燃料电池、燃料电池组、车辆的制作方法

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。

背景技术：

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实用新型来解决。

技术实现要素：

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实用新型的代表性基础。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236除去液相水的至少一部分，其可通过排水管线238离开分离器。氮气、氢气和汽相水的至少一部分也可例如在燃料电池组212的冲洗过程中离开排水管线238，并且穿过控制阀239(也可称为排水阀)。控制阀239可与分离器236紧密整合。分离器236中的剩余流体通过再循环回路234中的通路240离开，通路240连接到喷射器224。通路240中的流体被送入会聚扩散喷嘴228 的会聚部分中，在此处它与来自喷嘴226和氢气源222的进入氢气混合。

可通过分离器236从阳极侧214除去液态水，以防止阳极侧214 的通道和电池内的水堵塞。燃料电池组212内的水堵塞可导致电池电压的降低和/或燃料电池组212内的电压不稳定性。液态水也可以通过分离器236除去，以防止喷射器224内的堵塞或部分堵塞。会聚扩散喷嘴228的扩散部分中的液态水滴将有效地在喷嘴228内形成第二文氏管部分并导致喷射器224的泵送不稳定性。

阴极侧216接收氧气，例如作为空气源242中的组分。在一个实施例中，压缩机244由马达246驱动以对进入氧气加压。然后，加压的空气在进入阴极侧216之前被加湿器248加湿。另一个分离器 250(以虚线示出)可定位于加湿器248的下游。分离器250可用于在加湿的空气流在输入端252处进入阴极侧216之前从加湿的空气流中除去液态水。由于液态水被加湿器248内的空气高流速夹带，水滴可能存在于加湿器248的下游。可通过分离器250除去液态水，以防止阴极侧216的电池内的水堵塞，所述水堵塞导致电池电压的降低和/或燃料电池组212内的不稳定性。阴极侧216的阴极组出口254连接到阀256。来自分离器236的排水管线238和来自分离器250的排水管线258可连接到阀256下游的管线260。在其他实施例中，排水管线可垂直配置到燃料电池系统200中的其他位置。

其他系统架构也可用于燃料电池系统200。例如，除了压缩机244 之外，还可使用涡轮机来引导通过阴极侧216的流动。在一个示例中，涡轮机被定位在阴极组出口254的下游，其中分离器插置在阴极侧 216和涡轮机之间，以在流体流进入涡轮机之前除去液态水。

基于使用喷射器224产生通过阳极侧214的流动并引导通过被动再循环回路234的流动，喷射器224必须克服系统中的任何压降，其包括在燃料电池组212上的典型显著压降。如图所示的系统200不包括用于在再循环回路234中引导流动的泵或其他装置，因此所有的压缩功都由喷射器完成，否则被描述为喷射泵。为了实现该功能，分离器236上可具有低压降。分离器236可被配置为从流体中除去较大的水滴，以防止由水滴引起的燃料电池组212或喷射器224中的再循环流动中的水堵塞。分离器236允许汽相水和较小的水滴保留在通路 240中的再循环流动中并返回到喷射器224用于加湿目的。在一个示例中，分离器236除去直径大约为1毫米或更大的水滴。

另外，当分离器236接收来自阳极侧214的流体流动时，分离器 236可被设计为与氢气一起使用。通常，氢气可能引起材料劣化或脆化问题，并且分离器236中使用的材料可以是氢气相容的。另外，氢气是小分子，并且许多常规分离器装置不适合与氢气一起使用，因为它们的设计可能允许泄漏，例如，利用常规螺纹连接时。其他常规分离器可以包含旋转或运动零件，诸如旋转叶片等，其可能与氢气不相容，因为润滑剂可能使燃料电池组中毒，或者氢气可能使润滑剂降解或分解。

