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HINTERGRUND
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(a) Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine intelligente Membran-Elektroden-Anordnung
(MEA) für eine Brennstoffzelle. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung eine intelligente MEA für eine Brennstoffzelle,
welche die Spannungen von Einheitszellen leicht messen kann und
Wärmeübertragung von einer äußeren
Niedrigtemperatur-Wärmequelle zu einem Katalysatorlayer
der MEA während eines Erhaltungszustands und bei Betrieb
des Brennstoffzellenstapels bei niedriger Temperatur verhindert.
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(b) Stand der Technik
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Ein
Brennstoffzellenstapel, welcher eine Hauptenergiequelle eines Fahrzeugs
mit Brennstoffzelle ist, ist eine Vorrichtung, die Elektrizität
durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Sauerstoff in der
Luft und Wasserstoff, zugeführt von Brennstoff, erzeugt.
Der bei einem Fahrzeug angewendete Brennstoffzellenstapel ist aus
mehreren hundert Einheitszellen zusammengesetzt, und jede Einheitszelle erzeugt
eine Spannung von ungefähr 0,6 bis 1,0 V.
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1 ist
ein schematisches Diagramm zur Illustration eines herkömmlichen
Brennstoffzellenstapels, der aus drei Einheitszellen zusammengesetzt ist.
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Wie
in der Figur gezeigt ist, weisen die Einheitszellen eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 100,
einen Gasdiffusionslayer (GDL) 102, einen Separator 103 und
eine Dichtung 101 für eine luftdichte Abdichtung
auf.
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Im
Allgemeinen wird die Spannung der Einheitszelle über einen
elektrischen Kontakt 104 überwacht, welcher an
dem Separator 103 als ein Messanschluss angeformt ist,
damit der Zustand der korrespondierenden Einheitszelle während
des Betriebs des Brennstoffzellenstapels geprüft werden
kann.
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Ein
derartiges Zellenspannungs-Überwachungssystem (CVMS: Cell
Voltage Monitor System) besitzt einen Messanschluss zur Bildung
des elektrischen Kontakts 104 mit dem Separator 103 und
eine Steuereinheit zur Messung der Spannung.
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Da
der Zellenstapel, wie oben erwähnt ist, für ein
Fahrzeug aus vielen hundert Einheitszellen zusammengesetzt ist,
benötigt es viel Zeit, um einen Spannungsanschluss an jeder
Einheitszelle nach Zusammenbau des Stapels anzuformen, was als ein Problem
betrachtet wird, das die Produktionsrate bei Massenherstellung des
Brennstoffzellenstapels beeinflusst.
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Gemäß einer
Technologie aus dem Stand der Technik, ist eine Vielzahl von Nuten
auf der späteren Oberfläche des Separators 103 gebildet,
und eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Anschlüssen, die
als Messanschlüsse dienen, sind nacheinander in die Nuten
eingebracht. Ein solcher Aufbau hat jedoch einige Nachteile, die
darin bestehen, dass die Separatoren durch Vibration und Stoß beschädigt
werden können, welche während des Fahrens des
Fahrzeugs erzeugt werden, wie in den Fotos von 3 und 4 gezeigt
ist. Außerdem kann die Kontakteigenschaft in Bezug auf
den Separator verschlechtert werden, und die Anschlüsse
können sich davon trennen. Zudem benötigt es viel
Zeit, die Anschlüsse nacheinander in die Nuten einzubringen.
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Um
derartige Nachteile zu beheben, offenbaren
US-Patent Nr. 6,410,176 und US-Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2003/0092292 Spannungsüberwachungssysteme, bei welchen
ein Elastomeranschluss dicht an der seitlichen Oberfläche
eines Separators anhaftet. Außerdem offenbart US-Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2002/0090540 eine elektrische Kontaktierungsvorrichtung für
eine elektrochemische Brennstoffzelle, bei welcher elektrische Kontakte
auf einer gedruckten Schaltung (PCB) gebildet sind, und die PCB
ist an der seitlichen Oberfläche eines Separators angebracht.
Ferner ist ein Verfahren zum Überwachen der Spannung unter
Verwendung eines elektrischen Kontaktanschlusses, an welchem eine
elastische Kraft unter Benutzung einer Feder hinzugefügt
ist, im Stand der Technik bekannt.
