DE102013004838A1 - Fuel cell system used in vehicle, has deactivating units that are provided for adjusting change of electric voltage of fuel cell and change of pressure in fuel cell during occurrence of malfunction of fuel cell as pole reversal - Google Patents

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Abstract

The fuel cell system has fuel cells (10) having a membrane electrode arrangement (14) that is arranged between two separator plates (12). Deactivating units are provided for deactivating the fuel cells in a malfunction. The deactivating units are provided for adjusting the change of an electric voltage of the fuel cell and change of a pressure in the fuel cell during occurrence of malfunction of the fuel cell as pole reversal, for deactivating the fuel cell. An independent claim is included for a method for operating fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche jeweils eine zwischen zwei Separatorplatten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung umfassen. Das Brennstoffzellensystem weist Mittel zum Deaktivieren zumindest einer der Brennstoffzellen bei einer Fehlfunktion dieser Brennstoffzelle auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system having a plurality of fuel cells, each of which comprises a arranged between two separator plates membrane electrode assembly. The fuel cell system has means for deactivating at least one of the fuel cells in the event of a malfunction of this fuel cell. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system.

Für mobile Anbindungen kommen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen zum Einsatz. Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEMFC – ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (auch Ionomer-Membran) – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sog. Flow Field. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z. B. 2H2 + O2 → 2H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft. Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich der Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist. Gasdiffusionslage und Gasverteilungslage unterscheiden sich v. a. in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion bzw. Verteilung).For mobile connections, polymer electrolyte membrane fuel cells are used. The basic structure of a polymer electrolyte membrane fuel cell - PEMFC for short - is as follows. The PEMFC contains a membrane-electrode assembly - MEA short, which is composed of an anode, a cathode and a polymer electrolyte membrane arranged between them (also ionomer membrane) - PEM - constructed. In turn, the MEA is interposed between two separator plates, with one separator plate having fuel distribution channels and the other separator plate having channels for the distribution of oxidant and the channels facing the MEA. The channels form a channel structure, a so-called flow field. The electrodes, anode and cathode, are generally designed as gas diffusion electrodes - in short GDE. These have the function of dissipating the current generated in the electrochemical reaction (eg 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) and allowing the reactants, starting materials and products to diffuse through. A GDE consists of at least one gas diffusion layer or gas diffusion layer - in short GDL - and a catalyst layer which faces the PEM and at which the electrochemical reaction takes place. The GDE may also have a gas distribution layer, which adjoins the gas diffusion layer and which faces in the PEMFC a Separatorplatte. Gas diffusion layer and gas distribution layer differ mainly in their pore sizes and thus in the nature of the transport mechanism for a reactant (diffusion or distribution).

Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden z. T. Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.Such a fuel cell can produce high power electrical power at relatively low operating temperatures. Real fuel cells are usually stacked into so-called fuel cell stacks - stacks - to achieve a high power output, instead of the monopolar separator plates bipolar separator plates, so-called bipolar plates are used and form monopolar separator plates only the two terminal terminations of the stack. They are z. T. end plates called and can be structurally different from the bipolar plates.

Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei Teilplatten zusammengesetzt. Diese Teilplatten weisen im Wesentlichen komplementäre und bzgl. einer Spiegelebene spiegelbildliche Formen auf. Die Teilplatten müssen aber nicht zwingend spiegelbildlich sein. Wichtig ist lediglich, dass sie zumindest eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, an der sie verbunden werden können. Die Teilplatten weisen eine unebene Topographie auf. Hierdurch entstehen an den jeweils voneinander weg weisenden Oberflächen der Teilplatten die vorstehend bereits erwähnten Kanalstrukturen. An den jeweils aufeinander zuweisenden Oberflächen der Teilplatten besteht z. B. bei geprägten metallischen Teilplatten die zur o. g. Kanalstruktur komplementäre Kanalstruktur. Beim Aufeinanderlegen der beiden Teilplatten entsteht dadurch zwischen den Teilplatten, auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen, ein Hohlraum, welcher aus einem System mehrerer miteinander verbundener Tunnels besteht. Der Hohlraum bzw. das System der Tunnels ist durch eine im Wesentlichen die Teilplatten im Randbereich umlaufende Fügung flüssigkeitsdicht umrandet, wobei Öffnungen zur Kühlmittelzufuhr und -abfuhr vorgesehen sind, sodass der Hohlraum für die Verteilung eines Kühlmittels genutzt werden kann.The bipolar plates are generally composed of two partial plates. These sub-plates have substantially complementary and with respect to a mirror plane mirror-image forms. However, the partial plates do not necessarily have to be mirror images. It is only important that they have at least one common contact surface to which they can be connected. The partial plates have an uneven topography. As a result, the channel structures already mentioned above arise at the surfaces of the partial plates that point away from each other. At the respectively facing each other surfaces of the sub-panels z. B. in embossed metal part plates to the o. G. Channel structure complementary channel structure. When the two sub-panels are placed on top of each other, a cavity, which consists of a system of several interconnected tunnels, thus arises between the sub-panels, on their mutually facing surfaces. The cavity or the system of the tunnel is surrounded in a liquid-tight manner by a joint which essentially surrounds the partial plates in the edge region, openings being provided for the coolant supply and removal, so that the cavity can be used for the distribution of a coolant.

Somit gehört zu den Aufgaben einer Bipolarplatte: Die Verteilung von Oxidationsmittel und von Reduktionsmittel; die Verteilung von Kühlmittel und somit die Kühlung (besser gesagt Temperierung) der Brennstoffzellen; die fluidische Trennung der Einzelzellen eines Stacks voneinander; ferner die elektrische Kontaktierung der hintereinander geschalteten Einzelzellen eines Stacks und somit die Durchleitung des von den Einzelzellen erzeugten elektrischen Stroms.Thus, one of the tasks of a bipolar plate is: the distribution of oxidizing agent and reducing agent; the distribution of coolant and thus the cooling (better tempering) of the fuel cell; the fluidic separation of the individual cells of a stack from each other; Furthermore, the electrical contacting of the series-connected individual cells of a stack and thus the passage of the electric current generated by the individual cells.

Eine PEM kann mehrere Komponenten enthalten. Die wichtigste Komponente ist dabei ein oder mehrere protonenleitfähige Ionomere. Ferner können verstärkende Komponenten wie z. B. organische Fasern (insbesondere PTFE-Fasern) und/oder anorganische Fasern (insbesondere Glasfasern) enthalten sein, die z. B. als Gewebe oder Gewirke ausgebildet sein können. Ferner können Füllstoffe enthalten sein, wie z. B. Metalloxid-Partikel (insbesondere Kieselgel, SiO2), die z. B. bei der Feuchthaltung der PEM eine Funktion übernehmen. Darüber hinaus können weitere Komponenten enthalten sein, wie z. B. Phosphorsäure, niedermolekulare Amphotere (insbesondere Imidazol und/oder Pyrazol). Eine PEM kann aber auch aus einem protonenleitfähigen Glasfilm bestehen, insbesondere aus einem nanoporösen Phosphosilicat-Glasfilm. Ist auf eine oder beide Hauptoberflächen der PEM eine Katalysatorschicht aufgebracht, so wird im allgemeinen von einer Catalyst Coated Membrane – kurz CCM – gesprochen.A PEM can contain several components. The most important component is one or more proton-conductive ionomers. Furthermore, reinforcing components such. As organic fibers (especially PTFE fibers) and / or inorganic fibers (especially glass fibers) may be included, the z. B. may be formed as a woven or knitted fabric. Furthermore, fillers may be included, such as. B. metal oxide particles (especially silica gel, SiO 2 ), the z. B. assume a function in the moisturization of the PEM. In addition, other components may be included, such as. As phosphoric acid, low molecular weight amphoteric (especially imidazole and / or pyrazole). However, a PEM can also consist of a proton-conductive glass film, in particular of a nanoporous phosphosilicate glass film. If a catalyst layer is applied to one or both of the main surfaces of the PEM, it is generally referred to as a catalyst coated membrane-CCM for short.

