FR2844637A1 - Systeme de pile a combustible avec humidification de flots de reactif - Google Patents

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Alan P Meissner
Mark G Voss
Gregory G Hugues
Joseph R Stevenson
Liping Cao
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Abstract

Le système de pile à combustible comprend une pile à combustible (10) ayant une entrée de combustible (14), une entrée d'oxydant (12), une sortie de gaz de cathode (16) et une sortie de gaz résiduaire d'anode (18). Au moins un humidificateur (52, 70 ; 54, 72) est interposé entre une source d'air ou de combustible et comprend un chemin intérieur de flux de milieu contenant de l'énergie (60, 61 ; 62, 64 ; 78, 80 ; 72, 84) en relation d'échange thermique avec un chemin de flux de réactif (56, 58 ; 74, 76) ainsi qu'une source d'eau (46) reliée à ce chemin (56 ; 58 ; 74, 76) pour y être vaporisée. Le chemin (60, 61 ; 62, 64 ; 78, 80 ; 82, 84) d'écoulement du flux de fluide contenant de l'énergie est relié à l'une des sorties (16, 18) pour recevoir un fluide chauffé procurant la chaleur de vaporisation à la matière aqueuse. La consommation d'énergie est minimisée dans le système grâce à cet agencement.

Description

La présente invention se rapporte à des piles à combustible dans
lesquelles des flots de réactif exigent
une humidification.
De nombreuses piles à combustible utilisent de manière 5 classique des membranes internes. Un exemple de piles à
combustible de ce type est ce qu'on appelle le type PEM qui comporte des membranes d'échange de protons, également mentionnées en tant que membranes d'électrolyte polymères.
Les membranes, afin de fonctionner correctement, doivent 10 être maintenues humides et ne doivent pas être soumises à
des températures excessivement élevées.
Pour obtenir un fonctionnement correct d'un système de pile à combustible, il est par conséquent nécessaire qu'un moyen soit prévu pour que les membranes de pile à 15 combustible soient humidifiées à un degré approprié pour éviter leur endommagement ou un raccourcissement de leur durée de vie, ainsi que pour maintenir un degré élevé,
souhaité, de rendement de fonctionnement.
De plus, dans certains systèmes de pile à combustible, 20 des reformeurs sont nécessaires pour transformer une matière organique contenant de l'hydrogène en un flot de combustible riche en hydrogène destiné à être consommé dans la pile à combustible. Différents composés organiques contenant de l'hydrogène ont été suggérés dans ce but, 25 comprenant le méthanol, l'éthanol, le gaz naturel, des benzines classiques, le carburant diesel, le propane, le butane, etc.. Dans le cas de certaines de ces matières, il est nécessaire d'humidifier le flot de gaz entrant avant son admission dans le reformeur pour réaliser la 30 transformation souhaitée en un flot de combustible riche en hydrogène. De plus, dans des systèmes de pile à combustible, il est également fortement souhaitable que les flots de combustible et d'oxydant entrant soient à une température 35 de fonctionnement souhaitée de la pile à combustible et soient à une plage souhaitée d'humidité relative pour maximiser le rendement de la membrane sur une large plage de conditions de fonctionnement de la pile à combustible, particulièrement lorsque la charge de la pile à combustible
varie sur une plage importante.
Dans le cas habituel, la commande d'humidification et/ou de température des différents flots qui peuvent exiger une humidification est réalisée en chauffant de l'eau ou une autre matière aqueuse à base d'eau pour amener cette dernière à s'évaporer dans le flot et à élever 10 l'humidité relative de celui-ci. Cela, bien sr, exige une
dépense d'énergie pour produire la chaleur de vaporisation.
Comme le rendement de la pile à combustible est maximisé de manière souhaitable, il est fortement souhaitable que l'énergie dépensée dans le système de pile à combustible 15 pour fournir la chaleur souhaitée dans un but d'humidification soit minimisée ou au moins obtenue de sorte que les exigences de combustible du système de pile à
combustible soient minimisées.
La présente invention est destinée à répondre aux 20 besoins susmentionnés.
L'objectif principal de l'invention est de proposer un système de pile à combustible nouveau et amélioré. De manière plus spécifique, l'objectif principal de l'invention est le moyen d'assurer l'humidification de flots de 25 réactif utilisés dans un système de pile à combustible de sorte que la consommation d'énergie globale du système de
pile à combustible soit minimisée.
Un exemple de mode de réalisation atteint les objectifs précédents dans un système de pile à combustible 30 qui comprend une pile à combustible ayant une entrée de combustible riche en hydrogène, une entrée d'oxydant riche en oxygène, une sortie de gaz résiduaire d'anode, et une sortie de gaz de cathode. Une source de combustible riche en hydrogène est incluse, reliée à l'entrée de combustible 35 riche en hydrogène, et une source de gaz riche en oxygène
est incluse, reliée à l'entrée d'oxydant riche en oxygène.
