CN101511973A - 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 - Google Patents

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Abstract

分离洗涤器(58)和隔离回路(78)对燃料电池(12)的燃料反应物流去污。水通过该洗涤器(58)内的氨溶解装置(61)的表面上，同时燃料反应物流通过该表面上，以将污染物从该燃料反应物中去除到水中。收集器(68)收集该分离污染物和水，隔离回路泵(84)将该分离污染物流引导流动通过该隔离回路(78)。热交换器(86)和离子交换床(88)分别改变该分离污染物流的温度和从其中除去污染物，隔离回路(78)将该除去污染物的物流引回到该填充床(62)上。从该燃料反应物流中分离污染物以及然后在该离子交换床(88)内隔离和浓缩该分离污染物使成本和维护需求最小化。

Description

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
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。
在优选实施方式中，该污染物分离器和隔离回路也可以包括固定在该离子交换床和该回路管道返回管线之间的用于将二氧化碳、氢气和其他气泡的流从该离子交换床引回到流回到该分离洗涤器内的回路管道内的水流中的二氧化碳排放旁通管线。在另一优选实施方式中，控制器可以感应离开分离洗涤器的燃料反应物流的温度和/或水分含量，以控制该热交换器和隔离回路泵达到循环通过该隔离回路的水的最佳温度，由此控制离开分离洗涤器和通入燃料电池内的燃料反应物流的温度和水分含量两者或其中之一。该隔离回路泵和热交换器可以经控制和/或设定以在从燃料反应物流到分离洗涤器内的水的热传递和从燃料反应物流中除去所需含量的氨之间达到平衡。氨的去除也取决于氨在水中的溶解度。因此，可以对通过分离洗涤器的水的温度进行控制以便于达到最佳的氨去除和来自从重整器通过分离洗涤器并进入燃料电池内的热燃料的最佳热传递。
通过首先在分离洗涤器中将氨从燃料流中分离到洗涤器内的液态水中以及然后将该分离污染物流循环通过该隔离回路，本发明提供了从该分离污染物流中仅除去氨以使仅需要相对少量的离子交换材料。因此可以根据供应给重整器的燃料内已知的氨浓度来确定离子交换床的适合尺寸，使得该离子交换床仅在每隔需要的预设时间间隔时才更换。例如，如果已知供给到重整器的燃料具有已知浓度的氮以及该燃料电池具有仅每年一次更换离子交换床的所需操作维护时间表，那么该离子交换床可以经设计或计算以从隔离回路内的循环水中过滤该浓缩的氨以使该离子交换床仅需每年更换。
为了用现有技术的去污系统实现这种性能，将需要更大的更昂贵且更复杂的洗涤器和/或离子交换床，或者需要更频繁地更换离子交换床或其他污染物隔离装置。本发明将该污染物隔离在与所有其他发电装置水系统(例如燃料重整器系统)分开的隔离回路中，使得仅须将氨从水中除去。因此，本发明的污染物分离器和隔离回路实现了燃料电池燃料反应物流内污染物的非常有效的去除，而且实现了该燃料反应物流的最佳温度和水分含量的维持。
因此，本发明总的目的是提供克服现有技术的缺陷的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。
更特别的目的是提供对从燃料电池的燃料反应物流中对污染物的去除和对其最佳温度和水分含量的维持都有提高的用于燃料电池和燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路。
当结合附图阅读以下说明时，本发明的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的这些和其他目的和优点将变得更容易显而易见。
附图简述
图1是具有依照本发明构造的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的燃料电池的简要示意图。
优选实施方式的描述
详细参照附图，图1中显示了具有用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路的燃料电池，通常用附图标记10表示。适用于本发明的燃料电池12包括固定到电解液18两侧的阴极流场14和阳极流场16。电解液18可以是磷酸电解液、质子交换膜(“PEM”)电解液或现有技术中已知的任何电解液。氧供给装置20将含氧反应物流释放通过氧化物入口22进入并通过阴极流场14，氧反应物流通过阴极出口24离开燃料电池12。将含氢还原流体燃料引导流过燃料反应物入口管线26通过阳极流场16并通过阳极出口28流出燃料电池12。
