給燃料電池堆提供加濕的陰極流體流的設(shè)備和車輛燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開了給燃料電池堆提供加濕的陰極流體流的設(shè)備和車輛燃料電池系統(tǒng)。設(shè)備包括加濕器和壓縮機(jī)。加濕器接收陰極流體流以及用來自于再循環(huán)的流體流的水對(duì)陰極流體流加濕，以提供加濕的陰極流。壓縮機(jī)接收加濕的陰極流并提供加壓加濕的陰極流。壓縮機(jī)在加濕器上產(chǎn)生壓力差，以加濕加濕器中的膜。車輛燃料電池系統(tǒng)包括加濕器和壓縮機(jī)。加濕器接收陰極流體流，并將水從再循環(huán)的流體流添加到該流體流，以提供加濕的陰極流。壓縮機(jī)接收加濕的陰極流，并提供加壓加濕的陰極流來加濕加濕器中的膜。通過將加濕器置于壓縮機(jī)之前，這樣在加濕器的多個(gè)膜上產(chǎn)生壓力差，使得更多的水通過這些膜，由此使得被提供給燃料電池堆的陰極流達(dá)到最優(yōu)的加濕水平。
【專利說明】給燃料電池堆提供加濕的陰極流體流的設(shè)備和車輛燃料電池系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]在此公開的實(shí)施例總體上涉及一種用于將加濕的流體流運(yùn)送給燃料電池堆的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常公知的是，許多燃料電池連接在一起以形成燃料電池堆。這樣的堆總體上響應(yīng)于電化學(xué)地將氫和氧轉(zhuǎn)換成水和能量來提供電流。電流用于給車輛或其它合適的機(jī)構(gòu)中的各種電裝置提供電力。
[0003]燃料電池膜的固有缺陷是膜需要濕潤才能適當(dāng)?shù)夭僮?。由于這個(gè)條件，需要額外的子系統(tǒng)來適當(dāng)?shù)貙?duì)膜進(jìn)行加濕。在汽車環(huán)境中的燃料電池運(yùn)行過程中，燃料電池以低功率(即，電流密度)運(yùn)行，導(dǎo)致加濕需求加大，因?yàn)檎诋a(chǎn)生的產(chǎn)物水不足。
[0004]傳統(tǒng)的系統(tǒng)將供給的空氣和氫氣流中的水輸送到燃料電池堆，以確保這樣的膜保持濕潤。在可能需要確保膜保持濕潤的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到不要將太多的水供應(yīng)到空氣和氫氣流中，因?yàn)檫@樣過多的水會(huì)堵塞燃料電池中的膜并且會(huì)導(dǎo)致燃料電池堆的運(yùn)轉(zhuǎn)效率低。
[0005]下面闡述加濕與燃料電池關(guān)聯(lián)的空氣流的一個(gè)示例。
[0006]授予Toshikatsu等人的第JP20100198743號(hào)日本專利公布公開了一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，在該燃料電池中，供給氧化劑氣體和燃料氣體。燃料電池通過這些氧化劑氣體和燃料氣體的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。燃料電池系統(tǒng)還包括加濕器和壓縮機(jī)，加濕器將從燃料電池排放的氧化劑氣體中所含有的水分轉(zhuǎn)移到將被供應(yīng)給燃料電池的氧化劑氣體，壓縮機(jī)將由加濕器加濕的氧化劑氣體壓縮并送到燃料電池。燃料電池系統(tǒng)還包括冷凝裝置，該冷凝裝置將從燃料電池排放的電能生產(chǎn)所產(chǎn)生的水冷凝并儲(chǔ)存。由冷凝裝置儲(chǔ)存的冷凝水被供應(yīng)給燃料電池上游的加濕器和壓縮機(jī)之間的間隔。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型的目的在于提供一種將加濕的陰極流體流提供給燃料電池堆的設(shè)備，所述設(shè)備能夠?qū)⒆銐蛩降臐駳馓峁┙o接著將被提供給燃料電池堆的陰極流。
