DE102022105470B3

DE102022105470B3 - Elektrische Verbindungsanordnung und Verfahren zur elektrischen Kontaktierung und Beheizung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102022105470B3
Application number: DE102022105470.5A
Authority: DE
Inventors: Felix Altenburg; Simon Schlirf
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-03-09
Filing date: 2022-03-09
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2042-03-10
Also published as: WO2023169621A2; WO2023169621A3

Abstract

Eine elektrische Verbindungsanordnung (1) für eine Bipolarplatte (2) einer Brennstoffzelle umfasst mindestens ein mit der Bipolarplatte (2) verbundenes Bimetall-Element (5, 6), ein NTC-Heizelement (13, 14), sowie ein zum Ansetzen an die Bipolarplatte (2) vorgesehenes elektrisch leitfähiges Steckverbinder-Element (9), wobei bei an die Bipolarplatte (2) angestecktem Steckverbinder-Element (9) über das NTC-Heizelement (13, 14) eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Bipolarplatte (2) und dem Steckverbinder-Element (9) hergestellt ist und eine zum NTC-Heizelement (13, 14) elektrisch parallel geschaltete Verbindung ausschließlich in einem vorgegebenen Temperaturbereich über das Bimetall-Element (5, 6) hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindungsanordnung für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, welche insbesondere für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung und Beheizung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle.
Eine für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehene Brennstoffzellenanlage ist zum Beispiel in der EP 1 490 923 B1 offenbart. Es handelt sich hierbei um ein Brennstoffzellensystem mit Einfrierschutz. Als Maßnahme, mit der das Einfrieren von Wasser verhindert werden soll, ist das Ablassen von Wasser vorgesehen, nachdem die Brennstoffzelle abgeschaltet wurde. Auch werden beim Betrieb des bekannten Brennstoffzellensystems Veränderungen der Außenlufttemperatur berücksichtigt, wobei zu diesem Zweck ein Sensor vorgesehen ist, mit welchem die Außenlufttemperatur erfasst wird. Ein Wassertank des Brennstoffzellensystems nach der EP 1 490 923 B1 ist mit einer Heizvorrichtung ausgerüstet.
Weitere Brennstoffzellenanlagen mit Heizvorrichtungen sind zum Beispiel aus den Dokumenten US 2003 / 0 162 063A1 , US 2016 / 0 211 535 A1 und EP 1 414 090 B1 bekannt. In diesen Fällen befinden sich Komponenten der jeweiligen Brennstoffzellenanlage, unter anderem ein Wärmetauscher, innerhalb eines Gehäuses, welches als Wärmeschutzelement ausgeführt sein kann. Die Beheizung einer Brennstoffzelle mit Hilfe einer katalytischen Heizvorrichtung wird in der JP H07-169 476 A vorgeschlagen.
Eine in der US 8 377 609 B2 beschriebene Bipolarplatte einer Brennstoffzelle begrenzt verschiedene Strömungskanäle. An einer Oberfläche der Bipolarplatte befindet sich ein NTC (negative temperature characteristic) -Element, welches die Beheizung eines Kühlmittels ermöglicht.
Die DE 10 2018 210 193 A1 offenbart ein Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug. Der Startvorgang umfasst die Rezirkulation eines in einem Anodenkreislauf eines Brennstoffzellenstapels präsenten Gasgemisches, bevor Brennstoff durch eine Anodenzufuhrleitung in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet wird. Die Dauer der Rezirkulation soll beispielsweise 1 bis 15 Sekunden betragen.
In der DE 10 2005 004 388 A1 ist eine sogenannte Aufweckstrategie für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen beschrieben. Im Rahmen dieser Strategie ist das Spülen eines Brennstoffzellenstapels mit einem Feuchtigkeitsentfernungsmedium vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte gegenüber dem genannten Stand der Technik hinsichtlich eines zuverlässigen Betriebs von Brennstoffzellen unter verschiedensten Umgebungsbedingungen, insbesondere schwankenden Temperaturen, zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine zur Kontaktierung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle vorgesehene elektrische Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung und Beheizung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Kontaktierungs- und Beheizungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die elektrische Verbindungsanordnung, und umgekehrt.
Die elektrische Verbindungsanordnung umfasst mindestens ein mit einer Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstapels verbundenes Bimetall-Element, ein NTC-Heizelement, sowie ein zum Ansetzen an die Bipolarplatte vorgesehenes elektrisch leitfähiges Steckverbinder-Element, wobei bei an die Bipolarplatte angestecktem Steckverbinder-Element über das NTC-Heizelement eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Bipolarplatte und dem Steckverbinder-Element hergestellt ist. Eine zum NTC-Heizelement elektrisch parallel geschaltete Verbindung ist ausschließlich in einem vorgegebenen Temperaturbereich über das Bimetall-Element hergestellt.
