專利名稱：結(jié)合蓄積裝置的燃料電池堆加濕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，具體而言，涉及一種結(jié)合蓄積裝置的燃料電池堆加濕方法。
背景技術(shù)：
為了獲得高性能和耐久性，PEM燃料電池的隔膜必須保持處于濕潤(rùn)環(huán)境中。因此，如果在高溫下進(jìn)行工作，燃料電池系統(tǒng)通常需要用于供給空氣和/或氫氣的加濕裝置。已經(jīng)顯示出，為了防止燃料電池堆燃料入口處變干，供給燃料電池堆陽極的燃料氣體需要進(jìn)行加濕。沿著燃料電池堆的內(nèi)部通道，存在引起電解質(zhì)隔膜中的濕度梯度和不均勻的功率分布的水含量的增加。不均勻的功率分布可能導(dǎo)致某些區(qū)域存在過熱點(diǎn)并且會(huì)導(dǎo)致在其它區(qū)域中產(chǎn)生的水的過多累積，其也對(duì)性能和耐久性產(chǎn)生負(fù)面影響。而且，加濕裝置具有多種缺陷，尤其是用于燃料電池堆的自動(dòng)應(yīng)用，因?yàn)榧訚裱b置很沉、昂貴，并且有時(shí)，由于加濕裝置含有的水在較低環(huán)境溫度下會(huì)結(jié)冰。
對(duì)加濕問題以前的解決辦法包含隔膜加濕器和注水方法，以及濕潤(rùn)氣體再循環(huán)。再循環(huán)方法利用這樣的事實(shí)，即用燃料電池中產(chǎn)生的水加濕位于燃料電池出口的氣體，并且可以反饋到燃料電池入口以便使沒包含液態(tài)水的地方濕潤(rùn)。缺點(diǎn)是需要再循環(huán)泵、泵的功率消耗和沿著通道的電池堆中的濕度梯度。還有，在WO/9928985A1中提出了切換燃料電池的陰極氣體入口和出口之間的氧化供給氣體。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)干燥的供給氣體在通道中的一個(gè)和另一個(gè)方向交變時(shí)，燃料電池中的濕度均勻性更好。然而，建議供給氣體應(yīng)當(dāng)是氧化劑并且是干燥的，其能導(dǎo)致在兩個(gè)氣體入口處產(chǎn)生性能下降。因此，本領(lǐng)域中所希望的是，提供一種能夠提供均勻加濕隔膜的方法，且在該過程中不包含液態(tài)水和不需要附加的泵或者使用附加的功率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種結(jié)合蓄積裝置的燃料電池堆加濕方法。本發(fā)明的方法提供了將燃料電池堆的濕潤(rùn)陽極排氣反饋到燃料電池入口并切換燃料電池堆的陽極入口和出口，用以沿燃料電池通道獲得更均勻的濕度。該方法包括操作具有兩個(gè)分別能夠作為燃料氣體入口和燃料氣體出口的開口的燃料電池堆。將燃料供給兩個(gè)開口中的一個(gè)。儲(chǔ)存從兩個(gè)開口中另一個(gè)排出的燃料氣體，然后切換燃料氣體的供給至至少兩個(gè)開口中的另一個(gè)，使得原先的出口現(xiàn)在作為燃料氣體的入口且原先的燃料氣體入口現(xiàn)在作為出口。然后將儲(chǔ)存的排出的濕潤(rùn)燃料氣體引入到進(jìn)入新入口開口的新供給的燃料氣體中，使得可以使用儲(chǔ)存的濕潤(rùn)排出的燃料氣體來加濕PEM隔膜。
通過下文提供的具體描述，本發(fā)明的其它適用領(lǐng)域?qū)⒆兊蔑@而易見。應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管表示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的具體描述的特定實(shí)例僅旨在用于示例目的，但并不旨在限制本發(fā)明的范圍。