[0008]公開了一種將加濕的陰極流體流提供給燃料電池堆的設(shè)備。所述設(shè)備包括包含膜的第一加濕器以及壓縮機(jī)。第一加濕器被構(gòu)造成接收陰極流體流并利用來自于再循環(huán)的流體流的水給陰極流體流加濕，以提供第一加濕的陰極流。壓縮機(jī)被構(gòu)造為接收第一加濕的陰極流并提供第一加壓加濕的陰極流。壓縮機(jī)還被構(gòu)造成在第一加濕器上產(chǎn)生壓差，從而用水對(duì)膜進(jìn)行加濕。
[0009]本實(shí)用新型提供一種用于給燃料電池堆提供加濕的陰極流體流的設(shè)備，該設(shè)備包括:第一加濕器，包括膜，并被構(gòu)造成接收陰極流體流以及用來自于再循環(huán)的流體流的水對(duì)所述陰極流體流進(jìn)行加濕，以提供第一加濕的陰極流；壓縮機(jī)，被構(gòu)造成:接收所述第一加濕的陰極流；提供第一加壓加濕的陰極流；以及在所述第一加濕器上產(chǎn)生壓力差，從而用所述水加濕所述膜。
[0010]所述第一加濕器可包括第一出口，該第一出口用于提供第一加濕的陰極流，所述壓縮機(jī)可包括第一入口，該第一入口用于直接接收來自于所述第一出口的第一加濕的陰極流。
[0011 ] 所述設(shè)備還可包括第二加濕器，該第二加濕器可被構(gòu)造成接收所述第一加壓加濕的陰極流以及所述再循環(huán)的流體流，并用所述水加濕所述第一加壓加濕的流體流，以將最終的加壓加濕的流體流提供給所述燃料電池堆。
[0012]所述第一加濕器和所述第二加濕器均可以是氣體對(duì)氣體加濕器。
[0013]所述第二加濕器可被構(gòu)造成接收溫度高于所述第一加濕的陰極流的溫度的所述第一加壓加濕的陰極流，從而使得所述第二加濕器能夠?qū)碜杂谒鲈傺h(huán)的流體流的額外的水加到所述第一加壓加濕的陰極流上，以提供最終的加壓加濕的陰極流。
[0014]所述第二加濕器可包括第一入口和第一出口，所述第二加濕器的第一入口可用于接收來自于所述燃料電池堆的再循環(huán)的流體流，所述第二加濕器的第一出口可用于提供所述再循環(huán)的流體流，所述第一加濕器可包括用于接收來自于所述第二加濕器的第一出口的再循環(huán)的流體流的第一入口。
[0015]所述第一加濕器可包括:第一入口，用于接收所述陰極流體流；第二入口，用于接收所述再循環(huán)的流體流；第三入口，用于接收所述第一加壓加濕的陰極流。
[0016]所述第一加濕器還可被構(gòu)造成利用所述水對(duì)所述第一加壓加濕的陰極流進(jìn)行加濕，以將最終的加壓加濕的陰極流提供給所述燃料電池堆。
[0017]所述第一加濕器可被構(gòu)造成接收溫度高于所述第一加壓加濕的陰極流的所述第一加壓加濕的陰極流，從而使得所述第二加濕器能夠?qū)碜杂谒鲈傺h(huán)的流體流的額外的水添加到所述第一加壓加濕的陰極流內(nèi)，以提供所述最終的加壓加濕的陰極流。
[0018]本實(shí)用新型還提供了一種車輛燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)可包括:第一加濕器，被構(gòu)造成接收陰極流體流，并將水從再循環(huán)的流體流添加到該陰極流體流，以提供第一加濕的陰極流；壓縮機(jī)，被構(gòu)造成接收所述第一加濕的陰極流體流，并提供加壓加濕的陰極流，所述壓縮機(jī)用于在所述第一加濕器上產(chǎn)生壓力差，從而所述第一加濕器中的膜由所述水加濕。
[0019]所述第一加濕器可包括用于提供所述第一加濕的陰極流的第一出口，所述壓縮機(jī)可包括用于從所述第一出口直接接收所述第一加濕的陰極流的第一入口。
[0020]所述系統(tǒng)還可包括第二加濕器，該第二加濕器被構(gòu)造成接收所述加壓加濕的陰極流和所述再循環(huán)的流體流，并利用所述水對(duì)所述加壓加濕的陰極流進(jìn)行加濕，以將最終的加壓加濕的陰極流提供給燃料電池堆。
