燃料電池系統(tǒng)與利用其供電的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)?jiān)O(shè)及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，設(shè)及一種燃料電池系統(tǒng)與利用其供電 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料電池是一種環(huán)境友好、高效、長(zhǎng)壽命的發(fā)電裝置。W質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC)為例，燃料氣體從陽(yáng)極側(cè)進(jìn)入，氨原子在陽(yáng)極失去電子變成質(zhì)子，質(zhì)子穿過(guò)質(zhì)子交 換膜到達(dá)陰極，電子同時(shí)經(jīng)由外部回路也到達(dá)陰極，在陰極質(zhì)子、電子與氧氣結(jié)合生成水。 燃料電池采用非燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，由于不受卡諾循環(huán)的限制其直接發(fā)電效 率可高達(dá)45%。作為W電池堆為核屯、的發(fā)電裝置，燃料電池系統(tǒng)集成了電源管理、熱管理等 模塊，具有熱、電、水、氣統(tǒng)籌管理的特征。燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品從固定式電站，到移動(dòng)式電源； 從電動(dòng)汽車，到航天飛船;從軍用裝備，到民用產(chǎn)品有著廣泛的應(yīng)用空間。
[0003] 在現(xiàn)有的燃料電池結(jié)構(gòu)中，一般為雙極板與膜電極依次疊合，形成多節(jié)甚至數(shù)十 節(jié)的電池堆，從而形成功率較高的發(fā)電裝置。
[0004] 如圖1所示，為燃料電池堆結(jié)構(gòu)，由雙極板2'和膜電極3'疊放而成，其中，雙極板2' 的上表面為陽(yáng)極，下表面為陰極，膜電極3'的上表面為陰極，膜電極3'的下表面為陽(yáng)極，在 電池堆的兩端通過(guò)第一集流板1'與第二集流板4'實(shí)現(xiàn)電池堆整體電流的收集。其中，膜電 極3'為電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，由催化劑(一般為Pt/C)和質(zhì)子交換膜組成。其中，雙極板2' 上刻有流道，W均勻分配反應(yīng)氣體。
[000引圖2a為燃料電池堆的局部的剖面示意圖，其中，圖2a示出了位于不同雙極板2'上 的陽(yáng)極反應(yīng)室21'和陰極反應(yīng)室23'W及膜電極3'，其中，陽(yáng)極反應(yīng)室21'包括氨氣進(jìn)口01' 與氨氣出口 02 '；陰極反應(yīng)室23 '包括空氣進(jìn)口 03 '與空氣出口 04'。
[0006] 圖3為燃料電池膜電極3'截面結(jié)構(gòu)的示意圖，膜電極3'包括陽(yáng)極反應(yīng)氣擴(kuò)散層 31'、陽(yáng)極催化劑層32 '、質(zhì)子交換膜33 '、陰極催化劑層34 '與陰極反應(yīng)氣擴(kuò)散層35 '。由于質(zhì) 子交換膜33'的電導(dǎo)率是影響電池電壓性能的關(guān)鍵，而電導(dǎo)率則由其含水量決定，含水量越 高則質(zhì)子交換膜33'的電導(dǎo)率越高，電池性能則越高。
[0007] 在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中，質(zhì)子交換膜33'的含水量由陽(yáng)極反應(yīng)室21'與陰極反應(yīng)室 23 '內(nèi)部氣體的相對(duì)濕度共同決定，相對(duì)濕度RH越高，則質(zhì)子交換膜33 '的含水量越高，進(jìn)而 質(zhì)子交換膜33 '的電導(dǎo)率越高，電池性能則越高。
[0008] 圖化為對(duì)應(yīng)于圖2a電池堆的相對(duì)濕度變化情況，橫軸X為反應(yīng)氣體流動(dòng)方向的距 離，縱軸畑為相對(duì)濕度。在該電池堆進(jìn)口出，反應(yīng)氣體的相對(duì)濕度較低，為畑1'，隨著氨氣與 氧氣反應(yīng)生成水的不斷累積，RH不斷增大，在電池堆的出口達(dá)到最大值畑2'，該圖中，水蒸 氣飽和時(shí)的相對(duì)濕度值為畑3'，R也'小于R也'或等于畑3'。