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Jedoch
weisen die oben beschriebenen Technologien aus dem Stand der Technik
einige gemeinsame Probleme auf, die darin bestehen, dass, da der
Abstand der Separatoren unregelmäßig ist, es ist
Fall eines Brennstoffzellenstapels, der aus einer kleinen Anzahl
von Einheitszellen zusammengesetzt ist, möglich ist, einen
Verbinder mit elastischen Kontaktanschlüssen, die in Serie
in Sicht einer Herstellungstoleranz des Brennstoffzellenstapels
angeordnet sind, zu konstruieren und den so konstruieren Verbinder
an einem Separator anzubringen; im Fall eines Brennstoffzellenstapels
jedoch, der aus mindestens 200 Einheitszellen zusammengesetzt ist,
ist es sehr schwierig, die Kontaktanschlüsse auf Grund von
Fertigungstoleranzen der gesamten Länge des Stapels zu
konstruieren.
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2 ist
ein schematisches Diagramm, welches eine herkömmliche MEA 100 illustriert.
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Wie
in 2 dargestellt ist, weist eine MEA 100 einen
Aufbau auf, in welchem eine Ionenaustauschermembran 200 (oder
einer Elektrolytmembran), die dazu geeignet ist, Wasserstoffprotonen
so zu übertragen, dass Wasserstoff und Sauerstoff miteinander
reagieren, mit einem Katalysatorlayer 201 auf beiden Seiten
beschichtet ist, und ein Trägerfilm 202 ist auf
beiden Seiten davon zur Verstärkung der Ionenaustauschermembran 202 und
zum Handhabungskomfort angeformt.
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Das
zu lösende Schlüsselproblem zum Erreichen der
Massenproduktion des Brennstoffzellenstapels ist eine Anlauffähigkeit
bei einer niedrigen Temperatur unter dem Gefrierpunkt.
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Unter
Bedingungen niedriger Temperaturen, wenn die Ionenleitfähigkeit
der Ionenaustauschermembran 20 deutlich herabgesetzt ist,
verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels.
Insbesondere wird Dampf, der durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff
und Sauerstoff generiert wird, an den Katalysatorlayern 201 zum
Gefrieren kommen und somit würde die Reaktion nicht auftreten.
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Dementsprechend
wird ein Starten der Brennstoffzelle bei einer Temperatur unter
dem Gefrierpunkt zu einem kritischer Punkt bei vielen Firmen und
Forschungsinstituten in Bezug auf die Brennstoffzelle.
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Um
die Start- bzw. Anlauffähigkeit bei einer niedrigen Temperatur
des Brennstoffzellenstapels zu verbessern, sollte die Temperatur
des Brennstoffzellenstapels auf einen normalen Zustand innerhalb
eines kurzen Zeitabschnitts angehoben werden, und die Verfahren,
welche zum Verbessern einer Startfähigkeit vorgeschlagen
worden sind, weisen Folgendes auf:
- 1) Installieren
einer elektrischen Heizvorrichtung in der Nachbarschaft einer Brennstoffzellenverbindungsvorrichtung
oder eines elektrischen Stromabnehmers, der an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels
angeordnet ist;
- 2) Umhüllen des Brennstoffzellenstapels mit einem Wärmedämmmaterial,
um zu verhindern, dass in den Brennstoffzellen erzeugte Wärme
in die Luft übertragen wird, und um die Wärme
zur Anhebung der Temperatur des Stapels zu nutzen;
- 3) Aufheizen eines Kühlmittels durch elektrische Energie,
die im anfänglichen Zustand des Betriebs des Brennstoffzellenstapels
erzeugt wird, und Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit dem
aufgeheizten Kühlmittel.
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Wie
oben beschrieben ist, sollte, um den Brennstoffzellenstapel bei
einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt zum Betrieb in einem normalen
Zustand zu starten, die Temperatur des Stapels auf eine Temperatur über
dem Gefrierpunkt innerhalb eines kurzen Zeitabschnitts angehoben
werden. Die Menge an Energie jedoch, die in dem Brennstoffzellenstapel
selbst generiert wird, während Wasser, Wärme und
Elektrizität durch die Reaktion zwischen Wasserstoff und
Sauerstoff erzeugt werden, ist nicht ausreichend genug, um die Temperatur
des Stapels über den Gefrierpunkt anzuheben.
