專利名稱：催化加濕器和加熱器,主要用于燃料電池的氧化劑流的加濕的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電化學燃料電池，具體而言，本發(fā)明涉及用氫做燃料，用氧化劑將氫轉(zhuǎn)化為電能和熱量的電化學燃料電池，更具體而言，本發(fā)明還涉及這種采用質(zhì)子交換膜的電化學燃料電池的加濕要求。
背景技術：
通常，燃料電池是一種將化學反應產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它不同于蓄電池之處在于燃料電池只要供應燃料和氧化劑就能產(chǎn)生電能。
燃料電池通過將燃料和氧化劑與兩個適當?shù)碾姌O和電解質(zhì)相接觸來產(chǎn)生電動勢。例如將一種燃料如氫氣加入到第一電極，這樣，在有電解質(zhì)和催化劑的情況下，該燃料發(fā)生電化學反應，在第一電極中產(chǎn)生電子和陽離子。這些電子通過連接電極之間的電路從第一電極流到第二電極。陽離子則穿過電解質(zhì)到達第二電極。同時，將一種氧化物(典型的為空氣、富含氧氣的空氣或氧氣)加入到第二電極，這樣，在有電解質(zhì)和催化劑的情況下，氧化物發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生陰離子并消耗從電路流過來的電子；在第二電極產(chǎn)生的陽離子被消耗。在第二電極或陰極產(chǎn)生的陰離子與來自第一電極的陽離子發(fā)生反應，生成反應產(chǎn)物如水?？梢赃x擇地將第一電極或陽極稱為燃料或氧化電極，可選擇地將第二電極稱為氧化物或還原電極。兩個電極處的半電池反應分別如下第一電極第二電極外部電路可從電池獲取電流，從而接收電能。整個燃料電池的反應可產(chǎn)生電能，該電能是以上所述兩個獨立的半電池反應的總和。水和熱量是反應的典型副產(chǎn)物。
實際上，燃料電池不是作為單個電池工作的。而是將燃料電池串聯(lián)起來，將一個電池堆放在另一個電池上面或并排放置。稱為燃料電池組的一系列燃料電池，通常被封入殼體中。燃料和氧化劑通過管子被送到電極，而由反應物或冷卻介質(zhì)提供冷卻。在電池組內(nèi)還有集電體、電池與電池的密封和絕緣裝置，以及位于燃料電池組外部的必要的通道和儀表。電池組、外殼和相關的硬件組成了燃料電池組件。
燃料電池可根據(jù)電解質(zhì)的類型來分類，或為液體，或為固體。本發(fā)明主要涉及應用固體電解質(zhì)例如質(zhì)子交換膜(PEM)的燃料電池。由于目前所使用的交換膜在干燥時不能有效工作，所以必須用水使PEM保持濕潤。因此，燃料電池工作期間經(jīng)常通過向反應氣體(通常是氫氣和空氣)中加入水的方法使交換膜得到所需的恒定濕度。
固體聚合物燃料電池中所用的質(zhì)子交換膜充當電解質(zhì)，并可做為阻擋層，以避免反應氣體的混合。適當?shù)慕粨Q膜的例子是一種共聚的全氟化碳材料，該材料包括氟化碳鏈和磺酸組的基本單元。這種膜可能有多種分子結(jié)構(gòu)。如果燃料電池在完全水合的，基本上是水飽和的狀態(tài)下工作，那么應用這些膜就可得到優(yōu)異的性能。同樣，交換膜必須保持持續(xù)濕潤，但同時不能過濕或淹水，因為這樣會降低性能。此外，燃料電池組的溫度必須保持在冰點以上以避免電池組的凍結(jié)。
冷卻、濕潤和加壓的需求增加了燃料電池的成本和復雜程度，降低了它在許多應用中作為可選擇能源的商業(yè)競爭力。因此，燃料電池研究的方向是使燃料電池可以在沒有反應物調(diào)濕，并在吸氣式大氣條件下工作，同時還可保持有效的功率輸出。
雖然燃料電池當前的技術發(fā)展已經(jīng)越來越集中在簡化空氣吸入氣壓的設計上，卻還沒有充分的重視燃料電池在冰點以下的溫度工作的情況，這種情況需要進一步復雜的設計。例如，需要熱轉(zhuǎn)換器和熱絕緣，它們是啟動、關閉和反應物加濕器的附加控制協(xié)議。
