DE102008011306B4 - Elektrische Kurzschlussanordnung in einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle mit einer Kurzschlussvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 oder des Anspruchs 12, wie sie beispielsweise aus der
US 2005/0064254 A1 US 2005/0064254 A1 - 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 US 2004/0209150 A1 offenbart.
- 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 Kohlenstoffgewebe 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.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer Polaritätsumkehr der Brennstoffzelle entgegenzuwirken und einen durch die Polaritätsumkehr der Brennstoffzelle bewirkten Katalysatorabbau zu minimieren.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Diese Aufgabe wird durch eine Kurzschlussanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 11 oder des Anspruchs 12 gelöst.
- In Übereinstimmung und entsprechend der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine Kurzschlussvorrichtung entwickelt 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 in1 gezeigten Kurzschlussvorrichtung ist, die eine Anodenplatte der Brennstoffzelle zeigt; -
3 eine bruchstückhafte Draufsicht der Anodenplatte der in2 gezeigten Brennstoffzelle ist, wobei die Anodenplatte einen Isolationsstreifen aufweist, der an einem leitenden Flügel angeordnet ist, der von einem Seitenrand derselben vorragt; -
4a eine perspektivische Explosionsansicht eines elektrisch leitenden Körpers in der in2 gezeigten Kurzschlussvorrichtung ist; -
4b eine Stirndarstellung des in4a gezeigten elektrisch leitenden Körpers ist; -
5a eine Stirndarstellung der Kurzschlussvorrichtung von2 ist, die die Kurzschlussvorrichtung zwischen leitenden Flügeln benachbarter Brennstoffzellenplatten angeordnet zeigt; -
5b eine vergrößerte bruchstückhafte Seitendarstellung der Brennstoffzelle von2 ist, die die Kurzschlussvorrichtung in der offenen (nicht kurzgeschlossenen) Position zeigt; -
5c eine vergrößerte bruchstückhafte Seitendarstellung der Brennstoffzelle von2 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 - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
- Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung.
-
1 zeigt eine Brennstoffzelle10 eines Brennstoffzellenstapels (nicht gezeigt). Die Brennstoffzelle10 besitzt eine anodenseitige Bipolarplatte12 und eine kathodenseitige Bipolarplatte14 , wobei eine Membranelektrodenanordnung (MEA)16 dazwischen positioniert ist. Eine Katalysatorschicht (nicht gezeigt) ist an einer oberen Fläche18 und an einer unteren Fläche20 der MEA16 angeordnet. Eine Anodendiffusionsmediumschicht22 ist benachbart der oberen Fläche18 der MEA16 positioniert, und ein Kathodendiffusionsmedium24 ist benachbart der unteren Fläche20 der MEA16 positioniert. Die Diffusionsmediumschichten22 ,24 sind porös und sorgen für einen Gastransport zu bzw. einen Wassertransport von der MEA16 . - Zwischen der Anodendiffusionsmediumschicht
22 und der anodenseitigen Bipolarplatte12 ist ein Anodenströmungskanal26 geformt. Zwischen der Kathodendiffusionsmediumschicht24 und der kathodenseitigen Bipolarplatte14 ist ein Kathodenströmungskanal28 geformt. Die Strömungskanäle26 ,28 stellen einen einer Vielzahl von Kanälen dar, die jeweils zusammenwirken, um ein so genanntes ”Strömungsfeld” (nicht gezeigt) an einer Außenfläche jeder Bipolarplatte12 ,14 zur Verteilung eines Brennstoff- bzw. eines Oxidationsmittelgases über die obere Fläche18 und die untere Fläche20 der MEA16 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 Kurzschlussvorrichtung30 ist zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte12 und der kathodenseitigen Bipolarplatte14 vorgesehen. Die