CN116525883B - 燃料电池水淹问题解决装置、解决方法及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地说，它涉及一种燃料电池水淹问题解决装置、解决方法及燃料电池，其中，燃料电池水淹问题解决装置包括送风机构和混合机构；所述混合机构用于将吸水颗粒混合入送风机构的风内，并将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道。根据本发明的技术方案，其通过在阴极流道的风中混合吸水颗粒，比如气凝胶颗粒，吸水颗粒在阴极流道中流通，吸水颗粒能在湿度80%以下即凝结为液滴，同时气体的扩散性能远强于液体的扩散性能，保证了催化层和微孔层内的水蒸气不会过饱和，避免了催化层和微孔层因水蒸气过饱和造成水淹的现象，从而提升了燃料电池的排水能力。

Description

燃料电池水淹问题解决装置、解决方法及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池水淹问题解决装置、解决方法及燃料电池。

背景技术

在当前能源和环境问题日益严峻的局面下，氢能作为一种清洁高效的能源，逐步受到人们的关注。作为氢能利用的手段之一，质子交换膜燃料电池（Proton exchangemembrane fuel cell，PEMFC）因具有比功率高、能量转换效率高、操作温度低、耐久性好、环境友好等优点而备受青睐。但根据氢氧反应公式2H2+O2→H2O，氢燃料电池在运行过程中会产生水，且本身通入的空气具有一定湿度（通常为0.8左右），不当水管理会造成燃料电池水淹，进一步导致燃料电池功率密度的下降，严重时造成停机，危害电池寿命和运行稳定性。因此，有必要对水淹问题进行研究改善。

专利号为CN113707919A的专利公开了一种燃料电池系统电堆内部湿度判别及调控方法、系统，通过电压监测判别电堆内水淹情况，当电压超出理论计算值区间时调节入口湿度使其保持合适湿度，完成水管理的控制循环。但该专利的控制系统仅能在过程中调控湿度，具有波动性、延迟性，且导致了额外的寄生电压，没有从源头上解决水淹问题。

专利号为CN216624345U的专利披露了一种具有变截面流场通道的质子交换膜燃料电池双极板，该专利假定流体连续且不可压缩，通过周期性流道截面积变化，以及周期错位分布，形成截线向压差，清扫脊下区域积水，降低脊下水淹风险。但该专利仅强化了脊下的生成水排出性能，但周期性流道的设计造成水排出的阻力增加，催化层生成水总量不会发生变化，甚至更多，水淹的根本原因没有解决。

专利号为CN113921832A的专利公开了一种水/气分离传输的微孔层材料并设计了其应用办法，制得的材料为具有中空结构的纳米碳纤维，其内表面具有亲水性，其外表面具有疏水性，其上分布有连通内、外表面的微孔。该材料用于微孔层可以解决电池电极水淹问题，能够对膜电极中的产物水和反应物气体进行分离传输，但水会在扩散层堆积，同样造成液水堵塞扩散层孔隙，虽然可能不降低反应活性面积，但对反应物传输造成不利影响。

专利号为CN100413134C的专利提出了一种质子交换膜燃料电池无增湿操作条件的遴选方法，通过氢燃料电池生成水达成润湿膜电极的效果，简化了氢燃料系统，避免了水淹，但设计、操作复杂，不利于推广。

综上，现有技术在水淹问题中研究深入，在电池结构、材料、系统及设计方案上进行了很多探讨，但均默认运行条件和电堆结构一致时排水能力一致，未有人通过辅助物质增强氢燃料电池的排水能力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种燃料电池水淹问题解决装置、解决方法及燃料电池，主要所要解决的技术问题是：如何提升燃料电池的排水能力。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种燃料电池水淹问题解决装置，其包括送风机构和混合机构；

所述混合机构用于将吸水颗粒混合入送风机构的风内，并将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道。

在一些实施方式中，所述的燃料电池水淹问题解决装置还包括吸水颗粒输送机构，所述吸水颗粒输送机构用于向混合机构输送吸水颗粒。

在一些实施方式中，所述混合机构包括引射器，所述引射器具有混合室、进气口、抽吸口和混合室出口，所述进气口、抽吸口和混合室出口均与混合室连通；

其中，所述混合机构通过引射器的进气口接收送风机构的风，所述混合机构通过引射器的抽吸口接收吸水颗粒输送机构的吸水颗粒，所述混合机构通过引射器的混合室出口将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道。

