DE102008011306A1

DE102008011306A1 - Kurzschliessen einzelner Zellen beim Start und Abschalten unter Verwendung eines integrierten Schalters

Info

Publication number: DE102008011306A1
Application number: DE102008011306A
Authority: DE
Inventors: Daniel P. Miller; Jeffrey A. Rock; Carl M. Marsiglio
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: US20080220294A1; US7927752B2; DE102008011306B4

Abstract

Es ist eine elektrische Kurzschlussvorrichtung für eine Brennstoffzelle vorgesehen, wobei die Kurzschlussvorrichtung einen elektrisch leitenden Körper und einen Aktuator aufweist, der mit dem leitenden Körper gekoppelt und derart ausgebildet ist, um den Körper zwischen einer elektrisch leitenden und einer elektrisch nicht leitenden Position selektiv zu positionieren, um selektiv eine elektrische Verbindung zwischen einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte der Brennstoffzelle vorzusehen. Die Kurzschlussvorrichtung ermöglicht einen elektrischehalten der Brennstoffzelle, um das elektrische Potential über eine Protonenaustauschmembran zu beseitigen, das einen Abbau einer an einer Fläche einer Elektrode der Brennstoffzellen angeordneten Katalysatorschicht bewirkt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere eine Kurzschlussvorrichtung, die derart ausgebildet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte der Brennstoffzelle selektiv bereitzustellen, um ein elektrisches Kurzschließen einzelner Zellen beim Start und beim Abschalten der Brennstoffzelle zu ermöglichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt einen Brennstoff auf, wie Wasserstoffgas, und die Kathode nimmt ein Oxidationsmittel auf, wie Sauerstoff oder Luft. Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um eine gewünschte Leistung zu erzeugen. Ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug kann mehrere hundert einzelne Zellen aufweisen. Ein veranschaulichender Brennstoffzellenstapel ist in der im Gemeinschaftsbesitz befindlichen U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2004/0209150 offenbart, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierdurch eingeschlossen ist.
Der Brennstoffzellenstapel weist typischerweise ein feuchtes Ende, das derart ausgebildet ist, um den Brennstoff, das Oxidationsmittel und Kühlfluide aufzunehmen, und ein trockenes Ende auf, das eine Isolationsendplatteneinheit besitzt. Der von einer Brennstoffzelle verwendete Grundprozess ist effizient, im Wesentlichen verschmutzungsfrei, leise, frei von beweglichen Teilen (mit Ausnahme eines Luftkompressors, Kühlgebläses, von Pumpen und Aktuatoren), und kann derart aufgebaut sein, dass nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte zurückbleiben. Der Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise dazu verwendet, dass er entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen abhängig vom Kontext, in dem er verwendet wird, betrifft. Typischerweise wird die Vielzahl von Zellen miteinander gebündelt und angeordnet, um einen Stapel zu bilden. Die Vielzahl von Zellen wird üblicherweise in elektrischer Reihe angeordnet. Da einzelne Brennstoffzellen in Stapel mit variierenden Größen zusammengebaut werden können, können Systeme konstruiert werden, um einen gewünschten Energieabgabepegel zu erzeugen. Die Stapel mit variierenden Größen stellen eine Flexibilität bei der Konstruktion für verschiedene Anwendungen bereit.
Ein Typ von Brennstoffzelle ist eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM). Die Grundkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembranelektrolyt getrennt sind. Jede Elektrode ist auf einer Seite mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden zusammen eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
Bei einer typischen PEM-Brennstoffzelle ist die MEA schichtartig zwischen "Anoden"- und "Kathoden"-Diffusionsmedien (DM) oder -diffusionsschichten angeordnet, die aus einem nachgiebigen, leitenden und gaspermeablen Material ausgebildet sind, wie beispielsweise Kohlen stoffgewebe oder Kohlenstoffpapier. Das DM dient als die Primärstromkollektoren für die Anode und Kathode und sieht auch eine mechanische Abstützung für die MEA vor. Das DM und die MEA werden zwischen einem Paar elektrisch leitender Platten gepresst, die als Sekundärstromkollektoren zum Sammeln des Stroms von den Primärstromkollektoren dienen. Die Platten leiten Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Stapels (in dem Fall von Bipolarplatten) und leiten Strom außerhalb des Stapels (in dem Fall von Monopolarplatten an dem Ende des Stapels).
Die Sekundärstromkollektorplatten enthalten jeweils zumindest ein aktives Gebiet, das die gasförmigen Reaktanden über die Hauptseiten der Anode und der Kathode verteilt. Diese aktiven Gebiete, die auch als Strömungsfelder bekannt sind, weisen typischerweise eine Vielzahl von Stegen auf, die mit dem Primärstromkollektor in Eingriff stehen und eine Vielzahl von Nuten oder Strömungskanälen dazwischen definieren. Die Kanäle liefern den Wasserstoff und den Sauerstoff an die Elektroden auf jeder Seite der PEM. Insbesondere strömt der Wasserstoff durch die Kanäle zu der Anode, an der der Katalysator eine Trennung in Protonen und Elektronen unterstützt. Auf der entgegengesetzten Seite der PEM strömt der Sauerstoff durch die Kanäle an die Kathode, an der der Sauerstoff die Wasserstoffprotonen durch die PEM anzieht. Die Elektronen werden als Nutzenergie durch eine externe Schaltung abgefangen und mit den Protonen und dem Sauerstoff zur Erzeugung von Wasserdampf an der Kathodenseite kombiniert.