[0021]所述第一加濕器和第二加濕器均可是氣體對(duì)氣體(G2G)加濕器。
[0022]所述第二加濕器可被構(gòu)造成接收溫度高于所述第一加濕的陰極流的溫度的所述加壓加濕的陰極流，從而使得所述第二加濕器能夠?qū)碜杂谒鲈傺h(huán)的流體流的額外的水添加到所述第一加壓加濕的陰極流，以提供所述最終的加壓加濕的陰極流。
[0023]所述第二加濕器可包括第一入口和第一出口，所述第二加濕器的第一入口用于從所述燃料電池堆接收所述再循環(huán)的流體流，所述第二加濕器的第一出口用于提供所述再循環(huán)的流體流，所述第一加濕器包括第一入口，該第一加濕器的第一入口用于從所述第二加濕器的第一出口接收所述再循環(huán)的流體流。[0024]所述第一加濕器可包括:第一入口，用于接收所述陰極流體流；第二入口，用于接收所述再循環(huán)的流體流；第三入口，用于接收所述加壓加濕的陰極流。
[0025]所述第一加濕器還可被構(gòu)造成利用所述水對(duì)所述加壓加濕的陰極流進(jìn)行加濕，以將最終的加壓加濕的陰極流提供給所述燃料電池堆。
[0026]所述第一加濕器可被構(gòu)造成接收溫度高于所述第一加濕的陰極流的所述加壓加濕的陰極流，從而使得所述第二加濕器能夠?qū)碜杂谒鲈傺h(huán)的流體流的額外的水添加到所述加壓加濕的陰極流內(nèi)，以提供所述最終的加壓加濕的陰極流。
[0027]本實(shí)用新型還提供一種車輛燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:氣體對(duì)氣體(G2G)加濕器，該加濕器被構(gòu)造成接收陰極流體流并將來自于再循環(huán)的流體流的水添加到該陰極流體流，以提供加濕的陰極流；壓縮機(jī)，被構(gòu)造成接收所述加濕的陰極流并提供加壓加濕的陰極流，所述壓縮機(jī)用于在G2G加濕器中產(chǎn)生壓力差，從而用所述水對(duì)所述G2G加濕器中的膜進(jìn)行加濕。
[0028]所述G2G加濕器包括用于提供所述加濕的陰極流的第一出口，所述壓縮機(jī)包括用于從所述第一出口直接接收所述加濕的陰極流的第一入口。
[0029]由此，根據(jù)本實(shí)用新型的通過將加濕器(例如，氣體對(duì)氣體加濕器)置于對(duì)陰極流加壓的壓縮機(jī)之前，這樣的條件在加濕器的多個(gè)膜上產(chǎn)生壓力差，使得更多的水通過這些膜，由此使得被提供給燃料電池堆的陰極流達(dá)到最優(yōu)的加濕水平。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]在權(quán)利要求書中具體指出了本公開的實(shí)施例。然而，通過下面結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，各種實(shí)施例的其它特征將變得更加明顯，并且將會(huì)被最佳地理解，其中:
[0031]圖1描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于對(duì)被輸送到燃料電池堆的流體流進(jìn)行加濕的設(shè)備；
[0032]圖2描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的更多的水被驅(qū)動(dòng)通過第一加濕器的膜的方式；
[0033]圖3描繪了根據(jù)另一實(shí)施例的用于對(duì)被運(yùn)送到燃料電池堆的流體流進(jìn)行加濕的設(shè)備。
【具體實(shí)施方式】
