CN101826626A - 用于燃料电池系统的阳极水分离器 - Google Patents

用于燃料电池系统的阳极水分离器 Download PDF

Info

Publication number
CN101826626A
CN101826626A CN201010129779A CN201010129779A CN101826626A CN 101826626 A CN101826626 A CN 101826626A CN 201010129779 A CN201010129779 A CN 201010129779A CN 201010129779 A CN201010129779 A CN 201010129779A CN 101826626 A CN101826626 A CN 101826626A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hollow body
anode
porous medium
hydrophilic porous
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201010129779A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101826626B (zh
Inventor
S·G·格贝尔
S·R·费尔塔
J·P·奥维简
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
GB GLOBAL Tech OPERATIONS Inc
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN101826626A publication Critical patent/CN101826626A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101826626B publication Critical patent/CN101826626B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及用于燃料电池系统的阳极水分离器。具体地，公开了一种用于燃料电池的阳极反应物再循环系统，该系统包括中空主体、流出导管、注射器、水分离器和亲水多孔介质。用于燃料电池的阳极反应物再循环系统适于最小化所需的部件数量，消除了对阳极热交换器的需要，使用单个阀来从阳极反应物再循环系统中去除凝结物和反应副产物，并为启动增压提供了上游容积。

Description

用于燃料电池系统的阳极水分离器
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，特别是用于优化的阳极反应物再循环的设备。
背景技术
燃料电池被认为是清洁，高效，并对环境负责任的能源，在电动车辆和其他多种领域得到应用。特别地，燃料电池被认为是在现代车辆中使用的传统内燃发动机的可能替代。一类燃料电池被称为质子交换膜(PEM)燃料电池。单个的燃料电池被依次堆叠在一起形成燃料电池堆。燃料电池堆能够供应足够向车辆提供功率的电量。
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它很清洁，并且能用于高效地在燃料电池中产生电力。氢燃料电池是电化学装置，它包括阳极，阴极以及它们之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极处解离从而生成自由质子和电子。质子经过电解质到达阴极。来自阳极的电子不能经过电解质，因此其在被送到阴极之前被引导通过负载做功。质子在阴极与氧及电子反应以生成水。并不是所有氢气都会被堆消耗，有些氢气作为阳极废气被输出，所述废气可包括水和氮气。一部分阳极废气可再循环，以维持阳极化学计量而不使用过量的氢气。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是广泛应用于车辆的燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟化磺酸膜。阳极和阴极典型地包括精细分离的催化剂粒子，通常是铂(Pt)，其被支撑在碳粒子上并与离聚物混合。催化剂混合物被置于膜的相对侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。
若干单个的燃料电池典型地在燃料电池堆中组合以产生所需要的功率。对于上面提到的汽车燃料电池堆，该堆可包括200个或更多个燃料电池。
阳极反应物再循环系统典型地包括阳极热交换器，其用于加热将与部分阳极废气混合的非再循环的氢气；氢气注射器；水分离器；排水阀以及排放阀，用于去除例如水和氮气的反应副产物。阳极反应物再循环系统典型地要求使用排水阀和排放阀以执行去除来自燃料电池堆的水和氮气的各自作业。
在与再循环部分的阳极废气混合之前，需要通过使用阳极热交换器对非再循环的氢气进行加热，从而防止水凝结。当非再循环的氢气(车辆所处的运行环境的温度)和部分再循环的阳极废气(大约60℃-80℃)混合时，就会发生水凝结。
另外，由于燃料电池堆内的电化学反应或阳极反应物再循环系统内较低的温度，阳极废气可能含有凝结水。在混合物重新进入燃料电池堆之前，必须通过水分离器和排水阀去除水凝结物。典型地，在阳极废气经过水分离器之后，排水阀将阳极废气从氢气注射器转移。相应地，水分离器中的水随着阳极废气被排出系统。进入燃料电池堆的没有从混合物中去除的水凝结物会由于抑制反应物流动从而导致电池匮乏(cell starvation)。
从阳极废气中通过水分离器和注射器的旁路排出可去除氮气。典型地，排放阀将阳极废气从水分离器和氢注射器转移到车辆的排放装置。在水分离器和氢注射器之前转移阳极废气最小化氢损耗同时从阳极废气中去除氮气。
