專利名稱：在第一階段具有氣體流動再循環的級聯堆的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及燃料電池系統，特別是涉及新型并且經過改進的用于燃料電池系 統的氣體流動再循環系統。
背景技術：
已經在多種應用中使用燃料電池作為電源。例如，已經提出在電動車輛中使用燃 料電池作為動力設備以代替內燃機。在PEM型燃料電池中，氫氣被供給至燃料電池的陽極 并且作為氧化劑的氧氣被供給至陰極。PEM燃料電池包括膜電極組件(MEA)，MEA中含有薄 的、質子傳輸的、不導電的固體聚合物電解質膜，在電解質膜的一面上具有陽極催化劑并且 在相對的面上具有陰極催化劑。MEA被夾在一對導電元件之間，有時被叫作氣體擴散介質 部件，其(1)作為陽極和陰極的集流器；(2)包含用于在各個陽極和陰極催化劑的表面上 分配燃料電池氣體反應物的適當的開口 ；(3)從電極將產物水蒸氣或液體水移除到流場通 道；(4)為了進行散熱因而是導熱的；和(5)具有一定機械強度。根據上下文，術語燃料電 池通常用以表示單個電池或多個電池(例如，堆)。多個單電池通常連在一起形成燃料電池 堆并通常是串聯設置。堆中的每個電池包括前述的MEA，并且每個MEA提供其電壓增量。在PEM燃料電池中，氫氣(H2)是陽極反應物(即燃料)，氧氣是陰極反應物(即氧 化劑)。氧氣可以是純氧(O2)或空氣(02和隊的混合物)。固體聚合物電解質典型地由例 如全氟磺酸等離子交換樹脂形成。陽極/陰極典型地包括細碎的催化劑顆粒，所述催化劑 顆粒通常擔載在碳顆粒上并且與質子傳導樹脂混合在一起。催化劑顆粒典型地是貴金屬顆 粒。為了有效率地工作，這些膜電極組件在制造上成本相對較高并且需要一定的條件，包括 合適的水管理和潤濕，以及對例如一氧化碳(CO)等催化劑污染組分的控制。參照共同轉讓的Witherspoon等的美國專利號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 等的美國專利申請公開號 2004/0229087 ； 0' Hara 的 2005/0026012 Hara 等的 2005/0026018 Hara 等的 2005/0026523 可以 發現與PEM和其它有關類型的燃料電池系統相關的技術實例，在此合并所述專利文獻的全 部內容作為參考。為了達到高性能和耐久性，PEM燃料電池的隔膜應當保持處于濕潤狀態。因此，如 果在高溫下進行工作，燃料電池系統通常需要為供應氣體、空氣和/或氫氣加濕的裝置。圖 中已示出供給至燃料電池堆陽極的燃料氣體需要加濕，從而防止燃料電池堆在燃料入口處 變干。沿著燃料電池堆的內部通道，具有在電解質隔膜中產生濕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區域引起熱點，并且在其它區域引起過度的水積聚，其在性能和耐久性上具有負面效應。此外，因為加濕設備很重且昂貴，并且有時候，由 于其內含有的水會在低環境溫下結冰，所以尤其對于燃料電池堆的自動運轉而言，加濕設 備具有許多缺點。以前解決加濕問題的方法包括膜加濕器和注入水的方法，還有加濕氣體再循環， 在Strasser的美國專利5，478，662和Chow等的5，935，726中包含這些描述，在此合并所 述專利文獻的全部內容作為參考。再循環方法具有這樣的優勢，利用燃料電池中產生的水加濕位于燃料電池出口處 的氣體，并且能夠將加濕的氣體供應回燃料電池入口以在不包含液態水的條件下來提供濕 度。其缺點在于需要再循環泵、泵的功率消耗和堆中沿通道的濕度梯度。同時，已提出在燃料電池的陰極氣體入口和出口之間切換氧化供應氣體。這個系 統提供的優勢在于因為在通道中的一個和另一個方向交替干燥供應氣體從而使燃料電池 獲得更均勻的濕度。然而，建議該供給氣體是氧化劑并且是干燥的，其可在兩個氣體入口處 導致性能劣化。因此，需要在燃料電池內提供改善濕潤分布的新型并且經過改進的氣體流動再循 環系統。
