DE102015224088A1

DE102015224088A1 - Verfahren zur Reparatur eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102015224088A1
Application number: DE102015224088.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Haase; Stefan Kreitmeier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-08
Also published as: CN108292766B; US20180277866A1; CN108292766A; US10727509B2; WO2017092948A1

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Brennstoffzellenstapels 100 mit mehreren Einzelzellen 101, 102, 103, 104, umfassend die Schritte: a) Identifizieren von mindestens einer degradierten Einzelzelle 102 des Brennstoffzellenstapels 100; und b) Deaktivieren der mindestens einen degradierten Einzelzelle 102.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Brennstoffzellenstapels.
Brennstoffzellensysteme als solche sind bekannt. Sie umfassen einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl in Serie geschalteten Brennstoffzellen bzw. Einzelzellen (nachstehend wird vereinfachend der Begriff Einzelzellen bzw. Zellen verwendet). Die Leistung des Brennstoffzellenstapels wird durch die Einzelzelle mit der geringsten Stromdichte bei gegebener Spannung beschränkt. Nach einem Schadensfall, z.B. Wasserstoffunterversorgung (en: global fuel starvation), kann die Stromdichte einer einzelnen Einzelzelle aufgrund irreversibler Elektrodenschädigung derart limitiert sein, dass der Brennstoffzellenstapel die notwendige Minimalleistung für den Fahrzeugbetrieb nicht mehr erbringen kann. Auch wenn lediglich eine Einzelzelle oder lediglich wenige Einzelzellen den für die Minimalleistung des Kraftfahrzeuges notwendigen Strom nicht mehr erbringen können, muss der gesamte Brennstoffzellenstapel aufgrund der Serienschaltung der Einzelzellen als defekt betrachtet werden.
Falls eine Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels defekt ist, wird die Brennstoffzellenstapelleistung aufgrund der Serienschaltung aller Einzelzellen durch die schlechteste bzw. defekte Einzelzelle limitiert. Als Folge wird die Fahrzeugleistung begrenzt, unter Umständen kann keine Leistung zur Verfügung gestellt werden. In beiden Fällen müsste das Kraftfahrzeug durch die Fachwerkstatt inspiziert werden. Bisher ist es schwierig, einzelne defekte Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels zu reparieren bzw. zu ersetzen. Dazu müsste der Brennstoffzellenstapel aus dem Fahrzeug genommen und geöffnet werden, einzelne defekte bzw. degradierte Einzelzellen entfernt werden und ggfs. durch neue ersetzt werden. Dieser Prozess wäre aufwendig und benötigt vermutlich spezielle Werkzeuge, Maschinen und Räumlichkeiten. Außerdem wäre fundiertes Spezialwissen für eine solche Reparatur notwendig. Mit der bestehenden Infrastruktur kann ein Austausch des gesamten Brennstoffzellenstapels zweckmäßig sein. Der Austausch eines defekten Brennstoffzellenstapels durch einen neuen Brennstoffzellenstapel ist jedoch kostenintensiv.
Aus der US 7,078,119 B2 ist ein Brennstoffzellenstapel mit mehreren Sub-Stacks bekannt, bei dem die Temperatur für die Steuerung der Stacks herangezogen wird.
Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Brennstoffzellenstapels. Das Brennstoffzellensystem mit dem hier offenbarten Brennstoffzellenstapel ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für die mindestens einer Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Ein solches Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl an Brennstoffzellen. In ihrer einfachsten Form ist eine Einzelzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Einzelzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator (nachstehend Membran genannt) kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion^®, Flemion^® und Aciplex^®.
Die Anzahl an Einzelzellen richtet sich nach dem Zellendesign und der benötigten Leistung des Brennstoffzellensystems. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel mindestens 100, bevorzugt mindestens 200, mindestens 300, mindestens 400 oder mindestens 500 Brennstoffzellen bzw. Einzelzellen umfassen. Die Einzelzellen sind zu einen Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, insbesondere sind sie zwischen zwei Endplatten verspannt. Der Brennstoffzellenstapel umfasst ferner mindestens zwei Stromabnehmer. Die Stromabnehmer sind i.d.R. Platten, die zumindest bereichsweise aus dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt sind (oder es sind entsprechende elektrische Leiter herausgeführt). Die Stromabnehmer dienen dazu, den Strom einer anliegenden Einzelzelle flächig abzugreifen und in Richtung eines Verbrauchers abzuführen. Das Brennstoffzellensystem ist hier derart ausgebildet, dass selektiv mindestens eine defekte Einzelzelle deaktivierbar ist.
