[發明專利]燃料電池電堆及系統、燃料電池汽車及其水管理方法

有效

• 申請號: 201911422703.2
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111092245B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 李駿;湯千秋;徐鑫;甘全全
• 申請（專利權）人: 上海神力科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04089;H01M8/04119;H01M8/2465;B60L58/30
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 葉敏華

本發明涉及一種燃料電池電堆及系統、燃料電池汽車及其水管理方法，所述的燃料電池電堆在第一端板上設有氫氣進口、空氣進口、第一氫氣出口、第一空氣出口，第二端板上設有第二氫氣出口和/或第二空氣出口，第二氫氣出口和/或第二空氣出口設有電磁閥，電磁閥連接燃料電池電堆的控制系統；所述的燃料電池汽車上設有上述燃料電池電堆以及陀螺儀；本發明利用陀螺儀實時監控車輛運行的狀況，若陀螺儀監測到電堆發生轉彎、爬坡或下坡，則通過控制系統打開電磁閥，另一側端板上的氫氣和/或空氣出口打開，增大排水，進而避免電堆端部水淹。與現有技術相比，本發明具有操作簡單易行，成本低等優點。

技術領域

本發明涉及燃料電池堆技術領域，尤其是涉及燃料電池電堆及系統、燃料電池汽車及其水管理方法。

背景技術

雖然燃料電池系統零部件的產業化已經小有規模，但水管理仍然是非常關鍵的問題，且至今也未能完全解決。優質的水管理應該做到膜內含水量、陽極質子電拖曳(EOD，electro-osmotic drag)帶水與陰極反滲水的平衡，且至少應保證反應氣向反應界面傳輸的過程中不因液態水的阻礙造成性能的大幅波動，同時還應該保證質子傳導過程中不因缺水等造成性能的明顯下降。然而在實際操作中，很難同時實現以上兩點，因此在燃料電池電堆內會出現水淹或缺水的問題。

燃料電池電堆中的催化層(catalyst layer，CL)、氣體擴散層(gas diffusionlayer，GDL)、氣體流道(gas channel，GC)內都可能發生水淹。短時間內輕微的水淹會造成輸出功率的輕微下降，但是一旦在氣體擴散層或氣體流道內發生較為嚴重的水淹，則會造成電壓的間歇性大幅波動，甚至導致故障停機。這不僅會導致輸出功率不穩定，還會因局部缺氣導致催化劑的降解、擴散層的腐蝕，影響燃料電池電堆的使用壽命。

膜缺水直接導致質子交換膜電導率降低，歐姆阻抗升高，從而輸出功率下降。另外，膜缺水使膜上的孔開始收縮，減緩了反滲作用。這樣，如果缺水由陽極進氣濕度低引起，這種缺水的惡性循環將不可避免。一旦持續較長時間，膜會變脆甚至開裂，極大地影響燃料電池耐久性。因此，為保證燃料電池系統的平穩運行，延長燃料電池電堆的使用壽命，需要在電堆的設計過程和后續的使用過程中進行水管理。

在電堆設計方面，通常對GDL做疏水處理，例如添加聚四氟乙烯。另外，在CL和GDL之間增設極薄的微孔層(micro porous layer，MPL)、盡量使用蛇形波紋流道以及流道表面適當的親水處理都有助于液態水的排出。在工況參數調節方面，主要通過減少產水和增加排水的思路進行管理。例如，調節電堆溫度以改變氣流帶水能力、調節進氣濕度、調節流量、控制陰陽極壓力差值等。其中，堆溫和濕度兩個參數往往是相互耦合的，在露點溫度不變的情況下，改變堆溫也意味著相對濕度的改變。

雖然目前已有很多關于燃料電池電堆水管理的文獻和專利，但目前現有技術主要研究的是單電池片數小于50片的燃料電池電堆。然而，為滿足工業化應用中對功率密度的要求，商用車用燃料電池單電池片數目前已經大于50片，甚至大于200片，隨著單電池片數的增多，電堆的水管理問題更加復雜。此外，商用車的運行工況目前也愈加復雜，需要面臨爬坡、下坡、轉彎、加速、減速等情況，在這些情況下，如當車輛遇到爬坡、下坡情況時，燃料電池電堆與水平面呈一定傾斜角度，當車輛遇到轉彎時，燃料電池電堆也會受到向心力的影響，相當于和水平面呈一定傾斜角度。而在上述狀態下，燃料電池電堆的水管理更加復雜，更加容易發生水淹問題。如圖1、圖2所示，燃料電池發動機系統的燃料電池電堆包括單電池和設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置氫氣進口、空氣進口和冷卻水進口、氫氣出口、氫氣出口、空氣出口。以第二端板設置在車頭方向，第一端板為陽極端板，氫氣進口、空氣進口和冷卻水進口設置在第一端板上為例，當車輛發生下坡情況，則燃料電池電堆的陽極端板抬高，電堆里的最低單電池電壓(電壓最低的單片位于圖2和圖9中靠近第二端板的位置)隨著時間累積急劇下降，最終導致電堆故障停機。