發明內容
根據本發明的一個實施例，提供一種燃料電池系統，包括(1)具有可適于接收一 定量燃料或氧化劑氣體的燃料或氧化劑氣體入口的第一燃料電池堆；(2)具有適于排出一 定量排出氣體的排出氣體出口的第二燃料電池堆，其中第一和第二燃料電池堆是流體連通 的；和(3)與第一和第二燃料電池堆流體連通的氣體再循環系統，其中所述氣體再循環系 統可適于接收來自排出氣體出口的排出氣體并且再次引回排出氣體進入第一燃料電池堆 中，其中所述排出氣體具有比燃料或氧化劑氣體更高的水分含量。根據本發明的第一可選實施例，提供一種燃料電池系統，包括(1)具有可適于接 收一定量燃料或氧化劑氣體的燃料或氧化劑氣體入口和適于排出一定量排出氣體的排出 氣體出口的第一燃料電池堆；(2)與第一燃料電池堆流體連通的氣體再循環系統，其中氣 體再循環系統適于接收來自排出氣體出口的排出氣體并且再次引回排出氣體進入第一燃 料電池堆中，其中所述排出氣體具有比燃料或氧化劑氣體更高的水分含量。根據本發明的第二可選實施例，提供了一種使燃料電池系統工作的方法，包括 (1)提供具有可適于接收一定量燃料或氧化劑氣體的燃料或氧化劑氣體入口的第一燃料電 池堆；(2)提供具有適于排出一定量排出氣體的排出氣體出口的第二燃料電池堆，其中第 一與第二燃料電池堆是流體連通的；以及(3)提供一種與第一和第二燃料電池堆流體連通 的氣體再循環系統，其中所述氣體再循環系統可適于接收來自排出氣體出口的排出氣體并 且再次引回排出氣體進入第一燃料電池堆中，其中所述排出氣體具有比燃料或氧化劑氣體 更高的水分含量。根據本發明的第三可選實施例，提供了一種使燃料電池系統工作的方法，包括 (1)提供具有可適于接收一定量燃料或氧化劑氣體的燃料或氧化劑氣體入口和適于排出一 定量排出氣體的排出氣體出口的第一燃料電池堆；以及(2)提供一種與第一燃料電池堆流 體連通的氣體再循環系統，其中氣體再循環系統適于接收來自排出氣體出口的排出氣體并且再次引回排出氣體進入第一燃料電池堆中，其中所述排出氣體具有比燃料或氧化劑氣體 更高的水分含量。在下文的詳細描述中，本發明的其它適用領域變得更加明顯。應理解，在說明本發 明優選實施例的同時，詳細說明和具體實例僅旨在示例性目的，而不是旨在限制本發明的 范圍。
通過以下詳細描述和附圖，可以更全面地理解本發明，其中圖1是根據本發明的一般教導的具有可操作相關于陽極側的加濕/氣體再循環系 統的三堆疊燃料電池系統的示意圖；圖2是根據本發明的一般教導的具有可操作相關于陽極側的加濕/氣體再循環系 統的兩堆疊燃料電池系統的示意圖；圖3是是根據本發明的一般教導的具有可操作相關于陰極側的加濕/氣體再循環 系統的三堆疊燃料電池系統的示意圖；圖4是根據本發明的一般教導的具有可操作相關于陰極側的加濕/氣體再循環系 統的兩堆疊燃料電池系統的示意圖。
