicher Fahrer, deren Fahrverhalten und deren gewünschtes Fahrzeugleistungsprofil. Bei Fahrern, die sich erst im Fahrzeug einrichten, der Zeit zwischen Türöffnen und Fahrzeugstart, kann ein langsameres Erwärmen des Elements 1111 eingestellt werden. In a further embodiment, the element 1111 not be switched directly by an operating parameter, but by an adjusting parameter of an electronic device. The setting parameter can be dependent on a variety of conditions. In vehicle construction, this is, for example, the position of the vehicle. Because this includes latitude and / or altitude above sea level. The electronic device also knows the history of different drivers, their driving behavior and their desired vehicle performance profile. For drivers who first set themselves up in the vehicle, the time between door opening and vehicle startup, a slower heating of the element 1111 be set.

Um eine hohe Druckstabilität zu erreichen, ist in einer weiteren Ausführungsform der erste Weiterleitungsbereich 111 in Teilen, Untersegmenten oder im Ganzen mit der ihn benachbarten Bipolarplattenhälfte verklebt oder verschweißt (nicht dargestellt). Derartige gefügte Dichtungen halten hohen Temperaturen oder Gaskonzentrationen stand. In order to achieve a high pressure stability, in a further embodiment, the first forwarding area 111 glued or welded in parts, subsegments or in the whole with its adjacent Bipolarplattenhälfte (not shown). Such joined seals withstand high temperatures or gas concentrations.

Der Reaktionsbereich 112 untergliedert sich in eine Membran (nicht dargestellt), sowie eine in der Aufsicht zu sehende darauf aufgetragene Kathode 102 beziehungsweise Kathodenbeschichtung 102. Die Kathode 102 ist also auf einer ersten Membranseite 106 (in der vorliegenden Ansicht die Oberseite der Membran) angebracht. Hingegen ist die Anode (nicht dargestellt) auf einer zweiten Membranseite 107 (in der vorliegenden Ansicht die Unterseite der Membran) angebracht. The reaction area 112 is subdivided into a membrane (not shown) and a cathode to be seen in the plan view 102 or cathode coating 102 , The cathode 102 So it is on a first membrane side 106 (In the present view, the top of the membrane) attached. On the other hand, the anode (not shown) is on a second side of the membrane 107 (In the present view, the underside of the membrane) attached.

3 zeigt eine Vergrößerung einer Schnittansicht einer Zelle eines Brennstoffzellenstapels 115. 3 lehrt eine MEA 301. Ein elektrisch leitfähiges Element 307 ist im aktiven Bereich angeordnet. Die MEA 301 umfasst eine Membran 302, die beidseitig eine Katalysatorenbeschichtung 303 aufweist. Diese Katalysatorenbeschichtung ist jeweils von einer Gasdiffusionsschicht 304 umgeben. Die MEA 301 liegt zwischen zwei Bipolarplattenhälften 305. Die Figur lehrt, dass ein Element 306 in der MEA 301 eingesetzt ist. Das Element 306 durchbricht die Membran 302 und die Katalysatorenbeschichtung 303. Somit steht es mit der Katalysatorenbeschichtung 303 in elektrischem Kontakt 306. Ebenfalls liegt ein elektrischer Kontakt zwischen Element 306 und Gasdiffusionsschicht 304 vor. Wenn das Element 306 also keinen elektrischen Widerstand aufweist, dann schließt es die MEA 101 kurz. Im umgekehrten Fall, wenn es einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, isoliert es die Katalysatorenbeschichtung 303, sodass zwischen ihnen ein Potential entsteht. 3 shows an enlargement of a sectional view of a cell of a fuel cell stack 115 , 3 teaches an MEA 301 , An electrically conductive element 307 is located in the active area. The MEA 301 includes a membrane 302 , the two sides a catalyst coating 303 having. This catalyst coating is each of a gas diffusion layer 304 surround. The MEA 301 lies between two bipolar plate halves 305 , The figure teaches that one element 306 in the MEA 301 is used. The element 306 breaks through the membrane 302 and the catalyst coating 303 , Thus it is with the catalyst coating 303 in electrical contact 306 , There is also an electrical contact between element 306 and gas diffusion layer 304 in front. If the element 306 so has no electrical resistance, then closes it the MEA 101 short. Conversely, if it has a high electrical resistance, it will insulate the catalyst coating 303 so that there is potential between them.

