DE102015201175A1

DE102015201175A1 - Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102015201175A1
Application number: DE102015201175.5A
Authority: DE
Inventors: Marcus Menzel; Matthew Hortop; Johannes Müller
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (10) umfassend zwei gestapelte Bipolarplatten (11, 11‘) mit jeweils zumindest einem aktiven Bereich (20) und zumindest einem inaktiven Bereich (21) sowie ein Brennstoffzellenstapel (100) mit einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen. Es ist vorgesehen, dass zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten (11, 11‘) in einem Abschnitt (19) des inaktiven Bereichs (21) ein PTC-Widerstandselement (15) derart angeordnet ist, dass dieses in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (10) die beiden Bipolarplatten (11, 11‘) elektrisch leitend miteinander verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle umfassend zwei gestapelte Bipolarplatten mit jeweils mindestens einem aktiven und inaktiven Bereich. Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren.
Im Betrieb einer Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, 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 über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels.
Im Betrieb der Brennstoffzelle liegt auf Anodenseite der Brennstoffzelle ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff (H₂/N₂) vor und auf der Kathodenseite von Sauerstoff und Stickstoff (O₂/N₂). Beim Herunterfahren des Systems reagiert der restliche Sauerstoff ab, sodass anfänglich auf der Kathodenseite im Wesentlichen eine Stickstoffatmosphäre verbleibt. Nach dem Abschalten kommt es nach einer gewissen Standzeit jedoch zu einem Eindringen von Luftsauerstoff aus der Umgebung und von Wasserstoff aus den Anodenräumen über die Membran in die Kathodenräume des Stapels, sodass auf der Kathodenseite eine Atmosphäre aus N₂, O₂ und H₂ vorliegt. Diese bildet beim Wiederstart eine H₂/O₂-Front entlang des Strömungsfelds der Kathodenseite, die aufgrund der entstehenden elektrischen Potentiale zu einer erheblichen Alterung der Brennstoffzelle infolge Kohlenstoffkorrosion des Katalysatorträgermaterials sowie der GDL führt. Zudem verursacht der Sauerstoff eine Oxidbildung des katalytischen Materials der Elektroden.
Um diese Effekte zu verhindern wird angestrebt, den Stapel beim Herunterfahren möglichst ohne Sauerstoff in den Kathodenräumen abzustellen und von der Umwelt zu trennen, um die schützende Atmosphäre aus Wasserstoff, Stickstoff möglichst lange auf Anoden- als auch auf Kathodenseite zu konservieren. Dieses gelingt zumeist aber nicht dauerhaft.
Um zu verhindern, dass die entstehenden elektrischen Potentiale den Brennstoffzellenstapel schädigen, ist zudem bekannt, die Endplatten des Brennstoffzellenstapels nach dem Abschalten kurzzuschließen und somit einen äußeren Ausgleichsstrom zu ermöglichen. Dies kann allerdings nicht verhindern, dass sich innerhalb des Stapels in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung der einzelnen Elektrodenräume interne Potentiale ausbilden oder einzelne Zellen umgepolt werden.
Ein Ansatz zum Potentialausgleich ist aus US 20100035090 A1 bekannt. Dort ist offenbart, PTC(positive temperature coefficient)-Widerstände in eine Einzelzellspannungsüberwachung zu integrieren. Nachteilig sind dabei unter anderem eine zusätzlich erforderliche Komponente sowie ein damit verbundener hoher Verkabelungsaufwand der einzelnen Zellen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Probleme des Stands der Technik zu lösen oder zumindest zu reduzieren. Insbesondere soll ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden, der einen Potentialausgleich der einzelnen Brennstoffzellen in den Betriebspausen der Brennstoffzelle ermöglicht, ohne zusätzliche Systeme, wie Einzelzellüberwachung oder eine externe Steuerung zu erfordern.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle umfassend zwei gestapelte Bipolarplatten mit jeweils mindestens einem aktiven und mindestens einem inaktiven Bereich mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen den zwei benachbarten Bipolarplatten in einem Abschnitt des inaktiven Bereichs ein PTC-Widerstandselement derart angeordnet ist, dass dieses in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle die beiden Bipolarplatten elektrisch leitend miteinander verbindet. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle liegt darin, dass im Stand der Brennstoffzelle, also außerhalb des Betriebs der Brennstoffzelle über das PTC-Widerstandselement Ausgleichsströme zwischen den Bipolarplatten fließen können. Somit ist gewährleistet, dass elektrische Potentiale, welche sich im Stand der Brennstoffzelle durch Diffusion, insbesondere von Luft in die Elektrodenräume der Brennstoffzelle, bilden können, über die Ausgleichsströme abgebaut werden und somit die Brennstoffzelle auf Dauer nicht schädigen. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, auf eine Einzelzellspannungsüberwachung zu verzichten. Somit ist eine mit der Einzelzellspannungsüberwachung verbundene Verdrahtung und Verschaltung der Brennstoffzellen ebenfalls nicht mehr notwendig. Ein weiterer entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist, dass sich das Brennstoffzellensystem autark regelt und keine Regelung oder Steuerung von außen notwendig ist.
