專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池動(dòng)力裝置，它適用于運(yùn)輸車(chē)輛、便攜式動(dòng)力裝置、或者固定的動(dòng)力裝置，并且本發(fā)明特別地涉及一種能回收排出動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量(例如，水蒸氣)的燃料電池動(dòng)力裝置，它將物質(zhì)和熱量傳遞返回到動(dòng)力裝置，以增強(qiáng)水的平衡和動(dòng)力裝置的能量效率。
本發(fā)明的背景燃料電池動(dòng)力裝置是眾所周知的，通常用來(lái)從還原和氧化流體產(chǎn)生電能，以便為用電裝置，例如，在太空船上的裝置，提供能量。在這樣的動(dòng)力裝置中，多個(gè)平面燃料電池通常布置成由一種電絕緣框架結(jié)構(gòu)圍成一堆，該結(jié)構(gòu)限定了引導(dǎo)還原劑、氧化劑、冷卻劑和生成物流體流動(dòng)的歧管。每個(gè)獨(dú)立的電池通常包括由電解質(zhì)分隔開(kāi)的一個(gè)陽(yáng)極電極和一個(gè)陰極電極。一種反應(yīng)劑或者還原流體，例如，氫氣，被供給陽(yáng)極。在利用一種質(zhì)子膜作電解質(zhì)的電池中，氫氣在一個(gè)陽(yáng)極電極表面起電化學(xué)反應(yīng)，以產(chǎn)生氫離子和電子。電子被傳導(dǎo)到一個(gè)外部負(fù)載電路，然后返回到陰極電極，而氫離子經(jīng)電解質(zhì)傳遞到陰極電極，在那里，它們與氧化劑和電子反應(yīng)，以產(chǎn)生水并釋放熱能。
這樣的燃料電池的陽(yáng)極和陰極電極靠不同類(lèi)型的電解質(zhì)來(lái)分隔開(kāi)，電解質(zhì)取決于燃料電池的工作環(huán)境的操作要求和限制。一種這樣的電解質(zhì)就是一種質(zhì)子交換膜(“PEM”)電解質(zhì)，該電解質(zhì)由一種現(xiàn)有技術(shù)中公知的固體聚合物組成。其它用在燃料電池中的普通電解質(zhì)包括磷酸或者氫氧化鉀，保持在一層陽(yáng)極和陰極電極之間的多孔非傳導(dǎo)的基質(zhì)內(nèi)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PEM電池與帶酸或者堿電解質(zhì)的電池相比，在滿(mǎn)足特殊操作參數(shù)方面具有實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)镻EM的膜提供了一種在還原流體和氧化劑之間的擋板，它與靠多孔基質(zhì)內(nèi)的毛細(xì)力保持的液體電解質(zhì)相比，更能承受壓差。此外，PEM電解質(zhì)是固定的，不能從電池濾掉，并且，該膜具有一種相當(dāng)穩(wěn)定的保持水的能力。然而，這也是眾所周知的PEM電池具有明顯的限制，特別是涉及液態(tài)水輸送，通過(guò)和離開(kāi)PEM，以及涉及氣態(tài)還原和氧化劑流體同時(shí)輸送到和離開(kāi)與PEM的相對(duì)表面鄰近的電極這類(lèi)情況?，F(xiàn)有技術(shù)為使這些限制的作用減至最小作了多種努力。
在使用PEM的燃料電池的操作中，所述的膜充滿(mǎn)了水，與膜鄰近的陽(yáng)極電極必須保持濕潤(rùn)。在陽(yáng)極電極產(chǎn)生的氫離子經(jīng)電解質(zhì)傳遞時(shí)，它們拖住水分子以水合氫離子形式與它們一起從陽(yáng)極到陰極。水也就靠滲透從陰極傳遞返回陽(yáng)極。在陰極電極形成的水通過(guò)蒸發(fā)或者霧化進(jìn)入一種氧化劑循環(huán)氣態(tài)流而除去，或者，靠毛細(xì)作用進(jìn)入并通過(guò)一鄰近陰極的多孔流體輸送層而除去。多孔水輸送板將液態(tài)水從冷卻水的供給處供給陽(yáng)極電極，從陰極電極除去水，并將水返回到冷卻水供給處，因而，該輸送板也起從電解質(zhì)和電極除去熱量的作用。
在PEM燃料電池的操作中，重要的是在陰極電極產(chǎn)生水的速率與從陰極除去水的速率保持一個(gè)適當(dāng)?shù)乃胶?，并以這一速率將水供給陽(yáng)極電極。燃料電池性能的操作限制，隨著來(lái)自電池的電流進(jìn)入外部負(fù)載電路變化以及電池的操作環(huán)境變化，依靠電池保持水平衡的能力得以確定。對(duì)于PEM燃料電池，假如不充足的水返回到陽(yáng)極電極，PEM電解質(zhì)的鄰近部分將變干，因而，降低了氫離子可以經(jīng)PEM傳遞的速率，也就引起還原流體的交換，導(dǎo)致局部過(guò)熱。類(lèi)似地，假如不充足的水從陰極除去，則陰極電極可以變得溢滿(mǎn)，有效地限制氧化劑供給到陰極，因此降低了電流。此外，假如太多的水靠氧化劑流從陰極除去，則陰極可能變干，限制氫離子經(jīng)PEM通過(guò)的能力，這樣，降低了電池性能。
隨著燃料電池已經(jīng)集成為動(dòng)力裝置，并開(kāi)發(fā)成動(dòng)力運(yùn)輸車(chē)輛，例如，汽車(chē)、卡車(chē)、公共汽車(chē)等，在動(dòng)力裝置內(nèi)保持有效的水平衡，由于多種因素，面臨更大的挑戰(zhàn)。例如，對(duì)于一個(gè)固定的燃料電池動(dòng)力裝置，動(dòng)力裝置失去的水可以靠動(dòng)力裝置之外的水源供給動(dòng)力裝置的水來(lái)補(bǔ)充。然而，對(duì)于一種運(yùn)輸車(chē)輛，為使燃料電池動(dòng)力裝置的重量和空間要求減至最小，動(dòng)力裝置必須保持水的自足，才是可行的。水的自足意味著為了動(dòng)力裝置的有效操作，足夠的水必須保持在動(dòng)力裝置內(nèi)，以補(bǔ)償來(lái)自經(jīng)動(dòng)力裝置通過(guò)的反應(yīng)劑和氧化劑流體流的水的損失。例如，經(jīng)陰極氣態(tài)氧化劑的排氣流或者陽(yáng)極氣態(tài)還原流體的排氣流排出動(dòng)力裝置的任何水必須依靠在陰極電化學(xué)產(chǎn)生的水來(lái)平衡，并保持在動(dòng)力裝置內(nèi)。
