CN107949944A - 自加热燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统，例如包括质子交换膜(PEM)燃料电池的系统，被设计成具有能够根据温度而改变的多于一个的内部电阻。内部电阻的这种变化可使燃料电池从低温迅速加热到对水管理和燃料电池操作最佳的高温。燃料电池系统能够包括至少一个燃料电池以及电连接到至少一个燃料电池的至少一个电阻器开关单元。至少一个电阻器开关单元包括电阻器和开关，其中开关与电阻器并联电连接上。

Description

自加热燃料电池系统
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2015年1月21日提交的美国临时申请No.62/105,875的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体涉及燃料电池系统，其包括一个或多个燃料电池，例如被设计为具有多于一个内部电阻水平的质子交换膜燃料电池。内部电阻水平被设计为随着温度而显著变化。这种变电阻的特性可让燃料电池系统从低温迅速加热到对水管理和燃料电池运作最佳的工作温度。这种燃料电池系统包括用于车辆和固定式的氢燃料电池。
背景技术
目前，燃料电池如质子交换膜(PEM)燃料电池在寒冷的环境中工作尤其在或低于零下的温度下是非常困难的。人们普遍认为，PEM燃料电池在低温运行期间，由氧还原反应(ORR)产生的水在阴极催化剂层(CL)中形成冰，这阻碍了氧输送到反应位点，从而导致PEM燃料电池最终关闭。几种技术试图已解决寒冷环境下燃料电池的运行。
例如，美国专利号6,358,638 B1公开了一种局部化学反应加热方法以在冷启动期间产生热量，从而将燃料电池组朝着冰点预热。在该方法中，将少量的O2注入到阳极中以在阳极催化剂层中诱导O2-H2燃烧反应，从而产生热量。或者将少量的H2注入到阴极中以在阴极催化剂层中引起H2-O2的反应以便产热。在这两种情况下，该方法不有效，因为它还产生水，水变成冰并填满催化剂层，使得燃料电池变得不可操作。由该方法产生的热量受催化剂层的蓄水能力的限制，因此在薄催化剂层中的空隙空间小的情况下产生的热量很少。此外，该方法引起催化剂层的劣化，因为阳极催化剂层中的H2-O2催化反应将促进阴极催化剂层中的碳腐蚀，并且阴极催化剂层中的H2-O2催化反应可能导致在膜上形成局部热点。
美国专利No.8,263,278 B2公开了一种缺氧技术以维持低的电池电压以及因此维持低效率的操作，使得产生更多的内部热量来预热燃料电池组。这种缺氧的方法导致从阳极向阴极传送氢，从而需要稀释阴极排气，以便在排放到环境中之前将氢浓度保持在可燃性极限以下。缺氧方法还需要精细的控制步骤，并且可能导致燃料电池材料的劣化。
因此，需要开发一种简单不劣化的方法来从零下温度迅速启动燃料电池。
此外，在达到最佳范围(例如60℃-80℃)之前从低环境温度(例如室温)操作的燃料电池中的水管理是极其困难的。需要体积庞大的加湿系统以及精细的控制来适当地管理水，同时又要防止电极、气体扩散层和流动通道被液态水淹没。对低温下的这种水管理难题的简单解决方法可以使电池从室温迅速加热到高温最佳设计点。较高的电池温度通过气相扩散显著地促进了水蒸发和排除，从而缓减了燃料电池组件和材料的淹水程度。
发明内容
本公开的优点包括燃料电池系统的设计和操作。有利地，本公开的燃料电池系统被有利地设计为基于系统中的一个或多个燃料电池的温度在不同的内部电阻水平下操作。
这些和其他优点至少部分地通过自加热燃料电池系统来满足。该系统包括至少一个燃料电池和至少一个电阻器开关单元，其包括电阻器和开关，其中开关与电阻器并联电连接。该开关可以引导电流通过电阻器(高电阻状态)或引导电流绕开电阻器(低电阻状态)。电阻器优选地被放置成与燃料电池直接接触，使得从电阻器产生的热量可以加热燃料电池。
本公开的实施例包括以下特征的任何一个或多个组合。例如，该系统可以包括燃料电池组，其中至少一个燃料电池在燃料电池组中。此外，一个或多个燃料电池可以分别包括阳极催化剂电极、阴极催化剂电极以及两者之间的质子交换膜。在一些实施例中，一个或多个燃料电池可以包括具有超薄厚度的阳极催化剂层和/或阴极催化剂层，例如等于或小于1微米的厚度。在各种实施例中，一个或多个燃料电池可进一步包括：具有用于阳极上的燃料流的流场的双极板；膜-电极组件上的扩散介质；具有用于阴极上的氧化剂流的流场的双极板，其中电阻器被放置成与双极板之一直接接触。在一些实施例中，电阻器在燃料电池内部或燃料电池外部，或者当系统包括燃料电池组时，电阻器开关单元可置于电池组中的两个电池之间。在其他实施例中，电阻器可以是在其一个或两个主表面上具有一个或多个电绝缘膜的薄金属片，并且/或者薄金属片可以在电阻器的任一端具有极耳。在另外的实施例中，系统可以包括用于操作开关的控制器。在各种实施例中，控制器可以被进一步配置成接收来自燃料电池上的温度感测装置的输入。在一些实施例中，控制器被配置为基于来自温度检测装置的输入来将开关操作到断开状态或闭合状态，该温度感测装置可以测量至少一个燃料电池的表面温度。
