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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kontaktierungsvorrichtung
zum elektrischen Kontaktieren einer Brennstoffzelle, und insbesondere zum
Kontaktieren von Kohlenstofftrennplatten in einem Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Elektrochemische
Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel
um, um elektrischen Strom und Reaktionsprodukte zu erzeugen. Eine
bevorzugte Art von Brennstoffzelle ist die Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle,
die einen Feststoff-Polymerelektrolyt oder Ionenaustauschmembran
verwendet. Der Membranelektrolyt ist im allgemeinen zwischen zwei
Elektrodenschichten (einer Kathoden- und einer Anodenschicht) angeordnet, um
eine Membranelektrodenanordnung ("MEA")
zu bilden. In einer typischen Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle
ist die MEA zwischen zwei elektrisch leitfähigen Trenn- oder Fluidflussfeld-Platten angeordnet.
Fluidflussfeldplatten haben zumindest einen Strömungsdurchlass in sich ausgebildet,
um ein Fluidreaktionsmittel (entweder Brennstoff oder Oxidationsmittel)
zu der passenden Elektrodenschicht zu leiten, nämlich zur Anode an der Brennstoffseite
und zur Kathode an der Oxidationsmittelseite. Die Trenn- oder Flussfeldplatten
dienen auch als Stromabnehmer und bieten eine mechanische Abstützung für die MEAs.
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Da
die Ausgangspannung einer einzelnen Brennstoffzelle relativ niedrig
ist (z. B. weniger als ein Volt), enthalten Brennstoffzellenstromversorgungen typischerweise
viele Zellen, die miteinander verbunden sind, üblicherweise in Reihe, aber
manchmal parallel, um die Gesamtausgangsspannung und die Leistung
der Versorgung zu erhöhen.
In einer Reihenanordnung sind die Brennstoffzellen üblicherweise
in einem Stapel angeordnet, so dass eine Seite einer gegebenen Trennplatte
als eine anodenseitige Platte für
eine Zelle dient, während
die andere Seite der Platte als die kathodenseitige Platte für die angrenzende
Zelle dient. Diese Trennplatte wird als eine bipolare Platte bezeichnet.
Ein Stapel mehrerer Brennstoffzellen wird als ein Brennstoffzellenstapel bezeichnet.
Der Brennstoffzellenstapel wird typischerweise in seinem zusammengebauten
Zustand durch Zugstangen und Endplatten zusammengehalten. Ein Kompressionsmechanismus
ist im allgemeinen erforderlich, um ein Abdichten um die inneren Stapelverteiler
und Strömungsfelder
herum zu gewährleisten,
und auch, um einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwischen den
Oberflächen
der Platten und den MEAs zu gewährleisten.
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Die
bipolaren Platten in diesen Brennstoffzellen müssen gewisse mechanische, elektrische
und Korrosionswiderstands-Voraussetzungen erfüllen. Metalle können für den Einsatz
in Plattenaufbauten in Erwägung
gezogen werden, aber viele gewöhnliche Metalle
und Legierungen sind aufgrund ihres unzureichenden Korrosionswiderstandes
ungeeignet. Während
stattdessen korrosionsbeständige
Metallverbindungen in Betracht gezogen werden können, stößt man häufig auf Schwierigkeiten beim
Herstellen eines elektrischen Kontakts durch die passivierenden Oberflächenschichten
dieser Verbindungen. Beschichtungen verschiedener Art wurden vorgeschlagen,
um den Einsatz als metallische bipolare Platten zu gestatten. Wie
zum Beispiel in der veröffentlichten
EP 1 107 340 offenbart,
kann ein elektrisch leitfähiges
Korrosionswiderstandpolymer, das elektrisch leitfähige Korrosionswiderstandsfüllteilchen
enthält, zum
Beschichten der Arbeitsflächen
der bipolaren Platten verwendet werden. Eine bevorzugte Alternative
zu metallischen Verbindungen ist, einen geeigneten Kohlenstoff zum
Plattenaufbau zu verwenden, da Kohlenstoffplatten geeignet leitfähig gemacht
werden können
und einen guten Korrosionswiderstand aufweisen.