Mit anderen Worten wird in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle eine elektrisch leitende Verbindung in jeder Einzelzelle hergestellt, die reversibel und insbesondere passiv ist. Dabei ist in einem ersten Zustand bei einer Temperatur der Brennstoffzelle oberhalb einer ersten Grenztemperatur das PTC-Element im Wesentlichen nicht oder sehr gering leitend. Unterhalb einer zweiten Grenztemperatur, die identisch oder verschieden von der ersten Grenztemperatur ist, befindet sich das PTC-Element in einem zweiten Zustand, in dem es eine höhere elektrische Leitfähigkeit als im ersten Zustand besitzt. Die erste Grenztemperatur ist eine Temperatur, die vorzugsweise höchstens der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle entspricht.
Bei dem aktiven Bereich der Bipolarplatten handelt es sich um den Bereich, in dem die Brennstoffzellenreaktion stattfindet. Zu diesem Zweck grenzt innerhalb des Stapels eine Elektrode beziehungsweise Membran-Elektroden-Einheit an den aktiven Bereich an. Der zumindest eine inaktive Bereich wird durch den verbleibenden Rest der Bipolarplatte ausgebildet. Das heißt, vorliegend ist unter inaktivem Bereich die gesamte Bipolarplatte abzüglich des aktiven Bereichs zu verstehen, inklusive zumindest eines Verteilerbereichs.
Die autarke Regelung der leitenden Verbindung findet in Abhängigkeit der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle statt. Beim Herunterfahren der Brennstoffzelle sinkt die Betriebstemperatur zwangsläufig ab. Im Zuge dessen wird der PTC-Widerstand niederohmig, sein elektrischer Widerstand nimmt ab und seine elektrische Leitfähigkeit nimmt zu und ermöglicht somit einen Fluss von Ausgleichsströmen zwischen den Bipolarplatten. Zu diesem Zweck steht das PTC-Widerstandselement zumindest indirekt mit den benachbarten Bipolarplatten in leitendem Kontakt.
PTC-Widerstände (positive temperature coefficient) sind sogenannte Kaltleiterelemente. Hierbei handelt es sich um stromleitende Materialien, die bei tieferen Temperaturen den Strom besser leiten können als bei hohen. Der elektrische Widerstand vergrößert sich bei steigender Temperatur. Diese Art von Widerständen, die zur Gruppe der Thermistoren gehört, besitzt somit einen positiven Temperaturkoeffizienten. Prinzipiell haben alle Metalle einen positiven Temperaturkoeffizienten, sind also Kaltleiter. Im Unterschied zu den hier verwendeten Bauelementen ist der Temperaturkoeffizient von Metallen jedoch wesentlich kleiner und weitestgehend linear, ähnlich wie bei den wegen ihrer Linearität als Temperatursensoren eingesetzten Pt 100.
