燃料电池系统中气和水的处理系统和方法技术方案

一个燃料电池系统，包括一个燃料电池，设有一个第一反应物入口、一个第一反应物出口、一个第二反应物入口、一个第二反应物出口，可选择性地设有一个冷却剂入口和冷却剂出口。一个第一反应物供应子系统，用于向燃料电池的第一反应物入口提供第一反应物进料流。一个第二反应物供应子系统，用于向燃料电池的第二反应物入口提供第二反应物进料流。一个第一反应物再循环子系统，使来自第一反应物出口的第一反应物排放物流的至少一部分再循环进入一个再生干燥器子系统，在该系统中第一反应物排放物流的一部分热量和水分传递给第一反应物供应子系统中的第一反应物进料流和第二反应物供应子系统中的第二反应物进料流。热量和水分的另一部分传递到其他进料流。本发明专利技术还公开了一种控制燃料电池系统中反应物和水的方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统中气和水的处理系统和方法
本专利技术总体涉及一种处理燃料电池系统的工艺气体(processgases)的装置和方法。更具体地说，本专利技术涉及一种控制燃料电池工艺气体的湿度、温度和流动的装置和方法。
技术介绍
与传统发电技术相比，燃料电池系统因其具有低排放、高效率和易操作的特点而被看作有前途的替代技术。燃料电池运行时将化学能转变成电能。质子交换膜燃料电池包括一个阳极、一个阴极和一个位于两个电极之间的选择性电解质膜。在催化反应中，燃料(例如氢气)在阳极被氧化形成阳离子(质子)和电子。离子交换膜促进质子从阳极到阴极的迁移。电子不能通过该交换膜，从而被迫流过外电路而提供电流。在阴极，氧在催化剂层与从电路返回的电子反应而形成阴离子。在阴极形成的阴离子与穿过交换膜的质子反应形成液态水作为反应产物。质子交换膜需要一个湿的表面以利于质子从阳极到阴极的传导，或者说有利于保持该交换膜的导电性。研究表明，通过交换膜的每个质子至少携带两到三个水分子(U.S.Patent5,996,976)。U.S.Patent5,786,104更定性地描述了一种叫“水的泵送作用”(waterpumping)的作用机制，该作用机制使得阳离子(质子)与水分子一起通过交换膜。当电流密度增加时，通过交换膜的水分子数目也随之增加。最终被质子流携带通过交换膜的水流通量超过了通过扩散所补充的水。这时交换膜开始变干(至少在阳极一侧是这样)，并且它的内阻增加。可以领会的是，该作用机制使水流向阴极一侧，经反应生成的水也在阴极一侧。但是，通过阴极一侧的气流可能足以除去这些水，使得阴极一侧同样变干。因此，交换膜的表面必须在任何时候都保持潮湿。因此，为确保足够的效率，工艺气体在进入燃料电池时必须具有系统所需要的合适的湿度和温度。另一个考虑是，人们对燃料电池在交通及类似领域的应用的兴趣-->日益增加，例如将其作为小汽车、公共汽车甚至更大型交通工具的基本电源。在机动车上的应用与在很多固定场所的应用有很大的不同。例如，在固定场所的应用中，燃料电池组(fuel cell stack)通常用作电源而且只要求其在相对稳定的功率水平(power level)下运行一段时间。相反地，在机动车环境中，燃料电池组实际需要提供的电力的变化范围会很大。而且，燃料电池组需要在保持高效率的同时对电力需求的变化做出快速响应，且无论这种需求是增加电力还是减少。另外，在应用于机动车领域时，希望燃料电池组在极端的环境温度和湿度条件下均能运行。所有这些要求都相当苛刻，且这些要求使得确保燃料电池组在所有可能的操作条件范围内的高效运行变得困难。此时，关键的问题是要确保燃料电池组能高效率地持续提供高的功率水平并同时保证其拥有长的使用寿命，因此，必须精确控制燃料电池组内的湿度水平以满足这些要求。更具体地说，必须控制氧化剂和燃料气流的湿度水平。大多数已知的加湿技术设计存在缺陷，不能对温度及类似条件的快速变化做出响应。很多已知的系统能够提供不充足的湿度水平，并且可能具有高的热惰性和/或大的死体积(dead volume)，使得它们不能对条件的变化做出快速响应。申请人共同未决的美国专利申请U.S.Patent ApplicationNo.09/801,916，公开了一种控制燃料电池系统中温度和湿度的装置和方法。该方法包括：将燃料电池工艺气流在第一温度下加湿，使工艺气流含有过量的水分，在低于第一温度的第二温度下冷却该工艺气流，使过量的水分冷凝，除去工艺气流中被冷凝的过量水分并在一个已知的温度下传输该工艺气流，由此根据第二温度和上述已知温度下饱和蒸汽压的比率来确定工艺气流的相对湿度。具体而言，该方法包括从燃料电池中排放的工艺气体中回收水分，并用该回收的水分对燃料和氧化剂物流的至少之一加湿。