專利名稱：用于燃料電池堆的作為自動調(diào)節(jié)啟動電阻器的正溫度系數(shù)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的運行。更具體地，本發(fā)明涉及調(diào)節(jié)氫燃料電
池堆的啟動和停止的改進(jìn)方法。
背景技術(shù)：
就用于汽車推進(jìn)目的所需的燃料電池而言，對于燃料電池，快速實 現(xiàn)全功率變得重要。這需要從環(huán)境溫度快速增加至l證常運衍鵬。電化學(xué)燃料電池把燃料和氧化齊囀化為電、反應(yīng)產(chǎn)物(例如在氫供
燃料和氧氣氧化的燃料電池例子中為水)和熱量。典型的，燃料電池具有從分 隔燃料和氧化劑的膜電極組裝件("MEA ")。 MEA是發(fā)生反應(yīng)的場所并且包 含加速反應(yīng)所需的催化劑。MEA能被在陽極中同時存在的空氣和氫所損害。損害的程度取決 于電池的電壓，電壓越高，導(dǎo)致的損害越大。最有可能發(fā)生損害的時候是在燃 料電池啟動期間。因為燃料電池典型的產(chǎn)生低電壓，它們通常組織成多電池串聯(lián)連接 的堆。這樣允許它們聯(lián)合以產(chǎn)生更高的電壓。加速達(dá)到適當(dāng)功率水平的一個方法是使燃料電池堆一起將燃料電池 短路。這壓制引起燃料電池產(chǎn)生額外熱量的電壓，該額外熱量是由通過短路元 #^供的電阻加熱而補充的。來自兩個來源的額外的熱量可以加快電池達(dá)到正 常運行溫度，其能夠獲得更高的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了怎樣經(jīng)濟地調(diào)節(jié)燃料電池來保持其在低電平的問題。 該解決辦法將使用作為短路電阻器的正溫度系數(shù)(PTC)元件。該PTC元件具 有在低運行、鵬(例如低于40°C)下的低電阻，和在正常運行Mit例如80°C 的高電阻。借助從四毫歐改變到四歐姆的電阻，PTC可以起到熱控開關(guān)的作用。 j頓該PTC可以在啟動期間保謝氐電壓以限制對MEA中的催化 劑層的損害，該損害由于啟動期間在陽極中存在空氣和氫而產(chǎn)生。這可以有助 于延長燃料電池壽命。
在一個實施方案中，燃料電池組裝件包含至少一對間隔開的板；位 于該板之間的膜；以及電連接在所述板之間的正溫度系數(shù)元件，其中在燃料電 池啟動期間所述元件限制燃料電池產(chǎn)生的電壓，直到燃料電池達(dá)到正常運行溫度。在另一個實施方案中，該燃料電池組裝件包含設(shè)置在堆中正端鈕和 負(fù)端鈕之間的多個雙極板；多個膜，每個膜位于相鄰板之一的相關(guān)對之間；以 及電連接至lj該堆的正溫度系數(shù)電壓限制部件，其中在燃料電池的啟動期間，該 限制部件限制燃料電池產(chǎn)生的電壓，直到燃料電池達(dá)至'征常運行溫度。本發(fā)明的上述，以及其他優(yōu)點，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在考慮 到附圖時從以下，實施方案的說明中，將會變得顯而易見，其中
圖1是PTC元件的典型的電,溫度特性圖表；
圖2是對于典型的啟動，燃料電池堆電壓、PTC元件電流和PTC 元件、鵬相對時間的圖表；圖3是具有單PTC元件的燃料電池堆的示意圖；
圖4是具有嵌入在膜中的PTC元件的燃料電池的示意圖；
圖5是具有用于共同短路電池的嵌入的PTC元件的兩個燃料電池的 局部透;見圖；圖6是結(jié)合圖5所示的結(jié)構(gòu)的燃料電池堆的示意圖；以及
圖7是在啟動期間比較低電阻的情況和高電阻的情況的電池電壓、 堆空氣流和堆氫流的圖表。
具體實施例方式以下詳細(xì)說明和


和示例本發(fā)明的各種具體實施方案。該說 明書和附圖使本領(lǐng)域技術(shù)人員育巨夠制造和使用本發(fā)明，以及并不想要以任何方 式限制本發(fā)明的范圍。關(guān)于公開的方法，所列步驟在本質(zhì)上^例性的，因而，
步驟的順序不是必須的,格的。本發(fā)明利用正溫度系數(shù)(PTC)元件作為針對燃料電池堆的短路電