具體實施例方式以下對優選實施例的描述本質上僅是示例性的，而不是旨在限制本發明、其應用 或使用。在此所使用的術語“流體”，其意思是任何氣態和/或液態材料，例如但不限于液 體水、水蒸氣及其組合物。參照圖1，圖中示出了根據本發明的一個實施例的具有可操作相關于堆的陽極流 動14側的加濕/氣體再循環系統12的三堆疊燃料電池系統10的示意圖。燃料電池系統10包括三個各自的燃料電池堆16、18、20，其彼此之間流體連通，或 至少與相鄰的燃料電池堆流體連通。燃料電池堆16、18、20分別包含多個單獨的燃料電池 元件22。在燃料電池堆16、18、20之中燃料電池元件22的數目可分別進行變化。提供導管 16a和18a以在燃料電池堆16/燃料電池堆18與燃料電池堆18/燃料電池堆20之間分別 提供流體連通。燃料電池堆16設有適于接收一定量燃料氣體的燃料氣體入口 24(例如堆陽極入 口)，并且燃料電池堆20設有適于排出一定量排出氣體的排氣出口 26 (例如堆陽極出口)。 燃料氣體入口 24與流量控制閥28流體連通，所述流量控制閥與加濕/氣體再循環系統12 流體連通。加濕/氣體再循環系統12可包含加濕/氣體再循環設備30。加濕/氣體再循 環設備30可以包含泵、噴射器、注射器(例如，文氏注射器)及其組合。加濕/氣體再循環設備30例如通過導管32a與燃料氣體貯存/供應源32流體連 通。通過非限制性實例，燃料氣體中可包含氫。排氣出口 26例如通過導管34a與壓力控制 閥34流體連通。加濕/氣體再循環系統12，尤其是加濕/氣體再循環設備30例如通過導 管30a可與排氣出口 26和/或導管34a流體連通。由于排出燃料電池系統10的排出氣體在水分含量方面通常比進入燃料電池系統10的燃料氣體高，因此本發明使用加濕/氣體再循環系統12，尤其使用加濕/氣體再循環 設備30，以提供一種在其排出第三燃料電池堆20后將相對潮濕和/或加濕的排出氣體(例 如，來自導管30a)再次引回到第一燃料電池堆16中的方法。然而，應理解，排出氣體可以 在其已排出各自第一和/或第二燃料電池堆16，18后再循環。由于排出氣體以比進入的燃料氣體更低的壓力離開第一燃料電池堆16 (以及隨 后的燃料電池堆)，因此加濕/氣體再循環系統12，尤其是加濕/氣體再循環設備30使用 用來混合兩種氣體流(即排出氣體和燃料氣體)的設備。如先前描述的，該設備可以是泵、 噴射器、注射器及其組合，其適于增加再循環排出氣體的壓力到所需值。按照這種方式，相 對干躁的引入的燃料氣體可以與分別來自第一、第二和/或第三燃料電池堆16、18、20的相 對潮濕和/或加濕的排出氣體的至少一部分相混合。一旦混合，氣體混合物(例如，相對潮 濕和/或加濕的排出氣體和相對干燥的燃料氣體)可以被引回燃料電池系統10，尤其引回 到第一燃料電池堆16中。參照圖2，圖中示出了根據本發明的第一可選實施例的具有可操作相關于堆陽極 流動114側的加濕/氣體再循環系統112的兩堆疊燃料電池系統110的示意圖。燃料電池系統110包括兩個各自的燃料電池堆116、118，彼此之間流體連通。燃 料電池堆116、118分別包括多個獨立的燃料電池元件122。在燃料電池堆116、118之中燃 料電池元件122的數目可以獨立改變。提供導管116a以在燃料電池堆116與燃料電池堆 118之間提供流體連通。燃料電池堆116設有適于接收一定量燃料氣體的燃料氣體入口 124(例如，堆陽極 入口)，并且燃料電池堆118設有適于排出一定量排出氣體的排氣出口 126(例如，堆陽極出 口)。燃料氣體入口 124與流量控制閥128流體連通，該流量控制閥與加濕/氣體再循環系 統112流體連通。加濕/氣體再循環系統112可包含加濕/氣體再循環設備130。加濕/ 氣體再循環設備130可以包含泵、噴射器、注射器(例如，文氏注射器)及其組合。加濕/氣體再循環設備130例如通過導管132a與燃料氣體貯存/供應源132流 體連通。