[发明专利]燃料电池系统与利用其供电的方法

说明书

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：燃料供应单元、供电电池单元与辅助电池单元，其中，燃料供应单元具有氢气出口和空气出口；供电电池单元包括第一阴极入口、第一阳极入口、第一阴极出口与第一阳极出口，氢气出口与第一阳极入口相连，空气出口与第一阴极入口相连；辅助电池单元包括第二阴极入口与第二阳极入口，第二阴极入口与第一阴极出口相连，第二阳极入口与第一阳极出口相连。该系统增强了供电电池单元的排水能力，且避免了多余反应气直接排出带来的资源浪费。

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，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’截面结构的示意图，膜电极3’包括阳极反应气扩散层31’、阳极催化剂层32’、质子交换膜33’、阴极催化剂层34’与阴极反应气扩散层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’，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。