专利名称：用于燃料电池动力装置的自燃氢气生成系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池动力系统领域，具体来讲，涉及产生、存储和计量燃料电池所需的氢的方法。
背景技术：
燃料电池有可能成为将化学能转化为电能的经济可行的装置。例如，在聚合物-电解质膜(PEM)燃料电池(又称为质子交换膜燃料电池)中，将氢和氧结合产生电能。空气是氧的常规来源，氧化剂可以是任何含氢材料，包括氢气、甲烷、天然气和乙醇。除了纯氢之外，燃料源可能要求局部精炼(local refining)过程，以产生具有PEM膜能够接收的形式的氢。这一精炼过程在重整器中完成。通过氧化在燃料电池中产生能量转换，其要求氧化剂(oxidant)和氧化媒介(oxidizing agent)的增压。所述重整系统消耗了整个动力系统所需的空气的四分之一，以产生空气系统所需的高压。
利用燃料电池的电力系统由几个子系统组成，所述子系统需要压缩空气和/或其他气体来运行。这些子系统中的每一个均在截然不同的压力分布下最佳运行。获得所有的必要压力的最为通用的方法是采用完全气态的供应系统，每一子系统包括压缩机、驱动马达和马达控制器，或许还包括膨胀器。这一方法在整个动力系统上产生了大量的寄生电能损失，由此显著增大了所述动力系统的开销、尺寸和低效率。
数十年来一直采用过氧化氢(H2O2)作为氧气的来源，用于燃烧碳氢化合物燃料，并产生用来推动火箭的蒸汽和其他气体。此外，早在20世纪30年代就成功地将其用作水下氧气源。作为一种相对安全的可用液体，过氧化氢提供了燃料电池动力系统所需的富含氢和氧的燃料源，前提是能够制造出将这些分子组分有效的分离并提供至燃料电池组的装置。因此，存在对更为简单的、造价更低的氢、氧供应系统的需求，所述供应系统用于基于过氧化氢的燃料电池，其减小并消除了对空气压缩系统的需求，以满足重整需要。优选地，所述系统还省去了膨胀器的成本，并降低了任何空气系统驱动马达需要的尺寸。
通常，以空气流的形式将氧气提供至燃料电池组的阴极侧。在所有的情况下，都具有运动装置，例如风扇、吹风机或压缩机，从而使含氧的空气通过所述燃料电池组运动。所述电池组的功率密度与所述燃料电池膜电极组件(MEA)处的氧气和氢气浓度具有直接关系。假设电能的产生不受MEA阳极侧的氢气浓度的限制，那么，在压缩空气流时，叠置MEA能够产生显著增大的电流，其正比于膜附近氧气浓度。因此，目前增大燃料电池的功率输出的方法是增大提供至所述机械装置的运动动力，其用于使空气通过燃料电池组运动，由此增大空气流密度。虽然来自燃料电池的总功率输出将增大，但是提供至空气运动装置的运动动力却以更快的速度持续增大，由此降低了系统的总效率。因此，需要一种方法，降低燃料电池电输出的寄生负载的百分比，所述寄生负载是通过这些机械装置体现的。
发明内容
本发明提供了采用过氧化氢向燃料电池提供氢气和氧气的方法。氧元素占每一过氧化氢分子的质量的94％，但是仅占空气质量的21％。此外，容易将过氧化氢作为液体使用，而空气则要作为气体提供，其要求更高的容积流量和压缩，以达到在重整器中所要求的消耗速度。这样，利用氧化剂和碳氢化合物在催化剂的作用下生成了CO2和H2，其中，所述氧化剂可以是混合了水的过氧化氢，所述碳氢化合物可以是乙醇、甲醇、甲烷或类似物。在PEM燃料电池组中，CO2是无害的，并且有利于在电池组的燃料供应侧提供压力，而H2则是所期望的用于生成电能的气体。此外，在存在催化剂的情况下，使过氧化氢分解为氧气和水。可以通过过氧化氢的这些分立的反应生成在燃料电池动力系统(fuel cell power system，FCPS)中加以利用的氢气流和氧气流。
即使在过氧化氢和碳氢化合物的自燃反应中采用简单的碳氢化合物，例如甲烷、甲醇和乙醇，也可能出现一些对PEM燃料电池有害的一氧化碳(CO)。在采用更为复杂的碳氢化合物，例如汽油和柴油时，将产生对大多数燃料电池都有害的其他分子和化合物，包括硫和含硫化合物。所有的这些有害分子的共同特性在于，它们比MEA的阳极侧所需要的用来发电的氢分子大得多。除了这些有害产物外，由过氧化氢和碳氢化合物的自燃反应带来了温度和压力的升高。可以利用这一升高的压力驱动氢气跨越分子筛，所述升高的压力不是施加在燃料电池动力系统(FCPS)上的寄生负载。这样，由过氧化氢和碳氢化合物的自燃反应释放的混合燃料气体流被氢气滤筛有选择地过滤，从而丢弃剩余的分子而没有任何负面效应。可以通过氧化剂处理没有跨越分子筛的一氧化碳，用于向二氧化碳转化。
除了氢气之外，PEM燃料电池需要氧气生成电流。通常通过在燃料电池的阴极之上吹送空气流提供氧气。令人遗憾的是，用来在所述阴极之上移动空气的机械装置对燃料电池的电输出构成了寄生负载(parasitic load)，由此降低了燃料电池电源的效率。因此，在本发明的另一实施例中，过氧化氢在加热或催化作用下发生反应，以提供H2O和O2。在将这一气流引入到燃料电池的阴极(空气)侧时，在没有相应增大由空气移动装置导致的寄生功率需求的同时，增大氧气的百分浓度。采用H2O2作为氧源可以是连续的、间断的或者局限在FCPS上施加峰值功率输出需求或高瞬态负载的具体情况。
