一种搭载分块式燃料电池电堆的燃料电池系统及防水淹控制方法与流程

本发明涉及燃料电池电堆设计，具体涉及一种搭载分块式燃料电池电堆的燃料电池系统及防水淹控制方法。

背景技术：

1、燃料电池电堆由燃料电池单体堆叠组成，每一个燃料电池单体是反应的最小单元，通过串联燃料电池单体方式，提升燃料电池电堆的整体输出电压。为了使得燃料电池电堆在合适的工作条件下运行，需要控制燃料电池电堆氢气、空气的进气流量、压力、湿度、温度。在燃料电池系统中，氢气、空气的进气流量、压力、湿度、温度由电辅件、热管理系统、控制策略软件等共同控制。在这其中，进气湿度的控制尤为重要，合适的湿度可以维持燃料电池单体中的电解质膜湿度，适当的湿度可以降低燃料电池单体的欧姆电阻，提高发电性能，过度干燥或过湿都会导致燃料电池性能下降；合适的湿度也可以防止水淹(液态水覆盖反应区域的现象)，如果过多的水积聚在某些部位，使得反应气体氢气和氧气无法有效扩散到反应位点，导致燃料电池的失效。所以，过低和过高的湿度对于燃料电池电堆的工作都有负面影响。

2、为了电解质膜有合适的湿度，现有技术中有自增湿型燃料电池电堆设计，即通过提高燃料电池单体中膜电极的保水能力，更多在燃料电池电堆内留存电化学反应生成的水，以弱化燃料电池电堆对氢气、空气进气湿度的要求(通常可以直接使用干空气作为反应气体，不需要额外加湿)。但是，在低功率下，因为保水能力较高且运行温度较低，功率小气体流动速度低无法带走生成的水，自增湿的燃料电池电堆通常存排水能力受限，易造成燃料电池单体水淹的问题，影响低功率下燃料电池电堆的发电稳定性，出现局部燃料电池单体电压下降的问题。所以，通常，自增湿型燃料电池电堆需要避免在低功率下长时间运行，这直接影响了燃料电池系统在整车端使用的范围。

3、例如公开号为cn116487613a一种燃料电池阴极用气体扩散层及其制备方法，通过在燃料电池膜电极中增加保水功能层的方式(由碳纳米管构成)，解决燃料电池的排水问题，在低湿度下充当自增湿器，高湿度下充当排水器。但是，该方法是在材料层面，通过引入新材料的方式解决自增湿的水管理问题，碳纳米管是一种成本较高的材料，引入碳纳米管会增加燃料电池的整体成本，且碳纳米管的加入可能也会影响现有燃料电池膜电极的其他功能，需要进一步的优化和研究。

4、如图1所示，出自论文“improvement of the proton exchange membrane fuelcell(pemfc)performance at low-humidity conditions by adding hygroscopicr-al2o3particles into the catalyst layer”，文献的测试结果表明，在低电流密度下，加入氧化铝颗粒(10wt％-40wt％)的膜电极性能低于未加入(0wt％)(如图1中左上角方形框)，所以在自增湿电堆的运行过程中，要避免小电流密度(低功率)的工况。文中指出，随着氧化铝颗粒的增加(20wt％以上)性能下降的主要原因是过高的保水性引起了水淹，在燃料电池系统的操作实践中，在上次运行停机后，燃料电池电堆内部存在部分未吹干的水分，在降温过程中冷凝。等到下次启动的时候，在低电密下，因为气体流量小、温度低，冷凝水会进一步加剧水淹。

5、因此，如何优化燃料电池电堆的结构，使自增湿型燃料电池电堆在低功率下避免水淹风险，进而保障燃料电池系统在整车端的使用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是设计一种燃料电池电堆结构，使自增湿型燃料电池电堆在动态工作过程中可以保持合适的湿度，自增湿型燃料电池电堆在低功率下避免水淹，达到燃料电池电堆性能最优化。