阳极反应物再循环系统很昂贵，并对于装备阳极反应物再循环系统的车辆来说增加了成本，而且会使容积效率变低，因为燃料电池堆的端部单元内通常要求相当大的空间。使用这种系统会使燃料电池堆的设计和制造不希望地增加复杂性。增加阳极热交换器还不希望地要求额外的部件从而促进加热非再循环的氢气。而且，使用两个分离的阀(排水阀和排放阀)增加了不希望的阳极反应物再循环系统的成本和复杂性。
希望能够产生一种燃料电池堆的阳极反应物再循环系统，其可不需要阳极热交换器，提高了阳极反应物再循环系统的容积效率，使用单个阀来从阳极反应物再循环系统去除凝结物和反应副产物，并且为启动增压(startup pressurization)提供了上游容积(upstream volume)。
发明内容
本发明提出了一种用于燃料电池堆的阳极反应物再循环系统，令人惊讶地发现，其不需要阳极热交换器，提高了阳极反应物再循环系统的容积效率，利用单个阀来从阳极反应物再循环系统中去除凝结物和反应副产物，并且为启动增压提供了上游容积。
在一个实施例中，用于燃料电池堆的阳极反应物再循环系统包括中空主体，该中空主体包括进口，再循环出口，排水口，该进口适于接收流体；提供进口和排水口之间的流体连通的流出(bleed)导管；与燃料源和中空主体流体连通的注射器，该注射器适于将燃料注入中空主体；置于中空主体中的水分离器，其适于从流体中去除凝结物；以及亲水多孔介质，其与水分离器流体连通，并适于收集中空主体中的凝结物，由此使亲水多孔介质吸水(或水合(hydrating))，并且防止气体通过亲水多孔介质，其中流体的第一部分通过流出导管从阳极反应物再循环系统排出，流体的第二部分进入中空主体，与燃料混合，并在通过再循环出口离开阳极反应物再循环系统之前经过水分离器。
在另一个实施例中，燃料电池堆的阳极反应物再循环系统包括中空主体，该中空主体包括进口，再循环出口，排水口，该进口适于接收流体；促进进口和排水口之间的流体连通的流出导管；置于中空主体中并适于注射来自燃料源的燃料的注射器；置于中空主体中的水分离器，其适于从流体中去除凝结物；亲水多孔介质，其与水分离器流体连通，并适于收集中空主体中的凝结物，由此使亲水多孔介质吸水，并且防止气体通过亲水多孔介质；以及邻近亲水多孔介质放置的蓄水器，其适于接收经过亲水多孔介质的凝结物，其中流体的第一部分通过流出导管从阳极反应物再循环系统中排出，流体的第二部分进入中空主体，与燃料混合，并在通过再循环出口离开阳极反应物再循环系统之前经过水分离器。
本发明还提供了燃料电池中阳极反应物的再循环的方法。
在一个实施例中，燃料电池中阳极反应物的再循环的方法包括：提供中空主体，该中空主体包括进口，再循环出口，排水口，该进口适于接收流体；提供促进进口和排水口之间的流体连通的流出导管；提供置于中空主体中并适于注射来自燃料源的燃料的注射器；提供置于中空主体中的水分离器；提供与水分离器流体连通的亲水多孔介质；提供到进口的阳极排放流；将阳极排放流分成进入流出导管的第一部分和进入中空主体的第二部分中的一个；将阳极排放流的第一部分通过排水口排出；将燃料注入中空主体并且将阳极排放流的第二部分与燃料混合；利用蓄水器收集中空主体中形成的凝结物；利用凝结物使亲水多孔介质吸水；吸水的介质防止阳极排放流的第一部分和阳极排放流的第二部分中的一个通过亲水多孔介质，并将超过亲水多孔介质饱和点的凝结物通过亲水多孔介质和排水口排出，以及将阳极排放流的第二部分和注入的燃料通过再循环出口排出。
本发明还包括如下方案：
方案1.一种阳极反应物再循环系统，包括：
中空主体，其包括进口、再循环出口和排水口，所述进口适于接收流体；
流出导管，其提供所述进口和所述排水口之间的流体连通；
与燃料源和所述中空主体流体连通的注射器，其适于将燃料注入所述中空主体；
置于所述中空主体中的水分离器，其适于从流体中去除凝结物；以及
亲水多孔介质，其与所述水分离器流体连通并适于收集所述中空主体中的凝结物，由此使所述亲水多孔介质吸水并防止气体传递经过所述亲水多孔介质，其中，流体的第一部分通过所述流出导管从所述阳极反应物再循环系统排出，流体的第二部分进入所述中空主体、与燃料混合，并在通过所述再循环出口离开所述阳极反应物再循环系统之前经过所述水分离器。
方案2.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述亲水多孔介质邻近所述排水口放置。
方案3.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述亲水多孔介质具有从约1微米到约10微米的孔径。
方案4.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述亲水多孔介质是金属网，烧结的金属网，结合的金属网，织布和多孔泡沫中的一种。
方案5.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，还包括置于所述注射器和所述水分离器之间的喷射器。
方案6.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述水分离器包括多个水捕获特征。
方案7.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，还包括邻近流出输出放置的排放阀。
方案8.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述注射器是喷射泵的部件。
方案9.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，还包括邻近所述亲水多孔介质放置的蓄水器，其适于接收从所述亲水多孔介质排出的凝结物。
方案10.根据方案9所述的阳极反应物再循环系统，还包括毛细材料，其促进了所述蓄水器和所述亲水多孔介质之间的流体连通。
