[发明专利]燃料电池系统、其湿度控制方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池系统、其湿度控制方法。该燃料电池系统包括：电池单元，具有利用质子交换膜隔离的阳极和阴极；阳极气体供应管线，与电池单元的阳极气体进口相连；阴极气体供应管线，与电池单元的阴极极气体进口相连；冷却管线，与电池单元的冷却液进口和冷却液出口相连；阳极气体供应管线包括：阳极气体储存罐；阳极进气管路，一端与阳极气体储罐相连，另一端与阳极气体进口相连，阳极进气管路的靠近阳极气体进口的位置设置有第一湿度检测器；阳极尾气输送管路，一端与阳极的阳极尾气出口相连，另一端与阳极进气管路相连，且阳极尾气输送管路上设置有氢气循环泵、第一换热器和第二湿度检测器，且第二湿度检测器靠近阳极尾气出口设置。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统、其湿度控制方法。

背景技术

随着全球能源使用量的增长及不科学使用，化石燃料等不可再生能源将日益枯竭，并对环境产生严重影响.这就迫切要求人们开发氢能、太阳能等新能源以应对能源危机和环境污染问题。氢能来源丰富，可以高效转化，使用过程无排放污染，作为二次能源的载体，在工业、交通等领域中有重要前景。

氢燃料电池系统是为氢气和氧气提供电化学反应场所的能量转化装置。与化学储能电池不同，氢燃料电池系统的反应介质(氢气和空气/氧气)贮存是独立于反应场所(电堆)的，在氢燃料电池系统工作过程中，反应介质需要特定的输送设备/部件源源不断的向电堆输送。电堆内部设计有阳极流场和阴极流场分别为氢气和空气/氧气提供流动通道，还设置供反应进行的膜电极(主要由质子交换膜、催化剂和多孔介质等构成)。反应过程，氢气送到电堆的阳极板或双极板阳极侧(阳极板上设计有供氢气流动通道或双极板阳极侧上设计有供氢气流动通道)，到达膜电极的阳极侧，在催化剂的作用下，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达膜电极阴极侧，电子不能穿过质子交换膜，只能经外部电路，到达膜电极阴极侧，此过程在外电路中产生了电流。质子和电子与经过阴极板流场(阴极板上设计有供空气/氧气流动通道或双极板阳极侧上设计有供空气/氧气流动通道)到达膜电极阴极侧的氧气(或空气中的氧气)结合为水。反应进行时，反应介质的化学能转化为电能的同时，也会产生热能，大部分热能需要及时通过冷却介质排出电堆，利用电堆外部冷却装置转移或消耗。电堆反应产物为纯水，一部分用于润湿电堆内部的膜材料，一部分被反应尾气(未反应完全的阳极尾气和阴极尾气)带出电堆。燃料电池系统发出的电，经变换器、控制器等装置，便可以针对性的利用。

为保证燃料电池系统反应顺利进行，除了源源不断的反应介质供应，电能、热能平衡输出等条件外，反应场所还需要保证一定量的水分存在，以使质子交换膜处于一定的水化状态，因为质子的传导能力与质子交换膜的含水量有关，含水量太低，质子传导能力弱，含水量过高，会引起膜电极水淹，导致与其相连的气体扩散或传输通道水堵塞。

前述的质子交换膜燃料电池系统运行过程必须保证质子交换膜处于一定的水化状态，即堆内湿度需要维持在一定范围内，否则电池性能会受影响，严重时电池会无法工作。质子交换膜燃料电池系统运行过程虽然水生成于阴极，但由于浓差扩散、电渗拖拽等原因水会在质子交换膜两侧不断传输扩散，当运行电流密度较小，质子交换膜较薄时，浓差扩散较强，电渗拖拽作用较弱，阴极湿度偏高，阳极湿度偏低。反之，当运行电流密度较高，质子交换膜较厚时，电渗拖拽作用较强，阴极湿度偏低，阳极湿度偏高。于此同时，阴极的水分会随着空气/氧气的流动在阴极流场传输，一部分水分随着反应尾气排放，当空气/氧气流量较大，相同设计下，流速增大，进口附近区域比出口干燥，尾气量较多时，尾气带出电堆的水分增多，电堆内部也会偏干。又由于燃料电池系统应用场景的要求(比如车用工况)，整个使用周期内电池多数都处于变载过程，意味着电堆阴阳极供气量、排气量、发电量、产水量等都处于不断变化的过程，堆内水分布不断变化，很容易出现局部过干或水淹，而为了使得电化学反应顺利进行，又需要保证电堆处于相对良好状态，因此，需要保证一个良好的水平衡关系。