專利名稱：直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在約環(huán)境壓力下工作且適用于運輸車輛的，作為便攜的動力裝置或作為固定的動力裝置的燃料電池動力裝置，且本發(fā)明特別涉及一種燃料電池動力裝置，其將排出該裝置的質(zhì)量和熱量，例如水蒸汽，傳回該裝置以加強水平衡及該裝置的能量效率。
背景技術(shù)：
燃料電池是眾所周知的且通常被用于自還原及氧化流體產(chǎn)生能量以驅(qū)動例如運輸車輛上的電設(shè)備。在這樣的動力裝置中，多個平坦的燃料電池通常被配置成由一電絕緣框圍繞的一疊，該電絕緣框確定了用于引導(dǎo)還原流體、氧化流體、冷卻流體和生成物流體的流動的若干導(dǎo)管。各單獨的電池通常包括由電解質(zhì)分開的一陽極電極和一陰極電極。例如氫的反應(yīng)物或還原流體被提供給該陽極，而例如氧或空氣的氧化劑被提供給陰極。在采用一質(zhì)子交換薄膜作為電解質(zhì)的電池中，氫在一陽極催化劑的表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以生成氫離子和電子。這些電子被傳送給一外部負載電路且然后返回到陰極，而氫離子傳輸通過該電解質(zhì)到陰極，這些氫離子在陰極與氧化劑和電子發(fā)生反應(yīng)以生成水并釋放能量。
這樣的燃料電池的陽極和陰極根據(jù)燃料電池的工作要求和工作環(huán)境的限制被不同類型的電解質(zhì)分開。一種這樣的電解質(zhì)是質(zhì)子交換薄膜(“PEM”)電解質(zhì)，其由現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的固態(tài)聚合物組成。燃料電池中使用的其他的普通電解質(zhì)包括在該陽極和陰極之間的一多孔、非導(dǎo)電矩陣中保持的磷酸或氫氧化鉀。已發(fā)現(xiàn)在滿足特殊的工作參數(shù)中，PEM電池相比于帶有液態(tài)酸性或堿性電解質(zhì)的電池更優(yōu)越，因為PEM的薄膜在還原流體和氧化劑之間設(shè)置了一屏障，相比于在一多孔矩陣內(nèi)由毛細壓力保持的液態(tài)電解質(zhì)，該屏障更能忍受壓差。另外，該PEM電解質(zhì)被固定，且不能從該電池中浸出，且該薄膜對于水保持力具有相對穩(wěn)定的能力。然而，眾所周知地，PEM電池具有很大的限制，特別與傳輸?shù)竭_、通過和離開PEM的液態(tài)水相關(guān)、及與氣態(tài)還原和氧化流體到/自相鄰于該PEM的相對表面的電極的同時傳輸相關(guān)的限制?，F(xiàn)有技術(shù)為使這些限制最小化作出了許多努力。
在采用PEM的燃料電池的工作中，該薄膜被用水飽和，且相鄰于該薄膜的陽極必須保持是濕的。當(dāng)在陽極生成的氫離子傳輸通過電解質(zhì)時，它們以水合氫離子的形式拖著水分子從陽極到陰極。水還通過滲透從陰極回到陽極。在陰極形成的生成物水通過蒸發(fā)或夾帶進入氧化劑的一循環(huán)氣態(tài)流，或通過毛細作用進入并通過相鄰于該陰極的一多孔液態(tài)傳輸層被去除。多孔水傳輸板將來自冷卻水的一提供裝置的液態(tài)水提供給陽極并去除來自陰極的水將其返回給冷卻水提供裝置，且因此這些板還用于去除來自電解質(zhì)和電極的熱量。
在PEM燃料電池的工作中，關(guān)鍵的是在陰極生成水的速率和從陰極去除水及將液態(tài)水提供給陽極的速率之間保持適當(dāng)?shù)乃胶?。燃料電池的性能的工作限度由在從該電池流進外部負載電路的電流和該電池的工作環(huán)境發(fā)生變化時，該電池保持水平衡的能力所確定。對于PEM燃料電池，如果不足的水被返回給陽極，該PEM電解質(zhì)的相鄰部分干燥，從而降低氫離子被傳送通過PEM的速率且導(dǎo)致還原流體的跨越，致使局部過熱。類似地，如果從陰極去除不足的水，陰極可能被淹沒，有效地限制了氧化劑提供給陰極且因此減少了電流。另外，如果通過氧化劑的氣流，從陰極去除過多的水，該陰極可干燥，限制氫離子通過PEM的能力，從而降低電池性能。
當(dāng)燃料電池被集成進被開發(fā)用于例如汽車、卡車、公共汽車等的動力運輸車輛的動力裝置時，因為多種因素，保持該動力裝置內(nèi)的足夠的水平衡已變?yōu)橐桓蟮奶魬?zhàn)。例如，對于一固定的燃料電池動力裝置，從該裝置失去的水可由自外部提供給該裝置的水替換。然而，對于一運輸車輛，為使對燃料電池動力裝置的重量和空間要求最小化，該裝置必須是水自足的以能維持工作。水自足意味著該裝置內(nèi)必須保持有足夠的水以補償還原流體流的損失以使該裝置有效地工作。例如，通過氣態(tài)氧化劑的陰極廢氣或通過氣態(tài)還原劑的陽極廢氣排出該裝置的水必須通過在陰極電化學(xué)生成的及在該裝置內(nèi)保持的水而被保持平衡。
一種加強在運輸車輛中的燃料電池動力裝置的水平衡的方法是對電池和相關(guān)元件增壓以用高壓氣流增高反應(yīng)物濃度且從而減少通過裝置廢氣的水損失。然而，這樣被加壓的燃料電池動力裝置需要附加的成本、重量和為提供適當(dāng)?shù)膲毫ぜ翱刂扑璧目刂圃O(shè)備，且加壓的裝置要求從該裝置分流出的附加的能量以驅(qū)動加壓泵、閥門、風(fēng)扇等且對于便攜式動力裝置是不實際的。
