用于燃料电池的阳极温湿控制装置和燃料电池的制作方法

1.本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及用于燃料电池的阳极温湿控制装置和燃料电池。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池系统的水热管理是影响燃料电池系统运行的关键因素之一。质子交换膜燃料电池中电化学反应的产物是水，需要及时将生成的水排出。同时，质子交换膜在一定的水合状态下才能有效传输质子，质子交换膜燃料电池系统的水热控制容易出现“膜干”、“膜湿”等故障模式。
3.质子交换膜燃料电池系统的水热管理也属于燃料电池系统控制的难点。当前质子交换膜燃料电池系统允许的温度上限为约90℃，温度下限为低温冷启动的环境，通常需在零下30℃以下成功启动。工作在此温度范围内的水，可能以“汽”、“液”、“固”等状态下存在，局部区域可能以“液”、“汽”等两相混合的形式存在，并受温度、压力等参数的影响，水的存在形态在不同相状态之间转化。因水的气相、液相间的密度差异巨大，不同液态水含量直接影响气体流动状态，液态水累积严重的情况会阻塞气体传输通道，影响系统正常运行。
4.质子交换膜燃料电池的阳极通常设有氢回流系统——即出堆氢气流，可以在氢循环泵(或引射器)驱动下回流至氢气入堆管路，与新供给的氢气混合后，进入电堆。如果出堆氢气流中液态水未能被及时分离，氢气回流管路会将其重新带至电堆入口，进而会影响电堆的运行湿度控制，严重时会造成电堆内部堵水。为去除质子交换膜燃料电池的出堆氢气流中所含的液态水，电堆氢气出口处通常设有气液分离结构或装置(又称为“分水器”)。
5.常用的气液分离装置可以分为离心式、惯性力/重力分离、滤芯式等形式。其中，惯性力/重力式气液分离装置主要利用被分离的气液混合物中气相、液相密度特性的差异，在气液分离装置中流动过程中受惯性力及重力作用后气相、液相流动轨迹不同，形成气体聚集区和液体聚集区。惯性/重力式气液分离装置不需额外驱动能量、流动损失小、不易堵塞、结冰风险小、运行可靠程度高。但是由于惯性/重力式气液分离装置设计主要依赖于流体的惯性力及重力作用来实现气液分离，粒径大于10微米的液滴分离效率很高，由于液滴随气流同步流动，对于粒径在5微米以下的难以实现气液分离。
6.进一步地，即使电堆氢气侧出口的气液分离结构或装置已很好分离出液态水滴，仍难以避免下游气态水蒸汽再次凝结为液态水。首先，质子交换膜燃料电池的氢气侧的出堆氢气流温度一般为60～90℃，显著高于环境温度，出堆氢气流沿回流管路流动过程中会经壁面向环境散热，温度逐步降低。尤其是氢循环泵(或引射器)结构多为金属部件，导热系数大、热惯性大，致使所流过的氢气混合物温度降低幅度较大。其次，对于车用燃料电池，氢气存储在氢瓶中，供气温度接近于环境温度，回流的氢气混合物与新鲜供给的氢气混合后温度降低，混合物中所含的气态水遇冷析出成液态水。再次，质子交换膜燃料电池系统的氢气侧压力针对其运行工况瞬调整，氢气侧不同位置压力也不相同，也会产生液态水。比如，氢气侧的出堆氢气流流经氢循环泵(或引射器)加压后，压力升高，气体中携带水蒸气能力
降低，部分水蒸气转化为液滴。总之，单纯在电堆氢气侧出口的设置气液分离结构/装置，难以避免因冷凝的液态水回流进入电堆的情况。
7.另外，车用质子交换膜燃料电池的运行工况与环境条件始终处于瞬时变化过程中，尤其是对于低温环境和质子交换膜燃料电池系统启动暖机过程，质子交换膜燃料电池的阳极侧(氢气侧)的气液分离、温湿控制对质子交换膜燃料电池电堆性能的影响更为突出，迫切需要提供有效的解决措施。
8.为缓解液态水进入电堆后的影响，专利us7163760b2和us2018/0342744a1在电堆内部增设旁通单元来分流液态水的方案。其主要特点是在电堆内侧紧邻端板增设氢气路旁通单元，旁通单元内设有连通氢气入口腔与出口腔的流通通道。氢气侧的入堆混合物入堆后首先流经旁通单元，部分入堆的液态水会经旁通通道流至氢气出口腔体排出电堆，由此旁通单元下游的正常反应单元进入液态水的风险降低。
9.综上，质子交换膜燃料电池系统通常在电堆氢气侧的出口设有气液分离结构或装置，但这难以避免下游的冷凝水进入电堆，致使燃料电池性能不稳定，严重时会触发燃料电池单片电压单低保护。尤其针对低温环境和质子交换膜燃料电池系统启动暖机过程，液态水对质子交换膜燃料电池的电堆性能的影响更为突出。虽然在电堆内部增设旁通单元可缓解其下游正常反应单元受液态水影响的风险，但是增设旁通单元会增加电堆长度，影响电堆内部密封可靠性、接触压力分布，甚至关系到电堆整体性能。另外，这样的方案还具有实施影响变量多、配适调整难度大等缺陷。


