本篇美国通用汽车专利提出了一种新型的质子交换膜燃料电池系统。在该系统中，通过利用电堆本身高温的冷却流体对阳极再循环气体进行加热以防止液态水滳冷凝生成，从而提高系统运行的稳定性。如需本篇专利原文及相关技术解决方案，详见文末！
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种广泛使用的车用燃料电池技术。PEMFC一般包括固体聚合物电解质-质子交换膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细均匀分布的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对两侧。阳极催化层、阴极催化层和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。
通常将几个燃料电池组合在一个燃料电池堆中以产生所需的功率。一个车用燃料电池堆一般包括大约300-400片燃料电池。燃料电池堆又包括一系列位于堆内多个MEA之间的流场或双极板。在双极板的阳极侧设有阳极气体流动通道，允许阳极气体流向MEA的阳极侧。在双极板的阴极侧设有阴极气体流动通道，允许阴极气体流向MEA的阴极侧。双极板之间还包括冷却流体流经的通道。
01
存在问题
燃料电池内质子交换膜的作用包括为质子的快速传导提供通道并阻隔电子传导。质子交换膜需要有一定的相对湿度，只有在充分水合状态下，才能保证其具有较高的质子电导率，从而降低质子传导电阻。燃料电池堆在运行过程中，水在阴极催化剂-膜界面内部产生，也通过加湿的反应物气体提供给燃料电池，以阳极和阴极进口相对湿度值表示。
在低功率需求下，由于反应物气体的流速太低，水可能会积聚在流道内。当水的积累增加时，流道可能会被阻塞，而反应物气体被转移到其他流道，因为这些流道平行于常见的进口和出口歧管之间。
因为反应物气体不能通过被水堵塞的流道，所以反应物气体就不能迫使水从流道中流出，形成“水淹”现象。在高功率需求下，随着工作电流密度逐渐增高，生成水的速率也在相应增大。在低温、高增湿条件下，如果过多的生成水不能够及时排出电池，也会发生诸如上述“水淹”现象。
由于流道被水阻塞，膜上那些不能接收反应物气体的区域局部“欠气”，不会产生电能，从而导致电流分布不均匀，降低了燃料电池的整体效率。局部“欠气”在严重情况下将造成系统无法正常运行或对单电池和电堆造成不可逆的永久性损伤。
对于大功率燃料电池系统，通常需要过量的氢气供应，以避免堆中的反应物饥饿。燃料电池系统在设计时，为了提高氢气的利用效率和电堆的反应性能，会把阳极“堆出”的多余“废氢”循环利用，和新氢混合起来，再次进入电堆进行反应，如图1所示。
图1.燃料电池系统阳极氢气供给及再循环设计
因此，当高温高湿的再循环阳极废气与阳极输入处的新鲜、干燥和低温氢气混合时，温差将使再循环阳极废气中的水蒸气凝结成液态水滴。液态水滴然后进入阳极反应物气体流动通道，可能导致如上所述的电池“水淹”及发电稳定性问题。
02
专利方案
本专利公开了一种新型的燃料电池系统设计，目的是减少进入燃料电池阳极电堆入口液态冷凝水的量，从而提高系统运行的稳定性，避免“水淹”现象的发生，如图2所示。
图2.燃料电池系统专利设计方案
该设计将来自燃料电池堆的再循环阳极废气和新鲜氢气送入阳极热交换器，通过利用一部分的电堆高温冷却液体，在热交换器中用电堆高温冷却液体对新鲜氢气和再循环阳极废气进行加热升温，从而减少阳极电堆入口气体中液态水滴的冷凝形成。