Somit wird die Heizleistung, die in die Bipolarplatte eingespeist wird, auf zwei Weisen gesteuert, welche sich ergänzen, obwohl sie - in einem Fall kontinuierlich und im anderen Fall diskontinuierlich - im entgegengesetzten Sinne wirken: Zunächst sorgt das NTC (negative temperature coefficient) -Heizelement dafür, dass die thermische Leistung aufgrund des mit ansteigender Temperatur geringer werdenden Widerstands umso höher ist, je höher die Temperatur ist. Durch die bei niedrigen Temperaturen gedrosselte Heizleistung werden Überbeanspruchungen von Komponenten, welche aufgrund punktueller Hitzenester denkbar wären, vermieden. Bei höheren Temperaturen, welche mit zunehmenden Gas- und/oder Flüssigkeitsströmen innerhalb des Brennstoffzellenstapels einhergehen, ist dagegen eine höhere Heizleistung ohne Beschädigungsrisiko verkraftbar. Diese höhere Heizleitung wird durch das mindestens eine NTC-Heizelement solange geliefert, bis das Bimetall-Element schaltet und damit den Stromfluss durch das einen vergleichsweise hohen elektrischen Widerstand aufweisende NTC-Heizelement annähernd auf Null drückt. Insbesondere wird nach der durch das Bimetall-Element erfolgenden Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Bipolarplatte und dem Steckverbinder-Element nicht mehr als 5 %, zum Beispiel maximal 2%, des gesamten zwischen der Bipolarplatte und dem Steckverbinder-Element fließenden elektrischen Stroms durch das mindestens eine NTC-Heizelement geleitet.
Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen der anmeldungsgemäßen Verbindungsanordnung für Brennstoffzellen sind NTC-Heizelemente auf beiden Seiten der Bipolarplatte innerhalb des Steckverbinder-Elementes angeordnet. Damit sind großzügig dimensionierte Wärme und Strom übertragende Flächen, welche zwischen der Bipolarplatte, den Heizelementen und dem Steckverbinder-Element wirksam sind, bei zugleich geringer Bauhöhe realisierbar.
Ebenso können temperaturabhängig schaltende Bimetall-Elemente auf beiden Seiten der Bipolarplatte angeordnet sein. Hierbei kann jedes Bimetall-Element einen Abschnitt aufweisen, welcher zwischen der Bipolarplatte und einem der beiden NTC-Heizelemente angeordnet ist. Analoges gilt für Ausführungsformen mit Arrays aus mehreren NTC-Heizelementen. In allen Fällen können die Anordnungen aus jeweils einem als Schalter fungierenden Bimetall-Element und mindestens einem NTC-Heizelement spiegelsymmetrisch zur Mittelebene der Bipolarplatte positioniert sein. Durch die Spiegelsymmetrie können auf einfache Weise gleichmäßige Kontaktierungskräfte erzeugt werden, wobei zugleich das Risiko einer falschen Ausrichtung des Steckverbinder-Elementes bei der Montage eliminiert ist.
Jedes der spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten, insbesondere plättchen- oder streifenförmigen Bimetall-Elemente kann einen auslenkbaren, zur Kontaktierung einer innenliegenden Oberfläche des Steckverbinder-Elementes vorgesehenen Abschnitt aufweisen. Bei Auslenkung dieses Abschnitts, das heißt in einem höheren Temperaturbereich, kann ein annähernd punktförmiger, ein linienförmiger oder ein flächiger Kontakt zwischen dem Bimetall-Element und dem Steckverbinder-Element hergestellt sein. Die auslenkbaren Abschnitte der Bimetall-Elemente können bündig mit einem Rand der Bipolarplatte abschließen. Dies gilt insbesondere in dem Zustand, in welchem die Bimetall-Elemente komplett vom Steckverbinder-Element beabstandet sind, das heißt im niedrigeren Temperaturbereich. Bei der Bipolarplatte handelt es sich insbesondere um ein profiliertes Blech, welches aus zwei aufeinander liegenden, miteinander verbundenen Halbblechen aufgebaut sei kann.
Was grundsätzliche Möglichkeiten der Verwendung von NTC-Elementen und/oder Bimetall-Elementen in Verbindern elektrischer Systeme betrifft, wird beispielhaft auf die Dokumente WO 2015/097339 A1 und KR 102217173 B1 hingewiesen.
