[发明专利]燃料电池系统

说明书

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。