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Insbesondere
sollten die Temperatur des Brennstoffzellenstapels die Schmelztemperatur
erreichen, bevor das Reaktionswasser an der Oberfläche
des Katalysatorlayers gefriert, und die elektrochemische Reaktion
in dem Brennstoffzellenstapel somit nicht auftreten kann. Um die
oben erwähnte Aufgabe zu lösen, offenbart US-Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2006/0240300 einen Verbrennungs-Auftau-Brennstoffzellenaufbau,
in welchem Verbrennungskammern anliegend an den Endzellen angeordnet
sind, um die Endzellen bei einem Kaltstart eines Brennstoffzellenstapels
durch Wärmeleitung zu erwärmen. US-Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2005/0277003 offenbart ein Brennstoffzellensystem, welches einen
Startheizer aufweist, der mit einer kalten Platte gekoppelt ist,
die ein Stapelkühlmittel beim Start des Systems erwärmt.
Außerdem offenbart
US-Patent
Nr. 6,916,566 ein System und Verfahren zum schnellen Vorwärmen
einer Brennstoffzelle für ein Kraftfahrzeug, wobei Druckluft von
einem Luftversorgungskompressor benutzt wird, um Brennstoffzellen
eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Wärmetauschers
zu erwärmen.
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Jedoch,
obwohl die oben beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik
Endzellen erwärmen, die der kalten Luft ausgesetzt sind,
um deren Temperatur zu erhöhen, können sie nicht
die Temperatur des gesamten Brennstoffzellenstapels anheben.
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Außerdem
erfordert das Verfahren zum Aufheizen eines Kühlmittels
durch elektrische Energie, die bei dem Anfangszustand des Betriebs
des Brennstoffzellenstapels generiert wird, oder unter Verwendung
eines Wärmetauschers viel Zeit, um ein dazwischen geschaltetes
Material zu erwärmen, und ist angesichts der Effektivität
des Wärmetauschers ineffizient.
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Weiterhin
ist das Verfahren zum Umhüllen des Brennstoffzellenstapels
mit einem Wärmedämmmaterial effektiv, um zu verhindern,
dass die Temperatur des Stapels absinkt, nachdem – bei
einer niedrigen Temperatur gefahren wurde, und um die Zeit zu verkürzen,
welche erforderlich ist, um die Temperatur des Stapels über
den Gefrierpunkt anzuheben, indem verhindert wird, dass die in dem
Stapel erzeugte Wärme auf die Luft übertragen
wird; jedoch kann es die Temperatur des Stapels nicht aktiv anheben.
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Die
in diesem Hintergrundabschnitt offenbarten Informationen sind nur
zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der
Erfindung und sollten nicht als ein Anerkenntnis oder irgendeine
Form von Unterstellung betrachtet werden, dass diese Informationen
den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann bereits bekannt
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde in einem Bestreben gemacht, die obigen
Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine intelligente Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) für
eine Brennstoffzelle bereitzustellen, in welcher eine flexible PCB
mit einem elektrischen Heizelement, Temperatursensoren und elektrischen
Kontakten an einer MEA angebracht ist, welche die Spannung der den
Brennstoffzellenstapel bildenden Einheitszellen und den Widerstand
und die Temperatur der MEA leicht messen kann und verhindert, dass eine
Wärmeübertragung von einer äußeren
Niedrigtemperatur-Wärmequelle auf einen Katalysatorlayer der
MEA während eines Erhaltungszustands und bei Betrieb des
Brennstoffzellenstapels bei niedriger Temperatur stattfindet.
