燃料电池系统及燃料电池的排水系统的制作方法
【专利摘要】一种燃料电池系统及燃料电池的排水系统，所述燃料电池的排水系统包括：空气冷凝器，设置在燃料电池堆空气出口，适于将所述空气出口排出的气体中所含的气态水冷凝为液态水；冷凝水水箱，与所述空气冷凝器耦接，适于收集所述空气冷凝器冷凝的液态水。采用上述方案，可以有效防止水淹电极，提高燃料电池工作的稳定性和耐久性。
【专利说明】
燃料电池系统及燃料电池的排水系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及燃料电池的排水系统。
【背景技术】
[0002]质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂的电化学发电装置。由于其环境友好性，能量转换率高和快速响应等优点，被认为是最清洁和高效的新能源发电装置。
[0003]质子交换膜燃料电池在正常发电时，氢气和氧气反应生成的液态水大量存在于阴极流道，其中一部分液态水会随着空气流出电堆，另一部分液态水通过膜电极扩散到阳极。若产生的液态水无法及时排出去，就会导致液态水在催化层和气体扩散层累积，引起电极局部被水淹，导致质子交换膜燃料电池性能下降和催化剂的衰减。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型解决的技术问题是如何防止水淹电极，提高燃料电池工作的稳定性和耐久性。
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种燃料电池的排水系统，包括:
[0006]空气冷凝器，设置在燃料电池堆空气出口，适于将所述空气出口排出的气体中所含的气态水冷凝为液态水；
[0007]冷凝水水箱，与所述空气冷凝器耦接，适于收集所述空气冷凝器冷凝的液态水。
[0008]可选的，所述燃料电池的排水系统还包括:冷凝水回收阀，与所述冷凝水水箱耦接，适于当检测到所述冷凝水水箱中的液态水累积到预设水量时打开，以将所述冷凝水水箱中的液态水排出；去离子器，与所述冷凝水回收阀耦接，适于将所述冷凝水水箱中排出的液态水进行去离子净化。
[0009]可选的，所述去离子器与所述燃料电池的空气加湿器耦接，所述去离子器排出的经过去离子净化的液态水输入到所述燃料电池的空气加湿器。
[0010]可选的，所述空气冷凝器的冷凝强度由所述燃料电池堆的空气入口湿度、所述燃料电池堆的空气出口湿度的大小关系确定。
[0011]可选的，所述燃料电池的排水系统还包括:冷凝强度调节装置，适于当所述燃料电池堆的空气入口湿度小于所述燃料电池堆的空气出口湿度时，增加所述空气冷凝器的冷凝强度;并当所述燃料电池对的空气入口湿度大于所述燃料电池堆的空气出口湿度，且二者之差小于预设湿度值时，降低所述空气冷凝器的冷凝强度。
[0012]可选的，所述燃料电池堆包括多个并联连接的单电池，所述单电池包括阴极扩散层，所述阴极扩散层被划分为N1个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2<见<10。
[0013]可选的，所述阴极扩散层的疏水度为30%?90%。
[0014]可选的，所述单电池包括流场板，所述流场板被划分为犯个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2<N2<10。
[0015]可选的，所述流场板的疏水度为30%?90%。
[0016]可选的，所述单电池包括阳极扩散层，所述阳极扩散层被划分为N3个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着氢气的流动方向依次增加，2<N3<10。
[0017]可选的，所述阳极扩散层的疏水度为30%?90%。
[0018]本实用新型实施例提供了一种燃料电池系统，包括:燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个并联连接的单电池，所述单电池包括阴极扩散层，所述阴极扩散层被划分为犯个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2<见<10。
[0019]可选的，所述阴极扩散层的疏水度为30%?90%。
[0020]可选的，所述单电池包括流场板，所述流场板被划分为犯个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2<N2<10。
[0021 ] 可选的，所述流场板的疏水度为30%?90%。
[0022]可选的，所述单电池包括阳极扩散层，所述阳极扩散层被划分为N3个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着氢气的流动方向依次增加，2<N3<10。