Das hier offenbarte Verfahren umfasst die Schritte:

– Identifizieren von mindestens einer degradierten Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels; und
– Deaktivieren der mindestens einen degradierten Einzelzelle.

Als Zelldegradation bzw. degradierte Einzelzelle ist dabei allgemein eine Verschlechterung des Zustands, insbesondere der Leistungsfähigkeit, der Einzelzelle anzusehen. Beispielsweise kann von einer Zelldegradation ausgegangen werden, wenn die Einzelzelle beispielsweise weniger als 70%, bevorzugt weniger als 50%, 30% oder 20% der Nennleistung oder der durchschnittlichen Leistung der nicht degradierten Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels bereitstellen kann. Anstatt von degradierten Einzelzellen könnte auch der Begriff „defekte Brennstoffzellen“ verwendet werden. Auch kann in diesem Zusammenhang als defekte Brennstoffzelle eine beschädigte Membran angesehen werden.
Das Identifizieren von mindestens einer degradierten Zelle kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Zelldegradation der Einzelzellen bestimmt wird. Das Bestimmen der Zelldegradation kann den Schritt umfassen: Messen der Zellspannung von mehreren Einzelzellen. Als Maß für die Zelldegradation kann also beispielsweise die Zellspannung herangezogen werden. Beispielsweise kann eine Einzelzelle als degradiert angesehen werden, wenn die Einzelzelle weniger als 70%, bevorzugt weniger als 50%, 30% oder 20% der Nennspannung oder der durchschnittlichen Spannung der anderen Einzelzellen bereitstellen kann. Mit anderen Worten kann eine Zelldegradation vorliegen, wenn eine Zelle eine geringere Zellspannung als die anderen Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels und/oder des entsprechenden Segmentes aufweist. Anstatt der Zellspannung könnten auch andere Parameter der Einzelzelle herangezogen werden, z.B. Impedanz, OCV-Test, etc. Die Zelldegradation kann kontinuierlich oder intermittierend (d.h. von Zeit zu Zeit, insbesondere in regelmäßigen Abständen) während des Brennstoffzellenbetriebs bestimmt werden. Bevorzugt wird die Zelldegradation nicht während der Startphase des Brennstoffzellenbetriebs ermittelt. In der Startphase, wenn also das Brennstoffzellensystem noch nicht die Betriebstemperatur erreicht hat, könnten Eisbildungen die Messergebnisse verfälschen. Bevorzugt wird die mindestens eine Einzelzelle erst nach mehreren zeitlich versetzten Messungen als degradiert eingestuft oder bei Abweichungen der Zellspannungen, die größer als ein vorher definierter Wert sind. Zum Identifizieren und bevorzugt auch zum Lokalisieren von mindestens einer degradierten Einzelzelle kann beispielsweise ein Zellüberwachungssystem (cell voltage monitor) eingesetzt werden. Ferner bevorzugt kann die degradierte Einzelzelle auch in einer Servicewerkstatt durch eine geeignete Diagnoseeinrichtung identifiziert und/oder lokalisiert werden, beispielsweise durch ein externes Diagnosegerät.
Deaktivieren kann in diesem Zusammenhang insbesondere bedeuten, dass die Zelle nicht zur Leistung des Brennstoffzellenstapels beiträgt bzw. diese nicht mehr beeinflusst und insbesondere den Stromfluss durch den Stapel nicht limitiert. Das Deaktivieren der mindestens einen degradierten Einzelzelle umfasst insbesondere das elektrische Überbrücken der Einzelzelle.