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Um
Strom von dem Brennstoffzellenstapel zu beziehen, sind typischerweise
elektrische Verbindungen mit niedrigem Widerstand an jedem Ende des
Brennstoffzellenstapels vorgesehen unter Verwendung eines Paars
von Kupfer- oder kupferbeschichteten Sammelplatten. Es kann jedoch
aus anderen Gründen
wünschenswert
sein, eine oder mehrere Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel
elektrisch zu verbinden. Diese anderen elektrischen Verbindungen
sind typischerweise nicht dazu gedacht, den gesamten Stapelstrom
zu führen.
Zum Beispiel kann es sinnvoll sein, individuelle Zellspannungen
zu überwachen,
um anormal niedrige Spannungen während
des Betriebs zu erkennen. Dann können
wiederum korrigierende Maßnahmen
ergriffen werden, um eine Zelle oder Zellen vor einem Spannungsumschlag
zu bewahren, und somit einen umschlagsbedingten Schaden an der Zelle
und/oder dem Stapel zu verhindern. (Ein Spannungsumschlag kann in
einer schwächeren
Zelle in einem Reihenstapel auftreten, wenn die Zelle nicht in der
Lage ist, Strom auf dem gleichen Niveau wie andere Zellen in dem
Stapel bereitzustellen. In solch einer Situation wird ein ausreichend
hoher Strom, der durch die anderen Zellen in dem Stapel erzeugt
wird, durch die schwächeren
Zellen gezwungen und treibt sie zu einem Spannungsumschlag). Jede
Zellenspannung zu messen und jede Spannung einzeln mit einer Referenzspannung
zu vergleichen, mag in der Praxis lästig erscheinen. Jedoch kann
eine einfache Schaltung verwendet werden, um Niedrigspannungsbedingungen
von einer Zelle oder Zellen zu erkennen und dann korrigierende Maßnahmen
anzufordern.
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Zuverlässige elektrische
Verbindungen zu einzelnen Zellen in einem solchen Brennstoffzellenstapel
herzustellen kann dennoch problematisch sein, insbesondere bei Zellen,
die Kohlenstofftrennplatten verwenden. Mit der Fortentwicklung von Brennstoffzellen
wurden die Trennplatten immer dünner
und enger beabstandet. Dies macht es schwieriger, elektrische Kontakte
mit der Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel auszurichten
und einzubauen. Darüber
hinaus ist der Abstand von Zelle zu Zelle (d. h., der Zellenabstand)
Gegenstand von Schwankungen aufgrund von Herstellungstoleranzen und
von Ausdehnung und Kontraktion während
des Betriebs des Stapels (als Folge der thermischen Schwankungen,
Innendruckänderungen
und allmählicher
Komprimierung der Zellkomponenten über die Zeit). Daher müssen geeignete
Verbindungen diese Schwankungen berücksichtigen. Weiterhin kann
der Brennstoffzellenstapel Schwingungen ausgesetzt sein, und daher
müssen
zuverlässige
Verbindungen imstande sein, einen Kontakt sogar dann aufrecht zu erhalten,
wenn sie Schwingungen unterliegen. Unsachgemäß angebrachte Verbindungen
können
zudem die Dichtungen in der Brennstoffzelle stören.
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Zusätzliche
Probleme treten auf, wenn herkömmliche
Metallzusammensetzungen für
die Anschlussstücke
verwendet werden. In der unmittelbaren Nähe einer Brennstoffzelle kann
die Umgebung feucht, heiß und
entweder säurehaltig
oder alkalisch sein. Zum Beispiel können in Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen
Kohlenstoffplatten etwas porös sein.
Die Umgebung in der unmittelbaren Nachbarschaft der Platten kann
daher etwas ähnlich
zu der innerhalb der Zellen sein mit der Folge, dass die metallischen
Anschlusstücke
einer Korrosion ausgesetzt sein können. Umgekehrt kann das Anschlussstücke auch
eine Quelle für
Verunreinigungen sein. Darüber hinaus
kann die relativ gute elektrische Leitfähigkeit der metallischen Verbindungsstücke ein
Nachteil sein für
den Fall eines versehentlichen Kurzschlusses zwischen den Verbindungsstücken, die
mit verschiedenen Zellen in einem Reihenstapel verbunden sind. Große Ströme können durch
so einen versehentlichen Kurzschluss fließen und dadurch eine Gefahr
darstellen.
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Verschiedene
Kontaktierungsvorrichtungen sind zur Herstellung solcher elektrischer
Verbindungen in Betracht gezogen worden. Kupferlappen und spatenartige
Anschlussstücke
wurden erwogen, zeigen aber viele der vorgenannten Nachteile. Die
veröffentlichte
PCT-Anmeldung WO 99/66339 zum Beispiel zeigt eine Vorrichtung, die
flexible Federdrahtkontakte verwendet, die eine Druckverbindung
zu Bestandteilen in einem Brennstoffzellenstapel herstellen.
