燃料電池氣體擴散層、催化劑層的冷凝水去除方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于去除燃料電池的催化劑層和氣體擴散層中的冷凝水的方法和裝置。具體地，去除燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中的冷凝水的方法可使用通過隨著供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣量臨時減少而增加堆內(nèi)的溫度所產(chǎn)生的蒸汽壓以及通過增加催化劑層的溫度所導(dǎo)致的催化劑周圍的蒸汽、氧氣和氮氣氣體的增大的壓力。
【背景技術(shù)】
[0002]近來，隨著全球?qū)Νh(huán)境友好型和高效車輛的興趣增加，已經(jīng)將對使用下一代能源的車輛的研宄和開發(fā)作為重要的項目進行。例如，使用氫氣作為能源的燃料電池作為非污染車輛已經(jīng)引起極大的關(guān)注。
[0003]在當前的車輛行業(yè)中，已經(jīng)開發(fā)了各種類型的燃料電池。然而，因為用于車輛的燃料電池被要求具有高效率、高輸出濃度、短啟動時間、根據(jù)負載變化的快速響應(yīng)特性等，已經(jīng)專注于研宄其中可應(yīng)用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池車輛的商業(yè)化。
[0004]在燃料電池中，氫氣與空氣中的氧氣反應(yīng)以產(chǎn)生電能并且產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的水。此外，在燃料電池中，需要經(jīng)由氣體擴散層(GDL)將水從陰極催化劑層釋放到通道，并且需要經(jīng)由氣體擴散層將氧氣從通道充分地供應(yīng)至催化劑層。此外，燃料電池應(yīng)在約60°C至80 °C的最佳溫度下運行。
[0005]當溫度低于最佳溫度時，水可能在催化劑層和氣體擴散層內(nèi)部冷凝或者水可能在通道內(nèi)冷凝或者淹沒通道并且由此阻塞所供應(yīng)的氧氣，從而降低燃料電池的性能。當溫度大于最佳溫度時，隔膜內(nèi)的水可能變干，從而降低燃料電池的性能。
[0006]因此，保持燃料電池運行的最佳溫度十分關(guān)鍵。
[0007]當車輛在室溫下啟動時，燃料電池車輛可能需要較長的時間進行預(yù)熱。當燃料電池車輛在沒有充分預(yù)熱的情況下而快速加速時，可能產(chǎn)生大量的水。結(jié)果，水可能在催化劑層和氣體擴散層的內(nèi)部冷凝或者水可能在通道內(nèi)冷凝或者淹沒通道，這可阻塞被供應(yīng)至燃料電池的陰極中的催化劑層的氧氣。
[0008]因此，現(xiàn)有技術(shù)中的燃料電池車輛可在充分預(yù)熱燃料電池之前限制燃料電池的輸出，以控制通過通道釋放的適當水量。然而，冷凝水可能不能容易地釋放到外部。
[0009]【背景技術(shù)】部分中所公開的上述信息僅用于增強對本發(fā)明的【背景技術(shù)】的理解，并且因此，其可能包含并不構(gòu)成在該國已為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明可提供針對現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)難題的技術(shù)解決方案。因此，在優(yōu)選的方面中，本發(fā)明提供如下的裝置和方法:即，通過使燃料電池內(nèi)部的催化劑層和氣體擴散層中冷凝的水蒸發(fā)并且強制地將水蒸汽釋放到通道中，來去除燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中的冷凝水，從而改善燃料電池的性能。
[0011]一方面，本發(fā)明提供了一種去除燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中的冷凝水的方法。
[0012]在示例性實施方式中，該方法可包括下列步驟:確定在燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中是否產(chǎn)生冷凝水；當確定在氣體擴散層和催化劑層中產(chǎn)生冷凝水時，將供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣量減少預(yù)定的量；測量燃料電池的堆的溫度；以及當燃料電池的堆的溫度上升至預(yù)定蒸發(fā)溫度或者更高時，將供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣量增加預(yù)定的量以達到供應(yīng)至陰極的初始空氣量。
[0013]在示例性實施方式中，去除燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中的冷凝水的方法可包括下列步驟:確定在燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中是否產(chǎn)生冷凝水；當確定在氣體擴散層和催化劑層中產(chǎn)生冷凝水時，將供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣量減少預(yù)定的量；將被減少的空氣量供應(yīng)至燃料電池的陰極持續(xù)預(yù)定時間；以及在預(yù)定時間段過去之后，將供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣量增加預(yù)定的量以達到供應(yīng)至陰極的初始空氣量。