技术实现要素：

10.鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷，提供了用于燃料电池的阳极温湿控制装置和燃料电池，本发明的阳极温湿控制装置可以有效实现气液分离，效率高，可以控制出气口处的温度和湿度，解决氢气气流回流过程中冷凝的问题。
11.本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
12.一方面，本发明提供了用于燃料电池的阳极温湿控制装置，其中，所述阳极温湿控制装置包括出堆分水单元、冷端制冷单元、二次分水单元、热电单元和热端散热单元；其中，
13.所述出堆分水单元用于对来自电堆的出堆氢气流进行气液分离，包括用于与电堆的氢侧出口歧管连通的氢侧出口岐管接口和设置在所述出堆分水单元的顶部的出堆分水挡板；
14.所述冷端制冷单元设置在所述出堆分水单元上方并与所述出堆分水单元连通，以冷却来自所述出堆分水单元的气流；
15.所述二次分水单元设置在所述冷端制冷单元的下游并具有分水挡板，以对来自所述冷端制冷单元的气流进行气液分离；
16.所述热端散热单元设置在所述二次分水单元的下游并具有出气口，用于加热来自所述二次分水单元的气流；
17.所述热电单元的冷端面向所述冷端制冷单元以为其提供冷能，热端面向所述热端散热单元以为其提供热能。
18.进一步地，所述阳极温湿控制装置是一体式集成结构，所述阳极温湿控制装置包括壳体，所述出堆分水单元、所述冷端制冷单元、所述二次分水单元、所述热电单元和所述
热端散热单元设置在由所述壳体形成的腔室中。
19.进一步地，所述阳极温湿控制装置还包括位于所述出堆分水单元下方的储液腔体，所述储液腔体具有排气排水口。
20.进一步地，所述氢侧出口岐管接口设置在所述壳体的侧壁上，所述出堆分水挡板倾斜设置在所述氢侧出口岐管接口的上方，所述出堆分水挡板的上端与所述壳体之间留有供来自所述出堆分水单元的气流通过的空隙。
21.进一步地，所述二次分水单元设置在所述出堆分水挡板的上方并具有下水口。
22.进一步地，所述冷端制冷单元包括冷端底座和冷端翅片，所述冷端翅片经由所述冷端底座与所述热电单元的冷端连接，并且所述冷端翅片之间具有冷端气流通道。
23.进一步地，所述热端散热单元包括热端底座和热端翅片，所述热端翅片经由所述热端底座与所述热电单元的热端连接，并且所述热端翅片之间具有热端气流通道。
24.进一步地，所述热电单元包括半导体热电块、用于将其密封的密封结构以及半导体热电块导线，所述半导体热电块导线一端与所述半导体热电块电连接，另一端穿过所述密封结构伸出所述壳体。
25.进一步地，所述阳极温湿控制装置还包括用于检测来自所述出气口的温度的温度传感器和用于检测来自所述出气口的湿度的湿度传感器。
26.另一方面，本发明提供了燃料电池，其中，所述燃料电池包括电堆和所述阳极温湿控制装置，所述电堆具有氢侧入口歧管和氢侧出口歧管，所述氢侧出口歧管与氢侧出口岐管接口连接，所述氢侧入口歧管经由所述氢回流驱动装置与出气口连接。
27.进一步地，所述燃料电池还包括系统控制器，所述系统控制器包括燃料电池系统控制器、热电单元电流控制开关和直流电源，所述热电单元电流控制开关和所述直流电源经由半导体热电块导线与热电单元形成热电单元控制电路，所述燃料电池系统控制器与温度传感器、湿度传感器和所述热电单元电流控制开关通讯连接。
28.进一步地，所述氢回流驱动装置为氢循环泵或引射器。
29.进一步地，所述燃料电池包括混合口以及依次连接的储氢装置、减压阀、安全阀和氢气控制阀，所述氢回流驱动装置和所述氢气控制阀经由所述混合口连接至所述氢侧入口歧管。
30.本发明的阳极温湿控制装置和燃料电池具有以下优势：
31.(1)本发明的阳极温湿控制装置可以有效实现气液分离，效率高，可以控制出气口处的温度和湿度，解决氢气气流回流过程中冷凝的问题。
附图说明
32.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
33.图1是本发明的用于燃料电池的阳极温湿控制装置的一种实施方案的主视图；
34.图2是本发明的用于燃料电池的阳极温湿控制装置的一种实施方案的立体图；
