[发明专利]用于燃料电池的燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路

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 中有效除去污染物(例如氨)的污染物分离器和隔离回路。

背景技术

燃料电池是公知的，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称作 重整产品燃料，其从该重整器中流出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，例如氨。该重整产品燃料流中氨的存在 对该燃料电池的性能是有害的。我们了解氨是重整工艺的常见副产 物，而且尽管该重整工艺经涉及以使氨的生成最小化，但通常在重整 产品燃料中还存在低含量的氨。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 在世界上的一些部分会高达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液的燃料电池无法达到所需的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 于重整工艺的氧气来源时，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，Grasso于1989年1月31日申请的美国专利号 4801356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 统需要复杂和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Bonville，Jr.等于2002年4月23日申请的美国专利号 6376114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，包括可替代的一次性氨洗涤器、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

本发明是用于燃料电池的燃料反应物流的污染物分离器和隔离 回路。该分离器是与燃料电池的燃料反应物入口管线流体连接固定的 分离洗涤器。该分离洗涤器包括分布在洗涤器容器内的高比表面积介 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接固定，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。洗涤器燃料出口设定在该洗涤器 容器之内，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。

隔离回路与该分离洗涤器流体连接固定，该隔离回路包括用于将 分离污染物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。隔离回路泵与该回路管道流体连接固定，用于将该 分离污染物流泵送通过该回路管道。热交换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分离污染物流或从中除去热量。 离子交换床与该回路管道流体连接固定，用于引导该分离污染物流流 动通过该离子交换床，且用于从该分离污染物流中除去污染物。回路 管道返回管线在该离子交换床的出口和该分离洗涤器的水入口之间 流体连接固定，用于将除去污染物的物流从该离子交换床引回到该分 离洗涤器内以通过该水排放装置排放到填充床上。