CN102544554B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，其包括一个增温加湿子系统。在本发明的燃料电池系统的增温加湿子系统中，主要利用热交换器和水气分离器来实现对反应气体的增温加湿，成本大幅降低，且热交换器和水气分离器长期运行后不存在性能下降问题，能够保持长时间的性能稳定，由此保证燃料电池系统的发电效率。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地，涉及一种具有增温加湿子系统的燃料电池系统。

背景技术

已知的是，燃料电池系统中的燃料电堆根据所使用的膜(例如，质子交换膜)的不同可以在高温(一般＞120℃)或低温(一般＜90℃，特别在50℃-70℃之间)下工作。当燃料电堆在上述低温下工作时，通常需要对反应气体进行增温加湿，这对于保持燃料电堆中所用膜的电化学活性及其寿命至关重要。

常规的用于燃料电池系统的加湿器大多为基于多氟磺酸膜的湿膜加湿器。这种湿膜加湿器使进入燃料电堆(阳极或阴极)的低温干燥反应气体与另一种高温湿润气体进行热量和湿度交换，从而对低温干燥反应气体增温加湿。

例如，如图1所示，采用常规湿膜加湿器1的燃料电池系统4包括：对阴极反应气体进行加湿的湿膜加湿器1、燃料电堆2和送入低温干燥的外界空气的送风装置3，其中，燃料电堆2中发生反应，生成大量水，还有少量的气体杂质(包括氮气、一部分未反应的氧气等)，这些水和气体杂质从燃料电堆的阴极出口A’处排出，与送风装置3送入的低温干燥的外界空气在加湿器1中进行热量和湿度交换，从而实现对送至燃料电堆2的阴极入口A的反应气体的加湿作用。

然而，由于上述类型的湿膜加湿器大多使用多氟磺酸膜，而这种膜的生产厂家单一(例如，主要为美国杜邦公司的Nafion系列产品或美国perma pure公司的产品)，使得材料及加工成本都很高。此外，这种湿膜加湿器的加湿效果并不理想，一般仅在85％相对湿度以下，并且不能直接控制反应气体的温度，这对燃料电池系统的性能和寿命都会产生不利影响；而且，这种湿膜加湿器在长时间运行后(例如，运行时间3000h，启动次数500次)膜的性能会受到影响，使得加湿效果降低，导致燃料电池系统的发电效率降低约5％-10％。

发明内容

本发明提供一种新型的燃料电池系统，其包括一个增温加湿子系统，该增温加湿子系统解决了常规湿膜加湿器中存在的上述问题。

在本发明的燃料电池系统的增温加湿子系统中，不需使用特殊加湿材料(例如，多氟磺酸膜)，而是利用结构简单且技术成熟的热交换器和水气分离器来实现对反应气体的加湿，成本大幅降低，且热交换器和水气分离器长期运行后不存在性能下降问题，能够保持长时间的性能稳定，并由此保证燃料电池系统的发电效率。

本发明提供一种燃料电池系统，包括：一个燃料电堆，包含具有阳极入口和阳极出口的阳极和具有阴极入口和阴极出口的阴极；其中，在燃料电堆中发生反应，生成反应后的物质，该反应后的物质含有水和气体杂质；一个送风装置，用于送入来自外部的气体；该燃料电池系统还包括一个增温加湿子系统，该增温加湿子系统具有：一个第一水气分离器，与所述阴极出口相连，用于将所述反应后的物质中的气体杂质分离并排出；一个第一热交换器，与所述第一水气分离器相连，接收来自所述第一水气分离器的所述反应后的物质中的水；以及一个热源，与所述第一热交换器相关联，用于汽化所述第一热交换器中接收的水；一个混合装置，设置在所述第一热交换器和所述阴极入口之间；其中，汽化后的水与所述来自外部的气体在混合装置中混合，混合后的、待被送至所述阴极入口的反应气体的相对湿度为100％、温度为50℃-70℃。

在本发明的一个优选实施方案中，所述燃料电池系统还包括具有燃料重整装置的燃料处理子系统；进一步优选地，所述热源由所述燃料重整装置中燃料发生重整反应后的包含重整气流的气路提供。

