燃料电池气体扩散层、催化剂层的冷凝水去除方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于去除燃料电池的催化剂层和气体扩散层中的冷凝水的方法和装置。具体地，去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法可使用通过随着供应至燃料电池的阴极的空气量临时减少而增加堆内的温度所产生的蒸汽压以及通过增加催化剂层的温度所导致的催化剂周围的蒸汽、氧气和氮气气体的增大的压力。
【背景技术】
[0002]近来，随着全球对环境友好型和高效车辆的兴趣增加，已经将对使用下一代能源的车辆的研宄和开发作为重要的项目进行。例如，使用氢气作为能源的燃料电池作为非污染车辆已经引起极大的关注。
[0003]在当前的车辆行业中，已经开发了各种类型的燃料电池。然而，因为用于车辆的燃料电池被要求具有高效率、高输出浓度、短启动时间、根据负载变化的快速响应特性等，已经专注于研宄其中可应用聚合物电解质膜燃料电池的燃料电池车辆的商业化。
[0004]在燃料电池中，氢气与空气中的氧气反应以产生电能并且产生作为副产物的水。此外，在燃料电池中，需要经由气体扩散层(GDL)将水从阴极催化剂层释放到通道，并且需要经由气体扩散层将氧气从通道充分地供应至催化剂层。此外，燃料电池应在约60°C至80 °C的最佳温度下运行。
[0005]当温度低于最佳温度时，水可能在催化剂层和气体扩散层内部冷凝或者水可能在通道内冷凝或者淹没通道并且由此阻塞所供应的氧气，从而降低燃料电池的性能。当温度大于最佳温度时，隔膜内的水可能变干，从而降低燃料电池的性能。
[0006]因此，保持燃料电池运行的最佳温度十分关键。
[0007]当车辆在室温下启动时，燃料电池车辆可能需要较长的时间进行预热。当燃料电池车辆在没有充分预热的情况下而快速加速时，可能产生大量的水。结果，水可能在催化剂层和气体扩散层的内部冷凝或者水可能在通道内冷凝或者淹没通道，这可阻塞被供应至燃料电池的阴极中的催化剂层的氧气。
[0008]因此，现有技术中的燃料电池车辆可在充分预热燃料电池之前限制燃料电池的输出，以控制通过通道释放的适当水量。然而，冷凝水可能不能容易地释放到外部。
[0009]【背景技术】部分中所公开的上述信息仅用于增强对本发明的【背景技术】的理解，并且因此，其可能包含并不构成在该国已为本领域普通技术人员所知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0010]本发明可提供针对现有技术中的技术难题的技术解决方案。因此，在优选的方面中，本发明提供如下的装置和方法:即，通过使燃料电池内部的催化剂层和气体扩散层中冷凝的水蒸发并且强制地将水蒸汽释放到通道中，来去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水，从而改善燃料电池的性能。
[0011]一方面，本发明提供了一种去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法。
[0012]在示例性实施方式中，该方法可包括下列步骤:确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水；当确定在气体扩散层和催化剂层中产生冷凝水时，将供应至燃料电池的阴极的空气量减少预定的量；测量燃料电池的堆的温度；以及当燃料电池的堆的温度上升至预定蒸发温度或者更高时，将供应至燃料电池的阴极的空气量增加预定的量以达到供应至阴极的初始空气量。
[0013]在示例性实施方式中，去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法可包括下列步骤:确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水；当确定在气体扩散层和催化剂层中产生冷凝水时，将供应至燃料电池的阴极的空气量减少预定的量；将被减少的空气量供应至燃料电池的阴极持续预定时间；以及在预定时间段过去之后，将供应至燃料电池的阴极的空气量增加预定的量以达到供应至阴极的初始空气量。
[0014]在确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水的步骤中，可以基于燃料电池的输出值与正常状态下的输出值之间的差是否大于预定差值来确定状态。
[0015]在测量燃料电池的堆的温度的步骤中，所测量的温度可以是供应至燃料电池的冷却水的温度或者供应至燃料电池的阴极的空气的温度。
[0016]在示例性实施方式中，该方法可进一步包括在确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水之前确定燃料电池的预热是否完成的步骤。
[0017]另一方面，本发明提供了一种用于去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的装置。
[0018]在示例性实施方式中，该装置可包括:确定单元，确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水；温度传感器单元，测量燃料电池的温度；以及控制单元，基于通过温度传感器单元测量的值以及通过确定单元确定的值来控制供应至燃料电池的阴极的空气量。
[0019]在确定单元中，可基于燃料电池的输出值与正常状态下的输出值之间的差是否大于预定差值来确定是否产生冷凝水的状态。
[0020]在温度传感器单元中，所测量的燃料电池的堆中的燃料电池的温度可以是供应至燃料电池的冷却水的温度或者供应至燃料电池的阴极的空气的温度。
[0021 ] 当通过确定单元确定产生冷凝水时，控制单元可将供应至燃料电池的阴极的空气量减少预定的量并且将减少的空气量供应至燃料电池。当通过温度传感器单元测量的燃料电池的温度增加至预定蒸发温度或者更高时，控制单元可进一步将被供应至燃料电池的空气量增加预定的量以达到供应至燃料电池的初始空气量。
[0022]可替代地，当通过确定单元确定产生冷凝水时，控制单元可将供应至燃料电池的阴极的空气量减少预定的量，并且供应减少的空气量持续预定时间。在供应减少的空气量持续预定的时间之后，控制单元可将供应至燃料电池的阴极的空气量增加预定的量以达到初始空气量。
[0023]因此，本发明的各种实施方式的方法和装置提供了各种优点。例如，可容易地去除在燃料电池的催化剂层周围或者气体扩散层中所产生的水。此外，可在不改变燃料电池的结构的情况下，去除在气体扩散层中所产生的水。而且，由于在阴极出口侧的空气浓度小于其入口侧的空气浓度并且产生更大的电压降，因此可提高大面积堆(large area stack)内的发电效率。
[0024]下面将讨论本发明的其他方面和优选实施方式。
【附图说明】
[0025]现将参考在附图中示出的本公开的特定示例性实施方式来详细描述本公开的上述和其他特征，特定示例性实施方式在下文中仅作为说明而给出并且由此并不限制本发明，其中:
[0026]图1示意性示出了根据本发明的示例性实施方式的用于去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性装置；
[0027]图2示出了根据本发明的示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性方法的示例性操作过程；
[0028]图3是示出根据本发明的示例性实施方式的用于去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性原理的示例曲线图；
[0029]图4示出了其中产生冷凝水并通过根据本发明的示例性实施方式的示例性方法去除冷凝水的燃料电池内的示例性温度分布模型；
[0030]图5是示出根据本发明的示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性原理的示例曲线图以及示出饱和蒸汽压可随着温度的增加而增加的曲线图；
[0031]图6是示出根