DE202018106717U1

DE202018106717U1 - Stromumleitungsvorrichtung für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE202018106717U1
Application number: DE202018106717.6U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: CN209434311U; US20190165427A1; US10790546B2

Abstract

Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch:
eine Anode und eine Kathode, die jeweils eine entsprechende Bipolarplatte aufweisen; und
zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung mit einem Gate-Anschluss und Lastanschlüssen, die entsprechend mit einer der Bipolarplatten elektrisch gekoppelt sind; und
eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass ein Potential der Anode ein Potential der Kathode übersteigt, den Gate-Anschluss vorzuspannen, um zu veranlassen, dass Strom zwischen den Bipolarplatten durch die Halbleiterschaltvorrichtung geleitet wird.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen ein Verhindern von Verschlechterung von Brennstoffzellen während Spannungsumkehrbedingungen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Fahrzeuge können durch Brennstoffzellensysteme angetrieben werden. Ein Brennstoffzellensystem erzeugt durch chemische Reaktionen, die durch Zirkulieren von Wasserstoff und Sauerstoff durch einen Brennstoffzellenstack verursacht werden, elektrische Energie. Der Brennstoffzellenstack besteht aus Zellen. Unter einigen Bedingungen können eine oder mehrere der Zellen eine Spannungsumkehr erfahren. Die Spannungsumkehr kann Kohlenstoffkorrosion innerhalb der Brennstoffzelle verursachen, was zu Verschlechterung der Leistung führen kann. Technische Probleme des Standes der Technik werden durch das Gebrauchsmuster gelöst.
KURZDARSTELLUNG
Eine Brennstoffzelle beinhaltet eine Anode und eine Kathode, die jeweils eine entsprechende Bipolarplatte aufweisen. Die Brennstoffzelle beinhaltet ferner zumindest einen Halbleiterschalter mit einem Gate-Anschluss und Lastanschlüssen, die entsprechend mit einer der Bipolarplatten gekoppelt sind. Die Brennstoffzelle beinhaltet ferner eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass ein Potential der Anode ein Potential der Kathode übersteigt, den Gate-Anschluss vorzuspannen, um zu veranlassen, dass Strom zwischen den Bipolarplatten durch den Halbleiterschalter geleitet wird.
Der Halbleiterschalter kann ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) sein. Der Halbleiterschalter kann ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) sein. Der zumindest eine Halbleiterschalter kann aus einer Vielzahl von Halbleiterschaltvorrichtungen, die parallel gekoppelt sind, bestehen. Der zumindest eine Halbleiterschalter kann dazu konfiguriert sein, eine Stromdichte von zumindest 50 A/cm² in einem leitenden Zustand aufzuweisen. Der zumindest eine Halbleiterschalter kann dazu konfiguriert sein, einen Spannungsabfall an den Lastanschlüssen von nicht mehr als 0,1 Volt aufzuweisen, wenn der Gate-Anschluss vorgespannt ist, um zu veranlassen, dass Strom zwischen den Lastanschlüssen geleitet wird. Die Schaltung kann durch eine Spannung über die Bipolarplatten vorsorgt werden. Die Schaltung kann ferner dazu konfiguriert sein, den Gate-Anschluss vorzuspannen, um zu veranlassen, dass Stromfluss durch den Halbleiterschalter als Reaktion darauf blockiert wird, dass das Potential der Kathode das Potential der Anode übersteigt.
Ein Brennstoffzellenstack beinhaltet eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die jeweils eine Anodenbipolarplatte, eine Kathodenbipolarplatte, zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung und eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass ein Anodenpotential größer als ein Kathodenpotential wird, ein Gate der Halbleiterschaltvorrichtung vorzuspannen, um Strom von der Anodenbipolarplatte zu der Kathodenbipolarplatte durch zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung zu leiten, aufweisen.
Die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung kann dazu konfiguriert sein, ein maximales Stromvermögen aufzuweisen, das zumindest ein Nennbetriebsstrom des Brennstoffzellenstacks ist. Die Schaltung kann ferner dazu konfiguriert sein, als Reaktion darauf, dass das Kathodenpotential größer als das Anodenpotential wird, das Gate der zumindest einen Halbleiterschaltvorrichtung vorzuspannen, um Stromfluss durch die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung zu blockieren. Die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung kann ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) sein. Die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung kann ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) sein. Die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung kann aus einer Vielzahl von Halbleiterschaltvorrichtungen, die parallel gekoppelt sind, bestehen. Die Schaltung kann ferner dazu konfiguriert sein, durch eine Spannung über die Anodenbipolarplatte und die Kathodenbipolarplatte versorgt zu werden.
Ein Fahrzeug beinhaltet einen Brennstoffzellenstack, beinhaltend eine Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen zumindest einen Halbleiterschalter und eine Schaltung beinhaltet, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass ein Potential einer Anode größer als ein Potential einer Kathode wird, ein Gate des zumindest einen Halbleiterschalters vorzuspannen, um in einen leitenden Zustand einzutreten, um Strom von der Anode zu der Kathode der entsprechenden Brennstoffzelle zu leiten.
Die Schaltung kann ferner dazu konfiguriert sein, als Reaktion darauf, dass das Potential der Kathode größer als das Potential der Anode wird, das Gate des zumindest einen Halbleiterschalters vorzuspannen, um in einen nicht-leitenden Zustand einzutreten, um Stromfluss durch den zumindest einen Halbleiterschalter zu blockieren. Der zumindest eine Halbleiterschalter kann dazu konfiguriert sein, ein maximales Stromvermögen aufzuweisen, das zumindest ein Nennbetriebsstrom des Brennstoffzellenstacks ist. Die Schaltung kann ferner dazu konfiguriert sein, durch eine Spannung über die Anode und die Kathode der entsprechenden Brennstoffzelle versorgt zu werden. Der zumindest eine Halbleiterschalter kann aus einer Vielzahl von Halbleiterschaltern, die parallel angeordnet sind, bestehen.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs, das von einem Brennstoffzellensystem angetrieben wird.
2 veranschaulicht ein Schema eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform.
3 stellt eine Brennstoffzelle dar.
4 stellt ein Schaltschema für eine Stromumleitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle dar.
5 stellt eine mögliche Konfiguration für die Stromumleitungsvorrichtung dar.
6 stellt eine mögliche Konfiguration zum parallelen Koppeln von Stromumleitungsvorrichtungen dar.
7 stellt eine Brennstoffzelle mit einer integrierten Stromumleitungsvorrichtung dar.
8 stellt einen möglichen Brennstoffzellenstack unter Verwendung von Brennstoffzellen mit der integrierten Stromumleitungsvorrichtung dar.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielfältige Verwendung des vorliegenden Gebrauchsmusters zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen veranschaulichter Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
1 stellt ein Diagramm eines Fahrzeugs 100 dar. Das Fahrzeug 100 kann durch ein Brennstoffzellensystem 200 versorgt werden. Das Brennstoffzellensystem 200 kann elektrisch an einen Hochspannungsbus 120 gekoppelt sein. Eine Traktionsbatterie 122 kann elektrisch an den Hochspannungsbus 120 gekoppelt sein. Elektrische Verbraucher 108 können elektrisch an den Hochspannungsbus 120 gekoppelt sein. Eine elektrische Maschine 102 kann elektrisch an den Hochspannungsbus 120 über einen Wechselrichter gekoppelt sein. Die elektrische Maschine 102 kann mechanisch an ein Getriebe 104 gekoppelt sein. Das Getriebe 104 kann mechanisch an die Antriebsräder 106 des Fahrzeugs gekoppelt sein.
