CN1159777C - 燃料电池动力装置的物质和热量回收系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池动力装置(10)的物质和热量回收系统，至少包括：一个用来产生电能的燃料电池(12)；为燃料电池产生富氢还原流体的烃燃料处理元件；以及一个物质和热量直接传递装置(14)，用来回收离开动力装置的物质和热量。燃料处理元件包括：一个辅助燃烧器(46)，用来提供热量而产生蒸汽；和一个转化器(54)，用来将氢气供给阳极电极。物质和热量直接传递装置通过在动力装置上游的工作氧化剂流与一种动力装置排气流产生物质传递关系，其中，一种阳极排气流首先在辅助燃烧器中燃烧，这样，在动力装置排气流中的物质和热量直接通过装置(14)的物质传递介质传递到进入动力装置的工作氧化剂流。装置(14)包括一个分离器罩(74)。

Description

燃料电池动力装置的物质和热量回收系统
技术领域
本发明涉及燃料电池动力装置，它适用于运输车辆、便携式动力装置、或者固定的动力装置，并且本发明特别地涉及一种能回收排出动力装置的物质和热量(例如，水蒸气)的燃料电池动力装置，它将物质和热量传递返回到动力装置，以增强水的平衡和动力装置的能量效率。
背景技术
燃料电池动力装置是众所周知的，通常用来从还原和氧化流体产生电能，以便为用电装置，例如，在太空船上的装置，提供能量。在这样的动力装置中，多个平面燃料电池通常布置成：由一种电绝缘框架结构围成一堆，该结构限定了引导还原剂、氧化剂、冷却剂和生成物流体流动的歧管。每个独立的电池通常包括由电解质分隔开的一个阳极电极和一个阴极电极。一种反应剂或者还原流体，例如，氢气，被供给阳极。在利用一种质子膜作电解质的电池中，氢气在一个阳极电极表面起电化学反应，以产生氢离子和电子。电子被传导到一个外部负载电路，然后返回到阴极电极，而氢离子经电解质传递到阴极电极，在那里，它们与氧化剂和电子反应，以产生水并释放热能。
这样的燃料电池的阳极和阴极电极靠不同类型的电解质来分隔开，电解质取决于燃料电池的工作环境的操作要求和限制。一种这样的电解质就是一种质子交换膜(“PEM”)电解质，该电解质由一种现有技术中公知的固体聚合物组成。其它用在燃料电池中的普通电解质包括磷酸或者氢氧化钾，保持在一层阳极和阴极电极之间的多孔非传导的基质内。已经发现：PEM电池与带酸或者碱电解质的电池相比，在满足特殊操作参数方面具有实质性的优点，因为PEM的膜提供了一种在还原流体和氧化剂之间的挡板，它与靠多孔基质内的毛细力保持的液体电解质相比，更能承受压差。此外，PEM电解质是固定的，不能从电池滤掉，并且，该膜具有一种相当稳定的保持水的能力。然而，这也是众所周知的：PEM电池具有明显的限制，特别是涉及液态水输送，通过和离开PEM，以及涉及气态还原和氧化剂流体同时输送到和离开与PEM的相对表面邻近的电极这类情况。现有技术为使这些限制的作用减至最小作了多种努力。
在使用PEM的燃料电池的操作中，所述的膜充满了水，与膜邻近的阳极电极必须保持湿润。在阳极电极产生的氢离子经电解质传递时，它们拖住水分子以水合氢离子形式与它们一起从阳极到阴极。水也就靠渗透从阴极传递返回阳极。在阴极电极形成的水通过蒸发或者雾化进入一种氧化剂循环气态流而除去，或者，靠毛细作用进入并通过一邻近阴极的多孔流体输送层而除去。多孔水输送板将液态水从冷却水的供给处供给阳极电极，从阴极电极除去水，并将水返回到冷却水供给处，因而，该输送板也起从电解质和电极除去热量的作用。
