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CN101165950B - 用于燃料电池堆的作为自动调节启动电阻器的正温度系数元件 - Google Patents

用于燃料电池堆的作为自动调节启动电阻器的正温度系数元件 Download PDF

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Abstract

至少一个正温度系数元件，用于在启动和关闭期间有效控制燃料电池电压，使燃料电池更有效和保护电催化剂层。

Description

用于燃料电池堆的作为自动调节启动电阻器的正温度系数元件
技术领域
本发明涉及燃料电池的运行。更具体地，本发明涉及调节氢燃料电池堆的启动和停止的改进方法。
背景技术
就用于汽车推进目的所需的燃料电池而言，对于燃料电池，快速实现全功率变得重要。这需要从环境温度快速增加到正常运行温度。
电化学燃料电池把燃料和氧化剂转化为电、反应产物(例如在氢供燃料和氧气氧化的燃料电池例子中为水)和热量。典型的，燃料电池具有从分隔燃料和氧化剂的膜电极组装件(″MEA″)。MEA是发生反应的场所并且包含加速反应所需的催化剂。
MEA能被在阳极中同时存在的空气和氢所损害。损害的程度取决于电池的电压，电压越高，导致的损害越大。最有可能发生损害的时候是在燃料电池启动期间。
因为燃料电池典型的产生低电压，它们通常组织成多电池串联连接的堆。这样允许它们联合以产生更高的电压。
加速达到适当功率水平的一个方法是使燃料电池堆一起将燃料电池短路。这压制引起燃料电池产生额外热量的电压，该额外热量是由通过短路元件提供的电阻加热而补充的。来自两个来源的额外的热量可以加快电池达到正常运行温度，其能够获得更高的效率。
发明内容
本发明解决了怎样经济地调节燃料电池来保持其在低电平的问题。该解决办法将使用作为短路电阻器的正温度系数(PTC)元件。该PTC元件具有在低运行温度(例如低于40℃)下的低电阻，和在正常运行温度例如80℃的高电阻。借助从四毫欧改变到四欧姆的电阻，PTC可以起到热控开关的作用。
使用该PTC可以在启动期间保持低电压以限制对MEA中的催化剂层的损害，该损害由于启动期间在阳极中存在空气和氢而产生。这可以有助于延长燃料电池寿命。
在一个实施方案中，燃料电池组装件包含至少一对间隔开的板；位于该板之间的膜；以及电连接在所述板之间的正温度系数元件，其中在燃料电池启动期间所述元件限制燃料电池产生的电压，直到燃料电池达到正常运行温度。
在另一个实施方案中，该燃料电池组装件包含设置在堆中正端钮和负端钮之间的多个双极板；多个膜，每个膜位于相邻板之一的相关对之间；以及电连接到该堆的正温度系数电压限制部件，其中在燃料电池的启动期间，该限制部件限制燃料电池产生的电压，直到燃料电池达到正常运行温度。
在另一个实施方案中，该燃料电池组装件包含设置在堆中正端钮和负端钮之间的多个双极板；多个膜，每个膜位于相邻板之一的相关对之间；以及多个正温度系数元件，每一个位于形成在膜之一的开口中和电连接在板的相关对之间，其中在燃料电池的启动期间该限制部件限制燃料电池产生的电压，直到燃料电池达到正常运行温度。
附图说明
本发明的上述，以及其他优点，对于本领域技术人员来说，在考虑到附图时从以下优选实施方案的说明中，将会变得显而易见，其中：
图1是PTC元件的典型的电阻/温度特性图表；
图2是对于典型的启动，燃料电池堆电压、PTC元件电流和PTC元件温度相对时间的图表；
图3是具有单PTC元件的燃料电池堆的示意图；
图4是具有嵌入在膜中的PTC元件的燃料电池的示意图；
图5是具有用于共同短路电池的嵌入的PTC元件的两个燃料电池的局部透视图；
图6是结合图5所示的结构的燃料电池堆的示意图；以及
图7是在启动期间比较低电阻的情况和高电阻的情况的电池电压、堆空气流和堆氢流的图表。
具体实施方式
以下详细说明和附图说明和示例本发明的各种具体实施方案。该说明书和附图使本领域技术人员能够制造和使用本发明，以及并不想要以任何方式限制本发明的范围。关于公开的方法，所列步骤在本质上是示例性的，因而，步骤的顺序不是必须的或严格的。
本发明利用正温度系数(PTC)元件作为针对燃料电池堆的短路电阻器。图1所示为典型PTC元件的电阻特性的例子，在图1中可以发现，定义特征为在最小温度之后电阻随着温度急剧增加。PTC元件的使用是在启动时控制燃料电池堆电压以使其产生更多的热量并且因此快速达到更有效率的运行温度的经济的方法。该PTC元件通过压制燃料电池的电压而工作，这使燃料电池高效产生热量并且低效产生电流。而且PTC元件提供的电阻热量可以有助于堆快速达到正常运行温度。
在燃料电池启动时PTC元件位于温度TN，可能低于40℃。在该温度PTC元件具有低电阻RN，该低电阻将使电压下降和阻止膜的退化。PTC元件将随着时间加热并改变其电阻。在温度TRef之上电阻呈指数增加并且自我限制。在40℃和80℃之间材料的电阻系数可以增加大约三个数量级，得到热控“开关”。
典型的PTC元件大约是1300微米厚。这引起对于130mm2面积的元件，电阻(RRef)为大约五欧姆。本发明需要大约毫欧的“开启”电阻。这可以通过减少厚度和/或增加元件的接触面积而完成。在燃料电池应用中优选的是保持大约100mm2或更少的接触面积。这需要PTC材料将是大约20到40微米厚。
