专利名称：具有电化学自动热重整器的燃料电池供电设备的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种供能设备，它利用一种重整器给燃料电池供应氢，尤其是涉及一种供能设备，它利用一种电化学自动热重整器(EATR)为燃料电池提供氢燃料。
燃料电池是一种电化学电池，它将燃料的化学能直接转化为电能，且转化过程是连续的。典型的燃料电池的总的反应为氢与氧化合成水。例如，在25℃和1大气压下，这一反应，其自由能的变化(ΔG)为-56.69千卡/摩尔。在伽伐尼电池中，此项反应所产生的电池电压，其理论值为1.23伏特。而典型的实际值则在0.9至1.1伏特的范围内。目前使用的燃料电池，其主要类型包括质子交换膜燃料电池，磷酸燃料电池，碱性燃料电池，固体氧化物燃料电池，及熔融碳酸盐燃料电池。有关这方面的个别技术细节可参见《燃料电池手册》(修订第三版)，1994年1月，美国能源部化石能源办公室出版。此手册已列入本文之参考文献中。
燃料电池由于其本身要求用纯氢燃料而受到限制。各种最常见的燃料电池，对于甚至是少量的杂质，都十分敏感。所谓的“重整器”是这样一种装置，其中的碳氢化合物燃料混以水蒸气，在有催化剂的条件下，将此燃料/水蒸气混合物转化为氢，一氧化碳，二氧化碳，水及杂质。由于大多数已知的重整器，对于杂质的存在均表现敏感，所以，如果有硫这样的杂质存在，通常是在燃料进入重整器之前，就必须将其从燃料中除去。大多数的重整器，在其重整产品中或重整器产品气体中，只剩下少量的一氧化碳(CO)，其量一般约为百分之一摩尔。为了将CO及其他有潜在危害的各种杂质从重整器的气体产品中彻底地清除出去，就需要附加一些反应机制。但是，这种附加的反应机制，对于一个以燃料电池为电源的发电系统来说，将会增加生产成本和处理成本。
发明的目的与概述因此，本发明之目的在于克服现有技术中之种种局限性和缺点。
本发明之另一目的在于提供一种系统，它可以将碳氢化合物燃料经过重整而适用于燃料电池。
本发明还有一个目的是利用一种电化学自动热重整器，从碳氢化合物燃料中制造出纯净的氢，以便用于燃料电池中进行发电。
简言之，燃料电池供能设备包括一个电化学自动热重整器(EATR)，它可以为燃料电池的阳极侧提供氢。该EATR则包括一个自动热重整器区，一个混合离子导体膜层，以及一个阳极供应区。而混合离子导体膜层，则是将自动热重整区与阳极供应区分隔开。在EATR的阳极供应区和燃料电池阳极隔段或部分之间，有一个阳极气体循环套，它使氢气与一种载气之混合物，循环流动于这两部分之间。由于载气的存在，保证了阳极气体循环套中氢气的分压得以维持较低，即比EATR中ATR区内氢气的分压要低些，目的是对氢气的分离产生影响，或者说对于使ATR区之氢气朝着阳极供应区方向转移产生影响。在EATR和燃料电池之间存在着操作温度差，这种温差被热交换器所利用，从而使供能设备内部的加热和冷却功能得以有效地发挥作用。
按照本发明的实施方案，一种燃料电池供能设备包括一个燃料电池和一个电化学自动热重整器，其中燃料电池又由以下各部分组成燃料电池阳极和燃料电池阴极隔段或部分，以及一个电化学自动热重整器，后者是由一个自动热重整器区，一个混合离子导体膜层，及一个阳极供应区构成。混合离子导体膜层将自动热重整器区与阳极供应区分隔开，同时还使用一个阳极气体循环套，以便使氢气与载气之混合物，能够在重整器的阳极供应区和燃料电池阳极隔段或部分之间循环流动。
燃料电池供能设备的其他特点包括燃烧装置，用于将从自动热重整器排气区送出的过量氢气燃烧掉；给料装置，用于将碳氢化合物燃料输送到自动热重整器区；以及控制装置，其对燃烧装置有所回应，用于对燃料的供料装置施以控制。
通过下文的概述，并结合所附图(图中凡相同之元件皆用同一数字表示)，必将对上述诸点，包括本发明之目的，特点和优点，有清晰的了解。
附图的简要说明
图1是一个典型的质子交换膜(PEM)燃料电池之实例；及图2是如本发明之燃料电池供能设备的原理示意图。
