專利名稱：氣體回收系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體回收系統。更具體地說，本發明涉及一種用于從燃料電池或其它系統中回收清除或泄露的氫氣或其他氣體的氣體回收系統和方法。
背景技術：
氫燃料電池系統典型地包括含有多個堆積的燃料電池的燃料電池堆。每個燃料電池具有一個夾在陰極和陽極之間的聚合物電解薄膜(PEM)。所述的燃料電池堆包含在燃料電池外殼內。在氫氣燃料電池系統運行期間，由于氮氣的濃度梯度，陰極氧化氣體中的空氣中的一些氮氣從陰極側穿越到每一個燃料電池堆的陽極側。這種氮氣穿越導致燃料電池堆陽極側的氫燃料濃度較低，降低了燃料電池的性能。
為了從燃料電池堆中去除氮氣，需要定期凈化電池堆。然而，當清除燃料電池堆中的氮氣時，一些氫氣隨氮氣一起從電池堆中釋放。另外，當燃料電池堆的陽極受壓時，一些氫氣就通過電池之間的密封條從燃料電池堆中逸出。該氫氣典型地從燃料電池堆外殼排出。因此，燃料氫通過燃料電池運行的幾個不同方面而損失。
因此，需要一種能夠在燃料電池運行期間從燃料電池系統中回收逸失氫氣的系統和方法。
發明內容
本發明總體上涉及一種氣體燃料回收系統。該氣體燃料回收系統包括吸氣系統，其用于接收混合氣體并將混合氣體分離成至少一種感興趣的氣體和其他組成氣體。一個循環回路與吸氣裝置流體連通，并適用于至少接收來自吸氣裝置的感興趣的氣體。
本發明還涉及一種氣態氫回收方法。該氣體回收方法包括提供一個系統，收集來自該系統的混合氣體，將該混合氣體分離成至少一種感興趣的氣體(氫)和其他組成氣體，并將至少一種感興趣的氣體(氫)返回系統。
本發明將通過實例的方式，參照附圖進行說明，其中圖1是根據本發明的氣體回收系統的一實施例的示意圖。
圖2是氣體回收系統中的氫氣吸氣系統的一種可能的實現方式的示意圖。
圖3是利用圖2所示的、根據本發明的一種氣體回收方法的實現方式的執行步驟流程圖。
圖4是氣體回收系統中的氫氣吸氣系統的另一種優選的可能的實現方式示意圖。
圖5是利用圖4所示的、根據本發明的一種氣體回收方法的實施方式的執行步驟流程圖。
具體實施例方式
首先參照附圖中的圖1，附圖標記1總體上表示根據本發明的氣體回收系統的一種實施例。氣體回收系統1適于回收燃料氣體，比如從燃料電池堆2清除或逸失的氫氣，并將燃料氣體返回到燃料電池堆2。然而，所屬領域的技術人員應該意識到，所述的氣體回收系統1同樣適用于回收從任何類型的系統中逸失的氫氣或其它可吸收的感興趣的氣體，并典型地將該氣體返回到系統中。
燃料電池堆2典型地包括多個堆積的燃料電池，其統一用“3”標示。每一個氫燃料電池包括一個夾在或插入陰極催化劑層和陽極催化劑層之間的聚合物電解膜(PEM)。燃料電池堆3通常包含在一個具有外殼內部9的燃料電池堆外殼8內。燃料電池堆3有一個與陰極端口5流體連通的陰極入口4。陰極端口5與氧化劑氣體源44(圖中未表示)流體連通，氧化劑氣體典型地為含有氧氣的空氣。燃料電池堆3的陰極出口6典型地與陰極排氣管道7流體連通，該陰極排氣管道用于散發來自燃料電池堆2的除副產物水之外的廢棄氧化劑氣體或空氣44a。
