CN105375048B - 燃料电池系统与利用其供电的方法 - Google Patents

燃料电池系统与利用其供电的方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种燃料电池系统与利用其供电的方法。该燃料电池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，第一阳极出口与第二阳极入口相连，第一阴极出口与第二阴极入口相连。该燃料电池系统中的供电电池单元的效率较好，并且，加湿电池单元生成水的同时，生成了电能，这部分电能则可应用于燃料电池系统附属部件的供能，甚至可以在外部需求较高时，与供电电池单元进行联合供能。因此，加湿电池单元可以大大提高整个燃料电池系统的效率。

Description

燃料电池系统与利用其供电的方法
技术领域
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
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。
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。
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。
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’。
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。
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。
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RH1’，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’。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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T1，第一工作电流为I1；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I2。
进一步地，当上述T1等于上述T2时，增大上述I1、减小上述P和/或减小上述Q。
进一步地，当上述T1大于上述T2时，增大上述T1和/或减小上述T2。
进一步地，当上述T1小于上述T2时，增大上述I1或增大上述T2。
进一步地，当上述I1、上述I2、上述P与上述Q均恒定时，减小上述T2。
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
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：
图1为现有技术中的一种燃料电池堆结构的立体示意图；
图2a为图1的燃料电池堆的局部剖面结构示意图；
图2b为图2a结构内的反应气的相对湿度变化示意图；
图3为图2a的燃料电池堆中的膜电极的剖面结构示意图；
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；
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；
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；
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；
图7a为第二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；
图7b为第二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；
图8a为第三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；
图8b为第三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；
图9a为第四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；以及
图9b为第四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。
其中，上述附图包括以下附图标记：
01’、氢气进口；02’、氢气出口；03’、空气进口；04’、空气出口；1’、第一集流板；2’、双极板；3’、膜电极；4’、第二集流板；21’、阳极反应室；23’、阴极反应室；31’、阳极气体扩散层；32’、阳极催化剂层；33’、质子交换膜；34’、阴极催化剂层；35’、阴极气体扩散层；51’、阴极加湿器；52’、阳极加湿器；10、加湿电池单元；20、供电电池单元；11、加湿阳极；12、加湿膜电极；13、加湿阴极；21、供电阳极；22、供电膜电极；23、供电阴极；第一阳极出口110；130、第一阴极出口；210、第二阳极入口；230、第二阴极入口。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中的包括加湿器的燃料电池系统的效率低且成本高，为了解决如上的问题，本申请提出了一种燃料电池系统与利用其供电的方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图5所示，上述燃料电池系统包括加湿电池单元10与供电电池单元20。其中，加湿电池单元10包括第一阴极出口130与第一阳极出口110；供电电池单元20包括第二阴极入口230与第二阳极入口210，上述第一阳极出口110与上述第二阳极入口210相连，上述第一阴极出口130与上述第二阴极入口230相连。
