DE102016118511A1

DE102016118511A1 - Elektrische Kontaktvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102016118511A1
Application number: DE102016118511.6A
Authority: DE
Inventors: Ian Stewart; Bevan Hoskyn Moss
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-29
Also published as: CN107887630B; US20180090772A1; CN107887630A; US10790518B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kontaktvorrichtung (40) zum Ableiten von elektrischem Strom aus einem Brennstoffzellenstapel (10), die eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger und voneinander abgegrenzter Kontaktbereiche (30, 34) aufweist. Eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger erster Kontaktstrukturen (35) verbindet jeweils einen oder mehrere Kontaktbereiche (30, 34) mit einem externen Laststromkreis (31). Über zumindest ein in einer ersten Kontaktstruktur (35) angeordnetes Schaltelement (32) kann eine elektrisch leitfähige Verbindung durch die erste Kontaktstruktur (35), insbesondere zwischen zumindest einem Kontaktbereich (30) und Laststromkreis (31) getrennt werden. Somit können der Gesamtwiderstand der Kontaktstruktur (40) und somit die in den Kontaktbereichen erzeugte Joulesche Wärme angepasst werden. Zwischen den Kontaktbereichen (30) angeordnete zweite Kontaktstrukturen (33) ermöglichen eine nochmals erhöhte Variabilität des elektrischen Gesamtwiderstands der Kontaktvorrichtung (40).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kontaktvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel sowie einen Brennstoffzellenstapel mit solch einer elektrischen Kontaktvorrichtung.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA – membrane electrode assembly) mit einer Membran- Elektroden-Einheit auf. Letztere wird durch eine protonenleitende Membran gebildet, an der beidseitig katalytische Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum gasdicht voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiger Brennstoff der Anode zugeführt, an der eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von O₂ zu O₂ ^– unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie ist nicht durch den Carnot-Faktor limitiert und weist daher gegenüber anderen Wärmekraftmaschinen einen verbesserten Wirkungsgrad auf.
Ein Brennstoffzellenstapel ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versorgung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen fungieren.
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums. Jede Membran-Elektroden-Anordnung und jede Bipolarplatte weist somit Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zum Ausbilden der Hauptversorgungskanäle auf.
Bei den Betriebsmitteldurchgangsöffnungen handelt es sich insbesondere um eine Anodeneinlassöffnung zum Zuführen des Anodengases und eine Anodenauslassöffnung zum Abführen des Anodengases, um eine Kathodeneinlassöffnung zum Zuführen des Kathodengases und eine Kathodenauslassöffnung zum Abführen des Kathodengases und um eine Kühlmitteleinlassöffnung zum Zuführen des Kühlmittels und eine Kühlmittelauslassöffnung zum Abführen des Kühlmittels. In einem Brennstoffzellenstapel sind diese Betriebsmitteldurchgangsöffnungen deckungsgleich zueinander ausgerichtet und bilden die durch den gesamten Stapel verlaufenden Hauptversorgungskanäle der Betriebsmittel.
An beiden Enden des Brennstoffzellenstapels sind Abschlussplatten oder Monopolarplatten angeordnet, um ihn zusammenzuhalten und die Stapelkomponenten zusammenzupressen. Der Pressdruck trägt zur Abdichtung des Stapels bei und stellt einen adäquaten elektrischen Kontakt zwischen den Stapelkomponenten sicher. Zumindest eine der Monopolarplatten weist ebenfalls Betriebsmitteldurchgangsöffnungen auf.
Ein Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik ist in 1 schematisch dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 14, zwei Endplatten 16 und Zugelemente 18 auf. Jede Einzelzelle 14 weist eine MEA 20 mit einer protonenleitenden Membran 22 (Polymerelektrolytmembran) und beidseitig an dieser angeordneten Elektroden (Anode und Kathode; nicht dargestellt) auf. Die Elektroden sind jeweils zwischen der Membran 22 und einer Gasdiffusionslage 24 angeordnet und beidseitig auf die Membran 22 beschichtet oder mit den Gasdiffusionslagen 24 zu sogenannten Gasdiffusionselektroden verbunden.
Jede Membran-Elektroden-Einheit 20 ist zwischen zwei Bipolarplatten 26 angeordnet und wird von diesen durch die Gasdiffusionslagen 24 hindurch mit den Betriebsmedien versorgt. Hierfür weisen die Bipolarplatten 26 an die Betriebsmitteldurchgangsöffnungen angeschlossene Flussfelder auf. Zudem sind zwei aneinander angrenzende Membran-Elektroden-Einheiten 20 durch die dazwischen liegende Bipolarplatte 26 elektrisch leitfähig verbunden und in Reihe geschaltet. Jede Endplatte 26, auch als Monopolarplatte bezeichnet, ist einseitig zur Versorgung einer an dieser Seite anliegenden MEA 20 mit den Betriebsmedien ausgebildet.
Die Stromabnahme von dem Brennstoffzellenstapel 10 beziehungsweise das Verbinden des Stapels 10 mit einer elektrischen Last erfolgt über elektrische Kontaktvorrichtungen, auch Busplatten genannt. Diese sind in der Regel an den gegenüberliegenden Enden des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet. Die Kontaktvorrichtungen können zwischen den randständigen Brennstoffzellen 14 und der jeweils benachbarten Endplatte 16 angeordnet sein. Alternativ sind die Busplatten mit den Endplatten 16 kombiniert und beispielsweise als eine auf den Endplatten 16 aufgetragene leitfähige Schicht ausgebildet.
