3．2 现代公司

图3－9 现代公司3月公开专利技术分支情况

2020年3月，现代公司在燃料电池领域共公开专利28件，主要涉及电堆、系统控制、检验检测等技术分支。

下文分析的现代公司燃料电池相关专利的专利公开号为：KR1020200027352A、KR1020200027631A。两篇专利均与膜电极组件的水管理有关。

3．2．1 KR1020200027352A——设置排水分孔排出电解质膜与子垫圈之间的水分

燃料电池发电过程中，电解质膜中生成的水分可通过气体扩散层排出，但有时水分会积聚在电解质膜和子垫圈的间隙间，进而造成燃料电池性能劣化。

基于此，KR1020200027352A公开了一种膜电极组件，通过设置排水分孔，可使积聚在电解质膜和子垫圈之间的水分排出，具体如下：

图3－10 KR1020200027352A膜电极组件示意图

膜电极组件1包括电解质膜50、催化电极层100（阳极催化电极层100b、阴极催化电极层100a）、主垫圈300、子垫圈200（上子垫圈200a、下子垫圈200b）、气体扩散层250、排水分孔205、隔板400、隔板排气孔405等；子垫圈由PET、PEN、PP材料制成，排水分孔设置在子垫圈上并穿透子垫圈，并使电解质膜在排水分孔处暴露；排水分孔与催化电极层的边缘有一定的间隔距离，并临近隔板排气孔。

图3－11 水分运动示意图

通常，电解质膜中生成的水分可通过催化电极层上侧的气体扩散层排出到外部。然而，当水分在电解质膜内部沿着其延伸方向进行移动时，若电解质膜与子垫圈之间存在间隙，水分将在间隙中积聚，并使电解质膜与子垫圈之间产生膨胀，影响两者的界面结合力。又因为排水分孔临近隔板排水孔，使得从排水分孔出排出的水分易于通过隔板排气孔排出至外部。因此，通过设置排水分孔可有效排出积聚在间隙中的水分。综上，通过设置排水分孔可在一定程度上改善燃料电池的性能和耐久性。

3．2．2 KR1020200027631A——防止电解质膜中的水分扩散至非反应区域

为了使电解质膜与子垫圈连接，通常需要将电解质膜进行延伸并使子垫圈粘附到延伸部分，因此电解质膜可分为与催化电极重叠的反应区域和与子垫圈重叠的非反应区域。电解质膜的湿润状态会直接影响燃料电池的发电性能，当水分沿着电解质膜延伸方向从反应区域扩散至非反应区域时，此时用于燃料电池反应所需的水分减少，可能会严重影响的燃料电池发电性能。

现有技术提出将电解质膜非反应区域的膜长度缩短至短于子垫圈的长度，以防止电解质膜暴露至反应区域外部，从而防止水分排放到非反应区域。然而，此种方案制备的膜电极组件在长期运行过程中，可能发生反应气体和冷却水的泄漏以及电解质膜和子垫圈之间分离，使得燃料电池发电操作不能继续进行。另一方面，在该方案制备膜电极组件过程中，子垫圈通过注塑成型工艺形成，在注塑成型工艺中可能造成结合物变形或污染等情形。

基于此，KR1020200027625A公开了一种可防止水分扩散至电解质膜非反应区域的膜电极组件及制造方法，具体如下：

膜电极组件结构如图3－12所示，阴、阳催化电极（阴极100、阳极300）夹持在电解质膜200的两侧，电解质膜200包括与阴阳极接触的反应区域220（RA）以及与子垫圈接触的非反应区域230（NRA）；电解质膜200中的非反应区域NRA设置有排水防止部400（图3－12示出了一组排水防止部410、420，排水防止部不限于一组），排水防止部与上下子垫圈重叠；从顶部进行观察时，排水防止部距反应区域RA的最短距离为1～20mm，排水防止部的宽度为1～20mm；排水防止部可防止水分向电解质膜非反应区域扩散，确保燃料电池发电性能。

图3－12 KR1020200027625A膜电极组件截面图

带有排水防止部的膜电极组件制造方法及参数选定理由如下：

图3－13 膜电极组件制造方法

S100－S300：依次将阴极、阳极层叠在电解质膜的两个相对表面上；S400：在电解质膜的非反应区域层压子垫圈；S500：利用加热装置对电解质膜的非反应区域进行热处理，热处理温度范围在150～300℃，热处理时间范围在30s～30min，使电解质膜上的离聚物结晶度增大，提升其疏水性，抑制水在电解质膜中的运动。

排水防止部距反应区域RA的最短距离为1mm以上，可防止在热处理过程中，对电解质膜、阴阳电极造成损伤。

当排水防止部宽度小于1mm，其对降低水迁移率的效果较差；当宽度大于20mm时，在热处理过程中，从电解质膜中逸出的水分易被截留在排水防止部与子垫圈之间的界面处并形成气泡，从而可能导致反应气体泄漏、子垫圈脱落等情形，影响燃料电池发电操作。

3．3 戴姆勒公司

下文分析的戴姆勒公司燃料电池相关专利的专利公开号为：CN106463744B。CN106463744B主要与加湿器相关。

3．3．1 CN106463744B——具有分离废气中的水和加湿空气的处理装置

图3－14 现有技术燃料电池系统

如图3－14所示，在燃料电池系统中，为了对反应气体进行加湿以及去除废气中的液态水，分别设置有加湿器和气液分离器，即使可将加湿器和气液分离器集成在一起来降低燃料电池出口导管处的压力损失，该系统也需要足够多的部件和相对大的空间来进行安装。

基于此，为了节省部件成本和减小安装空间，CN106463744B提出了一种兼具废气液态水处理和加湿反应气体功能的处理装置及燃料电池系统，具体如下：

燃料电池系统如图3－15所示，燃料电池16发电产生的湿废气经阴极侧排放到废气管路中并传输至处理装置12，湿废气围绕处理装置12的中空纤维束24进行运动并朝向外侧28流动（径向，箭头30）；空气在通道26中流动（轴向），通道26位于中空纤维束的中心；中空纤维束由盘簧46进行支撑，两个中空纤维束之间设置有固持结构50，固持机构50上设置有翼肋52以使中空纤维束保形；由于废气流动区域的横截面积大于通道26的横截面积，因此，湿废气在向外侧流动过程中可以低速和高分散性进行，便于进行水分收集；由于中空纤维束24只允许水分子透过，当湿废气围绕中空纤维束流动时，待加湿的空气供应至通道26中，在水分浓度差的作用下，湿废气中的水分被分离并透过中空纤维束对空气进行加湿。

图3－15 CN106463744B燃料电池系统

分离出的液态水在重力以及废气气体密度差异的作用下，朝向箭头39的方向运动，并从间隙32（间隙32形成于壳体22的壳体壁34与相应中空纤维束之间）流出到达收集区域36；收集区域36形成在壳体底部38中，并呈V形凹槽；液态水还可经由出口（未示出）从收集区域36处排出。

此外，处理装置的壳体顶部区域42处设置有排放空间40以及中空纤维束外侧设置有辐板48来保障间隙32通畅，用以确保干废气顺利排放。干废气经管线供应至废气涡轮增压器的涡轮44处，排放至外界。

该发明的处理装置兼具空气加湿，废气水液分离及水收集功能，可最大程度地节约安装空间和安装部件；该处理装置可确保废气中水分被有效去除，使干废气流至废气涡轮增压器涡轮处，避免了涡轮处的发生冻结。