[发明专利]一种质子交换膜燃料电池系统湿度控制方法

说明书

一种质子交换膜燃料电池系统湿度控制方法，其用于氢燃料电池，燃料电池至少包括，阴极，其通入氧气或空气作为反应原料，阳极，其通入氢气作为反应原料，交换膜，其将阴极与阳极隔开，且仅能选择性透过特定离子，包括以下步骤：基于电池工作分别向对电池阴极输送的空气和向阳极输送的氢气进行交替加湿，使得加湿后的相应气体进入对应电极以加湿电极内的湿度，其中，加湿使用的水全部来自于阴极或阳极反应产生的水以使得燃料电池的湿度控制流程至少在水资源上是完全自给自足的。

技术领域

本发明涉及燃料电池工况控制领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池系统湿度控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)大致结构构成为膜电极、密封圈、和带有导气通道的流场板，其中膜电极对电池内部湿度的控制需求较大，也即，电池内湿度对电堆性能有较大影响。水含量不够，质子膜的导电性变差；在一定范围内湿度或者质子膜含水量与膜的导电性呈正相关；但是湿度过高会导致膜的水淹现象，造成浓差极化，反而降低膜导电性。故需要保持合适的湿度才能够有效改善电堆的性能，提高电堆稳定性与使用寿命，增加发电效率。

现有技术中常规的加湿方案是额外在外部设置一个专用的加湿器，或者改变电堆内部的结构，增加内部的加湿器。前者本质上是将反应原料气体送入电堆前利用外部的加湿器对其进行加湿，从源头增加原料湿度，但是此种方案对外部加湿设备的要求较高，使用成本较高；后者通过改变电堆内部双极板与扩散层的结构，采用多孔隙率特殊碳板或者材料让从电堆外部导入的水分火电对阴极产生的水分扩散至模内部或阳极，这列方法主要改变的是电堆内部的结构，而且增加的内部加湿组件需要耐受电堆中较高的工作温度、电场情况以及工作压力，存在一定的使用寿命与可靠性的问题。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池系统湿度控制方法，其用于氢燃料电池，燃料电池至少包括，阴极，其通入氧气或空气作为反应原料，阳极，其通入氢气作为反应原料，交换膜，其将阴极与阳极隔开，且仅能选择性透过特定离子，包括以下步骤：基于电池工作分别向对电池阴极输送的空气和向阳极输送的氢气进行交替加湿，使得加湿后的相应气体进入对应电极以加湿电极内的湿度，其中，加湿使用的水全部来自于阴极或阳极反应产生的水以使得燃料电池的湿度控制流程至少在水资源上是完全自给自足的。

优选地，基于对电堆功率的检测来控制阴极和/阳极的加湿，阴极与阳极加湿分别通过阴极加湿阀和阳极加湿阀的开闭完成，阳极尾气由排氢阀控制排除，阴极尾气由背压阀控制排出，其中，排氢阀为主动控制阀门，背压阀为被动控制阀门。

优选地，启动阶段时，基于未反应产生加湿用水资源而关闭阴极加湿阀和阳极加湿阀，控制排氢阀正常常开。

优选地，低功率阶段时，控制阴极加湿阀与阳极加湿阀按照第一频率交替开启以执行对阴阳极的周期加湿，排氢阀正常常开，其中，第一频率中，阴极加湿周期与阳极加湿周期占比均等。

优选地，额定功率阶段时，控制控制阴极加湿阀与阳极加湿阀按照第二频率交替开启以执行对阴阳极的周期加湿，排氢阀正常常开，其中，第二频率中，阴极加湿周期与阳极加湿周期占比大于第一频率中的占比。

优选地，高功率阶段时，控制阴极加湿阀与阳极加湿阀按照第三频率交替开启以执行对阴阳极的周期加湿，控制排氢阀按照第四频率开闭或者减小通过其自身的阳极尾气量，其中，第三频率中，阴极加湿周期与阳极加湿周期占比小于第二频率中的占比且大于第一频率中的占比。