[發明專利]一種燃料電池電堆陽極水管理控制系統及控制方法

在審

• 申請號: 202210035765.3
• 申請日: 2022-01-13
• 公開（公告）號: CN114361517A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 裴昱;侯向理;時丕宏;余麗;袁博;徐震
• 申請（專利權）人: 浙江高成綠能科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04029
• 分類號: H01M8/04029;H01M8/04089
• 代理公司: 上海智晟知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31313
• 代理人: 陶柳濤

本發明涉及一種燃料電池電堆陽極水管理控制系統及控制方法，所述燃料電池電堆包括設置在陽極的第一氫氣流通口、第二氫氣流通口，以及設置在陰極的空氣進口和空氣出口，所述控制系統包括設置在第一氫氣流通口處的第一電磁閥、設置在第二氫氣流通口處且并聯設置的第二電磁閥和第三電磁閥，其中，所述第二電磁閥與氫氣源連接，所述第一電磁閥和第三電磁閥同時打開或關閉，所述第二電磁閥和第三電磁閥最多只有一個是打開的。本發明使得燃料電池陽極流道內的水分布趨于平衡，從而增加燃料電池的可靠性和壽命。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種燃料電池電堆陽極水管理控制系統及控制方法。

背景技術

燃料電池堆是一種直接將燃料的化學能轉化為電能的發電裝置，具有功率密度高，無污染，噪聲低等優點，具有廣闊的應用前景。燃料電池可以分為質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融鹽燃料電池、微生物燃料電池等。

燃料電池堆工作時，其內部發生了電化學反應。以質子交換膜燃料電池（PEMFC）為例。以氫氣作為燃料，PEMFC的電極反應如下所示：

陽極： H₂→2H⁺+2e^-

陰極：0.5O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

從電極反應可以看出，在PEMFC中陽極反應氣體氫氣通入陽極流道。反應氣體通入電池后，在催化劑的作用下解離為質子和電子，質子通過質子交換膜到達電池的陰極，電子則經過集流板收集，對外電路做功；氧氣通過氣體擴散層到達陰極催化側表面，在催化劑的作用下，氧氣與通過質子交換膜的質子、外電路電子，結合生成水，放出大量熱。

在此過程中為了保持電池堆的性能、可靠性以及壽命，電堆內部尤其是膜電極需要有一定的含水量，以保證膜良好的質子傳導性，否則膜易脫水，皺縮嚴重，影響質子傳導；同時水也不能太多，膜的含水量過多，水就會淹沒電極，造成電極水淹。同時，燃料電池工作時其內部環境的水分布的不均勻性導致了燃料電池靠近入口部分電極容易失水干燥，導致局部內阻升高，靠近出口部分電極容易水淹，使得燃料電池電堆的性能、可靠性、壽命都受到影響。

為了解決上述問題，現有技術常采用在系統結構上采用增加氫氣循環泵或引射器的方式。但采用氫氣循環泵的方式有體積重量大、功耗大、成本高的缺點，采用引射器會限制電堆只能在固定工況下才能正常工作，并且兩種方式都只能單向循環，并未從根本上解決燃料電池電堆內部水分布不均的問題，對穩定性以及可靠性有較大影響。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種成本低且能有效避免水淹現象的電堆陽極水管理控制系統。

本申請之目的還在于提供一種燃料電池電堆陽極水管理控制方法。

為了實現本發明之目的，本申請提供以下技術方案。

在第一方面中，本申請提供一種燃料電池電堆陽極水管理控制系統，所述燃料電池電堆包括設置在陽極的第一氫氣流通口、第二氫氣流通口，以及設置在陰極的空氣進口和空氣出口，所述控制系統包括設置在第一氫氣流通口處的第一電磁閥、設置在第二氫氣流通口處且并聯設置的第二電磁閥和第三電磁閥，其中，所述第二電磁閥與氫氣源連接，正常工作時，所述第一電磁閥和第三電磁閥同時打開，調整時，第三電磁閥關閉，同時第二電磁閥打開，經過0.3~1s后，第一電磁閥關閉。本申請的控制系統在調整時（即當燃料電池電堆出現水淹現象時），第一電磁閥和第二電磁閥在轉換過程中，應同時打開0.3~1s，避免因電磁閥響應速度問題導致電堆欠氣，優選為0.5s。