Kurzschlussvorrichtung30 ist ein Schalter, der, wenn er geschlossen ist, eine elektrische Verbindung zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte12 und der kathodenseitigen Bipolarplatte14 vorsieht. Im geschlossenen Zustand minimiert der Schalter30 ein elektrisches Potential zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte12 und der kathodenseitigen Bipolarplatte14 , wobei die Brennstoffzelle10 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 Anodenseite12 zu der Kathodenseite14 der Brennstoffzelle10 . Jedoch ist bei einem Start und bei einem Abschalten der Brennstoffzelle der Wasserstoff-Brennstoff nicht gleichmäßig in der Anodenseite12 verteilt. Eine Fehlverteilung des Wasserstoffs kann zu einer Polaritätsumkehr in der Brennstoffzelle10 führen. Der Umkehrstromfluss bewirkt einen Abbau der Katalysatorschichten. Der Abbau an den Katalysatorschichten reduziert die elektrische Abgabe der Brennstoffzelle10 . Ein kumulativer Abbau der Katalysatorschichten tritt von dem während des wiederholten Startens und Abschaltens der Brennstoffzelle10 auftretenden Umkehrstrom auf. - Die Kurzschlussvorrichtung
30 kann während des Startens und Abschaltens der Brennstoffzelle10 verwendet werden, um dem Umkehrstromfluss und dem anschließenden Abbau der Katalysatorschichten entgegenzuwirken. Die Kurzschlussvorrichtung30 wird während des Starts und des Abschaltens der Brennstoffzelle10 geschlossen, wodurch das elektrische Potential zwischen der anodenseitigen Bipolarplatte12 und der kathodenseitigen Bipolarplatte14 minimiert wird. Die Kurzschlussvorrichtung30 kann zu einem gewünschten Zeitpunkt geöffnet werden, wenn eine Wasserstoffströmung über die anodenseitige Bipolarplatte12 ausgeglichen ist und die Gelegenheit für einen Umkehrstromfluss vorüber ist. -
2 zeigt eine elektrische Kurzschlussvorrichtung50 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die elektrische Kurzschlussvorrichtung50 ist zwischen einer anodenseitigen Brennstoffzellenplatte52 und einer kathodenseitigen Brennstoffzellenplatte54 angeordnet. Ein erster leitender Flügel56 erstreckt sich seitlich nach außen von einem Rand der anodenseitigen Brennstoffzellenplatte52 und ein zweiter leitender Flügel57 erstreckt sich seitlich nach außen von einem Rand der kathodenseitigen Brennstoffzellenplatte54 . Die leitenden Flügel56 ,57 sind derart ausgebildet, um eine elektrische Verbindung zwischen den Brennstoffzellenplatten52 ,54 und der elektrischen Kurzschlussvorrichtung50 vorzusehen. - Die Kurzschlussvorrichtung
50 weist einen elektrisch leitenden Körper64 und einen Halter66 auf, der mit dem Körper64 gekoppelt ist. Der Halter66 ist derart ausgebildet, um im wesentlichen in Ausrichtung mit den leitenden Flügeln56 ,57 zu gleiten. Ein Aktuator68 steht in Verbindung mit dem Halter66 und erleichtert eine selektive horizontale Positionierung des Halters66 und des Körpers64 . Es sei zu verstehen, dass der Aktuator68 ein beliebiger Antriebsmechanismus sein kann, wie beispielsweise ein elektrischer oder ein mechanischer Aktuator. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Aktuator68 einen Kolben, einen Solenoid oder einen Nocken auf. - Der leitende Flügel
