CN1791994A - 结合蓄积装置的燃料电池堆加湿方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种结合使用蓄积装置的燃料电池堆加湿方法。该方法提供了，向燃料电池入口反馈燃料电池堆的湿润的阳极排气，并且切换燃料电池堆的阳极入口和出口，用以沿燃料电池通道获得更均匀的湿度。

Description

结合蓄积装置的燃料电池堆加湿方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，具体而言，涉及一种结合蓄积装置的燃料电池堆加湿方法。

背景技术

为了获得高性能和耐久性，PEM燃料电池的隔膜必须保持处于湿润环境中。因此，如果在高温下进行工作，燃料电池系统通常需要用于供给空气和/或氢气的加湿装置。已经显示出，为了防止燃料电池堆燃料入口处变干，供给燃料电池堆阳极的燃料气体需要进行加湿。沿着燃料电池堆的内部通道，存在引起电解质隔膜中的湿度梯度和不均匀的功率分布的水含量的增加。不均匀的功率分布可能导致某些区域存在过热点并且会导致在其它区域中产生的水的过多累积，其也对性能和耐久性产生负面影响。而且，加湿装置具有多种缺陷，尤其是用于燃料电池堆的自动应用，因为加湿装置很沉、昂贵，并且有时，由于加湿装置含有的水在较低环境温度下会结冰。

对加湿问题以前的解决办法包含隔膜加湿器和注水方法，以及湿润气体再循环。再循环方法利用这样的事实，即用燃料电池中产生的水加湿位于燃料电池出口的气体，并且可以反馈到燃料电池入口以便使没包含液态水的地方湿润。缺点是需要再循环泵、泵的功率消耗和沿着通道的电池堆中的湿度梯度。还有，在WO/9928985A1中提出了切换燃料电池的阴极气体入口和出口之间的氧化供给气体。该系统的优点是，当干燥的供给气体在通道中的一个和另一个方向交变时，燃料电池中的湿度均匀性更好。然而，建议供给气体应当是氧化剂并且是干燥的，其能导致在两个气体入口处产生性能下降。因此，本领域中所希望的是，提供一种能够提供均匀加湿隔膜的方法，且在该过程中不包含液态水和不需要附加的泵或者使用附加的功率。

发明内容

本发明提供了一种结合蓄积装置的燃料电池堆加湿方法。本发明的方法提供了将燃料电池堆的湿润阳极排气反馈到燃料电池入口并切换燃料电池堆的阳极入口和出口，用以沿燃料电池通道获得更均匀的湿度。该方法包括操作具有两个分别能够作为燃料气体入口和燃料气体出口的开口的燃料电池堆。将燃料供给两个开口中的一个。储存从两个开口中另一个排出的燃料气体，然后切换燃料气体的供给至至少两个开口中的另一个，使得原先的出口现在作为燃料气体的入口且原先的燃料气体入口现在作为出口。然后将储存的排出的湿润燃料气体引入到进入新入口开口的新供给的燃料气体中，使得可以使用储存的湿润排出的燃料气体来加湿PEM隔膜。

通过下文提供的具体描述，本发明的其它适用领域将变得显而易见。应当理解的是，尽管表示本发明优选实施例的具体描述的特定实例仅旨在用于示例目的，但并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