另一種加強水平衡的方法是使用在動力裝置廢氣的下游的冷凝熱交換器，其中廢氣被冷卻到或低于它們的露點以從廢氣中沉淀出液體以使該液體可被返回到該動力裝置。使用冷凝熱交換器的PEM燃料電池動力裝置的一例子在1996年11月12日授權(quán)給Van Dine等人，并被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利No.5,573,866中被公開，該專利結(jié)合在此作為參考。使用一或多個冷凝熱交換器的許多其他燃料電池動力裝置在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的，且它們通常使用環(huán)境空氣流作為通過交換器的冷卻流體以冷卻該裝置廢氣。在Van Dine等人中，該熱交換器被使用以冷卻自包容陰極的一陰極腔室排出的廢氣。在進入該陰極殼之前，及在離開該腔室時，該廢氣包括蒸發(fā)的生成物水和通過該PEM的還原流體、甲醇的某些部分。該冷凝熱交換器傳遞與冷卻環(huán)境空氣流是熱交換關(guān)系的陰極廢氣，且然后將冷凝的甲醇和水直接引導(dǎo)通過一管道系統(tǒng)返回到該電池的陽極側(cè)。
盡管冷凝熱交換器已加強環(huán)境和加壓的燃料電池動力裝置的水平衡及能效時，該熱量交換器在環(huán)境溫度升高時遭遇降低的水恢復(fù)效率。當(dāng)該動力裝置用于例如汽車的運輸車輛時，該動力裝置將被暴露給非常寬范圍的環(huán)境溫度。例如當(dāng)一環(huán)境空氣冷卻流通過一熱量交換器時，該交換器的性能將作為環(huán)境空氣的溫度的一直接函數(shù)而改變，因為當(dāng)環(huán)境空氣溫度升高時，從動力裝置廢氣沉淀出的液體量減少。
已知的被設(shè)計用于運輸車輛的燃料電池動力裝置的另一復(fù)雜狀態(tài)還涉及環(huán)境空氣條件的波動。這樣的裝置的燃料電池通常利用環(huán)境空氣作為引導(dǎo)給陰極的氧化劑。熱且干燥的環(huán)境空氣增加了陰極將干燥的危險。因此，已采取了許多努力以防止特別是在PEM燃料電池中的陰極和相鄰電解質(zhì)的干燥，包括自熱量交換器引導(dǎo)液態(tài)冷凝物以濕潤進入該電池的氣態(tài)反應(yīng)物和氧化劑流；加上多孔支持層和與電極進行流體連通的水傳輸板用于移送冷卻水通過相鄰電池；及在電池的陽極側(cè)上生成一壓差，其中以輕微高于冷卻水的壓力保持氣態(tài)還原流體且陽極提供水通過相鄰于還原氣體分布通道的多孔支持層以使該壓差幫助水傳輸通過該多孔支持層和電池。這些對保持有效的水平衡的努力涉及附加的成本、重量和體積，且經(jīng)常需要復(fù)雜的控制設(shè)備。
已知的燃料電池動力裝置中保持水平衡的問題與將碳氫化合物燃料，例如甲烷、天然氣、汽油、柴油處理成提供富氫流體給陽極的一適當(dāng)?shù)倪€原流體所需的元件相關(guān)聯(lián)。燃料電池動力裝置的這樣的燃料處理元件通常包括一生成蒸汽的輔助燃燒器；碳氫化合物燃料噴射進的一蒸汽傳輸管；和接收該蒸汽、燃料混合物和少量空氣并將該混合物轉(zhuǎn)變成適合傳輸給燃料電池的陽極的氫濃化的還原流體的一自熱重整裝置。這些燃料處理元件還包括是該燃料電池動力裝置的整體水平衡和能量要求的部分的水和能量要求。在輔助燃燒器的蒸汽發(fā)生器中變成蒸汽的水必須由自該裝置恢復(fù)的水，例如通過在陰極廢氣中的冷凝熱交換器及相關(guān)管路所恢復(fù)的水所替換。另外，還支持該輔助燃燒器和自熱重整裝置的處理氧化劑流必須被保持在一穩(wěn)定的濕度范圍內(nèi)以防止這些元件的性能發(fā)生變化。當(dāng)用于燃料處理元件的氧化劑處理流由環(huán)境空氣提供時，濕潤這些流以穩(wěn)定這些燃料處理元件的性能使得這樣一燃料電池動力裝置的自足水平衡的保持復(fù)雜化。
因此，由于上述它們的特性，已知的加壓的裝置和采用環(huán)境空氣作為陰極氧化劑或采用環(huán)境空氣用于冷凝熱交換器和/或燃料處理元件的裝置不能夠使有效的水平衡最大化而使工作能量要求最小化。因此，非常期望提供一種對于整個動力裝置實現(xiàn)有效的水平衡并使動力裝置的工作能量要求最小化的燃料電池動力裝置。
