專利名稱：用自控元件無接通狀態(tài)損耗的防止燃料電池關斷狀態(tài)劣化的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總M^及一種降低燃料電池堆的MEA中的催化劑劣化的系統(tǒng)和方 法，并且更具體的涉及一種降^^料電池堆的MEA中的催化劑劣化的系統(tǒng)和方 法，所述系統(tǒng)和方、 跑括將非線性元件電連接到堆中的每一電池，從而在低電 池電壓時提供相對高的電流傳導和在高電池電壓時掛共相對低的電流傳導。
2.
背景技術：
氫可用于在燃料電池中有效地產(chǎn)生電。纖料電池是一種包括陽極和陰極、 以及在陽極和陰極之間的電解質(zhì)的電化學裝置。陽極接收氫氣，陰極接收氧或 空氣。氫氣在陽極分解產(chǎn)生自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過電解質(zhì)到達陰極。質(zhì) 子在陰極中與氧和電子反應生成水。來自陽極的電子不育嗵過電解質(zhì)，并因此 在流到陰極之前被導向通過負載做功。
質(zhì)子交^)t料電池(PEMFC)是，常用的燃料電池。PEMFC—般包括固 體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導膜，如全氟磺翻莫。陽極和陰極通常包括支撐在碳微 粒上并與離聚物混合的細粒狀催化微粒，通常鈾(Pt)。催化混合物沉積 的相 對兩側(cè)上。陽極催化混合物、陰極催化混合物以及膜的組合限定出膜電極組件 (MEA).
通常若^P燃料電池組合在一個燃料電池堆中，以產(chǎn)生期望的電壓和功率。 對于前面提到的機動車用燃料電池堆而言，電池堆可包括兩百個或更多的燃料 電池。燃料電池堆接收陰極反應氣體，通常為通過壓縮機而被iM過電池堆的 空氣流。并非所有的氧都在堆中消耗掉， 一些空氣作為陰極廢氣排出，廢氣可 能含有作為堆副產(chǎn)物的7K。燃料電池職接收^A堆陽極側(cè)的陽極氫反應氣體。
燃料電池堆包括一系列置于堆中的幾個MEA之間的雙極板，其中雙極板和 MEA介于兩個端板之間。雙極板包括用于堆中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極 側(cè)。陽極氣體流動M設置在雙極板的陽極側(cè)，以允許陽極反應氣體流入各個 MEA中。陰極氣術荒動通道設置在雙極板的陰極側(cè)，以允許陰極反應氣MIA 各個MEA中。 一個端板包括陽極氣術荒動通道，且另一個端板包括陰極氣術荒
4動通道。雙極板和端板由導電材料制成，如不銹鋼或?qū)щ姀秃喜牧?。端板將?br> 燃料電池產(chǎn)生的電導出電池堆。雙極MS包括7轉(zhuǎn)卩流體流動M的流動M。
通常，在系統(tǒng)關閉時，陽極流動通道中剩余的氫可用陰極空氣被清除或消 耗，并且將堆密封。但是，氫氣有通過系統(tǒng)中密封件和閥泄露的傾向，這導致 當系統(tǒng)關閉時， 一些氫氣^A燃料電池堆中。這些氫在流動通道中不均勻分布， 并且具有在電池堆內(nèi)氫和空氣與催化劑反應的位置產(chǎn)生局部電壓電勢的作用。
局部電壓電勢在催化劑層引起腐蝕反應，由lt蹄短了 MEA和燃料電池堆的壽
命。催化劑層的腐蝕使通過電池的電壓電勢呈指數(shù)增加。因此，在該關附瞎形 下，抑制通過電池的電壓是必要的。
本領域中已知的是在燃料電池堆中提供跨接每一燃料電池的短路電阻負 載，其使得因在系統(tǒng)關閉期間燃料電池中的氫氣和氧氣反應產(chǎn)生的電流被導出 燃料電池，并通過外電阻，從而抑制電壓，并由此防止催化劑層損壞。但是， 為了這個目的在系統(tǒng)關閉期間在燃料電池堆中提供跨接每一燃料電池的短路電 阻，在燃料電池堆操作期間由于從燃料電池堆中通過該電阻引出電流，形成了 顯著的電損耗。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導，公開了一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一項技術，用 于降低或顯著消除在系統(tǒng)關閉期間由于燃料電池堆流動通道中存在的氫和空氣