通過非限制性實例，燃料氣體可包含氫。排氣出口 126例如通過導管134a與壓力 控制閥134流體連通。加濕/氣體再循環系統112，尤其是加濕/氣體再循環設備130例如 通過導管130a可與排氣出口 126和/或導管134a流體連通。與前述實施例一樣，由于排出燃料電池系統110的排出氣體在水分含量方面通常 比進入燃料電池系統110的燃料氣體高，因此本發明使用加濕/氣體再循環系統112，尤其 使用加濕/氣體再循環設備130，以提供一種在其排出第二燃料電池堆118后再次引入相對 潮濕和/或加濕的排出氣體返回第一燃料電池堆116的方法(例如，來自導管130a)。然 而，應理解，排出氣體可以在其已排出第一燃料電池堆116后進行再循環。由于排出氣體以比進入的燃料氣體更低的壓力離開第一燃料電池堆116 (還有第 二燃料電池堆118)，因此加濕/氣體再循環系統112，尤其是加濕/氣體再循環設備130使 用用來混合兩種氣體流(即排出氣體和燃料氣體)的設備。如先前描述的，該設備可以是 泵、噴射器、注射器或其組合，其適于增加再循環排出氣體的壓力到所需值。按照這種方式， 相對干躁的引入的燃料氣體可以與分別來自第一和/或第二燃料電池堆116、118相對潮濕 和/或加濕的排出氣體的至少一部分混合。一旦混合，氣體混合物(例如，相對潮濕和/或 加濕的排出氣體和相對干燥的燃料氣體)可以被引回燃料電池系統110，尤其被引回第一燃料電池堆116中。參照圖3，圖中示出了根據本發明的第二可選實施例的具有可操作相關于堆陰極 流動214側的加濕系統212的三堆疊燃料電池系統210的示意圖。燃料電池系統210包括三個各自的燃料電池堆216、218、220，其彼此之間流體連 通，或至少與相鄰的燃料電池堆流體連通。燃料電池堆216、218、220分別包含多個單獨的 燃料電池元件222。在燃料電池堆216、218、220之中燃料電池元件222的數目可以獨自進 行變化。提供導管216a和218a以分別提供燃料電池堆216/燃料電池堆218與燃料電池 堆218/燃料電池堆220之間的流體連通。燃料電池堆216設有適于接收一定量氧化劑氣體的氧化劑氣體入口 224 (例如，堆 陰極入口)，并且燃料電池堆220設有適于排出一定量排出氣體的排氣出口 226 (例如，堆陰 極出口)。氧化劑氣體入口 224與至少一個壓縮機228流體連通。壓縮機228可同時操作 相關和/或與另一個壓縮機230流體連通。壓縮機228、230由馬達232分別提供動力。壓縮機228、230經由導管234a可分別與流量計234流體連通，流量計234例如經 由導管236a與氧化劑氣體貯存/供應源236流體連通。通過非限制性實例，氧化劑可包括 空氣，例如環境空氣。在本實例中，各自壓縮機228，230和如前所述的任何相關部件包括加濕/氣體再 循環系統212。然而，代替使用泵、噴射器和/或注射器，加濕/氣體再循環系統212分別使 用壓縮機228、230以實現再循環功能。壓縮機228、230分別直接地或間接地與燃料電池堆216、218、220中的任一個流體 連通，例如分別通過導管216b、218b、220b。再循環流量控制閥240可被設置在導管216c中 且流量控制閥242、244可以分別被設置在導管218b、220b中。以這種方式直接入口 246、 248分別從加濕/氣體再循環系統212，尤其是壓縮機228、230可以分別提供用于燃料電池 堆218、220。