在第一阶段具有气体流动再循环的级联堆

摘要

本发明描述了一种包含加湿系统的燃料电池系统。该加湿系统使用可再循环从多级燃料电池堆排出的相对湿润气体的再循环系统，其位于阳极侧和/或阴极侧上，并传送这些相对湿润气体回来以与相对干燥的供应气体，例如但不限于氢气和/或空气，相结合。然后将加湿供应混合气体再次引入多级燃料电池堆的第一级。再循环设备，例如但不限于泵和/或喷射器，可以有助于使加湿排出气体向回移动通过再循环气体管线，从而与供应气体相结合。

说明书

技术领域

本发明一般涉及燃料电池系统，特别是涉及新型并且经过改进的用于燃料电池系统的气体流动再循环系统。

背景技术

已经在多种应用中使用燃料电池作为电源。例如，已经提出在电动车辆中使用燃料电池作为动力设备以代替内燃机。在PEM型燃料电池中，氢气被供给至燃料电池的阳极并且作为氧化剂的氧气被供给至阴极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，MEA中含有薄的、质子传输的、不导电的固体聚合物电解质膜，在电解质膜的一面上具有阳极催化剂并且在相对的面上具有阴极催化剂。MEA被夹在一对导电元件之间，有时被叫作气体扩散介质部件，其：(1)作为阳极和阴极的集流器；(2)包含用于在各个阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池气体反应物的适当的开口；(3)从电极将产物水蒸气或液体水移除到流场通道；(4)为了进行散热因而是导热的；和(5)具有一定机械强度。根据上下文，术语燃料电池通常用以表示单个电池或多个电池(例如，堆)。多个单电池通常连在一起形成燃料电池堆并通常是串联设置。堆中的每个电池包括前述的MEA，并且每个MEA提供其电压增量。

在PEM燃料电池中，氢气(H₂)是阳极反应物(即燃料)，氧气是阴极反应物(即氧化剂)。氧气可以是纯氧(O₂)或空气(O₂和N₂的混合物)。固体聚合物电解质典型地由例如全氟磺酸等离子交换树脂形成。阳极/阴极典型地包括细碎的催化剂颗粒，所述催化剂颗粒通常担载在碳颗粒上并且与质子传导树脂混合在一起。催化剂颗粒典型地是贵金属颗粒。为了有效率地工作，这些膜电极组件在制造上成本相对较高并且需要一定的条件，包括合适的水管理和润湿，以及对例如一氧化碳(CO)等催化剂污染组分的控制。

参照共同转让的Witherspoon等的美国专利号3,985,578；Swathirajan等的5,272,017；Li等的5,624,769；Neutzler的5,776,624；Dipiemo Bosco等的6,103,409；Swathirajan等的6,277,513；Woods，III等的6,350,539；Fronk等的6,372,376；Mathias等的6,376,111；Vyas等的6,521,381；Sompalli等的6,524,736；Senner的6,528,191；Fly等的6,566,004；Forte等的6,630,260；Fly等的6,663,994；Senner的6,740,433；Nelson等的6,777,120；Brady等的6,793,544；Rapaport等的6,794,068；Blunk等的6,811,918；Mathias等的6,824,909；Senner等的美国专利申请公开号2004/0229087；O′Hara的2005/0026012；O′Hara等的2005/0026018；O′Hara等的2005/0026523可以发现与PEM和其它有关类型的燃料电池系统相关的技术实例，在此合并所述专利文献的全部内容作为参考。

为了达到高性能和耐久性，PEM燃料电池的隔膜应当保持处于湿润状态。因此，如果在高温下进行工作，燃料电池系统通常需要为供应气体、空气和/或氢气加湿的装置。图中已示出供给至燃料电池堆阳极的燃料气体需要加湿，从而防止燃料电池堆在燃料入口处变干。沿着燃料电池堆的内部通道，具有在电解质隔膜中产生湿度梯度和不均匀的能量分布的水含量增加。不均匀的能量分布在一些区域引起热点，并且在其它区域引起过度的水积聚，其在性能和耐久性上具有负面效应。此外，因为加湿设备很重且昂贵，并且有时候，由于其内含有的水会在低环境温下结冰，所以尤其对于燃料电池堆的自动运转而言，加湿设备具有许多缺点。