[0023]可选的，所述阳极扩散层的疏水度为30%?90%。
[0024]本实用新型实施例提供了另一种燃料电池系统，包括:燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个并联连接的单电池，所述单电池包括阳极扩散层，所述阳极扩散层被划分为N3个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2<N3<10。
[0025]可选的，所述阳极扩散层的疏水度为30%?90%。
[0026]可选的，所述单电池包括流场板，所述流场板被划分为犯个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2<N2<10。
[0027]可选的，所述流场板的疏水度为30%?90%。
[0028]与现有技术相比，本实用新型实施例的技术方案具有以下有益效果:
[0029]在燃料电池堆空气出口处设置空气冷凝器，通过空气冷凝器将燃料电池堆空气出口排除的气体中的气态水冷凝为液态水，并通过冷凝水水箱收集冷凝得到的液态水，从而可以有效地防止水淹电极，提高燃料电池工作的稳定性和耐久性。
[0030]进一步，设置冷凝水回收阀以及去离子器，将冷凝水水箱中的液态水排出并去离子净化后，输入至燃料电池堆的空气入口处的空气加湿器，实现液态水的循环利用。
[0031]进一步，获取燃料电池堆的空气入口湿度以及空气出口湿度，对冷凝器的冷凝强度进行调整，控制冷凝器的冷凝效果，当燃料电池堆的空气出口湿度较大时，表明膜电极含水量较高，提高冷凝强度可以加大液态水的排出量；当燃料电池堆的空气出口湿度较小时，表明膜电极含水量较低，降低冷凝强度可以防止电堆内部过干。
[0032]此外，将燃料电池堆中的单电池的阴极扩散层的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，促使燃料电池靠近空气出口端的液态水排出，并保证靠近空气入口端具有一定的水分，从而在浓度梯度的作用下，实现燃料电池的膜电极既不会被水淹也不会因为过干而导致欧姆电阻过大。
【附图说明】
[0033]图1是本实用新型中的一种燃料电池系统的结构示意图；
[0034]图2是现有的一种燃料电池堆的单电池的结构示意图；
[0035]图3是本实用新型实施例中的一种阴极扩散层的结构示意图；
[0036]图4是本实用新型实施例中的一种流场板的结构不意图；
[0037]图5是本实用新型实施例中的一种单电池的工作场景图；
[0038]图6是本实用新型实施例中的另一种单电池的工作场景图。
【具体实施方式】
[0039]现有技术中，质子交换膜燃料电池在正常发电时，燃料电池阴极侧液态水的来源主要有两方面:I)加湿空气中的液态水冷凝;2)阳极侧液态水的反扩散。一方面，燃料电池正常发电时生成的液态水主要在阴极侧，阴极侧的液态水在浓度梯度下扩散到阳极，而阳极侧的液态水在反扩散作用下又会扩散到阴极，导致阴阳极两侧达到动态平衡。另一方面，燃料电池在正常工作时，阴极侧的空气需要经过加湿器的加湿，以提高膜电极的含水量进而减小燃料电池的欧姆电阻，提高燃料电池的发电能力。加湿空气从流道的入口随着电化学反应流到流道的出口，由于燃料电池反应生成水，使得靠近流道出口空气中的水含量较高，近似于饱和气体状态。若燃料电池内部温度分布不均与，靠近出口的饱和气体中的气态水会冷凝为液态水。
[0040]综上，现有技术中，燃料电池阴极侧液态水累积的可能性较大，进而引起电极局部被水淹的可能性较大，导致质子交换膜燃料电池性能下降和催化剂的衰减。
[0041]在本实用新型实施例中，在燃料电池堆空气出口处设置空气冷凝器，通过空气冷凝器将燃料电池堆空气出口排除的气体中的气态水冷凝为液态水，并通过冷凝水水箱收集冷凝得到的液态水，从而可以有效地防止水淹电极，提高燃料电池工作的稳定性和耐久性。
[0042]为使本实用新型的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。
[0043]参照图1，给出了本实用新型实施例中的一种燃料电池系统的结构示意图，燃料电池系统包括:空气压缩机及控制器1、空气加湿器2、空气入口湿度计3、空气进气阀4、由多个单电池5并联连接组成的燃料电池堆6、氢气尾排阀7、氢气源8、氢气进气阀9、空气出口湿度计10、空气尾排阀12以及燃料电池的排水系统，其中:燃料电池的排水系统可以包括空气冷凝器11以及与其耦接的冷凝水水箱13。
[0044]在具体实施中，空气冷凝器11可以设置在空气出口湿度计10与空气尾排阀12之间。燃料电池堆6的空气出口排出的气体的空气出口湿度计1、空气冷凝器11后，经由空气尾排阀12排出。