Die 2 und 3 stellen eine Endplatte 16 mit einer ersten Hauptfläche 28 und einer zweiten Hauptfläche 29 gemäß dem Stand der Technik dar. In einer Vertiefung der ersten Hauptfläche 28 ist eine leitfähige Schicht 30 als elektrische Kontaktvorrichtung angeordnet. Die erste Hauptfläche 28 ist in Einbaulage der Endplatte 16 in einem Brennstoffzellenstapel 10 einer randständigen Brennstoffzelle 14 zugewandt. Die leitfähige Schicht 30 füllt nahezu die gesamte erste Hauptfläche 28 aus und erstreckt sich zudem auf ein Anschlusselement 31, welches in lateraler Richtung über den Stapel 10 übersteht. Lediglich ein Randbereich der ersten Hauptfläche 28 bleibt von der leitfähigen Schicht 30 frei, um den Stapel 10 abgesehen vom Kontaktelement 31 in lateraler Richtung elektrisch zu isolieren. Die Schicht 30 steht zumindest nach dem Verpressen des Stapels 10 in elektrischer Verbindung mit der randständigen Brennstoffzelle 14. Ein Brennstoffzellenstapel 10, der an beiden Enden solche Endplatten 16 aufweist und dessen Brennstoffzellen 14 elektrisch miteinander verbunden sind, kann über die Anschlusselemente 31 als Ganzes elektrisch kontaktiert werden.
Während seines Betriebs verliert ein Brennstoffzellenstapel insbesondere über seine Endplatten Wärme an die Umgebung. Deren Temperatur liegt daher in der Regel niedriger als die des restlichen Stapels. Es besteht somit die Gefahr, dass Wasser aus den Betriebsmitteln oder Abgasen an den Endplatten auskondensiert. Dieses Kondenswasser kann Strömungskanäle, beispielsweise in den Flussfeldern der Bipolarplatte blockieren, und somit den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels verringern. Es ist daher bekannt, die Endplatten eines Brennstoffzellenstapels zu beheizen, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Stapel zu erreichen. Dafür verwendete Heizmittel können zudem zur Unterstützung bei Froststarts des Brennstoffzellenstapels eingesetzt werden. Gemäß dem Stand der Technik werden als Heizmittel insbesondere Widerstandsheizelemente eingesetzt.
Aus der WO 2004/064182 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, wobei zwischen jeweils einer Endplatte und einer elektrischen Kontaktvorrichtung (Busplatte), ein Widerstandsheizelement angeordnet ist. Das Widerstandsheizelement und die elektrische Kontaktvorrichtung sind dabei parallel geschaltet. Die WO 2005/038947 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel, mit in Vertiefungen der Busplatten eingelassenen Widerstandsheizelementen, die in Abhängigkeit des Stellgrad eines Thermoschalters mit von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten Strom durchflossen werden. Gemäß dem Stand der Technik werden somit stets gesonderte Bauteile für die Kontaktvorrichtung und für die Endplattenbeheizung genutzt, um ein variables Beheizen der Stapelenden zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine elektrische Kontaktvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die einen geringen Bauraumbedarf aufweist und ein variables Beheizen der Stapelendplatten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Kontaktvorrichtung und einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kontaktvorrichtung zum Ableiten von elektrischem Strom aus einem Brennstoffzellenstapel, aufweisend eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger Kontaktbereiche, insbesondere voneinander abgegrenzter elektrisch leitfähiger Kontaktbereiche. Die Kontaktbereiche sind zum Kontaktieren von randständigen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels eingerichtet. Die Kontaktbereiche sind bevorzugt als elektrisch leitfähige dünne Schicht ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Kontaktbereiche als dünne Schicht eines leitfähigen Metalls, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, oder eines leitfähigen Polymers ausgebildet. Die Kontaktvorrichtung kann ferner einen Träger, bevorzugt einen elektrisch isolierenden Träger, aufweisen, auf dem die Kontaktbereiche angeordnet sind. Bevorzugt weisen die auf dem Träger angeordneten Kontaktbereiche in der Ebene des Trägers einen (lateralen) Abstand zueinander auf. Bei dem Träger kann es sich um eine Stapelendplatte oder um eine zwischen der Stapelendplatte und einer randständigen Brennstoffzelle angeordnete Isolationsschicht handeln.
Die Kontaktbereiche sind ferner so dimensioniert und ausgelegt, dass sich aufgrund der im Arbeitsbereich des Brennstoffzellenstapels erzeugten Spannungen aufgrund von in den Kontaktbereichen erzeugter Joulescher Wärme bestimmte Zieltemperaturen in den Kontaktbereichen einstellen. Die Temperatur der Kontaktbereiche ist dabei von der momentan vom Brennstoffzellenstapel erzeugten Spannung abhängig und kann somit über den Arbeitsbereich des Brennstoffzellenstapels variieren. Auf die bei einer bestimmten Spannung in den Kontaktbereichen produzierte Joulesche Wärme kann insbesondere durch die Wahl des Materials, der Schichtdicke und/oder der lateralen Dimensionierung der Kontaktbereiche Einfluss genommen werden.
Eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger erster Kontaktstrukturen ist zwischen jeweils einem oder mehreren Kontaktbereichen und einem externen Laststromkreis angeordnet. Die ersten Kontaktstrukturen sind zum Ableiten der über die Kontaktbereiche aufgenommenen elektrischen Ladungen eingerichtet. In dem Laststromkreis ist bevorzugt ein elektrischer Verbraucher angeordnet, dem die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten elektrischen Ladungen zugeleitet werden. Bei den ersten Kontaktstrukturen kann es sich beispielsweise um Kabelstränge, Metallisierungen oder Leiterbahnen handeln. Die ersten Kontaktstrukturen können dabei einzeln mit dem Laststromkreis verbunden sein oder zunächst gebündelt werden und im Bündel mit dem Laststromkreis verbunden sein.
Erfindungsgemäß weist die elektrische Kontaktvorrichtung zumindest ein in einer ersten Kontaktstruktur angeordnetes Schaltelement zum Trennen einer elektrisch leitfähigen Verbindung durch die erste Kontaktstruktur auf. Mit anderen Worten ist das Schaltelement dazu eingerichtet, einen Stromfluss durch die ersten Kontaktstrukturen zu unterbrechen. Das Schaltelement ist dabei innerhalb der ersten Kontaktstruktur oder zwischen der ersten Kontaktstruktur und dem Laststromkreis angeordnet. Im Fall gebündelter erster Kontaktstrukturen kann das Schaltelement auch in dem Bündel oder zwischen dem Bündel und dem Laststromkreis angeordnet sein. Bei dem Schaltelement kann es sich beispielsweise um Transistoren, Relais, Reedschaltelemente oder Bimetallschaltelemente oder andere fernsteuerbare Schaltkontakte handeln, die keine manuelle Betätigung benötigen.
Die erfindungsgemäße elektrische Kontaktvorrichtung ermöglicht es somit, mittels Betätigen des zumindest einen Schaltelements zumindest einen Kontaktbereich von dem Laststromkreis zu trennen. Aufgrund der damit verbundenen Verkleinerung der für die Ableitung von elektrischen Ladungen zur Verfügung stehenden Fläche, erhöht sich somit der elektrische Widerstand, insbesondere der Kontaktwiderstand, der elektrischen Kontaktvorrichtung. Aufgrund des erhöhten Widerstands kommt es zu einer erhöhten Wärmeentwicklung in dem zumindest einen weiterhin mit dem Laststromkreis verbundenen Kontaktbereich. Insbesondere kommt es auch bei gleichbleibender Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels zu einer Zunahme der Jouleschen Wärme in dem weiterhin mit dem Laststromkreis verbundenen Kontaktbereich.
Die Kontaktbereiche der elektrischen Kontaktvorrichtung dienen somit sowohl dem Ableiten von Ladungen aus dem Brennstoffzellenstapel als auch als Widerstandsheizelement dem Erzeugen von Wärme. Der Bauraumbedarf der elektrischen Kontaktvorrichtung ist somit minimal. Das Schaltelement ermöglicht das Trennen einzelner Kontaktbereiche vom Laststromkreis und somit eine Anpassung des Widerstands der Kontaktvorrichtung. Folglich wird ein variables Beheizen der Stapelendplatten ermöglicht. Beispielsweise kann bei einem Froststart zunächst ein hoher Widerstand der Kontaktvorrichtung eingestellt werden, um die Stapelendplatten zu beheizen. Anschließend wird der Widerstand verringert und somit der Wirkungsgrad des Stapels erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontaktvorrichtung weist diese zudem elektrisch leitfähige zweite Kontaktstrukturen auf. Diese sind jeweils zwischen zwei Kontaktbereichen angeordnet beziehungsweise verbinden jeweils zwei Kontaktbereiche elektrisch leitend miteinander. Bei den zweiten Kontaktstrukturen kann es sich ebenfalls um Kabelstränge, Metallisierungen oder Leiterbahnen handeln. Gemäß dieser Ausführungsform führt das Betätigen des ersten Schaltelements nicht zwangsläufig zu einer Verkleinerung der zum Ableiten von Ladungen zur Verfügung stehenden Fläche der Kontaktbereiche. Hingegen wird die Parallelschaltung der jeweils über erste Kontaktstrukturen mit dem Laststromkreis verbundenen Kontaktbereiche in eine Reihenschaltung der Kontaktbereiche überführt, insofern diese über die zweiten Kontaktstrukturen miteinander verbunden sind. Dies führt zu einer Änderung des Gesamtwiderstands der elektrischen Kontaktvorrichtung und somit zu einer Änderung der in der Kontaktvorrichtung erzeugten Jouleschen Wärme. Vorteilhaft bleibt gemäß dieser Ausführungsform die gesamte Fläche der Kontaktbereiche zur Ableitung der vom Stapel erzeugten Ladungen erhalten und dennoch ist der Widerstand der Kontaktvorrichtung variabel.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktvorrichtung weisen die zweiten Kontaktstrukturen einen elektrischen Widerstand auf, der von dem elektrischen Widerstand der ersten Kontaktstrukturen abweicht. Insbesondere weisen die zweiten Kontaktstrukturen einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der sich von dem spezifischen elektrischen Widerstand der ersten Kontaktstrukturen unterscheidet. Bevorzugt weisen die ersten Kontaktstrukturen einen elektrischen Widerstand auf, der um zumindest 10 %, bevorzugt um zumindest 20 % und besonders bevorzugt um zumindest 30 % (bezogen auf den Widerstand der zweiten Kontaktstrukturen) von dem elektrischen Widerstand der zweiten Kontaktstrukturen abweicht. Besonders bevorzugt ist der elektrische Widerstand der zweiten Kontaktstrukturen höher als der Widerstand der ersten Kontaktstrukturen.