分离器250可被配置为从流体中除去较大的水滴，以防止由水滴在阴极侧216中的流动中引起水堵塞。分离器250允许汽相水和较小的水滴保留在流动中用于加湿。在一些配置中，分离器250除去与阴极侧216流动场通道宽度大小相同或更大的水滴。在一个示例中，阴极侧流动场通道可在0.2毫米与1.0毫米之间。

图3描绘PEMFC 300的可能结构。PEMFC 300可包括质子交换膜(PEM)302。在PEM 302的第一侧上，可存在阳极催化剂层306。阳极催化剂306可包括碳基结构，其包括催化剂材料(例如，铂)。邻近阳极催化剂层306可以是阳极气体扩散层312。在PEM 302的第二侧上，可存在阴极催化剂层304。阴极催化剂304可包括碳基结构，其包括催化剂材料(例如，铂)。邻近阴极催化剂层304可以是阴极气体扩散层318。PEM 302可设置在阳极催化剂层306与阴极催化剂层 318之间。

邻近阳极气体扩散层312可以是阳极双极板308。邻近阴极气体扩散层318可以是阴极双极板320。阳极双极板308和阴极双极板320 可被配置为提供若干功能。所述板可被配置为分配氢气和空气，除去热量，将电流流动到其他电池或负载。板也可被配置为防止正在穿过的气体和流体泄漏。

阳极催化剂层306、阳极气体扩散层312和阳极双极板可统称为阳极和/或阳极侧。阴极催化剂层304、阴极气体扩散层318和阴极双极板320可统称为阴极和/或阴极侧。

阳极双极板308可限定多个氢气流动通道310。氢气流动通道310 可与阳极气体扩散层312相邻并被配置为使氢气流动。氢气流动通道 310可被配置使得流经其中的氢气与阳极气体扩散层312接触。构成燃料电池组212的燃料电池中的每一个的阳极双极板308的氢气流动通道310可联接在一起。这样，向阳极侧214供应氢气将氢气供应到组212中的燃料电池中的每一个。

阴极双极板320可限定多个空气流动通道316。空气流动通道316 可与阴极气体扩散层318相邻并且被配置为使空气流动。空气流动通道318可被配置使得流经其中的空气与阴极气体扩散层318接触。阴极双极板320还可限定多个冷却通道314。冷却通道314可被配置为使冷却剂流动以保持燃料电池系统的温度。构成燃料电池组212的燃料电池中的每一个的阴极双极板320的空气流动通道318可联接在一起。这样，向阴极侧216供应空气将空气供应到组212中的燃料电池中的每一个。构成燃料电池组212的燃料电池中的每一个的阴极双极板320的冷却通道314可联接在一起。这样，向阴极侧216提供冷却剂将冷却剂供应到组212中的燃料电池中的每一个。

在燃料电池300操作期间，氢气可流动通过阳极并且空气可流动通过阴极。可预处理空气和氢气，使得所得的流在预定的温度和湿度范围内。燃料电池300的操作引起燃料电池300内的各种化学反应。化学反应导致通过燃料电池300的离子和电子的流动。阳极侧上的正常反应可表示为：

H2→2H⁺+2e^- (1)

阳极中的反应导致氢气被分离成氢离子和电子。阴极中的正常反应可表示为：

1/2O2+2H⁺+2e^-→H2O (2)

阴极中的反应导致形成水。水可在空气流动通道316内流动。燃料电池系统可提供各种措施以保持水通过燃料电池300的流动。

阴极中的反应需要来自阳极的氢离子。氢离子可穿过PEM 302，以便从阳极移动到阴极以供给反应。电子可通过外部电路在PEM 302 周围流动。PEM 302可配置为使得电子不流过。在正常操作期间，当氢气和空气被提供给燃料电池300时，反应持续进行。

燃料电池组可包括串联和/或并联布置的多个燃料电池300。燃料电池300可被布置为使得相邻燃料电池的阴极和阳极彼此接触。燃料电池300可被配置为提供预定电压电平。例如，如果每个燃料电池 300提供1V，则由一百个燃料电池300串联布置组成的燃料电池组可提供100V的输出电压。只要氢气和空气以足够的量提供给燃料电池300中的每一个，反应可持续进行并且可实现额定输出电压。