EP 1 001 666 zeigt die Verwendung
einer flexiblen gedruckten Leiterplatte zum Herstellen elektrischer
Verbindungen zu Bestandteilen in einem Brennstoffstapel.
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Entsprechend
verbleibt ein Bedürfnis
nach einem verbesserten elektrischen Kontakt innerhalb einer Brennstoffzelle,
insbesondere um Kohlenstofftrennplatten in einer Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle
zu verbinden. Diese Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse
und bietet weitere damit verbundene Vorteile.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
verbesserte elektrische Kontaktierungsvorrichtung zum Kontaktieren
einer Brennstoffzelle verwendet einen elektrischen Kontakt, der
eine nichtmetallische, elektrisch leitfähige Elastomerzusammensetzung
umfasst. Die Vorrichtung kann mehrere solcher elektrischer Kontakte
beinhalten, um Verbindungen zu mehreren Brennstoffzellen in einem
Reihenstapel herzustellen. Der Kontakt oder die Kontakte sind an
einem geeigneten Träger
befestigt und sind elektrisch isoliert, um einen Kurzschluss mit
anderen Kontakten zu verhindern. Die Vorrichtung kann an der Brennstoffzelle
so befestigt sein, dass der elektrische Kontakt oder die Kontakte
zwischen dem Träger
und der Brennstoffzelle zusammengedrückt werden.
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Die
Elastomerzusammensetzung in dem elektrischen Kontakt umfasst ein
Elastomer und einen nichtmetallischen Leiter. Die Zusammensetzung beinhaltet
ausreichend Leiter, so dass die Zusammensetzung selbst leitfähig ist.
Geeignete Leiter umfassen Kohlenstoff oder ein leitfähiges Polymer.
Ein geeignetes Elastomer umfasst Silikon. Eine repräsentative
Zusammensetzung ist kohlenstoffimprägniertes Silikon.
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Die
elektrischen Kontakte in der Kontaktierungsvorrichtung können vollständig aus
der leitfähigen
Elastomerzusammensetzung hergestellt sein. Zum Beispiel können die
Kontakte in einem geeigneten Träger
befestigte Kontaktflächen
sein, die aus der leitfähigen
Elastomerzusammensetzung gebildet sind. Alternativ können die
elektrischen Kontakte geschichtet sein und abwechselnd elektrisch
leitfähige Schichten
(hergestellt aus einer Elastomerzusammensetzung) und elektrisch
nicht-leitfähige
Schichten (hergestellt aus Elastomer) aufweisen. Mit diesem geschichteten
Aufbau können
sowohl die Kontakte als auch der Träger für die Kontakte aus dem gleichen
geschichteten Material in einem einzigen Stück hergestellt sein (da jeder
Kontakt in solch einer einheitlichen Vorrichtung durch die abwechselnden Elastomerschichten elektrisch
voneinander isoliert ist). Ein Kammaufbau ist für eine Vorrichtung geeignet,
bei der die Kontakte mit dem Träger
einheitlich sind. Verschiedene Konfigurationen können als Kontaktierungsfläche der
Kontakte in den vorhergehenden Ausführungsformen verwendet werden.
Zum Beispiel kann die Kontaktierungsfläche quadratisch sein.
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Jeder
Kontakt in einer geschichteten Ausführungsform kann mehrere elektrisch
leitfähige
Schichten umfassen, um eine einzelne gewünschte elektrische Verbindung
zu der Brennstoffzelle herzustellen. Mehrfache Schichten in dem
Kontakt können
eine ausreichende elektrische Verbindung für den Fall sicherstellen, dass
Verbindungsschwierigkeiten mit irgendeiner einzelnen leitfähigen Schicht
auftreten. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, mehr als drei
sich abwechselnde elektrisch leitfähige Elastomenzusammensetzungsschichten
in einem Kontakt zu haben.
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Die
elektrische Kontaktierungsvorrichtung kann zusätzlich eine Leiterplatte umfassen,
bei der die Leiterplatte eine Mehrzahl metallischer Kontakte umfasst,
die sich im Eingriff mit den elektrischen Kontakten in dem Träger befinden.
