一种氢燃料电池及其排水方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种氢燃料电池及其排水方法。

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，氢燃料电池因具有比功率高、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。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)，为了避免氢燃料电池内的水过多而出现水淹现象，当前的一个研究重点便是氢燃料电池的排水问题。

CN103700870A提出了一种燃料电池水管理闭环控制方法，通过求解燃料电池阳极气体压力降的理论计算值，设定保证水管理状态良好的阳极气体压力降的控制区间，当阳极气体压力降的数值超过此控制区间时通过调节燃料电池温度使其重新进入控制区内以完成水管理的闭环控制。但该专利没有解决排水和水淹的问题。

CN113921832A制备了一种水/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gdl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。

CN100413134C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，以往研究通常在结构、材料、系统和设计方案上进行革新，但没有在相同运行条件和结构条件下提升氢燃料电池的排水性能。

发明内容

本发明提供一种氢燃料电池及其排水方法，在相同运行条件下，提升氢燃料电池的排水性能，避免水在氢燃料电池的内部堆积而导致出现水淹现象。

本发明通过下述技术方案实现：一种氢燃料电池，包括可供生成水流出的阴极流道，还包括：

加注组件，与所述阴极流道相连通，所述加注组件用于将减阻剂注入所述阴极流道，以降低所述生成水与所述阴极流道的壁面之间的摩擦力。

进一步地，为了更好的实现本发明，还包括：

供气系统，用于给所述阴极流道供气；

加湿器，连通设置在所述供气系统和所述阴极流道之间，以雾化水而对进入所述阴极流道的气体进行加湿；

所述加注组件连通设置于所述加湿器，以利用所述加湿器雾化所述减阻剂。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述减阻剂为胀流性非牛顿液体。

进一步地，为了更好地实现本发明，回收组件，连通设置在所述阴极流道的出口和所述加湿器之间，以将所述阴极流道排出的混合液体回收至所述加湿器。

进一步地，为了更好地实现本发明，汽水分离器，底部形成集液腔，上部连通设置有排气系统，所述汽水分离器具有入口，所述入口通过第一管路与所述阴极流道的出口相连通；

泵体，具有进液口和出液口，所述进液口通过第二管路与所述集液腔相连通，所述出液口通过第三管路与所述加湿器相连通。

本发明提供的氢燃料电池的排水方法包括通过所述加注组件将所述减阻剂注入所述阴极流道。

进一步地，为了更好地实现本发明，所述通过所述加注组件将所述减阻剂注入所述阴极流道具体为：

利用所述加注组件将所述减阻剂注入所述加湿器中，使得所述减阻剂与所述加湿器中的水混合形成减阻剂水溶液；

启动所述加湿器，利用所述加湿器雾化所述水溶液，形成混合气体；

启动所述氢燃料电池，使得所述混合气体进入所述阴极流道。

进一步地，为了更好地实现本发明，在利用所述加注组件将所述减阻剂注入所述加湿器之前，还包括：

根据所述氢燃料电池的加湿水量来确定所述减阻剂的浓度。

进一步地，为了更好地实现本发明，在启动所述氢燃料电池，使得所述混合气体进入所述阴极流道之后，还包括：

检测所述阴极流道的出口的出水量；

根据所述出水量来判断是否增加朝所述加湿器加注所述减阻剂的浓度。

进一步地，为了更好地实现本发明，所述根据所述出水量来判断是否增加朝所述加湿器加注所述减阻剂的浓度具体为：

若所述出水量不为零，则增加朝所述加湿器加注的所述减阻剂的浓度；

若所述出水量为零，则不再改变减阻剂的浓度；

启动所述泵体，以将所述集液腔中的混合液体回收至所述加湿器。

本发明相较于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明提供的氢燃料电池包括可供生成水流出的阴极流道，该阴极流道属于氢燃料电池的阴极侧，该阴极侧和阳极侧以及两者之间的膜共同组成电堆，氢燃料电池运行过程中，在上述阴极流道中将会产生生成水，该氢燃料电池还包括加注组件，该加注组件与阴极流道相连，并且该加注组件用于将减阻剂注入上述阴极流道，减阻剂混入生成水中而形成混合液体，减阻剂的作用可以降低生成水与阴极流道的壁面之间的摩擦力。

这样，借助上述减阻剂，使得阴极流道内的生成水与阴极流道的壁面之间的摩擦力更小，从而使得生成水在阴极流道中流动时受到的阻力更小，进而使得生成水能更加轻易地流出阴极流道，所以在阴极流道中形成生成水之后，生成水能够更加轻易且顺利地排出阴极流道，避免生成水在阴极流道中堆积而造成阴极流道出现水淹现象。减阻剂不会参加电堆中的化学反应，所以该氢燃料电池反应速度、生成水的量、湿度的梯度和梯度，也不会造成子交换膜水含量变化，不会影响膜电极的活化性能，故，该氢燃料电池在不改变其电性能的前提下，提高了排水性能，以使其安全性更高。

