专利名称：燃料电池系统中气和水的处理系统和方法
技术领域：
本发明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，本发明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。
背景技术：
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。
发明简介根据本发明的一个方面，本发明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。
根据本发明的另一个方面，本发明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。
更优选地，该方法还包括从第二反应物出口收集第二反应物排放物流的至少一部分；并将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。
本发明与现有技术相比有很多优点。本发明中唯一的电池内载流体(onboard fluid)是冷却剂。所有用来为燃料和氧化剂加湿的水都是由燃料电池12自身产生的。这减少了系统中组件的重量和数量，使整个系统紧凑而高效。本系统具有对电力需求快速响应的能力。所有这些特征都是交通工具应用中特别需要的。
为了更好地理解本发明，并且更清楚地说明如何实施本发明，将通过实例的方式引用附图，
了本发明的一个优选的实施方案，其中
图1示出了根据本发明的燃料电池气和水处理系统第一实施方案的流程图；图2示出了根据本发明的燃料电池气和水处理系统第一实施方案的一个变换方案，其中只示出了一个冷却循环；图3示出了根据本发明的燃料电池气和水处理系统的第二个实施方案的部分流程图，该实施方案在高压下运行；图4示出了根据本发明的燃料电池气和水处理系统的一部分流程图，其中示出多个正向压力调节器(forward pressureregulators)；图5a和5b示出了根据本发明的燃料电池气和水处理系统的部分流程图，其中示出两个再生干燥器之间的连接；图6示出了根据本发明的燃料电池气和水处理系统的部分流程图，其中示出一种压力平衡机制。
具体实施例方式
首先参见图1，该图为本发明的燃料电池气体处理系统10的第一实施方案的流程图。燃料电池气体处理系统10包括一个燃料供应管线20、一个氧化剂供应管线30、一个阴极排放物再循环管线40和一个阳极排放物再循环管线60，所有管线都与燃料电池12连接。应理解的是，燃料电池12可以包含多个或单个燃料电池。为简单起见，这里描述的燃料电池12采用氢气作为燃料，空气作为氧化剂，并且可以是一个质子交换膜(PEM)燃料电池。但是本发明并不局限于这种类型的燃料电池，还可以应用于其它类型的燃料电池。
燃料供应管线20与燃料源21连接，用来向燃料电池12的阳极提供氢气。氢气加湿器90设置在燃料供应管线20上，位处燃料电池12的上游；阳极水分离器95设置在氢气加湿器90和燃料电池12之间。氧化剂供应管线30与氧化剂源31(例如环境空气)连接，用来向燃料电池12的阴极提供空气。再生干燥器80设置在氧化剂供应管线30上，位处燃料电池12的上游，同时也处在阴极再循环管线40上。阴极水分离器85设置在再生干燥器80和燃料电池12之间。再生干燥器80可以包括带有干燥剂的多孔材料，并可以是适用于燃料电池系统的任何市售干燥器，例如在受让人的共同未决的申请U.S.Patent Application No.10/223,706中所描述的，在此将其通过引用的方式纳入本说明书中。再生干燥器80是为氧化剂进料流30和氧化剂流，其通过阴极再循环管线40再循环，这两股同时存在但流向相反的流体而设置，每股流体分别流过干燥器80的一个独立部分。另外，再生干燥器80设有一种开关装置，以使来自氧化剂供应管线30和氧化剂再循环管线40的气流交替地从再生干燥器的不同部分通过，以此来交换热量和水分。干燥的环境空气进入氧化剂供应管线30并首先通过空气过滤器32以滤掉杂质颗粒。鼓风机35设置在再生干燥器80的上游，从空气过滤器32中抽取空气并推动其通过再生干燥器80。
燃料电池阴极排放物流含有过量的空气、生成的水和从阳极一侧迁移过来的水，其中的空气由于其中的至少一部分氧气在燃料电池12中被消耗而富含氮气。阴极排放物流通过与燃料电池12的阴极出口相连的阴极排放物再循环管线40进行再循环。潮湿的阴极排放物流首先通过氢气加湿器90，在其中热量和水分被传递给燃料供应管线20中的干燥进料氢气。氢气加湿器90可以是任何适合的加湿器，例如可由Perma Pure Inc，Toms River，NJ购得的加湿器。它也可以是膜加湿器或其它类型的加湿器，无论其饱和效率高或低。实际上，氢气加湿器90也可以是一个再生干燥器，但是，考虑到阳极物流和阴极物流中的气体的不同，不能采用允许两种物流之间发生显著物质交换的再生干燥器或其它设备。