本公开的另一方面包括自加热燃料电池系统，该自加热燃料电池系统具有所述系统在所述至少一个燃料电池的温度高于温度(T1)时的第一内部电阻(R1)以及所述系统在所述至少一个燃料电池的温度低于T1时的第二内部电阻(R2)，其中在T1以下约2℃的R2的值至少为T1下的R1值的两倍。这种自加热燃料电池系统可以包括上述并在本文中引用的任何一个或多个特征。
其他实施例包括以下特征的任何一个或多个组合。例如，其中T1不大于0℃，例如在-5℃和0℃之间。在其它实施例中，T1小于95℃，例如在45℃至95℃之间，优选在60℃至80℃之间。
本公开的另一方面包括操作自加热燃料电池系统的方法。所述方法包括：通过激活根据T1激活R1或R2的开关，当所述系统中的至少一个燃料电池的温度高于温度(T1)时使所述系统在第一内部电阻(R1)操作，并且当所述至少一个燃料电池的温度低于T1时使所述系统在所述系统的第二内部电阻(R2)操作。自加热燃料电池系统可以包括上述或在本文中的任何一个或多个特征。
本公开的另外的优点对于本领域技术人员将从以下详细描述中变得显而易见，其中仅通过说明实施本公开的最佳方式来示出并描述本公开的优选实施例。如将认识到的，本公开能够具有其他和不同的实施例，并且在不脱离本公开的情况下，能够在各种明显方面修改其几个细节。因此，附图和描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
参考附图，其中具有相同附图标记的元件总体上表示相似的元件，其中：
图1A-1C示意性地示出了理想化的自加热燃料电池系统的特征，其中系统中的燃料电池的电阻根据温度而变化。图1A示出了在阈值温度T1的阶跃跳跃；图1B示出了阈值温度T1附近的急剧但平滑的跳跃；图1C示出了多个阈值温度下的多阶跃变化。本公开的自加热燃料电池系统的特征曲线(实线绘制)与常规燃料电池的特性曲线(虚线绘制)形成对比。
图2A-2D是根据本公开的实施例的自加热燃料电池系统如何能够促进燃料电池从零下温度内部加热的逐步机理的示意图。如图所示：高内阻导致低输出电压和高内部发热，这促进电池温度的迅速上升。
图3是根据本公开的实施例的具有连接到燃料电池的双极板的电阻器开关单元(RSU)的单个燃料电池的示意图。
图4示出了根据本公开的实施例的具有置于燃料电池组中的两个燃料电池之间的电阻器开关单元的另一个自加热燃料电池系统的结构。
图5示出了根据本公开的实施例的具有插在燃料电池组中的各种燃料电池之间的多个RSU的另一个自加热燃料电池系统的结构。
图6示出了根据本公开的实施例的具有插在扩散介质和双极板之间的RSU的自加热燃料电池系统。RSU被切割成与双极板相同的肋图案。
图7示出了由诸如Kapton的绝缘膜覆盖在两个主表面上的薄金属片制成并折叠成多层紧凑结构的薄膜电阻器的实施例。
图8示出了片材形式并通过电绝缘膜覆盖在两个主表面上的图案化电阻器的一个实施例。根据本公开的实施例，电阻器夹在下燃料电池和上燃料电池的双极板之间。电阻器的两端分别与开关一起电连接到下双极板和上双极板。
图9是表示与车辆电连接上的本公开的实施例的燃料电池系统的图。
图10是示出根据本公开的实施例的在从室温启动燃料电池系统期间的电流密度和温度响应的图。
具体实施方式
本发明涉及一种自加热燃料电池系统。这种系统可以包括至少一个燃料电池和至少一个电阻器开关单元(RSU)。电阻器开关单元包括电阻器和开关，其中开关与电阻器并联电连接。该开关可以引导电流通过电阻器(高电阻状态)或引导电流绕开电阻器(低电阻状态)。通过电阻器的电流产生热量。优选地，电阻器被放置成与燃料电池直接接触，使得从电阻器产生的热量可以加热燃料电池。
有利地，内阻在阈值温度T1发生变化，阈值温度可以根据特定燃料电池系统设置，但通常小于95℃。然而，也可以将T1设定为0℃以下，例如在-5℃和0℃之间，使得燃料电池可以从零下温度自动加热。通过这种机理，从室温或以下开始的燃料电池操作将呈现非常高的内阻水平，其产生巨大的热量并将燃料电池迅速加热至最佳操作温度范围，例如在约60℃至80℃。这种结构也可以方便PEM燃料电池中的水管理。