當應用固體聚合物質(zhì)子交換膜(PEM)時，通常將之設置在兩個電極之間，該電極由多孔的導電材料構(gòu)成。電極中通常注入或涂覆有疏水性聚合物，例如聚四氟乙烯。在每個膜/電極的分界面有催化劑，用來催化所需的電化學反應，典型地采用磨碎的催化劑。膜/電極組件固定在兩個導電板之間，每個導電板中至少有一個在其中形成的(流體)流道，傳導流體流的燃料板典型由石墨構(gòu)成。液體流道直接將燃料和氧化劑送到對應的電極，即，燃料側(cè)的陽極，氧化劑側(cè)的陰極。將電極電連接到電路上，從而在電極之間提供了傳導電子的路徑。在電路中提供了和任何傳統(tǒng)電路中類似的電交換設備及類似設備。通常，這種燃料電池所用的燃料是氫氣，或由其它燃料得到的富含氫氣的重整產(chǎn)品(重整產(chǎn)品一種燃料，它是將碳氫化合物燃料重整為一種包括氫氣和其它氣體的氣態(tài)燃料而得到的)。可以根據(jù)各種來源提供陰極側(cè)的氧化劑。在某些應用中，為了制作更小型的燃料電池、減小流道的尺寸等，期望提供純氧。但是通常用空氣作為氧化劑，這是因為空氣容易得到并且不需要任何單獨的或瓶裝的氣體供應源。此外，在沒有空間的局限性的情況下，例如固定應用和類似應用，在大氣壓力下就可以方便地輸送空氣。在這種情況下，通?？梢院唵蔚卦O置使作為氧化劑的空氣通過燃料電池組的通道，從而大大簡化了燃料電池組的總體結(jié)構(gòu)。燃料電池組可以簡單地設置通風孔，如果可能，可以安裝一些風扇或類似裝置來促進空氣的流通，而不必提供單獨的氧化劑管路。
大家知道，催化燃燒器的工作原理與燃料電池的工作原理類似，但是其反應動力速度增加且溫度升高。一種燃料(例如氫氣)在催化劑床的作用下，以一定的速度，通過與氧氣或空氣直接接觸而被氧化，例如，催化劑床為表面有少量鉑的瓷珠。
化學反應的副產(chǎn)物類似于燃料電池的副產(chǎn)物，但是不產(chǎn)生任何電能
反應物的較高的消耗率和隨之釋放的熱量反映出該化學反應是通過直接接觸，而不是通過質(zhì)子/電子交換來實現(xiàn)的。催化燃燒是無焰的，其反應溫度介于燃料電池的“冷燃燒”和明火燃燒之間。流速可以是脈沖的或可調(diào)制的，從而可以改變溫度的分布。氫氣催化燃燒不需要用引發(fā)火焰或火星來引燃。
在K.stephen和B.dahm的題為“Catalytic Combustion ofHydrogen in a Diffusive Burner”的文章1483-1492頁中可找到催化燃燒器的一個提案的例子，是關于擴散燃燒器的氫氣催化燃燒的。
發(fā)明綜述根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一個用來催化氫氣和氣態(tài)氧化劑的反應的管式反應器，此管式反應器包括細長外殼；
由可促進燃料和氧化劑催化燃燒的材料形成的催化劑，將催化劑做成一個基本上填滿細長外殼的細長體，此催化劑是疏松的；第一入口，用于氣態(tài)燃料；第二入口，用于氣態(tài)氧化劑，所述第一和第二入口都位于細長外殼的一端；在外殼的另一端有一個出口，在使用中，催化劑促進了燃料和氧化劑的燃燒，產(chǎn)生熱量和水分，加熱并加濕的氣流從此出口流出。