然而，在某些条件下，燃料电池300中的一个或多个可能经历降低的工况。在某些条件下，燃料电池300中的一个或多个可能经历电压反转。电压反转可以是燃料电池300上的电压相对于燃料电池组中其余的燃料电池改变极性的条件。这些条件可能由氢气不足、空气不足、水不足和/或燃料电池温度超出指定的工作范围引起。这些条件可能存在于一些燃料电池处，使得并非所有燃料电池都受到影响。

例如，阴极中缺少O2引起2H⁺+2e^-大于在正常氧气还原反应 (ORR)期间发生的H2的量的条件。在这种条件期间，燃料电池300 像氢气泵一样操作。电压反转在这种情况下相当小。其他条件可能引起针对燃料电池300的更严重的问题。更严重的条件是能够引起碳腐蚀的阳极缺氢气。

阳极燃料不足可能由进气歧管中的水滴引起。由于H2可能不足，因此不会发生电流流动，使得不会发生正常的氢气氧化反应(HOR)。然后阳极不能产生足够的氢离子穿过到阴极以支持电流的流动。为了保持剩余燃料电池和负载所需的电流，则发生水电解和碳腐蚀。

电压反转的电池在阳极处表现出比在阴极处更高的电位。即，发生负电池电压。当大部分电流由水电解携带时，电压反转可以在-1V 的范围内。当电解不能支持电流时，电池电压能够下降到远低于-1V。理论上，电压降受到组中剩余电池的电压的限制。在这种条件下，碳腐蚀成为一个主要问题。

可针对不同的燃料电池反应确定电池电压反转的起始电压。起始电压与用作参考的可逆氢气电极(RHE)相比。在阳极处，在缺乏氢气存在下，来自水电解的氧气析出反应(OER)导致反应和电压如下：

可能发生的碳腐蚀反应和相关联的电压如下：

在与碳氧化进行比较时，来自水电解的OER可能在热力学上是不希望的。然而，在动力学上更希望水电解在碳氧化之前发生以减少碳腐蚀。在电压反转期间，期望通过水电解来支持反应。当不再能够支持水电解(例如，缺乏水)时，电流由碳腐蚀支持。为了有利于水电解，可将反转耐受添加剂(reversal tolerant additive，RTA)并入阳极催化剂306中。例如，IrO2或者RuO2可添加到阳极催化剂306中。RTA 促进水电解并可减少碳腐蚀。

上述策略试图最小化由于电压反转引起的燃料电池的劣化。上述途径大体上试图引起反应以持续支持电流流过燃料电池的膜。优选的策略可以是将功率半导体开关实现到单独的燃料电池，以限制该阳极电池反转以最小化或消除阳极催化剂支撑的碳腐蚀。这种策略可延长燃料电池组的有效使用寿命。

半导体开关可被配置为响应于燃料电池300上的电压反转传导电流。可接通半导体开关以支持在燃料电池300上的电流流动。通过使电流流过半导体开关，可减少燃料电池300中的化学反应。因此，不需要碳腐蚀反应来支持在受影响的燃料电池上的电流流动。半导体开关可包括负载端子，其分别电耦合到双极板中的一个。半导体开关可包括栅极端子，用于使半导体开关在导电状态和非导电状态之间转换。半导体开关的操作包括偏置栅极端子(例如，施加具有指定极性的电压或电流)以使半导体开关在负载端子之间传导或阻断电流。可相对于负载端子中的一个偏置。例如，用于偏置栅极的电压可以是栅极端子与负载端子中的一个之间的电压。用于偏置栅极的电压或电流电平可取决于所选择的半导体开关的具体类型。