与燃料电池空气移动装置的寄生功率需求无关的补充氧气供应使得燃料电池组的阴极侧具有提高的氧气密度，更为重要的是具有更高百分比的O2浓度，由此在没有相应增大寄生空气系统负载的情况下，迅速增大了FCPS的电能密度。这可以在不增大电池组压力的情况下完成的。但是，即使对可分解为H2O和O2所采用的H2O2的量存在限制，采用这一方法对燃料电池动力系统(FCPS)仍然具有显著的益处，因为可以间歇达到相同的电池组电能密度，并在极大降低的峰值电池组压力下维持所述电能密度。例如，可以采用大约2.5巴到3.0巴的高压或者可以采用大约1.3巴到1.5巴的适度H2O2注入轻易地实现相同的FCPS电输出。在能够提供2.0巴和1.3巴的FCPS空气输送系统之间存在的成本和系统复杂性方面的差异是非常明显的。系统成本差异可以轻易超过15比1。这一成本差异不仅是通过造价显著降低的压缩机实现的，也是由降低的最大压力带来的显著降低的装置功率需求实现的。因此，可以降低用来运行空气移动装置的运动动力装置的尺寸，从而带来显著的成本节约，所述运动动力装置通常为电动机和控制器。FCPS中压力降低的另一个显著优势在于减小了施加在燃料电池组自身上的结构负载。这一点又降低了将阳极和阴极气流通路彼此密封，防止向外部泄漏的相对难度。降低电池组压力的另一个优势在于降低MEA上的应变，所述应变既来自峰值压力，也来自瞬态负载工作期间所承受的跨越MEA的压力变化的绝对值的减小。
在本发明的其他实施例中，由与过氧化氢的自燃反应生成的过剩氢气可以放出用于氢气的其他公知应用。例如，在本系统中产生的氢气可以用来为内燃机提供动力。对来自反应室的氢气进行过滤，并将其存储在存储室中或直接输送至引擎。可以采用普通的吸气方式或涡轮增压方式将氢气供料流连同环境空气一起注入到引擎的燃烧室。燃烧气体的点火导致了所形成的气体的急剧膨胀，从而以普通方式驱动活塞。
类似地，可以通过涡轮机使本发明的系统中产生的高温和高压气体膨胀，作为运动源。或者，可以将氢气供料流与空气或另一种氧源混合，并在涡轮机中燃烧，以产生动力。在这些情况下，没有必要去除作为副产品的CO2，因为它们可以为能量的生成起作用。
也可以采用加压氢气浓缩甲烷(压缩天然气)，从而形成被称为Hythane的产品。这一过程产生大量CO2，在静止或移动的基础上实施这一过程时，可以收集这些CO2并用于灭火器当中，或者与氩气结合提供焊接用途的气层防护。在加压存储时，可以用它制冷或冰冻物体。
还有某些应用要求在封闭环境中发电，其中，与空气的补充气流的接触是受到限制的，例如地下采矿或封闭货仓。对于这些应用来讲，特别是在处于这些封闭环境中的人员的安全对发电带来额外限制时，燃料电池动力系统(FCPS)需要空气以外的氧源。在这些情况下使用H2O2避免在局部环境中消耗氧气，并且在适当考虑了将被氧化的燃料类型的情况下，降低了碳和硫的氧化物的形成，并去除了废气气流中的氮的氧化物。因此，在本发明的另一实施例中，采用过氧化氢作为唯一的氧气源提供至燃料电池的阴极，从而在无需连续供应空气的情况下产生电能。
图1是燃料电池动力系统的方框图，其包括基本的自燃氢生成系统作为氢源。
图2是燃料供应子系统的放大图，其示出了燃料电池动力系统的接口部分。
图3是适于在本发明的燃料电池动力系统中使用的反应/压力室的示意图。
图4是本发明的存储和输送子系统的示意图。
图5是燃料电池动力系统组件的示意图，其包括采用过氧化氢作为补充氧源。
图6是燃料电池动力系统组件的示意图，其采用过氧化氢作为唯一氧源。
图7是燃料电池动力系统的示意图，其中，从过氧化氢生成的氢气在抵达燃料电池之前通过氢气滤筛。
具体实施例方式
本发明利用在将浓缩过氧化氢以适当的化学计量比与碳氢化合物燃料混合时所具有的自燃反应特性，以产生二氧化碳和氢气。通过在含有促进CO2形成的催化剂的压力室中混合燃料，形成氢气，可以将所产生的氢气用作燃料电池的动力。
如果在没有空气的情况下将诸如甲烷、甲醇或乙醇的简单碳氢化合物与H2O2混合，那么各自的化学反应如下(反应1)(反应2)(反应3)如反应3所示，如果向乙醇/H2O2反应中添加水，那么产物与甲醇/H2O2反应相同。由于乙醇可溶于水，且容易作为液体使用，对于本发明的方法而言，其为优选碳氢化合物源，但是本领域技术人员容易理解，只需稍加调整就可以在这些反应中采用其他碳氢化合物燃料，以达到产生燃料电池所需的氢气的预期目的。在H2O2以低于65％左右的比例溶于水的混合物中，当与碳氢化合物混合时，H2O2仍然具有自燃属性。因此，在水中将乙醇与H2O2混合，将按照反应3发生反应，以产生氢气和二氧化碳。在这些反应中生成的热导致在反应室的固定容积内压力和温度增大。