一種增強(qiáng)水平衡的有效途徑是采用冷凝在動(dòng)力裝置排氣流下游的熱交換器，其中，排氣流被冷卻到其露點(diǎn)或者以下的溫度，凝結(jié)從排氣流出來(lái)的液體，這樣，該液體可以返回到動(dòng)力裝置。一個(gè)采用冷凝熱交換器的PEM燃料電池的實(shí)例表示在1996,11,12日頒布給范丁等人的美國(guó)專(zhuān)利5,573,866號(hào)中，該專(zhuān)利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，因而可以在此結(jié)合起來(lái)作參考。其它多種采用一個(gè)或者一個(gè)以上冷凝熱交換器的燃料電池動(dòng)力裝置在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，并且它們通常采用周?chē)諝饬髯鳛橐环N經(jīng)交換器通過(guò)的冷卻流體，以冷卻動(dòng)力裝置的排氣流。在范丁等人的方案中，熱交換器用來(lái)冷卻排出陰極腔的排氣流，陰極腔罩住陰極電極。在進(jìn)入陰極罩之前，同樣的氣流提供空氣，作為陰極電極的氧化劑，并且由于離開(kāi)陰極腔，該氣流包括蒸發(fā)的生成水和一部分甲烷，還原流體，它流過(guò)PEM。冷凝熱交換器通過(guò)陰極排氣流與冷卻周?chē)諝鈿饬餍纬蔁峤粨Q關(guān)系，然后，引導(dǎo)冷凝甲烷和水直接通過(guò)一個(gè)管系返回到電池的陽(yáng)極一側(cè)。
盡管冷凝熱交換器已經(jīng)增強(qiáng)了燃料電池動(dòng)力裝置的水平衡能力和能量效率，但熱交換器遇到了隨周?chē)鷾囟壬?，水回收效率降低的?wèn)題。在動(dòng)力裝置為運(yùn)輸車(chē)輛，例如，汽車(chē)，提供動(dòng)力的場(chǎng)合，動(dòng)力裝置將暴露在一個(gè)周?chē)鷾囟忍貏e寬的范圍。例如，在周?chē)諝饫鋮s氣流經(jīng)一個(gè)熱交換器通過(guò)的場(chǎng)合，交換器的性能將隨周?chē)諝鉁囟鹊闹苯幼饔枚兓驗(yàn)閺膭?dòng)力裝置排氣流出來(lái)的液體凝結(jié)量隨周?chē)諝鉁囟壬叨档汀?br> 設(shè)計(jì)用于運(yùn)輸車(chē)輛的已有燃料電池動(dòng)力裝置的另一復(fù)雜性還涉及到周?chē)諝鈼l件的波動(dòng)。這類(lèi)動(dòng)力裝置的燃料電池通常利用周?chē)諝庾鳛橐腙帢O電極的氧化劑。熱和干的周?chē)諝庠黾恿岁帢O電極將變干的危險(xiǎn)。結(jié)果是，為防止(特別是PEM燃料電池中的)陰極電極和鄰近電解質(zhì)變干，已經(jīng)采取了多種努力，包括引導(dǎo)來(lái)自熱交換器的冷凝物，以加濕進(jìn)入電池的氣態(tài)反應(yīng)劑和氧化劑流；添加多孔支持層和水輸送板與電極流體連通，以便冷卻水經(jīng)鄰近電池運(yùn)動(dòng)；以及在電池的陽(yáng)極一側(cè)產(chǎn)生一個(gè)壓差，其中，氣態(tài)還原流體與經(jīng)多孔支持層通過(guò)的冷卻水和陽(yáng)極供給水相比，保持較高的壓力，支持層與還原氣體分配通道鄰近，這樣，壓差有助于經(jīng)多孔支持層和電池輸送水。在保持有效的水平衡方面的這些努力帶來(lái)了附加的成本、重量和體積，以及經(jīng)常要求復(fù)雜的控制裝置。
在已有的燃料電池動(dòng)力裝置中保持水的平衡的進(jìn)一步問(wèn)題與將烴燃料，例如甲烷，天然氣，汽油，柴油等處理成一種合適的還原流體的必需的元件有關(guān)，它提供一種富氫流體給陽(yáng)極電極。燃料電池動(dòng)力裝置的這些燃料處理元件通常包括一個(gè)輔助燃燒器，以產(chǎn)生蒸汽；一根蒸汽導(dǎo)管，烴燃料噴入其中；和一個(gè)轉(zhuǎn)化器，該轉(zhuǎn)化器接收含有少量工作氧化劑(例如，空氣)的蒸汽和燃料混合物，并將該混合物轉(zhuǎn)變成一種富氫的還原流體，這些還原流體適合于輸送到燃料電池的陽(yáng)極電極。這些燃料處理元件還包括水和能量要求，這些是燃料電池動(dòng)力裝置整個(gè)水平衡和能量要求的一部分。在輔助燃燒器的蒸汽發(fā)生器中變成蒸汽的水必須靠從動(dòng)力裝置回收的水來(lái)取代，例如，冷凝在陰極排氣流和相關(guān)管道中的熱交換器。此外，還支持輔助燃燒器和轉(zhuǎn)化器的工作氧化劑流必須保持在一個(gè)穩(wěn)定的濕度范圍內(nèi)，以防止這些元件的性能變化。當(dāng)燃料處理元件的工作氧化劑流由周?chē)諝夤┙o時(shí)，加濕氣流以穩(wěn)定燃料處理元件的性能將進(jìn)一步使保持這種燃料電池動(dòng)力裝置的自足水平衡復(fù)雜化。
據(jù)此，公知的燃料電池動(dòng)力裝置和采用周?chē)諝庾鳛殛帢O氧化劑的動(dòng)力裝置，或者，采用周?chē)諝庖岳淠裏峤粨Q器和/或燃料處理元件的動(dòng)力裝置，由于它們的上述特征，因而都不能使有效的水平衡最大化和操作能量最小化。因此，更高的要求是生產(chǎn)一種燃料電池動(dòng)力裝置，它既能使整個(gè)動(dòng)力裝置達(dá)到有效水平衡的要求又能使動(dòng)力裝置操作能量達(dá)到最小化的要求。
本發(fā)明的公開(kāi)本發(fā)明是一種燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)至少包括一個(gè)燃料電池；烴燃料處理元件，用于產(chǎn)生燃料電池的富氫還原流體；和一種物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置，用于回收離開(kāi)動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量，例如，水蒸氣，并將回收的物質(zhì)和熱量傳遞返回到動(dòng)力裝置中。燃料電池包括一種電解質(zhì)，該電解質(zhì)具有相對(duì)的第一和第二主表面；一個(gè)陽(yáng)極電極，由一個(gè)多孔陽(yáng)極支持層支承，與所述的第一主表面緊密接觸；和一個(gè)陰極電極，由一個(gè)多孔支持層支承，并與所述的第二主表面緊密接觸。多孔陽(yáng)極支持層與陽(yáng)極電極接觸，并通過(guò)一種富氫還原流體氣流，多孔陰極支承層與陰極電極接觸，并通過(guò)一種工作氧化劑氣流，例如，空氣，以提供氧化劑給陰極電極，以及通過(guò)蒸發(fā)和霧化清除生成的水，并使水進(jìn)入陰極排氣流中，這些生成的水在陰極與從陽(yáng)極電極經(jīng)電解質(zhì)攜帶的水或者在氧化劑氣流中的任何加濕水一起形成。燃料處理元件包括一個(gè)輔助燃燒器，提供熱量以產(chǎn)生蒸汽；和一個(gè)轉(zhuǎn)化器，該轉(zhuǎn)化器接收與帶少量空氣的烴燃料混合的蒸汽，并將該混合物轉(zhuǎn)變成一種富氫氣流，該氣流適合供給氫氣給陽(yáng)極電極。