如图5所示，部分反应气经过上述的加湿电池单元10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20中反应。由于进入供电电池单元20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20的输出功率较大。并且，进入供电电池单元20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20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20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。
由此可见，该系统中的供电电池单元20的效率较好，并且，加湿电池单元10不仅不消耗电能，节约燃料电池系统的成本，而且在其生成水的同时，生成了电能，这部分电能则可应用于燃料电池系统附属部件的供能，甚至可以在外部需求较高时，与供电电池单元20进行联合供能，进而可以大大提高整个燃料电池系统的效率。
本申请的另一个实施例中，上述燃料电池系统包括原料补充单元，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230相连，阳极气体出口与第二阳极入口210相连。原料补充单元一方面可以提高供电电池单元20出口处的气体流量，另一方面，可以调节进入供电电池单元20的气体的湿度。
为了控制加湿电池单元10对反应气的加湿程度，避免在供电电池单元20内部形成大量的液态水，本申请优选上述加湿电池单元10的额定功率小于上述供电电池单元20的额定功率。
本申请的另一种实施例中，上述加湿电池单元10包括燃料单电池或一个或多个并联的燃料电池堆。其中的燃料电池或燃料电池堆的结构采用本领域常规的燃料电池或燃料电池堆结构即可，比如图5所示的燃料电池系统中，加湿电池单元10包括一个加湿燃料电池堆，该加湿燃料电池堆包括多个由加湿阴极13、加湿膜电极12与加湿阳极11构成的结构(图中只示出一个对应的结构)，上述加湿阳极11包括加湿阳极11入口与加湿阳极11出口，上述加湿阴极13包括加湿阴极13入口与加湿阴极13出口，上述第一阴极出口130对应上述加湿阴极13出口，上述第一阳极出口110对应上述加湿阳极11出口。
为了进一步保证加湿电池单元10内部具有一定的湿度氛围并能够加载一定的反应电流强度，本申请优选上述加湿电池单元10的燃料单电池的膜电极为亲水膜电极，或上述加湿电池单元10的燃料电池堆的一个或多个膜电极为亲水膜电极。
本申请的一种实施例中，上述供电电池单元20包括一个或多个并联的供电燃料电池堆。比如图5所示的燃料电池系统中，供电电池单元20包括一个供电燃料电池堆，该供电燃料电池堆包括多个由供电阴极23、供电膜电极22与供电阳极21构成的结构(图中只示出一个对应的结构)，该供电阳极21包括供电阳极入口与供电阳极出口，上述供电阴极23包括供电阴极入口与供电阴极出口。当供电电池单元20包括一个燃料电池堆时，上述供电阳极21入口对应上述第二阳极入口210，上述供电阴极23入口对应上述第二阴极入口230；当供电电池单元20包括多个并联的供电燃料电池堆时，各上述供电阳极21入口均与上述第二阳极入口210相连，各上述供电阴极23入口均与上述第二阴极入口230相连。
当加湿电池单元10包括多个并联的加湿燃料电池堆时，并且供电电池单元20包括多个并联的供电燃料电池堆时，加湿电池单元10中的加湿燃料电池堆与供电电池单元20中的一个或多个供电燃料电池堆对应。
由于供电电池单元20的入口处的反应气的相对湿较高，如果反应时间过长，且供电电池单元的排水不及时时，会造成反应生成的水聚集在供电电池单元20，导致其反应效率降低，进而降低发电效率，为了克服该问题，尽可能减少水的聚集对发电效率的影响，优选上述供电电池单元20的一个或多个供电燃料电池堆的一个或多个膜电极为疏水膜电极。
根据本申请的另一种实施方式中，提供了一种利用燃料电池系统供电的方法，该方法采用图5所示的燃料电池系统，并且，在上述燃料电池系统的加湿电池单元10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T1，第一工作电流为I1；在上述燃料电池系统的供电电池单元20中，第二工作温度为T2，第二工作电流为I2。如前所述上述燃料电池系统具有上述优势，因此采用该燃料电池系统供电的方法具有供电效率较高、成本较低的优势。
本申请发明人通过研究发现，供电电池单元20入口处的反应气的相对湿度RH2受阴极气体的流量P、阳极气体的流量Q、第一工作温度为T1、工作电流为I1、第一工作温度为T1与第二工作温度为T2的影响。因此，可以通过适当调整上述某些参数调整进入供电电池单元20的反应气的相对湿度RH2。
本申请的第一实施例中，当上述T1等于上述T2时，反应气经过加湿电池单元10与供电电池单元20的过程中，反应气的相对湿度在加湿电池单元10中的变化如图6a所示，反应气的相对湿度在供电电池单元20中的变化如图6b所示，加湿电池单元10的两个出口的反应气的相对湿度与对应的供电电池单元20的两个入口处的反应气相对湿度相同，均为RH2。增大上述I1，保持P与Q不变，参加反应的气体增加，因此其产水量也得到提高，进而提高了RH2。加湿电池单元10中反应气体的流量(P和/或Q)越小，所以加湿电池单元10出口处的气体中的反应气的含量越少，导致RH2越大，因此，保持I1不变，减小P和/或Q，也可以增大RH2。