Die Polarität einer einzelnen Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel kann sich umkehren, wenn die Stapellast versucht, mehr elektrischen Strom von dem Stapel zu ziehen, als die Zelle erzeugen kann. Da die Zellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann eine schlecht arbeitende Zelle einer Zellenüberlast ausgesetzt werden, wenn die verbleibenden Zellen in der Lage sind, die Stapellast zu liefern. Unter diesen Betriebsbedingungen wird die Kathodenseite der schlecht arbeitenden Zelle negativer als die Anodenseite der Bipolarplatte der schlecht arbeitenden Zelle, was eine Umkehr der Polarität bewirkt.
Die Polarität einzelner Brennstoffzellen ist während des Startens und Abschaltens anfällig gegenüber einer Umkehr. Insbesondere ist das Anodenströmungsfeld während des Starts der Brennstoffzelle im Wesentlichen wasserstofffrei. Der Wasserstoff tritt in das Anodenströmungsfeld an dem Einlass ein und füllt über eine Übergangszeitdauer das gesamte Strömungsfeld mit Wasserstoff. Es existiert eine unzureichende Wasserstoffversorgung in dem Anodenströmungsfeld während der Übergangszeitdauer, um die erforderliche elektrische Abgabe bereitzustellen. Während einer Abschaltdauer existiert eine ähnliche Übergangsperiode, wenn das Strömungsfeld von Wasserstoff gespült wird und nicht ausreichend Wasserstoff aufweisen kann, um die gewünschte elektrische Abgabe bereitzustellen. In Abwesenheit des zu oxidierenden Wasserstoffs oxidiert die Brennstoffzelle den an den Elektroden angeordneten Katalysator. Die Oxidation bewirkt einen Abbau des Katalysators, was die Fähigkeit der Brennstoffzelle zur Erzeugung eines elektrischen Stroms reduziert. Der kumulative Abbau des Katalysators während des Starts und Abschaltens reduziert schließlich die elektrische Abgabe auf ein derartiges Niveau, bei dem der Brennstoffzellenstapel umgebaut oder ausgetauscht werden muss.
Es ist erwünscht, eine Brennstoffzelle herzustellen, die einer Polaritätsumkehr der Brennstoffzelle entgegenwirkt und einen durch die Polaritätsumkehr der Brennstoffzelle bewirkten Katalysatorabbau minimiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung und entsprechend der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine Kurzschlussvorrichtung entdeckt worden, die einer Polaritätsumkehr der Brennstoffzelle entgegenwirkt und einen durch die Polaritätsumkehr der Brennstoffzelle bewirkten Katalysatorabbau minimiert.
Bei einer Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzelle einen elektrisch leitenden Körper; einen Halter, der mit dem Körper gekoppelt ist, wobei der Halter derart ausgebildet ist, um eine Bewegung zu dem Körper vorzusehen; und einen Aktuator, der mit dem Halter gekoppelt ist, wobei der Aktuator derart ausgebildet ist, um den Körper zu positionieren und selektiv eine elektrische Verbindung zwischen einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte der Brennstoffzelle bereitzustellen.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellenstapel zumindest eine Anodenplatte und zumindest eine Kathodenplatte; zumindest ein Protonenaustauschelement, das zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte angeordnet ist; und zumindest eine Kurzschlussvorrichtung, die zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte angeordnet ist, wobei die Kurzschlussvorrichtung umfasst: einen elektrisch leitenden Körper; einen Halter, der mit dem Körper gekoppelt ist, wobei der Halter derart ausgebildet ist, um eine Bewegung zu dem Körper vorzusehen; und einen Aktuator, der mit dem Halter gekoppelt ist, wobei der Aktuator derart ausgebildet ist, um den Körper zu positionieren und selektiv eine elektrische Verbindung zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte der Brennstoffzelle bereitzustellen.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellenstapel zumindest eine erste Bipolarplatte und eine zweite Bipolarplatte, wobei jede Bipolarplatte eine Anodenseite und eine Kathodenseite besitzt, wobei die Anodenseite der ersten Bipolarplatte zu der Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte weist; zumindest ein Protonenaustauschelement, das zwischen der Anodenseite der ersten Bipolarplatte und der Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte angeordnet ist; und zumindest eine Kurzschlussvorrichtung, die derart ausgebildet ist, um selektiv eine elektrische Verbindung zwischen der zumindest einen ersten Bipolarplatte und der zweiten Bipolarplatte vorzusehen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
1 eine Schnittseitenansicht einer Brennstoffzelle, die eine Kurzschlussvorrichtung aufweist, die selektiv einen elektrischen Kurzschluss der Brennstoffzelle bereitstellt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Kurzschlussvorrichtung ist, die eine Anodenplatte der Brennstoffzelle zeigt;
3 eine bruchstückhafte Draufsicht der Anodenplatte der in 2 gezeigten Brennstoffzelle ist, wobei die Anodenplatte einen Isolationsstreifen aufweist, der an ei ne leitenden Flügel angeordnet ist, der von einem Seitenrand derselben vorragt;
4a eine perspektivische Explosionsansicht eines elektrisch leitenden Körpers in der in 2 gezeigten Kurzschlussvorrichtung ist;
4b eine Stirndarstellung des in 4a gezeigten elektrisch leitenden Körpers ist;
5a eine Stirndarstellung der Kurzschlussvorrichtung von