發(fā)明概述本發(fā)明是一種直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置。該動力裝置包括兩主要元件至少一燃料電池和一直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置。該燃料電池包括一具有相對的第一和第二主表面的電解質(zhì)；由一多孔陽極支持層支持的與第一主表面緊密接觸的一陽極和由一多孔陰極支持層支持的與第二主表面緊密接觸的一陰極；以在約環(huán)境壓力下流過與陽極接觸的陽極支持層的一富氫還原流體流；及例如空氣的一氧化劑流，該氧化劑流在約環(huán)境壓力下流過與陰極接觸的陰極支持層以提供氧化劑給陰極并通過蒸發(fā)及輸送進陰極廢氣來去除在陰極形成的生成物水以及來自陽極通過電解質(zhì)攜帶的水或在氧化劑流中的任何濕潤性水。該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置傳送與該電池的下游陰極廢氣有質(zhì)量傳遞關(guān)系的該燃料電池的上游的氧化劑流以使由陰極廢氣采集的例如水的質(zhì)量直接通過該質(zhì)量及熱量傳遞裝置的一傳輸介質(zhì)傳送進進入該電池的氧化劑流，從而濕潤并增加熱量給進入電池的氧化劑流。該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置包括一用于支持與該陰極廢氣和氧化劑輸入流有質(zhì)量傳遞關(guān)系的該傳輸介質(zhì)以使這些流與該傳輸介質(zhì)相接觸的分離器殼，且該分離器殼防止了這些流的大容積混合。該傳輸介質(zhì)可包括用于吸收來自包含有極性和非有極分子的流體物質(zhì)的流體流的，由例如水分子的有極分子組成的流體物質(zhì)的任何種材料。一示例性傳輸介質(zhì)包括一水飽和的聚氟磺酸離聚物膜。
在一替代性實施例中，本發(fā)明的動力裝置還包括用于將碳氫化合物燃料處理成適合于提供燃料給陽極的富氫還原流體的元件。該燃料處理元件包括一輔助燃燒器和一自熱重整裝置，該輔助燃燒器提供熱量給一蒸汽發(fā)生器，該自熱重整裝置接收與該碳氫化合物燃料和小量空氣混合的蒸汽并將其轉(zhuǎn)換成現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的適合于提供氫給陽極的富氫流。在這樣一實施例中，該直接質(zhì)量和熱量傳遞裝置還傳送進入輔助燃燒器和自熱重整裝置的與陰極廢氣有質(zhì)量傳遞關(guān)系的處理流以傳遞例如水蒸汽的質(zhì)量及熱量給進入該輔助燃燒器和自熱重整裝置的這些流。在另一實施例中，該燃料電池的電解質(zhì)是一質(zhì)子交換膜(“PEM”)。
在該直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置的使用中，因為該質(zhì)量直接從陰極廢氣傳遞入進入該動力裝置的氧化劑流，該氧化劑流對該質(zhì)量且因此熱量的攝入率不單獨是環(huán)境空氣溫度或濕度的函數(shù)，而是在進入該動力裝置的氧化劑流中的質(zhì)量和排出該裝置的陰極廢氣中的質(zhì)量之間的部分壓差的函數(shù)。因此本發(fā)明相比與使用環(huán)境空氣冷卻的冷凝熱交換器(其具有主要是環(huán)境溫度的函數(shù)的一水恢復(fù)率)的一動力裝置，允許更多的水恢復(fù)。通過本發(fā)明，如果環(huán)境空氣溫度升高，為了最佳的裝置效率從陰極廢氣傳遞給進入的氧化劑流所要求的熱量減少，然而，該直接傳遞裝置的的傳遞容量保持恒定。另外，不需要復(fù)雜的、笨重的且成本較高的冷凝熱交換和/或電池加壓設(shè)備，從而提高了該動力裝置的水平衡和能量效率同時降低重量、體積和成本。
因此，本發(fā)明的一主要目的在于提供一種克服了現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池動力裝置的缺陷的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置。
本發(fā)明的一更加具體的目的在于提供一種在廣闊范圍的工作條件下水自足的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，該裝置將其排出的水和熱量返回給其而不加壓其內(nèi)的流體流且不采用冷凝熱交換器。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，該裝置將其排出的質(zhì)量和熱量直接傳遞回給進入其的燃料電池的氧化劑流以濕潤并加熱這些流。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，該裝置恢復(fù)自其排出的在陰極廢氣中的水以將水作為反應(yīng)物提供給用于處理由其利用的碳氫化合物燃料的元件。
通過以下參照附圖進行描述，本發(fā)明的這些及其他目的和優(yōu)點將變得更加顯見。
附圖簡述

圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的一種直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置的概略性示意圖；圖2是利用用于將碳氫化合物燃料處理成適合于燃料電池的燃料的元件的圖1的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置的概略性示意圖。