由上述原理可知，增大上述I1，同时减小上述P，能够提高RH2；或者增大上述I1、减小上述Q，也能够提高RH2；或者增大上述I1、同时减小上述P和上述Q，同样也能够提高RH2；保持I1不变，减小Q或P也可以提高RH2；保持I1不变，同时减小Q与P，也能够提高RH2。本领域技术人员可以根据实际情况调节各项参数，以提高RH2。
本申请的第二实施例中，当T1>T2时，反应气的相对湿度在加湿电池单元10中的变化如图7a所示，反应气的相对湿度在供电电池单元20中的变化如图7b所示，在含水量相同的条件下，温度不同，气体的相对湿度不同，所以，如果加湿电池单元10出口处的气体温度与供电电池单元20的入口处的气体温度不同，那么加湿电池单元10的两个出口处的反应气的相对湿度RH2与对应的供电电池单元20的两个入口处的反应气相对湿度RH20不同。由于在含水量相同的条件下，温度越高，气体的相对湿度越小，所以当T1>T2，RH20>RH2，进而可以通过提高T1或降低T2，以提高供电电池单元20入口处的反应气的相对湿度；也可以同时提高T1与降低T2，来提高供电电池单元20入口处的反应气的相对湿度。
同样的道理，在本申请的第三实施例中，当上述T1小于上述T2时，反应气的相对湿度在加湿电池单元10中的变化如图8a所示，反应气的相对湿度在供电电池单元20中的变化如图8b所示，加湿电池单元10的两个出口的反应气的相对湿度RH2与对应的供电电池单元20的两个入口处的反应气相对湿度RH20不同，且由于T1<T2，所以RH20<RH2，因此当T2升高时，供电电池单元20的入口处的反应气相对湿度RH20较小，为了使供电电池单元20的入口处的反应气的相对湿度增大，可以提高加湿电池单元10的工作电流I1。
本申请的第四实施例中，当T1<T2，且I1较高时，反应气的相对湿度在加湿电池单元10中的变化如图9a所示，反应气的相对湿度在供电电池单元20中的变化如图9b所示，加湿电池单元10的反应气相对湿度在两个出口处达到饱和(RH2＝100％)，甚至产生液态水；反应气体在进入温度较高的供电电池单元20后，由于气体温度上升，饱和蒸汽压升高，反应气体相对湿度降低至RH20。即较高的T2工作条件，在供电电池单元20入口处可容纳更高的水含量。因此，当I1较高时，可以增大T2，以使供电电池单元20入口处可容纳更高的水含量，进而保证供电电池单元20的供电效率。
本申请的另一种实施例中，当上述I1、上述I2、上述P与上述Q均恒定时，通过增减小上述T2来提高供电电池单元20入口处反应气的相对湿度。
上述所有提高供电电池单元20入口处反应气的相对湿度的方法，均能够提高燃料电池系统的供电效率。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1)、本申请的燃料电池系统中，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。
2)、本申请的利用燃料电池系统供电的方法采用上述的燃料电池系统供电，供电效率较高，并且该方法的成本较低，且系统的寿命较高。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
加湿电池单元(10)，包括第一阴极出口(130)与第一阳极出口(110)；以及
供电电池单元(20)，包括第二阴极入口(230)与第二阳极入口(210)，所述第一阳极出口(110)与所述第二阳极入口(210)相连，所述第一阴极出口(130)与所述第二阴极入口(230)相连，所述加湿电池单元(10)为向所述供电电池单元(20)加湿的电池单元。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加湿电池单元(10)的额定功率小于所述供电电池单元(20)的额定功率。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加湿电池单元(10)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。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加湿电池单元(10)的加湿燃料单电池的膜电极为亲水膜电极，或所述加湿电池单元(10)的加湿燃料电池堆的一个或多个加湿膜电极(12)为亲水膜电极。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述供电电池单元(20)包括一个或多个并联的供电燃料电池堆。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述供电电池单元(20)的一个或多个所述供电燃料电池堆的一个或多个供电膜电极(22)为疏水膜电极。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括原料补充单元，所述原料补充单元包括阴极气体出口与阳极气体出口，所述阴极气体出口与所述第二阴极入口(230)相连，所述阳极气体出口与第二阳极入口(210)相连。
8.一种利用燃料电池系统供电的方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统供电，其中，在所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T1，第一工作电流为I1；在所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I2，当所述T1等于所述T2时，增大所述I1、减小所述P和/或减小所述Q；当所述T1大于所述T2时，增大所述T1和/或减小所述T2；当所述T1小于所述T2时，增大所述I1或增大所述T2；当所述I1、所述I2、所述P与所述Q均恒定时，减小所述T2。
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