优选地，以微克剂量将自燃反应物喷射到反应室内，其最初仅占用亚毫升量级的体积。这样，反应生成的热将提高反应室的温度和压力。由于在所述反应中产生的气体不必立即得到使用，因此，其可以保留在反应室中更长的时间，由此减小不充分的反应，因为在存在催化剂的情况下，将有更多的H2和CO2形成。在压力作用下同时喷射液体将导致雾滴的形成或汽化，这一点与喷嘴设计有关。或者可以在系统控制下调整不同液体的喷射时间，从而在喷射碳氢化合物之前使过氧化物开始离解。
H2O2的使用避免了采用空气提供氧气带来的问题，消除了对压缩机的相关需求，因为要采用压缩机对空气施加压力，以达到重整所需的水平(高达3.2巴)，以及对重整后所需的大型气体净化系统的需求。这些机械需求的消除使燃料电池空气系统的尺寸要求降低了25％左右，从而降低了子系统的总成本。此外，由H2O2和碳氢化合物的反应产生的气流中的CO2的生成通常不被视为对PEM燃料电池膜有害/有毒。
可以将乙醇和H2O2/水混合物各自的体积设置成近似等于目前大多数汽车为达到相同的驾驶里程所采用的常规汽油箱的体积。
参照图1，本发明的燃料电池动力系统(FCPS)包括分为三个基本子系统的自燃氢气生成系统。其包括燃料供应子系统(10)、至少一个反应/压力室(20)以及存储和输送子系统(30)。
参照图2，燃料供应子系统(10)提供过氧化氢和水的混合物(H2O2/H2O)和碳氢化合物燃料的单独供应。将H2O2/H2O混合物作为液体通过加注口(70)提供至H2O2/H2O箱(80)。就重量而言，H2O2/H2O混合物处于大约40％和约70％的过氧化氢之间。在与乙醇的反应过程中，就重量而言，H2O2/H2O混合物优选处于大约62％和约68％的过氧化氢之间。类似地，通过加注口(90)向燃料箱(100)提供碳氢化合物燃料。根据所采用的碳氢化合物燃料，提供作为液体或气体的燃料。所述碳氢化合物燃料可以包含任何将参与与H2O2/H2O混合物的自燃反应的碳氢化合物。所述燃料可以是被产生或制造以输送氢的任何化合物，其中，载体分子需要通过氧化释放后续应用所需的氢。所述燃料优选为液体。本发明所采用的合适的碳氢化合物燃料的例子包括甲烷、甲醇、乙烷、乙醇、丁烷和丁醇或这些化学物质的混合物，但是，本领域技术人员容易理解，有大量的碳氢化合物将可以参与到本发明的自燃反应当中，以形成适合燃料电池使用的氢气。所述碳氢化合物燃料优选为甲烷、甲醇或乙醇。最为优选地，所述碳氢化合物燃料为液体乙醇。
在系统控制器(50)的控制下，针对每种液体或气体组分，采用泵(110和120)将H2O2/H2O混合物和碳氢燃料通过至少一个喷射器阀门(130和140)泵送到反应压力室(20)当中。氧化剂和燃料来自空气系统(60)传输线或独立的马达，如果需要的话，也可以采用转轴泵送。将所述氧化剂和燃料喷射到含有适当的催化剂的反应/压力室(20)当中。所述催化剂可以是任何促进反应物生成二氧化碳和氢气化合物。适当的催化剂包括铁、镍、钴、铜、铬、铂以及这些催化剂的混合物。
不必立即将氢气从反应/压力室(20)提供至存储和输送子系统(30)的事实使得喷射的液体在存在催化剂的情况下以自燃的方式，在分子运动动力学作用下发生反应。在很多次燃料的微喷射之后，在反应和压力室(20)中建立起压力。根据系统控制器中存储的算法的需要，将所形成的气体吸到存储和输送子系统(30)当中。根据具体的应用，也可以利用直接来自所述反应室的这一输出。存储和输送子系统(30)可以具有比反应/压力室更大的容积，并具有足够的尺寸，从而输送足够的氢气，以支持来自燃料电池组(40)的功率输出。这一第二室允许在反应和压力室中存在更长的过渡时间，从而使CO2的形成更加彻底，而不是生成CO。在采用第二压力室，并且其大于第一反应和压力室的实施例中，氢气和二氧化碳气体产物在膨胀到更大的室中的过程中将被冷却。如果所得到的温度变化是不够的，仍然可以采用安装在输送管线中的可选热交换器(170)取得预期的温度。这一可选的热交换器还可以采取热交换套的形式，其围绕所述反应和压力室(20)或从所述反应和压力室(20)到所述存储和输送子系统(30)的输送管线。
PEM燃料电池目前要求气体内部的操作温度在阳极和阴极均低于100℃。基于这一原因，80℃通常是FCPS开发者所允许采用的最高温度。可以利用这些反应的能量轻而易举地处理由过氧化物的放热分解以及碳氢化合物燃料的氧化所引起的气体温度升高。在适当尺寸的反应容器容积内，可以基于气体温度、热交换器温度、冷却剂温度和系统已知的热质量将所产生的气体产物的压力驱动至计算值，使得在发生热转移，并且压力降到环境压力或电池组阳极增大的压力之后，潮湿的氢燃料气流的温度与最大的允许值相容。传送至燃料电池组的气体的温度优选处于约10℃和约85℃之间。在系统控制器(50)的控制下，当传感器(160)检测到再填充(recharging)的具体设计点时，将开始从反应/压力室(20)对存储和输送子系统室进行再填充。如上所述，来自存储和输送子系统(30)的输出处于可编程的或命令可兼容的压力调节器(200)的控制之下，其与输出阀(210)进行耦合，作用在于控制进入燃料电池组(40)的气体的压力和流量。这一气流可以是连续的或脉冲的，其与来自系统控制器(50)的脉冲宽度命令有关。