燃料電池堆3還具有一個與陽極端口11流體連通的陽極入口10。陽極端口11與燃料氣體源48(圖中未表示)流體連通，燃料氣體典型地為氫氣。燃料電池堆2的陽極出口12典型地與陽極出口管道16流體連通，該陽極出口管道用于散發來自燃料電池堆2的未使用的燃料氣體48a。空氣入口管道14可以與外殼8的外殼內部9流體連通，用以將空氣45傳送到外殼內部9。空氣45有利于凈化來自外殼內部9的氣體，隨后將對其進行進一步的說明。氫氣回收系統1包括外殼出口管道22，其與燃料電池外殼8的外殼內部9流體連通。外殼出口管道22用于將混合氣體50從燃料電池3導入所述燃料電池外殼8的外殼內部9，所述混合氣體包含泄漏的燃料氣體(典型地為氫氣)。隨后將進行說明的吸氣裝置25與外殼出口管道22連接。
氫氣循環回路17與從吸氣裝置25延伸出的吸氣器出口管道32流體連通。氫氣循環回路17也可以與燃料電池堆2的陽極出口管道16流體連通。在該情況下，氫氣循環回路17用于接收來自陽極出口管道16的未使用的燃料氣體48a和來自吸氣器出口管道32的回收燃料氣體50a。燃料氣體返回管道18將氫氣循環回路17連接到燃料電池系統2的陽極端口11。燃料氣體返回管道18用于將燃料氣體48b傳送到陽極端口11，燃料氣體典型地包括來自陽極出口管道16的未使用的燃料氣體48a和來自吸氣器出口管道32的回收燃料氣體50a。可以設有連接管閥41的連接管道40可以將陽極出口管道16連接到吸氣裝置25的吸氣室26。
排氣回流管道36典型地自吸氣系統25延伸，并可以將吸氣系統25連接到陰極排氣管道7。排氣回流管道36用于將組成氣體50b傳送到陰極排氣管道7，所述的組成氣體通過吸氣系統25從混合氣體50中的回收燃料氣體50a分離出來。
外殼出口管道22可以設有閥23以調節混合氣體50在外殼出口管道22中的流動。吸氣裝置25與外殼出口管道22流體連通。吸氣裝置25典型地包括一個連接到外殼出口管道22上的吸氣室26。吸氣室26內設有可逆氣體吸氣器28。氣體吸氣器28典型地為可逆氫氣吸氣器，其用于分離出混合氣體50，從殘留組成氣體50b中通過化學捕獲或回收典型地為氫氣的燃料氣體50a，所述殘留組成氣體典型地包括水蒸氣，氮氣和痕量氣體。吸氣器加熱器29與氣體吸氣器28熱接觸以加熱氣體吸氣器28。可以設有吸氣器閥33的吸氣器出口管道32與吸氣器閥28流體連通。吸氣器出口管道32用于傳送來自吸氣器閥28的回收燃料氣體50a。排氣回流管道36上可以設有閥37以調節組成氣體50b在排氣回流管道36中的流動。
燃料電池運行期間，一股燃料氣體、典型地為氫氣通過陽極端口11和陽極入口10分別傳送到燃料電池堆3中。與此同時，一股氧化劑氣體44、典型地含有氧氣的空氣通過陰極端口5和陰極入口4分別傳送到燃料電池堆3中。在燃料電池堆3的陽極，典型地氫氣44被分解為電子和質子。電子經外電路(圖中未表示)，并典型地經電動馬達(圖中未表示)傳送，以驅動馬達。質子穿過PEM到達每個燃料電池的陰極。它們經過外電路和馬達傳送后，電子分布到陰極。在陰極，從外電路返回的電子同來自PEM的質子相結合形成水。燃料電池堆3中與殘留的氧化劑氣體/空氣44a一起的水蒸氣分別通過陰極出口6和陰極排氣管道7進行處理。
一些穿過陽極端口11和陽極入口10流入燃料電池堆3的燃料氣體48未被利用(未被分解成氫氣和質子)。所得未使用的燃料氣體48a通過陽極出口12從燃料電池堆3傳送，并且通過陽極出口管道16從燃料電池系統2傳送到氫氣循環回路17。需要清除時，部分未使用的燃料氣體48a可以通過開啟連接清除閥41，穿過連接管道40，從陽極出口管道16傳送到吸氣系統25。