Die EP 1 492 189 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel eines PEM-Brennstoffzellensystems. In den einzelnen Brennstoffzellen ist ein Kurzschlussmittel vorhanden. Bei einem Defekt einer Einzelzelle wird Wärme frei. Diese Wärmeentwicklung führt dazu, dass das Kurzschlussmittel schmilzt. Aufgrund des Durchschmelzens oder Durchbrennens der Membran-Elektroden-Anordnung mitsamt der PEM wird die defekte, also eine Fehlfunktion aufweisende Einzelzelle überbrückt beziehungsweise kurzgeschlossen. Die Brennstoffelle ist dann deaktiviert, es findet in dieser also nicht mehr die zur Erzeugung von elektrischem Strom führende Brennstoffzellenreaktion statt.The EP 1 492 189 A1 describes a fuel cell stack of a PEM fuel cell system. In the individual fuel cells is a Short circuit means available. In case of a defect of a single cell, heat is released. This heat development causes the short-circuiting agent to melt. Due to the melting or burning through of the membrane-electrode assembly together with the PEM, the defective, ie malfunctioning having single cell is bridged or shorted. The fuel cell is then deactivated, so that there is no longer the fuel cell reaction leading to the generation of electric current in it.

Es ist jedoch schwierig, sicher dafür zu sorgen, dass das Kurzschlussmittel tatsächlich die defekte Brennstoffzelle kurzschließt. Für einen erfolgreichen Kurzschluss der defekten Brennstoffzelle ist es nämlich erforderlich, dass das geschmolzene Kurzschlussmittel der Schwerkraft folgend in die gewünschte Richtung fließt. Dies ist aber abhängig von der Lage des Brennstoffzellenstapels beziehungsweise von dessen Orientierung in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft. Insbesondere bei einem Brennstoffzellenstapel, welcher in einem Fahrzeug zum Einsatz kommt, das sich auf unterschiedlich geneigtem Terrain bewegt, kann dies nicht immer gewährleistet werden.However, it is difficult to ensure that the short-circuiting means actually shorts the defective fuel cell. Namely, for a successful short circuit of the defective fuel cell, it is necessary for the molten short-circuiting means to flow in the desired direction following the gravity. However, this depends on the position of the fuel cell stack or its orientation with respect to the direction of gravity. In particular, in a fuel cell stack, which is used in a vehicle that moves on different sloping terrain, this can not always be guaranteed.

Auch das in der EP 1 492 189 A1 beschriebene Vorsehen einer Porenstruktur, welche aufgrund der damit verbundenen Kapillarkräfte einen Fluss des geschmolzenen Kurzschlussmittels in von der Richtung der Schwerkraft abweichende Richtungen bewirken soll, ist nicht leicht zu realisieren.Also in the EP 1 492 189 A1 described provision of a pore structure, which is due to the associated capillary forces to cause a flow of the molten short-circuiting means in the direction of gravity deviating directions, is not easy to implement.

Die US 7 358 005 B2 beschreibt eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), bei welcher anhand der Überwachung der Leistung oder Spannung der einzelnen Brennstoffzellen festgestellt wird, ob eine beschädigte oder defekte Einzelzelle vorliegt. Ist dies der Fall, so kann über eine Brennstoffzellenisolierungs-Einrichtung die einzelne defekte Brennstoffzelle elektrisch überbrückt werden. Hierfür sind elektrische Kurzschlussbrücken vorgesehen, welche bei einer Störung oder einem Schaden durch einen Aktor mit den der einzelnen Brennstoffzelle zugeordneten Bipolarplatten in elektrische leitenden Kontakt gebracht werden. Dadurch wird die beschädigte oder defekte Einzelzelle kurzgeschlossen. Die Kurzschlussbrücken können auch ein Abdichten der Brennstoffzelle bewirken, also verhindern, dass Reaktanden hin zu den Elektroden der Brennstoffzelle gelangen.The US Pat. No. 7,358,005 B2 describes a solid oxide fuel cell (SOFC), in which it is determined by monitoring the power or voltage of the individual fuel cells, whether a damaged or defective single cell is present. If this is the case, the individual defective fuel cell can be electrically bridged via a fuel cell insulation device. For this purpose, electrical short-circuiting bridges are provided, which are brought into electrical contact with the bipolar plates assigned to the individual fuel cell in the event of a fault or damage by an actuator. This short circuits the damaged or defective single cell. The short-circuiting bridges can also effect a sealing of the fuel cell, thus preventing reactants from reaching the electrodes of the fuel cell.

Die in der US 7 358 005 B2 beschriebenen Mittel zum Deaktivieren von eine Fehlfunktion aufweisenden Brennstoffzellen sind vergleichsweise aufwändig, da die Kurzschlussbrücken mit jeweiligen Aktoren angesteuert werden müssen.The in the US Pat. No. 7,358,005 B2 described means for deactivating fuel cells having a malfunction are comparatively complicated, since the short-circuiting bridges must be controlled with respective actuators.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems zu schaffen, welches auf besonders einfache Art das Deaktivieren von defekten Brennstoffzellen ermöglicht.Object of the present invention is therefore to provide a fuel cell system of the type mentioned above and a method for operating such a fuel cell system, which enables in a particularly simple way the deactivation of defective fuel cells.

Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is achieved by a fuel cell system having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 9. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sind die Mittel dazu ausgelegt, eine Änderung einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle zum Deaktivieren der Brennstoffzelle zu nutzen, welche sich bei einer Fehlfunktion in Form einer Umpolung der Brennstoffzelle einstellt. Zusätzlich oder alternativ sind die Mittel dazu ausgelegt, zum Deaktivieren der Brennstoffzelle eine sich bei der Umpolung einstellende Änderung eines Drucks in der Brennstoffzelle zu nutzen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einer in Form der Umpolung auftretenden Fehlfunktion einer Brennstoffzelle zu einer Spannungsänderung der betroffenen Brennstoffzelle kommt, welche besonders einfach zum Deaktivieren der Brennstoffzelle eingesetzt werden kann.In the fuel cell system according to the invention, the means are designed to use a change in an electrical voltage of the fuel cell for deactivating the fuel cell, which occurs in the event of a malfunction in the form of a polarity reversal of the fuel cell. In addition or as an alternative, the means are designed to utilize a change in a pressure in the fuel cell that occurs during the polarity reversal in order to deactivate the fuel cell. This is based on the finding that there is a change in voltage of the affected fuel cell at a occurring in the form of Umpolung malfunction of a fuel cell, which can be particularly easily used to deactivate the fuel cell.