此外，可以提供壓力控制閥250，其例如經由導管250a與排氣出口 226流體連通ο由于排出燃料電池系統210的排出氣體在水分含量方面通常比進入燃料電池系 統210的氧化劑氣體高，因此本發明使用加濕/氣體再循環系統212，尤其使用壓縮機228、 230，以提供一種當其排出第一燃料電池堆216后再次引入相對潮濕和/或加濕的排出氣體 (例如，來自導管216c)返回第一燃料電池堆216的方法。然而，應理解，排出氣體可以在其 分別排出第二和/或第三燃料電池堆218、220后進行再循環。由于排出氣體以比進入的燃料氣體更低的壓力離開第一燃料電池堆216 (以及隨 后的燃料電池堆)，因此加濕/氣體再循環系統212，尤其是壓縮機228、230分別用來混合 兩種氣體流(即排出氣體和氧化劑氣體)。壓縮機228、230適于分別增加再循環排出氣體 的壓力達到所需值。按照這種方式，相對干躁的引入的氧化劑氣體可以與分別來自第一、第 二和/或第三燃料電池堆216、218、220的相對潮濕和/或加濕的排出氣體的至少一部分混 合。一旦混合，氣體混合物(例如，相對潮濕和/或加濕的排出氣體和相對干燥的氧化劑 氣體)可以被引回燃料電池系統210，尤其是分別被引回第一、第二和/或第三燃料電池堆 216,218,220 中。參照圖4，圖中示出了根據本發明的第三可選實施例的具有可操作相關于堆陰極 流動314側的加濕系統312的兩堆疊燃料電池系統310的示意圖。
燃料電池系統310包括兩個各自的燃料電池堆316、318，其彼此之間流體連通。燃 料電池堆316、318分別包含多個單獨的燃料電池元件322。在燃料電池堆316、318中燃料 電池元件322的數目可以獨自變化。提供導管316a以提供在燃料電池堆316與燃料電池 堆318之間的流體連通。燃料電池堆316設有適于接收一定量氧化劑氣體的氧化劑氣體入口 324 (例如，堆 陰極入口)，并且燃料電池堆318設有適于排出一定量排出氣體的排氣出口 326 (例如，堆陰 極出口)。燃料氣體入口 324與至少一個壓縮機328流體連通。壓縮機328還可與另一個 壓縮機330可操作結合和/或流體連通。壓縮機328、330由馬達332分別提供動力。壓縮機328、330經由導管334a分別與流量計334流體連通，流量計334例如經由 導管336a與氧化劑氣體貯存/供應源336流體連通。通過非限制性實例，氧化劑氣體可包 含空氣，例如，環境空氣。在本實例中，各自的壓縮機328，330和前述的任何相關部件包含加濕/氣體再循 環系統312。然而，代替使用泵、噴射器和/或注射器，加濕/氣體再循環系統312分別使用 壓縮機328、330，從而實現再循環功能。壓縮機328、330與任一燃料電池堆316、318分別直接地或間接地流體連通，例如， 分別通過導管316b、318b。再循環流量控制閥340可被設置在導管316c中且流量控制閥 342,344可分別被設置在導管316b、318b中。以這種方式從加濕/氣體再循環系統312，尤 其是壓縮機328、330中，分別提供用于燃料電池堆316、318的直接輸入346、348。此外，可 以提供壓力控制閥350，其例如經由導管350a與排氣出口 326流體連通。因為排出燃料電池系統310的排出氣體在水分含量方面通常比進入燃料電池系 統310的氧化劑氣體高，因此本發明使用加濕/氣體再循環系統312，尤其使用壓縮機328、 330，以提供一種當其排出第一燃料電池堆316后再次引入相對潮濕和/或加濕的排出氣體 (例如，從導管316c)返回第一燃料電池堆316的方法。然而，應理解，排出氣體可以在排出 第二燃料電池堆318后進行再循環。