[0045]燃料电池堆6的空气出口排除的气体为阴极分配管道和流道内排出的气体。通常情况下，阴极分配管道和流道内排出的气体为经过加湿的气体。空气冷凝器11可以对燃料电池堆6的空气出口排出的气体进行冷凝处理，将排出的气体中的气态水冷凝为液态水，从而使得空气出口处的气体的含水量降低。空气出口处的气体含水量降低时，在浓度梯度的作用下，阴极分配管道和流道内含水量较高的气体可以迅速地排到燃料电池堆6外部。
[0046]空气冷凝器11冷凝得到的液态水可以通过冷凝水水箱13来收集。
[0047]由此可见，在燃料电池堆空气出口处设置空气冷凝器，通过空气冷凝器将燃料电池堆空气出口排除的气体中的气态水冷凝为液态水，并通过冷凝水水箱收集冷凝得到的液态水，从而可以有效地防止水淹电极，提高燃料电池工作的稳定性和耐久性。
[0048]在实际应用，随着燃料电池工作时间的增加，冷凝水水箱13中收集的液态水会逐渐增加。为避免冷凝水水箱13饱和，可以通过专用的管道将冷凝水水箱13中收集的液态水排出至燃料电池外部，也可以将冷凝水水箱13中收集的液态水进行循环利用。
[0049]在本实用新型实施例中，可以在冷凝水水箱13与空气加湿器2之间设置冷凝水回收阀14以及去离子器15，其中:冷凝水回收阀14与冷凝水水箱13耦接，当检测到冷凝水水箱13中的液态水累积到预设的水量时打开，从而可以将冷凝水水箱13中的液态水排出；去离子器设置在冷凝水回收阀14与空气加湿器2之间，当冷凝水回收阀14打开时，将冷凝水水箱13中排出的液态水进行去离子净化，经过去离子净化后的液态水输入至空气加湿器2中，从而可以实现水资源的循环利用。
[0050]可以在去离子器15与空气加湿器2之间设置水栗，从而将经过去离子净化后的液态水栗入到空气加湿器2中。也可以将去离子器15的水平高度设置的高于空气加湿器2的水平高度，从而在重力作用下，将经过去离子器15净化后的液态水输入至空气加湿器2中。
[0051]在本实用新型实施例中，空气冷凝器11的冷凝强度是可调的，可以通过冷凝强度调节装置(图1中未示出)来对空气冷凝器11的冷凝强度进行调整。
[0052]冷凝强度调节装置可以与空气冷凝器11、空气入口湿度计3以及空气出口湿度计1耦接，获取空气入口湿度计3测量得到的空气入口湿度值Rin、空气出口湿度计测量得到的空气出口湿度值Rcmt，根据获取到的Rin以及Rcmt二者之间的大小关系，来判断是否需要对空气冷凝器11的冷凝强度进行调整，以及是增加冷凝强度还是降低冷凝强度。
[0053]在本实用新型一实施例中，当Rin<RQU^，可以判定空气出口湿度过大，可能存在液态水，此时冷凝强度调节装置可以控制空气冷凝器11增加冷凝强度，以加大液态水的排出量，避免膜电极被水淹。
[0054]反之，当Rir^Rciut,可以判定空气出口湿度较低，膜电极的含水量较低。当Rin-Rciut< AR时，冷凝强度调节装置可以控制空气冷凝器11降低冷凝强度，防止电池堆内部过于干燥。
[0055]在本实用新型实施例中，冷凝强度调节装置可以是一个独立的适于控制空气冷凝器11的器件，也可以是内置于空气冷凝器11中的控制器件，冷凝强度调节装置只要能够获取Rin以及R?t，并根据二者之间的关系对空气冷凝器11的冷凝强度进行调整即可。在本实用新型一实施例中，在空气冷凝器11中内置有冷凝强度调节装置。
[0056]参照图2，给出了现有的一种燃料电池堆的单电池的结构示意图。
[0057]燃料电池堆6中的单电池5可以包括流场板16、阴极扩散层17、阴极催化层18、质子交换膜19、阳极催化层20、阳极扩散层21以及氢气流道22。
[0058]在本实用新型实施例中，单电池5包含的阴极扩散层17可以具备一定的疏水性。可以沿着空气流动的方向，将阴极扩散层17划分成N1个疏水度不同的区域，且不同区域的疏水度沿着空气流动的方向(如图2中的a方向)依次增加。犯可以根据单电池5的活性面积的大小来划分，活性面积越大，Ni的值越高;反之，活性面积越小，Ni的值越小。Ni的取值范围可以为2彡沁彡10。
[0059]由于不同区域的疏水度沿着空气流动方向依次增加，因此最靠近空气出口的区域的疏水度最高，从而确保靠近空气出口区域的液态水能够顺利排出。但为了保证最靠近空气出口的区域的膜电极不至于过于干燥而导致欧姆电阻过大，因此可以设定最靠近空气出口的区域的疏水度不能大于一定值。在本实用新型实施例中，阴极扩散层17中的所有区域的疏水度的取值范围可以在30%?90 %之间，最靠近空气入口的区域的疏水度最小，最靠近空气出口的区域的疏水度最大。
[0060]阴极扩散层17的不同区域对应的材料可以相同，也可以不同。为简化生产流程，阴极扩散层17的不同区域可以选择相同的材料，但是不同区域对应的材料之间的配比不同，从而实现不同区域对应不同的疏水度。