Vorzugsweise ist der PTC-Widerstand aus einer halbleitenden, polykristallinen Keramik gefertigt (zum Beispiel Bariumtitanat), die in einem bestimmten Temperaturbereich eine Sperrschicht an den Korngrenzen aufbaut. Ebenfalls bevorzugt sind PTC-Widerstände auf Basis von dotiertem Silicium, da diese sich durch eine besonders geringe Baugröße, eine geringe Einstellzeit, enge Toleranzen und gute Langzeitstabilitäten auszeichnen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Abschnitt des inaktiven Bereichs durch ein die Bipolarplatten verbindendes Dichtmaterial umlaufend begrenzt oder ausgefüllt. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass das PTC-Widerstandselement von den Betriebsmedien der Brennstoffzelle isoliert ist. Das verbindende Dichtmaterial ist dazu derart ausgebildet, dass der Abschnitt gasdicht und insbesondere wasserdicht abgeschlossen ist. Zu diesem Zweck ist das Dichtmaterial umlaufend, also den Abschnitt des inaktiven Bereichs begrenzend, um den Abschnitt angeordnet. Alternativ ist das PTC-Widerstandselement in dem Dichtmaterial eingebettet, was vorzugsweise durch Vergießen des PTC-Widerstandselements mit dem Dichtmaterial erfolgt. Bevorzugt stellt das Dichtmaterial umlaufend um das PTC-Widerstandselement eine dichtende Verbindung zwischen den beiden Bipolarplatten her. Das verbindende Dichtmaterial umfasst insbesondere ein Polymer, wie beispielsweise ein Elastomer, einen Duroplasten oder ein thermoplastisches Elastomer. Dabei zeichnen sich Elastomere, wie beispielsweise Silikone, und thermoplastische Elastomere dadurch aus, dass sie auch nach Aushärten des Materials eine gewisse Elastizität beibehalten und somit im Betrieb der Brennstoffzelle toleranter gegenüber physischen Veränderungen wie Temperatur, Druck und Stoß sind. Duroplasten, insbesondere Harze eigenen sich zur Ausgestaltung als Dichtmaterial, da sie besonders langzeitstabil sind und gegenüber den Reaktantengasen und insbesondere Wasser eine hohe Dichtigkeit aufweisen. Duroplasten, insbesondere Harze, werden vorzugsweise zum Verguss des PTC-Widerstandselements verwendet.
Ferner ist bevorzugt, dass die Bipolarplatte im Bereich des Abschnitts des inaktiven Bereichs eine Aussparung und/oder eine Vertiefung aufweist, in der das PTC-Widerstandselement angeordnet ist. Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass zwischen den Bipolarplatten keine oder nur geringe zusätzliche Abstände oder Zwischenräume entstehen, die überbrückt, abgedichtet und/oder abgestützt werden müssten. Zudem wird der benötigte Bauraum, insbesondere die Höhe der Brennstoffzelle nicht vergrößert.
Aussparungen und Vertiefungen ist gemein, dass das Oberflächenniveau der Bipolarplatte im Bereich der Aussparungen oder Vertiefungen abgesenkt ist, insbesondere sich die Bipolarplatten in diesem Bereich nicht berühren. Im Unterschied zur Vertiefung weist die Aussparung dabei diskrete Kanten auf.
In einer Ausgestaltung steht das PTC-Widerstandselement in direktem Berührungskontakt mit einer oder beiden benachbarten Bipolarplatten und ist somit mit dieser elektrisch verbunden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das PTC-Widerstandselement über ein Kontaktelement mit zumindest einer der beiden Bipolarplatten elektrisch leitend verbunden ist. Dies ermöglicht eine zuverlässigere Anordnung und Kontaktierung bei der Verbauung des PTC-Widerstandselements, da Fertigungstoleranzen über das Kontaktelement ausgeglichen werden können. Zudem kann das PTC-Widerstandselement flacher ausgeführt werden als die Höhe des Abschnitts beziehungsweise als der maximale Abstand zwischen den Bipolarplatten innerhalb des Abschnitts, was wiederum die Freiheitsgrade in der Fertigung erhöht und den Materialaufwand in Bezug auf das PTC-Widerstandselement reduziert. Die Verwendung von Kontaktelementen verbessert zudem die elektrische Kontaktierung zwischen Bipolarplatte und PTC-Widerstandselement.
Mit Vorteil ist das PTC-Widerstandselement über ein erstes Kontaktelement mit einer ersten der beiden Bipolarplatten und über ein zweites Kontaktelement mit einer zweiten der beiden benachbarten Bipolarplatten elektrisch leitend verbunden, da dies zusätzliche Freiheitsgrade mit sich bringt. Die Kontaktelemente stehen hierbei nicht miteinander in Kontakt, sondern sind vielmehr durch das PTC-Widerstandselement voneinander getrennt.