Das Brennstoffzellensystem 200 kann elektrischen Strom zum Betreiben der elektrischen Maschine 102 bereitstellen, um das Fahrzeug 100 anzutreiben oder andere Fahrzeugfunktionen auszuführen. Das Brennstoffzellensystem 200 kann elektrischen Strom erzeugen, der von den Komponenten verbraucht werden kann, die an den Hochspannungsbus 120 gekoppelt sind (z. B. elektrische Verbraucher 108). Der elektrische Strom, der vom Brennstoffzellensystem 200 erzeugt wird, kann außerdem von der Traktionsbatterie 122 gespeichert werden. Die elektrische Maschine 102 wandelt die elektrische Energie in mechanische Drehenergie zum Antreiben des Getriebes 104 um. Das Getriebe 104 kann Zahnräder und Kupplungen einschließen, die zum Umwandeln der Drehenergie der elektrischen Maschine 102 in Drehenergie an den Antriebsrädern 106 konfiguriert sind.
2 veranschaulicht eine mögliche Konfiguration des Brennstoffzellensystems 200 als ein Ablaufdiagramm. Das Brennstoffzellensystem 200 kann eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) sein, wie sie im Fach bekannt ist. Das Brennstoffzellensystem 200 kann einen Brennstoffzellen-Stack 212 beinhalten. Der Stack 212 kann aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen bestehen, die in Reihe und/oder parallel gekoppelt sind, oder einer Kombination davon bestehen. Die Brennstoffzellen des Stacks 212 können eine Anodenseite 214, eine Kathodenseite 216 und eine Membran 218 dazwischen beinhalten. Es ist zu beachten, dass sich eine Bezugnahme auf die Anodenseite 214 und die Kathodenseite 216 auf die Anode und die Kathode von jeder der Brennstoffzellen bezieht. Das Brennstoffzellensystem 200 kann elektrisch mit Energie kommunizieren und diese z. B. für den Hochspannungsbus 120 oder die Traktionsbatterie 122 bereitstellen. Der Brennstoffzellen-Stack 212 kann außerdem eine Kühlschleife (nicht dargestellt) einschließen.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 200 können sich Wasser, Restbrennstoff wie etwa Wasserstoff und Nebenprodukte wie etwa Stickstoff auf der Anodenseite ansammeln. Das Brennstoffzellensystem 200 kann zum Abführen des flüssigen Wassers und der Nebenprodukte und zum Wiederverwenden des Restwasserstoffs und des Wasserdampfs konfiguriert sein. Ein Ansatz kann sein, diese Bestandteile in einem Separator 236 zu sammeln, der dem Brennstoffzellen-Stack 212 nachgelagert und zum Trennen mindestens eines Teils des flüssigen Wassers und/oder Stickstoffs und Rückführen der verbleibenden Bestandteile zum Brennstoffzellen-Stack 212 über einen Rücklauf in einer Rückführschleife konfiguriert ist.
Eine primäre Brennstoffquelle 222, wie etwa eine primäre Wasserstoffquelle, kann mit der Anodenseite 214 verbunden sein. Nicht einschränkende Beispiele für die primäre Wasserstoffquelle 222 können einen Hochdruck-Wasserstoffspeichertank oder eine Hybridspeichervorrichtung einschließen. Die Wasserstoffquelle 222 kann mit einer oder mehreren Ausstoßvorrichtungen 224 verbunden sein. Die Ausstoßvorrichtung 224 kann eine Düse 226 aufweisen, die Wasserstoff in den zusammenlaufenden Teilabschnitt einer konvergierenden/divergierenden Düse 228 leitet. Der auseinanderlaufende Teilabschnitt der Düse 228 kann mit dem Eingang 230 der Anodenseite 214 verbunden sein.
Der Ausgang 232 der Anodenseite 214 kann mit einer passiven Rückführschleife 234 verbunden sein. Typischerweise wird ein Überschuss an Wasserstoffgas für die Anodenseite 214 bereitgestellt, um zu gewährleisten, dass genug Wasserstoff für alle Zellen im Stack 212 verfügbar ist. Mit anderen Worten wird Wasserstoff für den Brennstoffzellen-Stack 212 in einem stöchiometrischen Verhältnis von über eins bereitgestellt, d. h. in einem fetten Brennstoffverhältnis in Bezug auf genaue elektrochemische Bedarfe. Die Rückführschleife 234 wird bereitgestellt, sodass überschüssiger Wasserstoff, der von der Anodenseite 214 nicht verwendet wurde, zum Eingang 230 zurückgeführt wird, sodass der Überschuss verwendet werden kann und nicht verschwendet wird.
Darüber hinaus ist angesammeltes Flüssig- und Dampfphasenwasser eine Ausgabe der Anodenseite 214. Die Anodenseite 214 erfordert Befeuchtung für eine effiziente chemische Umwandlung und zum Verlängern der Lebensdauer der Membran. Die Rückführschleife 234 kann verwendet werden, um Wasser zum Befeuchten des Wasserstoffgases vor dem Eingang 230 der Anodenseite 214 bereitzustellen.
Die Rückführschleife 234 kann den Separator 236 oder eine Wasserausstoßvorrichtung einschließen. Der Separator 236 nimmt einen Strom oder ein Fluidgemisch aus Wasserstoffgas, Stickstoffgas und Wasser vom Ausgang 232 der Anodenseite 214 auf. Das Wasser kann Gemischtphasenwasser sein und sowohl Flüssig- als auch Dampfphasenwasser enthalten. Der Separator 236 kann einen Behälter zum Aufbewahren eines vorgegebenen Volumens an Wasser einschließen. Der Separator 236 entfernt zumindest einen Teil des Flüssigphasenwassers, das den Separator durch die Ablaufleitung 238 verlassen kann. Zumindest ein Teil des Stickstoffgases, Wasserstoffgases und Dampfphasenwassers kann auch die Ablaufleitung 238 verlassen und z. B. während eines Spülvorgangs des Brennstoffzellen-Stacks 212 durch ein Steuerventil 239 (kann auch als ein Ablaufventil bezeichnet sein) hindurchfließen. Das Steuerventil 239 kann stark in den Separator 236 eingebunden sein. Der Rest des Fluids im Separator 236 tritt durch den Durchgang 240 in der Rückführschleife 234 aus, der mit der Ausstoßvorrichtung 224 verbunden ist. Das Fluid in Durchgang 240 wird in den zusammenlaufenden Teilabschnitt der konvergierenden/divergierenden Düse 228 geleitet, wo es sich mit eintretendem Wasserstoff aus der Düse 226 und der Wasserstoffquelle 222 mischt.
Flüssiges Wasser kann von der Anodenseite 214 durch den Separator 236 beseitigt werden, um Wasserblockierungen in den Kanälen und Zellen der Anodenseite 214 zu verhindern. Wasserblockierungen im Brennstoffzellen-Stack 212 können zu Zunahmen der Zellenspannung und/oder Spannungsschwankungen im Brennstoffzellen-Stack 212 führen. Flüssiges Wasser kann ebenso vom Separator 236 beseitigt werden, um eine Blockierung oder Teilblockierung in der Ausstoßvorrichtung 224 zu verhindern. Ein Flüssigwassertropfen im auseinanderlaufenden Teilabschnitt der konvergierenden/divergierenden Düse 228 würde quasi einen zweiten Venturi-Teilabschnitt in der Düse 228 schaffen und zu Schwankungen in der Pumpleistung für die Ausstoßvorrichtung 224 führen.
