CN111668515A - 一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法 - Google Patents

一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法。所述方法包括以下步骤：减少通入燃料电池的空气流量，降低空气计量比，使燃料电池气体扩散层中的水蒸发和/或挤压到流道中，以去除燃料电池气体扩散层中的水。本发明提供的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法通过降低空气计量比的控制方法，增大发热量，使得凝结的水滴蒸发为水蒸气，解决水淹问题；同时通过降低空气计量比，使得燃料电池的膜上附着的催化剂温度向两侧呈逐渐降低趋势，形成压力梯度，导致水分子从气体扩散层中被挤压到流道中，随气体排放到系统外，解决了系统的水淹问题。相比于现有技术中采用过量气体吹扫的方法，本发明可以更有效更快速地去除气体扩散层中存在的水。

Description

一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法。
背景技术
水管理是燃料电池运行过程中的重点与难点，直接关系到燃料电池的性能指标甚至是寿命，水淹是不良的水管理的表现之一。水淹将阻碍气体的流动，导致反应缺气而引发气体副反应，加速催化层内碳的腐蚀，还会引起局部的温度热点。
现有解决水淹的方法是向流道中通入过量干空气进行吹扫解决电堆的水淹问题。
在燃料电池中，阳极的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再返回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系列的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。从上可以看出由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生。
电化学反应产生的水蒸气通过催化剂层和GDL排放到通道中。在此过程中，一些蒸汽被凝聚在气体扩散层(GDL)的孔内。
CN103490083A公开了一种燃料电池防水淹控制方法。通过流程参数计算和试验测试得到燃料电池正常运行条件下氢气压力降的理论值。通过水淹试验和流道参数得到防止水淹的压力降控制上限。通过对反应温度和稳定时间的调节实现防止水淹的控制过程。
CN108258268A公开了一种燃料电池组合电堆系统水故障的控制方法及装置，燃料电池组合电堆系统的第一电堆和第二电堆并联或串联供能，且第一电堆和第二电堆的冷却水支路上分别设置有流量调节阀，其中，方法包括：获取电堆系统在每个正常工况的氢气压力降基准值，以得到调控控制线；采集当前氢气侧压力降，并在当前氢气侧压力降高于当前正常工况对应的调控控制线时，根据第一电堆和第二电堆的电压或电流判定故障电堆；减小故障电堆流量调节阀的开度，并且增加另个电堆的流量调节阀的开度。
CN105720274A公开了一种在燃料电池催化层中防止孔道水淹的方法，涉及燃料电池。包括以下步骤：1)根据催化剂的孔道结构和孔径大小选择不堵塞催化剂孔道的疏水剂；2)将疏水剂加入催化剂浆料中，使疏水剂均匀覆盖在粒子表面，在燃料电池催化层中构建防水透气膜，实现在燃料电池催化层中防止孔道水淹。
CN109037724A公开了一种抑制燃料电池气体扩散层水淹的膜，以脱油沥青为碳源，二茂铁为催化剂，纤维状压电材料作为基底材料，使用真空等离子体化学气相沉积在压电材料纤维表面生长碳纤维，之后将负载碳纤维的压电材料纤维与环氧树脂及助剂进行复合，通过涂膜、热压工序制备为燃料电池用/碳布。
但是上述方法去除燃料电池气体扩散层中的水的效果均有待进一步提升。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法。本发明提供的方法能够快速去除燃料电池气体扩散层中的水，防止扩散层中水气积聚导致电堆水淹，相比于现有技术中采用过量气体吹扫的方法，本发明可以更有效的去除气体扩散层中存在的水。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，所述方法包括以下步骤：
减少通入燃料电池的空气流量，降低空气计量比，使燃料电池气体扩散层中的水蒸发和/或挤压到流道中，以去除燃料电池气体扩散层中的水。
本发明提供的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法通过降低空气的化学计量比，使得电堆输出电压下降的同时，会产生大量的热量。由于反应发生在催化剂层，产生的热量使得催化剂层的温度最高，当进入流道时，温度会越来越低，形成压力梯度。在燃料电池中，无论催化剂层、气体扩散层、流道中都有液态水存在，即都达到了饱和状态(在密闭条件中，在一定温度下，与固体或液体处于相平衡的蒸气所具有的压强称为饱和蒸气压。同一物质在不同温度下有不同的饱和蒸气压，并随着温度的升高而增大)，故温度越高，压力越高。