56 der anodenseitigen Platte52 weist einen daran angeordneten Isolationsstreifen58 auf. Der Isolationsstreifen58 , der in3 deutlicher gezeigt ist, besitzt zumindest eine darin geformte Öffnung60 . Die zumindest eine Öffnung60 stellt gewählte elektrische Kontaktpunkte62 für den leitenden Flügel56 der anodenseitigen Brennstoffzellenplatte52 bereit. Ein leitendes Material (nicht gezeigt) kann in dem Isolationsstreifen64 an der Stelle der zumindest einen Öffnung60 vorgesehen sein. Das leitende Material kann die elektrischen Kontaktpunkte62 zu dem leitenden Flügel56 der anodenseitigen Brennstoffzellenplatte52 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 den4a und4b deutlicher gezeigt. Der Körper64 weist ein erstes Isolationselement80 , ein zweites Isolationselement88 und ein dazwischen angeordnetes elektrisch leitendes Element84 auf. Die Isolationselemente80 ,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 Isolationsmaterial gezeigt. Die drei Elemente80 ,84 ,88 des Körpers64 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 Isolationselement80 weist zumindest eine darin geformte Öffnung82 auf. Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform ist das leitende Element84 Kupfer und umfasst zumindest eine Ausstülpung70 . Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls andere elektrisch leitende Materialien verwendet werden können, um das leitende Element84 zu formen. Die Ausstülpung70 ist derart ausgebildet, um in der Öffnung82 in dem ersten Isolationselement80 aufgenommen zu werden und durch diese zu verlaufen. Das erste Isolationselement80 bedeckt das leitende Element84 im Wesentlichen und isoliert dieses elektrisch von dem leitenden Flügel56 der Anodenplatte52 , mit Ausnahme der Ausstülpung70 . Das zweite Isolationselement88 besitzt eine Breite, die kleiner als eine Breite des ersten Isolationselements80 und eine Breite des leitenden Elements84 ist, um einen Abschnitt einer unteren Fläche des leitenden Elements84 freiliegend zurückzulassen. Der frei liegende Abschnitt des leitenden Elements84 steht mit dem leitenden Flügel57 der Kathodenplatte54 in Kontakt. - Im Betrieb ist die Kurzschlussvorrichtung
50 zwischen den leitenden Flügeln56 ,57 von zwei benachbarten Brennstoffzellenplatten52 ,54 angeordnet, wie in2 gezeigt ist. Der elektrisch leitende Körper64 verläuft nach außen von einer Stelle zwischen den leitenden Flügeln56 ,57 der Brennstoffzellenplatten52 ,54 und ist mit dem Halter66 gekoppelt. Der frei liegende Abschnitt der unteren Fläche des leitenden Elements84 steht in gleitendem Kontakt mit dem leitenden Flügel57 der Kathodenplatte54 , wie in den2 und5a gezeigt ist. Der Halter66 und der Körper64 können durch den Aktuator68 selektiv positioniert werden. Wenn der Körper64 sich in einer ersten Position befindet, wie in5b gezeigt ist, steht die Ausstülpung70 des leitenden Elements84 in Kontakt mit dem Isolationsstreifen58 , der an dem leitenden Flügel56 der Anodenplatte52 angeordnet ist. In der ersten Position befindet sich die elektrische Kurzschlussvorrichtung50 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 Halter66 und der Körper64 in eine zweite Position gleiten. Die in5c gezeigte zweite Position ordnet die Ausstülpungen70 in Ausrichtung mit den Öffnungen60 des Isolationsstreifens58 an. In dieser Position stehen die Ausstülpungen70 in Kontakt mit dem leitenden Flügel56 der Anodenplatte52 und schließen die elektrische Schaltung zwischen der benachbarten Anodenplatte52 und Kathodenplatte54 , wodurch die einzelne Zelle effektiv überbrückt wird. Die Kurzschlussvorrichtung50 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 Körpers64 in der in5c 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 Brennstoffzelle10 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 Brennstoffzellenplatten52 ,54 vor. Der Widerstand sieht eine längere Zeitdauer zur Minimierung des elektrischen Potentials zwischen den beiden Brennstoffzellenplatten52 ,54 vor und optimiert den Spitzenstromfluss dazwischen. Der Widerstand kann durch selektives Abscheiden einer Widerstandsbeschichtung auf dem Isolationsstreifen58 erreicht werden. Eine Konfiguration des Isolationsstreifens58 , 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 