CN101222065A - 并联双堆燃料电池系统的阳极再循环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联双堆燃料电池系统，其具有包括第一燃料电池堆和第二燃料电池堆的阳极再循环。第一和第二燃料电池堆中的每一个都包括一个连接到阳极出口单元的气体出口管线。该阳极出口单元用于从系统中排出湿的H₂/N₂气体混合物。在阳极出口单元和通向第一和第二燃料电池堆的气体入口管线之间提供第二水分离器，以在再循环泵之前增加水滴的移除。

Description

并联双堆燃料电池系统的阳极再循环

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，具体来说，本发明涉及一种双堆燃料电池系统以及并联双堆燃料电池系统的阳极再循环。

背景技术

燃料电池通常被视为已知能源技术的替代品。PEM(质子交换膜)燃料电池，通常被称为PEM燃料电池，产生低排放，工作高效率。基本来说，燃料电池将化学能转化为电能。更具体来说，现在使用的燃料电池包括一个阴极区和一个阳极区。该阳极和阴极被固体聚合物电解质膜相隔。燃料电池堆通过氢气和氧气之间发生的电化学反应来发电。特别的，富氢气体被提供到燃料电池的阳极侧。含氧的氧化剂(通常是大气中的氧气)被提供到燃料电池的阴极。阳极侧的氢气分子按照下述反应式反应：H₂→2·H⁺+2·e^-。该反应的结果是生成带正电的氢离子。电子脱离电极。该H⁺离子通过电解质被传导至阴极。在阴极该H⁺离子与大气中的氧气O₂和电子e^-按照以下反应式反应生成水：0.5·O₂+2·H⁺+2·e^-→H₂O。

对于所有获得的技术，目前的燃料电池组件还受限于阳极侧液态水的累积。阳极侧的液态水能够导致阴极催化剂的劣化，由此降低电池堆的电压进而缩短电池堆的寿命。

发明内容

根据本发明，通过提供一个系统来达到在已知燃料电池布置上的改进，该系统能够增加堆叠体流道内的阳极流通速度。

本发明的系统包括一个并联双堆系统，其包括第一燃料电池堆和第二燃料电池堆。第一和第二燃料电池堆均包括连接到阳极出口单元的气体管线。该阳极出口单元用于从系统中排出湿的H₂/N₂气体混合物。在阳极出口单元和到第一和第二燃料电池堆的返回管线之间可以提供第二水分离器，使得到再循环泵之前增加水滴的移除。可选择的，在返回管线上可以设置可调节的孔以平衡到双堆的流量。

通过实现根据本发明的阳极再循环，极板流道中的气体流通速度足以将任何液态水珠吹出流道到系统的出口。本发明包括需要用来提供氢气气体的元件，以控制液态水，控制液流的温度，以及控制进入堆叠体的液流复合物。

来自堆叠体的返回气体进入具有水分离器、排放阀、清除阀和泄水阀一体化单元的阳极出口单元。如果需要，排放阀会打开以从阳极循环中排出湿的H₂/N₂气体混合物。只要干燥气体浓度达到50％到90％的H₂和50％到10％的N₂，该排放阀就会打开。该浓度可以通过模型或传感器确定。只要水在阳极出口单元累积到触发内在的水位开关的程度，泄水阀就会打开。在关闭时，期望地是打开清除阀以排除系统内的压力。更期望地是使气体混合物进入分离器以进一步移除水分。

然后该气体进入泵的入口。期望地是向泵中注入H₂流以冷却发动机，并和气体流混合。该气体在泵中被压缩。并且，在不脱离本发明范围的情况下，该泵能够被其他可替代的方式冷却，比如空气或液体。

氢气被注入到混合/加热交换器中，在其中氢气和压缩气体混合并被泵入经过混合/加热交换器中的堆叠体冷却剂环路加热到电池堆的出口温度。

该气体然后被分到两支管线中，供应到每一个第一和第二燃料电池堆。期望地是第一和第二燃料电池堆的路径具有类似的压降。并且，可调节的孔或线性压降元件可以被安装到每一个管线中以在该模块初始运行期间基于堆叠体性能从而允许流量达到平衡。

该气体然后流入堆叠体，与阴极和冷却剂流相逆流；在堆叠体中H₂被消耗，N₂从组合电极组件的阴极侧穿越通过。水蒸汽也从该组合电极组件的阴极侧移出。

当结合附图和附带的权利要求，看过优选实施方式的详细描述后，本发明的其他优势和特点会变的显而易见。

附图说明

从以下结合下列附图的优选实施方式的详细描述中，本发明的以上的，以及其他的优点对本领域技术人员会变得显而易见：

图1是根据本发明实施方式的并联双堆燃料电池系统的示意图。

发明详述

以下详述和附图描述并示出了本发明各种示例性的实施方式。该叙述和附图是为了让本领域技术人员能够制造和使用本发明，并不意在以任何方式限制本发明的范围。关于公开的方法，提供的步骤实际上是示例性的，因此，这些步骤的顺序不是必须或关键的。