優(yōu)選為，外殼和催化劑主體通常都是圓柱形的，其長度基本上大于管式反應器的直徑。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了包括至少一個燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，每個燃料電池包括燃料入口；具有催化劑的陽極，此催化劑與陽極結(jié)合在一起用于使燃料中產(chǎn)生陽離子；連接在入口和陽極之間的燃料通道，用來將燃料輸送到陽極；用來供給氧化劑的氧化劑入口裝置；具有催化劑的陰極，此催化劑與陰極相結(jié)合，并連接到氧化劑入口裝置，用來使氧化劑中產(chǎn)生陰離子，所述陰離子在所述陰極與所述陽離子發(fā)生反應生成水；位于所述陽極和所述陰極之間的離子交換膜，當燃料和氧化劑相互隔離時，所述交換膜有助于陽離子從所述陽極遷移到所述陰極；催化反應器，此反應器具有第一燃料入口和第二氧化劑入口，以及加熱并加濕氣體的出口，催化反應器是用來給燃料電池提供加熱并加濕的氣體的。
優(yōu)選為，燃料電池系統(tǒng)包括多個燃料電池，組成一個燃料電池組。
燃料電池組可以包括吸氣式電池組，吸氣式電池組包括許多貫穿燃料電池組的通道，用來使作為氧化劑的周圍空氣穿過燃料電池組自由流動，每個燃料電池至少有一個通道，其中催化反應器固定在燃料電池組的下面。催化轉(zhuǎn)換器配置成用來通過第二入口接收作為氧化劑的空氣的，接收的空氣超過了催化反應器內(nèi)燃料燃燒所需空氣的化學計算量，因此，加熱并加濕的空氣從催化反應器的出口排放出來。催化反應器的出口固定在燃料電池組通道的下面，因此，加熱并潮濕的空氣通過燃料電池組的通道從催化反應器中向上流出。
催化反應器通常可以是管狀的，也可以是盤形的，其配置用于使使燃料和氧化劑基本上沿反應器的中心軸流動。
本發(fā)明的另一個方面是提供了一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，該燃料電池系統(tǒng)包括多個燃料電池，每個燃料電池包括燃料入口；具有催化劑的陽極，此催化劑與陽極結(jié)合在一起用于使燃料中產(chǎn)生陽離子；連接在入口和陽極之間的燃料通路，用來將燃料輸送到陽極；用于供給氧化劑的氧化劑入口裝置；具有催化劑的陰極，此催化劑與陰極相結(jié)合，并連接到氧化劑入口裝置，用來使氧化劑中產(chǎn)生陰離子，所述陰離子在所述陰極與所述陽離子發(fā)生反應生成水；位于所述陽極和所述陰極之間的離子交換膜，當燃料和氧化劑相互隔離時，所述交換膜有助于陽離子從所述陽極遷移到所述陰極；此方法包括(a).給燃料電池提供氧化劑和燃料，氧化劑使其發(fā)生反應產(chǎn)生電能和熱量；(b).供給催化反應器燃料和氧化劑，氧化劑量大于燃料燃燒所需的化學計算量，以保證燃料充分燃燒，從而產(chǎn)生加熱并加濕的氧化劑流；(c).供給燃料電池加熱并加濕的氧化劑，使其與燃料發(fā)生反應產(chǎn)生電能和熱量。
開始起動時的溫度低于預設的溫度，此方法可包括開始時，只向催化反應器提供燃料和氧化劑，用來產(chǎn)生加熱并加濕的氧化劑流，向燃料電池中輸入加熱并加濕的氧化劑來預熱燃料電池，一旦燃料電池達到所需溫度時開始向燃料電池中輸送燃料。起動后并且燃料電池已達到所需的溫度后，向反應器中供應足量的氧化劑和燃料，將由催化反應器向燃料電池系統(tǒng)中供應的氧化劑維持在所需的濕度水平。
本發(fā)明的另一個特點是提供了使燃料電池系統(tǒng)工作的另一個方法，此燃料電池系統(tǒng)包括多個燃料電池，每個燃料電池包括燃料入口；
具有催化劑的陽極，此催化劑與陽極結(jié)合在一起用于使燃料中產(chǎn)生陽離子；連接在入口和陽極之間的燃料管路，用來將燃料輸送到陽極；用來供給氧化劑的氧化劑入口裝置；具有催化劑的陰極，此催化劑與陰極結(jié)合在一起并連接到氧化劑入口裝置，用來使氧化劑中產(chǎn)生陰離子，所述陰離子在所述陰極與所述陽離子發(fā)生反應生成水；位于所述陽極和所述陰極之間的離子交換膜，當燃料和氧化劑相互隔離時，所述交換膜有助于陽離子從所述陽極遷移到所述陰極，此方法包括(a).給燃料電池提供氧化劑和燃料，使其發(fā)生反應產(chǎn)生電能和熱量；(b).供給催化反應器燃料和氧化劑，氧化劑數(shù)量小于燃料燃燒所需的化學計算量，以保證氧化劑充分燃燒，從而產(chǎn)生加熱并加濕的燃料流；(c).供給燃料電池加熱并加濕的燃料，使其與氧化劑發(fā)生反應產(chǎn)生電能和熱量。