燃料電池系統運行的整個過程中，典型地來自空氣44的氮氣在燃料電池堆3的陰極側不斷積聚。這些氮氣的一部分穿過電池膜從陰極側擴散到燃料電池堆3的陽極側。混合氣體50，典型地包括氮氣和未使用的燃料氣體，還有水蒸氣和痕量氣體，在燃料電池堆3的陽極出口12處積聚。因此，當氮氣的濃度達到某一極限值時，混合氣體50定期從燃料電池堆3中清除。所以，定期開啟清除閥41以便從燃料電池堆3中清除混合氣體50并使其典型地進入吸氣系統25。因此，清除閥41定期開啟以利于清除來自燃料電池堆3的混合氣體50，并使其典型地進入吸氣系統25。此外，氫氣也典型地通過燃料電池堆3的燃料電池中的密封條(圖中未表示)分散，并在燃料電池堆外殼9內匯集。通過空氣入口管道14將壓縮空氣45引入外殼內部9以避免氫氣的累積是從燃料電池堆中驅除氫氣的常用方式。混合氣體50分別通過外殼出口管道22從燃料電池外殼8的外殼內部9中導出，并導入氫氣回收系統1的吸氣系統25。
當需要增加燃料電池堆3陽極入口10的燃料氣體的供應時，從組成氣體50b中分離或者回收混合氣體50中未使用的燃料氣體作為回收燃料氣體50a，該組成氣體包括氮氣、水蒸氣和痕量氣體，并通過氫氣循環回路17返回到陽極端口11。
在氫氣循環回路17中，回收的燃料氣體50a與來自陽極出口管道16的未使用的燃料氣體48a結合。所得燃料氣體48b通過燃料氣體返回管道18從氫氣循環回路17被傳送到燃料電池系統2的陽極端口11處。
因此，燃料電池系統2在關閉之后啟動時，在陽極入口10處出現足夠量的燃料氣體48以利于燃料電池系統2的最佳啟動和運行。吸氣裝置25和燃料電池系統2的清除機構可通過電子控制模塊與適當的軟件算法相互配合運行。
接下來參照附圖中的圖2，其為第一吸氣系統25。先前通過燃料電池堆3封條泄漏到外殼內部9的空氣和氫氣的混合物50(圖1所示)由管道22，典型地通過閥23輸送到吸氣室26。而且，清除的氣體48a通過管道40a輸送到吸氣系統25的吸氣室26中。吸氣系統25典型地包括吸氣室26，可逆氣體吸氣器28，以及與可逆氣體吸氣器28熱接觸的可逆吸氣器加熱器29。氫氣吸氣系統25從殘留的組成氣體50b中通過化學分離和捕獲氫氣燃料50a分離混合氣體50和48a，該殘留的組成氣體典型地包括水蒸氣、氮氣和痕量氣體。吸氣器加熱器29與氣體吸氣器28熱接觸以加熱氣體吸氣器28。可裝有吸氣器閥33的吸氣器出口管道32與吸氣器閥28流體連通。吸氣器出口管道32用于從吸氣器閥28導出回收燃料氣體50a。排氣回流管道36上設有閥37以調節組成氣體50b在排氣回流管道36內的流動。
在氫氣釋放階段，吸氣系統50的通風閥23和排氣閥37關閉(并且應關閉燃料電池系統的清除閥41)；吸氣器加熱器29加熱氣體吸氣器28。當混合氣體50中的燃料氣體被氣體吸氣器28化學捕獲時，混合氣體50被分離成回收的燃料氣體50a和組成氣體50b。開啟吸氣器閥33以便分別通過吸氣器出口管道32導出來自吸氣室26的回收燃料氣體50a以及進入氫氣循環回路17。
在捕獲氫氣的階段，排氣閥37和通風閥打開，回流閥33關閉，以允許組成氣體50b從吸氣室26發送，經排氣回流管道36并與流經陰極排氣管道7的廢氣44a一起進入陰極排氣管道7。組成氣體50b同廢氣44a一起從陰極排氣管道7中排出。