Au moins un humidificateur est interposé entre au moins une des sources et son entrée associée, et a un chemin de flux de réactif reliant la source considérée et l'entrée associée dans une relation d'échange de chaleur avec un 5 chemin de flux de milieu contenant de l'énergie en même temps qu'une source de matière aqueuse reliée au chemin de flux de réactif pour introduire une matière aqueuse liquide dans le chemin de flux de réactif pour être vaporisée en son sein. Le chemin de flux de milieu contenant de 10 l'énergie est relié à l'une des sorties pour recevoir un fluide chauffé provenant de cette dernière pour fournir la chaleur de vaporisation à la matière aqueuse liquide par un
échange de chaleur entre les deux chemins de flux.
Dans un mode de réalisation, il y a au moins deux 15 humidificateurs, l'un relié entre la source de combustible et l'entrée de combustible et l'autre relié entre la source riche en oxygène et l'entrée d'oxydant. Le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie d'un premier des humidificateurs est relié à la sortie de gaz résiduaire et 20 le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie d'un deuxième des humidificateurs est relié à la sortie de gaz
de cathode.
Dans un mode de réalisation, le premier des humidificateurs a son chemin de flux de milieu contenant de 25 l'énergie relié à la sortie de gaz de cathode et son chemin
de flux de réactif relié à la source de combustible.
Un mode de réalisation préféré considère que le deuxième des humidificateurs a son chemin de flux de
réactif relié à la source d'oxydant.
Dans un mode de réalisation, il y a au moins un humidificateur supplémentaire ayant son chemin de flux de réactif relié en série avec le chemin de flux de réactif de l'un des au moins deux humidificateurs, et la pile à combustible comprend un circuit de liquide de 35 refroidissement pour la circulation d'un liquide de refroidissement à travers la pile à combustible. Le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie de l'humidificateur supplémentaire est relié au circuit de
liquide de refroidissement.
Un mode de réalisation de l'invention considère qu'il 5 y a deux des humidificateurs qui ont les chemins de flux de
réactif reliés en série.
Un mode de réalisation de l'invention considère qu'il
y a deux humidificateurs ayant leurs chemins de flux de réactif reliés en série entre l'entrée de combustible et la 10 source de combustible.
Dans un autre mode de réalisation, il y a deux humidificateurs ayant leurs chemins de flux de réactif reliés en série entre l'entrée d'oxydant et la source de
gaz riche en oxygène.
L'invention considère également que la source de matière aqueuse comprend le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie de l'humidificateur qui est relié à
la sortie de gaz de cathode.
Un mode de réalisation de l'invention considère un 20 système de pile à combustible comprenant une pile à combustible ayant les entrées et les sorties telles que précédemment mentionnées en même temps que les sources de combustible et d'oxydant ensemble avec une source de matière aqueuse pour humidifier le combustible et/ou le gaz 25 riche en oxygène. Un humidificateur est prévu et a un chemin de flux de réactif s'étendant à partir d'au moins une des sources de combustible et d'oxydant et de la source de matière aqueuse jusqu'à une entrée correspondante des entrées de pile à combustible et un chemin de flux de 30 milieu contenant de l'énergie dans une relation d'échange de chaleur avec le chemin de flux de réactif et relié entre la sortie de gaz de cathode et la source de matière aqueuse. En conséquence, un flot contenant de l'énergie, de manière classique de la vapeur contenant de l'eau, 35 s'écoulant à partir de la sortie de gaz de cathode à travers le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie se condense dans l'humidificateur pour fournir une matière aqueuse à ladite source pour une utilisation ultime comme agent d'humidification dans le chemin de flux de réactif d'humidificateur aussi bien en tant que fournisseur 5 d'énergie pour vaporiser la matière aqueuse dans le chemin
de flux de réactif de l'humidificateur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront plus clairement à la lecture de la description
qui va suivre en relation avec les dessins annexés.
La figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'un système de pile à combustible réalisé selon l'invention; et la figure 2 est un schéma d'une variante de mode de
réalisation d'un système de pile à combustible réalisé 15 selon l'invention.
On va maintenant décrire des modes de réalisation de l'invention révélée dans ce document relatif à un système de pile à combustible fonctionnant avec de l'hydrogène pur provenant d'un réservoir contenant de l'hydrogène liquide. 20 Cependant, on comprendra que l'invention puisse être utilisée avec efficacité dans ce qu'on appelle des systèmes du type à reformeur dans lesquels un reformeur est utilisé pour fournir un flot riche en hydrogène à la pile à combustible du système en transformant un composé contenant 25 de l'hydrogène, de manière classique un composé organique tel que le méthanol, l'éthanol, le propane, le butane, le gaz naturel, l'essence, le carburant diesel, etc., en un flot de combustible riche en hydrogène. Par conséquent, il n'est censé y avoir aucune limitation à un système de pile 30 à combustible à hydrogène pur sauf dans la mesure o cela
est expressément exposé dans la suite du document.
