[發明專利]燃料電池系統、其濕度控制方法

有效

• 申請號: 201910407700.5
• 申請日: 2019-05-16
• 公開（公告）號: CN110190307B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 喬澤敏;徐煜;曹繼申;吳敏
• 申請（專利權）人: 蘇州市華昌能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04828
• 分類號: H01M8/04828
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 梁文惠

本發明提供了一種燃料電池系統、其濕度控制方法。該燃料電池系統包括：電池單元，具有利用質子交換膜隔離的陽極和陰極；陽極氣體供應管線，與電池單元的陽極氣體進口相連；陰極氣體供應管線，與電池單元的陰極極氣體進口相連；冷卻管線，與電池單元的冷卻液進口和冷卻液出口相連；陽極氣體供應管線包括：陽極氣體儲存罐；陽極進氣管路，一端與陽極氣體儲罐相連，另一端與陽極氣體進口相連，陽極進氣管路的靠近陽極氣體進口的位置設置有第一濕度檢測器；陽極尾氣輸送管路，一端與陽極的陽極尾氣出口相連，另一端與陽極進氣管路相連，且陽極尾氣輸送管路上設置有氫氣循環泵、第一換熱器和第二濕度檢測器，且第二濕度檢測器靠近陽極尾氣出口設置。

技術領域

本發明涉及燃料電池系統技術領域，具體而言，涉及一種燃料電池系統、其濕度控制方法。

背景技術

隨著全球能源使用量的增長及不科學使用，化石燃料等不可再生能源將日益枯竭，并對環境產生嚴重影響.這就迫切要求人們開發氫能、太陽能等新能源以應對能源危機和環境污染問題。氫能來源豐富，可以高效轉化，使用過程無排放污染，作為二次能源的載體，在工業、交通等領域中有重要前景。

氫燃料電池系統是為氫氣和氧氣提供電化學反應場所的能量轉化裝置。與化學儲能電池不同，氫燃料電池系統的反應介質(氫氣和空氣/氧氣)貯存是獨立于反應場所(電堆)的，在氫燃料電池系統工作過程中，反應介質需要特定的輸送設備/部件源源不斷的向電堆輸送。電堆內部設計有陽極流場和陰極流場分別為氫氣和空氣/氧氣提供流動通道，還設置供反應進行的膜電極(主要由質子交換膜、催化劑和多孔介質等構成)。反應過程，氫氣送到電堆的陽極板或雙極板陽極側(陽極板上設計有供氫氣流動通道或雙極板陽極側上設計有供氫氣流動通道)，到達膜電極的陽極側，在催化劑的作用下，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子(質子)穿過質子交換膜，到達膜電極陰極側，電子不能穿過質子交換膜，只能經外部電路，到達膜電極陰極側，此過程在外電路中產生了電流。質子和電子與經過陰極板流場(陰極板上設計有供空氣/氧氣流動通道或雙極板陽極側上設計有供空氣/氧氣流動通道)到達膜電極陰極側的氧氣(或空氣中的氧氣)結合為水。反應進行時，反應介質的化學能轉化為電能的同時，也會產生熱能，大部分熱能需要及時通過冷卻介質排出電堆，利用電堆外部冷卻裝置轉移或消耗。電堆反應產物為純水，一部分用于潤濕電堆內部的膜材料，一部分被反應尾氣(未反應完全的陽極尾氣和陰極尾氣)帶出電堆。燃料電池系統發出的電，經變換器、控制器等裝置，便可以針對性的利用。

為保證燃料電池系統反應順利進行，除了源源不斷的反應介質供應，電能、熱能平衡輸出等條件外，反應場所還需要保證一定量的水分存在，以使質子交換膜處于一定的水化狀態，因為質子的傳導能力與質子交換膜的含水量有關，含水量太低，質子傳導能力弱，含水量過高，會引起膜電極水淹，導致與其相連的氣體擴散或傳輸通道水堵塞。

前述的質子交換膜燃料電池系統運行過程必須保證質子交換膜處于一定的水化狀態，即堆內濕度需要維持在一定范圍內，否則電池性能會受影響，嚴重時電池會無法工作。質子交換膜燃料電池系統運行過程雖然水生成于陰極，但由于濃差擴散、電滲拖拽等原因水會在質子交換膜兩側不斷傳輸擴散，當運行電流密度較小，質子交換膜較薄時，濃差擴散較強，電滲拖拽作用較弱，陰極濕度偏高，陽極濕度偏低。反之，當運行電流密度較高，質子交換膜較厚時，電滲拖拽作用較強，陰極濕度偏低，陽極濕度偏高。于此同時，陰極的水分會隨著空氣/氧氣的流動在陰極流場傳輸，一部分水分隨著反應尾氣排放，當空氣/氧氣流量較大，相同設計下，流速增大，進口附近區域比出口干燥，尾氣量較多時，尾氣帶出電堆的水分增多，電堆內部也會偏干。又由于燃料電池系統應用場景的要求(比如車用工況)，整個使用周期內電池多數都處于變載過程，意味著電堆陰陽極供氣量、排氣量、發電量、產水量等都處于不斷變化的過程，堆內水分布不斷變化，很容易出現局部過干或水淹，而為了使得電化學反應順利進行，又需要保證電堆處于相對良好狀態，因此，需要保證一個良好的水平衡關系。