Die Funktion des Elements 306 ist in einem vergrößerten Ersatzschema dargestellt. Das Ersatzschema zeigt die Aufgabe des Elements 306. Die Aufgabe des Elements 306 entspricht der eines Potentiometers. Dieses ändert seine Leitfähigkeit 307 in Abhängigkeit eines Parameters, wie der Temperatur. The function of the element 306 is shown in an enlarged replacement scheme. The replacement scheme shows the task of the item 306 , The task of the element 306 corresponds to that of a potentiometer. This changes its conductivity 307 depending on a parameter, such as the temperature.

Das Element 306 produziert Wärme, sodass sich die MEA 301 erwärmt. Die Gesamtwärme der MEA 301 ist die Summe aus der elektrochemischen Ineffizienz. Sie summiert sich aus der Wärme, die von der Membran-Elektroden-Einheit 301 abgestrahlt wird und der Wärme des Elements 306. The element 306 produces heat, so that the MEA 301 heated. The total heat of the MEA 301 is the sum of the electrochemical inefficiency. It adds up to the heat generated by the membrane-electrode assembly 301 is radiated and the heat of the element 306 ,

Das Element 306 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein PTC-Element. Daher ist die Gesamtwärme direkt proportional zur angelegten Last an die Membran-Elektronen-Einheit 301 und des PTC-Elements. Ein PTC-Element beschreibt ein Bauelement, das temperaturabhängige Eigenschaften aufweist. Insbesondere beschreibt es temperaturabhängige elektrische Widerstände. Die Abkürzung PTC steht für Positiver Temperatur-Coeffizient. Andere bekannte Bezeichnungen für PTC-Elemente sind PTC-Heizelement oder PTC-Kurzschlusselement. Die Schalttemperatur ist die Temperatur bei der ein PTC-Element seinen Widerstand erhöht. Ein PTC-Element ändert seinen Widerstand in Abhängigkeit seiner Schalttemperatur. Die Schalttemperatur eines PTC-Elements liegt beim Betrieb von Brennstoffzellen für Fahrzeuge im Bereich von 50 bis 70°C. The element 306 is a PTC element in the present embodiment. Therefore, the total heat is directly proportional to the applied load on the membrane-electron unit 301 and the PTC element. A PTC element describes a device that has temperature-dependent properties. In particular, it describes temperature-dependent electrical resistances. The abbreviation PTC stands for Positive Temperature Coefficient. Other known designations for PTC elements are PTC heating element or PTC shorting element. The switching temperature is the temperature at which a PTC element increases its resistance. A PTC element changes its resistance depending on its switching temperature. The switching temperature of a PTC element is in the operation of fuel cells for vehicles in the range of 50 to 70 ° C.

Eine MEA muss erwärmt werden, damit sie eine Leerlaufspannung aufweist. Eine erwärmte MEA, das heißt eine MEA deren Kühlmittelflüssigkeit eine Temperatur größer 0°C aufweist, weist die Leerlaufspannung auf, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Die Leerlaufspannung wird auch OPC genannt. Das Kürzel OCV bedeutet Open Circuit Voltage. Es beschreibt eine Leerlaufspannung. Die Leerlaufspannung einer Brennstoffzelle ist die Spannung, die an einer Zelle anliegt, wenn kein Verbraucher zugeschaltet ist. Eine Zelle beschreibt eine MEA zusammen mit den beiden ihr zugeordneten Gasdiffusionsschichten und Bipolarplattenhälften. Wenn das Element 306 gemäß einer alternativen Ausführungsform in einem inaktiven Weiterleitungsbereich (111, 113, 2) angeordnet ist, sind in diesem Bereich keine Katalysatorbeschichtungen 303 vorhanden. In diesem Fall kontaktiert das Element 306 die beiden Gasdiffusionsschichten 304 (nicht dargestellt beziehungsweise 108, 109, 1). Die Funktionsweise entspricht der vorgenannten. An MEA must be heated to have an open circuit voltage. A heated MEA, that is, an MEA whose coolant liquid has a temperature greater than 0 ° C, has the open circuit voltage when no consumer is connected. The open circuit voltage is also called OPC. The abbreviation OCV means Open Circuit Voltage. It describes an open circuit voltage. The open circuit voltage of a fuel cell is the voltage applied to a cell when no load is switched on. One cell describes an MEA along with the two associated gas diffusion layers and bipolar plate halves. If the element 306 according to an alternative embodiment in an inactive forwarding area ( 111 . 113 . 2 ), are not catalyst coatings in this range 303 available. In this case, the element contacts 306 the two gas diffusion layers 304 (not shown or 108 . 109 . 1 ). The operation corresponds to the aforementioned.