在本公开的一方面，燃料电池系统被配置为包括系统的第一内部电阻(R1)(当燃料电池系统中的至少一个燃料电池的温度高于T1时)和系统的第二内部电阻(R2)(当至少一个燃料电池的温度低于T1时)。优选地，R2的值突然变化，例如是阶跃函数，或者急剧变化，例如电阻连续变化但是在T1周围迅速变化。例如，R2在T1以下约2℃的值至少为T1下的R1值的两倍。有利地，在T1以下约2℃的R2的值至少为T1的R1值的两倍至五十倍。本燃料电池系统的内部电阻的变化是有利地可逆的，即内部电阻可以在T1附近在R2和R1之间切换。
有利地，可以通过根据本公开的自加热燃料电池系统来解决燃料电池的冷启动和水管理的需要。例如，当电池温度低于阈值(例如低于约0℃)时，电池的内部电阻可以显著增加，使得电池电压和能量转换效率变低，这反过来又显著增加内部发热。此外，可以显著提高热量与水产生的比率，这促进了燃料电池系统从冰点下温度的迅速升温，同时显著地减小燃料电池因在催化剂层中产物水变成冰而关闭的可能性。如本文所用，冰点下和零下含义是指低于0℃的温度。
本公开的燃料电池系统可以实施为各种燃料电池配置。例如，本公开的燃料电池系统可以实施为诸如氢气、甲醇、肼等燃料可以在燃料电池中直接反应的直接系统，以及诸如天然气或其他化石燃料的燃料首先通过重整转化为富氢气体然后将其送入燃料电池的间接系统。例如，这样的系统可用于为车辆或固定设施供电。
在一些实施例中，燃料电池系统包括能够对氢气或含氢气体操作的质子交换膜燃料电池。在其它实施例中，燃料电池系统是碱性膜燃料电池，在100℃和300℃之间运行的中温燃料电池，诸如聚苯并咪唑(PBI)燃料电池或固体氧化物燃料电池。在本公开中可以使用所有这些各种燃料电池系统配置。
在本公开的一个方面，燃料电池系统包括至少一个燃料电池和至少一个电阻器开关单元。电阻器开关单元电连接到至少一个燃料电池。在系统运行期间由燃料电池产生的电流流过电阻器开关单元并且直接或间接地流到另一个燃料电池或外部负载。
燃料电池的主要部件可以包括例如阳极、阴极和两者之间的电解质。在某些配置中，阳极电极包括阳极催化剂层和气体扩散层，阴极包括阴极催化剂层和气体扩散层。阳极和阴极可以被具有通道的阳极和阴极夹住，以向阳极供应燃料，并向阴极供应氧化剂。某些燃料电池包括诸如质子交换膜燃料电池的膜-电极组件(MEA)，以及双极板和互连件，有时用于密封/防止阳极和阴极之间的气体泄漏的垫圈。由于在单个燃料电池的放电期间产生的电压趋向于低，所以多个燃料电池优选电连接在一起以获得更高的电压。这种系统通常被称为燃料电池组。
本公开的自加热燃料电池系统的电阻器开关单元包括电阻器和开关，其中开关与电阻器并联电连接。当自加热燃料电池系统包括燃料电池组时，可以在燃料电池组中的多个位置的燃料电池之间插入多个电阻器开关单元。多个电阻器开关单元电连接到电池组中的燃料电池。在这样的系统中，可以根据控制算法顺序地激活多个开关。
可用于本公开的电阻器可以由例如石墨、高阶热解石墨(HOPG)、不锈钢、镍、铬、镍铬合金、铜、铝、钛或其组合制成。在某些实施例中，本公开的电阻器优选是具有大表面积的平坦的，使得其可以与一个或多个燃料电池具有良好的热接触。在其它实施例中，电阻器可以是在片材的一个或两个主表面上具有一个或多个电绝缘膜的薄金属片。这样的片材可以在电阻器的任一端具有极耳，其可以用于将电阻器电连接到一个或多个燃料电池和开关。电阻器的总厚度可以在1和100微米之间。
此外，本公开的电阻器的电阻可以通过在电阻器内形成不同的形状来调节，诸如在片状的电阻器内形成图案，即从电阻器片材去除材料。图案化允许电阻器具有足够的厚度用于机械强度和可焊接性，但是具有较大的电阻。这样的图案例如包括蛇形图案。
可以与本公开的电阻器一起使用的电绝缘膜包括例如聚乙烯、聚丙烯、氯化聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、PVDF、PTFE、尼龙或其共聚物。电绝缘膜的厚度可以在0.1-50微米之间。
本公开的开关可以包括由热敏器件激活的开关，诸如在T1经历相变和相当大的体积变化的相变材料，或双金属开关，或者其体积例如在T1明显膨胀的固态材料。
此外，本公开的开关可以由机电继电器和温度控制器，或具有温度传感器的固态继电器，具有温度传感器的功率MOSFET或具有温度传感器的大电流开关组成。
在某些实施例中，自加热燃料电池系统可以包括被配置成操作开关的控制器。控制器可以被进一步配置成从能够测量燃料电池的表面温度的温度感测装置(例如热电偶或热敏电阻)接收输入。在一些实施例中，控制器可以被配置为基于来自温度感测装置的输入将开关操作到断开状态或闭合状态。