物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置在動(dòng)力裝置的上游通過(guò)工作氧化劑流，與動(dòng)力裝置形成物質(zhì)傳遞關(guān)系，該氣流既包括陰極排氣流又包括陽(yáng)極排氣流，其中，陽(yáng)極排氣流已經(jīng)經(jīng)輔助燃燒器引導(dǎo)，這樣，在動(dòng)力裝置排氣流中的物質(zhì)和熱量，例如，水蒸氣經(jīng)物質(zhì)傳遞裝置的一種物質(zhì)傳遞介質(zhì)直接傳遞到進(jìn)入動(dòng)力裝置的工作氧化劑氣流中。物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置包括一個(gè)分離器罩，用來(lái)支承傳遞介質(zhì)與工作氧化劑氣流和動(dòng)力裝置排氣氣流形成物質(zhì)傳遞關(guān)系，以致于該氣流接觸傳遞介質(zhì)，并且分離器罩防止了氣流的大量混合。傳遞介質(zhì)可以包含多種材料中的任何一種，所述的多種材料吸附一種由極性分子組成的流體物質(zhì)，例如，來(lái)自一種含有極性分子和非極性分子組成的流體物質(zhì)流中的水分子。一種典型的傳遞介質(zhì)包括一種水飽和的聚氟磺酸離聚物膜的液態(tài)水部分。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置從陰極和陽(yáng)極排氣流回收物質(zhì)和熱量，并將物質(zhì)和熱量傳遞到陰極電極和燃料處理元件的工作氧化劑流中。在一個(gè)進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例中，燃料電池的電解質(zhì)是一種質(zhì)子交換膜(“PEM”)。
在燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)的使用中，因?yàn)槲镔|(zhì)直接從陰極和陽(yáng)極排氣流傳遞到進(jìn)入動(dòng)力裝置的工作氧化劑流中，所以，由氧化劑氣流吸收物質(zhì)及其熱量的速率不只是周?chē)諝鉁囟然蛘邼穸鹊暮瘮?shù)，而是進(jìn)入動(dòng)力裝置的氧化劑氣流中的物質(zhì)與排出動(dòng)力裝置的動(dòng)力裝置排氣流中的物質(zhì)之間的部分壓差的函數(shù)。因此，本發(fā)明與采用周?chē)諝饫鋮s的冷凝熱交換器的動(dòng)力裝置相比，可以使水回收更多，后者的水回收速率主要是周?chē)鷾囟鹊淖饔?。采用本發(fā)明，假如周?chē)目諝鉁囟壬?，則對(duì)于為了最佳的動(dòng)力裝置效率，而從陰極和陽(yáng)極排氣流到進(jìn)入氧化劑流的熱傳遞的要求將會(huì)降低，而直接傳遞裝置的物質(zhì)傳遞能力保持不變。此外，復(fù)雜、笨重和成本高的冷凝熱交換元件以及相關(guān)的控制裝置不需要了，因而，增加了動(dòng)力裝置的水平衡和能量效率，從而降低了重量、體積和成本。
因此，本發(fā)明的總的目的是提供一種燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池動(dòng)力裝置的不足。
一個(gè)更具體的目的是提供一種燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)在一個(gè)寬的操作條件范圍內(nèi)水能自足。
另一個(gè)目的是提供一種燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)將排出動(dòng)力裝置的水和熱返回動(dòng)力裝置，而不用冷凝熱交換器。
又一個(gè)進(jìn)一步的目的是提供一種燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)將排出動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量直接傳遞返回動(dòng)力裝置工作氧化劑流，以加濕和加熱氧化劑流。
再一個(gè)具體的目的是提供一種燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)回收在陰極和陽(yáng)極排氣流中排出動(dòng)力裝置的水，將水提供給動(dòng)力裝置所用的處理烴燃料的元件。
結(jié)合附圖，閱讀下面的描述，本發(fā)明的這些和其它目的以及優(yōu)點(diǎn)將變得更加容易清楚。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的一種燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)的示意圖。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式詳細(xì)地參看附圖，本發(fā)明的燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)如圖所示，并用標(biāo)號(hào)10表示。系統(tǒng)10至少包括一個(gè)燃料電池12和一個(gè)物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置14。燃料電池12包括一層電解質(zhì)16，例如，一層質(zhì)子交換膜(“PEM”)或者酸或堿電解質(zhì)，該電解質(zhì)具有一個(gè)第一主表面18和一個(gè)相對(duì)的第二主表面20；一個(gè)陽(yáng)極電極22，由一個(gè)多孔陽(yáng)極支持層24支承，并與電解質(zhì)16的第一主表面18緊密接觸；和一個(gè)陰極電極26，由一個(gè)多孔陰極支持層28支承，并與電解質(zhì)16的第二主表面20緊密接觸。陽(yáng)極和陰極多孔支持層24,28可以由多孔或者帶溝石墨、炭或者金屬板形成。燃料電池12可以與其它基本相同的燃料電池以公知的方式結(jié)合起來(lái)，形成一堆(stack)。在該領(lǐng)域通常是燃料電池12可以封閉在一個(gè)框架或者結(jié)構(gòu)30內(nèi)，該結(jié)構(gòu)30為了引導(dǎo)還原流體和氧化劑的氣流進(jìn)入和排出電池，限定了導(dǎo)流歧管，并且結(jié)構(gòu)30還包括電導(dǎo)裝置，以將電池12出來(lái)的燃料電池產(chǎn)生的電流引導(dǎo)到一個(gè)用電裝置32，例如，流過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的外部負(fù)載電路34。
