CN104752739A - 燃料电池气体扩散层、催化剂层的冷凝水去除方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池气体扩散层、催化剂层的冷凝水去除方法和装置。公开了用于去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法和装置。该方法可包括下列步骤：确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水的步骤；当在上述确定步骤中确定在气体扩散层和催化剂层中产生冷凝水时将供应至燃料电池的阴极的空气量减少预定水平的步骤；测量燃料电池的堆的温度的步骤；以及当所测量的燃料电池的堆的温度上升至预定温度时将供应至燃料电池的阴极的空气量增加至减少预定水平操作之前的空气量的步骤。

Description

燃料电池气体扩散层、催化剂层的冷凝水去除方法和装置

技术领域

本发明涉及用于去除燃料电池的催化剂层和气体扩散层中的冷凝水的方法和装置。具体地，去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法可使用通过随着供应至燃料电池的阴极的空气量临时减少而增加堆内的温度所产生的蒸汽压以及通过增加催化剂层的温度所导致的催化剂周围的蒸汽、氧气和氮气气体的增大的压力。

背景技术

近来，随着全球对环境友好型和高效车辆的兴趣增加，已经将对使用下一代能源的车辆的研究和开发作为重要的项目进行。例如，使用氢气作为能源的燃料电池作为非污染车辆已经引起极大的关注。

在当前的车辆行业中，已经开发了各种类型的燃料电池。然而，因为用于车辆的燃料电池被要求具有高效率、高输出浓度、短启动时间、根据负载变化的快速响应特性等，已经专注于研究其中可应用聚合物电解质膜燃料电池的燃料电池车辆的商业化。

在燃料电池中，氢气与空气中的氧气反应以产生电能并且产生作为副产物的水。此外，在燃料电池中，需要经由气体扩散层(GDL)将水从阴极催化剂层释放到通道，并且需要经由气体扩散层将氧气从通道充分地供应至催化剂层。此外，燃料电池应在约60℃至80℃的最佳温度下运行。

当温度低于最佳温度时，水可能在催化剂层和气体扩散层内部冷凝或者水可能在通道内冷凝或者淹没通道并且由此阻塞所供应的氧气，从而降低燃料电池的性能。当温度大于最佳温度时，隔膜内的水可能变干，从而降低燃料电池的性能。

因此，保持燃料电池运行的最佳温度十分关键。

当车辆在室温下启动时，燃料电池车辆可能需要较长的时间进行预热。当燃料电池车辆在没有充分预热的情况下而快速加速时，可能产生大量的水。结果，水可能在催化剂层和气体扩散层的内部冷凝或者水可能在通道内冷凝或者淹没通道，这可阻塞被供应至燃料电池的阴极中的催化剂层的氧气。

因此，现有技术中的燃料电池车辆可在充分预热燃料电池之前限制燃料电池的输出，以控制通过通道释放的适当水量。然而，冷凝水可能不能容易地释放到外部。

背景技术部分中所公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景技术的理解，并且因此，其可能包含并不构成在该国已为本领域普通技术人员所知的现有技术的信息。

发明内容

本发明可提供针对现有技术中的技术难题的技术解决方案。因此，在优选的方面中，本发明提供如下的装置和方法：即，通过使燃料电池内部的催化剂层和气体扩散层中冷凝的水蒸发并且强制地将水蒸汽释放到通道中，来去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水，从而改善燃料电池的性能。

一方面，本发明提供了一种去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法。

在示例性实施方式中，该方法可包括下列步骤：确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水；当确定在气体扩散层和催化剂层中产生冷凝水时，将供应至燃料电池的阴极的空气量减少预定的量；测量燃料电池的堆的温度；以及当燃料电池的堆的温度上升至预定蒸发温度或者更高时，将供应至燃料电池的阴极的空气量增加预定的量以达到供应至阴极的初始空气量。

在示例性实施方式中，去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法可包括下列步骤：确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水；当确定在气体扩散层和催化剂层中产生冷凝水时，将供应至燃料电池的阴极的空气量减少预定的量；将被减少的空气量供应至燃料电池的阴极持续预定时间；以及在预定时间段过去之后，将供应至燃料电池的阴极的空气量增加预定的量以达到供应至阴极的初始空气量。

在确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水的步骤中，可以基于燃料电池的输出值与正常状态下的输出值之间的差是否大于预定差值来确定状态。

在测量燃料电池的堆的温度的步骤中，所测量的温度可以是供应至燃料电池的冷却水的温度或者供应至燃料电池的阴极的空气的温度。

在示例性实施方式中，该方法可进一步包括在确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水之前确定燃料电池的预热是否完成的步骤。