Durch Betätigen des zumindest einen Schaltelements kann die direkte Verbindung zwischen zumindest einem Kontaktbereich und dem Laststromkreis über die erste Kontaktstruktur getrennt werden. Dann fließt der Strom von diesem Kontaktbereich über zumindest eine zweite Kontaktstruktur, einen angrenzenden Kontaktbereich und schließlich über die mit diesem Kontaktbereich verbundene erste Kontaktstruktur in den Laststromkreis. Aufgrund der abweichenden elektrischen Widerstände der ersten und zweiten Kontaktstrukturen, verändert das Betätigen des zumindest einen Schaltelements den Gesamtwiderstand der Kontaktvorrichtung deutlich. Insbesondere bei einem erhöhten Widerstand der zweiten Kontaktelemente liegt in der Reihenschaltung der Kontaktbereiche ein deutlich erhöhter Gesamtwiderstand der Kontaktvorrichtung vor.
Abweichenden Widerstände von den ersten und zweiten Kontaktstrukturen lassen sich auf vielfältige Art und Weise erreichen, beispielsweise durch die Verwendung verschiedener Materialien und/oder verschiedener Materialstärken. Bei Verwendung gleicher oder ähnlicher Leiterelemente für die ersten und zweiten Kontaktstrukturen können diese sich auch in der Anzahl der Leiterelemente unterscheiden. Besonders bevorzugt sind die Kontaktbereiche durch dünne leitfähige Schichten gebildet und sind die zweiten Kontaktstrukturen materialgleich zu den Kontaktbereichen jedoch mit dünnerer Schichtdicke und/oder mit nichtleitenden Ausnehmungen ausgebildet. Ebenfalls bevorzugt sind auch die ersten Kontaktstrukturen durch dünne Schichten gebildet und ist das Schaltelement, beispielsweise als Dünnfilmtransistor in die dünnen Schichten integriert. Besonders bevorzugt sind zumindest die ersten Kontaktbereiche, die zweiten Kontaktstrukturen und/oder die zweiten Kontaktbereiche (sofern vorhanden) als materialgleiche dünne leitfähige Schichten ausgebildet, wobei die ersten Kontaktbereiche eine größere Schichtdicke aufweisen als die zweiten Kontaktstrukturen und/oder als die zweiten Kontaktbereiche. Mit anderen Worten weisen die ersten Kontaktbereiche einen geringeren elektrischen Widerstand auf als die zweiten Kontaktstrukturen und/oder die zweiten Kontaktbereiche.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der elektrische Kontaktvorrichtung weist die Mehrzahl elektrisch leitfähiger Kontaktbereiche zumindest einen ersten Kontaktbereich und zumindest einen zweiten Kontaktbereich auf, wobei die zweiten Kontaktbereiche einen elektrischen Widerstand aufweisen, der von dem elektrischen Widerstand der ersten Kontaktstrukturen abweicht. Die Variabilität des Gesamtwiderstands der elektrischen Kontaktvorrichtung wird somit weiter erhöht. Zudem kann durch Anpassung der elektrischen Widerstände der Kontaktbereiche der elektrische Widerstand der Kontaktvorrichtung lokal angepasst werden. Somit lassen sich gezielt bestimmte Temperaturverteilungen auf der Kontaktvorrichtung und/oder einer angrenzenden Endplatte oder Brennstoffzelle einstellen. Beispielsweise kann durch graduelle Anpassung der Widerstände der Kontaktbereiche ein Widerstandsgradient in einer bestimmten Richtung der elektrischen Kontaktvorrichtung und somit ein Temperaturgradient entlang der Kontaktvorrichtung und/oder einer angrenzenden Endplatte oder Brennstoffzelle eingestellt werden. Die Variation der elektrischen Widerstände kann durch Anpassung von Material und/oder Schichtdicke der Kontaktbereiche erfolgen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Kontaktvorrichtung eine Mehrzahl erster Kontaktbereiche und eine Mehrzahl zweiter Kontaktbereiche und zumindest ein zwischen der Mehrzahl zweiter Kontaktbereiche und dem externen Laststromkreis angeordnetes Schaltelement auf. Die ersten Kontaktbereiche weisen hierbei bevorzugt einen anderen elektrischen Widerstand als die zweiten Kontaktbereiche auf. Beispielsweise kann eine Mehrzahl erster Kontaktbereiche über ein erstes Bündel erster Kontaktstrukturen mit einem Laststromkreis elektrisch leitend verbunden sein und kann eine Mehrzahl zweiter Kontaktbereiche über ein zweites Bündel erster Kontaktstrukturen mit dem Laststromkreis verbunden sein. Ist zumindest ein Schaltelement in dem ersten Bündel erster Kontaktstrukturen angeordnet, wird durch Betätigen des Schaltelements die Mehrzahl erster Kontaktbereiche von dem Laststromkreis getrennt. Hierdurch wird der Gesamtwiderstand der Kontaktvorrichtung und somit die von diesem bei konstanter Spannung erzeugte Joulesche Wärme deutlich erhöht. Durch Anpassung der Widerstände der ersten Kontaktbereiche relativ zu den zweiten Kontaktbereichen kann diese Erhöhung verstärkt oder vermindert werden. Besonders bevorzugt sind gemäß dieser Ausführungsform die ersten und zweiten Kontaktbereiche jeweils in Form ineinandergreifender Fingerstrukturen ausgebildet. Somit wird eine homogene Stromableitung über die Kontaktvorrichtung unabhängig vom Zustand des Schaltelements sichergestellt.