然而，该方法需要大量的组件，因而降低了燃料电池系统的总体效率。U.S.Patent No.6,013,385公开了另外一种方法。在该专利中公开了一种燃料电池气体处理系统。该系统包括：一个第一反应物加湿子系统，用来向燃料电池的第一反应物入口提供第一反应物进料-->流，并从燃料电池的第一反应物出口接收第一反应物排放物流，所述第一反应物加湿子系统包含一个焓轮(enthalpy wheel)，用来从第一反应物(氧化剂)排放物流中收集水分并将所收集水分的一部分传递给第一反应物进料流；一个第二反应物(燃料)湿度保持子系统，包括一个再循环环路-用来从燃料电池的第二反应物出口收集过量的第二反应物、第二反应物源混合装置和动力装置，所述第二反应物源混合装置用于将来自反应物源的第二反应物与从燃料电池的第二反应物出口收集的第二反应物混合，所述动力装置用于使第二反应物在所述再循环环路内循环，以及将第二反应物引至第二反应物入口。然而，该专利依然没有能够充分利用燃料电池排放物中的废热和水分。对于燃料电池气体处理系统，还需要其能够提供对燃料电池工艺气体进料的温度和相对湿度的快速动态控制。更具体地说，这样一个系统对于氧化剂和燃料系统都应当是高效的，并能够在一个宽的流速范围内为这两个系统提供足够的湿度。专利技术简介根据本专利技术的一个方面，本专利技术提出一种燃料电池系统，包括：一个燃料电池，设有一个第一反应物入口、一个第一反应物出口、一个第二反应物入口、一个第二反应物出口、一个冷却剂入口和一个冷却剂出口；一个第一反应物供应子系统，用来向燃料电池的第一反应物入口提供第一反应物进料流；一个第二反应物供应子系统，用来向燃料电池的第二反应物入口提供第二反应物进料流；一个第一反应物再循环子系统，用来使第一反应物排放物流的至少一部分从第一反应物出口再循环进入一个再生干燥器子系统，其中，所述至少一部分第一反应物排放物流中的至少一部分热量和水分被传递给第一反应物供应子系统中的第一反应物进料流和第二反应物供应子系统中的第二反应物进料流中的至少之一。优选地，再生干燥器子系统包括一个第一再生干燥器以及一个第二再生干燥器，第一再生干燥器用来将第一反应物再循环子系统中的第一反应物排放物流中的至少一部分热量和水分传递给第一反应物-->供应子系统中的第一反应物进料流；第二再生干燥器用来将第一反应物再循环子系统的第一反应物排放物流中至少一部分热量和水分传递给第二反应物供应子系统的第二反应物进料流。更优选地，燃料电池系统还包括一个第二反应物再循环子系统，用来使第二反应物排放物流的至少一部分从第二反应物出口再循环进入第二反应物供应子系统，使得第二反应物排放物流的至少一部分与第二反应物进料流混合。根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供一种控制燃料电池系统中的反应物和水的方法，该燃料电池设有一个第一反应物入口、一个第一反应物出口、一个第二反应物入口、一个第二反应物出口、一个冷却剂入口和一个冷却剂出口，所述方法包括：(a)向第一反应物入口提供第一反应物进料流；(b)向第二反应物入口提供第二反应物进料流；(c)从第一反应物出口收集第一反应物排放物流的至少一部分；(d)将至少一部分第一反应物排放物流中的至少一部分热量和水分传递给第一反应物进料流和第二反应物进料流中的至少之一。优选地，在步骤(d)中：将至少一部分第一反应物排放物流中的至少一部分热量和水分传递给第一反应物进料流和第二反应物进料流两者。更优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：（ａ）一个燃料电池，设有一个第一反应物入口、一个第一反应物出口、一个第二反应物入口、一个第二反应物出口、一个冷却剂入口和一个冷却剂出口；（ｂ）一个第一反应物供应子系统，用于向燃料电池的第一反应物入口提供第一反应物进料流；（ｃ）一个第二反应物供应子系统，用于向燃料电池的第二反应物入口提供第二反应物进料流；（ｄ）一个第一反应物再循环子系统，用来使第一反应物排放物流的至少一部分从第一反应物出口再循环进入一个再生干燥器子系统，来将热量和水分传递给第一反应物供应子系统的第一反应物进料流和第二反应物供应子系统的第二反应物进料流。

【技术特征摘要】