阻器。圖1所示為典型PTC元件的電阻特性的例子，在圖1中可以發(fā)現(xiàn)，定 義特征為在最小^Jt之后電阻隨著溫度急居贈加。PTC元件的使用是在啟動時 控制燃料電池堆電壓以使其產(chǎn)生更多的熱量并且因此快m到更有效率的運行 ^Jt的經(jīng)濟的方法。該PTC元件通過壓制燃料電池的電壓而工作，這使燃料 電池高效產(chǎn)生熱量并且低效產(chǎn)生電流。而且PTC元件提供的電阻熱量可以有 助于堆快皿到正常運行、Sit。在燃料電池啟動時PTC元件位于溫度TN，可能低于40°C。在該溫 度PTC元件具有低電阻RN，劍氐電阻將使電壓下降和阻止膜的退化。PTC元 件將隨著時間加熱并改變其電阻。在溫度T^之上電阻呈指數(shù)增加并且自我限 制。在40。C和8(TC之間材料的電阻系數(shù)可以增加大約三個數(shù)量級，得到熱控 "開關(guān)"。典型的PTC元件大約是1300微米厚。這引起對于130mirf面積的 元件，電阻(RRtf)為大約五歐姆。本發(fā)明需要大約毫歐的"開啟"電阻。這 可以Sil減少厚度和/或增加元件的接觸面積而完成。在燃料電池應(yīng)用中優(yōu)選的 是保持大約100mm2或更少的接觸面積。這需要PTC材料將是大約20到40微米厚。本發(fā)明在燃料電池堆中使用PTC元件作為短路電阻器以在斷電之后 消散堆的肯疆并且作為啟動電阻器以提供電阻熱量以有助于加熱堆。PTC元件 一直電連接(橫跨 ^燃料電池堆或在堆的每一個電池之間)。不管PTC元件 是四毫歐電阻(關(guān)閉)還是四歐姆電阻(打開)，其能通過堆冷卻溫度控制， ifc^fflil7賴,入口溫度控制。在停止階段流向堆的反應(yīng)物停止但是堆內(nèi)具有 將保持高電平的殘余反應(yīng)物。在短期周期的堆里的低溫冷卻劑(<40°C)的連 續(xù)流會使PTC元件冷卻并且變"短路"，耗盡反應(yīng)物并且使堆放電。圖2示出 典型啟動的堆電壓、PTC電流和PTC^Jt波形。在本發(fā)明的第一實施方案中，只有一個具有散熱器或連接到堆(例 如冷卻劑出口)的PTC元件將被連接到堆。在圖3中，燃料電池堆具有7賴卩 劑進(jìn)口 12和冷卻劑出口 14。在正端鈕16和負(fù)端鈕18之間連接的負(fù)載(未示 出)上產(chǎn)生電功。PTC元件20位于冷卻劑出口 14上并且在端鈕16和18之間
連接。該元件20需要為高壓(高達(dá)450VDC)設(shè)計，該高壓需要更厚的PTC 元件以避免在高壓下短路和大的接角蟲面積以在合理的時間內(nèi)讓"幵啟"電阻下 降到堆10放電的水平。PTC元件20 ^M^堆電連接并且熱連接到冷卻劑出 口 14。 PTC元件保持低電阻模式的時間量取決于其能量消耗和傳遞到冷卻劑 的熱量的組合。本實施方案具有單一電連接和僅有一個PTC元件的優(yōu)點。然 而，在充電和放電循環(huán)中如果任意單電池缺乏反應(yīng)物，本實施方案可能導(dǎo)致腐 蝕。在本發(fā)明的第二實施方案中，薄PTC元件育詢多集皿#雙極板或 膜上。如圖4所示，板22和24位于膜26的相對側(cè)。PTC元件28位于形j^ 膜26中的腔30中。絲網(wǎng)印刷的PTC墨可以是一個選項，只要其展示出如上 述圖1所示的相同的溫傲電阻特性即可。在打印設(shè)計中，每一個電池PTC元 件的優(yōu)選位置靠近冷卻劑進(jìn)口頭部。該區(qū)域沒有反應(yīng)物和冷卻劑接觸，然而很 好地?zé)徇B接到冷卻劑。來自相鄰電池的封裝負(fù)荷(seal load)將提供對于耐受 量相對不敏感的接觸力。圖4中，該PTC元件28在32連接到上板22。板簧34位于PTC 元件28和下板24之間以增強電f魏蟲。圖5更詳細(xì)的示出嵌入PTC元件的實施方案。PTC元件28的位置 旨的多在鄰接電池單元上交錯以更好地利用電池重復(fù)距離。用于每一個電池的膜 26 (或子墊圈或承載物)中的開口 30需要允許該板ffiil PTC元件28短路。 以這種方式配置的堆36將基本上具有如圖6的電等效電路所示的跨越每一個 電池的PTC元件。該配置保持簡單電連接，但是提供對于每一個電池的唯一 電流路徑，從而消除反應(yīng)物分配和腐蝕問題。
氫氣首先供應(yīng)到陽極;，、;導(dǎo)致在(^極側(cè)上的IV空氣前緣，和^陰極側(cè)的空
氣。在該初始階段電池電壓決定電極損壞的速度；電壓越高，電催化齊喔的退 ira度越高。 的，使用電阻元件以降低啟動期間的電壓，其中更小的電阻 器帶來更低的電壓并因此更低的退化速度。然而，更小的電阻器由于在接觸器 的可靠性上的封裝限制而難以在堆中使用。硅控整流器(SCR)可以作為'燃料 電池堆中的電阻元件。圖7示出啟動程序期間電池電壓和空氣和氫氣流速的圖表。情況1 (40)和情況2 (42)中的電池電壓示為用于兩種不同的電阻值的示例，R,請況, <<R tsa2以突出更小的電阻的需要。設(shè)計的SCR元件在啟動時具有很小的電 阻并因此離多用作啟動-停止電阻器?？諝饬魉儆删€44示出以及氫氣流速由線 46示出。
依據(jù)本發(fā)明的設(shè)備消除了昂貴的啟動/停止繼電器和外部控制，并且 比繼電器更易于封裝。在冷啟動期間，由于電池整體短路，在短時間內(nèi)每一個 電池會產(chǎn)生非常小的電壓(以及很多熱量)。額外的熱量非常有助于加熱堆到 運份鵬。