這種方法還可以包括(a).提供一個第二催化反應器；(b).供給第二催化反應器燃料和氧化劑，氧化劑數(shù)量大于燃料燃燒所需的化學計算量，從而產(chǎn)生加熱并加濕的氧化劑流；將此加熱并加濕的氧化劑流輸送到燃料電池的氧化劑入口裝置，用來與加熱并加濕的燃料發(fā)生反應產(chǎn)生電能和熱量。
附圖的簡要描述為了更好的理解本發(fā)明，更清楚地顯示本發(fā)明的執(zhí)行過程，現(xiàn)在參考以下附圖中的例子，其示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例

圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第一個實施例的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第二個實施例的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第三個實施例的示意圖；圖4a、4b和4c分別是根據(jù)本發(fā)明的管式反應器的透視圖和側(cè)視圖；圖5是圖1、圖2和圖3中燃料電池組的部分頂視圖6a、6b和6c分別是根據(jù)本發(fā)明的催化氫氣燃燒器的管路設計的側(cè)視圖和端視圖；圖7、8和9分別示出圖1、2和3中燃料電池系統(tǒng)的實施例的更詳細的視圖。
優(yōu)選實施例詳述首先參考圖1和7，此裝置的第一個實施例用數(shù)字10表示，并且此裝置中包括一個外殼12。在圖中，此外殼稱為HyTef-FC15外殼。
在外殼12中，有一個燃料電池組14，此電池組以已知的方式包括多個PEM燃料電池，在對圖5的描述中有更詳細的描述。給電池組14提供一個氫氣的主燃料輸送管路16。該燃料管路16延伸到外殼12內(nèi)，并延長成為主輸送管路18，此主輸送管路包括電磁控制閥20以及包括相應的流動控制閥24和電磁控制閥25的第二燃料管路22。如圖所示，26表示的電池組吹掃出口可以使過量的氫氣從燃料電池組14中排出。用相應的電磁控制閥27來控制氫氣的排出。另外，眾所周知，這樣可避免燃料電池組14內(nèi)氫氣燃料中污染物和雜質(zhì)的堆積。經(jīng)吹掃出口26排出的氫氣可以回收利用。
圖1中的燃料電池組14是一個吸氣式電池組。氫氣燃料通過已知的方式流過每個單個燃料電池的陽極側(cè)。同樣，箭頭29表示的是作為氧化劑的空氣穿過每個燃料電池陰極側(cè)的流動，在圖1和圖2中用43表示此空氣流從電池組的上部排出。電池組14的上部和下部是打開的，并提供了適當?shù)耐L孔，從而使空氣可以穿過燃料電池的陰極側(cè)自由流動，如箭頭29所示。
根據(jù)本發(fā)明，第二氫氣輸送管路22連接到催化反應器30，該反應器包括一個催化反應床層32，反應床可包括如網(wǎng)狀的金屬鋁；根據(jù)其導熱性、成本和易用性來選擇這種材料。提供一個單獨的空氣入口34，經(jīng)過泵36和空氣輸送管路38將此入口連接到催化燃燒器30。
應用氣泵36將過量的空氣輸送到催化燃燒器30中。輸送到催化反應器30中的氫氣與空氣發(fā)生反應，產(chǎn)生熱量。因此，如29所示，空氣、水和熱量從催化反應器30中排出。換句話說，從入口34輸送來的空氣已經(jīng)被有效地加熱并加濕。然后，此加熱并加濕的空氣流過電池組14。
圖1中的催化反應器或燃燒器30在一定程度上是基于傳統(tǒng)的配置。這樣，實際的已知方式的催化反應床層32相對較寬并具有較大的表面積，但是同時它在氣體的流動方向上相對較薄。其目的是要接觸大面積的氣流，從而降低氣流速度。這樣，當氣體受到催化反應床層32的作用時，可以確保氣體有足夠的駐留時間，以便充分地完全地燃燒。
