燃料电池、燃料电池组、车辆制造技术

本公开提供了一种燃料电池，其包括：阳极和阴极，阳极和阴极各自具有对应的双极板；以及至少一个半导体开关装置，半导体开关装置具有栅极端子和分别电耦合到双极板中的一个的负载端子；以及电路，电路被配置为响应于阳极的电位超过阴极的电位，偏置栅极端子以使电流通过半导体开关装置在双极板之间传导。本公开还提供了一种燃料电池组和一种车辆。

Fuel Cells, Fuel Cell Units, Vehicles

【技术实现步骤摘要】
燃料电池、燃料电池组、车辆
本申请总体涉及防止燃料电池在电压反转条件期间的劣化。
技术介绍
车辆可由燃料电池系统供电。燃料电池系统通过由氢气和氧气循环通过燃料电池组引起的化学反应生成电能。燃料电池组包括电池。在某些条件下，电池中的一个或多个可能经历电压反转。电压反转可能引起燃料电池内的碳腐蚀，这可能导致性能劣化。现有技术的这些技术问题通过以下技术来解决。
技术实现思路
一种燃料电池包括阳极和阴极，所述阳极和阴极各自具有对应的双极板。所述燃料电池还包括至少一个半导体开关，所述至少一个半导体开关具有栅极端子和分别电耦合到双极板中的一个的负载端子。所述燃料电池还包括电路，所述电路被配置为响应于阳极的电位超过阴极的电位，偏置栅极端子以使电流通过半导体开关在双极板之间传导。所述半导体开关可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。所述半导体开关可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。所述至少一个半导体开关可包括并联耦合的多个半导体开关装置。所述至少一个半导体开关可被配置为在导电状态下具有至少50A/cm2的电流密度。所述至少一个半导体开关可被配置为当栅极端子被偏置以使电流在负载端子之间传导时，具有不大于0.1伏特的负载端子上的电压降。所述电路可由双极板上的电压供电。所述电路可被进一步配置为响应于阴极的电位超过阳极的电位，偏置栅极端子以阻断电流流过半导体开关。一种燃料电池组包括多个燃料电池，每个燃料电池具有阳极双极板、阴极双极板、至少一个半导体开关装置和电路，所述电路被配置为响应于阳极电位变得大于阴极电位，偏置半导体开关装置的栅极，以通过至少一个半导体开关装置将电流从阳极双极板传导到阴极双极板。所述至少一个半导体开关装置可被配置为具有至少为燃料电池组的额定工作电流的最大电流容量。所述电路可被进一步配置为响应于阴极电位变得大于阳极电位，偏置至少一个半导体开关装置的栅极，以阻断电流流过至少一个半导体开关装置。所述至少一个半导体开关装置可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。所述至少一个半导体开关装置可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。所述至少一个半导体开关装置可包括并联耦合的多个半导体开关装置。所述电路可被进一步配置为由阳极双极板与阴极双极板上的电压供电。一种车辆包括燃料电池组，所述燃料电池组包括多个燃料电池，燃料电池中的每一个包括至少一个半导体开关和电路，所述电路被配置为响应于阳极的电位变得大于阴极的电位，偏置至少一个半导体开关的栅极以进入导电状态，以将电流从对应的燃料电池的阳极传导到阴极。所述电路可被进一步配置为响应于阴极的电位变得大于阳极的电位，偏置至少一个半导体开关的栅极以进入非导电状态，以阻断电流流过至少一个半导体开关。所述至少一个半导体开关可被配置为具有至少为燃料电池组的额定工作电流的最大电流容量。所述电路可被进一步配置为由对应燃料电池的阳极和阴极上的电压供电。所述至少一个半导体开关可包括并联布置的多个半导体开关。附图说明图1示出由燃料电池系统供电的车辆的框图。图2示出根据实施例的燃料电池系统的示意图。图3描绘燃料电池。图4描绘用于燃料电池的电流旁路装置的电气原理图。图5描绘电流旁路装置的可能配置。图6描绘用于将电流旁路装置并联耦合的可能配置。图7描绘具有集成电流旁路装置的燃料电池。图8描绘使用具有集成电流旁路装置的燃料电池的可能燃料电池组。具体实施方式本文中描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可采用各种和可替代的形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以便显示特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员以不同方式采用本技术的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任一者示出并描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中示出的特征相组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示出特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导内容一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实现方式所希望的。图1描绘车辆100的图。车辆100可由燃料电池系统200供电。燃料电池系统200可电耦合到高压总线120。牵引蓄电池122可电耦合到高压总线120。电负载108可电耦合到高压总线120。电机102可经由功率逆变器电耦合到高压总线120。电机102可机械地联接到变速器104。变速器104可机械地联接到车辆的驱动轮106。燃料电池系统200可提供电力来操作电机102以推进车辆100或执行其他车辆功能。燃料电池系统200可产生可由耦合到高压总线120的部件(例如，电负载108)消耗的电力。由燃料电池系统200产生的电力还可由牵引蓄电池122存储。电机102将电能转换为旋转机械能以驱动变速器104。变速器104可包括齿轮和离合器，所述齿轮和离合器被配置为将电机102的旋转能转化成驱动轮106处的旋转能。图2示出像过程流程图的燃料电池系统200的一种可能配置。燃料电池系统200可以是本领域已知的质子交换膜燃料电池(PEMFC)。燃料电池系统200可包含燃料电池组212。组212可包括串联耦合和/或并联耦合或它们的某种组合的多个燃料电池。组212的燃料电池可包括阳极侧214、阴极侧216和它们之间的膜218。需注意，参考阳极侧214和阴极侧216是指燃料电池中的每一个的阳极和阴极。燃料电池系统200可与例如高压总线120或牵引蓄电池122电通信并向它们提供能量。燃料电池组212还可具有冷却回路(未示出)。在燃料电池系统200的操作期间，水、诸如氢气的残余燃料和诸如氮气的副产物可能蓄积在阳极侧。燃料电池系统200可被配置为除去液态水和副产物并再利用残余的氢气和水蒸汽。一种途径可以是在燃料电池组212下游的分离器236中收集那些组分，该分离器236被配置为分离液态水和/或氮气的至少一部分并经由再循环回路中的返回通路将剩余的组分返回到燃料电池组212。主燃料源222(诸如主氢气源)可连接到阳极侧214。主氢气源222的非限制性示例可包括高压氢气存储罐或氢化物存储装置。氢气源222可连接到一个或多个喷射器224。喷射器224可具有喷嘴226，其将氢气供应到会聚扩散喷嘴228的会聚部分中。喷嘴228的扩散部分可连接到阳极侧214的输入端230。阳极侧214的输出端232可连接到被动再循环回路234。通常，向阳极侧214提供过量的氢气，以确保组212中的所有电池都有足够的氢气可用。换句话说，氢气以高于1的化学计量比向燃料电池组212提供，即相对于精确的电化学需求以富燃料比提供。提供再循环回路234，使得阳极侧214未使用的过量氢气返回到输入端230，因此可使用过量的氢气而不会浪费。另外，蓄积的液态水和汽相水是阳极侧214的输出。阳极侧214需要加湿以进行高效的化学转换并延长膜寿命。再循环回路234可用于在阳极侧214的输入端230之前提供水来加湿氢气。再循环回路234可包括分离器236或水分离装置。分离器236从阳极侧214的输出端232接收氢气、氮气和水的流或流体混合物。水可以是混合相并含有液相和汽相水两者。分离器236可包括用于保存预定体积的水的贮存器。分离器2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池，其特征在于，其包括：阳极和阴极，所述阳极和所述阴极各自具有对应的双极板；以及至少一个半导体开关装置，所述半导体开关装置具有栅极端子和分别电耦合到所述双极板中的一个的负载端子；以及电路，所述电路被配置为响应于所述阳极的电位超过所述阴极的电位，偏置所述栅极端子以使电流通过所述半导体开关装置在所述双极板之间传导。