由于排出氣體以比進入的氧化劑氣體更低的壓力離開第一燃料電池堆316 (以及 隨后的燃料電池堆)，因此加濕/氣體再循環系統312，尤其是壓縮機328、330分別用來混 合兩種氣體流(即排出氣體和氧化劑氣體)。壓縮機328、330適于分別增加再循環排出氣 體的壓力達到所需值。按照這種方式，相對干躁的引入的燃料氣體可以與分別來自第一、第 二和/或第三燃料電池堆316、318、320的相對潮濕和/或加濕的排出氣體的至少一部分混 合。一旦混合，氣體混合物(例如，相對潮濕和/或加濕的排出氣體和相對干燥的氧化劑氣 體)可以被引回燃料電池系統310，尤其是分別被引回第一和/或第二料電池堆316、318 中。本發明的一些優點非限制性地包括(1)用于層疊堆的全部階段的加濕入口氣 體，其有望提高性能和耐久性；(2)通過消除對昂貴的外部加濕設備(例如，水蒸氣傳輸單 元)的需要而降低了成本；(3)減少了燃料電池系統中的部件數量，從而降低了成本、系統 尺寸和控制效果；和(4)通過使用稀釋的氣體供應減小了啟止劣化。本發明的描述本質上僅僅是示例性的，因此，不偏離本發明的主旨的變型也落入 在本發明的范圍內。這些變型不被視為偏離了本發明的精神和范圍。
權利要求
一種燃料電池系統，包括具有適于接收一定量燃料或氧化劑氣體的燃料或氧化劑氣體入口的第一燃料電池堆；具有適于排出一定量燃料或氧化劑排出氣體的燃料或氧化劑排出氣體出口的第二燃料電池堆；其中第一和第二燃料電池堆是流體連通的且串聯布置；和與第一和第二燃料電池堆流體連通的氣體再循環系統，其中所述氣體再循環系統包括氣體再循環設備；其中所述氣體再循環系統適于接收來自第二燃料電池堆的燃料或氧化劑排出氣體出口的燃料或氧化劑排出氣體并且再次引回燃料或氧化劑排出氣體進入第一燃料電池堆的燃料或氧化劑氣體入口中；其中所述燃料或氧化劑排出氣體和燃料或氧化劑氣體在被再次引入到第一燃料電池堆中之前在所述氣體再循環設備中混合；其中所述排出氣體具有比燃料或氧化劑氣體更高的水分含量。
2.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中所述燃料或氧化劑氣體中包含選自包括 氫氣、空氣及其組合物的物質組中的材料。
3.根據權利要求1所述的燃料電池系統，其中所述氣體再循環設備選自包括泵、噴射 器及其組合的組。
4.根據權利要求1所述的燃料電池系統，還包括與氣體再循環系統流體連通的燃料或 氧化劑氣體貯存系統。
5.根據權利要求1所述的燃料電池系統，還包括與氣體再循環系統相關聯的流量控制 閥或流量計。
6.根據權利要求1所述的燃料電池系統，還包括與排出氣體出口相關聯的壓力控制閥。
7.根據權利要求1所述的燃料電池系統，還包括設置在第一與第二燃料電池堆之間的 第三燃料電池堆，其中所述第三燃料電池堆與第一和第二燃料電池堆流體連通。
8.根據權利要求1所述的燃料電池系統，還包括陽極部分，其中所述氣體再循環系統 與陽極部分相關聯。
9.一種燃料電池系統，包括具有適于接收一定量燃料或氧化劑氣體的第一燃料或氧化劑氣體入口和適于排出一 定量燃料或氧化劑排出氣體的第一燃料或氧化劑排出氣體出口的第一燃料電池堆；具有適于從第一燃料電池堆的第一燃料或氧化劑排出氣體出口接收燃料或氧化劑排 出氣體的第二燃料或氧化劑氣體入口和適于從第二燃料電池堆排出燃料或氧化劑排出氣 體的第二燃料或氧化劑排出氣體出口的第二燃料電池堆；具有適于從第二燃料電池堆的第二燃料或氧化劑排出氣體出口接收燃料或氧化劑排 出氣體的第三燃料或氧化劑氣體入口和適于從第三燃料電池堆排出燃料或氧化劑排出氣 