在一些实施方式中，所述吸水颗粒输送机构包括吸水颗粒存储腔，所述吸水颗粒存储腔具有出料口，所述吸水颗粒输送机构通过吸水颗粒存储腔的出料口与引射器的抽吸口连接，以将吸水颗粒送入引射器的抽吸口。

在一些实施方式中，所述吸水颗粒存储腔的出料口的管道上设有调节阀，所述调节阀的孔径大小可调。

在一些实施方式中，所述混合机构通过引射器的进气口与送风机构的排气口连接；

和/或，所述混合机构通过引射器的混合室出口与阴极流道的进风口连接。

在一些实施方式中，所述吸水颗粒为气凝胶颗粒；

和/或，所述吸水颗粒的粒径大于燃料电池的气体扩散层的孔径。

在一些实施方式中，所述的燃料电池水淹问题解决装置还包括吸水颗粒回收利用机构；

所述吸水颗粒回收利用机构用于回收阴极流道排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构的风内重新利用。

在一些实施方式中，当燃料电池水淹问题解决装置包括吸水颗粒输送机构时，所述吸水颗粒回收利用机构包括汽液分离机构、集气分离机构和传送机构；

所述汽液分离机构用于对阴极流道排出气体进行气液分离，并将分离出的气体传输给集气分离机构；

所述集气分离机构用于分离气体中的吸水颗粒；

所述传送机构用于将集气分离机构分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构，以通过吸水颗粒输送机构将吸水颗粒送入混合机构，使吸水颗粒在混合机构内被混合入送风机构的风内。

在一些实施方式中，所述燃料电池水淹问题解决装置还包括集液蒸干机构，所述集液蒸干机构用于对汽液分离机构分离出的液体进行蒸干处理，以分离出液体中的吸水颗粒；所述传送机构还用于将集液蒸干机构分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构。

在一些实施方式中，所述集液蒸干机构包括换热器，以通过换热器回收电堆的余热，并利于回收的余热对汽液分离机构分离出的液体进行蒸干处理；

和/或，集液蒸干机构包括集液蒸干腔，以通过集液蒸干腔接收汽液分离机构分离出的液体。

在一些实施方式中，所述集气分离机构包括旋转分离器，以通过旋转分离器分离气体中的吸水颗粒；

在一些实施方式中，所述传送机构包括泵，以通过泵将分离出的吸水颗粒抽吸至吸水颗粒输送机构。

第二方面，本发明的实施例还提供一种燃料电池，其可以包括上述任一种的燃料电池水淹问题解决装置。

第三方面，本发明的实施例还提供一种燃料电池水淹问题解决方法，其可以包括以下步骤：

将吸水颗粒混合入送风机构的风内，并将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道。

在一些实施方式中，所述的燃料电池水淹问题解决方法还包括：

利用吸水颗粒输送机构输送用于混合入送风机构的风内的吸水颗粒。

在一些实施方式中，所述的燃料电池水淹问题解决方法还包括以下步骤：

回收阴极流道排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构的风内重新利用。

在一些实施方式中，当利用吸水颗粒输送机构输送用于混合入送风机构的风内的吸水颗粒时，所述回收阴极流道排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构的风内重新利用，具体包括：

对阴极流道排出气体进行气液分离；

将阴极流道排出气体中分离出的气体再次进行分离处理，以分离出气体中的吸水颗粒；

将分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构。

在一些实施方式中，所述的燃料电池水淹问题解决方法还包括以下步骤：

对阴极流道排出气体中分离出的液体进行蒸干处理，以分离出吸水颗粒；

将分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构。

在一些实施方式中，所述对阴极流道排出气体中分离出的液体进行蒸干处理，以分离出吸水颗粒，具体为：

回收电堆的余热，并利于回收的余热对分离出的液体进行蒸干处理。

借由上述技术方案，本发明燃料电池水淹问题解决装置、解决方法及燃料电池至少具有以下有益效果：

1、采用吸水颗粒混合入送风机构的风内在阴极流道内吹扫，该吸水颗粒起到吸湿作用，降低并控制燃料电池的电堆内部的湿度。电堆运行内加湿水和生成水均为纯水，在该湿度下，没有凝结核的存在，阴极侧不会存在凝结水。水蒸气在多孔层内的传递速度远大于液水的传递速度，即多孔层内湿度基本一致。这样保证了液水不会在多孔层内出现，避免水淹，提升了燃料电池的排水能力；