優(yōu)選實施例的描述現(xiàn)詳細地參見附圖，示出了本發(fā)明的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置并總地用參考數(shù)字10表示。如圖1所示，該動力裝置10包括至少一燃料電池12和一直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置14。該燃料電池12包括一具有第一主表面18和一相對的第二主表面20的電解質(zhì)16，例如質(zhì)子交換膜(“PEM”)或一酸或堿電解質(zhì)；由一多孔陽極支持層24支持的與電解質(zhì)16的第一主表面18緊密接觸的一陽極22和由一多孔陰極支持層28支持的與電解質(zhì)16的第二主表面20緊密接觸的一陰極26。該陽極和陰極多孔支持層24、28可由多孔或通道化的石墨、碳或金屬片形成。燃料電池可以眾所周知的方式與其他看上去相同的燃料電池組合成一疊。如現(xiàn)有技術(shù)中所公知的，燃料電池12可被包圍在一結(jié)構(gòu)30內(nèi)，該結(jié)構(gòu)30確定了用于將還原流體和氧化劑流引入及引出該電池的若干管路，且該結(jié)構(gòu)30還包括用于將由該燃料電池生成的電流引出該電池并例如通過一標(biāo)準(zhǔn)的外部負載電路34傳到一用電裝置32。
例如空氣的一氧化劑流被從一氧化劑源36通過一主氧化劑通路38(其將一氧化劑流傳入多孔陰極支持層28)引入燃料電池12以使該氧化劑與陰極26接觸以將氧化劑提供電極26用于方便在該陰極的電化學(xué)反應(yīng)并通過蒸發(fā)和/或夾帶在陰極26形成的水以及來自陽極22通過電解質(zhì)16攜帶的水或該氧化劑流中的任何增濕水來吹入該氧化劑流。然后該氧化劑流傳出該陰極支持層28作為一陰極排氣通路40內(nèi)的陰極廢氣。從一還原流體提供源42引導(dǎo)一還原流體流通過一還原流體入口44進入該多孔陽極支持層24以使例如氫氣的還原流體與陽極22接觸。以眾所周知的方式，該還原流體在陽極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以生成質(zhì)子和電子，其中這些電子流過外部負載電路34以驅(qū)動例如向運輸車輛供電的一電機的電裝置32，而這些質(zhì)子通過電解質(zhì)16到陰極26。這些電子然后繼續(xù)通過電路34到陰極，在那里這些電子與氧化劑反應(yīng)以形成水和熱量。
該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置14被固定與主氧化劑通路38和陰極排氣通路40兩者流體連通。該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置14包括一傳遞介質(zhì)裝置46，用于吸收由第一流體流內(nèi)的有極分子組成的一流體物質(zhì)，并用于解吸該所吸收的流體進入具有比第一流低的比例的由有極分子組成的流體物質(zhì)，其中第一流體流例如是包括水蒸汽和/或夾帶的流體濕氣(是由有極分子組成的流體物質(zhì))和空氣(是由非有極分子組成的流體物質(zhì))。示例性的傳遞介質(zhì)包括離子交換樹脂的或離聚物膜例如美國特拉華州的威明頓的E.I.DuPont公司銷售的商標(biāo)為“NAFION”的水飽和的聚氟磺酸離聚物膜的一液態(tài)水部分或由美國新澤西州湯姆斯河的Perma Pure公司銷售的商標(biāo)為“ME-SERIES MOISTURE ECCHANGERS”的上述“NAFION”膜制成的管的一液態(tài)水部分。一附加的傳遞介質(zhì)包括可從氣態(tài)流吸收濕氣且可解吸濕氣進入氣態(tài)流的干燥材料，例如精細粉末狀的固體、結(jié)晶堿金屬或包括活性炭、硅膠、活性鋁土及沸石的堿土金屬復(fù)合物，如1996年授權(quán)給Belding等人的美國專利5,542,968中的第5欄第9行至第6欄第17行中詳細所述的，該美國專利被結(jié)合在此作為參考。
該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置14還包括分離器殼裝置48，用于支持與陰極廢氣和氧化劑輸入流有質(zhì)量傳遞關(guān)系的傳遞介質(zhì)裝置46以使兩流接觸該質(zhì)量傳遞介質(zhì)裝置46且該分離器殼裝置48防止陰極廢氣和氧化劑輸入流的大容積混合。示例性的分離器殼裝置48可包括一支持在輸入室50和排出室52之間的傳遞介質(zhì)裝置46的殼(在圖1和圖2中用參考數(shù)字48概略性地表示)。氧化劑輸入流從氧化劑源36通過氧化劑饋送線路54進入輸入室50并通過輸入室50進入主氧化劑通路38，而陰極廢氣則從陰極廢氣通路40傳入排出室52并通過排出室52經(jīng)與排出室52流體連通的裝置排氣口56排出該裝置10。另外的分離器殼裝置48可包括更加復(fù)雜的殼，其被構(gòu)成為增強輸入氧化劑和陰極廢氣對該質(zhì)量傳遞介質(zhì)裝置的暴露同時防止這些流的大容積混合例如公知的流體對流體熱量交換器技術(shù)。該分離器殼裝置48的一附加及協(xié)同方面包括支持上述“NAFION”膜材料中的液態(tài)水部分的膜部分和Perma Pure公司銷售的商標(biāo)為“ME-SERIES MOISTURE ECCHANGERS”的支持上述基于“NAFION”的管中液態(tài)水的管部分。在這樣一分離器殼裝置48中，基于“NAFION”的質(zhì)量傳遞介質(zhì)裝置以現(xiàn)有技術(shù)中公知的方式，將選擇地從具有最大濃度的由有極分子組成的流體物質(zhì)的膜的一側(cè)將由有極分子組成的流體物質(zhì)例如水蒸汽或夾帶的流體濕氣傳遞給具有較低濃度的一側(cè)。
