燃料電池系統及燃料電池的排水系統的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池系統及燃料電池的排水系統，所述燃料電池的排水系統包括：空氣冷凝器，設置在燃料電池堆空氣出口，適于將所述空氣出口排出的氣體中所含的氣態水冷凝為液態水；冷凝水水箱，與所述空氣冷凝器耦接，適于收集所述空氣冷凝器冷凝的液態水。采用上述方案，可以有效防止水淹電極，提高燃料電池工作的穩定性和耐久性。
【專利說明】
燃料電池系統及燃料電池的排水系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種燃料電池系統及燃料電池的排水系統。
【背景技術】
[0002]質子交換膜燃料電池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是以氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑的電化學發電裝置。由于其環境友好性，能量轉換率高和快速響應等優點，被認為是最清潔和高效的新能源發電裝置。
[0003]質子交換膜燃料電池在正常發電時，氫氣和氧氣反應生成的液態水大量存在于陰極流道，其中一部分液態水會隨著空氣流出電堆，另一部分液態水通過膜電極擴散到陽極。若產生的液態水無法及時排出去，就會導致液態水在催化層和氣體擴散層累積，引起電極局部被水淹，導致質子交換膜燃料電池性能下降和催化劑的衰減。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型解決的技術問題是如何防止水淹電極，提高燃料電池工作的穩定性和耐久性。
[0005]為解決上述技術問題，本實用新型實施例提供一種燃料電池的排水系統，包括:
[0006]空氣冷凝器，設置在燃料電池堆空氣出口，適于將所述空氣出口排出的氣體中所含的氣態水冷凝為液態水；
[0007]冷凝水水箱，與所述空氣冷凝器耦接，適于收集所述空氣冷凝器冷凝的液態水。
[0008]可選的，所述燃料電池的排水系統還包括:冷凝水回收閥，與所述冷凝水水箱耦接，適于當檢測到所述冷凝水水箱中的液態水累積到預設水量時打開，以將所述冷凝水水箱中的液態水排出；去離子器，與所述冷凝水回收閥耦接，適于將所述冷凝水水箱中排出的液態水進行去離子凈化。
[0009]可選的，所述去離子器與所述燃料電池的空氣加濕器耦接，所述去離子器排出的經過去離子凈化的液態水輸入到所述燃料電池的空氣加濕器。
[0010]可選的，所述空氣冷凝器的冷凝強度由所述燃料電池堆的空氣入口濕度、所述燃料電池堆的空氣出口濕度的大小關系確定。
[0011]可選的，所述燃料電池的排水系統還包括:冷凝強度調節裝置，適于當所述燃料電池堆的空氣入口濕度小于所述燃料電池堆的空氣出口濕度時，增加所述空氣冷凝器的冷凝強度;并當所述燃料電池對的空氣入口濕度大于所述燃料電池堆的空氣出口濕度，且二者之差小于預設濕度值時，降低所述空氣冷凝器的冷凝強度。
[0012]可選的，所述燃料電池堆包括多個并聯連接的單電池，所述單電池包括陰極擴散層，所述陰極擴散層被劃分為N1個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2<見<10。
[0013]可選的，所述陰極擴散層的疏水度為30%?90%。
[0014]可選的，所述單電池包括流場板，所述流場板被劃分為犯個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2<N2<10。
[0015]可選的，所述流場板的疏水度為30%?90%。
[0016]可選的，所述單電池包括陽極擴散層，所述陽極擴散層被劃分為N3個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著氫氣的流動方向依次增加，2<N3<10。
[0017]可選的，所述陽極擴散層的疏水度為30%?90%。