该燃料电池12还包括冷却剂板30，其具有经由冷却剂回路32循环通过该板30的水基冷却剂。该冷却剂回路包括将冷却剂引导通过该冷却剂回路32的冷却剂回路管道34。冷却剂供给装置36将该冷却剂选择性引导通过冷却剂入口阀门38和冷却剂入口管道40进入冷却剂回路管道34。冷却剂泵42与该冷却剂回路管道34流体连接固定，用于将冷却剂泵送通过冷却剂回路32。冷却剂回路热交换器44与冷却剂回路管道34以热交换关系固定，用于控制循环通过冷却剂回路34的冷却剂的温度。蒸汽分离器46与冷却剂回路管道34流体连接固定，用于从冷却剂回路管道34内的液体冷却剂中分离蒸汽。
蒸汽从蒸汽分离器46引导通过蒸汽管线48进入用于将富氢燃料(例如天然气)重整为重整产品燃料(例如氢气)的重整器装置50。含氢燃料供给装置52将该燃料引导通过燃料管线54进入该重整器50。该燃料供给装置52可以是加压供给源，或者可以包括用于以本领域已知的方式提高燃料压力的加压装置。该重整器50可以是本领域中已知的任意重整器装置，用于将富氢流体重整为适用于燃料电池的重整产品燃料。该重整器装置还包括用于将富氢燃料处理为适用于燃料电池的重整产品燃料所必需的相关部件，例如脱硫装置、相移变换器等。
该重整产品燃料通过该燃料反应物出口管线26的第一部分56离开该重整器50和相关部件。然后该燃料被引入分离洗涤器58中，通过燃料反应物排放装置60排放到该洗涤器58内。该分离洗涤器58包括用于将来自重整产品燃料的氨溶解到该分离洗涤器58内的液体分离污染物流中的氨溶解装置61，例如设置在洗涤器容器64内的高比表面积介质的填充床62。可以使用的可替代的氨溶解装置61包括开口泡沫塑料、单一完整陶瓷泡沫、蜂窝状材料、波纹状材料、羊毛或金属丝网结构。水排放装置66固定在该填充床62之上，用于将水从该排放装置66中排出以通过重力向下通过填充床62。燃料排放装置60固定在该填充床之下，以使在水向下流过填充床62时通过该排放装置60排出的燃料向上通过该填充床。随着气态燃料通过并接触填充床62的表面区域，该气态燃料内的污染物溶解到通过该填充床62内部的介质表面上的水中。通过该分离洗涤器58的上述填充床62的流动已经描述为水通过重力向下流动和气态燃料与水流逆向向上流动(“逆流”)。然而，应当理解在本发明范围内洗涤器58的其他构造也可以提供可替代的流型，其中水和燃料彼此交叉流动(“错流”)和/或彼此平行流动(“并流”)。
收集器68限定在该洗涤器容器64内，例如在该燃料反应物排放装置60之下，以将向下流动通过该填充床60的水收集在该收集器68内。然而应当理解该收集器68也可以是与洗涤器容器64内的水流体连接固定的单独容器(未示出)。新鲜水供应装置70可以与该洗涤器容器64流体连接固定，用于一旦启动将水引导通过水入口管线72和水入口阀门74进入该洗涤器容器64内，或者用于在操作过程中如果没有保持水平衡那么将另外的水补充到该洗涤器58。溢流出口76也可以固定到该洗涤器容器64，用于将过量的水引出该洗涤器58。
隔离回路78与该分离洗涤器58通过回路管道80流体连接固定。该回路管道80固定到限定在洗涤器容器64内的水出口82，与收集器68内的水流体连接。该隔离回路78还包括用于将水和分离污染物的物流泵送出该分离洗涤器58并通过该回路78的隔离回路泵装置84。隔离回路热交换器86与该回路管道80以热交换关系固定。该热交换器86可以用于加热或冷却该回路管道80内的分离污染物流。该隔离回路热交换器86可以经构造和/或操作以与该分离污染物流进行热能传递以由此保持通过该隔离回路78的水的最佳温度以由此得到所需温度和相对湿度的通过和离开该洗涤分离器58的反应物燃料流。该隔离回路78还包括与该回路管道80流体连接固定的离子交换床88，用于引导该分离污染物流流动通过该离子交换床88并用于从该床88内的污染物流内的水中除去分离的污染物。该隔离回路78还包括在该离子交换床的出口92和该分离洗涤器58的水入口94之间流体连接固定的回路管道返回管线90，用于将除去污染的水从该隔离回路78中通过该水排放装置66返回到该分离洗涤器58中。该离子交换床88可以是本领域中已知用于从液体流中除去污染物的任意离子交换装置，例如包括阳离子交换树脂的床，更特别地，优选使用氢型阳离子交换床去除氨。
该分离洗涤器58和隔离回路78还可以包括用于感应信息(例如在洗涤器燃料出口98处离开该洗涤器58的燃料反应物流的温度和/或水分含量)的控制器装置96。该控制器装置96可以经设计用于感应这种温度、水含量和/或水分信息并将该信息通过通信线路(例如电线、无线电广播、光纤或任何能够实现这些功能的通信方式，例如微处理器、计算机等)传送。该控制器96可以使用该感应到的信息来通过这些通信线路(在图1中由阴影线100A、100B和100C所示)控制该隔离回路泵84和/或隔离回路热交换器86。这种控制器装置96可以包括计算机以及机电开关和/或根据在洗涤器燃料出口98处观察到的温度、水含量和/或水分信息对该泵84和/或热交换器86的手动控制。已知氨在水中的溶解度随着水温度的降低而升高。因此，可以使用该控制器装置96来调节通过水排放装置66排放的水的温度以调节氨在水中的溶解量，由此提高或降低该燃料反应物流的去污作用。该洗涤器58也可以包括与该洗涤器燃料出口98相邻的除雾器102，用于消除任何与燃料反应物流一起运动的水滴。该除雾器102可以是任意用于实现这种功能的除雾器，例如钢丝棉等。如图1中所示，该洗涤分离器58经构造以使该洗涤器燃料出口98位于氨溶解装置61之上，且该燃料排放装置98位于该氨溶解装置61之下。因此，该洗涤器燃料出口98引导该燃料反应物流在通过该氨溶解装置61之后流出该洗涤分离器58。