另一示例性分離器殼裝置包括有旋轉(zhuǎn)配置在一裝滿濕氣的廢氣和一干的輸入流之間的支持上述干燥質(zhì)量傳遞介質(zhì)裝置的焓掄(enthalpy wheel)，如在上述美國專利5,542,968中的第4欄第35行至第5欄第4行中更詳細所述的。該輪包括多個總地平行于該輪的旋轉(zhuǎn)軸延伸的開口的通路，其中這些通路通常通過圍繞該輪的中央轂纏繞包括該質(zhì)量傳遞介質(zhì)干燥劑的一平坦片的波紋紙直至構(gòu)筑延伸至支持該輪的一盒的外部殼的多層介質(zhì)。這些焓輪在建筑空調(diào)技術(shù)中是眾所周知的，如在1997年8月26日授權(quán)給Bedding等人的美國專利5,660,048中所述的，該專利被結(jié)合在此作為參考。作為一分離器殼裝置，該焓輪將被支持以繞平行于通過輸入室50和排出室52的流的一軸轉(zhuǎn)動，以使陰極廢氣通過該輪的約一半同時氧化劑輸入流通過該輪的另一半。在排出室52內(nèi)的該輪的第一部分上的傳遞介質(zhì)裝置干燥劑將吸收有有極分子組成的流體物質(zhì)例如來自陰極廢氣的水蒸汽或夾帶的液態(tài)濕氣，且當(dāng)該輪轉(zhuǎn)動到該輪第一部分進入輸入室50的位置時，如果由該輸入氧化劑流內(nèi)的有極分子組成的流體物質(zhì)的濃度低于由該陰極廢氣內(nèi)的流體分子組成的流體物質(zhì)的濃度時，該吸收的由干燥劑保持的有極分子流體物質(zhì)將被解吸進入該氧化劑輸入流以增濕并加熱該氧化劑流。
如圖1所示，該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置10可還包括一位于氧化劑饋送線上的鼓風(fēng)機58以可變地加速氣態(tài)氧化劑流入該裝置10。任選地，該鼓風(fēng)機58可為相同目的沿主氧化劑通路38被定位。然而，強調(diào)的是該鼓風(fēng)機具有僅輕微地將氧化劑的工作壓力升高到從大氣壓力至在大氣壓力以上約1.0 P.S.I.A.的范圍或從約14.7P.S.I.A至約15.7 P.S.I.A的范圍。
如圖2所示，該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置10可還包括燃料處理元件裝置，用于將碳氫化合物燃料處理成適合于提供燃料給一燃料電池的陽極的還原流體。用于驅(qū)動這樣一裝置10的碳氫化合物燃料包括汽油、柴油、丁烷、丙烷、天然氣、甲醇、乙醇等。
在圖2中，與圖1中概略性的裝置1O相同的裝置10的元件用相同的參考數(shù)字表示。如圖2所示，該燃料處理元件裝置可包括一輔助燃燒器60(為方便在圖2中用標(biāo)號“AUX.BURNER”表示)，燃燒從陽極支持層24和電池結(jié)構(gòu)30通過線路62饋送給燃燒器60的燃料，包括例如氫氣的任何過余的還原流體；一蒸汽發(fā)生器64(在圖2中用標(biāo)號“STEM”表示)，直接從燃燒器經(jīng)熱導(dǎo)管66接收熱量以自提供的水生成蒸汽；一重整裝置68?？梢允亲詿嶂卣b置(在圖2中用標(biāo)號“A.T.R.”表示)，通過蒸汽管線70接收來自蒸汽發(fā)生器64的混合有碳氫化合物燃料的蒸汽；一碳氫化合物燃料提供源72(在圖2中用標(biāo)號“FUEL”表示)，通過燃料管線74將該燃料提供給該蒸汽管線；和一重整的燃料排放管線75，將來自自熱重整裝置68的重整的燃料引導(dǎo)進入還原流體入口44。該燃料處理元件裝置還可包括在常規(guī)的各種化學(xué)復(fù)合物的蒸汽重整、自熱重整、及部分氧化重整中眾所周知的元件(所有這些重整包括有一重整裝置)。
如圖2所示，當(dāng)裝置10包括這些燃料處理元件時，將氧化劑流提供給陰極支持層的主氧化劑通路38可被分開以包括一第二氧化劑通路76，其將一部分氧化劑輸入流引入這些燃料處理元件裝置例如引入蒸汽管線70以變成用于自熱重整裝置的處理氧化劑以使通過質(zhì)量傳遞裝置14自陰極廢氣恢復(fù)的進入氧化劑流的例如水蒸汽的質(zhì)量和熱量的一部分被引入進入自熱重整裝置的該蒸汽和燃料混合物。以此方式，輔助燃燒器60和蒸汽發(fā)生器64的整個熱量和蒸汽要求被減少。
為進一步支持這些燃料處理元件，主氧化劑通路38可被進一步分成包括一第三氧化劑通路78，其將一部分氧化劑輸入流引入輔助燃燒器60以變成用于燃燒器60的處理氧化劑，從而將通過質(zhì)量傳遞裝置14自陰極廢氣傳遞的例如水蒸汽的一些質(zhì)量和熱量引入燃燒器60以有效地降低燃燒器60的能量需求且將自該裝置陰極廢氣恢復(fù)的水引入裝置10以有效地補充蒸汽發(fā)生器64內(nèi)的水并加強裝置10的水自足。這些燃料處理元件是相對常規(guī)的設(shè)計，在化學(xué)處理技術(shù)中是眾所周知的，其中需要從普通的碳氫化合物源生成富氫流體。例如，這些處理中的自熱重整裝置通常燃燒在燃料一蒸汽混合物中的接收的一部分燃料以達到近似1700華氏度(以下成為“°F”)。在這些重整處理中眾所周知的地將自熱重整裝置生成物氣體傳送通過水轉(zhuǎn)移反應(yīng)器79且然后一選擇性氧化器81且然后進入還原流體入口44以使該入口44中的還原流體流包括氫氣和二氧化碳，帶有非常少量的一氧化碳。