Die Kathodenseite 216 nimmt Sauerstoff, z. B. als ein Bestandteil in einer Luftquelle 242, auf. In einer Ausführungsform wird ein Kompressor 244 von einem Elektromotor 246 angetrieben, um den eintretenden Sauerstoff unter Druck zu setzen. Die Druckluft wird dann von einem Befeuchter 248 befeuchtet, bevor sie in die Kathodenseite 216 eintritt. Ein anderer Separator 250 (gestrichelt dargestellt) kann dem Befeuchter 248 nachgelagert positioniert sein. Der Separator 250 kann zum Beseitigen flüssigen Wassers aus dem befeuchteten Luftstrom verwendet werden, bevor es in die Kathodenseite 216 bei Eingang 252 eintritt. Wassertropfen können dem Befeuchter 248 nachgelagert aufgrund von flüssigem Wasser vorkommen, das durch hohe Luftströmungsgeschwindigkeiten im Befeuchter 248 mitgeführt wird. Flüssiges Wasser kann vom Separator 250 beseitigt werden, um Wasserblockierungen in den Zellen der Kathodenseite 216 zu verhindern, die zu Abnahmen in der Zellenspannung und/oder Schwankungen im Brennstoffzellen-Stack 212 führen. Der Kathodenausgang 254 des Stacks auf der Kathodenseite 216 ist mit einem Ventil 256 verbunden. Die Ablaufleitung 238 vom Separator 236 und eine Ablaufleitung 258 vom Separator 250 können mit einer Leitung 260 verbunden sein, die dem Ventil 256 nachgelagert ist. In anderen Ausführungsformen können die Ablaufleitungen auf andere Stellen im Brennstoffzellensystem 200 ausgerichtet sein.
Andere Systemarchitekturen können ebenso für das Brennstoffzellensystem 200 verwendet werden. Beispielsweise kann eine Turbine zusätzlich zum Kompressor 244 verwendet werden, um eine Strömung durch die Kathodenseite 216 herbeizuführen. In einem Beispiel ist eine Turbine dem Kathodenausgang 254 des Stacks nachgelagert positioniert, wobei ein Separator zwischen der Kathodenseite 216 und der Turbine angeordnet ist, um flüssiges Wasser zu beseitigen, bevor der Fluidstrom in die Turbine eintritt.
Auf Grundlage der Verwendung der Ausstoßvorrichtung 224 zur Erzeugung einer Strömung durch die Anodenseite 214 und Herbeiführung einer Strömung durch die passive Rückführschleife 234 muss die Ausstoßvorrichtung 224 etwaige Druckverluste im System überwinden, was einen typischerweise erheblichen Druckverlust durch den Brennstoffzellen-Stack 212 einschließt. Das System 200, so wie es dargestellt ist, schließt keine Pumpe oder andere Vorrichtungen zum Herbeiführen einer Strömung in der Rückführschleife 234 ein, weshalb die gesamte Verdichtungsarbeit von der Ausstoßvorrichtung geleistet wird, die ansonsten als eine Strahlpumpe beschrieben wird. Um diese Funktion zu ermöglichen, kann der Separator 236 einen niedrigen Druckverlust durch sich aufweisen. Der Separator 236 kann zum Beseitigen größerer Wassertropfen aus dem Fluid konfiguriert sein, um Wasserblockierungen in der Rückführströmung im Brennstoffzellen-Stack 212 oder in der Ausstoßvorrichtung 224 zu verhindern, die durch Tropfen verursacht werden. Der Separator 236 ermöglicht dem Dampfphasenwasser und kleineren Wassertropfen, in der Rückführströmung in Durchgang 240 zu verbleiben und zu Befeuchtungszwecken zur Ausstoßvorrichtung 224 zurückzukehren. In einem Beispiel beseitigt der Separator 236 Wassertropfen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von einem Millimeter oder größer.
Da der Separator 236 Fluidstrom von der Anodenseite 214 aufnimmt, kann der Separator 236 darüber hinaus für die Verwendung mit Wasserstoffgas ausgelegt sein. Im Allgemeinen kann Wasserstoffgas Materialzersetzung oder Versprödungsprobleme verursachen und kann Material, das im Separator 236 verwendet wird, mit Wasserstoff kompatibel sein. Darüber hinaus ist Wasserstoff ein kleines Molekül und sind viele herkömmliche Separatorvorrichtungen nicht für die Verwendung mit Wasserstoff geeignet, da ihre Konstruktion Leckagen ermöglicht, z. B. bei einer herkömmlichen Gewindeverbindung. Andere herkömmliche Separatoren können drehende oder bewegliche Teile, wie etwa eine drehende Schaufel oder dergleichen enthalten, die unter Umständen nicht mit Wasserstoff kompatibel sind, da das Schmiermittel den Brennstoffzellen-Stack vergiften kann oder der Wasserstoff das Schmiermittel beeinträchtigen oder zersetzen kann.
Der Separator 250 kann zum Beseitigen größerer Wassertropfen aus dem Fluid konfiguriert sein, um Wasserblockierungen, die durch Tropfen verursacht werden, in der Strömung in der Kathodenseite 216 zu verhindern. Der Separator 250 erlaubt Dampfphasenwasser und kleineren Wassertropfen zur Befeuchtung in der Strömung zu verbleiben. In einigen Konfigurationen beseitigt der Separator 250 Wassertropfen, die gleichgroß oder größer als die Strömungsfeldkanalbreiten der Kathodenseite 216 sind. In einem Beispiel können die Strömungsfeldkanäle der Kathodenseite zwischen 0,2 und 1,0 Millimeter betragen.
3 bildet eine mögliche Struktur für eine PEMFC 300 ab. Die PEMFC 300 kann eine Protonenaustauschmembran (PEM) 302 beinhalten. An einer ersten Seite der PEM 302 kann eine Schicht von Anodenkatalysator 306 vorhanden sein. Der Anodenkatalysator 306 kann eine auf Kohlenstoff basierende Struktur beinhalten, die ein Katalysatormaterial (z. B. Platin) beinhaltet. Neben der Schicht von Anodenkatalysator 306 kann sich eine Anodengasdiffusionsschicht 312 befinden. An einer zweiten Seite der PEM 302 kann eine Schicht von Kathodenkatalysator 304 vorhanden sein. Der Kathodenkatalysator 304 kann eine auf Kohlenstoff basierende Struktur beinhalten, die ein Katalysatormaterial (z. B. Platin) beinhaltet. Neben der Schicht von Kathodenkatalysator 304 kann sich eine Kathodengasdiffusionsschicht 318 befinden. Die PEM 302 kann zwischen der Anodenkatalysatorschicht 306 und der Kathodenkatalysatorschicht 318 angeordnet sein.
Neben der Anodengasdiffusionsschicht 312 kann sich eine Anodenbipolarplatte 308 befinden. Neben der Kathodengasdiffusionsschicht 318 kann sich eine Kathodenbipolarplatte 320 befinden. Die Anodenbipolarplatte 308 und die Kathodenbipolarplatte 320 können ferner dazu konfiguriert sein, mehrere Funktionen bereitzustellen. Die Platten könne dazu konfiguriert sein, Wasserstoff und Luft zu verteilen, Wärme zu entfernen und elektrischen Strom zu anderen Zellen oder einer Last zu leiten. Die Platten können auch dazu konfiguriert sein, Leckage von Gas und Fluiden, die hindurch laufen, zu verhindern.