因此，降低空气剂量比产生了两种效果均对水淹有帮助，一种是产生了大量的热使水分子蒸发；另一种是由于产热导致气体扩散层两侧压力不同，近催化剂侧压力较高，近流道侧压力较低，形成压力差，使水分子在压力作用下排放到流道中，随流道中气体排到系统外。氧供应量越少，输出电压越低，产生的热量越多，蒸发量越多，压力差越大，排水效果越好。
对于普通燃料电池，产生的热量较少，不足以形成较大的压力差而排出存在于气体扩散层中的水分子，本发明提供的方案通过降低空剂量比，产生大量的热，从而加大了气体扩散层两侧的压力差，保证水分子可以更快速的排放到流道当中，随空气流动排出系统，解决电堆水淹问题。
因此本发明提供的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法通过减少空气流量，降低空气计量比，可以更有效的去除气体扩散层中存在的水。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述燃料电池包括氢氧燃料电池。
优选地，所述燃料电池主要由膜电极组成。
作为本发明优选的技术方案，所述减少通入燃料电池的空气流量的方法包括降低空压机的转速。
因为一般燃料电池据使用空压机作为输入空气的动力来源，因此通过降低空压机的转速，可以有效地减少通入燃料电池的空气量。
优选地，降低空压机的转速至60000-90000rpm，例如60000rpm、65000rpm、70000rpm、75000rpm、80000rpm、85000rpm或90000rpm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述空气流量降低至25-150g/s，例如25g/s、30g/s、40g/s、50g/s、60g/s、70g/s、80g/s、85g/s、90g/s、95g/s、100g/s、105g/s、110g/s、115g/s、120g/s、125g/s、130g/s、135g/s、140g/s、145g/s或150g/s等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述空气计量比降低至0.5-2.5，例如0.5、1、1.5、2或2.5等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明提供的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法中，使用0.5-2.5的空气计量比可以取得更加优良的效果。如果降低后的空气计量比过高，会导致无法产生去除气体扩散层中水分子的效果，且造成空压机功耗增大，使得空压机功率增大，增加系统负担；如果降低后的空气计量比过低，会导致氧气饥饿严重，损害电堆寿命。
作为本发明优选的技术方案，所述空气计量比为供给到燃料电池电堆的空气质量与燃料电池电堆发电所需的空气质量的比值。
作为本发明优选的技术方案，所述燃料电池电堆发电所需的空气质量的计算方法为：
燃料电池电堆发电所需的空气质量＝(I×M×N)/(4×F×21％)；
其中I为电堆电流，单位为安培(A)；
M为空气摩尔质量(一般取29g/mol)；
N为电堆的单电池片数；
F为法拉第常数，取96485.3C/mol。
作为本发明优选的技术方案，所述空气计量比的计算方法为：
λ＝(mair×4×F×21％)/(I×M×N)；
其中λ为空气计量比；
mair为空气质量流量，单位为克每秒(g/s)；
I为电堆电流，单位为安培(A)；
M为空气摩尔质量(一般取29g/mol)；
N为电堆的单电池片数；
F为法拉第常数，取96485.3C/mol。
由公式可得，若保持电流不变，空气质量流量降低则空气计量比计量比降低。由电堆的化学特性导致，当空气计量比降低导致电堆单体电压和输出电压下降。
本发明中，电堆发热量计算公式为Q＝N×(K-Vcell)×I；
其中，Q为电堆发热量，单位(W)；
K为经验常数值，一般为1.254～1.482之间；
N为电堆的单电池片数；
Vcell为电堆单体电压；
I为电堆电流，单位为安培(A)。
由公式可知，同样保持电流不变，随着空气供应质量减少，空气计量比减少，导致电堆单体电压下降，进而使得发热量增大。
作为本发明优选的技术方案，所述去除燃料电池气体扩散层中的水的方法中，保持燃料电池的电流不变。
本发明中，保持电流不变的目的在于降低单体的输出电压，进而增大发热量。
优选地，所述去除燃料电池气体扩散层中的水的方法中，保持空气压力不变。
本发明中，保持空气压力不变的目的在于防止产生突然的压力波动，损坏电堆。降低系统寿命。
优选地，所述空气压力为2-3bar，例如2bar、2.2bar、2.4bar、2.6bar、2.8bar或3bar等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明所述去除燃料电池气体扩散层中的水的方法的进一步优选技术方案，所述方法包括以下步骤：