4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Membran-Elektroden-Einheit 401. Die Figur zeigt eine MEA 401 mit zwei Gasdiffusionsschichten 401, 402. Die MEA 401 wird von einer Randverstärkung 404 gehalten. Die 4 lehrt unterschiedliche Positionen, um ein Element 403 zu platzieren. 4 shows a perspective view of a membrane electrode assembly 401 , The figure shows an MEA 401 with two gas diffusion layers 401 . 402 , The MEA 401 is from an edge reinforcement 404 held. The 4 teaches different positions to an element 403 to place.

Das Element 403 kann innerhalb der MEA 401 platziert sein (rechte Seite der Darstellung). Dazu ist es in die Membran 408 zwischen Kathode und der Anode geklemmt. Dann ist es automatisch auch im Reaktionsbereich 406 platziert. Das Element 401 ist separat gedichtet (nicht dargestellt) The element 403 can be within the MEA 401 be placed (right side of the illustration). It is in the membrane 408 clamped between the cathode and the anode. Then it is automatically in the reaction area 406 placed. The element 401 is sealed separately (not shown)

In einer weiteren Ausführungsform ist das Element 403 auf einer Seite der Membran 408 im Weiterleitungsbereich 405 angeordnet, zum Beispiel aufgeklebt. Es durchbricht die Membran selber nicht. Eine Bohrung (nicht dargestellt) durch die Membran 408, die mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt ist, übernimmt diese Aufgabe. In another embodiment, the element is 403 on one side of the membrane 408 in the forwarding area 405 arranged, for example glued. It does not break through the membrane itself. A bore (not shown) through the membrane 408 , which is filled with an electrically conductive material, takes over this task.

In einer weiteren Ausführungsform ist auch ein Platzieren des Elements 403 innerhalb der Randverstärkung 404 möglich (linke Seite der Darstellung). Damit liegt es im Weiterleitungsbereich 405. Die Randverstärkung dient in erster Linie der mechanischen Stützung der Membran und ist undurchlässig für die Betriebsmittel. Die Randverstärkung 404 kann eine Folie oder ein Blech sein, dass Öffnungen, sowie Ein- und Auslassöffnungen (1101, 1141, 2), aufweist. In einigen Fällen ist die Randverstärkung 404 in Teilen oder ganz aus Gummi oder anderen nicht elektrisch leitenden Materialen 407 hergestellt. In a further embodiment, placing the element is also possible 403 within the edge reinforcement 404 possible (left side of the illustration). This puts it in the forwarding area 405 , The edge reinforcement serves primarily to mechanically support the membrane and is impermeable to the equipment. The edge reinforcement 404 may be a foil or a sheet that has openings, as well as inlet and outlet openings ( 1101 . 1141 . 2 ), having. In some cases, the edge reinforcement is 404 in parts or entirely of rubber or other non-electrically conductive materials 407 produced.

Das Element 403 kann in der vorliegenden Ausführungsform ein PTC-Element, eine Diode oder Feldeffekttransistor sein. The element 403 may be a PTC element, a diode or field effect transistor in the present embodiment.

5 lehrt eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 501. Der Brennstoffzellenstapel 501 besteht aus Bipolarplatten 502, die MEA 504 zwischen sich lagern. Die Ausführungsform lehrt, dass die Membran 505 der MEA 504 von einem Element 503 durchbrochen ist. Das Element 505 liegt in einem Weiterleitungsbereich 506, wobei das Element 505 ein Schalter 5031, ein Feldeffekttransistor 5032, eine Diode 5033 oder ein Widerstand 5034 ist. Der Feldeffekttransistor ist ein MOSFET. 5 teaches an embodiment of a fuel cell stack 501 , The fuel cell stack 501 consists of bipolar plates 502 , the MEA 504 store between them. The embodiment teaches that the membrane 505 the MEA 504 from an element 503 is broken. The element 505 lies in a forwarding area 506 , where the element 505 a switch 5031 , a field effect transistor 5032 , a diode 5033 or a resistance 5034 is. The field effect transistor is a MOSFET.