[0009] 由此可見，燃料電池堆在運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)口與出口端的相對(duì)濕度相差較大，進(jìn)口端 較為干燥，電池性能較差;而出口端較為濕潤(rùn)，電池性能較好。綜合來(lái)看，由于進(jìn)口處反應(yīng)氣 體的相對(duì)濕度偏低，電池堆的整體性能輸出偏低，并且由于膜電極3 '的含水量分布極為不 均，導(dǎo)致電池堆壽命衰減加速。
[0010] 目前，為了解決膜電極3'的含水量分布極為不均，進(jìn)而解決電池堆壽命短的問(wèn)題， 通常在燃料電池系統(tǒng)中，在電池堆進(jìn)口前端分別安裝陽(yáng)極反應(yīng)氣與陰極反應(yīng)氣的加濕器， 如圖4曰、圖4b與圖4c所示。較為干燥的陽(yáng)極與陰極的反應(yīng)氣的相對(duì)濕度為R出'，分別經(jīng)過(guò)陰 極加濕器51'與陽(yáng)極加濕器52 '，達(dá)到相對(duì)濕度R出'，再進(jìn)入電池堆反應(yīng)，相對(duì)濕度由畑2 '迅 速達(dá)到RH3'（飽和蒸汽壓狀態(tài)100% )，從而在電池堆內(nèi)部形成大量液態(tài)水的積累，導(dǎo)致電池 堆內(nèi)部流道與多孔介質(zhì)被堵塞，造成反應(yīng)氣無(wú)法正常傳輸，降低電池堆性能與輸出穩(wěn)定性， 并造成嚴(yán)重的局部電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，降低電池堆壽命。為了避免液態(tài)水在電池堆內(nèi)部流道 內(nèi)的大量積累，可W通過(guò)增加陽(yáng)極和/或陰極的反應(yīng)氣體的流量，大量的反應(yīng)氣將電池堆內(nèi) 的液態(tài)水吹掃排出。
[0011] 圖4d與圖4e為陽(yáng)極反應(yīng)氣的流量變化示意圖，初始流量為QAi'，經(jīng)加濕后增加至 QA2 '，隨著電池堆反應(yīng)的消耗，在電池堆出口端流量降至QA3 '，QA3 '越高，表明陽(yáng)極尾氣排出 的氨氣量越大，即燃料利用率越低，導(dǎo)致發(fā)電成本增高。
[0012] 由此可見，提高燃料利用率與解決電池堆內(nèi)部流道內(nèi)液態(tài)水的大量積累之間出現(xiàn) 了矛盾:為了保證一定的氨氣利用率與避免安全隱患，出口端氨氣流量QA3 '應(yīng)較低，但是較 低的氨氣流量QA3'不足W推動(dòng)液態(tài)水，從而無(wú)法將其有效排出。
[0013] 圖4f與圖4g為陰極反應(yīng)氣的流量變化示意圖，初始流量為QCi'，經(jīng)加濕后增加至 QC2'，隨著電池堆反應(yīng)，部分氧氣消耗而生成水蒸氣加入氣流，在電池堆出口端流量增加至 QC3'dQC3'越高，表明陰極反應(yīng)氣體流量越大，進(jìn)而增加了空氣累的能耗，導(dǎo)致發(fā)電成本增 局。
[0014] 同樣地，降低空氣累的能耗與解決電池堆內(nèi)部流道內(nèi)液態(tài)水的大量積累之間也出 現(xiàn)了矛盾:為了提高電池堆的排水能力，需要增加空氣的流量，但是空氣流量的增加會(huì)導(dǎo)致 空氣累的能耗大幅提高，同時(shí)，使得反應(yīng)氣不能被有效利用，大大降低了系統(tǒng)發(fā)電效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本申請(qǐng)旨在提供一種燃料電池系統(tǒng)與利用其供電的方法，W解決現(xiàn)有技術(shù)中的電 池堆內(nèi)部流道內(nèi)液態(tài)水排出與節(jié)約發(fā)電成本之間存在矛盾的問(wèn)題。
[0016] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)方面，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包 括:加濕電池單元、供電電池單元與輔助電池單元。其中，加濕電池單元包括第一陽(yáng)極出口 與第一陰極出口；供電電池單元包括第二陽(yáng)極入口、第二陰極入口、第二陽(yáng)極出口和第二陰 極出口，上述第一陽(yáng)極出口與上述第二陽(yáng)極入口相連，上述第一陰極出口與上述第二陰極 入口相連;輔助電池單元包括第=陰極入口與第=陽(yáng)極入口，上述第=陰極入口與上述第 二陰極出口相連，上述第=陽(yáng)極入口與上述第二陽(yáng)極出口相連。
[0017] 進(jìn)一步地，上述加濕電池單元包括燃料單電池或燃料電池堆。
[0018] 進(jìn)一步地，上述加濕電池單元的燃料單電池的膜電極為親水膜電極，或上述加濕 電池單元的燃料電池堆的至少一個(gè)加濕膜電極為親水膜電極。