方案11.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述中空主体是适于在启动过程中预增压的室。
方案12.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述阳极反应物再循环系统置于燃料电池端部单元中。
方案13.根据方案1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述阳极反应物再循环系统置于燃料电池系统中。
方案14.一种阳极反应物再循环系统，包括：
中空主体，其包括进口、再循环出口和排水口，所述进口适于接收流体；
流出导管，其促进了所述进口和所述排水口之间的流体连通；
注射器，其置于所述中空主体中并适于注射来自燃料源的燃料；
置于所述中空主体中的水分离器，其适于从流体中去除凝结物；
亲水多孔介质，其与所述水分离器流体连通并适于收集所述中空主体中的凝结物，由此使所述亲水多孔介质吸水并防止气体传递经过所述亲水多孔介质；以及
邻近所述亲水多孔介质放置的蓄水器，其适于接收经过所述亲水多孔介质的凝结物，其中，流体的第一部分通过所述流出导管从所述阳极反应物再循环系统中排出，流体的第二部分进入所述中空主体、与燃料混合，并在通过所述再循环出口离开所述阳极反应物再循环系统之前经过所述水分离器。
方案15.根据方案14所述的阳极反应物再循环系统，还包括毛细材料，其促进了所述蓄水器和所述亲水多孔介质之间的流体连通。
方案16.根据方案14所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述亲水多孔介质具有从约1微米到约10微米的孔径。
方案17.根据方案14所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述亲水多孔介质是金属网，烧结的金属网，结合的金属网，织布和多孔泡沫中的一种。
方案18.根据方案14所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述中空主体是适于在启动过程中预增压的室。
方案19.根据方案14所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述注射器是喷射泵的部件。
方案20.一种燃料电池中阳极反应物的再循环的方法，包括如下步骤：
提供中空主体，其包括进口、再循环出口和排水口，所述进口适于接收流体；
提供流出导管，其促进了所述进口和所述排水口之间的流体连通；
提供注射器，其置于所述中空主体中并适于注射来自燃料源的燃料；
提供置于所述中空主体中的水分离器；
提供亲水多孔介质，其与所述水分离器流体连通；
提供到所述进口的阳极排放流；
将所述阳极排放流分成进入所述流出导管的第一部分和进入所述中空主体的第二部分中的一个；
将所述阳极排放流的第一部分通过所述排水口排出；
将燃料注入所述中空主体并且将所述阳极排放流的第二部分与燃料混合；
利用所述水分离器收集所述中空主体中形成的凝结物；
利用凝结物使所述亲水多孔介质吸水，吸水的介质防止所述阳极排放流的第一部分和所述阳极排放流的第二部分中的一个传递经过所述亲水多孔介质；
将超过所述亲水多孔介质饱和点的凝结物通过所述亲水多孔介质和所述排水口排出；以及
将所述阳极排放流的第二部分和注入的燃料通过所述再循环出口排出。
附图说明
对于本领域技术人员来讲，本发明的以上以及其他优势，结合附图，将从以下详细描述中变得显而易见，其中：
图1示出了根据现有技术的阳极反应物再循环系统和燃料电池堆的示意性流程图；
图2示出了根据本发明的阳极反应物再循环系统和燃料电池堆的示意性流程图；
图3示出了图2的阳极反应物再循环系统的示意性侧剖图；
图4示出了根据本发明另一个实施例的阳极反应物再循环系统的示意性侧剖图；以及
图5示出了根据本发明另一个实施例的阳极反应物再循环系统的示意性侧剖图。
具体实施方式
以下详细描述和附图描述并示出了本发明的各种示例性实施例。描述和附图用于能够让本领域技术人员制造和使用本发明，且并不打算以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所示步骤本质上是示例性的，因此步骤的顺序不是必要或关键的。
图1示出了根据现有技术的阳极反应物再循环系统10。阳极反应物再循环系统10与燃料电池堆(FCS)12通过阳极出口导管14和阳极进口导管16流体连通。燃料(如氢气)或副产物(水和氮气)分别在进入或离开FCS 12时流经导管16、14。阳极反应物再循环系统10包括水分离器18，阳极热交换器20，以及注射器22。水分离器18收集系统10中的液态水。水分离器18的进口与阳极出口导管14流体连通，水分离器18的出口与喷射器24以及排水导管26流体连通。阳极出口导管14也与流出导管27流体连通。置于排水导管26和流出导管27中的阀分别允许水和氮气从系统10中排出。喷射器24置于注射器22的下游并与之流体连通。喷射器24的进口和水分离器18流体连通，并且喷射器24的出口和阳极进口导管16流体连通。注射器22和喷射器24一起形成了喷射泵，其中离开水分离器18的未使用的反应物及氮气与离开阳极热交换器20的燃料混合。启动室28的进口和阳极进口导管16流体连通，而启动室28的出口与FCS 12流体连通。在FCS 12启动之前使具有燃料的启动室28增压能在启动过程中防止单个燃料电池内的电极腐蚀。提供用于启动增压的室的方法已经在受让人的序列号为No.12/014,326的共同待决申请中公开，其通过引用全文并入本文。注射器22的进口与阳极热交换器20流体连通。阳极热交换器20的进口与燃料源30流体连通并且适于在注入阳极进口导管16之前对加热燃料，从而防止在注射时形成凝结物。
阳极反应物再循环系统10可置于FCS 12的端部单元(未示出)。端部单元容纳了燃料电池子系统和用来协助FCS 12预处理和运行的相关装置。应当理解，图1的阳极反应物再循环系统10的各种部件的配置用于示出目的，而其他配置可按需要选择。
