專利名稱：用于燃料電池的燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于運(yùn)輸車輛、便攜式發(fā)電裝置或用作固定發(fā)電裝
中有效除去污染物(例如氨)的污染物分離';和隔離回i:背景技術(shù)：
燃料電池是公知的，而且普遍用于由含氫的還原流體燃料和含氧 的氧化劑反應(yīng)物流產(chǎn)生電流以為電氣設(shè)備(例如運(yùn)輸車輛)提供動(dòng)力。 在現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池中，由重整器產(chǎn)生燃料以及所得到的燃料稱作 重整產(chǎn)品燃料，其從該重整器中流出通過燃料反應(yīng)物流入口管線進(jìn)入 燃料電池的陽(yáng)極流場(chǎng)，這都是公知的。富含氧的反應(yīng)物同時(shí)流動(dòng)通過 該燃料電池的陰極流場(chǎng)以產(chǎn)生電力，這也是公知的。不幸的是這種重 整產(chǎn)品燃料通常包含污染物，例如氨。該重整產(chǎn)品燃料流中氨的存在 對(duì)該燃料電池的性能是有害的。我們了解氨是重整工藝的常見副產(chǎn) 物，而且盡管該重整工藝經(jīng)涉及以使氨的生成最小化，但通常在重整 產(chǎn)品燃料中還存在低含量的氨。氨的生成是由引入到重整器中的用于
重整為燃料的天然氣中存在的氮?dú)馑?。通常氮?dú)夂繛?~3%,但 在世界上的一些部分會(huì)高達(dá)15%。在天然氣中大于1~2%氮?dú)獾那?況下，已知的包括磷酸作為電解液的燃料電池?zé)o法達(dá)到所需的10年 壽命。另外，在自熱或部分氧化重整器的情況下，當(dāng)使用空氣作為用 于重整工藝的氧氣來源時(shí)，也會(huì)引入氮?dú)狻?br> 為了從燃料電池的燃料反應(yīng)物流中除去氨和其他污染物，已經(jīng)采 取了多種努力。例如，Gmsso于1989年1月31日申請(qǐng)的美國(guó)專利號(hào) 4801356公開了用于從燃料電池發(fā)電裝置水中除去氨的精心設(shè)計(jì)的系 統(tǒng)。Grasso的系統(tǒng)包括使已經(jīng)用于冷卻該重整產(chǎn)品燃料的冷卻水通過 第一汽提器和第二汽提器以除去氨污染物。盡管有效，但Grasso的系 統(tǒng)需要復(fù)雜和昂貴的汽提器且需要處理大量體積的燃料電池冷卻水。
新近以來Bonville, Jr.等于2002年4月23日申請(qǐng)的美國(guó)專利號(hào)
66376114公開了另一種用于從重整產(chǎn)品燃料中除去氨和其他污染物的 精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，包括可替代的一次性氨洗滌器、氨洗滌冷水床和氨 汽提溫水床、 一對(duì)第一和第二可再生洗滌器或單獨(dú)一個(gè)可再生洗滌 器。同樣，盡管有效，但Bonville， Jr.等的系統(tǒng)包括了需要高水平維護(hù) 以操作該系統(tǒng)的精心設(shè)計(jì)且昂貴的部件?，F(xiàn)有技術(shù)中還已知其他用于 燃料電池的氨和相關(guān)污染物去除系統(tǒng)。然而，這些都沒有提供具有最 小成本和最小維護(hù)需求的氨的有效去除。最熟知的氨污染物去除系統(tǒng) 需要用于處理大量體積流體的大型部件、或者需要高頻率除去和更換 被污染的過濾器和/或離子床等。
因此，存在對(duì)可以長(zhǎng)期有效操作而不需頻繁維護(hù)的用于燃料反應(yīng) 物流的污染物去除系統(tǒng)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是用于燃料電池的燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離 回路。該分離器是與燃料電池的燃料反應(yīng)物入口管線流體連接固定的 分離洗滌器。該分離洗滌器包括分布在洗滌器容器內(nèi)的高比表面積介 質(zhì)的填充床。水排放裝置固定在該填充床之上，用于排放水以使其通 過重力流過該介質(zhì)的表面區(qū)域。燃料反應(yīng)物排放裝置固定在該填充床
動(dòng)通過該填充床。收集器與該填充床流體連接固定，用于在填充床之 下收集水，該收集器可以僅由在該填充床和燃料反應(yīng)物排放裝置之下 的洗滌器容器內(nèi)的水收集區(qū)域構(gòu)成。洗滌器燃料出口設(shè)定在該洗滌器 容器之內(nèi)，用于引導(dǎo)該燃料反應(yīng)物流從該洗滌器容器流回到該燃料反 應(yīng)物入口管線內(nèi)。