优选实施方案的详细描述参见图1所示之燃料电池100，它包括一个阳极部分110和一个阴极部分130，两者被电解质120分隔开。在阳极部分110之上，H2发生解离，提供出两个质子，同时，在该过程中还释放出两个自由电子，这两个电子经过外部负载140之后，到达阴极部分130。如果使用质子交换膜(PEM)的燃料电池，则质子将以扩散的方式，通过电解质120，即一层膜，然后到达阴极部分130，在那里与O2、还有从外部负载140返回的电子一起生成水。能够用于本发明之燃料电池还有其他几种类型，这包括磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池和熔融酸盐燃料电池。在阴极部分130处，产生了水，H2O。优选借助于将空气流经阴极部分130来提供O2。
参见图2所示之一种EATR(电化学自动热重整器)200，它包括一个ATR(自动热重整器)210，后者籍一膜层220与阳极供应区230相连。该膜层220是一种混合离子导体。这种电化学自动热重整器，是将电化学分离氢气的原理与自动热重整原理串联在一起的结果。采用电化学自动热重整器之目的在于能够将来自EATR自动热重整区之氢气，进行有选择的移除，从而促进重整反应趋向完全，同时，将分离出来的氢气提供给燃料电池的阳极一侧使用。
EATR 200和膜层220的组合物这一整体，其功能与作用，正是题目为“电化学自动热重整器”的一项待审的专利申请案之主题内容(代理人档案号269-005)，本文已将此申请案列入参考文献中。该膜层220可为陶瓷(如前述申请案所述)或为美国专利第5,215,729号所揭示之可渗氢之金属或金属合金，本案已将该专利列入参考文献中。EATR 200产生出的氢气可供燃料电池100加料之用。对此，下文将作进一步的详细说明。
参见图2之原理示意图，其中，EATR 200的进料由分支1和分支4表示，前者为碳氢化合物燃料流，后者为空气流。空气与来自锅炉160之水蒸气在分支33处相混合，形成空气/水蒸气混合物。此空气/水蒸气混合物在进入ATR 210之前，须先在位于分支6和分支7之间的热交换器B2内进行加热。ATR 210之操作温度从大约800°F到大约2500°F，而燃料电池阳极部分110的操作温度却为大约70°F到大约200°F，而且视压力大小而定。
在EATR 200的阳极供应区230一侧，氢气的分压最好低一些，而处于EATR 200的ATR 210一侧，氢气的分压则应相对地高些，即二者呈明显的反差为较佳。因为，在氢气分压存在差别的这种况下，氢气便可以从ATR 210通过膜层220转移到阳极供应区230。没能通过膜层220的那部分氢气，在分支9处离开ATR 210，并与未起反应的燃料及一氧化碳一道，经分支10进入燃烧器260，然后又与经分支12进入燃烧器260之空气相混合，并在燃烧器内燃烧掉。燃烧后的废气经过多元热交换器A1/A2，B1/B2和C1/C2之后，便进入冷凝器280在此，水被移除掉。用泵270将冷凝器280流出之回收水，经分支31抽入在分支32处的锅炉160。热量则由A1，B1和C1传送到系统的其他各部分。来自B1的热量，最好将其用于加热空气/水蒸气的混合物(B2)，即上文所述介于分支6与分支7之间。来自C1的热量，最好供给锅炉160(C2)使用。对于来自A1之热量的利用问题，将在下文中介绍。
阳极气体循环套300处在以下两部分之间，起循环流通气体的作用，这两部分为燃料电池100之阳极隔段或部分110和EATR 200之阳极供应区230。氢气与载气的气体混合物在分支17处离开阳极部分110，其中氢气的分压较低，这是因为在阳极部分110的范围内，由于发电而耗用了氢气的缘故。载气优选用任何惰性气体，因为它不会使燃料电池阳极部分110发生中毒，或者也不会通过燃料电池之电解质层120，或者选用一种不会使燃料电池100发生中毒的一种蒸气。这类气体的或蒸汽的载气典型地包括水蒸气或惰性气体，如氩气或氮气。热交换器D1/D2将热量从阳极气体循环套300之冷侧(D1)，转移到阳极气体循环套300之热侧(D2)。热交换器CU则把来自阳极气体循环套300之冷侧的热量当作一个热源，移送给系统以外的部分使用。热交换器A1/A2，把来自燃烧器260(A1)之热量，传送给阳极气体循环套300之热侧(A2)。
混合气进入在分支16处的热交换器D1/D2，在那里被加热。然后，混合气进入在分支18处的热交换器A1/A2，在那里18处被进一步加热，然后进入在分支19处的EATR 200之阳极供应区230。混合气经过此番加热之后，其温度若能接近EATR 200之操作温度则视为较佳。由于载气的存在，才造成在分支19处、因而在阳极供应区230有比ATR 210内的氢气分压低一些的氢气分压，这一点对于凭借氢气分压或者浓度梯度使氢气能够从ATR 210穿过膜层220而进入阳极供应区230是十分必要的。