通過具體描述并結(jié)合附圖，將更全面地理解本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明原理的燃料電池堆的示意圖，該燃料電池堆具有帶有兩個(gè)擴(kuò)展儲(chǔ)存器的交變的陽極氣體入口和出口通道；圖2是燃料電池堆的示意圖，該燃料電池堆具有帶有單個(gè)擴(kuò)展儲(chǔ)存器的交變的陽極氣體入口和出口通道；圖3是根據(jù)本發(fā)明原理的燃料電池堆的示意圖，該燃料電池堆具有帶有單個(gè)擴(kuò)展儲(chǔ)存器的交變的陽極氣體入口和出口通道，用以預(yù)混合陽極排氣和新鮮氫氣；圖4是根據(jù)本發(fā)明原理的燃料電池堆的示意圖，該燃料電池堆具有再循環(huán)陽極排氣的交變的陽極氣體入口和出口通道；以及圖5是加入水分離器的圖1所示系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下述對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述實(shí)質(zhì)上僅是示例性的，并且絕不是旨在限制本發(fā)明、其應(yīng)用或者使用。
參考圖1-5，下面將對(duì)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例進(jìn)行描述。所述系統(tǒng)之間共同的方法是，在一個(gè)工藝周期中，從燃料電池堆排出的濕潤(rùn)燃料氣體被收集在一個(gè)裝置中。然后，倒轉(zhuǎn)陽極氣體的流動(dòng)方向并將儲(chǔ)存的濕潤(rùn)氣體反饋到已經(jīng)變成氣體入口的在前氣體出口。將在第二循環(huán)中變成出口的另一氣體入口連接至另一氣體儲(chǔ)存裝置，然后在下一循環(huán)中用將要被儲(chǔ)存的濕潤(rùn)排放氣體充注該儲(chǔ)存裝置，并且然后被輸送到入口。
參考圖1，下面將對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施例進(jìn)行描述。如圖1所示，設(shè)置燃料電池10，所述燃料電池10包括分別作為陽極氣體的入口和出口的第一開口12和第二開口14。設(shè)置與通道18、20相連接的氫氣罐16，所述通道18，20連接至相應(yīng)的陽極氣體開口12、14。每一條通道18、20設(shè)有一個(gè)文丘里管22、24，每一個(gè)文丘里管分別與相應(yīng)的擴(kuò)展儲(chǔ)存器26、28流體連通。設(shè)置閥系統(tǒng)，所述閥系統(tǒng)包括設(shè)置在第一通道18中的第一流量控制閥30和設(shè)置在第二通道20中的第二流量控制閥32。第一通道18還連接至第一排氣通道36。第二通道20連接至第二排氣通道38。在第一和第二排氣通道36、38中的排氣受到排氣系統(tǒng)的控制，所述排氣系統(tǒng)例如可以向環(huán)境或者向陰極提供恒定的氣體流，或者受系統(tǒng)控制可以向環(huán)境或者向陰極提供脈沖氣體流。
在第一操作循環(huán)中，第一流量控制閥30處于打開狀態(tài)，第二流量控制閥32處于關(guān)閉狀態(tài)，使得來自氫氣罐16的氫氣流過第一通道18以通過第一開口12向燃料電池堆10供給氫氣。氫氣流過燃料電池堆10并通過通向第二通道20的第二開口14排出。當(dāng)陽極排氣經(jīng)過文丘里管24時(shí)，通過文丘里管24向擴(kuò)展儲(chǔ)存器28提供濕潤(rùn)的陽極排氣。
在第二操作循環(huán)中，切換流量控制系統(tǒng)，使得流量控制閥32打開，流量控制閥30關(guān)閉，從而致使來自氫氣罐16的氫氣流過第二通道20并通過現(xiàn)在作為燃料電池入口14的第二開口14進(jìn)入燃料電池堆10中。當(dāng)氫氣流過文丘里管24時(shí)，在擴(kuò)展儲(chǔ)存器28內(nèi)儲(chǔ)存的濕潤(rùn)的陽極排氣被吸入并與輸送到燃料電池堆10的新鮮氫氣相混合。當(dāng)陽極排氣現(xiàn)在通過作為出口的第一開口12排出時(shí)，濕潤(rùn)的陽極排氣通過文丘里管22被從通道18中抽出并儲(chǔ)存在第一擴(kuò)展儲(chǔ)存器26中。然后再次切換流量控制系統(tǒng)，使得第一流量控制閥30打開，第二流量控制閥32關(guān)閉，從而致使來自氫氣罐16的氫氣流過通道18進(jìn)入現(xiàn)在作為燃料電池堆10入口的第一開口12。然后，儲(chǔ)存的濕潤(rùn)的陽極排氣被重新引入到在第一流動(dòng)通道18中提供的新鮮氫氣中。