隔離回路與該分離洗滌器流體連接固定，該隔離回路包括用于將 分離污染物流引出該分離洗滌器的收集器并最終引回到該分離洗滌 器內(nèi)的回路管道。隔離回路泵與該回路管道流體連接固定，用于將該 分離污染物流泵送通過該回路管道。熱交換器與該回路管道以熱交換 關(guān)系固定，用于加熱該回路管道內(nèi)的分離污染物流或從中除去熱量。 離子交換床與該回路管道流體連接固定，用于引導(dǎo)該分離污染物流流 動(dòng)通過該離子交換床，且用于從該分離污染物流中除去污染物。回路 管道返回管線在該離子交換床的出口和該分離洗滌器的水入口之間流體連接固定，用于將除去污染物的物流從該離子交換床引回到該分 離洗滌器內(nèi)以通過該水排放裝置排放到填充床上。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，該污染物分離器和隔離回路也可以包括固定 在該離子交換床和該回路管道返回管線之間的用于將二氧化碳、氫氣 和其他氣泡的流從該離子交換床引回至)J流回到該分離洗滌器內(nèi)的回 路管道內(nèi)的水流中的二氧化碳排放旁通管線。在另 一優(yōu)選實(shí)施方式 中，控制器可以感應(yīng)離開分離洗滌器的燃料反應(yīng)物流的溫度和/或水分 含量，以控制該熱交換器和隔離回路泵達(dá)到循環(huán)通過該隔離回路的水 的最佳溫度，由此控制離開分離洗滌器和通入燃料電池內(nèi)的燃料反應(yīng) 物流的溫度和水分含量?jī)烧呋蚱渲兄弧Ｔ摳綦x回路泵和熱交換器可 以經(jīng)控制和/或設(shè)定以在從燃料反應(yīng)物流到分離洗滌器內(nèi)的水的熱傳 遞和從燃料反應(yīng)物流中除去所需含量的氨之間達(dá)到平衡。氨的去除也
取決于氨在水中的溶解度。因此，可以對(duì)通過分離洗滌器的水的溫度 進(jìn)行控制以便于達(dá)到最佳的氨去除和來自從重整器通過分離洗滌器 并進(jìn)入燃津牛電池內(nèi)的熱燃料的最佳熱傳遞。
通過首先在分離洗滌器中將氨從燃料流中分離到洗滌器內(nèi)的液 態(tài)水中以及然后將該分離污染物流循環(huán)通過該隔離回路，本發(fā)明提供 了從該分離污染物流中僅除去氨以使僅需要相對(duì)少量的離子交換材 料。因此可以根據(jù)供應(yīng)給重整器的燃料內(nèi)已知的氨濃度來確定離子交 換床的適合尺寸，使得該離子交換床僅在每隔需要的預(yù)設(shè)時(shí)間間隔時(shí) 才更換。例如，如果已知供給到重整器的燃料具有已知濃度的氮以及 該燃料電池具有僅每年 一 次更換離子交換床的所需操作維護(hù)時(shí)間表， 那么該離子交換床可以經(jīng)設(shè)計(jì)或計(jì)算以從隔離回路內(nèi)的循環(huán)水中過 濾該濃縮的氨以使該離子交換床僅需每年更換。
為了用現(xiàn)有技術(shù)的去污系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種性能，將需要更大的更昂貴 且更復(fù)雜的洗滌器和/或離子交換床，或者需要更頻繁地更換離子交換 床或其他污染物隔離裝置。本發(fā)明將該污染物隔離在與所有其他發(fā)電 裝置水系統(tǒng)(例如燃料重整器系統(tǒng))分開的隔離回路中，使得僅須將 氨從水中除去。因此，本發(fā)明的污染物分離器和隔離回路實(shí)現(xiàn)了燃料 電池燃料反應(yīng)物流內(nèi)污染物的非常有效的去除，而且實(shí)現(xiàn)了該燃料反 應(yīng)物流的最佳溫度和水分含量的維持。
因此，本發(fā)明總的目的是提供克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷的用于燃料電池的燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路。
更特別的目的是提供對(duì)從燃料電池的燃料反應(yīng)物流中對(duì)污染物 的去除和對(duì)其最佳溫度和水分含量的維持都有提高的用于燃料電池 和燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路。