On observera également que l'invention peut également être utilisée avec efficacité dans le prétraitement de flots de réactif utilisés dans une pile à combustible. Par 35 exemple, dans des systèmes du type à reformeur qui transforment le gaz naturel, le propane, le butane, etc., en flot de combustible riche en hydrogène, pour augmenter le rendement du processus de reformage, il est fréquemment souhaitable d'humidifier le flot de gaz naturel, de butane ou de propane entrant; et les principes de l'invention 5 peuvent être utilisés en relation avec une humidification de ce type. Par conséquent, il n'y a aucune limitation concernant l'emplacement particulier à l'intérieur du système auquel l'humidification se produit sauf dans la
mesure o cela est exposé dans la suite du document.
On notera également que l'invention considère
l'utilisation d'humidificateurs de différentes structures.
Une forme préférée d'humidificateur est celle révélée dans la demande généralement attribuée de Meissner et al., n0 de série 10/115 343, enregistrée le 3 avril 2002 et intitulée 15 "Contact Heater/Humidifier for Fuel Cell Systems".
En gardant ce qui précède à l'esprit, on prêtera attention à la figure 1 qui représente un premier mode de réalisation d'un système de pile à combustible réalisé selon l'invention. Il comprend une pile à combustible, 20 globalement désignée par la référence numérique 10, qui
peut être une unique pile à combustible ou une pluralité de piles à combustible reliées ensemble comme on le souhaite.
La pile à combustible comprend une entrée 12 pour un flot d'oxydant riche en oxygène qui sera de manière classique de 25 l'air. Elle comprend également une entrée 14 pour le combustible, qui sera de manière classique un gaz riche en hydrogène. Une sortie 16 est la sortie de gaz de cathode pour la pile à combustible 10 qui, comme cela est bien connu, fournit un flot d'échappement qui est riche en 30 vapeur d'eau et qui est à une température élevée. Une sortie supplémentaire 18 est la sortie de gaz résiduaire d'anode qui est un flot à température élevée et qui comprend du combustible non consommé, c'est-à-dire, de l'hydrogène. Dans le cas habituel, une boucle de circulation de liquide de refroidissement est prévue pour la pile à combustible 10 pour maintenir une température de fonctionnement souhaitée en son sein. La boucle de 5 circulation de liquide de refroidissement comprend un échangeur de chaleur 20 qui agit comme un radiateur et qui peut être muni d'un ventilateur 22 pour entraîner l'air de refroidissement à travers l'échangeur de chaleur 20. Le liquide de refroidissement pénètre dans la pile à 10 combustible au niveau d'une entrée 24 après avoir été reçu dans un état relativement froid en provenance du radiateur de pile à combustible 20 via un condenseur d'échappement 26 qui est relié à la sortie de gaz de cathode pour recevoir le gaz de cathode et condenser la vapeur d'eau en son sein. 15 Une sortie de liquide de refroidissement 28 est prévue
à partir de la pile à combustible 10, à travers laquelle le liquide de refroidissement chaud quitte la pile à combustible 10 pour être recyclé à travers le radiateur 20 via un chemin à décrire de façon plus détaillée dans la 20 suite du document.
Une source 30 pour le combustible destiné à la pile à combustible 10 est représentée à la figure 1 sous la forme d'un réservoir d'hydrogène liquide qui délivre de l'hydrogène sur une sortie 32 pour entrer finalement dans 25 la pile à combustible 10 via l'entrée 14. Dans un système à haute pression comme celui qui est représenté, le flot d'oxydant est réalisé en faisant entrer de l'air placé sur une entrée 34 dans un compresseur 36 qui refoule dans le côté compresseur 38 d'un turbocompresseur 40. L'air entrant 30 est ainsi mis sous pression et est en fin de compte dirigé
sur l'entrée d'oxydant 12 via un chemin de flux à décrire ci-après. Dans les systèmes à basse pression, le turbocompresseur peut être omis.
Le turbocompresseur 40 possède un côté turbine 42 qui 35 est entraîné par un gaz chaud reçu par une buse 44 d'un séparateur d'eau 46. Le séparateur d'eau est relié via une conduite 48 à la sortie du condenseur d'échappement 26 et reçoit ainsi le flot de gaz de cathode à présent quelque peu refroidi. La vapeur d'eau, ayant été condensée en liquide dans le condenseur d'échappement 26 est séparée 5 dans le séparateur d'eau 46 et est réutilisée dans un but d'humidification. Le gaz de cathode non condensable s'écoule à travers le côté turbine 42 du turbocompresseur 40 pour entraîner cette dernière pour réaliser la
compression du flot d'air entrant.