Da die umgepolte Brennstoffzelle mit den übrigen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems in Reihe geschaltet ist, kommt es außerdem in Folge der Umpolung zu einer elektrolytischen Zersetzung von Wasser. Dies kann auf der Kathodenseite der umgepolten Brennstoffzelle zu einer Bildung von Wasserstoffgas und auf der Anodenseite der umgepolten Brennstoffzelle zu einer Bildung von Sauerstoff führen. Diese elektrochemische Gasbildung führt zum Aufbau eines Überdrucks in Bereichen der umgepolten Brennstoffzelle.Since the polarity reversed fuel cell is connected in series with the other fuel cells of a fuel cell stack of the fuel cell system, there is also due to the polarity reversal to an electrolytic decomposition of water. This can lead to the formation of hydrogen gas on the cathode side of the polarity reversal fuel cell and to the formation of oxygen on the anode side of the reversed polarity fuel cell. This electrochemical gas formation leads to the formation of an overpressure in areas of the reversed fuel cell.

Vorliegen werden nun die sich ändernde Spannung der umgepolten Brennstoffzelle oder dieser Überdruck genutzt, um die defekte Brennstoffzelle zu deaktivieren. Hierfür sorgen die Mittel zum Deaktivieren der Brennstoffzelle. Durch das Nutzen der infolge der Umpolung sich einstellenden Phänomene, nämlich des Druckanstiegs oder der Spannungsänderung, wird eine selbsttätige Deaktivierung der umgepolten Brennstoffzelle erreicht, und es braucht kein aktiver Eingriff mittels eines Aktuators vorgenommen zu werden.Present are now the changing voltage of the reversed fuel cell or this over-pressure used to disable the defective fuel cell. This is ensured by the means for deactivating the fuel cell. By utilizing the phenomena that occur as a result of the polarity reversal, namely the increase in pressure or the voltage change, an automatic deactivation of the polarity-reversal fuel cell is achieved and no active intervention by means of an actuator is required.

Dadurch, dass die umgepolten Brennstoffzellen deaktiviert sind, also nicht mehr zur Stromerzeugung über die Brennstoffzellenreaktion beitragen, ergibt sich eine geringfügige Leistungseinbuße des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems. Jedoch sorgt das Deaktivieren der Brennstoffzelle dafür, dass es nicht infolge des Umpolens zu einer raschen Oxidation (ROE, Rapid Oxidation Event) im Brennstoffzellenstapel und der damit üblicherweise einhergehenden Freisetzung einer großen Wärmemenge kommt. Folglich ist verhindert, dass der Brennstoffzellenstapel durch die starke Wärmeentwicklung zerstört wird.The fact that the polarity reversed fuel cells are deactivated, so no longer contribute to the generation of electricity via the fuel cell reaction, resulting in a slight performance penalty of the fuel cell stack of the Fuel cell system. However, deactivating the fuel cell ensures that there is no rapid oxidation (ROE, Rapid Oxidation Event) in the fuel cell stack due to polarity reversal and the concomitant release of a large amount of heat. Consequently, it is prevented that the fuel cell stack is destroyed by the strong heat generation.

Durch das Nutzen der Spannungsänderung beziehungsweise des Druckanstiegs zum Deaktivieren der umgepolten Brennstoffzelle ist somit ein selbsttätiger, automatischer Reparaturmechanismus des Brennstoffzellenstapels geschaffen, bei welchem lediglich die Funktion der defekten, umgepolten Brennstoffzellen unterbunden wird. Das Deaktivieren von defekten Brennstoffzellen erfolgt also auf besonders einfache Art und Weise.By using the voltage change or the pressure increase to deactivate the polarity reversed fuel cell thus an automatic automatic repair mechanism of the fuel cell stack is created in which only the function of the defective, reversed fuel cells is suppressed. The deactivation of defective fuel cells thus takes place in a particularly simple manner.

Der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems kann zudem weiterhin betrieben werden, auch wenn in diesem beschädigte, umgepolte Brennstoffzellen vorliegen. Bei Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug kann also der Fahrer des Fahrzeugs den Brennstoffzellenstapel trotz der Beschädigung einzelner Brennstoffzellen weiterhin nutzen, um die für das Fahren notwendige Energie bereitzustellen. So kann vom Fahrer beispielsweise eine Werkstatt aufgesucht werden. Bei Schädigung nur einzelner Brennstoffzellen ist jedoch gegebenenfalls nicht einmal eine Reparatur des Brennstoffzellenstapels notwendig und insbesondere nicht in jedem Fall ein Austausch des gesamten Brennstoffzellenstapels.In addition, the fuel cell stack of the fuel cell system can continue to be operated, even if there are damaged, reversed fuel cells in this. Thus, when using the fuel cell system in a vehicle, the driver of the vehicle may continue to use the fuel cell stack despite damage to individual fuel cells to provide the necessary energy for driving. For example, a driver can visit a workshop. If only individual fuel cells are damaged, however, it may not even be necessary to repair the fuel cell stack and, in particular, not always replace the entire fuel cell stack.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zum Deaktivieren einen ersten Bereich der Brennstoffzelle, welcher durch ein Trennelement von einem zweiten Bereich der Brennstoffzelle abgegrenzt ist. In dem ersten Bereich stellt sich in Folge der Umpolung der Brennstoffzelle ein höherer Druck ein als im zweiten Bereich.In an advantageous embodiment of the invention, the means for deactivating comprise a first region of the fuel cell, which is delimited by a separating element from a second region of the fuel cell. In the first area, a higher pressure sets in as a result of the polarity reversal of the fuel cell than in the second area.

Durch das Vorsehen des durch das Trennelement abgegrenzten ersten Bereichs lässt sich ein besonders hoher Überdruck in der umgepolten Brennstoffzelle erreichen, welcher mehrere Bar über dem atmosphärischen Druck liegen kann. Durch das Bereitstellen des Überdrucks in dem hierfür vorgesehenen ersten Bereich lässt sich dieser besonders gut zum Deaktivieren der betroffenen Brennstoffzelle nutzen.The provision of the first region delimited by the separating element makes it possible to achieve a particularly high overpressure in the polarized fuel cell, which can be several bar above the atmospheric pressure. By providing the overpressure in the first area provided for this purpose, it can be used particularly well for deactivating the affected fuel cell.

Der erste Bereich kann über eine Leitung mit wenigstens einem aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildeten Element gekoppelt sein. Das Element ist durch den in dem ersten Bereich herrschenden Druck aus einer Ausgangsstellung in eine Funktionsstellung bewegbar, in welcher das wenigstens eine Element die beiden Separatorplatten der umgepolten Brennstoffzelle elektrisch leitend miteinander verbindet. Wenn das Element in die Funktionsstellung verbracht ist, dann ist die umgepolte Brennstoffzelle kurzgeschlossen beziehungsweise überbrückt. Ein solcher Mechanismus, bei welchem die aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildeten und mit dem Druck beaufschlagten Elemente die Membran-Elektroden-Anordnung überbrücken, lässt sich technisch besonders einfach umsetzen. Die Mittel zum Deaktivieren sind hierbei durch den ersten Bereich, die Leitung und das wenigstens eine Element gebildet.The first region may be coupled via a line to at least one element formed from an electrically conductive material. By virtue of the pressure prevailing in the first region, the element can be moved from a starting position into a functional position, in which the at least one element connects the two separator plates of the reversed fuel cell in an electrically conductive manner. When the element is moved to the functional position, then the polarity reversed fuel cell is shorted or bridged. Such a mechanism, in which the elements formed from the electrically conductive material and acted upon by the pressure bridge the membrane-electrode arrangement, can be implemented in a particularly technically simple manner. The means for deactivating are in this case formed by the first region, the line and the at least one element.