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In
einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine intelligente
Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) für eine Brennstoffzelle,
mit: einer MEA, in welcher beide Seiten einer Ionenaustauschermembran
mit einem Katalysatorlayer beschichtet sind, und ein Ionenaustauschermembran-Trägerfilm auf
beiden Seiten eines Randabschnitts der Ionenaustauschermembran angebracht
ist; einer flexiblen gedruckten Schaltung (PCB), die auf einer Oberfläche
des Ionenaustauschermembran-Trägerfilms längs
der Außenlinie des Katalysatorlayers der MEA angebracht
ist; einem PCB-Anschluss, der an einem Ende der flexiblen PCB angeformt
ist; und einem mit dem PCB-Anschluss verbundenen Verbinder zur Kommunikation
mit einer externen Steuereinrichtung, wobei die flexible PCB Folgendes
aufweist: ein elektrisches Heizelement; einen Temperatursensor für
das elektrische Heizelement zur Messung der Temperatur des elektrischen
Heizelementes; einen MEA-Temperatursensor zur Messung der Temperatur
der MEA; einen elektrischen Kontakt zur Messung des Widerstands
von Einheitszellen; und einen elektrischen Kontakt zur Messung der
Spannung der Einheitszellen, eingeformt in einer vorher festgelegten Anordnung
zur Kommunikation mit dem PCB-Anschluss.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist die flexible PCB aus einem
Polymer-Isolationsfilm aus einem Polyimidwerkstoff und weist eine
rechtwinklige Rahmenlinie, die längs der Außenlinie des
Katalysatorlayers der MEA angebracht ist, und einen Verlängerungsabschnitt
auf, der sich nach außen von dem unteren Ende der rechtwinkligen
Rahmenlinie erstreckt.
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Vorzugsweise
ist das elektrische Heizelement mit dem PCB-Anschluss elektrisch
verbunden und an der flexiblen PCB längs der rechtwinkligen Rahmenlinie
der flexiblen PCB und der Außenlinie des Verlängerungsabschnitts
angebracht.
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In
geeigneter Weise sind der Temperatursensor für das elektrische
Heizelement, der MEA-Temperatursensor, der elektrische Kontakt zur
Messung des Widerstands der Einheitszellen und der elektrische Kontakt
zur Messung der Spannung der Einheitszellen in einer Reihe in einer
Position gebildet, in welcher der Verlängerungsabschnitt
der flexiblen PCB beginnt sich von der rechtwinkligen Rahmenlinie
auszudehnen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung ist ein Abzweiganschluss
mit einem elektrischen Kontakt zur Messung des Widerstands der Einheitszellen und
einem elektrischen Kontakt zur Messung der Spannung der Einheitszellen
so integral gebildet, dass der Verlängerungsabschnitt an
einer Oberfläche der MEA angeordnet ist und der Abzweiganschluss
an der gegenüberliegenden Oberfläche der MEA angeordnet
ist.
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Vorzugsweise
ist der PCB-Anschluss in einer um 90 Grad gedrehten Position gebildet,
das heißt an dem Seitenende des Verlängerungsabschnitts
der flexiblen PCB, nicht an dem unteren Ende davon, so dass der
Verbinder aufschiebbar damit verbunden ist.
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In
geeigneter Weise ist ein Befestigungsfilm für die flexible
PCB auf der Oberfläche des Ionenaustauschermembran-Trägerfilms
so vorgesehen, dass die flexible PCB bedeckt ist, um die Bindungskraft zwischen
der flexiblen PCB und dem Ionenaustauschermembran-Trägerfilm
der MEA zu verstärken.
-
In
noch geeigneterer Weise ist die flexible PCB so ausgebildet, dass
sie die gleiche Fläche wie der Ionenaustauschermembran-Trägerfilm
aufweist, um die Bindungskraft mit dem Ionenaustauschermembran-Trägerfilm
zu verstärken.
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Es
ist zu verstehen, dass der Begriff „Fahrzeug" oder „Fahrzeug-"
bzw. „fahrzeug-" oder ähnliche Ausdrücke,
die hier verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen mit einschließt,
wie beispielsweise Personenfahrzeuge einschließlich Geländewagen
(SUV: Sports Utility Vehicle), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene
Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielfalt
von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen.