2 ist, die die Kurzschlussvorrichtung zwischen leitenden Flügeln benachbarter Brennstoffzellenplatten angeordnet zeigt;
5b eine vergrößerte bruchstückhafte Seitendarstellung der Brennstoffzelle von 2 ist, die die Kurzschlussvorrichtung in der offenen (nicht kurzgeschlossenen) Position zeigt;
5c eine vergrößerte bruchstückhafte Seitendarstellung der Brennstoffzelle von 2 ist, die die Kurzschlussvorrichtung in der geschlossenen (kurzgeschlossenen) Position zeigt;
6 eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht einer Kurzschlussvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist, wobei ein vertikaler Kurzschlussstab selektiv positioniert wird, um benachbarte Brennstoffzellen zu überbrücken;
7a eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht einer Kurzschlussvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist, wobei ein elektrischer Kontaktfinger selektiv positioniert wird, um benachbarte Brennstoffzellen zu überbrücken;
7b eine bruchstückhafte Schnittansicht einer Kurzschlussvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
7c eine bruchstückhafte Schnittansicht einer Kurzschlussvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist; und
8 eine schematische Darstellung einer Kurzschlussvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist, wobei die Kurzschlussvorrichtung ein Transistor ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung aus zuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
1 zeigt eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellenstapels (nicht gezeigt). Die Brennstoffzelle 10 besitzt eine anodenseitige Bipolarplatte 12 und eine kathodenseitige Bipolarplatte 14, wobei eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 16 dazwischen positioniert ist. Eine Katalysatorschicht (nicht gezeigt) ist an einer oberen Fläche 18 und an einer unteren Fläche 20 der MEA 16 angeordnet. Eine Anodendiffusionsmediumschicht 22 ist benachbart der oberen Fläche 18 der MEA 16 positioniert, und ein Kathodendiffusionsmedium 24 ist benachbart der unteren Fläche 20 der MEA 16 positioniert. Die Diffusionsmediumschichten 22, 24 sind porös und sorgen für einen Gastransport zu bzw. einen Wassertransport von der MEA 16.
Zwischen der Anodendiffusionsmediumschicht 22 und der anodenseitigen Bipolarplatte 12 ist ein Anodenströmungskanal 26 geformt. Zwischen der Kathodendiffusionsmediumschicht 24 und der kathodenseitigen Bipolarplatte 14 ist ein Kathodenströmungskanal 28 geformt. Die Strömungskanäle 26, 28 stellen einen einer Vielzahl von Kanälen dar, die jeweils zusammenwirken, um ein so genanntes "Strömungsfeld" (nicht gezeigt) an einer Außenfläche jeder Bipolarplatte 12, 14 zur Verteilung eines Brennstoff- bzw. eines Oxidationsmittelgases über die obere Fläche 18 und die untere Fläche 20 der MEA 16 zu formen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Brennstoff Wasserstoff und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff, obwohl zu verstehen sei, dass gegebenenfalls andere Brennstoffe und Oxidationsmittel verwendet werden können. Eine elektrische Kurzschlussvorrichtung 30 ist zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte 12 und der kathodenseitigen Bipolarplatte 14 vorgesehen. Die Kurzschlussvorrichtung 30 ist ein Schalter, der, wenn er geschlossen ist, eine elektrische Verbindung zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte 12 und der kathodenseitigen Bipolarplatte 14 vorsieht. Im geschlossenen Zustand minimiert der Schalter 30 ein elektrisches Potential zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte 12 und der kathodenseitigen Bipolarplatte 14, wobei die Brennstoffzelle 10 im Wesentlichen elektrisch kurzgeschlossen ist. Wie hier verwendet ist, sind die Begriffe "elektrisches Kurzschließen" und "Überbrücken" so definiert, dass sie zwischen zwei benachbarten Platten einen elektrischen Pfad mit geringem Widerstand bereitstellen, was ermöglicht, dass zwischen diesen ein Strom fließt, anstatt zu anderen Strukturen.
Im normalen Betrieb der Brennstoffzelle 10 wandern Wasserstoffionen von der Anodenseite 12 zu der Kathodenseite 14 der Brennstoffzelle 10. Jedoch ist bei einem Start und bei einem Abschalten der Brennstoffzelle der Wasserstoff-Brennstoff nicht gleichmäßig in der Anodenseite 12 verteilt. Eine Fehlverteilung des Wasserstoffs kann zu einer Polaritätsumkehr in der Brennstoffzelle 10 führen. Der Umkehrstromfluss bewirkt einen Abbau der Katalysatorschichten. Der Abbau an den Katalysatorschichten reduziert die elektrische Abgabe der Brennstoffzelle 10. Ein kumulativer Abbau der Katalysatorschichten tritt von dem während des wiederholten Startens und Abschaltens der Brennstoffzelle 10 auftretenden Umkehrstrom auf.
Die Kurzschlussvorrichtung 30 kann während des Startens und Abschaltens der Brennstoffzelle 10 verwendet werden, um dem Umkehrstromfluss und dem anschließenden Abbau der Katalysatorschichten entgegenzuwirken. Die Kurzschlussvorrichtung 30 wird während des Starts und des Abschaltens der Brennstoffzelle 10 geschlossen, wodurch das elektrische Potential zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte 12 und der kathodenseitigen Bipolarplatte 14 minimiert wird. Die Kurzschlussvorrichtung 30 kann zu einem gewünschten Zeitpunkt geöffnet werden, wenn eine Wasserstoffströmung über die anodenseitige Bipolarplatte 12 ausgeglichen ist und die Gelegenheit für einen Umkehrstromfluss vorüber ist.