本公开的优点是燃料电池系统，例如PEM燃料电池，其内阻可以根据电池温度而变化。当电池温度低于阈值(例如冰点)时，电池的内阻急剧增加，使得电池电压和转换效率变低，这显著增加了内部发热。具体地说，燃料电池的发热率可以与燃料电池中的产水率如下相关：
其中F是法拉第常数，MH2O是分子量，Eh是热力学电池电位(＝Δh/2F～1.48V，H2-O2反应)，Vcell是电池输出电压。另见Tajiri和Wang，“聚合物电解质燃料电池的建模和诊断”，第49卷，第3章，“聚合物电解质燃料电池的冷启动”，Springer Science，2010。清楚地看到，随着输出电压的降低，发热量与产水量之比显著增大，从而促进燃料电池从冰点下温度的迅速预热，同时最小化由于系统中形成水/冰而使燃料电池堵塞和关闭的可能性。
本公开的自加热燃料电池系统的一个方面是当系统中的燃料电池达到阈值温度T1时，系统的内部电阻可能突然变化。自加热燃料电池系统的内部电阻的这种变化以图1A-1C中的理想的电阻-温度关系描绘，其中本公开的燃料电池系统(实线)与常规燃料电池系统(虚线)的燃料电池系统形成对比。例如，如图1A所示，本公开的燃料电池系统在阈值T1(例如-5℃和0℃)之间的内阻可根据温度按照阶跃函数变化。图1B示出了电池内部电阻在阈值温度附近(例如在-5℃和0℃之间)的平滑但急剧的变化。图1C示出了系统在低于T1的多个阈值温度下的欧姆电阻的多阶跃变化，例如，系统的内部电阻低于T1(T1a和T1b)具有多个子水平(R2a和R2b)。
图2A-2D中示出了自加热燃料电池系统可以提高并加速系统从冰点下温度起动的机理。例如，开始环境温度低于阈值T1时，燃料电池系统可以高电阻状态下操作(图2A)，导致低输出电压(图2B)和高内部发热(图2C)。后者导致燃料电池温度迅速上升(图2D)。一旦燃料电池温度超过T1，该系统可以在低电阻状态下操作，将系统的内部电阻降低到与常规燃料电池系统相同的低电压，使得电力输出电压和能量转换效率与常规燃料电池中的电压一样高。
图3示出了本公开的自加热燃料电池系统的实施例。如图所示，燃料电池系统300包括燃料电池340。在该实施例中，燃料电池340是具有扩散介质(315)的膜电极组件(MEA)。具有扩散介质的MEA包括在扩散介质312上的阳极催化剂层310、质子交换膜320和扩散介质332上的阴极催化剂层330。质子交换膜的典型实例是由全氟磺酸-四氟乙烯共聚物组成的质子交换膜。MEA置于具有向阳极供应燃料并且向阴极供应氧化剂(分别为316和336)的两个双极板(314，334)之间。在本实施例中，气体燃料可以流入的双极板314(称为阳极侧)、阳极扩散介质312、膜电极组件和阴极扩散介质连接到氧化剂(例如空气)可以流入另一双极板334(称为阴极侧)。电阻器开关单元(RSU)可以连接到双极板。在该实施例中，RSU 350通过双极板334与燃料电池340电连接上，并与双极板334直接接触。
如图所示，RSU 350包括电连接至并直接接触双极板334的上导电金属片352、下导电金属片354、置于上片352和下片354之间的薄膜电阻器356以及能够使上片352与下片354电连接上的热开关358。
在图的放大部分中示出了流过RSU的电流。例如，当开关358闭合(低电阻状态)时，例如每当燃料电池温度高于阈值(T1)时，电流主要(如果不完全)从燃料电池流过导电金属片(352和354)(图示为虚线370)，从而有效地绕过薄膜电阻器356，从而不向电池增加额外的内部电阻。然而，当电池温度下降到阈值T1以下时，断开开关(高电阻状态)，这迫使从燃料电池产生的电流流过薄膜电阻器(如实线380所示))，从而使系统的总电池电阻增大R，从而使输出电压降低到较低的水平，例如，系统输出电压可以降低到每个电池约0.1V。电阻上产生的焦耳热又使燃料电池加速预热到T1以上。一旦电池温度升高到T1以上，开关可以在闭合状态(低电阻状态)工作，并且内部电阻在没有RSU的情况下恢复到常规燃料电池的低值特性，并且在一定电流下终端电压跳到正常工作水平。
虽然图3示出了一个燃料电池和一个RSU，但是本公开的燃料电池系统可以具有多个燃料电池，例如燃料电池组和置于燃料电池组中的若干位置上的燃料电池之间的RSU。
本公开的另一实施例包括制造具有至少一个燃料电池和RSU的燃料电池系统。这样的系统可以通过逐层沉积来制造。例如，双极板可以首先用作衬底以沉积电绝缘层，例如聚(苯二甲基)聚合物(例如聚对二甲苯)，然后沉积导电层(例如金属)以形成蛇形图案化的电阻器层。导电层可以被另一个电绝缘层覆盖，例如聚(苯二甲基)聚合物(例如聚对二甲苯)涂层。这样的电阻器层可以电连接到两个相邻的双极板。这种结构可用于消费电子产品中使用的微型燃料电池系统。