Die Einzelzelle kann gemäß einem Aspekt extern überbrückt werden, beispielsweise indem die Separatorplatten einer Einzelzelle elektrisch überbrückt werden. Mit anderen Worten wird eine elektrische Verbindung zwischen den Separatorplatten zugelassen. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Separatorplatten der degradierten Einzelzelle kann besonders vorteilhaft durch eine Membran hindurch erzeugt werden. Durch die Membran hindurch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass entweder die Membran selbst elektrisch leitend wird und/oder ein Durchgang in der Membran erzeugt wird, der einen elektrischen Kontakt zwischen durch die Membran normalerweise getrennte Katalysatorschichten und/oder Gasdiffusionsschichten ermöglicht. Der Durchgang kann beispielsweise ein Loch, ein Spalt oder ein Riss in der Membran sein. Der Brennstoffzellenstapel ist insgesamt vorgespannt. Die Vorspannung sorgt dafür, dass die jeweils auf beiden Seiten der Membran angeordneten Katalysatorschichten und/oder Gasdiffusionsschichten in den Durchgang gepresst werden, wobei sich die sonst durch die Membran separierten Komponenten dann berühren. Sofern eine oder beide Katalysatorschicht(en) aus irgendeinem Grund nicht im Durchgangsbereich durch die Membran vorhanden sein sollte(n), könnten eine oder beide Gasdiffusionsschicht(en) den elektrischen Kontakt zur anderen Seite der Membran herstellen. Die elektrisch leitende Verbindung könnte alternativ oder zusätzlich auch dergestalt sein, dass die Membran selbst zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig gemacht wird, beispielsweise indem die Membransubstanz verändert wird und/oder eine elektrisch leitfähige Substanz in die Membran eingelagert wird.
Gemäß dem hier offenbarten Verfahren kann eine Hochspannung an der Einzelzelle angelegt werden, die den Durchgang erzeugt. Die Hochspannung ist zweckmäßig so gewählt, dass es zu einem Funkenschlag und somit zur Ausbildung eines Durchgangs kommt. Beispielsweise kann die Hochspannung mindestens 1kV oder mindestens 5 kV, ferner bevorzugt mindestens 10 kV, mindestens 20 kV oder mindestens 30 kV betragen. Bevorzugt ist der Brennstoffzellenstapel dabei potentialfrei. Beispielsweise sollte der Brennstoffzellenstapel nicht an das Massepotential des Kraftfahrzeuges angeschlossen werden. Bevorzugt wird sichergestellt, dass durch Anlegen der Hochspannung kein Strom zwischen intakten Einzelzellen fließt. Die intakten Einzelzellen können dazu potentialfrei sein. Die Hochspannung kann zweckmäßig vom äußeren Rand her an den Separatorplatten der Einzelzelle angelegt werden. Sofern ein Zellüberwachungssystem eingesetzt wird und diese ausgebildet ist, die Hochspannung zu übertragen, kann die Hochspannung auch über das Zellüberwachungssystem angelegt werden. Anstatt einer Einzelzelle kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass zwei oder mehr unmittelbar benachbarte Einzelzellen gleichzeitig deaktiviert werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Hochspannung kann auch eine membranstrukturzersetzende Substanz in die degradierte Einzelzelle eingebracht werden. Dabei kann die Substanz die Struktur der Membran derart ändern, dass die Membran elektrisch leitfähig wird. Besonders bevorzugt wird die Membran zumindest bereichsweise komplett zersetzt, so dass sich der Durchgang ausbildet. Beispielsweise kann ein Lösungsmittel, z.B. Aceton in die Einzelzelle eingebracht werden, die die Membran zumindest bereichsweise auflöst. Vorteilhaft kann eine Substanz eingesetzt werden, deren dynamische Viskosität bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von 0°C weniger als 1000 10^–6 kg m^–1 s^–1, und besonders bevorzugt von weniger als 500 10^–6 kg m^–1 s^–1 oder weniger als 100 10^–6 kg m^–1 s^–1 aufweist. Vorteilhaft könnte die Substanz ausgebildet sein, die Struktur der Katalysatorschicht zu zersetzen. Dann gelangt die Substanz leichter zur Membran.