EATR 200产生的氢气与来自燃料电池100的混合气体，在分支19处相汇合，然后在分支20处进入热交换器D1/D2，并经此将混合气中之热量移除。气体混合物中另外的热量则通过热交换器CU予以除去，目的是使在分支22处进入燃料电池阳极部分110之混合气体被冷却至接近燃料电池100之操作温度。这样，由EATR 200产生的氢气，经阳极气体循环套300，被转送到燃料电池100，并在这里转化为电能。
来自分支23处的空气，在分支24处送料给燃料电池之阴极部分130。为使燃料电池100发挥其功能，所需之氧气由阴极部分130之空气提供。阴极空气从阴极部分130造分支25排出，从而将阴极部分130处因燃料电池100的作用而产生的水蒸汽也同时被除掉。空气通过阴极部分130，也会对燃料电池100起着一定的冷却作用。视需要，可将来自阴极部分130的水，经分支30和泵270，输送给锅炉160，以扩充由冷凝器280提供给锅炉的水量。如上所述，除非ATR 210在高压下运行，泵270优选为循环泵。根据需要，亦可在分支25处加装一冷凝器(未示出)。
冷却剂，可为空气或液体，经分支27进入冷却器150，旨在进一步冷却将燃料电池10。冷却剂经过分支28离开冷却器150，直接流向冷凝器280，在那里，冷却剂是用于为冷凝器280提供致冷量的，因为，相对于燃烧炉260排出之气体而言，该冷却剂是冷的。如果用空气作冷却剂，则将其经过分支29排出。如果采用的是液体冷却剂，则须安装一个闭路的循环套(未示出)，以便使冷却剂可按常规方式重复使用。
由于载气之存在，使得阳极气体循环套300得以在低的氢气分压而高的总压力条件下操作。如果没有污染物存在的话，如，一氧化碳污染物，则燃料电池阳极部分110是不会对氢气分压过于敏感的。使用水蒸汽或蒸气作为载体是较佳的办法，因为在阳极气体循环套300中如果有水存在，则颇为有利，即是说，如果水是在阳极气体循环套300之冷侧(D1和CU)处凝结，同时又是在阳极循环套300之热侧(D2和A2)处发生汽化的，则是有利的。这样一来，EATR的阳极供应区230处的氢气分压，将会比燃料电池阳极部分110处之氢气分压低得多。
只要在ATR 210和阳极供应区230之间的氢气分压梯度足够大的话，EATR 200的功能便可正常发挥。如上所述，氢气分压梯度之得以保持，全凭阳极气体循环套300的作用。另一种替代方案是让ATR 210在高压力下运行。高压条件下须考虑之事项包括选用一台容积泵(positive displacement pump)来代替泵270，并对分支4与5之间的空气流进行压缩，同时，视需要，亦可在分支9与10之间施加一个逐渐压降。在一个适度的大型系统中，在分支9和10之间若能安置一台气体涡轮机，则可提供所需之压降的功能，同时，涡轮机所产生的机械能，可以用来为设置在分支4和5之间的空气压缩机(未示出)提供动力。
如上所述，由于在ATR 210内的氢气分压比阳极供应区230内的氢气分压相对地高一些，所以，氢气才能够穿过膜层220，从ATR 210进入阳极供应区230。如果阳极供应区230内的氢气分压高于ATR 210内之氢气分压，则氢气将朝着相反的方向穿过膜层220，从阳极供应区230进入ATR 210。在分支14处对燃烧器260排放的废料之温度进行监测时探明这样的事实。如果要求低的燃料电池100电能，氢就不会被阳极部分110所消耗，所以阳极气体循环套300处之氢气分压便会增加。而阳极供应区230处氢气分压的瞬时增加，又会造成氢气经过EATR 200朝着相反的方向流动，即从阳极供应区230，往ATR 210流动，直到膜层220两侧之氢气分压完全相等为止。由于跨越膜层220两侧之氢气分压已不存在压力梯度，所以氢气穿越膜层220的转移也即停止。因此，全部经过重整的氢气经分支9离开ATR 210，然后进入燃烧器260，由此造成分支14处的温度有所升高。这种升温现象发出的信号是必须减少分支1处的燃料供料量。反之，如果对燃料电池100在电能上的要求提高了，便会导致有较多的氢消耗于燃料电池100中，而输送到燃烧器260的氢气量便减少了，结果造成燃烧器的温度下降，由此发出的信号是需要增加燃料的供料量。为了能够增加或减少燃料的供料，还须装配监测器和反馈循环套等装置，但考虑到任何一位本领域的熟练人员均能胜任此项工作，对此本文不拟赘述。
