用於燃料電池堆的作為自動調節啟動電阻器的正溫度係數元件的製作方法

2023-12-11 11:12:47

專利名稱：用於燃料電池堆的作為自動調節啟動電阻器的正溫度係數元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池的運行。更具體地，本發明涉及調節氫燃料電
池堆的啟動和停止的改進方法。
背景技術：
就用於汽車推進目的所需的燃料電池而言，對於燃料電池，快速實 現全功率變得重要。這需要從環境溫度快速增加至l證常運衍鵬。電化學燃料電池把燃料和氧化齊囀化為電、反應產物(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是發生反應的場所並且包 含加速反應所需的催化劑。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 於電池的電壓，電壓越高，導致的損害越大。最有可能發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生低電壓，它們通常組織成多電池串聯連接 的堆。這樣允許它們聯合以產生更高的電壓。加速達到適當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到正 常運行溫度，其能夠獲得更高的效率。

發明內容
本發明解決了怎樣經濟地調節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係數(PTC)元件。該PTC元件具 有在低運行、鵬(例如低於40°C)下的低電阻，和在正常運行Mit例如80°C 的高電阻。藉助從四毫歐改變到四歐姆的電阻，PTC可以起到熱控開關的作用。 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，該損害由於啟動期間在陽極中存在空氣和氫而產生。這可以有助 於延長燃料電池壽命。
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 於該板之間的膜；以及電連接在所述板之間的正溫度係數元件，其中在燃料電 池啟動期間所述元件限制燃料電池產生的電壓，直到燃料電池達到正常運行溫度。在另一個實施方案中，該燃料電池組裝件包含設置在堆中正端鈕和 負端鈕之間的多個雙極板；多個膜，每個膜位於相鄰板之一的相關對之間；以 及電連接至lj該堆的正溫度係數電壓限制部件，其中在燃料電池的啟動期間，該 限制部件限制燃料電池產生的電壓，直到燃料電池達至'徵常運行溫度。本發明的上述，以及其他優點，對於本領域技術人員來說，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是對於典型的啟動，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是具有用於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是結合圖5所示的結構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說明和