在本发明的一个优选实施方案中，所述燃料处理子系统还包括燃料输送装置、氢气提纯装置、燃烧炉和空气输送装置；其中所述燃料重整装置优选设置有热交换通道，该热交换通道与所述燃烧炉中的燃烧气流相关联。进一步优选地，所述热源由所述燃烧气流与所述热交换通道进行热交换后的含有所排放的气流的气路提供。

在本发明的一个优选实施方案中，一个第二水气分离器设置在所述燃料电堆的阴极入口和所述混合装置之间。

在本发明的一个优选实施方案中，一个第二热交换器设置在燃料电堆的阴极出口和所述第一水气分离器之间。进一步优选地，所述第二热交换器进一步定位在所述混合装置和所述燃料电堆的阴极入口之间的管路上。

在本发明的一个优选实施方案中，所述混合装置是采用使用金属(例如，不锈钢、铝合金等)或塑料材料(例如，聚乙烯、尼龙等)制成的带有至少两个入口及一个出口的装置。

在本发明的一个优选实施方案中，所述燃料电堆是水冷型燃料电堆。

在本发明的一个优选实施方案中，所述燃料电堆是使用质子交换膜的、在小于90℃(特别是在50℃-70℃之间)的温度下工作的燃料电堆。

附图说明

参考以下附图，结合下文非限制性的示例实施方案能够更好地理解本发明，在附图中，类似的参考标号表示类似的部件或部分，其中：

图1是现有技术中采用常规湿膜加湿器的燃料电池系统的总体示意图；

图2是根据本发明的一个实施方案的包括增温加湿子系统的燃料电池系统的总体示意图；

图3是根据本发明的一个优选实施方案的包括增温加湿子系统的燃料电池系统的总体示意图；以及

图4是为本发明的燃料电池系统中的增温加湿子系统提供热源的一个示例性燃料处理子系统的示意图。

具体实施方案

参考图2，其中示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池系统40。该燃料电池系统40包括：一个燃料电堆14，包括具有阳极入口(未示出)和阳极出口(未示出)的阳极和具有阴极入口A和阴极出口A’的阴极；其中，在燃料电堆14中发生反应，生成反应后的物质，该反应后的物质中含有水和气体杂质(包含氮气和少量未反应的氧气等)；一个送风装置13，用于送入来自外部的气体；该燃料电池系统40还包括一个增温加湿子系统，该增温加湿子系统具有：一个第一水气分离器12，与所述阴极出口A’相连，用于将所述反应后物质中的气体杂质分离并排出；一个第一热交换器11，与所述第一水气分离器12相连，接收来自所述第一水气分离器12的所述反应后的物质中的水；以及一个热源H，与所述第一热交换器11相关联，用于将所述第一热交换器11中接收的水汽化；一个混合装置10，设置在第一热交换器11和阴极入口A之间；其中，汽化后的水与所述来自外部的气体在混合装置10中混合，混合后的、待被送至阴极入口A的反应气体的相对湿度为大约100％、温度大约为50℃-70℃。该增温加湿的反应气体从阴极入口送至燃料电堆中后，能够保持燃料电堆中所用膜的电化学活性，使得燃料电堆中的化学反应充分有效地进行。另外，该增温加湿的反应气体还能使燃料电堆的寿命延长。