Nach der Erzeugung des Durchgangs bzw. nach dem zumindest bereichsweisen Zersetzen der Membran kann der Brennstoffzellenstapel derart betrieben werden, dass sich der Durchgang vergrößert. Die nach den vorgenannten Verfahren erzeugten Durchgänge sind i.d.R. anfangs vergleichsweise klein. Beispielsweise kann der Durchgang einen Durchmesser von ca. 10 µm bis ca. 100 µm aufweisen. Ein solcher Durchgang kann ausreichen, dass ein erster Kontakt zwischen den auf beiden Seiten der Membran angeordneten elektrisch leitenden Schichten (d.h. der Katalysatorschicht bzw. der Gasdiffusionsschicht) zustande kommt. Es kommt dann zu einen Stromfluss durch die Membran, der beispielsweise ca. 10 bis 20 Milliampere beträgt. Dieser Stromfluss bewirkt eine Erwärmung der umliegenden Bereiche. Ferner kann durch den Durchgang Brennstoff in Kontakt mit dem Oxidationsmittel gelangen. Es kann dann zu einer chemischen Reaktion kommen, bei der Wärme freigesetzt wird. Diese Reaktionswärme kann ebenso die umliegenden Bereiche erwärmen. Vorteilhaft kann die Reaktion derart gestaltet sein, dass sich die Membran im Bereich des Durchgangs derart erwärmt, dass die Membran zumindest bereichsweise wegschmelzen kann. Vorteilhaft kann sich dadurch der Kontaktbereich für die Katalysatorschichten bzw. Gasdiffusionsschichten vergrößern. Der vergrößerte Kontaktbereich kann einhergehen mit einer gesteigerten elektrischen Leitfähigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit kann somit derart erhöht werden, dass die Leistungseinbußen aufgrund des Leitungswiderstandes der deaktivierten Einzelzelle gering sind. Insbesondere nachdem der Durchgang in der Membran bzw. die Kontaktflächen vergrößert wurde(n), kann bevorzugt die mindestens eine Medienzufuhr und/oder mindestens eine Medienabfuhr zur bzw. von der Einzelzelle unterbunden werden. Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach während des Deaktivierens der Einzelzelle das Oxidationsmittel an der Kathodenseite einen geringeren Sauerstoffgehalt aufweist als die Umgebungsluft. Somit kann die chemische Reaktion am Durchgang besser kontrolliert und eventuell unterbunden werden, falls gewünscht. Beispielsweise kann ein Sauerstoffgehalt von weniger als 10 Volumen-% oder 10 Massen% vorgesehen sein. Die Phase des Deaktivierens umfasst dabei die Reparaturzeit. Die Phase des Deaktivierens umfasst nicht den regulären Fahrzeugbetrieb zur Fortbewegung.
Bevorzugt kann mindestens eine Medienzufuhr des Brennstoffzellenstapels in die degradierte Einzelzelle und/oder mindestens eine Medienabfuhr des Brennstoffzellenstapels aus der degradierten Einzelzelle heraus unterbunden werden. I.d.R. werden drei Medien zugeführt: Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. Die mindestens eine Medienzufuhr umfasst in der Regel einen Medienzufuhrkanal, einen Medieneinlass, durch welchen das Medium in die Einzelzelle gelangt, und eine einlassseitige Verteilerstruktur, die den Medieneinlass mit dem aktiven Flussfeld (flow field) verbindet. Ebenso umfasst die mindestens eine Medienabfuhr i.d.R. eine auslassseitige Verteilerstruktur, die das Medium aus dem aktiven Flussfeld in den Medienauslass transportiert, von wo aus das Medium dann in den Medienabfuhrkanal gelangt.