2、应用吸水颗粒伴随吹扫，保证燃料电池的多孔层内水蒸气处于未饱和状态，避免了液水在多孔层尤其是催化层、微孔层内的生成，能够避免氢燃料电池产生多孔层水淹的不利工况，从而极大地提升了燃料电池的效率、运行稳定性和寿命。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明的一实施例提供的一种燃料电池水淹问题解决装置机构与燃料电池的电堆的连接示意图；

图2是图1中A处的放大示意图；

图3是送风机构的风内未添加吸水颗粒时燃料电池的电堆内部的湿度分布图；

图4是送风机构的风内添加吸水颗粒时燃料电池的电堆内部的湿度分布图。

附图标记：1、送风机构；2、电堆；3、引射器；4、吸水颗粒存储腔；5、调节阀；6、回收管路；7、汽液分离机构；8、集气分离机构；9、尾气排放管；11、集液蒸干机构；12、排气管；21、阴极流道；22、阳极侧；23、质子交换膜；31、进气口；32、抽吸口；33、混合室出口；71、汽液分离机构的排气口；72、汽液分离机构的出液口；111、集液蒸干腔；112、换热器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种燃料电池水淹问题解决装置，其包括送风机构1和混合机构。混合机构用于将吸水颗粒混合入送风机构1的风内，并将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道21。其中，吸水颗粒可以为气凝胶颗粒等。燃料电池的阴极流道21形成在双极板与气体扩散层之间。阴极流道21的具体结构为现有技术，在此不再赘述。

在上述示例中，采用吸水颗粒混合入送风机构1的风内在阴极流道21内吹扫，该吸水颗粒起到吸湿作用，可以降低并控制燃料电池的电堆2内部的湿度。电堆2运行时内部的加湿水和生成水均为纯水，在该湿度下，没有凝结核的存在，阴极侧不会存在凝结水。水蒸气在多孔层内的传递速度远大于液水的传递速度，即多孔层内湿度基本一致。这样保证了液水不会在多孔层内出现，避免水淹，提升了燃料电池的排水能力。

其中，应用吸水颗粒伴随吹扫，保证燃料电池的多孔层内水蒸气处于未饱和状态，避免了液水在多孔层尤其是催化层、微孔层内的生成，能够避免氢燃料电池产生多孔层水淹的不利工况，从而极大地提升了燃料电池的效率、运行稳定性和寿命。

这里需要说明的是：燃料电池的膜电极结构具有依次层叠的气体扩散层、微孔层和催化层，上述的多孔层是指气体扩散层、微孔层和催化层三者所形成的层叠结构。

前述的吸水颗粒应为粉末材料，密度小，亲水性好，能够吸附水汽，吸水颗粒的粒径应大于燃料电池的气体扩散层的孔径，防止吸水颗粒渗入燃料电池的气体扩散层而造成堵塞。在一个具体的应用示例中，前述的吸水颗粒为气凝胶颗粒。气凝胶颗粒为市购件，其具体结构为现有技术，在此不再赘述。

优选的，吸水颗粒的粒径应大于50um。欧秀芹、梁广川的《气体扩散层对空气电极寿命的影响》认为空气电极的扩散层孔径低于1um。《气凝胶材料的发展趋势与应用前景》一文认为扩散层孔径在20~50um。在本示例中，通过将吸水颗粒的粒径设置为大于50um，可以保证即便失误排除也不会影响大气（大气固体悬浮物一般在PM10.0一下）。吸水颗粒能够耐受120℃温度。

吸水颗粒选取时，要求能在湿度为80%的条件下凝结微小液滴，便于排水。当吸水颗粒为气凝胶颗粒时，专利号为CN110918119A的专利公开了一种高吸湿性轻质多孔微粒暖云雾催化剂，该专利中提及了一种气凝胶颗粒的制备方法，通过该方法制备的气凝胶颗粒能够直吸暖云雾中的水汽分子。暖云中，湿度通常为70—80%，因此，表明通过气凝胶颗粒吸水是可行的。气凝胶颗粒可参考人工降雨制剂。

其中，当吸水颗粒比如气凝胶颗粒在电堆2的阴极流道21完成吸附生成水分的任务后，会产生直径小于1mm的包含凝结核的微小液滴，该微小液滴的直径大于气体扩散层孔径，从而使微小液滴不易渗透入气体扩散层，并且微小液滴更易于吹扫。同时，由于吸水颗粒的存在，能够降低附着在阴极流道21壁面的水膜表面张力，更利于吹扫，使液滴随尾风排出阴极流道21。