另一方面，本发明提供了一种用于去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的装置。

在示例性实施方式中，该装置可包括：确定单元，确定在燃料电池的气体扩散层和催化剂层中是否产生冷凝水；温度传感器单元，测量燃料电池的温度；以及控制单元，基于通过温度传感器单元测量的值以及通过确定单元确定的值来控制供应至燃料电池的阴极的空气量。

在确定单元中，可基于燃料电池的输出值与正常状态下的输出值之间的差是否大于预定差值来确定是否产生冷凝水的状态。

在温度传感器单元中，所测量的燃料电池的堆中的燃料电池的温度可以是供应至燃料电池的冷却水的温度或者供应至燃料电池的阴极的空气的温度。

当通过确定单元确定产生冷凝水时，控制单元可将供应至燃料电池的阴极的空气量减少预定的量并且将减少的空气量供应至燃料电池。当通过温度传感器单元测量的燃料电池的温度增加至预定蒸发温度或者更高时，控制单元可进一步将被供应至燃料电池的空气量增加预定的量以达到供应至燃料电池的初始空气量。

可替代地，当通过确定单元确定产生冷凝水时，控制单元可将供应至燃料电池的阴极的空气量减少预定的量，并且供应减少的空气量持续预定时间。在供应减少的空气量持续预定的时间之后，控制单元可将供应至燃料电池的阴极的空气量增加预定的量以达到初始空气量。

因此，本发明的各种实施方式的方法和装置提供了各种优点。例如，可容易地去除在燃料电池的催化剂层周围或者气体扩散层中所产生的水。此外，可在不改变燃料电池的结构的情况下，去除在气体扩散层中所产生的水。而且，由于在阴极出口侧的空气浓度小于其入口侧的空气浓度并且产生更大的电压降，因此可提高大面积堆(large area stack)内的发电效率。

下面将讨论本发明的其他方面和优选实施方式。

附图说明

现将参考在附图中示出的本公开的特定示例性实施方式来详细描述本公开的上述和其他特征，特定示例性实施方式在下文中仅作为说明而给出并且由此并不限制本发明，其中：

图1示意性示出了根据本发明的示例性实施方式的用于去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性装置；

图2示出了根据本发明的示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性方法的示例性操作过程；

图3是示出根据本发明的示例性实施方式的用于去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性原理的示例曲线图；

图4示出了其中产生冷凝水并通过根据本发明的示例性实施方式的示例性方法去除冷凝水的燃料电池内的示例性温度分布模型；

图5是示出根据本发明的示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性原理的示例曲线图以及示出饱和蒸汽压可随着温度的增加而增加的曲线图；

图6是示出根据按照本发明的示例性实施方式的示例性方法去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的效果的示例曲线图；

图7示出了其中应用了根据本发明的示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性方法的大面积堆的气体扩散层的示例性阴极通道；

图8示出了根据本发明的示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性装置；并且

图9示出了根据本发明的又一示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性装置。

附图中表示的参考标号包括对下面进一步讨论的下列元件的参考：

10：燃料电池      20：氢气供应设备

30：空气供应设备  40：控制器

50：电力负载      60：温度传感器

70：冷却水

应当理解的是，附图不一定按比例绘制，其从某种程度上呈现了示出本发明的基本原理的各种优选特征的简化表示。如本文所公开的本公开的具体设计特征(其例如包括具体方位、方向、位置和形状)将通过特定目的应用和使用环境来部分地确定。

在图中，遍及附图的几幅图，相同的参考标号表示本公开的相同或者等同的部件。

具体实施方式

应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或者“用车辆运载的”或者其他类似术语包括一般意义上的机动车辆，诸如包括运动型多用途车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的客运汽车、包括各种船只和舰船的船舶、飞行器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆以及其他可替代燃料车辆(例如，源自除石油以外的资源的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两种或者更多种动力源的车辆，例如，汽油动力和电动车辆。

本文中所使用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的而并不旨在限制本发明。除非上下文另有明确说明，否则，如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。将进一步理解，当本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，规定指定特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如此处使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任何和所有组合。

除非具体规定或者从上下文显而易见的，否则，如本文使用的，术语“约”被理解为在本领域的常规容差范围内，例如，在平均值的2个标准偏差内。“约”可被理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％、或者0.01％内。除非从上下文另有明确说明，否则，本公开中所提供的所有数值均被术语“约”修饰。

本文中所使用的术语“预定温度”是指燃料电池10可正常运行的温度。

术语“预定蒸发温度”是指足以使燃料电池中的冷凝水蒸发的温度。

在下文中，将详细参考本公开的各种示例性实施方式，在附图中示出本公开的实例并且在下面进行描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，然而，将理解，本描述并不旨在将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明旨在不仅覆盖示例性实施方式，而且还覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种变更、改变、等同物以及其他实施方式。