[0018]本實用新型實施例提供了一種燃料電池系統，包括:燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個并聯連接的單電池，所述單電池包括陰極擴散層，所述陰極擴散層被劃分為犯個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2<見<10。
[0019]可選的，所述陰極擴散層的疏水度為30%?90%。
[0020]可選的，所述單電池包括流場板，所述流場板被劃分為犯個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2<N2<10。
[0021 ] 可選的，所述流場板的疏水度為30%?90%。
[0022]可選的，所述單電池包括陽極擴散層，所述陽極擴散層被劃分為N3個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著氫氣的流動方向依次增加，2<N3<10。
[0023]可選的，所述陽極擴散層的疏水度為30%?90%。
[0024]本實用新型實施例提供了另一種燃料電池系統，包括:燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個并聯連接的單電池，所述單電池包括陽極擴散層，所述陽極擴散層被劃分為N3個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2<N3<10。
[0025]可選的，所述陽極擴散層的疏水度為30%?90%。
[0026]可選的，所述單電池包括流場板，所述流場板被劃分為犯個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2<N2<10。
[0027]可選的，所述流場板的疏水度為30%?90%。
[0028]與現有技術相比，本實用新型實施例的技術方案具有以下有益效果:
[0029]在燃料電池堆空氣出口處設置空氣冷凝器，通過空氣冷凝器將燃料電池堆空氣出口排除的氣體中的氣態水冷凝為液態水，并通過冷凝水水箱收集冷凝得到的液態水，從而可以有效地防止水淹電極，提高燃料電池工作的穩定性和耐久性。
[0030]進一步，設置冷凝水回收閥以及去離子器，將冷凝水水箱中的液態水排出并去離子凈化后，輸入至燃料電池堆的空氣入口處的空氣加濕器，實現液態水的循環利用。
[0031]進一步，獲取燃料電池堆的空氣入口濕度以及空氣出口濕度，對冷凝器的冷凝強度進行調整，控制冷凝器的冷凝效果，當燃料電池堆的空氣出口濕度較大時，表明膜電極含水量較高，提高冷凝強度可以加大液態水的排出量；當燃料電池堆的空氣出口濕度較小時，表明膜電極含水量較低，降低冷凝強度可以防止電堆內部過干。
[0032]此外，將燃料電池堆中的單電池的陰極擴散層的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，促使燃料電池靠近空氣出口端的液態水排出，并保證靠近空氣入口端具有一定的水分，從而在濃度梯度的作用下，實現燃料電池的膜電極既不會被水淹也不會因為過干而導致歐姆電阻過大。
【附圖說明】
[0033]圖1是本實用新型中的一種燃料電池系統的結構示意圖；
[0034]圖2是現有的一種燃料電池堆的單電池的結構示意圖；
[0035]圖3是本實用新型實施例中的一種陰極擴散層的結構示意圖；
[0036]圖4是本實用新型實施例中的一種流場板的結構不意圖；
[0037]圖5是本實用新型實施例中的一種單電池的工作場景圖；
[0038]圖6是本實用新型實施例中的另一種單電池的工作場景圖。
【具體實施方式】