在PEM燃料电池的操作中，重要的是：在阴极电极产生水的速率与从阴极除去水的速率保持一个适当的水平衡，并以这一速率将水供给阳极电极。燃料电池性能的操作限制，随着来自电池的电流进入外部负载电路变化以及电池的操作环境变化，依靠电池保持水平衡的能力得以确定。对于PEM燃料电池，假如不充足的水返回到阳极电极，PEM电解质的邻近部分将变干，因而，降低了氢离子可以经PEM传递的速率，也就引起还原流体的交换，导致局部过热。类似地，假如不充足的水从阴极除去，则阴极电极可以变得溢满，有效地限制氧化剂供给到阴极，因此降低了电流。此外，假如太多的水靠氧化剂流从阴极除去，则阴极可能变干，限制氢离子经PEM通过的能力，这样，降低了电池性能。
随着燃料电池已经集成为动力装置，并开发成动力运输车辆，例如，汽车、卡车、公共汽车等，在动力装置内保持有效的水平衡，由于多种因素，面临更大的挑战。例如，对于一个固定的燃料电池动力装置，动力装置失去的水可以靠动力装置之外的水源供给动力装置的水来补充。然而，对于一种运输车辆，为使燃料电池动力装置的重量和空间要求减至最小，动力装置必须保持水的自足，才是可行的。水的自足意味着：为了动力装置的有效操作，足够的水必须保持在动力装置内，以补偿来自经动力装置通过的反应剂和氧化剂流体流的水的损失。例如，经阴极气态氧化剂的排气流或者阳极气态还原流体的排气流排出动力装置的任何水必须依靠在阴极电化学产生的水来平衡，并保持在动力装置内。
一种增强水平衡的有效途径是采用冷凝在动力装置排气流下游的热交换器，其中，排气流被冷却到其露点或者以下的温度，凝结从排气流出来的液体，这样，该液体可以返回到动力装置。一个采用冷凝热交换器的PEM燃料电池的实例表示在1996，11，12日颁布给范丁等人的美国专利5,573,866号中，该专利已转让给本发明的受让人，因而可以在此结合起来作参考。其它多种采用一个或者一个以上冷凝热交换器的燃料电池动力装置在现有技术中是公知的，并且它们通常采用周围空气流作为一种经交换器通过的冷却流体，以冷却动力装置的排气流。在范丁等人的方案中，热交换器用来冷却排出阴极腔的排气流，阴极腔罩住阴极电极。在进入阴极罩之前，同样的气流提供空气，作为阴极电极的氧化剂，并且由于离开阴极腔，该气流包括蒸发的生成水和一部分甲烷，还原流体，它流过PEM。冷凝热交换器通过阴极排气流与冷却周围空气气流形成热交换关系，然后，引导冷凝甲烷和水直接通过一个管系返回到电池的阳极一侧。
尽管冷凝热交换器已经增强了燃料电池动力装置的水平衡能力和能量效率，但热交换器遇到了随周围温度升高，水回收效率降低的问题。在动力装置为运输车辆，例如，汽车，提供动力的场合，动力装置将暴露在一个周围温度特别宽的范围。例如，在周围空气冷却气流经一个热交换器通过的场合，交换器的性能将随周围空气温度的直接作用而变化，因为从动力装置排气流出来的液体凝结量随周围空气温度升高而降低。
设计用于运输车辆的已有燃料电池动力装置的另一复杂性还涉及到周围空气条件的波动。这类动力装置的燃料电池通常利用周围空气作为引入阴极电极的氧化剂。热和干的周围空气增加了阴极电极将变干的危险。结果是，为防止(特别是PEM燃料电池中的)阴极电极和邻近电解质变干，已经采取了多种努力，包括：引导来自热交换器的冷凝物，以加湿进入电池的气态反应剂和氧化剂流；添加多孔支持层和水输送板与电极流体连通，以便冷却水经邻近电池运动；以及在电池的阳极一侧产生一个压差，其中，气态还原流体与经多孔支持层通过的冷却水和阳极供给水相比，保持较高的压力，支持层与还原气体分配通道邻近，这样，压差有助于经多孔支持层和电池输送水。在保持有效的水平衡方面的这些努力带来了附加的成本、重量和体积，以及经常要求复杂的控制装置。
