[發(fā)明專利]一種燃料電池電堆的水管理方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911416084.6
• 申請(qǐng)日: 2019-12-31
• 公開（公告）號(hào): CN111106368B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯千秋;徐鑫;甘全全
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海神力科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/04291
• 分類號(hào): H01M8/04291;H01M8/04791;H01M8/2457;B60L3/00;B60L58/30
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 葉敏華

本發(fā)明涉及一種燃料電池電堆的水管理方法，在搭載燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的車輛內(nèi)安裝陀螺儀，所述的陀螺儀連接燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的燃料電池電堆的控制系統(tǒng)，所述的陀螺儀感知車輛運(yùn)行的平穩(wěn)狀況，若所述的陀螺儀監(jiān)測(cè)到車輛發(fā)生轉(zhuǎn)彎、爬坡或下坡情況，則反饋到燃料電池電堆的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制氫氣側(cè)化學(xué)計(jì)量比在1.3～6的基礎(chǔ)上，提高5％～40％，和/或控制空氣側(cè)化學(xué)計(jì)量比在1.5～6的基礎(chǔ)上，提高5％～40％。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有方便燃料電池排水，緩解電堆因轉(zhuǎn)彎、爬坡或下坡導(dǎo)致的單電池電壓快速下降以及提高電堆使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池堆技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種燃料電池電堆的水管理方法。

背景技術(shù)

雖然燃料電池系統(tǒng)零部件的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)小有規(guī)模，但水管理仍然是非常關(guān)鍵的問(wèn)題，且至今也未能完全解決。優(yōu)質(zhì)的水管理應(yīng)該做到膜內(nèi)含水量、陽(yáng)極質(zhì)子電拖曳(EOD，electro-osmotic drag)帶水與陰極反滲水的平衡，且至少應(yīng)保證反應(yīng)氣向反應(yīng)界面?zhèn)鬏數(shù)倪^(guò)程中不因液態(tài)水的阻礙造成性能的大幅波動(dòng)，同時(shí)還應(yīng)該保證質(zhì)子傳導(dǎo)過(guò)程中不因缺水等造成性能的明顯下降。然而在實(shí)際操作中，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)以上兩點(diǎn)，因此在燃料電池電堆內(nèi)會(huì)出現(xiàn)水淹或缺水的問(wèn)題。燃料電池電堆中的催化層(catalyst layer，CL)、氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer，GDL)、氣體流道(gas channel，GC)內(nèi)都可能發(fā)生水淹。短時(shí)間內(nèi)輕微的水淹會(huì)造成輸出功率的輕微下降，但是一旦在氣體擴(kuò)散層或氣體流道內(nèi)發(fā)生較為嚴(yán)重的水淹，則會(huì)造成電壓的間歇性大幅波動(dòng)，甚至導(dǎo)致故障停機(jī)。這不僅會(huì)導(dǎo)致輸出功率不穩(wěn)定，還會(huì)因局部缺氣導(dǎo)致催化劑的降解、擴(kuò)散層的腐蝕，影響燃料電池電堆的使用壽命。

為解決水管理問(wèn)題，目前現(xiàn)有技術(shù)的主要研究的是單電池片數(shù)小于50片的燃料電池電堆。然而，為滿足工業(yè)化應(yīng)用中對(duì)功率密度的要求，商用車用燃料電池單電池片數(shù)目前已經(jīng)大于50片，甚至大于200片，隨著單電池片數(shù)的增多，電堆的水管理問(wèn)題更加復(fù)雜。此外，商用車的運(yùn)行工況目前也愈加復(fù)雜，需要面臨爬坡、下坡、轉(zhuǎn)彎、加速、減速等情況，在這些情況下，如當(dāng)車輛遇到爬坡、下坡情況時(shí)，燃料電池電堆與水平面呈一定傾斜角度，當(dāng)車輛遇到轉(zhuǎn)彎時(shí)，燃料電池電堆也會(huì)受到向心力的影響，相當(dāng)于和水平面呈一定傾斜角度。而在上述狀態(tài)下，燃料電池電堆的水管理更加復(fù)雜，更加容易發(fā)生水淹問(wèn)題。如圖1、圖2所示，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的燃料電池電堆包括單電池和設(shè)于燃料電池電堆兩端的第一端板和第二端板。第一端板或第二端板上可以設(shè)置氫氣進(jìn)口、空氣進(jìn)口和冷卻水進(jìn)口、氫氣出口、氫氣出口、空氣出口。當(dāng)氫氣側(cè)化學(xué)計(jì)量比為1.5，空氣側(cè)化學(xué)計(jì)量比為1.9時(shí)，以第二端板設(shè)置在車頭方向，第一端板為陽(yáng)極端板，氫氣進(jìn)口、空氣進(jìn)口和冷卻水進(jìn)口設(shè)置在第一端板上為例，當(dāng)車輛發(fā)生下坡情況，則燃料電池電堆的陽(yáng)極端板抬高，電堆里的最低單電池電壓(電壓最低的單片位于圖2和圖4中靠近第二端板的位置)隨著時(shí)間累積急劇下降，最終導(dǎo)致電堆故障停機(jī)。

為解決水淹問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)通常采用的解決方案為分別設(shè)置專門的氫氣側(cè)和空氣側(cè)排水通道，該排水通道分別平行于設(shè)置于氫氣通道和空氣通道下方，當(dāng)電堆傾斜時(shí)，生成水不會(huì)在端部聚集，而是進(jìn)入排水通道再排出電堆，然而增設(shè)排水通道對(duì)電堆結(jié)構(gòu)的改動(dòng)較大，操作復(fù)雜且成本較高，且無(wú)法同時(shí)解決電堆傾斜時(shí)的單電池電壓快速下降的問(wèn)題。此外，現(xiàn)有技術(shù)還采用基于燃料電池的狀態(tài)(剩余水量或者傾斜角度)估算從燃料電池排出的水量，從而判斷后續(xù)吹掃的強(qiáng)度，通過(guò)吹掃解決排水問(wèn)題，進(jìn)而使電堆能夠正常啟動(dòng)，雖然該方法可緩解水淹情況，但該方法在車輛運(yùn)行過(guò)程中遇到爬坡、下坡、轉(zhuǎn)彎的情況時(shí)，仍然無(wú)法避免單電池水淹導(dǎo)致最低單電池電壓急劇下降的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種燃料電池電堆的水管理方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：