專利名稱：放氣通過燃料電池燃料再循環(huán)回路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在質(zhì)子交換膜(PEM)的陽極流場內(nèi)通過將空氣與燃料 再循環(huán)氣體混合噴射空氣，以將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳且因此降低陽 極催化劑的污染和退化和結(jié)果的性能損失。
背景技術(shù)：
通常的實踐是將小量的空氣噴射(放氣)到PEM燃料電池的陽極 反應氣流內(nèi)。空氣將對陽極催化劑有毒的一氧化碳轉(zhuǎn)化為無害的二氧化 碳。放氣也可以幫助氧化在燃料流內(nèi)存在的其他的污染物。當以重整燃 料運行PEM燃料電池組時，最典型地使用放氣系統(tǒng)，該重整燃料即使 在燃料電池上游使用了例如優(yōu)選的為氧化的轉(zhuǎn)換方法后仍具有相對高 的CO濃度(在10至100ppm量級上)。合適的放氣系統(tǒng)必須平衡陽^L 內(nèi)空氣的量而足以提供對一氧化碳的有益的降低，但不超過與在燃料供 給源內(nèi)的氳的可燃性極限。放氣系統(tǒng)因此被復雜化且可能導致不希望的 系統(tǒng)復雜性以及不利的安全性情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面包括容易地容許低純度氫氣的燃料電池系統(tǒng)；安全 的燃料電池放氣系統(tǒng)；簡單的燃料電池陽極放氣系統(tǒng)；降低燃料電池陽 極催化劑中毒的簡化的方式；改進的燃料電池性能；在長的時間期間內(nèi) 燃料電池性能的延長；和改進的燃料電池和燃料電池運行。
高純度氫，例如"實驗室級，，氳對于燃料電池電力設(shè)施的日常運行 過于昂貴。本發(fā)明認識到所謂的"純，，氳，例如"工業(yè)級，，氬典型地包 含了超過5 ppm或更多的一氧化碳和其他雜質(zhì)，例如硫和二氧化碳(該 二氧化碳可能轉(zhuǎn)化回一氧化碳)。因此，當使用不純的氬(即低于99.999 %的H2)時，放氣是有利的。本發(fā)明也以富氫的燃料(即高于90%的 H2)被有利地再循環(huán)以最大化對氫的利用的事實為基礎(chǔ)。
本發(fā)明部分地以實現(xiàn)如下情況為基礎(chǔ)，即使得在燃料電池燃料再循 環(huán)回路內(nèi)的壓力和流量參數(shù)有利于以非常簡單的方式引入放氣以提供燃料入口處的壓力)實現(xiàn)了使用來自陰極空氣吹送器的側(cè)流，或來自帶 有相對地低的頭部和低的流量要求的專用的空氣吹送器的側(cè)流，或來自 這樣的吹送器的組合的側(cè)流。
根據(jù)本發(fā)明，小量的空氣被放入陽極燃料再循環(huán)回路氣體流內(nèi)。進 一步根據(jù)本發(fā)明，來自陰極空氣源的小量的空氣被引入到燃料再循環(huán)回 路氣體流內(nèi)。進一步根據(jù)本發(fā)明，來自小的低壓泵的空氣可以引入到燃 料再循環(huán)回路氣體流內(nèi)。再進一步根據(jù)本發(fā)明，從陰極空氣供給泵獲取 的空氣的壓力使用非常小的泵被略微增壓，該小泵的輸出連接到燃料再 循環(huán)回路氣體流內(nèi)。
本發(fā)明利用了在燃料再循環(huán)回路內(nèi)的壓力和流量的關(guān)系，該關(guān)系有 利于將小量的空氣以經(jīng)濟、安全和不復雜的方式引入。
在此，本發(fā)明的構(gòu)造優(yōu)于在陽極入口處常規(guī)的放氣的優(yōu)點在于較
低壓力的泵和/或消除了專用放氣泵或噴射器，將燃料與空氣在進入到陽
極流場前更好地混合；和控制放氣壓力的能力。
本發(fā)明的其他方面、特征和優(yōu)點將根據(jù)如下對本發(fā)明的如在附圖中 圖示的典型實施例的詳細描述而更加顯見。


圖1至圖3是燃料電池電力設(shè)施的部分的簡化的程式化方框圖，提 供了分別從陰極空氣泵、由陰極空氣泵供給的分開的空氣泵或由環(huán)境空 氣供給的分開的空氣泵對燃料再循環(huán)回路的放氣。
具體實施例方式
參考圖1,燃料電池電力設(shè)施9包括燃料電池組11，燃料電池的每 個包括陽才及流場13、陰極流場14和冷卻劑通道15,其中燃考+反應氣流 過該陽極流場13,氧化劑反應氣流過陰才及流場14,冷卻劑流過冷卻劑 通道15。陽才及流場的入口 18通過壓力控制閥19連接到氬源20，在此 實施例中氫源20是不純氫。陽極流場的出口 23通過管道24連接到再 循環(huán)驅(qū)動器25,再循環(huán)驅(qū)動器25可以是由燃料供給源20驅(qū)動的常規(guī)的 再循環(huán)泵或再循環(huán)噴射器。再循環(huán)驅(qū)動器的屬性可選擇為適合于本發(fā)明 的多種實施。
陽極流場13的出口 23也連接到放泄閥28,小量的陽極排氣通過該 放泄閥28連續(xù)地排放，或陽才及排氣的突涌通過該力欠泄閥28纟皮排;故來以 常規(guī)的方式去除污染物。通過閥28的流動可以纟皮通風或可以送到燃燒 器(和相關(guān)的設(shè)備)，或返回到陰極流場，如可以適合于本發(fā)明的任何 實施。
