[发明专利]一种控制燃料电池系统水含量的方法及系统

说明书

本发明公开了一种控制燃料电池系统水含量的方法及系统，涉及燃料电池领域，本发明提供的控制燃料电池系统水含量的方法及系统，尤其适合在较低温度环境中使用。此系统通过采用主动防护法，在燃料电池系统氢气路设置冷凝旁路L2，通过冷凝路L2产生的压差，使管路内不同区域的湿氢气可在压力差的作用下被抽吸到压力较低的冷凝路L2中，水汽不会停滞、存留在电堆内的膜电极表面以及氢气循环回路部件中，不会在系统电池堆、管路、部件随环境降温后冷凝到不期望冷凝产水的区域，从而保障低温储存膜电极的水含量在合理范围内，也保障水汽不会过多的在氢气循环回路部件中冷凝导致部件结冰无法动作，也可以避免氢气湿度过低减弱质子膜的质子传导特性。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种控制燃料电池系统水含量的方法及系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池在其工作的温度区间内，由于氢氧的电化学反应和化学反应，都会导致在反应区存在气态水和液态水。在质子交换膜燃料电池实际应用中，0℃以下的启动过程称为“低温冷启动”。在低温冷启动过程中，由于电池温度低于水的冰点，故而上一次停机后电池内残留的水和电化学反应生成的水都存在结冰的可能。而电池堆内水结冰后，会有四大危害：1.结冰阻止反应气体传输、覆盖膜电极活性表面，减弱或阻止反应气到达反应界面；2.结冰形成的冰碴等容易损伤膜结构：造成膜鼓胀、穿孔或破裂，最终形成膜电极窜气、缺气、缺氢等情况，损坏电池；3.结冰导致反应速率减弱：低温启动时产热小，更加促进电化学反应后的产水结冰，如此恶性循环，最终导致低温启动失败，大大限制燃料电池堆积系统在低温环境下的正常使用；4.结冰后体积膨胀，还会在电池堆内产生应力，不仅损伤催化剂界面、多孔电极的基体材料，还会影响电池堆的流道，以及相应管道、密封结构等。因此，在寒冷条件下，若膜电极表面及内部储水未能有效排出，含水量过高，低温下结冰会影响膜电极表面反应区域，极易导致冷启动失败，且在多次启停后将会对电池堆和膜电极产生永久性的损坏。而如果膜电极表面及内部储水含量过低，又会减弱质子膜的质子传导特性，导致冷启动时间变长、启动性能恶化等情况。所以，在停机后，期望尽量控制膜电极表面的水含量在一个较低的合理范围。同时，燃料电池系统在运行时，需保持氢气循环回路合理的湿度，才能保证在质子膜的高质子传导性，保障电化学反应高效发生。因此，此时不希望氢气循环回路中含有的水蒸气量过少，而是期望氢气循环回路的管路及氢泵、气水分离器等部件不要过度冷凝氢气循环回路中的水蒸气。

在发明申请CN113839068A中提到的：获取不同环境温度下燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；接收到用户发出的整车关机指令后，监测当前时刻的环境温度，识别该环境温度对应的燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；对燃料电池电堆执行第一次吹扫，监测吹扫过程中电堆的实时高频阻抗，直到实时高频阻抗落入上述识别的阻抗范围，停止吹扫，并得出第一次吹扫时间；停止吹扫达预设时间后，再次监测环境温度，继续对燃料电池电堆执行吹扫，直到最后一次的吹扫时间达到指定阈值，对整车进行停机，并关闭燃料电池电堆。这种方法主要针对低温储存前的停机吹扫给出了吹扫方法。这种方法仅使用了停机吹扫期间使用吹扫的方式来控制水含量。该专利提到的方法，属于系统水管理的一种被动防护措施，通过吹扫电堆、系统部件和管路的内表面，从而移除系统中多余的水汽的方法。这种方法在燃料电池系统上应用，一般只能将空气通入阴极侧空气路系统开展对电堆阴极侧和系统空气子系统的吹扫除水，而无法对阳极侧氢气路使用空气吹扫，会产生氢空界面影响膜电极寿命。也无法对氢气路使用氢气吹扫，会导致氢耗大量增加，增加系统能耗、增加吹扫成本。

发明内容