專利名稱：用于燃料電池堆的作為自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)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(yùn)行。更具體地，本發(fā)明涉及調(diào)節(jié)氫燃料電池堆的啟動(dòng)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(duì)于燃料電池，快速實(shí)現(xiàn)全功率變得 重要。這需要從環(huán)境溫度快速增加到正常運(yùn)行溫度。電化學(xué)燃料電池把燃料和氧化劑轉(zhuǎn)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(chǎng)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(shí)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(shí)候是在燃料電池啟動(dòng)期間。因?yàn)槿剂想姵氐湫偷漠a(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(gè)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件提供的電阻加熱而補(bǔ)充 的。來自兩個(gè)來源的額外的熱量可以加快電池達(dá)到正常運(yùn)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(jì)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P(yáng)TC元件具有在低運(yùn)行溫度(例如低于 40°C)下的低電阻，和在正常運(yùn)行溫度例如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。使用該P(yáng)TC可以在啟動(dòng)期間保持低電壓以限制對(duì)MEA中的催化劑層的損害，該損 害由于啟動(dòng)期間在陽極中存在空氣和氫而產(chǎn)生。這可以有助于延長(zhǎng)燃料電池壽命。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料電池組裝件包含至少一對(duì)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(dòng)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(yùn)行溫度。在另一個(gè)實(shí)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(gè)雙極板；多個(gè)膜，每個(gè)膜位于相鄰板之一的相關(guān)對(duì)之間；以及電連接到該堆的正溫度 系數(shù)電壓限制部件，其中在燃料電池的啟動(dòng)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)到正常運(yùn)行溫度。
在另一個(gè)實(shí)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(gè)雙極板；多個(gè)膜，每個(gè)膜位于相鄰板之一的相關(guān)對(duì)之間；以及多個(gè)正溫度系數(shù)元件，每 一個(gè)位于形成在膜之一的開口中和電連接在板的相關(guān)對(duì)之間，其中在燃料電池的啟動(dòng)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)到正常運(yùn)行溫度。本發(fā)明涉及以下技術(shù)方案1、一種燃料電池，包括至少一對(duì)間隔開的板；位于所述板之間的膜；以及在所述板之間電連接的正溫度系數(shù)元件，其中在該燃料電池的啟動(dòng)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(yùn)行溫度。2、根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃料電池，其中所述元件位于形成在所述膜中的開口處 并且在所述至少一對(duì)板之間電連接。3、根據(jù)技術(shù)方案2所述的燃料電池，其中所述元件連接至所述板之一。4、根據(jù)技術(shù)方案2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。5、根據(jù)技術(shù)方案1-4任一項(xiàng)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。6、根據(jù)技術(shù)方案1-5任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中所述元件通過絲網(wǎng)印墨形成。7、根據(jù)技術(shù)方案1-6任一項(xiàng)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(gè)所述板，所述膜之一位于每個(gè)相鄰對(duì)的所述板之間以及所述元件之一連接在每個(gè)相鄰 對(duì)的板之間。8、根據(jù)技術(shù)方案6所述的燃料電池，其中所述元件交錯(cuò)排列在相鄰的所述膜上。9、根據(jù)技術(shù)方案1-8任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中所述元件為20到40微米厚。10、根據(jù)技術(shù)方案1-9任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中所述元件是硅控整流器。11、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(gè)雙極板；多個(gè)膜，每一個(gè)所述膜位于相關(guān)對(duì)的相鄰的所述板之間；以及與所述堆電連接的正溫度系數(shù)電壓限制部件，其中在該燃料電池的啟動(dòng)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)到正常運(yùn)行溫度。12、根據(jù)技術(shù)方案11所述的燃料電池，其中所述限制部件包括多個(gè)正溫度系數(shù)元 件，其中的每一個(gè)位于所述膜之一中形成的開口處并且在所述相關(guān)對(duì)的板之間電連接。13、根據(jù)技術(shù)方案11或12所述的燃料電池，其中每一個(gè)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(gè)之間的所述開口中的彈簧。14、根據(jù)技術(shù)方案11、12或13所述的燃料電池，其中所述元件交錯(cuò)排列在相鄰的 所述膜上。15、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(gè)雙極板；多個(gè)膜，每一個(gè)所述膜位于相關(guān)對(duì)的相鄰的所述板之間；以及多個(gè)正溫度系數(shù)元件，每一個(gè)所述元件位于形成在所述膜之一中的開口處并且在連接，其中在該燃料電池的啟動(dòng)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)到正常運(yùn)行溫度。16、根據(jù)技術(shù)方案15所述的燃料電池，其中每一個(gè)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(gè)之間的所述開口中的彈簧。17、根據(jù)技術(shù)方案15或16所述的燃料電池，其中所述元件交錯(cuò)排列在相鄰的所述膜上。18、根據(jù)技術(shù)方案15、16或17所述的燃料電池，其中所述元件為20到40微米厚。


本發(fā)明的上述，以及其他優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在考慮到附圖時(shí)從以下 優(yōu)選實(shí)施方案的說明中，將會(huì)變得顯而易見，其中圖1是PTC元件的典型的電阻/溫度特生圖表；圖2是對(duì)于典型的啟動(dòng)，燃料電池堆電壓、PTC元件電流和PTC元件溫度相對(duì)時(shí)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(gè)燃料電池的局部透視圖；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(dòng)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(shí)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(shí)施方案。該說明書和附圖使 本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(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)上是示例性的，因而，步驟的順序不是必須的或嚴(yán)格的。本發(fā)明利用正溫度系數(shù)(PTC)元件作為針對(duì)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)，定義特征為在最小溫度之后電阻隨 著溫度急劇增加。PTC元件的使用是在啟動(dòng)時(shí)控制燃料電池堆電壓以使其產(chǎn)生更多的熱量 并且因此快速達(dá)到更有效率的運(yùn)行溫度的經(jīng)濟(jì)的方法。該P(yáng)TC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 可以有助于堆快速達(dá)到正常運(yùn)行溫度。在燃料電池啟動(dòng)時(shí)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，該低電阻將使電壓下降和阻止膜的退化。PTC元件將隨著時(shí)間加熱并改變其電 阻。在溫度TKef2上電阻呈指數(shù)增加并且自我限制。在40°C和80°C之間材料的電阻系數(shù) 可以增加大約三個(gè)數(shù)量級(jí)，得到熱控“開關(guān)”。典型的PTC元件大約是1300微米厚。這引起對(duì)于130mm2面積的元件，電阻(Rltef) 為大約五歐姆。本發(fā)明需要大約毫歐的“開啟”電阻。這可以通過減少厚度和/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IOOmm2或更少的接觸面積。這 需要PTC材料將是大約20到40微米厚。