當(dāng)結(jié)合附圖閱讀以下說明時(shí)，本發(fā)明的用于燃料電池的燃料反應(yīng) 物流的污染物分離器和隔離回路的這些和其他目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更 容易顯而易見。
附圖簡(jiǎn)述


圖1是具有依照本發(fā)明構(gòu)造的用于燃料電池的燃料反應(yīng)物流的污 染物分離器和隔離回路的燃料電池的簡(jiǎn)要示意圖。
優(yōu)選實(shí)施方式的描述 詳細(xì)參照附圖，圖1中顯示了具有用于燃料反應(yīng)物流的污染物分
離器和隔離回路的燃料電池，通常用附圖標(biāo)記10表示。適用于本發(fā) 明的燃沖+電池12包括固定到電解液18兩側(cè)的陰才及流場(chǎng)14和陽(yáng)4^l流 場(chǎng)16。電解液18可以是磷酸電解液、質(zhì)子交換膜("PEM，，)電解 液或現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何電解液。氧供給裝置20將含氧反應(yīng)物流 釋放通過氧化物入口 22進(jìn)入并通過陰極流場(chǎng)14，氧反應(yīng)物流通過陰 極出口 24離開燃料電池12。將含氫還原流體燃料引導(dǎo)流過燃料反應(yīng) 物入口管線26通過陽(yáng)極流場(chǎng)16并通過陽(yáng)極出口 28流出燃料電池12。
該燃料電池12還包括冷卻劑板30，其具有經(jīng)由冷卻劑回路32循 環(huán)通過該板30的水基冷卻劑。該冷卻劑回路包括將冷卻劑引導(dǎo)通過 該冷卻劑回路32的冷卻劑回路管道34。冷卻劑供給裝置36將該冷卻 劑選擇性引導(dǎo)通過冷卻劑入口閥門38和冷卻劑入口管道40進(jìn)入冷卻 劑回路管道34。冷卻劑泵42與該冷卻劑回路管道34流體連接固定， 用于將冷卻劑泵送通過冷卻劑回路32。冷卻劑回路熱交換器44與冷 卻劑回路管道34以熱交換關(guān)系固定，用于控制循環(huán)通過冷卻劑回路 34的冷卻劑的溫度。蒸汽分離器46與冷卻劑回路管道34流體連接固 定，用于從冷卻劑回^各管道34內(nèi)的液體冷卻劑中分離蒸汽。
蒸汽從蒸汽分離器46引導(dǎo)通過蒸汽管線48進(jìn)入用于將富氫燃料 (例如天然氣)重整為重整產(chǎn)品燃料(例如氫氣)的重整器裝置50。含氫燃料供給裝置52將該燃料引導(dǎo)通過燃料管線54進(jìn)入該重整器 50。該燃料供給裝置52可以是加壓供給源，或者可以包括用于以本 領(lǐng)域已知的方式提高燃料壓力的加壓裝置。該重整器50可以是本領(lǐng) 域中已知的任意重整器裝置，用于將富氫流體重整為適用于燃料電池 的重整產(chǎn)品燃料。該重整器裝置還包括用于將富氫燃料處理為適用于 燃料電池的重整產(chǎn)品燃料所必需的相關(guān)部件，例如脫硫裝置、相移變 換器等。
該重整產(chǎn)品燃料通過該燃料反應(yīng)物出口管線26的第一部分56離 開該重整器50和相關(guān)部件。然后該燃料被引入分離洗滌器58中，通 過燃料反應(yīng)物排放裝置60排放到該洗滌器58內(nèi)。該分離洗滌器58 包括用于將來自重整產(chǎn)品燃料的氨溶解到該分離洗滌器58內(nèi)的液體 分離污染物流中的氨溶解裝置61，例如設(shè)置在洗滌器容器64內(nèi)的高 比表面積介質(zhì)的填充床62。可以使用的可替代的氨溶解裝置61包括 開口泡沫塑料、單一完整陶資泡沫、蜂窩狀材料、波紋狀材料、羊毛 或金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。水排放裝置66固定在該填充床62之上，用于將水 從該排放裝置66中排出以通過重力向下通過填充床62。燃料排放裝 置60固定在該填充床之下，以使在水向下流過填充床62時(shí)通過該排 放裝置60排出的燃料向上通過該填充床。隨著氣態(tài)燃料通過并接觸 填充床62的表面區(qū)域，該氣態(tài)燃料內(nèi)的污染物溶解到通過該填充床 62內(nèi)部的介質(zhì)表面上的水中。通過該分離洗滌器58的上述填充床62 的流動(dòng)已經(jīng)描述為水通過重力向下流動(dòng)和氣態(tài)燃料與水流逆向向上 流動(dòng)("逆流")。然而，應(yīng)當(dāng)理解在本發(fā)明范圍內(nèi)洗滌器58的其 他構(gòu)造也可以提供可替代的流型，其中水和燃料彼此交叉流動(dòng)("錯(cuò) 流")和/或彼此平行流動(dòng)("并流")。