Le système comprend également un dispositif d'oxydation de gaz résiduaire d'anode 48 qui est relié à la sortie de gaz résiduaire 18 pour recevoir le gaz résiduaire en provenance de cette dernière. Le gaz résiduaire, qui, on va le rappeler, contient du combustible non consommé, est 15 oxydé pour fournir un flot de gaz chaud dans une conduite 50.
Pour permettre l'humidification du flot d'oxydant, des premier et deuxième humidificateurs d'air sont prévus, respectivement globalement désignés par les références numériques 52 et 54. Comme noté précédemment, les 20 humidificateurs 52 et 54 peuvent être fabriqués selon la structure représentée dans la demande généralement attribuée de Meissner et al. cette fin, chacun comprend une entrée de réactif 56 et une sortie de réactif 58. Un chemin intérieur de flux de réactif situé à l'intérieur de 25 chacun des humidificateurs 52 ou 54, relie l'entrée 56 et la sortie 58 associées et est dans une relation d'échange de chaleur avec un chemin interne de flux de milieu contenant de l'énergie. Le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie possède une entrée 60 et une sortie 30 61 pour l'humidificateur 52 et une entrée 62 et une sortie
64 pour l'humidificateur 54.
Chaque humidificateur 52, 54, est également relié au séparateur d'eau et comprend une entrée de matière aqueuse 66 qui est en communication de fluide avec le chemin de 35 flux de réactif pour injecter de l'eau dans le réactif s'écoulant en son sein pour une vaporisation par la chaleur rejetée dans le chemin de flux de réactif en provenance du
chemin de flux de milieu contenant de l'énergie.
Le flot de combustible en provenance du réservoir 30 est dirigé vers la combinaison en série de deux 5 humidificateurs de combustible, globalement respectivement désignés par les références numériques 70 et 72. Les humidificateurs 70 et 72 possèdent des entrées de réactif 74 et des sorties de réactif 76 reliées à l'intérieur de chaque humidificateur 70, 72 par un chemin de flux de 10 réactif associé. Ainsi, le combustible en provenance de la source 30 s'écoule à travers les humidificateurs 70 et 72 via les chemins internes de flux de réactif jusqu'à
l'entrée 14 de la pile à combustible 10.
De plus, l'humidificateur 70 comprend une entrée de 15 milieu contenant de l'énergie 78 et une sortie de milieu contenant de l'énergie 80 tandis que l'humidificateur 72 comprend une entrée de milieu contenant de l'énergie 82 et une sortie de milieu contenant de l'énergie 84 aux extrémités opposées de chemins respectifs de flux de milieu 20 contenant de l'énergie à l'intérieur des humidificateurs , 72 et qui sont dans une relation de transfert de chaleur avec les chemins de flux de réactif des échangeurs
de chaleur associés 70, 72.
L'entrée de milieu contenant de l'énergie 78 de 25 l'humidificateur 70 est reliée à la sortie de milieu contenant de l'énergie 61 de l'humidificateur 52 pour recevoir le gaz résiduaire d'anode après passage par le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie de l'humidificateur 52. Le gaz résiduaire d'anode sera toujours à 30 une température élevée et est ainsi utilisé en tant que source de chaleur à l'intérieur de l'humidificateur 70 pour
la vaporisation de matière aqueuse en son sein.
Une entrée de matière aqueuse 85 est prévue pour chacun des humidificateurs 70, 72 et injecte de la matière 35 aqueuse en provenance du séparateur d'eau 46 dans le chemin de flux de réactif de chacun des humidificateurs 70, 72 pour permettre l'humidification du combustible avant son entrée dans la pile à combustible 10 via l'entrée 14. Dans le cas de l'humidificateur 70, la matière aqueuse est vaporisée par la chaleur rejetée par le gaz résiduaire d'anode à l'intérieur de l'humidificateur 70. L'entrée de milieu contenant de l'énergie 82 de l'humidificateur 72 est reliée à la sortie de liquide de refroidissement 28 pour la pile à combustible 10 et refoule de plus le liquide de refroidissement à travers la sortie 10 84 vers l'entrée de milieu contenant de l'énergie 62 pour
l'humidificateur 54. Le liquide de refroidissement est renvoyé via la sortie 64 au radiateur 20 pour recyclage.
Ainsi, le liquide de refroidissement pour la cellule à combustible 10 est utilisé en tant que source de chaleur à 15 rejeter depuis le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie vers le chemin de flux de réactif à l'intérieur
des humidificateurs 54 et 72.