而發(fā)生的MEA劣化。燃料電池系統(tǒng)包括與燃料電池堆中的每一燃料電池電連接 的非線性負載元件。非線性元件工作使得其在低電池電壓下具有高的電傳導和 在高電池電壓下具有低的電傳導。系統(tǒng)關閉期間，當沒有反應物活性流時，由 燃料電池中氫和空氣反應產(chǎn)生的電壓被該元件抑帝ij。當出iK和氧反應物的高 水平和流動時，例如在正常運行期間，該元件的導電能力不足以抑制電壓。系 統(tǒng)運行期間，燃料電池電壓電勢相對高，而該元件的電阻上升使得較小的電流 通過該元件，以此M^、電損耗。在一非線性實施例中，非線性元件為正纟鵬系 數(shù)(PTC)電阻，該電阻提供隨電池電壓變化而電阻變化，以及還樹共響應于M 變化的期望電阻變化。
本發(fā)明額屏特征將從以下描述和所附權(quán)利要求并結(jié)合附圖變得顯而易見。


圖1為燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖；圖2為包括非線性電阻元件的燃料電池圖示，該非線性電阻元件與堆中的每 一燃料電》雌接，雜燃料電池處于低電壓時從中引出電流；和
圖3是橫軸為電池電壓并且縱軸為電池短路電流的曲線圖，顯示出兩個不同 ^鵬下圖2所示的電連接至堆中燃料電池糊險性元件的操作。
具體實施例方式
以下針對涉及用于減少或消除在燃料電池系統(tǒng)關閉期間MEA劣化技術的 本發(fā)明實施例的討論本質(zhì)上僅是示范性的，并且決不意圖限制本發(fā)明或其應用 或艦。
圖1為包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的示意框圖。壓縮機18 3131 陰極進氣閥20和陰極進氣管線22向燃料電池堆12劍共陰極空氣進氣，并且陰 極it^M陰極排氣閥26沿陰極廢氣管線24從燃料電池堆12排出。來自, 28的氫提供給陽極進氣管線30上的燃料電池堆12的陽極側(cè)。陽極j^il3i陽 極排氣閥32沿排氣管線34 >規(guī)料電池堆12排出。
圖2為燃料電池堆40的圖示，燃料電池堆40包括多個燃料電池42，每一 燃料電池42都具有MEA44。包括流動通道48的雙極流板46以本領域技術人 員熟知的構(gòu)造設置在MEA44之間。如上戶，，需要樹對咸少系統(tǒng)關閉期間碳腐 蝕的某種技術。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，非線性電阻元件50電連接j^t接每 個燃料電池42，從而樹共電流的傳導通路，如上所述，該電流由在氫和空氣在 燃料電池42中與催化劑反應時產(chǎn)生的電壓電勢而形成。特另啲，當在燃料電池 42中產(chǎn)生電壓電勢時，所產(chǎn)生的電、Mil元件50傳導，從而有效抑制電壓，使 得電壓電勢不魏成弓胞劣化作用的催化劑層腐蝕。
由于元件50為非統(tǒng)l^i件，其電阻特性將響應于電壓電勢的變化而變化。 特別是，系統(tǒng)關閉期間在氫和氧的濃度低時，燃料電池42中敦空氣反應產(chǎn)生低 電壓電勢，如O.IV，元件50的阻值也小，這使得電流傳導M元件50。正常 的系統(tǒng)運行期間，燃料電池42的電壓隨籠和氧的高濃度和流動而增大時，元 件50的阻值也增大，這斷氐了元件50傳導電流的肖巨力。電流可以流動到堆40 的正常輸出接點以驅(qū)動車輛或其他系統(tǒng)負荷。因此，在系統(tǒng)關閉時，需要電流 /AM料電池42流動ffl31元件50時，元件50的阻值小，并且當系統(tǒng)10運行中， 需要ffiih電流^il元件50時，元件50的阻歡，這樣就M^了系纟艇行期間 的電損耗。在一個實施方式中，非線'艦件50為本領域技術人員公知的正 驢系數(shù) (PTC)電阻。PTC電阻的阻值隨燃料電池42的電壓增大以非線性方式增大。同 時，隨著燃料電池堆40的鵬增加到其工作鵬，PTC電阻的阻值也增大，由 ltbS—步增大了限制電損耗的希望效果。