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Weitere
Aspekte der Erfindung werden weiter unten diskutiert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Diagramm, welches einen herkömmlichen
Brennstoffzellenstapel illustriert, der aus drei Einheitszellen
zusammengesetzt ist;
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2 ist
ein schematisches Diagramm, welches eine herkömmliche Membran-Elektroden-Anordnung
(MEA) illustriert;
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3 und 4 sind
Fotos, welche einen herkömmlichen Separator zeigen, der
durch Vibration und Stoß, die beim Fahren eines Fahrzeugs
erzeugt wurden, beschädigt worden ist, aufgenommen beim
Messen der Spannung der Einheitszellen;
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5 ist
eine Draufsicht, welche eine flexible PCB für eine intelligente
MEA in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführung
der vorliegenden Erfindung illustriert;
-
6 ist
eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht, welche ein intelligente
MEA illustrieren, auf welcher die flexible PCB nach 5 aufgebracht
ist;
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7 ist
ein schematisches Diagramm, welches ein Beispiel illustriert, in
welchem die intelligente MEA in Übereinstimmung mit der
vorliegenden Erfindung als eine Einheitszelle ausgebildet ist, die
einen Brennstoffzellenstapel bildet;
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8A und 8B sind
eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht, welche einen PCB-Anschluss
illustrieren, der auf der flexiblen PCB in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung
angeformt ist;
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9 ist
eine Draufsicht, welche einen PCB-Anschluss illustriert, der an
der flexiblen PCB in Übereinstimmung mit einer weiteren
Ausführung der vorliegenden Erfindung angeformt ist; und
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10 ist
eine Querschnittsansicht, welche die flexible PCB illustriert, die
auf einen Ionenaustauschermembran-Trägerfilm der MEA durch
einen Befestigungsfilm für die flexible PCB in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung befestigt ist.
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- 100
- Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
- 101
- Dichtung
- 102
- Gasdiffusionslayer
(GDL)
- 103
- Separator
- 104
- Elektrischer
Kontakt
- 200
- Ionenaustauschermembran
- 201
- Katalysatorlayer
- 202
- Ionenaustauschermembran-Trägerfilm
- 203
- Befestigungsfilm
für flexible PCB
- 300
- Polymer-Isolationsfilm
- 301
- Elektrisches
Heizelement
- 302
- Temperatursensor
für elektrisches Heizelement
- 303
- MEA-Temperatursensor
- 304
und 304'
- Elektrischer
Kontakt zur Widerstandsmessung
- 305
und 305'
- Elektrischer
Kontakt zur Spannungsmessung
- 306
- PCB-Anschluss
- 307
- Verlängerungsabschnitt
- 308
- Abzweiganschluss
- 309
- Seitlich
montierter PCB-Anschluss
- 400
- Flexible
PCB
- 500
- Intelligente
MEA
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es
wird detailliert Bezug auf die bevorzugte Ausführung der
vorliegenden Erfindung genommen, deren Beispiele in den hiernach
angefügten Zeichnungen illustriert sind, wobei sich gleiche
Bezugszeichen überall auf gleiche Elemente beziehen. Die Ausführungen
werden unten zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung
durch Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
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5 ist
eine Draufsicht, welche eine flexible PCB für eine intelligente
MEA in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführung
der vorliegenden Erfindung illustriert, und 6 ist eine
Draufsicht und eine Querschnittsansicht, welche eine intelligente MEA
illustrieren, auf welcher die flexible PCB nach 5 aufgebracht
ist.
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Die
intelligente MEA in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung weist eine übliche Membran-Elektroden-Anordnung
(MEA) 100, in welcher ein Katalysatorlayer 201 auf
beiden Seiten einer Ionenaustauschermembran 200 (oder einer
Elektrolytmembran) als Beschichtung aufgebracht ist, und eine flexible
PCB 400 auf, die auf der MEA 100 montiert ist.
Insbesondere ist die flexible PCB 400 dadurch gekennzeichnet,
dass an ihr Folgendes integral angeformt ist: ein elektrisches Heizelement 301;
ein Temperatursensor 302 für das elektrische Heizelement 301;
ein MEA-Temperatursensor 303; ein elektrischer Kontakt 304 zur
Widerstandsmessung; und ein elektrischer Kontakt 305 zur
Spannungsmessung.
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Mit
dem obigen Aufbau ist es möglich, die Spannung von Einheitszellen,
welche einen Brennstoffzellenstapel bilden, zu messen und zu verhindern,
dass eine Wärmeübertragung von einer äußeren
Niedrigtemperatur-Wärmequelle zu dem Katalysatorlayer 201 der
MEA 100 während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels
bei niedriger Temperatur stattfindet.
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Die
Konfiguration der flexiblen PCB 400 wir unten detaillierter
beschrieben.
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Zuerst
wird ein Polymer-Isolationsfilm 300, der auf einem Polymer-Isolationsmaterial
gebildet ist, zum Beispiel Polyimid, was eine Vorform der flexiblen PCB 400 ist,
in einer rechtwinkligen Rahmengestalt vorbereitet.