在已有的燃料电池动力装置中保持水的平衡的进一步问题与将烃燃料，例如：甲烷，天然气，汽油，柴油等处理成一种合适的还原流体的必需的元件有关，它提供一种富氢流体给阳极电极。燃料电池动力装置的这些燃料处理元件通常包括：一个辅助燃烧器，以产生蒸汽；一根蒸汽导管，烃燃料喷入其中；和一个转化器，该转化器接收含有少量工作氧化剂(例如，空气)的蒸汽和燃料混合物，并将该混合物转变成一种富氢的还原流体，这些还原流体适合于输送到燃料电池的阳极电极。这些燃料处理元件还包括水和能量要求，这些是燃料电池动力装置整个水平衡和能量要求的一部分。在辅助燃烧器的蒸汽发生器中变成蒸汽的水必须靠从动力装置回收的水来取代，例如，冷凝在阴极排气流和相关管道中的热交换器。此外，还支持辅助燃烧器和转化器的工作氧化剂流必须保持在一个稳定的湿度范围内，以防止这些元件的性能变化。当燃料处理元件的工作氧化剂流由周围空气供给时，加湿气流以稳定燃料处理元件的性能将进一步使保持这种燃料电池动力装置的自足水平衡复杂化。
据此，公知的燃料电池动力装置和采用周围空气作为阴极氧化剂的动力装置，或者，采用周围空气以冷凝热交换器和/或燃料处理元件的动力装置，由于它们的上述特征，因而都不能使有效的水平衡最大化和操作能量最小化。因此，更高的要求是：生产一种燃料电池动力装置，它既能使整个动力装置达到有效水平衡的要求又能使动力装置操作能量达到最小化的要求。
发明内容
本发明是一种燃料电池动力装置的物质和热量回收系统。该动力装置由一种还原流体和一种氧化剂流体产生电能，该动力装置包括：
a.至少一个燃料电池装置，从还原和氧化流体产生电能，其包括：
I.一种电解质，具有一个第一主表面和一个相对的第二主表面；和
II.一个阳极电极，由一个多孔阳极支持层支承，与电解质的第一主表面紧密接触，和一个阴极电极，由一个多孔阴极支持层支承，与电解质的第二主表面紧密接触，其中，多孔阳极支持层与阳极电极接触，并传递一种还原流体气流，如富氢还原流体气流，多孔阴极支持层与阴极电极接触，并传递一种氧化剂流体气流，例如，空气，以提供氧化剂给阴极电极，以及通过蒸发和雾化清除生成的水，并使水进入阴极排气流中，这些生成的水在阴极与从阳极电极经电解质携带的水或者在氧化剂气流中的任何加湿水一起形成；
b.燃料处理元件装置，将一种烃处理成还原流体，包括一个辅助燃烧器，该辅助燃烧器接收和燃烧一种来自燃料电池的阳极排气流，以提供热量至蒸汽发生器，并引导阳极排气流进入一个动力装置排气通道；及一个转化器，它接收从蒸汽发生器来的蒸汽，并经过一要在蒸汽发生器和转化器之间的蒸汽管与烃燃料混合，例如，该转化器接收与带少量空气的烃燃料混合的蒸汽，并将该混合物转变成一种富氢气流，该气流适合供给氢气给阳极电极；
c.一个主氧化剂通道，该通道将一种工作氧化剂流从氧化剂供给处传递进入燃料电池装置；
d.一个阴极排气通道，该通道将从燃料电池装置出来的一种阴极排气流传递进入动力装置排气通道，其中，阴极排气流与燃烧的阳极排气流混合进入一种动力装置排气流；和
e.一种物质和热量直接传递装置，与主氧化剂通道和与动力装置排气通道成流体地连通而固定，包括：
I.一种传递介质装置，吸附一种在动力装置排气流内的极性分子组成的流体物质，和解吸极性分子组成的流体物质，使其进入工作氧化剂流；和
II.一个分离器罩装置，支承传递介质装置与动力装置排气流和工作氧化剂流形成物质传递关系，这样，两种气流都接触物质传递介质装置，并防止动力装置排气和工作氧化剂流大量混合。