功率半导体开关可包括金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。例如，半导体开关可以是基于MOSFET的晶体管装置。半导体开关装置可被配置为响应于0.1 V的反向电压传导并具有50A/cm²的电流密度。半导体开关装置可被配置为当半导体开关装置在负载端子之间传导电流时，具有不大于 0.1伏特的负载端子上的电压降。代表性装置可以是Microsemi公司生产的LX2410。所述装置可被配置为电流旁路装置(CBD)，以通过并联连接装置来传导100A至800A的电流。在其他配置中，可设定装置的大小以处理期望的电流电平。例如，尺寸为60mm×60mm×1 mm的CBD可在电压反转存在时允许超过800A的电流通过。

一旦燃料电池电压反转，CBD可瞬时切换并使流过燃料电池组的电流通过，直到电池恢复到正常工作电压电平。CBD系统能够可逆地操作而不会引起燃料电池中的碳腐蚀。即，CBD可被重复操作而不会导致燃料电池中的碳腐蚀。

图4描绘可用于CBD 400的可能半导体开关的电气原理图。例如，IGBT 402可布置在电路中，使得发射极端子能够连接到燃料电池的阴极，并且集电极端子能够连接到燃料电池的阳极。旁路二极管 404可耦合在发射极端子与集电极端子上。可实现驱动器电路406驱动IGBT 402的栅极。驱动器电路406可被配置为基于IGBT 402上的相对电压操作。在其他配置中，驱动器电路406可从外部源供电。例如，驱动器电路406可从低压总线和/或蓄电池接收电力。当阴极处的电压超过阳极处的电压时，燃料电池可正常操作。这样，驱动器电路406可将IGBT 402保持在关断或非导电状态。即，可不允许电流流过IGBT 402。当阴极电压变得小于阳极电压时，如在燃料电池电压反转期间可能发生的那样，驱动器电路406可将IGBT 402操作在导电状态。驱动器电路406可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IGBT 402在双极板之间传导。在导电状态下，可允许从源极端子到漏极端子(例如，负载端子)的电流流动。驱动器电路可以由燃料电池供电并被配置为仅抽取少量功率来操作。例如，驱动器电路406可包括电阻网络，所述电阻网络偏置栅极电压，使得在电压反转期间，在IGBT 402的栅极处存在足够的电压以转变到导电状态。在一些配置中，n-通道MOSFET可替代IGBT 402，使得MOSFET的源极端子能够连接到阳极，以及MOSFET的漏极端子能够连接到阴极。

CBD 400可实现为单个半导体装置。例如，图5描绘单个CBD 500 的可能配置。集成的CBD 500可包括半导体装置所在的外壳506。例如，图5中所描绘的CBD 400可实现为集成电路并设置在外壳506 内。集成CBD 500可包括导电阳极端子502和导电阴极端子504。例如，导电阳极端子502可电耦合到IGBT 402的集电极端子，并且导电阴极端子504可以是IGBT 402的发射极端子。

CBD的最大电流负荷量可取决于燃料电池组的额定电流。CBD 的最大电流容量可以是至少燃料电池组的额定工作电流。CBD可被设计为使得单个集成电路实现CBD功能。随着电流负荷量的增加，单个集成电路的大小可相应地增加以支持电流流动。在其他配置中， CBD装置可并联耦合以支持电流负荷量。每个CBD装置可被配置为承载电流流动的一部分。这种设计可允许使用较低电流额定的CBD。并联CBD还可允许现有的CBD组合以实现期望的电流容量。通过添加或除去CBD，可将电流容量选择性地配置到每个燃料电池组应用。

图6描绘并联的CBD 600的示例。并联的CBD 600可包括第一 CBD 602和第二CBD 604。第一CBD 602和第二CBD 604可如关于图6所描述的那样。阳极连接器606可被配置为电耦合第一CBD 602 和第二CBD 604的阳极端子。阴极连接器608可被配置为电耦合第一CBD 602和第二CBD 604的阴极端子。阳极连接器606和阴极连接器608可由诸如铜的导电材料构造。如图所示，阴极连接器608可进一步围绕第二CBD 604延伸以形成导电表面。需注意，图6中可以类似的方式并联添加额外的CBD。也就是说，可调适阳极连接器 606和阴极连接器608使得并联添加额外的CBD。可添加额外的CBD 以增加电流负荷量。