如上所述，燃料电池阴极排放物流从氢气加湿器90沿着再循环管线40继续流动并通过再生干燥器80。当潮湿的阴极排放物通过再生干燥器80时，其中的热量和水分被留存在再生干燥器80的多孔纸或纤维材料中，当再生干燥器80的开关装置将再生干燥器80的连接状态从阴极排放物流调整为空气进料流时，这些被保留的热量和水分被传递给经氧化剂供应管线30流过再生干燥器80的干燥空气进料流。然后阴极排放物流沿着再循环管线40继续流动到排放物流水分离器100，在其中，排放物流中没有被传递给进料氢气和空气流的过量水分再次以液态形式被从排放物流中分离出来。然后排放物流通过排放管线50排放到环境中。
在再循环管线40上临近燃料电池阴极出口的地方，可以选择性地设置一个阴极出口排水管线42，用来将任何残留或冷凝出的液态水排出。可以将阴极出口排水管线42设计为合适的尺寸，以使该排水管线中的气泡可以保持住阴极出口排水管线中的水分，并基本定期将水自动排出，从而避免采用在从气流中排水时通常使用的排水阀。在系统中任何需要将液态水从气流中排出的地方都可以使用这种排水管线。压力通常随着气体流速和常规生成的或冷凝的水的增加而增加，低流速的气体不会对例如阴极排放物水分离器和阴极出口排水管线42等造成损害。
来自氢气加湿器90中加湿后的氢气沿着燃料供应管线20流到阳极水分离器95，在其中过量的水在氢气进入燃料电池12之前被分离出来。同样地，来自再生干燥器80的加湿后的空气沿着氧化剂供应管线30流到阴极水分离器85，在其中过量的液态水在空气进入燃料电池12之前被分离出来。
在再循环泵64的作用下，含有过量氢气和水的燃料电池阳极排放物沿着与燃料电池12阳极出口相连的阳极再循环管线60进行再循环。阳极再循环管线60在位于阳极水分离器95上游的第一节点62处与燃料供应管线20相连接。过量氢气和水汽一起再循环不但可以最大程度地利用氢气，并防止液态水阻塞向反应位点供应氢气反应物，而且由于再循环的氢气中的水汽将来自氢气加湿器90的进料氢气加湿而实现了燃料物流的自加湿。这种设计是非常需要的，因为这种安排使得在本系统中使用的氢气加湿器90不需要具有很高的效率，从而使得氢气加湿器90的选择可以有很大的灵活性。通过选择适当的氢气再循环流速，可以将氢气加湿器90所需要的效率最小化。例如，假设燃料电池12需要一个单位的氢气，可以从氢气源提供三个单位的氢气，其中过量的两个单位的氢气与水汽一起再循环。可以通过改变再循环泵64的速度来调整再循环氢气在第一节点62下游的氢气混合物中所占的比例。选择化学计量关系和再循环泵64的速度可以最终导致省略氢气加湿器90。
在实践中，由于使用空气作为氧化剂，已经发现可能发生氮气从燃料电池阴极一侧进入阳极一侧的情况，例如穿过PEM燃料电池的交换膜。因此，阳极排放物实际上包含一些氮气和其它可能的杂质。阳极排放物的再循环可能导致氮气的累积并使燃料电池中毒。优选地，一个氢气清洗(purge)管线70在临近燃料电池阴极出口的分支点74处从燃料再循环管线60上分出。清洗控制装置72设置在氢气清洗管线70上，用于清洗来自再循环管线60的阳极排放物的一部分。清洗操作的频率和流速依赖于燃料电池12运行的功率。当燃料电池12高功率运行时，需要清洗更高比例的阳极排放物。清洗控制装置72可以是螺线管阀或其它合适的设备。
氢气清洗管线70从分支点74延伸到第二节点92，并在这里与阴极排放物再循环管线40结合。然后，被清洗的氢气与来自再生干燥器80的阴极排放物的混合物通过排放物水分离器100。在水分离器100中，水被冷凝出来，剩余的气体混合物通过排出管线50排放到环境中。或者，将阴极排放物再循环管线40或清洗管线70直接连接到水分离器100上。本领域普通技术人员知道，被清洗的氢气，或来自再生干燥器80的阴极排放物也可以不冷凝其中的水而分别排出。
优选地，对于由阳极水分离器95、阴极水分离器85和排放物水分离器100中分离出来的水不予排放，而是分别沿着阳极入口排水管线96、阴极入口排水管线84和排出物排水管线94回收进入一个生成水容器97，用于各种不同的工艺步骤。为此，容器97包括用于与其他工艺步骤连接的管线98，和排水管99。
