[发明专利]一种质子交换膜燃料电池水管理系统及操作方法

说明书

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池水管理系统及操作方法。通过所述质子交换膜燃料电池水管理系统及操作方法，实现燃料电池在工作时进出口的切换，即将燃料电池的入口切换为出口，出口切换为入口；从而达到燃料电池运行过程中阴极氧化剂气体(空气或氧气)在电池内部流动方向的改变；解决了现有质子交换膜燃料电池在工作时出现的内部水管理问题，即在燃料电池靠近阴极入口部分的质子交换膜失水导致内阻增大问题，以及在燃料电池靠近阴极出口部分的水量过多导致的“水淹”问题。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池水管理系统及操作方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是采用质子交换膜作为电解质膜的一类燃料电池装置。由质子交换膜的结构与工作原理可知，质子交换膜的导质子能力与膜中的水含量紧密相关：膜中水处于饱和状态时，具有最大的质子传导能力，因此保持膜中水含量对于燃料电池正常运行是至关重要的。在实际操作中，燃料电池靠近阴极入口部分，氧化剂(空气或氧气)较干燥，会带走质子交换膜中的水分，使膜变干，导致膜电阻变大；由于燃料电池阴极反应的产物是水，使得靠近阴极出口部分，积聚大量反应生成的水，这部分水可以使靠近阴极出口部分的膜得到充分湿润；但是，过多的水在阴极出口部分累积，会发生“水淹”现象，使氧化剂无法到达电极表面发生反应，严重时会发生反极现象，对电极造成不可逆的损伤。因此保持内部水平衡是燃料电池、特别是质子交换膜燃料电池稳定运行的前提条件之一。

采用增湿器对阴极氧化剂气体在进入燃料电池前进行增湿是现在技术的通用做法；缺点是增加了附件与成本，并且外加水的引入加大了燃料电池排水的负担，不利于水平衡的管理。

发明内容

针对质子交换膜燃料电池内部水管理问题，本发明提供一种质子交换膜燃料电池水管理系统及操作方法，通过对质子交换膜燃料电池阴极入口出口的切换，改变阴极氧化剂气体(空气或氧气)在电池内部的流动方向，以解决现有质子交换膜燃料电池在工作时出现的内部水失衡问题，即在燃料电池靠近阴极入口部分的质子交换膜失水导致内阻增大问题，以及在燃料电池靠近阴极出口部分的水量过多导致的“水淹”问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种质子交换膜燃料电池水管理系统，所述水管理系统由四个电磁阀和四个三通组成；

所述水管理系统中第一三通的一端通过管路连通于所述燃料电池的阴极供料系统，另外两端通过管路分别连通于所述水管理系统的第一电磁阀与第二电磁阀；

所述水管理系统中第一电磁阀的另一端通过管路连接于所述第二三通；

所述水管理系统中第二三通的另外两端分别通过管路连接于所述燃料电池的阴极入口与所述水管理系统中的第三电磁阀；

所述水管理系统中第三电磁阀的另一端通过管路连接于所述水管理系统第四三通；

所述水管理系统中第二电磁阀的另一端通过管线连接于所述水管理系统第三三通；

所述水管理系统中第三三通的另外两端通过管线分别连接于所述燃料电池的阴极出口与所述水管理系统第四电磁阀；

所述水管理系统中第四电磁阀的另一端通过管线连接于所述第四三通；

所述水管理系统中第四三通的另一端通过管线连接于所述燃料电池阴极排出系统。

同样的目的，本发明提供了一种燃料电池水管理的操作方法，其基于上述所述的燃料电池水管理系统，具体如下：

将所述燃料电池水管理的工作状态分为状态一(阴极氧化剂在电堆中正向流动状态)和状态二的出入口切换状态(阴极氧化剂在电堆中逆向流动状态，即电堆阴极入口变出口，出口变入口)，