Die Leiterplatte kann gegen den Träger zusammengedrückt werden,
der wiederum die elektrischen Kontakte gegen die Brennstoffzelle
zusammendrückt.
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Die
elastomerbasierte elektrische Kontaktierungsvorrichtung bietet verschiedene
wünschenswerte
Vorteile. Sie ist flexibel und kann daher eine zuverlässige Verbindung
zu der Brennstoffzelle aufrechterhalten. Der elektrische Widerstand
der Vorrichtung (vom Kontakt zum Träger) kann von mittlerer Größe sein,
zum Beispiel zwischen ungefähr 500-1500
Ohm, was niedrig genug für
die Zwecke der Spannungsmessung oder ähnliches ist, aber hoch genug,
um zu verhindern, dass ein erheblicher Strom in dem Fall fließt, dass
ein elektrischer Kurzschluss zwischen angrenzenden Kontakten auftritt (und
daher zwischen angrenzenden Brennstoffzellen in einem Stapel). Korrosion
an der Grenzfläche
zwischen Brennstoffzelle und Kontakt kann dadurch vermieden werden,
dass ein geeigneter nichtmetallischer Leiter in dem Kontakt verwendet
wird. Die verbesserten elektrischen Kontaktierungsvorrichtungen sind
daher geeignet, elektrische Verbindungen mit einer Vielzahl von
Brennstoffzellentypen herzustellen, aber insbesondere zu Kohlenstofftrennplatten,
die in einer Feststoffpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle verwendet
werden.
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Diese
und andere Gesichtspunkte der Erfindung werden durch Bezugnahme
auf die beigefügten Figuren
und die folgende genaue Beschreibung offensichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN
DER ZEICHNUNG(EN)
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1a ist
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen kammförmigen elektrischen Kontaktierungsvorrichtung.
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1b ist
eine Draufsicht auf eine tatsächliche
Gefügeaufnahme
der elektrischen Kontaktierungsvorrichtung gemäß den Beispielen und zeigt
die sich abwechselnden leitfähigen
(dunkleren) und nicht-leitfähigen
(helleren) Schichten.
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2 zeigt
eine Leiterplattenvorrichtung zum Anbringen mehrerer Kontaktierungsvorrichtungen
an einem Brennstoffzellenstapel, um einzelne Brennstoffzellenspannungen
zu messen.
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3 zeigt
die elektrische Kontaktierungsvorrichtung, die mehrere Trennplatten
eines Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels kontaktiert.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende elektrische Kontaktierungsvorrichtung ist besonders
geeignet zum Herstellen elektrischer Verbindungen mit mäßigem Widerstand zu
einer Mehrzahl bipolarer Kohlenstofftrennplatten in einem Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel.
Als solche ist sie besonders geeignet zum Überwachen von Zellenspannungen
in dem Brennstoffzellenstapel.
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Die
in so einer Vorrichtung verwendeten Kontakte umfassen eine nichtmetallische,
elektrisch leitfähige
Elastomerzusammensetzung. Die Zusammensetzung weist ein geeignetes
Elastomer und einen nichtmetallischen elektrischen Leiter auf. Das Elastomer
verleiht der Kontaktierungsvorrichtung Flexibilität und ist
aus jeglichem duroplastischen oder thermoplastischen Elastomer hergestellt,
der mit der Brennstoffzellenkonstruktion kompatibel ist (wie z.
B. Elastomere, die für
innere Brennstoffzellendichtungen verwendet werden). Ausreichend
viel nichtmetallischer Leiter wird in der Zusammensetzung verwendet,
um sie elektrisch leitfähig
zu machen. Der nichtmetallische Leiter hält Korrosion stand und ist
vorzugsweise dem Material ähnlich,
mit dem er kontaktiert wird. Daher kann, um eine Kohlenstofftrennplatte zu
kontaktieren, ein ähnlicher
rußförmiger Kohlenstoff
als nichtmetallischer Leiter ver wendet werden. Eine repräsentative
Elastomerzusammensetzung für diese
Anwendung ist kohlenstoffimprägniertes
Silikon.
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Eine
repräsentative
elektrische Kontaktierungsvorrichtung, um mehrere Kohlenstofftrennplatten
in einem Brennstoffzellenstapel zu verbinden, ist in den 1a und 1b gezeigt.
Eine kammförmige
Vorrichtung 1 umfasst elf quadratisch-flächige elektrische
Kontakte 2, die an einem Träger 3 befestigt sind.