體的第三燃料或氧化劑排出氣體出口的第三燃料電池堆；和氣體再循環系統，所述氣體再循環系統接收來自第三燃料電池堆的第三燃料或氧化劑 排出氣體出口的燃料或氧化劑排出氣體并且再次引回來自第三燃料電池堆的燃料或氧化劑排出氣體進入第一燃料電池堆的第一燃料或氧化劑氣體入口中，其中所述氣體再循環系 統包含氣體再循環設備；其中所述第三燃料電池堆的燃料或氧化劑排出氣體和燃料或氧化劑氣體在被再次引 入第一燃料電池堆中之前在氣體再循環設備中相混合；其中所述排出氣體具有比燃料或氧化劑氣體更高的水分含量。
10.根據權利要求9所述的燃料電池系統，其中所述燃料或氧化劑氣體中包含選自包 括氫氣、空氣及其組合物的物質組中的材料。
11.根據權利要求9所述的燃料電池系統，其中所述第二燃料電池堆與氣體再循環系 統流體連通。
12.根據權利要求9所述的燃料電池系統，其中所述氣體再循環設備包括至少一個壓 縮機。
13.根據權利要求9所述的燃料電池系統，其中所述氣體再循環設備包括可在其間相 關聯的至少兩個壓縮機。
14.根據權利要求9所述的燃料電池系統，還包括可與氣體再循環設備相關聯的馬達。
15.根據權利要求9所述的燃料電池系統，其中所述第三燃料電池堆包括適于接收一 定量燃料或氧化劑氣體的燃料或氧化劑氣體入口和適于排出一定量排出氣體的排出氣體 出口。
16.根據權利要求9所述的燃料電池系統，其中所述第三燃料電池堆與氣體再循環系 統流體連通。
17.根據權利要求9所述的燃料電池系統，其中所述第一燃料電池堆的排出氣體和燃 料或氧化劑氣體在被再次引入第一、第二或第三燃料電池堆中任一個中之前在氣體再循環 設備中相混合。
18.根據權利要求9所述的燃料電池系統，其中所述第一燃料電池堆的排出氣體和燃 料或氧化劑氣體在被再次引入第一燃料電池堆中之前相混合。
19.根據權利要求9所述的燃料電池系統，其中所述第一燃料電池堆的排出氣體和燃 料或氧化劑氣體在被再次引入第一燃料電池堆中之前在氣體再循環系統中相混合。
20.根據權利要求9所述的燃料電池系統，還包括與氣體再循環系統流體連通的燃料 或氧化劑氣體貯存系統。
21.根據權利要求9所述的燃料電池系統，還包括與氣體再循環系統相關聯的流量控 制閥或流量計。
22.根據權利要求9所述的燃料電池系統，還包括與第二燃料電池堆的排出氣體出口 相關聯的壓力控制閥。
23.根據權利要求9所述的燃料電池系統，還包括陰極部分，其中所述氣體再循環系統 與陰極部分相關聯。
24.一種使燃料電池系統工作的方法，包括提供具有適于接收一定量燃料或氧化劑氣體的燃料或氧化劑氣體入口的第一燃料電 池堆；提供具有適于排出一定量燃料或氧化劑排出氣體的燃料或氧化劑排出氣體出口的第 二燃料電池堆；其中第一與第二燃料電池堆是流體連通的且串聯布置；以及 提供一種與第一和第二燃料電池堆流體連通的氣體再循環系統； 其中所述氣體再循環系統適于接收來自第二燃料電池堆的燃料或氧化劑排出氣體出 口的燃料或氧化劑排出氣體并且再次引回該燃料或氧化劑排出氣體進入第一燃料電池堆 的燃料或氧化劑氣體入口中；其中所述燃料或氧化劑排出氣體和燃料或氧化劑氣體在被再次引入第一燃料電池堆 中之前相混合；其中所述排出氣體具有比燃料或氧化劑氣體更高的水分含量。
25.根據權利要求24所述的方法，還包括提供與氣體再循環系統流體連通的燃料或氧 化劑氣體貯存系統。
26.根據權利要求24所述的方法，還包括提供與氣體再循環系統相關聯的流量控制閥 或流量計。
27.根據權利要求24所述的方法，還包括提供與排出氣體出口相關聯的壓力控制閥。