2 zeigt eine elektrische Kurzschlussvorrichtung 50 gemäß einer Ausführungsforen der Erfindung. Die elektrische Kurzschlussvorrichtung 50 ist zwischen einer anodenseitigen Brennstoffzellenplatte 52 und einer kathodenseitigen Brennstoffzellenplatte 54 angeordnet. Ein erster leitender Flügel 56 erstreckt sich seitlich nach außen von einem Rand der anodenseitigen Brennstoffzellenplatte 52 und ein zweiter leitender Flügel 57 erstreckt sich seitlich nach außen von einem Rand der kathodenseitigen Brennstoffzellenplatte 54. Die leitenden Flügel 56, 57 sind derart ausgebildet, um eine elektrische Verbindung zwischen den Brennstoffzellenplatten 52, 54 und der elektrischen Kurzschlussvorrichtung 50 vorzusehen.
Die Kurzschlussvorrichtung 50 weist einen elektrisch leitenden Körper 64 und einen Halter 66 auf, der mit dem Körper 64 gekoppelt ist. Der Halter 66 ist derart ausgebildet, um in wesentliche Ausrichtung mit den leitenden Flügeln 56, 57 zu gleiten. Ein Aktuator 68 steht in Verbindung mit dem Halter 66 und erleichtert eine selektive horizontale Positionierung des Halters 66 und des Körpers 64. Es sei zu verstehen, dass der Aktuator 68 ein beliebiger Antriebsmechanismus sein kann, wie beispielsweise ein elektrischer oder ein mechanischer Aktuator. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Aktuator 68 einen Kolben, einen Solenoid oder einen Nocken auf.
Der leitende Flügel 56 der anodenseitigen Platte 52 weist einen daran angeordneten Isolationsstreifen 58 auf. Der Isolationsstreifen 58, der in 3 deutlicher gezeigt ist, besitzt zumindest eine darin geformte Öffnung 60. Die zumindest eine Öffnung 60 stellt gewählte elektrische Kontaktpunkte 62 für den leitenden Flügel 56 der anodenseitigen Brennstoffzellenplatte 52 bereit. Ein leitendes Material (nicht gezeigt) kann in dem Isolationsstreifen 64 an der Stelle der zumindest einen Öffnung 60 vorgesehen sein. Das leitende Material kann die elektrischen Kontaktpunkte 62 zu dem leitenden Flügel 56 der anodenseitigen Brennstoffzellenplatte 52 bereitstellen. Ferner sei zu verstehen, dass das leitende Material einen gewünschten elektrischen Widerstand besitzen kann, um eine gewünschte Rate eines elektrischen Flusses hindurch zu erreichen.
Der elektrisch leitende Körper 64 ist in den 4a und 4b deutlicher gezeigt. Der Körper 64 weist ein erstes Isolationselement 80, ein zweites Isolationselement 88 und ein dazwischen angeordnetes elektrisch leitendes Element 84 auf. Die Isolationselemente 80, 88 können aus einem beliebigen elektrisch isolierenden Material geformt sein. Als ein nicht beschränkendes Beispiel hat ein Kapton^® Polyimid-Film, der von DuPont hergestellt wird, akzeptable Ergebnisse als das Isolationsmaterial gezeigt. Die drei Elemente 80, 84, 88 des Körpers 64 sind unter Verwendung eines Klebstoffs (nicht gezeigt) miteinander verbunden. Es sei zu verstehen, dass die Streifen gegebenenfalls unter Verwendung anderer Verbindemittel miteinander verbunden sein können. Das erste Isolationselement 80 weist zumindest eine darin geformte Öffnung 82 auf. Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform ist das leitende Element 84 Kupfer und umfasst zumindest eine Ausstülpung 70. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls andere elektrisch leitende Materialien verwendet werden können, um das leitende Element 84 zu formen. Die Ausstülpung 70 ist derart ausgebildet, um in der Öffnung 82 in dem ersten Isolationselement 80 aufgenommen zu werden und durch diese zu verlaufen. Das erste Isolationselement 80 bedeckt das leitende Element 84 im Wesentlichen und isoliert dieses elektrisch von dem leitenden Flügel 56 der Anodenplatte 52, mit Ausnahme der Ausstülpung 70. Das zweite Isolationselement 88 besitzt eine Breite, die kleiner als eine Breite des ersten Isolationselements 80 und eine Breite des leitenden Elements 84 ist, um einen Abschnitt einer unteren Fläche des leitenden Elements 84 freiliegend zurückzulassen. Der frei liegende Abschnitt des leitenden Elements 84 steht mit dem leitenden Flügel 57 der Kathodenplatte 54 in Kontakt.
Im Betrieb ist die Kurzschlussvorrichtung 50 zwischen den leitenden Flügeln 56, 57 von zwei benachbarten Brennstoffzellenplatten 52, 54 angeordnet, wie in 2 gezeigt ist. Der elektrisch leitende Körper 64 verläuft nach außen von einer Stelle zwischen den leitenden Flügeln 56, 57 der Brennstoffzellenplatten 52, 54 und ist mit dem Halter 66 gekoppelt. Der frei liegende Abschnitt der unteren Fläche des leitenden Elements 84 steht in gleitendem Kontakt mit dem leitenden Flügel 57 der Kathodenplatte 54, wie in den 2 und 5a gezeigt ist. Der Halter 66 und der Körper 64 können durch den Aktuator 68 selektiv positioniert werden. Wenn der Körper 64 sich in einer ersten Position befindet, wie in 5b gezeigt ist, steht die Ausstülpung 70 des leitenden Elements 84 in Kontakt mit dem Isolationsstreifen 58, der an dem leitenden Flügel 56 der Anodenplatte 52 angeordnet ist. In der ersten Position befindet sich die elektrische Kurzschlussvorrichtung 50 in einer offenen Position, und es wird ermöglicht, dass die Brennstoffzelle arbeiten und einen elektrischen Fluss zu dem Brennstoffzellenstapel beitragen kann.