以前解决加湿问题的方法包括膜加湿器和注入水的方法，还有加湿气体再循环，在Strasser的美国专利5,478,662和Chow等的5,935,726中包含这些描述，在此合并所述专利文献的全部内容作为参考。

再循环方法具有这样的优势，利用燃料电池中产生的水加湿位于燃料电池出口处的气体，并且能够将加湿的气体供应回燃料电池入口以在不包含液态水的条件下来提供湿度。其缺点在于需要再循环泵、泵的功率消耗和堆中沿通道的湿度梯度。

同时，已提出在燃料电池的阴极气体入口和出口之间切换氧化供应气体。这个系统提供的优势在于因为在通道中的一个和另一个方向交替干燥供应气体从而使燃料电池获得更均匀的湿度。然而，建议该供给气体是氧化剂并且是干燥的，其可在两个气体入口处导致性能劣化。

因此，需要在燃料电池内提供改善湿润分布的新型并且经过改进的气体流动再循环系统。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供一种燃料电池系统，包括：(1)具有可适于接收一定量燃料或氧化剂气体的燃料或氧化剂气体入口的第一燃料电池堆；(2)具有适于排出一定量排出气体的排出气体出口的第二燃料电池堆，其中第一和第二燃料电池堆是流体连通的；和(3)与第一和第二燃料电池堆流体连通的气体再循环系统，其中所述气体再循环系统可适于接收来自排出气体出口的排出气体并且再次引回排出气体进入第一燃料电池堆中，其中所述排出气体具有比燃料或氧化剂气体更高的水分含量。

根据本发明的第一可选实施例，提供一种燃料电池系统，包括：(1)具有可适于接收一定量燃料或氧化剂气体的燃料或氧化剂气体入口和适于排出一定量排出气体的排出气体出口的第一燃料电池堆；(2)与第一燃料电池堆流体连通的气体再循环系统，其中气体再循环系统适于接收来自排出气体出口的排出气体并且再次引回排出气体进入第一燃料电池堆中，其中所述排出气体具有比燃料或氧化剂气体更高的水分含量。

根据本发明的第二可选实施例，提供了一种使燃料电池系统工作的方法，包括：(1)提供具有可适于接收一定量燃料或氧化剂气体的燃料或氧化剂气体入口的第一燃料电池堆；(2)提供具有适于排出一定量排出气体的排出气体出口的第二燃料电池堆，其中第一与第二燃料电池堆是流体连通的；以及(3)提供一种与第一和第二燃料电池堆流体连通的气体再循环系统，其中所述气体再循环系统可适于接收来自排出气体出口的排出气体并且再次引回排出气体进入第一燃料电池堆中，其中所述排出气体具有比燃料或氧化剂气体更高的水分含量。

根据本发明的第三可选实施例，提供了一种使燃料电池系统工作的方法，包括：(1)提供具有可适于接收一定量燃料或氧化剂气体的燃料或氧化剂气体入口和适于排出一定量排出气体的排出气体出口的第一燃料电池堆；以及(2)提供一种与第一燃料电池堆流体连通的气体再循环系统，其中气体再循环系统适于接收来自排出气体出口的排出气体并且再次引回排出气体进入第一燃料电池堆中，其中所述排出气体具有比燃料或氧化剂气体更高的水分含量。

在下文的详细描述中，本发明的其它适用领域变得更加明显。应理解，在说明本发明优选实施例的同时，详细说明和具体实例仅旨在示例性目的，而不是旨在限制本发明的范围。

附图说明

通过以下详细描述和附图，可以更全面地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的一般教导的具有可操作相关于阳极侧的加湿/气体再循环系统的三堆叠燃料电池系统的示意图；