(2)本发明提供的氢燃料电池的排水方法包括通过加注组件将减阻剂注入阴极流道中，从而降低阴极流道中的生成水与其壁面之间的摩擦力，从而使得生成水在阴极流道中流动时受到的阻力更小，进而使得生成水能更加轻易地流出阴极流道，所以在阴极流道中形成生成水之后，生成水能够更加轻易且顺利地排出阴极流道，避免生成水在阴极流道中堆积而造成阴极流道出现水淹现象。减阻剂不会参加电堆中的化学反应，所以该氢燃料电池反应速度、生成水的量、湿度的梯度和梯度，也不会造成子交换膜水含量变化，不会影响膜电极的活化性能，故，采用该方法，在不改变氢燃料电池电性能的前提下，提高了排水性能，以使其安全性更高。

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获得其他的附图。

图1是本发明实施例1提供的氢燃料电池的结构示意图；

图2是本发明实施例2提供的氢燃料电池的排水方法的流程图。

图中：

1-电堆；2-阳极侧；3-膜；4-阴极流道；5-加注组件；6-供气系统；7-加湿器；8-汽水分离器；81-集液腔；9-排气系统；10-第一管路；11-泵体；12-第二管路；13-第三管路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供的氢燃料电池包括可供生成水流出的阴极流道4，该阴极流道4属于氢燃料电池的阴极侧，该阴极侧和阳极侧2以及两者之间的膜3共同组成电堆1，氢燃料电池运行过程中，在上述阴极流道4中将会产生生成水，该氢燃料电池还包括加注组件5，该加注组件5与阴极流道4相连，并且该加注组件5用于将减阻剂注入上述阴极流道4，减阻剂混入生成水中而形成混合液体，减阻剂的作用可以降低生成水与阴极流道4的壁面之间的摩擦力。

需要说明的是，加注组件5只要能够实现将减阻剂注入阴极流道4即可。

这样，借助上述减阻剂，使得阴极流道4内的生成水与阴极流道4的壁面之间的摩擦力更小，从而使得生成水在阴极流道4中流动时受到的阻力更小，进而使得生成水能更加轻易地流出阴极流道4，所以在阴极流道4中形成生成水之后，生成水能够更加轻易且顺利地排出阴极流道4，避免生成水在阴极流道4中堆积而造成阴极流道4出现水淹现象。减阻剂不会参加电堆1中的化学反应，所以该氢燃料电池反应速度、生成水的量、湿度的梯度和梯度不会改变，也不会造成子交换膜3水含量变化，不会影响膜3电极的活化性能，故，该氢燃料电池在不改变其电性能的前提下，提高了排水性能，以使其安全性更高，性能更加稳定，使用寿命也更长。

由于减阻剂仅作用于有液体积聚的位置，不会影响阴极流道4中的气体正常流动的区域，因此能够针对性地解决常在氢燃料电池末端等位置发生的水淹问题。需要说明的是，在阴极流道4前段反应生成水量累计少，常态运行不会产生液态水，也就不会出现水淹现象，减阻剂也就不会起到减阻作用；在阴极流道4后段，液态水积聚，在积聚的液态水与壁面的粘滞力作用下，不会为快速流动的空气带走，在阴极流道4中造成水淹现象。

以往传感器改善水淹问题的方式是在收到水淹信号后改变电堆1的运行参数(诸如氢气供给量等)，或者降低加湿器7的加湿量，因此会影响氢燃料电池整体电性能，同时受信号响应的问题，会产生一定的延迟和波动。与现有技术不同之处在于，本实施例提供的氢燃料电池主要利用减阻剂降低生成水与壁面间的阻力，当生成水中混有减阻剂时，液态的生成水与壁面的粘滞力大幅降低，因此可以随气体快速流动而排出，达到局部针对性解决水淹问题的效果。而且，只有在阴极流道4的末端形成大量的生成水时，减阻剂才会起作用，即便是减阻剂对于电堆1的化学反应有影响，本实施例提供的氢燃料电池也只可能在电堆1末端产生微小的电流/电压波动，相较于现有技术中受信号响应而导致的波动更小，因此，本实施例提供的氢燃料电池的性能更加稳定。

可选地，本实施例中的氢燃料电池和现有技术一样，还包括供气系统6以及加湿器7，供气系统6用于将空气供入阴极流道4，加湿器7连通设置在供气系统6和阴极流道4的入口之间，加湿器7可以雾化其内部的水，以对供入的空气进行加湿，上述加注组件5连通设置于上述加湿器7，这样，加注组件5将减阻剂直接注入上述加湿器7，使得减阻剂与加湿器7中的水混合形成水溶液，加湿器7雾化该水溶液而形成混合气体，此时，该混合气体包含有水雾以及减阻剂雾气。当开启氢燃料电池时，空气、水雾以及减阻剂雾气则一起进入上述阴极流道4中。