Unter Kontaktelement wird ein Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit verstanden. Geeignete Materialien zur Verwendung als Kontaktelement sind beispielsweise Metalle sowie Metalllegierungen mit einer hohen Leitfähigkeit.
Ferner ist bevorzugt, dass das Kontaktelement als Draht, Feder, Plättchen oder Stäbchen ausgebildet ist. Insbesondere die Verwendung von Kontaktfedern führt mit Vorteil dazu, dass diese während des Verspannungsvorgangs des Brennstoffzellenstapels zusammengedrückt werden und somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Bipolarplatte und PTC-Widerstandselement auch bei variablen Abständen zwischen Bipolarplatte und PTC-Widerstandselement und höheren Fertigungstoleranzen sichergestellt ist.
Zwischen dem ersten Kontaktelement und der zweiten Bipolarplatte und/oder zwischen dem zweiten Kontaktelement und der ersten Bipolarplatte ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ein Isolator angeordnet. Auf diese Weise wird eine stabile mechanische Verbindung vorzugsweise zu beiden Bipolarplatten hergestellt. Der Isolator stellt zudem, insbesondere während des Betriebs der Bipolarplatte, sicher, dass kein dauerhafter Kurzschluss der beiden Bipolarplatten durch das leitfähige Kontaktelement besteht, durch welchen das PTC-Widerstandselement elektrisch über das Kontaktelement umgangen wird. Der Isolator findet vorzugsweise dann Verwendung, wenn das Kontaktelement als Plättchen oder als Stäbchen ausgeführt ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Brennstoffzellen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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 Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
2 eine Prinzipskizze möglicher Zustände von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel im Stand,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in Aufsicht in einer ersten Ausführungsform,
4 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines inaktiven Bereichs der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in der ersten Ausführungsform,
5 eine skizzierte Querschnittzeichnung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in der ersten Ausführungsform,
6 eine skizzierte Querschnittzeichnung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer zweiten Ausführungsform,
7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapel,
8 eine schematische Darstellung eines Querschnitts zweier Bipolarplatten in einer ersten alternativen Ausführungsform, und
9 eine schematische Explosionsdarstellung einer Bipolarplatte in einer zweiten alternativen Ausführungsform.
1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung einen Brennstoffzellenstapel 100. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst zwei Endplatten 112, zwischen denen eine Vielzahl gestapelter Stapelelemente angeordnet ist, welche Bipolarplatten 11 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 umfassen. Die Bipolarplatten 11 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 14 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 14 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode. An den Elektroden anliegend können die Membran-Elektroden-Einheiten 14 zudem Gasdiffusionsschichten (nicht dargestellt) aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 11 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 sind jeweils Dichtungselemente 22 angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach außen abdichten. Zwischen den Endplatten 112 ist der Brennstoffzellenstapel 100 mittels Zugelementen 111, zum Beispiel Zugstangen oder Spannblechen, verpresst.
In 1 sind von den Bipolarplatten 11 und den Membran-Elektroden-Einheiten 14 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptseiten der Bipolarplatten 11 und der Membran-Elektroden-Einheiten 14 liegen aneinander an. Die Darstellung in 1 ist nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 11 und einer Membran-Elektroden-Einheit 14, wenige mm, insbesondere maximal 2 mm, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 14 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.
In 2 ist eine Prinzipskizze möglicher Zustände von in einem Brennstoffzellenstapel 100 angeordneten Brennstoffzellen 10 im abgeschalteten Zustand gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist nach dem in 1 gezeigten Prinzip aufgebaut und umfasst somit abwechselnd gestapelte Brennstoffzellen 10, die an den Enden des Brennstoffzellenstapels 100 durch Endplatten 112 abgeschlossen sind. Die Endplatten 112 sind durch einen äußeren Stromkreis 2 elektrisch leitend verbunden. In diesem Fall kommt es zu einem Kurzschluss IV, in dem ein Strom direkt über die leitende Verbindung fließt.
Die Brennstoffzellen 10 weisen jeweils eine von je zwei Bipolarplatten 11 begrenzte Membran-Elektroden-Einheit 14 auf. Jede Membran-Elektroden-Einheit 14 umfasst eine Anode 12 und eine Kathode 13.
Die Elektrodenräume der Anoden 12 und Kathoden 13 können im dargestellten abgeschalteten Zustand unterschiedliche Gaszusammensetzungen aufweisen, die eine Potentialbildung durch Umpolung (siehe Zelle I) der Brennstoffzelle, oder die Ausbildung einer H₂/O₂-Front (Zelle II) zur Folge haben können.