Besonders bevorzugt wird die Brennstoffzufuhr, die Brennstoffabfuhr, die Oxidationsmittelzufuhr und/oder die Oxidationsmittelabfuhr zu bzw. aus der Einzelzelle unterbunden, wohingegen bevorzugt die Zufuhr und Abfuhr des Kühlmittels (falls vorhanden) nicht unterbunden sein kann. Nachstehend wird in erster Linie auf die Brennstoffzufuhr, und die Brennstoffabfuhr eingegangen. Die hier erläuterte Technologie zur Unterbindung der Brennstoffzufuhr und Brennstoffabfuhr ist ebenso auf die Zufuhr und Abfuhr von Oxidationsmittel anwendbar und soll als mit offenbart gelten.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der Medieneinlass, der Medienauslass und/oder deren Verteilerstrukturen mit einer Dichtmasse vergossen werden. Als Dichtmasse kann hier jegliche Dichtmasse vorgesehen sein, die sich in die vorgenannten Bereiche der Einzelzelle einbringen lassen und die das Medium (z.B. Brennstoff, Oxidationsmittel, etc.) nicht oder nur in unbedeutenden Mengen durchlassen. Vorteilhaft kann die Dichtmasse mit einer Temperatur eingebracht werden oder diese während des Aushärtens annehmen, die die Membran zumindest bereichsweise zersetzt. Somit kann zweckmäßig ohne weitere Eingriffe der hier offenbarte Durchgang erzielt werden.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die Dichtmasse M vom äußeren Rand R her in den Medieneinlass, in den Medienauslass und/oder in die Verteilerstrukturen des Medieneinlasses oder des Medienauslasses eingebracht wird. Hierzu können beispielsweise unmittelbar benachbart zu diesen Elementen der Medienzufuhr und Medienabfuhr Kanäle ausgebildet sein, die im regulären Betrieb durch die Ringdichtung der Einzelbrennstoffzellen verschlossen sein können.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die Medienzufuhr mit einem durch den Medienzufuhrkanal geführten Werkzeug unterbunden wird. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die Medienabfuhr mit einem durch den Medienabfuhrkanal geführten Werkzeug unterbunden wird. Mit anderen Worten kann beispielsweise die Brennstoffzufuhr bzw. Brennstoffabfuhr auch durch ein endoskopisches Werkzeug unterbunden werden. Das Werkzeug ist zweckmäßig ausgebildet, die Elemente der Medienzufuhr bzw. Medienabfuhr zu verschließen, beispielsweise durch Vergießen. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach an der degradierten Einzelzelle ein elektrisches Potential angelegt wird, und wobei das hier offenbarte Werkzeug anhand des elektrischen Potentials die degradierte Einzelzelle identifizieren bzw. lokalisieren kann. Bevorzugt kann das Potential über das Zellüberwachungssystem angelegt werden. Somit lässt sich schnell und einfach das Werkzeug richtig positionieren.
Mit anderen Worten bezweckt die hier offenbarte Technologie, dass durch minimal invasive Eingriffe eine oder mehrere defekte (degradierte) Einzelzelle(n) eines Brennstoffzellenstapels innerhalb des Stapelverbunds deaktiviert (insbesondere gebrückt) werden können, ohne dass dabei der Brennstoffzellenstapel geöffnet werden muss.
Die minimal invasiven Eingriffe zur Reparatur sind so gestaltet, dass sie von jeder Fachwerkstatt ohne größeren Aufwand ausgeführt werden können. Die insbesondere minimal invasiven Eingriffe können beispielsweise im Detail wie folgt beschrieben werden:

a) Gewährleistung des elektrischen Stromflusses durch defekte (degradierte) Zellen

Um die Funktionalität eines Brennstoffzellenstapels gewährleisten zu können, sollte der Strom auch durch defekte Zellen fließen können. In intakten (nicht degradierte) Zellen wird der Stromfluss durch die elektrochemische Reaktion und Wasserstoffprotonenleitung gewährleistet. Der elektrische Stromfluss durch eine Membran-Elektroden-Einheit (auch MEA genannt) wird durch die Membran, welche als elektrischer Isolator fungiert, unterbunden. Um den Stromfluss auch in einer defekten bzw. degradierten Zelle zu gewährleisten (Zellen, welche durch elektrochemische Reaktion den nötigen Strom nicht zur Verfügung stellen können), können ein oder mehrere Löcher in die Membran eingeführt werden. Durch die Löcher wird die MEA kurzgeschlossen. Elektronen können durch die Löcher in der Membran über die Katalysatorschicht bzw. Gasdiffusionsschicht fließen. Der Stromfluss ist gewährleistet. Die Löcher können beispielsweise in der Membran durch einen elektrischen Durchschlag initiiert werden. Dazu kann zweckmäßig zwischen den Bipolarplatten einer defekten Zelle eine Hochspannung angelegt werden, wobei bevorzugt der gesamte Brennstoffzellenstapel isoliert werden könnte. Die Hochspannung sollte bevorzugt derart gewählt werden, dass es zu einem elektrischen Durchschlag durch die Membran kommt (typischerweise > 1 kV). Diese Löcher können anfänglich aufgrund der Herstellungsmethode noch klein sein. Durch den Betrieb des Brennstoffzellenstapels können das/die Löcher in der Membran größer werden, da aufgrund des hohen elektrischen Widerstands am Loch die Temperatur steigt und dadurch das Polymer der Membran am Loch zu schmelzen beginnt bzw. zu zersetzen. Falls ein Durchschlag über zwei Zellen erwünscht ist, kann dies auch durchgeführt werden, indem an einer mittleren Bipolarplatte das Potential angelegt wird.