實際上，通常很難達到充分燃燒，這一點在應用中是很重要的。此外，當反應器床層32的較大表面積適用于開放配置時，卻不適用于任何封閉系統(tǒng)。然而，本發(fā)明者已經(jīng)開發(fā)了一種細長的管式反應器，在圖2中用50表示。此管式反應器50在以下有關圖4的描述中有更詳細的描述。圖2的其他組件與圖1的相同。為了簡明起見，圖2中的類似組件具有相同的附圖標記，并且不再重復這些組件的描述。
因此，圖2中的實施例也顯示在圖8中，用與圖1中的實施例大部分相同的方式工作。但是，此實施例沒有應用具有大表面積的開放式表面反應器床層32的催化反應器30，而是提供了一個封閉的管式反應器50。此反應器50具有燃料和空氣的相應入口52和54，以及一個管式出口56。加熱并加濕的空氣流40從管式出口56流出，然后流過打開的燃料電池組14，如箭頭29所示。空氣入口41連接到空氣管路42，此管路包括一個鼓風機或泵40。
在下一個實施例中，提供了一個止回閥58和一個快速制動閥59?，F(xiàn)在參考圖3和7，其中顯示了本發(fā)明的第三個實施例。本發(fā)明的這個實施例也有一個外殼，總體上用數(shù)字60表示，也包括一個燃料電池組62。此電池組62是一個具有氣泵或鼓風機64的封閉電池組，通過主輸送管路66將氣泵64連接到燃料電池組62的入口，過量的空氣從燃料電池組62排出，如68所示。
在氫氣側(cè)，氫氣輸送管路70包括一個壓力表和一個流量計(未出示)，并包括一個燃料電池組62的主氫氣輸送管路72和一個催化燃燒器或反應器50的第二輸送管路74。在主輸送管路72上有一個電磁閥73。在第二管路74上有電磁閥75、快速制動閥76和止回閥77。與第一個實施例一樣提供了一個帶有控制電磁閥79的燃料排出閥78。
提供了一個管式反應器50，在反應器側(cè)還提供了一個氫氣入口52。
催化反應器50的空氣輸送管路用80表示，并包括一個泵或表82、一個相應的止回閥84?？諝廨斔凸苈?0與催化反應器50的相應入口54相連?？梢赃x擇地安裝一個壓力表和一個流量計(未示出)。
管式反應器50的出口56用管路85連接到兩個支路86和87，這兩個支路通過各自的電磁閥88和89連接到輸送管路72和空氣輸送管路66。雖然未示出，但是電池組62可以選擇地包括一個循環(huán)泵。用已知的方式，過量的氫氣可以通過出口或排出管路78排出，以避免污染物的堆積。
管式反應器50可以運行以提供加濕并加熱的空氣流或加濕并加熱的氫氣流。以下詳細描述這兩種模式。
若要產(chǎn)生加熱并加濕的空氣流，需要用泵82輸送過量的空氣，過量空氣是相對于通過管路74的氫氣流來說的。在管式反應器50中，氧氣與氫氣發(fā)生反應產(chǎn)生熱量和水分，導致加熱并加濕的空氣流從出口56排出然后，閥門88保持關閉，閥門89打開，使得加熱并加濕的空氣流穿過主空氣輸送管路66，夾帶到流入燃料電池組62的空氣流中。
同樣，若要產(chǎn)生加熱的氫氣流，閥門88打開，閥門89關閉。然后，通過管路74提供過量的氫氣，過量氫氣是與通過主燃料管路82的空氣相比較而言的。氣流是不流通的，只能在排氣閥打開進行吹掃時排出。但是，在非封閉模式下工作時，氣流可以用控制閥控制。在管式反應器50中，空氣中的氧氣與一定量的氫氣發(fā)生反應產(chǎn)生熱量和水分。這樣使得含有殘余氮氣的氫氣流，連同熱量和水分從出口56流出。這種加熱并加濕的氫氣和氮氣流穿過閥門88進入主燃料管路72。
可以理解，將加熱并加濕的氫氣輸送到燃料管路72，當空氣做為氧化劑時導致氮氣進入到燃料氣體供應中。因此，需要應用吹掃管路78來避免氮氣在燃料電池組62內(nèi)的堆積。可以選擇地是，也可以始終應用流動系統(tǒng)。
