CN101330146A - 用于燃料电池的智能mea - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于燃料电池的智能MEA，其包括方便地测量单位电池的电压的装置和在低温操作燃料电池组时防止热量从外部低温热源传递至MEA的催化剂层的装置。为此，本发明提供的用于燃料电池的智能膜电极组件(MEA)包括：MEA，其中催化剂层被涂覆于离子交换膜的两侧，且离子交换膜支撑薄膜附着于离子交换膜的边缘部分的两侧；挠性印刷电路板(PCB)，其沿着MEA的催化剂层的外线安装于离子交换膜支撑薄膜的一个表面上；PCB端子，其形成于挠性PCB的一端；和连接器，其连接于PCB端子以与外部控制器连通，其中挠性PCB包括电加热元件、用于测量电加热元件温度的电加热元件温度传感器、用于测量MEA温度的MEA温度传感器、用于测量单位电池的电阻的电触头、和用于测量单位电池的电压的电触头，它们以预定的配置形成以与PCB端子连通。

Description

用于燃料电池的智能MEA
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(a)要求2007年6月19日提交的韩国专利申请第10-2007-0059866号的优选权，其全部内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的智能膜电极组件(MEA)。更具体地，本发明涉及这样一种用于燃料电池的智能MEA，该用于燃料电池的智能MEA能够易于测量单位电池的电压，并且在低温保存和操作燃料电池组时，防止热量从外部低温热源传递至MEA的催化剂层。
背景技术
作为燃料电池交通工具的主要能源的燃料电池组，是通过空气中的氧与燃料提供的氢之间的电化学反应产生电的装置。应用于交通工具的燃料电池组由数百个单位电池组成，每个单位电池产生大约0.6V至1.0V的电压。
图1是说明由三个单位电池组成的常规燃料电池组的示意图。
如图所示，单位电池包括膜电极组件(MEA)100、气体扩散层(GDL)102、隔板103和用于密封的垫圈101。
单位电池的电压通常通过形成在隔板103上的电触头104作为测量端子来监测，以检测相应的单位电池在燃料电池组操作时的状态。
这样的电池电压监测***(CVMS)包括用于与隔板103形成电触头104的测量端子和用于测量电压的控制单元。
如上所述，由于用于交通工具的燃料电池组由数百个单位电池组成，在组装电池组后在每个单位电池中形成电压端子要耗费大量的时间，这被认为是影响燃料电池组大规模生产的生产速度的问题。
根据现有技术，在隔板103的后表面上形成有多个凹槽，且将作为测量端子的多个导电端子顺序地***凹槽中。然而，该结构存在一些缺点：隔板可由驾驶交通工具时产生的振动和撞击而损坏，如图3和4的照片所示。此外，隔板的接触性能会降低，端子会从其上分离。而且，将端子顺序地***凹槽会耗费很多的时间。
为了克服这些缺点，美国专利第6,410,176号和美国专利申请公开第2003/0092292号公开了一种电压监测***，其中弹性(elestomeric)连接器紧密附着于隔板的后表面。此外，美国专利申请公开第2002/0090540号公开了一种用于电化学燃料电池的电接触装置，其中在印制电路板(PCB)上形成电接触，且PCB附着于隔板的后表面。另外，本领域已知一种使用电接触端子监测电压的方法，其中使用弹簧对电接触端子施加弹性力。
然而，上述现有技术具有一些普遍的问题，由于隔板的间距不规则，在燃料电池组由少量单位电池组成的情况下，考虑到燃料电池组的制造公差，有可能设计出具有连续排列的弹性接触端子的连接器，并将由此设计的连接器安装在隔板上；然而，在燃料电池组由至少200个单位电池组成的情况下，由于电池组全长的制造公差，难以设计接触端子。
图2是说明常规MEA 100的示意图。
如图2所示，MEA 100具有如下结构：催化剂层201被涂覆于能够传递氢核的离子交换膜200(或电解膜)两侧，使得氢与氧彼此反应；并且在离子交换膜200的两侧形成支撑薄膜202以加强离子交换膜200并便于处理。
要获得燃料电池组的大规模生产需解决的主要问题是，在低于冰点的低温时的稳定性。
在低温条件下，如果离子交换膜20的离子传导性急速降低，燃料电池组的性能会退化。特别地，氢与氧之间的反应产生的蒸气会在催化剂层201上凝结，由此使反应不发生。
因此，在低于冰点的温度启动燃料电池对于许多涉及燃料电池的公司和研究所来说是关键的问题。