如前所述，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易地確定本發(fā)明的本質(zhì)特征以 及，在不脫離其精神和范圍的情況下，對本發(fā)明作出各種改變和修改以使其適 應(yīng)各種用途和條件。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池，包括至少一對間隔開的板；位于所述板之間的膜；以及電連接在所述板之間的正溫度系數(shù)元件，其中在該燃料電池的啟動期間所述元件限制由該燃料電池產(chǎn)生的電壓，直到該燃料電池達(dá)到正常運行溫度。
2、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述元件位于該燃料電池的冷卻 劑出口并且電連接在該燃料電池的正端鈕和負(fù)端鈕之間。
3、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述元件位于形i^E所述膜中的 開口處并且電連接在所述至少一對板之間。
4、 如權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中所述元件連接至所述板之一。
5、 如權(quán)利要求3所述的燃料電池，包括位于所述元件和所述板之一之間 的所述開口中的彈簧。
6、 如權(quán)禾腰求1所述的燃料電池，其中所述元件具有與所述板的接觸區(qū) 域，該接觸區(qū)域少于100平方毫米。
7、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述元件M絲網(wǎng)印墨形成。
8、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中該燃料電池包括設(shè)置在堆中的多 個所述板，所述膜之一位于所述板的每個相鄰對之間以及所述元件之一連接在 ^相鄰板對的所述板之間。
9、 如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其中所述元件交錯排列在相鄰的所述 膜之一上。
10、 如權(quán)禾腰求l所述的燃料電池，其中所述元件為20到40微米厚。
11、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述元件是可控硅整流器。
12、 一種燃料電池，包括 設(shè)置在堆中正端鈕和負(fù)端鈕之間的多個雙極板；多個膜，每一個所述膜位于相鄰的所述板之一的相關(guān)對之間；以及電連接至u所述堆的正溫度系數(shù)電壓限制部件，其中在該燃料電池的啟動期 間所述限制部件限制由該燃料電池產(chǎn)生的電壓，直到該燃料電池達(dá)至l證常運行
13、 如權(quán)禾腰求12所述的燃料電池，其中所述限制部件是位于該燃料電 池的7賴卩劑出口的單一正 驢系數(shù)元件，且劍蹄榔件電連接在所述正端鈕和 所述負(fù)端鈕之間。
14、 如權(quán)利要求12所述的燃料電池，其中所述限制部件包括多個正溫度 系數(shù)元件，其中的每一個位于所述膜之一中形成的開口處并且電連接在所述相 關(guān)板對之間。
15、 如權(quán)利要求14所述的燃料電池，其中每一個所述元件連接在所述相 關(guān)板之一上并且包括位于在所述元件和所述相關(guān)板的另一個之間的所述開口中 的彈簧。
16、 如權(quán)利要求14所述的燃料電池，其中所述元件交錯排列在所述膜的相鄰之一上。
17、 一種燃料電池，包括 設(shè)置在堆中正端鈕和負(fù)端鈕之間的多個雙極板；多個膜，每一個所述膜位于相鄰的所述板之一的相關(guān)對之間；以及 多個正溫度系數(shù)元件，每一個所述元件位于形ite所述膜之一中的開口處 并且電連接到所述相關(guān)板對之間，其中在該燃料電池的啟動期間所述限制部件 限制由該燃料電池產(chǎn)生的電壓，直到該燃料電^ii到正常運衍驢。
18、 如權(quán)利要求17所述的燃料電池，其中每一個所述元件連接在所述相 關(guān)板之一上并且包括位于在所述元件和所述相關(guān)板的另一個之間的所述開口中 的彈簧。
19、 如權(quán)利要求17所述的燃料電池，其中所述元件交錯排歹贓相鄰的所 述膜之一上。
20、 如權(quán)禾腰求17所述的燃料電池，其中所述元件為20到40微米厚。
全文摘要
至少一個正溫度系數(shù)元件，用于在啟動和關(guān)閉期間有效控制燃料電池電壓，使燃料電池更有效和保護電催化劑層。
文檔編號H01M8/00GK101165950SQ20071019295
公開日2008年4月23日 申請日期2007年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月16日
發(fā)明者B·安德里斯-肖特, B·拉克什馬南, G·W·斯卡拉, J·A·羅克, M·W·墨菲, R·S·富利 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司