在本发明的一个优选方案中，所述燃料电池系统还包括具有燃料重整装置的燃料处理子系统。参考图4，其中示出了根据本发明的一个示例性实施方案的为燃料电池系统中的增温加湿子系统提供热源H的一个示例性燃料处理子系统。该燃料处理子系统包括：燃料输送装置201；燃料重整装置202，用于生成氢气；氢气提纯装置203；空气输送装置204；以及，燃烧炉205；其中，燃料输送装置201将燃料(例如甲醇、天然气等)、水、氧化物(例如空气、氧气等)的混合物按照所需的比例输送到燃料重整装置202，该燃料重整装置202的主体是一个通过化学反应生成氢气的反应器，其中燃料重整反应可以是汽化重整(燃料加水)、自热重整(燃料加水和氧化物)、部分氧化重整(燃料加氧化物)反应等催化或非催化的重整反应，实现生成重整气体(主要包含氢气和二氧化碳、一氧化碳、甲烷等杂质)的目的，其中燃料重整装置202中燃料发生重整反应后的包含重整气流的气路可以提供作为本发明燃料电池系统的增温加湿子系统中的所述热源H(例如，可以将热交换器设置在燃料重整装置202和氢气提纯装置203之间，与燃料重整装置202出口的重整气流进行热交换，从而实现汽化热交换器中的水的作用)；氢气提纯装置203将重整反应生成的大部分氢气分离送至燃料电堆的阳极，同时将杂质及少量氢气(即杂质气流)送入燃烧炉205，而空气输送装置(例如，风扇、鼓风机或压缩机等)204将外界空气按照燃烧炉205所需流量将空气送至燃烧炉205，燃烧炉205接着将氢气提纯杂质与空气混合燃烧反应生成热量形成燃烧气流。进一步优选地，该燃料重整装置202设有与所述燃烧炉203中的燃烧气流相关联(参见图4)的热交换通道(未示出)，以引入燃烧炉205中燃烧反应后的燃烧气流，从而与燃料重整装置202的反应器主体进行热交换，使得排放的气流带有额外的热量。该额外的热量，即，所述燃料气流与所述热交换通道进行热交换后的含有所排放的气流的气路，也可以用作本发明的增温加湿于系统中的所述热源H，用于汽化第一热交换器11(如图2所示)中的水。

或者，上述增温加湿子系统中的热源也可以由燃料电池系统中具有足够热量的其他气路提供，例如，本申请人所拥有的申请号为201010580669.4的专利申请中所描述的位于前端的燃料处理装置。该申请的全部内容在此通过引用方式纳入本文。

在本发明的一个优选实施方案中，一个(或多个)第二水气分离器可以设置在所述燃料电堆的阴极入口和所述混合装置之间。参考图3，在该燃料电池系统40’中，除了与阴极出口A’相连的第一水气分离器12a，还优选设置了一个第二水气分离器12b，该第二水气分离器12b位于阴极入口A和混合装置10之间，用于将反应气体中所含有的少量水分在进入燃料电堆的阴极入口前分离并排出，避免这些水分进入燃料电堆，降低燃料电堆中化学反应的速度，还可以避免这些水分使增温加湿子系统的管路堵塞，使得送风装置送入的气体量减小，影响燃料电堆中的化学反应的进行。

在本发明的一个优选实施方案中，一个(或多个)第二热交换器可以设置在燃料电堆的阴极出口和所述第一水气分离器之间。参考图3，除了与第一水气分离器相连的第一热交换器11a，一个第二热交换器11b设置在燃料电堆14的阴极出口A’和所述第一水气分离器12a之间，该第二热交换器11b能够使更多的水从阴极出口A’排出，从而使增温加湿子系统的管路中的水气增加，使得送最终至阴极入口A的反应气体的饱和度增加。进一步优选地，第二热交换器定位在混合装置和所述燃料电堆的阴极入口之间的管路上；参考图3，第二热交换器11b进一步定位在混合装置10和所述燃料电堆的阴极入口A之间的管路上，由此通过来自阴极出口A’排出的热量，使得来自混合装置10的反应气体在通过该第二热交换器11b后能够进一步增温，这种增温后的反应气体从阴极入口A进入燃料电堆14，会有利于燃料电堆14中化学反应的进行，使催化剂的活性更好。