[0034]根據(jù)需要，在此公開本公開的詳細(xì)實(shí)施例；然而，應(yīng)當(dāng)理解，公開的實(shí)施例僅是本實(shí)用新型的示例，本實(shí)用新型可以按照各種可替代形式實(shí)現(xiàn)。圖不是必須成比例的；一些特征可能會(huì)被夸大或者最小化，以顯示特定組件的細(xì)節(jié)。因此，在此公開的具體結(jié)構(gòu)和功能性細(xì)節(jié)不應(yīng)當(dāng)被解釋為限制，而僅僅作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員變化地應(yīng)用本公開的代表性基礎(chǔ)。
[0035]人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，燃料電池技術(shù)能夠?yàn)楣潭☉?yīng)用、便攜應(yīng)用和交通應(yīng)用產(chǎn)生清潔高效的動(dòng)力提供保障。對(duì)于車輛應(yīng)用而言，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)相對(duì)于其它燃料電池設(shè)計(jì)更有吸引力，因?yàn)槠潆娏γ芏雀卟⑶疫\(yùn)行溫度更低。傳統(tǒng)的PEMFC用質(zhì)子交換膜(PEM)本身將產(chǎn)生電能的電化學(xué)反應(yīng)以及氣體反應(yīng)物隔開。雖然PEM允許將質(zhì)子從陽極傳輸?shù)疥帢O，但是PEM燃料電池通常需要在質(zhì)子交換膜中含有水分，還需要陽極燃料流中有足夠的濕氣，以將水提供給質(zhì)子，從而能夠進(jìn)行質(zhì)子從陽極到陰極的傳輸。加濕的燃料和空氣流通常用于提供確保該功能所需的水分。給反應(yīng)物流加濕的一種方法是通過利用氣體對(duì)氣體(G2G)加濕器實(shí)現(xiàn)。有一些G2G加濕裝置，并且大量的這樣的G2G加濕器包括大量層(或膜)或大量薄管，以獲得足夠的表面來產(chǎn)生期望的加濕效果。
[0036]雖然已經(jīng)證明在燃料電池應(yīng)用中的G2G加濕器是一種簡單、耐用且可靠的加濕空氣流的方式，但是這些加濕器的尺寸(和效率)一直是處于考慮中的。例如，用于90KW系統(tǒng)的G2G加濕器體積可大到42升。另外，G2G加濕器通常包括膜，并且需要中間冷卻器以避免G2G加濕器中的膜熔化。如果G2G加濕器膜能夠經(jīng)受高溫，那么中間冷卻器的尺寸可減小或者可簡單地去掉中間冷卻器。
[0037]在此公開的各種燃料電池系統(tǒng)實(shí)施中嘗試將加濕器置于壓縮機(jī)之前。在這樣的實(shí)施中，空氣流被提供給壓縮機(jī)，然后，壓縮機(jī)將用于輸送給燃料電池堆的空氣流的壓力增力口。通過將G2G加濕器置于壓縮機(jī)之前，同時(shí)將空氣流輸送給燃料電池堆，能夠利用G2G加濕器的干燥側(cè)的低壓，以驅(qū)動(dòng)更多的水通過膜(例如，G2G加濕器中的膜)來加濕被輸送給燃料電池堆的進(jìn)入空氣流。例如，G2G加濕器的膜上的更高的壓力差使得更多的水(B卩，更多的濕氣)穿過膜，由此使得空氣流獲得最佳濕度水平。這樣的條件可使G2G加濕器的尺寸/面積減小。G2G加濕器的尺寸/面積的減小可減少成本/復(fù)雜度。
[0038]此外，通過經(jīng)位于壓縮機(jī)之前的G2G加濕器加濕空氣流，從壓縮機(jī)輸出的空氣流可更冷，從而使得中間冷卻器的尺寸減小，或簡單地消除了對(duì)中間冷卻器的需求。這樣的條件可使得對(duì)燃料電池系統(tǒng)中的全尺寸中間冷卻器的需求消除，這進(jìn)一步減小了燃料電池系統(tǒng)的成本/復(fù)雜度。通常，需要中間冷卻器冷卻進(jìn)入空氣流以防止G2G加濕器內(nèi)的膜熔化。壓縮機(jī)可以輸出更高溫度的空氣流，這是公知的。然而，通過將G2G加濕器置于壓縮機(jī)之前，空氣流中需要更多的能量來加熱水，因此導(dǎo)致水和空氣的總體混合物呈現(xiàn)較低的溫度。這樣的條件可歸因于由于冷凝、蒸發(fā)和其它因素G2G加濕器降低了進(jìn)入到G2G加濕器的干燥氣體(即，供應(yīng)的氣體)的溫度。雖然干燥氣體的溫度會(huì)增加，但是這樣的溫度增加不會(huì)上升到由純粹的“溫度交換”所預(yù)期的那種水平。這樣，溫度會(huì)比平常低，并且會(huì)需要消耗更多的能量來加熱空氣流中的水。