收集器68限定在該洗滌器容器64內(nèi)，例如在該燃料反應(yīng)物排放 裝置60之下，以將向下流動(dòng)通過該填充床60的水收集在該收集器68 內(nèi)。然而應(yīng)當(dāng)理解該收集器68也可以是與洗滌器容器64內(nèi)的水流體 連接固定的單獨(dú)容器(未示出)。新鮮水供應(yīng)裝置70可以與該洗滌 器容器64流體連接固定，用于一旦啟動(dòng)將水引導(dǎo)通過水入口管線72 和水入口閥門74進(jìn)入該洗滌器容器64內(nèi)，或者用于在操作過程中如 果沒有保持水平衡那么將另外的水補(bǔ)充到該洗滌器58。溢流出口 76 也可以固定到該洗滌器容器64，用于將過量的水引出該洗滌器58。
10隔離回路78與該分離洗滌器58通過回路管道80流體連接固定。 該回路管道80固定到限定在洗滌器容器64內(nèi)的水出口 82,與收集器 68內(nèi)的水流體連接。該隔離回路78還包括用于將水和分離污染物的 物流泵送出該分離洗滌器58并通過該回路78的隔離回路泵裝置84。 隔離回路熱交換器86與該回路管道80以熱交換關(guān)系固定。該熱交換 器86可以用于加熱或冷卻該回^各管道80內(nèi)的分離污染物流。該隔離 回路熱交換器86可以經(jīng)構(gòu)造和/或操作以與該分離污染物流進(jìn)行熱能 傳遞以由此保持通過該隔離回路78的水的最佳溫度以由此得到所需 溫度和相對(duì)濕度的通過和離開該洗滌分離器58的反應(yīng)物燃料流。該 隔離回路78還包括與該回路管道80流體連接固定的離子交換床88， 用于引導(dǎo)該分離污染物流流動(dòng)通過該離子交換床88并用于從該床88 內(nèi)的污染物流內(nèi)的水中除去分離的污染物。該隔離回路78還包括在 該離子交換床的出口 92和該分離洗滌器58的水入口 94之間流體連 接固定的回路管道返回管線90,用于將除去污染的水從該隔離回路 78中通過該水排放裝置66返回到該分離洗滌器58中。該離子交換床 88可以是本領(lǐng)域中已知用于從液體流中除去污染物的任意離子交換 裝置，例如包括陽(yáng)離子交換樹脂的床，更特別地，優(yōu)選使用氫型陽(yáng)離 子交換床去除氨。
該分離洗滌器58和隔離回路78還可以包括用于感應(yīng)信息(例如 在洗滌器燃料出口 98處離開該洗滌器58的燃料反應(yīng)物流的溫度和/ 或水分含量)的控制器裝置96。該控制器裝置96可以經(jīng)設(shè)計(jì)用于感 應(yīng)這種溫度、水含量和/或水分信息并將該信息通過通信線路(例如電 線、無線電廣播、光纖或任何能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能的通信方式，例如微 處理器、計(jì)算機(jī)等)傳送。該控制器96可以使用該感應(yīng)到的信息來 通過這些通信線路(在圖1中由陰影線100A、 100B和100C所示) 控制該隔離回路泵84和/或隔離回路熱交換器86。這種控制器裝置96 可以包括計(jì)算機(jī)以及機(jī)電開關(guān)和/或根據(jù)在洗滌器燃料出口 98處觀察 到的溫度、水含量和/或水分信息對(duì)該泵84和/或熱交換器86的手動(dòng) 控制。已知氨在水中的溶解度隨著水溫度的降低而升高。因此，可以 使用該控制器裝置96來調(diào)節(jié)通過水排放裝置66排放的水的溫度以調(diào) 節(jié)氨在水中的溶解量，由此提高或降低該燃料反應(yīng)物流的去污作用。 該洗滌器58也可以包括與該洗滌器燃料出口 98相鄰的除霧器102，用于消除任何與燃料反應(yīng)物流一起運(yùn)動(dòng)的水滴。該除霧器102可以是
任意用于實(shí)現(xiàn)這種功能的除霧器，例如鋼絲棉等。如圖1中所示，該
洗滌分離器58經(jīng)構(gòu)造以使該洗滌器燃料出口 98位于氨溶解裝置61 之上，且該燃料排放裝置98位于該氨溶解裝置61之下。因此，該洗 滌器燃料出口 98引導(dǎo)該燃料反應(yīng)物流在通過該氨溶解裝置61之后流 出該洗滌分離器58。