bis5 gezeigte Ausführungsform erlaubt, dass die Kurzschlussvorrichtung50 zwischen benachbarten Platten angeordnet werden kann, ohne dass eine wesentliche Erhöhung des Raums dazwischen erforderlich wird. Der Körper64 ist derart ausgebildet, um in einen typischen 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 Flügel56 der Anodenplatte52 und dem leitenden Element84 des Körpers64 vor. Das optimierte Kontaktgebiet wirkt einem Abbau der Ausstülpungen70 , der durch den Strom bewirkt wird, entgegen. Ferner sieht im Vergleich zu einem typischen einzelnen elektrischen Draht das leitende Element84 eine optimierte Oberfläche zum Kontakt mit dem leitenden Flügel57 der Kathodenplatte54 und eine gesamte optimierte Oberfläche zur Verteilung des elektrischen Flusses dazwischen vor. Die optimierte Oberfläche des leitenden Elements84 wirkt dem Strom entgegen, der einen Abbau des leitenden Elements84 bewirkt. - Die Ausführungsform der
2 bis5 zeigt die Kurzschlussvorrichtung50 orientiert mit der Ausstülpung70 in selektivem Kontakt mit dem leitenden Flügel56 . Es sei zu verstehen, dass die Orientierung der Kurzschlussvorrichtung50 und des Isolationsstreifens58 umgekehrt werden kann. In der umgekehrten Orientierung ist der Isolationsstreifen58 an dem leitenden Flügel57 angeordnet und die Ausstülpung70 steht in selektivem Kontakt mit dem leitenden Flügel57 . Es sei auch zu verstehen, dass eine Ausstülpung an dem leitenden Flügel57 mit einem an dem Körper64 angeordneten Isolationsstreifen geformt werden kann. - Die Kurzschlussvorrichtung
50 kann zwischen der Anoden- und Kathodenplatte jeder Brennstoffzelle10 in einem Brennstoffzellenstapel enthalten sein. Jede Brennstoffzelle10 kann unter Betriebsbedingungen kurzgeschlossen werden, bei denen es wahrscheinlich ist, dass eine Polaritätsumkehr der einzelnen Brennstoffzelle10 bewirkt wird. Dadurch, dass der Polaritätsumkehr in jeder Brennstoffzelle10 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 Brennstoffzellenstapel100 zeigt, der eine vertikale Kurzschlussvorrichtung102 aufweist, die benachbart zu diesem angeordnet ist. Eine elektrisch leitende Lasche104 ragt von einem Seitenrand einer Bipolarplatte106 des Brennstoffzellenstapels100 vor. Die Laschen104 sind an variierenden Stellen entlang des Seitenrandes vorgesehen, so dass, wenn die Platten106 vertikal gestapelt sind, die Laschen104 gestaffelt sind. Die vertikale Kurzschlussvorrichtung102 weist einen elektrisch leitenden Kurzschlusskörper108 auf, der benachbart dem Brennstoffzellenstapel100 angeordnet ist. Eine Vielzahl von Kurzschlusskontakten110 erstreckt sich von jeder Seite des Körpers108 . Der Körper108 steht in Verbindung mit einem Aktuator (nicht gezeigt), der eine vertikale Bewegung dazu vorsieht. In einer ersten Position stehen die Kurzschlusskontakte110 des Körpers108 nicht in Kontakt mit den Laschen104 . In der ersten Position befindet sich die vertikale Kurzschlussvorrichtung102 in der offenen Position, und jede einzelne Brennstoffzelle10 kann arbeiten und einen elektrischen Fluss zu dem Brennstoffzellenstapel100 beitragen. Der Aktuator kann den Körper108 in eine zweite Position bewegen, in der die Kurzschlusskontakte110 des Körpers108 mit den Laschen104 in Kontakt stehen und die Brennstoffzelle10 überbrücken. - Bei der in