[0039]在此公開的另一實(shí)施方式中，可設(shè)置多個(gè)G2G加濕器，從而從燃料電池堆的堆出口排放的水被提供給G2G加濕器，以對(duì)壓縮機(jī)流之前之后的空氣流均進(jìn)行加濕。對(duì)于在此公開的各種實(shí)施方式，取決于用于G2G加濕器的膜的材料的類型，可能會(huì)需要小的中間冷卻器。與上面所指出的實(shí)施方式類似，這種實(shí)施方式也利用了 G2G加濕器的膜上的較高的壓力差，從而使得更多的水通過膜，這使得空氣流內(nèi)的濕度水平增加。
[0040]圖1描述了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于對(duì)被輸送到燃料電池堆12的流體流進(jìn)行加濕的設(shè)備10。燃料電池堆12被構(gòu)造成響應(yīng)于將氫和氧電化學(xué)地轉(zhuǎn)換成水和能量來產(chǎn)生用于給車輛(或其他設(shè)備)中的一個(gè)或更多個(gè)裝置(未顯示)供電的電流。電流用于給車輛(或其他設(shè)備)中的各種電裝置提供電能。應(yīng)該理解，設(shè)備10和燃料電池堆12可以在期望通過利用電化學(xué)地轉(zhuǎn)換氫和氧來產(chǎn)生電流的任何應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。
[0041]罐(或供體)14提供氫氣形式的供應(yīng)燃料流(或陽極流)。供應(yīng)燃料流包括壓縮的氫氣。雖然在設(shè)備10中可使用壓縮的氫氣，但是可在設(shè)備10中使用任何氫燃料源。例如，液態(tài)氫、儲(chǔ)存在各種化學(xué)品(例如硼氫化鈉(sodium borohydride)或招氧化物(alanate))中的氫，或者可使用儲(chǔ)存在金屬氫化物(metal hydrid)中的氫來代替壓縮氣體。[0042]罐閥16控制供應(yīng)氫的流動(dòng)。壓力調(diào)節(jié)器18調(diào)節(jié)供應(yīng)氫到燃料電池堆12的流動(dòng)。加濕器20可以可選地設(shè)置，以將水添加到輸入燃料流內(nèi)，以產(chǎn)生加濕的輸入燃料流。加濕的輸入燃料流中的水蒸氣需要用來確保燃料電池組12中的膜保持濕潤，以為燃料電池堆12提供最佳運(yùn)轉(zhuǎn)。應(yīng)該理解，可從燃料電池堆12的出口提供再循環(huán)的氫氣流來代替加濕器20或與加濕器20結(jié)合，以加濕燃料流來產(chǎn)生加濕的輸入燃料流。例如，再循環(huán)的氫氣(或陽極)流可被輸送到輸入燃料流，以對(duì)其進(jìn)行加濕來提供加濕的燃料流。
[0043]含有干燥空氣的第一流體流(或陰極流)被輸送到第一加濕器22。壓縮機(jī)28和第二加濕器34與第一加濕器22和燃料電池堆12流體地連通。第一加濕器22和第二加濕器34均可被實(shí)現(xiàn)為G2G加濕器或其它合適的裝置。G2G加濕器的例子在2006年5月11日提交的，授予給 Schank 等人的標(biāo)題為“Gas Conditioning Device and Method”的第 8，003，265號(hào)美國專利中進(jìn)行了闡述，該申請(qǐng)的全部內(nèi)容通過引用被包含于此。
