燃料电池系统与利用其供电的方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统与利用其供电的方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45%。作为以电池堆为核心的发电装置，燃料电池系统集成了电源管理、热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。
[0003]在现有的燃料电池结构中，一般为双极板与膜电极依次叠合，形成多节甚至数十节的电池堆，从而形成功率较高的发电装置。
[0004]如图1所示，为燃料电池堆结构，由双极板2’和膜电极3’叠放而成，其中，双极板2’的上表面为阳极，下表面为阴极，膜电极3’的上表面为阴极，膜电极3’的下表面为阳极，在电池堆的两端通过第一集流板1’与第二集流板4’实现电池堆整体电流的收集。其中，膜电极3’为电化学反应发生的场所，由催化剂(一般为Pt/C)和质子交换膜组成。其中，双极板2’上刻有流道(图1中未示出)，以均匀分配反应气体。
[0005]图2a为燃料电池堆的局部的剖面示意图，其中，图2a示出了位于不同双极板2’上的阳极21’和阴极23’以及膜电极3’，其中，阳极21’包括氢气进口 01’与氢气出口 02’ ；阴极23’包括空气进口 03’与空气出口 04’。
[0006]图3为燃料电池膜电极3’截面结构，膜电极3’包括阳极气体扩散层31’、阳极催化剂层32’、质子交换膜33’、阴极催化剂层34’与阴极气体扩散层35’。由于质子交换膜33’的电导率是影响电池电压性能的关键，而电导率则由其含水量决定，含水量越高则质子交换膜33’的电导率越高，电池性能则越高。
[0007]在燃料电池运行过程中，质子交换膜33’的含水量由阳极21’与阴极23’内部气体的相对湿度共同决定，相对湿度RH越高，则质子交换膜33’的含水量越高，进而质子交换膜33’的电导率越高，电池性能则越高。
[0008]图2b为对应于图2a电池堆的反应气相对湿度变化情况，横轴X为反应气体流动方向的距离，纵轴RH为相对湿度。在该电池堆进口出，反应气体的相对湿度较低，为RH/，随着氢气与氧气反应生成水的不断累积，RH不断增大，在电池堆的出口达到最大值RH2’，该图中，水蒸气饱和时的相对湿度值为RH3’为，RH2’小于RH3’或等于RH3’。
[0009]由此可见，燃料电池堆在运行过程中，进口与出口端的相对湿度相差较大，进口端较为干燥，电池性能较差；而出口端较为湿润，电池性能较好。综合来看，由于进口处反应气体的相对湿度偏低，电池堆的整体性能输出偏低，并且由于膜电极3’的含水量分布极为不均，导致电池堆寿命衰减加速。
[0010]目前，为了解决膜电极3’的含水量分布极为不均，进而解决电池堆寿命短的问题，通常在燃料电池系统中，在电池堆进口前端分别安装阳极与阴极气体的加湿器，如图4所示。较为干燥的阳极与阴极的反应气，分别经过阴极加湿器51’与阳极加湿器52’，达到一定相对湿度后的气体后，再进入电池堆反应，从而获得较高的性能、稳定性以及较长的寿命，图中的箭头方向表示反应气的流动方向。
[0011]然而，由于外部加湿器需要消耗一定的能量，包括加湿器内部液态水的加热，液态水的汽化吸热，以及液态水的外部循环需要一定的电能，从而导致系统整体电效率降低。同时，安装外部加湿器使系统的整体结构与控制更加复杂，并且由于外部加湿器价格昂贵，提高了燃料电池系统成本。
【发明内容】
[0012]本申请旨在提供一种燃料电池系统与利用其供电的方法，以解决现有技术中的燃料电池系统的效率低且成本高的问题。
[0013]为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种燃料电池系统，该系统包括加湿电池单元与供电电池单元，其中，加湿电池单元包括第一阴极出口与第一阳极出口 ；供电电池单元包括第二阴极入口与第二阳极入口，上述第一阳极出口与上述第二阳极入口相连，上述第一阴极出口与上述第二阴极入口相连。
[0014]进一步地，上述加湿电池单元的额定功率小于上述供电电池单元的额定功率。
[0015]进一步地，上述加湿电池单元包括加湿燃料单电池或一个或多个并联的加湿燃料电池堆。
[0016]进一步地，上述加湿电池单元的加湿燃料单电池的膜电极为亲水膜电极，或上述加湿电池单元的加湿燃料电池堆的一个或多个膜电极为亲水膜电极。
[0017]进一步地，上述供电电池单元包括一个或多个并联的供电燃料电池堆。
[0018]进一步地，上述供电电池单元的一个或多个上述供电燃料电池堆的一个或多个膜电极为疏水膜电极。
[0019]进一步地，上述燃料电池系统还包括原料补充单元，上述原料补充单元包括阴极气体出口与阳极气体出口，阴极气体出口与上述第二阴极入口相连，阳极气体出口与第二阳极入口相连。
[0020]为了实现上述目的，根据本申请的另一个方面，提供了一种利用燃料电池系统供电的方法，该方法利用上述的燃料电池系统供电，其中，在上述燃料电池系统的加湿电池单元中，阴极气体的流量为P，阳极气体的流量为Q，第一工作温度为!\，第一工作电流为11;在上述燃料电池系统的供电电池单元中，第二工作温度为T2，第二工作电流为12。
[0021]进一步地，当上述!\等于上述Τ 2时，增大上述1:、减小上述P和/或减小上述Q。
[0022]进一步地，当上述!\大于上述T 2时，增大上述T1和/或减小上述Τ 2o
[0023]进一步地，当上述!\小于上述T 2时，增大上述1:或增大上述Τ 2o
[0024]进一步地，当上述1:、上述12、上述P与上述Q均恒定时，减小上述T2。
[0025]应用本申请的技术方案，部分反应气经过上述的加湿电池单元后，在该电池单元中反应生成水，从而形成相对湿度较高的反应气，并进入供电电池单元中反应。由于进入供电电池单元的反应气的相对湿度较高(接近相对饱和湿度)，使得其质子交换膜的导电率较高，因此该供电电池单元的输出功率较大。并且，进入供电电池单元中的反应气的相对湿度较高，随着反应的进行，虽然会有水的生成导致反应气的湿度进一步增大，但即使增大也仅能增大至相对饱和湿度，因此使得供电电池单元中入口处和出口处反应气的湿度差较小，即整个供电电池单元中的反应气湿度比较均匀，膜内部不存在干燥与湿润对比明显的部位，极大提高了电池堆的发电寿命。
【附图说明】
[0026]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
[0027]图1为现有技术中的一种燃料电池堆结构的立体示意图；
[0028]图2a为图1的燃料电池堆的局部剖面结构示意图；
[0029]图2b为图2a结构内的反应气的相对湿度变化示意图；
[0030]图3为图2a的燃料电池堆中的膜电极的剖面结构示意图；
[0031]图4为现有技术中的一种燃料电池系统的局部剖面结构示意图；
[0032]图5为本申请一种典型实施方式提出的燃料电池系统的局部剖面结构示意图；
[0033]图6a为第一实施例提供的反应气在加湿电池单元中的相对湿度的变化示意图；
[0034]图6b为第一实施例提供的反应气在供电电池单元中的相对湿度的变化示意图；
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