[0019] 進(jìn)一步地，上述供電電池單元包括一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的燃料電池堆。
[0020] 進(jìn)一步地，上述輔助電池單元包括至少一個(gè)燃料單電池或燃料電池堆。
[0021] 進(jìn)一步地，上述燃料電池系統(tǒng)還包括汽水分離單元，上述汽水分離單元包括：陽(yáng)極 汽水分離器，陽(yáng)極汽水分離器連接設(shè)置在上述第二陽(yáng)極出口與上述第=陽(yáng)極入口之間；
[0022] 進(jìn)一步地，上述汽水分離單元還包括：陽(yáng)極汽水分離器，陽(yáng)極汽水分離器連接設(shè)置 在上述第二陰極出口與上述第=陰極入口之間。
[0023] 進(jìn)一步地，上述加濕電池單元的額定功率小于上述供電電池單元的額定功率。
[0024] 進(jìn)一步地，上述供電電池單元的額定功率大于上述輔助電池單元的額定功率。
[0025] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本申請(qǐng)的另一個(gè)方面，提供了一種利用燃料電池系統(tǒng)供 電的方法，該方法利用上述的燃料電池系統(tǒng)供電，上述方法包括:采用加濕電池單元對(duì)反應(yīng) 氣進(jìn)行加濕，加濕后的上述反應(yīng)氣在供電電池單元中發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電能，并排出空氣尾氣 和氨氣尾氣;上述空氣尾氣和上述氨氣尾氣在輔助電池單元繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
[0026] 進(jìn)一步地，上述方法還包括:在上述空氣尾氣和上述氨氣尾氣進(jìn)入上述輔助電池 單元之前，將上述空氣尾氣和上述氨氣尾氣進(jìn)行氣液分離的步驟。
[0027] 進(jìn)一步地，上述輔助電池單元的工作電流為13,13的工作區(qū)間為

1其中，Qo為供電電池單元的第二陽(yáng)極出口處的額定氣體流 量，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，T為上述燃料電池系統(tǒng)的工作溫度，P為上述燃料電池系統(tǒng)的工作壓強(qiáng)， Psat為飽和蒸汽壓，R為理想氣體常數(shù)，化為上述輔助電池單元的單電池的節(jié)數(shù)，畑0為上述 供電電池單元內(nèi)的額定相對(duì)濕度，Sc為上述燃料電池系統(tǒng)的空氣化學(xué)計(jì)量比，
化為上述加濕電池單元的單電池的節(jié)數(shù)，化為上述供電電池單元的單電池的節(jié)數(shù)，化為上述 輔助電池單元的單電池的節(jié)數(shù)，Ii為上述加濕電池單元的工作電流、12為上述供電電池單元 的工作電流。
[0028] 進(jìn)一步地，減小上述ScW增大上述13的工作區(qū)間。
[0029] 進(jìn)一步地，增大上述IiW增大上述13的工作區(qū)間。
[0030] 上述燃料電池系統(tǒng)由于具有輔助電池單元，因此供電電池單元中多余的反應(yīng)氣能 夠排出后被輔助電池單元消耗，從而加快了該多余的反應(yīng)氣的排出速度，進(jìn)而使得在不增 加空氣累的能耗前提下（即不增加空氣累成本的前提下），利用加濕電池單元增加反應(yīng)氣供 應(yīng)量促進(jìn)供電電池單元中液態(tài)水的排出成為可能。而且，輔助電池單元能夠進(jìn)一步利用多 余的反應(yīng)氣反應(yīng)產(chǎn)生電能，加濕電池單元在加濕反應(yīng)氣和增加反應(yīng)氣供應(yīng)量的同時(shí)也能夠 產(chǎn)生電能，由此可見，反應(yīng)氣得到了充分利用，說(shuō)明燃料的利用率增高，使得發(fā)電成本降低。
[0031] 本申請(qǐng)的燃料電池系統(tǒng)在具有上述效果的同時(shí)，還具有W下效果：
[0032] 反應(yīng)氣經(jīng)過(guò)上述的加濕電池單元后，被該電池單元中的反應(yīng)生成水加濕，形成相 對(duì)濕度較高的反應(yīng)氣，并進(jìn)入供電電池單元中反應(yīng)，由于進(jìn)入供電單元的反應(yīng)氣的相對(duì)濕 度較高(接近飽和相對(duì)濕度），使得其質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電率較高，因此使供電電池單元的輸 出功率較大。并且，進(jìn)入供電電池單元中的