在反應器50中發(fā)生完全反應是很重要的。換句話說，在兩種工作模式中，剩余的氫氣不會輸送到主空氣管路66中，剩余的氧氣也不會輸送到氫氣輸送管路72中，這一點是非常重要的。否則將導致氫氣和氧氣的潛在易燃氣體混合物被送入燃料電池組60中，是很危險的。為了確保完全反應，必須使反應具有正確的布局和組織，以保證流速滿量程時具有足夠的駐留時間。
可以理解，也可以加熱并加濕燃料和空氣的輸送通道。由于兩種輸送管路的不同需求，所以需要應用兩個單獨的管狀反應器，每個反應器配置為在以上所述兩種模式中的一種模式下工作。
參考圖4，其中顯示了管狀反應器50的細節(jié)?？煽闯鲞@是管狀反應器50的一個早期版本，具體而言，反應器50的外殼是由傳統(tǒng)的成品零件制成的。我們期望增強管狀反應器50的總體配置，以使其設計既有更好的性能特點，又可以節(jié)約生產(chǎn)成本。
參考圖4，管狀反應器50包括一個管狀反應器外殼51。在外殼的下端有一個T形連接器100。T形連接器100有三個連接法蘭102，其中之一連接到管狀外殼51上，另兩個法蘭提供氫氣輸送管路的連接。在外殼的上端，管狀反應器50包括一個連接器104，它也設有連接法蘭106，其中之一連接到管狀外殼51上，另外的法蘭提供輸送管路的連接。圖中示出的是圓形橫截面的外殼51，可以理解為，可以應用任何形式的合適的橫截面，例如正方形截面。
現(xiàn)在參考圖5，其中示出了燃料電池組62中，例如由5對流場電極板組成的5個獨立的燃料電池元件的平面圖。這樣，氧化劑流場電極板用110表示，燃料流場電極板用112表示。在每對氧化劑和燃料流區(qū)域板110、112之間，有各自的膜電極組件(MEA)和氣體擴散媒質(zhì)114。在氧化劑流場電極板110和MEA114之間，有限定的氧化劑通道116，燃料流氫氣的通道118被限定在燃料流場電極板112和MEA114之間。冷卻通道120設置在氧化劑流場電極板110的后面，緊靠燃料流場電極板112。這些冷卻通道120與氧化劑通道116類似，只是冷卻通道是穿過電池組62垂直(不是必須垂直)延伸的，用于使周圍的空氣穿過通道自由流動。用已知的方式，電池組的其它結(jié)構(gòu)細節(jié)未示出，例如，沒有示出將各流場電極板固定到一起的單元，但是這些可以是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種管式反應器，用于氫氣和氣態(tài)氧化劑的催化反應，此管式反應器包括細長外殼，可促進燃料和氧化劑催化燃燒的材料形成的催化劑，將催化劑做成基本上填滿細長外殼的細長體，此催化劑是疏松的，用于氣態(tài)燃料的第一入口以及用于氣態(tài)氧化劑的第二入口，第一和第二入口都位于細長外殼的一端；在外殼的另一端的出口，在使用中，催化劑促進了燃料和氧化劑的燃燒，產(chǎn)生熱量和水分，加熱并加濕的氣流從該出口流出。
2.如權(quán)利要求1所述的管式反應器，其特征在于，外殼和催化劑主體基本上都是圓柱形的，并且其長度基本上大于其直徑。
3.如權(quán)利要求1或2所述的管式反應器，其包括用于第一和第二入口，用來連接燃料和氧化劑的輸送管路的連接部件，并包括用于出口，用來連接接收加熱加濕氣流的通道的連接部件。
4.一種燃料電池系統(tǒng)，包括至少一個燃料電池，每個燃料電池包括燃料入口；具有催化劑的陽極，此催化劑與陽極結(jié)合在一起用于使燃料中產(chǎn)生陽離子；一個連接在入口和陽極之間的燃料通道，用來將燃料輸送到陽極；一個用來供給氧化劑的氧化劑入口裝置；一個具有催化劑的陰極，此催化劑與陰極結(jié)合在一起并連接到氧化劑入口裝置，用來使氧化劑中產(chǎn)生陰離子，所述陰離子在所述陰極與所述陽離子發(fā)生反應生成水；一個位于所述陽極和所述陰極之間的離子交換膜，所述交換膜有助于陽離子從所述陽極遷移到所述陰極，同時將燃料和氧化劑彼此隔離，一個具有第一燃料入口、第二氧化劑入口和一個用于加熱并加濕的氧化劑的出口的催化反應器，安裝的催化反應器是用來向燃料電池輸送加熱并加濕的氧化劑的。