Der gezeigte Brennstoffzellenstapel 100 weist eine externe Einzelzellüberwachung 1 auf. Diese weist in jeder Zelle 10 einen regelbaren Widerstand auf, der in Abhängigkeit der Messgrößen der Einzelzellüberwachung niederohmig oder hochohmig geschaltet werden kann. Dies hat die Funktion, in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels eine elektrische Leitung und somit einen Kurzschluss zwischen den Bipolarplatten 11 herbeizuführen und somit Ausgleichsströme zuzulassen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 11 in Aufsicht in einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Die Bipolarplatte 11 weist einen aktiven Bereich 20 und einen inaktiven Bereich 21 auf. Zur Generierung einer Brennstoffzellenreaktion wird im aktiven Bereich 20 eine Membran-Elektroden-Einheit angeordnet. Der inaktive Bereich 21 weist zwei Verteilerbereiche auf, die Hauptgaskanäle zur Versorgung des aktiven Bereichs 20 mit Reaktanten und Kühlmittel aufweisen. Zudem weist der inaktive Bereich 21 der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 11 einen Abschnitt 19 auf, in dem ein PTC-Widerstandselement 15 angeordnet ist.
Das PTC-Widerstandselement ist ein Kaltleiter, der bei Temperaturen oberhalb von 50°C derart hochohmig ist, dass die elektrische Leitfähigkeit vernachlässigt werden kann. Bei Temperaturen unterhalb von 50°C reduziert sich der Widerstand und das PTC-Widerstandselement 15 wird elektrisch leitend. Als PTC-Widerstandselement 15 werden beispielsweise halbleitende, polykristalline Keramiken eingesetzt (zum Beispiel Bariumtitanat), die in einem bestimmten Temperaturbereich eine Sperrschicht an den Korngrenzen aufbauen. Eine Alternative bilden PTC-Widerstandselemente auf Basis von dotiertem Silicium.
Der Abschnitt 19 verfügt ferner über ein Dichtmaterial 16, welches den Abschnitt 19 zumindest umlaufend umschließt. Das Dichtmaterial ist derart angeordnet, dass es im Brennstoffzellenstapel zwei benachbarte Bipolarplatten gasdicht miteinander verbindet. Alternativ füllt das Dichtmaterial 16 den Abschnitt 19 aus und bettet das PTC-Widerstandselement 15 ein. Geeignete Materialien sind Polymere, insbesondere Duroplasten wie Harze, aber auch Elastomere wie Silikone.
4, 5 und 6 zeigen jeweils eine schematische Darstellung des Abschnitts 19 des inaktiven Bereichs 21 der erfindungsgemäßen Bipolarplatte als Detailzeichnung der in 3 beschriebenen Ausführungsform. Dabei zeigen die 5 und 6 Querschnitte der jeweiligen Ausführungsform, während 4 eine perspektivische Darstellung der in 5 im Querschnitt gezeigten Ausführungsform zeigt.
In den gezeigten Ausführungsformen ist das Dichtelement 16 als eine das PTC-Widerstandselement 15 umlaufende Wandung ausgebildet. Das Dichtmaterial 16 steht hierbei nicht mit dem PTC-Widerstandselement 15 in Kontakt. Das Dichtmaterial 16 ist dabei derart angeordnet, dass es umlaufend keine Durchbrüche aufweist und somit umlaufend gas- und wasserdicht ausgebildet ist. Alternativ kann das Dichtmaterial 16 den Abschnitt 19 ganz oder teilweise ausfüllen und das PTC-Widerstandselement 15 einbetten.
Das PTC-Widerstandselement 15 ist in den gezeigten Ausgestaltungen über zwei Kontaktelemente 17, 17‘ mit jeweils einer benachbarten Bipolarplatte 11, 11‘ elektrisch leitend verbunden.
Die Kontaktelemente 17, 17‘ umfassen leitfähige Materialien, wie beispielsweise Metalle oder Metalllegierungen. Sie können als Plättchen, wie in 4 und 5 gezeigt, oder als Federn, wie in 6 gezeigt, ausgebildet sein.