[0044]第一加濕器22包括用于接收干燥空氣的第一入口 24 (或干燥氣體入口)。第一加濕器22將水添加到陰極流來加濕的陰極流。第一加濕器22包括第二入口 30(或濕氣體入口)，用于接收再循環(huán)的水或響應(yīng)于電化學(xué)地轉(zhuǎn)換空氣和氫(例如，產(chǎn)生電能)的來自于燃料電池堆12并通過第二加濕器34 (和/或通過第一加濕器22)的再循環(huán)的水51。需要陰極流中的水來確保燃料電池堆12中的膜(未示出)保持濕潤，以提供燃料電池堆12的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0045]第一加濕器22的第一出口 26提供加濕的陰極流50。壓縮機(jī)28接收加濕的陰極流50并增加加濕的陰極流的壓力，以提供第一加壓加濕的陰極流52。第一加濕器22和第二加濕器34均通常包括多個(gè)膜23。這樣的膜23可由GORE-TEX?、Nafion?或其它合適的材料形成。膜23通常限定干燥空氣通道和至少一個(gè)濕通道。由燃料電池堆12和第二加濕器34提供的水流入第一加濕器22的濕氣體入口 30內(nèi)。進(jìn)入第一加濕器22內(nèi)的空氣隨著水從第一加濕器22的濕通道通過并進(jìn)入干躁空氣通道內(nèi)而被加濕。通過將壓縮機(jī)28定位在第一加濕器22之后，可以理解的是，更多的水被驅(qū)動(dòng)通過第一加濕器22的膜23。這樣的條件減小了膜23的整體尺寸，進(jìn)而減小了第一加濕器22的尺寸，由此降低了成本。
[0046]圖2總體上描繪了更多的水被驅(qū)動(dòng)通過第一加濕器22的膜23的方式。如所示出的，在呈現(xiàn)出較低的分壓(或低的分壓)的時(shí)刻中(見80)(例如，在壓縮機(jī)28之前)，因?yàn)楦叩膲毫Σ?，使得更多的水被?qū)動(dòng)通過第一加濕器22的膜23，這使得空氣吸收了更多的水(見82，82指示更多的水正被驅(qū)動(dòng)通過第一加濕器22的膜)。如在84處所示出的，當(dāng)呈現(xiàn)出分壓增加(或增加的分壓)時(shí)，較少的水被驅(qū)動(dòng)通過第一加濕器22的膜23 (見86，86指示較少的水被驅(qū)動(dòng)通過第一加濕器22的膜23)。壓縮機(jī)28產(chǎn)生高壓差，從而允許更多的水通過膜23。因?yàn)樵诘谝患訚衿?2的濕潤側(cè)(例如，在第一出口 26處)上的分壓高并且第一加濕器22的干燥側(cè)(例如，在第一入口 24處)上的分壓低，所以產(chǎn)生了高壓差。
[0047]再參照?qǐng)D1，壓縮機(jī)給加濕的陰極流50加壓，并將第一加壓加濕的陰極流52輸送到第二加濕器34。第二加濕器34包括氣體入口 36和濕氣體入口 38。燃料電池堆12將水(或再循環(huán)的水51)提供給濕氣體入口 38。第二加濕器34接收第一加壓加濕的陰極流52，以將更多的水添加到該第一加壓加濕的陰極流52。第二加濕器34將更多的水添加到第一加壓加濕的陰極流52，以將最終的加壓加濕的陰極流54提供給燃料電池堆12。
[0048]在被壓縮機(jī)28加壓之后，第一加壓加濕的陰極流52總體上處于比加濕的陰極流50的溫度更高的溫度。因?yàn)榈谝患訅杭訚竦年帢O流52的溫度比加濕的陰極流50的溫度更高，所以第一加壓加濕的陰極流52能夠儲(chǔ)存更多的水。為了利用該條件，提供第二加濕器34以將更多的水加入到第一加壓加濕的陰極流52內(nèi)，以提供最終的加壓加濕的陰極流54。這在確保燃料電池堆12的膜保持濕潤之前完成。應(yīng)該理解，第一加濕器22的尺寸和第二加濕器34的尺寸可差不多或者彼此不同，第二加濕器34提供被輸送到燃料電池堆12的最終的加壓加濕的陰極流54。
[0049]排放閥40流體地結(jié)合到第一加濕器22的出口 39。出口 39將水(或再循環(huán)的水51)從第一加濕器22輸送到閥40?？捎煽刂破?未顯示)控制閥40，以調(diào)節(jié)燃料電池堆12的陰極側(cè)的壓力(或流動(dòng))?？裳刂帢O側(cè)布置各種濕度傳感器(未顯示)，以在陰極流流過第一加濕器22和第二加濕器34時(shí)監(jiān)視陰極流的濕度。取決于設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)28控制陰極流體流的壓力，同時(shí)閥40控制設(shè)備10中的陰極流體流的流動(dòng)(例如，在離心壓縮機(jī)的情況下)?；蛘撸鳛檫x擇，壓縮機(jī)(如果是容積式裝置)控制陰極上的流動(dòng)，而閥40調(diào)節(jié)陰極流體的壓力。