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其包括多個燃料電池，組成燃料電池組，還包括一個連接到所有燃料電池入口的主燃料入口。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，燃料電池組是吸氣式電池組，包括多個穿過電池組向上延伸的通道，用來使作為氧化劑的周圍空氣穿過燃料電池組自由流動，每個燃料電池至少具有一個通道，氧化劑入口裝置位于通道的下部，其中，催化反應器被安裝在燃料電池組的下部，并被構(gòu)造成用來接收通過第二入口的作為氧化劑的空氣，氧化劑的量超過了催化反應器內(nèi)燃料燃燒所需的化學計算量，從而加熱并加濕的空氣從催化反應器的出口排出，并且，催化反應器的出口被安裝在燃料電池組的通道的下部，從而加熱并加濕的空氣流穿過燃料電池組的通道從催化反應器中向上流出。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其包括一個連接到燃料電池組主燃料入口和催化反應器第一入口的燃料輸送管路，并且包括一個空氣輸送管路，空氣輸送管路包括一個連接到催化反應器第二入口的空氣輸送設備。
8.如權(quán)利要求6或7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，催化反應器基本上是管狀的。
9.如權(quán)利要求6或7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，催化反應器包括一個基本上是盤形的反應器元件，配置用于使燃料和氧化劑基本上沿反應器的中心軸流動。
10.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，催化反應器的出口通過第一控制閥連接到燃料電池組的主燃料入口，用第二控制閥連接到氧化劑入口裝置，在使用中，催化反應器的出口可以有選擇地連接到主燃料入口和氧化劑入口裝置的其中一個上，通過向調(diào)整過的催化反應器中輸送氧化劑或燃料，使得催化反應器出口中的加熱并加濕的氣體包括主燃料入口和氧化劑入口裝置中的其中一個中的過量氣體。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，每個燃料輸送管路和空氣輸送管路包括壓力表、流量計和止回閥中的至少一個。
12.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，氧化劑入口裝置包括空氣分配管路，其位于燃料電池組內(nèi)，用來向各個燃料電池中分配作為氧化劑的空氣，其中主空氣輸送管路連接到空氣分配管路上，主燃料管路連接到燃料入口，其中，第二燃料管路從主燃料輸送管路中分支出來，并連接到催化反應器上，用于輸送燃料。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，燃料電池組包括一個燃料出口，以及用來將燃料出口的燃料再循環(huán)到燃料入口的裝置。
14.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，催化反應器位于主空氣輸送管路上，而且第二催化反應器位于燃料輸送管路中，并且第二空氣輸送管路將主空氣輸送管路連接到第二催化反應器上，用來輸送量少于燃料燃燒所需的化學計算量的空氣，從而第二催化反應器會產(chǎn)生加熱并加濕的燃料。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二催化反應器基本上都是管狀的。