In der in den 4 und 5 gezeigten Ausführung ist das PTC-Widerstandselement 15 über ein erstes, insbesondere streifenförmig ausgebildetes Kontaktelement 17 mit der ersten Bipolarplatte 11 verbunden und über ein zweites, gleichartig ausgebildetes Kontaktelement 17‘ mit der zweiten benachbarten Bipolarplatte 11 verbunden. Zwischen dem ersten Kontaktelement 17 und der zweiten Bipolarplatte 11‘ sowie zwischen dem zweiten Kontaktelement 17 und der ersten Bipolarplatte 11 ist jeweils ein Isolator 18 angeordnet. Dieser weist eine sehr niedrige elektrische Leitfähigkeit auf und ist beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt.
In 5 ist ferner erkennbar, dass der Abschnitt 19 und das PTC-Element 15 in Vertiefungen angeordnet sind, die in jeder der beiden Bipolarplatten 11, 11‘ vorhanden sind.
Über die in den 3 bis 6 gezeigten PTC-Widerstandselemente 15 sind jeweils zwei benachbarte Bipolarplatten 11, 11‘ temperaturabhängig elektrisch leitend miteinander verbunden. Da es sich bei den PTC-Widerstandselementen 15 um Kaltleiter handelt, ist die Verbindung zwischen den über das PTC-Widerstandselement 15 verbundenen Bipolarplatten 11, 11‘ dann elektrisch leitend, wenn die Temperatur am PTC-Widerstandselement 15 unter 30 sinkt, und somit unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegt. In diesem Zustand können also Ströme zwischen den ansonsten isolierten Bipolarplatten 11, 11‘ fließen und somit Potentiale, die sich infolge von veränderten Gaszuständen in den Brennstoffzellen ausbilden (siehe 2) passiv ausgeglichen werden.
Der erwähnte Potentialausgleich kann alternativ durch die in den 8 und 9 gezeigten Bipolarplatten erfolgen.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 100 in einer perspektivischen Ansicht. In Aufsicht auf den Brennstoffzellenstapel 100 ist eine Bipolarplatte 11 gezeigt, die einen aktiven Bereich 20 mit einem Flussfeld aufweist. Innerhalb des Flussfeldes sind beispielhafte Strömungen 121 von Reaktantengasen durch Pfeile angedeutet. Diese zeigen den Verlauf eines Reaktantengases, beispielsweise Luft, von einem Verteilerbereich 120, der einen Hauptgaskanal des entsprechenden Reaktanten aufweist, auf einer Seite des aktiven Bereichs 20 über den aktiven Bereich 20 hin zu einem zweiten Verteilerbereich 120 mit ebenfalls einem Hauptgaskanal für den Reaktanten. Innerhalb des Verteilerbereichs 120, insbesondere benachbart zum Hauptgaskanal, kann ein leitfähiges Element 125 angeordnet sein. 8 zeigt eine Detailzeichnung des leitfähigen Elements 125 in zwei Betriebszuständen der Brennstoffzelle.
In 8 gezeigt ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Bipolarplatte in einer ersten alternativen Ausführungsform. Gezeigt sind zwei im Brennstoffzellenstapel benachbarte Bipolarplatten 11. Zumindest eine der Bipolarplatten 11 weist eine Profilierung auf, die einen Strömungskanal 122 für das Reaktantengas ausbildet. Innerhalb des Strömungskanals bildet sich im Betrieb der Brennstoffzelle die Strömung 121 des Reaktantengases aus. Im Stand der Brennstoffzelle, also außerhalb des Betriebs weist der Strömungskanal 122 keine Strömung 121 auf. Zwischen Strömungskanal 122 und Bipolarplatte 11 ist im aktiven Bereich 20 eine Membran-Elektroden-Einheit 14 angeordnet. Im inaktiven Bereich 21 ist, im Strömungskanal das leitfähige Element 125 angeordnet.
Bei dem leitfähigen Element 125 handelt es sich um ein flexibles Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kohlenstoff, einem Metall, oder einer Metalllegierung. Das leitfähige Element 125 ist derart im Strömungskanal angeordnet, dass es mit einer Bipolarplatte 11, nämlich der aus Schwerkraftsicht (g) oben liegenden, elektrisch leitend fest verbunden ist, während sie mit der benachbarten Bipolarplatte 11 nur unter bestimmten Voraussetzungen eine elektrisch leitende Verbindung eingeht.