[0039]現有技術中，質子交換膜燃料電池在正常發電時，燃料電池陰極側液態水的來源主要有兩方面:I)加濕空氣中的液態水冷凝;2)陽極側液態水的反擴散。一方面，燃料電池正常發電時生成的液態水主要在陰極側，陰極側的液態水在濃度梯度下擴散到陽極，而陽極側的液態水在反擴散作用下又會擴散到陰極，導致陰陽極兩側達到動態平衡。另一方面，燃料電池在正常工作時，陰極側的空氣需要經過加濕器的加濕，以提高膜電極的含水量進而減小燃料電池的歐姆電阻，提高燃料電池的發電能力。加濕空氣從流道的入口隨著電化學反應流到流道的出口，由于燃料電池反應生成水，使得靠近流道出口空氣中的水含量較高，近似于飽和氣體狀態。若燃料電池內部溫度分布不均與，靠近出口的飽和氣體中的氣態水會冷凝為液態水。
[0040]綜上，現有技術中，燃料電池陰極側液態水累積的可能性較大，進而引起電極局部被水淹的可能性較大，導致質子交換膜燃料電池性能下降和催化劑的衰減。
[0041]在本實用新型實施例中，在燃料電池堆空氣出口處設置空氣冷凝器，通過空氣冷凝器將燃料電池堆空氣出口排除的氣體中的氣態水冷凝為液態水，并通過冷凝水水箱收集冷凝得到的液態水，從而可以有效地防止水淹電極，提高燃料電池工作的穩定性和耐久性。
[0042]為使本實用新型的上述目的、特征和有益效果能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本實用新型的具體實施例做詳細的說明。
[0043]參照圖1，給出了本實用新型實施例中的一種燃料電池系統的結構示意圖，燃料電池系統包括:空氣壓縮機及控制器1、空氣加濕器2、空氣入口濕度計3、空氣進氣閥4、由多個單電池5并聯連接組成的燃料電池堆6、氫氣尾排閥7、氫氣源8、氫氣進氣閥9、空氣出口濕度計10、空氣尾排閥12以及燃料電池的排水系統，其中:燃料電池的排水系統可以包括空氣冷凝器11以及與其耦接的冷凝水水箱13。
[0044]在具體實施中，空氣冷凝器11可以設置在空氣出口濕度計10與空氣尾排閥12之間。燃料電池堆6的空氣出口排出的氣體的空氣出口濕度計1、空氣冷凝器11后，經由空氣尾排閥12排出。
[0045]燃料電池堆6的空氣出口排除的氣體為陰極分配管道和流道內排出的氣體。通常情況下，陰極分配管道和流道內排出的氣體為經過加濕的氣體。空氣冷凝器11可以對燃料電池堆6的空氣出口排出的氣體進行冷凝處理，將排出的氣體中的氣態水冷凝為液態水，從而使得空氣出口處的氣體的含水量降低。空氣出口處的氣體含水量降低時，在濃度梯度的作用下，陰極分配管道和流道內含水量較高的氣體可以迅速地排到燃料電池堆6外部。
[0046]空氣冷凝器11冷凝得到的液態水可以通過冷凝水水箱13來收集。
[0047]由此可見，在燃料電池堆空氣出口處設置空氣冷凝器，通過空氣冷凝器將燃料電池堆空氣出口排除的氣體中的氣態水冷凝為液態水，并通過冷凝水水箱收集冷凝得到的液態水，從而可以有效地防止水淹電極，提高燃料電池工作的穩定性和耐久性。
[0048]在實際應用，隨著燃料電池工作時間的增加，冷凝水水箱13中收集的液態水會逐漸增加。為避免冷凝水水箱13飽和，可以通過專用的管道將冷凝水水箱13中收集的液態水排出至燃料電池外部，也可以將冷凝水水箱13中收集的液態水進行循環利用。
[0049]在本實用新型實施例中，可以在冷凝水水箱13與空氣加濕器2之間設置冷凝水回收閥14以及去離子器15，其中:冷凝水回收閥14與冷凝水水箱13耦接，當檢測到冷凝水水箱13中的液態水累積到預設的水量時打開，從而可以將冷凝水水箱13中的液態水排出；去離子器設置在冷凝水回收閥14與空氣加濕器2之間，當冷凝水回收閥14打開時，將冷凝水水箱13中排出的液態水進行去離子凈化，經過去離子凈化后的液態水輸入至空氣加濕器2中，從而可以實現水資源的循環利用。
[0050]可以在去離子器15與空氣加濕器2之間設置水栗，從而將經過去離子凈化后的液態水栗入到空氣加濕器2中。也可以將去離子器15的水平高度設置的高于空氣加濕器2的水平高度，從而在重力作用下，將經過去離子器15凈化后的液態水輸入至空氣加濕器2中。
[0051]在本實用新型實施例中，空氣冷凝器11的冷凝強度是可調的，可以通過冷凝強度調節裝置(圖1中未示出)來對空氣冷凝器11的冷凝強度進行調整。
