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 1.技术领域
本发明总体涉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低燃料电池堆的MEA中的催化剂劣化的系统和方法，所述系统和方法包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提供相对低的电流传导。
2.背景技术
氢可用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃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。来自阳极的电子不能通过电解质，并因此在流到阴极之前被导向通过负载做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆常用的燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。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，通常铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的相对两侧上。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).
通常若干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，通常为通过压缩机而被迫通过电池堆的空气流。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水。燃料电池堆还接收流入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。阳极气体流动通道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。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧，以允许阴极反应气体流入各个MEA中。一个端板包括阳极气体流动通道，且另一个端板包括阴极气体流动通道。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。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。
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，一些氢气流入燃料电池堆中。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，由此缩短了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，在该关闭情形下，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制。当出现氢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，以此减少电损耗。在一非线性实施例中，非线性元件为正温度系数(PTC)电阻，该电阻提供随电池电压变化而电阻变化，以及还提供响应于温度变化的期望电阻变化。
本发明额外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。
【附图说明】
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池连接，其在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，显示出两个不同温度下图2所示地电连接至堆中燃料电池的非线性元件的操作。
【具体实施方式】
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使用。
图1为包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意框图。压缩机18通过阴极进气阀20和阴极进气管线22向燃料电池堆12提供阴极空气进气，并且阴极废气通过阴极排气阀26沿阴极废气管线24从燃料电池堆12排出。来自氢源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。阳极废气通过阳极排气阀32沿排气管线34从燃料电池堆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。如上所述，需要提供减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电连接成跨接每个燃料电池42，从而提供电流的传导通路，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。特别的，当在燃料电池42中产生电压电势时，所产生的电流通过元件50传导，从而有效抑制电压，使得电压电势不会造成引起劣化作用的催化剂层腐蚀。
由于元件50为非线性元件，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中氢/空气反应产生低电压电势，如0.1V，元件50的阻值也小，这使得电流传导通过元件50。正常的系统运行期间，燃料电池42的电压随着氢和氧的高浓度和流动而增大时，元件50的阻值也增大，这降低了元件50传导电流的能力。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，需要电流从燃料电池42流动通过元件50时，元件50的阻值小，并且当系统10运行中，需要阻止电流流过元件50时，元件50的阻值大，这样就减少了系统运行期间的电损耗。
在一个实施方式中，非线性元件50为本领域技术人员公知的正温度系数(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的温度增加到其工作温度，PTC电阻的阻值也增大，由此进一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。上方图线对应于堆温度25℃，下部图线对应于堆温度70℃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。因阻值增大造成的通过PTC电阻的电流减小在更高的温度下更加明显。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从燃料电池42流动，以及当电池电压相对较高，例如系统运行期间时提供相对低的短路电流，而且PTC电阻也提供期望的对温度的响应，其中，电流在关闭后的长时间关断状态期间通常遇到的低温度时较大。
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通或断开的晶体管电路。当电池电压低于比在系统关闭时由氢/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，使电流能够流至电路中的某个负载，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超过预定电压时，晶体管断开，形成不能传导电流的开路。因此，在系统运行期间，元件50在堆40上不提供将引起显著损耗的负载。
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电路和双金属开关触点电路。当燃料电池电压电势低于预定电压时，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。双金属开关触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，其设计成相应于与燃料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内集成在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部件、燃料电池质子传导层的部件、MEA中垫片或其他支撑层的部件等等。
上述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。