Die Anodenkatalysatorschicht 306, die Anodengasdiffusionsschicht 312 und die Anodenbipolarplatte können gemeinsam als die Anode und/oder die Anodenseite bezeichnet werden. Die Kathodenkatalysatorschicht 304, die Kathodengasdiffusionsschicht 318 und die Kathodenbipolarplatte 320 können gemeinsam als die Katode und/oder die Kathodenseite bezeichnet werden.
Die Anodenbipolarplatte 308 kann eine Vielzahl von Wasserstoffströmungskanälen 310 definieren. Die Wasserstoffströmungskanäle 310 können sich neben der Anodengasdiffusionsschicht 312 befinden und können dazu konfiguriert sein, Wasserstoffgas strömen zu lassen. Die Wasserstoffströmungskanäle 310 können so konfiguriert sein, dass Wasserstoffgas, das dort hindurch strömt, mit der Anodengasdiffusionsschicht 312 in Kontakt steht. Die Wasserstoffströmungskanäle 310 der Anodenbipolarplatte 308 von jeder von den Brennstoffzellen, die den Brennstoffzellenstack 212 umfassend, können zusammen gekoppelt sein. Auf diese Weise liefert ein Liefern von Wasserstoff an die Anodenseite 214 Wasserstoff an jede der Brennstoffzellen in dem Stack 212.
Die Kathodenbipolarplatte 320 kann eine Vielzahl von Luftströmungskanälen 316 definieren. Die Luftströmungskanäle 316 können sich neben der Kathodengasdiffusionsschicht 318 befinden und können dazu konfiguriert sein, Luft strömen zu lassen. Die Luftströmungskanäle 318 können so konfiguriert sein, dass Luft, die dort hindurch strömt, mit der Kathodengasdiffusionsschicht 318 in Kontakt steht. Die Kathodenbipolarplatte 320 kann auch eine Vielzahl von Kühlkanälen 314 definieren. Die Kühlkanäle 314 können dazu konfiguriert sein, Kühlmittel zum Aufrechterhalten einer Temperatur des Brennstoffzellensystems strömen zu lassen. Die Luftströmungskanäle 318 der Kathodenbipolarplatte 320 von jeder von den Brennstoffzellen, die den Brennstoffzellenstack 212 umfassend, können zusammen gekoppelt sein. Auf diese Weise stellt ein Bereitstellen von Luft an die Kathodenseite 216 Luft an jede der Brennstoffzellen in dem Stack 212 bereit. Die Kühlkanäle 314 der Kathodenbipolarplatte 320 von jeder von den Brennstoffzellen, die den Brennstoffzellenstack 212 umfassend, können zusammen gekoppelt sein. Auf diese Weise stellt ein Bereitstellen von Kühlmittel an die Kathodenseite 216 Kühlmittel an jede der Brennstoffzellen in dem Stack 212 bereit.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle 300 kann Wasserstoffgas durch die Anode geströmt werden und Luft kann durch die Kathode geströmt werden. Die Luft und das Wasserstoffgas können vorbehandelt sein, sodass die resultierende Strömung innerhalb vorbestimmter Temperatur- und Feuchtigkeitsbereiche liegt. Der Betrieb der Brennstoffzelle 300 verursacht verschiedene chemische Reaktionen innerhalb der Brennstoffzelle 300. Die chemischen Reaktionen resultieren in einer Strömung von Ionen und Elektronen durch die Brennstoffzelle 300. Die normale Reaktion an der Anodenseite kann wie folgt ausgedrückt werden: H₂ → 2H⁺ + 2e^- (1)
Die Reaktion in der Anode resultiert darin, dass Wasserstoffgas in Wasserstoffionen und - elektronen aufgetrennt wird. Die normale Reaktion in der Kathodenseite kann wie folgt ausgedrückt werden: ½O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O (2)
Die Reaktion in der Kathode resultiert darin, dass Wasser gebildet wird. Das Wasser kann innerhalb der Luftströmungskanäle 316 strömen. Das Brennstoffzellensystem kann verschiedene Maßnahmen bereitstellen, um die Strömung von Wasser durch die Brennstoffzelle 300 aufrechtzuerhalten.
Die Reaktion in der Kathode erfordert die Wasserstoffionen von der Anode. Die Wasserstoffionen können durch die PEM 302 laufen, um sich von der Anode zu der Kathode zu bewegen, um die Reaktion zu speisen. Die Elektronen können um die PEM 302 durch eine externe Schaltung strömen. Die PEM 302 kann so konfiguriert sein, dass Elektronen nicht hindurch strömen. Während des normalen Betriebs fahren die Reaktionen fort, während Wasserstoffgas und Luft an die Brennstoffzelle 300 bereitgestellt werden.
Ein Brennstoffzellenstack kann aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen 300 bestehen, die in Reihe und/oder parallel angeordnet sind. Die Brennstoffzellen 300 können so angeordnet sein, dass die Kathoden und Anoden von benachbarten Brennstoffzellen miteinander in Kontakt stehen. Die Brennstoffzelle 300 kann dazu konfiguriert sein, ein vorbestimmtes Spannungsniveau bereitzustellen. Wenn beispielsweise jede Brennstoffzelle 300 1 V bereitstellt, kann ein Brennstoffzellenstack, der aus einhundert Brennstoffzellen 300 besteht, die in reihe angeordnet sind, eine Ausgangsspannung von 100 V bereitstellen. Solange Wasserstoff und Luft in ausreichenden Mengen an jede der Brennstoffzellen 300 bereitgestellt werden, kann die Reaktion fortgesetzt werden und kann die Nennausgangsspannung erreicht werden.
Unter einigen Bedingungen können jedoch eine oder mehrere der Brennstoffzellen 300 reduzierte Betriebsbedingungen erfahren. Unter einigen Bedingungen können eine oder mehrere der Brennstoffzellen 300 eine Spannungsumkehr erfahren. Eine Spannungsumkehr kann eine Bedingung sein, bei der die Spannung über die Brennstoffzelle 300 die Polarität in Bezug auf den Rest der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstack ändert. Solche Bedingungen können durch unzureichend Wasserstoff, unzureichend Luft, unzureichend Wasser und/oder dadurch, dass die Brennstoffzellentemperatur außerhalb eines festgelegten Betriebsbereichs liegt, verursacht werden. Solche Bedingungen können bei einigen der Brennstoffzellen vorliegen, sodass nicht alle der Brennstoffzellen beeinträchtigt sind.
Beispielsweise verursacht ein Nichtvorhandensein von O₂ in der Kathode eine Bedingung, bei der 2H⁺ + 2e^- größer als die Menge von H₂ ist, die während der normalen Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) vorkommt. Während dieser Bedingung arbeitet die Brennstoffzelle 300 wie eine Wasserstoffpumpe. Die Spannungsumkehr in diesem Fall ist eher klein. Andere Bedingungen können ernsthaftere Probleme für die Brennstoffzelle 300 verursachen. Eine ernsthaftere Bedingung umfasst, dass es der Anode an Wasserstoff mangelt, was Kohlenstoffkorrosion verursachen kann.