Bevorzugt sind die aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildeten Elemente so ausgelegt, dass sie in der Funktionsstellung verbleiben, wenn sie erst einmal in die Funktionsstellung bewegt sind. Dann ist die von der Umpolung betroffene Brennstoffzelle dauerhaft deaktiviert, selbst wenn es infolge des elektrischen Kurzschlusses der umgepolten Zelle zu einer erneuten Änderung der Spannung hin zu einem Wert kommt, wie er beim Betrieb einer nicht defekten Brennstoffzelle vorliegt. Auch wenn der Druck in dem ersten Bereich wieder nachlässt, sorgen entsprechend die aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildeten Elemente für das Deaktivieren der Brennstoffzelle.Preferably, the elements formed from the electrically conductive material are designed so that they remain in the functional position once they are moved into the functional position. Then, the fuel cell affected by the polarity reversal is permanently deactivated, even if, as a result of the electrical short circuit of the polarity reversed cell, the voltage is changed again to a value which is present when a non-defective fuel cell is operated. Even if the pressure in the first area decreases again, accordingly, the elements formed from the electrically conductive material provide for the deactivation of the fuel cell.

Zusätzlich oder alternativ kann der erste Bereich über eine Leitung mit wenigstens einem Speicher gekoppelt sein, welcher ein Dichtmaterial enthält. Mittels des Dichtmaterials ist zumindest ein Kanal verschließbar, welcher für einen der umgepolten Brennstoffzelle zuführbaren Reaktanden vorgesehen ist. Dadurch, dass das Dichtmaterial den zumindest einen Kanal verschließt, ist die Brennstoffzelle in Bezug auf den oder die Reaktanden fluidisch isoliert. Auch auf diese Weise kann die defekte Brennstoffzelle besonders einfach deaktiviert werden. Bei dieser Ausgestaltung sind die Mittel durch den ersten Bereich, die Leitung und den fluidisch mit dem wenigstens einen Kanal gekoppelten Speicher mit dem Dichtmaterial gebildet.Additionally or alternatively, the first region may be coupled via a conduit to at least one reservoir which contains a sealing material. By means of the sealing material, at least one channel can be closed, which is provided for a reactant which can be supplied to the polarity reversed fuel cell. Characterized in that the sealing material closes the at least one channel, the fuel cell is fluidly isolated with respect to the reactants or the reactants. In this way, the defective fuel cell can be easily deactivated. In this embodiment, the means are formed by the first region, the conduit and the memory fluidically coupled to the at least one channel with the sealing material.

Besonders sicher und dauerhaft lässt sich die umgepolte Brennstoffzelle deaktivieren, wenn das Dichtmaterial dazu ausgebildet ist, in dem zumindest einen Kanal auszuhärten. Dann lässt sich nämlich das zuvor fließfähige Dichtmaterial besonders gut in den Kanal einbringen, und im ausgehärteten Zustand verschließt es den Kanal. Bei dem Kanal kann es sich insbesondere um einen Anschlusskanal zum Beaufschlagen der Brennstoffzelle mit dem Reaktanden, einen Sammelkanal zum Verteilen des Reaktanden im Flow Field oder um das Flow Field selber handeln.The polarity reversed fuel cell can be deactivated particularly reliably and permanently if the sealing material is designed to harden in the at least one channel. Then, namely, the previously flowable sealing material can be particularly well introduced into the channel, and in the cured state, it closes the channel. The channel may in particular be a connection channel for charging the fuel cell with the reactant, a collecting channel for distributing the reactant in the flow field or the flow field itself.

Auch bei einer Änderung der Spannung der umgepolten Batteriezelle hin zu der vor der Umpolung vorliegenden Spannung verbleibt das ausgehärtete Dichtmaterial in dem zumindest einen Kanal. Dies gilt auch, wenn der Druck in der umgepolten Brennstoffzelle wieder abfällt.Even with a change in the voltage of the reversed battery cell to the voltage present before the polarity reversal remains the cured sealing material in the at least one channel. This also applies if the pressure in the polarized fuel cell drops again.

Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der erste Bereich über eine Leitung mit wenigstens einem Absperrelement gekoppelt ist, welches durch den in dem ersten Bereich herrschenden Druck aus einer Ausgangsstellung in eine Funktionsstellung bewegbar ist, in welcher das Absperrelement zumindest einen Kanal für einen der umgepolten Brennstoffzelle zuführbaren Reaktanden verschließt. Das Absperrelement sorgt also für ein selbsttätiges, mechanisches Verschließen des Kanals, welches durch den in der umgepolten Brennstoffzelle sich einstellenden Überdruck bewirkt wird. Auch hier kann der Kanal insbesondere als Anschlusskanal zum Beaufschlagen der Brennstoffzelle mit dem Reaktanden, als Sammelkanal zum Verteilen des Reaktanden im Flow Field oder als Teil des Flow Fields selber ausgebildet sein. Das Absperrelement kann besonders funktionssicher aus der Ausgangsstellung in die Funktionsstellung bewegt werden.As further advantageous, it has been shown, when the first region is coupled via a line with at least one shut-off, which is movable by the pressure prevailing in the first region from a starting position to a functional position in which the shut-off at least one channel for one of reversed umpolpolten fuel cell supplies reactants. The shut-off element thus ensures automatic, mechanical closing of the channel, which is brought about by the overpressure occurring in the polarity reversed fuel cell. Again, the channel can be designed in particular as a connection channel for pressurizing the fuel cell with the reactant, as a collecting channel for distributing the reactant in the flow field or as part of the flow field itself. The shut-off can be moved particularly reliable from the initial position to the functional position.

Die Mittel zum Deaktivieren können auch ein Stellelement umfassen, welches dazu ausgelegt ist, in Folge der Änderung der elektrischen Spannung der umgepolten Brennstoffzelle wenigstens ein aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildetes Element aus einer Ausgangsstellung in eine Funktionsstellung zu bewegen, in welcher das wenigstens eine Element die beiden Separatorplatten der umgepolten Brennstoffzelle elektrisch leitend miteinander verbindet. Dann sorgt die auf das Stellelement wirkende Spannungsänderung für die Bewegung des aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildeten Elements in die Funktionsstellung. Die Mittel zum Deaktivieren sind dann das Stellelement und das aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildete Element. Auch so kann auf besonders zuverlässige Art und Weise ein selbsttätiges Deaktivieren der umgepolten Brennstoffzelle sichergestellt werden.The means for deactivating may also comprise an actuating element, which is designed to move at least one element formed from an electrically conductive material from a starting position into a functional position in which the at least one element blocks the output due to the change in the electrical voltage of the reversed-poled fuel cell two separator plates of the reversed fuel cell electrically conductively connects to each other. Then, the voltage change acting on the adjusting element ensures the movement of the element formed from the electrically conductive material into the functional position. The means for deactivating are then the control element and the element formed from the electrically conductive material. Even so, an automatic deactivation of the polarity reversed fuel cell can be ensured in a particularly reliable manner.

Das Stellelement kann insbesondere als Mikrorelais oder Nanorelais ausgebildet sein. Wenn als Stellelement ein Relais zum Einsatz kommt, so sind die Mittel zum Deaktivieren durch das Relais und das wenigstens eine aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildete Element bereitgestellt.The adjusting element can be designed in particular as a micro-relay or nano-relay. When a relay is used as the actuator, the means for deactivating by the relay and the at least one element formed of the electrically conductive material are provided.