一種工作氧化劑或者氧化劑進(jìn)氣流(例如，空氣)從一個(gè)氧化劑源36經(jīng)一個(gè)主氧化劑通道38引導(dǎo)進(jìn)入燃料電池12，該通道38使氧化劑氣流流過(guò)而進(jìn)入多孔陰極支持層28，以致于氧化劑與陰極電極26接觸而通過(guò)，以提供氧化劑給電極26，促使陰極電極產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，以及靠蒸發(fā)和/霧化將在陰極電極26上形成的水和從陽(yáng)極電極22經(jīng)電解質(zhì)16攜帶的水或者在氧化劑氣流中的任何加濕水清掃進(jìn)入氧化劑流。工作氧化劑流然后從陰極支持層28出來(lái)，作為在陰極排氣通道40中的陰極排氣流，隨后，由陰極排氣通道引導(dǎo)進(jìn)入一個(gè)動(dòng)力裝置排氣通道42。一股還原流體流被引導(dǎo)經(jīng)一還原流體進(jìn)氣口44進(jìn)入多孔陽(yáng)極支持層24，這樣，還原流體(例如，氫氣)開(kāi)始與陽(yáng)極電極22接觸。在一種公知的方式中，還原流體在陽(yáng)極電極起電化學(xué)反應(yīng)，以產(chǎn)生質(zhì)子和電子，其中，電子通過(guò)外部負(fù)載電路34流動(dòng)，為用電裝置32(例如，為運(yùn)輸車(chē)輛提供動(dòng)力的電機(jī))提供能量，而質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)16移動(dòng)到陰極電極26。然后，電子通過(guò)電路34繼續(xù)流動(dòng)到陰極電極，在此，它們與氧化劑反應(yīng)，以形成水和熱。
燃料電池動(dòng)力裝置10的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)包括燃料處理元件裝置，該裝置將烴燃料處理成還原流體，該還原流體適合于將燃料提供給燃料電池的陽(yáng)極電極。為這種動(dòng)力裝置10提供動(dòng)力的典型烴燃料包括汽油、柴油、丁烷、丙烷、天然氣、甲烷、乙醇等。燃料處理元件裝置可以包括一個(gè)輔助燃燒器46，該燃燒器燃燒一種包含任何多余還原流體(例如，氫氣)的燃料，該還原流體是從陽(yáng)極支持層24經(jīng)過(guò)一個(gè)陽(yáng)極排氣通道48作為陽(yáng)極排氣流供給燃燒器46的；一個(gè)蒸汽發(fā)生器50(在圖1中標(biāo)注為“蒸汽”)，該發(fā)生器通過(guò)一個(gè)熱管52直接接收燃燒器46的熱量，以使來(lái)自一個(gè)供水處的水變成蒸汽；一個(gè)轉(zhuǎn)化器54，該轉(zhuǎn)化器可以是一個(gè)自動(dòng)熱轉(zhuǎn)化器，它接收來(lái)自蒸汽發(fā)生器50的蒸汽并與經(jīng)過(guò)蒸汽管56的烴燃料混合；一個(gè)烴燃料供給源58(在圖中標(biāo)注為“燃料”)，該供給源將燃料經(jīng)燃料管60供給蒸汽管；一根轉(zhuǎn)化燃料排出管62，該排出管引導(dǎo)轉(zhuǎn)化的燃料從轉(zhuǎn)化器54進(jìn)入還原流體進(jìn)口44；和一個(gè)燃燒器排氣通道64，該通道引導(dǎo)陽(yáng)極排氣流從輔助燃燒器46到動(dòng)力裝置排氣通道42。
在陽(yáng)極排氣流中的任何未用的富氫還原流體在輔助燃燒器46中點(diǎn)燃，以增加燃燒器46的熱量，因而使得離開(kāi)燃燒器46的陽(yáng)極排氣流在燃燒器和動(dòng)力裝置排氣通道64,42中都不易燃，以及使水的發(fā)生最大化。燃燒后的陽(yáng)極排氣流與在動(dòng)力裝置排氣通道42中的陰極排氣流結(jié)合變成一種動(dòng)力裝置排氣流。燃料處理元件裝置還可以包括在傳統(tǒng)的蒸汽轉(zhuǎn)化、多種化合物自熱轉(zhuǎn)化和部分氧化轉(zhuǎn)化技術(shù)中公知的元件，所有的都包括一個(gè)轉(zhuǎn)化器元件。燃料處理元件是相當(dāng)普通的設(shè)計(jì)，在化工處理領(lǐng)域一般是公知的，其中，需要從普通的烴源產(chǎn)生富氫流體。例如，在這些工藝中的自動(dòng)熱轉(zhuǎn)化器一般地燃燒一部分在燃料-蒸汽混合物中接收的燃料，以達(dá)到大約1,700華氏度(以下用“°F”表示)的溫度。附加的燃料處理元件裝置可以包括一個(gè)水變換反應(yīng)器66，靠管67連接到一個(gè)有選擇的氧化器68，反應(yīng)器66和氧化器68都流體地連通和固定在轉(zhuǎn)化燃料排出管62和還原流體進(jìn)口44之間，以使在進(jìn)入陽(yáng)極支持層24的還原流體流中的一氧化碳濃度最小化，如本領(lǐng)域公知的那樣。
物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置14與主氧化劑通道38和動(dòng)力裝置排氣通道42流體地連通而固定。物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置14包括一個(gè)傳遞介質(zhì)裝置72，該傳遞介質(zhì)裝置72吸附一種由第一流體流內(nèi)的極性分子組成的流體物質(zhì)，第一流體流含有由極性分子和非極性分子組成的流體物質(zhì)，例如，一種蒸汽，它包括水蒸氣和/或霧化的液態(tài)水分(是一種極性分子組成的流體物質(zhì))和空氣(是一種非極性分子組成的流體物質(zhì))，并且該傳遞介質(zhì)裝置72還解吸吸附的流體，使其進(jìn)入第二氣流，第二氣流與第一氣流相比，極性分子組成的流體物質(zhì)的比例較低。典型的傳遞介質(zhì)裝置包括一種離子交換膜或者離子鍵膜的液態(tài)水部分，例如，一種水飽和聚氟磺酸離子鍵膜，由美國(guó)杜邦公司以商標(biāo)名稱(chēng)“NAFION”銷(xiāo)售的產(chǎn)品，或者一種由上述“NAFION”膜作成的管的液態(tài)水部分，由美國(guó)Perma Pure公司以商標(biāo)名稱(chēng)“ME-SERIES MOISTURE EXCHANGERS”銷(xiāo)售的產(chǎn)品。一種附加的傳遞介質(zhì)包括一種干燥材料，該材料能吸附從一種氣流來(lái)的水分和解吸該水分，使其進(jìn)入一種氣流，例如，細(xì)粉固體、晶體堿金屬或者堿土金屬化合物，包括活性炭、硅膠、活性鋁土和沸石，更詳細(xì)地描述在1996年8月6日頒布給Belding等的美國(guó)專(zhuān)利5,542,968號(hào)的第5欄第9行到第6欄第17行中，因而該專(zhuān)利在此可結(jié)合起來(lái)作參考。