为了提高燃料电池组的低温稳定性，燃料电池组的温度应该在短时间内升至常规状态，已经提出的改善稳定性的方法包括：
1)在位于燃料电池组两端的燃料电池组连接装置或电集电器附近安装电加热装置；
2)用隔热材料包裹燃料电池组，以防止燃料电池中产生的热传递至空气，并使用该热量来提高电池组的温度；和
3)通过燃料电池组初始阶段的操作所产生的电能来加热冷却剂，并将加热的冷却剂供应给燃料电池组。
如上所述，为了在低于冰点的温度启动燃料电池组以在常态下操作，电池组的温度应该在短时间内升至高于冰点的温度。然而，在由氢和氧之间的反应产生水、热和电的同时，燃料电池组本身产生的能量的量，不足以将电池组的温度升至冰点以上。
特别地，燃料电池组的温度应该在反应水在催化剂层的表面上冻结而使电化学反应不能在燃料电池组中发生之前达到熔化温度。为了实现上述目的，美国专利申请公开第2006/0240300号公开了一种燃烧-解冻燃料电池结构，其中燃烧室位于末端电池附近以在燃料电池组冷启动时传导性地加热末端电池。美国专利申请公开第2005/0277003号公开了一种燃料电池***，其采用连接在冷板上的启动加热器在***启动时使电池组冷却剂升温。此外，美国专利第6,916,566号公开了快速预加热汽车燃料电池的***和方法，其中使用来自空气供应压缩机的压缩空气，通过使用热交换器，加热燃料电池组的燃料电池。
然而，尽管上述现有技术方法加热暴露于冷空气的末端电池以提高其温度，但它们不能提高整个燃料电池组的温度。
此外，通过在燃料电池组的初始操作阶段产生的电能或使用热交换器加热冷却剂的方法，需要大量时间来加热中间材料，并且考虑到热交换器的效率，该方法是低效的。
而且，用隔热材料包裹燃料电池组的方法，通过防止电池组中产生的热传递至空气中，有效地防止了低温驾驶后电池组的温度降低，并有效地缩短将电池组的温度提高到冰点之上所需的时间；然而，其不能主动地提高电池组的温度。
该背景技术部分公开的信息只是为了加强对本发明的背景技术的理解，不应该被视为这些信息已形成本领域技术人员已知的现有技术的承认或任何形式的建议。
发明内容
已经努力实施本发明以解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种用于燃料电池的智能膜电极组件(MEA)，其中将包括电加热元件、温度传感器和电触头的挠性PCB安装在MEA上，其能够容易地测量构成燃料电池组的单位电池的电压和MEA的电阻和温度，并且在燃料电池组于低温保存和操作时，防止热从外部低温热源传递至MEA的催化剂层。
在一个方面，本发明提供了一种用于燃料电池的智能膜电极组件(MEA)，其包括：MEA，其中催化剂层被涂覆于离子交换膜的两侧，且离子交换膜支撑薄膜附着于离子交换膜的边缘部分的两侧；挠性印刷电路板(PCB)，其沿着MEA的催化剂层的外线(outer line)安装于离子交换膜支撑薄膜的一个表面上；PCB端子，其形成于挠性PCB的一端；和连接器，其连接于PCB端子以与外部控制器连通，其中挠性PCB包括电加热元件、用于测量电加热元件温度的电加热元件温度传感器、用于测量MEA温度的MEA温度传感器、用于测量单位电池的电阻的电触头、和用于测量单位电池的电压的电触头，它们以预定的配置形成以与PCB端子连通(communicate)。
在一个优选的实施方式中，挠性PCB由聚酰亚胺材料的聚合物绝缘薄膜形成，并包括沿着MEA的催化剂层的外线附着的矩形框线(frame line)、以及从矩形框线的底端向外伸出的延伸部分。
优选地，电加热元件电连接到PCB端子，并沿着挠性PCB的矩形框线和延伸部分的外线附着于挠性PCB上。
合适地，电加热元件温度传感器、MEA温度传感器、用于测量单位电池的电阻的电触头、和用于测量单位电池的电压的电触头，在挠性PCB的延伸部分开始从矩形框线延伸的位置形成一排。
在另一个优选的实施方式中，包括用于测量单位电池的电阻的电触头和用于测量单位电池的电压的电触头的分支端子被一体形成，使得延伸部分位于MEA的一个表面上且分支端子位于MEA的相对表面上。
优选地，PCB端子在旋转90度的位置形成，即，在挠性PCB的延伸部分的侧端，而不是在其底端，使得连接器可滑动地连接于其上。
合适地，在离子交换膜支撑薄膜的表面上设置挠性PCB固定薄膜，来覆盖挠性PCB，以便加强MEA的挠性PCB与离子交换膜支撑薄膜之间的结合力。
更合适地，形成挠性PCB以具有与在离子交换膜支撑薄膜相同的区域，以便加强与离子交换膜支撑薄膜的结合力。