6 zeigt unterschiedliche Ausführungsformen der Elemente 601, wie Schalter, Dioden, Widerstände und Feldeffekttransistoren. Diese werden im Reaktionsbereich oder im Weiterleitungsbereich der MEA kombiniert. Die Einlassseite, erster Weiterleitungsbereich 111 in 2, ist durch ein I (Inlet) gekennzeichnet, die Auslassseite, zweiter Weiterleitungsbereich 114 in 2, ist mit einem O (Outlet) gekennzeichnet. Dargestellt sind unterschiedliche Kombinationen von PTC-Element, Diode, Feldeffekttransistor und offener Einlassöffnung beziehungsweise offener Auslassöffnung. Von oben nach unten zeigt 6 die Kombination eines Schalters auf der Einlassseite mit einer Diode auf der Auslassseite. 6 shows different embodiments of the elements 601 such as switches, diodes, resistors and field effect transistors. These are combined in the reaction area or in the forwarding area of the MEA. The inlet side, first forwarding area 111 in 2 , is characterized by an I (inlet), the outlet side, second transmission area 114 in 2 , is marked with an O (outlet). Shown are different combinations of PTC element, diode, Field effect transistor and open inlet opening or open outlet opening. From top to bottom shows 6 the combination of a switch on the inlet side with a diode on the outlet side.

Bei den Dioden handelt es sich um thermische Dioden. In der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um eine thermische Diode, die als Temperatursensor aus dem Personal Computer Betrieb als Schottky Diode bekannt ist. Diese Schottky-Dioden sind günstig in großem Volumen einkaufbar. Ferner weisen sie nach der US5955793 positive Eigenschaften auf. So erreichen die dort beschriebenen Dioden >100mV/°C im Arbeitsbereich von 5°C–20°C. In diesen Bereich werden zahlreiche Dioden als Temperatursensoren eingesetzt. The diodes are thermal diodes. In the present embodiment is a thermal diode, which is known as a temperature sensor from the personal computer operation as a Schottky diode. These Schottky diodes are cheap to buy in large volume. Furthermore, they show after the US5955793 positive characteristics. The diodes described here reach> 100mV / ° C in the working range of 5 ° C-20 ° C. In this area, numerous diodes are used as temperature sensors.

In einer alternativen Ausführungsform ist eine nicht thermisch antwortende Diode verbaut. Derartige Dioden sind bekannt, um vor einer Zellumpolung zu schützen. In an alternative embodiment, a non-thermally responsive diode is installed. Such diodes are known to protect against cell reversal.

In einer zweiten Kombination ist ein temperaturempfindlicher Widerstand, ein PTC-Element auf der Einlassseite und ein zweites PTC-Element auf der Auslassseite vorhanden. Mittels dieser Kombination aus zwei PTC-Elementen können Kühlmittelflüssigkeiten und Gase im Einlass- und Auslassbereich in unterschiedlichen Temperaturbereichen erwärmt werden. Denn die beiden PTC-Elemente schalten ihren Widerstand in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Schalttemperaturen unterschiedlich. Dieses ist im Diagramm rechts in 5 erläutert. Das PTC-Element auf der Seite des Einlasses weist eine Schalttemperatur von –5°C bis 5°C auf. Das PTC-Element auf der Seite des Auslasses hingegen weist eine Schalttemperatur von 30°C auf. In a second combination, there is a temperature sensitive resistor, a PTC element on the inlet side and a second PTC element on the outlet side. This combination of two PTC elements allows coolant liquids and gases in the inlet and outlet areas to be heated in different temperature ranges. Because the two PTC elements switch their resistance differently depending on their respective switching temperatures. This is in the diagram to the right in 5 explained. The PTC element on the side of the inlet has a switching temperature of -5 ° C to 5 ° C. The PTC element on the side of the outlet, however, has a switching temperature of 30 ° C.