图2和3示出了根据本发明的实施例的阳极反应物再循环系统110。阳极反应物再循环系统110与燃料电池堆(FCS)112流体连通。阳极反应物再循环系统110包括再循环器114和流出导管116。
再循环器114具有中空体，其中形成腔117。腔117与FCS 12流体连通。再循环器114的进口118与阳极出口导管120流体连通。再循环器114的供应出口122提供与阳极进口导管124的流体连通。再循环器114的排水口126和进口118提供与流出导管116的流体连通。再循环器114可由任何传统材料(例如金属，金属合金，塑料和塑料复合材料)形成。再循环器114可与其他部分独立地形成，或可在FCS112的燃料电池端部单元127内一体形成。如所示的，再循环器114包括置于其中的注射器128，喷射器130，水分离器132，和亲水多孔介质134。
注射器128在本领域中称为燃料注射器，其中注射器128提供燃料源136和腔117之间的流体连通。来自燃料源136的气态燃料135被注射器128送到腔117，尤其是到喷射器130的进口。
喷射器130置于注射器128和水分离器132之间，并且包括文氏管(Venturi)通道138。文氏管通道138具有颈部，其具有的直径小于其余通道部分。任何传统材料(例如金属，金属合金，塑料和塑料复合材料)都可用于形成喷射器130。喷射器130可一体形成为燃料电池端部单元127或再循环器114的一部分。当喷射器130单独形成时，任何传统手段(例如紧固或粘附)都可用于将喷射器130联接到再循环器114。如本领域公知的，将注射器128和喷射器130依次组合形成喷射泵或抽吸器。
水分离器132置于喷射器130和供应出口122之间的主体114的腔117中。再循环器114可包括一体形成的水分离器132。替代地，水分离器132可单独形成并通过任何传统手段(例如紧固或粘附)联接到再循环器114。任何传统材料(例如金属，金属合金，塑料和塑料复合材料)都可用于形成水分离器132。水分离器132包括多个水捕获特征。如图3，4，5所示，水分离器132是多个平行折流板(baffles)140。其他的折流板配置，一系列室，多个交互式通道，气旋分离器，或任意其他类型的水捕获特征也可用作水分离器132。
亲水多孔介质134密封地置于再循环器114的排水口126中。腔117、流出导管116以及水分离器132与介质134流体连通。介质134可以任何传统手段(例如粘附或摩擦配合)联接到再循环器114。包括其中形成的孔的任何传统材料(例如金属网，烧结的金属网，结合的金属网，织布和多孔泡沫)都可用于形成亲水多孔介质134。亲水多孔介质134中形成的孔典型地直径为约1微米到约10微米。可根据其中形成的孔的标称孔径和均匀性来选择形成亲水多孔介质134的材料。
流出导管116邻近再循环器114放置，并提供进口118和排放装置142之间的流体连通。排水口126和介质134也与流出导管116流体连通。流出导管116可一体形成为燃料电池端部单元127或再循环器114的一部分，而且可由任何传统材料(例如金属，金属合金，塑料，塑料复合材料)形成。当导管116单独形成时，任何传统手段(例如紧固或粘附)都可用于将流出导管116联接到再循环器114。如图3所示，流出导管116可放置成防止凝结物在流出导管116中收集(其可在流出导管中形成)。如所示的，流出导管116包括置于其中的排放阀144。
排放阀144置于相对于排水口126下游的位置。与排放阀144连通的控制器和致动器(未示出)按需要改变排放阀144的位置。阀144可放置在打开位置、关闭位置、或任何中间位置。排放阀144可为螺线管操作的闸门阀，但是也可以采用其他类型的阀。
在阳极反应物再循环系统110的运行过程中，阳极排放流146从FCS 112中通过阳极出口导管120排出。阳极排放流146含有未使用的燃料和副产物(例如水和氮气)。在排放流146进入再循环器114的进口118时，其根据阀144的位置，将变成再循环流148(进入再循环器114)和流出流150(进入流出导管116)中的一个。作为非限制性的例子，当阀144处于打开位置时，流出流150可基本上等于排放流146。作为第二非限制性的例子，阀144的位置可由排放流146的含量确定，其中排放流146中未使用的燃料的相对高含量会命令阀144处于关闭位置；而流146中副产物的相对高含量会命令阀144处于打开位置。作为又一个非限制性的例子，阀144的位置可由水位传感器(未示出)或其他控制装置响应于流出导管116和再循环器114中的一个内累积的凝结物来确定。
注射器128的输送速度可控制排放流146分入再循环流148的部分。喷射泵(注射器128和喷射器130)通过利用文式效应促进排放流146的进入。因此通过使用注射器128和喷射器130实现燃料135和再循环流148的充分混合。再循环流148(暖且湿润)与注入的燃料135(冷且干燥)相混合，导致凝结物152的形成。然后包括凝结物152的再循环流148在其向供应出口122运动时流过水分离器132。
当再循环流148流过水分离器132时，折流板140或其他水捕获特征阻碍再循环流148。所形成的再循环流148的向心加速度使重的凝结物152被收集到折流板140上，从而将凝结物152从再循环流148中去除。减少了一定量凝结物152的再循环流148继续通过腔117，并在供应出口122离开再循环器114。具有高燃料含量(由于燃料注射)和低水含量(在流过水分离器132之后)的再循环流148可如图2所示地通过阳极进口导管124重新进入FCS 112。随着凝结物152在水分离器132上收集，重力导致凝结物152从折流板140离开并到收集表面154上。收集表面154通过重力作用将凝结物152向亲水多孔介质134引导。
亲水多孔介质134在由于凝结物152而吸水时会防止再循环流148和流出流150通过介质134。亲水多孔介质134能够承受的压力可通过表面张力的气泡压力法计算。具有特定直径孔的介质的气泡压力的关系可由以下等式表示：