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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能 量并且作為啟動(dòng)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(橫跨整個(gè) 燃料電池堆或在堆的每一個(gè)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，優(yōu)選通過冷卻劑入口溫度控制。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(huì)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(dòng)的堆電壓、PTC電流和PTC溫度波形。在本發(fā)明的第一實(shí)施方案中，只有一個(gè)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，燃料電池堆具有冷卻劑進(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(jì)，該高壓需要更厚的PTC元件以避免在高壓下短路和大的接觸面積以在合理的時(shí)間內(nèi)讓 “開啟”電阻下降到堆10放電的水平。PTC元件20跨越整個(gè)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(shí)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(shí)施方案具有單一電連接和僅有一個(gè)PTC元件的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)施方案可能導(dǎo)致腐蝕。在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，薄PTC元件能夠集成在每個(gè)雙極板或膜上。如圖4 所示，板22和24位于膜26的相對(duì)側(cè)。PTC元件28位于形成在膜26中的腔30中。絲網(wǎng)印 刷的PTC墨可以是一個(gè)選項(xiàng)，只要其展示出如上述圖1所示的相同的溫度/電阻特性即可。 在打印設(shè)計(jì)中，每一個(gè)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(duì)于耐受量相對(duì)不敏感的接觸力。圖4中，該P(yáng)TC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(qiáng)電接觸。圖5更詳細(xì)的示出嵌入PTC元件的實(shí)施方案。PTC元件28的位置能夠在鄰接電池 單元上交錯(cuò)以更好地利用電池重復(fù)距離。用于每一個(gè)電池的膜26 (或子墊圈或承載物)中 的開口 30需要允許該板通過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(gè)電池的PTC元件。該配置保持簡(jiǎn)單電連接，但是提供 對(duì)于每一個(gè)電池的唯一電流路徑，從而消除反應(yīng)物分配和腐蝕問題。在關(guān)閉之后的啟動(dòng)期間燃料電池堆的陽極和陰極側(cè)都填充有空氣。氫氣首先供應(yīng) 到陽極側(cè)，其導(dǎo)致在陽極側(cè)上的H2-空氣前緣，和在陰極側(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，電催化劑層的退化速度越高。優(yōu)選的，使用電阻元件以降 低啟動(dòng)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(dòng)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，Rwsll << Rwk2以突出更小的電 阻的需要。設(shè)計(jì)的SCR元件在啟動(dòng)時(shí)具有很小的電阻并因此能夠用作啟動(dòng)-停止電阻器。 空氣流速由線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(dòng)/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(dòng)期間，由于電池整體短路，在短時(shí)間內(nèi)每一個(gè)電池會(huì)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(yùn)行溫度。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(duì)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
一種燃料電池，包括至少一對(duì)間隔開的板；位于所述板之間的膜；以及在所述板之間電連接的正溫度系數(shù)元件，其中在該燃料電池的啟動(dòng)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(yùn)行溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述元件位于形成在所述膜中的開口處并且 在所述至少一對(duì)板之間電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中所述元件連接至所述板之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求2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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)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。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中所述元件通過絲網(wǎng)印墨形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)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(gè) 所述板，所述膜之一位于每個(gè)相鄰對(duì)的所述板之間以及所述元件之一連接在每個(gè)相鄰對(duì)的 板之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池，其中所述元件交錯(cuò)排列在相鄰的所述膜上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中所述元件為20到40微米厚。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中所述元件是硅控整流器。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池堆的作為自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)電阻器的正溫度系數(shù)元件。至少一個(gè)正溫度系數(shù)元件，用于在啟動(dòng)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(hù)電催化劑層。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101916870SQ20101024510
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)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(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司