应理解，作为更优选的方案，第二热交换器(一个或多个)和第二水气分离器(一个或多个)可以共同设置在燃料电池系统中，如图3中总体呈现的，此时，第二热交换器11b进一步定位在混合装置10和第二水气分离器12b之间，由此不仅使得更多的水从阴极出口A’排出，使增温加湿子系统的管路中的水气增加，使得送最终至阴极入口A的反应气体的饱和度增加，并且使得来自混合装置10的反应气体在通过第二热交换器11b后能够进一步增温，这种增温后的反应气体从阴极入口A进入燃料电堆14，会有利于燃料电堆14中化学反应的进行，使催化剂的活性更好，又能够避免水分最终进入燃料电堆，降低燃料电堆中化学反应的速度，还可以避免这些水分使增温加湿子系统的管路堵塞，使得送风装置送入的气体量减小，影响燃料电堆中的化学反应的进行。

在本发明的一个优选实施方案中，所述第一或第二热交换器是平板式热交换器、管壳式热交换器或其他适合类型的热交换器。

在本发明的一个优选实施方案中，所述燃料电堆是使用质子交换膜的、在小于90℃(特别是50-70℃)的温度下工作的燃料电堆。

在本发明的一个优选实施方案中，所述混合装置是采用使用金属(如不锈钢、铝合金等)或塑料材料(如聚乙烯、尼龙等)制成的带有至少两个入口及一个出口的装置，例如三通管道接头。

实施例

通过以下对本发明的实施例的描述，可以更好地进一步理解本发明。应理解，以下实施例仅是示例性的，并不应解释为限制本发明的范围。

实施例1

提供一个燃料电池系统，其包括燃料电堆(-1310，购自加拿大Ballard Power Systems Inc.)、送入外部气体的风扇、与燃料电堆的阴极出口相连的第一水气分离器(AF4000型自动排水器，购自阿尔贝斯气动有限公司，浙江省温州市)、与第一水气分离器相连的第一管壳式热交换器(8H25型，购自上海市欧德克流体处理设备有限公司)和作为混合装置的三通管道接头(30mm格林三通接头，购自方顿仪表阀门有限公司，浙江省温州市)，这些部件的布置方式可参考本发明的图2所示；其中，该燃料电池系统的冷却方式为向燃料电堆中的冷却通道输送水，燃料电池系统的输出功率3.7kW，包括在燃料电池系统中的燃料处理子系统(其包含甲醇重整装置，燃烧炉等)所提供的氢气流量为每小时0.315千克，来自外部的空气流量为每小时19.32千克，温度为10摄氏度，相对湿度20％；燃料电堆的阴极出口通过所述第一水气分离器以每小时1.93千克排出液体水；其中，来自与燃料电堆阳极相连的甲醇重整装置(设有热交换通道)的额外的热量气体(即，燃烧炉中的燃烧气流与甲醇重整装置中的热交换通道进行热交换后的气流)作为汽化水的热源，该额外的热量气体的温度为320摄氏度，含量为每小时1.52千克的水、每小时2.02千克的氧气、每小时11.08千克的氮气、和每小时3.38千克的二氧化碳；借助于该热源，从第一水气分离器送至第一热交换器中的水被全部汽化，汽化后温度为160摄氏度；汽化后的水与由送风装置送入的外部干燥气体在三通管道接头中混合，得到送入燃料电池系统阴极入口的反应气体。(在此，本实施例中关于氢气流量、外部空气流量和额外的热量气体等参数是在燃料电池系统运行时间500h、启动次数50次时的具体测定值。)

对于上述燃料电池系统，当其运行时间和启动次数为以下设定值时，使用温湿度测量装置(型号：希玛AR827温湿度计，购自广州市恒高精艺科技发展有限公司)对进入燃料电堆的阴极入口的反应气体进行测试，同时对燃料电池系统的发电效率进行测试；其中，关于发电效率的测量，具体为使用万用表(型号：1587/1577万用表，购自美国Fluke公司)测量电堆电压，接着用所测电压与公知的理想开路电压(即，每片膜电极两侧的电压：1.23V)相除就可以得到所述发电效率。应理解，关于氢气流量、外部空气流量和额外的热量气体等参数未进行重复测定。

得出如下测试结果。参见表1：

表1：燃料电池系统的相关参数测定

运行时间(h)	启动次数	反应气体相对湿度	反应气体温度(℃)	燃料电池系统发电效率
					500	50	100％	58	55％
1000	100	100％	58	55％
					3000	400	100％	50	55％
4000	500	100％	60	55％
					5000	600	100％	65	55％

