專利名稱：并聯(lián)雙堆燃料電池系統(tǒng)的陽極再循環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，具體來說，本發(fā)明涉及一種雙堆燃料電池 系統(tǒng)以及并聯(lián)雙堆燃料電池系統(tǒng)的陽極兩盾環(huán)。
技術(shù)背景燃料電 M常被視為已知能源技術(shù)的替代B^。 PEM (質(zhì)子^l奐膜)燃料電 池，通常被稱為PEM燃料電池，產(chǎn)生低排放，工作高效率?；緛碚f，燃料電 池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。更具體來說，現(xiàn)在〗OT的燃料電池包括一個(gè)陰極區(qū)和 一個(gè)陽極區(qū)。該陽極和陰極被固體聚合物電解質(zhì)膜相隔。燃料電池堆通過氫氣 和氧氣之間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電。特別的，富氫氣體被提供到燃料電池的 陽極側(cè)。含氧的氧化劑(通常是大氣中的氧氣)被提供到燃料電池的陰極。陽 極側(cè)的氫氣分子按照下述反應(yīng)式反應(yīng)H2—2 ET+2 e.。該反應(yīng)的結(jié)果是生成 帶正電的氫離子。電子脫離電極。該^離子衝bt電解質(zhì)被傳導(dǎo)至陰極。在陰極 該tf離子與大氣中的氧氣02和電子e—按照以下反應(yīng)式反應(yīng)生成水 0.5 02+2 if+2 "H20。對(duì)于所有獲得的技術(shù)，目前的燃料電池組件還受限于陽極側(cè)液態(tài)水的累積。陽極側(cè)的液態(tài)水能夠?qū)е玛帢O催化齊啲劣化，由此降低電池堆的電壓進(jìn)而縮短 電池堆的壽命。 發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，艦提供一個(gè)系統(tǒng)艦至(旌已知燃料電池布置上的改進(jìn)，該系統(tǒng)育,增加堆疊體流道內(nèi)的陽極流M度。本發(fā)明的系統(tǒng)包括一個(gè)并聯(lián)雙堆系統(tǒng)，其包括第一燃料電池堆和第二燃料 電池堆。第一和第二燃料電池堆均包括連接到陽極出口單元的氣體管線。該陽極出口單元用于從系統(tǒng)中排出濕的H2/N2氣體混合物。在陽極出口單元和到第一和第二燃料電池堆的返回管線之間可以提供第二水分離器，使得到再循環(huán)泵之 前增加水滴的移除?？蛇x擇的，在返回管線上可以設(shè)置可調(diào)節(jié)的孔以平衡到雙M實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的陽極兩盾環(huán)，極板流道中的氣I^荒M度足以將任 何液態(tài)水珠吹出流道到系統(tǒng)的出口。本發(fā)明包括需要用來提供氫氣氣體的元件，以控制^^態(tài)水，控制、液流的 顯度，以及控制ii/Ji疊體的液流復(fù)合物。來自堆疊體的返回氣體進(jìn)入具有水分離器、排放閥、清除閥和泄水閥一體 化單元的陽極出口單元。如果需要，排放閥會(huì)打開以從陽極循環(huán)中排出濕的H2/N2氣體混合物。只要干燥氣體濃度達(dá)到50%到90%的壓和50%到10%的 N2，該排放閥就會(huì)打開。該濃度可以通過模型或傳感 定。只要ZK在陽極出 口單元累積到觸發(fā)內(nèi)在的水位開關(guān)的程度，泄水閥就會(huì)打開。在關(guān)閉時(shí)，期望 地是打開清除閥以排除系統(tǒng)內(nèi)的壓力。更期望地是使氣體混合物iSA分離器以 進(jìn)一步移除水分。然后該氣體m泵的入口。期望地是向泵中注入H2流以冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，并禾口 氣體流混合。該氣tt泵中被壓縮。并且，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，該 泵育灘被其他可替代的方式冷卻，比如空氣或液體。氫氣被注入到混合/加熱交換器中，在其中氫氣和壓縮氣體混合并被泵A^ 過混合/加熱効奐器中的堆疊體冷卻齊杯路加熱到電池堆的出口溫度。該氣體然后被分到兩支管線中，供應(yīng)到每一個(gè)第一和第二it料電池堆。期 望地是第一和第二燃料電池堆的路徑具有類似的壓降。并且，可調(diào)節(jié)的孔或線 性壓降元件可以被安裝至晦一個(gè)管線中以在該模i央初始運(yùn)行期間基于堆疊體性 育縱而允許流量達(dá)到平衡。該氣體然后流入堆疊體，與陰極和^4卩劑流相逆流;在堆疊體中H2被消耗， N2從組合電極組件的陰極側(cè)穿M過。水蒸汽也從該組合電極組件的陰極側(cè)移 出。當(dāng)結(jié)合附圖和附帶的權(quán)利要求，看過優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述后，本發(fā)明 的其他優(yōu)勢(shì)禾囀點(diǎn)會(huì)變的顯而易見。