接下來參照附圖中的圖3，其表示實施根據本發明的圖2所示的氣體回收方法的實施例的步驟的流程圖200。啟動步驟201，在步驟202中開始將空氣傳輸到燃料電池堆3內，接著在步驟203中開啟通風閥23。步驟204中，排氣閥37開啟，在步驟205中通過空氣45經燃料電池通風入口14流動使電池堆開始通風。在步驟206中，將氫氣燃料48導入燃料電池堆2。步驟207中通過開啟清除閥41使電池堆內(并被通過管道11進來的氫氣置換)的空氣流入吸氣系統25，然后經連接管道40a進一步進入吸氣室26。在步驟208中，關閉回流閥33以防止氣體(大部分為空氣)流入氫氣循環回路17。步驟209中燃料電池堆運行穩定后，常規的或傳統的清除措施在步驟210中重現，可以認為燃料電池運行在步驟211中處于正常運行階段。穩定的燃料電池運行可以用很多方式定義(例如單個電池電壓)。
正常運行212期間，在捕獲階段213，通風閥23和排氣閥37在步驟220和221中分別開啟，同時關閉回流閥33。如果確定需要在步驟223中回收氫氣(利用基于時間的方法，在燃料電池系統中根據經驗或通過測量)，那么就開始回收階段214。在該回收階段，在步驟224中通風閥23關閉且停止將空氣45輸送到外殼。從步驟225到228，分別關閉排氣閥37，關閉清除閥41使其喪失清除功能，開啟回流閥33，激活吸氣器加熱器29。當確定在步驟229中所有的氫氣都已回收時(憑經驗，或通過利用時刻表或傳感器輸入等等)，在步驟230中關閉吸氣器加熱器29，清除功能在步驟231中重新開始，通過執行步驟220開始新的捕獲階段。
在停止運行階段232期間，在步驟233中停止供應氫氣燃料。在步驟234-237中分別打開通風閥23，排氣閥37和放氣閥41，目的是將空氣和殘留氫氣流過氣體吸氣器28以使其中的氫氣被吸收。步驟237中，關閉回流閥33以防止任何氣體流入氫氣循環回路17。燃料電池堆中的燃料清除后(典型地通過電池電壓或其它監控方法確定)，在步驟238中停止電池堆3的通風并在步驟239中停止空氣的供應。
接下來參考附圖中的圖4，其為用于實施上述氣體回收系統1的第二或可選吸氣系統25a。先前從燃料電池堆3的封條中泄漏的空氣和氫氣的混合物50和由管道40a運輸的從燃料電池堆3中清除的氣體一同通過管道22運輸。混合物50在管道98中混合。來自管道98的氣體混合物通過進氣閥99輸送，進氣閥的位置決定氣體進入室26a還是26b。閥99，37a和33a的位置決定吸氣系統25a中氣體的準確流動，確保吸氣系統25a的一側處于氫氣吸收階段時，其另一側處于氫氣釋放階段。當閥99，37a和33a處于位置A時，氣體混合物97經過處于99a位置的閥99，通過管道96a到達吸氣室26a。吸氣室26a中的可逆氣體吸氣器28a通過從混合氣體97的殘留組合氣體中化學捕獲氫氣燃料氣體而分離混合氣體97。化學捕獲的氫燃料氣體和組成氣體通到管道95a。處于A位置的閥37a和33a確保組成氣體通到排氣管道36a，進而到達排氣系統7。同時，與氣體吸氣器28b熱接觸的吸氣器加熱器29b加熱氣體吸氣器28b。通過加熱氣體吸氣器28b，先前被吸收的氫氣釋放到吸氣器出口管道95b，該吸氣器出口管道通過閥37a和33a(處于A位置)將釋放的氫氣排到管道32以便通過氫氣循環回路17經陽極電池堆入口10返回到燃料電池堆3。一旦所有捕獲的氫氣被釋放或處于預先設定的方式，閥99，37a和33a恢復到它們的另一位置(B)，并且吸氣室26a和26b作用對調。