在該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置10的一附加實施例中，可包括冷卻水循環(huán)裝置，用于將自燃料電池12恢復(fù)的水重循環(huán)給這些燃料處理元件以進一步加強裝置的水自足。該冷卻水循環(huán)裝置包括一相鄰于該陰極支持層28的一細孔水板80，用于吸收在陰極形成的水和/或傳送通過電解質(zhì)16的水；和一冷卻水管線82，其將該多孔水板80中的水引入這些燃料處理元件裝置以使進入蒸汽發(fā)生器64以進一步補償蒸汽發(fā)生器的供水。從圖2中可見，一些水然后傳送通過蒸汽管線70進入自熱重整裝置68，并自其通過重整的燃料排放管線75和還原流體入口44返回進入陽極支持層24，且然后可傳送通過電解質(zhì)16并返回進入該多孔水板80以完成該冷卻水循環(huán)裝置的一“循環(huán)”。該冷卻水循環(huán)裝置可還包括一相鄰于該陽極支持層24的細孔水板，且在一疊中的各電池之間以這樣一順序，如1996年8月26日授權(quán)給Meyer等人的美國專利5,505,944中所述，該美國專利由本發(fā)明的受讓人擁有且被結(jié)合在此作為參考。
如圖1所示的該該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置10的性能的設(shè)計評價相比于未采用一質(zhì)量傳遞裝置14的燃料電池動力裝置，具有數(shù)據(jù)論證上的實質(zhì)性優(yōu)點。該設(shè)計評價采用具有具有每小時約160磅水的水傳遞速率的基于“NAFION”膜作為一分離器殼中的傳遞介質(zhì)，其傳遞與一陰極廢氣有質(zhì)量傳遞關(guān)系的一氧化劑輸入流。為設(shè)計評價的目的，該燃料電池具有50kw的功率容量。該氧化劑流在15.4PSIA壓力下、以190CFM的流速、77°F的溫度、和低于32°F的露點離開鼓風(fēng)機58。在排出該質(zhì)量傳遞裝置后，主氧化劑通路38內(nèi)的氧化劑流在147°F下被飽和。陰極廢氣通路40內(nèi)的陰極廢氣帶有152°F的露點，以190°F離開燃料電池12并進入該質(zhì)量傳遞裝置14；且該陰極流然后以152°F的溫度和95°F的露點、及216CFM的流速離開該質(zhì)量傳遞裝置14作為裝置廢氣。
通過比較主氧化劑通路38和鼓風(fēng)機58之間的氧化劑流的特性顯見，該直接質(zhì)量傳遞裝置14實質(zhì)地提高了進入陰極支持層28的氧化劑流的濕度和熱含量，實際上不消耗裝置10的能量，且沒有等液態(tài)冷凝物引回到陰極輸入流的輔助傳送或控制設(shè)備。構(gòu)成該直接質(zhì)量傳遞裝置10的這些元件是由現(xiàn)有技術(shù)公知的常規(guī)材料制成，除了在此詳細描述的材料。例如傳遞介質(zhì)裝置以外。
盡管相對于具體的構(gòu)成和使用該直接質(zhì)量傳遞燃料電池動力裝置的方法對本發(fā)明進行了描述和圖示，可以理解本發(fā)明并不限于所述的實施例。例如，盡管相對于燃料電池的水需求，使用PEM作為電解質(zhì)，將理解在該裝置中可采用對于已知燃料電池所共有的任何電解質(zhì)。因此，應(yīng)主要參照后附的權(quán)利要求書而非上述內(nèi)容來確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，用于從一還原流體和氧化劑流體生成電能，該動力裝置包括a．至少一燃料電池，包括?。哂械谝恢鞅砻婧拖鄬Φ牡诙鞅砻娴囊浑娊赓|(zhì)；和ⅱ．由一多孔陽極支持層支持的與該電解質(zhì)的第一主表面緊密接觸的一陽極和由一多孔陰極支持層支持的與該電解質(zhì)的第二主表面緊密接觸的一陰極，其中該多孔陽極支持層傳送一還原流體流與該陽極接觸且該多孔陰極支持層傳送該氧化劑流與該陰極接觸；b．一主氧化劑通路，在約環(huán)境壓力下將來自一氧化劑提供裝置的氧化劑輸入流傳送入該多孔陰極支持層；c．一陰極排氣通路，將陰極廢氣排出該多孔陰極支持層；及d．被固定與該主氧化劑通路和該陰極排氣通路流體連通的一直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置，包括ⅰ．一傳遞介質(zhì)裝置，用于吸收該陰極廢氣內(nèi)的由有極分子組成的流體物質(zhì)并用于解吸由有極分子組成的該流體物質(zhì)進入該氧化劑輸入流；及ⅱ．