参见图1，示出了一个带有阳极再循环回路的并联双堆燃料电池系统，该系统总标为10。系统10包括第一燃料电池堆12和第二燃料电池堆14。

提供一系列气体管线以使得气流通过本发明的再循环系统。将这些气体管线绝热以将冷凝最小化。提供一共同的气体入口管线16，将干燥的气体引入第一燃料电池堆12和第二燃料电池堆14的阴极侧。管线16被分为第一堆叠体入口管线18和第二堆叠体入口管线20。第一可调节孔22被设置在第一堆叠体入口管线18上，而第二可调节孔24被设置在第二堆叠体入口管线20上。如果需要的话，可调节孔22、24用来自动调节气流以优化系统10的运行。

提供第一气体出口管线26和第二气体出口管线28以将来自第一燃料电池堆12阳极侧和第二燃料电池堆14阳极测的返回气体分别输送到阳极出口单元30。该阳极出口单元30用作水分离器以从第一燃料电池堆12和第二燃料电池堆14的阳极侧生成的气体混合物中分离出液态H₂O。该阳极出口单元30包括排放阀32，清除阀34和泄水阀36。

排放阀32用于排放在阳极出口单元30中的湿的H₂/N₂气体以降低在再循环回路中N₂的浓度。只要干燥气体浓度达到一个特定的H₂对N₂的比例，排放阀32就会打开。80％H₂和20％N₂的比例能够获得最好的结果，尽管气体的范围可以在50％到90％的H₂和50％到10％N₂之间。

清除阀34可以打开以排除系统10的压力。这会在系统10启动和关闭时发生。

泄水阀36用于从阳极出口单元30中排放液态水。只要累积的水体积达到了一个优选的程度，泄水阀36就会打开排出液态水。

在到第一燃料电池堆12和第二燃料电池堆14的阳极侧的路上，从由阳极出口单元30中排出的除湿后气体中可能还应去除额外的水分。因此，第二水分离器38可以被安装在系统10中。阳极出口压力传感器40被设置在阳极出口单元30和分离器38之间的管线42上，以检测阳极出口单元30排放气体的压力并做出反应。

穿过分离器38出来的气体通过输送管线64被输送到泵62中。大气压力的H₂气通过连接到压力控制器/注入器68的H₂泵注入管线66被注入到泵62中。被注入的H₂扮演双重角色。第一，被注入的H₂与通过的气流混合。第二，被注入的H₂提供冷却剂以冷却泵62的发动机。可选择的，如果发动机以不同的方式冷却，该H₂可以被注入到泵的下游。泵62压缩该混合气体。

泵差式压力传感器70连接到H₂泵注入管线64和泵出口管线72。该压差传感器70感测进入到泵62的气体和泵62排出气体之间的压力差并做出反应。

被泵62压缩的混合气体通过泵输出管72输送到混合器/热交换器74中。进入的压缩气体与被从压力控制器/注入器76、78通过注入管线80注入到混合器/热交换器74的额外的H₂混合。该进入的压缩气体和注入H₂的混合物在混合器/热交换器74中被加热到约60℃到80℃之间，该温度是第一燃料电池堆12和第二燃料电池堆14的大约运行温度。在一个可选择的实施方式中，如果混合气流比需要的更热，该热交换器能够用于将气流冷却到需要的运行温度。

加热且混合的气体通过连接到共同气体入口管线16的管线82而从混合器/热交换器74中排出。因此，离开混合器/热交换器74的该被加热的混合气体在第一堆叠体入口管线18和第二堆叠体入口管线20之间分配。管线18、20上的可调节孔22、24分别能够基于在系统运行模块(未示出)初始操作期间第一燃料电池堆12和第二燃料电池堆14的运行情况平衡流量。应当指出，虽然示出了可调节孔22、24时，有可能基于实验数据用固定孔替代这些可调单元。可选择的，可以使用线性流量元件来代替孔。

在示出的实施方式中，该混合且被加热的气体以与阴极气流和冷却剂流逆流的方向进入每一个第一燃料电池堆12和第二燃料电池堆14中，如本领域公知的，在其中H₂被消耗，N₂从组合电极组件的阴极侧穿过。应当理解，也可以采用其他流动形式，例如同向流动。水蒸汽也从组合电极组件的阴极侧迁移。

从以上的叙述中，一个本领域普通技术人员能够容易的明确本发明的主要特征，并且，在不偏离其主旨和范围的情况下，对本发明进行各种变换和修正以使其适用于各种用途和条件。

Claims (20)