b) Gewährleistung der Leckagefreiheit insbesondere für den Brennstoffpfad

Es sollte bevorzugt gewährleistet werden, dass aus defekten (degradierten) Zellen im normalen Betrieb kein Brennstoff kontinuierlich austritt bzw. in sauerstoffreiche Bereiche gelangt. Dies kann bevorzugt durch folgende Vorgehensweise erreicht werden: Durch das Manifold am Brennstoffeingang und Ausgang wird endoskopisch ein sich vorzugsweise schnell härtendes Material in die Brennstoffverteilerstruktur der defekten (degradierten) Zelle (Ein- und Ausgang) eingeführt, so dass die Zelle von der Brennstoffzufuhr abgeschnitten ist. Die Luftführung könnte ebenfalls abgedichtet werden.
Die hier offenbarte Technologie beschreibt ein Verfahren, mit dem man einen Brennstoffzellenstapel mit degradierten Zellen soweit befähigen kann, dass der Brennstoffzellenstapel trotz degradierten Zellen weiterhin im Fahrzeug betrieben werden könnte. Ein Austausch des kompletten Brennstoffzellenstapels kann dadurch evtl. vermieden werden. Durch dieses vergleichsweise schnelle Verfahren können evtl. die Reparaturkosten und Reparaturzeit reduziert werden. Da das Verfahren so gestaltet ist, dass es in einer Fachwerkstatt ausgeführt werden kann, kann der defekte Brennstoffzellenstapel relativ schnell wieder betriebsbereit sein.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 bis 5 erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Brennstoffzellenstapel 100;
2 schematisch eine degradierte Einzelzelle 10 ₂;
3 schematisch eine degradierte Einzelzelle 10 ₂ mit Durchgang D;
4 schematisch eine Draufsicht auf eine Separatorplatte 14“; und
5 schematisch eine Draufsicht auf eine Separatorplatte 14“ mit vergossenen Brennstoffeinlass 131 und Brennstoffauslass 151.
Die 1 zeigt schematisch einen Brennstoffzellenstapel 100 mit einer Vielzahl an Einzelzellen, von denen hier exemplarisch die Einzelzellen 10 ₁, 10 ₂, 10 ₃, 10 ₄ dargestellt sind. Die Einzelzellen werden durch zwei Endplatten 30 gehalten und vorgespannt. Benachbart zu den Endplatten sind Stromabnehmer 20 vorgesehen. Die Separatorplatten sind hier als Bipolarplatten 14, 14‘, 14“, 14“‘ ausgebildet. Jeweils eine Hälfte zweier benachbarter Bipolarplatten 14, 14‘, 14“, 14“‘ bilden zusammen mit einer zwischen ihnen angeordneten MEA 12, 12‘, 12“, 12“‘ eine Einzelzelle 10 ₁, 10 ₂, 10 ₃, 10 ₄ aus. Die gezeigten Bipolarplatten sind an ein Zellüberwachungssystem 40 angeschlossen, dass ausgebildet ist, den Zustand der Zellen zu überwachen. Hervorgehoben ist die degradierte Einzelzelle 10 ₂. Zum Ausbilden eines Durchgangs D kann an den Separatorplatten 14‘, 14“ eine Hochspannung von mehreren kV angelegt werden. Es bildet sich dann ein Durchgang D aus (vgl. 3). Falls die benachbarten Einzelzellen 10 ₂ und 10 ₃ degradiert wären, könnten auch die äußeren Separatorplatten 14‘, 14“‘ der beiden degradierten Einzelzellen 10 ₂, 10 ₃ zusammen mit der dazwischen angeordneten Separatorplatte 14“ genutzt werden um eine Hochspannung anzulegen, so dass es zum Durchschlag durch die Membranen 12‘ und 12“ der degradierten Einzelzellen kommt.
