专利名称：用自控元件无接通状态损耗的防止燃料电池关断状态劣化的制作方法
技术领域：
本发明总M^及一种降低燃料电池堆的MEA中的催化剂劣化的系统和方 法，并且更具体的涉及一种降^^料电池堆的MEA中的催化剂劣化的系统和方 法，所述系统和方、 跑括将非线性元件电连接到堆中的每一电池，从而在低电 池电压时提供相对高的电流传导和在高电池电压时掛共相对低的电流传导。
2.
背景技术：
氢可用于在燃料电池中有效地产生电。纖料电池是一种包括阳极和阴极、 以及在阳极和阴极之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或 空气。氢气在阳极分解产生自由的质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质 子在阴极中与氧和电子反应生成水。来自阳极的电子不育嗵过电解质，并因此 在流到阴极之前被导向通过负载做功。
质子交^)t料电池(PEMFC)是，常用的燃料电池。PEMFC—般包括固 体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺翻莫。阳极和阴极通常包括支撑在碳微 粒上并与离聚物混合的细粒状催化微粒，通常铀(Pt)。催化混合物沉积 的相 对两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物以及膜的组合限定出膜电极组件 (MEA).
通常若^P燃料电池组合在一个燃料电池堆中，以产生期望的电压和功率。 对于前面提到的机动车用燃料电池堆而言，电池堆可包括两百个或更多的燃料 电池。燃料电池堆接收阴极反应气体，通常为通过压縮机而被iM过电池堆的 空气流。并非所有的氧都在堆中消耗掉， 一些空气作为阴极废气排出，废气可 能含有作为堆副产物的7K。燃料电池職接收^A堆阳极侧的阳极氢反应气体。
燃料电池堆包括一系列置于堆中的几个MEA之间的双极板，其中双极板和 MEA介于两个端板之间。双极板包括用于堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极 侧。阳极气体流动M设置在双极板的阳极侧，以允许阳极反应气体流入各个 MEA中。阴极气術荒动通道设置在双极板的阴极侧，以允许阴极反应气MIA 各个MEA中。 一个端板包括阳极气術荒动通道，且另一个端板包括阴极气術荒
4动通道。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合材料。端板将由
燃料电池产生的电导出电池堆。双极MS包括7转卩流体流动M的流动M。
通常，在系统关闭时，阳极流动通道中剩余的氢可用阴极空气被清除或消 耗，并且将堆密封。但是，氢气有通过系统中密封件和阀泄露的倾向，这导致 当系统关闭时， 一些氢气^A燃料电池堆中。这些氢在流动通道中不均匀分布， 并且具有在电池堆内氢和空气与催化剂反应的位置产生局部电压电势的作用。
局部电压电势在催化剂层引起腐蚀反应，由lt蹄短了 MEA和燃料电池堆的寿
命。催化剂层的腐蚀使通过电池的电压电势呈指数增加。因此，在该关附瞎形 下，抑制通过电池的电压是必要的。
本领域中已知的是在燃料电池堆中提供跨接每一燃料电池的短路电阻负 载，其使得因在系统关闭期间燃料电池中的氢气和氧气反应产生的电流被导出 燃料电池，并通过外电阻，从而抑制电压，并由此防止催化剂层损坏。但是， 为了这个目的在系统关闭期间在燃料电池堆中提供跨接每一燃料电池的短路电 阻，在燃料电池堆操作期间由于从燃料电池堆中通过该电阻引出电流，形成了 显著的电损耗。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，该系统采用一项技术，用 于降低或显著消除在系统关闭期间由于燃料电池堆流动通道中存在的氢和空气
而发生的MEA劣化。燃料电池系统包括与燃料电池堆中的每一燃料电池电连接 的非线性负载元件。非线性元件工作使得其在低电池电压下具有高的电传导和 在高电池电压下具有低的电传导。系统关闭期间，当没有反应物活性流时，由 燃料电池中氢和空气反应产生的电压被该元件抑帝ij。当出iK和氧反应物的高 水平和流动时，例如在正常运行期间，该元件的导电能力不足以抑制电压。系 统运行期间，燃料电池电压电势相对高，而该元件的电阻上升使得较小的电流 通过该元件，以此M^、电损耗。在一非线性实施例中，非线性元件为正纟鹏系 数(PTC)电阻，该电阻提供随电池电压变化而电阻变化，以及还樹共响应于M 变化的期望电阻变化。