所述物质和热量直接传递装置在动力装置的上游通过工作氧化剂流，与动力装置形成物质传递关系，该气流既包括阴极排气流又包括阳极排气流，其中，阳极排气流已经经辅助燃烧器引导，这样，在动力装置排气流中的物质和热量，例如，水蒸气经物质传递装置的一种物质传递介质直接传递到进入动力装置的工作氧化剂气流中。物质和热量直接传递装置包括一个分离器罩装置，用来支承传递介质与工作氧化剂气流和动力装置排气气流形成物质传递关系，以致于该气流接触传递介质，并且分离器罩防止了气流的大量混合。传递介质可以包含多种材料中的任何一种，所述的多种材料吸附一种由极性分子组成的流体物质，例如，来自一种含有极性分子和非极性分子组成的流体物质流中的水分子。一种典型的传递介质包括一种水饱和的聚氟磺酸离聚物膜的液态水部分。在一个优选的实施例中，物质和热量直接传递装置从阴极和阳极排气流回收物质和热量，并将物质和热量传递到阴极电极和燃料处理元件的工作氧化剂流中。在一个进一步的优选实施例中，燃料电池的电解质是一种质子交换膜(“PEM”)。
在燃料电池动力装置的物质和热量回收系统的使用中，因为物质直接从阴极和阳极排气流传递到进入动力装置的工作氧化剂流中，所以，由氧化剂气流吸收物质及其热量的速率不只是周围空气温度或者湿度的函数，而是进入动力装置的氧化剂气流中的物质与排出动力装置的动力装置排气流中的物质之间的部分压差的函数。因此，本发明与采用周围空气冷却的冷凝热交换器的动力装置相比，可以使水回收更多，后者的水回收速率主要是周围温度的作用。采用本发明，假如周围的空气温度升高，则对于为了最佳的动力装置效率，而从阴极和阳极排气流到进入氧化剂流的热传递的要求将会降低，而直接传递装置的物质传递能力保持不变。此外，复杂、笨重和成本高的冷凝热交换元件以及相关的控制装置不需要了，因而，增加了动力装置的水平衡和能量效率，从而降低了重量、体积和成本。
另外，本发明提供一种为了回收排出动力装置的物质和热量而操作燃料电池动力装置的方法，该方法包括下列步骤：
a.至少提供一个燃料电池，该燃料电池包括：
I.一种电解质，具有一个第一主表面和一个相对的第二主表面；和
II.一个阳极电极，由一个多孔阳极支持层支承，与电解质的第一主表面紧密接触，和一个阴极电极，由一个多孔阴极支持层支承，与电解质的第二主表面紧密接触，其中，多孔阳极支持层与阳极电极接触，并传递一种还原流体气流，以及多孔阴极支持层与阴极电极接触，并传递一种氧化剂流体气流；
b.传递一种工作氧化剂流，使其经过一个主氧化剂通道从一个氧化剂供给处进入多孔阴极支持层；
c.传递一种阳极排气流，使其从阳极支持层流过一个辅助燃烧器燃料处理元件；使阳极排气流燃烧，并引导燃烧过的阳极排气流进入一个动力装置排气通道；
d.传递一种阴极排气流，使其经过一个阴极排气通道从多孔阴极支持层出来，进入动力装置排气通道；并将燃烧过的阳极排气流与阴极排气流混合进入一种动力装置排气流；以及
传递工作氧化剂流和动力装置排气流，使其与一种传递介质接触，由此，引导工作氧化剂流和动力装置排气流在一种物质和热量直接传递装置内形成物质传递关系，以便吸附动力装置排气流内由极性分子组成的流体物质，并且进一步利用支承在一个分离器罩内的物质传递介质来解吸由极性分子组成的流体物质，使其进入工作氧化剂流，以致于两种气流都接触物质传递介质并且避免两种气流大量混合在一起。
因此，本发明的总的目的是提供一种燃料电池动力装置的物质和热量回收系统，以克服现有技术的燃料电池动力装置的不足。
一个更具体的目的是提供一种燃料电池动力装置的物质和热量回收系统，该系统在一个宽的操作条件范围内水能自足。
另一个目的是提供一种燃料电池动力装置的物质和热量回收系统，该系统将排出动力装置的水和热返回动力装置，而不用冷凝热交换器。
又一个进一步的目的是提供一种燃料电池动力装置的物质和热量回收系统，该系统将排出动力装置的物质和热量直接传递返回动力装置工作氧化剂流，以加湿和加热氧化剂流。
再一个具体的目的是提供一种燃料电池动力装置的物质和热量回收系统，该系统回收在阴极和阳极排气流中排出动力装置的水，将水提供给动力装置所用的处理烃燃料的元件。