35.图3是本发明的用于燃料电池的阳极温湿控制装置的一种实施方案的剖视图；
36.图4是图3所示的用于燃料电池的阳极温湿控制装置的a-a面剖视图；
37.图5是本发明的用于燃料电池的阳极温湿控制装置的热电单元的一种实施方案的
结构示意图；
38.图6是包括本发明的阳极温湿控制装置的燃料电池的框架示意图。
39.其中，上述附图包括以下附图标记：
40.10、储氢装置；20、减压阀；30、安全阀；40、氢气控制阀；50、混合口；60、电堆；61、氢侧入口歧管；62、氢侧出口歧管；70、阳极温湿控制装置；71、温度传感器；72、湿度传感器；73、出堆分水单元；73a、氢侧出口岐管接口；73b、出堆分水挡板；74、热端散热单元；74a、热端底座；74b、热端翅片；74c、热端气流通道；74d、出气口；75、热电单元；75a、半导体热电块；75b、密封结构；75c、半导体热电块导线；76、冷端制冷单元；76a、冷端底座；76b、冷端翅片；76c、冷端气流通道；77、储液腔体；78、二次分水结构；78a、分水挡板；78b、下水口；80、氢回流驱动装置；90、排气排水阀；101、燃料电池系统控制器；102、热电单元电流控制开关；103、直流电源。
具体实施方式
41.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一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
42.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
43.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
44.一方面，本发明提供了用于燃料电池的阳极温湿控制装置，其中，所述阳极温湿控制装置包括出堆分水单元、冷端制冷单元、二次分水单元、热电单元和热端散热单元；其中，
45.所述出堆分水单元用于对来自电堆的出堆氢气流进行气液分离，包括用于与电堆的氢侧出口歧管连通的氢侧出口岐管接口和设置在所述出堆分水单元的顶部的出堆分水挡板；
46.所述冷端制冷单元设置在所述出堆分水单元上方并与所述出堆分水单元连通，以冷却来自所述出堆分水单元的气流；
47.所述二次分水单元设置在所述冷端制冷单元的下游并具有分水挡板，以对来自所述冷端制冷单元的气流进行气液分离；
48.所述热端散热单元设置在所述二次分水单元的下游并具有出气口，用于加热来自所述二次分水单元的气流；
49.所述热电单元的冷端面向所述冷端制冷单元以为其提供冷能，热端面向所述热端散热单元以为其提供热能。
50.参照图1～3和图6，本发明的阳极温湿控制装置包括出堆分水单元73、冷端制冷单元76、二次分水单元78、热电单元75和热端散热单元74。
51.出堆分水单元73用于对来自电堆60的出堆氢气流进行气液分离，包括用于与电堆60的氢侧出口歧管62连通的氢侧出口岐管接口73a和设置在出堆分水单元73的顶部的出堆分水挡板73b。
52.冷端制冷单元76设置在出堆分水单元73上方并与出堆分水单元73连通，以冷却来自出堆分水单元73的气流。气流流经在冷端制冷单元76时，温度降低，水汽凝结，同时，气流中所携带的小尺寸液滴凝核长大，易于下游的气液分离。
53.二次分水单元78设置在冷端制冷单元76的下游并具有分水挡板78a，以对来自冷端制冷单元76的气流进行气液分离。
54.热端散热单元74设置在二次分水单元78的下游并具有出气口74d，用于加热来自二次分水单元78的气流。采用热端散热单元74对来自二次分水单元78的气流进行加热升温，可以控制气流中含水蒸汽的欠饱和程度，避免后续因气流在流经氢回流路部件时因散热降温而产生凝露。经加热升温后的欠饱和的气流从出气口74d流出。
55.热电单元75的冷端面向冷端制冷单元76以为其提供冷能，热端面向热端散热单元74以为其提供热能。
56.本发明中，如图1所示，来自电堆60的出堆氢气流沿箭头所示方向，依次流经出堆分水单元73、冷端制冷单元76和二次分水单元78，在这些部件(单元)中经首次气液分离、水汽冷凝和二次气液分离来降低出堆混合气中水分含量，提高气液分离效率；随后进入热端散热单元74，对经二次气液分离的气流加热升温，控制混合气中含水蒸汽的欠饱和程度，避免后续因气流在流经氢回流路部件时因散热降温而产生凝露。由此，控制出气口处的温度和湿度，并解决氢气气流回流过程中冷凝的问题。