其中，图3示出了一种送风机构的风内未添加吸水颗粒时燃料电池的电堆内部的湿度分布图。从图3可以看出，假定送入燃料电池的阴极流道21的空气的湿度RH等于0.8。燃料电池在工作时，电堆2阴极侧的催化层内生成水蒸气，在不利的排水条件下，水蒸气变为过饱和水蒸气，该过饱和蒸气在催化层和微孔层凝结为液水，造成水淹。其中，由于水蒸汽直接在多孔层内凝结，电堆2阴极侧的催化层和微孔层内的湿度RH均大于1，电堆2阴极侧的气体扩散层内的湿度RH等于1左右，从阴极流道21流出的气体的湿度RH大于0.8，且小于1。

图4示出了一种送风机构的风内添加吸水颗粒时燃料电池的电堆内部的湿度分布图。从图4可以看出，假定送入燃料电池的阴极流道21的空气的湿度RH等于0.8。而本发明通过在阴极流道21的风中混合吸水颗粒，比如气凝胶颗粒，吸水颗粒在阴极流道21中流通，吸水颗粒能在湿度80%以下即凝结为液滴，同时气体的扩散性能远强于液体的扩散性能，保证了催化层和微孔层内的水蒸气不会过饱和，避免了催化层和微孔层因水蒸气过饱和造成水淹的现象。其中，由于吸水颗粒在阴极流道21内吸收水分凝结为液滴并随风吹出，使得电堆2阴极侧的催化层、微孔层和气体扩散层内的湿度RH均为0.8左右，从阴极流道21流出的气体的湿度RH也为0.8左右。

通过对图3和图4进行对比可以看出，当向阴极流道21内通入湿度相同的空气时，在空气内混合入吸水颗粒后可以降低多孔层内部的湿度，保证了催化层和微孔层内的水蒸气不会过饱和，避免了催化层和微孔层因水蒸气过饱和造成水淹的现象。

上述的送风机构可以为风机等，送风机构的具体结构为现有技术，在此不再赘述。

前述的燃料电池水淹问题解决装置还可以包括吸水颗粒输送机构，吸水颗粒输送机构用于向混合机构输送吸水颗粒。

在上述示例中，通过设置的吸水颗粒输送机构，有利于实现对吸水颗粒的自动输送，提高吸水颗粒的输送效率。

如图1和图2所示，前述的混合机构可以包括引射器3，引射器3可以为市购件，引射器3的具体结构为现有技术。引射器3是利用一股高速高能流(液流、气流或其他物质流)引射另一股低速低能流的机构，射流经收缩形喷嘴迸入混合室，通过边界的参混作用，引射流将能量传递给被引射流，掺混形成的混合区逐渐扩大而充满整个混合室，再经过一段混合过程，至混合室出口33，流动几乎成为均匀流。通常后面还有一个扩压器，以便降低流速，提高静压。引射气流可为亚声速，也可为超声速。

如图2所示，前述的引射器3具有混合室、进气口31、抽吸口32和混合室出口33。进气口31、抽吸口32和混合室出口33均与混合室连通。其中，进气口31为高速高能流的进口，抽吸口32为低速低能流的进口。混合机构通过引射器3的进气口31接收送风机构1的风，混合机构通过引射器3的抽吸口32接收吸水颗粒输送机构的吸水颗粒。混合机构通过引射器3的混合室出口33将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道21。优选的，混合机构可以通过引射器3的进气口31与送风机构1的排气口连接。混合机构可以通过引射器3的混合室出口33与阴极流道21的进风口连接。

在上述示例中，通过设置的引射器3可以利用送风机构1的高速气流在引射器3内形成射流，以在抽吸口32处形成负压，造成对吸水颗粒的卷吸，从而可以自动将吸水颗粒吸入引射器3内进行混合。

在一个具体的应用示例中，如图2所示，前述的吸水颗粒输送机构可以包括吸水颗粒存储腔4，吸水颗粒存储腔4具有出料口。吸水颗粒输送机构通过吸水颗粒存储腔4的出料口与引射器3的抽吸口32连接，以将吸水颗粒送入引射器3的抽吸口32。