Gegebenenfalls bewirkt der Aktuator 68, dass der Halter 66 und der Körper 64 in eine zweite Position gleiten. Die in 5c gezeigte zweite Position ordnet die Ausstülpungen 70 in Ausrichtung mit den Öffnungen 60 des Isolationsstreifens 58 an. In dieser Position stehen die Ausstülpungen 70 in Kontakt mit dem leitenden Flügel 56 der Anodenplatte 52 und schließen die elektrische Schaltung zwischen der benachbarten Anodenplatte 52 und Kathodenplatte 54, wodurch die einzelne Zelle effektiv überbrückt wird. Die Kurzschlussvorrichtung 50 wird in die zweite Position bewegt, wenn Bedingungen vorhanden sind, die bewirken, dass die Polarität der Zelle umkehrt, wie beispielsweise beim Start und beim Abschalten der Brennstoffzelle. Durch Anordnen des Körpers 64 in der in 5c gezeigten zweiten Position und Überbrücken der Brennstoffzelle wird das elektrische Potential zwischen den Platten minimiert. Die Minimierung des elektrischen Potentials zwischen den Platten wirkt dem Umkehrpolaritätszustand und dem zugeordneten Abbau der Katalysatorschichten in der Brennstoffzelle 10 entgegen.
Es sei zu verstehen, dass zumindest eine dritte Position (nicht gezeigt) für den Körper 64 vorgesehen sein kann. Die dritte Position sieht einen gewünschten elektrischen Widerstand für die Schaltung zwischen den benachbarten Brennstoffzellenplatten 52, 54 vor. Der Widerstand sieht eine längere Zeitdauer zur Minimierung des elektrischen Potentials zwischen den beiden Brennstoffzellenplatten 52, 54 vor und optimiert den Spitzenstromfluss dazwischen. Der Widerstand kann durch selektives Abscheiden einer Widerstandsbeschichtung auf dem Isolationsstreifen 58 erreicht werden. Eine Konfiguration des Isolationsstreifens 58, der mit elektrischem Widerstand behaftete Fenster (nicht gezeigt) und leitende Fenster (nicht gezeigt) besitzt, kann dadurch vorgesehen werden. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls andere Konfigurationen vorgesehen werden können.
Die in den 2 bis 5 gezeigte Ausführungsform erlaubt, dass die Kurzschlussvorrichtung 50 zwischen benachbarten Platten angeordnet werden kann, ohne dass eine wesentliche Erhöhung des Raums dazwischen erforderlich wird. Der Körper 64 ist derart ausgebildet, um in einen typi schen Spalt zwischen zwei benachbarten Platten in der Brennstoffzelle zu passen.
Eine Spannungsdifferenz zwischen benachbarten Brennstoffzellenplatten beträgt typischerweise weniger als etwa ein Volt. Jedoch kann ein Strom dazwischen etwa 300 Ampere oder mehr betragen. Die Vielzahl von Ausstülpungen 70 sieht ein optimiertes Kontaktgebiet zwischen dem leitenden Flügel 56 der Anodenplatte 52 und dem leitenden Element 84 des Körpers 64 vor. Das optimierte Kontaktgebiet wirkt einem Abbau der Ausstülpungen 70, der durch den Strom bewirkt wird, entgegen. Ferner sieht im Vergleich zu einem typischen einzelnen elektrischen Draht das leitende Element 84 eine optimierte Oberfläche zum Kontakt mit dem leitenden Flügel 57 der Kathodenplatte 54 und eine gesamte optimierte Oberfläche zur Verteilung des elektrischen Flusses dazwischen vor. Die optimierte Oberfläche des leitenden Elements 84 wirkt dem Strom entgegen, der einen Abbau des leitenden Elements 84 bewirkt.
Die Ausführungsform der 2 bis 5 zeigt die Kurzschlussvorrichtung 50 orientiert mit der Ausstülpung 70 in selektivem Kontakt mit dem leitenden Flügel 56. Es sei zu verstehen, dass die Orientierung der Kurzschlussvorrichtung 50 und des Isolationsstreifens 58 umgekehrt werden kann. In der umgekehrten Orientierung ist der Isolationsstreifen 58 an dem leitenden Flügel 57 angeordnet und die Ausstülpung 70 steht in selektivem Kontakt mit dem leitenden Flügel 57. Es sei auch zu verstehen, dass eine Ausstülpung an dem leitenden Flügel 57 mit einem an dem Körper 64 angeordneten Isolationsstreifen geformt werden kann.