57.在本发明的一个实施例中，如图1～3所示，本发明的阳极温湿控制装置是一体式集成结构，阳极温湿控制装置包括壳体，出堆分水单元73、冷端制冷单元76、二次分水单元78、热电单元75和热端散热单元74设置在由壳体形成的腔室中。此外，阳极温湿控制装置还可以与燃料电池电堆的端板或水汽接口集成设置。
58.在本发明的一个实施例中，阳极温湿控制装置还包括位于出堆分水单元73下方的储液腔体77，储液腔体77具有排气排水口。来自出堆分水单元73的大尺寸液滴在重力及惯性力作用下汇集于储液腔体77中。另外，排气排水口处可以设置有排气排水阀90，储液腔体77内的液态水可以经排气排水阀90排出。
59.在本发明的一个实施例中，氢侧出口岐管接口73a设置在壳体的侧壁上，出堆分水挡板73b倾斜设置在氢侧出口岐管接口73a的上方，并且出堆分水挡板73b的上端与壳体之间留有供来自出堆分水单元73的气流通过的空隙。
60.在本发明的一个实施例中，二次分水单元78设置在出堆分水挡板73b的上方并具有下水口78b。由二次分水单元78分离的液态水经下水口78b汇聚在储液腔体77中。
61.在本发明的一个实施例中，冷端制冷单元76包括冷端底座76a和冷端翅片76b，冷端翅片76b经由冷端底座76a与热电单元75的冷端连接，并且冷端翅片76b之间具有冷端气流通道76c。
62.在本发明的一个实施例中，热端散热单元74包括热端底座74a和热端翅片74b，热端翅片74b经由热端底座74a与热电单元75的热端连接，并且热端翅片74b之间具有热端气流通道74c。
63.在本发明的一个实施例中，热电单元75包括半导体热电块75a、用于将其密封的密封结构75b以及半导体热电块导线75c，半导体热电块导线75c一端与半导体热电块75a电连接，另一端穿过密封结构75b伸出壳体。
64.本发明中，热电单元75的工作原理如下：采用半导体片在通直流电源后，由于帕尔贴效应形成冷端，从外界吸热，而另一端形成热端，向外界散热。这样的热电单元不采用制冷剂，也没有复杂的机械设备以及管路系统，瞬态响应快、控制调节容易。
65.在本发明的一个实施例中，如图6所示，阳极温湿控制装置还包括用于检测来自出气口74d的温度的温度传感器71和用于检测来自出气口74d的湿度的湿度传感器72。
66.另一方面，如图6所示，本发明提供了燃料电池，其包括电堆60和阳极温湿控制装置。电堆60具有氢侧入口歧管61和氢侧出口歧管62，氢侧出口歧管62与氢侧出口岐管接口73a连接，氢侧入口歧管61经由氢回流驱动装置80与出气口74d连接。
67.本发明中，阳极的出堆氢气流经氢侧出口歧管62、由氢侧出口岐管接口73a进入阳极温湿控制装置中进行分水、温湿调控后，得到的欠饱和气流在氢回流驱动装置80的驱动下，与新鲜氢气混合，进入氢侧入口歧管61，实现氢气的回流。
68.在本发明的一个实施例中，本发明的燃料电池还包括系统控制器，系统控制器包括燃料电池系统控制器101、热电单元电流控制开关102和直流电源103，热电单元电流控制开关102和直流电源103经由半导体热电块导线75c与热电单元75形成热电单元控制电路，燃料电池系统控制器101与温度传感器71、湿度传感器72和热电单元电流控制开关102通讯连接。温度传感器71和湿度传感器72所采集的数据传输至燃料电池系统控制器101，燃料电池系统控制器101根据温湿控制目标来调整热电单元电流控制开关102的开关。
69.在本发明的一个实施例中，氢回流驱动装置80为氢循环泵或引射器。
70.在本发明的一个实施例中，燃料电池包括混合口50以及依次连接的储氢装置10、减压阀20、安全阀30和氢气控制阀40，氢回流驱动装置80和氢气控制阀40经由混合口50连接至氢侧入口歧管61。本发明中，储氢装置10可以为氢瓶。
71.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
72.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器
件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
73.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
74.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。