該兩重循環(huán)系統(tǒng)是連續(xù)的，使得濕潤(rùn)的排氣被連續(xù)地重新引入到燃料電池堆10的入口中，同時(shí)第一和第二開口12、14交替作為入口。通過交替所述入口并且重新引入濕潤(rùn)的陽極排氣，本發(fā)明在燃料電池堆10中提供對(duì)電池性能和耐久性具有正面影響的更均勻的濕度。
液態(tài)水可以出現(xiàn)在陽極氣體流內(nèi)。過多的液態(tài)水可對(duì)燃料電池的運(yùn)行具有負(fù)面影響。為了排出液態(tài)水，如圖5所示，水分離器35可被整合到陽極系統(tǒng)中。應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的每一實(shí)施例可使用如圖所示的水分離器。
參考圖2，下面將對(duì)燃料電池堆加濕系統(tǒng)的其它可選布置進(jìn)行描述，其中使用相同的附圖標(biāo)記表示如圖1所示的相同的元件。燃料電池堆10還設(shè)有第一和第二開口12、14，所述第一和第二開口分別作為燃料電池堆10的陽極氣體入口和出口。設(shè)置氫氣罐16與第一和第二通道18、20流體連通，所述第一和第二通道18、20分別與第一和第二開口12、14連通。設(shè)置流量控制系統(tǒng)，所述流量控制系統(tǒng)包括設(shè)置在第一通道18中的第一流量控制閥30和設(shè)置在第二通道20中的第二流量控制閥32。
圖2所示的實(shí)施例與圖1所示的實(shí)施例的不同之處在于設(shè)置了分別與設(shè)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連通的單個(gè)擴(kuò)展儲(chǔ)存器40。擴(kuò)展儲(chǔ)存器40具有兩個(gè)腔室40A、40B，所述腔室分別與相應(yīng)的文丘里管42、44相連通。
在運(yùn)行過程中，在第一循環(huán)中通過打開第一流量控制閥30并關(guān)閉第二流量控制閥32，使得來自氫氣罐16的氫氣流過通道18并進(jìn)入在第一循環(huán)中作為入口的第一開口12中，從而操作燃料電池系統(tǒng)。濕潤(rùn)的陽極排氣通過作為出口的開口14并通過通道38排出燃料電池堆10。濕潤(rùn)的陽極排氣通過文丘里管44，所述文丘里管44虹吸抽出濕潤(rùn)的排氣以充注單個(gè)擴(kuò)展儲(chǔ)存器40的腔室40B。在第二循環(huán)過程中，流量控制閥30關(guān)閉且流量控制閥32打開，使得來自氫氣罐16的氫氣通過通道20供給現(xiàn)在作為燃料電池堆10的入口端口的開口14。儲(chǔ)存在擴(kuò)展儲(chǔ)存器40的儲(chǔ)存腔室40B中的濕潤(rùn)的排氣通過通道20被重新引入到新鮮氫氣供給裝置中，并被引入到燃料電池堆10中。濕潤(rùn)的陽極排氣通過現(xiàn)在作為與通道36相連的出口的開口12排出燃料電池堆10，并且一些陽極排氣被文丘里管42引入擴(kuò)展儲(chǔ)存器40的第一腔室40A。當(dāng)開口12作為燃料電池堆陽極氣體入口時(shí)，隨后使用腔室40A中儲(chǔ)存的濕潤(rùn)的陽極排氣。
參考圖3，燃料電池堆10設(shè)有分別作為向燃料電池堆10提供陽極氣體的入口和出口的第一開口12和第二開口14。氫氣罐16向燃料電池堆10提供氫氣。第一通道50和第二通道52連接至氫氣罐16并與擴(kuò)展儲(chǔ)存器40相連接。擴(kuò)展儲(chǔ)存器40包括分別與第一通道50和第二通道52流體連通的第一腔室40A和第二腔室40B。在該實(shí)施例中，在混合氣體進(jìn)入燃料電池堆10之前，排氣和新鮮的氫氣首先在擴(kuò)展儲(chǔ)存器40中進(jìn)行混合。文丘里管54與第一通道50相連通，用于向第一開口12提供混合的排氣和氫氣并且設(shè)置第二文丘里管56與第二通道52相連通，用于向燃料電池堆10的第二開口14提供混合的排氣和氫氣。