在上述示例中，通过将吸水颗粒存储腔4的出料口与引射器3的抽吸口32连接，引射器3工作时可以自动抽吸吸水颗粒存储腔4内的吸水颗粒。

如图2所示，前述吸水颗粒存储腔4的出料口的管道上可以设有调节阀5，调节阀5的孔径大小可调。其中，调节阀5的具体结构为现有技术，在此不再赘述。在本示例中，通过设置的调节阀5可以对吸水颗粒存储腔4的出料量进行控制，保证进入阴极流道21的吸水颗粒能够吸附的水量等于当前运行工况电堆2理论产水量，如此具有节约吸水颗粒的优点。

前述的燃料电池水淹问题解决装置还可以包括吸水颗粒回收利用机构，该吸水颗粒回收利用机构用于回收阴极流道21排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构1的风内重新利用，如此可以提高吸水颗粒的利用率，降低成本。

为了实现上述吸水颗粒回收利用机构的功能，使吸水颗粒回收利用机构可以回收阴极流道21排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构1的风内重新利用。当燃料电池水淹问题解决装置包括用于向混合机构输送吸水颗粒的吸水颗粒输送机构时，如图1所示，吸水颗粒回收利用机构可以包括汽液分离机构7、集气分离机构8和传送机构。汽液分离机构7用于对阴极流道21排出气体进行气液分离，并将分离出的气体传输给集气分离机构8。汽液分离机构7的排气口71可以与集气分离机构8的进料口连接。集气分离机构8用于分离气体中的吸水颗粒。传送机构用于将集气分离机构8分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构，以通过吸水颗粒输送机构将吸水颗粒送入混合机构，使吸水颗粒在混合机构内被混合入送风机构1的风内。传送机构可以包括回收管路6，以通过回收管路6传送吸水颗粒。其中，当吸水颗粒输送机构包括吸水颗粒存储腔4时，吸水颗粒输送机构通过吸水颗粒存储腔4接收传送机构传送的吸水颗粒。

在上述示例中，汽液分离机构7、集气分离机构8和传送机构三者配合可以回收阴极流道21排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构1的风内重新利用。

这里需要说明的是：上述的汽液分离机构7可以为分液器，集气分离机构8可以包括旋转分离器，以通过旋转分离器分离气体中的吸水颗粒。其中，分液器和旋转分离器的具体结构均为现有技术，在此不再赘述。

上述的传送机构可以包括泵，以通过泵将分离出的吸水颗粒抽吸至吸水颗粒输送机构。当吸水颗粒输送机构包括吸水颗粒存储腔4时，吸水颗粒输送机构通过吸水颗粒存储腔4接收泵所抽吸的吸水颗粒。如图1所示，吸水颗粒存储腔4与汽液分离机构7可以通过回收管路6连接，泵可以通过该回收管路6将汽液分离机构7分离出的吸水颗粒抽吸至吸水颗粒存储腔4。

如图1所示，前述的燃料电池水淹问题解决装置还可以包括集液蒸干机构11，该集液蒸干机构11用于对汽液分离机构7分离出的液体进行蒸干处理，以分离出液体中的吸水颗粒。前述的传送机构还用于将集液蒸干机构11分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构。在一个具体的应用示例中，传送机构可以通过回收管路6将集液蒸干机构11分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构。

在上述示例中，通过集液蒸干机构11可以提取回收汽液分离机构7分离出的液体中的吸水颗粒，并将吸水颗粒送入吸水颗粒输送机构重新利用，如此可以进一步提高吸水颗粒的利用率。

如图1所示，前述的集液蒸干机构11可以包括集液蒸干腔111，以通过集液蒸干腔111接收汽液分离机构7分离出的液体。前述的汽液分离机构7具有出液口72，汽液分离机构7的出液口72与集液蒸干腔111的进口连接，以将分离出的液体排入集液蒸干腔111内。前述的集液蒸干机构11还可以包括换热器112，以通过换热器112回收电堆2的余热，并利于回收的余热对汽液分离机构7分离出的液体进行蒸干处理。其中，利用换热器112给电堆2散热，将这一部分热量进行回收，和锅炉余热回收的原理相同，其回收余热的具体结构为现有技术，在此不再赘述。