对于实施本发明之较佳方案，以及所附之参考图解，前文已作介绍。通过实施例可知，本发明之实施，并非仅限于此类极为精准之范例，而是允许本领域的熟练人员对之做出各种不同的，行之有效的更动和修改，同时，这样做并没有超越本文末尾所列之权利要求为本发明所规定的界限和精神。
权利要求
1.一种燃料电池供能设备，包括一个燃料电池；一个电化学自动热重整器；所述的燃料电池包括一个燃料电池阳极部分和一个燃料电池阴极部分；所述的电化学自动热重整器包括一个自动热重整区；一个混合离子导体膜或者金属或金属合金膜层，及一个阳极供应区，所述膜层将所述自动热重整器区与所述阳极供应区分隔开；以及一个阳极气体循环套，它提供用于使包括氢和载气的第一混合物在所述燃料电池阳极部分与所述重整器阳极供应区之间循环流动。
2.如权利要求1所述之燃料电池供能设备，其中所述的燃料电池是质子交换膜或者固体聚合物电解质燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池及熔融碳酸盐燃料电池中的一种。
3.如权利要求1所述之燃料电池供能设备，进一步包括燃烧装置，用于将来自所述的自动热重整器区的过剩氢气排出并燃烧掉；及燃料供料装置，其对所述的燃烧装置具有回应，用于碳氢化合物燃料供料给所述的自动热重整器区。
4.如权利要求3所述之燃料电池供能设备，进一步包括空气供料装置，用于将第二混合物供料给所述的自动热重整器区，而所述的第二混合物是空气与水蒸气的混合物；水蒸气生产装置，用于制造水蒸气，该装置与所述的空气供料装置相联接；以及第一热交换器，它位于所述燃烧装置的输出处与所述水蒸气生产装置之间。
5.如权利要求4所述之燃料电池供能设备，进一步包括升温装置，用于在当所述第一混合物在从所述燃料电池阳极部分至所述重整器之阳极供应区的第一路径循环流动时，使所述的第一混合物的温度升高；及降温装置，用于在当所述的第一混合物在从所述重整器之阳极供应区至所述的燃料电池阳极部分的第二路径中循环流动时，使所述的第一混合物的温度下降。
6.如权利要求5所述之燃料电池供能设备，其中所述的升温装置及所述的降温装置一起形成第二热交换器。
7.如权利要求6所述之燃料电池供能设备，进一步包括，一台第三热交换器，它位于所述燃烧装置的输出处与在所述第一路径上的所述第一混合物之间。
8.如权利要求7所述之燃料电池供能设备，进一步包括，一台第四热交换器，它位于所述燃烧装置的输出处与所述空气供料装置内的空气和水蒸气构成的第一混合物之间。
9.如权利要求8所述之燃料电池供能设备，进一步包括，一台第五热交换器，它位于所述的第二路径上的所述第一混合物与所述供能设备以外的一点之间。
10.一种燃料电池供能设备，包括一个燃料电池；一个电化学自动热重整器；所述燃料电池包括，一个燃料电池阳极部分和一个燃料电池阴极部分；所述电化学自动热重整器包括一个自动热重整区；一个混合离子导体膜或者金属或金属合金膜层，及一个阳极供应区；所述膜层将所述自动热重整器区与所述阳极供应区分隔开；循环流动装置，用于将氢气与载气之混合物在所述燃料电池阳极部分与所述重整器阳极供应区之间循环流动；燃烧装置，用于将来自所述自动热重整器区的过剩之氢气排出并燃烧掉；燃料供料装置，用于将碳氢化合物燃料供料给所述自动热重整器区；以及控制装置，其对燃烧装置具有回应，用于控制所述的燃料供料装置。
全文摘要
一种燃料电池供能设备,包括电化学自动热重整器(EATR),它为燃料电池(100)提供氢。EATR包括一个自动热重整器区(210),一个阳极供应区(230),及一个混合离子导体膜或者金属或者金属合金膜层(220),该膜层将自动热重整器区和重整器阳极供应区分隔开。一个阳极气体循环套(300),位于EATR的阳极供应区与燃料电池的阳极隔段或部分(110)之间,该循环套之作用是使氢和载气的混合物循环流动于这两部分之间。载气保证在这两个区内的氢气分压得到适当的控制。EATR与燃料电池之间在操作温度上的差别被热交换器所利用,热交换器能够使其加热和冷却功能在供能设备范围内得到有效的发挥。
文档编号H01M8/04GK1264500SQ98807338
公开日2000年8月23日 申请日期1998年7月9日 优先权日1997年7月15日
发明者戴维·P·布卢姆菲尔德 申请人:尼亚加拉莫霍克能量公司