在另一可替代的實(shí)施方式中，該隔離回路78可以包括經(jīng)構(gòu)造以 將二氧化碳和任何其他氣泡排放到該離子交換床88之外的二氧化碳 排;故旁通管線104。在循環(huán)通過該隔離回-各78的水和分離污染物流中 具有預(yù)設(shè)水平的二氧化碳是適宜的。然而，二氧化碳和其他氣泡可能 由通過各種原因(例如隔離回路泵84入口內(nèi)的低氣壓)溶解在溶液 中的氣體構(gòu)成。另外，當(dāng)氨溶解在該回路管道內(nèi)的水中時(shí)，其與溶解 的二氧化碳相結(jié)合以形成碳酸氬鹽的離子溶液。這提高了氨和二氧化 碳的溶解度。當(dāng)通過例如離子交換床88將氨除去時(shí)，前面結(jié)合的二 氧化碳作為氣態(tài)二氧化碳釋放出來。由于液體向下的流動(dòng)方向，這些 氣泡將捕獲在該離子交換床88內(nèi)。如離子交換領(lǐng)域的技術(shù)人員所公 知的，在離子交換容器內(nèi)水中的氣體聚集會(huì)影響該離子交換床88的 性能。該二氧化碳排放旁通管線104可以經(jīng)構(gòu)造和使用以將二氧化碳 和其他氣泡通過該旁通管線104排放到該分離污染物和水的物流之 外，由此將二氣化碳和其他氣泡送回到該隔離回路管道返回管線90 內(nèi)或送出該隔離回^各78。
該填充床62可以包含任意用于洗滌器中以通過在該介質(zhì)的表面 區(qū)域上的液體流動(dòng)的方式除去污染物的高表面積介質(zhì)?？梢杂糜谠撎?充床內(nèi)的這種高表面積介質(zhì)的實(shí)例包括鮑爾環(huán)、拉西環(huán)、貝爾鞍形填 料等，其可以由金屬或陶瓷材料制成。
分離洗滌器58和隔離回路78如圖1中所示為在重整器裝置和固 定到燃料反應(yīng)物入口管線26的陽(yáng)極流場(chǎng)之間的順流。然而我們指出 該分離洗滌器5 8和隔離回路7 8也可以位于產(chǎn)生氨或任何污染物的重 整器裝置的部件和陽(yáng)極流場(chǎng)之間的任意位置，以使一些部件(例如低 溫相移變換器)(未示出)可以根據(jù)特定燃料電池12的多種特別因 素而固定在洗滌器58和陽(yáng)極流場(chǎng)之間。
通過首先在分離洗滌器58中將氨或其他污染物從入口管線26內(nèi)
12的燃料反應(yīng)物流中分離出來以及然后將該分離污染物流持續(xù)循環(huán)通 過該隔離回路以將污染物隔離在離子交換床88內(nèi)，本發(fā)明與現(xiàn)有技
術(shù)相比實(shí)現(xiàn)了大大提高的效率。如前所述，離子交換床88的更換或 用于除去該床88內(nèi)的污染物的其維修的維護(hù)時(shí)間間隔可以大幅度延 長(zhǎng)以使維護(hù)成本最小化。特別地，在燃料源的氨污染水平已知的情況 下，該離子床88可以經(jīng)選擇以具有的污染物去除能力使得該床88可 以僅以預(yù)設(shè)的間隔除去或維護(hù)，例如每年一次。另外，因?yàn)楸景l(fā)明的 污染物去除方法基本是包括首先在洗滌器58中將污染物從燃料反應(yīng) 物流中分離出來和然后通過循環(huán)的分離污染物流將其隔離和濃縮在 離子交換床88內(nèi)的兩步方法，因此燃料通過填充床62的流動(dòng)的中斷 僅提供了非常適度的壓降。因?yàn)閮H有這種適度的壓降，因此使燃料從 燃料供給裝置52釋放通過燃料電池12的成本和復(fù)雜性最小化。
本發(fā)明的污染物分離器和隔離回路10還包括對(duì)用于燃料電池12 的燃料反應(yīng)物流去污的方法。該方法包括以下步驟首先使燃料反應(yīng) 物流與洗滌器58內(nèi)的填充床62的表面相鄰流動(dòng)，同時(shí)使水在該填充 床62的表面上流動(dòng)，以將污染物從燃料反應(yīng)物流中分離到水中；然 后將已經(jīng)流過填充床的污染水收集在收集器68內(nèi)；然后將該水和污 染物作為污染物流從洗滌器的水出口 82循環(huán)通過隔離回路78;然后 改變隔離回路熱交換器86內(nèi)的污染物流的溫度；然后從隔離回路離 子交換床88內(nèi)的污染物流中除去污染物；然后將除去污染的物流通 過隔離回路78循環(huán)回到洗滌器58內(nèi)的水排》文裝置66內(nèi)，以流過該 填充床62的表面區(qū)域。另外和非必要的步驟可以包括在從隔離回路 離子交換床88內(nèi)的分離污染物流中除去污染物的步驟之前將氨溶解 度增強(qiáng)試劑添加到分離污染物流中。增強(qiáng)氨溶解度和與所述污染物分 離器和隔離回路10相容的任意試劑都將是適合的，例如適當(dāng)濃度的 磷酸。