如本领域普通技术人员所知，第一冷却循环回路14穿过燃料电池12。第一冷却剂泵13设置在第一冷却循环回路14中，用来使冷却剂进行循环。冷却剂可以是通常用于本领域的任何冷却剂，例如任何不导电水、乙二醇等。可以以已知的方式使用一个第一膨胀容器11。在第一冷却循环回路14中设置一个第一热交换器15，用来冷却流过燃料电池12的冷却剂，以保持冷却剂在合适的温度范围内。
图1示出一种变换方案，其中的第二冷却循环回路16包含一个第二冷却剂泵17，以使第二冷却剂进行循环。设置一个第二热交换器18(例如散热器)来保持第二冷却循环回路中冷却剂的温度，如果需要，再设置一个第二容器19。第二冷却循环回路16中可以使用任何类型的冷却剂，因为第一和第二冷却循环回路14和16不发生混合。
然而，应该理解的是，独立的第二冷却循环回路并不是必需的。相反，如图2所示，在第一冷却循环回路14中设置一个散热器来保持第一冷却循环回路14中冷却剂的温度。在这种情况下，第二冷却循环回路16可以被省略。应该理解，可能如某些应用中所需，图1中的热交换器15也可以是一个孤立的铜板式(brazed)热交换器，设置在一个“开放式(open)”的冷却循环回路中。也就是说，第二冷却循环回路16可以是一个开放式冷却循环回路，其中的冷却剂从一个冷却剂库，例如大气、海洋等中得到并返回到该冷却剂库中去。
当水被用作以上任一种变换方案的冷却剂时，由于来自分离器95、85、100的水是燃料电池的生成水，因此纯净且不导电，可以将其收集并导入膨胀容器11、19或冷却剂库中，作为燃料电池运行时的冷却剂。
优选地，一个流速调节装置22设置在燃料供应线20上，并处于氢气加湿器90的上游。该流速调节装置或阀22使从氢气源21流向燃料电池12的氢气的流速可以对燃料供应管线20中的压降作出响应。该流速调节装置22可以是一个具有设定点的正向压力调节器，该调节器在因氢气在燃料电池12中的消耗而使燃料供应管线20中的压力低于设定点时，向燃料电池12中提供氢气。这种正向压力调节器避免需要昂贵的质量流量控制器，并提供了更快速的响应和更精确的流速控制。参见图4，为了提供更大的控制灵活性，流速调节装置22可以包括多个并联连接的预设正向压力调节器，其中，每个正向压力调节器都有一个不同的设定点。例如，第一正向压力调节器22a可以将设定点设为10Psig，第二正向压力调节器22b可以设定为20Psig，第三正向压力调节器22c可以设定为30Psig，等等。这使得可以以不同的压力和在各个压力下以不同的速度向燃料电池12提供燃料，而不需要中断燃料电池的运行并改变正向压力调节器的设定值。
应该理解的是，在本实施方案中，虽然阴极排放物首先用来为进料氢气加湿，然后为进料空气加湿，但是这种顺序并不是必需的。相反，阴极排放物可以首先用来为进料空气加湿，然后为进料氢气加湿。另一种选择如图5a所示，氢气加湿器90和再生干燥器80在阴极排放物再循环管线60中可以并联而不是串联连接，以便同时为氢气和空气加湿。再一种选择是，如图5b所示，根据燃料电池12的操作条件，当采用串联加湿时，还可以选择再提供一个旁路管线82绕过氢气加湿器90，使得阴极排放物流的一部分不通过氢气加湿器而流向再生干燥器80。
但是，在实践中优选首先为氢气物流加湿，因为期望阳极露点温度高于阴极露点温度，这是由于在燃料电池12中的水会自然地从阳极向阴极传递。在燃料电池12中，期望的氢气的相对湿度也往往高于空气的相对湿度，以使燃料电池12中不会有过多的水。因此，优选使阴极排放物流首先与氢气进料流交换热量和水分。
可以以已知的方式设置各种传感器，用来测量向燃料电池12提供的燃料物流、氧化剂物流和冷却剂物流的参数。本发明的另一个方面依赖于测量反应物的温度并根据已知的温度-湿度特性曲线确定湿度，即，不直接测量湿度。
可以领会到，在本发明中，在工艺气体进入燃料电池12之前，不必先将工艺气体加湿到过饱和，再将水冷凝出得到100％的相对湿度，然后使它处于某一温度以得到所需的相对湿度，而在申请人共同未决的申请U.S.Patent Application No.09/801,916中却是这样做的。本系统可以应用在其中的燃料物流和氧化剂物流具有或不具有100％相对湿度的燃料电池系统中。当燃料电池12不能在燃料和氧化剂具有100％相对湿度的条件下运行时，可以设置一个阳极露点热交换器和一个阴极露点热交换器控制燃料和氧化剂的湿度。然而，这完全取决于燃料电池12的特性，例如质子交换膜的运行条件。
还应该理解的是，这个本发明燃料电池系统的第一个实施方案在环境压力或者接近环境压力的条件下运行。现在参见图3，它表示出了本发明的燃料电池系统第二个实施方案所采用的冷却循环回路，该回路在高压下，即，高于大气压的条件下运行。