物質(zhì)直接傳遞裝置14還包括一個(gè)分離器罩裝置74，以支承傳遞介質(zhì)裝置72，與動(dòng)力裝置排氣流和工作氧化劑流形成物質(zhì)傳遞關(guān)系，這樣，兩種氣流都接觸物質(zhì)傳遞介質(zhì)裝置，而且分離器罩裝置防止了動(dòng)力裝置排氣和工作氧化劑氣流的大量混合。典型的分離器罩裝置可以包括一個(gè)封閉體(圖1中用標(biāo)號(hào)74表示)，該封閉體支承進(jìn)氣腔76和排氣腔78之間的傳遞介質(zhì)裝置72。工作氧化劑流從氧化劑源36經(jīng)氧化劑供給管80傳遞進(jìn)入，并經(jīng)進(jìn)氣腔76進(jìn)入主氧化劑通道38，動(dòng)力裝置排氣流從動(dòng)力裝置排氣通道42傳遞進(jìn)入，并經(jīng)排氣腔78，通過(guò)與排氣腔78流體連通的動(dòng)力裝置排出管82而離開(kāi)動(dòng)力裝置10。附加的分離器罩裝置74可以包括更復(fù)雜的封閉體，以便在結(jié)構(gòu)上使工作氧化劑流和動(dòng)力裝置排氣流更多地暴露給物質(zhì)傳遞介質(zhì)裝置，同時(shí)防止氣流的大量混合，例如，封閉體在公知的流體-流體熱交換器領(lǐng)域是普通的。分離器罩裝置74的附加和共同的方面包括上述“NAFION”膜材料中支承液態(tài)水部分的膜部分以及用上述“NAFION”所制成的管(由Perma Pure公司以商標(biāo)名稱(chēng)“ME-SERIES MOISTURE EXCHANGERS”銷(xiāo)售的產(chǎn)品)中支承液態(tài)水的管部分。在這種分離器罩裝置74中，用“NAFION”制成的物質(zhì)傳遞介質(zhì)裝置將有選擇地傳遞極性分子組成的流體物質(zhì)(例如，水蒸氣或者霧化液態(tài)水分)以本領(lǐng)域公知的方式從極性分子組成的流體物質(zhì)濃度最大的膜的一側(cè)到較小濃度一側(cè)。
一種進(jìn)一步典型的分離器罩裝置包括一個(gè)熱函輪(enthalpywheel)，該熱函輪支承上述干燥傳遞介質(zhì)裝置旋轉(zhuǎn)配置在帶水分的動(dòng)力裝置排氣流和干的工作氧化劑流之間，更具體的描述在上述美國(guó)專(zhuān)利5,542,968號(hào)的第4欄第35行到第5欄第4行，一般地參見(jiàn)該專(zhuān)利文獻(xiàn)全文。該熱函輪包括多個(gè)端部帶開(kāi)口的通道，通常與該輪旋轉(zhuǎn)的軸線(xiàn)平行，其中，這些通道通常是將帶波紋的紙板作成的平板卷繞而形成的，包括圍繞該輪的中央輪轂的物質(zhì)傳遞介質(zhì)干燥劑，直到多層介質(zhì)被確立，這樣擴(kuò)展到一個(gè)支承該輪的盒體的外罩。這樣的熱函輪在空調(diào)制造領(lǐng)域是公知的，更進(jìn)一步地描述在1997年8月26日頒布給Bedding等的美國(guó)專(zhuān)利5,660,048號(hào)中，在此可結(jié)合起來(lái)作參考。作為一種分離器罩裝置，熱函輪被支承，以便圍繞與流過(guò)進(jìn)氣和排氣腔76,78的流平行的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以致于動(dòng)力裝置排氣流通過(guò)該輪的大約一半，同時(shí)工作氧化劑流通過(guò)該輪的另一半。因而，排氣腔78內(nèi)的熱函輪第一部分上的傳遞介質(zhì)裝置干燥劑將吸附一種極性分子組成的流體物質(zhì)，例如，水蒸氣或者來(lái)自動(dòng)力裝置排氣流的霧化的液態(tài)水分，當(dāng)熱函輪轉(zhuǎn)動(dòng)到位于該輪的第一部分進(jìn)入進(jìn)氣腔76時(shí)，假如進(jìn)氣氧化劑流中的極性分子組成的流體物質(zhì)的濃度低于動(dòng)力裝置排氣流中的流體分子組成的流體物質(zhì)的濃度，則由干燥劑保持的吸附的極性分子流體物質(zhì)將被解吸，使其進(jìn)入工作氧化劑流，以便加濕和加熱氧化劑流。
如圖1所示，直接物質(zhì)傳遞燃料電池動(dòng)力裝置10還可以包括一個(gè)定位在氧化劑供給管80上的吹氣機(jī)84，以便使進(jìn)入動(dòng)力裝置10的氣態(tài)氧化劑流可變地加速?；蛘?，吹氣機(jī)也可以定位在主氧化劑通道38上，以達(dá)到同樣的目的。
從圖1中可以看出在動(dòng)力裝置10包括上述的燃料處理元件的情況下，將氧化劑流供給陰極支持層的主氧化劑通道38可以被分開(kāi)，包括一個(gè)輔助氧化劑通道86，該通道86引導(dǎo)一部分工作氧化劑流進(jìn)入燃料處理元件裝置，例如，進(jìn)入蒸汽管56，以變成自動(dòng)熱重整器54的工作氧化劑，這樣，一部分物質(zhì)和熱量，例如，從動(dòng)力裝置回收的水蒸氣，靠物質(zhì)傳遞裝置14進(jìn)入氧化劑流，被引導(dǎo)到進(jìn)入自動(dòng)熱轉(zhuǎn)化器的蒸汽和燃料混合物。在這種方式中，輔助燃燒器46和蒸汽發(fā)生器50的整個(gè)熱量和蒸汽要求都降低。
為了進(jìn)一步支承燃料處理元件，主氧化劑通道38可以進(jìn)一步分開(kāi)，包括一個(gè)第三氧化劑通道88，該通道88引導(dǎo)一部分工作氧化劑流進(jìn)入輔助燃燒器46，變成燃燒器46的工作氧化劑，因而，引導(dǎo)一些物質(zhì)和熱量，例如，從動(dòng)力裝置排氣流傳遞來(lái)的水蒸氣，靠物質(zhì)傳遞裝置進(jìn)入燃燒器46，以改善物質(zhì)和熱量傳遞裝置的效率，并引導(dǎo)從動(dòng)力裝置排氣流回收的水返回到動(dòng)力裝置10，以有效地補(bǔ)充蒸汽發(fā)生器50中的水和增強(qiáng)動(dòng)力裝置10的水的自足。