在另一可替代的实施方式中，该隔离回路78可以包括经构造以将二氧化碳和任何其他气泡排放到该离子交换床88之外的二氧化碳排放旁通管线104。在循环通过该隔离回路78的水和分离污染物流中具有预设水平的二氧化碳是适宜的。然而，二氧化碳和其他气泡可能由通过各种原因(例如隔离回路泵84入口内的低气压)溶解在溶液中的气体构成。另外，当氨溶解在该回路管道内的水中时，其与溶解的二氧化碳相结合以形成碳酸氢盐的离子溶液。这提高了氨和二氧化碳的溶解度。当通过例如离子交换床88将氨除去时，前面结合的二氧化碳作为气态二氧化碳释放出来。由于液体向下的流动方向，这些气泡将捕获在该离子交换床88内。如离子交换领域的技术人员所公知的，在离子交换容器内水中的气体聚集会影响该离子交换床88的性能。该二氧化碳排放旁通管线104可以经构造和使用以将二氧化碳和其他气泡通过该旁通管线104排放到该分离污染物和水的物流之外，由此将二氧化碳和其他气泡送回到该隔离回路管道返回管线90内或送出该隔离回路78。
该填充床62可以包含任意用于洗涤器中以通过在该介质的表面区域上的液体流动的方式除去污染物的高表面积介质。可以用于该填充床内的这种高表面积介质的实例包括鲍尔环、拉西环、贝尔鞍形填料等，其可以由金属或陶瓷材料制成。
分离洗涤器58和隔离回路78如图1中所示为在重整器装置和固定到燃料反应物入口管线26的阳极流场之间的顺流。然而我们指出该分离洗涤器58和隔离回路78也可以位于产生氨或任何污染物的重整器装置的部件和阳极流场之间的任意位置，以使一些部件(例如低温相移变换器)(未示出)可以根据特定燃料电池12的多种特别因素而固定在洗涤器58和阳极流场之间。
通过首先在分离洗涤器58中将氨或其他污染物从入口管线26内的燃料反应物流中分离出来以及然后将该分离污染物流持续循环通过该隔离回路以将污染物隔离在离子交换床88内，本发明与现有技术相比实现了大大提高的效率。如前所述，离子交换床88的更换或用于除去该床88内的污染物的其维修的维护时间间隔可以大幅度延长以使维护成本最小化。特别地，在燃料源的氨污染水平已知的情况下，该离子床88可以经选择以具有的污染物去除能力使得该床88可以仅以预设的间隔除去或维护，例如每年一次。另外，因为本发明的污染物去除方法基本是包括首先在洗涤器58中将污染物从燃料反应物流中分离出来和然后通过循环的分离污染物流将其隔离和浓缩在离子交换床88内的两步方法，因此燃料通过填充床62的流动的中断仅提供了非常适度的压降。因为仅有这种适度的压降，因此使燃料从燃料供给装置52释放通过燃料电池12的成本和复杂性最小化。
本发明的污染物分离器和隔离回路10还包括对用于燃料电池12的燃料反应物流去污的方法。该方法包括以下步骤：首先使燃料反应物流与洗涤器58内的填充床62的表面相邻流动，同时使水在该填充床62的表面上流动，以将污染物从燃料反应物流中分离到水中；然后将已经流过填充床的污染水收集在收集器68内；然后将该水和污染物作为污染物流从洗涤器的水出口82循环通过隔离回路78；然后改变隔离回路热交换器86内的污染物流的温度；然后从隔离回路离子交换床88内的污染物流中除去污染物；然后将除去污染的物流通过隔离回路78循环回到洗涤器58内的水排放装置66内，以流过该填充床62的表面区域。另外和非必要的步骤可以包括在从隔离回路离子交换床88内的分离污染物流中除去污染物的步骤之前将氨溶解度增强试剂添加到分离污染物流中。增强氨溶解度和与所述污染物分离器和隔离回路10相容的任意试剂都将是适合的，例如适当浓度的磷酸。
在可替代的实施方式中，本发明的污染物分离器58和隔离回路78可以用于从流出用于将含氢燃料重整为燃料反应物流的重整器装置50的燃料中除去污染物，其中该燃料反应物入口管线(26)将该燃料引向可替代的耗氢装置(未示出)，例如发动机、炉子等。在这种实施方式中，该公开主题10包括燃料重整器装置50、氨溶解装置61、隔离回路78和与其相关的上述部件，该燃料反应物入口管线26经构造以将燃料引出污染物分离器58并进入可替代的燃料消耗装置(未示出)中。
可以看到用于燃料电池12的燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路12与已知的用于从燃料反应物流中除去污染物的装置和方法相比其效率大大提高。如上所述，通过首先将污染物从反应物流中分离到分离污染物水流中以及然后将该污染物从隔离回路78内的循环污染物流中隔离和浓缩到离子交换床88内，本发明大大降低了燃料电池反应物流的去污复杂性。本发明允许反应物燃料相对自由地流动通过该洗涤器然后将污染物浓缩和隔离在循环回路和离子交换床中，而不是通过一个大的复杂的必须频繁维护的装置对反应物流进行去污。通过将水流通过隔离回路78循环以将其去污并然后再次通过填充床62，本发明能够将隔离的污染物有效浓缩在离子交换床内，用于以预设的时间间隔从该床中定期去除，由此使总体成本和维护需求最小化。