图4、图5和图6中示出了本发明的自加热燃料电池系统的另外的实施例。这些实施例示出了置于电池组中的两个电池之间的电阻器开关单元(RSU)(图4)、置于电池组中的电池之间的多个RSU(图5)或置于双极板和扩散介质之间的RSU(图6)。在后一种情况下(图6)，将RSU切割成与双极板上的肋图形匹配的形状。
例如，图4示出了两个燃料电池(440a，440b)之间的RSU 450。燃料电池包括具有扩散介质(分别为415a和415b)的膜电极组件(MEA)，扩散介质被夹在具有向阳极(416a，416b)供应燃料并且向阴极(436a，436b)供应氧化物的通道的两个双极板(414a，434a和414b，434b)之间。
在该实施例中，RSU 450通过燃料电池440a的底部双极板434a和燃料电池440b的顶部双极板414b与系统中的燃料电池电连接上。RSU与双极板434a和414b直接接触。RSU450包括电连接至并直接接触双极板434a的上导电金属片452、电连接并直接接触双极板414b的下导电金属片454、置于上片452和下片454之间的薄膜电阻器456以及能够使上片452与下片454电连接上的热开关458。
RSU 450可以以与参考图3所述相同的方式操作。例如，当开关458闭合(低电阻状态)时，例如每当燃料电池温度高于阈值(T1)时，电流主要(如果不完全)从燃料电池流过导电金属片(452和454)，从而有效地绕过薄膜电阻器456，从而不向电池增加额外的内部电阻。然而，当电池温度下降到阈值T1以下时，断开开关(高电阻状态)，这迫使从燃料电池产生的电流流过薄膜电阻器，从而使系统的总电池电阻增大R，从而使输出电压降低到较低的水平。电阻器上产生的焦耳热又使燃料电池加速预热到T1以上。一旦电池温度升高到T1以上，开关可以在闭合状态(低电阻状态)工作，并且内部电阻在没有RSU的情况下恢复到常规燃料电池的低值特性，并且在一定电流下终端电压跳到正常工作水平。
图5示出了本公开的燃料电池系统的另一实施例。如图所示，两个RSU(550a，550b)位于燃料电池(540a，540b和540b，540c)之间。燃料电池包括具有分别夹在双极板(534a，514b和534b，514c)之间的扩散介质(分别为515a，515b和515c)的膜电极组件(MEA)。双极板具有向阳极(516a，516b，516c)供应燃料并且向阴极(536a，536b，536c)供应氧化物的通道。
在该实施例中，RSU 550a通过燃料电池540a的底部双极板534a和燃料电池540b的顶部双极板514b与系统中的燃料电池电连接上。在该实施例中，RSU 550a通过燃料电池540b的底部双极板534b和燃料电池540c的顶部双极板514c与系统中的燃料电池电连接上。RSU与相邻燃料电池的双极板直接接触。每个RSU包括电连接至并直接接触双极板的上导电金属片、电连接并直接接触双极板的下导电金属片、置于上片和下片之间的薄膜电阻器以及能够使上片与下片电连接上的开关。
该实施例的RSU可以以与参考图4所述相同的方式操作。例如，当开关闭合(低电阻状态)时，例如每当燃料电池温度高于阈值(T1)时，电流主要(如果不完全)从燃料电池流过导电金属片，从而有效地绕过薄膜电阻器。然而，当电池温度下降到阈值T1以下时，断开开关(高电阻状态)，这迫使从燃料电池产生的电流流过薄膜电阻器，从而使系统的总电池电阻增大R，从而使输出电压降低到较低的水平。电阻器上产生的焦耳热又使燃料电池加速预热到T1以上。一旦电池温度升高到T1以上，开关可以在闭合状态(低电阻状态)工作，并且内部电阻在没有RSU的情况下恢复到常规燃料电池的低值特性，并且在一定电流下终端电压跳到正常工作水平。
图6示出了本公开的一个实施例，其中RSU插在双极板和扩散介质之间。如图所示，燃料电池640包括具有扩散介质(615)的膜电极组件(MEA)。具有扩散介质的MEA包括扩散介质上的阳极催化剂层、质子交换膜和扩散介质上的阴极催化剂层，为了方便说明未示出。MEA置于具有向阳极供应燃料并且向阴极供应氧化剂(分别为616和636)的两个双极板(614，634)之间。
在该实施例中，RSU 650插在燃料电池640的双极板634和扩散介质之间。扩散介质可以与阴极或阳极相关联。RSU 650包括电连接至并直接接触扩散介质的上导电金属片652、下导电金属片654、置于上片652和下片654之间的薄膜电阻器656以及能够使上片652与下片654电连接上的热开关658。如A-A视图所示，下片654具有与双极板634的蛇形图案相匹配的蛇形图案。
