[发明专利]一种氢燃料电池自増湿结构及系统

说明书

本发明公开了一种氢燃料电池自増湿结构及系统，一种氢燃料电池自増湿结构，包括增湿通道、渗透膜和尾气流动通道，所述增湿通道与尾气流动通道贴合，所述增湿通道与尾气流动通道之间设有渗透膜增湿通道与尾气流动通道内的气体流动方向相反，所述增湿通道与尾气流动通道上均设置用于控制流速的阀门；一种氢燃料电池系统，包括燃料电池电堆、输送管道和权所述自増湿结构，所述染料电池电堆的底部设有输送管道，所述输送管道与自增湿结构连通。本发明能够有效解决燃料电池气体増湿问题，同时避免采用额外的増湿器，降低了系统复杂度和体积；进一步增加了燃料电池尾气区域的水蒸气真空度，提高了电池内部水蒸气的排出能力，强化了排水性能。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体为一种氢燃料电池自増湿结构及系统。

背景技术

氢燃料电池(亦质子交换膜燃料电池)是一种将氢氧反应气体的化学能直接转化成电能的装置，具有能量转换率高、环境友好、操作温度低等优点，是一种极具发展前景的清洁能源技术。质子交换膜燃料电池运行过程包含了复杂物理过程，其中水热管理问题是极具挑战性的综合性工程问题。反应产物水和热的分布特性决定着燃料电池内部反应气体的分布特性，进一步又决定着电流分布。若气体分布不均匀，轻则引起局部“燃料饥饿”而不能产生电流，重则引起反极，破坏催化剂，最终导致电池性能衰减。对于工作在大电流密度下的燃料电池，水淹导致的气体传输阻碍往往是燃料电池性能衰减的主要原因。此外，目前广泛采用的质子交换膜主要为氟磺酸型膜，其质子导通率与其水合度密切相关，若膜中的水含量不足或膜失水，质子传导阻力迅速增加，也会导致电池性能的衰减，甚至引起膜的穿孔。但若膜电极中含水量过高且无法排出，会进一步阻碍反应气体的传质，并造成催化剂的腐蚀和流失，加速燃料电池性能及寿命的衰减。

可见，质子交换膜的保湿需求和燃料电池的排水需求互相矛盾，合理的控制方案则须实现两者的平衡。一方面，为了避免质子交换膜脱水，一种常见措施是将反应气体进行増湿。为此，目前商业化的燃料电池系统中往往包含额外増湿器，虽然起到了増湿作用，但増湿器的存在增加了系统体积和复杂度。另一方面，由于燃料电池反应生成水沿着反应气体通道逐步富集，在流场尾部一般会形成包含反应尾气、液态水和水蒸气的汽液两相流体，随后汇集到出口通道中，形成饱和的汽水混合气体。有文献报道了通过构造电堆内部与阴极出口之间的水蒸气浓度梯度差，可加速电池内部的水蒸气的排出。但目前的实现方案主要是对燃料电池尾气进行冷凝，水蒸气从高温区流向低温区，在低温区换热器内被冷凝成液态水，同时电池内部的液态水不断蒸发成水蒸气以维持平衡，从而将电堆内部的液态水转移到换热器中，达到缓解电堆“水淹”的目的。这种方案无疑增加了系统复杂度，如果采用主动式换热器，也将增加系统的寄生功率。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种氢燃料电池自増湿结构，能够有效解决燃料电池气体増湿问题。

本发明还提供一种氢燃料电池系统。

为实现上述目的，发明提供如下技术方案：

一种氢燃料电池自増湿结构，包括增湿通道、渗透膜和尾气流动通道，所述增湿通道与尾气流动通道贴合，所述增湿通道与尾气流动通道之间设有渗透膜增湿通道与尾气流动通道内的气体流动方向相反，所述增湿通道与尾气流动通道上均设置用于控制流速的阀门。

优选的，所述渗透膜为改性高吸水性树脂和全合成高吸水性树脂。

优选的，所述增湿通道的进气端连接空压机或风机。

优选的，所述增湿通道的进气端连接风机。

一种氢燃料电池系统，包括燃料电池电堆、输送管道和权所述自増湿结构，所述染料电池电堆的底部设有输送管道，所述输送管道与自增湿结构连通。