结合附图，阅读下面的描述，本发明的这些和其它目的以及优点将变得更加容易清楚。
附图说明
图1是根据本发明构成的一种燃料电池动力装置的物质和热量回收系统的示意图。
具体实施方式
详细地参看附图，本发明的燃料电池动力装置的物质和热量回收系统如图所示，并用标号10表示。系统10至少包括一个燃料电池12和一个物质和热量直接传递装置14。燃料电池12包括：一层电解质16，例如，一层质子交换膜(“PEM”)或者酸或碱电解质，该电解质具有一个第一主表面18和一个相对的第二主表面20；一个阳极电极22，由一个多孔阳极支持层24支承，并与电解质16的第一主表面18紧密接触；和一个阴极电极26，由一个多孔阴极支持层28支承，并与电解质16的第二主表面20紧密接触。阳极和阴极多孔支持层24，28可以由多孔或者带沟石墨、炭或者金属板形成。燃料电池12可以与其它基本相同的燃料电池以公知的方式结合起来，形成一堆(stack)。在该领域通常是：燃料电池12可以封闭在一个框架或者结构30内，该结构30为了引导还原流体和氧化剂的气流进入和排出电池，限定了导流歧管，并且结构30还包括电导装置，以将电池12出来的燃料电池产生的电流引导到一个用电装置32，例如，流过一个标准的外部负载电路34。
一种工作氧化剂或者氧化剂进气流(例如，空气)从一个氧化剂源36经一个主氧化剂通道38引导进入燃料电池12，该通道38使氧化剂气流流过而进入多孔阴极支持层28，以致于氧化剂与阴极电极26接触而通过，以提供氧化剂给电极26，促使阴极电极产生电化学反应，以及靠蒸发和/雾化将在阴极电极26上形成的水和从阳极电极22经电解质16携带的水或者在氧化剂气流中的任何加湿水清扫进入氧化剂流。工作氧化剂流然后从阴极支持层28出来，作为在阴极排气通道40中的阴极排气流，随后，由阴极排气通道引导进入一个动力装置排气通道42。一股还原流体流被引导经一还原流体进气口44进入多孔阳极支持层24，这样，还原流体(例如，氢气)开始与阳极电极22接触。在一种公知的方式中，还原流体在阳极电极起电化学反应，以产生质子和电子，其中，电子通过外部负载电路34流动，为用电装置32(例如，为运输车辆提供动力的电机)提供能量，而质子通过电解质16移动到阴极电极26。然后，电子通过电路34继续流动到阴极电极，在此，它们与氧化剂反应，以形成水和热。
燃料电池动力装置10的物质和热量回收系统包括燃料处理元件装置，该装置将烃燃料处理成还原流体，该还原流体适合于将燃料提供给燃料电池的阳极电极。为这种动力装置10提供动力的典型烃燃料包括：汽油、柴油、丁烷、丙烷、天然气、甲烷、乙醇等。燃料处理元件装置可以包括：一个辅助燃烧器46，该燃烧器燃烧一种包含任何多余还原流体(例如，氢气)的燃料，该还原流体是从阳极支持层24经过一个阳极排气通道48作为阳极排气流供给燃烧器46的；一个蒸汽发生器50(在图1中标注为“蒸汽”)，该发生器通过一个热管52直接接收燃烧器46的热量，以使来自一个供水处的水变成蒸汽；一个转化器54，该转化器可以是一个自动热转化器，它接收来自蒸汽发生器50的蒸汽并与经过蒸汽管56的烃燃料混合；一个烃燃料供给源58(在图中标注为“燃料”)，该供给源将燃料经燃料管60供给蒸汽管；一根转化燃料排出管62，该排出管引导转化的燃料从转化器54进入还原流体进口44；和一个燃烧器排气通道64，该通道引导阳极排气流从辅助燃烧器46到动力装置排气通道42。