本发明额屏特征将从以下描述和所附权利要求并结合附图变得显而易见。
图1为燃料电池系统的示意性框图；图2为包括非线性电阻元件的燃料电池图示，该非线性电阻元件与堆中的每 一燃料电》雌接，雜燃料电池处于低电压时从中引出电流；和
图3是横轴为电池电压并且纵轴为电池短路电流的曲线图，显示出两个不同 ^鹏下图2所示的电连接至堆中燃料电池糊險性元件的操作。
具体实施例方式
以下针对涉及用于减少或消除在燃料电池系统关闭期间MEA劣化技术的 本发明实施例的讨论本质上仅是示范性的，并且决不意图限制本发明或其应用 或舰。
图1为包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意框图。压縮机18 3131 阴极进气阀20和阴极进气管线22向燃料电池堆12劍共阴极空气进气，并且阴 极it^M阴极排气阀26沿阴极废气管线24从燃料电池堆12排出。来自, 28的氢提供给阳极进气管线30上的燃料电池堆12的阳极侧。阳极j^il3i阳 极排气阀32沿排气管线34 >规料电池堆12排出。
图2为燃料电池堆40的图示，燃料电池堆40包括多个燃料电池42，每一 燃料电池42都具有MEA44。包括流动通道48的双极流板46以本领域技术人 员熟知的构造设置在MEA44之间。如上戶，，需要樹對咸少系统关闭期间碳腐 蚀的某种技术。根据本发明的一个实施例，非线性电阻元件50电连接j^t接每 个燃料电池42，从而樹共电流的传导通路，如上所述，该电流由在氢和空气在 燃料电池42中与催化剂反应时产生的电压电势而形成。特另啲，当在燃料电池 42中产生电压电势时，所产生的电、Mil元件50传导，从而有效抑制电压，使 得电压电势不魏成弓胞劣化作用的催化剂层腐蚀。
由于元件50为非统l^i件，其电阻特性将响应于电压电势的变化而变化。 特别是，系统关闭期间在氢和氧的浓度低时，燃料电池42中敦空气反应产生低 电压电势，如O.IV，元件50的阻值也小，这使得电流传导M元件50。正常 的系统运行期间，燃料电池42的电压随籠和氧的高浓度和流动而增大时，元 件50的阻值也增大，这斷氐了元件50传导电流的肖巨力。电流可以流动到堆40 的正常输出接点以驱动车辆或其他系统负荷。因此，在系统关闭时，需要电流 /AM料电池42流动ffl31元件50时，元件50的阻值小，并且当系统10运行中， 需要ffiih电流^il元件50时，元件50的阻歡，这样就M^了系纟艇行期间 的电损耗。在一个实施方式中，非线'舰件50为本领域技术人员公知的正 驢系数 (PTC)电阻。PTC电阻的阻值随燃料电池42的电压增大以非线性方式增大。同 时，随着燃料电池堆40的鹏增加到其工作鹏，PTC电阻的阻值也增大，由 ltbS—步增大了限制电损耗的希望效果。
图3为以电池电压为横轴、电池短路电流为纵轴的曲线图，其示出上述效 果。上方图线对应于堆纟鹏25-C,下部图线对应于銜鹏7(TC时。容易看出， 随电池电压上升，电池短路电流也增大直到电池电压达到一定的值，该值取决 于元件的特性，此时，电池短路电流下降。因阻值增诚成的MPTC电阻的 电流减小在更高的纟鹏下更加明显。因此，PTC电阻不仅有利于在系统关闭时 在低电池电压下电流/，料电池42流动，以及当电池电压相对较高，例如系统 运行期间时掛共相对低的短路电流，而且PTC电阻也掛共期望的对鹏的响应， 其中，电流在关闭后的长时间关断状态期间通常遇至啲做鹏时较大。
根据另一实施方式，非线性元件50包括取决于电池电压而接 断开的晶 体管电路。当电池电压低于比在系统关闭时由M/空气反应产生的电压电势更大 的某个预定电压时，电路中的晶体管导通，使电流能够流至顿各中的某个负载， 如电阻或晶体管导通电阻。当系统工作期间电池电压增大到皿预定电压时， 晶体管断开，形成不能传导电流的开路。因此，在系舰行期间，元件50在堆 40上不提供将弓胞显著损耗的负载。
提供该操作的电路示例包括、但不限于，舌簧继电器电路、包括零阈值 MOSFET晶体管的半导体电路、具有内部升高电压的半导体,和)^属开关 触点电路。当燃料电池电压电别氏于预定电压时，舌簧继电器电路中的舌簧继 电器将闭合，并且当燃料电池电压电势高于预定电压时，舌簧继电器将断开。 双金属开划虫点电路包括双金属开关，其中两种金属具有不同的温度系数，使 得响应于热一个金属比另一个金属膨胀得多。这将引起双金属开关随着燃料电 池温度上升而断开，其设计淑目应于与燃l斗电池的操作相关联的温度。双金属 开关还可构造成基于其自身由于电流传导而形成的内热而断开。当双金属开关 电流高时，即高电池电压，开关断开。当系统关闭期间燃料电池堆相对凉时， 双金属开关将闭合。