[0061]参照图3，给出了本实用新型实施例中的一种阴极扩散层17的结构示意图。a方向为空气流动方向，则区域161、162、163以及164的疏水度排序为:区域161的疏水度最低，区域162的疏水度高于区域161的疏水度，区域163的疏水度高于区域162的疏水度，区域164的疏水度最高。
[0062]例如，区域161的疏水度为30%，区域162的疏水度为45%，区域163的疏水度为60%，区域164的疏水度为75 %。
[0063]在本实用新型实施例中，单电池5的流场板16也可以具备一定的疏水性。与阴极扩散层17相类似，将流场板16划分成N2个疏水度不同的区域，且不同区域的疏水度沿着空气流动的方向(如图2中的a方向)依次增加。N2的取值范围可以为2<N2<10。
[0064]参照图4，给出了本实用新型实施例中的一种流场板16的结构示意图。a方向为空气流动方向，则区域171、172、173以及174的疏水度排序为:区域171的疏水度最低，区域172的疏水度高于区域171的疏水度，区域173的疏水度高于区域172的疏水度，区域174的疏水度最高。
[0065]通过将单电池5的阴极扩散层17以及流场板16划分成多个疏水度不同的区域，越靠近空气入口的疏水度越低，越靠近空气出口的疏水度越高，则在浓度梯度的作用下，水从空气入口逐渐排放至空气出口。靠近空气出口的区域的疏水度最高，能够促进液态水的排出。采用上述结构的阴极扩散层17，可以实现膜电极既不会被水淹也不会过于干燥而导致欧姆电阻过大。
[0066]在本实用新型实施例中，单电池5的阳极扩散层21也可以具备一定的疏水性。与阴极扩散层17相类似，将阳极扩散层21划分成N3个疏水度不同的区域，且不同区域的疏水度沿着氢气的流动方向依次增加，N3的取值范围可以为2 < N3 < 1。阳极扩散层21中的所有区域的疏水度的取值范围可以在30 %?90 %之间。
[0067]参照图5和图6，给出了本实用新型实施例中的两种单电池的工作场景图。
[0068]图5中，空气的流动方向为a方向，氢气的流动方向为b方向，a方向与b方向相反。
[0069]阴极扩散层17被划分成4个区域，4个区域的疏水度沿a方向依次增加；阳极扩散层21也被划分成4个区域，4个区域的疏水度沿b方向依次增加。当空气与氢气对向流动时，阴极扩散层17最靠近空气出口侧的区域生成的液态水可以为氢气入口侧输入的氢气加湿。
[0070]图6中，空气的流动方向为a方向，氢气的流动方向也为a方向。阴极扩散层17的疏水度与阳极扩散层21的疏水度均沿a方向依次增加。此时，阴极扩散层17最靠近出口侧的区域无法对氢气入口侧输入的氢气加湿。
[0071]结合图1，以下通过具体实施例对上述实施例中提供的燃料电池系统的工作原理进行说明。
[0072]首先，将燃料电池堆空气出口排出的气体中所含的气态水冷凝为液态水。在本实用新型实施例中，可以通过空气冷凝器11将燃料电池堆6的空气出口排出的气体中所含的气态水冷凝为液态水。之后，通过与空气冷凝器11耦接的冷凝水水箱13收集冷凝得到的液态水。当检测到收集的液态水累积到预设水量时，将收集的液态水排出。
[0073]在本实用新型实施例中，当检测到冷凝水水箱13收集的液态水累积到预设数量时，冷凝水回收阀14打开，从而可以将冷凝水水箱13中收集的液态水排出。冷凝水水箱13中收集的液态水中可能包括一些离子，因此，可以将排出的液态水进行去离子净化。
[0074]在本实用新型实施例中，可以通过去离子器15将冷凝水水箱13中排出的液态水进行去离子净化。将经过去离子净化的液态水输入至燃料电池的空气加湿器。
[0075]由此可见，在燃料电池堆的空气出口处设置空气冷凝器，通过空气冷凝器将燃料电池堆空气出口排除的气体中的气态水冷凝为液态水，并通过冷凝水水箱收集冷凝得到的液态水，从而可以有效地防止水淹电极，提高燃料电池工作的稳定性和耐久性。
[0076]虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【主权项】