Pbubble＝4σ*cos(θ)/Dpore
其中Pbubble是亲水多孔介质134在吸水时能够承受的最大压力；σ是水的表面张力；θ是亲水多孔介质134的接触角；Dpore是亲水多孔介质134中孔的直径。作为非限制性的例子，具有约5微米直径的亲水多孔介质134中的孔产生约46kPa的气泡压力，具有约8微米直径的孔产生约29kPa的气泡压力，其中亲水多孔介质134的接触角为约30度，水的表面张力为0.067N/m。亲水多孔介质134的饱和点是当亲水多孔介质134吸收了其能保持的最大量的水的状态。超过介质134的饱和点的凝结物152经过介质134并通过流出导管116离开系统110。如图3所示，当排放阀144处于关闭位置时，凝结物152会在流出导管116中收集，直到系统110需要将副产物清除。在副产物清除过程中，排放阀144打开，允许阳极排放流146通过流出导管116排出，去除了凝结物152和任何聚集的氮气。当排放流146具有低的相对湿度时，例如当FCS 112在高温下全功率运行时，腔117中产生的凝结物152可能对于使介质134吸水是不够的。具有干燥的介质134允许再循环流148和流出流150通过介质134混合，防止再循环流148中任何未使用的反应物再循环而浪费经过注射器128的燃料。在上述条件的过程中，排放阀144将保持关闭，直到需要清除副产物。
除了不需要阳极热交换器和排水阀之外，系统110的腔117还可用作启动增压的上游室，增加了阳极反应物再循环系统110的容积效率。在启动之前，排放阀144是关闭的。激活注射器128增加了腔117内和FCS 112阳极侧的压力，从而减小或消除了对现有技术中的系统10的启动室28的需要。腔117提供了注射器128和FCS 112之间的容积，防止燃料在启动之前进入FCS 112。产生的阳极反应物再循环系统110具有更高的容积效率，并且比现有技术中的系统10更加紧凑。
图4示出了与图3所示相似的本发明的另一个实施例。相对于图3描述的相似结构的附图标记在图4中重复并带有撇号(’)符号。
图4示出了阳极反应物再循环系统110’增加了蓄水器156和毛细材料158。除非另外说明，应当理解阳极反应物回收系统110’可在结构上和运行上大致对应于上述技术的所示阳极反应物回收系统110。
蓄水器156是中空体，并可由金属，金属合金，塑料和塑料复合材料中的一种形成，并且其邻近亲水多孔介质134’放置。蓄水器156可一体形成为燃料电池端部单元127、再循环器114’和流出导管116，的一部分。蓄水器156也可单独形成，并以任何传统手段(例如紧固或粘附)联接到再循环器114’和流出导管116’中的一个。
毛细材料158与亲水多孔介质134’及蓄水器156流体连通。任何传统材料(例如金属网，烧结的金属网，结合的金属网，织布，和多孔泡沫)都可用于形成毛细材料158。也可使用具有相似毛细性能的其他材料。当由相似材料形成时，毛细材料158可与亲水多孔介质134’一体形成。当由其他材料形成时，毛细材料158也可通过任何传统手段紧固到亲水多孔介质134’。毛细材料158的至少一部分置于蓄水器156中。
在使用中，超过介质134’饱和点的凝结物152’由于重力而经过介质134’并收集在蓄水器156中。如图4所示，蓄水器156是井状蓄液器，并且在蓄水器156的相同端与介质134’及导管116’流体连通。在阳极反应物再循环系统110’运行一段时间之后，蓄水器变满。蓄水器156的溢流在未使用的反应物和副产物的流协助下，通过流出导管116’从系统110’排出。当FCS 112的排放流146具有高的相对湿度时，例如当FCS 112在正常运行温度以下运行(冷起动)时，凝结物152’比使介质134’吸水所需的要多，因此向蓄水器156填充。当FCS 12的排放流146具有低的相对湿度时，例如当FCS 112在高温下全功率运行时，腔117’中产生的凝结物152’可能对于使介质134’吸水是不够的。
毛细材料158通过从蓄水器156向亲水多孔介质134’的毛细作用促进流体连通。当介质134’的饱和度下降至介质134’的饱和点以下时，毛细材料158允许毛细力使介质134’吸水，直到蓄水器156为空的。毛细材料158和介质134’之间的流体连通持续直到达到饱和点。阳极反应物再循环系统110’的副产物清除可为间歇的或连续的，这取决于介质134’的饱和度及副产物清除要求。在阳极反应物再循环系统110’中装备蓄水器156和毛细材料158防止介质134’变干燥。
图5示出了与图3所示相似的本发明的另一个实施例。相对于图3描述的相似结构的附图标记在图5中重复并带有双撇号(”)符号。
图5示出了阳极反应物再循环系统110”增加了蓄水器156和毛细材料158。除非另外说明，应当理解阳极反应物回收系统110”可在结构上和运行上大致对应于上述技术的阳极反应物回收系统110、110’。
在使用中，超过介质134”饱和点的凝结物152”由于重力而经过介质134”并收集在蓄水器156中。如图5所示，蓄水器156是导管状蓄液器，并且在蓄水器156的相对端与介质134”及流出导管116”流体连通。
应当认识到，阳极反应物回收系统110、110’、110”消除了对阳极热交换器的需要，同时使得系统110、110’、110”包括更少的部件，且降低了制造成本。燃料电池系统可通过组合阳极反应物回收系统110、110’、110”和FCS 112而形成，其包括多个单个燃料电池。令人惊讶地发现，系统110、110’、110”增加了燃料电池堆的容积效率，并利用单个阀来从系统110、110’、110”中去除凝结物和反应副产物。系统110、110’、110”还提供了启动增压容积，优化了燃料电池堆的启动，从而在启动过程中减少了电极腐蚀的可能。
通过上述描述，本领域技术人员能够容易地确定本发明的本质特征，并且在不脱离本发明精神和范围的情况下，能够对本发明进行各种变化和修改以使其适于各种用途和条件。

