[發明專利]燃料電池系統與利用其供電的方法

有效

• 申請號: 201510898519.0
• 申請日: 2015-12-07
• 公開（公告）號: CN105552404B
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發明（設計）人: 殷聰;湯浩;宋彥彬;溫序暉
• 申請（專利權）人: 中國東方電氣集團有限公司
• 主分類號: H01M8/04119
• 分類號: H01M8/04119
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 趙囡囡;吳貴明

本申請提供了一種燃料電池系統與利用其供電的方法。該燃料電池系統包括：燃料供應單元、供電電池單元與輔助電池單元，其中，燃料供應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，氫氣出口與第一陽極入口相連，空氣出口與第一陰極入口相連；輔助電池單元包括第二陰極入口與第二陽極入口，第二陰極入口與第一陰極出口相連，第二陽極入口與第一陽極出口相連。該系統增強了供電電池單元的排水能力，且避免了多余反應氣直接排出帶來的資源浪費。

技術領域

本申請涉及燃料電池技術領域，具體而言，涉及一種燃料電池系統與利用其供電的方法。

背景技術

燃料電池是一種環境友好、高效、長壽命的發電裝置。以質子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，燃料氣體從陽極側進入，氫原子在陽極失去電子變成質子，質子穿過質子交換膜到達陰極，電子同時經由外部回路也到達陰極，在陰極質子、電子與氧氣結合生成水。燃料電池采用非燃燒的方式將化學能轉化為電能，由于不受卡諾循環的限制其直接發電效率可高達45％。作為以電池堆為核心的發電裝置，燃料電池系統集成了電源管理、熱管理等模塊，具有熱、電、水、氣統籌管理的特征。燃料電池系統產品從固定式電站，到移動式電源；從電動汽車，到航天飛船；從軍用裝備，到民用產品有著廣泛的應用空間。

在現有的燃料電池結構中，一般為雙極板與膜電極依次疊合，形成多節甚至數十節的電池堆，從而形成功率較高的發電裝置。

如圖1所示，為燃料電池堆結構，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1’與第二集流板4’實現電池堆整體電流的收集。其中，膜電極3’為電化學反應發生的場所，由催化劑(一般為Pt/C)和質子交換膜組成。其中，雙極板2’上刻有流道，以均勻分配反應氣體。

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’。

圖3為燃料電池膜電極3’截面結構的示意圖，膜電極3’包括陽極反應氣擴散層31’、陽極催化劑層32’、質子交換膜33’、陰極催化劑層34’與陰極反應氣擴散層35’。由于質子交換膜33’的電導率是影響電池電壓性能的關鍵，而電導率則由其含水量決定，含水量越高則質子交換膜33’的電導率越高，電池性能則越高。

在燃料電池運行過程中，質子交換膜33’的含水量由陽極21’與陰極23’內部氣體的相對濕度共同決定，相對濕度RH越高，則質子交換膜33’的含水量越高，進而質子交換膜33’的電導率越高，電池性能則越高。

圖2b為對應于圖2a電池堆的相對濕度變化情況，橫軸X為反應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，反應氣體的相對濕度較低，為RH₁’，隨著氫氣與氧氣反應生成水的不斷累積，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’。

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。