图2是根据本发明的一般教导的具有可操作相关于阳极侧的加湿/气体再循环系统的两堆叠燃料电池系统的示意图；

图3是是根据本发明的一般教导的具有可操作相关于阴极侧的加湿/气体再循环系统的三堆叠燃料电池系统的示意图；

图4是根据本发明的一般教导的具有可操作相关于阴极侧的加湿/气体再循环系统的两堆叠燃料电池系统的示意图。

具体实施方式

以下对优选实施例的描述本质上仅是示例性的，而不是旨在限制本发明、其应用或使用。

在此所使用的术语“流体”，其意思是任何气态和/或液态材料，例如但不限于液体水、水蒸气及其组合物。

参照图1，图中示出了根据本发明的一个实施例的具有可操作相关于堆的阳极流动14侧的加湿/气体再循环系统12的三堆叠燃料电池系统10的示意图。

燃料电池系统10包括三个各自的燃料电池堆16、18、20，其彼此之间流体连通，或至少与相邻的燃料电池堆流体连通。燃料电池堆16、18、20分别包含多个单独的燃料电池元件22。在燃料电池堆16、18、20之中燃料电池元件22的数目可分别进行变化。提供导管16a和18a以在燃料电池堆16/燃料电池堆18与燃料电池堆18/燃料电池堆20之间分别提供流体连通。

燃料电池堆16设有适于接收一定量燃料气体的燃料气体入口24(例如堆阳极入口)，并且燃料电池堆20设有适于排出一定量排出气体的排气出口26(例如堆阳极出口)。燃料气体入口24与流量控制阀28流体连通，所述流量控制阀与加湿/气体再循环系统12流体连通。加湿/气体再循环系统12可包含加湿/气体再循环设备30。加湿/气体再循环设备30可以包含泵、喷射器、注射器(例如，文氏注射器)及其组合。

加湿/气体再循环设备30例如通过导管32a与燃料气体贮存/供应源32流体连通。通过非限制性实例，燃料气体中可包含氢。排气出口26例如通过导管34a与压力控制阀34流体连通。加湿/气体再循环系统12，尤其是加湿/气体再循环设备30例如通过导管30a可与排气出口26和/或导管34a流体连通。

由于排出燃料电池系统10的排出气体在水分含量方面通常比进入燃料电池系统10的燃料气体高，因此本发明使用加湿/气体再循环系统12，尤其使用加湿/气体再循环设备30，以提供一种在其排出第三燃料电池堆20后将相对潮湿和/或加湿的排出气体(例如，来自导管30a)再次引回到第一燃料电池堆16中的方法。然而，应理解，排出气体可以在其已排出各自第一和/或第二燃料电池堆16，18后再循环。

由于排出气体以比进入的燃料气体更低的压力离开第一燃料电池堆16(以及随后的燃料电池堆)，因此加湿/气体再循环系统12，尤其是加湿/气体再循环设备30使用用来混合两种气体流(即排出气体和燃料气体)的设备。如先前描述的，该设备可以是泵、喷射器、注射器及其组合，其适于增加再循环排出气体的压力到所需值。按照这种方式，相对干躁的引入的燃料气体可以与分别来自第一、第二和/或第三燃料电池堆16、18、20的相对潮湿和/或加湿的排出气体的至少一部分相混合。一旦混合，气体混合物(例如，相对潮湿和/或加湿的排出气体和相对干燥的燃料气体)可以被引回燃料电池系统10，尤其引回到第一燃料电池堆16中。

参照图2，图中示出了根据本发明的第一可选实施例的具有可操作相关于堆阳极流动114侧的加湿/气体再循环系统112的两堆叠燃料电池系统110的示意图。

燃料电池系统110包括两个各自的燃料电池堆116、118，彼此之间流体连通。燃料电池堆116、118分别包括多个独立的燃料电池元件122。在燃料电池堆116、118之中燃料电池元件122的数目可以独立改变。提供导管116a以在燃料电池堆116与燃料电池堆118之间提供流体连通。

燃料电池堆116设有适于接收一定量燃料气体的燃料气体入口124(例如，堆阳极入口)，并且燃料电池堆118设有适于排出一定量排出气体的排气出口126(例如，堆阳极出口)。燃料气体入口124与流量控制阀128流体连通，该流量控制阀与加湿/气体再循环系统112流体连通。加湿/气体再循环系统112可包含加湿/气体再循环设备130。加湿/气体再循环设备130可以包含泵、喷射器、注射器(例如，文氏注射器)及其组合。