一分離器殼裝置，用于支持與該陰極廢氣和該氧化劑輸入流有質(zhì)量傳遞關(guān)系的該傳遞介質(zhì)裝置以使兩流接觸該質(zhì)量傳遞介質(zhì)裝置，并用于防止該陰極廢氣和氧化劑輸入流的大容積混合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該傳遞介質(zhì)裝置包括一離聚物膜的一液體水部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該分離器殼裝置包括支持該離聚物膜的液體水的膜部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該傳遞介質(zhì)裝置包括離聚物膜管的一液體水部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該分離器殼裝置包括支持該離聚物膜管中的液體水的管部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該傳遞介質(zhì)裝置包括一干燥劑材料，可吸收一氣態(tài)流中的濕氣且可將濕氣解吸入一氣態(tài)流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該分離器殼裝置包括一焓輪，其支持多個通路中的干燥劑材料，該多個通路通常與該焓輪的轉(zhuǎn)動軸平行且該焓輪被轉(zhuǎn)動地支持在該分離器殼裝置的輸入室和排出室內(nèi)以使該輪繞一軸轉(zhuǎn)動以直接將自該廢氣吸收的濕氣傳遞給該氧化劑輸入流，該軸平行于通過該輸入室的氧化劑輸入流和通過該排出室的陰極廢氣的流動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該電解質(zhì)是一質(zhì)子交換膜。
9.一種直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，用于從一還原流體和氧化劑流體生成電能，該動力裝置包括a．至少一燃料電池，包括?。哂械谝恢鞅砻婧拖鄬Φ牡诙鞅砻娴囊浑娊赓|(zhì)；和ⅱ．由一多孔陽極支持層支持的與該電解質(zhì)的第一主表面緊密接觸的一陽極和由一多孔陰極支持層支持的與該電解質(zhì)的第二主表面緊密接觸的一陰極，其中該多孔陽極支持層傳送一還原流體流與該陽極接觸且該多孔陰極支持層傳送該氧化劑流與該陰極接觸；b．燃料處理元件裝置，用于將碳氫化合物燃料處理成富氫還原流體，適合于提供燃料給陽極；c．一主氧化劑通路，將來自一氧化劑提供裝置的氧化劑輸入流傳送入該多孔陰極支持層；d．一第二氧化劑通路，其將一部分氧化劑輸入流傳入該燃料處理元件裝置作為用于該燃料處理元件裝置的處理氧化劑；e．一陰極排氣通路，將陰極廢氣排出該多孔陰極支持層；及f．被固定與該主和第二氧化劑通路及該陰極排氣通路流體連通的一直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置，包括?。粋鬟f介質(zhì)裝置，用于吸收該陰極廢氣內(nèi)的由有極分子組成的流體物質(zhì)并用于解吸由有極分子組成的該流體物質(zhì)進入該氧化劑輸入流；及ⅱ．一分離器殼裝置，用于支持與該陰極廢氣和該氧化劑輸入流有質(zhì)量傳遞關(guān)系的該傳遞介質(zhì)裝置以使兩流接觸該質(zhì)量傳遞介質(zhì)裝置，并用于防止該陰極廢氣和氧化劑輸入流的大容積混合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該燃料處理元件裝置包括一輔助燃燒器，其提供熱量給一蒸汽發(fā)生器；一重整裝置，其通過該蒸汽發(fā)生器和該重整裝置之間的一蒸汽管線接收來自該蒸汽發(fā)生器的混合有碳氫化合物燃料的蒸汽；一碳氫化合物燃料的提供源，其將碳氫化合物燃料饋送進該蒸汽管線；和一重整燃料排出管線，其將重整的燃料引入該陽極支持層，且其中該第二氧化劑通路將該氧化劑輸入流的一部分引入該蒸汽管線。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該裝置包括與該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置流體連通的一第三氧化劑通路，其將該氧化劑流的一部分傳送入該輔助燃燒器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該傳遞介質(zhì)裝置包括一離聚物膜的一液體水部分且該分離器殼裝置包括支持該離聚物膜的該液體水的膜部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該該傳遞介質(zhì)裝置包括離聚物膜管的一液體水部分且該分離器殼裝置包括支持該些離聚物膜管中的該液體水的管部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該傳遞介質(zhì)裝置包括一干燥劑材料，可吸收一氣態(tài)流中的濕氣且可解吸濕氣進入一氣態(tài)流。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該分離器殼裝置包括一焓輪，其支持多個通路中的干燥劑材料，該多個通路通常與該焓輪的轉(zhuǎn)動軸平行且該焓輪被轉(zhuǎn)動地支持在該分離器殼的輸入室和排出室內(nèi)以使該輪繞一軸轉(zhuǎn)動以直接將自該廢氣吸收的濕氣傳遞給該氧化劑輸入流，該軸平行于通過該輸入室的氧化劑輸入流和通過該排出室的陰極廢氣的流動。