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktvorrichtung ist eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger erster Kontaktstrukturen zwischen jeweils einem Kontaktbereich und einem externen Laststromkreis angeordnet. Mit anderen Worten ist zwischen jedem Kontaktbereich und dem externen Laststromkreis ein Schaltelement angeordnet. Jedes Schaltelement ist dabei zum Trennen einer elektrisch leitfähigen Verbindung durch die erste Kontaktstruktur ausgebildet, in der es angeordnet ist. Diese Ausführungsform ermöglicht ebenfalls eine feinstufige Anpassung von dem Gesamtwiderstand der Kontaktvorrichtung. Ferner ermöglicht diese Ausführungsform eine gezielte Anpassung des Widerstands in bestimmten Bereichen der Kontaktvorrichtung beziehungsweise in bestimmten Bereichen einer damit verbundenen Stapelendplatte.
Bei den Schaltelementen handelt es sich besonders bevorzugt um regel- und/oder steuerbare Schaltelemente. Ebenfalls bevorzugt sind die Schaltelemente dafür eingerichtet mit einer Schaltfrequenz f geöffnet zu werden, das heißt die elektrisch leitfähige Verbindung durch zumindest eine erste Kontaktstruktur periodisch zu trennen. Mit anderen Worten sind die Schaltelemente bevorzugt dafür eingerichtet, stets nach Ablauf einer ersten Periodendauer für eine bestimmte Zeitspanne (Impulsdauer) geöffnet zu werden. Das Verhältnis von Periodendauer zu Impulsdauer, mit anderen Worten der Tastgrad (duty cycle), bestimmt dabei den zeitlich mittleren elektrischen Widerstand der erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktstruktur. Besonders bevorzugt erfolgt die Einstellung eines mittleren elektrischen Widerstands der erfindungsgemäßen Kontaktvorrichtung durch Steuern oder Regeln des Tastgrads des zumindest einen Schaltelements. Ebenfalls bevorzugt weist die erfindungsgemäße elektrische Kontaktvorrichtung eine zum Regeln oder Steuern des Tastgrads des zumindest einen Schaltelements eingerichtete Steuereinheit auf oder ist mit einer solchen verbunden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl in Stapelrichtung gestapelter Brennstoffzellen und einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktvorrichtung, wie vorstehend beschrieben. Die Kontaktvorrichtung befindet sich dabei in elektrischem Kontakt mit einer in Stapelrichtung außenliegend angeordneten Brennstoffzelle, das heißt einer randständigen Brennstoffzelle. Die Stapelrichtung entspricht dabei bevorzugt der Normalenrichtung einer flächenmäßig am stärksten ausgedehnten Oberfläche der gestapelten Brennstoffzellen. Bevorzugt weist der Brennstoffzellenstapel zwei erfindungsgemäße Kontaktvorrichtungen auf, welche jeweils eine randständige Brennstoffzelle an gegenüberliegenden Enden des Stapels kontaktieren. Der zuvor erwähnte Laststromkreis verbindet die beiden Kontaktstrukturen dann mit einem elektrischen Verbraucher außerhalb des Brennstoffzellenstapels. Somit können die in dem Stapel freigesetzten elektrischen Ladungen über die Kontaktvorrichtungen einem in dem Laststromkreis angeordneten Verbraucher zugeführt werden. Die Kontaktbereiche korrespondieren bevorzugt (im Wesentlichen) mit den aktiven Bereichen der Brennstoffzelle und/oder den Flussfeldern der Bipolarplatten. Gleichzeitig dienen die Kontaktvorrichtungen als Widerstandserhitzer und weisen einen anpassbaren Gesamtwiderstand und somit (bei gleicher Spannungslage) eine anpassbare Heizleistung auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels weist dieser eine Endplatte mit einer ersten Hauptfläche in Kontakt mit der außenliegend angeordneten Brennstoffzelle und einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche auf. Die Kontaktvorrichtung ist dann bevorzugt auf oder in der ersten Hauptoberfläche der Endplatte angeordnet. Zwischen Endplatte und Kontaktvorrichtung kann eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein. Ebenfalls bevorzugt ist diese isolierende Schicht der Träger für die Kontaktbereiche, die beispielsweise in Form einer dünnen elektrisch leitfähigen Schicht, bevorzugt als Dünnschichtmetallisierung, ausgebildet sind.