通过具体描述并结合附图，将更全面地理解本发明，其中：

图1是根据本发明原理的燃料电池堆的示意图，该燃料电池堆具有带有两个扩展储存器的交变的阳极气体入口和出口通道；

图2是燃料电池堆的示意图，该燃料电池堆具有带有单个扩展储存器的交变的阳极气体入口和出口通道；

图3是根据本发明原理的燃料电池堆的示意图，该燃料电池堆具有带有单个扩展储存器的交变的阳极气体入口和出口通道，用以预混合阳极排气和新鲜氢气；

图4是根据本发明原理的燃料电池堆的示意图，该燃料电池堆具有再循环阳极排气的交变的阳极气体入口和出口通道；以及

图5是加入水分离器的图1所示系统的示意图。

具体实施方式

下述对优选实施例的描述实质上仅是示例性的，并且绝不是旨在限制本发明、其应用或者使用。

参考图1-5，下面将对本发明的多个实施例进行描述。所述系统之间共同的方法是，在一个工艺周期中，从燃料电池堆排出的湿润燃料气体被收集在一个装置中。然后，倒转阳极气体的流动方向并将储存的湿润气体反馈到已经变成气体入口的在前气体出口。将在第二循环中变成出口的另一气体入口连接至另一气体储存装置，然后在下一循环中用将要被储存的湿润排放气体充注该储存装置，并且然后被输送到入口。

参考图1，下面将对本发明的第一实施例进行描述。如图1所示，设置燃料电池10，所述燃料电池10包括分别作为阳极气体的入口和出口的第一开口12和第二开口14。设置与通道18、20相连接的氢气罐16，所述通道18，20连接至相应的阳极气体开口12、14。每一条通道18、20设有一个文丘里管22、24，每一个文丘里管分别与相应的扩展储存器26、28流体连通。设置阀系统，所述阀系统包括设置在第一通道18中的第一流量控制阀30和设置在第二通道20中的第二流量控制阀32。第一通道18还连接至第一排气通道36。第二通道20连接至第二排气通道38。在第一和第二排气通道36、38中的排气受到排气系统的控制，所述排气系统例如可以向环境或者向阴极提供恒定的气体流，或者受系统控制可以向环境或者向阴极提供脉冲气体流。

在第一操作循环中，第一流量控制阀30处于打开状态，第二流量控制阀32处于关闭状态，使得来自氢气罐16的氢气流过第一通道18以通过第一开口12向燃料电池堆10供给氢气。氢气流过燃料电池堆10并通过通向第二通道20的第二开口14排出。当阳极排气经过文丘里管24时，通过文丘里管24向扩展储存器28提供湿润的阳极排气。

在第二操作循环中，切换流量控制系统，使得流量控制阀32打开，流量控制阀30关闭，从而致使来自氢气罐16的氢气流过第二通道20并通过现在作为燃料电池入口14的第二开口14进入燃料电池堆10中。当氢气流过文丘里管24时，在扩展储存器28内储存的湿润的阳极排气被吸入并与输送到燃料电池堆10的新鲜氢气相混合。当阳极排气现在通过作为出口的第一开口12排出时，湿润的阳极排气通过文丘里管22被从通道18中抽出并储存在第一扩展储存器26中。然后再次切换流量控制系统，使得第一流量控制阀30打开，第二流量控制阀32关闭，从而致使来自氢气罐16的氢气流过通道18进入现在作为燃料电池堆10入口的第一开口12。然后，储存的湿润的阳极排气被重新引入到在第一流动通道18中提供的新鲜氢气中。

该两重循环系统是连续的，使得湿润的排气被连续地重新引入到燃料电池堆10的入口中，同时第一和第二开口12、14交替作为入口。通过交替所述入口并且重新引入湿润的阳极排气，本发明在燃料电池堆10中提供对电池性能和耐久性具有正面影响的更均匀的湿度。

液态水可以出现在阳极气体流内。过多的液态水可对燃料电池的运行具有负面影响。为了排出液态水，如图5所示，水分离器35可被整合到阳极系统中。应当理解的是，本发明的每一实施例可使用如图所示的水分离器。

参考图2，下面将对燃料电池堆加湿系统的其它可选布置进行描述，其中使用相同的附图标记表示如图1所示的相同的元件。燃料电池堆10还设有第一和第二开口12、14，所述第一和第二开口分别作为燃料电池堆10的阳极气体入口和出口。设置氢气罐16与第一和第二通道18、20流体连通，所述第一和第二通道18、20分别与第一和第二开口12、14连通。设置流量控制系统，所述流量控制系统包括设置在第一通道18中的第一流量控制阀30和设置在第二通道20中的第二流量控制阀32。