L'invention a un certain nombre d'avantages par rapport aux structures antérieures. Par exemple, la chaleur 20 autrement gaspillée dans le gaz résiduaire est utilisée en tant que source pour l'humidification de flots de réactif lorsqu'ils passent à travers les humidificateurs 52 et 70, permettant de ce fait la conservation d'énergie. En outre, l'utilisation de deux humidificateurs dans le flot de 25 combustible et de deux humidificateurs dans le flot riche en oxygène procure un certain nombre d'avantages. Dans certaines installations, par exemple, dans des installations automobiles o des contraintes de volume peuvent être présentes, plutôt que d'utiliser un unique 30 humidificateur de grande taille, les humidificateurs peuvent être séparés en composants distincts à placer là o de l'espace existe. Plus important encore, l'utilisation de deux humidificateurs en série offre une garantie que les contraintes requises d'humidité et de température pour un 35 fonctionnement correct de la pile à combustible 10. peuvent
être aisément satisfaites.
En se tournant maintenant vers la figure 2, on représente une variante de mode de réalisation. Lorsque des composants semblables sont utilisés, ils ne seront pas décrits de nouveau et garderont les mêmes références numériques dans un souci de brièveté. Le mode de réalisation de la figure 2 est globalement similaire à celui de la figure 1, mais diffère par deux ou trois aspects matériels. Par exemple, le condenseur d'échappement 26 (figure 1) n'est pas utilisé dans le mode 10 de réalisation de la figure 2. Du gaz de cathode en provenance de la sortie 16 est plutôt directement acheminé vers le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie du premier humidificateur d'air 52 qui s'étend entre l'entrée 60 et la sortie 61 de ce dernier. Cette dernière est, à son 15 tour, reliée au séparateur d'eau 46 avec le premier humidificateur d'air 52, et de manière spécifique, le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie de ce dernier, servant de condenseur pour condenser de la vapeur d'eau dans le flot de gaz de cathode. Dans ce cas, la 20 chaleur latente de vaporisation de la matière aqueuse libérée du flot de gaz de cathode fournit l'énergie pour la vaporisation de la matière aqueuse dans le chemin de flux de réactif. La matière aqueuse séparée dans le séparateur d'eau 46 est alors acheminée vers différents 25 humidificateurs de la même façon que celle précédemment mentionnée et le gaz non condensable est de nouveau utilisé du côté turbine 42 du turbocompresseur 40 pour élever la
pression du flot d'air entrant.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, du gaz 30 résiduaire d'anode en provenance du dispositif d'oxydation 48 n'est pas utilisé en tant que source de chaleur pour l'humidificateur d'air 52 comme dans le mode de réalisation de la figure 1. Il est plutôt directement acheminé vers l'entrée de fluide de milieu contenant de l'énergie 78 de 35 l'humidificateur 70 et vers le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie dans la même connexion que celle de
l'entrée 78 et de la sortie 80.
Dans le cas des deux modes de réalisation, le gaz résiduaire d'anode consommé s'écartant de la sortie 80 de l'humidificateur 70 peut être déchargé après traitement, si cela est nécessaire, comme on peut l'exiger. Le mode de réalisation de la figure 2 conserve tous
les avantages précédemment listés en relation avec la description du mode de réalisation de la figure 1 et procure un avantage supplémentaire en ce qu'il omet le 10 besoin du condenseur d'échappement 26 tout en conservant sa
fonction dans le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie du premier humidificateur d'air 52. Non seulement on ne s'occupe plus du cot et du volume occupé par le condenseur d'échappement, mais le circuit de refroidisse15 ment est simplifié en ce que le radiateur 20 peut être relié plus directement à l'entrée de liquide de
refroidissement 24 de la pile à combustible 10.
Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré 20 de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées
sans sortir de l'esprit ni du domaine de l'invention.

Claims (17)

REVENDICATIONS
1. Système de pile à combustible, caractérisé en ce qu'il comprend: une pile à combustible (10) ayant une entrée (14) de combustible riche en hydrogène, une entrée (12) d'oxydant riche en oxygène, une sortie (18) de gaz résiduaire d'anode, et une sortie (16) de gaz de cathode; une source (30) de combustible riche en hydrogène reliée à ladite entrée de combustible riche en hydrogène; une source de gaz riche en oxygène pour ladite entrée d'oxydant riche en oxygène; et au moins un humidificateur (52, 70; 54, 72) interposé 15 entre au moins une desdites sources et son entrée associée et ayant un chemin de flux de réactif (56, 58; 74, 76) reliant ladite source particulière et ladite entrée associée dans une relation d'échange de chaleur avec un chemin de flux de milieu contenant de l'énergie (60, 61; 20 62, 64; 78, 80; 82, 84), et une source de matière aqueuse reliée audit chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76) pour introduire dans ledit chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76)la matière aqueuse liquide à vaporiser en son sein; ledit chemin de flux de milieu contenant de l'énergie
(60, 61; 62, 64; 78, 80; 82, 84) étant relié à l'une desdites sorties pour recevoir un fluide chauffé en provenance de cette dernière pour fournir de la chaleur de vaporisation à ladite matière aqueuse liquide par un 30 échange de chaleur entre lesdits chemins de flux.