1.一种燃料电池的排水系统，其特征在于，包括: 空气冷凝器，设置在燃料电池堆空气出口，适于将所述空气出口排出的气体中所含的气态水冷凝为液态水； 冷凝水水箱，与所述空气冷凝器耦接，适于收集所述空气冷凝器冷凝的液态水。2.如权利要求1所述的燃料电池的排水系统，其特征在于，还包括: 冷凝水回收阀，与所述冷凝水水箱耦接，适于当检测到所述冷凝水水箱中的液态水累积到预设水量时打开，以将所述冷凝水水箱中的液态水排出； 去离子器，与所述冷凝水回收阀耦接，适于将所述冷凝水水箱中排出的液态水进行去离子净化。3.如权利要求2所述的燃料电池的排水系统，其特征在于，所述去离子器与所述燃料电池的空气加湿器耦接，所述去离子器排出的经过去离子净化的液态水输入到所述燃料电池的空气加湿器。4.如权利要求1所述的燃料电池的排水系统，其特征在于，所述空气冷凝器的冷凝强度由所述燃料电池堆的空气入口湿度、所述燃料电池堆的空气出口湿度的大小关系确定。5.如权利要求4所述的燃料电池的排水系统，其特征在于，还包括:冷凝强度调节装置，适于当所述燃料电池堆的空气入口湿度小于所述燃料电池堆的空气出口湿度时，增加所述空气冷凝器的冷凝强度;并当所述燃料电池对的空气入口湿度大于所述燃料电池堆的空气出口湿度，且二者之差小于预设湿度值时，降低所述空气冷凝器的冷凝强度。6.如权利要求1所述的燃料电池的排水系统，其特征在于，所述燃料电池堆包括多个并联连接的单电池，所述单电池包括阴极扩散层，所述阴极扩散层被划分为N1个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2<见<10。7.如权利要求6所述的燃料电池的排水系统，其特征在于，所述阴极扩散层的疏水度为30%?90%。8.如权利要求6所述的燃料电池的排水系统，其特征在于，所述单电池包括流场板，所述流场板被划分为N2个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2彡N2彡10。9.如权利要求8所述的燃料电池的排水系统，其特征在于，所述流场板的疏水度为30%?90% ο10.如权利要求6所述的燃料电池的排水系统，其特征在于，所述单电池包括阳极扩散层，所述阳极扩散层被划分为N3个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着氢气的流动方向依次增加，2<N3<10。11.如权利要求10所述的燃料电池的排水系统，其特征在于，所述阳极扩散层的疏水度为 30%?90%。12.一种燃料电池系统，其特征在于，包括: 燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个并联连接的单电池，所述单电池包括阴极扩散层，所述阴极扩散层被划分为N1个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2<见<10。13.如权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的疏水度为30%?90% ο14.如权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，所述单电池包括流场板，所述流场板被划分为N2个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2SN2SlO015.如权利要求14所述的燃料电池系统，其特征在于，所述流场板的疏水度为30%?90%。16.如权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，所述单电池包括阳极扩散层，所述阳极扩散层被划分为N3个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着氢气的流动方向依次增加，2彡N3彡10。17.如权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极扩散层的疏水度为30%?90% ο18.一种燃料电池系统，其特征在于，包括: 燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个并联连接的单电池，所述单电池包括阳极扩散层，所述阳极扩散层被划分为N3个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2<N3<10。19.如权利要求18所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极扩散层的疏水度为30%?90% ο20.如权利要求18所述的燃料电池系统，其特征在于，所述单电池包括流场板，所述流场板被划分为N2个疏水度不同的区域，且各区域的疏水度沿着空气的流动方向依次增加，2SN2SlO021.如权利要求20所述的燃料电池系统，其特征在于，所述流场板的疏水度为30%?90%。
【文档编号】H01M8/04119GK205666283SQ201620538422
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】余意, 施昕, 汪飞杰, 陈骏, 陈雪松
【申请人】上海汽车集团股份有限公司