[0052]冷凝強度調節裝置可以與空氣冷凝器11、空氣入口濕度計3以及空氣出口濕度計1耦接，獲取空氣入口濕度計3測量得到的空氣入口濕度值Rin、空氣出口濕度計測量得到的空氣出口濕度值Rcmt，根據獲取到的Rin以及Rcmt二者之間的大小關系，來判斷是否需要對空氣冷凝器11的冷凝強度進行調整，以及是增加冷凝強度還是降低冷凝強度。
[0053]在本實用新型一實施例中，當Rin<RQU^，可以判定空氣出口濕度過大，可能存在液態水，此時冷凝強度調節裝置可以控制空氣冷凝器11增加冷凝強度，以加大液態水的排出量，避免膜電極被水淹。
[0054]反之，當Rir^Rciut,可以判定空氣出口濕度較低，膜電極的含水量較低。當Rin-Rciut< AR時，冷凝強度調節裝置可以控制空氣冷凝器11降低冷凝強度，防止電池堆內部過于干燥。
[0055]在本實用新型實施例中，冷凝強度調節裝置可以是一個獨立的適于控制空氣冷凝器11的器件，也可以是內置于空氣冷凝器11中的控制器件，冷凝強度調節裝置只要能夠獲取Rin以及R?t，并根據二者之間的關系對空氣冷凝器11的冷凝強度進行調整即可。在本實用新型一實施例中，在空氣冷凝器11中內置有冷凝強度調節裝置。
[0056]參照圖2，給出了現有的一種燃料電池堆的單電池的結構示意圖。
[0057]燃料電池堆6中的單電池5可以包括流場板16、陰極擴散層17、陰極催化層18、質子交換膜19、陽極催化層20、陽極擴散層21以及氫氣流道22。
[0058]在本實用新型實施例中，單電池5包含的陰極擴散層17可以具備一定的疏水性。可以沿著空氣流動的方向，將陰極擴散層17劃分成N1個疏水度不同的區域，且不同區域的疏水度沿著空氣流動的方向(如圖2中的a方向)依次增加。犯可以根據單電池5的活性面積的大小來劃分，活性面積越大，Ni的值越高;反之，活性面積越小，Ni的值越小。Ni的取值范圍可以為2彡沁彡10。
[0059]由于不同區域的疏水度沿著空氣流動方向依次增加，因此最靠近空氣出口的區域的疏水度最高，從而確保靠近空氣出口區域的液態水能夠順利排出。但為了保證最靠近空氣出口的區域的膜電極不至于過于干燥而導致歐姆電阻過大，因此可以設定最靠近空氣出口的區域的疏水度不能大于一定值。在本實用新型實施例中，陰極擴散層17中的所有區域的疏水度的取值范圍可以在30%?90 %之間，最靠近空氣入口的區域的疏水度最小，最靠近空氣出口的區域的疏水度最大。
[0060]陰極擴散層17的不同區域對應的材料可以相同，也可以不同。為簡化生產流程，陰極擴散層17的不同區域可以選擇相同的材料，但是不同區域對應的材料之間的配比不同，從而實現不同區域對應不同的疏水度。
[0061]參照圖3，給出了本實用新型實施例中的一種陰極擴散層17的結構示意圖。a方向為空氣流動方向，則區域161、162、163以及164的疏水度排序為:區域161的疏水度最低，區域162的疏水度高于區域161的疏水度，區域163的疏水度高于區域162的疏水度，區域164的疏水度最高。
[0062]例如，區域161的疏水度為30%，區域162的疏水度為45%，區域163的疏水度為60%，區域164的疏水度為75 %。
[0063]在本實用新型實施例中，單電池5的流場板16也可以具備一定的疏水性。與陰極擴散層17相類似，將流場板16劃分成N2個疏水度不同的區域，且不同區域的疏水度沿著空氣流動的方向(如圖2中的a方向)依次增加。N2的取值范圍可以為2<N2<10。
[0064]參照圖4，給出了本實用新型實施例中的一種流場板16的結構示意圖。a方向為空氣流動方向，則區域171、172、173以及174的疏水度排序為:區域171的疏水度最低，區域172的疏水度高于區域171的疏水度，區域173的疏水度高于區域172的疏水度，區域174的疏水度最高。