6 gezeigten Ausführungsform sind die Brennstoffzellen10 in Gruppen überbrückt. Die Anzahl von Brennstoffzellen10 , die miteinander kurzgeschlossen sind, kann beispielsweise auf etwa zehn oder weniger beschränkt sein, um eine Gefahr eines elektrischen Lichtbogens zwischen den Zellen10 zu minimieren. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann der Kurzschlussstab108 derart ausgebildet sein, dass er elektrisch isolierte Abschnitte112 aufweist, wobei jeder Abschnitt112 ein Überbrücken von zehn oder weniger Brennstoffzellen10 ermöglicht. In einer derartigen Anordnung kann ein einzelner elektrisch leitender Kurzschlusskörper108 , der eine Vielzahl elektrisch isolierter Abschnitte112 aufweist, dazu verwendet werden, eine Vielzahl von Gruppen von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel100 zu überbrücken. Der verbleibende Aufbau und die verbleibende Verwendung sind dieselben, wie oben für die in den2 bis5 gezeigten Ausführungsform beschrieben ist. -
7a zeigt eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung, die einen Brennstoffzellenstapel200 zeigt, der eine horizontale Kurzschlussvorrichtung202 aufweist, die benachbart zu diesem angeordnet ist. Die horizontale Kurzschlussvorrichtung202 weist zumindest einen elektrisch leitenden, flexiblen Finger204 auf. Die Finger204 sind derart ausgebildet, um mit einer elektrisch leitenden Lasche206 benachbarter Brennstoffzellenplatten208 in Kontakt zu treten. Der Finger204 wird durch einen Aktuator (nicht gezeigt) gesteuert, der den Finger204 einwärts in Richtung des Stapels200 oder auswärts weg von dem Stapel200 bewegt. In einer ersten Position stehen die Finger204 nicht in Kontakt mit der Lasche206 der benachbarten Bipolarplatten208 . In der ersten Position befindet sich die horizontale Kurzschlussvorrichtung202 in der offenen Position und die Brennstoffzelle10 kann arbeiten und einen elektrischen Fluss zu dem Brennstoffzellenstapel200 beitragen. Der Aktuator kann die Finger204 einwärts zu einer zweiten Position bewegen, wie in7a gezeigt ist. In der zweiten Position stehen die Finger204 mit der Lasche206 der Bipolarplatten208 in Kontakt und überbrücken die jeweilige Brennstoffzelle10 . Die horizontale Kurzschlussvorrichtung202 kann derart ausgebildet sein, um ein Überbrücken einzelner oder Gruppen von Brennstoffzellen10 zu ermöglichen. Um einzelne Brennstoffzellen10 zu überbrücken, wird beispielsweise ein einzelner Finger204 durch einen einzelnen Aktuator gesteuert. Um mehr als eine Brennstoffzelle10 zu überbrücken, werden beispielsweise mehrere Finger204 miteinander gekoppelt und durch einen einzelnen Aktuator gesteuert. Als ein weiteres nicht beschränkendes Beispiel kann die Anzahl von Zellen10 , die miteinander kurzgeschlossen sind, auf etwa zehn oder weniger begrenzt sein, um die Gefahr einer Bildung eines elektrischen Lichtbogens zwischen den Zellen10 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 zeigt7b Finger210 ,220 ,230 , die veranschaulichende Beispiele für geeignete Fingerformen sind.10c zeigt einen besonders nützlichen Finger240 . Der Finger240 ist derart ausgebildet, um in einen Spalt zwischen benachbarten Bipolarplatten208 vorzuragen. Die Enden des Fingers240 sind nachgiebig und können bei Kontakt mit den Laschen206 der jeweiligen Bipolarplatten208 ausgelenkt werden. Die Auslenkung des Fingers240 optimiert einen elektrischen Kontakt zwischen dem Finger240 und der Lasche206 . Ein typischer Brennstoffzellenstapel200 kann eine gewisse vertikale Fehlausrichtung210 zwischen benachbarten Bipolarplatten208 aufweisen. Der Finger240 ist derart ausgebildet, um den typischen Betrag der Fehlausrichtung210 zwischen benachbarten Bipolarplatten208 in dem Brennstoffzellenstapel200 anzupassen. Der Finger240 wirkt einer Bildung eines Spalts zwischen dem Finger240 und der Lasche206 der Bipolarplatten208 durch die Fehlausrichtung210 entgegen, wenn die horizontale Kurzschlussvorrichtung202 in der zweiten Position ist. Der verbleibende Aufbau und der verbleibende Gebrauch sind dieselben, wie oben für die in den2 bis5 gezeigten Ausführungsform beschrieben sind.