Die Vorrichtung 1 weist einen geschichteten Aufbau auf,
der abwechselnd elektrisch leitfähige Schichten
(hergestellt aus kohlenstoffimprägniertem Silikon)
und elektrisch nicht-leitfähige
Schichten (hergestellt nur aus Silikon) aufweist. In der in 1a gezeigten
schematischen Zeichnung liegen die sich abwechselnden Schichten
parallel zu der X-Z Ebene. Daher ist die Vorrichtung in den X- und
Z-Richtungen leitfähig,
nicht aber in der Y-Richtung. Die Y-Z-Fläche jedes Kontakts 2 stellt
dann einen Leitungspfad zu einer Y-Z-Fläche der gleichen Größe auf der
gegenüberliegenden
Seite des Trägers 3 bereit.
Jeder Kontakt 2 ist jedoch elektrisch voneinander in der
Y-Richtung durch geeignete nichtleitfähige Schichten isoliert. 1b zeigt
eine Ansicht von oben auf eine tatsächliche Gefügeaufnahme der elektrischen
Kontaktierungsvorrichtung, die in den Beispielen weiter unten verwendet
wird. Die dunkleren Schichten sind kohlenstoffimprägniertes
Silikon, und die helleren Schichten sind Silikon. Es ist wünschenswert,
mehr als eine leitfähige
Schicht in jedem Kontakt (z. B. > 3) vorliegen
zu haben, da dies insgesamt eine zufriedenstellende elektrische
Verbindung für
den Fall zur Verfügung
stellt, dass irgendeine Schicht einen schlechten Kontakt mit einer
Trennplatte herstellt. Die Vorrichtung kann aus einem einzelnen
Block aus geschichtetem Material hergestellt sein, indem einfach
geeignete Schlitze darin eingearbeitet werden, um die Zinken des
Kamms zu bilden. Die Vorrichtung, die in 1b gezeigt
wird, weist typischerweise ungefähr
7 leitfähige
Schichten je Kontakt auf.
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Eine
alternative Vorrichtung zum Kontaktieren mehrerer Trennelemente
in einem Stapel enthält mehrere
Kontaktflächen,
die nur aus kohlenstoffimprägniertem
Silikon (d.h., ohne Schichten) hergestellt sind, die in einem geeigneten
Träger
befestigt sind. Der Träger
ist in diesem Fall aus einem anderen, nicht-leitfähigen Material
hergestellt, um die Kontakte voneinander zu isolieren. Alternativ
kann eine Vorrichtung einfach nur einen Kontakt aufweisen, und eine
solche Vorrichtung kann für
jeden gewünschten Kontakt
in einem Stapel verwendet werden.
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Die
obigen elektrischen Kontaktierungsvorrichtungen stellen eine zuverlässige Verbindung
zu Zellen in einem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung. Die
elektrischen Kontaktierungsvorrichtungen werden dann wiederum verwendet,
um herkömmliche metallische
Verbindungsstücke
von dem Brennstoffzellenstapel weg zuverlässig zu verbinden. Da die Umgebung
um den typischen Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffstapel herum mit steigendem
Abstand zu dem Stapel rasch weniger korrosiv wird, kann die elektrische
Kontaktierungsvorrichtung ziemlich kompakt sein. Zum Beispiel kann
ein zufriedenstellender Kontakt zu herkömmlichen metallischen Leitern
rund 1 cm von dem Stapel entfernt hergestellt werden.
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2 zeigt
eine Leiterplattenanordnung 4, die verwendet werden kann,
um elf elektrische Kontaktierungsvorrichtungen wie in 1a gezeigt
mit einer geeigneten Spannungsüberwachungs- und/oder
Steuerschaltung für
einen 110-Zellen-Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzellstapel
zu koppeln. (In dieser Ausführungsform
werden Endkontakte 6 an angrenzenden Leiterplatten 5a und 5b mit
der gleichen Brennstoffzelle verbunden, um bei einer Ausrichtung
zu helfen). Die Anordnung 4 umfasst zwei parallele Reihen
gedruckter Leiterplatten 5a und 5b. Jede Leiterplatte 5a und 5b umfasst
elf metallische Kontakte 6 zum Kontakt mit der Y-Z-Fläche des Trägers 3 der
elektrischen Kontaktierungsvorrichtung 1, wie in 1a gezeigt,
um dadurch jeden metallischen Kontakt 6 mit einem entsprechenden
nichtmetallischen Kontakt 2 in der Vorrichtung 1 zu
verbinden. Die Leiterplatten 5a und 5b sind in
zwei Reihen gestaffelt, um Abmessungsschwankungen des Stapels (z.