接下來參照附圖中的圖5，其為表示實施根據本發明的圖4所示的氣體回收方法的實施例的步驟的流程圖300。啟動步驟301，在步驟302中開始將空氣傳輸到燃料電池堆3內，接著在步驟303中將進氣閥99，排氣閥37a和回流閥33a設置到A位置。在步驟304中，流動空氣經過燃料電池通風入口14使電池堆開始通風。在步驟305中，將氫氣燃料48導入燃料電池堆2中。步驟306中通過開啟清除閥41，電池堆里的空氣(并被通過管道11進來的氫氣置換)流入吸氣系統25a，進而進入吸氣室26a。在步驟307中，啟動吸氣室26b中的加熱器29b，以分別通過管道95和回流閥33a釋放之前的關閉期間所捕獲并進入氫氣循環回路17的氫氣。步驟308中燃料電池堆運行穩定后，常規的或傳統的清除措施重現，即可以認為燃料電池運行處于正常的運行階段。穩定的燃料電池運行可以用很多方式定義(例如利用單個電池電壓)。
正常運行期間，在步驟311中確定是否需要回收氫氣(比如，使用基于時間的方法，靠經驗或通過在燃料電池系統中測量)。如果需要回收氫氣，則在步驟312中確定的進氣閥99，排氣閥37a和回流閥33a的位置。如果上述閥處于位置A，那么進氣閥99，排氣閥37a和回流閥33a在步驟313中設置在位置B處并開啟加熱器29a；隨后，在步驟315中所有氫氣等待回收以便在步驟317中關閉加熱器29a。
如果步驟312中的進氣閥99，排氣閥37a和回流閥33a處于位置B，那么進氣閥99，排氣閥37a和回流閥33a在步驟314中設置在位置A處并開啟加熱器29b；隨后，在步驟316中等待所有氫氣被回收以在步驟318中關閉加熱器29b。步驟311中繼續循環。在停止運行階段320期間，步驟321中停止供應氫氣燃料。在步驟332中進氣閥99，排氣閥37a和回流閥33a設置在位置B，允許所有來自電池堆的氣體和被可逆吸氣器28b吸收的氫氣一起通過外殼26b，目的是在隨后的步驟301啟動后被回收。在步驟323中來自燃料電池堆的燃料清除后(通過電池電壓或氣體監控方法確定)，在步驟324中停止電池堆3的通風并在步驟325中停止空氣的供應。
雖然已對實施本發明的較佳方式進行了說明，然而可以認識并理解可以對本發明做出各種修改，權利要求意圖涵蓋所有這種會落入本發明的精神和范圍內的修改。
權利要求
1.一種氣體回收系統，包含吸氣裝置，其含有吸氣室和用于接收混合氣體并將上述混合氣體分離成至少一種感興趣的氣體和組成氣體的氣體吸氣器；以及循環回路，其與上述吸氣裝置流體連通，并用于接收來自上述吸氣裝置的上述至少一種感興趣的氣體。
2.根據權利要求1所述的氣體回收系統，其特征在于上述吸氣裝置包含吸氣室，置于上述吸氣室內的氣體吸氣器以及與上述氣體吸氣器熱接觸的吸氣器加熱器。
3.根據權利要求2所述的氣體回收系統，其特征在于還包含排氣回流管道，其與上述吸氣室流體連通。
4.根據權利要求3所述的氣體回收系統，其特征在于還包含設置在上述排氣回流管道內的閥。
5.根據權利要求2所述的氣體回收系統，其特征在于還包含吸氣器出口管道，其將上述吸氣器閥連接到上述循環回路。
6.根據權利要求5所述的氣體回收系統，其特征在于還包含設置在上述吸氣器出口管道內的吸氣器閥。
7.根據權利要求2所述的氣體回收系統，其特征在于還包含出口管道，其與上述循環回路流體連通。
8.根據權利要求7所述的氣體回收系統，其特征在于還包含連接管道，其將上述出口管道連接到上述吸氣室。