Die 2 zeigt schematisch ein vergrößertes Detail einer Einzelzelle 10 ₂. Es sei darauf hingewiesen, dass die Proportionen der einzelnen Schichten nicht maßstabsgetreu sind. In den Bipolarplatten 14‘, 14“ sind die Flussfelder 142‘, 144‘ vorgesehen, durch die der Brennstoff und das Oxidationsmittel auf die reaktive Fläche verteilt wird. Die Medien gelangen dann durch die Gasdiffusionsschichten 128‘, 129‘ zu den Katalysatorschichten 124‘, 125‘. Die Katalysatorschichten 124‘, 125‘ grenzen beide unmittelbar an die Membran 122‘ an.
Die 3 zeigt schematisch ein vergrößertes Detail der Einzelzelle 10 ₂ nach Ausbildung des Durchgangs D. Durch den Durchgang D hindurch kontaktieren hier die an den beiden Seiten der Membran vorgesehenen Katalysatorschichten 124‘, 125‘. Wird der Brennstoffzellenstapel 100 bzw. die degradierte Einzelzelle 10 ₂ betrieben, so erwärmt sich die Membran im Bereich des Durchgangs D. Die Bereiche der Membran, die unmittelbar benachbart zum Durchgang D angeordnet sind, schmelzen allmählich ab und die Kontaktfläche der Katalysatorschichten 124‘, 125‘ vergrößern sich. Zusätzlich kann die Membran auch durch chemische Reaktion der Medien, die im Durchgangsbereich miteinander in Kontakt kommen, erwärmt und letztendlich aufgeschmolzen werden. Vergrößert sich die Kontaktfläche der Katalysatorschichten 124‘, 125‘ so verbessert sich die elektrische Leitfähigkeit durch die zu deaktivierenden Einzelzelle.
Die 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Anodenseite der Separatorplatte 14“. Der Brennstoffzufuhrkanal 130, der Brennstoffabfuhrkanal 150, der Oxidationszufuhrkanal 160, der Oxidationsabfuhrkanal 180, der Kühlmittelzufuhrkanal 170 und der Kühlmittelabfuhrkanal 190 verlaufen hier senkrecht zur Zeichenebene. Diese Kanäle könnten in der Separatorplatte auch anders angeordnet sein. Nachstehend wird der Fluss anhand des Brennstoffpfades erläutert. Dasselbe Prinzip ist aber gleichsam auch auf den Oxidationsmittelpfad und/oder den Kühlmittelpfad anwendbar. Der Brennstoff gelangt durch den Brennstoffeinlass 131 in die einlassseitige (Vor)verteilerstruktur 132. Von dort aus wird es auf das Flussfeld 142“ verteilt. Die auslassseitige Verteilerstruktur 152 (sie kann auch als Sammelstruktur bezeichnet werden) führt den Brennstoff zum Brennstoffauslass 151, der in den Brennstoffabfuhrkanal 150 mündet.