在阳极排气流中的任何未用的富氢还原流体在辅助燃烧器46中点燃，以增加燃烧器46的热量，因而使得离开燃烧器46的阳极排气流在燃烧器和动力装置排气通道64，42中都不易燃，以及使水的发生最大化。燃烧后的阳极排气流与在动力装置排气通道42中的阴极排气流结合变成一种动力装置排气流。燃料处理元件装置还可以包括在传统的蒸汽转化、多种化合物自热转化和部分氧化转化技术中公知的元件，所有的都包括一个转化器元件。燃料处理元件是相当普通的设计，在化工处理领域一般是公知的，其中，需要从普通的烃源产生富氢流体。例如，在这些工艺中的自动热转化器一般地燃烧一部分在燃料-蒸汽混合物中接收的燃料，以达到大约1,700华氏度(以下用“°F”表示)的温度。附加的燃料处理元件装置可以包括一个水变换反应器66，靠管67连接到一个有选择的氧化器68，反应器66和氧化器68都流体地连通和固定在转化燃料排出管62和还原流体进口44之间，以使在进入阳极支持层24的还原流体流中的一氧化碳浓度最小化，如本领域公知的那样。
物质和热量直接传递装置14与主氧化剂通道38和动力装置排气通道42流体地连通而固定。物质和热量直接传递装置14包括一个传递介质装置72，该传递介质装置72吸附一种由第一流体流内的极性分子组成的流体物质，第一流体流含有由极性分子和非极性分子组成的流体物质，例如，一种蒸汽，它包括：水蒸气和/或雾化的液态水分(是一种极性分子组成的流体物质)和空气(是一种非极性分子组成的流体物质)，并且该传递介质装置72还解吸吸附的流体，使其进入第二气流，第二气流与第一气流相比，极性分子组成的流体物质的比例较低。典型的传递介质装置包括一种离子交换膜或者离子键膜的液态水部分，例如，一种水饱和聚氟磺酸离子键膜，由美国杜邦公司以商标名称“NAFION”销售的产品，或者一种由上述“NAFION”膜作成的管的液态水部分，由美国Perma Pure公司以商标名称“ME-SERIES MOISTURE EXCHANGERS”销售的产品。一种附加的传递介质包括一种干燥材料，该材料能吸附从一种气流来的水分和解吸该水分，使其进入一种气流，例如，细粉固体、晶体碱金属或者碱土金属化合物，包括活性炭、硅胶、活性铝土和沸石，更详细地描述在1996年8月6日颁布给Belding等的美国专利5,542,968号的第5栏第9行到第6栏第17行中，因而该专利在此可结合起来作参考。
物质直接传递装置14还包括一个分离器罩装置74，以支承传递介质装置72，与动力装置排气流和工作氧化剂流形成物质传递关系，这样，两种气流都接触物质传递介质装置，而且分离器罩装置防止了动力装置排气和工作氧化剂气流的大量混合。典型的分离器罩装置可以包括一个封闭体(图1中用标号74表示)，该封闭体支承进气腔76和排气腔78之间的传递介质装置72。工作氧化剂流从氧化剂源36经氧化剂供给管80传递进入，并经进气腔76进入主氧化剂通道38，动力装置排气流从动力装置排气通道42传递进入，并经排气腔78，通过与排气腔78流体连通的动力装置排出管82而离开动力装置10。附加的分离器罩装置74可以包括更复杂的封闭体，以便在结构上使工作氧化剂流和动力装置排气流更多地暴露给物质传递介质装置，同时防止气流的大量混合，例如，封闭体在公知的流体-流体热交换器领域是普通的。分离器罩装置74的附加和共同的方面包括上述“NAFION”膜材料中支承液态水部分的膜部分以及用上述“NAFION”所制成的管(由Perma Pure公司以商标名称“ME-SERIES MOISTUREEXCHANGERS”销售的产品)中支承液态水的管部分。在这种分离器罩装置74中，用“NAFION”制成的物质传递介质装置将有选择地传递极性分子组成的流体物质(例如，水蒸气或者雾化液态水分)以本领域公知的方式从极性分子组成的流体物质浓度最大的膜的一侧到较小浓度一侧。