在上述示例中，通过换热器112收集电堆2的余热，并利用该余热对汽液分离机构7分离出的液体进行蒸干处理，如此可以对电堆2的余热进行充分的回收利用。

这里需要说明的是：如图1所示，前述的燃料电池包括电堆2，电堆2具有双极板和质子交换膜23，质子交换膜23与双极板之间设有气体扩散层，双极板与气体扩散层之间形成阴极流道21。该阴极流道21位于质子交换膜23的一侧，阳极位于质子交换膜23的另一侧。其中，上述的换热器112可以设置在电堆2的阳极侧22。

本发明的一个实施例还提出一种燃料电池，其可以包括上述任一种的燃料电池水淹问题解决装置。在本示例中，由于燃料电池采用上述燃料电池水淹问题解决装置的缘故，其通过在阴极流道21的风中混合吸水颗粒，比如气凝胶颗粒，吸水颗粒在阴极流道21中流通，吸水颗粒能在湿度80%以下即凝结为液滴，同时气体的扩散性能远强于液体的扩散性能，保证了催化层和微孔层内的水蒸气不会过饱和，避免了催化层和微孔层因水蒸气过饱和造成水淹的现象，从而提升了燃料电池的排水能力。

在一个具体的应用示例中，上述的燃料电池可以为氢燃料电池等。

本发明的一个实施例还提出一种燃料电池水淹问题解决方法，其包括以下步骤：将吸水颗粒混合入送风机构1的风内，并将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道21。其中，吸水颗粒可以为气凝胶颗粒等。吸水颗粒的粒径大于燃料电池的气体扩散层的孔径，以防止吸水颗粒渗入气体扩散层对其造成堵塞。其中，可以利用混合机构将吸水颗粒混合入送风机构1的风内，并将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道21。

在上述示例中，其通过在阴极流道21的风中混合吸水颗粒，吸水颗粒在阴极流道21中流通，吸水颗粒能在湿度80%以下即凝结为液滴，同时气体的扩散性能远强于液体的扩散性能，保证了催化层和微孔层内的水蒸气不会过饱和，避免了催化层和微孔层因水蒸气过饱和造成水淹的现象，从而提升了燃料电池的排水能力。

为了提高吸水颗粒的输送效率，优选的，可以利用吸水颗粒输送机构输送用于混合入送风机构1的风内的吸水颗粒。

在一个具体的应用示例中，如图1和图2所示，前述的混合机构可以包括引射器3，混合机构通过引射器3的进气口31接收送风机构1的风，混合机构通过引射器3的抽吸口32接收吸水颗粒输送机构的吸水颗粒，混合机构通过引射器3的混合室出口33将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道21。吸水颗粒输送机构包括吸水颗粒存储腔4，吸水颗粒存储腔4具有出料口，吸水颗粒输送机构通过吸水颗粒存储腔4的出料口与引射器3的抽吸口32连接，以将吸水颗粒送入引射器3的抽吸口32。

前述的燃料电池水淹问题解决方法还包括以下步骤：回收阴极流道21排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构1的风内重新利用。

在上述示例中，通过回收利用吸水颗粒，可以提高吸水颗粒的利用率。

其中，当利用吸水颗粒输送机构输送用于混合入送风机构1的风内的吸水颗粒时，所述回收阴极流道21排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构1的风内重新利用，具体包括：

步骤S11：对阴极流道21排出气体进行气液分离。具体来说，可以利用汽液分离机构7对阴极流道21排出气体进行气液分离，该汽液分离机构7可以为分液器等。

步骤S12：将阴极流道21排出气体中分离出的气体再次进行分离处理，以分离出气体中的吸水颗粒。具体来说，可以利用集气分离机构8将阴极流道21排出气体中分离出的气体再次进行分离处理，以分离出气体中的吸水颗粒。该集气分离机构8可以包括旋转分离器，以通过旋转分离器将阴极流道21排出气体中分离出的气体再次进行分离处理，以分离出气体中的吸水颗粒。

步骤S13：将分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构。具体的，可以利用泵将分离出的吸水颗粒抽吸至吸水颗粒输送机构。当吸水颗粒输送机构包括吸水颗粒存储腔4时，吸水颗粒输送机构通过吸水颗粒存储腔4接收泵所抽吸的吸水颗粒。

前述的燃料电池水淹问题解决方法还包括以下步骤：

步骤S21：对阴极流道21排出气体中分离出的液体进行蒸干处理，以分离出吸水颗粒。具体的，可以回收电堆2的余热，并利于回收的余热对分离出的液体进行蒸干处理。

其中，可以采用换热器112回收电堆2的余热，并利于回收的余热对汽液分离机构7分离出的液体进行蒸干处理。此处利用换热器112给电堆2散热，将这一部分热量进行回收，和锅炉余热回收的原理相同，其回收余热的具体结构为现有技术，在此不再赘述。