加湿/气体再循环设备130例如通过导管132a与燃料气体贮存/供应源132流体连通。通过非限制性实例，燃料气体可包含氢。排气出口126例如通过导管134a与压力控制阀134流体连通。加湿/气体再循环系统112，尤其是加湿/气体再循环设备130例如通过导管130a可与排气出口126和/或导管134a流体连通。

与前述实施例一样，由于排出燃料电池系统110的排出气体在水分含量方面通常比进入燃料电池系统110的燃料气体高，因此本发明使用加湿/气体再循环系统112，尤其使用加湿/气体再循环设备130，以提供一种在其排出第二燃料电池堆118后再次引入相对潮湿和/或加湿的排出气体返回第一燃料电池堆116的方法(例如，来自导管130a)。然而，应理解，排出气体可以在其已排出第一燃料电池堆116后进行再循环。

由于排出气体以比进入的燃料气体更低的压力离开第一燃料电池堆116(还有第二燃料电池堆118)，因此加湿/气体再循环系统112，尤其是加湿/气体再循环设备130使用用来混合两种气体流(即排出气体和燃料气体)的设备。如先前描述的，该设备可以是泵、喷射器、注射器或其组合，其适于增加再循环排出气体的压力到所需值。按照这种方式，相对干躁的引入的燃料气体可以与分别来自第一和/或第二燃料电池堆116、118相对潮湿和/或加湿的排出气体的至少一部分混合。一旦混合，气体混合物(例如，相对潮湿和/或加湿的排出气体和相对干燥的燃料气体)可以被引回燃料电池系统110，尤其被引回第一燃料电池堆116中。

参照图3，图中示出了根据本发明的第二可选实施例的具有可操作相关于堆阴极流动214侧的加湿系统212的三堆叠燃料电池系统210的示意图。

燃料电池系统210包括三个各自的燃料电池堆216、218、220，其彼此之间流体连通，或至少与相邻的燃料电池堆流体连通。燃料电池堆216、218、220分别包含多个单独的燃料电池元件222。在燃料电池堆216、218、220之中燃料电池元件222的数目可以独自进行变化。提供导管216a和218a以分别提供燃料电池堆216/燃料电池堆218与燃料电池堆218/燃料电池堆220之间的流体连通。

燃料电池堆216设有适于接收一定量氧化剂气体的氧化剂气体入口224(例如，堆阴极入口)，并且燃料电池堆220设有适于排出一定量排出气体的排气出口226(例如，堆阴极出口)。氧化剂气体入口224与至少一个压缩机228流体连通。压缩机228可同时操作相关和/或与另一个压缩机230流体连通。压缩机228、230由马达232分别提供动力。

压缩机228、230经由导管234a可分别与流量计234流体连通，流量计234例如经由导管236a与氧化剂气体贮存/供应源236流体连通。通过非限制性实例，氧化剂可包括空气，例如环境空气。

在本实例中，各自压缩机228，230和如前所述的任何相关部件包括加湿/气体再循环系统212。然而，代替使用泵、喷射器和/或注射器，加湿/气体再循环系统212分别使用压缩机228、230以实现再循环功能。

压缩机228、230分别直接地或间接地与燃料电池堆216、218、220中的任一个流体连通，例如分别通过导管216b、218b、220b。再循环流量控制阀240可被设置在导管216c中且流量控制阀242、244可以分别被设置在导管218b、220b中。以这种方式直接入口246、248分别从加湿/气体再循环系统212，尤其是压缩机228、230可以分别提供用于燃料电池堆218、220。此外，可以提供压力控制阀250，其例如经由导管250a与排气出口226流体连通。

由于排出燃料电池系统210的排出气体在水分含量方面通常比进入燃料电池系统210的氧化剂气体高，因此本发明使用加湿/气体再循环系统212，尤其使用压缩机228、230，以提供一种当其排出第一燃料电池堆216后再次引入相对潮湿和/或加湿的排出气体(例如，来自导管216c)返回第一燃料电池堆216的方法。然而，应理解，排出气体可以在其分别排出第二和/或第三燃料电池堆218、220后进行再循环。

