[发明专利]一种燃料电池电堆阳极水管理控制系统及控制方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池电堆阳极水管理控制系统及控制方法，所述燃料电池电堆包括设置在阳极的第一氢气流通口、第二氢气流通口，以及设置在阴极的空气进口和空气出口，所述控制系统包括设置在第一氢气流通口处的第一电磁阀、设置在第二氢气流通口处且并联设置的第二电磁阀和第三电磁阀，其中，所述第二电磁阀与氢气源连接，所述第一电磁阀和第三电磁阀同时打开或关闭，所述第二电磁阀和第三电磁阀最多只有一个是打开的。本发明使得燃料电池阳极流道内的水分布趋于平衡，从而增加燃料电池的可靠性和寿命。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆阳极水管理控制系统及控制方法。

背景技术

燃料电池堆是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，具有功率密度高，无污染，噪声低等优点，具有广阔的应用前景。燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池、微生物燃料电池等。

燃料电池堆工作时，其内部发生了电化学反应。以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例。以氢气作为燃料，PEMFC的电极反应如下所示：

阳极： H₂→2H⁺+2e^-

阴极：0.5O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

从电极反应可以看出，在PEMFC中阳极反应气体氢气通入阳极流道。反应气体通入电池后，在催化剂的作用下解离为质子和电子，质子通过质子交换膜到达电池的阴极，电子则经过集流板收集，对外电路做功；氧气通过气体扩散层到达阴极催化侧表面，在催化剂的作用下，氧气与通过质子交换膜的质子、外电路电子，结合生成水，放出大量热。

在此过程中为了保持电池堆的性能、可靠性以及寿命，电堆内部尤其是膜电极需要有一定的含水量，以保证膜良好的质子传导性，否则膜易脱水，皱缩严重，影响质子传导；同时水也不能太多，膜的含水量过多，水就会淹没电极，造成电极水淹。同时，燃料电池工作时其内部环境的水分布的不均匀性导致了燃料电池靠近入口部分电极容易失水干燥，导致局部内阻升高，靠近出口部分电极容易水淹，使得燃料电池电堆的性能、可靠性、寿命都受到影响。

为了解决上述问题，现有技术常采用在系统结构上采用增加氢气循环泵或引射器的方式。但采用氢气循环泵的方式有体积重量大、功耗大、成本高的缺点，采用引射器会限制电堆只能在固定工况下才能正常工作，并且两种方式都只能单向循环，并未从根本上解决燃料电池电堆内部水分布不均的问题，对稳定性以及可靠性有较大影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低且能有效避免水淹现象的电堆阳极水管理控制系统。

本申请之目的还在于提供一种燃料电池电堆阳极水管理控制方法。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种燃料电池电堆阳极水管理控制系统，所述燃料电池电堆包括设置在阳极的第一氢气流通口、第二氢气流通口，以及设置在阴极的空气进口和空气出口，所述控制系统包括设置在第一氢气流通口处的第一电磁阀、设置在第二氢气流通口处且并联设置的第二电磁阀和第三电磁阀，其中，所述第二电磁阀与氢气源连接，正常工作时，所述第一电磁阀和第三电磁阀同时打开，调整时，第三电磁阀关闭，同时第二电磁阀打开，经过0.3~1s后，第一电磁阀关闭。本申请的控制系统在调整时（即当燃料电池电堆出现水淹现象时），第一电磁阀和第二电磁阀在转换过程中，应同时打开0.3~1s，避免因电磁阀响应速度问题导致电堆欠气，优选为0.5s。