这样，减阻剂是随反应物空气送入阴极流道4的，即当阴极流道4中的生成水产形成时，水和减阻剂就是混合的，因此没有传统氢燃料电池水管理系统中存在的响应时间的问题，解决水淹问题更加快速便捷，甚至可以达到预防水淹现象。

具体地，本实施例中的加注组件5包括与减阻剂源相连的加注管以及设置在加注管上的电磁阀，电磁阀打开，则通过加注管将减阻剂加入上述加湿器7，当电磁阀关闭，则停止减阻剂加入。

本实施例中的加湿器7为非蒸发式加湿设备，加湿器7中的水为纯水或者去离子水。

可选地，本实施例中的减阻剂为胀流性非牛顿流体，包括但不限于聚丙烯酰胺及其改性材料、聚乙烯酰胺及其改性材料在内的水溶性高聚物等，此类减阻剂能够循环利用，成本低，而且，该减阻剂具备耐高温、水溶性、高分子量的特性。当然，也可采用表面活性剂作为上述减阻剂。

可选地，在上述阴极流道4的出口连通设置有回收组件，该回收组件还与上述加湿器7连通设置，从而将阴极流道4流出的混合液体回收至上述加湿器7中。

具体地，回收组件包括汽水分离器8以及泵体11，其中：

汽水分离器8具有入口，其入口通过第一管路10与阴极流道4的出口相连通，该汽水分离器8可以是现有技术中的气液分离器，能起到分离气液的功能即可。在气液分离器的底部形成集液腔81，在气液分离器的上部连通设有排气系统9。从阴极流道4出来的物质包括液体和气体，液体为水和减阻剂形成的混合液体，气体则是供气系统6注入的气体(空气)，气体从上述排气系统9排出，而生成水(纯水)与减阻剂形成的混合液体则在重力作用下而存留在上述集液腔81。

泵体11具有进液口和出液口，进液口通过第二管路12与上述集液腔81相连通，出液口通过第三管路13与加湿器7相连通。这样，集液腔81中的混合液体则经泵体11抽入第二管路12并送入第三管路13，最终经第三管路13导流进入上述加湿器7中，实现减阻剂的重复循环使用。

本实施例中排气系统9可以是一根排气管，也可以是带有气体过滤或者处理功能的系统。当然，上述减阻剂可降解，所以即便密封不严或者操作不当而导致减阻剂外流，也不会对环境造成污染。

实施例2：

本实施例提供一种氢燃料电池的排水方法，如图2所示，其包括以下步骤：

步骤A：通过加注组件5将减阻剂注入上述阴极流道4。由于减阻剂可以降低阴极流道4中的生成水与其壁面之间的摩擦力，从而使得生成水在阴极流道4中流动时受到的阻力更小，进而使得生成水能更加轻易地流出阴极流道4，所以在阴极流道4中形成生成水之后，生成水能够更加轻易且顺利地排出阴极流道4，避免生成水在阴极流道4中堆积而造成阴极流道4出现水淹现象。减阻剂不会参加电堆1中的化学反应，所以该氢燃料电池反应速度、生成水的量、湿度的梯度和梯度，也不会造成子交换膜3水含量变化，不会影响膜3电极的活化性能，故，采用该方法，在不改变氢燃料电池电性能的前提下，提高了排水性能，以使其安全性更高。

上述步骤A具体为以下子步骤：

A1：利用加注组件5将述减阻剂注入加湿器7中，使得减阻剂与加湿器7中的水混合形成减阻剂水溶液。

A2：启动加湿器7，利用加湿器7雾化水溶液，形成混合气体。

A3：启动氢燃料电池，使得所述混合气体进入所述阴极流道4。

可选地，在上述步骤1之间还包括步骤A0：

根据氢燃料电池的加湿水量来确定减阻剂浓度，具体确定时，利用如下公式计算最大减阻系数f，根据减阻剂减阻实验数据绘制的减阻剂浓度-减阻系数曲线，确定选取的减阻剂浓度。(式中，f为减阻系数，Re为流体流动雷诺数)

可选地，在上述步骤A3之后还包括步骤B：

利用传感器检测上述阴极流道4的出口的出水量，根据出水量来判断是否增加朝加湿器7中加注的减阻剂的浓度。

该步骤具体为：在出水量不为零时，则增加朝加湿器7中加注的减阻剂的浓度，也可理解为持续调节注入加湿器7中的减阻剂的浓度，直至阴极流道4的出口不再排出液体或者达到最大减阻量(可以理解为当前加湿水量情况下，最大减阻系数对应的减阻剂的量)，若达到最大减阻量时，依然有液体流出，则说明减阻剂类型选择不正确，需要更换其余类型的减阻剂。在出水量为零时，则不再改变加湿器7中加注的减阻剂的浓度，并启动泵体11，以将集液腔81中的混合液体(纯水以及减阻剂)回收至加湿器7。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明记载的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。