9.一種氣體回收系統，包含燃料電池系統；吸氣裝置，其與上述燃料電池系統連接，上述吸氣裝置用于接收包括來自上述系統的氫氣的混合氣體，，并從混合氣體中的組成氣體中分離出上述氫氣；以及循環回路，其與上述吸氣裝置及上述燃料電池系統流體連通，用于從上述吸氣裝置中接收上述氫氣，并將上述氫氣返回到上述燃料電池系統。
10.根據權利9所述的氣體回收系統，其特征在于上述燃料電池系統包含具有外殼內部的燃料電池外殼，以及設置在上述外殼內部內的燃料電池堆，其中上述吸氣裝置與上述外殼內部流體連通。
11.根據權利要求10所述的氣體回收系統，其特征在于上述吸氣裝置包含與上述系統連接的吸氣室，設置在上述吸氣室內的氣體吸氣器，以及與上述氣體吸氣器熱接觸的吸氣器加熱器。
12.根據權利要求11所述的氣體回收系統，其特征在于還包含陽極出口管道，其將上述燃料電池堆連接到上述循環回路。
13.根據權利要求12所述的氣體回收系統，其特征在于還包含連接管道，其將上述陽極出口管道連接到上述吸氣室。
14.根據權利要求12所述的氣體回收系統，其特征在于還包含與上述燃料電池堆連接的陰極排氣管道，以及將上述吸氣室連接到上述陰極排氣管道的排氣回流管道，其陰極排氣管道。
15.根據權利要求11所述的氣體回收系統，其特征在于還包含吸氣器出口管道，其將上述吸氣室連接到上述循環回路，以及設置在上述吸氣器出口管道內的吸氣器閥。
16.一種氣體回收方法，包含提供系統；從上述系統中收集混合氣體；將上述混合氣體分離成至少一種感興趣的氣體和組成氣體；以及將上述至少一種感興趣的氣體返回到上述系統。
17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于上述系統包含燃料電池系統以及上述至少一種感興趣的氣體包含燃料氣體。
18.根據權利要求17所述的方法，其特征在于還包含從上述燃料電池系統中收集未使用的燃料氣體，并將上述未使用的燃料氣體返回上述燃料電池系統中。
19.根據權利要求17所述的方法，其特征在于還包括棄除上述組成氣體。
20.根據權利要求19所述的方法，其特征在于還包含與上述燃料電池系統連接的陰極排氣管道，其中上述棄除上述組成氣體包含通過上述陰極排氣管道排除上述組成氣體。
21.一種氣體回收系統，包含第一管道和第二管道；第一閥，其與上述第一管道和上述第二管道連通；第一吸氣裝置，其具有第一室和與上述第一閥連通的第一氣體吸氣器；第二吸氣裝置，其具有第二室和與上述第一閥連通的第二氣體吸氣器；第二閥，其與上述第一吸氣裝置和上述第二吸氣裝置連通；以及與上述第二閥連通的出口管道，。
22.根據權利要求21所述的氣體回收系統，其特征在于還包含與上述第一吸氣裝置和上述第二吸氣裝置連通的第三閥以及與上述第三閥連通的氫氣循環回路。
全文摘要
本發明公開了一種氣體回收系統。該氣體回收系統包括吸氣裝置，其用于接收混合氣體并將所述混合氣體分離成至少一種感興趣的氣體和組成氣體。與吸氣裝置流體連通的循環回路，其用于接收來自吸氣裝置的至少一種感興趣的氣體。本發明還公開了一種氣體回收方法。
文檔編號H01M8/04GK101071879SQ20071010204
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月10日 優先權日2006年5月11日
發明者米洛斯·米拉希科, 威廉·項克, 庫爾特·奧斯本 申請人:福特汽車公司