Die Kurzschlussvorrichtung 50 kann zwischen der Anoden- und Kathodenplatte jeder Brennstoffzelle 10 in einem Brennstoffzellenstapel enthalten sein. Jede Brennstoffzelle 10 kann unter Betriebsbedingungen kurzge schlossen werden, bei denen es wahrscheinlich ist, dass eine Polaritätsumkehr der einzelnen Brennstoffzelle 10 bewirkt wird. Dadurch, dass der Polaritätsumkehr in jeder Brennstoffzelle 10 entgegengewirkt wird, ist der Abbau der Katalysatorschichten in jeder Brennstoffzelle minimiert, was in einer Erhöhung der Nutzlebensdauer des Brennstoffzellenstapels resultiert.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die einen Brennstoffzellenstapel 100 zeigt, der eine vertikale Kurzschlussvorrichtung 102 aufweist, die benachbart zu diesem angeordnet ist. Eine elektrisch leitende Lasche 104 ragt von einem Seitenrand einer Brennstoffzellenplatte 106 des Brennstoffzellenstapels 100 vor. Die Laschen 104 sind an variierenden Stellen entlang des Seitenrandes vorgesehen, so dass, wenn die Platten 106 vertikal gestapelt sind, die Laschen 104 gestaffelt sind. Die vertikale Kurzschlussvorrichtung 102 weist einen elektrisch leitenden Kurzschlusskörper 108 auf, der benachbart dem Brennstoffzellenstapel 100 angeordnet ist. Eine Vielzahl von Kurzschlusskontakten 110 erstreckt sich von jeder Seite des Körpers 108. Der Körper 108 steht in Verbindung mit einem Aktuator (nicht gezeigt), der eine vertikale Bewegung dazu vorsieht. In einer ersten Position stehen die Kurzschlusskontakte 110 des Körpers 108 nicht in Kontakt mit den Laschen 104. In der ersten Position befindet sich die vertikale Kurzschlussvorrichtung 102 in der offenen Position, und jede einzelne Brennstoffzelle 10 kann arbeiten und einen elektrischen Fluss zu dem Brennstoffzellenstapel 100 beitragen. Der Aktuator kann den Körper 108 in eine zweite Position bewegen, in der die Kurzschlusskontakte 110 des Körpers 108 mit den Laschen 104 in Kontakt stehen und die Brennstoffzelle 10 zu überbrücken.
Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform sind die Brennstoffzellen 10 in Gruppen überbrückt. Die Anzahl von Brennstoffzellen 10, die miteinan der kurzgeschlossen sind, kann beispielsweise auf etwa zehn oder weniger beschränkt sein, um eine Gefahr eines elektrischen Lichtbogens zwischen den Zellen 10 zu minimieren. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann der Kurzschlussstab 108 derart ausgebildet sein, dass er elektrisch isolierte Abschnitte 112 aufweist, wobei jeder Abschnitt 112 ein Überbrücken von zehn oder weniger Brennstoffzellen 10 ermöglicht. In einer derartigen Anordnung kann ein einzelner elektrisch leitender Kurzschlusskörper 108, der eine Vielzahl elektrisch isolierter Abschnitte 112 aufweist, dazu verwendet werden, eine Vielzahl von Gruppen von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 100 zu überbrücken. Der verbleibende Aufbau und die verbleibende Verwendung sind dieselben, wie oben für die in den 2 bis 5 gezeigten Ausführungsform beschrieben ist.
7a zeigt eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung, die einen Brennstoffzellenstapel 200 zeigt, der eine horizontale Kurzschlussvorrichtung 202 aufweist, die benachbart zu diesem angeordnet ist. Die horizontale Kurzschlussvorrichtung 202 weist zumindest einen elektrisch leitenden, flexiblen Finger 204 auf. Die Finger 204 sind derart ausgebildet, um mit einer elektrisch leitenden Lasche 206 benachbarter Brennstoffzellenplatten 208 in Kontakt zu treten. Der Finger 204 wird durch einen Aktuator (nicht gezeigt) gesteuert, der den Finger 204 einwärts in Richtung des Stapels 200 oder auswärts weg von dem Stapel 200 bewegt. In einer ersten Position stehen die Finger 204 nicht in Kontakt mit der Lasche 206 der benachbarten Brennstoffzellenplatten 208. In der ersten Position befindet sich die horizontale Kurzschlussvorrichtung 202 in der offenen Position und die Brennstoffzelle 10 kann arbeiten und einen elektrischen Fluss zu dem Brennstoffzellenstapel 200 beitragen. Der Aktuator kann die Finger 204 einwärts zu einer zweiten Position bewegen, wie in 7a gezeigt ist. In der zweiten Position stehen die Finger 204 mit der Lasche 206 der Brennstoffzellenplatten 208 in Kontakt und überbrücken die jeweilige Brennstoffzelle 10. Die horizontale Kurzschlussvorrichtung 202 kann derart ausgebildet sein, um ein Überbrücken einzelner oder Gruppen von Brennstoffzellen 10 zu ermöglichen. Um einzelne Brennstoffzellen 10 zu überbrücken, wird beispielsweise ein einzelner Finger 204 durch einen einzelnen Aktuator gesteuert. Um mehr als eine Brennstoffzelle 10 zu überbrücken, werden beispielsweise mehrere Finger 204 miteinander gekoppelt und durch einen einzelnen Aktuator gesteuert. Als ein weiteres nicht beschränkendes Beispiel kann die Anzahl von Zellen 10, die miteinander kurzgeschlossen sind, auf etwa zehn oder weniger begrenzt sein, um die Gefahr einer Bildung eines elektrischen Lichtbogens zwischen den Zellen 10 zu minimieren.