28.根據權利要求24所述的方法，還包括提供設置在第一與第二燃料電池堆之間的第 三燃料電池堆，其中所述第三燃料電池堆與第一和第二燃料電池堆流體連通。
29.根據權利要求24所述的方法，還包括提供陽極部分，其中所述氣體再循環系統與 陽極部分相關聯。
30.一種使燃料電池系統工作的方法，包括提供具有適于接收一定量燃料或氧化劑氣體的第一燃料或氧化劑氣體入口和適于排 出一定量燃料或氧化劑排出氣體的第一燃料或氧化劑排出氣體出口的第一燃料電池堆；提供具有適于接收來自第一燃料電池堆的第一排出氣體出口的燃料或氧化劑排出氣 體的第二燃料或氧化劑氣體入口和適于從第二燃料電池堆排出燃料或氧化劑排出氣體的 第二燃料或氧化劑排出氣體出口的第二燃料電池堆；提供具有適于接收來自第二燃料電池堆的第二排出氣體出口的燃料或氧化劑排出氣 體的第三燃料或氧化劑氣體入口和適于從第三燃料電池堆排出燃料或氧化劑排出氣體的 第三燃料或氧化劑排出氣體出口的第三燃料電池堆；以及提供氣體再循環系統，該氣體再循環系統接收來自第三燃料電池堆的第三燃料或氧化 劑排出氣體出口的燃料或氧化劑排出氣體并且將來自第三燃料電池堆的燃料或氧化劑排 出氣體再次引回入第一燃料電池堆的第一燃料或氧化劑氣體入口中；其中所述排出氣體和燃料或氧化劑氣體在被再次引入第一燃料電池堆中之前在氣體 再循環系統中相混合；其中所述排出氣體具有比燃料或氧化劑氣體更高的水分含量。
31.根據權利要求30所述的方法，其中所述氣體再循環系統包括至少一個壓縮機。
32.根據權利要求30所述的方法，還包括提供可與氣體再循環系統相關聯的馬達。
33.根據權利要求30所述的方法，其中所述第三燃料電池堆包括適于接收一定量燃料 或氧化劑氣體的燃料或氧化劑氣體入口和適于排出一定量排出氣體的排出氣體出口。
34.根據權利要求30所述的方法，其中所述第三燃料電池堆與氣體再循環系統流體連通o
35.根據權利要求30所述的方法，其中所述第一燃料電池堆的排出氣體和燃料或氧化劑氣體在被再次引入第一、第二或第三燃料電池堆中任一個中之前在氣體再循環系統中相混合o
36.根據權利要求30所述的方法，其中所述第一燃料電池堆的排出氣體和燃料或氧化 劑氣體在被再次引入第一燃料電池堆中之前相混合。
37.根據權利要求30所述的發明，其中所述第一燃料電池堆的排出氣體和燃料或氧化 劑氣體在被再次引入第一燃料電池堆中之前在氣體再循環系統中相混合。
38.根據權利要求30所述的方法，還包括提供與氣體再循環系統流體連通的燃料或氧 化劑氣體貯存系統。
39.根據權利要求30所述的方法，還包括提供與氣體再循環系統相關聯的流量控制閥 或流量計。
40.根據權利要求30所述的方法，還包括提供與第二燃料電池堆的排出氣體出口相關 聯的壓力控制閥。
41.根據權利要求30所述的方法，還包括提供陰極部分，其中所述氣體再循環系統與 陰極部分相關聯。
全文摘要
本發明描述了一種包含加濕系統的燃料電池系統。該加濕系統使用可再循環從多級燃料電池堆排出的相對濕潤氣體的再循環系統，其位于陽極側和/或陰極側上，并傳送這些相對濕潤氣體回來以與相對干燥的供應氣體，例如但不限于氫氣和/或空氣，相結合。然后將加濕供應混合氣體再次引入多級燃料電池堆的第一級。再循環設備，例如但不限于泵和/或噴射器，可以有助于使加濕排出氣體向回移動通過再循環氣體管線，從而與供應氣體相結合。
文檔編號H01M8/04GK101894963SQ20101023550
公開日2010年11月24日 申請日期2006年11月3日 優先權日2005年11月3日
發明者R·森納 申請人:通用汽車環球科技運作公司