Ebenfalls bevorzugt ist die Kontaktvorrichtung auf oder relativ zu der Endplatte so angeordnet, dass sie zwischen Betriebsmitteleinlassöffnungen und Betriebsmittelauslassöffnungen der Endplatte angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform nimmt der elektrische Widerstand der elektrischen Kontaktvorrichtung bevorzugt in einer Richtung von den Betriebsmitteleinlassöffnungen hin zu den Betriebsmittelauslassöffnungen ab. Die Variation des Gesamtwiderstands erfolgt dabei wie obenstehend beschrieben, beispielsweise indem eine Vielzahl von Kontaktbereichen mit abnehmendem elektrischen Widerstand zwischen Betriebsmitteleinlassöffnungen und Betriebsmittelauslassöffnungen angeordnet sind. Somit wird die Endplatte in der Nähe der Betriebsmitteleinlassöffnungen stärker durch die Kontaktvorrichtung beheizt als in der Nähe der Betriebsmittelauslassöffnungen. Somit kann eine Temperaturverteilung der Endplatte und somit bevorzugt auch eine Wasserverteilung entlang der Endplatte homogenisiert werden.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik,
2 einen schematischen Querschnitt einer Endplatte gemäß dem Stand der Technik,
3 eine schematische Draufsicht auf eine Endplatte gemäß dem Stand der Technik,
4 eine schematische Draufsicht auf eine Endplatte gemäß einer ersten Ausführungsform,
5 eine schematische Draufsicht auf eine Endplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
6 eine schematische Draufsicht auf eine Endplatte gemäß einer ersten Ausführungsform.
Auf die 1, 2 und 3 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel 10 kann grundsätzlich einen Aufbau gemäß 1 aufweisen und dessen Endplatte kann grundsätzlich einen Querschnitt gemäß 2 aufweisen.
4 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Kontaktvorrichtung 40 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Kontaktvorrichtung 40 kann in einer oder mehreren Vertiefungen der ersten Hauptoberfläche 28 einer Endplatte 16 angeordnet sein, wie in 2 dargestellt. Die Kontaktvorrichtung 40 kann alternativ über der ersten Hauptoberfläche 28 der Endplatte 16 angeordnet sein und eine elastische Isolationsfolie kann zwischen der Kontaktvorrichtung 40 und der Endplatte 16 angeordnet sein.
Die Kontaktvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform weist vier Kontaktbereiche 30 auf, die durch dünne Kupferschichten gebildet sind. Die Kupferschichten 30 wurden bevorzugt elektrostatisch auf der Endplatte 16 beziehungsweise auf einer zwischen Endplatte 16 und Kontaktstruktur 40 angeordneten Isolationsplatte abgeschieden. Jeder der Kontaktbereiche 30 ist über eine erste Kontaktstruktur 35 mit einem externen Laststromkreis 31 verbunden, von dem nur ein Abschnitt dargestellt ist. Ein außenliegender Kontaktbereich 30 ist über eine erste Kontaktstruktur 35 direkt mit dem Laststromkreis 31 verbunden. Die mit den restlichen drei Kontaktbereichen 30 verbundenen ersten Kontaktstrukturen 35 sind gebündelt und zwischen dem Bündel und dem externen Laststromkreis 31 ist ein Schaltelement 32 angeordnet.
Zweite Kontaktstrukturen 33 sind zwischen jeweils zwei Kontaktbereichen 30 angeordnet und stellen eine weitere elektrisch leitfähige Verbindung zwischen diesen her. Die zweiten Kontaktstrukturen 33 sind in 4 lediglich angedeutet und können durch streifenförmige Metallisierungen aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einem anderen Metall gebildet sein. Die zweiten Kontaktstrukturen 33 können im Vergleich zu den Kontaktbereichen 30 eine geringere Schichtdicke aufweisen. Die zwischen zwei Kontaktbereichen jeweils dargestellten drei zweiten Kontaktstrukturen 33 sowie deren Form dienen lediglich der Veranschaulichung, die tatsächliche Anzahl und Form der zweiten Kontaktstrukturen kann davon abweichen.
In einer ersten Arbeitsstellung stellt das Schaltelement 32 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem externen Laststromkreis 31 und den gebündelten ersten Kontaktstrukturen 35 her. In Bezug auf den externen Laststromkreis 31 sind somit alle vier Kontaktbereiche 30 parallel geschaltet. In der dargestellten, zweiten Arbeitsstellung des Schaltelements 32 unterbricht dieses eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem externen Laststromkreis 31 und den gebündelten ersten Kontaktstrukturen 35. Somit ist nur noch der außenliegende Kontaktbereich 30 direkt mit dem Laststromkreis 31 verbunden, wohingegen die restlichen drei Kontaktstrukturen 30 über die zweiten Kontaktstrukturen 33 miteinander, mit dem außenliegenden Kontaktbereich 30 und somit mit dem Laststromkreis 31 verbunden sind. Folglich sind die Kontaktbereiche 30 in der zweiten Arbeitsstellung des Schaltelements 32 in Bezug auf den externen Laststromkreis 31 in Reihe geschaltet.