燃料電池動(dòng)力裝置10的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)還可以包括一個(gè)冷卻水環(huán)路裝置，用于將從燃料電池12回收的水循環(huán)到燃料處理元件，進(jìn)一步增強(qiáng)水的自足。冷卻水環(huán)路裝置包括一個(gè)與陰極支持層28鄰近的細(xì)孔水板90，該水板吸附陰極電極形成的水和/或流過(guò)電解質(zhì)16的水；和一條冷卻水管92，它引導(dǎo)細(xì)孔水板90中的水進(jìn)入燃料處理元件裝置，例如進(jìn)入蒸汽發(fā)生器50，以進(jìn)一步補(bǔ)充蒸汽發(fā)生器水的供給。從圖1中還能看出這些水中的一部分然后通過(guò)蒸汽管56進(jìn)入自動(dòng)熱轉(zhuǎn)化器54，并從這里，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化燃料排出管62和還原流體進(jìn)口44返回到陽(yáng)極支持層24，然后，可以通過(guò)電解質(zhì)16，再返回到細(xì)孔水板90，以形成一個(gè)冷卻水環(huán)路裝置的“環(huán)”。冷卻水環(huán)路裝置還可以包括一個(gè)鄰近陽(yáng)極支持層24的細(xì)孔水板，并在每一電池之間順次成一個(gè)堆，更詳細(xì)地參見(jiàn)1996年4月26日頒布給Meyer等的美國(guó)專(zhuān)利5,505,944號(hào)中，該專(zhuān)利由本發(fā)明的受讓人所擁有，因而，該專(zhuān)利在此可結(jié)合起來(lái)作參考。燃料電池動(dòng)力裝置10的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)還可以包括一個(gè)熱交換器94，布置成引導(dǎo)陽(yáng)極排氣通道48與燃燒器排氣通道64形成熱交換關(guān)系，傳遞來(lái)自陽(yáng)極排氣流的經(jīng)過(guò)燃燒器排氣通道64的熱量進(jìn)入經(jīng)過(guò)陽(yáng)極排氣通道48的陽(yáng)極排氣流，因而，進(jìn)一步使來(lái)自動(dòng)力裝置10的熱量損失最小化。附加的熱交換器可以用本領(lǐng)域公知的方式采用在動(dòng)力裝置中，以使來(lái)自動(dòng)力裝置的熱量損失最小化。
一種本發(fā)明的燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)(estimate)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)表明與沒(méi)有采用本發(fā)明的系統(tǒng)的可比較的燃料電池動(dòng)力裝置相比，具有實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)采用一個(gè)熱函輪與上述的干燥劑傳遞介質(zhì)固定到熱函輪作為一個(gè)分離器罩，來(lái)作為一種物質(zhì)和熱量傳遞裝置。熱函輪被固定，這樣，動(dòng)力裝置排氣流經(jīng)過(guò)熱函輪的一半，當(dāng)熱函輪在進(jìn)氣腔和排氣腔之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，與經(jīng)過(guò)熱函輪另一半的工作氧化劑流形成物質(zhì)傳遞關(guān)系，進(jìn)氣腔引導(dǎo)經(jīng)過(guò)熱函輪的工作氧化劑流，排氣腔引導(dǎo)經(jīng)過(guò)熱函輪的動(dòng)力裝置排氣流。熱函輪所需參數(shù)為傳遞160磅/小時(shí)。一種工作氧化劑流在大約77華氏度(“°F”)進(jìn)入物質(zhì)和熱量傳遞裝置14的進(jìn)氣腔76，然后，在大約147華氏度(“°F”)離開(kāi)裝置14，流動(dòng)速率大約為1,050磅/小時(shí)。一種在燃燒器排氣通道64中的燃燒器排氣流大約是515°F，并在動(dòng)力裝置排氣通道42中冷卻到大約194°F，在這里，該氣流與一種陰極排氣流混合，變成一種流速大約為1,260磅/小時(shí)的動(dòng)力裝置。然后，該氣流進(jìn)入物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置14的排氣腔，與工作氧化劑流形成傳遞關(guān)系而通過(guò)，隨后，在大約151°F離開(kāi)裝置14，最后，經(jīng)過(guò)動(dòng)力裝置排出管82離開(kāi)動(dòng)力裝置。這種設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)表明與沒(méi)有回收系統(tǒng)的已有動(dòng)力裝置或者冷凝熱交換器回收物質(zhì)和熱量的動(dòng)力裝置相比，燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)的性能具有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。
盡管本發(fā)明已經(jīng)描述和舉例說(shuō)明了燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和使用方法，但應(yīng)該理解為本發(fā)明并不局限于所描述和舉例的實(shí)施例。例如，當(dāng)提到一種燃料電池具有PEM作電解質(zhì)時(shí)，應(yīng)理解成在燃料電池內(nèi)能使用的任何電解質(zhì)都可以用在本發(fā)明的燃料電池動(dòng)力裝置中。據(jù)此，不是依據(jù)前面的描述來(lái)確定本發(fā)明的范圍，而是應(yīng)該主要依據(jù)下面的權(quán)利要求來(lái)確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)，該動(dòng)力裝置由一種還原流體和一種氧化劑流體產(chǎn)生電能，該動(dòng)力裝置包括a．至少一個(gè)燃料電池裝置，從還原和氧化流體產(chǎn)生電能；b．燃料處理元件裝置，將一種烴處理成還原流體，包括一個(gè)輔助燃燒器，該燃燒器接收和燃燒一種來(lái)自燃料電池的陽(yáng)極排氣流，并引導(dǎo)陽(yáng)極排氣流進(jìn)入一個(gè)動(dòng)力裝置排氣通道；c．一個(gè)主氧化劑通道，該通道將一種工作氧化劑流從氧化劑供給處傳遞進(jìn)入燃料電池裝置；d．一個(gè)陰極排氣通道，該通道將從燃料電池裝置出來(lái)的一種陰極排氣流傳遞進(jìn)入動(dòng)力裝置排氣通道，其中，陰極排氣流與燃燒的陽(yáng)極排氣流混合進(jìn)入一種動(dòng)力裝置排氣流；和e．一種物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置與主氧化劑通道和與動(dòng)力裝置排氣通道成流體地連通而固定，包括Ⅰ．一種傳遞介質(zhì)裝置，吸附一種在動(dòng)力裝置排氣流內(nèi)的極性分子組成的流體物質(zhì)，和解吸極性分子組成的流體物質(zhì)，使其進(jìn)入工作氧化劑流；和Ⅱ．一個(gè)分離器裝置，支承傳遞介質(zhì)裝置與動(dòng)力裝置排氣流和工作氧化劑流形成物質(zhì)傳遞關(guān)系，這樣，兩種氣流都接觸物質(zhì)傳遞介質(zhì)裝置，并防止動(dòng)力裝置排氣和工作氧化劑流大量混合。