可以理解本文使用的术语“交通工具”或“交通工具的”或其它类似术语通常包括机动车，例如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的载客汽车，包括艇和船的船只，飞机等。
本发明的其它方面在下文讨论。
附图说明
图1是说明由三个单位电池组成的常规燃料电池组的示意图；
图2是说明常规膜电极组件(MEA)的示意图；
图3和4是在测量单位电池的电压时拍摄的，表示常规隔板被驾驶交通工具时产生的振动和撞击损坏的照片；
图5是说明根据本发明的示例性实施方式的智能MEA的挠性PCB的平面图；
图6是说明其上安装有图5的挠性PCB的智能MEA的平面图和截面图；
图7是说明根据本发明的智能MEA被形成为构成燃料电池组的单位电池的实例的示意图；
图8A和8B是说明在根据本发明的另一个实施方式的挠性PCB上形成的PCB端子的平面图和截面图；
图9是说明在根据本发明的又一个实施方式的挠性PCB上形成的PCB端子的平面图；且
图10是说明根据本发明，通过挠性PCB固定薄膜在MEA的离子交换膜支撑薄膜上固定的挠性PCB的截面图。
附图中列出的参考数字如下所讨论是指下列部件：
100：膜电极组件(MEA)
101：垫圈
102：气体扩散层(GDL)
103：隔板
104：电触头
200：离子交换膜
201：催化剂层
202：离子交换膜支撑薄膜
203：挠性PCB固定薄膜
300：聚合物绝缘薄膜
301：电加热元件
302：电加热元件温度传感器
303：MEA温度传感器
304和304’：用于测量电阻的电触头
305和305’：用于测量电压的电触头
306：PCB端子
307：延伸部分
308：分支端子
309：侧面安装的PCB端子
400：挠性PCB
500：智能MEA
具体实施方式
现在详细参考本发明的优选实施方式、在本文后所附的附图中说明的实施例，其中，所有相同的参考数字指相同的部件。下面说明实施方式从而通过参照附图来解释本发明。
图5是说明根据本发明的示例性实施方式的智能MEA的挠性PCB的平面图，而图6是说明其上安装有图5的挠性PCB的智能MEA的平面图和截面图。
根据本发明的智能MEA包括普通的膜电极组件(MEA)100，和安装于MEA100上的挠性PCB 400，其中催化剂层201涂覆于离子交换膜200(或电解膜)的两侧。特别地，挠性PCB 400的特征在于：电加热元件301、电加热元件温度传感器302、MEA温度传感器303、用于测量电阻的电触头304、和用于测量电压的电触头305被整体形成。
通过以上结构，能够容易地测量构成燃料电池组的单位电池的电压，并在低温操作燃料电池组时，防止热从外部低温热源传递至MEA100的催化剂层201。
下面，更详细地说明挠性PCB 400的构造。
首先，将由聚酰亚胺之类的聚合物绝缘材料形成的聚合物绝缘薄膜300(其变成挠性PCB 400的雏形)，制备成矩形框形状。
将向外伸出以容纳传感器、电触头和端子的延伸部分307，整体形成于聚合物绝缘薄膜300的下部。
而且，沿着聚合物绝缘薄膜300的矩形框线和延伸部分307的外线附着电加热元件301。
此外，通过连接器连接的以与外部控制器(未描述)连通的PCB端子306，在聚合物绝缘薄膜300的延伸部分307的下端上形成。
具体地，用于测量电加热元件301温度的电加热元件温度传感器302、用于测量MEA 100温度的MEA温度传感器303、用于测量单位电池的电阻的电触头304、和用于测量单位电池的电压的电触头305以预定的配置形成，以与PCB端子306连通。
将由此制备的挠性PCB 400安装于MEA 100上以形成如图6所示的本发明的智能MEA 500。
如上所述，MEA 100具有如下结构：催化剂层201涂覆于离子交换膜200两侧，并且支撑薄膜202附着于离子交换膜200的两侧以加强离子交换膜200并便于处理。将挠性PCB 400安装于MEA100上，使得聚合物绝缘膜300的矩形框线被安置于MEA 100的催化剂层201的外线的附近。
如图7所示，本发明如上所述配置的智能MEA 500可包括气体扩散层(GDL)102、隔板103、用于密封的垫圈101、和构成燃料电池组的单位电池。
具体地，GDL 102位于智能MEA 500的两侧，而隔板103位于GDL 102的两侧。特别地，构成智能MEA 500的挠性PCB 400的聚合物绝缘薄膜300的延伸部分307暴露于外部，且形成于延伸部分307上的PCB端子306由此暴露于外部。