B. des Trennelement-Trennelement-Abstands oder Trennelementbreiten-Schwankungen) aufzunehmen.
Metallische Kontakte 6 können aus einer korrosionsresistenten
metallischen Zusammensetzung hergestellt sein wie z.B. aus Gold
oder einem vergoldeten Metall. Die gedruckten Leiterplatten 5a und 5b sind
aus einem herkömmlichen
starren Material hergestellt, das dazu verwendet werden kann, die
Kontaktierungsvorrichtungen 1 gleichmäßig gegen den Brennstoffzellenstapel
zu pressen. Zwei nachgiebige lineare Komprimierungsstangen können verwendet
werden, um eine Druckkraft auf die zwei entsprechenden Reihen gedruckter
Leiterplatten 5a und 5b auszuüben.
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Die
gedruckten Leiterplatten 5a und 5b wiederum sind
mit der Hauptleiterplatte 8 durch flexible Abschnitte 7 verbunden.
Die Hauptleiterplatte 8 ist ebenfalls aus einem starren
herkömmlichen
Material hergestellt und kann eine geeignete Spannungsüberwachungs-
und/oder Steuerschaltung für
den Brennstoffzellenstapel umfassen. Die Hauptleiterplatte 8 ist an
einem Gehäuse
für den
Brennstoffzellenstapel befestigt, während die gedruckten Leiterplatten 5a und 5b an
dem Stapel selbst befestigt sind. Die flexiblen Abschnitte 7 nehmen
Toleranzen der Stapelkomponenten auf und erlauben es den Brennstoffzellen, sich
in dem Stapel bezüglich
des Gehäuses
zu bewegen. Die flexiblen Abschnitte 7 können aus
einem Material wie Kapton® Polyimid hergestellt
sein und weisen auf sich leitfähige
Leiterbahnen auf, um jeden metallischen Leiter 6 mit einer
geeigneten Position auf der Hauptplatte 8 zu verbinden.
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3 zeigt
eine schematische Zeichnung einer elektrischen Kontaktierungsvorrichtung 1,
die mit Trennplatten 9 in einem Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel 10 verbunden
ist. Der Stapel 10 umfasst eine Stapelreihe aus Brennstoffzellen, von
denen jede eine Membranelektrodenanordnung 11 umfasst,
die zwischen zwei kohlenstoffbasierten bipolaren Trennplatten 9 eingelegt
ist. Wie in 3 gezeigt, erstreckt sich der
Membranelektrolyt in der Membranelektrolytanordnung 11 über den
Rand der Trennplatte 9 hinaus und in die die Kontakte 2 trennenden
Schlitze, wodurch er hilft, die Vorrichtung 1 bezüglich des
Brennstoffzellenstapels 10 auszurichten und einen Kurzschluss
zwischen den angrenzenden Kontakten 2 zu verhindern. Ein
Halter 12 (hergestellt aus Nylon oder anderem geeigneten
Material) dient dazu, die Vorrichtung 1 mit der Leiterplatte 5a auszurichten
und die beiden zusammenzuhalten. Eine Druckkraft (dargestellt durch
Pfeile 13) wird durch einen nachgiebigen Druckbalken (nicht
gezeigt) ausgeübt,
der die metallischen Kontakte 6 gegen die Vorrichtung 1 drückt und
auch die Vorrichtung 1 gegen die Trennplatten 9 drückt. Der
nachgiebige Druckbalken kann an dem Stapel befestigt sein, und einem
Ende wird es ermöglicht,
zu gleiten, um eine Bewegung in dem Stapel aufzunehmen.