燃料供应子系统的功能在于提供在反应压力室(20)中混合时以自燃的方式反应的燃料。参照图2，这是通过采用至少两个单独的燃料箱(80和100)完成的。可以通过通向反应压力室(20)的喷射器阀门(130和140)实现将各种燃料泵送至某一压力级。优选包括至所述箱体的调整回流管路(regulated return line)，从而保持燃料泵(110和120)不会产生过热现象。图2所示的阀门(130和140)体现了功能操作系统所采用的最小可行数目。作为可选方案，所述系统可以具有许多阀门，具体根据整个系统设计的需求而定。在优选实施例中，通过各个马达或来自空气子系统驱动马达的轴外伸部独立传动所述燃料泵(110和120)。这一配置很适合机动车，因为FCPS需要空气子系统马达，并且用于提供燃料的其他泵所施加的负载相对于驱动空气压缩机较低。即使根据本发明降低了满足空气子系统所需的功率，所述空气子系统仍然是FCPS上最大的寄生负载。
燃料供应子系统中的阀门(130和140)是高速微喷射器阀门，其允许系统控制器(50)将自燃反应物脉冲喷射到所述反应压力室(20)当中。这样可以让系统控制器(50)确定构建该室内部的压力和温度的速度，并采用脉冲宽度调制方法控制来自每一阀门(130和140)的输送脉冲的“开启”时间，从而提供计量精确的燃料输送。这种严格的控制还可以根据需要实现各种燃料反应物之间的输送差异，从而根据FCPS的需要，相对于化学计量的需要，在所述燃料反应物之间获得不同的混合物。
将H2O2/H2O混合物存储在一个箱体中，所述箱体包括或至少衬套一种不与H2O2反应的材料。优选采用PTFE(聚四氟乙烯)作为所述箱体或箱体衬套材料。类似地，所述碳氢化合物燃料箱材料必须不与所述碳氢化合物燃料发生反应。在本领域中公知有很多可用于这种类型的碳氢化合物燃料箱的涂层，例如镀锌钢或塑料，例如特氟隆。燃料箱(80和100)具有加注口(70和90)，其可以容纳用于预期燃料混合物的加注喷嘴。所述箱体的输出被泵送至一定压力，使得所述喷射器能够使所述反应剂呈细雾状进入所述反应和压力室(20)。通过使所述燃料呈细雾状进入重整压力室(20)，在给定时间内增大与分解的H2O2分子发生撞击的碳氢化合物分子数量，以产生更快的反应。
参照图3，反应/压力室(20)为含有催化剂的高压室，所选择的催化剂可以促进射入的反应物形成二氧化碳和氢气。由于所述反应为自燃反应，因此，所述反应物温度和压力都增加，为反应和压力室(20)提供过压安全泄压系统(150)，在系统失去控制的情况下，其能够安全地泻放内部压力。所述反应和压力室(20)还具有压力和温度传感器(160)，其位于反应和压力室(20)内部，为系统控制器(50)所用。将这些压力和温度值与FCPS系统中其他子系统的状态相结合，通过给定指令控制反应物的入口，或打开控制气体从反应和压力室(20)流入到存储和输送子系统的阀门。到存储和输送子系统(30)的这一输入一直持续到在所述存储和输送子系统室内取得预期存储压力。根据FCPS系统的尺寸，可能要求在反应和压力室(20)以及存储和输送子系统(30)之间设置热交换系统(170)。或者，提供与所述反应和压力室自身集成的热交换系统。
参照图4，存储和输送子系统(30)包括存储室，其大于反应和压力室(20)，用于使氢气和二氧化碳气体在膨胀到更大的室内时发生冷却。此外，所述存储和输送子系统(30)在较低的压力下工作，以减小压力调节器(200)所必须工作的范围，因为所述燃料电池组(40)的最高输入压力要求仅需要平衡跨越所述膜的气压。在当今的大多数燃料电池设计中，这一压力与环境气压的压力比具有从大气压到2.2的变化。存储和输送子系统箱中的压力可以为2000psi或更高，因此，也需要这一容箱提供过压安全泄压系统(190)。类似地，为这一容箱提供系统控制器(50)所采用的用于监视压力和温度的传感器(220)。所述压力调节器(220)是可以通过系统控制器(50)进行编程的，其与基于FCPS系统的负载实现最佳燃料电池组输出(电压和电流)所需的压力有关。
在本发明的自燃反应中，由于反应物的不完全反应将产生一定量的一氧化碳。这些一氧化碳对于PEM燃料电池是有害的。当在所述反应中采用更复杂的碳氢化合物，例如汽油、柴油机、DME、JP5和JP8时，还存在其他污染所述燃料的分子和化合物，例如对大多数燃料电池有害的硫。这些有害分子比氢分子大，因此，可以在输送到燃料电池组之前将其从氢气中滤除。
在某些燃料电池中，例如固体氧化物中，CO对于所述膜是无害的。本发明的工艺非常适合一种燃料电池采用，在所述燃料电池中，H2和CO2，连同一定量的CO提供了可用的燃料。尽管在产品流中出现CO表示所提供的燃料与H2O2没有充分反应，并由此降低了氢气转换效率，但是在CO不是污染物的某些燃料电池应用中，可以不用保证完全的、非常高级别的转换。尽管要想达到最佳效率优选实现完全转换，但是由于不一定要求将CO完全转换为CO2，因此避免了一些费用。