实施例2

提供一个燃料电池系统，其包括燃料电堆(-1310，购自加拿大Ballard Power Systems Inc.)、送入外部气体的风扇、与燃料电堆的阴极出口相连的第一水气分离器(AF4000型自动排水器，购自阿尔贝斯气动有限公司，浙江省温州市)、与第一水气分离器相连的第一平板式热交换器(Alfa Nova 27-20型，购自瑞典Alfa Laval公司)、作为混合装置的三通管道接头(30mm格林三通接头，购自方顿仪表阀门有限公司，浙江省温州市)、设置在燃料电堆的阴极入口和混合装置之间的第二水气分离器(AF4000型自动排水器，购自阿尔贝斯气动有限公司，浙江省温州市)以及设置在燃料电堆的阴极出口和第一水气分离器之间的第二平板式热交换器(Alfa Nova 27-20型，购自瑞典Alfa Laval公司)，这些部件的布置方式可参考本发明的图3所示；其中，该燃料电池系统的冷却方式为向燃料电堆中的冷却通道输送水，燃料电池系统的输出功率6.5kW，包括在燃料电池系统中的燃料处理子系统(其包含甲醇重整装置、燃烧炉等)所提供的氢气流量为每小时0.441千克，空气流量为每小时27千克，温度25摄氏度，相对湿度50％；阴极出口排出的水及气体杂质与阴极出口相连的第二热交换器实现480瓦的热交换，第一水气分离器以每小时4.8千克向热交换器送入液体水；其中，来自与水冷电堆阳极相连的甲醇重整装置(设有热交换通道)的额外的热量气体(即，燃烧炉中的燃烧气流与甲醇重整装置中的热交换通道进行热交换后的气流)作为热源，该额外的热量气体的温度为300摄氏度，含量为每小时1.9千克的水、每小时2.54千克的氧气、每小时13.9千克的氮气、和每小时4.25千克的二氧化碳；借助于上述热源，从第一水气分离器送入第一热交换器的水被全部汽化，汽化后温度为102摄氏度；汽化后的水与由作为送风装置的风扇送入的外部干燥气体在三通管道接头中混合，接着该混合的反应气体经过第二热交换器和第二水气分离器，然后进入燃料电池系统的阴极入口。(在此，本实施例中关于氢气流量、外部空气流量和额外的热量气体等参数是在燃料电池系统运行时间500h、启动次数50次时的具体测定值。)

对于上述燃料电池系统，当其运行时间和启动次数为以下设定值时，使用温湿度测量装置(型号：希玛AR827温湿度计，购自广州市恒高精艺科技发展有限公司)对进入燃料电堆的阴极入口的反应气体进行测试，同时对燃料电池系统的发电效率进行测试；其中，关于发电效率的测量，具体为使用万用表(型号：1587/1577万用表，购自美国Fluke公司)测量电堆电压，接着用所测电压与公知的燃理想开路电压(即，每片膜电极两侧的电压：1.23V)相除就可以得到所述发电效率。应理解，关于氢气流量、外部空气流量和多余热量气体等参数未进行重复测定。

得出如下测试结果。参见表2。

表2：燃料电池系统的相关参数测定

运行时间(h)	启动次数	反应气体相对湿度	反应气体温度(℃)	燃料电池系统发电效率
					500	50	100％	58	50％
1000	100	100％	55	50％
					3000	400	100％	60	50％
4000	500	100％	58	50％
					5000	600	100％	65	50％