本发明在燃料电池堆中使用PTC元件作为短路电阻器以在断电之后消散堆的能量并且作为启动电阻器以提供电阻热量以有助于加热堆。PTC元件一直电连接(横跨整个燃料电池堆或在堆的每一个电池之间)。不管PTC元件是四毫欧电阻(关闭)还是四欧姆电阻(打开)，其能通过堆冷却温度控制，优选通过冷却剂入口温度控制。在停止阶段流向堆的反应物停止但是堆内具有将保持高电平的残余反应物。在短期周期的堆里的低温冷却剂(＜40℃)的连续流会使PTC元件冷却并且变“短路”，耗尽反应物并且使堆放电。图2示出典型启动的堆电压、PTC电流和PTC温度波形。
在本发明的第一实施方案中，只有一个具有散热器或连接到堆(例如冷却剂出口)的PTC元件将被连接到堆。在图3中，燃料电池堆具有冷却剂进口12和冷却剂出口14。在正端钮16和负端钮18之间连接的负载(未示出)上产生电功。PTC元件20位于冷却剂出口14上并且在端钮16和18之间连接。该元件20需要为高压(高达450VDC)设计，该高压需要更厚的PTC元件以避免在高压下短路和大的接触面积以在合理的时间内让“开启”电阻下降到堆10放电的水平。PTC元件20跨越整个堆电连接并且热连接到冷却剂出口14。PTC元件保持低电阻模式的时间量取决于其能量消耗和传递到冷却剂的热量的组合。本实施方案具有单一电连接和仅有一个PTC元件的优点。然而，在充电和放电循环中如果任意单电池缺乏反应物，本实施方案可能导致腐蚀。
在本发明的第二实施方案中，薄PTC元件能够集成在每个双极板或膜上。如图4所示，板22和24位于膜26的相对侧。PTC元件28位于形成在膜26中的腔30中。丝网印刷的PTC墨可以是一个选项，只要其展示出如上述图1所示的相同的温度/电阻特性即可。在打印设计中，每一个电池PTC元件的优选位置靠近冷却剂进口头部。该区域没有反应物和冷却剂接触，然而很好地热连接到冷却剂。来自相邻电池的封装负荷(seal load)将提供对于耐受量相对不敏感的接触力。
图4中，该PTC元件28在32连接到上板22。板簧34位于PTC元件28和下板24之间以增强电接触。
图5更详细的示出嵌入PTC元件的实施方案。PTC元件28的位置能够在邻接电池单元上交错以更好地利用电池重复距离。用于每一个电池的膜26(或子垫圈或承载物)中的开口30需要允许该板通过PTC元件28短路。以这种方式配置的堆36将基本上具有如图6的电等效电路所示的跨越每一个电池的PTC元件。该配置保持简单电连接，但是提供对于每一个电池的唯一电流路径，从而消除反应物分配和腐蚀问题。
在关闭之后的启动期间燃料电池堆的阳极和阴极侧都填充有空气。氢气首先供应到阳极侧，其导致在阳极侧上的H2-空气前缘，和在阴极侧的空气。在该初始阶段电池电压决定电极损坏的速度；电压越高，电催化剂层的退化速度越高。优选的，使用电阻元件以降低启动期间的电压，其中更小的电阻器带来更低的电压并因此更低的退化速度。然而，更小的电阻器由于在接触器的可靠性上的封装限制而难以在堆中使用。硅控整流器(SCR)可以作为燃料电池堆中的电阻元件。
图7示出启动程序期间电池电压和空气和氢气流速的图表。情况1(40)和情况2(42)中的电池电压示为用于两种不同的电阻值的示例，R情况1＜＜R情况2以突出更小的电阻的需要。设计的SCR元件在启动时具有很小的电阻并因此能够用作启动-停止电阻器。空气流速由线44示出以及氢气流速由线46示出。
依据本发明的设备消除了昂贵的启动/停止继电器和外部控制，并且比继电器更易于封装。在冷启动期间，由于电池整体短路，在短时间内每一个电池会产生非常小的电压(以及很多热量)。额外的热量非常有助于加热堆到运行温度。
如前所述，本领域技术人员能够容易地确定本发明的本质特征以及，在不脱离其精神和范围的情况下，对本发明作出各种改变和修改以使其适应各种用途和条件。

Claims (7)

1.一种燃料电池，包括：
至少一对间隔开的板；
位于所述板之间的膜；以及
在所述板之间电连接的正温度系数元件，其中在该燃料电池的启动期间所述元件限制由该燃料电池产生的电压，直到该燃料电池达到正常运行温度，其中所述元件位于该燃料电池的冷却剂出口并且在该燃料电池的正端钮和负端钮之间电连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述元件具有与所述板的接触区域，该接触区域少于100平方毫米。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述元件通过丝网印墨形成。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述元件为20到40微米厚。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中包括硅控整流器。
6.一种燃料电池，包括：
设置在堆中正端钮和负端钮之间的多个双极板；
多个膜，每一个所述膜位于相关对的相邻的所述板之间；以及
与所述堆电连接的正温度系数电压限制部件，其中在该燃料电池的启动期间所述限制部件限制由该燃料电池产生的电压，直到该燃料电池达到正常运行温度，其中所述限制部件是位于该燃料电池的冷却剂出口的单一正温度系数元件，且该限制部件在所述正端钮和所述负端钮之间电连接。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其中所述元件为20到40微米厚。
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