2．權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，傳遞介質(zhì)裝置包括一種離子鍵膜的液態(tài)水部分。
3．權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，分離器罩裝置包括支承離子鍵膜的液態(tài)水的膜部分。
4．權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，傳遞介質(zhì)裝置包括一種離子鍵膜管的液態(tài)水部分。
5．權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，分離器罩裝置包括支承在離子鍵膜管中的的液態(tài)水的管部分。
6．權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，傳遞介質(zhì)裝置包括干燥劑材料，該干燥劑材料能夠從氣體流中吸收水分，并且能夠解吸水分，使其進(jìn)入氣體流。
7．權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，分離器罩裝置包括一個(gè)熱函輪，支承多個(gè)通道中的干燥劑，該通道通常與熱函輪的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)平行，熱函輪可旋轉(zhuǎn)地支承在分離器罩的進(jìn)氣和排氣腔內(nèi)，這樣，熱函輪圍繞一個(gè)與氣流平行的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該氣流是經(jīng)過(guò)進(jìn)氣腔的工作氧化劑流和經(jīng)過(guò)排氣腔的動(dòng)力裝置排氣流，熱函輪的轉(zhuǎn)動(dòng)把從排氣流所吸附的水直接傳遞到工作氧化劑流。
8．權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，電解質(zhì)是一種質(zhì)子交換膜。
9．一種燃料電池動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng)，該動(dòng)力裝置從一種還原流體和一種氧化劑流體產(chǎn)生電能，該系統(tǒng)包括a．至少一個(gè)燃料電池，包括Ⅰ．一種電解質(zhì)，具有一個(gè)第一主表面和一個(gè)相對(duì)的第二主表面；和Ⅱ．一個(gè)陽(yáng)極電極，由一個(gè)多孔陽(yáng)極支持層支承，與電解質(zhì)的第一主表面緊密接觸，和一個(gè)陰極電極，由一個(gè)多孔陰極支持層支承，與電解質(zhì)的第二主表面緊密接觸，其中，多孔陽(yáng)極支持層與陽(yáng)極電極接觸，并傳遞一種還原流體氣流，多孔陰極支持層與陰極電極接觸，并傳遞一種氧化劑流體氣流；b．燃料處理元件裝置，將一種烴處理成還原流體，包括一個(gè)輔助燃燒器，該燃燒器接收和燃燒一種來(lái)自燃料電池的陽(yáng)極排氣流，并引導(dǎo)燃燒過(guò)的陽(yáng)極排氣流進(jìn)入動(dòng)力裝置排氣通道；c．一個(gè)主氧化劑通道，該通道將工作氧化劑氣流從氧化劑的供給處傳遞進(jìn)入多孔陰極支持層，以及一個(gè)輔助氧化劑通道，該通道將一部分工作氧化劑氣流傳遞進(jìn)入燃料處理元件裝置，作為燃料處理元件裝置的工作氧化劑；d．一個(gè)陰極排氣通道，該通道傳遞一種從多孔陰極支持層出來(lái)的陰極排氣流，使其進(jìn)入動(dòng)力裝置排氣通道，其中，陰極排氣流與燃燒過(guò)的陽(yáng)極排氣流混合進(jìn)入動(dòng)力裝置排氣流；和e．一個(gè)物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置，它與主氧化劑通道和動(dòng)力裝置排氣通道流體地連通而固定，包括Ⅰ．一種傳遞介質(zhì)裝置，吸附動(dòng)力裝置排氣流內(nèi)由極性分子組成的流體物質(zhì)，和解吸極性分子組成的流體物質(zhì)，使其進(jìn)入工作氧化劑流；和Ⅱ．一種分離器罩裝置，用于支承傳遞介質(zhì)裝置，與動(dòng)力裝置排氣流和工作氧化劑流形成物質(zhì)傳遞關(guān)系，這樣，兩種氣流都接觸物質(zhì)傳遞介質(zhì)裝置，并防止動(dòng)力裝置排氣和工作氧化劑流的大量混合。
10．權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，燃料處理元件裝置進(jìn)一步包括一個(gè)蒸汽發(fā)生器，它接收從輔助燃燒器來(lái)的熱量，以產(chǎn)生蒸汽；一個(gè)轉(zhuǎn)化器，它接收從蒸汽發(fā)生器來(lái)的蒸汽，并經(jīng)過(guò)一根在蒸汽發(fā)生器和轉(zhuǎn)化器之間的蒸汽管與烴燃料混合；一個(gè)烴燃料供給源，將烴燃料供給進(jìn)入蒸汽管；和一根轉(zhuǎn)化燃料排出管，引導(dǎo)轉(zhuǎn)化燃料進(jìn)入陽(yáng)極支持層；并且，其中，輔助氧化劑通道引導(dǎo)一部分工作氧化劑流進(jìn)入蒸汽管。
11．權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，動(dòng)力裝置包括一個(gè)第三氧化劑通道，該通道與物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置流體地連通，并將一部分工作氧化劑流傳遞進(jìn)入輔助燃燒器。
12．權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，傳遞介質(zhì)裝置包括一種離子鍵膜的液態(tài)水部分，以及分離器罩包括支承離子鍵膜的液態(tài)水的膜部分。
13．權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，傳遞介質(zhì)裝置包括一種離子鍵膜管的液態(tài)水部分，以及分離器罩裝置包括在離子鍵膜管中支承液態(tài)水的管部分。