[0065]通過將單電池5的陰極擴散層17以及流場板16劃分成多個疏水度不同的區域，越靠近空氣入口的疏水度越低，越靠近空氣出口的疏水度越高，則在濃度梯度的作用下，水從空氣入口逐漸排放至空氣出口。靠近空氣出口的區域的疏水度最高，能夠促進液態水的排出。采用上述結構的陰極擴散層17，可以實現膜電極既不會被水淹也不會過于干燥而導致歐姆電阻過大。
[0066]在本實用新型實施例中，單電池5的陽極擴散層21也可以具備一定的疏水性。與陰極擴散層17相類似，將陽極擴散層21劃分成N3個疏水度不同的區域，且不同區域的疏水度沿著氫氣的流動方向依次增加，N3的取值范圍可以為2 < N3 < 1。陽極擴散層21中的所有區域的疏水度的取值范圍可以在30 %?90 %之間。
[0067]參照圖5和圖6，給出了本實用新型實施例中的兩種單電池的工作場景圖。
[0068]圖5中，空氣的流動方向為a方向，氫氣的流動方向為b方向，a方向與b方向相反。
[0069]陰極擴散層17被劃分成4個區域，4個區域的疏水度沿a方向依次增加；陽極擴散層21也被劃分成4個區域，4個區域的疏水度沿b方向依次增加。當空氣與氫氣對向流動時，陰極擴散層17最靠近空氣出口側的區域生成的液態水可以為氫氣入口側輸入的氫氣加濕。
[0070]圖6中，空氣的流動方向為a方向，氫氣的流動方向也為a方向。陰極擴散層17的疏水度與陽極擴散層21的疏水度均沿a方向依次增加。此時，陰極擴散層17最靠近出口側的區域無法對氫氣入口側輸入的氫氣加濕。
[0071]結合圖1，以下通過具體實施例對上述實施例中提供的燃料電池系統的工作原理進行說明。
[0072]首先，將燃料電池堆空氣出口排出的氣體中所含的氣態水冷凝為液態水。在本實用新型實施例中，可以通過空氣冷凝器11將燃料電池堆6的空氣出口排出的氣體中所含的氣態水冷凝為液態水。之后，通過與空氣冷凝器11耦接的冷凝水水箱13收集冷凝得到的液態水。當檢測到收集的液態水累積到預設水量時，將收集的液態水排出。
[0073]在本實用新型實施例中，當檢測到冷凝水水箱13收集的液態水累積到預設數量時，冷凝水回收閥14打開，從而可以將冷凝水水箱13中收集的液態水排出。冷凝水水箱13中收集的液態水中可能包括一些離子，因此，可以將排出的液態水進行去離子凈化。
[0074]在本實用新型實施例中，可以通過去離子器15將冷凝水水箱13中排出的液態水進行去離子凈化。將經過去離子凈化的液態水輸入至燃料電池的空氣加濕器。
[0075]由此可見，在燃料電池堆的空氣出口處設置空氣冷凝器，通過空氣冷凝器將燃料電池堆空氣出口排除的氣體中的氣態水冷凝為液態水，并通過冷凝水水箱收集冷凝得到的液態水，從而可以有效地防止水淹電極，提高燃料電池工作的穩定性和耐久性。
[0076]雖然本實用新型披露如上，但本實用新型并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本實用新型的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。
【主權項】
1.一種燃料電池的排水系統，其特征在于，包括: 空氣冷凝器，設置在燃料電池堆空氣出口，適于將所述空氣出口排出的氣體中所含的氣態水冷凝為液態水； 冷凝水水箱，與所述空氣冷凝器耦接，適于收集所述空氣冷凝器冷凝的液態水。2.如權利要求1所述的燃料電池的排水系統，其特征在于，還包括: 冷凝水回收閥，與所述冷凝水水箱耦接，適于當檢測到所述冷凝水水箱中的液態水累積到預設水量時打開，以將所述冷凝水水箱中的液態水排出； 去離子器，與所述冷凝水回收閥耦接，適于將所述冷凝水水箱中排出的液態水進行去離子凈化。3.如權利要求2所述的燃料電池的排水系統，其特征在于，所述去離子器與所述燃料電池的空氣加濕器耦接，所述去離子器排出的經過去離子凈化的液態水輸入到所述燃料電池的空氣加濕器。4.如權利要求1所述的燃料電池的排水系統，其特征在于，所述空氣冷凝器的冷凝強度由所述燃料電池堆的空氣入口濕度、所述燃料電池堆的空氣出口濕度的大小關系確定。5.