具有再循環(huán)的燃料電池制造技術

本發(fā)明專利技術公開了用于改善ＰＥＭ燃料電池電源（１０）中水管理的方法和裝置。這種燃料電池電源（１０）包括一個用于燃燒陽極排氣（６０）的燃燒器（６２），以產(chǎn)生一種含有水的燃燒排氣。燃燒排氣被再循環(huán)到陽極輸入端（２７）和／或陰極輸入端（２９）。再循環(huán)系統(tǒng)（６４）可包括附加裝置，例如用于在再循環(huán)至陽極（２０）之前去除燃燒排氣中一氧化碳的裝置（７７）。一個燃料處理器（７４）熱連接于燃燒器（６２）。本發(fā)明專利技術的優(yōu)點是可以省去用于回收燃燒排氣中的水（２５）的冷凝器（６８），減少了容量或操作頻率，因而降低了燃料電池電源的成本和／或復雜程度。（*該技術在2019年保護過期，可自由使用*）

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種燃料電池電源，特別是涉及燃料電池電源中改善水管理的方法和裝置。
技術介紹
本
中，多種燃料電池被人們熟知，比如固體氧化物燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，磷酸鹽燃料電池以及質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。從概念上說，燃料電池的工作是非常簡單的。電解質(zhì)將陽極與陰極分離，當陽極和陰極分別被導入燃料和氧化劑且電池保持適當溫度時，在陽極和陰極之間產(chǎn)生電。離子物質(zhì)可通過上述電解質(zhì)在陽極和陰極之間游動。反應物是相對簡單和有益的，典型的包括二氧化碳和水，對環(huán)境的影響較小。與其它能源相比較(如內(nèi)燃機)，燃料電池簡單、噪音低、無污染、高效率且直接產(chǎn)生電。然而，實際上燃料電池電源還是比較復雜，燃料電池需要很多硬件的支持，這些硬件通常被設置在一個電池集合組件(CSA)中。上述硬件設備可包括一個熱能管理子系統(tǒng)，以使電池集合組件保持在適當?shù)墓ぷ鳒囟龋灰粋€燃料處理子系統(tǒng)，它包括燃料重整器(reformer)和移相變換器(shift converter)，用于從烴燃料中產(chǎn)生氫燃料；以及一個水管理子系統(tǒng)，用于回收燃料電池工作中產(chǎn)生的水，以減少對外部水的需求。燃料脫硫也是經(jīng)常需要的。這些不同的子系統(tǒng)經(jīng)常是彼此關聯(lián)的，例如熱交換器和排氣冷卻器或冷凝器就是用于將熱量和/或水從一個子系統(tǒng)輸送到另一個子系統(tǒng)。在質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池電源中，水的管理是特別重要的。應該除去在陰極產(chǎn)生的水以免陰極被淹已以及氧化劑在陰極發(fā)生反應。而且水經(jīng)質(zhì)子膜由H+質(zhì)子帶到陰極并加入準備從陰極排除的水中，陽極因此變干。上述陽極的變干或即使陰極因不適當?shù)乃芾矶兏啥紩p壞質(zhì)子交換膜。因此水是在陽極的燃料輸入端加入，在陰極則通過對陰極外部進行受控排氣而被去除。其它一些子系統(tǒng)如燃料重整器是需要水的。水的用量與水的產(chǎn)生剛好平衡，也就是說，電源本身用水自足，而無須外部供水是人們所期望的。水的平衡問題增加了PEM燃料電池電源的復雜程度。如今的燃料電池電源，像基于PEM電池的電源，正是因為其復雜性和相應的成本問題而沒有得到充分應用，例如其在環(huán)保和其它方面的優(yōu)點。這種情況是遠遠不能令人滿意的。傳統(tǒng)的電源如內(nèi)燃機、燃煤或油發(fā)電廠等所產(chǎn)生的環(huán)境問題及其它缺陷依然十分嚴峻。因此本專利技術的目的在于降低燃料電池電源的復雜程度和/或成本。本專利技術的另一個目的是提供一種PEM燃料電池電源中水管理的方法和裝置。其它目的將體現(xiàn)在后面的敘述中。本專利技術的公開為達到上述專利技術目的，本專利技術提供了使燃料電池電源的陽極流場(flow field)的排氣再循環(huán)的方法和裝置。陽極的排氣被提供給一個燃燒器，燃燒的排氣再至少送給該電源的陽極流場和陰極流場的其中一個流場。根據(jù)本專利技術的一個方面，一種由輸入燃料和氧化劑反應劑而產(chǎn)生電的燃料電池電源裝置包括一個電池集合組件(CSA)。該CSA包括至少一個燃料電池，每個燃料電池有一個陽極和一個陰極，陽極和陰極之間有電解質(zhì)。CSA用于確定一個陽極流場，以接收燃料并使陽極暴露于燃料，同時也確定一個陰極流場，以接收氧化劑并使陰極暴露于氧化劑。CSA還用于提供陽極流場的排氣。所述電源包括一個水排除裝置，用來排除陰極流場的水。一個燃燒器用來接收來自陽極流場的排氣，產(chǎn)生一種含水的燃燒排氣，燃燒器(combustionunit)將燃燒排氣與陰極流場和/或陽極流場流體地連通。燃燒器可熱連接到處理輸入燃料的燃料處理器。可選擇的是，來自陰極流場的陰極排氣也可以提供給燃燒器。