本发明专利技术描述了一种包含加湿系统的燃料电池系统。该加湿系统使用可再循环从多级燃料电池堆排出的相对湿润气体的再循环系统，其位于阳极侧和／或阴极侧上，并传送这些相对湿润气体回来以与相对干燥的供应气体，例如但不限于氢气和／或空气，相结合。然后将加湿供应混合气体再次引入多级燃料电池堆的第一级。再循环设备，例如但不限于泵和／或喷射器，可以有助于使加湿排出气体向回移动通过再循环气体管线，从而与供应气体相结合。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术一般涉及燃料电池系统，特别是涉及新型并且经过改进的用于燃料电池系 统的气体流动再循环系统。
技术介绍
已经在多种应用中使用燃料电池作为电源。例如，已经提出在电动车辆中使用燃 料电池作为动力设备以代替内燃机。在PEM型燃料电池中，氢气被供给至燃料电池的阳极 并且作为氧化剂的氧气被供给至阴极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，MEA中含有薄 的、质子传输的、不导电的固体聚合物电解质膜，在电解质膜的一面上具有阳极催化剂并且 在相对的面上具有阴极催化剂。MEA被夹在一对导电元件之间，有时被叫作气体扩散介质 部件，其(1)作为阳极和阴极的集流器；(2)包含用于在各个阳极和阴极催化剂的表面上 分配燃料电池气体反应物的适当的开口 ；(3)从电极将产物水蒸气或液体水移除到流场通 道；(4)为了进行散热因而是导热的；和(5)具有一定机械强度。根据上下文，术语燃料电 池通常用以表示单个电池或多个电池(例如，堆)。多个单电池通常连在一起形成燃料电池 堆并通常是串联设置。堆中的每个电池包括前述的MEA，并且每个MEA提供其电压增量。在PEM燃料电池中，氢气(H2)是阳极反应物(即燃料)，氧气是阴极反应物(即氧 化剂)。氧气可以是纯氧(O2)或空气(02和队的混合物)。固体聚合物电解质典型地由例 如全氟磺酸等离子交换树脂形成。阳极/阴极典型地包括细碎的催化剂颗粒，所述催化剂 颗粒通常担载在碳颗粒上并且与质子传导树脂混合在一起。催化剂颗粒典型地是贵金属颗 粒。为了有效率地工作，这些膜电极组件在制造上成本相对较高并且需要一定的条件，包括 合适的水管理和润湿，以及对例如一氧化碳(CO)等催化剂污染组分的控制。参照共同转让的Witherspoon等的美国专利号3,985,578 ；Swathirajan等的 5，272，017 ；Li 等的 5，624，769 ；Neutzler 的 5，776，624 ；Dipiemo Bosco 等的 6，103，409 ； Swathirajan 等的 6，277，513 ；Woods, III 等的 6，350，539 ；Fronk 等的 6，372，376 ；Mathias 等的 6，376，111 ；Vyas 等的 6，521，381 ； Sompal Ii 等的 6，524，736 ； Senner 的 6，528，191 ； Fly 等的 6，566，004 ；Forte 等的 6，630，260 ；Fly 等的 6，663，994 ；Senner 的 6，740，433 ； Nelson 等的 6，777，120 ；Brady 等的 6，793，544 ；Rapaport 等的 6，794，068 ；Blunk 等的 6, 811, 918 ；Mathias 等的 6,824，909 ；Senner 等的美国专利申请公开号 2004/0229087 ； 0' Hara 的 2005/0026012 Hara 等的 2005/0026018 Hara 等的 2005/0026523 可以 发现与PEM和其它有关类型的燃料电池系统相关的技术实例，在此合并所述专利文献的全 部内容作为参考。为了达到高性能和耐久性，PEM燃料电池的隔膜应当保持处于湿润状态。因此，如 果在高温下进行工作，燃料电池系统通常需要为供应气体、空气和/或氢气加湿的装置。图 中已示出供给至燃料电池堆阳极的燃料气体需要加湿，从而防止燃料电池堆在燃料入口处 变干。沿着燃料电池堆的内部通道，具有在电解质隔膜中产生湿度梯度和不均勻的能量分 布的水含量增加。不均勻的能量分布在一些区域引起热点，并且在其它区域引起过度的水积聚，其在性能和耐久性上具有负面效应。此外，因为加湿设备很重且昂贵，并且有时候，由 于其内含有的水会在低环境温下结冰，所以尤其对于燃料电池堆的自动运转而言，加湿设 备具有许多缺点。