图2所示的实施例与图1所示的实施例的不同之处在于：设置了分别与设置在第一通道18和第二通道20中的第一和第二文丘里管42、44连通的单个扩展储存器40。扩展储存器40具有两个腔室40A、40B，所述腔室分别与相应的文丘里管42、44相连通。

在运行过程中，在第一循环中通过打开第一流量控制阀30并关闭第二流量控制阀32，使得来自氢气罐16的氢气流过通道18并进入在第一循环中作为入口的第一开口12中，从而操作燃料电池系统。湿润的阳极排气通过作为出口的开口14并通过通道38排出燃料电池堆10。湿润的阳极排气通过文丘里管44，所述文丘里管44虹吸抽出湿润的排气以充注单个扩展储存器40的腔室40B。在第二循环过程中，流量控制阀30关闭且流量控制阀32打开，使得来自氢气罐16的氢气通过通道20供给现在作为燃料电池堆10的入口端口的开口14。储存在扩展储存器40的储存腔室40B中的湿润的排气通过通道20被重新引入到新鲜氢气供给装置中，并被引入到燃料电池堆10中。湿润的阳极排气通过现在作为与通道36相连的出口的开口12排出燃料电池堆10，并且一些阳极排气被文丘里管42引入扩展储存器40的第一腔室40A。当开口12作为燃料电池堆阳极气体入口时，随后使用腔室40A中储存的湿润的阳极排气。

参考图3，燃料电池堆10设有分别作为向燃料电池堆10提供阳极气体的入口和出口的第一开口12和第二开口14。氢气罐16向燃料电池堆10提供氢气。第一通道50和第二通道52连接至氢气罐16并与扩展储存器40相连接。扩展储存器40包括分别与第一通道50和第二通道52流体连通的第一腔室40A和第二腔室40B。在该实施例中，在混合气体进入燃料电池堆10之前，排气和新鲜的氢气首先在扩展储存器40中进行混合。文丘里管54与第一通道50相连通，用于向第一开口12提供混合的排气和氢气并且设置第二文丘里管56与第二通道52相连通，用于向燃料电池堆10的第二开口14提供混合的排气和氢气。

在运行过程中，扩展储存器40的第一腔室40A充有混合的排气和氢气，同时当流量控制阀30处于关闭状态时，新鲜氢气通过打开的流量控制阀32被供给通过通道52。将新鲜氢气引入到扩展储存器40的腔室40B中迫使扩展储存器40的活塞46朝着箭头A的方向移动，从而使氢气和排气的储存混合物通过现在作为燃料电池堆10的入口的开口12。氢气通过通道52使得排气排出作为与通道38相连的出口端口的开口14，以与通过文丘里管56然后供给扩展储存器40的腔室40B的新鲜氢气相混合。然后通过关闭流量控制阀32并且打开流量控制阀30倒转入口和出口，流量控制阀30引导来自氢气罐16的氢气通过通道50并进入扩展储存器40的腔室40A中。将氢气引入扩展腔室40A致使活塞46反向于箭头A的方向向下移动，迫使储存的氢气和湿润的排气从腔室40B排出并进入现在作为燃料电池堆入口的开口14中。随着氢气流过通道50，氢气通过文丘里管54与排气相混合，然后进入扩展储存器40的腔室40A。为了在燃料电池堆10中提供更高的湿度和均匀性，连续重复该循环。

参考图4，燃料电池堆10设有分别能够作为燃料电池堆10的阳极气体的入口和出口的开口12和开口14。设置氢气罐16用于向燃料电池堆阳极通道供给氢气。第一通道18连接在氢气罐16和第一开口12之间，第二通道20设置在氢气罐16和燃料电池堆10的第二开口14之间。第一流量控制阀30设置在第一通道18中，第二流量控制阀32设置在第二通道20中。文丘里管60、62设置在每一个开口12、14中。再循环通道64与文丘里管60、62相连通。