從以下結(jié)合下列附圖的優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的以上的，以 及其他的優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)變得顯而易見圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的并聯(lián)雙堆燃料電池系統(tǒng)的示意圖。 發(fā)明詳述以下詳述和附圖描述并示出了本發(fā)明各種示例性的實(shí)施方式。該敘述和附圖是為了讓本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并不意在以樹可方式限制 本發(fā)明的范圍。關(guān)于公開的方法，提供的步驟實(shí)際上是示例性的，因此，這些 步驟的順序不是必須或關(guān)鍵的。參見圖1，示出了一個(gè)帶有陽極兩盾環(huán)回路的并聯(lián)雙堆燃料電池系統(tǒng)，該 系統(tǒng)總標(biāo)為10。系統(tǒng)10包括第一燃料電池堆12禾口第二燃料電池堆14。提供一系列氣體管線以4吏得氣流MM本發(fā)明的再f盾環(huán)系統(tǒng)。將這些氣體管線絕熱以纟敏令凝最小化。提供一共同的氣體入口管線16，將千燥的氣體引入第 一燃料電池堆12和第二燃料電池堆14的陰極側(cè)。管線16被分為第一堆疊體入 口管線18和第二堆疊體入口管線20。第一可調(diào)節(jié)孔22被，在第一堆疊體入 口管線18上，而第二可調(diào)節(jié) L 24被設(shè)置在第二堆疊體入口管線20上。如果需 要的話，可調(diào)節(jié)孔22、 24用來自動(dòng)調(diào)節(jié)氣流以優(yōu)化系統(tǒng)10的運(yùn)行。提供第一氣體出口管線26和第二氣體出口管線28以將來自第一燃料電池 堆12陽極側(cè)和第二燃料電池堆14陽極側(cè)的返回氣體分別輸送至,極出口單元 30。該陽極出口單元30用作水分離器以從第一燃料電池堆12和第二燃料電池 堆14的陽極側(cè)生成的氣體混合物中分離出液態(tài)H20。該陽極出口單元30包括 排放閥32，清除閥34和泄水閥36。排放閥32用于排放在陽極出口單元30中的濕的H2/N2氣體以降低在再循環(huán)回路中N2的濃度。只要干燥氣體濃度達(dá)到一個(gè)瞎定的H2對(duì)N2的比例，排放閥32就會(huì)打開。80%112和20%]^的比例能夠獲得最好的結(jié)果，盡管氣體的范 圍可以在50 %到90 %的H2和50 %到10 %N2之間。清除閥34可以打開以排除系統(tǒng)10的壓力。這會(huì)在系統(tǒng)10啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)發(fā)生。泄水閥36用于從陽極出口單元30中排放液態(tài)水。只要累積的7JC體積達(dá)到 了一個(gè)雌的程度，泄水閥36就會(huì)打開排出液態(tài)水。在到第一燃料電池堆12禾口第二燃料電池堆14的陽極側(cè)的路上，從由陽極 出口單元30中排出的除濕后氣體中可能還應(yīng)去除額外的水分。因此，第二水分 離器38可以被安裝在系統(tǒng)10中。陽極出口壓力傳感器40被設(shè)置在陽極出口單 元30和分離器38之間的管線42上，以檢測(cè)陽極出口單元30排放氣體的壓力 并做出反應(yīng)。穿過分離器38出來的氣體Mil輸送管線64被輸送到泵62中。大氣壓力的H2氣fflil^接到壓力控制器/注入器68的H2泵注入管線66被注入到泵62中。 被注入的H2扮演鵬角色。第一，被注入的H2與艦的氣流混合。第二被 注入的H2提供7賴卩劑以7賴卩泵62的發(fā)動(dòng)機(jī)?？蛇x擇的，如果發(fā)動(dòng)機(jī)以不同的 方式冷卻，該H2可以被注入到泵的下游。泵62壓縮該混合氣體。泵差式壓力傳感器70連接到H2泵注入管線64和泵出口管線72。該壓差 傳感器70感測(cè)m到泵62的氣體和泵62排出氣體之間的壓力差并做出反應(yīng)。被泵62壓縮的混^t體ail泵輸出管72輸送到混合器/熱交換器74中。 itA的壓縮氣體與被從壓力控制^l/注入器76、 78 M31注入管線80注入到、混合 器/熱交換器74的額外的H2混合。