实施例3

提供一个燃料电池系统，其包括燃料电堆(9SSL电堆产品，购自加拿Ballard Power Systems Inc.)、送入外部气体的风扇、与燃料电堆的阴极出口相连的第一水气分离器(JAD402-S型，购自晶威机械厂，浙江省奉化市)、与第一水气分离器相连的第一平板式热交换器(B5-SN-S型，购自瑞典SWEP公司，Lands crona市)、作为混合装置的三通管道接头(20mm快插三通接头，购自阿尔贝斯气动有限公司，浙江省温州市)、设置在燃料电堆的阴极入口和混合装置之间的第二水气分离器(JAD402-S型，购自晶威机械厂，浙江省奉化市)以及设置在燃料电堆的阴极出口和第一水气分离器之间的第二平板式热交换器(B5-SN-S型，购自瑞典SWEP公司，Landscrona市)，这些部件的布置方式可参考本发明的图3所示；其中，燃料电池系统的冷却方式为向燃料电堆中的冷却通道输送水，燃料电池系统的输出功率3kW，燃料处理子系统(包括甲醇重整装置)提供的氢气流量为每小时0.164千克，空气流量为每小时10.05千克，温度25摄氏度，相对湿度50％；阴极出口排出的水及气体杂质与阴极出口相连的第二热交换器实现18瓦的热交换，第一水气分离器以每小时1.48千克向第一热交换器送入液态水；其中，来自与水冷电堆阳极相连的甲醇重整装置反应后的含有重整气流的气路作为热源，该气路的温度为275摄氏度，含量为每小时0.68千克的水、每小时0.38千克的氢气、每小时2.62千克的二氧化碳、和每小时0.037千克的一氧化碳；借助于该热源，通过第一热交换器的液体水被全部汽化，汽化后温度为103摄氏度；汽化后的水与由风扇送入的外部干燥气体在混合器中混合，接着该混合的反应气体进入第二热交换器和第二水气分离器，然后进入燃料电池系统的阴极入口。(在此，本实施例中关于氢气流量、外部空气流量和气路等参数是在燃料电池系统运行时间500h、启动次数50次时的具体测定值。)

对于上述燃料电池系统，当其运行时间和启动次数为以下设定值时，使用温湿度测量装置(型号：希玛AR827温湿度计，购自广州市恒高精艺科技发展有限公司)对进入燃料电堆的反应气体进行测试，同时对燃料电池系统的发电效率进行测试；其中，关于发电效率的测量，具体为使用万用表(型号：1587/1577万用表，购自美国Fluke公司)测量电堆电压，接着用所测电压与公知的理想开路电压(即，每片膜电极两侧的电压：1.23V)相除就可以得到所述发电效率。应理解，关于氢气流量、外部空气流量和气路等参数未进行重复测定。

得出如下测试结果。参见表3。

表3：燃料电池系统的相关参数测定

运行时间(h)	启动次数	反应气体相对湿度	反应气体温度(℃)	燃料电池系统发电效率
					500	50	100％	58	50％
1000	100	100％	58	50％
					3000	400	100％	50	50％
4000	500	100％	70	50％
					5000	600	100％	65	50％

对比例1

提供一个燃料电池系统，其包括燃料电堆(-1310，购自加拿大Ballard Power Systems Inc.)、送入外部气体的风扇以及基于多氟磺酸膜的湿膜加湿器(型号：FC 300-1660-7ABS，购自美国permapure公司)，这些部件的布置方式可参考本发明的图1所示；其中，该燃料电池系统的冷却方式为向燃料电堆中的冷却通道输送水，燃料电池系统的输出功率3.5kW。来自外部的空气流量为每小时19千克，温度为10摄氏度，相对湿度20％；外部空气经过湿膜加湿器后的进入燃料电堆的阴极入口；燃料电堆阴极出口处反应物的流量为每小时19千克，其中含水为每小时4.63千克，氧气每小时1.69千克，氮气每小时12.68千克，温度为62摄氏度，相对湿度100％。(在此，本对比例中关于外部空气流量和阴极出口处反应物等参数是在燃料电池系统运行时间500h、启动次数50次时的具体测定值。)

对于该燃料电池系统，当其运行时间和启动次数为以下设定值时，使用温湿度测量装置(型号：希玛AR827温湿度计，购自广州市恒高精艺科技发展有限公司)对进入燃料电堆的阴极入口的反应气体进行测试，同时对燃料电池系统的发电效率进行测试；其中，关于发电效率的测量，具体为使用万用表(型号：1587/1577万用表，购自美国Fluke公司)测量电堆电压，接着用所测电压与公知的理想开路电压(即，每片膜电极两侧的电压：1.23V)相除就可以得到所述发电效率。应理解，关于外部空气流量和阴极出口处反应物等参数未进行重复测定