尽管关于所描述和图示的污染物分离器和隔离回路10公开了本发明，但应当理解本发明并不限定于这些供选方案和所描述的实施方式。例如，尽管已知具有磷酸的电解液18会受到氨污染的有害影响并因此是受益于本发明的适合形式的燃料电池12，但本发明也将对使用其他已知电解液的燃料电池具有重要优点且适用于其。因此，用于确定本发明的范围主要应当参考以下权利要求而不是前面的描述。

Claims (18)

1.用于燃料电池(12)的燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，包括：
a.与燃料电池(12)的燃料反应物入口管线(26)流体连接固定的分离洗涤器(58)，该分离洗涤器(58)包括设置在该分离洗涤器(58)的洗涤器容器(64)内的用于将来自该燃料反应物流的氨溶解到该分离洗涤器(58)内的液体分离污染物流中的氨溶解装置(61)、与该氨溶解装置(61)相邻固定并被构造以将水排出以流动通过该氨溶解装置(61)的水排放装置(66)、与该氨溶解装置(61)相邻固定并被构造以将燃料反应物排出以流动通过该氨溶解装置(61)的燃料反应物排放装置(60)、与该氨溶解装置(61)流体连接固定的收集器(68)、固定在该洗涤器容器(64)内被构造以将该燃料反应物流从该氨溶解装置(61)中以及从该洗涤器分离器(58)中引回到该燃料反应物入口管线(26)的洗涤器燃料出口(98)；和
b.与该分离洗涤器(58)流体连接固定的隔离回路(78)，该隔离回路(78)包括被构造以将分离污染物流引出该收集器(68)的回路管道(80)、与该回路管道(80)流体连接固定的用于将该分离污染物流泵送通过该回路管道(80)的隔离回路泵装置(84)、与该回路管道(80)以热交换关系固定并被构造以与该回路管道(80)内的分离污染物流传递热能的隔离回路热交换器(86)、与该回路管道(80)流体连接固定并被构造以从该回路管道(80)内的分离污染物流中除去污染物的离子交换床(88)、和在该离子交换床(88)的出口(92)和该分离洗涤器(58)内的水排放装置(66)之间流体连接固定并被构造以将除去污染物的物流从该离子交换床(88)引回到该分离洗涤器(58)内的回路管道返回管线(90)。
2.权利要求1的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，进一步包括固定在该离子交换床(88)的出口(92)和该回路管道返回管线(90)之间被构造以将二氧化碳选择性排放出该离子交换床(88)的二氧化碳排放旁通管线(104)。
3.权利要求1的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，进一步包括除雾器(102)，其与该洗涤器燃料出口(98)相邻固定并被构造以限制该燃料反应物流中的任何水滴从该分离洗涤器(58)中的通出。
4.权利要求1的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，进一步包括与该洗涤器容器(64)和新鲜水入口阀门(74)流体连接固定并被构造以将新鲜水选择性引入该洗涤器容器(64)内的新鲜水供给装置(70)。
5.权利要求1的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，进一步包括与该洗涤器容器(64)流体连接固定并被构造以将过量的水选择性引出该洗涤器(58)的溢流出口(76)。
6.权利要求1的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，其中该氨溶解装置(61)包括高比表面积介质的填充床(62)。
7.权利要求1的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，进一步包括与该洗涤器燃料出口(98)附近的燃料反应物流连接固定的用于感应来自该燃料反应物流的信息并用于根据该感应到的信息控制该隔离回路(78)的控制器装置(96)。
8.用于从燃料反应物流中除去污染物的污染物分离器(58)和隔离回路(78)，该燃料反应物流从用于将含氢燃料重整为该燃料反应物流的燃料重整器装置(50)中进入燃料反应物入口管线(26)中，该污染物分离器(58)和隔离回路(78)包括：
a.与该燃料反应物入口管线(26)流体连接固定的分离洗涤器(58)，该分离洗涤器(58)包括设置在该分离洗涤器(58)的洗涤器容器(64)内的用于将来自该燃料反应物流的氨溶解到该分离洗涤器(58)内的液体分离污染物流中的氨溶解装置(61)、与该氨溶解装置(61)相邻固定并被构造以将水排出以流动通过该氨溶解装置(61)的水排放装置(66)、与该氨溶解装置(61)相邻固定并被构造以将燃料反应物从重整器装置(50)引出以流动通过该氨溶解装置(61)的燃料反应物排放装置(60)、与该氨溶解装置(61)流体连接固定的收集器(68)、固定在该洗涤器容器(64)内被构造以将该燃料反应物流从该氨溶解装置(61)中以及从该洗涤器分离器(58)中引回到该燃料反应物入口管线(26)内的洗涤器燃料出口(98)；和