Claims (19)
- Elektrische Kurzschlussanordnung in einer Brennstoffzelle, mit: einer Anodenplatte (
52 ); einer Kathodenplatte (54 ); einem beweglichen, elektrisch leitenden Körper (64 ); und einem Aktuator (68 ), der mit dem Körper (64 ) gekoppelt und derart ausgebildet ist, um den Körper (64 ) selektiv zwischen einer elektrisch leitenden und einer elektrisch nicht leitenden Position zu positionieren, um selektiv eine elektrische Verbindung zwischen der Anodenplatte (52 ) und der Kathodenplatte (54 ) bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche, elektrisch leitende Körper (64 ) benachbart zu einem Seitenrand der Anodenplatte (52 ) und der Kathodenplatte (54 ) angeordnet ist. - Kurzschlussanordnung nach Anspruch 1, wobei die Anodenplatte (
52 ) einen ersten leitenden Flügel (56 ) aufweist, der sich seitlich nach außen von dem Rand der Anodenplatte (52 ) erstreckt, und die Kathodenplatte (54 ) einen zweiten leitenden Flügel (57 ) aufweist, der sich seitlich nach außen von dem Rand der Kathodenplatte (54 ) erstreckt. - Kurzschlussanordnung nach Anspruch 2, wobei zumindest einer des ersten und zweiten leitenden Flügels (
56 ,57 ) einen daran angeordneten Isolationsstreifen (58 ) aufweist. - Kurzschlussanordnung nach Anspruch 3, wobei der Isolationsstreifen (
58 ) zumindest eine darin geformte Öffnung (60 ) aufweist. - Kurzschlussanordnung nach Anspruch 1, wobei der elektrisch leitende Körper (
64 ) ferner umfasst: ein erstes Isolationselement (80 ) mit einer oberen Fläche, einer unteren Fläche und zumindest einer darin geformten Öffnung (82 ); ein zweites Isolationselement (88 ) mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche; ein elektrisch leitendes Element (84 ), das zwischen dem ersten Isolationselement (80 ) und dem zweiten Isolationselement (88 ) angeordnet ist, wobei das elektrisch leitende Element (84 ) eine obere Fläche und eine untere Fläche besitzt, wobei die obere Fläche zumindest eine Ausstülpung (70 ) aufweist, die ausgebildet ist, um sich durch die Öffnung (82 ) des ersten Isolationselements (80 ) zu erstrecken, und die untere Fläche einen frei liegenden Abschnitt aufweist; und ein Verbindemittel, das ausgebildet ist, um das erste Isolationselement (80 ), das elektrisch leitende Element (84 ) und das zweite Isolationselement (88 ) in einer vertikalen Ausrichtung zu koppeln. - Kurzschlussanordnung nach Anspruch 5, wobei das Verbindemittel einen ersten Klebstoff, der zwischen der unteren Fläche des ersten Isolationselements (
80 ) und der oberen Fläche des elektrisch leitenden Elements (84 ) angeordnet ist, und einen zweiten Klebstoff aufweist, der zwischen der oberen Fläche des zweiten Isolationselements (88 ) und der unteren Fläche des elektrisch leitenden Elements (84 ) angeordnet ist, wobei das erste Isolationselement (80 ), das elektrisch leitende Element (84 ) und das zweite Isolationselement (88 ) in der vertikalen Ausrichtung gekoppelt sind. - Kurzschlussanordnung nach Anspruch 5, wobei das elektrisch leitende Element (
84 ) in einer ersten Position positionierbar ist, in der die Ausstülpung (70 ) mit dem Isolationsstreifen (58 ), der an dem zumindest einen des ersten und zweiten leitenden Flügels (56 ,57 ) angeordnet ist, in Kontakt steht, wobei die erste Position eine elektrisch offene Position der Kurzschlussvorrichtung (50 ) ist. - Kurzschlussanordnung nach Anspruch 5, wobei das elektrisch leitende Element (