In der dargestellten Ausführungsform ist ein PTC-Element in keramischer Ausführung dargestellt. Keramische PTC Elemente sind im Fahrzeugbau bekannt. Sie werden dort zum Entfrosten von Heckscheiben verwendet. In the illustrated embodiment, a PTC element is shown in ceramic design. Ceramic PTC elements are known in the automotive industry. They are used there for the defrosting of rear windows.

In weiterer Ausführungsform ist das PTC-Element eine Polymerausführung. Dabei handelt es sich um eine Matrix aus leitenden Partikeln, zum Beispiel Carbon, die in einem Polymer Halt findet. Derartige Polymerausführungen sind für hohe Stromspannungen ausgelegt. In another embodiment, the PTC element is a polymer design. It is a matrix of conductive particles, such as carbon, which finds support in a polymer. Such polymer designs are designed for high voltages.

In einer dritten Ausführungsform befindet sich auf der Einlassseite ein Schalter, hingegen ist die Auslassseite frei von Elementen 601. In a third embodiment, there is a switch on the inlet side, while the outlet side is free of elements 601 ,

Im vierten Fall ist die Einlassseite frei von Elementen 601, aber auf der Auslassseite befindet sich ein PTC-Element. In the fourth case, the inlet side is free of elements 601 but there is a PTC element on the outlet side.

7 zeigt einen Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapel 701. Innerhalb des Brennstoffzellenstapels 701 befinden sich zwei Bipolarplattenhälften 702, 703. Zwischen den Bipolarplattenhälften 702, 703 befindet sich eine Membran 706. Diese ist mittels der beiden Gasdiffusionsschichten 704, 705 mit den Bipolarplattenhälften verbunden. Die 7 zeigt ferner, dass die Membran 706 von einem Element 709 durch eine Folie 707 getrennt ist. Die Folie 707 ist stoffundurchlässig. Sie kann auch keinen Strom leiten. Somit isoliert sie das Element 709 von der MEA. Oberhalb und unterhalb des Elements ist dieses über Einlagen 708 mit der Gasdiffusionsschicht 704, 705 verbunden. Die Einlage 708 ist stoffundurchlässig aber elektrisch leitfähig. Wenn also das Element 709, ein PTC-Element oder eine Diode oder ein MOSFET seinen Widerstand ändert und ein Strom fließt, ist die MEA (nicht dargestellt) kurzgeschlossen. 7 shows a section of a fuel cell stack 701 , Inside the fuel cell stack 701 There are two bipolar plate halves 702 . 703 , Between the bipolar plate halves 702 . 703 there is a membrane 706 , This is by means of the two gas diffusion layers 704 . 705 connected to the bipolar plate halves. The 7 further shows that the membrane 706 from an element 709 through a foil 707 is disconnected. The foil 707 is fabric-impermeable. It also can not conduct electricity. Thus, it isolates the element 709 from the MEA. Above and below the element this is about deposits 708 with the gas diffusion layer 704 . 705 connected. The deposit 708 is fabric-impermeable but electrically conductive. So if the element 709 , a PTC element or a diode or a MOSFET changes its resistance and a current flows, the MEA (not shown) is shorted.

Vorschläge zu Bezeichnungen, Besonderheiten und Normen von Dichtungen sind in der DIN 3750 niedergelegt. Auch im Höischen, 29. Auflage S.311 wird das Thema Dichtungen kurz erläutert. Dort werden zum Beispiel unterschiedliche Dichtungsarten, wie Flachdichtungen oder Profildichtungen offenbart. Suggestions for designations, peculiarities and standards of seals are in the DIN 3750 resigned. Also in the Höischen, 29th edition p.311 the subject seals is briefly explained. There, for example, different types of seals, such as gaskets or gaskets are disclosed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

101 101

Membran-Elektroden-Einheit Membrane-electrode assembly

102 102

Kathode (Kathodenschicht) Cathode (cathode layer)

103 103

Membran membrane

104 104

Anode (Anodenschicht) Anode (anode layer)