Es sei zu verstehen, dass die Finger 204 nach Bedarf geformt sein können, um eine erforderliche Flexibilität bereitzustellen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel zeigt 7b Finger 210, 220, 230, die veranschaulichende Beispiele für geeignete Fingerformen sind. 10c zeigt einen besonders nützlichen Finger 240. Der Finger 240 ist derart ausgebildet, um in einen Spalt zwischen benachbarten Brennstoffzellenplatten 208 vorzuragen. Die Enden des Fingers 240 sind nachgiebig und können bei Kontakt mit den Laschen 206 der jeweiligen Brennstoffzellenplatten 208 ausgelenkt werden. Die Auslenkung des Fingers 240 optimiert einen elektrischen Kontakt zwischen dem Finger 240 und der Lasche 206. Ein typischer Brennstoffzellenstapel 200 kann eine gewisse vertikale Fehlausrichtung 210 zwischen benachbarten Brennstoffzellenplatten 208 aufweisen. Der Finger 240 ist derart ausgebildet, um den typischen Betrag der Fehlausrichtung 210 zwischen benachbarten Brennstoffzellenplatten 208 in dem Brennstoffzellenstapel 200 anzupassen. Der Finger 240 wirkt einer Bildung eines Spalts zwischen dem Finger 240 und der Lasche 206 der Brennstoffzellenplatten 208 durch die Fehlausrichtung 210 entgegen, wenn die horizontale Kurzschlussvorrichtung 202 in der zweiten Position ist. Der verbleibende Aufbau und der verbleibende Gebrauch sind dieselben, wie oben für die in den 2 bis 5 gezeigten Ausführungsform beschrieben sind.
8 zeigt eine alternative Ausführungsform der elektrischen Kurzschlussvorrichtung, die ein elektrisches Schema eines Brennstoffzellenstapels 300 zeigt, der eine elektrische Transistorkurzschlussvorrichtung 302 aufweist. Der elektrische Transistor 302 ist zwischen einer anodenseitigen Brennstoffzellenplatte 304 und einer kathodenseitigen Brennstoffzellenplatte 308 angeordnet. Bei der gezeigten Ausführungsform wird ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) als die Kurzschlussvorrichtung 302 verwendet. Um die einzelne Brennstoffzelle 10 zu überbrücken, wird eine Eingangsspannung mit geringer Leistung an ein Gate 308 des Transistors 302 angelegt. Dies erlaubt einen Stromfluss von einer Drain-Elektrode 310 zu einer Source-Elektrode 312, wodurch die Brennstoffzelle 10 überbrückt wird. Ein Transistor 302 kann zwischen benachbarten Brennstoffzellen 10 in dem Brennstoffzellenstapel 300 angeordnet sein, um selektiv einzelne Brennstoffzellen 10 oder Gruppen von Brennstoffzellen 10 zu überbrücken. Der verbleibende Aufbau und der verbleibende Gebrauch sind dieselben, wie oben für die in den 2 und 5 gezeigte Ausführungsform beschrieben sind.
Aus der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und ohne Abweichung von ihrem Erfindungsgedanken und ihrem Schutzumfang verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.

Claims

Elektrische Kurzschlussvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit: einem elektrisch leitenden Körper; einem Aktuator, der mit dem Körper gekoppelt und derart ausgebildet ist, um den Körper selektiv zwischen einer elektrisch leitenden und einer elektrisch nicht leitenden Position zu positionieren, um selektiv eine elektrische Verbindung zwischen einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte bereitzustellen.
Kurzschlussvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anodenplatte einen ersten leitenden Flügel aufweist, der sich seitlich nach außen von einem Rand der Anodenplatte erstreckt, und die Kathodenplatte einen zweiten leitenden Flügel aufweist, der sich seitlich nach außen von einem Rand der Kathodenplatte erstreckt.
Kurzschlussvorrichtung nach Anspruch 2, wobei zumindest einer des ersten und zweiten leitenden Flügels einen daran angeordneten Isolationsstreifen aufweist.
Kurzschlussvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Isolationsstreifen zumindest eine darin geformte Öffnung aufweist.
Kurzschlussvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der elektrisch leitende Körper ferner umfasst: ein erstes Isolationselement mit einer oberen Fläche, einer unteren Fläche und zumindest einer darin geformten Öffnung; ein zweites Isolationselement mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche; ein elektrisch leitendes Element, das zwischen dem ersten Isolationselement und dem zweiten Isolationselement angeordnet ist, wobei das elektrisch leitende Element eine obere Fläche und eine untere Fläche besitzt, wobei die obere Fläche zumindest eine Ausstülpung aufweist, die derart ausgebildet ist, um sich durch die Öffnung des ersten Isolationselements zu erstrecken, und die untere Fläche einen frei liegenden Abschnitt aufweist; und ein Verbindemittel, das derart ausgebildet ist, um das erste Isolationselement, das elektrisch leitende Element und das zweite Isolationselement in einer im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung zu koppeln.
Kurzschlussvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Verbindemittel einen ersten Klebstoff, der zwischen der unteren Fläche des ersten Isolationselements und der oberen Fläche des elektrisch leitenden Elements angeordnet ist, und einen zweiten Klebstoff aufweist, der zwischen der oberen Fläche des zweiten Isolationselements und der unteren Fläche des elektrisch leitenden Elements angeordnet ist, wobei das erste Isolationselement, das elektrisch leitende Element und das zweite Isolationselement in der im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung gekoppelt sind.
Kurzschlussvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das elektrisch leitende Element in einer ersten Position positionierbar ist, in der die Ausstülpung mit dem Isolationsstreifen, der an dem zumindest einen des ersten und zweiten leitenden Flügels angeordnet ist, in Kontakt steht, wobei die erste Position eine elektrisch offene Position der Kurzschlussvorrichtung ist.
Kurzschlussvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das elektrisch leitende Element in einer zweiten Position positionierbar ist, in der die Ausstülpung in Ausrichtung mit den Öffnungen des Isolationsstreifens, der an dem zumindest einen des ersten und zweiten leitenden Flügels angeordnet ist, steht, wobei die Ausstülpung sich durch die Öffnung und in elektrische Verbindung mit zumindest einem des ersten und zweiten leitenden Flügels erstreckt, wobei die zweite Position eine elektrisch kurzgeschlossene Position der Kurzschlussvorrichtung ist.
Kurzschlussvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der an dem zumindest einen des ersten und zweiten leitenden Flügels angeordnete Isolationsstreifen ein daran angeordnetes leitendes Material aufweist, wobei das leitende Material einen elektrischen Widerstand besitzt, der ausreichend ist, um einen durch das leitende Material fließenden elektrischen Strom zu dissipieren.
Kurzschlussvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das elektrisch leitende Element in einer dritten Position positionierbar ist, in der die Ausstülpung in Kontakt mit dem leitenden Material steht.
Brennstoffzellenstapel, mit: zumindest einer Anodenplatte und zumindest einer Kathodenplatte; zumindest einem Protonenaustauschelement, das zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte angeordnet ist; und zumindest einer Kurzschlussvorrichtung, die zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte angeordnet ist, wobei die Kurzschlussvorrichtung umfasst: einen elektrisch leitenden Körper; und einen Aktuator, der mit dem Körper gekoppelt und derart ausgebildet ist, um den Körper selektiv zwischen einer elektrisch leitenden und einer elektrisch nicht leitenden Position zu positionieren, um selektiv eine elektrische Verbindung zwischen einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte vorzusehen.
Brennstoffzellenstapel, mit: zumindest einer ersten Bipolarplatte und einer zweiten Bipolarplatte, wobei jede Bipolarplatte eine Anodenseite und eine Kathodenseite besitzt, wobei die Anodenseite der ersten Bipolarplatte zu der Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte weist; zumindest einem Protonenaustauschelement, das zwischen der Anodenseite der ersten Bipolarplatte und der Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte angeordnet ist; und zumindest einer Kurzschlussvorrichtung, die derart ausgebildet ist, um selektiv eine elektrische Verbindung zwischen der zumindest einen ersten Bipolarplatte und der zweiten Bipolarplatte vorzusehen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Kurzschlussvorrichtung zwischen der benachbarten Anodenplatte und Kathodenplatte angeordnet ist, wobei die Kurzschlussvorrichtung ferner umfasst: einen elektrisch leitenden Körper; einen Halter, der mit dem Körper gekoppelt ist, wobei der Halter derart ausgebildet ist, um eine Seitenbewegung zu dem Körper vorzusehen; und einen Aktuator, der mit dem Halter gekoppelt ist, wobei der Aktuator derart ausgebildet ist, um den Körper zu positionieren, wobei der Körper selektiv eine elektrische Verbindung zwischen der benachbarten Anodenplatte und Kathodenplatte des Brennstoffzellenstapels vorsieht.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Bipolarplatte eine sich von einem Rand derselben erstreckende Kurzschlusslasche aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 14, wobei die Kurzschlussvorrichtung benachbart dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, wobei die Kurzschlussvorrichtung ferner umfasst: einen elektrisch leitenden Körper; eine Vielzahl von Kurzschlusskontakten, die sich von zumindest einer Seite des Körpers erstrecken, wobei die Kurzschlusskontakte derart ausgebildet sind, um mit der Kurzschlusslasche der Bipolarplatte in Kontakt zu treten; und einen Aktuator, der mit dem Körper gekoppelt ist, wobei der Aktuator derart ausgebildet ist, um eine vertikale Bewegung zu dem Körper vorzusehen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei der Körper zumindest einen Abschnitt besitzt, der von einem angrenzenden Abschnitt elektrisch isoliert ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei die Kurzschlussvorrichtung in einer ersten Position, die einen Spalt zwischen dem Kurzschlusskontakt und der Kurzschlusslasche der Bipolarplatte vorsieht, wobei die erste Position eine elektrisch offene Position der Kurzschlussvorrichtung ist, und einer zweiten Position positionierbar ist, die die Kurzschlusskontakte in elektrische Verbindung mit den Kurzschlusslaschen bringt, wobei die zweite Position eine elektrisch kurzgeschlossene Position der Kurzschlussvorrichtung ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 14, wobei die Kurzschlussvorrichtung benachbart dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, wobei die Kurzschlussvorrichtung ferner umfasst: eine Vielzahl elektrisch leitender Finger, die nachgiebige Enden besitzen, die derart ausgebildet sind, um mit der Kurzschlusslasche der Bipolarplatte in Kontakt zu treten; und einen Aktuator, der mit den Fingern gekoppelt ist, wobei der Aktuator derart ausgebildet ist, um eine Seitenbewegung zu den Fingern vorzusehen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 18, wobei die Kurzschlussvorrichtung in einer ersten Position, die einen Spalt zwischen den Fingern und der Kurzschlusslasche der Bipolarplatte vorsieht, wobei die erste Position eine elektrisch offene Position der Kurzschlussvorrichtung ist, und einer zweiten Position positionierbar ist, die die Finger in elektrischer Verbindung mit den Kurzschlusslaschen anordnet, wobei die zweite Position eine elektrisch kurzgeschlossene Position der Kurzschlussvorrichtung ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Kurzschlussvorrichtung ein elektrischer Transistor ist, der zwischen der benachbarten Anodenplatte und Kathodenplatte angeordnet ist.