2、针对现有技术的不足，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种搭载分块式燃料电池电堆的燃料电池系统，包括空气子系统、氢气子系统和燃料电池模块，燃料电池模块包括空气开关阀、氢气开关阀和分块式燃料电池电堆，分块式燃料电池电堆分为独立发电的两部分，所述独立发电的两部分均包括空气通路和氢气通路，空气子系统通过空气开关阀与空气通路连通，氢气子系统通过氢气开关阀氢气通路连通，所述空气通路包括空气通路一、空气通路二且空气通路一、空气通路二不连通；所述氢气通路包括氢气通路一、氢气通路二且氢气通路一、氢气通路二不连通。

3、优选的，分块式燃料电池电堆包括端板一和端板二，集流板三位于端板一和端板二中间，集流板三与端板一之间依次设有燃料电池单体分块一、集流板一、绝缘板一，所述空气通路一、氢气通路一位于集流板三与端板一之间；集流板三与端板二之间依次设有燃料电池单体分块二、集流板二、绝缘板二，所述空气通路二、氢气通路二位于集流板三与端板二之间。

4、优选的，空气通路一的入口为空气入口一，出口为空气出口一；氢气通路一的入口为氢气入口一，出口为氢气出口一；空气通路二的入口为空气入口二，出口为空气出口二；氢气通路二的入口为氢气入口二，出口为氢气出口二。

5、优选的，所述空气子系统包括依次连接的空压机、中冷器、截止阀一、截止阀二，空气开关阀包括空气开关阀一和空气开关阀二，截止阀一通过空气开关阀一连通空气入口一，截止阀一通过空气开关阀二连通空气入口二，空气出口一、空气出口二汇聚后连通截止阀二进气端。

6、优选的，所述氢气子系统包括氢气循环泵、氢气比例阀、排氢阀，所述氢气开关阀包括氢气开关阀一和氢气开关阀二，氢气开关阀一连接氢气通路一，氢气开关阀二连接空气通路二。

7、优选的，一种搭载分块式燃料电池电堆的燃料电池系统的防水淹控制方法，包括如下步骤，

8、步骤一：根据燃料电池系统的发电功率需求，判断发电功率是否超过保护功率阈值一；

9、步骤二：当超过保护功率阈值一时，则燃料电池单体分块一和燃料电池单体分块二均进行发电工作，开启空气开关阀一、空气开关阀二、氢气开关阀一、氢气开关阀二，氢气和空气同时流入燃料电池单体分块一和燃料电池单体分块二；

10、步骤三：当小于等于保护功率阈值一时，比较燃料电池单体分块一、燃料电池单体分块二的累计运行时长；

11、步骤四：在步骤三的前提下，燃料电池单体分块一运行时长≥燃料电池单体分块二运行时长，开启空气开关阀二、氢气开关阀二，使得燃料电池单体分块二处于工作状态；燃料电池单体分块二连续工作时长超过工作时间阈值且燃料电池系统的发电功率需求仍然小于等于保护功率阈值一，则关闭燃料电池单体分块二，切换燃料电池单体分块一进行分块发电；

12、步骤五：在步骤三的前提下，燃料电池单体分块一运行时长<燃料电池单体分块二运行时长，开启空气开关阀一、氢气开关阀一，使得燃料电池单体分块一处于工作状态；燃料电池单体分块一连续工作时长超过工作时间阈值且燃料电池系统的发电功率需求仍然小于等于保护功率阈值一，则关闭燃料电池单体分块一，切换燃料电池单体分块二进行分块发电。

13、本发明的有益效果如下：本提案所涉及技术方案将燃料电池电堆设计为两个分块，分块之间的流体不连通。在高功率下运行方式与现有燃料电池电堆相似，但在低功率下，通过单独运行燃料电池电堆分块的方式，提升燃料电池负载与额定功率的比例，实现燃料电池电堆低电流密度防水淹功能。另外，通过平衡两个分块的累计运行时长，兼顾燃料电池电堆的总体运行寿命。