在運(yùn)行過程中，擴(kuò)展儲(chǔ)存器40的第一腔室40A充有混合的排氣和氫氣，同時(shí)當(dāng)流量控制閥30處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，新鮮氫氣通過打開的流量控制閥32被供給通過通道52。將新鮮氫氣引入到擴(kuò)展儲(chǔ)存器40的腔室40B中迫使擴(kuò)展儲(chǔ)存器40的活塞46朝著箭頭A的方向移動(dòng)，從而使氫氣和排氣的儲(chǔ)存混合物通過現(xiàn)在作為燃料電池堆10的入口的開口12。氫氣通過通道52使得排氣排出作為與通道38相連的出口端口的開口14，以與通過文丘里管56然后供給擴(kuò)展儲(chǔ)存器40的腔室40B的新鮮氫氣相混合。然后通過關(guān)閉流量控制閥32并且打開流量控制閥30倒轉(zhuǎn)入口和出口，流量控制閥30引導(dǎo)來自氫氣罐16的氫氣通過通道50并進(jìn)入擴(kuò)展儲(chǔ)存器40的腔室40A中。將氫氣引入擴(kuò)展腔室40A致使活塞46反向于箭頭A的方向向下移動(dòng)，迫使儲(chǔ)存的氫氣和濕潤(rùn)的排氣從腔室40B排出并進(jìn)入現(xiàn)在作為燃料電池堆入口的開口14中。隨著氫氣流過通道50，氫氣通過文丘里管54與排氣相混合，然后進(jìn)入擴(kuò)展儲(chǔ)存器40的腔室40A。為了在燃料電池堆10中提供更高的濕度和均勻性，連續(xù)重復(fù)該循環(huán)。
參考圖4，燃料電池堆10設(shè)有分別能夠作為燃料電池堆10的陽極氣體的入口和出口的開口12和開口14。設(shè)置氫氣罐16用于向燃料電池堆陽極通道供給氫氣。第一通道18連接在氫氣罐16和第一開口12之間，第二通道20設(shè)置在氫氣罐16和燃料電池堆10的第二開口14之間。第一流量控制閥30設(shè)置在第一通道18中，第二流量控制閥32設(shè)置在第二通道20中。文丘里管60、62設(shè)置在每一個(gè)開口12、14中。再循環(huán)通道64與文丘里管60、62相連通。
在運(yùn)行過程中，通過作為陽極氣體入口的燃料電池堆10的第一開口12提供來自氫氣罐16的氫氣。流量控制閥30處于打開位置，且流量控制閥32處于閉合位置，從而使得氫氣流過通道18。開口14與通道38一起作為燃料電池堆10的濕潤(rùn)陽極排氣的出口。當(dāng)濕潤(rùn)的排氣通過設(shè)置在第二開口14中的文丘里管62時(shí)，通過再循環(huán)通道64將濕潤(rùn)的排氣抽至設(shè)置在燃料電池堆10的入口12中的第一文丘里管60。濕潤(rùn)的陽極排氣與來自通道18的新鮮氫氣相混合并被輸送到燃料電池堆10中。在該循環(huán)的第二步驟中，流量控制閥30關(guān)閉，流量控制閥32打開，以使氫氣通過通道20供給至現(xiàn)在作為燃料電池堆入口的開口14。然后開口12作為燃料電池堆陽極氣體出口，并且通過文丘里管60的排氣通過再循環(huán)通道64被抽至入口端口14，以用于混合濕潤(rùn)的陽極排氣和新鮮的氫氣。
所披露的系統(tǒng)在燃料電池中提供了較高的濕度均勻性，由此正面影響燃料電池的性能和耐久性。氫氣罐16中的壓力被用作能量源，因此，不需要用于使氫氣再循環(huán)的附加電力并且不需要再循環(huán)泵。結(jié)果是同時(shí)獲得更高的系統(tǒng)效率和更低的成本。
實(shí)質(zhì)上，對(duì)本發(fā)明的描述僅是示例性的，因此，不超出本發(fā)明主旨的各種變型均旨在落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。這些變型不被視為偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于操作具有至少兩個(gè)用于燃料氣體入口和出口的開口的燃料電池的方法，包括以下步驟向所述至少兩個(gè)開口中的一個(gè)供給燃料氣體；儲(chǔ)存從所述至少兩個(gè)開口中的另一個(gè)中排出的燃料氣體；將燃料氣體供給切換至所述至少兩個(gè)開口中的所述另一個(gè)；以及將儲(chǔ)存的排放燃料氣體引入流向所述至少兩個(gè)開口中的所述另一個(gè)的燃料氣體供給中。