步骤S22：将分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构，以对分离出的吸水颗粒重新利用，如此可以进一步提高吸水颗粒的利用率。

为方便理解，下面对本发明的整体结构进行描述，并对其工作原理进行阐述。

本发明通过在现有燃料电池的阴极流道21的进风口与送风机构1之间加装混合机构，该混合机构可以为引射器3，引射器3的抽吸口32与吸水颗粒存储腔4连接。引射器3的进气口31与送风机构1的排气口连接，引射器3的混合室出口33与阴极流道21的进风口连接。引射器3的抽吸口32通过送风机构1所吹出空气的高速流动提供负压，抽吸吸水颗粒存储腔4内的吸水颗粒。吸水颗粒被吸入引射器3内部与送风机构1的风进行混合，然后被引射器3送入燃料电池的阴极流道21。其中，燃料电池可以为氢燃料电池，吸水颗粒可以为气凝胶颗粒等。

吸水颗粒存储腔4的出料口的管道上可以设有调节阀5，调节阀5的孔径可变，可以根据引射器3入口速度经计算自动调整调节阀5的孔径，保证进入阴极流道21的吸水颗粒能够吸附的水量等于当前运行工况电堆2理论产水量。

吸水颗粒在阴极流道21内吸附水分后从阴极流道21的出气口随风一起排出，吸水颗粒与空气一同进入吸水颗粒回收利用机构，该机构首先利用汽液分离机构7对排出气体进行汽水分离，分离出的气体直接进入集气分离机构8，集气分离机构8对流入的气体再次进行分离，以分离出气体中的吸水颗粒。吸水颗粒可以通过回收管路6流入吸水颗粒存储腔4。汽液分离机构7分离出的液体进入集液蒸干机构11的集液蒸干腔111，集液蒸干机构11通过换热器112回收电堆2的余热，并利于回收的余热对汽液分离机构7分离出的液体进行蒸干处理，以分离出液体中的吸水颗粒。吸水颗粒可以通过回收管路6流入吸水颗粒存储腔4。集液蒸干机构11内的液体蒸发后变为水蒸汽可以从排气管12进入集气分离机构8，从集气分离机构8的尾气排放管9排出。

其中，燃料电池水淹问题解决装置的运行流程为：电堆2启动-送风机构1启动-电堆2稳定运行-吸水颗粒输入-电堆2阴极流道21除水-吸水颗粒吹出-汽水分离-吸水颗粒回收利用。

本发明利用吸水颗粒比如气凝胶微粒材料作为凝结核，该吸水颗粒应为粉末材料，密度小，亲水性好，能够吸附水汽，并且吸水颗粒的粒径应大于气体扩散层的孔径，优选的，吸水颗粒的粒径应大于50um。吸水颗粒能在湿度为80%的条件下凝结微小液滴，该微小液滴的直径小于1mm。在上述条件下，吸水颗粒不会被吹扫到燃料电池的多孔层中，在吸水颗粒在吸附水后液滴微小，有利于随空气吹出流道，方便排水。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (19)

1.一种燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，包括送风机构(1)和混合机构；

所述混合机构用于将吸水颗粒混合入送风机构(1)的风内，并将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道(21)；

所述吸水颗粒为气凝胶颗粒，所述吸水颗粒的粒径大于燃料电池的气体扩散层的孔径。

2.如权利要求1所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，还包括吸水颗粒输送机构，所述吸水颗粒输送机构用于向混合机构输送吸水颗粒。

3.如权利要求2所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，

所述混合机构包括引射器(3)，所述引射器(3)具有混合室、进气口(31)、抽吸口(32)和混合室出口(33)，所述进气口(31)、抽吸口(32)和混合室出口(33)均与混合室连通；

其中，所述混合机构通过引射器(3)的进气口(31)接收送风机构(1)的风，所述混合机构通过引射器(3)的抽吸口(32)接收吸水颗粒输送机构的吸水颗粒，所述混合机构通过引射器(3)的混合室出口(33)将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道(21)。

