[发明专利]燃料电池电堆及系统、燃料电池汽车及其水管理方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池电堆及系统、燃料电池汽车及其水管理方法，所述的燃料电池电堆在第一端板上设有氢气进口、空气进口、第一氢气出口、第一空气出口，第二端板上设有第二氢气出口和/或第二空气出口，第二氢气出口和/或第二空气出口设有电磁阀，电磁阀连接燃料电池电堆的控制系统；所述的燃料电池汽车上设有上述燃料电池电堆以及陀螺仪；本发明利用陀螺仪实时监控车辆运行的状况，若陀螺仪监测到电堆发生转弯、爬坡或下坡，则通过控制系统打开电磁阀，另一侧端板上的氢气和/或空气出口打开，增大排水，进而避免电堆端部水淹。与现有技术相比，本发明具有操作简单易行，成本低等优点。

技术领域

本发明涉及燃料电池堆技术领域，尤其是涉及燃料电池电堆及系统、燃料电池汽车及其水管理方法。

背景技术

虽然燃料电池系统零部件的产业化已经小有规模，但水管理仍然是非常关键的问题，且至今也未能完全解决。优质的水管理应该做到膜内含水量、阳极质子电拖曳(EOD，electro-osmotic drag)带水与阴极反渗水的平衡，且至少应保证反应气向反应界面传输的过程中不因液态水的阻碍造成性能的大幅波动，同时还应该保证质子传导过程中不因缺水等造成性能的明显下降。然而在实际操作中，很难同时实现以上两点，因此在燃料电池电堆内会出现水淹或缺水的问题。

燃料电池电堆中的催化层(catalyst layer，CL)、气体扩散层(gas diffusionlayer，GDL)、气体流道(gas channel，GC)内都可能发生水淹。短时间内轻微的水淹会造成输出功率的轻微下降，但是一旦在气体扩散层或气体流道内发生较为严重的水淹，则会造成电压的间歇性大幅波动，甚至导致故障停机。这不仅会导致输出功率不稳定，还会因局部缺气导致催化剂的降解、扩散层的腐蚀，影响燃料电池电堆的使用寿命。

膜缺水直接导致质子交换膜电导率降低，欧姆阻抗升高，从而输出功率下降。另外，膜缺水使膜上的孔开始收缩，减缓了反渗作用。这样，如果缺水由阳极进气湿度低引起，这种缺水的恶性循环将不可避免。一旦持续较长时间，膜会变脆甚至开裂，极大地影响燃料电池耐久性。因此，为保证燃料电池系统的平稳运行，延长燃料电池电堆的使用寿命，需要在电堆的设计过程和后续的使用过程中进行水管理。

在电堆设计方面，通常对GDL做疏水处理，例如添加聚四氟乙烯。另外，在CL和GDL之间增设极薄的微孔层(micro porous layer，MPL)、尽量使用蛇形波纹流道以及流道表面适当的亲水处理都有助于液态水的排出。在工况参数调节方面，主要通过减少产水和增加排水的思路进行管理。例如，调节电堆温度以改变气流带水能力、调节进气湿度、调节流量、控制阴阳极压力差值等。其中，堆温和湿度两个参数往往是相互耦合的，在露点温度不变的情况下，改变堆温也意味着相对湿度的改变。

虽然目前已有很多关于燃料电池电堆水管理的文献和专利，但目前现有技术主要研究的是单电池片数小于50片的燃料电池电堆。然而，为满足工业化应用中对功率密度的要求，商用车用燃料电池单电池片数目前已经大于50片，甚至大于200片，随着单电池片数的增多，电堆的水管理问题更加复杂。此外，商用车的运行工况目前也愈加复杂，需要面临爬坡、下坡、转弯、加速、减速等情况，在这些情况下，如当车辆遇到爬坡、下坡情况时，燃料电池电堆与水平面呈一定倾斜角度，当车辆遇到转弯时，燃料电池电堆也会受到向心力的影响，相当于和水平面呈一定倾斜角度。而在上述状态下，燃料电池电堆的水管理更加复杂，更加容易发生水淹问题。如图1、图2所示，燃料电池发动机系统的燃料电池电堆包括单电池和设于燃料电池电堆两端的第一端板和第二端板。第一端板或第二端板上可以设置氢气进口、空气进口和冷却水进口、氢气出口、氢气出口、空气出口。以第二端板设置在车头方向，第一端板为阳极端板，氢气进口、空气进口和冷却水进口设置在第一端板上为例，当车辆发生下坡情况，则燃料电池电堆的阳极端板抬高，电堆里的最低单电池电压(电压最低的单片位于图2和图9中靠近第二端板的位置)随着时间累积急剧下降，最终导致电堆故障停机。