105 105

CCM CCM

106 106

erste Membranseite first membrane side

107 107

zweite Membranseite second membrane side

108 108

erste Gasdiffusionsschicht first gas diffusion layer

109 109

zweite Gasdiffusionsschicht second gas diffusion layer

110 110

erster Austauschbereich first exchange area

1101 1101

Einlassöffnung inlet port

1102 1102

Kühlmittelflüssigkeit Coolant liquid

1103 1103

Reaktantengas reactant

111 111

erster Weiterleitungsbereich first forwarding area

1111 1111

Element (Kurzschlusselement) Element (short-circuit element)

1112 1112

erste Dichtung first seal

1113 1113

zweite Dichtung second seal

112 112

Reaktionsbereich reaction region

113 113

zweiter Weiterleitungsbereich second forwarding area

114 114

zweiter Austauschbereich second exchange area

1141 1141

Auslassöffnung outlet

115 115

Brennstoffzellenstapel fuel cell stack

116 116

Rahmen frame

117 117

Dichtung poetry

1171 1171

erster Dichtungsbereich first sealing area

201 201

Bipolarplatte bipolar

202 202

Bipolarplattenhälfte Bipolarplattenhälfte

203 203

Kathodengaskanäle Cathode gas channels

204 204

Anodengaskanäle Anode gas ducts

205 205

Kühlmittelkanal Coolant channel

301 301

MEA MEA

302 302

Membran membrane

303 303

Katalysatorenbeschichtung catalyst coating

304 304

Gasdiffusionsschicht Gas diffusion layer

305 305

Bipolarplattenhälfte Bipolarplattenhälfte

306 306

Element element

307 307

Leitfähigkeit conductivity

401 401

MEA MEA

402 402

Gasdiffusionssicht Gas diffusion layer

403 403

Element element

404 404

Randverstärkung edge reinforcement

405 405

Weiterleitungsbereich Forwarded Range

406 406

Reaktionsbereich reaction region

407 407

nicht elektrisch leitendes Material non-electrically conductive material

501 501

Brennstoffzellenstapel fuel cell stack

502 502

Bipolarplattenhälfte Bipolarplattenhälfte

503 503

Element element

5031 5031

Schalter switch

5032 5032

Feldeffekttransistor Field Effect Transistor

5033 5033

Diode diode

5034 5034

Widerstand resistance

504 504

MEA MEA

505 505

Membran membrane

506 506

Weiterleitungsbereich Forwarded Range

601 601

Element element

701 701

Brennstoffzellenstapel fuel cell stack

702 702

Bipolarplattenhälfte Bipolarplattenhälfte

703 703

Bipolarplattenhälfte Bipolarplattenhälfte

704 704

Gasdiffusionsschicht Gas diffusion layer

705 705

Gasdiffusionsschicht Gas diffusion layer

706 706

Membran membrane

707 707

Folie foil

708 708

Einlage inlay

709 709

Element element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• US 2010/0035090 A1 [0006] US 2010/0035090 A1 [0006]
• US 2010/0035090 [0007] US 2010/0035090 [0007]
• DE 102007048869 A1 [0008, 0010] DE 102007048869 A1 [0008, 0010]
• US 5955793 [0088] US 5955793 [0088]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• DIN 3750 [0096] DIN 3750 [0096]

Claims (15)