如權利要求4所述的燃料電池的排水系統，其特征在于，還包括:冷凝強度調節裝置，適于當所述燃料電池堆的空氣入口濕度小于所述燃料電池堆的空氣出口濕度時，增加所述空氣冷凝器的冷凝強度;并當所述燃料電池對的空氣入口濕度大于所述燃料電池堆的空氣出口濕度，且二者之差小于預設濕度值時，降低所述空氣冷凝器的冷凝強度。6.如權利要求1所述的燃料電池的排水系統，其特征在于，所述燃料電池堆包括多個并聯連接的單電池，所述單電池包括陰極擴散層，所述陰極擴散層被劃分為N1個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2<見<10。7.如權利要求6所述的燃料電池的排水系統，其特征在于，所述陰極擴散層的疏水度為30%?90%。8.如權利要求6所述的燃料電池的排水系統，其特征在于，所述單電池包括流場板，所述流場板被劃分為N2個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2彡N2彡10。9.如權利要求8所述的燃料電池的排水系統，其特征在于，所述流場板的疏水度為30%?90% ο10.如權利要求6所述的燃料電池的排水系統，其特征在于，所述單電池包括陽極擴散層，所述陽極擴散層被劃分為N3個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著氫氣的流動方向依次增加，2<N3<10。11.如權利要求10所述的燃料電池的排水系統，其特征在于，所述陽極擴散層的疏水度為 30%?90%。12.一種燃料電池系統，其特征在于，包括: 燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個并聯連接的單電池，所述單電池包括陰極擴散層，所述陰極擴散層被劃分為N1個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2<見<10。13.如權利要求12所述的燃料電池系統，其特征在于，所述陰極擴散層的疏水度為30%?90% ο14.如權利要求12所述的燃料電池系統，其特征在于，所述單電池包括流場板，所述流場板被劃分為N2個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2SN2SlO015.如權利要求14所述的燃料電池系統，其特征在于，所述流場板的疏水度為30%?90%。16.如權利要求12所述的燃料電池系統，其特征在于，所述單電池包括陽極擴散層，所述陽極擴散層被劃分為N3個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著氫氣的流動方向依次增加，2彡N3彡10。17.如權利要求16所述的燃料電池系統，其特征在于，所述陽極擴散層的疏水度為30%?90% ο18.一種燃料電池系統，其特征在于，包括: 燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個并聯連接的單電池，所述單電池包括陽極擴散層，所述陽極擴散層被劃分為N3個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2<N3<10。19.如權利要求18所述的燃料電池系統，其特征在于，所述陽極擴散層的疏水度為30%?90% ο20.如權利要求18所述的燃料電池系統，其特征在于，所述單電池包括流場板，所述流場板被劃分為N2個疏水度不同的區域，且各區域的疏水度沿著空氣的流動方向依次增加，2SN2SlO021.如權利要求20所述的燃料電池系統，其特征在于，所述流場板的疏水度為30%?90%。
【文檔編號】H01M8/04119GK205666283SQ201620538422
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】余意, 施昕, 汪飛杰, 陳駿, 陳雪松
【申請人】上海汽車集團股份有限公司