因此，尽管在隔板103上没有形成单独的测量端子，但能够通过使用PCB端子306与GDL 102接触的用于测量单位电池的电压的电触头305方便地测量单位电池的电压。
此外，用于测量电阻的电触头304用于监测MEA 100和GDL 102的降级程度，其中通过外部控制器测量电阻以评估MEA 100和GDL102的损坏程度。
如上所述，根据本发明，尽管隔板103由石墨形成，但没有由端子连接造成损害的风险。而且，甚至在隔板103由薄金属板形成的情况下，也没有通过例如焊接工艺将单独端子连接的必要。
此外，当设计其中串联形成有多个电触头的连接器时，如果单位电池之间的间隔随着隔板厚度的变化或燃料电池组的连接压力的变化而变化，则该连接器应该重新设计，并且此外，接头可能由于制造公差而不均匀地形成。然而，由于根据本发明的挠性PCB 400具有PCB端子306位置的布局设计的自由度，可以容易地应用于甚至具有大制造公差的燃料电池组。
同时，电加热元件301在智能MEA 500在低温启动时，保护其免受外部低温热源影响。
也就是说，供应给电加热元件301的电流，由外部控制器根据电加热元件温度传感器302和MEA温度传感器303检测到的温度差异调整，由此电流被控制为在不损害MEA 100的温度范围内加热MEA 100。
因此，能够减少用于保护燃料电池组不受外部低温热源影响的隔热材料的量。此外，由于MEA 100由电加热元件301直接加热，与将电池组的电能转变为热能且电池组被热能重新加热的常规方法相比，效率提高。而且，有可能在被电加热元件301消耗后，使用电池组的残余能量加热冷却剂。
下面，说明本发明在挠性PCB上形成PCB端子的另一个实施方式。
图8A和8B是说明在根据本发明的另一个实施方式的挠性PCB上形成的PCB端子的平面图和截面图。
如上所述，通过连接器连接以与外部控制器连通的PCB端子306，在聚合物绝缘薄膜300的延伸部分307的底端上形成。此外，用于测量单位电池的电阻的电触头304、和用于测量单位电池的电压的电触头305以预定的配置形成，以与PCB端子306连通。
作为另一个实施方式，分支端子308在延伸部分307中形成，使得延伸部分307位于MEA 100的一个表面上且分支端子308位于MEA100的相对表面。
用于测量单位电池的电阻的电触头304’、和用于测量单位电池的电压的电触头305’在分支端子308中形成，以与PCB端子306连通。
此外，可以通过从MEA 100的两侧直接测量电压，排除隔板的电阻元件，而易于电压和电阻的测量。
下面将说明在本发明的挠性PCB上形成PCB端子的又一个实施方式。
图9是说明在根据本发明的又一个实施方式的挠性PCB上形成的PCB端子的平面图。
本实施方式的特征在于，图9中所示的挠性PCB400的PCB端子309在旋转90度的位置形成，即，在延伸部分307的侧端，而不是其下端。
更具体地，挠性PCB400的PCB端子309是侧面安装的PCB端子309，来自外部控制器的连接器能够可滑动地安装于其上。
因此，在端子垂直连接到其中大量单位电池以小间隔串联连接的燃料电池组中的情况下，难以将各个端子***连接器。然而，图9中所示的侧面安装的PCB端子309提供了如下优点：易于将串联连接的端子***连接器。
如图10所示，作为将本发明的挠性PCB 400直接固定到MEA 100的优选方法，将挠性PCB 400安装在MEA 100的离子交换膜支撑薄膜202上。如果将挠性PCB 400与离子交换膜支撑薄膜202结合不可行，则挠性PCB 400可以通过使用能够被离子交换膜支撑薄膜202压缩的挠性PCB固定薄膜203固定到MEA 100上。
也就是说，将挠性PCB固定薄膜203设置在离子交换膜支撑薄膜202的表面上，从而覆盖挠性PCB 400，并因此能够加强MEA 100的挠性PCB 400与离子交换膜支撑薄膜202之间的结合力。
如上所述，根据本发明的用于燃料电池的智能MEA，通过安装挠性PCB，能够容易地测量构成燃料电池组的单位电池的电压以及MEA的电阻和温度，其中电加热元件、温度传感器、和用于测量单位电池的电阻和电压的电触头，集成在MEA上。
此外，由于供应给电加热元件的电流量可以由外部控制器根据电加热元件温度传感器和MEA温度传感器检测到的温度差异来控制，因此，在低温操作燃料电池组时，能够减少用于保护燃料电池组免受外部低温热源影响、且防止热量从外部低温热源传递至MEA的催化剂层的隔热材料的量。
