[实用新型]一种用于质子交换膜燃料电池的阴极排气再循环系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池的空气系统，特别是一种引入阴极排气再循环技术的先进质子交换膜燃料电池空气系统，属于新能源汽车技术领域。

背景技术

质子交换膜氢气燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）以其效率高、零排放的优点格外受到人们的青睐。燃料电池发电系统是一种电化学装置，将化学能直接转换为电能，其能量转换过程不受卡诺循环限制，理论效率较高。其消耗的燃料为氢气，反应产物是水，有害排放物为零，是最清洁的能源之一。因此燃料电池发电系统可以用在备用电站、电动汽车和移动电源等领域。

燃料电池发电系统包括几个主要组成部分，如附图1所示，燃料电池电堆是其核心，电堆外围还包括了氢气系统、空气系统、增湿系统、冷却系统、功率输出系统和控制系统等附件系统。氢气系统主要负责为电堆提供氢气供应，需要根据运行工况调节进入电堆的氢气压力和流量；空气系统则是为电堆提供适量的氧化剂即空气，需要根据工况调节进入电堆的空气的温度、压力和流量；增湿系统是为了保证进入电堆的空气的湿度在一定范围，过干和过湿对质子交换膜和电堆都有不利的影响，因此需要对进入电堆的空气进行湿度控制；冷却系统则通过冷却剂循环的方式使电堆温度保持合适水平，保证电堆稳定可靠工作；功率输出系统则是通过DC/DC装置来调节电堆的输出电压和电流的大小和变化速率；控制系统是整个燃料电池发电系统的“大脑”，由其对电堆外围的各个子系统进行优化控制，使得电堆处于最佳工作状态，保证电堆长期稳定可靠运行。

一种典型的燃料电池空气系统由空压机、散热器、增湿器、冷凝器等部分组成，如附图1中所示。环境空气经由空压机压缩后进入散热器，由散热器冷却后进入增湿器进行增湿，增湿后进入电堆进行电化学反应，阴极侧的氧气会和来自阳极的氢离子发生化学反应，在输出电能的同时生产水（气态或者液态），并大部分由阴极空气侧流出，因此参与反应后的阴极空气氧气含量下降，水含量（湿度）增加，在电堆出口空气经冷凝器回收水分后，通过流量控制阀2排入环境中。该空气系统能够通过空压机、流量控制阀1和2的协调控制来控制进入电堆的空气流量和空气压力，能够通过散热器调整进气温度，通过增湿器控制进气湿度。

根据PEMFC的工作原理和性能特点可知，进入电堆的空气中氧气的总量和参与反应的氧气量，称之为过量系数或者当量比，一般车用燃料电池的当量比在1.5~3之间。显然，进入电堆的空气流量和过量系数与空气总量是耦合的关系，将随着燃料电池发电系统的输出功率变化为变化。同时，由于电堆内部反应生成的水（气态或者液态）需要经过阴极反应通道带出，如果生成的液态水不及时排除，生成的水会阻碍流道，即所谓的水淹现象，导致电堆性能下降，影响燃料电池的使用。为了提高排水能力，需要提高空气的流量或流速以便顺利吹除液态水。在怠速或小负荷时，由于生成的水量偏小，如果一直保持较大的空气流量，则容易把流道和质子交换膜表面水都吹干，导致膜过干而性能下降；如果一直保持较小的空气流量，则不容易吹走流道内的液态水而导致水淹。因此在怠速或小负荷时，进气总量不能一直减小，也就导致氧气总量或者当量比不能一直减小，往往过量系数保持在较高水平，这也就导致怠速或小负荷时燃料电池电压较高（0.9V~1.2V）。而相关研究显示，较高的工作电压（0.9V~1.2V）对燃料电池寿命是极为不利的。研究表明，在怠速或小负荷工况下，如果降低氧的当量比，可以有效降低燃料电池输出电压，从而保证燃料电池的使用寿命。

如何使得阴极具有较高的气体压力和流量的同时，又保证其温度和湿度在合适范围，还要保证其中的氧气的含量（分压）较低，使得燃料电池的输出电压处于较低的水平，有利于燃料电池的耐久性，是空气系统设计的一个挑战。如附图1所示的当前的燃料电池空气系统中，没有分别调整总空气压力和氧气含量的能力。

由于车用燃料电池的阴极反应物为来自大气中的空气，而大气的湿度和温度条件随纬度、海拔高度和季节等变化差异很大，可能出现高温高湿（接近100%的相对湿度），也可能出现高温低湿（接近0%的相对湿度）。如附图1中所示的空气系统的另外一个缺点在于，不能满足燃料电池在极端工作条件下的温度和湿度灵活调整的能力：在高温低湿工作环境下，燃料电池如果长期工作在怠速和小负荷工况下则容易出现膜干；在高温高湿工作环境下，燃料电池如果长期工作大负荷工况下则容易出现水淹。