[0014]在確定在燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中是否產(chǎn)生冷凝水的步驟中，可以基于燃料電池的輸出值與正常狀態(tài)下的輸出值之間的差是否大于預(yù)定差值來確定狀態(tài)。
[0015]在測量燃料電池的堆的溫度的步驟中，所測量的溫度可以是供應(yīng)至燃料電池的冷卻水的溫度或者供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣的溫度。
[0016]在示例性實施方式中，該方法可進一步包括在確定在燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中是否產(chǎn)生冷凝水之前確定燃料電池的預(yù)熱是否完成的步驟。
[0017]另一方面，本發(fā)明提供了一種用于去除燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中的冷凝水的裝置。
[0018]在示例性實施方式中，該裝置可包括:確定單元，確定在燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中是否產(chǎn)生冷凝水；溫度傳感器單元，測量燃料電池的溫度；以及控制單元，基于通過溫度傳感器單元測量的值以及通過確定單元確定的值來控制供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣量。
[0019]在確定單元中，可基于燃料電池的輸出值與正常狀態(tài)下的輸出值之間的差是否大于預(yù)定差值來確定是否產(chǎn)生冷凝水的狀態(tài)。
[0020]在溫度傳感器單元中，所測量的燃料電池的堆中的燃料電池的溫度可以是供應(yīng)至燃料電池的冷卻水的溫度或者供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣的溫度。
[0021 ] 當通過確定單元確定產(chǎn)生冷凝水時，控制單元可將供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣量減少預(yù)定的量并且將減少的空氣量供應(yīng)至燃料電池。當通過溫度傳感器單元測量的燃料電池的溫度增加至預(yù)定蒸發(fā)溫度或者更高時，控制單元可進一步將被供應(yīng)至燃料電池的空氣量增加預(yù)定的量以達到供應(yīng)至燃料電池的初始空氣量。
[0022]可替代地，當通過確定單元確定產(chǎn)生冷凝水時，控制單元可將供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣量減少預(yù)定的量，并且供應(yīng)減少的空氣量持續(xù)預(yù)定時間。在供應(yīng)減少的空氣量持續(xù)預(yù)定的時間之后，控制單元可將供應(yīng)至燃料電池的陰極的空氣量增加預(yù)定的量以達到初始空氣量。
[0023]因此，本發(fā)明的各種實施方式的方法和裝置提供了各種優(yōu)點。例如，可容易地去除在燃料電池的催化劑層周圍或者氣體擴散層中所產(chǎn)生的水。此外，可在不改變?nèi)剂想姵氐慕Y(jié)構(gòu)的情況下，去除在氣體擴散層中所產(chǎn)生的水。而且，由于在陰極出口側(cè)的空氣濃度小于其入口側(cè)的空氣濃度并且產(chǎn)生更大的電壓降，因此可提高大面積堆(large area stack)內(nèi)的發(fā)電效率。
[0024]下面將討論本發(fā)明的其他方面和優(yōu)選實施方式。
【附圖說明】
[0025]現(xiàn)將參考在附圖中示出的本公開的特定示例性實施方式來詳細描述本公開的上述和其他特征，特定示例性實施方式在下文中僅作為說明而給出并且由此并不限制本發(fā)明，其中:
[0026]圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的用于去除燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中的冷凝水的示例性裝置；
[0027]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的去除燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中的冷凝水的示例性方法的示例性操作過程；
[0028]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的用于去除燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中的冷凝水的示例性原理的示例曲線圖；
[0029]圖4示出了其中產(chǎn)生冷凝水并通過根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的示例性方法去除冷凝水的燃料電池內(nèi)的示例性溫度分布模型；
[0030]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的去除燃料電池的氣體擴散層和催化劑層中的冷凝水的示例性原理的示例曲線圖以及示出飽和蒸汽壓可隨著溫度的增加而增加的曲線圖；
[0031]圖6是示出根