【技术特征摘要】
2017.11.27 US 15/822,8271.一种燃料电池，其特征在于，其包括：阳极和阴极，所述阳极和所述阴极各自具有对应的双极板；以及至少一个半导体开关装置，所述半导体开关装置具有栅极端子和分别电耦合到所述双极板中的一个的负载端子；以及电路，所述电路被配置为响应于所述阳极的电位超过所述阴极的电位，偏置所述栅极端子以使电流通过所述半导体开关装置在所述双极板之间传导。2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一个半导体开关装置被配置为在导电状态下具有至少50A/cm2的电流密度。3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一个半导体开关装置被配置为当所述栅极端子被偏置以使电流在所述负载端子之间传导时，具有不大于0.1伏特的所述负载端子上的电压降。4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述电路被进一步配置为响应于所述阴极的所述电位超过所述阳极的所述电位，偏置所述栅极端子以使阻断电流流过所述半导体开关。5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一个半导体开关装置是绝缘栅双极型晶体管。6.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一个半导体开关装置是金属氧化物半导体场效应晶体管。7.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一个半导体开关装置包括并联耦合的多个半导体开关装置。8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述电路被进一步配置为由所述阳极双极板与所述阴极双极板上的电压供电。9.一种燃料电池组，其特征在于，其包括:多个燃料电池，每个具有阳极双极板、阴极双极板、至少一个半导体开关装置以及电路，所述电路被配置为响应于阳极电位变得大于阴极电位，偏置所述半导体开关装置的栅极以通过所述至少一个半导体开关装置将电流从所述阳极双极板传导到所述阴极双极板。10.如权利要求9...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春川，杨骏，詹姆斯·瓦尔德克尔，李峰，乔治·萨洛卡，马克·苏莱克，托马斯·P·布拉克特三世，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：新型
国别省市：美国,US