[发明专利]一种燃料电池电堆的水管理方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池电堆的水管理方法，在搭载燃料电池发动机系统的车辆内安装陀螺仪，所述的陀螺仪连接燃料电池发动机系统的燃料电池电堆的控制系统，所述的陀螺仪感知车辆运行的平稳状况，若所述的陀螺仪监测到车辆发生转弯、爬坡或下坡情况，则反馈到燃料电池电堆的控制系统，控制系统控制氢气侧化学计量比在1.3～6的基础上，提高5％～40％，和/或控制空气侧化学计量比在1.5～6的基础上，提高5％～40％。与现有技术相比，本发明具有方便燃料电池排水，缓解电堆因转弯、爬坡或下坡导致的单电池电压快速下降以及提高电堆使用寿命等优点。

技术领域

本发明涉及燃料电池堆技术领域，尤其是涉及一种燃料电池电堆的水管理方法。

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 diffusion layer，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。

为解决水管理问题，目前现有技术的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。当氢气侧化学计量比为1.5，空气侧化学计量比为1.9时，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4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。

为解决水淹问题，现有技术通常采用的解决方案为分别设置专门的氢气侧和空气侧排水通道，该排水通道分别平行于设置于氢气通道和空气通道下方，当电堆倾斜时，生成水不会在端部聚集，而是进入排水通道再排出电堆，然而增设排水通道对电堆结构的改动较大，操作复杂且成本较高，且无法同时解决电堆倾斜时的单电池电压快速下降的问题。此外，现有技术还采用基于燃料电池的状态(剩余水量或者倾斜角度)估算从燃料电池排出的水量，从而判断后续吹扫的强度，通过吹扫解决排水问题，进而使电堆能够正常启动，虽然该方法可缓解水淹情况，但该方法在车辆运行过程中遇到爬坡、下坡、转弯的情况时，仍然无法避免单电池水淹导致最低单电池电压急剧下降的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池电堆的水管理方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：