根據(jù)本專利技術的另一個方面，一個由燃料和氧化劑反應劑產(chǎn)生電的燃料電池電源包括一個電池集合組件(CSA)，該CSA至少包括一個有一個陽極和一個陰極的燃料電池，陽極和陰極之間有一種質(zhì)子交換膜(PEM)。CSA用于確定接收燃料并使燃料暴露于陽極的陽極流場，同時確定接受氧化劑并使氧化劑暴露于陰極的陰極流場。CSA還用于確定冷卻CSA和回收CSA內(nèi)部水的冷卻劑流場。該電源還包括一個燃燒器，用于接收來自陽極流場的排氣并產(chǎn)生含有水的排氣。燃燒器與陽極流場流體地連通，向陽極流場至少提供一部分燃燒排氣。另一方面，燃燒器與陰極流場流體地連通，向陰極流場至少提供一部分燃燒排氣。可選擇的是，來自陰極流場的陰極排氣也可以提供給燃燒器。此外，本專利技術提供了一種操作燃料電池電源的方法，該燃料電池電源由輸入燃料及氧化劑反應劑產(chǎn)生電，它包括一個電池集合組件(CSA)，CSA至少包括一個燃料電池，燃料電池有一個陽極和一個陰極，陽極和陰極之間有電解質(zhì)。這種方法包括提供一個陽極流場，使陽極暴露于燃料；提供一個陰極流場，使陰極暴露于氧化劑；將至少一部分來自陽極流場的陽極排氣輸送給燃燒器；燃燒陽極排氣，以產(chǎn)生含水的燃燒排氣；將燃燒的排氣至少提供給陽極流場和陰極流場的其中之一；以及除去該燃料電池電源中陰極流場的水。通過內(nèi)部水回收裝置可以去除陰極流場的水。此外，該方法可以包括將陰極流場的陰極排氣提供給燃燒器。本專利技術的優(yōu)點在于，省去了用于回收燃燒排氣中的水的冷凝器，減少了容量(capacity)或操作頻率，因此降低了燃料電池電源或其工作的成本和復雜程度。本專利技術的上述及其它特征將進一步體現(xiàn)在后面的詳細描述及附圖中。附圖的簡要說明附圖說明圖1是根據(jù)本專利技術的一種燃料電池電源的示意圖，其中來自陽極流場的排氣被燃燒，燃燒的排氣被導入陰極流場。圖2是根據(jù)本專利技術的一種燃料電池電源的示意圖，其中來自陽極流場的排氣被燃燒，燃燒的排氣被導入陽極流場。圖3表示的是根據(jù)本專利技術的一種燃料電池電源，其中來自陽極流場的排氣被燃燒后，可選擇將其導入陽極流場、陰極流場或兩個流場都導入。實施本專利技術的最佳方式參照圖1，標號10表示本專利技術的燃料電池電源10。該電源包括一個具有燃料電池30的電池集合組件(CSA)14。燃料電池30包括電解質(zhì)21，如質(zhì)子交換膜(PEM)，電解質(zhì)介于陽極20和陰極22之間。正如本領域的普通技術人員所知，燃料電池30可以包括其它介質(zhì)層，如基質(zhì)層(substrate layers)、以及鄰接陽極和陰極的雙層介質(zhì)(bilayers)，為簡單起見，這些在圖1中省略了。如人們所知，CSA14的采用，確定了陽極流場24，以接收來自陽極流場輸入端27的燃料，并使陽極20暴露于燃料。同樣CSA14的采用，還確定了陰極流場28，以便在陰極流場輸入端29接收來自氧化劑輸入流31的氧化劑(如氧氣)，并使陰極22暴露于氧化劑。圖中表示的陽極和陰極流場本領域的普通技術人員都可以看懂，CSA可以用多種方式來確定上述陽極和陰極流場24和28。比較典型的是，CSA包括板形物，板子朝燃料電池30的一側(cè)開有槽溝，可導入適量的燃料流和氧化劑反應劑流。在CSA運行過程中，陽極流場24在輸入端27接收來自燃料輸入端26的燃料(如氫氣)。燃料在送入陽極流場之前可由燃料處理器進行處理，這一點將在后面進一步討論。燃料在陽極20上還原，產(chǎn)生電子和H+離子。H+離子通過電解質(zhì)21游離到陰極22，在那里與氧化劑(如氧氣)結合生成水進入陰極流場28，如圖中的42所示。上述過程是放熱的。陽極20和陰極22之間建立了電位差，在陽極20和陰極22之間跨接一個負載，形成一個完整的外部電路，為陽極產(chǎn)生的電子提供了一個回路。陰極流場的水必須加以適當管理，以防沖淹陰極22和因此妨礙氧氣到達陰極22。通過排氣，陰極流場排氣49可以本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種由燃料和氧化劑反應物產(chǎn)生電的燃料電池電源，包括：一個至少包含一個燃料電池的電池集合組件（ＣＳＡ），所述燃料電池有一個陽極和一個陰極，陽極與陰極之間有電解質(zhì)，所述的ＣＳＡ確定一個接收燃料并使陽極暴露于燃料的陽極流場，向所述陽極流場提供 排氣，而且，所述的ＣＳＡ確定一個接收氧化劑并使陰極暴露于氧化劑的陰極流場；一個水去除裝置，用于從所述的陰極流場去除水，并使水供給該電源使用；以及一個燃燒裝置，接收來自陽極流場的排氣而產(chǎn)生含有水的燃燒排氣，該燃燒裝置流體地連接于所述陽 極流場和所述陰極流場的至少其中之一，以便將至少一部分燃燒排氣提供給所述陽極流場和所述陰極流場的至少其中之一。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：卡爾安東尼賴澤，德良楊，保羅理查德馬爾焦蒂，
申請(專利權)人：UTC燃料電池有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]