和示例本發明的各種具體實施方案。該說 明書和附圖使本領域技術人員育巨夠製造和使用本發明，以及並不想要以任何方 式限制本發明的範圍。關於公開的方法，所列步驟在本質上^例性的，因而，
步驟的順序不是必須的,格的。本發明利用正溫度係數(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中可以發現，定 義特徵為在最小^Jt之後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生更多的熱量並且因此快m到更有效率的運行 ^Jt的經濟的方法。該PTC元件通過壓制燃料電池的電壓而工作，這使燃料 電池高效產生熱量並且低效產生電流。而且PTC元件提供的電阻熱量可以有 助於堆快皿到正常運行、Sit。在燃料電池啟動時PTC元件位於溫度TN，可能低於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 件將隨著時間加熱並改變其電阻。在溫度T^之上電阻呈指數增加並且自我限 制。在40。C和8(TC之間材料的電阻係數可以增加大約三個數量級，得到熱控 "開關"。典型的PTC元件大約是1300微米厚。這引起對於130mirf面積的 元件，電阻(RRtf)為大約五歐姆。本發明需要大約毫歐的"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。在燃料電池應用中優選的 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後 消散堆的肯疆並且作為啟動電阻器以提供電阻熱量以有助於加熱堆。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物停止但是堆內具有 將保持高電平的殘餘反應物。在短期周期的堆裡的低溫冷卻劑(<40°C)的連 續流會使PTC元件冷卻並且變"短路"，耗盡反應物並且使堆放電。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 劑進口 12和冷卻劑出口 14。在正端鈕16和負端鈕18之間連接的負載(未示 出)上產生電功。PTC元件20位於冷卻劑出口 14上並且在端鈕16和18之間
連接。該元件20需要為高壓(高達450VDC)設計，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讓"幵啟"電阻下 降到堆10放電的水平。PTC元件20 ^M^堆電連接並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於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元件的優點。然 而，在充電和放電循環中如果任意單電池缺乏反應物，本實施方案可能導致腐 蝕。在本發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位於膜26的相對側。PTC元件28位於形j^ 膜26中的腔30中。絲網印刷的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。在列印設計中，每一個電池PTC元 件的優選位置靠近冷卻劑進口頭部。該區域沒有反應物和冷卻劑接觸，然而很 好地熱連接到冷卻劑。來自相鄰電池的封裝負荷(seal load)將提供對於耐受 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位於PTC 元件28和下板24之間以增強電f魏蟲。圖5更詳細的示出嵌入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複距離。用於每一個電池的膜 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，但是提供對於每一個電池的唯一 電流路徑，從而消除反應物分配和腐蝕問題。
氫氣首先供應到陽極;，、;導致在(^極側上的IV空氣前緣，和^陰極側的空
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 器帶來更低的電壓並因此更低的退化速度。然而，更小的電阻器由於在接觸器 的可靠性上的封裝限制而難以在堆中使用。矽控整流器(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於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。設計的SCR元件在啟動時具有很小的電 阻並因此離多用作啟動-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。
依據本發明的設備消除了昂貴的啟動/停止繼電器和外部控制，並且 比繼電器更易於封裝。在冷啟動期間，由於電池整體短路，在短時間內每一個 電池會產生非常小的電壓(以及很多熱量)。額外的熱量非常有助於加熱堆到 運份鵬。
如前所述，本領域技術人員能夠容易地確定本發明的本質特徵以 及，在不脫離其精神和範圍的情況下，對本發明作出各種改變和修改以使其適 應各種用途和條件。
權利要求
1、一種燃料電池，包括至少一對間隔開的板；位於所述板之間的膜；以及電連接在所述板之間的正溫度係數元件，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生的電壓，直到該燃料電池達到正常運行溫度。
2、 如權利要求1所述的燃料電池，其中所述元件位於該燃料電池的冷卻 劑出口並且電連接在該燃料電池的正端鈕和負端鈕之間。
3、 如權利要求1所述的燃料電池，其中所述元件位於形i^E所述膜中的 開口處並且電連接在所述至少一對板之間。
4、 如權利要求3所述的燃料電池，其中所述元件連接至所述板之一。
5、 如權利要求3所述的燃料電池，包括位於所述元件和所述板之一之間 的所述開口中的彈簧。
6、 如權禾腰求1所述的燃料電池，其中所述元件具有與所述板的接觸區 域，該接觸區域少於100平方毫米。
7、 如權利要求1所述的燃料電池，其中所述元件M絲網印墨形成。
8、 如權利要求1所述的燃料電池，其中該燃料電池包括設置在堆中的多 個所述板，所述膜之一位於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、 如權利要求1所述的燃料電池，其中所述元件是可控矽整流器。
12、 一種燃料電池，包括 設置在堆中正端鈕和負端鈕之間的多個雙極板；多個膜，每一個所述膜位於相鄰的所述板之一的相關對之間；以及電連接至u所述堆的正溫度係數電壓限制部件，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生的電壓，直到該燃料電池達至l證常運行
13、 如權禾腰求12所述的燃料電池，其中所述限制部件是位於該燃料電 池的7賴卩劑出口的單一正 驢係數元件，且劍蹄榔件電連接在所述正端鈕和 所述負端鈕之間。
14、 如權利要求12所述的燃料電池，其中所述限制部件包括多個正溫度 係數元件，其中的每一個位於所述膜之一中形成的開口處並且電連接在所述相 關板對之間。
15、 如權利要求14所述的燃料電池，其中每一個所述元件連接在所述相 關板之一上並且包括位於在所述元件和所述相關板的另一個之間的所述開口中 的彈簧。
16、 如權利要求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 設置在堆中正端鈕和負端鈕之間的多個雙極板；多個膜，每一個所述膜位於相鄰的所述板之一的相關對之間；以及 多個正溫度係數元件，每一個所述元件位於形ite所述膜之一中的開口處 並且電連接到所述相關板對之間，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生的電壓，直到該燃料電^ii到正常運衍驢。
18、 如權利要求17所述的燃料電池，其中每一個所述元件連接在所述相 關板之一上並且包括位於在所述元件和所述相關板的另一個之間的所述開口中 的彈簧。
19、 如權利要求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
至少一個正溫度係數元件，用於在啟動和關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 優先權日2006年10月16日
發明者B·安德裡斯-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:通用汽車環球科技運作公司