Claims (10)

1.一种阳极反应物再循环系统，包括：
中空主体，其包括进口、再循环出口和排水口，所述进口适于接收流体；
流出导管，其提供所述进口和所述排水口之间的流体连通；
与燃料源和所述中空主体流体连通的注射器，其适于将燃料注入所述中空主体；
置于所述中空主体中的水分离器，其适于从流体中去除凝结物；以及
亲水多孔介质，其与所述水分离器流体连通并适于收集所述中空主体中的凝结物，由此使所述亲水多孔介质吸水并防止气体传递经过所述亲水多孔介质，其中，流体的第一部分通过所述流出导管从所述阳极反应物再循环系统排出，流体的第二部分进入所述中空主体、与燃料混合，并在通过所述再循环出口离开所述阳极反应物再循环系统之前经过所述水分离器。
2.根据权利要求1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述亲水多孔介质邻近所述排水口放置。
3.根据权利要求1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述亲水多孔介质具有从约1微米到约10微米的孔径。
4.根据权利要求1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述亲水多孔介质是金属网，烧结的金属网，结合的金属网，织布和多孔泡沫中的一种。
5.根据权利要求1所述的阳极反应物再循环系统，还包括置于所述注射器和所述水分离器之间的喷射器。
6.根据权利要求1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述水分离器包括多个水捕获特征。
7.根据权利要求1所述的阳极反应物再循环系统，还包括邻近流出输出放置的排放阀。
8.根据权利要求1所述的阳极反应物再循环系统，其中，所述注射器是喷射泵的部件。
9.一种阳极反应物再循环系统，包括：
中空主体，其包括进口、再循环出口和排水口，所述进口适于接收流体；
流出导管，其促进了所述进口和所述排水口之间的流体连通；
注射器，其置于所述中空主体中并适于注射来自燃料源的燃料；
置于所述中空主体中的水分离器，其适于从流体中去除凝结物；
亲水多孔介质，其与所述水分离器流体连通并适于收集所述中空主体中的凝结物，由此使所述亲水多孔介质吸水并防止气体传递经过所述亲水多孔介质；以及
邻近所述亲水多孔介质放置的蓄水器，其适于接收经过所述亲水多孔介质的凝结物，其中，流体的第一部分通过所述流出导管从所述阳极反应物再循环系统中排出，流体的第二部分进入所述中空主体、与燃料混合，并在通过所述再循环出口离开所述阳极反应物再循环系统之前经过所述水分离器。
10.一种燃料电池中阳极反应物的再循环的方法，包括如下步骤：
提供中空主体，其包括进口、再循环出口和排水口，所述进口适于接收流体；
提供流出导管，其促进了所述进口和所述排水口之间的流体连通；
提供注射器，其置于所述中空主体中并适于注射来自燃料源的燃料；
提供置于所述中空主体中的水分离器；
提供亲水多孔介质，其与所述水分离器流体连通；
提供到所述进口的阳极排放流；
将所述阳极排放流分成进入所述流出导管的第一部分和进入所述中空主体的第二部分中的一个；
将所述阳极排放流的第一部分通过所述排水口排出；
将燃料注入所述中空主体并且将所述阳极排放流的第二部分与燃料混合；
利用所述水分离器收集所述中空主体中形成的凝结物；
利用凝结物使所述亲水多孔介质吸水，吸水的介质防止所述阳极排放流的第一部分和所述阳极排放流的第二部分中的一个传递经过所述亲水多孔介质；
将超过所述亲水多孔介质饱和点的凝结物通过所述亲水多孔介质和所述排水口排出；以及
将所述阳极排放流的第二部分和注入的燃料通过所述再循环出口排出。
CN2010101297799A 2009-03-04 2010-03-04 用于燃料电池系统的阳极水分离器 Expired - Fee Related CN101826626B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/397,851 US8277988B2 (en) 2009-03-04 2009-03-04 Anode water separator for a fuel cell system
US12/397851 2009-03-04
US12/397,851 2009-03-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101826626A true CN101826626A (zh) 2010-09-08
CN101826626B CN101826626B (zh) 2013-05-08