图1示意性示出了根据本发明的示例性实施方式的用于去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性装置的配置。

根据本发明的示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的装置可包括燃料电池10、空气供应设备30、氢气供应设备20、控制器40、电力负载50、以及温度传感器60。

燃料电池10是被供应氢气和空气以产生电的发电装置并且可包括空气供应通道、气体扩散层、催化剂层、隔膜等。将空气供应至燃料电池10的空气供应设备30可以是但不限于，鼓风机、压缩空气控制阀等。具体地，空气供应设备可接收控制器40的命令以控制被供应至燃料电池10的空气量。

将氢气供应至燃料电池10的氢气供应设备20可包括氢气罐、阀门、喷射器、鼓风机等。

消耗从燃料电池产生的电力的电力负载50可以是但不限于，电动机、辅助机器等，并且温度传感器60可测量燃料电池的温度。

控制器40可以是可控制空气供应设备30的空气流并控制燃料电池的发电量以及电力负载的电力消耗的设备。控制器20可以是位于车辆内部的上方控制器(upper controller)或者上方控制器与用于空气供应设备的逆变器集成的控制器。

图2示出了根据本发明的示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的示例性方法的操作过程的实例。

在图1中，去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法可从确认燃料电池车辆是否启动的过程(S1)开始。

在车辆启动之后，该方法可包括测量燃料电池10的温度的过程(S2)。

随后，该方法可包括通过比较燃料电池10的温度与预定温度确定燃料电池的预热是否完成的过程(S3)。具体地，如本文所使用的，“预定温度”可以是燃料电池10可正常运行的温度，并且可根据配备有燃料电池10的车辆的规格被确定为适当的值。

当燃料电池10的预热完成或者当认为燃料电池内部未产生冷凝水时，可执行正常驱动车辆的过程(S7)。

然而，当燃料电池100的预热未完成时，该方法可包括执行监控燃料电池的输出并且将所监控的输出与正常输出的数据进行比较的过程(S4)。具体地，通过重复性的试验可提前获得正常输出的数据，并且正常输出的数据可被提前存储在诸如地图类型(map type，分布图类型)的存储空间中。

当确定燃料电池的当前输出与正常地图上的输出之间的偏差小于预定差值时，可确定燃料电池正常运行。

然而，当将燃料电池的当前输出与正常地图中的输出相比较并确定偏差等于或者大于预定差值(S5)时，则可执行根据本发明的示例性实施方式的冷凝水释放算法(algorithm)(S6)。

可通过减少从空气供应设备30供应至燃料电池10的空气量持续预定时间来实现根据本发明的示例性实施方式的方法的冷凝水释放算法。如本文使用的，“化学计量比(SR)”可指空气量，并且减少空气量还可被称为减少供应至燃料电池的空气的化学计量比(SR)。因此，通过减少供应至燃料电池10的阴极的空气的SR持续预定时间来去除燃料电池10中所产生的冷凝水并随后将SR增加至点火SR。

图3至图5示出了呈现根据本发明的示例性实施方式的去除冷凝水的原理的示例曲线图。

如图3所示，当供应至燃料电池的空气量减少时，燃料电池在高输出区域中可能不能接收空气并且由此在相同输出时燃料电池的电压会降低。

当电压降低时，在堆中可产生大于“现有产热量”的热量。该热能可被称为“本构思的产热量”，并且如图3所示，与“现有产热量”相比，可进一步产生对应于“额外产热量”的热。

“额外产热量”可提高燃料电池10的阴极的催化剂的温度，以使催化剂层周围的冷凝水的一部分蒸发。

因此，催化剂层和气体扩散层的冷凝水可作为具有蒸汽压的水蒸汽释放到通道中。

图4是其中应用了根据本发明的示例性实施方式的去除冷凝水的方法的燃料电池内的温度分布的示例图。

具体地，如图4所示，供应至阴极的空气量可减少，并且催化剂层的温度可被强制地提高。

图5示出了示例性原理并且示出了饱和蒸汽压可随着温度的增加而增加。

图6是示出根据本发明的示例性实施方式的方法的示例性效果的曲线图。具体地，可减少由空气供应设备30所供应的空气，以临时地减少从燃料电池10产生的电量，并且随后再次增加电量。

图7示出了应用了根据本发明的示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法的大面积堆的示例性气体扩散层的示例性阴极通道。

当将去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法应用于大面积堆时，在阴极的出口侧处的空气浓度可小于在阴极的入口侧处的空气浓度。

因此，通过产生更多的热可去除冷凝水并且因此可将大面积堆中的冷凝水更充分的蒸发和去除。

图8和图9是示出根据本发明的示例性实施方式的去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的装置的示图。