2. Système de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a au moins deux dits humidificateurs (52, 70; 54, 72), l'un étant relié entre ladite source de combustible (30) et ladite entrée de 35 combustible (14) et l'autre étant relié entre ladite source de gaz riche en oxygène et ladite entrée d'oxydant (12); le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie (60, 61; 62, 64; 78, 80; 82, 84) d'un premier desdits humidificateurs (52, 70; 54, 72) étant relié à ladite sortie de gaz résiduaire (14) et le chemin de flux de 5 milieu contenant de l'énergie (60, 61; 62, 64; 78, 80; 82, 84) d'un deuxième desdits humidificateurs (52, 70; 54,
72) étant relié à ladite sortie de gaz de cathode (16).
3. Système de pile à combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier 10 desdits humidificateurs (52, 70; 54, 72) a son chemin de flux de milieu contenant de l'énergie (60, 61; 62, 64; 78, 80; 82, 84) relié à ladite sortie de gaz résiduaire d'anode (14) et son chemin de flux de réactif (56; 58
74, 76) relié à ladite source de combustible.
4. Système de pile à combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit deuxième desdits humidificateurs (52, 70; 54, 72) a son chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76) relié à ladite source d'oxydant.
5. Système de pile à combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend de plus au moins un humidificateur supplémentaire ayant son chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76) relié en série avec le chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76) de l'un 25 desdits au moins deux humidificateurs (52, 70; 54, 72) et ladite pile à combustible (10) comprend un circuit de liquide de refroidissement pour la circulation de liquide de refroidissement à travers ladite pile à combustible (10), le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie 30 (60, 61; 62, 64; 78, 80; 82, 84) dudit humidificateur supplémentaire étant relié dans ledit circuit de liquide de refroidissement.
6. Système de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a deux dits 35 humidificateurs (52, 70; 54, 72) ayant leurs chemins de
flux de réactif reliés en série.
I
7. Système de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a deux dits humidificateurs (52, 70; 54, 72) ayant leurs chemins de flux de réactif reliés en série entre ladite entrée de combustible (14) et ladite source de combustible (30).
8. Système de pile à combustible selon la
revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a deux dits humidificateurs (52, 70; 54, 72) ayant leurs chemins de flux de réactif reliés en série entre ladite entrée 10 d'oxydant (12) et ladite source de gaz riche en oxygène.
9. Système de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source de matière aqueuse comprend le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie (60, 61; 62, 64; 78, 80; 82, 84) 15 dudit humidificateur qui est relié à ladite sortie de gaz
de cathode (16).
10. Système de pile à combustible, caractérisé en ce qu'il comprend: une pile à combustible (10) ayant une entrée (14) de combustible riche en hydrogène, une entrée (12) d'oxydant riche en oxygène, une sortie (18) de gaz résiduaire d'anode, et une sortie (16) de gaz de cathode; une source (30) de combustible riche en hydrogène reliée à ladite entrée de combustible riche en hydrogène; une source de gaz riche en oxygène pour ladite entrée d'oxydant riche en oxygène; et une source de matière aqueuse pour humidifier le 30 combustible et/ou le gaz riche en oxygène; un humidificateur ayant un chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76) relié entre au moins une desdites sources de combustible et de gaz et ladite source de matière aqueuse et une entrée correspondante desdites 35 entrées et un chemin de flux de milieu contenant de l'énergie (60, 61; 62, 64; 78, 80; 82, 84) dans une relation d'échange de chaleur avec ledit chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76) et relié entre ladite sortie de gaz de cathode (16) et ladite source de matière aqueuse; de sorte que de la matière aqueuse vaporisée 5 s'écoulant à partir de ladite sortie de gaz de cathode (16) par l'intermédiaire dudit chemin de flux de milieu contenant de l'énergie (60, 61; 62, 64; 78, 80; 82, 84) est condensée dans ledit humidificateur pour amener la matière aqueuse à ladite source pour une utilisation ultime 10 en tant qu'agent d'humidification dans ledit chemin de flux
de réactif (56; 58; 74, 76) d'humidificateur.
11. Système de pile à combustible selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76) est interposé entre 15 ladite source de gaz riche en oxygène et ladite entrée (12)
d'oxydant riche en oxygène.
12. Système de pile à combustible selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite source de matière aqueuse comprend un séparateur (46) recevant 20 l'écoulement en provenance dudit chemin de flux de milieu
contenant de l'énergie.
