专利名称：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的制作方法
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至l证常运衍鹏。电化学燃料电池把燃料和氧化齐啭化为电、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 #^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、鹏(例如低于40°C)下的低电阻，和在正常运行Mit例如80°C 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。 j顿该PTC可以在启动期间保謝氐电压以限制对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 及电连接至lj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，直到燃料电池达至'征常运行温度。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，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,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、鹏相对时间的图表；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;见图；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。
具体实施例方式以下详细说明和
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育巨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^例性的，因而，
步骤的顺序不是必须的,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^Jt之后电阻随着温度急居赠加。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m到更有效率的运行 ^Jt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 助于堆快皿到正常运行、Sit。在燃料电池启动时PTC元件位于温度TN，可能低于40°C。在该温 度PTC元件具有低电阻RN，劍氐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T^之上电阻呈指数增加并且自我限 制。在40。C和8(TC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130mirf面积的 元件，电阻(RRtf)为大约五欧姆。本发明需要大约毫欧的"开启"电阻。这 可以Sil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 消散堆的肯疆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 ^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， ifc^fflil7賴,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°C)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^Jt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7賴卩 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角虫面积以在合理的时间内让"幵启"电阻下 降到堆10放电的水平。PTC元件20 ^M^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元件育詢多集皿#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j^ 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所示的相同的温傲电阻特性即可。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f魏虫。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 旨的多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ffiil 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。
氢气首先供应到阳极;，、;导致在(^极侧上的IV空气前缘，和^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，电催化齐喔的退 ira度越高。 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,请况, <<R tsa2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 阻并因此離多用作启动-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 运份鹏。
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。
权利要求
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；以及电连接在所述板之间的正温度系数元件，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。
2、 如权利要求1所述的燃料电池，其中所述元件位于该燃料电池的冷却 剂出口并且电连接在该燃料电池的正端钮和负端钮之间。
3、 如权利要求1所述的燃料电池，其中所述元件位于形i^E所述膜中的 开口处并且电连接在所述至少一对板之间。
4、 如权利要求3所述的燃料电池，其中所述元件连接至所述板之一。
5、 如权利要求3所述的燃料电池，包括位于所述元件和所述板之一之间 的所述开口中的弹簧。
6、 如权禾腰求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。
7、 如权利要求1所述的燃料电池，其中所述元件M丝网印墨形成。
8、 如权利要求1所述的燃料电池，其中该燃料电池包括设置在堆中的多 个所述板，所述膜之一位于所述板的每个相邻对之间以及所述元件之一连接在 ^相邻板对的所述板之间。
9、 如权利要求7所述的燃料电池，其中所述元件交错排列在相邻的所述 膜之一上。
10、 如权禾腰求l所述的燃料电池，其中所述元件为20到40微米厚。
11、 如权利要求1所述的燃料电池，其中所述元件是可控硅整流器。
12、 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邻的所述板之一的相关对之间；以及电连接至u所述堆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，直到该燃料电池达至l证常运行
13、 如权禾腰求12所述的燃料电池，其中所述限制部件是位于该燃料电 池的7賴卩剂出口的单一正 驢系数元件，且劍蹄榔件电连接在所述正端钮和 所述负端钮之间。
14、 如权利要求12所述的燃料电池，其中所述限制部件包括多个正温度 系数元件，其中的每一个位于所述膜之一中形成的开口处并且电连接在所述相 关板对之间。
15、 如权利要求14所述的燃料电池，其中每一个所述元件连接在所述相 关板之一上并且包括位于在所述元件和所述相关板的另一个之间的所述开口中 的弹簧。
16、 如权利要求14所述的燃料电池，其中所述元件交错排列在所述膜的相邻之一上。
17、 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邻的所述板之一的相关对之间；以及 多个正温度系数元件，每一个所述元件位于形ite所述膜之一中的开口处 并且电连接到所述相关板对之间，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^ii到正常运衍驢。
18、 如权利要求17所述的燃料电池，其中每一个所述元件连接在所述相 关板之一上并且包括位于在所述元件和所述相关板的另一个之间的所述开口中 的弹簧。
19、 如权利要求17所述的燃料电池，其中所述元件交错排歹赃相邻的所 述膜之一上。
20、 如权禾腰求17所述的燃料电池，其中所述元件为20到40微米厚。
全文摘要
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。
文档编号H01M8/00GK101165950SQ20071019295
公开日2008年4月23日 申请日期2007年10月16日 优先权日2006年10月16日
发明者B·安德里斯-肖特, B·拉克什马南, G·W·斯卡拉, J·A·罗克, M·W·墨菲, R·S·富利 申请人:通用汽车环球科技运作公司