Family

ID=42678559

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010101297799A Expired - Fee Related CN101826626B (zh) 2009-03-04 2010-03-04 用于燃料电池系统的阳极水分离器

Country Status (3)

Country Link
US (2) US8277988B2 (zh)
CN (1) CN101826626B (zh)
DE (1) DE102010009004B4 (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102170004A (zh) * 2010-02-08 2011-08-31 通用汽车环球科技运作有限责任公司 被动排水装置
CN103178278A (zh) * 2011-12-23 2013-06-26 现代摩比斯株式会社 氢气液滴防止装置及应用该装置的燃料电池车
CN104051753A (zh) * 2013-03-11 2014-09-17 福特全球技术公司 燃料电池清洗线系统
CN104241667A (zh) * 2013-06-21 2014-12-24 福特全球技术公司 燃料电池系统及用于燃料电池系统的离心式水分离器
CN104716356A (zh) * 2013-12-17 2015-06-17 现代自动车株式会社 具有喷射器的燃料电池系统
CN105870481A (zh) * 2016-05-20 2016-08-17 安徽康诺新能源汽车技术有限公司 燃料电池汽车动力系统及其氢气汽水分离装置
CN107452976A (zh) * 2016-05-18 2017-12-08 福特全球技术公司 燃料电池净化管线系统
CN110380089A (zh) * 2019-07-19 2019-10-25 潍柴动力股份有限公司 气体排除方法及装置

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8277988B2 (en) * 2009-03-04 2012-10-02 GM Global Technology Operations LLC Anode water separator for a fuel cell system
US8877392B2 (en) * 2009-09-01 2014-11-04 GM Global Technology Operations LLC PEM fuel cell stack inlet water regulation system
GB2475495B (en) * 2009-11-19 2011-10-12 Alstom Technology Ltd Fuel cell system and operating method
DE102011082498A1 (de) 2011-09-12 2013-03-14 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem mit verbesserter Anodengasrezirkulation und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
KR101461874B1 (ko) * 2012-12-31 2014-11-13 현대자동차 주식회사 연료 전지 시스템 및 그 가습 및 냉각방법
US10256485B2 (en) 2013-03-11 2019-04-09 Ford Global Technologies, Llc Fuel cell purge line system
DE102013014978A1 (de) 2013-09-10 2015-03-12 Daimler Ag Anodenkreislauf
JP6103236B2 (ja) * 2013-10-17 2017-03-29 トヨタ紡織株式会社 気液分離器
DE102014018851A1 (de) 2014-12-17 2016-06-23 Daimler Ag Brennstoffzellenvorrichtung
JP7018591B2 (ja) * 2016-12-07 2022-02-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム
JP2018097993A (ja) * 2016-12-12 2018-06-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US10562408B2 (en) * 2017-09-20 2020-02-18 Ford Motor Company Anode exhaust reservoir assembly
FR3075066B1 (fr) * 2017-12-15 2019-12-20 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Separateur de phases pour pile a combustible
JP7090042B2 (ja) * 2019-02-25 2022-06-23 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池車両
DE102020208841A1 (de) * 2020-07-15 2022-01-20 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem mit einer Umlenkung im Anodenpfad
CN116454321B (zh) * 2023-06-13 2023-09-08 国家电投集团氢能科技发展有限公司 燃料电池阳极排水装置和燃料电池系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030211374A1 (en) * 2002-02-08 2003-11-13 Tomas Dehne Fuel cell stack and method of operating a fuel cell system with such a fuel cell stack
CN101222065A (zh) * 2006-12-27 2008-07-16 通用汽车环球科技运作公司 并联双堆燃料电池系统的阳极再循环
CN101243572A (zh) * 2005-08-16 2008-08-13 丰田自动车株式会社 燃料电池系统