84 ) in einer zweiten Position positionierbar ist, in der die Ausstülpung (70 ) in Ausrichtung mit den Öffnungen (60 ) des Isolationsstreifens (58 ), der an dem zumindest einen des ersten und zweiten leitenden Flügels (56 ,57 ) angeordnet ist, steht, wobei die Ausstülpung (70 ) sich durch die Öffnung (60 ) und in elektrischer Verbindung mit zumindest einem des ersten und zweiten leitenden Flügels (56 ,57 ) erstreckt, wobei die zweite Position eine elektrisch kurzgeschlossene Position der Kurzschlussvorrichtung (50 ) ist. - Kurzschlussanordnung nach Anspruch 5, wobei der an dem zumindest einen des ersten und zweiten leitenden Flügels angeordnete Isolationsstreifen (
58 ) 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. - Kurzschlussanordnung nach Anspruch 9, wobei das elektrisch leitende Element (
84 ) in einer dritten Position positionierbar ist, in der die Ausstülpung (70 ) in Kontakt mit dem leitenden Material steht. - Brennstoffzelle, mit: zumindest einer Anodenplatte (
52 ) und zumindest einer Kathodenplatte (54 ); zumindest einem Protonenaustauschelement, das zwischen der Anodenplatte (52 ) und der Kathodenplatte (54 ) angeordnet ist; und zumindest einer Kurzschlussvorrichtung (50 ), die umfasst: einen beweglichen, elektrisch leitenden Körper (64 ); und einen Aktuator (68 ), der mit dem Körper (64 ) gekoppelt und ausgebildet ist, um den Körper (64 ) selektiv zwischen einer elektrisch leitenden und einer elektrisch nicht leitenden Position zu positionieren, um selektiv eine elektrische Verbindung zwischen einer Anodenplatte (52 ) und einer Kathodenplatte (54 ) vorzusehen; dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussvorrichtung (50 ) zwischen der Anodenplatte (52 ) und der Kathodenplatte (54 ) angeordnet ist; und dass der bewegliche, elektrisch leitende Körper (64 ) benachbart zu einem Seitenrand der Anodenplatte (52 ) und der Kathodenplatte (54 ) angeordnet ist. - Brennstoffzelle, mit: zumindest einer ersten Bipolarplatte (
106 ,208 ) und einer zweiten Bipolarplatte (106 ,208 ), wobei jede Bipolarplatte eine Anodenseite und eine Kathodenseite besitzt, wobei die Anodenseite der ersten Bipolarplatte (106 ,208 ) zu der Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte (106 ,208 ) weist; zumindest einem Protonenaustauschelement, das zwischen der Anodenseite der ersten Bipolarplatte (106 ,208 ) und der Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte (106 ,208 ) angeordnet ist; und zumindest einer Kurzschlussvorrichtung (110 ,202 ) mit einem beweglichen, elektrisch leitenden Körper (108 ,204 ,210 ,220 ,230 ,240 ), wobei die Kurzschlussvorrichtung (110 ,202 ) ausgebildet ist, um selektiv eine elektrische Verbindung zwischen der zumindest einen ersten Bipolarplatte (106 ,208 ) und der zweiten Bipolarplatte (106 ,208 ) vorzusehen; dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche, elektrisch leitende Körper (108 ,204 ,210 ,220 ,230 ,240 ) benachbart zu einem Seitenrand der Anodenseite der ersten Bipolarplatte (106 ,208 ) und der Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte (106 ,208 ) angeordnet ist. - Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Kurzschlussvorrichtung (