Bevorzugt verbleibt das durch das Stellelement bewegte Element in seiner Funktionsstellung, auch wenn aufgrund des Kurschließens der Brennstoffzelle die Spannung sich wieder hin zu Werten ändert, welche bei nicht umgepolten Brennstoffzellen vorliegen. Dann ist nämlich sichergestellt, dass die einmal von der Umpolung betroffene Brennstoffzelle dauerhaft deaktiviert bleibt.Preferably, the element moved by the actuating element remains in its functional position, even if, due to the closing of the fuel cell, the voltage changes again to values which are present in the case of non-polarized fuel cells. In that case, it is ensured that the fuel cell once affected by the polarity reversal remains permanently deactivated.

Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das wenigstens eine aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildete Element als Bolzen ausgebildet ist, welcher zum Durchstoßen der Membran-Elektroden-Anordnung ausgelegt ist. Hierfür kann der Bolzen beispielsweise mit einer Spitze versehen sein, so dass er besonders einfach die Membran-Elektroden-Anordnung durchdringen kann.Finally, it has proven to be advantageous if the at least one element formed from an electrically conductive material is designed as a bolt, which is designed to pierce the membrane-electrode assembly. For this purpose, the bolt can be provided with a tip, for example, so that it can penetrate the membrane-electrode arrangement in a particularly simple manner.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche jeweils eine zwischen zwei Separatorplatten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung umfassen, wird bei Vorliegen einer Fehlfunktion zumindest einer der Brennstoffzellen diese Brennstoffzelle deaktiviert. Zum Deaktivieren der Brennstoffzelle wird eine bei einer als Umpolung auftretenden Fehlfunktion der Brennstoffzelle sich einstellende Änderung einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle und/oder eine bei der Umpolung sich einstellende Änderung eines Drucks in der Brennstoffzelle genutzt. Mit einem solchen Verfahren lässt sich auf besonders einfache Weise ein selbsttätiges Deaktivieren von umgepolten Brennstoffzellen realisieren.In the method according to the invention for operating a fuel cell system with a plurality of fuel cells, each of which comprises a membrane electrode arrangement arranged between two separator plates, this fuel cell is deactivated in the event of a malfunction of at least one of the fuel cells. In order to deactivate the fuel cell, a change in an electrical voltage of the fuel cell occurring during a malfunction of the fuel cell occurring as a polarity reversal and / or a change in a pressure in the fuel cell occurring during the polarity reversal is used. With such a method, an automatic deactivation of reversed fuel cells can be realized in a particularly simple manner.

Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.The advantages and preferred embodiments described for the fuel cell system according to the invention also apply to the method according to the invention and vice versa.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings, in which the same or functionally identical elements are provided with identical reference numerals. Showing:

1 schematisch eine Brennstoffzelle, bei welcher infolge einer Druckerhöhung in einer separaten Kammer, welche ihre Ursache in einer Umpolung der Brennstoffzelle hat, metallische Bolzen eine Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle durchstoßen und so die Bipolarplatten der Brennstoffzelle kurzschließen; 1 schematically a fuel cell, wherein as a result of an increase in pressure in a separate chamber, which has its cause in a polarity reversal of the fuel cell, metallic bolts pierce a membrane electrode assembly of the fuel cell, thus shorting the bipolar plates of the fuel cell;

2 eine Brennstoffzelle, bei welcher Mikrorelais für das Verfahren der Bolzen sorgen; und 2 a fuel cell in which micro-relays provide for the procedure of the bolts; and

3 eine Brennstoffzelle, bei welcher der in der Kammer bei der Umpolung der Brennstoffzelle aufgebaute Druck dazu führt, dass ein Kanal eines Flow Fields der Brennstoffzelle mit einem Dichtmittel verschlossen wird. 3 a fuel cell, in which the in the chamber at the polarity reversal of the fuel cell built-up pressure causes a channel of a flow field of the fuel cell is sealed with a sealant.

Ein Brennstoffzellenstapel eines Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystems umfasst eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 10, welche zwischen Endplatten des Brennstoffzellenstapels elektrisch in Reihe geschaltet sind. In 1 ist eine einzelne solche Brennstoffzelle 10 gezeigt.A fuel cell stack of a polymer electrolyte membrane fuel cell system includes a plurality of individual fuel cells 10 which are electrically connected in series between end plates of the fuel cell stack. In 1 is a single such fuel cell 10 shown.

Die einzelnen Brennstoffzellen 10 umfassen zwei Separatorplatten oder Bipolarplatten 12, zwischen welchen eine Membran-Elektroden-Anordnung 14 angeordnet ist. Die Bipolarplatten 12 weisen eine Vielzahl von Kanälen 16 auf, welche ein so genanntes Flow Field bilden. Auf einer Seite der Membran-Elektroden-Anordnung 14 wird durch die Kanäle 16 Wasserstoffgas hindurchgeleitet und an der Anode der Membran-Elektroden-Anordnung 14 unter Abgabe von Elektronen oxidiert.The individual fuel cells 10 include two separator plates or bipolar plates 12 between which a membrane-electrode assembly 14 is arranged. The bipolar plates 12 have a variety of channels 16 on, which form a so-called flow field. On one side of the membrane-electrode assembly 14 gets through the channels 16 Passed hydrogen gas and at the anode of the membrane-electrode assembly 14 oxidized with release of electrons.

Auf der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung 14 wird Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel durch die Kanäle 16 geleitet, wobei der Sauerstoff unter Bildung von Wasser reduziert wird. Diese Reaktanden, nämlich der Wasserstoff und die Luft, sind in der jeweiligen Brennstoffzelle 10 voneinander fluidisch getrennt. Hierfür sorgen randliche Dichtungen 18 der Brennstoffzelle 10 sowie die Membran 20 der Membran-Elektroden-Anordnung 14.On the cathode side of the membrane-electrode assembly 14 is oxygen or air as an oxidant through the channels 16 passed, wherein the oxygen is reduced to form water. These reactants, namely the hydrogen and the air, are in the respective fuel cell 10 fluidly separated from each other. This is ensured by marginal seals 18 the fuel cell 10 as well as the membrane 20 the membrane-electrode assembly 14 ,

Wenn eine einzelne oder mehrere Brennstoffzellen 10 des Brennstoffzellenstapels durch Verschleiß oder äußere Einflüsse beschädigt werden, können die dichtenden Eigenschaften dieser Brennstoffzellen 10 nicht länger aufrecht erhalten werden. Der Verschleiß kann insbesondere im Auftreten von Löchern in der Membran 20, einem Brechen der Bipolarplatten 12 oder einem Undichtwerden der Dichtungen 18 liegen. Infolgedessen können der Brennstoff und das Oxidationsmittel miteinander oder mit einem Kühlmittel des Brennstoffzellenstapels in Kontakt geraten, oder es kann zu einer Leckage des Brennstoffzellenstapels kommen. Wenn eine solche Leckage ein kritisches Niveau überschreitet, kann der gesamte Brennstoffzellenstapel nicht länger betrieben werden und das Brennstoffzellensystem wird abgeschaltet. Bei Anordnung des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug kann dies auch zu einem Abschalten des Fahrzeugs führen.If a single or multiple fuel cells 10 of the fuel cell stack are damaged by wear or external influences, the sealing properties of these fuel cells 10 no longer be upheld. The wear can in particular in the occurrence of holes in the membrane 20 , breaking the bipolar plates 12 or leakage of the seals 18 lie. As a result, the fuel and the oxidizing agent may come into contact with each other or with a coolant of the fuel cell stack, or leakage of the fuel cell stack may occur. If such a leak exceeds a critical level, the entire fuel cell stack can no longer operate and the fuel cell system is shut down. In the arrangement of the fuel cell system in a vehicle, this may also lead to a shutdown of the vehicle.