本实施例的RSU的操作如图3所示。例如，当开关658闭合(低电阻状态)时，例如每当燃料电池温度高于阈值(T1)时，电流主要(如果不完全)从燃料电池流过导电金属片(652和654)，从而有效地绕过薄膜电阻器656。然而，当电池温度下降到阈值T1以下时，断开开关(高电阻状态)，这迫使从燃料电池产生的电流流过薄膜电阻器，从而使系统的总电池电阻增大R，从而使输出电压降低到较低的水平。电阻器上产生的焦耳热又使燃料电池加速预热到T1以上。一旦电池温度升高到T1以上，开关可以在闭合状态(低电阻状态)工作，并且内部电阻在没有RSU的情况下恢复到常规燃料电池的低值特性，并且在一定电流下终端电压跳到正常工作水平。
在本公开的另一方面，RSU中的电阻器可以由诸如25um不锈钢片的薄金属片制成并且被绝缘膜覆盖，例如两个主表面上的7.5um Kapton膜。这种电阻器可以折叠成紧凑的多层结构并用于RSU。图7示出了这样的RSU。如图所示，薄金属片710在其两个主表面712a和712b上涂覆绝缘层712。薄金属片710具有用于形成电接触(710a和710b)的曝光区域(例如，没有绝缘膜的区域)。薄金属片710可以折叠成紧凑的多层结构714。多层结构可以插在相邻的燃料电池(740a，740b)之间，使得暴露区域710a与一个电池的底部双极板电连接，并且暴露区域710b与相邻电池的顶部双极板电接触。开关758可以电连接与多层结构714电接触的双极板以绕过多层结构(闭合状态)或迫使电流通过多层结构(断开状态)。
折叠结构的顶部和底部的未涂覆的金属表面电连接到两个双极板，其作用类似于图3所示的导电片。图7所示的两个双极板、折叠电阻器和开关的配置按照图3中描述的RSU操作。
如果电阻器的存在被设计为将燃料电池的输出电压从正常约0.6V/电池降低到约0.1V/电池，则电阻器的电阻大致估计为0.5V/I，其中I是从燃料电池产生的电流。例如，如果燃料电池产生200安培，则电阻器的电阻应设计为2.5mΩ/电池。
本公开的另一方面在于自加热燃料电池的内部电阻在低于T1的多个阈值温度下的多阶跃变化。当系统低于正常工作温度时，这种轮廓可以提供适当的功率调节。例如，如图5所示，开关#2(550b)可以在阈值温度(T1a)(例如-15℃)下设置为闭合(低电阻状态)，同时保持其他开关仍然断开(高电阻状态)。这将从-15℃并向上提供一些功率提升。随后，开关#1(550a)可以被设置为在T1(例如-5℃)闭合(低电阻状态)，从而实现另一种功率提升。可以设计并执行控制算法，以根据燃料电池温度来断开各种开关，使得能够适当地调制功率输出。
图8示出了本发明的一个实施例。这里，上燃料电池和下燃料电池之间的双极板通过两者之间的RSU分成两部分。例如，该图示出了具有蛇形流场820的双极板834以及在其嵌入板834中的两个主表面上具有绝缘膜的电阻器片856。双极板834可以在两个燃料电池之间，例如，双极板834a的上部可以接触上燃料电池，并且双极板834b的下部可以接触下燃料电池，为了方便说明，均未示出。
在该实施例中，RSU中的电阻器856是在两端具有两个极耳(856a，856b)的图案化导电薄片。极耳将电阻器片电连接到双极板的上部和下部。极耳856a将电阻器片856电连接到与上燃料电池电连接上的双极板(834a)的上部，极耳856b将电阻器片856电连接到与下燃料电池电连接上的双极板(834b)的下部。薄片的两个主表面被电绝缘膜覆盖或涂覆。绝缘材料的实例包括聚乙烯、聚丙烯、氯化聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、PVDF、PTFE、尼龙或其共聚物。薄片的两个极耳分别电连接到双极板的下部和上部。此外，可以由温度控制器控制的开关858电连接到电阻器片856的两个极耳(856a，856b)。当电池温度低于阈值点T1时，开关断开，从电阻器片向燃料电池增加额外的电阻。一旦电池温度升高超过T1，开关闭合，使电流绕过电阻器片，从而使燃料电池内部电阻恢复到低水平。
图9示出了本公开的被配置为操作机动车辆的自加热燃料电池系统。如图所示，本实施例的燃料电池系统包括燃料电池10和开关30，该燃料电池具有与之电连接并直接接触的电阻器20。当开关30如图所示断开时，电流流过电阻器20，从而产生加热燃料电池10的热量。该系统还包括：与燃料电池10和逆变器100电连接上的DC/DC转换器130；电连接到逆变器100的电动机110；以及控制器80，电连接到开关并且被配置为断开开关以在电阻器中产生热量以加热燃料电池。电动机110可机械地连接到传动系以驱动车辆的车轮120L和120R。
