燃料電池系統(tǒng)與利用其供電的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉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、長壽命的發(fā)電裝置。以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，燃料氣體從陽極側(cè)進入，氫原子在陽極失去電子變成質(zhì)子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，電子同時經(jīng)由外部回路也到達陰極，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45%。作為以電池堆為核心的發(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，到移動式電源；從電動汽車，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’的下表面為陽極，在電池堆的兩端通過第一集流板I’與第二集流板4’實現(xiàn)電池堆整體電流的收集。其中，膜電極3’為電化學反應(yīng)發(fā)生的場所，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，以均勻分配反應(yīng)氣體。
[0005]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’上的陽極21’和陰極23’以及膜電極3’，其中，陽極21’包括氫氣進口01’與氫氣出口02’；陰極23’包括空氣進口 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’包括陽極反應(yīng)氣擴散層31’、陽極催化劑層32，、質(zhì)子交換膜33，、陰極催化劑層34，與陰極反應(yīng)氣擴散層35 ’。由于質(zhì)子交換膜33’的電導率是影響電池電壓性能的關(guān)鍵，而電導率則由其含水量決定，含水量越高則質(zhì)子交換膜33’的電導率越高，電池性能則越高。
[0007]在燃料電池運行過程中，質(zhì)子交換膜33’的含水量由陽極21’與陰極23’內(nèi)部氣體的相對濕度共同決定，相對濕度RH越高，則質(zhì)子交換膜33 ’的含水量越高，進而質(zhì)子交換膜33 ’的電導率越高，電池性能則越高。
[0008]圖2b為對應(yīng)于圖2a電池堆的相對濕度變化情況，橫軸X為反應(yīng)氣體流動方向的距離，縱軸RH為相對濕度。在該電池堆進口出，反應(yīng)氣體的相對濕度較低，為RH1 ’，隨著氫氣與氧氣反應(yīng)生成水的不斷累積，RH不斷增大，在電池堆的出口達到最大值RH2’，該圖中，水蒸氣飽和時的相對濕度值為RH3’，RH2’小于RH3’或等于RH3’。
[0009]由此可見，燃料電池堆在運行過程中，進口與出口端的相對濕度相差較大，進口端較為干燥，電池性能較差;而出口端較為濕潤，電池性能較好。綜合來看，由于進口處反應(yīng)氣體的相對濕度偏低，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，進而解決電池堆壽命短的問題，通常在燃料電池系統(tǒng)中，在電池堆進口前端分別安裝陽極與陰極加濕器，如圖4a、4b與4c所示，較為干燥的陽極與陰極的反應(yīng)氣的相對濕度為RHi’，分別經(jīng)過陰極加濕器51’與陽極加濕器52’，達到相對濕度RH2’，再進入電池堆反應(yīng)，相對濕度由RH2’迅速達到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)氣無法正常傳輸，降低電池堆性能與輸出穩(wěn)定性，并造成嚴重的局部電化學腐蝕現(xiàn)象，降低電池堆壽命。
[0011]為了避免液態(tài)水在電池堆內(nèi)部流道內(nèi)的大量積累，可以通過增加陽極和/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。圖4d為陽極反應(yīng)氣經(jīng)過陽極加濕器52’的流量變化示意圖，初始流量為氫氣的流量QA1,，經(jīng)加濕后，由于增加了一部分水汽，使水汽和未反應(yīng)的氫氣的混合氣流量增加至QA2’。圖4e為陽極反應(yīng)氣經(jīng)過電池堆的流量變化示意圖，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，表明陽極尾氣排出的氫氣量越大，即燃料利用率越低，導致發(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:為了保證一定的氫氣利用率與避免安全隱患，出口端氫氣流量QA3 ’應(yīng)較低，但是較低的氫氣流量QA3’不足以推動液態(tài)水，從而無法將其有效排出。