在图8中，控制器40可使用温度传感器60测量用于冷却燃料电池10的冷却水70的温度，以便控制供应至燃料电池10的阴极的空气量。

然而，如图9所示，使用温度传感器60可测量从空气供应设备30供应的空气温度，并且控制器40可接收所测量的值，由此确定是否完成燃料电池10的预热。

在本发明的各种示例性实施方式中，去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法可以减少供应至阴极的空气的SR持续预定时间并且然后增加SR。该方法还可通过测量燃料电池10的温度确定是否去除催化剂层和气体扩散层中的冷凝水。当确定在燃料电池中产生冷凝水时，可减少供应至阴极的空气量并且由此可增加燃料电池10的温度，并且通过测量燃料电池10的温度是否上升至预定蒸发温度或更高(其是足以使燃料电池内的冷凝水蒸发的温度)可去除燃料电池中的冷凝水。此外，还可执行用于充分增加燃料电池10的温度以去除冷凝水并且随后将空气量增加至最初供应的空气量的过程。

已经参考本发明的示例性实施方式详细描述了本发明。然而，本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的原理和精神、在所附权利要求及其等同物中限定的本发明的范围的情况下，可对这些实施方式做出改变。

Claims (11)

1.一种去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法，包括以下步骤：

确定在所述燃料电池的所述气体扩散层和所述催化剂层中是否产生所述冷凝水的所述燃料电池的状态；

当确定在所述气体扩散层和所述催化剂层中产生所述冷凝水时，将供应至所述燃料电池的阴极的空气量减少预定的量；

测量所述燃料电池的堆的温度；以及

当所述燃料电池的所述堆的测量温度上升至预定蒸发温度或者更高时，将供应至所述燃料电池的所述阴极的所述空气量增加所述预定的量以达到供应至所述燃料电池的所述阴极的初始空气量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在确定在所述燃料电池的所述气体扩散层和所述催化剂层中是否产生所述冷凝水的步骤中，当所述燃料电池的输出值与正常状态下的输出值之间的差大于预定差值时，确定产生所述冷凝水。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在测量所述燃料电池的所述堆的所述温度的步骤中，所述温度是供应至所述燃料电池的冷却水的温度或者供应至所述燃料电池的所述阴极的空气的温度。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

在确定在所述燃料电池的所述气体扩散层和所述催化剂层中是否产生所述冷凝水之前，确定所述燃料电池的预热是否完成。

5.一种去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的方法，包括以下步骤：

确定在所述燃料电池的所述气体扩散层和所述催化剂层中是否产生所述冷凝水；

当确定在所述气体扩散层和所述催化剂层中产生所述冷凝水时，将供应至所述燃料电池的阴极的空气量减少预定的量；

供应被减少所述预定量的所述空气量持续预定时间；并且

在所述预定时间过去之后，将供应至所述燃料电池的所述阴极的所述空气量增加所述预定的量以达到初始空气量。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在确定在所述燃料电池的所述气体扩散层和所述催化剂层中是否产生所述冷凝水的步骤中，当所述燃料电池的输出值与正常状态下的预定输出值之间的差大于预定差值时，确定产生所述冷凝水。

7.一种用于去除燃料电池的气体扩散层和催化剂层中的冷凝水的装置，包括：

确定单元，确定在所述燃料电池的所述气体扩散层和所述催化剂层中是否产生所述冷凝水；

温度传感器单元，测量所述燃料电池的温度；以及

控制单元，基于通过所述温度传感器单元测量的所述温度和通过所述确定单元确定的结果，控制供应至所述燃料电池的阴极的空气量。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述确定单元基于所述燃料电池的输出值与正常状态下的预定输出值之间的差确定是否产生所述冷凝水，其中，当所述差大于预定差值时，确定产生所述冷凝水。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述温度传感器单元测量所述燃料电池的堆中的所述燃料电池的所述温度、供应至所述燃料电池的冷却水的所述温度、或者被供应至所述燃料电池的所述阴极的所述空气的所述温度。

10.根据权利要求7所述的装置，其中，当通过所述确定单元确定产生所述冷凝水时，所述控制单元将供应至所述燃料电池的所述阴极的所述空气量减少预定的量；并且当通过所述温度传感器单元测量的所述燃料电池的所述温度上升至所述预定蒸发温度或者更高时，所述控制单元将供应至所述燃料电池的所述空气量增加所述预定的量以达到初始量。

11.根据权利要求7所述的装置，其中，当通过所述确定单元确定产生所述冷凝水时，所述控制单元将供应至所述燃料电池的所述阴极的所述空气量减少预定的量，并且在供应所述空气持续所述预定时间之后，所述控制单元将供应至所述燃料电池的所述阴极的所述空气量增加所述预定的量以达到所述空气的所述初始量。