阳极连接器606和阴极连接器608可被配置为将单独的CBD固定在一起作为一个单元。例如，阳极连接器和/或阴极连接器608可被配置为向CBD提供固定力的夹具。在其他配置中，可使用额外的非导电夹具来提供固定力以将CBD保持在适当位置。在其他配置中，可使用环氧树脂将CBD固定作为一个单元。

图7描绘与图6的CBD 600集成的燃料电池700。燃料电池700 可类似于图3的燃料电池构造。燃料电池700可包括质子交换膜(PEM) 702。在PEM 702的第一侧上，可存在阳极催化剂层706。邻近阳极催化剂层706可以是阳极气体扩散层712。在PEM 702的第二侧上，可存在阴极催化剂层704。邻近阴极催化剂层704可以是阴极气体扩散层718。PEM 702可设置在阳极催化剂层706与阴极催化剂层704 之间。

邻近阳极气体扩散层712可以是阳极双极板708。邻近阴极气体扩散层718可以是阴极双极板720。阳极双极板708和阴极双极板720 可包括如关于图3所描述的特征。在所示的配置中，CBD置于阳极双极板708与阴极双极板720之间。

CBD 600可设置在阳极双极板708与阴极双极板720之间。CBD 600可被安装使得阳极连接器606与阳极双极板708电接触，并且阴极连接器608与阴极双极板720电接触。其他配置是可能的，其中阴极双极板720电连接到阴极连接器608，并且阳极双极板708电连接到阳极连接器606。

在燃料电池700的正常操作期间，阴极双极板720处于比阳极双极板708更大的电位。在这种条件下，CBD 600处于非导电状态，并且电流不流过半导体开关装置。流过燃料电池700的电流通过氢离子的流动实现。在燃料电池700中存在电压反转的条件期间，阳极双极板708处于比阴极双极板720更大的电位。如前所述，在这种条件下可能发生燃料电池700的碳腐蚀。响应于阳极双极板708的电位(阳极电位)变得大于阴极双极板720的电位(阴极电位)，CBD 600转变到导电状态。在导电状态下，CBD 600允许电流通过半导体开关装置从阳极双极板708流到阴极双极板720。这允许电流流过燃料电池组而不会导致碳腐蚀。当电压反转停止时，使半导体开关装置在非导电状态操作，使得没有电流流过那里。

图8描绘了燃料电池组800的图，所述燃料电池组800包括N 燃料电池700，其包括CBD 600。可通过串联耦合N燃料电池700来构造燃料电池组800。例如，每个燃料电池700的阳极侧可电耦合到相邻燃料电池的阴极侧。每个燃料电池700的阴极侧可以电耦合到相对侧上的相邻燃料电池的阳极侧。这样，燃料电池组800可产生电压输出，所述电压输出是单独的燃料电池电压的总和。需注意，其他配置是可能的。例如，可与单独的燃料电池中的每一个并联地添加额外的燃料电池。

在操作期间，燃料电池700被操作并生成电压。电负载根据需要从燃料电池组800汲取电流。电流可穿过燃料电池组800。在正常操作条件下，燃料电池700中的每一个的阴极电位大于阳极电位。流过燃料电池700的电流由燃料电池700内的氢离子的流动支持。当电池中的一个或多个经历电压反转时，化学反应可能在那些电池内发生变化，从而导致潜在的碳腐蚀。通过将CBD 600集成在每个燃料电池 700内，可在电压反转期间通过电气装置保持电流流动。CBD 600使电流能够绕过正在经历电压反转的燃料电池。即，CBD 600在电压反转条件期间提供电子流过半导体开关装置的路径。这允许电流在受影响的燃料电池周围流动并保持电流流动而不会使燃料电池劣化。CBD 600在电压反转条件期间有效地提供穿过燃料电池的电流路径。以这种方式操作燃料电池700减少了可能在这些条件期间发生的劣化。当操作条件恢复正常时，CBD 600转变回非导电状态，并且燃料电池 700可再次正常操作。