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW550851B (en) * 2002-07-17 2003-09-01 Asia Pacific Fuel Cell Tech Fuel battery having moisturizing module
US7862936B2 (en) * 2007-01-12 2011-01-04 Gm Global Technology Operations, Inc. Water removal channel for PEM fuel cell stack headers
US8603695B2 (en) * 2007-06-22 2013-12-10 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell assembly manifold heater for improved water removal and freeze start
US8097375B2 (en) 2008-01-15 2012-01-17 GM Global Technology Operations LLC Procedure for filling a fuel cell anode supply manifold with hydrogen for start-up
US8580445B2 (en) * 2008-12-04 2013-11-12 GM Global Technology Operations LLC Shutdown strategy to avoid carbon corrosion due to slow hydrogen/air intrusion rates
US8277988B2 (en) * 2009-03-04 2012-10-02 GM Global Technology Operations LLC Anode water separator for a fuel cell system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030211374A1 (en) * 2002-02-08 2003-11-13 Tomas Dehne Fuel cell stack and method of operating a fuel cell system with such a fuel cell stack
CN101243572A (zh) * 2005-08-16 2008-08-13 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CN101222065A (zh) * 2006-12-27 2008-07-16 通用汽车环球科技运作公司 并联双堆燃料电池系统的阳极再循环

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102170004A (zh) * 2010-02-08 2011-08-31 通用汽车环球科技运作有限责任公司 被动排水装置
CN102170004B (zh) * 2010-02-08 2014-08-27 通用汽车环球科技运作有限责任公司 被动排水装置
CN103178278A (zh) * 2011-12-23 2013-06-26 现代摩比斯株式会社 氢气液滴防止装置及应用该装置的燃料电池车
CN104051753A (zh) * 2013-03-11 2014-09-17 福特全球技术公司 燃料电池清洗线系统
CN107749486A (zh) * 2013-03-11 2018-03-02 福特全球技术公司 燃料电池清洗线系统
CN104241667A (zh) * 2013-06-21 2014-12-24 福特全球技术公司 燃料电池系统及用于燃料电池系统的离心式水分离器
CN104716356A (zh) * 2013-12-17 2015-06-17 现代自动车株式会社 具有喷射器的燃料电池系统
CN107452976A (zh) * 2016-05-18 2017-12-08 福特全球技术公司 燃料电池净化管线系统
CN105870481A (zh) * 2016-05-20 2016-08-17 安徽康诺新能源汽车技术有限公司 燃料电池汽车动力系统及其氢气汽水分离装置
CN110380089A (zh) * 2019-07-19 2019-10-25 潍柴动力股份有限公司 气体排除方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20100227230A1 (en) 2010-09-09
US8563182B2 (en) 2013-10-22
US20120270118A1 (en) 2012-10-25
DE102010009004A1 (de) 2010-12-02
CN101826626B (zh) 2013-05-08
DE102010009004B4 (de) 2018-11-29
US8277988B2 (en) 2012-10-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101826626B (zh) 用于燃料电池系统的阳极水分离器
JP4843147B2 (ja) 燃料電池暖機システム
CN101521287B (zh) 使用蒸发冷却的燃料电池系统和冷却燃料电池系统的方法
CN102170004B (zh) 被动排水装置
JP4575551B2 (ja) 燃料電池用ガス供給装置
CN101577342B (zh) 一种带单体电池增湿区的燃料电池
US8241806B2 (en) Fuel cell system
CN100583527C (zh) 用于使瞬变期间的相对湿度偏移最小化的多压力状态控制
JP2007128868A (ja) 閉鎖式インジェクタの抜き取り機能を用いたアノード流れシフト方法
JP2002184440A (ja) 燃料電池用加湿装置および燃料電池システム
JP2011243408A (ja) 燃料電池システム
CN102005591B (zh) 质子交换膜燃料电池堆的入口水调节系统
CN212571063U (zh) 新型燃料电池集成系统
CN101546838B (zh) 燃料电池系统
US20020076584A1 (en) Method for starting an HTM fuel cell, and associated device
CN102324537A (zh) 燃料电池的增湿系统
CN214203743U (zh) 一种具有内增湿结构的燃料电池双极板及电堆
CN102044687B (zh) 质子交换膜燃料电池组入口水调节系统
US20110027669A1 (en) System and method for hydrating a proton exchange membrane fuel cell
CN219226326U (zh) 氢燃料电池发动机废水收集加湿系统
CN217848007U (zh) 一种空气系统与一种燃料电池发动机
CN116230998A (zh) 燃料电池堆加湿系统
CN117497803A (zh) 一种具备主动加湿功能的燃料电池系统
CN116845279A (zh) 多物理场耦合的喷雾増湿装置及燃料电池发动机系统
CN117254065A (zh) 一种氢燃料电池及其排水方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130508

Termination date: 20200304