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制造技术

本发明专利技术涉及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。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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池的运行。更具体地，本专利技术涉及调节氢燃料电池堆的启动和 停止的改进方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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°C)下的低电阻，和在正常运行温度例如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。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。本专利技术涉及以下技术方案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。2、根据技术方案1所述的燃料电池，其中所述元件位于形成在所述膜中的开口处 并且在所述至少一对板之间电连接。3、根据技术方案2所述的燃料电池，其中所述元件连接至所述板之一。4、根据技术方案2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。5、根据技术方案1-4任一项所述的燃料电池，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。6、根据技术方案1-5任一项所述的燃料电池，其中所述元件通过丝网印墨形成。7、根据技术方案1-6任一项所述的燃料电池，其中该燃料电池包括设置在堆中的 多个所述板，所述膜之一位于每个相邻对的所述板之间以及所述元件之一连接在每个相邻 对的板之间。8、根据技术方案6所述的燃料电池，其中所述元件交错排列在相邻的所述膜上。9、根据技术方案1-8任一项所述的燃料电池，其中所述元件为20到40微米厚。10、根据技术方案1-9任一项所述的燃料电池，其中所述元件是硅控整流器。11、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。12、根据技术方案11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在所述相关对的板之间电连接。13、根据技术方案11或12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。14、根据技术方案11、12或13所述的燃料电池，其中所述元件交错排列在相邻的 所述膜上。15、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；以及多个正温度系数元件，每一个所述元件位于形成在所述膜之一中的开口处并且在连接，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。16、根据技术方案15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。17、根据技术方案15或16所述的燃料电池，其中所述元件交错排列在相邻的所述膜上。18、根据技术方案15、16或17所述的燃料电池，其中所述元件为20到40微米厚。 附图说明本专利技术的上述，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/温度特生图表；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。具体实施例方式以下详细说明和附图说明和示例本专利技术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专利技术，以及并不想要以任何方式限制本专利技术的范围。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。本专利技术利用正温度系数(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°C。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TKef2上电阻呈指数增加并且自我限制。在40°C和80°C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元件大本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：B安德里斯肖特，GW斯卡拉，JA罗克，B拉克什马南，RS富利，MW墨菲，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]