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Ein
Verlängerungsabschnitt 307, der sich nach außen
zur Aufnahme von Sensoren, elektrischen Kontakten und Anschlüssen
erstreckt, ist an einem unteren Abschnitt des Polymer-Isolationsfilms 300 integral
angeformt.
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Außerdem
ist ein elektrisches Heizelement 301 längs der
rechtwinkligen Rahmenlinie des Polymer-Isolationsfilms 300 und
der Außenlinie des Verlängerungsabschnitts 307 angebracht.
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Weiterhin
ist ein PCB-Anschluss 306, der zur Kommunikation mit einer
externen Steuereinrichtung, nicht dargestellt, durch einen Verbinder
angeschlossen ist, an dem unteren Ende des Verlängerungsabschnitts 307 des
Polymer-Isolationsfilms 300 angeformt.
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Insbesondere
sind der Temperatursensor 302 für das elektrische
Heizelement zur Messung der Temperatur des elektrischen Heizelementes 301,
der MEA-Temperatursensor 303 zur Messung der Temperatur
des MEA 100, der elektrische Kontakt 304 zur Messung
des Widerstands der Einheitszellen und der elektrische Kontakt 305 zur
Messung der Spannung der Einheitszellen in einer vorher festgelegten
Anordnung zur Kommunikation mit dem PCB-Anschluss 306 ausgebildet.
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Die
so vorbereitete flexible PCB 400 wird an der MEA 100 angebracht,
um eine intelligente MEA 500 der vorliegenden Erfindung
wie in 6 gezeigt zu bilden.
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Wie
oben beschrieben ist, weist die MEA 100 einen Aufbau auf,
in welchem der Katalysatorlayer 201 auf beiden Seiten der
Ionenaustauschermembran 200 als Beschichtung aufgebracht
ist, und ein Trägerfilm 202 ist an beiden Seiten
daran zur Verstärkung der Ionenaustauschermembran 200 und
des Handhabungskomforts angebracht. Die flexible PCB 400 ist
an der MEA 100 so montiert, dass die rechtwinklige Rahmenlinie
des Polymer-Isolationsfilms 300 an der Außenlinie
des Katalysatorlayers 201 der MEA 100 anliegend
angeordnet ist.
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Wie
in 7 gezeigt ist, kann die wie oben beschrieben konfigurierte
intelligente MEA 500 der vorliegenden Erfindung einen Gasdiffusionslayer (GDL) 102,
einen Separator 103, eine Dichtung 101 für
eine luftdichte Abdichtung und eine Einheitszelle, die den Brennstoffzellenstapel
bildet, aufweisen.
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Insbesondere
ist der GDL 102 an beiden Seiten der intelligenten MEA 500 angeordnet,
und der Separator 103 ist auf beiden Seiten des GDL 102 positioniert.
Insbesondere ist der Verlängerungsabschnitt 307 des
Polymer-Isolationsfilms 300 der flexiblen PCB 400,
welche die intelligente MEA 500 bildet, zur Außenseite
exponiert, und der PCB-Anschluss 306, welcher an dem Verlängerungsabschnitt 307 angeformt
ist, ist somit zur Außenseite freiliegend.
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Dementsprechend,
auch wenn an dem Separator 103 kein separater Messanschluss
angeformt ist, ist es möglich, die Spannung der Einheitszellen
durch den elektrischen Kontakt 305 zur Messung der Spannung
der Einheitszellen, welcher in Kontakt mit dem GDL 102 unter
Verwendung des PCB-Anschlusses 306 steht, ohne Weiteres
zu messen.
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Außerdem
wird der elektrische Kontakt 304 zur Widerstandsmessung
benutzt, um den Grad eines Leistungsabfalls der MEA 100 und
dem GDL 102 zu überwachen, wobei der Widerstand
durch die externe Steuereinrichtung gemessen wird, um den Grad eines
Schadens der MEA 100 und des GDL 102 einzuschätzen.
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Wie
oben diskutiert gibt es gemäß der vorliegenden
Erfindung, auch wenn der Separator 103 aus Graphit gebildet
ist, kein Risiko eines durch eine Anschlussverbindung verursachten Schadens.
Außerdem gibt es sogar in einem Fall, in welchem der Separator 103 aus
einer dünnen Metallplatte gebildet ist, zum Beispiel keine
Notwendigkeit einer separaten Anschlussverbindung durch einen Schweißprozess.