该系统还可以包括电压传感器150、电流传感器140和温度传感器50，它们全部电连接到燃料电池10并电连接到控制器80，并且可以全部向控制器80提供输入。
在操作中并且在接收到系统的启动命令时，控制器80使用温度传感器50或等效装置来检测燃料电池10的表面温度。在燃料电池10的表面温度低于预设阈值温度的情况下，控制器80确定需要预热操作，并且断开开关30。电阻器20在电路中工作，燃料电池系统以高电阻模式工作，从而降低终端电压。控制器同时请求DC/DC转换器130将低终端电压150和某一电流140转换成用于逆变器100的足够高的电压。逆变器然后驱动连接到轮子120的电动机110。当燃料电池10的温度达到阈值温度时，控制器命令开关30闭合以绕过电阻器20。
本公开对于具有超薄催化剂层(例如1微米或更小)的燃料电池特别有效，众所周知，在这种电池中的低温水管理非常困难。本公开还适用于其他类型的燃料电池和它们的系统以便快速启动，例如碱性膜燃料电池，中温燃料电池例如磷酸燃料电池，和固体氧化物燃料电池。
实例
以下实施例旨在进一步说明本公开的某些优选实施例，并且本质上不是限制性的。本领域技术人员将认识到或能够使用不超过常规实验来确定本文所述的具体物质和程序的许多等同形式。
25cm2的PEM燃料电池使用阳极和阴极两侧的冲压金属双极板组装。使用尺寸0.6mm宽和0.35mm高并且肋宽度为0.6mm的蛇形流动流道。在该电池中使用的MEA包括18um氟化复合膜以及催化剂层，催化剂层的每侧负载0.32mg/cm2的Pt。使用涂覆有30um微孔层(MPL)的聚四氟乙烯涂覆的Toray-030碳纸作为气体扩散介质。片材形式的电阻器连接到阴极板，并且大小适于具有0.2欧姆或0.5欧姆-cm2的电阻。整个电池的热质量估计为0.1J/(cm2K)。将电池夹在两个Lexan板之间以提供绝热条件。
第一组试验是从室温(即20℃，并且燃料侧和空气侧的压力为2atm(绝对压力))自启动燃料电池。氢气和空气流量分别为对应于环境温度0和60％的相对湿度，流量化学计量分别为1.5和2at 1A/cm2。对于两种情况(一种情况的电池电压保持恒定在0.1V，另一种情况的电池电压保持恒定在0.2V)，所得到的电流和温度与时间的关系如图10所示。可以看出，在0.2V的情况下，电池的温度从室温升至60℃的最佳工作温度仅需2.7秒，在0.1V的情况下则为3.4秒。同时，当0.1V情况下的电池温度达到60℃时，电流密度从～0.9A/cm2(t＝0)增加到1.2A/cm2，并且在0.2V的情况下，从0.75A/cm2增加到1.02A/cm2。这些测试清楚地表明，包括根据本公开的燃料电池和电阻器的燃料电池系统能够通过自身迅速升温，使燃料电池的操作在任何情况下在不适当的范围内仅持续几秒钟。因此，与常规的燃料电池系统相比，本公开的自加热燃料电池系统可以在低温下大大改善燃料电池的水管理。如上述实验所示，甚至可以完全消除PEM燃料电池系统的任何加湿系统。
在本公开中仅示出并描述了本公开的优选实施例及其多功能性的实例。应当理解，本公开能够在各种其他组合和环境中使用，并且能够在本文所表达的本发明构思的范围内进行改变或修改。因此，例如，本领域技术人员将认识到或能够使用不超过常规实验来确定本文所述的具体物质、程序和布置的许多等同形式。这种等同物被认为在本公开的范围内，并且由所附权利要求书覆盖。

Claims (28)

1.一种自加热燃料电池系统，包括至少一个燃料电池以及电连接到所述至少一个燃料电池的至少一个电阻器开关单元，其中所述至少一个电阻器开关单元包括电阻器和开关，并且其中所述开关与所述电阻器并联电连接上。
2.根据权利要求1所述的系统，包括所述系统在所述至少一个燃料电池的温度高于温度(T1)时的第一内部电阻(R1)以及所述系统在所述至少一个燃料电池的温度低于T1时的第二内部电阻(R2)，其中在T1以下约2℃的R2的值至少为T1下的R1值的两倍。
3.根据权利要求2所述的系统，其中T1为0℃或更小。
4.根据权利要求2所述的系统，其中T1小于95℃。
5.根据权利要求2所述的系统，其中在T1附近的R1和R2之间存在平滑但是急剧的变化。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，在低于T1的多个阈值温度下，所述系统的电阻存在多阶跃变化。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃料电池包括：具有用于阳极上的燃料流的流场的双极板；膜-电极组件上的扩散介质；具有用于阴极上的氧化剂流的流场的双极板，其中所述电阻器被放置成与所述双极板之一直接接触。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述电阻器在所述至少一个燃料电池内部或所述至少一个燃料电池外部。