在第二个实施方案中，相似的组件用相同的数字来表示，为简短起见，不再重复描述这些组件。
在第二个实施方案中，在氧化剂供应管线30上且位于再生干燥器80上游的地方设置一个高压压缩机105，用来压缩来自空气过滤器32的进料空气。在压缩机105和再生干燥器80之间设置一个二次冷却热交换器110，用来冷却温度升高的压缩空气。因此，除了用于燃料电池12的第一冷却循环回路14之外，还设置一个第三冷却循环回路114，它包括以水-水热交换器形式的二次热交换器110。第三冷却循环回路114还可以通过压缩机发动机106、压缩机发动机控制器107和用于压缩机105的电源开关板108，以冷却这些组件。第一和第三冷却循环回路14和114中的冷却剂都是由第一冷却剂泵13驱动的。和第二冷却循环回路中的散热器18一样，在第三冷却循环回路114中设置一个带电风扇的散热器116；热交换器15的其它选择同样也适用于散热器116。
无论燃料电池系统运行的压力如何，通常优选在供给燃料电池12的燃料物流和氧化剂物流之间建立压力平衡。这保证了在燃料电池12内不会存在显著的压力梯度，并因而防止了由于压力梯度而引起的燃料电池的损坏，以及防止反应物和冷却剂朝不希望的方向上流动。而且，这也保证了提供给燃料电池12用于反应的燃料和氧化剂的适当的化学计量关系。
在本发明中，如图6所示，这一点是通过在燃料供应管线10和氧化剂供应管线30之间提供一个平衡压力调节器22’和一个压力平衡管线25来实现的。压力平衡管线25通过流体连通的方式与设置在燃料供应管线20上且位于氢气加湿器90上游的平衡压力调节器22’，以及氧化剂供应管线30上位于再生干燥器80上游的第三节点102相连接。平衡压力调节器22’同样可以是正向压力调节器。然而，它必须适于与两种流体一起工作并能够平衡两股流体之间的压力。在申请人共同未决的申请U.S.Patent Application No.09/961,092中公开了这种平衡压力调节器22’的一个实例，该专利申请通过引用的方式纳入本说明书。通常，这种平衡压力调节器22’根据压力平衡管线25引入的空气物流的压力来调节氢气的流动，直到将氢气物流的压力调节到与空气物流的压力相等时获得机械平衡。
可以领会到，压力平衡器可以设置在氧化剂供应管线30上，从而可以根据氢气物流压力来调节空气物流的压力。然而，在实践中便利的方式是通过选择鼓风机或压缩机合适的速度或容量来设定空气物流的压力，并据此改变氢气物流的压力。因此，优选使氢气物流的压力随空气物流的压力的变化而变化。在一些系统中，两个反应物进料流之间的压力平衡是通过手动或控制器设置的。然而，本发明的设计自动地保证了压力的平衡。
本发明与现有技术相比具有很多优点。所有用来给燃料和氧化剂加湿的水都是燃料电池12自身产生的。这减少了系统中组件的重量和数量，使整个系统紧凑而高效。本系统能够对电力需求做出快速响应。所有这些特征都是在交通工具应用中特别需要的。
虽然以上说明构成了优选的实施方案，但是应该认识到，在不偏离所附权利要求的适当范围的合理内涵的条件下，可以对本发明进行调整或改变。例如，本发明可以应用在不同类型的燃料电池中，包括但不限于，固体氧化物、碱性、熔融碳酸盐(molton-carbonate)和磷酸燃料电池。特别是，本发明可以应用于在相当高温度下运行的燃料电池。如本领域普通技术人员可领会的，加湿的需求很大程度上取决于使用的电解质以及燃料电池的运行温度和压力。因此，可以理解的是，本发明也许不是对很多种类型的燃料电池都适用。
权利要求
1.一种燃料电池系统，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料电池，然后返回该冷却剂容器。
22.按照权利要求21的燃料电池系统，还包括一个第二冷却回路，和设置于第一和第二冷却回路之间的一个第一热交换器，该热交换器以非混合的方式实现第一和第二冷却回路中冷却剂之间的热交换。
23.按照权利要求22的燃料电池系统，其中第二冷却回路是一个开放式循环系统，该循环系统中的冷却剂来自并返回一个冷却剂库。
24.按照权利要求21或22的燃料电池系统，其中从第一反应物水分离器、第二反应物水分离器和排放物水分离器中分离出的水被导引至冷却剂容器。
25.按照权利要求21的燃料电池系统，其中第一反应物供应子系统在位于第一再生干燥器设备上游的地方还装有一个压缩装置，用来压缩第一反应物并提供给燃料电池的第一反应物入口和二次冷却热交换器；且其中该燃料电池系统还包括一个第三冷却回路，该回路贯穿压缩装置和二次冷却热交换器，以冷却压缩装置和压缩后的第一反应物流。