Membran-Elektroden-Einheit (101), umfassend eine Membran (103), eine an einer ersten Membranseite (106) angeordnete Anode (102) und eine an einer zweiten Membranseite (107) angeordnete Kathode (104), wobei die Membran-Elektroden-Einheit (101) in Aufsicht auf ihre Flachseiten einen Reaktionsbereich (112), mindestens einen Austauschbereich (110, 114), in welchem mindestens eine Einlassöffnung (1101) und mindestens eine Auslassöffnung (1141) zum Ein- und Ausleiten von Gas (1103) und Kühlmittelflüssigkeit (1102) ausgebildet sind, und mindestens einen zwischen Reaktionsbereich (112) und Austauschbereich (110, 114) angeordneten Weiterleitungsbereich (111, 113) aufweist, wobei die Membran-Elektroden-Einheit (101) mindestens einen den Weiterleitungsbereich (111) und den Reaktionsbereich (112) einschließenden ersten Dichtungsbereich (1171) zum Dichten der Membran-Elektroden-Einheit gegen eine Bipolarplatte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element (1111) vorhanden ist, das eine von mindestens einem Parameter abhängige elektrische Leitfähigkeit zum Kurzschließen der Anode (102) mit der Kathode (104) aufweist und das innerhalb des ersten Dichtungsbereichs (1171) angeordnet ist. Membrane electrode unit ( 101 ) comprising a membrane ( 103 ), one on a first membrane side ( 106 ) arranged anode ( 102 ) and one on a second membrane side ( 107 ) arranged cathode ( 104 ), wherein the membrane-electrode unit ( 101 ) in view of their flat sides a reaction area ( 112 ), at least one exchange area ( 110 . 114 ), in which at least one inlet opening ( 1101 ) and at least one outlet opening ( 1141 ) for introducing and removing gas ( 1103 ) and coolant liquid ( 1102 ) are formed, and at least one between reaction area ( 112 ) and exchange area ( 110 . 114 ) arranged forwarding area ( 111 . 113 ), wherein the membrane-electrode unit ( 101 ) at least one of the forwarding area ( 111 ) and the reaction area ( 112 ) enclosing first sealing area ( 1171 ) for sealing the membrane-electrode assembly against a bipolar plate, characterized in that at least one element ( 1111 ), which has an electrical conductivity dependent on at least one parameter for short-circuiting the anode ( 102 ) with the cathode ( 104 ) and that within the first sealing region ( 1171 ) is arranged. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine Temperatur, eine Gaskonzentration oder eine Stromspannung ist. Membrane-electrode assembly according to claim 1, characterized in that the parameter is a temperature, a gas concentration or a voltage. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1111) ein PTC-Element ist. Membrane-electrode assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the element ( 1111 ) is a PTC element. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1111) eine Diode ist. Membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the element ( 1111 ) is a diode. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1111) ein Feldeffekttransistor ist. Membrane-electrode assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the element ( 1111 ) is a field effect transistor. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1111) innerhalb des Weiterleitungsbereichs (111, 113) angeordnet ist, insbesondere in einem medienzuführenden Weiterleitungsbereich. Membrane-electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 1111 ) within the forwarding area ( 111 . 113 ) is arranged, in particular in a media-supplying forwarding area. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1111) innerhalb des Reaktionsbereichs (112) angeordnet ist. Membrane-electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 1111 ) within the reaction zone ( 112 ) is arranged. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Element zum Kurzschließen der Anode (102) mit der Kathode (104) vorhanden ist, das eine Diode ist. Membrane-electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized in that at least one second element for short-circuiting the anode ( 102 ) with the cathode ( 104 ), which is a diode. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Element zum Kurzschließen der Anode (102) mit der Kathode (104) vorhanden ist, das ein Feldeffekttransistor ist. Membrane-electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized in that at least one second element for short-circuiting the anode ( 102 ) with the cathode ( 104 ), which is a field effect transistor. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Element zum Kurzschließen der Anode (102) mit der Kathode (104) vorhanden ist, das ein PTC-Element ist. Membrane-electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized in that at least one second element for short-circuiting the anode ( 102 ) with the cathode ( 104 ), which is a PTC element. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Einheit (401) mindestens eine Randverstärkung (404) aufweist und die Randverstärkung (404) mindestens ein Element (403) zum Kurzschließen der Anode (102) mit der Kathode (104) aufweist. Membrane-electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane-electrode assembly ( 401 ) at least one edge reinforcement ( 404 ) and the edge reinforcement ( 404 ) at least one element ( 403 ) for short-circuiting the anode ( 102 ) with the cathode ( 104 ) having. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1111) durch eine zweite Dichtung (1113) separat gedichtet ist. The membrane electrode unit according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 1111 ) by a second seal ( 1113 ) is sealed separately. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1111) innerhalb einer Dichtungsmasse einstückig ausgebildet ist. Membrane-electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 1111 ) is formed integrally within a sealant. Membran-Elektroden-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (709) in der Membran (706) einstückig ausgebildet ist. Membrane-electrode assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the element ( 709 ) in the membrane ( 706 ) is integrally formed. Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Mehrzahl einander abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und Bipolarplatten (201). A fuel cell stack comprising a plurality of alternately arranged membrane-electrode assemblies ( 101 ) according to one of claims 1 to 14 and bipolar plates ( 201 ).

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