[发明专利]燃料电池阳极水管理系统与控制方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池阳极水管理系统与控制方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。针对质子交换膜燃料电池运行过程中的阳极水管理问题，本发明方案可以实现除水与加湿两种功能，除水过程中从气水分离装置内挡板分离出的液态水被储存起来，并在燃料电池膜干需要加湿时补充给引射器；充分循环利用电堆尾气中的液态水，增加了加湿系统对缺水条件和低温条件的环境适应性；依靠高压氢气和引射器将液态水吸入混合室，避免了雾化喷嘴、超声波雾化器等加湿装置所增加的系统额外功耗。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池阳极水管理系统与控制方法。

背景技术

当今全球环境污染与气候变暖问题日益严重，推动了清洁能源科技的创新。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其清洁、高效、紧凑和可靠等优点被认为是最有前途的技术之一。在燃料电池运行过程中，质子交换膜需要保持一定的湿润度才能保证质子传导能力。质子交换膜过干会使电导率下降，欧姆损失增加，严重时导致膜脱水、皱缩甚至破裂；相反，如果反应生成水不能及时排除，可能会堵塞气体扩散层孔隙和气体流道，阻碍反应物质量传输，从而使电池性能下降，甚至降低膜电极寿命。因此，合理有效的水管理，对提高燃料电池性能与寿命具有重要意义。与燃料电池阴极相比，阳极流道截面尺寸更小，氢气体积流量更低，因此如果发生水淹，液态水不易从流道排出，而且在氢气循环模式下尾气中的液态水可能会循环回电堆，从而加剧水淹；另一方面，当膜干需要加湿时，由于氢气出堆流量远小于入堆流量，不能采用与空气路类似的尾气加湿入堆气体的方式，只能单独配置一个水气加湿装置或依靠空气路加湿，这增加了加湿水资源消耗和湿度调节时间。

专利CN 100517842C(2009.7.22)公开了一种带有氢气空气温度与湿度调节装置的燃料电池，该发明在氢气与空气进入电堆之前进行温度与湿度的调节，避免了燃料电池堆内过湿或过干现象，提高了燃料电池的运行稳定性。该发明阳极尾气中液态水被分离出来，之后未被利用，而阳极氢气通过一个增湿装置进行加湿，需要不断补充加湿水，造成水资源浪费，并且在某些应用场合不易实现，如发动机系统与备用电源系统。

专利CN 101345318B(2010.6.16)公开了一种燃料电池增湿系统，该系统所包含的增湿装置引入了湿度测量装置，用于检测进入燃料电池的反应气体的湿度，根据检测到的湿度调节雾化喷嘴的进气量，从而可以对气体的湿度进行实时控制，克服了原有技术中燃料电池增湿装置不能及时调节进入燃料电池反应气体湿度的缺点。该发明针对燃料电池阴极湿度调节问题，采用喷雾方式对入堆气体进行调节，然而水雾化需要高压空气，这额外增加了空压机的功耗。在该发明中，阴极尾气中的液态水经过净化，被循环利用到增湿装置中，但该发明仅对阴极湿度进行管理，未考虑阳极湿度管理问题。

专利CN 108155401A(2018.6.12)公开了一种大流量低温气体温湿度控制设备，与原有技术相比，该发明设置两个热交换器，并在每一次热交换器之后均设置去水组件和管路加热器，可以大幅度降低气体中的水含量，减少可能的结冰量，避免损伤燃料电池。该发明针对冷启动情况，对入堆气体进行除水，然而未考虑对气体进行加湿的情况，反应生成水也未被有效利用。

专利CN 108615911A(2018.10.2)公开了一种车用燃料电池水热管理系统及其控制，该发明可根据燃料电池不同工况进行加热和加湿，利用尾气中的热量和水分，通过热交换器对冷却液进行加热，并通过比例阀将尾气中的部分水蒸气引回到阴极对空气进行加湿。同样，该发明未考虑阳极湿度管理问题。

专利CN 109037736A(2018.12.18)公开了一种燃料电池的加湿控制调节装置和加湿控制方法，首先通过加湿器对气体进行加湿，再通过温度调节装置、湿度调节装置和干气体混合装置的双重或三重作用来调节气体的湿度，由于调节方式有两种，当两种方式同时操作时能够实现快速的调节湿度。该发明未考虑尾气中液态水的循环利用，同时超声波雾化器增加了额外的功耗。

综上，目前现有水管理系统及控制技术具有如下缺点：