9.根据权利要求1所述的系统，包括燃料电池组，并且其中所述至少一个燃料电池在所述燃料电池组中，并且所述电阻器开关单元插在所述燃料电池组中的两个燃料电池之间。
10.根据权利要求9所述的系统，包括插在所述燃料电池组中的多个位置的燃料电池之间的多个电阻器开关单元。
11.根据权利要求7所述的系统，包括插在所述至少一个燃料电池的扩散介质和所述双极板之一之间的至少一个电阻器开关单元。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述电阻器在所述电阻器的一端具有两个极耳。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的系统，其中所述电阻器包括由石墨、不锈钢、镍、铬、镍铬合金、铜、铝、钛或其合金制成的导电片。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述电阻器是在所述导电片的一个或两个主表面上具有一个或多个电绝缘膜的薄金属片。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述电阻器的总厚度为1至100微米。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述电绝缘膜包括聚乙烯、聚丙烯、氯化聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、PVDF、PTFE、尼龙或其共聚物。
17.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，所述控制器被配置为基于来自温度检测装置的输入来将开关操作到断开状态或闭合状态，所述温度感测装置能够测量至少一个燃料电池的表面温度。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关由机电继电器和温度控制器，或具有温度传感器的固态继电器，具有温度传感器的功率MOSFET或具有温度传感器的大电流接触器组成。
19.根据权利要求10所述的系统，其中所述多个开关能够根据控制算法被顺序地激活。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的系统，其中所述至少一个燃料电池是能够对氢气或含氢气体操作的质子交换膜燃料电池。
21.根据权利要求1-19中任一项所述的系统，其中所述至少一个燃料电池是碱性膜燃料电池、在100℃和300℃之间操作的中温燃料电池、聚苯并咪唑(PBI)燃料电池、磷酸燃料电池或固体氧化物燃料电池。
22.根据权利要求20或21所述的系统，其中所述至少一个燃料电池包括厚度等于或小于1微米的阳极催化剂层和/或阴极催化剂层。
23.根据权利要求1所述的系统，还包括：电连接到所述燃料电池的DC/DC转换器；电连接到所述DC/DC转换器的逆变器；电连接到所述逆变器的电动机以及与所述开关电连接上并被配置为断开所述开关以在所述电阻器中产生热量以加热所述燃料电池的控制器。
24.一种操作自加热燃料电池系统的方法，所述方法包括：通过激活根据T1激活R1或R2的开关，当所述系统中的至少一个燃料电池的温度高于温度(T1)时使所述系统在第一内部电阻(R1)操作，并且当所述至少一个燃料电池的温度低于T1时使所述系统在所述系统的第二内部电阻(R2)操作。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述至少一个燃料电池包括：膜-电极组件；阳极催化剂电极；阴极催化剂电极；电阻器-开关单元，包括电阻器和开关，其中所述开关与所述电阻器并联电连接上；所述燃料电池上的温度感测装置；以及控制器，被配置为接收来自所述温度感测装置的输入并使所述开关操作。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述控制器基于来自所述温度感测装置的输入来断开所述电阻器开关单元上的开关。
27.根据权利要求24-26中任一项所述的方法，其中T1为0℃或更小。
28.根据权利要求24-26中任一项所述的方法，其中T1小于95℃。
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