当CO对所采用的燃料电池有害时，其作为由H2O2与碳氢化合物燃料发生自燃反应生成的反应产物的组分所导致的温度和压力的升高可以被加以有利的利用。可以利用升高的压力驱动氢气穿越分子筛，所述升高的压力不是FCPS上的寄生负载。因此，在本发明的另一实施例中，采用分子筛去除在本发明的自燃反应中生成的氢气流中的其他分子和化合物。
参照图7，通过将上述系统中的滤筛插入到来自反应和压力室(20)的气流中实现氢气滤筛(340)的使用。所述系统可以在滤筛的低压侧有任选地包含与氢气兼容的泵，以促进氢气穿过滤筛的转移。本领域公知的适当的氢气滤筛包括致密陶瓷质子传导膜或具有微孔的陶瓷膜。对于任意量的自燃反应物而言，为了转移最大量的氢气，可以以批处理方式完成这一过程。如果采用批处理方式，就必须为氢气准备更大的存储容器，以确保具有足够的燃料供应来满足FCPS需求(在下一批氢气处于处理过程时)。但是，批处理方式将使氢泵在FCPS上造成的寄生功率需求最小化，因为跨越氢气筛膜的压降将从几巴急剧降低至0.5巴以下。压降越大，燃料批处理的速度越快。可以对氢燃料泵进行配置，使得其对于大多数FCPS占空比而言，都工作在标称的跨越滤筛的低压变下，从而使寄生功耗最小化。或者，在高负载条件下，所述氢泵能够急剧增大跨越所述膜的压力变化，以降低批处理时间，从而确保向FCPS提供足够的氢燃料气流。这一处理使得第二氢气存储容器的尺寸最小化，对于某些应用来讲，这一点可能是重要的。
在这一实施例中，在系统控制器(50)的控制下，通过流量控制阀(180)计量由氢气滤筛(340)到存储容器，或直接到达燃料电池组的氢气流。未通过氢气滤筛的气流通往出气孔或收集室(360)，从而可能实现水汽凝结和/或废弃处理，其由系统控制器(50)控制。可以对凝结水进行收集和再处理，从而利用其按照FCPS的需要使通往燃料电池组的气流湿润化。可以采用过滤、逆向渗透或类似的方法对收集到的水进行再处理，从而应用到这一湿润化步骤当中。可以在系统控制器(50)的控制下，通过过程控制阀(350)对这一水流进行计量。
分子筛极大地降低了对CO到CO2的高转换率的需要，因为CO不会穿过滤筛到达对CO敏感的MEA。这种高度转换可能被证实需要一些功能部件，而这些功能部件对于希望拥有小型、廉价、具有快速响应能力的动力系统的机动车公司来讲是不利的。此外，纯净的氢气气流具有很多优点，其能够提高FCPS的功率密度，并且具有响应高瞬态负载条件的能力。由于只有氢气存在于燃料流当中，因此，在MEA的阳极侧附近具有浓度非常高的氢气。此外，由于在燃料流中没有大分子，惰性组分或其他物质，因此显著减小了压降，由此将低了在FCPS经受高电负载时为MEA的所有区域进行再填充而输送新燃料所需的能量。在MEA的阳极侧附近具有如此高浓度的氢气，降低了燃料电池组所需的最大操作压力，其能够实现通过更高的压力系统获取的相同级别的电产量。特别地，如果在不增大压力的情况下，可以采用附加的氧气供应增大MEA阳极侧附近的O2浓度，那么将进一步降低最大电池组压力，由此降低对电池组的结构设计要求，并简化对阳极和阴极气流进行密封，防止泄漏的苛刻要求。
相对于整个燃料电池动力系统(FCPS)的工作要求来讲，系统控制器(50)在提供氢气生成系统的最大功能性方面起着关键作用。编程到控制器当中的数学算法和数据查阅表能够使氢气生成系统在工艺过程的每一阶段调整关键气体参数，从而更好的满足FCPS的氢气要求。例如，独立地微注入反应物的能力实现了在初级氧化催化床内具有可变的、非化学计量的氧化剂和碳氢化合物燃料的比率。照此而言，通过增大过氧化氢的微注入速率得到的增大的含氧量将在启动时或氢气生成系统内的催化气体净化床没有到达所需的最低工作温度的其他时机增强CO到CO2的转换。在将一氧化碳探测传感器集成到由(160)和/或(161)标示的传感器封装，或氢气生成系统当中的其他部分时，系统控制器(50)将能够有效地调节氧化剂喷射器(130)的喷射速率，从而通过添加过剩地氧气促进从CO到CO2的转换。此外，可以采用备选的氧化剂喷射位置，而不是在初级反应压力室内。优选地在存储室(30)或与之等效的功能部件中有氧化剂喷射位置。也可以通过系统控制器(50)对这一喷射器进行控制。
氢气生成系统的基本组件(反应压力室(20)、热交换器(170)、氢气滤筛(340)和存储室(30))的相对尺寸在相当大的程度上是由具体的应用和应用的占空比界定的。可以将每一处理点的相对温度和压力作为系统控制器(50)可用的独立变量，以满足FCPS的特定的瞬变的燃料供应需求。照此而言，反应和压力室的最大压力范围优选位于约1000psi到约5000psi左右，尽管超出这一范围的最小和最大压力也是完全可能的。5000-psi的压力反映了FCPS对封装体积最小化的要求，或对具有高压降的紧凑封装的催化床的要求，或者对驱动所生成气体通过高压降氢气滤筛的需求。随着反应压力室(20)的最大压力的降低，其体积将存在增大的趋势。这一关系的主要驱动因素在于对处理足够的反应物以满足FCPS的占空比的持续需求。为了避免增大反应压力室(20)的体积(以及由此产生的相关热质量和增加的催化剂的费用)，可以采用备选的折中方案，即增大存储的氢气容量或增大经过处理的氢气供料流的存储压力。这样，在压力调节阀(200)上游的氢气供料流的最大压力处于约500psi和约1500psi之间。
