DE102007055232A1 - Intelligente Mea für eine Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine intelligente MEA für eine Brennstoffzelle mit Einrichtungen zur leichten Messung der Spannung von Einheitszellen und Einrichtungen zur Verhinderung, dass eine Wärmeübertragung von einer äußeren Niedrigtemperatur-Wärmequelle auf einen Katalysatorlayer der MEA während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels bei niedriger Temperatur stattfindet. Dazu stellt die vorliegende Erfindung eine intelligente Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) für eine Brennstoffzelle, mit Folgendem bereit: 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; einem 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 ...

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Technischer Bereich
  • 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.
  • (b) Stand der Technik
  • 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.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm zur Illustration eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels, der aus drei Einheitszellen zusammengesetzt ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm, welches eine herkömmliche MEA 100 illustriert.
  • 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.
  • Das zu lösende Schlüsselproblem zum Erreichen der Massenproduktion des Brennstoffzellenstapels ist eine Anlauffähigkeit bei einer niedrigen Temperatur unter dem Gefrierpunkt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Aspekte der Erfindung werden weiter unten diskutiert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, welches einen herkömmlichen Brennstoffzellenstapel illustriert, der aus drei Einheitszellen zusammengesetzt ist;
  • 2 ist ein schematisches Diagramm, welches eine herkömmliche Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) illustriert;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Konfiguration der flexiblen PCB 400 wir unten detaillierter beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • Außerdem ist ein elektrisches Heizelement 301 längs der rechtwinkligen Rahmenlinie des Polymer-Isolationsfilms 300 und der Außenlinie des Verlängerungsabschnitts 307 angebracht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine weitere Ausführung des PCB-Anschlusses, der an der flexiblen PCB der vorliegenden Erfindung angeformt ist, wird unten beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine weitere Ausführung des PCB-Anschlusses, der an der flexiblen PCB der vorliegenden Erfindung angeformt ist, wird unten beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (14)

  1. Intelligente Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) für eine Brennstoffzelle, mit: einer MEA, in welcher ein Katalysatorlayer auf beiden Seiten einer Ionenaustauschermembran als Beschichtung aufgebracht ist, 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.
  2. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die flexible PCB aus einem Polymer-Isolationsfilm aus einem Polyimidwerkstoff gebildet ist, und eine rechtwinklige Rahmenlinie, die längs der Außenlinie des Katalysatorlayers der MEA angebracht ist, und einen Verlängerungsabschnitt aufweist, der sich nach außen von der rechtwinkligen Rahmenlinie erstreckt.
  3. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei 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 ist.
  4. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei 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.
  5. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ein Abzweiganschluss mit einem elektrischen Kontakt zur Messung des Widerstands der Einheitszellen und einem elektrischen Kontakt zur Messung der Spannung der Einheitszellen so integral ausgebildet ist, dass der Verlängerungsabschnitt an einer Oberfläche der MEA angeordnet ist und der Abzweiganschluss an der gegenüberliegenden Oberfläche der MEA angeordnet ist.
  6. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der PCB-Anschluss in einer um 90 Grad gedrehten Position gebildet ist, das heißt an dem Seitenende des Verlängerungsabschnitts der flexiblen PCB, nicht an dem unteren Ende davon, so dass der Verbinder aufschiebbar damit verbunden ist.
  7. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ein Befestigungsfilm für die flexible PCB auf der Oberfläche des Ionenaustauschermembran-Trägerfilms so vorgesehen ist, um die flexible PCB zur Verstärkung der Bindungskraft zwischen der flexiblen PCB und dem Ionenaustauschermembran-Trägerfilm der MEA zu bedecken.
  8. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die flexible PCB so ausgebildet, dass sie die gleiche Fläche wie der Ionenaustauschermembran-Trägerfilm aufweist, um die Bindungskraft mit dem Ionenaustauschermembran-Trägerfilm zu verstärken.
  9. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die flexible PCB direkt an einer Ionenaustauschermembran angebracht und als Ionenaustauschermembran-Trägerfilm ohne zusätzlichen Ionenmembran-Trägerfilm verwendet ist.
  10. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei 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 ist.
  11. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei 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 sind, in welcher der Verlängerungsabschnitt der flexiblen PCB beginnt sich von der rechtwinkligen Rahmenlinie auszudehnen.
  12. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei ein Abzweiganschluss mit einem elektrischen Kontakt zur Messung des Widerstands der Einheitszellen und einem elektrischen Kontakt zur Messung der Spannung der Einheitszellen so integral ausgebildet ist, dass der Verlängerungsabschnitt an einer Oberfläche der MEA angeordnet ist und der Abzweiganschluss an der gegenüberliegenden Oberfläche der MEA angeordnet ist.
  13. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei der PCB-Anschluss in einer um 90 Grad gedrehten Position gebildet ist, das heißt an dem Seitenende des Verlängerungsabschnitts der flexiblen PCB, nicht an dem unteren Ende davon, so dass der Verbinder aufschiebbar damit verbunden ist.
  14. Intelligente MEA für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die flexible PCB direkt an einer Ionenaustauschermembran angebracht und als Ionenaustauschermembran-Trägerfilm ohne zusätzlichen Ionenmembran-Trägerfilm verwendet ist.
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