圖3為以電池電壓為橫軸、電池短路電流為縱軸的曲線圖，其示出上述效 果。上方圖線對應于堆纟鵬25-C,下部圖線對應于銜鵬7(TC時。容易看出， 隨電池電壓上升，電池短路電流也增大直到電池電壓達到一定的值，該值取決 于元件的特性，此時，電池短路電流下降。因阻值增誠成的MPTC電阻的 電流減小在更高的纟鵬下更加明顯。因此，PTC電阻不僅有利于在系統(tǒng)關閉時 在低電池電壓下電流/，料電池42流動，以及當電池電壓相對較高，例如系統(tǒng) 運行期間時掛共相對低的短路電流，而且PTC電阻也掛共期望的對鵬的響應， 其中，電流在關閉后的長時間關斷狀態(tài)期間通常遇至啲做鵬時較大。
根據(jù)另一實施方式，非線性元件50包括取決于電池電壓而接 斷開的晶 體管電路。當電池電壓低于比在系統(tǒng)關閉時由M/空氣反應產(chǎn)生的電壓電勢更大 的某個預定電壓時，電路中的晶體管導通，使電流能夠流至頓各中的某個負載， 如電阻或晶體管導通電阻。當系統(tǒng)工作期間電池電壓增大到皿預定電壓時， 晶體管斷開，形成不能傳導電流的開路。因此，在系艦行期間，元件50在堆 40上不提供將弓胞顯著損耗的負載。
提供該操作的電路示例包括、但不限于，舌簧繼電器電路、包括零閾值 MOSFET晶體管的半導體電路、具有內(nèi)部升高電壓的半導體,和)^屬開關 觸點電路。當燃料電池電壓電別氏于預定電壓時，舌簧繼電器電路中的舌簧繼 電器將閉合，并且當燃料電池電壓電勢高于預定電壓時，舌簧繼電器將斷開。 雙金屬開劃蟲點電路包括雙金屬開關，其中兩種金屬具有不同的溫度系數(shù)，使 得響應于熱一個金屬比另一個金屬膨脹得多。這將引起雙金屬開關隨著燃料電 池溫度上升而斷開，其設計淑目應于與燃l斗電池的操作相關聯(lián)的溫度。雙金屬 開關還可構(gòu)造成基于其自身由于電流傳導而形成的內(nèi)熱而斷開。當雙金屬開關 電流高時，即高電池電壓，開關斷開。當系統(tǒng)關閉期間燃料電池堆相對涼時， 雙金屬開關將閉合。
非線性元件50可在堆40外部，或可在堆40內(nèi)^j^各種板和其他堆結(jié)構(gòu) 上。例如，元件50可以是電池板中的部件、燃料電池氣密封件或電絕緣件中的
7部件、燃料電池質(zhì)子傳導層的部件、MEA中墊片^他支撐層的部件等等。
，討論僅公開和描述本發(fā)明的示例性實施例。從這些內(nèi)容以及從附圖和 權(quán)利要求中，本領域技術人員將容易意識到而在不背離由所附權(quán)利要求限定的 本發(fā)明的精神和范圍的情況下可作各種改變、修改和變化。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池包括燃料電池；和電連接至所述燃料電池的非線性元件，所述非線性元件提供電阻負載，當所述燃料電池電壓電勢低于一定電壓電勢時，所述電阻負載提供較大的電流傳導經(jīng)過元件，以及當所述燃料電池電壓電勢高于一定電壓電勢時，所述電阻負載提供較小的電流傳導經(jīng)過元件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1戶誠的系統(tǒng)，其中非線性元件包括正纟驢系數(shù)電阻，所述正溫度系數(shù)電阻的阻值隨戶;M燃料電池的電壓電勢增大而增大。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2戶腿的系統(tǒng)，其中戶腿正驢系數(shù)電阻的阻值還隨戶腿 燃料電池纟鵬的升高而增大。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1戶腿的系統(tǒng)，其中戶脫非線性元件包括晶體管電路，所 述晶體管電路包括晶體管，該晶體管在燃料電池電壓電勢小于一定電壓電勢時 導通，以及當燃料電池電壓電勢大于一定電壓電勢時不導通。
5、 根據(jù)權(quán)禾腰求4戶腿的系統(tǒng)，其中晶體管為零閾值MOSFET晶體管。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1戶腿的系統(tǒng)，其中非線性元件包f活離電器，當燃料 電池電壓電劍氏于一定電壓電勢時，該舌簧繼電器閉合，以及當燃料電池電壓 電勢增加到高于一定電壓電勢時，該舌簧繼電器斷開。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中非線性元件包括7M屬開關觸點，其 在燃料電池^^增大到高于預定溫度時斷開。