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Außerdem,
wenn ein Verbinder konstruiert wird, bei welchem eine Vielzahl von
elektrischen Kontakten in Serie ausgebildet sind, wenn der Abstand
zwischen den Einheitszellen variiert wie die Dicke der Separatoren
sich ändert oder wie sich der Verbindungsdruck des Brennstoffzellenstapels
verändert, sollte der Verbinder neu konstruiert werden, und
weiterhin sind die Kontakte wahrscheinlich auf Grund von Herstellungstoleranz
ungleichmäßig zu bilden. Da jedoch die flexible
PCB 400 in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung einen Freiheitsgrad des Layoutdesigns für die
Position des PCB-Anschlusses 306 aufweist, kann sie auch
ohne Weiteres bei einem Brennstoffzellenstapel mit einer großen
Herstellungstoleranz Anwendung finden.
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Indessen
spielt das elektrische Heizelement 301 eine Rolle beim
Schutz der intelligenten MEA 500 vor einer externen Niedrigtemperatur-Wärmequelle,
wenn sie bei einer niedrigen Temperatur gestartet wird.
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Das
bedeutet, dass die dem elektrischen Heizelement 301 zugeführte
Menge an Strom durch die externe Steuereinrichtung gemäß einer
Temperaturdifferenz eingestellt wird, welche durch den Temperatursensor 302 für
das elektrische Heizelement und den MEA-Temperatursensor 303 erfasst
wird, und wodurch die Strommenge zur Heizung der MEA 100 innerhalb
eines Temperaturbereiches gesteuert wird, welcher die MEA 100 nicht
schädigt.
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Dementsprechend
ist es möglich, die Menge an Wärmedämmmaterial,
das zum Schutz des Brennstoffzellenstapels vor der externen Niedrigtemperatur-Wärmequelle
benutzt wird, zu reduzieren. Außerdem, da die MEA 100 durch
das elektrische Heizelement 301 direkt erwärmt
wird, ist die Leistungsfähigkeit im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren
verbessert, bei welchem die elektrische Energie des Stapels in thermische
Energie umgewandelt wird und der Stapel durch die thermische Energie
erneut erwärmt wird. Weiterhin ist es mög lich, die
restliche Leistung des Stapels zu nutzen, nachdem sie durch das
elektrische Heizelement 310 verbraucht wurde, um ein Kühlmittel
zu erwärmen.
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Eine
weitere Ausführung des PCB-Anschlusses, der an der flexiblen
PCB der vorliegenden Erfindung angeformt ist, wird unten beschrieben.
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8A und 8B sind
eine Draufsicht und ein Querschnitt, welche einen PCB-Anschluss
illustrieren, der auf der flexiblen PCB in Übereinstimmung mit
einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung angeformt
ist.
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Wie
oben beschrieben ist, ist der PCB-Anschluss 306, welcher
zur Kommunikation mit der externen Steuereinrichtung durch den Verbinder
verbunden ist, an dem unteren Ende des Verlängerungsabschnitts 307 des
Polymer-Isolationsfilms 300 angeformt. Außerdem
sind der elektrische Kontakt 304 zur Messung des Widerstands
der Einheitszellen und der elektrische Kontakt 305 zur
Messung der Spannung der Einheitszellen in einer vorher festgelegten Anordnung
zur Kommunikation mit dem PCB-Anschluss 306 gebildet.
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Als
eine weitere Ausführung ist ein Abzweiganschluss 308 in
dem Verlängerungsabschnitt 307 so eingeformt,
dass der Verlängerungsabschnitt 307 auf einer
Oberfläche der MEA 100 angeordnet ist, und der
Abzweiganschluss 308 auf der gegenüberliegenden
Oberfläche der MEA positioniert ist.
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Ein
elektrischer Kontakt 304' zur Messung des Widerstands der
Einheitszellen und ein elektrischer Kontakt 305' zur Messung
der Spannung der Einheitszellen sind in dem Abzweiganschluss 308 zur
Kommunikation mit dem PCB-Anschluss 306 eingeformt.
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Dementsprechend
ist es möglich, die Messung von Spannung und Widerstand
durch Messung der Spannung direkt von beiden Seiten der MEA zu erleichtern,
ausschließlich der Widerstandskomponente des Separators.
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Eine
weitere Ausführung des PCB-Anschlusses, der an der flexiblen
PCB der vorliegenden Erfindung angeformt ist, wird unten beschrieben.