13. Système de pile à combustible selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un compresseur (36) mis en oeuvre par turbine (42), relié 25 pour recevoir et être entraîné par du gaz en provenance dudit séparateur (46) et pour délivrer de l'air comprimé audit chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76) pour servir de ce fait en tant que dite source de gaz riche en oxygène.
14. Système de pile à combustible, caractérisé en ce qu'il comprend: une pile à combustible (10) ayant une entrée (14) de combustible riche en hydrogène, une entrée (12) d'oxydant riche en oxygène, une sortie (18) de gaz résiduaire d'anode, et une sortie (16) de gaz de cathode; une source (30) de combustible riche en hydrogène reliée à ladite entrée (14) de combustible riche en hydrogène; une source de gaz riche en oxygène pour ladite entrée (12) d'oxydant riche en oxygène; et des premier et deuxième humidificateurs (52, 70; 54, 72) de gaz riche en oxygène et des premier et deuxième humidificateurs (52, 70; 54, 72) de combustible chacun 10 ayant un chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76) dans une relation d'échange de chaleur avec un chemin de flux de milieu fluide contenant de l'énergie, les humidificateurs (52, 70; 54, 72) de gaz ayant leurs chemins de flux de réactif reliés en série et situés entre ladite entrée 15 d'oxydant (12) et ladite source de gaz, et les humidificateurs de combustible (52, 70; 54, 72) ayant leurs chemins de flux de réactif reliés en série et situés entre ladite source de combustible (30) et ladite entrée de combustible (14); une source d'eau (46) reliée aux chemins de flux de réactif de chacun desdits humidificateurs (52, 70; 54, 72); une boucle de circulation de liquide de refroidissement reliée à ladite pile à combustible (10) pour 25 recevoir la chaleur rejetée à partir de cette dernière; les chemins de flux de milieu contenant de l'énergie dudit deuxième humidificateur de gaz riche en oxygène et dudit deuxième humidificateur de combustible étant reliés dans ladite boucle de circulation de liquide de 30 refroidissement; le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie (60, 61; 62, 64; 78, 80; 82, 84) dudit premier humidificateur de gaz riche en oxygène étant relié entre ladite sortie de gaz de cathode (16) et ladite source d'eau 35 (46); et le chemin de flux de milieu contenant de l'énergie (60, 61; 62, 64; 78, 80; 82, 84) dudit premier humidificateur de combustible étant relié à ladite sortie
de gaz résiduaire (18).
15. Système de pile à combustible, caractérisé en ce qu'il comprend: une pile à combustible (10) ayant une entrée (14) de combustible riche en hydrogène, une entrée (12) d'oxydant riche en oxygène, une sortie (18) de gaz résiduaire d'anode, et une sortie (16) de gaz de cathode; une source (30) de combustible riche en hydrogène reliée à ladite entrée (14) de combustible riche en 15 hydrogène; une source de gaz riche en oxygène pour ladite entrée (12) d'oxydant riche en oxygène; et des premier et deuxième humidificateurs (52, 70; 54, 72) de gaz riche en oxygène et des premier et deuxième 20 humidificateurs (52, 70; 54, 72) de combustible, chacun ayant un chemin de flux de réactif (56; 58; 74, 76) dans une relation d'échange de chaleur avec un chemin de flux de milieu fluide contenant de l'énergie, les humidificateurs (52, 70; 54, 72) de gaz ayant leurs chemins de flux de 25 réactif reliés en série et situés entre ladite entrée d'oxydant (12) et ladite source de gaz, et les humidificateurs (52, 70; 54, 72) de combustible ayant leurs chemins de flux de réactif reliés en série et situés entre ladite source de combustible (30) et ladite entrée de 30 combustible (14); une source d'eau (46) reliée aux chemins de flux de réactif de chacun desdits humidificateurs (52, 70; 54, 72); une boucle de circulation de liquide de 35 refroidissement reliée à ladite pile à combustible (10) pour recevoir la chaleur rejetée à partir de cette dernière; les chemins de flux de milieu contenant de l'énergie dudit deuxième humidificateur de gaz riche en oxygène et 5 dudit deuxième humidificateur de combustible étant reliés dans ladite boucle de circulation de liquide de refroidissement; les chemins de flux de milieu contenant de l'énergie desdits premiers humidificateurs de gaz riche en oxygène et 10 de combustible étant reliés à ladite sortie de gaz
résiduaire (18).
16. Système de pile à combustible selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend un condenseur (26) interposé entre ladite sortie de gaz de 15 cathode (16) et ladite source d'eau (46) et situé dans
ladite boucle de circulation de liquide de refroidissement.
17. Système de pile à combustible selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite source d'eau comprend un séparateur (46) relié à une sortie dudit chemin 20 de flux de milieu contenant de l'énergie du premier
humidificateur de gaz riche en oxygène.