14．權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，傳遞介質(zhì)裝置包括一種干燥材料，該材料能吸附來(lái)自一種氣流的水分，并且能解吸水分，使其進(jìn)入一種氣流。
15．權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，分離器罩裝置包括一個(gè)熱函輪，支承多個(gè)通道中的干燥劑，該通道通常與熱函輪的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)平行，熱函輪可旋轉(zhuǎn)地支承在分離器罩的進(jìn)氣和排氣腔內(nèi)，這樣，熱函輪圍繞一個(gè)與氣流平行的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該氣流是經(jīng)過(guò)進(jìn)氣腔的工作氧化劑流和經(jīng)過(guò)排氣腔的動(dòng)力裝置排氣流，熱函輪的轉(zhuǎn)動(dòng)把從排氣流所吸附的水直接傳遞到工作氧化劑流。
16．權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，電解質(zhì)是一種質(zhì)子交換膜。
17．一種為了回收排出動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量而操作燃料電池動(dòng)力裝置的方法，該方法包括下列步驟a．至少提供一個(gè)燃料電池，該燃料電池包括Ⅰ．一種電解質(zhì)，具有一個(gè)第一主表面和一個(gè)相對(duì)的第二主表面；和Ⅱ．一個(gè)陽(yáng)極電極，由一個(gè)多孔陽(yáng)極支持層支承，與電解質(zhì)的第一主表面緊密接觸，和一個(gè)陰極電極，由一個(gè)多孔陰極支持層支承，與電解質(zhì)的第二主表面緊密接觸，其中，多孔陽(yáng)極支持層與陽(yáng)極電極接觸，并傳遞一種還原流體氣流，以及多孔陰極支持層與陰極電極接觸，并傳遞一種氧化劑流體氣流；b．傳遞一種工作氧化劑流，使其經(jīng)過(guò)一個(gè)主氧化劑通道從一個(gè)氧化劑供給處進(jìn)入多孔陰極支持層；c．傳遞一種陽(yáng)極排氣流，使其從陽(yáng)極支持層流過(guò)一個(gè)輔助燃燒器燃料處理元件；使陽(yáng)極排氣流燃燒，并引導(dǎo)燃燒過(guò)的陽(yáng)極排氣流進(jìn)入一個(gè)動(dòng)力裝置排氣通道；d．傳遞一種陰極排氣流，使其經(jīng)過(guò)一個(gè)陰極排氣通道從多孔陰極支持層出來(lái)，進(jìn)入動(dòng)力裝置排氣通道；并將燃燒過(guò)的陽(yáng)極排氣流與陰極排氣流混合進(jìn)入一種動(dòng)力裝置排氣流；以及e．傳遞工作氧化劑流和動(dòng)力裝置排氣流，使其與一種傳遞介質(zhì)接觸，由此，引導(dǎo)工作氧化劑流和動(dòng)力裝置排氣流在一種物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置內(nèi)形成物質(zhì)傳遞關(guān)系，以便吸附動(dòng)力裝置排氣流內(nèi)由極性分子組成的流體物質(zhì)，并且進(jìn)一步利用支承在一個(gè)分離器罩內(nèi)的物質(zhì)傳遞介質(zhì)來(lái)解吸由極性分子組成的流體物質(zhì)，使其進(jìn)入工作氧化劑流，以致于兩種氣流都接觸物質(zhì)傳遞介質(zhì)并且避免兩種氣流大量混合在一起。
18．權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括下列步驟傳遞一部分工作氧化劑流，使其經(jīng)過(guò)一個(gè)輔助氧化劑通道進(jìn)入動(dòng)力裝置的燃料處理元件，作為一種燃料處理元件的工作氧化劑。
19．權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括下列步驟傳遞一部分工作氧化劑流，使其經(jīng)過(guò)輔助氧化劑通道進(jìn)入一根提供蒸汽和烴燃料的蒸汽管，再到一個(gè)動(dòng)力裝置的燃料處理轉(zhuǎn)化器，傳遞一部分工作氧化劑流，使其經(jīng)過(guò)一個(gè)第三氧化劑通道到輔助燃燒器，該輔助燃燒器為一個(gè)動(dòng)力裝置的蒸汽發(fā)生器提供熱量。
20．權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括下列步驟傳遞工作氧化劑流和動(dòng)力裝置排氣流，使其與一種離子鍵膜的液態(tài)水部分接觸，由此，引導(dǎo)工作氧化劑流和動(dòng)力裝置排氣流形成物質(zhì)傳遞關(guān)系。
全文摘要
一種燃料電池動(dòng)力裝置(10)的物質(zhì)和熱量回收系統(tǒng),至少包括:一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生電能的燃料電池(12);為燃料電池產(chǎn)生富氫還原流體的烴燃料處理元件;以及一個(gè)物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置(14),用來(lái)回收離開(kāi)動(dòng)力裝置的物質(zhì)和熱量。燃料處理元件包括:一個(gè)輔助燃燒器(46),用來(lái)提供熱量而產(chǎn)生蒸汽;和一個(gè)轉(zhuǎn)化器(54),用來(lái)將氫氣供給陽(yáng)極電極。物質(zhì)和熱量直接傳遞裝置通過(guò)在動(dòng)力裝置上游的工作氧化劑流與一種動(dòng)力裝置排氣流產(chǎn)生物質(zhì)傳遞關(guān)系,其中,一種陽(yáng)極排氣流首先在輔助燃燒器中燃燒,這樣,在動(dòng)力裝置排氣流中的物質(zhì)和熱量直接通過(guò)裝置(14)的物質(zhì)傳遞介質(zhì)傳遞到進(jìn)入動(dòng)力裝置的工作氧化劑流。裝置(14)包括一個(gè)分離器罩(74)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1323450SQ99812033
公開(kāi)日2001年11月21日 申請(qǐng)日期1999年6月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月24日
發(fā)明者托馬斯·F·富勒, 保羅·R·馬爾焦特, 萊斯利·L·范戴恩 申請(qǐng)人:國(guó)際燃料電池有限責(zé)任公司