Insbesondere wenn Brennstoffzellen 10 aufgrund von Leckagen oder aufgrund einer Blockade des Flow Fields durch Wasser oder Eis nicht in ausreichendem Maße mit den Reaktanden versorgt werden, kann es zu einer Umpolung der Brennstoffzelle 10 kommen. Besonders dann, wenn die Brennstoffzelle 10 nicht mit ausreichend Brennstoff versorgt wird, kann dies gefährlich werden. Dann verschiebt sich nämlich das Anodenpotenzial einer solchen Brennstoffzelle 10 in zu hohen positiven Werten, bei welchen die Oxidation von Wasser zu Sauerstoff stattfinden kann. Dies führt zu einer Korrosion der Membran-Elektroden-Anordnung 14.Especially when fuel cells 10 due to leaks or due to a blockage of the flow field by water or ice are not sufficiently supplied with the reactants, it may lead to a polarity reversal of the fuel cell 10 come. Especially if the fuel cell 10 not being supplied with enough fuel, this can be dangerous. In that case, the anode potential of such a fuel cell shifts 10 in too high positive values at which the oxidation of water to oxygen can take place. This leads to corrosion of the membrane-electrode assembly 14 ,

Die Umpolung der Brennstoffzelle 10 kann also im Brennstoffzellenstapel zu einer raschen Oxidation verbunden mit der Freisetzung einer großen Menge von Wärme führen. Diese kann den Brennstoffzellenstapel zerstören. Eine solche Umpolung kann insbesondere während des Startens des Brennstoffzellenstapels auftreten, wenn noch Wassertröpfchen in diesem vorliegen, oder wenn Wasser in gefrorenem Zustand in dem Brennstoffzellenstapel vorhanden ist.The polarity reversal of the fuel cell 10 Thus, in the fuel cell stack can lead to rapid oxidation associated with the release of a large amount of heat. This can destroy the fuel cell stack. Such a polarity reversal may occur, in particular, during the starting of the fuel cell stack, when there are still water droplets in it, or when water is present in the frozen state in the fuel cell stack.

Vorliegend werden nun Maßnahmen beschrieben, welche es erlauben, selbst im Falle einer Umpolung einer einzelnen Brennstoffzelle 10 den Brennstoffzellenstapel weiter zu betreiben. Hierfür wird die umgepolte Brennstoffzelle 10 deaktiviert.In the present case, measures will now be described which allow, even in the case of a polarity reversal of a single fuel cell 10 continue to operate the fuel cell stack. For this purpose, the polarity reversed fuel cell 10 disabled.

Bei der in 1 gezeigten Variante sind hierfür in den jeweiligen Bipolarplatten 12 Bereiche in Form von Kammern 22 vorgesehen, welche von dem Flow Field durch eine Dichtung 24 oder dergleichen Trennelement abgegrenzt sind. Bei einer Umpolung der Brennstoffzelle 10 kommt es aufgrund der von den benachbarten Brennstoffzellen 10 gelieferten Elektronen auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 zu einer Bildung von Wasserstoffgas und auf der Anodenseite zu einer Bildung von Sauerstoff aus dem in den Kammern 22 vorhandenen Wasser. Dadurch, dass die Kammern 22 vom restlichen Bereich des Flow Fields abgegrenzt sind, baut sich in diesen hierbei ein sehr hoher Druck auf.At the in 1 shown variant are for this purpose in the respective bipolar plates 12 Areas in the form of chambers 22 provided by the flow field through a seal 24 or the like separating element are delimited. At a polarity reversal of the fuel cell 10 it comes about because of the neighboring fuel cells 10 delivered electrons on the cathode side of the fuel cell 10 for the formation of hydrogen gas and on the anode side for the formation of oxygen from that in the chambers 22 existing water. Because of the chambers 22 From the remaining area of the flow field are delimited, builds up in this case a very high pressure.

Dieser Druck wird über jeweilige Leitungen 26 auf Bolzen 28 übertragen, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material, etwa aus Metall gebildet sind. Die an ihrer der Membran 20 zugewandten Seite angespitzten Bolzen 28 bewegen sich aufgrund der Druckbeaufschlagung aus ihrer in 1 gezeigten Ausgangsstellung aufeinander zu. Dabei durchdringen sie die Membran 20 und sorgen so dafür, dass die Bipolarplatten 12 der Brennstoffzelle 10 elektrisch leitend miteinander verbunden werden. So wird die Membran-Elektroden-Anordnung 14 dieser umgepolten Brennstoffzelle 10 überbrückt.This pressure is via respective lines 26 on bolts 28 transferred, which are formed of an electrically conductive material, such as metal. The at her the membrane 20 facing side pointed pins 28 move due to the pressurization of their in 1 shown starting position towards each other. They penetrate the membrane 20 and thus ensure that the bipolar plates 12 the fuel cell 10 be electrically connected to each other. So is the membrane electrode assembly 14 this reversed fuel cell 10 bridged.

Hierbei sorgt der infolge der Fehlfunktion der Brennstoffzelle 10, nämlich infolge der Umpolung sich einstellende Druck in den Kammern 22 für das elektrische Kurzschließen beziehungsweise Überbrücken der beschädigten Brennstoffzelle 10. Dies geschieht selbsttätig, also automatisch, ohne dass irgendein Aktor aktiv betätigt zu werden braucht. Zum Bereitstellen von Wasser in den Kammern 22 reicht das über die Membran 20 in diese gelangende Wasser aus. Es kann jedoch auch in den Kammern 22 ein Vorrat an Wasser vorgesehen sein.This causes the result of the malfunction of the fuel cell 10 , namely as a result of the umpolung adjusting pressure in the chambers 22 for the electrical short circuiting or bridging of the damaged fuel cell 10 , This happens automatically, so automatically, without any actuator needs to be actively pressed. To provide water in the chambers 22 this is enough over the membrane 20 getting into this Water off. It can, however, also in the chambers 22 a supply of water may be provided.

Die infolge des Drucks in den Kammern 22 aufeinander zu bewegten Bolzen 28 verbleiben in ihrer Funktionsstellung, in welcher sie die beiden Bipolarplatten 12 elektrisch miteinander verbinden. Dies gilt selbst dann, wenn sich nach dem Kurzschließen der Bipolarplatten 12 die Spannung der zuvor umgepolten Brennstoffzelle 10 wieder hin zu Werten ändert, welche bei einer unbeschädigten Brennstoffzelle 10 vorliegen. Auch das Nachlassen des Drucks in den Kammern 22 bewirkt nicht, dass sich die Bolzen 28 in ihre in 1 gezeigte Ausgangsstellung zurück bewegen. Vielmehr verbleiben die Bolzen 28 trotz des nachlassenden Drucks in ihrer Funktionsstellung, in welcher sie miteinander in Anlage sind.The result of pressure in the chambers 22 towards each other moving bolt 28 remain in their functional position in which they are the two bipolar plates 12 connect electrically. This is true even if, after short-circuiting the bipolar plates 12 the voltage of the previously reversed fuel cell 10 back to values changes, which in an undamaged fuel cell 10 available. Also the easing of the pressure in the chambers 22 does not cause the bolts 28 in her in 1 move back to the initial position shown. Rather, the bolts remain 28 despite the decreasing pressure in their functional position in which they are in contact with each other.