b.与该分离洗涤器(58)流体连接固定的隔离回路(78)，该隔离回路(78)包括被构造以将分离污染物流引出该收集器(68)的回路管道(80)、与该回路管道(80)流体连接固定的用于将该分离污染物流泵送通过该回路管道(80)的隔离回路泵装置(84)、与该回路管道(80)以热交换关系固定并被构造以与该回路管道(80)内的分离污染物流传递热能的隔离回路热交换器(86)、与该回路管道(80)流体连接固定并被构造以从该回路管道(80)内的分离污染物流中除去污染物的离子交换床(88)、和在该离子交换床(88)的出口(92)和该分离洗涤器(58)内的水排放装置(66)之间流体连接固定并被构造以将除去污染物的物流从该离子交换床(88)引回到该分离洗涤器(58)内的回路管道返回管线(90)。
9.权利要求8的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，进一步包括固定在该离子交换床(88)的出口(92)和该回路管道返回管线(90)之间被构造以将二氧化碳选择性排放出该离子交换床(88)的二氧化碳排放旁通管线(104)。
10.权利要求8的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，进一步包括除雾器(102)，其与该洗涤器燃料出口(98)相邻固定并被构造以限制该燃料反应物流中的任何水滴从该分离洗涤器(58)中的通出。
11.权利要求8的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，进一步包括与该洗涤器容器(64)和新鲜水入口阀门(74)流体连接固定并被构造以将新鲜水选择性引入该洗涤器容器(64)内的新鲜水供给装置(70)。
12.权利要求8的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，进一步包括与该洗涤器容器(64)流体连接固定并被构造以将过量的水选择性引出该洗涤器(58)的溢流出口(76)。
13.权利要求8的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，其中该氨溶解装置(61)包括高比表面积介质的填充床(62)。
14.权利要求8的用于燃料反应物流的污染物分离器和隔离回路(10)，进一步包括与该洗涤器燃料出口(98)附近的燃料反应物流连接固定的用于感应来自该燃料反应物流的信息并用于根据该感应到的信息控制该隔离回路(78)的控制器装置(96)。
15.用于燃料电池(12)的燃料反应物流的去污方法，包括以下步骤：
a.使该燃料反应物流流动通过用于将来自该燃料反应物流的氨溶解在分离洗涤器(58)内的液体污染物流中的氨溶解装置(61)，同时使水流动通过该氨溶解装置(61)，以将污染物从该燃料反应物流中分离到水中；
b.将污染水从该填充床收集到收集器(68)内；
c.将该水和污染物作为分离污染物流从该收集器(68)中循环通过隔离回路(78)；
d.在隔离回路热交换器(86)内改变该分离污染物流的温度；
e.在隔离回路离子交换床(88)内从该污染物流中除去污染物；和
f.然后，将除去污染物的物流从该隔离回路(78)循环回去通过氨溶解装置(61)。
16.权利要求15的方法，包括在该分离污染物流中添加氨溶解度提高试剂的另外步骤。
17.权利要求15的方法，包括每隔预设的时间更换该离子交换床(88)的另外步骤。
18.权利要求15的方法，包括对每隔预设的时间更换的离子交换床进行尺寸设计的另外步骤。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8029753B2 (en) * 2006-12-20 2011-10-04 Richard D Breault Ammonia contact scrubber system for a fuel cell
KR101591557B1 (ko) * 2009-04-27 2016-02-03 두산 퓨얼 셀 아메리카, 인크. 연료　전지의　연료　반응물　스트림용　유동층 오염물　분리기　및　수제어　루프
WO2010147569A1 (en) * 2009-06-19 2010-12-23 Utc Power Corporation A separator scrubber and parallel path contaminant isolation loop for a fuel reactant stream of a fuel cell
US9023542B2 (en) * 2010-03-11 2015-05-05 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell system including an ammonia remover and method of operating the same