26.按照权利要求3、8、13、16、19或21的燃料电池系统，其中第二反应物再循环系统包括一个有可变速度的再循环泵，用于使第二反应物排放物流的至少一部分以不同的流速从第二反应物出口到第二反应物供应子系统进行再循环。
27.按照权利要求3的燃料电池系统，还包括一个压力平衡装置，该装置适于平衡第一反应物供应子系统中的第一反应物进料流的压力和第二反应物供应系统中的第二反应物进料流的压力。
28.按照权利要求27的燃料电池系统，其中压力平衡装置包括一个平衡压力调节器和一个压力平衡管线，平衡压力调节器设置于第一反应物及第二反应物供应子系统之一中，且位于相应的再生干燥器设备的上游；压力平衡管线通过流体连通的方式连在所述平衡压力调节器和第一反应物及第二反应物供应子系统中的另一个之间，连接处位于相应的再生干燥器的上游，所述平衡压力调节器根据第一反应物及第二反应物中一个反应物进料流的压力来调节另一个反应物进料流的压力并使两者相等。
29.按照权利要求28的燃料电池系统，其中平衡压力调节器设于第二反应物供应子系统中，压力平衡管线通过流体连通的方式连接平衡压力调节器和第一反应物供应子系统。
30.一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，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进料流，将第一反应物排放物流中的热量和水分的另一部分传递给第二反应物进料流。
31.按照权利要求30的方法，还包括(e)从第二反应物出口收集第二反应物排放物流的至少一部分；(f)将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；
32.按照权利要求31的方法，其中步骤(d)包括首先将所述的第一反应物排放物流的一部分热量和水分传递给第二反应物进料流，然后将所述的第一反应物排放物流的另一部分热量和水分传递给第一反应物进料流
33.按照权利要求31的方法，其中步骤(d)包括基本上同时将所述的第一反应物排放物流的热量和水分的一部分和另一部分传递给第二反应物进料流和第一反应物进料流。
34.按照权利要求31的方法，其中步骤(b)包括根据燃料电池的需要调节第二反应物进料流的流速，以动态供应第二反应物进料流。
35.按照权利要求34的方法，其中步骤(f)还包括从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中分离水。
36.按照权利要求35的方法，其中步骤(d)还包括从第一反应物进料流中分离水。
37.按照权利要求36的方法，其中步骤(e)还包括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。
38.按照权利要求37的方法，还包括(g)在所述的第一反应物排放物流的一部分与另一部分将其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后，将第一反应物排放物流与清洗后的第二反应物排放物流混合；(h)将混合物排出。
39.按照权利要求38的方法，其中步骤(g)还包括从混合物中分离水。
40.按照权利要求39的方法，还包括用流过一个冷却回路的冷却剂来冷却燃料电池组。
41.按照权利要求40的方法，其中步骤(a)包括压缩第一反应物进料流。
42.按照权利要求41的方法，其中步骤(a)还包括冷却压缩后的第一反应物进料流。
43.按照权利要求31、34、37、38或40的方法，其中步骤(e)包括使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以可变的流速进行再循环。
44.按照权利要求31的方法，其中步骤(a)和(b)包括平衡第一和第二反应物进料流的压力。
45.按照权利要求44的方法，其中步骤(a)和(b)包括根据第一反应物进料流的压力来调节第二反应物进料流的压力。
全文摘要
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。本发明还公开了一种控制燃料电池系统中反应物和水的方法。
文档编号H01M8/00GK1685549SQ03822684
公开日2005年10月19日 申请日期2003年6月18日 优先权日2002年9月23日
发明者J·卡格内里, T·A·辛普森, R·C·德尔科尔, S·伯兰尼, 叶建明, R·巴扎雷拉 申请人:洁能氏公司