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9 ist
eine Draufsicht, welche einen PCB-Anschluss illustriert, der an
der flexiblen PCB in Übereinstimmung mit einer weiteren
Ausführung der vorliegenden Erfindung angeformt ist.
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Die
vorliegende Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass
ein PCB-Anschluss 309 der in 9 gezeigten
flexiblen PCB 400 in einer um 90 Grad gedrehten Position
angeformt ist, das heißt an einem Seitenende des Verlängerungsabschnitts 307, nicht
an dessen unterem Ende.
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Ausführlicher
ist der PCB-Anschluss 309 der flexiblen PCB 400 ein
seitlich angebrachter PCB-Anschluss 309, an welchen der
Verbinder von der externen Steuereinheit aufschiebbar befestigt
werden kann.
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Demgemäß gibt
es in einem Fall, in welchem die Anschlüsse vertikal in
dem Brennstoffzellenstapel, in dem eine große Anzahl von
Einheitszellen in Serie in kleinen Abständen verbunden
sind, eine Schwierigkeit beim Einfügen der jeweiligen Anschlüsse
in den Verbinder. Der in 9 gezeigte seitlich angebaute
PCB-Anschluss 309 schafft jedoch einen Vorteil, der darin
besteht, dass es leicht ist, die in Serie verbundenen Anschlüsse
in den Verbinder einzufügen.
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Wie
in 10 als ein bevorzugtes Verfahren zum Befestigen
der flexiblen PCB 400 der vorliegenden Erfindung direkt
an der MEA 100 dargestellt ist, ist die flexible PCB 400 an
dem Ionenaustauschermembran-Trägerfilm 202 der
MEA 100 angebracht. Wenn es nicht durchführbar
ist, die flexible PCB 400 und den Ionenaustauschermembran-Trägerfilm 202 zu
kombinieren, kann die flexible PCB 400 an der MEA 100 unter
Verwendung eines Befestigungsfilms 203 für die
flexible PCB 400 befestigt werden, welcher dazu geeignet
ist, mit dem Ionenaustauschermembran-Trägerfilm 202 komprimiert
zu werden.
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Das
bedeutet, dass der Befestigungsfilm 203 für die
flexible PCB 400 auf der Oberfläche des Ionenaustauschermembran-Trägerfilm 202 so
vorgesehen ist, dass die flexible PCB 400 bedeckt ist,
und es somit möglich ist, die Bindungskraft zwischen der flexiblen
PCB 400 und – dem Ionenaustauschermembran-Trägerfilm 202 der
MEA 100 zu verstärken.
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Wie
oben beschrieben ist es gemäß der intelligenten
MEA für eine Brennstoffzelle in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung möglich, die Spannung der
Einheitszellen, welche den Brennstoffzellenstapel bilden, und den
Widerstand und die Temperatur der MEA zu leicht zu messen, indem
die flexible PCB, in welcher das elektrisches Heizelement, die Temperatursensoren
und die elektrischen Kontakte zur Messung des Widerstands und der Spannung
der Einheitszellen integriert sind, an der MEA angebracht wird.
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Außerdem,
da die Strommenge, die dem elektrischen Heizelement zugeführt
wird, durch die externe Steuereinrichtung entsprechend einer Temperaturdifferenz,
die von dem Temperatursensor für das elektrische Heizelement
und dem MEA-Temperatursensor erfasst wird, gesteuert wird, ist es
möglich, die Menge des Wärmedämmmaterials
zu reduzieren, welches zum Schutz des Brennstoffzellenstapels vor
der externen Niedrigtemperatur-Wärmequelle verwendet wird,
und zu verhindern, dass eine Wärmeübertragung
von der äußeren Niedrigtemperatur-Wärmequelle
zu dem Katalysatorlayer der MEA beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels
bei niedriger Temperatur stattfindet.
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Die
Erfindung wurde im Detail mit Bezug auf bevorzugte Ausführungen
davon beschrieben. Es ist jedoch dem Fachmann offensichtlich, dass
bei diesen Ausführungen Änderungen vorgenommen
werden können, ohne die Prinzipien und den Sinn der Erfindung
zu verlassen, deren Rahmen in den beigefügten Ansprüchen
und ihrer Äquivalenten festgelegt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6410176 [0009]
- - US 6916566 [0018]