在可替代的實(shí)施方式中，本發(fā)明的污染物分離器58和隔離回路 78可以用于從流出用于將含氫燃料重整為燃料反應(yīng)物流的重整器裝 置50的燃料中除去污染物，其中該燃料反應(yīng)物入口管線(26)將該 燃料引向可替代的耗氫裝置(未示出)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、爐子等。在這 種實(shí)施方式中，該公開主題10包括燃料重整器裝置50、氨溶解裝置 61、隔離回路78和與其相關(guān)的上述部件，該燃料反應(yīng)物入口管線26經(jīng)構(gòu)造以將燃料引出污染物分離器58并進(jìn)入可替代的燃料消耗裝置 (未示出)中。
可以看到用于燃料電池12的燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔 離回路12與已知的用于從燃料反應(yīng)物流中除去污染物的裝置和方法 相比其效率大大提高。如上所述，通過首先將污染物從反應(yīng)物流中分 離到分離污染物水流中以及然后將該污染物從隔離回路78內(nèi)的循環(huán) 污染物流中隔離和濃縮到離子交換床88內(nèi)，本發(fā)明大大降低了燃料 電池反應(yīng)物流的去污復(fù)雜性。本發(fā)明允許反應(yīng)物燃料相對(duì)自由地流動(dòng) 通過該洗滌器然后將污染物濃縮和隔離在循環(huán)回路和離子交換床中， 而不是通過一個(gè)大的復(fù)雜的必須頻繁維護(hù)的裝置對(duì)反應(yīng)物流進(jìn)行去 污。通過將水流通過隔離回路78循環(huán)以將其去污并然后再次通過填 充床62，本發(fā)明能夠?qū)⒏綦x的污染物有效濃縮在離子交換床內(nèi)，用于 以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔從該床中定期去除，由此使總體成本和維護(hù)需求最 小化。
盡管關(guān)于所描述和圖示的污染物分離器和隔離回路10公開了本 發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限定于這些供選方案和所描述的實(shí)施方 式。例如，盡管已知具有磷酸的電解液18會(huì)受到氨污染的有害影響 并因此是受益于本發(fā)明的適合形式的燃料電池12,但本發(fā)明也將對(duì)使 用其他已知電解液的燃料電池具有重要優(yōu)點(diǎn)且適用于其。因此，用于 確定本發(fā)明的范圍主要應(yīng)當(dāng)參考以下權(quán)利要求而不是前面的描述。
1權(quán)利要求
1. 用于燃料電池(12)的燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路(10)，包括a. 與燃料電池(12)的燃料反應(yīng)物入口管線(26)流體連接固定的分離洗滌器(58)，該分離洗滌器(58)包括設(shè)置在該分離洗滌器(58)的洗滌器容器(64)內(nèi)的用于將來自該燃料反應(yīng)物流的氨溶解到該分離洗滌器(58)內(nèi)的液體分離污染物流中的氨溶解裝置(61)、與該氨溶解裝置(61)相鄰固定并被構(gòu)造以將水排出以流動(dòng)通過該氨溶解裝置(61)的水排放裝置(66)、與該氨溶解裝置(61)相鄰固定并被構(gòu)造以將燃料反應(yīng)物排出以流動(dòng)通過該氨溶解裝置(61)的燃料反應(yīng)物排放裝置(60)、與該氨溶解裝置(61)流體連接固定的收集器(68)、固定在該洗滌器容器(64)內(nèi)被構(gòu)造以將該燃料反應(yīng)物流從該氨溶解裝置(61)中以及從該洗滌器分離器(58)中引回到該燃料反應(yīng)物入口管線(26)的洗滌器燃料出口(98)；和b. 與該分離洗滌器(58)流體連接固定的隔離回路(78)，該隔離回路(78)包括被構(gòu)造以將分離污染物流引出該收集器(68)的回路管道(80)、與該回路管道(80)流體連接固定的用于將該分離污染物流泵送通過該回路管道(80)的隔離回路泵裝置(84)、與該回路管道(80)以熱交換關(guān)系固定并被構(gòu)造以與該回路管道(80)內(nèi)的分離污染物流傳遞熱能的隔離回路熱交換器(86)、與該回路管道(80)流體連接固定并被構(gòu)造以從該回路管道(80)內(nèi)的分離污染物流中除去污染物的離子交換床(88)、和在該離子交換床(88)的出口(92)和該分離洗滌器(58)內(nèi)的水排放裝置(66)之間流體連接固定并被構(gòu)造以將除去污染物的物流從該離子交換床(88)引回到該分離洗滌器(58)內(nèi)的回路管道返回管線(90)。