到陰極流場30的入口連接到空氣泵31,且來自陰極流場的出口 34 通過壓力控制閥35連接到排放處(例如連接到環(huán)境)。閥19、 28、 35 響應于控制器38。如果在本發(fā)明的任何特定實施例中希望，特別是如果 陰極以接近環(huán)境壓力運4亍，則閥35可以省略；在4壬一個情況中，流動 控制可以包括通過控制器38來控制空氣吹送器31的速度。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，再循環(huán)管道24通過例如流動控制閥41 的限流器連接到陰極空氣泵31的出口 。閥41通過控制器38調(diào)節(jié)以向 陽才及內(nèi)提供0.25%至1.0% (體積百分比)的量級的放氣。在此實施例 中不要求另外的泵。因為在管道24內(nèi)燃料再循環(huán)氣體的壓力遠低于陽 極入口 18處的壓力，所以放氣可以以低壓力、低流量的設(shè)備實現(xiàn)，包 括陰極空氣泵31。
在空氣泵31的壓力不足以提供充足的放氣流到再循環(huán)回路內(nèi)的情 況下，可以由如在圖2中示出的非常小的泵45提供附加的壓力。此實 施例的優(yōu)點是降低了泵45的壓力要求，因為由陰極空氣泵31提供了入 口壓力。另外，這允許了燃料離開壓力大于空氣入口壓力，在許多情況 中這可能是希望的。
本發(fā)明的在圖3中圖示的另一個實施例不^f吏用陰極空氣泵31的出 流，而是使用專用的低壓力低流量的泵4 8來向再循環(huán)回路內(nèi)提供空氣。 因為僅要求小的百分比體積的空氣(或?qū)τ诖耸聦嵢菰S小的百分比體積 的空氣)，所以低的空氣流量是足夠的。因為再循環(huán)回路在到再循環(huán)驅(qū) 動器25的入口處為低壓(在數(shù)個千帕的量級上，即psi的一小部分)， 所以泵可以簡單地是非常低成本的低壓力低流量吹送器。
如果發(fā)現(xiàn)在本發(fā)明的任何實施中是希望的，則在圖1至圖3的任何 實施例中，限流器可以包括與閥41串聯(lián)地放置的固定的孔。在圖l和 圖2的實施例中，控制閥41可以由簡單的固定的孔或根本不需要控制 的空氣限流器來替代。這是因為所要求的放氣和陰極空氣流隨燃料電池 電力設(shè)施的電流輸出的增加線性地增加，使得放氣的增加/降低如要求地以被動方式響應于來自陰極空氣泵31的流動在陰極空氣泵31的速度變化以適合燃料電池電力設(shè)施的功率輸出時的增加/降低。
本發(fā)明的另一個特征是通過將放氣引入到再循環(huán)驅(qū)動器(泵、噴射 器或其他壓力增加設(shè)備，視情況而定)的上游而使之更完全地與燃燃料混合。在典型的裝備中，在空氣引入到再循環(huán)回路和陽極流場自身之間的流動路徑的長度可能比直接提供到陽極流場輸入的常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)的 放氣更長，因此確?？諝馀c燃料的更強的混合。
另外，氳在再循環(huán)回路內(nèi)一般地水飽和且被稀釋(例如以氮稀釋， 氮來自來源于組內(nèi)的陰極的交叉點)。因此，將放氣引入到再循環(huán)回路內(nèi)比將其引入到來自氫源的干燥且未稀釋的氫內(nèi)更安全。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池電力設(shè)施(9)，包括燃料電池的組(11)，燃料電池的每個包括具有燃料入口(18)和燃料排放處(23)的陽極流場(13)，燃料反應氣通過該陽極流場(13)流動，燃料電池的每個還包括具有空氣入口(30)的陰極流場(14)，氧化劑反應氣通過該陰極流場(14)流動；在所述的燃料電池的組的燃料排放處和燃料入口之間互連的燃料再循環(huán)回路(24、25)；連接到燃料入口的燃料源(20)；連接到空氣入口的空氣供給設(shè)備(31)；其特征在于，在所述的燃料排放處和空氣源(31、45、48)之間的流體連接件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電力設(shè)施，進一步其特征在于， 所述的流體連接件包括在所述的空氣源(31、 45、 48)和所述的燃料排 ;改處(23)之間的閥(41 )。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電力設(shè)施， 進一步其特征在于，所述的流體連接件包括布置在所述的空氣源(31、 45、 48)和所述的燃 料排放處(23)之間的流動控制設(shè)備(41)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池電力設(shè)施， 進一步其特征在于，所述的流動控制設(shè)備是閥(41)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電力設(shè)施， 進一步其特征在于，所述的空氣源包括所述的空氣供給設(shè)備(31)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電力設(shè)施， 進一步其特征在于，所述的空氣源包括低壓力低流量泵(48)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電力設(shè)施， 進一步其特征在于，所述的流體連接件包括布置在所述的空氣源(31、45、 48)和所述的燃 料排放處(23)之間的流動控制設(shè)備(41)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電力設(shè)施， 進一步其特征在于，所述的空氣源包括布置在所述的陰極空氣供給設(shè)備(31 )和所述的燃料 排放處(23 )之間的所述的流體連接件內(nèi)的低流量低壓力空氣泵(48 )。