Der Widerstand der Kontaktvorrichtung 40 ist somit in der zweiten Arbeitsstellung des Schaltelements 32 höher als in dessen erster Arbeitsstellung. Somit entsteht bei gleicher Spannungslage während des Ableitens der in einem Brennstoffzellenstapel 10 entstehenden Ladungen über die Kontaktbereiche 30 in der zweiten Arbeitsstellung des Schaltelements 32 mehr Joulsche Wärme in den Kontaktbereichen als in der ersten Arbeitsstellung des Schaltelements 32. Die Kontaktvorrichtung 40 dient somit zum einem als Busplatte der elektrischen Kontaktierung eines Brennstoffzellenstapels 10 und zum anderen als Widerstandsheizelement mit veränderbarer Heizleistung. Der Unterschied der Heizleistung in der ersten und zweiten Arbeitsstellung des Schaltelements 32 wird verstärkt, wenn die ersten Kontaktstrukturen 35 einen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen, als die zweiten Kontaktstrukturen.
Die in 5 gezeigte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktvorrichtung 40 weist im Gegensatz zu der in 4 gezeigten eine Mehrzahl erster Kontaktbereiche 30 und eine Mehrzahl zweiter Kontaktbereiche 34 auf. Die ersten und zweiten Kontaktbereiche 30, 34 greifen fingerartig ineinander. Die mit den ersten Kontaktbereichen 30 verbundenen ersten Kontaktstrukturen 35 sind ebenso gebündelt, wie die mit den zweiten Kontaktbereichen 34 verbundenen ersten Kontaktstrukturen 35. Die gebündelten ersten Kontaktbereiche 30 sind ohne weiteres mit dem Laststromkreis 31 verbunden, wohingegen ein Schaltelement 32 zwischen den gebündelten zweiten Kontaktbereichen 34 und dem Laststromkreis 31 angeordnet ist. Im Gegensatz zu der in 4 gezeigten Ausführungsform weist die in 5 gezeigte Kontaktvorrichtung 40 keine zweiten Kontaktstrukturen 33 auf.
In einer ersten Arbeitsstellung des Schaltelements 32 stellt dieses eine elektrische leitende Verbindung zwischen dem Bündel der mit den zweiten Kontaktbereichen 34 verbundenen ersten Kontaktstrukturen 35 und dem Laststromkreis 31 her. In dieser Arbeitsstellung sind die ersten und zweiten Kontaktbereiche 30, 34 mit Bezug auf den Laststromkreis 31 parallel geschaltet. In der dargestellten, zweiten Arbeitsstellung des Schaltelements 32 trennt dieses die direkte Verbindung zwischen den zweiten Kontaktbereichen 34 und dem Laststromkreis 31. Somit verbleiben lediglich die ersten Kontaktbereiche 30 mit dem Laststromkreis 31 verbunden. Die zweiten Kontaktbereiche 34 weisen einen geringeren elektrischen Widerstand als die ersten Kontaktbereiche 30. Somit ist der Gesamtwiderstand und somit bei gleichbleibender Spannungslage die Heizleistung der Kontaktvorrichtung 40 in der zweiten Arbeitsstellung des Schaltelements 32 deutlich höher als in dessen erster Arbeitsstellung. Aufgrund der abwechselnden Anordnung der ersten und zweiten Kontaktbereiche 30, 34 erfolgt die Stromableitung jedoch weiterhin gleichmäßig auf der gesamten Fläche der Kontaktvorrichtung.
Die in 6 gezeigte dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktvorrichtung 40 weist erneut vier einheitliche Kontaktbereiche 30 auf. Jeder Kontaktbereich 30 ist über eine erste Kontaktstruktur 35 mit einem externen Laststromkreis 31 verbunden, wobei jeweils ein Schaltelement 32 in der ersten Kontaktstruktur 35 zwischen jedem Kontaktbereich 30 und dem Laststromkreis 31 angeordnet ist. Somit kann eine direkte Verbindung zwischen jedem Kontaktbereich 30 und dem Laststromkreis 31 durch Betätigen des jeweils zugehörigen Schaltelements 32 entweder getrennt oder hergestellt werden. Die Zahl der gegenüber dem Laststromkreis parallel geschalteten Kontaktbereiche 30 ist somit variabel.
Zweite Kontaktstrukturen 33 verbinden jeweils zwei aneinander grenzende Kontaktbereiche 30 elektrisch leitend miteinander. Dabei variiert der elektrische Widerstand der zweiten Kontaktstrukturen 33 in der Kontaktvorrichtung 40. In 6 ist dies durch Variation der Anzahl der zwischen den Kontaktbereichen 30 angeordneten zweiten Kontaktstrukturen 33 dargestellt. Je weniger Kontaktstrukturen 33 zwischen zwei Kontaktbereichen 30 vorgesehen sind, desto höher ist der elektrische Widerstand zwischen diesen Kontaktbereichen 30.