1.一种包括阳极再循环系统的并联双堆燃料电池，该并联双堆燃料电池包括：

第一燃料电池堆；

第二燃料电池堆；

阳极出口单元；

与所述阳极出口单元和所述第一和第二燃料电池堆中的每一个相连的气体入口管线；以及

与所述第一和第二燃料电池堆中的每一个以及与所述阳极出口单元相连的气体返回装置。

2.如权利要求1所述的并联双堆燃料电池，其中运行所述阳极出口单元，以便从通过所述气体返回装置接收的、来自所述第一和第二燃料电池堆的返回气体中排出累积的水分。

3.如权利要求2所述的并联双堆燃料电池，其中运行阳极出口单元，从而当该返回气体具有从约50％H₂到90％H₂之间和约50％N₂到10％N₂之间的浓度比例时来排出累积的水分。

4.如权利要求1所述的并联双堆燃料电池，其中所述阳极出口单元包括清除阀，所述清除阀在关闭期间选择性地打开以排除系统的压力。

5.如权利要求1所述的并联双堆燃料电池，其中该阳极出口单元包括泄水阀，当预定量的水分在所述阳极出口单元中累积时，所述泄水阀被打开。

6.如权利要求1所述的并联双堆燃料电池，其中所述阳极出口单元包括水分离器。

7.如权利要求6所述的并联双堆燃料电池，其中所述并联双堆燃料电池系统还包括另一个分离器以去除额外的水分，所述另一个分离器连接在所述阳极出口单元和所述气体入口管线之间。

8.如权利要求1所述的并联双堆燃料电池，还包括设置在所述阳极出口单元和所述气体入口管线之间的泵，且其中H₂气流被注入到所述泵中以冷却所述泵的发动机。

9.如权利要求1所述的并联双堆燃料电池，还包括通过空气和液体冷却剂中的至少一种冷却所述泵中的发动机。

10.如权利要求1所述的并联双堆燃料电池，包括连接到所述气体入口管线的H₂注入管线，以便选择性的向从所述阳极出口单元流向所述第一和第二燃料电池堆的气流中注入H₂。

11.一种包括阳极再循环系统的并联双堆燃料电池，该并联双堆燃料电池包括：

第一燃料电池堆；

第二燃料电池堆；

阳极出口单元，所述阳极出口单元具有水分离器、排放阀、清除阀和泄水阀；

连接到所述阳极出口单元和所述第一和第二燃料电池堆中的每一个的气体入口管线；

连接到所述第一燃料电池堆和所述阳极出口单元的第一气体出口管线；以及

连接到所述第二燃料电池堆和所述阳极出口单元的第二气体出口管线；

其中所述阳极出口单元选择性地运行，以便从来自被所述第一和第二气体返回管线输送的返回气体中释放湿的H₂/N₂气体混合物。

12.如权利要求11所述的并联双堆燃料电池，其中所述阳极出口单元响应于一个H₂和N₂的浓度比例来排出累积的水分，该浓度为约50％到90％的H₂之间和约50％到10％的N₂之间。

13.如权利要求11所述的并联双堆燃料电池，包括另一个分离器以除去额外的水分，所述另一个分离器连接在所述阳极出口单元和所述气体入口管线之间。

14.如权利要求11所述的并联双堆燃料电池，包括设置在所述阳极出口单元和所述气体入口管线之间的泵，且其中H₂气流被注入到所述泵中以冷却所述泵的发动机。

15.如权利要求11所述的并联双堆燃料电池，包括一个与所述气体入口管线相连的H₂入口管线，以选择性地向从所述阳极出口单元流到所述第一和第二燃料电池堆的所述气流中注入H₂。

16.一种从并联双堆燃料电池的阳极侧移除累积的水分的方法，该方法包括以下步骤：

形成一个并联双堆燃料电池系统，其包括第一燃料电池堆、第二燃料电池堆、具有水分离器和排放阀的阳极出口单元、与所述阳极出口单元以及所述第一和第二燃料电池堆中的每一个相连的气体入口管线、与所述第一燃料电池堆和所述阳极出口单元相连的第一气体出口管线、以及与所述第二燃料电池堆和所述阳极出口单元相连的第二气体出口管线；

当通过第一和第二气体出口管线输送到阳极出口单元的气体的干燥气体浓度达到一个预定的H₂和N₂比例时，打开该阳极出口单元的排放阀以排放潮湿的H₂/N₂；以及

通过该排放阀从该阳极出口单元中排放湿的H₂/N₂。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述预定的比例为约50％到90％的H₂之间和约50％到10％的N₂之间。

18.如权利要求16所述的方法，其中该阳极出口单元包括泄水阀，所述方法包括一个当预定量的水分在所述阳极出口单元中累积时打开该泄水阀的步骤。

19.如权利要求16所述的方法，包括下述一个步骤：提供另一个分离器以除去额外的水分，并运行该另一个分离器以从经阳极出口单元流向气体入口管线的气体中除去水分。

20.如权利要求16所述的方法，包括下述一个步骤：向连接在该阳极出口单元和该气体入口管线之间的泵和从该阳极出口单元流向该第一和第二燃料电池堆的气流中的至少一个中注入H₂气流。