[0050]圖3描繪了根據(jù)另一實(shí)施例的用于對(duì)被輸送到燃料電池堆12的流體流進(jìn)行加濕的設(shè)備70。加濕的輸入燃料流被提供給燃料電池堆12的操作方式與如上結(jié)合圖1所描述的方式類似。最終的加壓加濕的陰極流54被提供給燃料電池堆12的操作方式與如上結(jié)合圖1所描述的操作方式不同。例如，與多個(gè)G2G加濕器裝置形成對(duì)比，設(shè)備70利用單個(gè)G2G加濕器裝置(或第一加濕器22)來將最終的加壓加濕的陰極流54提供給燃料電池堆12。
[0051]干燥的空氣經(jīng)干燥空氣入口 24被輸送給第一加濕器22，來自于燃料電池堆12的再循環(huán)的水51在濕氣體入口 30處給輸送給第一加濕器22。第一加濕器22按照與如上結(jié)合圖1所描述的方式類似的方式將水加入到干燥空氣中。例如，進(jìn)入到第一加濕器22中的干燥空氣隨著水通過濕通道并進(jìn)入到干燥空氣通道(例如，在干燥空氣流動(dòng)之處)(由第一加濕器22的膜23所限定)而被加濕。壓縮機(jī)28從第一加濕器22的第一出口 26接收加濕的陰極流50，并且提供第一加壓加濕的陰極流52。由于在干燥空氣進(jìn)入到第一加濕器22的第一入口 24內(nèi)時(shí)干燥空氣的壓力與濕空氣從第一加濕器22的第一出口 26離開時(shí)濕空氣的壓力之間存在高壓力差，所以第一加濕器22將更多的水提供到加濕的陰極流50內(nèi)。如上面所解釋的，結(jié)合圖2，高壓力差能夠使更多的水流過第一加濕器22的膜23，并進(jìn)入干燥空氣中，從而使得能夠減小第一加濕器22的尺寸。將第一加濕器22布置在壓縮機(jī)28之前，使得壓縮機(jī)28能夠在第一加濕器22內(nèi)產(chǎn)生高壓力差，以對(duì)其中的膜23充分地加濕。
[0052]壓縮機(jī)28的出口提供第一加壓加濕的陰極流52，該第一加壓加濕的陰極流52被輸送回第一加濕器22的入口 42。壓縮機(jī)28將第一加壓加濕的陰極流52以比從第一加濕器22的第一出口 26所接收的加濕的陰極流50的溫度高的溫度提供回第一加濕器22。由于第一加壓加濕的陰極流52在通過壓縮機(jī)28之后更熱，這樣的條件使得第一加壓加濕的陰極流52能夠接收更多的水。為了將更多的水加入到第一加壓加濕的陰極流52內(nèi)，壓縮機(jī)28將第一加壓加濕的陰極流輸送回第一加濕器22，從而更多的水可被添加到第一加壓加濕的陰極流52，以產(chǎn)生最終的加壓加濕的陰極流54。第一加濕器22的出口 44將最終的加壓加濕的陰極流54輸送給燃料電池組12，以產(chǎn)生電能。排放閥40與第一加濕器22的出口 39流體地結(jié)合，在此控制再循環(huán)的水流或者進(jìn)入排放部(例如，設(shè)備10的出口)，或者返回到第一加濕器22。各種濕度傳感器(未顯示)可沿著陰極路徑布置，以在陰極流流過第一加濕器22和在燃料電池堆12上時(shí)監(jiān)視陰極流的濕度。
[0053]雖然上面描述了示例性實(shí)施例，但是描述的這些實(shí)施例不是試圖描述本實(shí)用新型所有可能的形式。相反，在說明書中所使用的詞語是描述性詞語而不是限制，并且應(yīng)該理解在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下可進(jìn)行各種改變。