总存储体积的简单增大是通过选择更大直径的气体传输管道实现的。通过提供将氢气滤筛(340)(如果存在的话)和热交换器(170)(如果存在的话)的容积与反应压力室(20)隔开的装置，有可能在去除存储室(30)的结构的同时保留其功能。这一容积完成了分配给存储室(30)的存储功能。
对气体的热控制是可通过系统控制器(50)完成的另一功能。如果通过这一装置产生的氢气供料流应用于PEM类型的燃料电池，那么进入PEM燃料电池的最大气体温度必须处于约10℃和约85℃之间。系统控制器监测喷射速率、温度和压力，并在PEM FCPS对处于这一温度范围的氢气和湿润化的氢气供料流的要求的基础上，有效控制和调整反应压力室(20)的内部热交换系统和外部热交换器(170)(如果存在的话)的热转移速率。在气体和水蒸汽的特性范围内，系统控制器(50)能够在过程工艺的每一阶段独立地修正最大/最小压力，从而利用有效的热交换能力和由诱导的压降导致的热损失，以便提供在必要的温度和湿度范围内的精确的质量流。在通过压力控制阀实现的每一诱导压降之后，引入一种装置来收集和去除凝析液。此类系统是本领域公知的，并且可以在市场上购买到。系统控制器(50)能够补偿预计将要在其中运行FCPS的各种环境大气条件，包括热、冷、湿、干。
在本发明的另一实施例中，采用过氧化氢向燃料电池的阴极侧提供氧气，从而使燃料电池组的阴极侧具有百分比更高的氧气浓度，并由此在不增大由空气移动装置引起的寄生功率需求的情况下迅速增大FCPS的电能密度。在要求峰值功率输出或在FCPS上施加高瞬态负载时，可以连续或间歇地使用这一氧源。
如上所述，H2O2是一种极佳的氧源，因为氧气与分子其余部分具有非常高的重量比。H2O2是非常好的选择，因为其具有高氧浓度，并且较容易处理输送和安全问题。这一反应物的另一优点在于H2O2分解的放热特性，其允许系统控制器有非常快的响应时间决定向燃料电池MEA中密度实际增大的氧气中补充氧气。任何具有吸热反应的替代氧源都不太可能满足机动车或高瞬态功率生成应用的瞬变响应时间。即使采用存储策略，吸热化合物也会成为施加在车辆或发电应用上的寄生功率负载。尤其对于机动车应用来说，寄生负载将增大动力系统的尺寸、成本和操作复杂性，由此对此类寄生装置的选择和集成带来了显著的障碍。因此，采用过氧化氢作为氧源克服了这些问题，从而在消除吸热生成系统的负担的情况下，使增大燃料电池组阴极处的氧气密度成为可能。
参照图5，通过可以与氢气生成系统相集成的系统向燃料电池组(40)的阴极侧提供氧气，所述氢气生成系统通过过氧化氢与碳氢化合物燃料的自燃反应产生氢气。采用泵将来自H2O2箱(80)的过氧化氢和水的混合物通过喷射器阀门(240)提供至反应和压力室(250)。与上述自燃反应和压力室类似，所述反应和压力室(250)包括催化剂和集成热交换系统，以及用于监测反应室成分的温度和压力的传感器(280)。通过过氧化氢的微注入速率控制反应室内的温度和压力。PEM燃料电池要求阳极和阴极处的输入气体温度低于100℃。基于这一原因，80-85℃通常是FCPS开发者所允许采用的最高温度。可以利用过氧化物的放热分解的能量轻易地处理由这一分解产生的升高的气体温度。在适当尺寸的反应容器容积内，可以基于气体温度、热交换器温度、冷却剂温度和系统已知的热质量将所产生的气体的压力驱动至计算值，使得在发生热转移，并且压力降到环境压力之后，或者在电池组压力增大之后，氧气和水汽的温度不会超过最大的允许值。所述分解催化剂可以是任何在以下反应中促进从过氧化氢产生氧气和水的化合物(反应4)可用的催化剂的例子包括混合铂的氧化物、钒-钴氧化物、镍、铂、银块(pack)、在氧化锆上受到支持的铑、二氧化铈和氧化锆的混合物、铁、铬以及这些催化剂的混合物。如果传感器(280)指示反应和压力室(250)内的成分过热，可以通过集成的热交换器对所述温度进行冷却。可以利用位于所述反应和压力室(250)之外的可选的第二热交换系统(260)进一步冷却反应产物的温度。
传感器(280)处于系统控制器(50)的控制之下，系统控制器(50)可以将来自传感器(280)的压力和温度值与FCPS系统中的其他子系统的状态相结合，以控制通过流量控制阀(270)流向燃料电池组(40)的氧气和水汽的流量。
在反应4中产生的氧气和水汽采用压缩机通过冷凝器(290)排除，所述压缩机包括输入歧管(300)、压缩机(310)和排出歧管(320)。过剩的水汽通过所述冷凝器(290)进行凝结和收集。可以根据需要采用所述凝结水满足FCPS内的其他功能；主要用来使阳极和阴极的气体供应流湿润化。在将氧气压缩并释放到燃料电池组(40)之前，在压缩机的输入歧管(300)中将其与空气混合。