[0013]圖4f為陰極反應(yīng)氣經(jīng)過陰極加濕器51’的流量變化示意圖，初始流量為空氣的流量QCV，經(jīng)加濕后在出口處水汽和空氣混合氣的流量增加至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，在電池堆出口端未反應(yīng)的空氣和水汽混合氣的流量增加至QCV。％3’高，表明陰極反應(yīng)氣體流量越大，進而增加了供應(yīng)空氣的空氣栗的能耗，導致發(fā)電成本增高。同樣地，降低空氣栗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導致空氣栗的能耗大幅提高，同時，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】

[0014]本申請旨在提供一種燃料電池系統(tǒng)與利用其供電的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中電池堆內(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題。
[0015]為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本申請的一個方面，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括:燃料供應(yīng)單元、供電電池單元與輔助電池單元，其中，燃料供應(yīng)單元具有氫氣出口和空氣出口；供電電池單元包括第一陰極入口、第一陽極入口、第一陰極出口與第一陽極出口，上述氫氣出口與上述第一陽極入口相連，上述空氣出口與上述第一陰極入口相連；輔助電池單元包括第二陰極入口與第二陽極入口，上述第二陰極入口與上述第一陰極出口相連，上述第二陽極入口與上述第一陽極出口相連。
[0016]進一步地，上述燃料供應(yīng)單元包括:氫氣流量控制器、氫氣加濕器、空氣流量控制器與空氣加濕器。其中，氫氣加濕器與上述氫氣流量控制器相連，上述氫氣出口設(shè)置在上述氫氣加濕器上；空氣加濕器與上述空氣流量控制器相連，上述空氣出口設(shè)置在上述空氣加濕器上。
[0017]進一步地，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極汽水分離器，上述陽極汽水分離器連接設(shè)置在上述第一陽極出口與上述第二陽極入口之間。
[0018]進一步地，上述汽水分離單元還包括陰極汽水分離器，上述陰極汽水分離器連接設(shè)置在上述第一陰極出口與上述第二陰極入口之間。
[0019]進一步地，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。
[0020]進一步地，上述輔助電池單元包括燃料單電池或至少一個燃料電池堆。
[0021]進一步地，上述供電電池單元包括一個或多個并聯(lián)的燃料電池堆。
[0022]進一步地，上述供電電池單元的至少一個上述燃料電池堆的至少一個供電膜電極為疏水膜電極。
[0023]為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本申請的另一個方面，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，該方法包括:采用燃料供應(yīng)單元增加原料空氣和原料氫氣的流量;利用上述原料空氣和原料氫氣在供電電池單元中發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電能，并排出空氣尾氣和氫氣尾氣;使上述空氣尾氣和上述氫氣尾氣在輔助電池單元繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
[0024]進一步地，當上述燃料供應(yīng)單元包括氫氣加濕器和/或空氣加濕器時，使上述原料空氣經(jīng)過上述空氣加濕器加濕后進入上述供電電池單元，和/或使上述原料氫氣經(jīng)過上述氫氣加濕器加濕后進入上述供電電池單元。
[0025]應(yīng)用本申請的技術(shù)方案，供電電池單元中含有液態(tài)水，為了提高供電電池單元出口的排水能力，需要增加反應(yīng)氣，當增加反應(yīng)氣時，反應(yīng)氣在供電電池單元中反應(yīng)后，剩余的部分由出口排出，該部分氣體用來增強供電電池單元的排水能力，并且后續(xù)在輔助電池單元中反應(yīng)，反應(yīng)生成電能，避免了多余反應(yīng)氣直接排出帶來的資源浪費問題。
【附圖說明】
[0026]構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當限定。在附圖中:
[0027]圖1為一種現(xiàn)有技術(shù)中的燃料電池堆的結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖2a為圖1的燃料電池堆的局部剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2b為圖2a結(jié)構(gòu)內(nèi)的反應(yīng)氣的相對濕度變化示意圖；
[0030]圖3為圖2a燃料電池堆中的膜電極的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4a為現(xiàn)有技術(shù)中的一種燃料電池系統(tǒng)的局部剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖4b為圖4a的燃料電池中的反應(yīng)氣在加濕器的相對濕度的變化示意圖；
[0033]圖4c為圖4a的燃料電池中的反應(yīng)氣