9. 一種在燃料電池電力設(shè)施(9)內(nèi)的方法，所述的燃料電池電力 設(shè)施(9)包括燃料電池的組(11),燃料電池的每個包括具有燃料入口 (18)和燃料排放處(23)的陽極流場(13)，燃料反應氣通過該陽 極流場(13)流動，燃料電池的每個還包括具有空氣入口 (30)的陰極 流場(14),氧4匕劑反應氣通過該陰才及流場(14)流動；在所述的燃4十 電池的組的燃料排放處和燃料入口之間互連的燃料再循環(huán)回路(24 、 25);連接到燃料入口的燃料源(20);連接到空氣入口的空氣供給設(shè) 備(31);其特征在于，將所述的燃料排放處連接到空氣源(31、 45、 48)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步其特征在于，將所述的空 氣源(31、 45、 48)通過限流器(41)連接到所述的燃料排放處(23)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，進一步其特征在于，限流器包括 閥(41 )。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步其特征在于，將所述的燃 料排放處(23)連接到所述的空氣供給設(shè)備(31)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步其特征在于，將所述的燃 料排放處(23)連接到低壓力低流量泵(48)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步其特征在于，將所述的空 氣源(31、 45、 48)通過流動控制裝置(41)連接到所述的燃料排放處(23)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步其特征在于，將所述的陰 極空氣供給設(shè)備(31)通過低壓力低流量泵(48)連接到所述的燃料排 放處(23 )。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進一步其特征在于，將所述的低 壓力低流量泵(48)通過流動控制裝置(41)連接到所述的燃料排放處(23)。
17. —種向燃料電池電力設(shè)施(9)內(nèi)的燃料(13、 18)流動提供放 氣的方法，其特征在于，將空氣(31、 45、 48)噴射到燃料電池電力設(shè) 施的燃料再循環(huán)回路(23、 24)內(nèi)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步其特征在于，將空氣從陰 極空氣供給設(shè)備(31)噴射到燃料電池電力設(shè)施(9)的燃料再循環(huán)回 路(23、 24)內(nèi)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步其特征在于，將空氣從低 流量低壓力空氣泵(45)噴射到燃料電池電力設(shè)施(9)的燃料再循環(huán)回路(23、 24)內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步其特征在于，將空氣從陰 極空氣供給設(shè)備(31)通過低流量低壓力空氣泵(48)噴射到燃料電池 電力設(shè)施(9)的燃料再循環(huán)回路(23、 24)內(nèi)。
全文摘要
在燃料電池電力設(shè)施(9)內(nèi)通過將空氣引入到再循環(huán)驅(qū)動器(25)上游的再循環(huán)回路(23、24)內(nèi)而向燃料電池組(11)的陽極流場(13)提供了放氣?？諝庠纯梢允菍⒀趸瘎┓磻獨馓峁┑疥帢O流場(14)的陰極空氣供給設(shè)備(31)，或分開的低壓力低流量空氣泵(48)，或從陰極空氣供給設(shè)備(31)通過流動控制器(41、42)連接到陽極流場(13)的排放處的再循環(huán)回路(23、24)的壓力側(cè)的分開的低壓力低流量泵(45)。
文檔編號H01M8/04GK101346844SQ200580052438
公開日2009年1月14日 申請日期2005年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者C·E·埃文斯, M·L·佩里 申請人:Utc電力公司