CA 2002-9-23 2,404,6851.一种燃料电池系统，包括：(a)一个燃料电池，设有一个第一反应物入口、一个第一反应物出口、一个第二反应物入口、一个第二反应物出口、一个冷却剂入口和一个冷却剂出口；(b)一个第一反应物供应子系统，用于向燃料电池的第一反应物入口提供第一反应物进料流；(c)一个第二反应物供应子系统，用于向燃料电池的第二反应物入口提供第二反应物进料流；(d)一个第一反应物再循环子系统，用来使第一反应物排放物流的至少一部分从第一反应物出口再循环进入一个再生干燥器子系统，来将热量和水分传递给第一反应物供应子系统的第一反应物进料流和第二反应物供应子系统的第二反应物进料流。2.按照权利要求1的燃料电池系统，其中再生干燥器子系统包括一个第一再生干燥器和一个第二再生干燥器，其中，第一再生干燥器用来将第一反应物排放物流中的热量和水分的至少一部分传递给第一反应物供应子系统的第一反应物进料流，第二再生干燥器用来将第一反应物排放物流中的热量和水分的至少一部分传递给第二反应物供应子系统的第二反应物进料流。3.按照权利要求2的燃料电池系统，还包括一个第二反应物再循环系统，用来使第二反应物排放物流的至少一部分从第二反应物出口再循环进入第二反应物供应子系统，以使第二反应物排放物流的至少一部分与第二反应物进料流混合。4.按照权利要求3的燃料电池系统，其中第一和第二再生干燥器在再生干燥器子系统中以串联方式连接，使得第一反应物排放物流的热量和水分的至少一部分首先传递给第一和第二反应物进料流之一，然后将第一反应物排放物流的热量和水分的另一部分传递给第一和第二反应物进料流中的另一个。5.按照权利要求4的燃料电池系统，其中第一反应物排放物流中的热量和水分首先通过第二再生干燥器传递给第二反应物进料流，然后通过第一再生干燥器设备传递给第一反应物进料流。-->6.按照权利要求5的燃料电池系统，其中再生干燥系统还包括一个绕过第二再生干燥器的旁路管线，使得第一反应物再循环子系统中的一部分第一反应物排放物流不经过第二再生干燥器设备而直接流向第一再生干燥器设备。7.按照权利要求3的燃料电池系统，其中第一和第二再生干燥器在再生干燥器子系统中以并联方式连接，以使第一反应物再循环子系统中的第一反应物排放物流的热量和水分的至少一部分基本上同时传递给第一反应物进料流和第二反应物进料流。8.按照权利要求3的燃料电池系统，其中第二反应物供应子系统包括一个流速调节装置，用来调节向燃料电池的第二反应物入口提供的第二反应物进料流的流速。9.按照权利要求8的燃料电池系统，其中流速调节装置是至少一个正向压力调节器。10.按照权利要求9的燃料电池系统，其中流速调节装置包括并联连接的多个正向压力调节器，且每个调节器都有一个不同的设定点。11.按照权利要求8的燃料电池系统，其中在第一反应物再循环子系统中临近第一反应物出口处提供一个排水装置，用来排放第一反应物再循环子系统中的水的至少一部分。12.按照权利要求11的燃料电池系统，其中排水装置包括一个阴极出口排水管线，其尺寸使得水可以自动且定期地沿着阴极出口排水管线排出。13.按照权利要求8的燃料电池系统，其中第二反应物供应子系统包括一个第二反应物水分离器，用于在第二反应物进料流通过第二再生干燥器设备后分离其中的水的至少一部分。14.按照权利要求13的燃料电池系统，其中第二反应物水分离器设于第二反应物供应子系统中，以便从下列混合物中分离水：该混合物是来自第二反应物再循环子系统的第二反应物排放物流的至少一部分与第二反应物进料流的混合物。15.按照权利要求14的燃料电池系统，其中第一反应物供应子系统包括一个第一反应物水分离器，用于在第一反应物进料流通过第一再生干燥器设备后分离其中的水的至少一部分。-->16.按照权利要求15的燃料电池系统，还包括一个第二反应物清洗子系统，该子系统清洗来自第二反应物出口的第二反应物排放物流的至少一部分。17.按照权利要求16的燃料电池系统，其中第二反应物清洗子系统包括一个清洗控制装置，用来控制清洗第二反应物排放物流的至少一部分。18.按照权利要求17的燃料电池系统，其中清洗控制装置选自螺线管阀、比例螺线管阀和文丘里管。19.按照权利要求18的燃料电池系统，其中再生干燥器子系统有一个出口，用来在第一反应物排放物流通过再生干燥器子系统后将其排出；该燃料电池系统还包括一个排放子系统，用来将来自再生干燥器子系统出口的第一反应物排放物与来自第二反应物清洗子系统的第二反应物排放物流混合，并将该混合物排出。20.按照权利要求19的燃料电池系统，其中排放子系统包括一个从所述混合物中分离水的排放物水分离器。21.按照权利要求20的燃料电池系统，还包括一个带有冷却剂容器的第一冷却回路，冷却剂从该冷却剂容器流经燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：J卡格内里，TA辛普森，RC德尔科尔，S伯兰尼，叶建明，R巴扎雷拉，
申请(专利权)人：水吉能公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]