2.一種用于操作具有至少兩個(gè)用于燃料氣體入口和出口的開口的燃料電池的方法，包括以下步驟向所述至少兩個(gè)開口中的一個(gè)供給燃料氣體；將從所述至少兩個(gè)開口中的另一個(gè)中排出的燃料氣體再循環(huán)至所述至少兩個(gè)開口中的所述一個(gè)開口；以及將燃料氣體供給切換至所述至少兩個(gè)開口中的所述另一個(gè)。
3.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆，具有至少兩個(gè)用于燃料氣體入口和出口的開口；燃料氣體供給裝置，具有連接到所述至少兩個(gè)開口中的第一個(gè)上的第一通道和連接到所述至少兩個(gè)開口中的第二個(gè)上的第二通道；第一擴(kuò)展儲(chǔ)存器，與所述至少兩個(gè)開口中的所述第一個(gè)流體連通；第二擴(kuò)展儲(chǔ)存器，與所述至少兩個(gè)開口中的所述第二個(gè)流體連通；和控制閥系統(tǒng)，可在第一位置選擇性地操作，用于引導(dǎo)所述燃料氣體供給至所述至少兩個(gè)開口中的所述第一個(gè)，以及可在第二個(gè)位置操作，用于引導(dǎo)所述燃料氣體供給至所述至少兩個(gè)開口中的所述第二個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一和第二擴(kuò)展儲(chǔ)存器分別與設(shè)置在所述第一和第二通道中的文丘里管流體連通。
5.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆，具有至少兩個(gè)用于燃料氣體入口和出口的開口；燃料氣體供給裝置，具有連接到所述至少兩個(gè)開口中的第一個(gè)上的第一通道和連接到所述至少兩個(gè)開口中的第二個(gè)上的第二通道；擴(kuò)展儲(chǔ)存器，限定出分別與所述至少兩個(gè)開口的其中一個(gè)流體連通的兩個(gè)腔室；和控制閥系統(tǒng)，可在第一位置選擇性地操作，用于引導(dǎo)所述燃料氣體供給至所述至少兩個(gè)開口中的所述第一個(gè)，以及可在第二個(gè)位置操作，用于引導(dǎo)所述燃料氣體供給至所述至少兩個(gè)開口中的所述第二個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述擴(kuò)展儲(chǔ)存器中的所述兩個(gè)腔室與分別設(shè)置在所述第一和第二通道中的文丘里管流體連通。
7.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆，具有至少兩個(gè)用于燃料氣體入口和出口的開口；燃料氣體供給裝置，具有連接到所述至少兩個(gè)開口中的第一個(gè)上的第一通道和連接到所述至少兩個(gè)開口中的第二個(gè)上的第二通道；設(shè)置在所述至少兩個(gè)開口中的文丘里管；連接在所述至少兩個(gè)開口中的所述文丘里管之間的再循環(huán)通道；和控制閥系統(tǒng)，可在第一位置選擇性地操作，用于引導(dǎo)所述燃料氣體供給至所述至少兩個(gè)開口中的所述第一個(gè)，以及可在第二個(gè)位置操作，用于引導(dǎo)所述燃料氣體供給至所述至少兩個(gè)開口中的所述第二個(gè)。
全文摘要
提供了一種結(jié)合使用蓄積裝置的燃料電池堆加濕方法。該方法提供了，向燃料電池入口反饋燃料電池堆的濕潤(rùn)的陽極排氣，并且切換燃料電池堆的陽極入口和出口，用以沿燃料電池通道獲得更均勻的濕度。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1791994SQ200480013363
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
發(fā)明者R·森納, R·馮赫爾莫特 申請(qǐng)人:通用汽車公司