2. 權(quán)利要求1的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10),進(jìn)一步包括固定在該離子交換床(88)的出口 (92)和該回路管道返回管線(90)之間被構(gòu)造以將二氧化碳選擇性排放出該離子 交換床(88)的二氧化碳排放旁通管線(104)。
3. 權(quán)利要求1的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10),進(jìn)一步包括除霧器(102),其與該洗滌器燃料出口 (98)相鄰固定并被構(gòu)造以限制該燃料反應(yīng)物流中的任何水滴從該分離洗滌器(58)中的通出。
4. 權(quán)利要求1的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10)，進(jìn)一步包括與該洗滌器容器(64)和新鮮水入口閥門(74)流體連接固定并被構(gòu)造以將新鮮水選擇性引入該洗滌器容器(64)內(nèi) 的新鮮水供給裝置(70)。
5. 權(quán)利要求1的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10)，進(jìn)一步包括與該洗滌器容器(64)流體連接固定并被構(gòu)造以將過量的水選擇性引出該洗滌器(58)的溢流出口 (76)。
6. 權(quán)利要求1的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10),其中該氨溶解裝置(61)包括高比表面積介質(zhì)的填充床(62)。
7. 權(quán)利要求1的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10)，進(jìn)一步包括與該洗滌器燃料出口 (98)附近的燃料反應(yīng)物流連接固定的用于感應(yīng)來自該燃料反應(yīng)物流的信息并用于根據(jù)該感應(yīng) 到的信息控制該隔離回路(78)的控制器裝置(96)。
8. 用于從燃料反應(yīng)物流中除去污染物的污染物分離器(58)和隔 離回路(78)，該燃料反應(yīng)物流從用于將含氫燃料重整為該燃料反應(yīng) 物流的燃料重整器裝置(50)中進(jìn)入燃料反應(yīng)物入口管線(26)中， 該污染物分離器(58)和隔離回路(78)包括a. 與該燃料反應(yīng)物入口管線(26)流體連接固定的分離洗滌器 (58)，該分離洗滌器(58)包括設(shè)置在該分離洗滌器(58)的洗滌器容器(64)內(nèi)的用于將來自該燃料反應(yīng)物流的氨溶解到該分離洗滌 器(58)內(nèi)的液體分離污染物流中的氨溶解裝置(61)、與該氨溶解 裝置(61)相鄰固定并被構(gòu)造以將水排出以流動(dòng)通過該氨溶解裝置(61)的水排放裝置(66)、與該氨溶解裝置(61)相鄰固定并被構(gòu) 造以將燃料反應(yīng)物從重整器裝置(50)引出以流動(dòng)通過該氨溶解裝置(61)的燃料反應(yīng)物排放裝置(60)、與該氨溶解裝置(61)流體連 接固定的收集器(68)、固定在該洗滌器容器(64)內(nèi)被構(gòu)造以將該 燃料反應(yīng)物流從該氨溶解裝置(61)中以及從該洗滌器分離器(58) 中引回到該燃料反應(yīng)物入口管線(26)內(nèi)的洗滌器燃料出口 (98);和b. 與該分離洗滌器(58)流體連接固定的隔離回路(78),該隔離回路(78)包括被構(gòu)造以將分離污染物流引出該收集器(68)的回 路管道(80)、與該回路管道(80)流體連接固定的用于將該分離污 染物流泵送通過該回路管道(80)的隔離回路泵裝置(84)、與該回 路管道(80)以熱交換關(guān)系固定并被構(gòu)造以與該回路管道(80)內(nèi)的 分離污染物流傳遞熱能的隔離回路熱交換器(8 6 )、與該回路管道(8 0 ) 流體連接固定并被構(gòu)造以從該回路管道(80)內(nèi)的分離污染物流中除 去污染物的離子交換床(88)、和在該離子交換床(88)的出口 (92) 和該分離洗滌器(58)內(nèi)的水排放裝置(66)之間流體連接固定并被 構(gòu)造以將除去污染物的物流從該離子交換床(88)引回到該分離洗滌 器(58)內(nèi)的回路管道返回管線(卯)。