一种进一步典型的分离器罩装置包括一个热函轮(enthalpywheel)，该热函轮支承上述干燥传递介质装置旋转配置在带水分的动力装置排气流和干的工作氧化剂流之间，更具体的描述在上述美国专利5,542,968号的第4栏第35行到第5栏第4行，一般地参见该专利文献全文。该热函轮包括多个端部带开口的通道，通常与该轮旋转的轴线平行，其中，这些通道通常是将带波纹的纸板作成的平板卷绕而形成的，包括围绕该轮的中央轮毂的物质传递介质干燥剂，直到多层介质被确立，这样扩展到一个支承该轮的盒体的外罩。这样的热函轮在空调制造领域是公知的，更进一步地描述在1997年8月26日颁布给Bedding等的美国专利5,660,048号中，在此可结合起来作参考。作为一种分离器罩装置，热函轮被支承，以便围绕与流过进气和排气腔76，78的流平行的轴线旋转，以致于动力装置排气流通过该轮的大约一半，同时工作氧化剂流通过该轮的另一半。因而，排气腔78内的热函轮第一部分上的传递介质装置干燥剂将吸附一种极性分子组成的流体物质，例如，水蒸气或者来自动力装置排气流的雾化的液态水分，当热函轮转动到位于该轮的第一部分进入进气腔76时，假如进气氧化剂流中的极性分子组成的流体物质的浓度低于动力装置排气流中的流体分子组成的流体物质的浓度，则由干燥剂保持的吸附的极性分子流体物质将被解吸，使其进入工作氧化剂流，以便加湿和加热氧化剂流。
如图1所示，直接物质传递燃料电池动力装置1O还可以包括一个定位在氧化剂供给管80上的吹气机84，以便使进入动力装置10的气态氧化剂流可变地加速。或者，吹气机也可以定位在主氧化剂通道38上，以达到同样的目的。
从图1中可以看出：在动力装置10包括上述的燃料处理元件的情况下，将氧化剂流供给阴极支持层的主氧化剂通道38可以被分开，包括一个第二氧化剂通道86，该通道86引导一部分工作氧化剂流进入燃料处理元件装置，例如，进入蒸汽管56，以变成自动热重整器54的工作氧化剂，这样，一部分物质和热量，例如，从动力装置回收的水蒸气，靠物质传递装置14进入氧化剂流，被引导到进入自动热转化器的蒸汽和燃料混合物。在这种方式中，辅助燃烧器46和蒸汽发生器50的整个热量和蒸汽要求都降低。
为了进一步支承燃料处理元件，主氧化剂通道38可以进一步分开，包括一个第三氧化剂通道88，该通道88引导一部分工作氧化剂流进入辅助燃烧器46，变成燃烧器46的工作氧化剂，因而，引导一些物质和热量，例如，从动力装置排气流传递来的水蒸气，靠物质传递装置进入燃烧器46，以改善物质和热量传递装置的效率，并引导从动力装置排气流回收的水返回到动力装置10，以有效地补充蒸汽发生器50中的水和增强动力装置10的水的自足。
燃料电池动力装置10的物质和热量回收系统还可以包括一个冷却水环路装置，用于将从燃料电池12回收的水循环到燃料处理元件，进一步增强水的自足。冷却水环路装置包括：一个与阴极支持层28邻近的细孔水板90，该水板吸附阴极电极形成的水和/或流过电解质16的水；和一条冷却水管92，它引导细孔水板90中的水进入燃料处理元件装置，例如进入蒸汽发生器50，以进一步补充蒸汽发生器水的供给。从图1中还能看出：这些水中的一部分然后通过蒸汽管56进入自动热转化器54，并从这里，经过转化燃料排出管62和还原流体进口44返回到阳极支持层24，然后，可以通过电解质16，再返回到细孔水板90，以形成一个冷却水环路装置的“环”。冷却水环路装置还可以包括一个邻近阳极支持层24的细孔水板，并在每一电池之间顺次成一个堆，更详细地参见1996年4月26日颁布给Meyer等的美国专利5,505,944号中，该专利由本发明的受让人所拥有，因而，该专利在此可结合起来作参考。燃料电池动力装置10的物质和热量回收系统还可以包括一个热交换器94，布置成引导阳极排气通道48与燃烧器排气通道64形成热交换关系，传递来自阳极排气流的经过燃烧器排气通道64的热量进入经过阳极排气通道48的阳极排气流，因而，进一步使来自动力装置10的热量损失最小化。附加的热交换器可以用本领域公知的方式采用在动力装置中，以使来自动力装置的热量损失最小化。