Bei der in 2 gezeigten Variante der Brennstoffzelle 10 ist auch auf jede Seite der Membran 20 jeweils einer der beiden Bolzen 28 vorgesehen. Jedoch werden hier die Bolzen 28 nicht durch den Druck bewegt, welcher sich bei der Umpolung der Brennstoffzelle einstellt. Vielmehr sind Mikrorelais 30 oder Nanorelais als Stellelemente vorgesehen. Die Mikrorelais 30 beaufschlagen aufgrund der mit der Umpolung der Brennstoffzelle 10 sich einstellenden Änderung der elektrischen Spannung der Brennstoffzelle 10 die Bolzen 28 mit einer Kraft. Diese Kraft bewegt die Bolzen 28 aus der in 2 gezeigten Ausgangsstellung in eine Funktionsstellung, in welcher mindestens einer der beiden Bolzen 28 durch die Membran 20 hindurchtritt und so die Bipolarplatten 12 elektrisch leitend miteinander verbindet.At the in 2 shown variant of the fuel cell 10 is also on each side of the membrane 20 one each of the two bolts 28 intended. However, here are the bolts 28 not moved by the pressure, which occurs at the polarity reversal of the fuel cell. Rather, micro-relays 30 or Nanorelais provided as adjusting elements. The micro-relays 30 act on the basis of the polarity reversal of the fuel cell 10 self-adjusting change in the electrical voltage of the fuel cell 10 bolts 28 with a force. This force moves the bolts 28 from the in 2 shown starting position in a functional position, in which at least one of the two bolts 28 through the membrane 20 passes through and so does the bipolar plates 12 connects electrically conductive with each other.

Dies geschieht, wenn sich die Spannung der Brennstoffzelle 10 hin zu negativen Werten verschiebt, wie dies bei der Umpolung der Fall ist. Während nämlich im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 10 diese eine Spannung von etwa einem +1 Volt liefert und bei Stromfluss eine Spannung von etwa +0,7 Volt, kann bei einer Undichtigkeit der Brennstoffzelle 10 dieser Wert auf 0 Volt abfallen. Insbesondere bei einem Wert von weniger als –0,5 Volt, besonders bei einem Absinken auf weniger als –1,9 Volt, kommt es dann zu dem hohen Druckaufbau aufgrund der Elektrolyse von Wasser. Des Weiteren sorgt diese negative Spannung in der umgepolten Brennstoffzelle 10 bei der Variante gemäß 2 dafür, dass die Mikrorelais 30 die Bolzen 28 durch die Membran 20 schieben, bis sie in elektrisch leitenden Kontakt miteinander gelangen. In dieser Funktionsstellung verbleiben die Bolzen 28 dann, auch wenn sich die Spannung der Brennstoffzelle 10 aufgrund des Kurzschlusses wieder hin zu positiven Werten ändert.This happens when the voltage of the fuel cell 10 to negative values, as is the case with polarity reversal. Namely during normal operation of the fuel cell 10 this provides a voltage of about one volt and when current flows a voltage of about +0.7 volts, can in case of leakage of the fuel cell 10 this value drops to 0 volts. In particular, at a value of less than -0.5 volts, especially at a drop to less than -1.9 volts, then there is the high pressure build-up due to the electrolysis of water. Furthermore, this negative voltage in the polarity reversed fuel cell provides 10 in the variant according to 2 for the microrelay 30 bolts 28 through the membrane 20 push until they come into electrical contact with each other. In this functional position, the bolts remain 28 then, even if the voltage of the fuel cell 10 due to the short circuit changes back to positive values.

3 zeigt eine weitere Variante der Brennstoffzelle 10, welche einen Mechanismus zum automatischen Deaktivieren der Brennstoffzelle 10 bei einer Umpolung derselben aufweist. Hierbei wird wiederum der sich in den Kammern 22 einstellende hohe Druck ausgenutzt. Dieser wirkt über die der jeweiligen Kammer 22 zugeordnete Leitung 26 aber nicht auf Bolzen 28, sondern auf jeweilige Speicher 32, welche ein fließfähiges Dichtmittel enthalten. 3 shows a further variant of the fuel cell 10 which includes a mechanism for automatically deactivating the fuel cell 10 at a reversal of the same has. This is again in the chambers 22 adjusting high pressure used. This works over that of the respective chamber 22 associated line 26 but not on bolts 28 but on respective memory 32 containing a flowable sealant.

Wenn sich in dem durch die Dichtung 24 von dem restlichen Bereich des Flow Fields der Brennstoffzelle 10 abgetrennten Bereich der Kammern 22 der hohe Druck einstellt, so wird das fließfähige Dichtmittel aus dem jeweiligen Speicher 32 in die Kanäle 16 der Bipolarplatten 12 gedrückt. Hierbei kann das flüssige Dichtmittel – wie vorliegend beispielhaft gezeigt – direkt in das Flow Field eingebracht werden oder in einem Sammelkanal, von welchem aus die einzelnen, kleinen Kanäle 16 des Flow Fields ausgehen. Es kann auch als Kanal ein Anschluss der jeweiligen Brennstoffzelle 10, welcher zum Beaufschlagen derselben mit einem der Reaktanden vorgesehen ist, mit dem aus dem Speicher 32 stammenden Dichtmittel verschlossen werden.When in the seal 24 from the remaining area of the flow field of the fuel cell 10 separated area of the chambers 22 the high pressure sets, so the flowable sealant from the respective memory 32 into the channels 16 the bipolar plates 12 pressed. Here, the liquid sealant - as shown here by way of example - be introduced directly into the flow field or in a collection channel, from which the individual, small channels 16 out of the flow field. It can also be used as a port connecting the respective fuel cell 10 which is provided for applying the same with one of the reactants, with which from the memory 32 be sealed sealant.

Das Dichtmittel härtet bei der in 3 gezeigten Variante in dem Kanal 16 aus und sorgt so dafür, dass in der Brennstoffzelle 10 nicht mehr die Brennstoffzellenreaktion stattfinden kann. Auch bei dieser, anhand von 3 veranschaulichten Art des automatischen Deaktivierens der Brennstoffzelle 10 verbleibt das Dichtmittel in den Kanälen 16, wenn der Druck in den Kammern 22 wieder abnimmt.The sealant cures at the in 3 shown variant in the channel 16 and ensures that in the fuel cell 10 no longer the fuel cell reaction can take place. Also with this, by means of 3 illustrated manner of automatically deactivating the fuel cell 10 the sealant remains in the channels 16 when the pressure in the chambers 22 decreases again.

