[发明专利]燃料电池燃料反应物流的整体式污染物分离器和控水回路

说明书

技术领域

本发明涉及适用于运输车辆、便携式发电装置或用作固定发电装置的燃料电池，本发明尤其涉及用于从进入燃料电池的燃料反应物流中有效去除污染物(例如氨)的污染物去除系统。

背景技术

燃料电池是公知，而且普遍用于由含氢的还原流体燃料和含氧的氧化剂反应物流产生电流以便为电气设备(例如运输车辆)提供动力。在现有技术的燃料电池中，由重整器产生燃料以及所得到的燃料被称作重整产品燃料，其从该重整器流动通过燃料反应物流入口管线进入燃料电池的阳极流场，这都是公知的。富含氧的反应物同时流动通过该燃料电池的阴极流场以产生电力，这也是公知的。不幸的是这种重整产品燃料通常包含污染物，特别是氨。该重整产品燃料流中存在氨对该燃料电池的性能是有害的。已知氨是重整工艺的常见副产品，而且尽管该重整工艺被设计成最小化氨的生成，但通常在重整产品燃料中还存在低水平的氨。氨的生成是由引入到重整器中的用于重整为燃料的天然气中存在的氮气所致。通常氮气含量为2-3％，但在世界上的一些地方会高达15％。在天然气中大于1-2％氮气的情况下，已知的包括磷酸作为电解质的燃料电池无法达到期望的10年寿命。另外，在自热或部分氧化重整器的情况下，当使用空气作为用于重整工艺的氧气源时，也会引入氮气。

为了从燃料电池的燃料反应物流中除去氨和其他污染物，已经采取了多种努力。例如，1989年1月31日授予Grasso的美国专利号4,801,356公开了用于从燃料电池发电装置水中除去氨的精心设计的系统。Grasso的系统包括使已经用于冷却该重整产品燃料的冷却水通过第一汽提器(steam stripper)和第二汽提器以除去氨污染物。尽管有效，但Grasso的系统需要复杂且昂贵的汽提器且需要处理大量体积的燃料电池冷却水。

新近以来，2002年4月23日授予Bonville，Jr.等的美国专利号6,376,114公开了另一种用于从重整产品燃料中除去氨和其他污染物的精心设计的系统。Bonville，Jr.等人的系统替代地包括一次性氨洗涤器、氨洗涤冷水床和氨汽提温水床、一对第一和第二可再生洗涤器或单独一个可再生洗涤器。同样，尽管有效，但Bonville，Jr.等人的系统包括了需要高水平维护以操作该系统的精心设计且昂贵的部件。现有技术中还已知其他用于燃料电池的氨和相关污染物去除系统。然而，这些都没有提供具有最小成本和最小维护需求的氨的有效去除。最熟知的氨污染物去除系统需要用于处理大量体积流体的大型部件，或者需要高频率除去和更换被污染的过滤器和/或离子床等。

因此，存在对可以长期有效操作而不需频繁维护的用于燃料反应物流的污染物去除系统的需求。

发明内容

本发明涉及用于燃料电池的燃料反应物流的整体式污染物分离器和控水回路。该整体式污染物分离器是与燃料电池的燃料反应物入口管线流体连通固定的分离洗涤器。该洗涤器包括分布在洗涤器容器内的高表面积介质的填充床。水排放装置固定在该填充床之上，用于排放水以使其通过重力流过该介质的表面区域。燃料反应物排放装置固定在该填充床之下，用于排放该燃料反应物以使其从该燃料反应物排放装置向上流动通过该填充床。收集器与该填充床流体连通固定，用于在填充床之下收集水，该收集器可以仅由在该填充床和燃料反应物排放装置之下的洗涤器容器内的水收集区域构成。离子交换材料被整体形成在收集器内，以便收集器用作离子交换材料的容器。收集器还包括邻近收集器的水出口的颗粒过滤器。这防止了离子交换材料的颗粒离开收集器。洗涤器燃料出口限定在该洗涤器容器内，用于引导该燃料反应物流从该洗涤器容器流回到该燃料反应物入口管线内及流回到燃料电池内。

控水回路与该分离洗涤器流体连通固定，该控水回路包括用于将水流引出该分离洗涤器的收集器并最终引回到该分离洗涤器内的回路管道。控水回路泵与该回路管道流体连通固定，用于将该水流泵送通过该回路管道。换热器与该回路管道以热交换关系固定，用于加热该回路管道内的水流或从中除去热量。回路管道返回管线在换热器的出口和该分离洗涤器的水入口之间被流体连通固定，用于将水流的流动从该换热器引回到该分离洗涤器内以通过该水排放装置排放到填充床上。在可替换实施例中，控水回路可以不具有换热器，并且替代地，燃料控制换热器在分离洗涤器上游处与燃料反应物入口管线以热交换关系固定，以便向经过燃料反应物入口管线进入洗涤器内的燃料反应物添加热能或从中除去热能。

在又一个可替换实施例中，离子交换材料不位于收集器内，而是被固定作为容器内的离子交换床。容器与回路管道流体连通固定。在这样的实施例中，在收集器中不需要颗粒过滤器。