如何抑制阳极路凝结水流入燃料电池堆？

本篇丰田汽车专利提出了一种抑制凝结水的生成并防止其流入燃料电池堆的控制策略。该方案基于检测的氢气温度，调节并联的喷射器组的使用比例，来调节混合气体中有湿度的循环气体的比例，以控制其进入燃料电池堆中，从而抑制并减少冷凝水的生成，进而减少流入燃料电池堆的凝结水量，并抑制燃料电池堆的发电性能下降。如需本篇专利原文及相关技术解决方案，详见文末！

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种广泛使用的车用燃料电池技术。PEMFC一般包括固体聚合物电解质-质子交换膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括均匀分布的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化剂混合物沉积在质子交换膜的两侧。阳极催化层、阴极催化层和质子交换膜组成了膜电极组件(MEA)。

通常将几个燃料电池组合在一个燃料电池电堆中以产生所需的功率。一个车用燃料电池电堆一般包括大约300-400片燃料电池。燃料电池电堆又包括一系列位于堆内多个MEA之间的流场或双极板。在双极板的阳极侧设有阳极气体流动通道，允许阳极气体流向MEA的阳极侧。在双极板的阴极侧设有阴极气体流动通道，允许阴极气体流向MEA的阴极侧。双极板之间还包括冷却流体流经的通道。

01

存在问题

在燃料电池的正常运行过程中，干燥的新氢气体的温度通常低于高湿度的循环气体的温度。当这两种气体在系统中汇流混合时，由于温差和湿度差异，会在混合过程中产生大量的冷凝水。这些冷凝水一旦进入燃料电池堆，可能会在电极和催化层上积聚，导致气体传输阻力增加，从而影响燃料电池的反应效率和发电性能。

因此，抑制冷凝水的产生和防止其进入燃料电池堆，是确保燃料电池系统高效稳定运行的关键控制因素之一。

为了有效控制冷凝水的产生和积聚，燃料电池系统通常会采用多种技术手段，例如优化气体流道设计、调整气体流速、提高系统操作温度、以及使用高效的水管理系统等等。这些措施的综合应用，有助于维持燃料电池堆内部的湿度和温度平衡，从而最大限度地减少冷凝水对燃料电池发电性能的负面影响。

02

专利方案

为了抑制凝结水的生成并防止其流入燃料电池堆，本专利提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池组11、喷射器组16、向喷射器组供应氢气的燃料氢气体供应器12、循环回路径14、检测燃料氢气温度的温度传感器15和控制器17。循环流道将燃料电池堆与喷射器组连接，回收从燃料电池堆的燃料电极排出的燃料废气，并将其作为循环气体返回喷射器组。燃料废气主要包含通过燃料电极未反应的燃料氢气体和在氧化剂电极生成并输送到燃料电极的水分。

喷射器组16至少包括两组并联的氢喷和引射器，其中氢喷和引射器为串联结构，分别是向燃料电池堆的燃料电极供应第一混合气体的第一喷射器和向燃料电池堆的燃料电极供应第二混合气体的第二喷射器，其中第二混合气体中的循环气体含量比第一混合气体小。为了提高燃料氢气体效率和抑制燃料电池堆发电性能的下降，喷射器组可以包括更多并联的喷射器组，例如可以包括第一、第二和第三喷射器，第三喷射器用于供应循环气体含量比例更小的第三混合气体。通过控制器的信号，可以组合使用喷射器或单独使用任意一个喷射器。详细架构图如图1所示。

图1 燃料电池系统配置示意图

本方案的工作流程图如图2所示，

1.    首先，在启动燃料电池堆的操作时或在燃料电池堆的正常运行期间，控制器使用第一喷射器向燃料电池堆的燃料电极供应混合气。

2.    检测燃料氢气的温度

接下来，控制器对由温度检测器检测到的燃料氢气温度是否低于预定阈值进行判断。检测燃料氢气温度的时间并无特别限制。可以在启动燃料电池堆的操作后每隔一段预定时间检测燃料氢气温度；也可以在启动燃料电池堆的操作时检测燃料氢气体温度；或者可以持续不断地检测燃料氢气温度。

3.    判断燃料氢气的温度是否低于预定阈值

控制器判断由温度检测器检测到的燃料氢气温度是否低于预定阈值，该阈值是通过实验等事先准备一组显示燃料氢气温度与燃料电池堆发电性能之间相关性的数据，再从数据组中获得的燃料电池堆的性能，来确定的燃料氢气温度的阈值。

4.    控制喷射器的使用比例

1)    燃料氢气温度＜预定阈值时

控制器从第一喷射器切换到第二喷射器，并向燃料电池堆的燃料电极供应混合气。且第二喷射器的使用比例大于第一喷射器的使用比例，喷射器的总使用比例确定最大为100%。因此，即使从燃料气供应器释放的燃料气温度较低，也可以减少混合气体中有湿度的循环气体的比例。因此，可以抑制在喷射器组的出口处产生凝结水。然后减少流入燃料电池堆的凝结水量，并抑制燃料电池堆发电性能的下降。

2)    燃料氢气温度≥预定阈值时

控制器继续控制喷射器组中第一喷射器的使用比例，喷射器的总使用比例确定最大为100%。

图2 方案实施流程图