Brennstoffmangel kann durch Wassertropfen in dem Ansaugkrümmer verursacht werden. Stromfluss kann nicht auftreten, da unzureichend H₂ vorhanden sein kann, sodass die normale Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) nicht erfolgt. Die Anode kann dann nicht ausreichend Wasserstoffionen erzeugen, die durch die Kathode laufen, um den Stromfluss zu unterstützen. Um den durch die restlichen Brennstoffzellen und die Last erforderlichen Strom aufrechtzuerhalten, treten Wasserelektrolyse und Kohlenstoffkorrosion auf.
Die spannungsumgekehrten Zellen zeigen an der Anode ein höheres Potential als an der Kathode. Das heißt, es tritt eine negative Zellspannung auf. Die Spannungsumkehr kann in dem Bereich von -1V liegen, wenn ein Großteil des Stroms durch Wasserelektrolyse getragen wird. Wenn Elektrolyse den Strom nicht unterstützen kann, kann die Zellspannung weit unter -1 V fallen. Der Spannungsabfall ist theoretisch durch die Spannung der restlichen Zellen in dem Stack begrenzt. Während dieser Bedingung wird Kohlenstoffkorrosion zu einem großen Problem.
Die Ausgangsspannung für Zellspannungsumkehr kann für unterschiedliche Brennstoffzellreaktionen bestimmt werden. Die Ausgangsspannung steht im Vergleich zu einer umkehrbaren Wasserstoffelektrode (RHE), die als eine Referenz verwendet wird. An der Anode resultiert bei Vorhandensein eines Mangels an Wasserstoff die Sauerstoffevolutionsreaktion (OER) aus Wasserelektrolyse in einer Reaktion und einer Spannung wie folgt: 2H₂O ↔ O₂ + 4H⁺ + 4e^-; E_o = 1,229 V (3)
Die Kohlenstoffkorrosionsreaktionen, die auftreten können, und die assoziierten Spannungen sind wie folgt: C + 2H₂O ↔ CO₂ + 4H⁺ + 4e^-; E_o = 0,207 V (4) C + H₂O ↔ 2H⁺ + 2e^-; E_o = 0,518 V (5)
Die OER aus Wasserelektrolyse kann im Vergleich zu Kohlenstoffoxidation thermodynamisch unvorteilhaft sein. Es kann jedoch kinetisch bevorzugt sein, dass Wasserstoffelektrolyse vor Kohlenstoffoxidation erfolgt, um Kohlenstoffkorrosion zu reduzieren. Während Spannungsumkehr ist es erwünscht, die Reaktion durch Wasserelektrolyse zu unterstützen. Wenn Wasserelektrolyse nicht länger unterstützt werden kann (z. B. Mangel an Wasser), dann wird Strom durch Kohlenstoffkorrosion unterstützt. Um Wasserelektrolyse zu ermöglichen, kann ein umkehrtoleranter Zusatzstoff (RTA) in den Anodenkatalysator 306 eingebracht werden. Beispielsweise kann IrO₂ oder Ru02 zu dem Anodenkatalysator 306 hinzugefügt werden. Der RTA fördert Wasserelektrolyse und kann Kohlenstoffkorrosion reduzieren.
Die vorstehenden Strategien versuchen, Verschlechterung der Brennstoffzelle aufgrund von Spannungsumkehrungen zu minimieren. Die vorstehenden Ansätze versuchen im Allgemeinen, eine Reaktion zu veranlassen, fortgesetzt zu werden, was den Stromfluss durch die Membran der Brennstoffzelle unterstützt. Eine bevorzugte Strategie kann darin liegen, einen Leistungshalbleiterschalter in individuelle Brennstoffzellen zu implementieren, um diese Anodenzellenumkehr zu begrenzen, um Kohlenstoffkorrosion der Anodenkatalysatorunterstützung zu minimieren oder zu eliminieren. Eine solche Strategie kann die Nutzungsdauer des Brennstoffzellenstacks verlängern.
Ein Halbleiterschalter kann dazu konfiguriert sein, Strom als Reaktion auf eine Spannungsumkehr über der Brennstoffzelle 300 zu leiten. Der Halbleiterschalter kann eingeschaltet werden, um Stromfluss über die Brennstoffzelle 300 zu unterstützen. Durch Fließen von Strom durch den Halbleiterschalter können die chemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle 300 reduziert werden. Daraus resultierend sind Kohlenstoffkorrosionsreaktionen nicht erforderlich, um Stromfluss über die betroffene Brennstoffzelle zu unterstützen. Der Halbleiterschalter kann Lastanschlüsse beinhalten, die entsprechend mit einer der Bipolarplatten elektrisch gekoppelt sind. Der Halbleiterschalter kann einen Gate-Anschluss beinhalten, um den Halbleiterschalter zu veranlassen, zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht-leitenden Zustand überzugehen. Der Betrieb des Halbleiterschalters beinhaltet ein Vorspannen des Gate-Anschlusses (z. B. Anlegen einer Spannung oder eines Stroms mit einer festgelegten Polarität), um den Halbleiterschalter zu veranlassen, Strom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten oder zu blockieren. Die Vorspannung kann in Bezug auf einen der Lastanschlüsse erfolgen. Beispielsweise kann eine Spannung zum Vorspannen des Gates eine Spannung zwischen dem Gate-Anschluss und einem der Lastanschlüsse sein. Die Spannungs- oder Stromniveaus zum Vorspannen des Gates können von der spezifischen Art von Halbleiterschalter, der ausgewählt wird, abhängig sein.
Der Leistungshalbleiterschalter kann ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET) und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) beinhalten. Beispielweise kann der Halbleiterschalter ein MOSFET-basierter Transistor sein. Die Halbleiterschaltvorrichtung kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf eine Umkehrspannung von 0,1 V zu leiten, und eine Spannungsdichte von 50 A/cm² aufweisen Die Halbleiterschaltvorrichtung kann dazu konfiguriert ist, einen Spannungsabfall an den Lastanschlüssen von nicht mehr als 0,1 Volt aufzuweisen, wenn die Halbleiterschaltvorrichtung Strom zwischen den Lastanschlüssen leitet. Eine repräsentative Vorrichtung kann ein LX2410, produziert von der Microsemi Corporation, sein. Die Vorrichtung kann als eine Stromumleitungsvorrichtung (CBD) konfiguriert sein, um 100 A bis 800 A Strom durch paralleles Verbinden der Vorrichtungen zu leiten. In anderen Konfigurationen kann die Vorrichtung so bemessen sein, dass sie ein gewünschtes Niveau von Strom handhaben kann. Beispielsweise kann es eine CBD mit Abmessungen von 60 mm x 60 mm x 1 mm erlauben, über 800 A Strom durchzulassen, wenn eine Spannungsumkehr vorliegt.
Beim Brennstoffzellenspannungsumkehr kann die CBD sofort schalten und den Strom, der durch den Brennstoffzellenstack fließt, durchlassen, bis sich die Zelle auf normale Betriebsspannungsniveaus erholt hat. Das CBD-System kann umkehrbar arbeiten, ohne Kohlenstoffkorrosion in den Brennstoffzellen zu verursachen. Das heißt, die CBD kann wiederholt betrieben werden, ohne zu Kohlenstoffkorrosion in der Brennstoffzelle beizutragen.