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040258968A1 (en) * 2003-03-21 2004-12-23 Voss Mark G. Cathode inlet gas humidification system and method for a fuel cell system
US20050221137A1 (en) * 2004-03-31 2005-10-06 Todd Bandhauer Fuel humidifier and pre-heater for use in a fuel cell system
DE102004034870B4 (de) * 2004-07-19 2007-08-09 Liebherr-Aerospace Lindenberg Gmbh System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeuges und Verwendung des Systems in einem Luftfahrzeug
JP2006318798A (ja) * 2005-05-13 2006-11-24 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システム
JP5019822B2 (ja) * 2005-08-19 2012-09-05 モーディーン・マニュファクチャリング・カンパニー 中間の蒸気過熱経路を備える水蒸発器
US8171985B2 (en) * 2005-08-19 2012-05-08 Modine Manufacturing Company Water vaporizer with intermediate steam superheating pass
US20070087240A1 (en) * 2005-10-18 2007-04-19 General Hydrogen Corporation Fuel cell fluid dissipater
US20070087239A1 (en) * 2005-10-18 2007-04-19 General Hydrogen Corporation Fuel cell fluid management system
US7938386B2 (en) * 2006-03-13 2011-05-10 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell air humidifier
US20070218326A1 (en) * 2006-03-17 2007-09-20 Honeywell International, Inc. Approach of solving humidification device turndown ratio for proton exchange membrane fuel cells
US8245491B2 (en) 2006-11-15 2012-08-21 Modine Manufacturing Company Heat recovery system and method
KR101714044B1 (ko) * 2010-08-23 2017-03-08 현대자동차주식회사 연료전지용 가습장치
DE102015222635A1 (de) 2015-11-17 2017-05-18 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Zurückführen von Wasser in einem Brennstoffzellensystem
CN106129436B (zh) * 2016-06-22 2018-08-28 江苏氢电新能源有限公司 一种紧凑型智能燃料电池加湿***及其加湿方法
DE102016218801A1 (de) 2016-09-29 2018-03-29 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5360679A (en) * 1993-08-20 1994-11-01 Ballard Power Systems Inc. Hydrocarbon fueled solid polymer fuel cell electric power generation system
US20010021468A1 (en) * 2000-03-08 2001-09-13 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell system
US20020061426A1 (en) * 2000-10-13 2002-05-23 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Cooling system and cooling process of fuel cell
WO2002061867A2 (fr) * 2001-01-31 2002-08-08 Viessmann Werke Gmbh & Co. Piles a combustible comportant une humidification integree et procede d'humidification de gaz de processus de piles a combustible

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4004947A (en) * 1975-02-12 1977-01-25 United Technologies Corporation Pressurized fuel cell power plant
DE4032993C1 (fr) * 1990-10-15 1992-05-07 Mannesmann Ag, 4000 Duesseldorf, De
JP3244912B2 (ja) * 1994-02-15 2002-01-07 三菱重工業株式会社 燃料電池システム
JPH0864218A (ja) * 1994-08-25 1996-03-08 Kansai Electric Power Co Inc:The 固体高分子電解質型燃料電池の運転方法
DE4446841A1 (de) * 1994-12-27 1996-07-04 Mtu Friedrichshafen Gmbh Brennstoffzellenmodul
DE19802038A1 (de) * 1998-01-21 1999-07-22 Forschungszentrum Juelich Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit gasförmigem Brennstoff
DE19908905C2 (de) * 1999-03-02 2003-03-20 Daimler Chrysler Ag Brennstoffzellensystem mit zugeordneter Wasserstofferzeugungsanlage
JP4839514B2 (ja) * 2000-02-21 2011-12-21 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP2002075423A (ja) * 2000-09-01 2002-03-15 Honda Motor Co Ltd 燃料電池用加湿装置
US6607854B1 (en) * 2000-11-13 2003-08-19 Honeywell International Inc. Three-wheel air turbocompressor for PEM fuel cell systems
JP5189719B2 (ja) * 2001-01-22 2013-04-24 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4801261B2 (ja) * 2001-01-23 2011-10-26 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP2002246058A (ja) * 2001-02-19 2002-08-30 Aisin Seiki Co Ltd コンプレッサ装置および燃料電池システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5360679A (en) * 1993-08-20 1994-11-01 Ballard Power Systems Inc. Hydrocarbon fueled solid polymer fuel cell electric power generation system
US20010021468A1 (en) * 2000-03-08 2001-09-13 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell system
US20020061426A1 (en) * 2000-10-13 2002-05-23 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Cooling system and cooling process of fuel cell
WO2002061867A2 (fr) * 2001-01-31 2002-08-08 Viessmann Werke Gmbh & Co. Piles a combustible comportant une humidification integree et procede d'humidification de gaz de processus de piles a combustible

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Publication number Publication date
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