Eine Verschaltungssituation, wie in 4 dargestellt, kann erzeugt werden, wenn alle Schaltelemente 32 außer einem zuäußerst angeordneten Schaltelement 32 eine elektrische Verbindung zwischen dem zugehörigen Kontaktbereich 30 und dem Laststromkreis 31 trennen.
In dieser Situation sind somit alle Kontaktbereiche 30 mit Bezug auf den Laststromkreis 31 in Reihe geschaltet und somit sind der Gesamtwiderstand und die Heizleistung der Kontaktvorrichtung 40 maximal. Zusätzlich bewirkt die Abnahme der Anzahl der zweiten Kontaktstrukturen 33 mit zunehmendem Abstand von dem direkt mit dem Laststromkreis 31 verbundenen Kontaktbereich 30 einen zunehmenden Widerstand und somit eine zunehmende Heizleistung mit zunehmendem Abstand von dem direkt mit dem Laststromkreis 31 verbundenen Kontaktbereich 30. Somit wird ein Temperaturgradient über der Kontaktvorrichtung 40 eingestellt. Dieser kann, je nach Betriebszustand des Stapels 10, beispielsweise dazu dienen, eine Wasserverteilung an der Endplatte 16 zu homogenisieren.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellenstapel
14: Einzelzellen
16: Endplatten
18: Zugelemente
20: Membran-Elektroden-Einheit
22: Polymerelektrolytmembran
24: Gasdiffusionslage
26: Bipolarplatte
28: erste Hauptoberfläche
29: zweite Hauptoberfläche
30: leitfähige Schicht / erster Kontaktbereich
31: Anschlusselement / Laststromkreis
32: Schaltelement
33: zweite Kontaktstrukturen
34: leitfähige Schicht / zweiter Kontaktbereich
35: erste Kontaktstrukturen
40: elektrische Kontaktvorrichtung
S: Stapelrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/064182 A1 [0013]
WO 2005/038947 A1 [0013]

Claims

Elektrische Kontaktvorrichtung (40) zum Ableiten von elektrischem Strom aus einem Brennstoffzellenstapel (10), aufweisend eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger Kontaktbereiche (30, 34); eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger erster Kontaktstrukturen (35) zum Verbinden von jeweils einem oder mehreren Kontaktbereichen (30, 34) mit einem externen Laststromkreis (31); und zumindest ein in einer ersten Kontaktstruktur (35) angeordnetes Schaltelement (32) zum Trennen einer elektrisch leitfähigen Verbindung durch die erste Kontaktstruktur (35).
Elektrische Kontaktvorrichtung (40) nach Anspruch 1, ferner aufweisend elektrisch leitfähige zweite Kontaktstrukturen (33) zum Verbinden von jeweils zwei Kontaktbereichen (30, 34).
Elektrische Kontaktvorrichtung (40) nach Anspruch 2, wobei die zweiten Kontaktstrukturen (33) einen anderen elektrischen Widerstand aufweisen als die ersten Kontaktstrukturen (35).
Elektrische Kontaktvorrichtung (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl elektrisch leitfähiger Kontaktbereiche zumindest einen ersten Kontaktbereich (30) und zumindest einen zweiten Kontaktbereich (34) aufweist und wobei der zumindest eine erste Kontaktbereich (30) einen anderen elektrischen Widerstand aufweist als der zumindest eine zweite Kontaktbereich (34).
Elektrische Kontaktvorrichtung (40) nach Anspruch 4, aufweisend eine Mehrzahl erster Kontaktbereiche (30) und eine Mehrzahl zweiter Kontaktbereiche (34) und zumindest ein zwischen der Mehrzahl zweiter Kontaktbereiche (34) und dem externen Laststromkreis (31) angeordnetes Schaltelement (32).
Elektrische Kontaktvorrichtung (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger erster Kontaktstrukturen (35) zwischen jeweils einem Kontaktbereich (30, 34) und einem externen Laststromkreis (31), wobei in jeder ersten Kontaktstruktur (35) ein Schaltelement (32) zum Trennen einer elektrisch leitfähigen Verbindung durch die jeweilige erste Kontaktstruktur (35) angeordnet ist.
Elektrische Kontaktvorrichtung (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (30, 34) durch eine elektrisch leitfähige dünne Schicht gebildet sind.
Elektrische Kontaktvorrichtung (40) gemäß den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die ersten Kontaktbereiche (30), die zweiten Kontaktstrukturen (33) und die zweiten Kontaktbereiche (34) als materialgleiche dünne leitfähige Schichten ausgebildet sind, wobei die ersten Kontaktbereiche (30) eine größere Schichtdicke aufweisen als die zweiten Kontaktstrukturen (33) und/oder als die zweiten Kontaktbereiche (34).
Elektrische Kontaktvorrichtung (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine zum Regel oder Steuern des Tastgrads der zumindest einen Schaltelements (32) eingerichtete Steuereinheit.
Brennstoffzellenstapel (10) mit einer Mehrzahl in Stapelrichtung (S) gestapelter Brennstoffzellen (14) und zumindest einer elektrischen Kontaktvorrichtung (40) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in elektrischem Kontakt mit einer in Stapelrichtung (S) außenliegend angeordneten Brennstoffzelle (14) des Brennstoffzellenstapels (10).