Unabhängig von der genauen geometrischen Gestaltung des Steckverbinder-Elementes sowie der Spezifikationen der weiteren Verbindungskomponenten wird im Rahmen des anmeldungsgemäßen Verfahrens zur elektrischen Kontaktierung und Beheizung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle allgemein ein elektrischer Strom zwischen dem Steckverbinder-Element und der Bipolarplatte permanent über mindestens ein NTC-Heizelement und temperaturabhängig zusätzlich auch über mindestens ein Bimetall-Element geleitet, wobei das Bimetall-Element dazu geeignet ist, das NTC-Heizelement in seiner Funktion zu drosseln oder auch praktisch vollständig außer Funktion zu nehmen. Die Temperatur, bei der die Umschaltung zwischen den verschiedenen Zuständen der Verbindungsanordnung erfolgt, liegt beispielsweise bei 80°C bis 90°C, wobei eine Hysterese gegeben sein kann.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 eine elektrische Verbindungsanordnung an einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle in einem ersten Zustand,
2 die Verbindungsanordnung in einem zweiten Zustand.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Verbindungsanordnung ist zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem 18 vorgesehen, welches beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt. Das Brennstoffzellensystem 18 umfasst eine Vielzahl an Bipolarplatten 2, welche in an sich bekannter Grundkonzeption in Stapelform angeordnet sind. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion des Brennstoffzellensystems 18 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
In der Anordnung nach den 1 und 2 weist die Bipolarplatte 2 eine Oberseite 3 und eine Unterseite 4 auf. Die Begriffe Ober- und Unterseite implizieren keine Aussage über die tatsächliche Ausrichtung der Bipolarplatten 2 in einem Brennstoffzellenstapel. Insbesondere können die Bipolarplatten 2 in vertikaler Ausrichtung im Brennstoffzellensystem 18 angeordnet sein.
Auf der Oberseite 3 und auf der Unterseite 4 der Bipolarplatte 2 befindet sich jeweils ein Bimetall-Element 5, 6, welches bis zu dem mit 12 bezeichneten Rand der Bipolarplatte 2 reicht. Jedes Bimetall-Element 5, 6 weist einen Anlagebereich 7 auf, in welchem es die Bipolarplatte 2 permanent kontaktiert, sowie einen an den Anlagebereich 7 anschließenden auslenkbaren Bereich 8, der bis zum Rand 12 reicht. Die Bereiche 7, 8 werden auch als Abschnitte des Bimetall-Elements 5, 6 bezeichnet.
Der Verbindungsanordnung 1 ist weiter ein Steckverbinder-Element 9 zuzurechnen, das auf den Rand 12 der Bipolarplatte 2 aufgeschoben ist. Das Steckverbinder-Element 9 weist einen offenen Abschnitt 10 auf, der die Bipolarplatte 12 umgreift, sowie einen sich hieran anschließenden, mit einer nicht dargestellten elektrischen Leitung zu verbindenden Anschlussabschnitt 11, der im Ausführungsbeispiel in derselben Ebene liegt wie die Mittelebene der Bipolarplatte 2.
Zwischen dem Anlagebereich 7 eines jeden Bimetall-Elements 5, 6 und einer inneren Oberfläche des offenen Abschnitts 10 des Steckverbinder-Elements 9 ist jeweils ein NTC-Heizelement 13, 14 angeordnet. Inwiefern das NTC-Heizelement 13, 14 in Funktion tritt, hängt von der Temperatur ab, bei welcher die Verbindungsanordnung 1, insbesondere die Bipolarplatte 2, betrieben wird.
Im Zustand nach 1 wird das Brennstoffzellensystem 18 oberhalb einer Grenztemperatur betrieben, die im vorliegenden Fall zwischen 80° und 90°C liegt. In diesem Zustand sind die Bereiche 8 der Bimetall-Elemente 5, 6 ausgelenkt, sodass sie den Abschnitt 10 des Steckverbinder-Elementes 9 kontaktieren. Ein mit 15 bezeichneter Strompfad von der Bipolarplatte 2 zum Anschlussabschnitt 11 führt in diesem Fall, wie in 1 beispielhaft auf der Oberseite 3 angedeutet ist, durch die auslenkbaren Bereiche 8 der Bimetall-Elemente 5, 6. Der vergleichsweise hohe elektrische Widerstand der NTC-Heizelemente 13, 14 führt dazu, dass durch die Elemente 13, 14 lediglich ein sehr geringer elektrischer Strom fließt. Eine Beheizung durch die NTC-Heizelemente 13, 14 findet somit im Zustand nach 1 praktisch nicht statt.