16.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，該燃料電池系統(tǒng)包括多個燃料電池，每個燃料電池包括燃料入口；具有催化劑的陽極，此催化劑與陽極結(jié)合在一起用于使燃料中產(chǎn)生陽離子；連接在主燃料入口和陽極之間的燃料通道，用來將燃料輸送到陽極；用來供給氧化劑的氧化劑入口裝置；一個具有催化劑的陰極，此催化劑與陰極結(jié)合在一起并連接到氧化劑入口裝置，用來使氧化劑中產(chǎn)生陰離子，所述陰離子在所述陰極與所述陽離子發(fā)生反應生成水；一個位于陽極和陰極之間的離子交換膜，所述交換膜有助于陽離子從所述陽極遷移到所述陰極，同時將燃料和氧化劑彼此隔離，此方法包括a.向燃料電池提供燃料，使其反應產(chǎn)生電能和熱量；b.提供一個催化反應器，供給催化反應器燃料，并且供給催化反應器氧化劑，氧化劑的量大于燃料燃燒所需的化學計算量，以保證燃料的充分燃燒，從而產(chǎn)生加熱并加濕的氧化劑流；c.供給燃料電池加熱并加濕的氧化劑，使其與燃料發(fā)生反應產(chǎn)生電能和熱量。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其包括在預設的溫度以下開始啟動，最初只向催化反應器輸送燃料和氧化劑，以產(chǎn)生加熱并且濕潤的氧化劑流，將此加熱并且濕潤的氧化劑輸送到燃料電池中，用來預熱燃料電池，一旦燃料電池達到所需的溫度時開始向燃料電池中輸送燃料。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其包括給催化反應器提供一主氧化劑輸送管路，用來向燃料電池組輸送氧化劑。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其包括在啟動之后并且電池已經(jīng)達到所需的溫度以后，向催化反應器中輸送足夠量的氧化劑和燃料，用來使輸送到燃料電池系統(tǒng)中的氧化劑維持所需的濕度。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其包括輸送作為氧化劑的空氣；所述燃料電池系統(tǒng)是一吸氣式系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括作為氧化劑的空氣流動的垂直通道；并且只向催化反應器提供所需的一部分空氣作為氧化劑，其余的空氣直接流過燃料電池系統(tǒng)的通道。
21.如權(quán)利要求16所述的方法，其中包括(a)提供一個第二催化反應器；(b)向第二反應器中輸送燃料和氧化劑，氧化劑的量小于燃料燃燒所需的化學計算量，從而產(chǎn)生加熱并加濕的燃料流；(c)將加熱并加濕的燃料輸送到燃料電池的燃料入口。
22.如權(quán)利要求16到21中任意一項所述的方法，其包括給燃料電池系統(tǒng)提供質(zhì)子交換膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于向燃料電池系統(tǒng)中輸送加濕氧化劑的裝置和方法，該系統(tǒng)可以是單個的燃料電池或燃料電池的組合。本發(fā)明還提供了一個催化反應器，向反應器中輸送一部分燃料和氧化劑。給反應器提供的氧化劑的量超過了燃料的量，從而可產(chǎn)生加熱并加濕的氧化劑流。對于吸氣式電池組來說，這種加熱的氧化劑只能與流過燃料電池組的空氣混合。對于封閉系統(tǒng)來說，加熱并加濕的氧化劑流，也可以選擇加熱并加濕的燃料流，混合到其余的這種氣流中，輸送給燃料電池。
文檔編號H01M8/10GK1436378SQ01811150
公開日2003年8月13日 申請日期2001年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月13日
發(fā)明者D·弗蘭克, 陳雪松, P·里瓦德, J·卡內(nèi)利 申請人:潔能氏公司