由于排出气体以比进入的燃料气体更低的压力离开第一燃料电池堆216(以及随后的燃料电池堆)，因此加湿/气体再循环系统212，尤其是压缩机228、230分别用来混合两种气体流(即排出气体和氧化剂气体)。压缩机228、230适于分别增加再循环排出气体的压力达到所需值。按照这种方式，相对干躁的引入的氧化剂气体可以与分别来自第一、第二和/或第三燃料电池堆216、218、220的相对潮湿和/或加湿的排出气体的至少一部分混合。一旦混合，气体混合物(例如，相对潮湿和/或加湿的排出气体和相对干燥的氧化剂气体)可以被引回燃料电池系统210，尤其是分别被引回第一、第二和/或第三燃料电池堆216、218、220中。

参照图4，图中示出了根据本发明的第三可选实施例的具有可操作相关于堆阴极流动314侧的加湿系统312的两堆叠燃料电池系统310的示意图。

燃料电池系统310包括两个各自的燃料电池堆316、318，其彼此之间流体连通。燃料电池堆316、318分别包含多个单独的燃料电池元件322。在燃料电池堆316、318中燃料电池元件322的数目可以独自变化。提供导管316a以提供在燃料电池堆316与燃料电池堆318之间的流体连通。

燃料电池堆316设有适于接收一定量氧化剂气体的氧化剂气体入口324(例如，堆阴极入口)，并且燃料电池堆318设有适于排出一定量排出气体的排气出口326(例如，堆阴极出口)。燃料气体入口324与至少一个压缩机328流体连通。压缩机328还可与另一个压缩机330可操作结合和/或流体连通。压缩机328、330由马达332分别提供动力。

压缩机328、330经由导管334a分别与流量计334流体连通，流量计334例如经由导管336a与氧化剂气体贮存/供应源336流体连通。通过非限制性实例，氧化剂气体可包含空气，例如，环境空气。

在本实例中，各自的压缩机328，330和前述的任何相关部件包含加湿/气体再循环系统312。然而，代替使用泵、喷射器和/或注射器，加湿/气体再循环系统312分别使用压缩机328、330，从而实现再循环功能。

压缩机328、330与任一燃料电池堆316、318分别直接地或间接地流体连通，例如，分别通过导管316b、318b。再循环流量控制阀340可被设置在导管316c中且流量控制阀342、344可分别被设置在导管316b、318b中。以这种方式从加湿/气体再循环系统312，尤其是压缩机328、330中，分别提供用于燃料电池堆316、318的直接输入346、348。此外，可以提供压力控制阀350，其例如经由导管350a与排气出口326流体连通。

因为排出燃料电池系统310的排出气体在水分含量方面通常比进入燃料电池系统310的氧化剂气体高，因此本发明使用加湿/气体再循环系统312，尤其使用压缩机328、330，以提供一种当其排出第一燃料电池堆316后再次引入相对潮湿和/或加湿的排出气体(例如，从导管316c)返回第一燃料电池堆316的方法。然而，应理解，排出气体可以在排出第二燃料电池堆318后进行再循环。

由于排出气体以比进入的氧化剂气体更低的压力离开第一燃料电池堆316(以及随后的燃料电池堆)，因此加湿/气体再循环系统312，尤其是压缩机328、330分别用来混合两种气体流(即排出气体和氧化剂气体)。压缩机328、330适于分别增加再循环排出气体的压力达到所需值。按照这种方式，相对干躁的引入的燃料气体可以与分别来自第一、第二和/或第三燃料电池堆316、318、320的相对潮湿和/或加湿的排出气体的至少一部分混合。一旦混合，气体混合物(例如，相对潮湿和/或加湿的排出气体和相对干燥的氧化剂气体)可以被引回燃料电池系统310，尤其是分别被引回第一和/或第二料电池堆316、318中。

本发明的一些优点非限制性地包括：(1)用于层叠堆的全部阶段的加湿入口气体，其有望提高性能和耐久性；(2)通过消除对昂贵的外部加湿设备(例如，水蒸气传输单元)的需要而降低了成本；(3)减少了燃料电池系统中的部件数量，从而降低了成本、系统尺寸和控制效果；和(4)通过使用稀释的气体供应减小了启止劣化。

本发明的描述本质上仅仅是示例性的，因此，不偏离本发明的主旨的变型也落入在本发明的范围内。这些变型不被视为偏离了本发明的精神和范围。