在本发明的另一实施例中，将反应4所产生的氧气作为氧气的唯一来源，在没有空气气流的情况下输送至燃料电池组的阴极。用来为燃料电池组的阴极提供氧气的过氧化氢和水(H2O2/H2O)的混合物源自与生成氢气所采用的同一来源。参照图6，通过可以与氢气生成系统相集成的系统向燃料电池组(40)的阴极侧提供氧气，所述氢气生成系统通过如上所述的过氧化氢与碳氢化合物燃料的自燃反应产生氢气。在这一实施例中，过氧化氢和水的混合物来自H2O2/H2O箱(80)，并被输送至反应和压力室(250)，在那里，其发生反应，从而按照和参照图5予以说明的系统相同的方式产生氧气和水汽。但是，在这一实施例中，在至少一部分水汽被冷凝器(290)凝结和收集之后，在不混合空气的情况下，将湿润的氧气气流直接提供给燃料电池组(40)。
出于举例和说明的目的给出了对本发明的上述说明。此外，所述说明的目的不是将本发明限制为本文所公开的内容。因此，利用上述教导以及本领域公知技能或常识得到的各种变化和修改也处于本发明的范围内。上文实施例的另一目的在于解释本发明的最佳实施方式，从而使本领域技术人员采用这样的或其他的实施例对本发明加以利用，并根据本发明的具体应用或使用情况做出各种变更。权利要求旨在包含现有技术容许的范围内的替代实施例。
权利要求
1.一种向燃料电池提供氢气的方法，其包括a.使过氧化氢和水的混合物与碳氢化合物反应，形成二氧化碳和氢气；以及b.将所述氢气提供给燃料电池。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述过氧化氢和水的混合物中，过氧化氢在水中的重量比处于约40％和约70％之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中，在所述过氧化氢和水的混合物中，过氧化氢在水中的重量比处于约62％和约68％之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中，从甲烷、甲醇、乙醇、汽油、柴油、DME、JP5和JP8构成的集合中选出所述碳氢化合物。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述碳氢化合物为液态乙醇。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池为PEM燃料电池。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述供应步骤包括将所述氢气存储在存储室内，用于向所述燃料电池间歇输送。
8.如权利要求1所述的方法，其中，系统控制器控制向所述燃料电池输送的氢气的可变输送速度。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述供应步骤包括使所述氢气通过氢气滤筛，以便从所述氢气中清除非氢气化合物。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述氢气滤筛包括从下述集合中选出的膜致密陶瓷质子传导膜和具有微孔的陶瓷膜。
11.一种燃料电池动力系统，其包括至少一个氧化剂箱，其包括过氧化氢和水的混合物；由所述的至少一个氧化剂箱供料的至少一个反应室；至少部分由所述至少一个反应室供料的燃料电池组；以及系统控制器，其中，所述系统控制器控制从所述至少一个氧化剂箱到所述至少一个反应室的氧化剂的流量，以及从所述的至少一个反应室到所述燃料电池组的气体流量。
12.如权利要求11所述的燃料电池动力系统，其中，在所述过氧化氢和水的混合物中，过氧化氢在水中的重量比处于约40％和约70％之间。
13.如权利要求11所述的燃料电池动力系统，其中，在所述过氧化氢和水的混合物中，过氧化氢在水中的重量比处于约62％和约68％之间。
14.如权利要求11所述的燃料电池动力系统，其包括包含碳氢化合物燃料的燃料箱。
15.如权利要求14所述的燃料电池动力装置，其中，将所述碳氢化合物燃料和所述氧化剂通过微注入提供至所述至少一个反应室。
16.如权利要求14所述的燃料电池动力系统，其中，从甲烷、甲醇、乙醇、汽油、柴油、DME、JP5和JP8构成的集合中选出所述碳氢化合物燃料。
17.如权利要求14所述的燃料电池动力系统，其中，所述碳氢化合物燃料为液体乙醇。
18.如权利要求11所述的燃料电池动力系统，其中，在所述系统控制器的控制下，通过至少一个阀门将所述氧化剂从所述氧化剂箱泵送到所述反应室。
19.如权利要求11所述的燃料电池动力系统，其中，所述至少一个反应室包括至少一种催化剂，其促进由过氧化氢和碳氢化合物的混合物形成二氧化物和氢气。
20.如权利要求19所述的燃料电池动力系统，其中，所述至少一种催化剂从下述集合中选出铁、镍、钴、铜、铬、铂及其混合物。