得出如下测试结果。参见表4。

表4：燃料电池系统的相关参数测定

运行时间(h)	启动次数	反应气体相对湿度	反应气体温度(℃)	燃料电池系统发电效率
					500	50	85％	48	50％
1000	100	80％	48	50％
					3000	400	78％	47	47％
4000	500	75％	47	45％
					5000	600	60％	43	42％

通过以上非限制性的实施例和对比例，可以看出，本发明的燃料电池系统能够保持长期稳定的发电效率，而且本发明中的增温加湿子系统能够将进入燃料电堆阴极入口的反应气体的相对湿度控制在100％、温度控制在50-70℃之间，不会受到燃料电池系统运行时间和启动次数的影响，保证了燃料电池系统的发电效率。然而，使用常规湿膜加湿器的燃料电池系统的发电效率在长时间运行后(例如，运行时间3000h，启动次数400次)会下降，且其中的湿膜加湿器不能对进入燃料电堆阴极入口的反应气体的温度直接进行控制，反应气体的相对湿度也不理想(在85％以下)，这对燃料电堆的性能和寿命都造成不利影响。

此外，本发明中的增温加湿子系统还可以用于需要引入空气作为电化学反应氧化剂的直接甲醇燃料电池系统、直接乙醇燃料电池系统或高温质子交换膜燃料电池系统等，而并不受限于上文所述的燃料电池系统。

应理解，在不偏离本发明的实质精神的情况下，任何对于本发明的改进、变型或修改，都旨在被包括在本发明所附的权利要求书的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种燃料电池系统，包括：

一个燃料电堆，包含具有阳极入口和阳极出口的阳极和具有阴极入口和阴极出口的阴极；

其中，在燃料电堆中发生反应，生成反应后的物质，该反应后的物质含有水和气体杂质；

一个送风装置，用于送入来自外部的气体；

其特征在于：

该燃料电池系统还包括一个增温加湿子系统，该增温加湿子系统具有：

-一个第一水气分离器，与所述阴极出口相连，用于将所述反应后的物质中的气体杂质分离并排出；

-一个第一热交换器，与所述第一水气分离器相连，接收来自所述第一水气分离器的所述反应后的物质中的水；以及

-一个热源，与所述第一热交换器相关联，用于汽化所述第一热交换器中接收的水；

-一个混合装置，设置在所述第一热交换器和所述阴极入口之间；

其中，汽化后的水与所述来自外部的气体在混合装置中混合，混合后的、待被送至所述阴极入口的反应气体的相对湿度为100％、温度为50℃-70℃。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括具有燃料重整装置的燃料处理子系统。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料处理子系统还包括燃料输送装置、氢气提纯装置、燃烧炉和空气输送装置；所述燃料重整装置设置有热交换通道，该热交换通道与所述燃烧炉中的燃烧气流相关联。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述热源由所述燃烧气流与所述热交换通道进行热交换后的含有所排放的气流的气路提供。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，一个第二水气分离器设置在所述燃料电堆的阴极入口和所述混合装置之间。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，一个第二热交换器设置在燃料电堆的阴极出口和所述第一水气分离器之间。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二热交换器进一步定位在所述混合装置和所述燃料电堆的阴极入口之间的管路上。

8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述混合装置是使用金属或塑料材料制成的带有至少两个入口及一个出口的装置。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电堆是水冷型燃料电堆。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电堆是使用质子交换膜的、在小于90℃的温度下工作的燃料电堆。

11.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述热源由所述燃料重整装置中燃料发生重整反应后的包含重整气流的气路提供。

12.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于,所述金属是不锈钢或铝合金，所述塑料材料是聚乙烯或尼龙。

13.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于,所述燃料电堆是使用质子交换膜的、在50℃-70℃之间的温度下工作的燃料电堆。