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1戶誠的系統(tǒng)，其中非線性元件為燃料電池的纟腿部分。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8戶腿的系統(tǒng)，其中非統(tǒng)性元件為電池極板的一部分。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8戶脫的系統(tǒng)，其中非線性元件為燃料電池質(zhì)子傳導層 的一部分。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8戶腐的系統(tǒng)，其中非線性元件為燃料電池MEA的墊 片 撐層的一部分。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中戶/M—定電壓電勢高于燃料電池系 統(tǒng)關閉時將發(fā)生的燃料電池電壓電勢，并且低于在燃料電池系統(tǒng)運行下燃料電 池正常工作時的燃料電池電壓電勢。
13、 一種燃料電池系統(tǒng)，戶; M料電池系統(tǒng)包括燃料電池；和電連接至燃料電池以提供電阻負載的正溫度系數(shù)電阻，其中所述正溫度系 數(shù)電阻的阻值隨燃料電池電壓電勢增大而增大，使得在電壓電勢升高時電阻提 供較小的電傳導。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13戶腿的系統(tǒng)，其中正m系數(shù)電阻的阻值還隨燃料電池溫度升高而增大。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中正纟顯度系數(shù)電阻為燃料電池的組成部分。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中正溫變系數(shù)電阻為電池極板的一部分。
17、 一種燃料電池系統(tǒng)，戶;f^料電池系統(tǒng)包括燃料電池；和電連接至燃料電池的晶體管電路，所述晶體管電^a括晶體管，該晶體 管在燃料電池電壓電劑氐于一定電壓電勢時導通，并且在燃料電池電壓電勢高 于一定電壓電勢時不導通。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中晶體管為零閾值MOSFET晶體管。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17戶服的系統(tǒng)，其中晶體管電路為燃料電池的組成部分。
20、 根據(jù)權(quán)利要求17戶腿的系統(tǒng)，其中戶腿一定腿電勢高于燃料電池系 統(tǒng)關閉時將發(fā)生的燃料電池電壓電勢，并且低于在燃料電池系統(tǒng)運行下燃料電 池正常工作時的燃料電池電壓電勢。
全文摘要
本發(fā)明涉及用自控元件無接通狀態(tài)損耗的防止燃料電池關斷狀態(tài)劣化。一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一項技術，用于降低在系統(tǒng)關閉期間由于燃料電池堆流動通道中存在的氫和空氣而發(fā)生的MEA劣化。燃料電池系統(tǒng)包括電連接至燃料電池堆中各個燃料電池的非線性負載元件，如正溫度系數(shù)電阻。非線性元件運行使得在低電池電壓時具有高的電傳導，而在高電池電壓時具有低的電傳導。在系統(tǒng)關閉期間，由于燃料電池中氫和空氣反應而產(chǎn)生電壓，被元件從燃料電池引出并消耗，其中上述反應產(chǎn)生低電池電壓。在系統(tǒng)運行期間，燃料電池電壓電勢相對較高并且元件阻值升高，使得較小的電流流過元件，從而減小電損耗。
文檔編號H01M8/00GK101651215SQ20091017337
公開日2010年2月17日 申請日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月6日
發(fā)明者B·拉克什馬南, C·G·霍赫格拉夫, D·I·哈里斯 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司