在运行过程中，通过作为阳极气体入口的燃料电池堆10的第一开口12提供来自氢气罐16的氢气。流量控制阀30处于打开位置，且流量控制阀32处于闭合位置，从而使得氢气流过通道18。开口14与通道38一起作为燃料电池堆10的湿润阳极排气的出口。当湿润的排气通过设置在第二开口14中的文丘里管62时，通过再循环通道64将湿润的排气抽至设置在燃料电池堆10的入口12中的第一文丘里管60。湿润的阳极排气与来自通道18的新鲜氢气相混合并被输送到燃料电池堆10中。在该循环的第二步骤中，流量控制阀30关闭，流量控制阀32打开，以使氢气通过通道20供给至现在作为燃料电池堆入口的开口14。然后开口12作为燃料电池堆阳极气体出口，并且通过文丘里管60的排气通过再循环通道64被抽至入口端口14，以用于混合湿润的阳极排气和新鲜的氢气。

所披露的系统在燃料电池中提供了较高的湿度均匀性，由此正面影响燃料电池的性能和耐久性。氢气罐16中的压力被用作能量源，因此，不需要用于使氢气再循环的附加电力并且不需要再循环泵。结果是同时获得更高的系统效率和更低的成本。

实质上，对本发明的描述仅是示例性的，因此，不超出本发明主旨的各种变型均旨在落入本发明的范围之内。这些变型不被视为偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1、一种用于操作具有至少两个用于燃料气体入口和出口的开口的燃料电池的方法，包括以下步骤：

向所述至少两个开口中的一个供给燃料气体；

储存从所述至少两个开口中的另一个中排出的燃料气体；

将燃料气体供给切换至所述至少两个开口中的所述另一个；以及

将储存的排放燃料气体引入流向所述至少两个开口中的所述另一个的燃料气体供给中。

2、一种用于操作具有至少两个用于燃料气体入口和出口的开口的燃料电池的方法，包括以下步骤：

向所述至少两个开口中的一个供给燃料气体；

将从所述至少两个开口中的另一个中排出的燃料气体再循环至所述至少两个开口中的所述一个开口；以及

将燃料气体供给切换至所述至少两个开口中的所述另一个。

3、一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，具有至少两个用于燃料气体入口和出口的开口；

燃料气体供给装置，具有连接到所述至少两个开口中的第一个上的第一通道和连接到所述至少两个开口中的第二个上的第二通道；

第一扩展储存器，与所述至少两个开口中的所述第一个流体连通；

第二扩展储存器，与所述至少两个开口中的所述第二个流体连通；和

控制阀系统，可在第一位置选择性地操作，用于引导所述燃料气体供给至所述至少两个开口中的所述第一个，以及可在第二个位置操作，用于引导所述燃料气体供给至所述至少两个开口中的所述第二个。

4、根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述第一和第二扩展储存器分别与设置在所述第一和第二通道中的文丘里管流体连通。

5、一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，具有至少两个用于燃料气体入口和出口的开口；

燃料气体供给装置，具有连接到所述至少两个开口中的第一个上的第一通道和连接到所述至少两个开口中的第二个上的第二通道；

扩展储存器，限定出分别与所述至少两个开口的其中一个流体连通的两个腔室；和

控制阀系统，可在第一位置选择性地操作，用于引导所述燃料气体供给至所述至少两个开口中的所述第一个，以及可在第二个位置操作，用于引导所述燃料气体供给至所述至少两个开口中的所述第二个。

6、根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述扩展储存器中的所述两个腔室与分别设置在所述第一和第二通道中的文丘里管流体连通。

7、一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，具有至少两个用于燃料气体入口和出口的开口；

燃料气体供给装置，具有连接到所述至少两个开口中的第一个上的第一通道和连接到所述至少两个开口中的第二个上的第二通道；

设置在所述至少两个开口中的文丘里管；

连接在所述至少两个开口中的所述文丘里管之间的再循环通道；和

控制阀系统，可在第一位置选择性地操作，用于引导所述燃料气体供给至所述至少两个开口中的所述第一个，以及可在第二个位置操作，用于引导所述燃料气体供给至所述至少两个开口中的所述第二个。

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