Fließt im Strömungskanal 122 eine Strömung 121 des Reaktantengases, so bildet sich nur zu einer Bipolarplatte 11 eine leitfähige Verbindung aus, da das leitfähige Element 125 _I durch die Strömung 121 einem Fähnchen gleich im Kanal gehalten wird. Versiegt die Strömung 121 fällt das leitfähige Element 125 _II an seinem nicht fest verbundenen Ende durch die Schwerkraft in Richtung der zweiten Bipolarplatte 11 und bildet somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Bipolarplatten 11 aus und ermöglicht somit einen Potentialausgleich unter Umgehung der Membran-Elektroden-Einheit.
Eine weitere Alternative für einen Potentialausgleich über die benachbarten Bipolarplatten 11 ist in 9 gezeigt. 9 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung zweier Bipolarplatten 11. Die Bipolarplatte 11 ist in Aufsicht gezeigt und weist im inaktiven Bereich 21 eine Öffnung zur Ausbildung eines Kanals 130 für ein leitfähiges Fluid auf. Der Kanal 130 führt durch den gesamten Brennstoffzellenstapel und ist auf jeder Bipolarplatte 11 durch ein Dichtmaterial 16 umlaufend begrenzt.
Durch den Kanal 130 wird im Stand der Brennstoffzelle ein leitfähiges Fluid, beispielsweise ein Fluid mit hohem ionischen Anteil, geführt, welches die Bipolarplatten 11 des Kanals 130 elektrisch leitfähig miteinander verbindet. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird das Fluid wieder abgelassen. Somit können außerhalb des Betriebs der Brennstoffzelle Ausgleichsströme zum Potentialausgleich direkt zwischen den Bipolarplatten 11 fließen.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzellspannungsüberwachung
2: äußerer Stromkreis
10: Brennstoffzelle
11, 11‘: Bipolarplatte
12: Anode
13: Kathode
14: Membran-Elektroden-Einheit
15: PTC-Widerstandselement
16: Dichtmaterial
17, 17‘: Kontaktelement
18: Isolator
19: Abschnitt des inaktiven Bereichs
20: aktiver Bereich
21: inaktiver Bereich
22: Dichtungselement
100: Brennstoffzellenstapel
111: Spannelement
112: Endplatte
120: Verteilerbereich
121: Strömung
122: Strömungskanal
123: Subgasket
125_I: leitfähiges Element im Betrieb der Brennstoffzelle
125_II: leitfähiges Element im Stand
130: Kanal für leitfähiges Fluid

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20100035090 A1 [0008]

Claims

Brennstoffzelle (10) umfassend zwei gestapelte Bipolarplatten (11, 11‘) mit jeweils mindestens einem aktiven Bereich (20) und mindestens einem inaktiven Bereich (21), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten (11, 11‘) in einem Abschnitt (19) des inaktiven Bereichs (21) ein PTC-Widerstandselement (15) derart angeordnet ist, dass dieses in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (10) die beiden Bipolarplatten (11, 11‘) elektrisch leitend miteinander verbindet.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (19) des inaktiven Bereichs (21) durch ein die Bipolarplatten (11, 11‘) verbindendes Dichtmaterial (16) umlaufend begrenzt ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Widerstandselement (15) in einem die Bipolarplatten (11, 11‘) verbindendes Dichtmaterial eingebettet ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (11, 11‘) im Bereich des Abschnitts (19) eine Aussparung und/oder Vertiefung aufweisen, in der das PTC-Widerstandselement (15) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Widerstandselement (15) über ein Kontaktelement (17, 17‘) mit zumindest einer der beiden Bipolarplatten (11, 11‘) elektrisch leitend verbunden ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Widerstandselement (15) über ein erstes Kontaktelement (17) mit einer ersten der beiden Bipolarplatten (11) und über ein zweites Kontaktelement (17‘) mit einer zweiten der beiden Bipolarplatten (11‘) elektrisch leitend verbunden ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Kontaktelement (17) und der zweiten Bipolarplatte (11‘) und/oder zwischen dem zweiten Kontaktelement (17‘) und der ersten Bipolarplatte (11) ein Isolator (18) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (17) als Draht, Feder, Plättchen oder Stäbchen ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel (100) umfassend eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.