非线性元件50可在堆40外部，或可在堆40内^j^各种板和其他堆结构 上。例如，元件50可以是电池板中的部件、燃料电池气密封件或电绝缘件中的
7部件、燃料电池质子传导层的部件、MEA中垫片^他支撑层的部件等等。
，讨论仅公开和描述本发明的示例性实施例。从这些内容以及从附图和 权利要求中，本领域技术人员将容易意识到而在不背离由所附权利要求限定的 本发明的精神和范围的情况下可作各种改变、修改和变化。
权利要求
1、一种燃料电池系统，所述燃料电池包括燃料电池；和电连接至所述燃料电池的非线性元件，所述非线性元件提供电阻负载，当所述燃料电池电压电势低于一定电压电势时，所述电阻负载提供较大的电流传导经过元件，以及当所述燃料电池电压电势高于一定电压电势时，所述电阻负载提供较小的电流传导经过元件。
2、 根据权利要求1戶诚的系统，其中非线性元件包括正纟驢系数电阻，所述正温度系数电阻的阻值随戶;M燃料电池的电压电势增大而增大。
3、 根据权利要求2戶腿的系统，其中戶腿正驢系数电阻的阻值还随戶腿 燃料电池纟鹏的升高而增大。
4、 根据权利要求1戶腿的系统，其中戶脱非线性元件包括晶体管电路，所 述晶体管电路包括晶体管，该晶体管在燃料电池电压电势小于一定电压电势时 导通，以及当燃料电池电压电势大于一定电压电势时不导通。
5、 根据权禾腰求4戶腿的系统，其中晶体管为零阈值MOSFET晶体管。
6、 根据权利要求1戶腿的系统，其中非线性元件包f活離电器，当燃料 电池电压电劍氏于一定电压电势时，该舌簧继电器闭合，以及当燃料电池电压 电势增加到高于一定电压电势时，该舌簧继电器断开。
7、 根据权利要求1所述的系统，其中非线性元件包括7M属开关触点，其 在燃料电池^^增大到高于预定温度时断开。
8、 根据权利要求1戶诚的系统，其中非线性元件为燃料电池的纟腿部分。
9、 根据权利要求8戶腿的系统，其中非统性元件为电池极板的一部分。
10、 根据权利要求8戶脱的系统，其中非线性元件为燃料电池质子传导层 的一部分。
11、 根据权利要求8戶腐的系统，其中非线性元件为燃料电池MEA的垫 片 撑层的一部分。
12、 根据权利要求1所述的系统，其中戶/M—定电压电势高于燃料电池系 统关闭时将发生的燃料电池电压电势，并且低于在燃料电池系统运行下燃料电 池正常工作时的燃料电池电压电势。
13、 一种燃料电池系统，戶; M料电池系统包括燃料电池；和电连接至燃料电池以提供电阻负载的正温度系数电阻，其中所述正温度系 数电阻的阻值随燃料电池电压电势增大而增大，使得在电压电势升高时电阻提 供较小的电传导。
14、 根据权利要求13戶腿的系统，其中正m系数电阻的阻值还随燃料电池温度升高而增大。
15、 根据权利要求13所述的系统，其中正纟显度系数电阻为燃料电池的组成部分。
16、 根据权利要求13所述的系统，其中正温变系数电阻为电池极板的一部分。
17、 一种燃料电池系统，戶;f^料电池系统包括燃料电池；和电连接至燃料电池的晶体管电路，所述晶体管电^a括晶体管，该晶体 管在燃料电池电压电劑氐于一定电压电势时导通，并且在燃料电池电压电势高 于一定电压电势时不导通。
18、 根据权利要求17所述的系统，其中晶体管为零阈值MOSFET晶体管。
19、 根据权利要求17戶服的系统，其中晶体管电路为燃料电池的组成部分。
20、 根据权利要求17戶腿的系统，其中戶腿一定腿电势高于燃料电池系 统关闭时将发生的燃料电池电压电势，并且低于在燃料电池系统运行下燃料电 池正常工作时的燃料电池电压电势。
全文摘要
本发明涉及用自控元件无接通状态损耗的防止燃料电池关断状态劣化。一种燃料电池系统，该系统采用一项技术，用于降低在系统关闭期间由于燃料电池堆流动通道中存在的氢和空气而发生的MEA劣化。燃料电池系统包括电连接至燃料电池堆中各个燃料电池的非线性负载元件，如正温度系数电阻。非线性元件运行使得在低电池电压时具有高的电传导，而在高电池电压时具有低的电传导。在系统关闭期间，由于燃料电池中氢和空气反应而产生电压，被元件从燃料电池引出并消耗，其中上述反应产生低电池电压。在系统运行期间，燃料电池电压电势相对较高并且元件阻值升高，使得较小的电流流过元件，从而减小电损耗。
文档编号H01M8/00GK101651215SQ20091017337
公开日2010年2月17日 申请日期2009年8月6日 优先权日2008年8月6日
发明者B·拉克什马南, C·G·霍赫格拉夫, D·I·哈里斯 申请人:通用汽车环球科技运作公司