9. 權(quán)利要求8的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10),進(jìn)一步包括固定在該離子交換床(88)的出口 (92)和該回路管道返回管線(90)之間被構(gòu)造以將二氧化碳選擇性排放出該離子 交換床(88)的二氧化碳排放旁通管線(104)。
10. 權(quán)利要求8的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10)，進(jìn)一步包括除霧器(102)，其與該洗滌器燃料出口 (98)相鄰固定并被構(gòu)造以限制該燃料反應(yīng)物流中的任何水滴從該分離洗 滌器(58)中的通出。
11. 權(quán)利要求8的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10),進(jìn)一步包括與該洗滌器容器(64)和新鮮水入口閥門(74)流體連接固定并被構(gòu)造以將新鮮水選擇性引入該洗滌器容器(64)內(nèi) 的新鮮水供給裝置(70)。
12. 權(quán)利要求8的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10)，進(jìn)一步包括與該洗滌器容器(64)流體連接固定并被構(gòu)造以將過量的水選擇性引出該洗滌器(58)的溢流出口 (76)。
13. 權(quán)利要求8的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10)，其中該氨溶解裝置(61)包括高比表面積介質(zhì)的填充床(62)。
14. 權(quán)利要求8的用于燃料反應(yīng)物流的污染物分離器和隔離回路 (10),進(jìn)一步包括與該洗滌器燃料出口 (98)附近的燃料反應(yīng)物流連接固定的用于感應(yīng)來自該燃料反應(yīng)物流的信息并用于根據(jù)該感應(yīng) 到的信息控制該隔離回路(78)的控制器裝置(96)。
15. 用于燃料電池(12)的燃料反應(yīng)物流的去污方法，包括以下步驟a.使該燃料反應(yīng)物流流動(dòng)通過用于將來自該燃料反應(yīng)物流的氨 溶解在分離洗滌器(58)內(nèi)的液體污染物流中的氨溶解裝置(61)， 同時(shí)使水流動(dòng)通過該氨溶解裝置(61)，以將污染物從該燃料反應(yīng)物 流中分離到水中；U, 1丁 /7木乂J、力A '丹/u乂冬1入木1入木存 V UO 乂 「J ，c. 將該水和污染物作為分離污染物流從該收集器(68)中循環(huán)通 過隔離回路(78);d. 在隔離回路熱交換器(86)內(nèi)改變?cè)摲蛛x污染物流的溫度；e. 在隔離回路離子交換床(88)內(nèi)從該污染物流中除去污染物；和f. 然后，將除去污染物的物流從該隔離回路(78)循環(huán)回去通過 氨溶解裝置(61 )。
16. 權(quán)利要求15的方法，包括在該分離污染物流中添加氨溶解度 提高試劑的另外步驟。
17. 權(quán)利要求15的方法，包括每隔預(yù)設(shè)的時(shí)間更換該離子交換床 (88)的另外步驟。
18. 權(quán)利要求15的方法，包括對(duì)每隔預(yù)設(shè)的時(shí)間更換的離子交換 床進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)的另外步驟。
全文摘要
分離洗滌器(58)和隔離回路(78)對(duì)燃料電池(12)的燃料反應(yīng)物流去污。水通過該洗滌器(58)內(nèi)的氨溶解裝置(61)的表面上，同時(shí)燃料反應(yīng)物流通過該表面上，以將污染物從該燃料反應(yīng)物中去除到水中。收集器(68)收集該分離污染物和水，隔離回路泵(84)將該分離污染物流引導(dǎo)流動(dòng)通過該隔離回路(78)。熱交換器(86)和離子交換床(88)分別改變?cè)摲蛛x污染物流的溫度和從其中除去污染物，隔離回路(78)將該除去污染物的物流引回到該填充床(62)上。從該燃料反應(yīng)物流中分離污染物以及然后在該離子交換床(88)內(nèi)隔離和濃縮該分離污染物使成本和維護(hù)需求最小化。
文檔編號(hào)C10J3/06GK101511973SQ200680055893
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月20日
發(fā)明者A·P·格雷索, D·希爾德雷思, F·科庫(kù)姆, J·L·小普雷斯頓, R·J·阿薩拉鮑夫斯基 申請(qǐng)人:Utc電力公司