此外，各種實(shí)施例的特征可以組合，以形成本實(shí)用新型的進(jìn)一步的實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種給燃料電池堆提供加濕的陰極流體流的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括: 第一加濕器，包括膜，并被構(gòu)造成接收陰極流體流以及用來自于再循環(huán)的流體流的水對(duì)所述陰極流體流進(jìn)行加濕，以提供第一加濕的陰極流； 壓縮機(jī)，被構(gòu)造成: 接收所述第一加濕的陰極流； 提供第一加壓加濕的陰極流；以及 在所述第一加濕器上產(chǎn)生壓力差，從而用所述水加濕所述膜。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一加濕器包括第一出口，該第一出口用于提供第一加濕的陰極流，所述壓縮機(jī)包括第一入口，該第一入口用于直接接收來自于所述第一出口的第一加濕的陰極流。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括第二加濕器，該第二加濕器被構(gòu)造成接收所述第一加壓加濕的陰極流以及所述再循環(huán)的流體流，并用所述水加濕所述第一加壓加濕的流體流，以將最終的加壓加濕的流體流提供給所述燃料電池堆。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一加濕器和所述第二加濕器均是氣體對(duì)氣體加濕器。
5.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二加濕器被構(gòu)造成接收溫度高于所述第一加濕的陰極流的溫度的所述第一加壓加濕的陰極流，從而使得所述第二加濕器能夠?qū)碜杂谒鲈傺h(huán)的流體流的額外的水加到所述第一加壓加濕的陰極流上，以提供最終的加壓加濕的陰極流。
6.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二加濕器包括第一入口和第一出口，所述第二加濕器的第一入口用于接收來自于所述燃料電池堆的再循環(huán)的流體流，所述第二加濕器的第一出口用于提供所述再循環(huán)的流體流，所述第一加濕器包括用于接收來自于所述第二加濕器的第一出口的再循環(huán)的流體流的第一入口。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一加濕器包括:第一入口，用于接收所述陰極流體流；第二入口，用于接收所述再循環(huán)的流體流；第三入口，用于接收所述第一加壓加濕的陰極流。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一加濕器還被構(gòu)造成利用所述水對(duì)所述第一加壓加濕的陰極流進(jìn)行加濕，以將最終的加壓加濕的陰極流提供給所述燃料電池堆。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一加濕器被構(gòu)造成接收溫度高于所述第一加壓加濕的陰極流的所述第一加壓加濕的陰極流，從而使得所述第二加濕器能夠?qū)碜杂谒鲈傺h(huán)的流體流的額外的水添加到所述第一加壓加濕的陰極流內(nèi)，以提供所述最終的加壓加濕的陰極流。
10.一種車輛燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括: 第一加濕器，被構(gòu)造成接收陰極流體流，并將水從再循環(huán)的流體流添加到該陰極流體流，以提供第一加濕的陰極流； 壓縮機(jī)，被構(gòu)造成接收所述第一加濕的陰極流，并提供加壓加濕的陰極流，所述壓縮機(jī)用于在所述第一加濕器上產(chǎn)生壓力差，從而所述第一加濕器中的膜由所述水加濕。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK203398223SQ201320133300
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月23日
【發(fā)明者】米洛斯·米拉西斯, 弗克·伯格 申請(qǐng)人:福特全球技術(shù)公司