4 stellt ein Schaltschema für einen möglichen Halbleiterschalter dar, der für eine CBD 400 verwendet werden kann. Beispielsweise kann ein IGBT 402 so in einer Schaltung angeordnet sein, dass ein Emitteranschluss mit der Kathode der Brennstoffzelle verbunden werden kann und ein Kollektoranschluss mit der Anode der Brennstoffzelle verbunden werden kann. Eine Umleitungsdiode 404 kann über den Emitteranschluss und den Kollektoranschluss gekoppelt sein. Eine Treiberschaltung 406, die das Gate des IGBT 402 antreibt, kann umgesetzt sein. Die Treiberschaltung 406 kann dazu konfiguriert sein, auf Grundlage der relativen Spannung über dem IGBT 402 zu arbeiten. In anderen Konfigurationen kann die Treiberschaltung 406 über eine externe Quelle versorgt werden.
Beispielsweise kann die Treiberschaltung 406 Leistung von einem Niederspannungsbus und/oder einer Batterie empfangen. Wenn die Spannung an der Kathode die Spannung an der Anode übersteigt, kann die Brennstoffzelle normal arbeiten. Somit kann die Treiberschaltung 406 den IGBT 402 in einem ausgeschalteten oder nicht-leitenden Zustand halten. Das heißt, kein Strom darf durch den IGBT 402 fließen. Wenn die Kathodenspannung kleiner als die Anodenspannung wird, wie dies während einer Brennstoffzellenspannungsumkehr auftreten kann, kann die Treiberschaltung 406 den IGBT 402 in einem leitenden Zustand betreiben. Die Treiberschaltung 406 kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion darauf, dass ein Potential der Anode ein Potential der Kathode übersteigt, den Gate-Anschluss vorzuspannen, um zu veranlassen, dass Strom zwischen den Bipolarplatten durch den IGBT 402 geleitet wird. In dem leitenden Zustand kann Stromfluss von dem Quellenanschluss zu dem Drain-Anschluss (z. B. Lastanschlüsse) erlaubt sein. Die Treiberschaltung kann durch die Brennstoffzelle angetrieben sein und dazu konfiguriert sein, nur eine kleine Menge von Leistung für den Betrieb abzuziehen. Beispielsweise kann die Treiberschaltung 406 aus einem Widerstandsnetzwerk bestehen, das die Gate-Spannung so vorspannt, dass während einer Spannungsumkehr ausreichend Spannung an dem Gate des IGBT 402 vorhanden ist, um in den leitenden Zustand überzugehen. In einigen Konfigurationen kann ein n-Kanal-MOSFET anstelle des IGBT 402 eingesetzt werden, sodass ein Quellenanschluss des MOSFET mit der Anode verbunden werden kann und ein Drain-Anschluss des MOSFET mit der Kathode verbunden werden kann.
Die CBD 400 kann als eine einzelne Halbleitervorrichtung umgesetzt sein. Beispielsweise stellt 5 stellt eine mögliche Konfiguration einer einzelnen CBD 500 dar. Die integrierte CBD 500 kann ein Gehäuse 506 beinhalten, in dem die Halbleitervorrichtung sitzt. Beispielsweise kann die CBD 400, die in 5 dargestellt ist, als eine integrierte Schaltung umgesetzt sein und innerhalb des Gehäuses 506 angeordnet sein. Die integrierte CBD 500 kann einen leitenden Anodenanschluss 502 und einen leitenden Kathodenanschluss 504 beinhalten. Beispielsweise kann der leitende Anodenanschluss 502 mit dem Kollektoranschluss des IGBT 402 elektrisch gekoppelt sein und der leitende Kathodenanschluss 504 kann der Emitteranschluss des IGBT 402 sein.
Die maximale Stromführungskapazität des CBD kann von einem Nennstrom des Brennstoffzellenstacks abhängig sein. Das maximale Stromvermögen des CBD kann zumindest der Nennbetriebsstrom des Brennstoffzellenstacks sein. Die CBD kann so gestaltet sein, dass eine einzelne integrierte Schaltung die CBD-Funktion umsetzt. Wenn die Stromführungskapazität zunimmt, kann die Größe der einzelnen integrierten Schaltung entsprechend zunehmen, um den Stromfluss zu unterstützen. In anderen Konfigurationen können die CBD-Vorrichtungen parallel gekoppelt sein, um die Stromführungskapazität zu unterstützen. Jede CBD-Vorrichtung kann dazu konfiguriert sein, einen Teil des fließenden Stroms zu führen. Eine derartige Ausgestaltung kann es ermöglichen, dass CBD mit niedrigerem Nennstrom verwendet werden können. Parallele CBD können es bestehenden CBD auch ermöglichen, kombiniert zu werden, um die gewünschte Stromkapazität zu erreichen. Die Stromkapazität kann selektiv für jede Brennstoffzellenstack-Anwendung durch Hinzufügen oder Entfernen von CBD konfiguriert werden.
6 zeigt ein Beispiel einer parallelen CBD 600. Die parallele CBD 600 kann eine erste CBD 602 und eine zweite CBD 604 beinhalten. Die erste CBD 602 und die zweite CBD 604 können so sein, wie in Bezug auf 6 beschrieben. Ein Anodenverbinder 606 kann dazu konfiguriert sein, die Anodenanschlüsse der ersten CBD 602 und der zweiten CBD 604 elektrisch zu koppeln. Ein Kathodenverbinder 608 kann dazu konfiguriert sein, die Kathodenanschlüsse der ersten CBD 602 und der zweiten CBD 604 elektrisch zu koppeln. Der Anodenverbinder 606 und der Kathodenverbinder 608 können aus einem leitenden Material wie etwa Kupfer konstruiert sein. Wie dargestellt, kann der Kathodenverbinder 608 ferner um die zweite CBD 604 verlaufen, um eine leitende Oberfläche zu bilden. Es ist zu beachten, dass in 6 zusätzliche CBD parallel auf eine ähnliche Weise hinzugefügt werden können. Das heißt, der Anodenverbinder 606 und der Kathodenverbinder 608 können so angepasst sein, dass zusätzliche CBD parallel hinzugefügt werden. Es können zusätzliche CBD hinzugefügt werden, um die Stromführungskapazität zu erhöhen.
Der Anodenverbinder 606 und der Kathodenverbinder 608 können dazu konfiguriert sein, die einzelnen CBD zusammen als eine Einheit zu sichern. Beispielsweise können der Anodenverbinder und/oder der Kathodenverbinder 608 als Clips konfiguriert sein, die eine Haltekraft für die CBD bereitstellen. In anderen Konfigurationen kann ein zusätzlicher nichtleitender Clip verwendet werden, um eine Haltekraft bereitzustellen, um die CBD in Position zu halten. In anderen Konfigurationen können die CBD unter Verwendung eines Epoxids als eine Einheit gesichert sein.
7 stellt eine Brennstoffzelle 700 dar, die mit der CBD 600 aus 6 integriert ist. Die Brennstoffzelle 700 kann ähnlich der aus 3 konstruiert sein. Die Brennstoffzelle 700 kann eine Protonenaustauschmembran (PEM) 702 beinhalten. An einer ersten Seite der PEM 702 kann eine Schicht von Anodenkatalysator 706 vorhanden sein. Neben der Schicht von Anodenkatalysator 706 kann sich eine Anodengasdiffusionsschicht 712 befinden. An einer zweiten Seite der PEM 702 kann eine Schicht von Kathodenkatalysator 704 vorhanden sein. Neben der Schicht von Kathodenkatalysator 704 kann sich eine Kathodengasdiffusionsschicht 718 befinden. Die PEM 702 kann zwischen der Anodenkatalysatorschicht 706 und der Kathodenkatalysatorschicht 704 angeordnet sein.