Die Umpolung der Brennstoffzelle 10 bewirkt hier aufgrund der Ausnutzung des Drucks in den Kammern 22 das fluidische Abdichten der Brennstoffzelle 10, wodurch diese Brennstoffzelle 10 deaktiviert wird.The polarity reversal of the fuel cell 10 causes here due to the use of pressure in the chambers 22 the fluidic sealing of the fuel cell 10 , causing this fuel cell 10 is deactivated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Brennstoffzellefuel cell
1212
Bipolarplattebipolar
1414
Membran-Elektroden-AnordnungMembrane electrode assembly
1616
Kanalchannel
1818
Dichtungpoetry
2020
Membranmembrane
2222
Kammerchamber
2424
Dichtungpoetry
2626
Leitungmanagement
2828
Bolzenbolt
3030
Mikrorelaismicro-relay
3232
SpeicherStorage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1492189 A1 [0007, 0009] EP 1492189 A1 [0007, 0009]
  • US 7358005 B2 [0010, 0011] US 7358005 B2 [0010, 0011]

Claims (9)

Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (10), welche jeweils eine zwischen zwei Separatorplatten (12) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (14) umfassen, wobei das Brennstoffzellensystem Mittel (22, 26, 28, 30, 32) zum Deaktivieren zumindest einer der Brennstoffzellen (10) bei einer Fehlfunktion derselben aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (22, 26, 28, 30, 32) dazu ausgelegt sind, eine bei einer als Umpolung auftretenden Fehlfunktion der Brennstoffzelle (10) sich einstellende Änderung einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle (10) und/oder eine bei der Umpolung sich einstellende Änderung eines Drucks in der Brennstoffzelle (10) zum Deaktivieren der Brennstoffzelle (10) zu nutzen.Fuel cell system with a plurality of fuel cells ( 10 ), each one between two Separatorplatten ( 12 ) arranged membrane electrode assembly ( 14 ), wherein the fuel cell system comprises means ( 22 . 26 . 28 . 30 . 32 ) for deactivating at least one of the fuel cells ( 10 in case of a malfunction thereof, characterized in that the means ( 22 . 26 . 28 . 30 . 32 ) are designed to prevent a malfunction of the fuel cell occurring as a polarity reversal ( 10 ) adjusting change in an electrical voltage of the fuel cell ( 10 ) and / or a change in a pressure occurring in the fuel cell during the polarity reversal ( 10 ) for deactivating the fuel cell ( 10 ) to use. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen ersten Bereich (22) der Brennstoffzelle (10) umfassen, welcher durch ein Trennelement (24) von einem zweiten Bereich der Brennstoffzelle (10) abgegrenzt ist und in welchem sich infolge der Umpolung der Brennstoffzelle (10) ein höherer Druck einstellt als im zweiten Bereich.Fuel cell system according to Claim 1, characterized in that the means comprise a first region ( 22 ) of the fuel cell ( 10 ), which by a separating element ( 24 ) from a second area of the fuel cell ( 10 ) is delimited and in which due to the polarity reversal of the fuel cell ( 10 ) sets a higher pressure than in the second range. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (22) über eine Leitung (26) mit wenigstens einem aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildeten Element (28) gekoppelt ist, welches durch den in dem ersten Bereich (22) herrschenden Druck aus einer Ausgangsstellung in eine Funktionsstellung bewegbar ist, in welcher das wenigstens eine Element (28) die beiden Separatorplatten (12) der umgepolten Brennstoffzelle (10) elektrisch leitend miteinander verbindet.Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the first area ( 22 ) via a line ( 26 ) with at least one element formed from an electrically conductive material ( 28 ) coupled by the one in the first area ( 22 ) is movable from a starting position into a functional position, in which the at least one element ( 28 ) the two separator plates ( 12 ) of the reversed fuel cell ( 10 ) electrically conductively connects to each other. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (22) über eine Leitung (26) mit wenigstens einem Speicher (32) gekoppelt ist, welcher ein Dichtmaterial enthält, mittels welchem zumindest ein Kanal (16) für einen der umgepolten Brennstoffzelle (10) zuführbaren Reaktanden verschließbar ist.Fuel cell system according to claim 2 or 3, characterized in that the first area ( 22 ) via a line ( 26 ) with at least one memory ( 32 ), which contains a sealing material, by means of which at least one channel ( 16 ) for one of the reversed fuel cells ( 10 ) is closable feedable reactants. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial dazu ausgebildet ist, in dem zumindest einen Kanal (16) auszuhärten.Fuel cell system according to claim 4, characterized in that the sealing material is adapted to in the at least one channel ( 16 ) to harden. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (22) über eine Leitung (26) mit wenigstens einem Absperrelement gekoppelt ist, welches durch den in dem ersten Bereich (22) herrschenden Druck aus einer Ausgangsstellung in eine Funktionsstellung bewegbar ist, in welcher das Absperrelement zumindest einen Kanal (16) für einen der umgepolten Brennstoffzelle (10) zuführbaren Reaktanden verschließt.Fuel cell system according to one of claims 2 to 5, characterized in that the first area ( 22 ) via a line ( 26 ) is coupled to at least one shut-off element, which by the in the first area ( 22 ) prevailing pressure from a starting position into a functional position is movable, in which the shut-off at least one channel ( 16 ) for one of the reversed fuel cells ( 10 ) occludes deliverable reactants. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ein Stellelement (32) umfassen, welches dazu ausgelegt ist, infolge der Änderung der elektrischen Spannung der umgepolten Brennstoffzelle (10) wenigstens ein aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildetes Element (28) aus einer Ausgangsstellung in eine Funktionsstellung zu bewegen, in welcher das wenigstens eine Element (28) die beiden Separatorplatten (12) der umgepolten Brennstoffzelle (10) elektrisch leitend miteinander verbindet.Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the means an actuator ( 32 ), which is designed as a result of the change in the electrical voltage of the reversed fuel cell ( 10 ) at least one element formed from an electrically conductive material ( 28 ) to move from a starting position into a functional position, in which the at least one element ( 28 ) the two separator plates ( 12 ) of the reversed fuel cell ( 10 ) electrically conductively connects to each other. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 oder 7 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 6 in dessen Rückbezug auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildete Element als zum Durchstoßen der Membran-Elektroden-Anordnung (14) ausgelegter Bolzen (28) ausgebildet ist.Fuel cell system according to Claim 3 or 7 or according to one of Claims 4 to 6, in the back reference to Claim 3, characterized in that the at least one element formed from an electrically conductive material is intended to pierce the membrane electrode assembly ( 14 ) designed bolts ( 28 ) is trained. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (10), welche jeweils eine zwischen zwei Separatorplatten (12) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (14) umfassen, bei welchem bei Vorliegen einer Fehlfunktion zumindest einer der Brennstoffzellen (10) diese Brennstoffzelle deaktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Deaktivieren der Brennstoffzelle (10) eine bei einer als Umpolung auftretenden Fehlfunktion der Brennstoffzelle (10) sich einstellende Änderung einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle (10) und/oder eine bei der Umpolung sich einstellende Änderung eines Drucks in der Brennstoffzelle (10) genutzt wird.Method for operating a fuel cell system with a plurality of fuel cells ( 10 ), each one between two Separatorplatten ( 12 ) arranged membrane electrode assembly ( 14 ) in which in the event of a malfunction of at least one of the fuel cells ( 10 ) this fuel cell is deactivated, characterized in that for deactivating the fuel cell ( 10 ) a malfunction of the fuel cell occurring as a polarity reversal ( 10 ) adjusting change in an electrical voltage of the fuel cell ( 10 ) and / or a change in a pressure occurring in the fuel cell during the polarity reversal ( 10 ) is being used.
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