保持燃料电池的电流不变，保持空气压力不变，降低空压机的转速至60000-90000rpm，减少通入燃料电池的空气流量至25-150g/s，降低空气计量比至0.5-2.5，使燃料电池气体扩散层中的水蒸发和/或挤压到流道中，以去除燃料电池气体扩散层中的水；
其中，所述燃料电池包括氢氧燃料电池并且所述燃料电池主要由膜电极组成；
所述空气压力为2-3bar；
所述空气计量比的计算方法为：
λ＝(mair×4×F×21％)/(I×M×N)，其中λ为空气计量比，mair为空气质量流量，单位为克每秒，I为电堆电流，单位为安培，M为空气摩尔质量，N为电堆的单电池片数，F为法拉第常数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法通过降低空气计量比的控制方法，增大发热量，使得凝结的水滴蒸发为水蒸气，解决水淹问题；同时通过降低空气计量比，使得燃料电池的膜上附着的催化剂温度向两侧呈逐渐降低趋势，形成压力梯度，导致水分子从气体扩散层中被挤压到流道中，随气体排放到系统外，解决了系统的水淹问题。相比于现有技术中采用过量气体吹扫的方法，本发明可以更有效更快速地去除气体扩散层中存在的水。
附图说明
图1为实施例1提供的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法用于燃料电池控制流程的示意图。
图2为用实施例1的燃料电池进行的不同空气计量比下的输出电压和产热量关系测试得到的结果图。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1
本实施例提供一种去除燃料电池气体扩散层中的水，并将其用于燃料电池控制流程，如图1所示，具体为：
采用氢氧燃料电池，该燃料电池由膜电极组成，燃料电池电堆的单电池片数为400片，输出电流为580A。根据燃料电池电堆发电所需的空气质量＝(I×M×N)/(4×F×21％)计算，得到燃料电池电堆发电所需的空气质量流量为83g/s。
该燃料电池在某一工况(上述电流输出工况)时的供给空气流量为150g/s，空气压为2.5bar，根据空气剂量比＝供给到电堆的空气质量/电堆发电所需的空气质量，计算得到空气计量比为1.8。此时空压机转速为空压机额定转速，为90000rpm。
燃料电池电堆在该工况运行，如果气体扩散层不产生水淹，则电堆正常运行，运行结束后关机。如果气体扩散层产生水淹现象，则采用以下方法去除燃料电池气体扩散层中的水：
保持燃料电池的电流不变，保持空气压力为2.5bar，将空压机的转速下调至80000rpm，此时空气供给流量降低为110g/s，使得空气计量比为1.32，此时电堆单体电压下降，电堆膜电极产热量增加，促使水分子排出气体扩散层，经过17s时间，消除水淹现象。
本实施例中还利用上述燃料电池电堆测试了不同空气计量比下的输出电压和产热量关系测试，其结果如图2所示，由该图可以看出随着化学计量比的增加，反应产生的热量越低；随着化学计量比的降低，反应产生的热量增加。
实施例2
本实施例提供一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，具体为：
使用实施例1的燃料电池电堆，在按照实施例1的工况下下产生水淹后，保持燃料电池的电流不变，电堆所需空气流量不变，保持空气压力为2.5bar，将空压机的转速下调至76000rpm，此时空气供给流量降低为83.3g/s，使得空气计量比为1，此时电堆单体电压下降，电堆膜电极产热量增加，促使水分子排出气体扩散层，经过12s时间，消除水淹现象。
实施例3
本实施例提供一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，具体为：
使用实施例1的燃料电池电堆，该燃料电池实际另外一工况下的所需空气流量为30g/s，供给空气流量为72g/s，空气压为1.6bar，根据空气剂量比＝供给到电堆的空气质量/电堆发电所需的空气质量，计算得到空气计量比为2.4。此时空压机转速为60000rpm。
燃料电池电堆的气体扩散层发生水淹后，保持燃料电池的电流不变，保持空气压力为1.6bar，将空压机的转速下调至50000rpm，此时空气流量降低为25g/s，使得空气计量比为0.8，此时电堆单体电压下降，电堆膜电极产热量增加，促使水分子排出气体扩散层，经过8s时间，消除水淹现象。
实施例4
本实施例提供一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，具体为：
使用实施例1的燃料电池电堆，该燃料电池某一空况下，所需空气质量为75g/s，供给空气流量为150g/s，空气压为2bar，根据空气剂量比＝供给到电堆的空气质量/电堆发电所需的空气质量，计算得到空气计量比为2。此时空压机转速为85000rpm。