WO2011158495A1 (ja) * 2010-06-15 2011-12-22 パナソニック株式会社 燃料電池システムの運転方法
US20130118077A1 (en) * 2010-07-02 2013-05-16 Michael T. Lines Steam/carbon ratio detection and control
KR102039719B1 (ko) * 2018-03-29 2019-11-01 삼성중공업 주식회사 배기 오염물질 처리장치
US11344640B2 (en) * 2018-04-18 2022-05-31 Anderson Industries, Llc Portable sterilization and decontamination system

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3186795A (en) * 1961-10-31 1965-06-01 United States Steel Corp Method of recovering ammonia
US3455819A (en) * 1968-04-01 1969-07-15 Crane Co Method for scrubbing ion exchange resins
US3961018A (en) * 1973-12-06 1976-06-01 United Air Specialists, Inc. Method for purification of gas streams by removal of acidic gases
US3920419A (en) * 1974-04-10 1975-11-18 Republic Steel Corp Method of removing ammonia from ammonia containing liquor
US4246417A (en) * 1978-05-15 1981-01-20 The Lummus Company Treatment of waste water from nitrile production
US4259302A (en) * 1978-12-11 1981-03-31 United Technologies Corporation Regenerable ammonia scrubber
JPS55142523A (en) * 1979-04-23 1980-11-07 Osaka Oxgen Ind Ltd Deodorizing waste gas containing malodorous component
US4370234A (en) * 1981-02-05 1983-01-25 Marsland William P System and method for removing ammonia from wastewater
US4547293A (en) * 1982-09-03 1985-10-15 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Process for removal of ammonia and acid gases from contaminated waters
US4801356A (en) * 1987-10-15 1989-01-31 International Fuel Cells Corporation Removal of ammonia from fuel cell power plant water system
US5792572A (en) * 1996-05-31 1998-08-11 International Fuel Cells, Inc. System for treatment of acid fuel cell fuel gas stream
US6780533B2 (en) * 1999-12-17 2004-08-24 Utc Fuel Cells, Llc Fuel cell having interdigitated flow channels and water transport plates
US6376114B1 (en) * 2000-05-30 2002-04-23 Utc Fuel Cells, Llc Reformate fuel treatment system for a fuel cell power plant
WO2005046842A1 (en) * 2003-11-07 2005-05-26 Senreq, Llc A device for removing particulate, various acids, and other contaminants from industrial exhaust gases

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