4.如权利要求3所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，

所述吸水颗粒输送机构包括吸水颗粒存储腔(4)，所述吸水颗粒存储腔(4)具有出料口，所述吸水颗粒输送机构通过吸水颗粒存储腔(4)的出料口与引射器(3)的抽吸口(32)连接，以将吸水颗粒送入引射器(3)的抽吸口(32)。

5.如权利要求4所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，

所述吸水颗粒存储腔(4)的出料口的管道上设有调节阀(5)，所述调节阀(5)的孔径大小可调。

6.如权利要求3至5中任一项所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，

所述混合机构通过引射器(3)的进气口(31)与送风机构(1)的排气口连接；

和/或，所述混合机构通过引射器(3)的混合室出口(33)与阴极流道(21)的进风口连接。

7.如权利要求1至5中任一项所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，还包括吸水颗粒回收利用机构；

所述吸水颗粒回收利用机构用于回收阴极流道(21)排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构(1)的风内重新利用。

8.如权利要求7所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，当燃料电池水淹问题解决装置包括吸水颗粒输送机构时，所述吸水颗粒回收利用机构包括汽液分离机构(7)、集气分离机构(8)和传送机构；

所述汽液分离机构(7)用于对阴极流道(21)排出气体进行气液分离，并将分离出的气体传输给集气分离机构(8)；

所述集气分离机构(8)用于分离气体中的吸水颗粒；

所述传送机构用于将集气分离机构(8)分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构，以通过吸水颗粒输送机构将吸水颗粒送入混合机构，使吸水颗粒在混合机构内被混合入送风机构(1)的风内。

9.如权利要求8所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，

所述燃料电池水淹问题解决装置还包括集液蒸干机构(11)，所述集液蒸干机构(11)用于对汽液分离机构(7)分离出的液体进行蒸干处理，以分离出液体中的吸水颗粒；所述传送机构还用于将集液蒸干机构(11)分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构。

10.如权利要求9所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，

所述集液蒸干机构(11)包括集液蒸干腔(111)，以通过集液蒸干腔(111)接收汽液分离机构(7)分离出的液体；

和/或，所述集液蒸干机构(11)包括换热器(112)，以通过换热器(112)回收电堆(2)的余热，并利于回收的余热对汽液分离机构(7)分离出的液体进行蒸干处理。

11.如权利要求8至10中任一项所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，

所述集气分离机构包括旋转分离器，以通过旋转分离器分离气体中的吸水颗粒。

12.如权利要求8至10中任一项所述的燃料电池水淹问题解决装置，其特征在于，

所述传送机构包括泵，以通过泵将分离出的吸水颗粒抽吸至吸水颗粒输送机构。

13.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1至12中任一项所述的燃料电池水淹问题解决装置。

14.一种燃料电池水淹问题解决方法，其特征在于，包括以下步骤：

将吸水颗粒混合入送风机构(1)的风内，并将混合有吸水颗粒的风送入燃料电池的阴极流道(21)；其中，所述吸水颗粒为气凝胶颗粒，所述吸水颗粒的粒径大于燃料电池的气体扩散层的孔径。

15.如权利要求14所述的燃料电池水淹问题解决方法，其特征在于， 还包括：

利用吸水颗粒输送机构输送用于混合入送风机构(1)的风内的吸水颗粒。

16.如权利要求14或15所述的燃料电池水淹问题解决方法，其特征在于，还包括以下步骤：

回收阴极流道(21)排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构(1)的风内重新利用。

17.如权利要求16所述的燃料电池水淹问题解决方法，其特征在于，当利用吸水颗粒输送机构输送用于混合入送风机构(1)的风内的吸水颗粒时，所述回收阴极流道(21)排出气体中的吸水颗粒，并将回收的吸水颗粒混合入送风机构(1)的风内重新利用，具体包括：

对阴极流道(21)排出气体进行气液分离；

将阴极流道(21)排出气体中分离出的气体再次进行分离处理，以分离出气体中的吸水颗粒；

将分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构。

18.如权利要求17所述的燃料电池水淹问题解决方法，其特征在于，还包括以下步骤：

对阴极流道(21)排出气体中分离出的液体进行蒸干处理，以分离出吸水颗粒；

将分离出的吸水颗粒传送至吸水颗粒输送机构。

19.如权利要求18所述的燃料电池水淹问题解决方法，其特征在于，所述对阴极流道(21)排出气体中分离出的液体进行蒸干处理，以分离出吸水颗粒，具体为：

回收电堆(2)的余热，并利于回收的余热对分离出的液体进行蒸干处理。