Im Zustand nach 2 herrscht eine Temperatur, welche unterhalb der genannten Grenztemperatur liegt. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Temperatur unter 0°C handeln. Aufgrund dieser im Vergleich zur Konstellation nach 1 geringen Temperatur liegen die Bimetall-Elemente 5, 6 komplett an der Bipolarplatte 2 an, sodass sie vom Steckverbinder-Element 9 beabstandet sind. Der in diesem Fall mit 16 bezeichnete Strompfad führt somit zwangsläufig über die NTC-Heizelemente 13, 14. In den NTC-Heizelementen 13, 14 bilden sich somit Wärmeentwicklungszonen 17, welche in 2 ausschließlich auf der Oberseite 3 angedeutet sind. Über die Wärmeentwicklungszonen 17 wird Wärme in die Bipolarplatte 2 und damit in das gesamte Brennstoffzellensystem 18 eingetragen. Dieser Wärmeeintrag, unterstützt auch durch Wärmeentwicklung in den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems 18, wird fortgesetzt, bis die genannte Grenztemperatur überschritten ist, sodass sich der in 1 skizzierte Zustand einstellt, das heißt die Beheizung durch die NTC-Heizelemente 13, 14 gestoppt wird. Ein besonderer Vorteil der Verbindungsanordnung 1 liegt darin, dass ohne gesonderte regelungstechnische Komponenten eine bedarfsgerechte Beheizung der Bipolarplatte 2 erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Verbindunganordnung
2: Bipolarplatte
3: Oberseite
4: Unterseite
5: Bimetall-Element
6: Bimetall-Element
7: Anlagebereich des Bimetall-Elements
8: auslenkbarer Bereich des Bimetall-Elements
9: Steckverbinder-Element
10: offener Abschnitt des Steckverbinder-Element
11: Anschlussabschnitt
12: Rand der Bipolarplatte
13: NTC-Heizelement
14: NTC-Heizelement
15: erster Strompfad
16: zweiter Strompfad
17: Wärmeentwicklungszone
18: Brennstoffzellensystem

Claims

Elektrische Verbindungsanordnung (1) für eine Bipolarplatte (2) einer Brennstoffzelle, umfassend mindestens ein mit der Bipolarplatte (2) verbundenes Bimetall-Element (5, 6), ein NTC-Heizelement (13, 14), sowie ein zum Ansetzen an die Bipolarplatte (2) vorgesehenes elektrisch leitfähiges Steckverbinder-Element (9), wobei bei an die Bipolarplatte (2) angestecktem Steckverbinder-Element (9) über das NTC-Heizelement (13, 14) eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Bipolarplatte (2) und dem Steckverbinder-Element (9) hergestellt ist und eine zum NTC-Heizelement (13, 14) elektrisch parallel geschaltete Verbindung ausschließlich in einem vorgegebenen Temperaturbereich über das Bimetall-Element (5, 6) hergestellt ist.
Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass NTC-Heizelemente (13, 14) auf beiden Seiten der Bipolarplatte (2) innerhalb des Steckverbinder-Elementes (9) angeordnet sind.
Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Bimetall-Elemente (5, 6) auf beiden Seiten der Bipolarplatte (2) angeordnet sind.
Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bimetall-Element (5, 6) einen Abschnitt (7) aufweist, welcher zwischen der Bipolarplatte (2) und einem der NTC-Heizelemente (13, 14) angeordnet ist.
Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnungen aus jeweils einem Bimetall-Element (5, 6) und einem NTC-Heizelement (13, 14) spiegelsymmetrisch zur Mittelebene der Bipolarplatte (2) positioniert sind.
Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bimetall-Element (5, 6) einen auslenkbaren, zur Kontaktierung einer innenliegenden Oberfläche des Steckverbinder-Elementes (9) vorgesehenen Abschnitt (8) aufweist.
Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die auslenkbaren Abschnitte (8) der Bimetall-Elemente (5, 6) bündig mit einem Rand (12) der Bipolarplatte (2) abschließen.
Verfahren zur elektrischen Kontaktierung und Beheizung einer Bipolarplatte (2) einer Brennstoffzelle, wobei ein elektrischer Strom zwischen einem Steckverbinder-Element (9) und der Bipolarplatte (2) permanent über mindestens ein NTC-Heizelement (13, 14) und temperaturabhängig zusätzlich auch über mindestens ein Bimetall-Element (5, 6) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Zu- und Abschaltung des Bimetall-Elementes (5, 6) in einem Temperaturbereich von 80°C bis 90°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Bimetall-Element (5, 6) und dem Steckverbinder-Element (9) nicht mehr als 5 % des gesamten zwischen der Bipolarplatte (2) und dem Steckverbinder-Element (9) fließenden elektrischen Stroms durch das mindestens eine NTC-Heizelement (13, 14) geleitet wird.