16.根據(jù)權(quán)利要求9的直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置，其中該電解質(zhì)是一質(zhì)子交換膜。
17.一種操作一燃料電池動力裝置用于引導(dǎo)質(zhì)量和熱量的傳遞的方法，該方法包括有步驟a．提供至少一燃料電池，其包括ⅰ．具有第一主表面和相對的第二主表面的一電解質(zhì)；和ⅱ．由一多孔陽極支持層支持的與該電解質(zhì)的第一主表面緊密接觸的一陽極和由一多孔陰極支持層支持的與該電解質(zhì)的第二主表面緊密接觸的一陰極，其中該多孔陽極支持層傳送一還原流體流與該陽極接觸且該多孔陰極支持層傳送該氧化劑流與該陰極接觸；b．在約環(huán)境壓力下通過一主氧化劑通路將來自一氧化劑提供裝置的氧化劑輸入流傳送入該多孔陰極支持層；c．通過一陰極排氣通路將陰極廢氣排出該多孔陰極支持層；及d．通過傳遞該氧化劑輸入流和陰極廢氣與一用于吸收該陰極廢氣內(nèi)的由有極分子組成的流體物質(zhì)并用于解吸由有極分子組成的該流體物質(zhì)進入該氧化劑輸入流的傳遞介質(zhì)相接觸，還通過支持一分離器殼內(nèi)的該質(zhì)量傳遞介質(zhì)，引導(dǎo)與一直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置有質(zhì)量傳遞關(guān)系的氧化劑輸入流和陰極廢氣以使兩流接觸該質(zhì)量傳遞介質(zhì)且防止兩流大容積混合在一起。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的操作燃料電池動力裝置的方法，還包括有步驟通過一第二氧化劑通路將該氧化劑輸入流的一部分傳遞進該裝置的燃料處理元件作為用于該燃料處理元件的處理氧化劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的操作燃料電池動力裝置的方法，還包括有步驟通過第二氧化劑通路將一部分氧化劑輸入流傳送入一蒸汽管線，該蒸汽管線提供蒸汽和碳氫化合物燃料給該裝置的一重整裝置并通過一第三氧化劑通路將一部分氧化劑輸入流傳送給一輔助燃燒器，該輔助燃燒器提供熱量給該裝置的一蒸汽發(fā)生器。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的操作燃料電池動力裝置的方法，還包括有步驟通過傳遞該氧化劑輸入流和該陰極廢氣與一離聚物膜的一液體水部分接觸，以質(zhì)量傳遞關(guān)系引導(dǎo)該氧化劑輸入流和陰極廢氣。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的操作燃料電池動力裝置的方法，還包括有步驟通過傳遞該氧化劑輸入流和該陰極廢氣與一離聚物交換管的一液體水部分接觸，以質(zhì)量傳遞關(guān)系引導(dǎo)該氧化劑輸入流和陰極廢氣。
全文摘要
本發(fā)明是一種直接質(zhì)量及熱量傳遞燃料電池動力裝置。該動力裝置包括兩主要元件:至少一燃料電池和一直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置,該燃料電池包括一具有相對的第一和第二主表面的電解質(zhì);由一多孔陽極支持層支持的與第一主表面緊密接觸的一陽極和由一多孔陰極支持層支持的與第二主表面緊密接觸的一陰極;以在約環(huán)境壓力下流過與陽極接觸的陽極支持層的一富氫還原流體流;及例如空氣的一氧化劑流,該氧化劑流在約環(huán)境壓力下流過與陰極接觸的陰極支持層以提供氧化劑給陰極并通過蒸發(fā)及輸送去除在陰極形成的陰極廢氣生成物水以及來自陽極通過電解質(zhì)攜帶的水或在氧化劑流中的任何濕潤性水。該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置傳送與該電池的下游陰極廢氣有質(zhì)量傳遞關(guān)系的該燃料電池的上游的氧化劑流以使由陰極廢氣采集的例如水的質(zhì)量直接通過該質(zhì)量及熱量傳遞裝置的一傳輸介質(zhì)傳送進進入該電池的氧化劑流,從而濕潤并增加熱量給進入電池的氧化物流。該直接質(zhì)量及熱量傳遞裝置包括一用于支持與該陰極廢氣和氧化劑輸入流有質(zhì)量傳遞關(guān)系的該傳輸介質(zhì)以使這些流與該傳輸介質(zhì)相接觸的分離器殼,且該分離器殼防止了這些流的大容積混合。該傳輸介質(zhì)可包括用于吸收來自包含有極性和非有極分子的流體物質(zhì)的流體流的,由例如水分子的有極分子組成的流體物質(zhì)的任何種材料。一示例性傳輸介質(zhì)包括一水飽和的聚氟磺酸離聚物膜。
文檔編號H01M8/10GK1304557SQ99807002
公開日2001年7月18日 申請日期1999年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月3日
發(fā)明者托馬斯·F·富勒, 保羅·R·馬爾焦特, 萊斯利·L·萬迪 申請人:國際燃料電池公司