Neben der Anodengasdiffusionsschicht 712 kann sich eine Anodenbipolarplatte 708 befinden. Neben der Kathodengasdiffusionsschicht 718 kann sich eine Kathodenbipolarplatte 720 befinden. Die Anodenbipolarplatte 708 und die Kathodenbipolarplatte 720 können Merkmale beinhalten, wie in Bezug auf 3 beschrieben. In der gezeigten Konfiguration ist die CBD sandwichartig zwischen der Anodenbipolarplatte 708 und der Kathodenbipolarplatte 720 eingebracht.
Die CBD 600 kann zwischen der Anodenbipolarplatte 708 und der Kathodenbipolarplatte 720 angeordnet sein. Die CBD 600 kann so installiert sein, dass der Anodenverbinder 606 mit der Anodenbipolarplatte 708 in elektrischem Kontakt steht und der Kathodenverbinder 608 mit der Kathodenbipolarplatte 720 in elektrischem Kontakt steht. Andere Konfigurationen sind möglich, bei denen die Kathodenbipolarplatte 720 mit dem Kathodenverbinder 608 elektrisch verbunden ist und die Anodenbipolarplatte 708 mit dem Anodenverbinder 606 elektrisch verbunden ist.
Während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle 700 liegt die Kathodenbipolarplatte 720 bei einem größeren elektrischen Potential als die Anodenbipolarplatte 708. Unter dieser Bedingung ist die CBD 600 in einem nicht-leitenden Zustand und der Strom fließt nicht durch die Halbleiterschaltvorrichtung. Stromfluss durch die Brennstoffzelle 700 wird durch Fluss von Wasserstoffionen erreicht. Während Bedingungen, bei denen eine Spannungsumkehr in der Brennstoffzelle 700 vorhanden ist, liegt die Anodenbipolarplatte 708 bei einem größeren elektrischen Potential als die Kathodenbipolarplatte 720. Wie zuvor beschrieben, kann Kohlenstoffkorrosion der Brennstoffzelle 700 während dieser Bedingung auftreten. Als Reaktion darauf, dass das elektrische Potential der Anodenbipolarplatte 708 (Anodenpotential) größer als das elektrische Potential der Kathodenbipolarplatte 720 (Kathodenpotential) wird, geht die CBD 600 in einen leitenden Zustand über. In dem leitenden Zustand ermöglicht es die CBD 600, dass Strom von der Anodenbipolarplatte 708 zu der Kathodenbipolarplatte 720 durch die Halbleiterschaltvorrichtung fließt. Dies erlaubt es, dass Strom durch den Brennstoffzellenstack fließt, ohne zu Kohlenstoffkorrosion beizutragen. Wenn die Spannungsumkehr aufhört, wird die Halbleiterschaltvorrichtung dazu veranlasst, in einem nicht-leitenden Zustand zu arbeiten, sodass dass kein Strom dort hindurch strömt.
8 stellt ein Diagramm eines Brennstoffzellenstacks 800 dar, der aus N Brennstoffzellen 700 besteht, die CBD 600 beinhalten. Der Brennstoffzellenstack 800 kann durch Koppeln von N Brennstoffzellen 700 in Reihe konstruiert sein. Beispielsweise kann die Anodenseite von jeder Brennstoffzelle 700 mit der Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle elektrisch gekoppelt sein. Die Kathodenseite von jeder Brennstoffzelle 700 kann mit der Anodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle an der gegenüberliegenden Seite elektrisch gekoppelt sein. Auf diese Weise kann der Brennstoffzellenstack 800 einen Spannungsausgang erzeugen, der die Summe der einzelnen Brennstoffzellenspannungen ist. Es ist zu beachten, dass andere Konfigurationen möglich sind. Beispielsweise können zusätzliche Brennstoffzellen parallel zu jeder der einzelnen Brennstoffzellen hinzugefügt werden.
Während des Betriebs werden die Brennstoffzellen 700 betrieben und erzeugen eine Spannung. Eine elektrische Last zieht Strom aus dem Brennstoffzellenstack 800 wie erforderlich ab. Strom kann durch den Brennstoffzellenstack 800 laufen. Unter normalen Betriebsbedingungen ist bei jeder der Brennstoffzellen 700 das elektrische Kathodenpotential größer als das elektrische Anodenpotential. Stromfluss durch die Brennstoffzellen 700 wird durch den Fluss von Wasserstoffionen innerhalb der Brennstoffzellen 700 unterstützt. Wenn eine oder mehrere der Zellen eine Spannungsumkehr erfahren, können sich die chemischen Reaktionen innerhalb dieser Zellen ändern, was zu potentieller Kohlenstoffkorrosion führt. Durch Integrieren der CBD 600 innerhalb von jeder der Brennstoffzellen 700 kann der Stromfluss durch elektrische Mittel während der Spannungsumkehr aufrechterhalten werden. Die CBD 600 ermöglicht es dem Stromfluss, die Brennstoffzelle, die eine Spannungsumkehr erfährt, zu umgehen. Das heißt, die CBD 600 stellt einen Weg für Elektronen bereit, um während der Spannungsumkehrbedingung durch die Halbleiterschaltvorrichtung zu strömen. Dies ermöglicht es Strom, um die betroffene Brennstoffzelle zu fließen und den Stromfluss aufrecht zu erhalten, ohne die Brennstoffzelle zu verschlechtern. Die CBD 600 stellt effektiv einen Stromweg über die Brennstoffzelle während einer Spannungsumkehrbedingung bereit.
Der Betrieb der Brennstoffzelle 700 auf diese Weise reduziert Verschlechterung, die während dieser Bedingungen auftreten kann. Wenn die Betriebsbedingungen zu normal zurückkehren, geht die CBD 600 zurück in den nicht-leitenden Zustand und die Brennstoffzelle 700 kann wieder normal arbeiten.
Die Stromumleitungsvorrichtung verhindert effektiv Kohlenstoffkorrosion in Brennstoffzellen. Die Stromumleitungsvorrichtung stellt eine Lösung für Spannungsumkehr bereit, die Haltbarkeit und Nutzungsdauer der Brennstoffzelle verbessern kann. Zusätzlich kann Kohlenstoffkorrosion minimiert werden, indem Stromfluss bei Einsetzen der Spannungsumkehr erlaubt wird.
Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zugeführt werden/davon umgesetzt werden, die bzw. der eine beliebige bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit beinhalten kann. Gleichermaßen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert sein, die durch eine Steuerung oder einen Computer in vielen Formen, einschließlich unter anderem Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie etwa ROM-Vorrichtungen gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Vorrichtungen und sonstigen magnetischen und optischen Medien gespeichert sind, ausgeführt werden können. Die Prozesse, Verfahren und Algorithmen können zudem in einem durch Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten, wie etwa anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbarer Gate-Arrays (FPGA), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten, ausgeführt sein.
Wenngleich vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Schutzansprüche eingeschlossen sind. Bei den in der Beschreibung verwendeten Ausdrücken handelt es sich um beschreibende und nicht um einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere gebrauchsmustergemäße Ausführungsformen zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben sein können, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängen. Zu diesen Attributen können unter anderem Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage etc. gehören. Demnach liegen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
Gemäß dem vorliegenden Gebrauchsmuster ist eine Brennstoffzelle bereitgestellt, aufweisend eine Anode und eine Kathode, die jeweils eine entsprechende Bipolarplatte aufweisen; und zumindest einen Halbleiterschalter mit einem Gate-Anschluss und Lastanschlüssen, die entsprechend mit einer der Bipolarplatten gekoppelt sind; und eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass ein Potential der Anode ein Potential der Kathode übersteigt, den Gate-Anschluss vorzuspannen, um zu veranlassen, dass Strom zwischen den Bipolarplatten durch den Halbleiterschalter geleitet wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Halbleiterschalter ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT).