21.如权利要求11所述的燃料电池动力系统，其中，所述至少一个反应室内的气体压力通过系统控制器维持在大约2000psi和大约5000psi之间。
22.如权利要求11所述的燃料电池动力系统，其进一步包括至少一个存储室，其中所述反应室内的气体在所述系统控制器的控制下通过所述至少一个存储室流入所述燃料电池组。
23.如权利要求22所述的燃料电池动力系统，其中，所述至少一个存储室具有大于所述反应室的容积。
24.如权利要求22所述的燃料电池动力系统，其中，在气体流入所述燃料电池组之前，所述至少一个反应室内的气体温度被热交换器降低。
25.如权利要求24所述的燃料电池动力系统，其中，通过所述系统控制器使流入所述燃料电池组的气体的温度保持在大约10℃和大约85℃之间。
26.如权利要求22所述的燃料电池动力系统，其中，在所述系统控制器的控制下，气体从所述的至少一个存储室通过至少一个压力调节器和阀门流入所述燃料电池组。
27.如权利要求11所述的燃料电池动力系统，其包括分子筛，其中，气体在流入到燃料电池组之前，从所述的至少一个反应室流到分子筛，且其中所述分子筛防止非氢分子流到所述燃料电池组。
28.如权利要求27所述的燃料电池动力系统，其中，利用所述至少一个反应室内的气体压力迫使氢气通过所述分子筛。
29.如权利要求27所述的燃料电池动力系统，在所述系统控制器的控制下利用泵迫使氢气跨越所述分子筛。
30.如权利要求27所述的燃料电池动力系统，其中，在收集室内浓缩来自所述至少一个反应室的气体中的非氢分子。
31.如权利要求30所述的燃料电池动力系统，其中，在系统控制器的控制下，收集来自所述至少一个反应室内的气体中的水分子，并将其添加到流入所述燃料电池组的气体中，从而使所述气体湿润化。
32.如权利要求11所述的燃料电池动力系统，其中，所述至少一个反应室包括至少一种催化剂，其促进由过氧化氢形成氧气和水。
33.如权利要求32所述的燃料电池动力系统，其中，从下述集合中选出所述至少一种催化剂混合铂的氧化物、钒-钴氧化物、镍、银块、铂、支撑于氧化锆上的铑、二氧化铈和氧化锆的混合物、铁、镍、铬及其混合物。
34.如权利要求32所述的燃料电池动力系统，其中，在所述燃料电池动力系统控制器的控制之下，所述反应室中的氧气通过流量控制阀流至所述燃料电池组的阴极。
35.如权利要求32所述的燃料电池动力系统，所述反应室中的水在接触所述燃料电池组之前被冷凝器部分地去除。
36.如权利要求32所述的燃料电池动力系统，其中，来自所述反应室的氧气在流入所述燃料电池组之前与空气混合。
37.如权利要求36所述的燃料电池动力系统，其中，来自所述反应室的氧气与空气混合，混合量由所述系统控制器控制。
38.如权利要求32所述的燃料电池动力系统，其中，所述系统控制器控制从下述集合中选出的系统参数向所述反应室中微注入氧化剂的微注入速率、所述反应室中的气体压力、气体从所述反应室流入存储室的流速、流入所述燃料电池组的气体温度、流入到燃料电池组的气体的流速以及这些系统参数的组合。
39.如权利要求32所述的燃料电池动力系统，其中，所述至少一个反应室中的氧气是提供给所述燃料电池组的唯一氧气源。
40.一种燃料电池动力系统，其包括包含过氧化氢和水的混合物的氧化剂箱；包含碳氢化合物燃料的燃料箱；包含催化剂的第一反应室，所述催化剂促进由过氧化氢和碳氢化合物生成二氧化碳和氢气，其中，由所述氧化剂箱和所述燃料箱向所述反应室供料；包含催化剂的第二反应室，所述催化剂促进由过氧化氢生成氧气和水，其中，由所述第一氧化剂箱向所述反应室供料；至少部分由所述第一反应室和所述第二反应室供料的燃料电池组；以及系统控制器，其中，所述系统控制器控制氢气从所述第一反应室到所述燃料电池组的流动，以及氧气从所述第二反应室到所述燃料电池组的流动。
41.如权利要求40所述的燃料电池动力系统，其中，位于所述第一反应室中的氢气在进入所述燃料电池组之前流经分子筛，其中，所述分子筛防止非氢分子流入所述燃料电池组。
全文摘要
本发明提供了一种受控自燃方法，其利用浓缩的过氧化氢与某些碳氢化合物相结合生成基本由氢气和二氧化碳构成的气体混合物，例如，所述碳氢化合物可以是乙醇、甲醇、甲烷以及更为普通的燃料，例如汽油、柴油、DME、JP5、JP8或类似燃料。由于未采用空气作为氧源，所以这一新颖的工艺不会产生氧化氮(NOx)化合物，由此避免了氮污染的主要来源。在小规模的限制系统内实施这一工艺，使得所产生的氢供应自加压。这实现了“按需”氢燃料源的引入，进而实现了可变输出燃料电池电源装置，例如在机动车、海上运输工具和固定动力源中建议采用的电源装置。在本发明的另一实施例中，过氧化氢在加热或催化作用下发生反应，以提供H
文档编号H01M8/06GK1833333SQ200480022695
公开日2006年9月13日 申请日期2004年7月1日 优先权日2003年8月7日
发明者杰里米亚·J·克罗宁, 杰弗里·L·巴伯 申请人:Cbh2技术股份有限公司