燃料电池电堆的气体扩散层发生水淹后，保持燃料电池的电流不变，保持空气压力为2bar，将空压机的转速下调至62000rpm，此时空气流量降低为50g/s，使得空气计量比为0.67，此时电堆单体电压下降，电堆膜电极产热量增加，促使水分子排出气体扩散层，经过6s时间，消除水淹现象。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于去除燃料电池气体扩散层中的水的方法不是减少空气流量减小空气计量比，而是用200g/s的过量干燥空气进行吹扫。
此种方法存在的不足在于吹扫只能快速去除流道中的水分子，无法快速去除GDL中的水分子。
综合上述实施例和对比例可知，实施例提供的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法通过降低空气计量比的控制方法，增大发热量，使得凝结的水滴蒸发为水蒸气，解决水淹问题；同时通过降低空气计量比，使得燃料电池的膜上附着的催化剂温度向两侧呈逐渐降低趋势，形成压力梯度，导致水分子从气体扩散层中被挤压到流道中，随气体排放到系统外，解决了系统的水淹问题，可以更快速地去除气体扩散层中存在的水。
对比例采用的是过量气体吹扫的方法，其在处理效率上不及实施例的方法。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
减少通入燃料电池的空气流量，降低空气计量比，使燃料电池气体扩散层中的水蒸发和/或挤压到流道中，以去除燃料电池气体扩散层中的水。
2.根据权利要求1所述的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，其特征在于，所述燃料电池包括氢氧燃料电池；
优选地，所述燃料电池主要由膜电极组成。
3.根据权利要求1或2所述的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，其特征在于，所述减少通入燃料电池的空气流量的方法包括降低空压机的转速；
优选地，降低空压机的转速至60000-90000rpm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，其特征在于，所述空气流量降低至25-150g/s。
5.根据权利要求1-4任一项所述的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，其特征在于，所述空气计量比降低至0.5-2.5。
6.根据权利要求1-5任一项所述的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，其特征在于，所述空气计量比为供给到燃料电池电堆的空气质量与燃料电池电堆发电所需的空气质量的比值。
7.根据权利要求1-6任一项所述的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，其特征在于，所述燃料电池电堆发电所需的空气质量的计算方法为：
燃料电池电堆发电所需的空气质量＝(I×M×N)/(4×F×21％)，其中I为电堆电流，单位为安培，M为空气摩尔质量，N为电堆的单电池片数，F为法拉第常数。
8.根据权利要求1-7任一项所述的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，其特征在于，所述空气计量比的计算方法为：
λ＝(mair×4×F×21％)/(I×M×N)，其中λ为空气计量比，mair为空气质量流量，单位为克每秒，I为电堆电流，单位为安培，M为空气摩尔质量，N为电堆的单电池片数，F为法拉第常数。
9.根据权利要求1-8任一项所述的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，其特征在于，所述去除燃料电池气体扩散层中的水的方法中，保持燃料电池的电流不变；
优选地，所述去除燃料电池气体扩散层中的水的方法中，保持空气压力不变；
优选地，所述空气压力为2-3bar。
10.根据权利要求1-9任一项所述的去除燃料电池气体扩散层中的水的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
保持燃料电池的电流不变，保持空气压力不变，降低空压机的转速至60000-90000rpm，减少通入燃料电池的空气流量至25-150g/s，降低空气计量比至0.5-2.5，使燃料电池气体扩散层中的水蒸发和/或挤压到流道中，以去除燃料电池气体扩散层中的水；
其中，所述燃料电池包括氢氧燃料电池并且所述燃料电池主要由膜电极组成；
所述空气压力为2-3bar；
所述空气计量比的计算方法为：
λ＝(mair×4×F×21％)/(I×M×N)，其中λ为空气计量比，mair为空气质量流量，单位为克每秒，I为电堆电流，单位为安培，M为空气摩尔质量，N为电堆的单电池片数，F为法拉第常数。
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刘曙光: "《燃料电池系统特性》", 30 September 2018 *

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