本发明已经参考其优选的实施方式进行了详细地说明。然而，本领域技术人员能够认识到，可以在不脱离本发明的原则和构思的情况下在这些实施方式中进行改变，其范围由所附的权利要求及其等同形式限定。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池的智能膜电极组件(MEA)，其包括：
MEA，其中催化剂层被涂覆于离子交换膜的两侧，且离子交换膜支撑薄膜附着于所述离子交换膜的边缘部分的两侧；
挠性印刷电路板(PCB)，其沿着所述MEA的催化剂层的外线安装于所述离子交换膜支撑薄膜的一个表面上；
PCB端子，其形成于所述挠性PCB的一端；和
连接器，其连接于所述PCB端子以与外部控制器连通，
其中所述挠性PCB包括电加热元件、用于测量所述电加热元件温度的电加热元件温度传感器、用于测量所述MEA温度的MEA温度传感器、用于测量单位电池的电阻的电触头、和用于测量所述单位电池的电压的电触头，它们以预定的配置形成以与所述PCB端子连通。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的智能MEA，其中所述挠性PCB由聚酰亚胺材料的聚合物绝缘薄膜形成，并包括沿着所述MEA的催化剂层的外线附着的矩形框线、以及从所述矩形框线向外伸出的延伸部分。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的智能MEA，其中所述电加热元件电连接到所述PCB端子，并沿着所述挠性PCB的矩形框线和所述延伸部分的外线附着于所述挠性PCB。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的智能MEA，其中所述电加热元件温度传感器、所述MEA温度传感器、所述用于测量单位电池的电阻的电触头、和所述用于测量单位电池的电压的电触头，在所述挠性PCB的延伸部分开始从所述矩形框线延伸的位置形成一排。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池的智能MEA，其中包括用于测量单位电池的电阻的电触头和用于测量单位电池的电压的电触头的分支端子被一体形成，使得所述延伸部分位于所述MEA的一个表面上且所述分支端子位于所述MEA的相对表面上。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池的智能MEA，其中所述PCB端子在旋转90度的位置形成，即，在所述挠性PCB的延伸部分的侧端，而不是在其下端，使得所述连接器可滑动地连接于其上。
7.根据权利要求1所述的用于燃料电池的智能MEA，其中在所述离子交换膜支撑薄膜的表面上设置挠性PCB固定薄膜，以覆盖所述挠性PCB，用于加强所述MEA的挠性PCB与离子交换膜支撑薄膜之间的结合力。
8.根据权利要求1所述的用于燃料电池的智能MEA，其中为了加强与所述离子交换膜支撑薄膜的结合力，形成所述挠性PCB以具有与所述离子交换膜支撑薄膜相同的区域。
9.根据权利要求1所述的用于燃料电池的智能MEA，其中所述挠性PCB直接附着于离子交换膜上，且用作离子交换膜支撑薄膜而无需额外的离子膜支撑薄膜。
10.根据权利要求2所述的用于燃料电池的智能MEA，其中所述电加热元件电连接到所述PCB端子，并沿着所述挠性PCB的矩形框线和所述延伸部分的外线附着于所述挠性PCB上。
11.根据权利要求2所述的用于燃料电池的智能MEA，其中所述电加热元件温度传感器、所述MEA温度传感器、所述用于测量单位电池的电阻的电触头、和所述用于测量单位电池的电压的电触头，在所述挠性PCB的延伸部分开始从所述矩形框线延伸的位置形成一排。
12.根据权利要求2所述的用于燃料电池的智能MEA，其中包括用于测量单位电池的电阻的电触头和用于测量单位电池的电压的电触头的分支端子被一体形成，使得所述延伸部分位于所述MEA的一个表面上且所述分支端子位于所述MEA的相对表面上。
13.根据权利要求2所述的用于燃料电池的智能MEA，其中所述PCB端子在旋转90度的位置形成，即，在所述挠性PCB的延伸部分的侧端，而不是在其下端，使得所述连接器可滑动地连接于其上。
14.根据权利要求2所述的用于燃料电池的智能MEA，其中所述挠性PCB直接附着于离子交换膜上，且用作离子交换膜支撑薄膜而无需额外的离子膜支撑薄膜。
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