50 ) zwischen der benachbarten Anodenplatte (52 ) und Kathodenplatte (54 ) angeordnet ist, wobei die Kurzschlussvorrichtung (50 ) ferner umfasst: einen Halter (66 ), der mit dem Körper (64 ) gekoppelt ist, wobei der Halter (66 ) ausgebildet ist, um eine Seitenbewegung zu dem Körper (64 ) vorzusehen; und einen Aktuator (68 ), der mit dem Halter (66 ) gekoppelt ist, wobei der Aktuator (68 ) ausgebildet ist, um den Körper (64 ) zu positionieren, wobei der Körper (64 ) selektiv eine elektrische Verbindung zwischen der benachbarten Anodenplatte (52 ) und Kathodenplatte (54 ) des Brennstoffzellenstapels vorsieht. - Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei die Bipolarplatte (
106 ,208 ) eine sich von einem Rand derselben erstreckende Kurzschlusslasche (104 ,206 ) aufweist. - Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die Kurzschlussvorrichtung (
102 ) benachbart dem Brennstoffzellenstapel (100 ) angeordnet ist, wobei die Kurzschlussvorrichtung (102 ) ferner umfasst: eine Vielzahl von Kurzschlusskontakten (110 ), die sich von zumindest einer Seite des Körpers (108 ) erstrecken, wobei die Kurzschlusskontakte (110 ) ausgebildet sind, um mit der Kurzschlusslasche (104 ) der Bipolarplatte (106 ) in Kontakt zu treten; und einen Aktuator, der mit dem Körper (108 ) gekoppelt ist, wobei der Aktuator ausgebildet ist, um eine vertikale Bewegung zu dem Körper (108 ) vorzusehen. - Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei der Körper (
108 ) zumindest einen Abschnitt besitzt, der von einem angrenzenden Abschnitt elektrisch isoliert ist. - Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei die Kurzschlussvorrichtung (
102 ) in einer ersten Position, die einen Spalt zwischen dem Kurzschlusskontakt (110 ) und der Kurzschlusslasche (104 ) der Bipolarplatte (106 ) vorsieht, wobei die erste Position eine elektrisch offene Position der Kurzschlussvorrichtung (102 ) ist, und einer zweiten Position positionierbar ist, die die Kurzschlusskontakte (110 ) in elektrische Verbindung mit den Kurzschlusslaschen (104 ) bringt, wobei die zweite Position eine elektrisch kurzgeschlossene Position der Kurzschlussvorrichtung (102 ) ist. - Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die Kurzschlussvorrichtung (
202 ) benachbart dem Brennstoffzellenstapel (200 ) angeordnet ist, wobei die Kurzschlussvorrichtung (202 ) ferner umfasst: eine Vielzahl elektrisch leitender Finger (204 ), die nachgiebige Enden besitzen, die ausgebildet sind, um mit der Kurzschlusslasche (206 ) der Bipolarplatte (208 ) in Kontakt zu treten; und einen Aktuator, der mit den Fingern (204 ) gekoppelt ist, wobei der Aktuator ausgebildet ist, um eine Seitenbewegung zu den Fingern vorzusehen. - Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei die Kurzschlussvorrichtung (
202 ) in einer ersten Position, die einen Spalt zwischen den Fingern (204 ) und der Kurzschlusslasche (206 ) der Bipolarplatte (208 ) vorsieht, wobei die erste Position eine elektrisch offene Position der Kurzschlussvorrichtung (202 ) ist, und einer zweiten Position positionierbar ist, die die Finger (204 ) in elektrischer Verbindung mit den Kurzschlusslaschen (206 ) anordnet, wobei die zweite Position eine elektrisch kurzgeschlossene Position der Kurzschlussvorrichtung (202 ) ist.
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