該iSA的壓縮氣體和注入H2的混合物在混合 器/熱交換器74中被加熱到約6(TC到8(TC之間，該^^是第"^燃料電池堆12 禾口第二燃料電池堆14的大約運(yùn)行^g。在一個(gè)可選擇的實(shí)施方式中，如果混合 氣流比需要的更熱，該熱交換器育灘用于將氣流7令卻到需要的運(yùn)fi^顯度。加熱且混合的氣體M:連接至哄同氣體入口管線16的管線82而從混合徵 熱^J奐器74中排出。因此，離開混合器/熱交換器74的該被加熱的混合氣粘 第一堆疊體入口管線18和第二堆疊體入口管線20之間分配。管線18、 20上的 可調(diào)節(jié)孔22、 24分別f,基于在系統(tǒng)運(yùn)行模士央(未示出)初始操作期間第一燃 料電池堆12和第二燃料電池堆14的運(yùn)行情況平衡流量。應(yīng)當(dāng)指出，雖然示出 了可調(diào)節(jié)孔22、 24時(shí)，有可能基于實(shí)驗(yàn) 用固定孔替代這些可調(diào)單元?？蛇x 擇的，可以^頓統(tǒng)性流量元件來代替孔。在示出的實(shí)施方式中，該混合且被加熱的氣體以與陰極氣流和冷卻齊必HM 流的方向itA每一個(gè)第一燃料電池堆12和第二燃料電池堆14中，如本領(lǐng)域公 知的，在其中H2被消耗，N2從組合電極組件的陰極側(cè)穿過。應(yīng)當(dāng)理解，也可以 采用其他流動(dòng)形式，例如同向流動(dòng)。水蒸汽也從組合電極組件的陰極側(cè)遷移。從以上的敘述中， 一個(gè)本領(lǐng)域普通技^:人員旨,容易的明確本發(fā)明的主要 特征，并且，在不偏離其主旨和范圍的情況下，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變換和修正 以使其適用于各種用途和^^牛。
權(quán)利要求
1、一種包括陽極再循環(huán)系統(tǒng)的并聯(lián)雙堆燃料電池，該并聯(lián)雙堆燃料電池包括第一燃料電池堆；第二燃料電池堆；陽極出口單元；與所述陽極出口單元和所述第一和第二燃料電池堆中的每一個(gè)相連的氣體入口管線；以及與所述第一和第二燃料電池堆中的每一個(gè)以及與所述陽極出口單元相連的氣體返回裝置。
2、 如權(quán)利要求1所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，其中運(yùn)行所述陽極出口單元， 以便從通過所述氣體返回裝置接收的、來自所述第一和第二燃料電池堆的返回 氣體中排出累積的水分。
3、 如權(quán)利要求2所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，其中運(yùn)行陽極出口單元，從而 當(dāng)該返回氣體具有從約50 %H2到90 %H2之間和約50 %N2到10 %N2之間的濃度 比例時(shí)來排出累積的7K分。
4、 如權(quán)利要求1所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，其中所述陽極出口單元包括清 除閥，所述清除閥在關(guān)閉期間選擇性地打開以排除系統(tǒng)的壓力。
5、 如權(quán)利要求1所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，其中該陽極出口單元包括泄水 閥，當(dāng)預(yù)定量的水分在所述陽極出口單元中累積時(shí)，所述泄水閥被打開。
6、 如權(quán)利要求1所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，其中所述陽極出口單元包括7iC 分離器。
7、 如權(quán)利要求6所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，其中所述并聯(lián)雙堆燃料電池系 統(tǒng)還包括另一個(gè)分離器以去除額外的水分，所述另一個(gè)分離器連接在所述陽極 出口單元和所述氣體入口管線之間。
8、 如權(quán)利要求1所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，還包括設(shè)置在所述陽極出口單 元和所述氣體入口管線之間的泵，且其中H2氣流被注入到所述泵中以冷卻所述 泵的發(fā)動(dòng)豐幾。
9、 如權(quán)利要求1所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，還包括通過空氣和液體^4卩劑中的至少一種冷卻所述泵中的發(fā)動(dòng)機(jī)。
10、 如權(quán)利要求1所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，包括連接至lj所述氣體入口管 線的H2注入管線，以 擇性的向從所述陽極出口單元流向所述第一和第二燃 料電池堆的氣流中注入H2。