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Die
elastomerbasierte elektrische Kontaktierungsvorrichtung, die in
den vorangegangenen Figuren gezeigt wurde, bietet eine zuverlässige Verbindung
zu mehreren Brennstoffzellen. Die Vorrichtung ist nachgiebig und
in der Lage, Veränderungen
der Abmessungen des Stapels während
des Betriebs zu beherrschen (die Materialien, die in der Vorrichtung verwendet
werden, sind den Materialien ähnlich,
die in dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden, und haben daher ähnliche
Wärmeausdehnungseigenschaften),
und ist in der Lage, typische Stöße und Schwingungen
auszuhalten, die dem Stapel widerfahren. Der elektrische Widerstand
der kohlenstoffimprägnierten
Vorrichtung ist niedrig genug, um zur Spannungsmessung annehmbar
zu sein, und immer noch hoch genug, um einen erheblichen Stromfluss im
Falle eines Kurzschlusses zwischen Kontakten zu verhindern. Die
Verwendung eines nichtmetallischen Leitungsmaterials, das dem Trennplattenmaterial, das
kontaktiert wird, ähnlich
ist, vermeidet jede wesentliche Korrosion an der Grenzfläche zwischen Kontakt
und Trennplatte.
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Alternative
Ausführungsformen
zu der in den vorhergehenden gezeigten Figuren gezeigten sind leicht
vorstellbar. Zum Beispiel kann der Träger stattdessen aus einem elektrisch
isolierenden Material hergestellt werden, und die Kontakte können sich durch
den isolierenden Träger
erstrecken und dennoch von ihm aufgenommen werden. Als weitere Option
können
weniger Kontakte (herunter bis zu einem Kontakt pro Vorrichtung)
oder mehr als die elf gezeigten in einer gegebenen Vorrichtung verwandt
werden. Die Anzahl wird teilweise von den verschiedenen Komponentenabmessungen
und der gewünschten
Nachgiebigkeit abhängen.
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BEISPIELE
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Kontaktierungsvorrichtungen
wurden hergestellt, um eine Zellspannungsüberwachungsvorrichtung mit
einem 72 KW-Feststoffpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel zu
verbinden. Die Vorrichtungen wiesen eine geschichtete Konstruktion
wie oben gezeigt und beschrieben auf (d. h. bestehend aus sich abwechselnden
kohlenstoffimprägnierten Silikon-
und Silikon-Schichten) und wurden von Z-axis Connector Co. kundenspezifisch
hergestellt. Akzeptable Vorrichtungen für diese Anwendung maßen ungefähr 1 cm
bis 2 1/2 cm mal 1/2 cm in der X-, Y- bzw. Z-Richtung im Hinblick
auf 1.
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Ein
72 KW-Stapel mit Überwachungsvorrichtung
wurde kontinuierlich über
500 Stunden ohne beobachteten Kontaktausfall oder Zellenkurzschluss betrieben.
In vorherigen Versuchen, in denen goldene Federfingerkontakte verwendet
wurden, trat im Durchschnitt ungefähr jede 380zigste Stunde des Betriebs
eine Fehlfunktion auf (entweder ein Fingerbruch, ein Kontaktverlust
aufgrund von Korrosion oder ein Zellenkurzschluss).
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In
einem anderen Test unter Verwendung ähnlicher Vorrichtungen, die
mit den Trennelementen in einem 110-Zellen-Stapel verbunden waren,
wurde jeder Kontaktwiderstand (d. h. der Grenzflächenwiderstand jedes Kontakts
zur Trennelementverbindung) vor dem Betrieb des Stapels protokolliert.
Die Kontaktwiderstände
befanden sich ursprünglich
alle im Bereich von ungefähr
300 bis 500 Ohm. Nach zwei Stunden kontinuierlichen Betriebs wurde
jeder Kontaktwiderstand wieder protokolliert. Es wurde eine geringe
Abweichung des Kontaktwiderstands für alle Verbindungen von den
Kontakten zu den Trennelementen beobachtet. Eine ähnliche
110 Zellen-Stapelausführungsform
wurde dann Schwingungstests unterzogen. Wiederum lag der ursprüngliche
Kontaktwiderstand für
jeden Kontakt im Bereich von ungefähr 300 bis 500 Ohm. Der Stapel
wurde dann in Längsrichtung
in Schwingungen versetzt gemäß den Anforderungen
für USABC
und IEC-68-2-6 Widerstandsfähigkeitstests
(Frequenzbereich 10-190 Hz mit 3,5g Beschleunigung bei niedriger
Frequenz und 0,75g bei hoher Frequenz). Nach dem Schwingungstest
betrugen die Kontaktwiderstände weniger
als 300 Ohm. Die nichtmetallischen Kontaktierungsvorrichtungen stellen
einen zuverlässigen
Kontakt zu den Trennplatten in dem Stapel her und zeigen eine verbesserte
Leistung gegenüber
einer herkömmlichen
metallischen Kontaktierungsvorrichtung.