以前解决加湿问题的方法包括膜加湿器和注入水的方法，还有加湿气体再循环， 在Strasser的美国专利5，478，662和Chow等的5，935，726中包含这些描述，在此合并所 述专利文献的全部内容作为参考。再循环方法具有这样的优势，利用燃料电池中产生的水加湿位于燃料电池出口处 的气体，并且能够将加湿的气体供应回燃料电池入口以在不包含液态水的条件下来提供湿 度。其缺点在于需要再循环泵、泵的功率消耗和堆中沿通道的湿度梯度。同时，已提出在燃料电池的阴极气体入口和出口之间切换氧化供应气体。这个系 统提供的优势在于因为在通道中的一个和另一个方向交替干燥供应气体从而使燃料电池 获得更均勻的湿度。然而，建议该供给气体是氧化剂并且是干燥的，其可在两个气体入口处 导致性能劣化。因此，需要在燃料电池内提供改善湿润分布的新型并且经过改进的气体流动再循 环系统。
技术实现思路
根据本专利技术的一个实施例，提供一种燃料电池系统，包括(1)具有可适于接收一 定量燃料或氧化剂气体的燃料或氧化剂气体入口的第一燃料电池堆；(2)具有适于排出一 定量排出气体的排出气体出口的第二燃料电池堆，其中第一和第二燃料电池堆是流体连通 的；和(3)与第一和第二燃料电池堆流体连通的气体再循环系统，其中所述气体再循环系 统可适于接收来自排出气体出口的排出气体并且再次引回排出气体进入第一燃料电池堆 中，其中所述排出气体具有比燃料或氧化剂气体更高的水分含量。根据本专利技术的第一可选实施例，提供一种燃料电池系统，包括(1)具有可适于接 收一定量燃料或氧化剂气体的燃料或氧化剂气体入口和适于排出一定量排出气体的排出 气体出口的第一燃料电池堆；(2)与第一燃料电池堆流体连通的气体再循环系统，其中气 体再循环系统适于接收来自排出气体出口的排出气体并且再次引回排出气体进入第一燃 料电池堆中，其中所述排出气体具有比燃料或氧化剂气体更高的水分含量。根据本专利技术的第二可选实施例，提供了一种使燃料电池系统工作的方法，包括 (1)提供具有可适于接收一定量燃料或氧化剂气体的燃料或氧化剂气体入口的第一燃料电 池堆；(2)提供具有适于排出一定量排出气体的排出气体出口的第二燃料电池堆，其中第 一与第二燃料电池堆是流体连通的；以及(3)提供一种与第一和第二燃料电池堆流体连通 的气体再循环系统，其中所述气体再循环系统可适于接收来自排出气体出口的排出气体并 且再次引回排出气体进入第一燃料电池堆中，其中所述排出气体具有比燃料或氧化剂气体 更高的水分含量。根据本专利技术的第三可选实施例，提供了一种使燃料电池系统工作的方法，包括 (1)提供具有可适于接收一定量燃料或氧化剂气体的燃料或氧化剂气体入口和适于排出一 定量排出气体的排出气体出口的第一燃料电池堆；以及(2)提供一种与第一燃料电池堆流 体连通的气体再循环系统，其中气体再循环系统适于接收来自排出气体出口的排出气体并且再次引回排出气体进入第一燃料电池堆中，其中所述排出气体具有比燃料或氧化剂气体 更高的水分含量。在下文的详细描述中，本专利技术的其它适用领域变得更加明显。应理解，在说明本发 明优选实施例的同时，详细说明和具体实例仅旨在示例性目的，而不是旨在限制本专利技术的 范围。附图说明通过以下详细描述和附图，可以更全面地理解本专利技术，其中图1是根据本专利技术的一般教导的具有可操作相关于阳极本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：具有适于接收一定量燃料或氧化剂气体的燃料或氧化剂气体入口的第一燃料电池堆；具有适于排出一定量燃料或氧化剂排出气体的燃料或氧化剂排出气体出口的第二燃料电池堆；其中第一和第二燃料电池堆是流体连通的且串联布置；和与第一和第二燃料电池堆流体连通的气体再循环系统，其中所述气体再循环系统包括气体再循环设备；其中所述气体再循环系统适于接收来自第二燃料电池堆的燃料或氧化剂排出气体出口的燃料或氧化剂排出气体并且再次引回燃料或氧化剂排出气体进入第一燃料电池堆的燃料或氧化剂气体入口中；其中所述燃料或氧化剂排出气体和燃料或氧化剂气体在被再次引入到第一燃料电池堆中之前在所述气体再循环设备中混合；其中所述排出气体具有比燃料或氧化剂气体更高的水分含量。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：R森纳，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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