电流旁路装置有效地防止燃料电池中的碳腐蚀。电流旁路装置提供针对电压反转的解决方案，其可改善燃料电池的耐久性和寿命。此外，通过在电压反转开始时允许电流流动可最小化碳腐蚀。

本文中公开的过程、方法或算法可以提供给处理装置、控制器或计算机/由处理装置、控制器或计算机实现，所述处理装置、控制器或计算机可以包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，过程、方法或算法可以存储为可由控制器或计算机以许多形式执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在诸如ROM装置等不可写存储介质上的信息和以可更改方式存储在可写存储介质上的信息，所述可写存储介质例如软盘、磁带、CD、RAM装置和其他磁性和光学介质。过程、方法或算法也可以在软件可执行对象中实现。可替代地，使用合适的硬件部件诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其他硬件部件或装置、或硬件、软件和固件部件的组合，能够全部或部分地体现过程、方法或算法。

虽然上文描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的用词是描述用词而非限制用词，并且应当理解，可在不背离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征可组合以形成可能未明确描述或说明的本实用新型的其他实施例。虽然各种实施例可被描述为关于一个或多个所期望特性相对于其他实施例或现有技术实现方式提供优点或更优，但是本领域的普通技术人员认识到，可折衷一个或多个特征或特性以实现所期望的总体系统属性，这取决于具体的应用和实现方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、适销性、外观、包装、大小、适用性、重量、可制造性、易组装性等。因此，关于一个或多个特性被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式那样令人期望的实施例在本公开的范围之内，并且对于特定应用可能是所期望的。

根据本实用新型，提供一种燃料电池，其具有阳极和阴极，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，所述半导体开关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在所述双极板之间传导。

根据实施例，所述半导体开关是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

根据实施例，所述半导体开关是金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。

根据实施例，所述至少一个半导体开关包括并联耦合的多个半导体开关装置。

根据实施例，所述至少一个半导体开关被配置为在导电状态下具有至少50A/cm²的电流密度。

根据实施例，所述至少一个半导体开关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。

根据实施例，所述电路由所述双极板上的电压供电。

根据实施例，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，以阻断电流流过所述半导体开关。

根据本实用新型，提供了一种燃料电池组，所述燃料电池组具有多个燃料电池，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。

根据实施例，所述至少一个半导体开关装置被配置为具有至少为所述燃料电池组的额定工作电流的最大电流容量。

根据实施例，所述电路被进一步配置为响应于所述阴极电位变得大于所述阳极电位，偏置所述至少一个半导体开关装置的栅极以阻断电流流过所述至少一个半导体开关装置。

根据实施例，所述至少一个半导体开关装置是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

根据实施例，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(MOSFET)。

根据实施例，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。

根据实施例，所述电路被进一步配置为由所述阳极双极板和所述阴极双极板上的电压供电。

根据本实用新型，提供了一种车辆，其具有燃料电池组，所述燃料电池组包括多个燃料电池，所述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，偏置所述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所述阳极传导到所述阴极。

根据实施例，所述电路被进一步配置为响应于所述阴极的所述电位变得大于所述阳极的所述电位，偏置所述至少一个半导体开关的所述栅极以进入非导电状态，以阻断电流流过所述至少一个半导体开关。

根据实施例，所述至少一个半导体开关被配置为具有至少为所述燃料电池组的额定工作电流的最大电流容量。

根据实施例，所述电路被进一步配置为由对应燃料电池的所述阳极和所述阴极上的电压供电。

根据实施例，所述至少一个半导体开关包括并联布置的多个半导体开关。