11、 一種包括陽極兩盾環(huán)系統(tǒng)的并聯(lián)雙堆燃料電池，該并聯(lián)雙堆燃料電池包括第一燃料電池堆； 第二燃料電池堆；陽極出口單元，所述陽極出口單元具有水分離器、排放閥、清除閥和泄水閥；連接至,述陽極出口單元和所述第一和第二燃料電池堆中的每一個(gè)的氣體 入口管線；連接到所述第一燃料電池堆和所述陽極出口單元的第一氣體出口管線；以及連接至哳述第二燃料電池堆和所述陽極出口單元的第二氣體出口管線； 其中所述陽極出口單元選擇性地運(yùn)行，自被所述第一和第二氣體 返回管線輸送的返回氣體中釋放濕的H2/ N2氣體混合物。
12、 如權(quán)利要求ll所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，其中所述陽極出口單元響應(yīng) 于一個(gè)&和N2的濃度比例來排出累積的水分，該濃度為約50%到90%的H2 之間和約50 %到10 %的N2之間。
13、 如權(quán)利要求ll所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，包括另一個(gè)分離器以除去額 外的水分，所述另一個(gè)分離器連接在所述陽極出口單元和所述氣體入口管線之 間。
14、 如權(quán)利要求ll所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，包括設(shè)置在所述陽極出口單 元和所述氣體入口管線之間的泵，且其中H2氣流被注入到所述泵中以冷卻所述 泵的發(fā)動(dòng)豐幾。
15、 如權(quán)利要求ll所述的并聯(lián)雙堆燃料電池，包括一個(gè)與所述氣體入口管 線相連的H2入口管線，以選^f性地向從所述陽極出口單元流至lj所述第一和第二 ;^料電池堆的所述氣流中注入H2。
16、 一種從并聯(lián)雙堆燃料電池的陽極偵夠除累積的水分的方法，該方法包括以下步驟形成一個(gè)并聯(lián)雙堆燃料電池系統(tǒng)，其包括第一燃料電池堆、第二燃料電池 堆、具有水分離器和排放閥的陽極出口單元、與所述陽極出口單元以及所述第 一和第二燃料電池堆中的每一個(gè)相連的氣體入口管線、與所述第一燃料電池堆 和所述陽極出口單元相連的第一氣體出口管線、以及與所述第二燃料電池堆和 所述陽極出口單元相連的第二氣體出口管線；當(dāng)通過第一和第二氣體出口管線輸送到陽極出口單元的氣體的干燥氣體濃度達(dá)到一個(gè)預(yù)定的&和N2比例時(shí)，打開該陽極出口單元的排放閥以排放潮濕的壓/N2;以及ilil該排放閥從該陽極出口單元中排放濕的H2/N2。
17、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述預(yù)定的比例為約50%到90%的 H2之間和約50%至1」10X的N2之間。
18、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中該陽極出口單元包括泄水閥，所述方 法包括一個(gè)當(dāng)預(yù)定量的水分在所述陽極出口單元中累積時(shí)打開該泄水閥的歩 驟。
19、 如權(quán)禾腰求16所述的方法，包括下述一個(gè)步驟提供另一個(gè)分離器以 除去客砂卜的水分，并運(yùn)行該另一個(gè)分離器以從經(jīng)陽極出口單元流向氣體入口管 線的氣體中除去7jC分。
20、 如權(quán)利要求16所述的方法，包括下述一個(gè)步驟向連接在該陽極出口 單元和該氣體入口管線之間的泵和從該陽極出口單元流向該第一和第二燃料電 池堆的氣流中的至少一個(gè)中注入H2氣流。全文摘要
本發(fā)明涉及一種并聯(lián)雙堆燃料電池系統(tǒng)，其具有包括第一燃料電池堆和第二燃料電池堆的陽極再循環(huán)。第一和第二燃料電池堆中的每一個(gè)都包括一個(gè)連接到陽極出口單元的氣體出口管線。該陽極出口單元用于從系統(tǒng)中排出濕的H₂/N₂氣體混合物。在陽極出口單元和通向第一和第二燃料電池堆的氣體入口管線之間提供第二水分離器，以在再循環(huán)泵之前增加水滴的移除。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101222065SQ20071016487
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者D·R·薩瓦奇, J·P·薩爾瓦奪, J·R·謝恩科夫斯基 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司