Die 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Anodenseite der Separatorplatte 14“ mit einer Dichtmasse M im Brennstoffeinlass 131 und im Brennstoffauslass 151. Die Dichtmassen M verhindern, dass Brennstoff durch den Brennstoffeinlass 131 oder durch den Brennstoffauslass 151 in das Flussfeld 142“ gelangt. Somit wird verhindert, dass Brennstoff durch den Durchgang D übertritt in den Oxidationsmittelpfad. Alternativ oder zusätzlich kann ebenfalls Dichtmasse M im Oxidationsmitteeinlass oder im Oxidationsmitteauslass angeordnet sein. Zum Verschließen der Einlässe bzw. der Auslässe könnte beispielsweise die Dichtmasse M über ein endoskopisches Werkzeug zugeführt werden. Ferner könnte eine Einspritzvorrichtung vom äußeren Rand R durch die Kanäle Z hindurchgeführt werden, um die Dichtmasse M zu applizieren. Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn die Verteilerstrukturen 132, 152 so angeordnet und ausgebildet sind, wie sie in der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 102015215258.8 (dort: Verteilerkanal 130, 140) offenbart sind. Der Inhalt dieser Patentanmeldung bzgl. der Verteilerkanäle wird hiermit durch Verweis mit zum Bestandteil dieser Patentanmeldung gemacht.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenstapel
10₂: degradierte Einzelzelle
10₁, 10₂, 10₃, 10₄: Einzelzelle
14, 14‘, 14“, 14“‘: Bipolarplatte
12, 12‘, 12“, 12“‘: MEA
122‘: Ionenselektiver Separator, Membran
124‘, 125‘: Katalysatorschicht
128‘, 129‘: Gasdiffusionsschicht
130: Brennstoffzufuhrkanal
131: Brennstoffeinlass
132: Verteilerstrukturen Einlass
142‘, 144‘: Medienkanäle
150: Brennstoffabfuhrkanal
151: Brennstoffauslass
152: Verteilerstruktur Auslass
D: Durchgang
M: Dichtmasse
R: Rand

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.
Zitierte Patentliteratur

US 7078119 B2 [0004]
DE 102015215258 [0036]

Claims

Verfahren zur Reparatur eines Brennstoffzellenstapels (100) mit mehreren Einzelzellen (10 ₁, 10 ₂, 10 ₃, 10 ₄), umfassend die Schritte: – Identifizieren von mindestens einer degradierten Einzelzelle (10 ₂) des Brennstoffzellenstapels (100); und – Deaktivieren der mindestens einen degradierten Einzelzelle (10 ₂).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Separatorplatten (14, 14‘, 14“, 14“‘) der mindestens einen degradierten Einzelzelle (10 ₂) durch einen ionenselektiven Separator (122‘) hindurch erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Durchgang (D) in dem ionenselektive Separator (122‘) erzeugt wird, der einen elektrischen Kontakt zwischen durch den ionenselektiven Separator (122‘) getrennten Katalysatorschichten (124‘, 125‘) und/oder Gasdiffusionsschichten (128‘, 129‘) ermöglicht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Hochspannung an der Einzelzelle (10 ₂) angelegt wird, die den Durchgang (D) erzeugt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine die Struktur des ionenselektiven Separators (122‘) zersetzende Substanz in die degradierte Einzelzelle (10 ₂) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 5, wobei nach der Erzeugung des Durchgangs (D) und/oder nach dem zumindest bereichsweisen Zersetzen des ionenselektiven Separators der Brennstoffzellenstapel (100) derart betrieben wird, dass sich der Durchgang vergrößert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei während des Deaktivierens der Einzelzelle das Oxidationsmittel an der Kathodenseite einen geringeren Sauerstoffgehalt aufweist als die Umgebungsluft.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens eine Medienzufuhr (131, 132) in die degradierte Einzelzelle (10 ₂) und/oder mindestens eine Medienabfuhr (151, 152) aus der degradierten Einzelzelle (10 ₂) unterbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Medieneinlass (131), ein Medienauslass (151) und/oder deren Verteilerstrukturen (132, 152) mit Dichtmasse (M) vergossen werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Dichtmasse (M) vom äußeren Rand (R) her in den Medieneinlass (131), in den Medienauslass (151) und/oder in die Verteilerstrukturen (132, 152) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 bis 10, – wobei die Medienzufuhr (131, 132) mit einem durch den Medienzufuhrkanal (130) geführten Werkzeug unterbunden wird; und/oder – wobei die Medienabfuhr (151, 152) mit einem durch den Medienabfuhrkanal (150) geführten Werkzeug unterbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei an die degradierte Einzelzelle (10 ₂) ein elektrisches Potential angelegt wird, und wobei das Werkzeug anhand des elektrischen Potentials die degradierte Einzelzelle (10 ₂) identifiziert.