Gemäß einer Ausführungsform ist der Halbleiterschalter ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET).
Gemäß einer Ausführungsform besteht der zumindest eine Halbleiterschalter aus einer Vielzahl von Halbleiterschaltvorrichtungen, die parallel gekoppelt sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zumindest eine Halbleiterschalter dazu konfiguriert, eine Spannungsdichte von zumindest 50 A/cm² in einem leitenden Zustand aufzuweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zumindest eine Halbleiterschalter dazu konfiguriert ist, einen Spannungsabfall an den Lastanschlüssen von nicht mehr als 0,1 Volt aufzuweisen, wenn der Gate-Anschluss vorgespannt ist, um zu veranlassen, dass Strom zwischen den Lastanschlüssen geleitet wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Schaltung durch eine Spannung über die Bipolarplatten vorsorgt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltung ferner dazu konfiguriert, den Gate-Anschluss vorzuspannen, um zu veranlassen, dass Stromfluss durch den Halbleiterschalter als Reaktion darauf blockiert wird, dass das Potential der Kathode das Potential der Anode übersteigt.
Gemäß dem vorliegenden Gebrauchsmuster ist ein Brennstoffzellenstack bereitgestellt, aufweisend eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die jeweils eine Anodenbipolarplatte, eine Kathodenbipolarplatte, zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung und eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass ein Anodenpotential größer als ein Kathodenpotential wird, ein Gate der Halbleiterschaltvorrichtung vorzuspannen, um Strom von der Anodenbipolarplatte zu der Kathodenbipolarplatte durch zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung zu leiten, aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung dazu konfiguriert, ein maximales Stromvermögen aufzuweisen, das zumindest ein Nennbetriebsstrom des Brennstoffzellenstacks ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltung ferner dazu konfiguriert, als Reaktion darauf, dass das Kathodenpotential größer als das Anodenpotential wird, das Gate der zumindest einen Halbleiterschaltvorrichtung vorzuspannen, um Stromfluss durch die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung zu blockieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT).
Gemäß einer Ausführungsform ist die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung ein MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET).
Gemäß einer Ausführungsform besteht die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung aus einer Vielzahl von Halbleiterschaltvorrichtungen, die parallel gekoppelt sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltung ferner dazu konfiguriert, durch eine Spannung über die Anodenbipolarplatte und die Kathodenbipolarplatte versorgt zu werden.
Gemäß dem vorliegenden Gebrauchsmuster ist ein Fahrzeug bereitgestellt, aufweisend einen Brennstoffzellenstack, beinhaltend eine Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen zumindest einen Halbleiterschalter und eine Schaltung beinhaltet, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass ein Potential einer Anode größer als ein Potential einer Kathode wird, ein Gate des zumindest einen Halbleiterschalters vorzuspannen, um in einen leitenden Zustand einzutreten, um Strom von der Anode zu der Kathode der entsprechenden Brennstoffzelle zu leiten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltung ferner dazu konfiguriert, als Reaktion darauf, dass das Potential der Kathode größer als das Potential der Anode wird, das Gate des zumindest einen Halbleiterschalters vorzuspannen, um in einen nicht-leitenden Zustand einzutreten, um Stromfluss durch den zumindest einen Halbleiterschalter zu blockieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zumindest eine Halbleiterschalter dazu konfiguriert, ein maximales Stromvermögen aufzuweisen, das zumindest ein Nennbetriebsstrom des Brennstoffzellenstacks ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltung ferner dazu konfiguriert, durch eine Spannung über die Anode und die Kathode der entsprechenden Brennstoffzelle versorgt zu werden.
Gemäß einer Ausführungsform besteht der zumindest eine Halbleiterschalter aus einer Vielzahl von Halbleiterschaltern, die parallel angeordnet sind.

Claims

Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch: eine Anode und eine Kathode, die jeweils eine entsprechende Bipolarplatte aufweisen; und zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung mit einem Gate-Anschluss und Lastanschlüssen, die entsprechend mit einer der Bipolarplatten elektrisch gekoppelt sind; und eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass ein Potential der Anode ein Potential der Kathode übersteigt, den Gate-Anschluss vorzuspannen, um zu veranlassen, dass Strom zwischen den Bipolarplatten durch die Halbleiterschaltvorrichtung geleitet wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung dazu konfiguriert ist, eine Spannungsdichte von zumindest 50 A/cm² in einem leitenden Zustand aufzuweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung dazu konfiguriert ist, einen Spannungsabfall an den Lastanschlüssen von nicht mehr als 0,1 Volt aufzuweisen, wenn der Gate-Anschluss vorgespannt ist, um zu veranlassen, dass Strom zwischen den Lastanschlüssen geleitet wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Schaltung ferner dazu konfiguriert ist, den Gate-Anschluss vorzuspannen, um zu veranlassen, dass Stromfluss durch den Halbleiterschalter als Reaktion darauf blockiert wird, dass das Potential der Kathode das Potential der Anode übersteigt.
Brennstoffzellenstack, gekennzeichnet durch: eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die jeweils eine Anodenbipolarplatte, eine Kathodenbipolarplatte, zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung und eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass ein Anodenpotential größer als ein Kathodenpotential wird, ein Gate der Halbleiterschaltvorrichtung vorzuspannen, um Strom von der Anodenbipolarplatte zu der Kathodenbipolarplatte durch zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung zu leiten, aufweisen.
Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5, wobei die Schaltung ferner dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass das Kathodenpotential größer als das Anodenpotential wird, das Gate der zumindest einen Halbleiterschaltvorrichtung vorzuspannen, um Stromfluss durch die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung zu blockieren.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5, wobei die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5, wobei die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5, wobei die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung aus einer Vielzahl von Halbleiterschaltvorrichtungen, die parallel gekoppelt sind, besteht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5, wobei die Schaltung ferner dazu konfiguriert ist, durch eine Spannung über die Anodenbipolarplatte und die Kathodenbipolarplatte versorgt zu werden.
Fahrzeug, gekennzeichnet durch: einen Brennstoffzellenstack, beinhaltend eine Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung und eine Schaltung beinhaltet, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass ein Potential einer Anode größer als ein Potential einer Kathode wird, ein Gate der zumindest einen Halbleiterschaltvorrichtung vorzuspannen, um in einen leitenden Zustand einzutreten, um Strom von der Anode zu der Kathode der entsprechenden Brennstoffzelle zu leiten.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die Schaltung ferner dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass das Potential der Kathode größer als das Potential der Anode wird, das Gate der zumindest einen Halbleiterschaltvorrichtung vorzuspannen, um in einen nicht-leitenden Zustand einzutreten, um Stromfluss durch die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung zu blockieren.
Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5 oder Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung dazu konfiguriert ist, ein maximales Stromvermögen aufzuweisen, das zumindest ein Nennbetriebsstrom des Brennstoffzellenstacks ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die Schaltung ferner dazu konfiguriert ist, durch eine Spannung über die Anode und die Kathode der entsprechenden Brennstoffzelle versorgt zu werden.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die zumindest eine Halbleiterschaltvorrichtung aus einer Vielzahl von Halbleiterschaltern, die parallel angeordnet sind, besteht.