一种本发明的燃料电池动力装置的物质和热量回收系统性能的设计评价(estimate)产生的数据表明：与没有采用本发明的系统的可比较的燃料电池动力装置相比，具有实质性的优点。该设计评价采用一个热函轮与上述的干燥剂传递介质固定到热函轮作为一个分离器罩，来作为一种物质和热量传递装置。热函轮被固定，这样，动力装置排气流经过热函轮的一半，当热函轮在进气腔和排气腔之间旋转时，与经过热函轮另一半的工作氧化剂流形成物质传递关系，进气腔引导经过热函轮的工作氧化剂流，排气腔引导经过热函轮的动力装置排气流。热函轮所需参数为：传递160磅/小时。一种工作氧化剂流在大约77华氏度(“°F”)进入物质和热量传递装置14的进气腔76，然后，在大约147华氏度(“°F”)离开装置14，流动速率大约为1,050磅/小时。一种在燃烧器排气通道64中的燃烧器排气流大约是515°F，并在动力装置排气通道42中冷却到大约194°F，在这里，该气流与一种阴极排气流混合，变成一种流速大约为1,260磅/小时的动力装置。然后，该气流进入物质和热量直接传递装置14的排气腔，与工作氧化剂流形成传递关系而通过，随后，在大约151°F离开装置14，最后，经过动力装置排出管82离开动力装置。这种设计评价表明：与没有回收系统的已有动力装置或者冷凝热交换器回收物质和热量的动力装置相比，燃料电池动力装置的物质和热量回收系统的性能具有实质性的改进。
尽管本发明已经描述和举例说明了燃料电池动力装置的物质和热量回收系统的具体结构和使用方法，但应该理解为：本发明并不局限于所描述和举例的实施例。例如，当提到一种燃料电池具有PEM作电解质时，应理解成：在燃料电池内能使用的任何电解质都可以用在本发明的燃料电池动力装置中。据此，不是依据前面的描述来确定本发明的范围，而是应该主要依据下面的权利要求来确定本发明的范围。

Claims (20)

1.一种燃料电池动力装置的物质和热量回收系统，该动力装置由一种还原流体和一种氧化剂流体产生电能，该动力装置包括：
a.至少一个燃料电池装置，从还原和氧化流体产生电能；包括：
I.一种电解质，具有一个第一主表面和一个相对的第二主表面；和
II.一个阳极电极，由一个多孔阳极支持层支承，与电解质的第一主表面紧密接触，和一个阴极电极，由一个多孔阴极支持层支承，与电解质的第二主表面紧密接触，其中，多孔阳极支持层与阳极电极接触，并传递一种还原流体气流，多孔阴极支持层与阴极电极接触，并传递一种氧化剂流体气流；
b.燃料处理元件装置，将一种烃处理成还原流体，包括一个辅助燃烧器，该辅助燃烧器接收和燃烧一种来自燃料电池的阳极排气流，以提供热至蒸汽发生器，并引导阳极排气流进入一个动力装置排气通道；及一个转化器，它接收从蒸汽发生器来的蒸汽，并经过一根在蒸汽发生器和转化器之间的蒸汽管与烃燃料混合；
c.一个主氧化剂通道，该通道将一种工作氧化剂流从氧化剂供给处传递进入燃料电池装置；
d.一个阴极排气通道，该通道将从燃料电池装置出来的一种阴极排气流传递进入动力装置排气通道，其中，阴极排气流与燃烧的阳极排气流混合进入一种动力装置排气流；和
e.一种物质和热量直接传递装置，与主氧化剂通道和与动力装置排气通道成流体地连通而固定，包括：
I.一种传递介质装置，吸附一种在动力装置排气流内的极性分子组成的流体物质，和解吸极性分子组成的流体物质，使其进入工作氧化剂流；和
II.一个分离器罩装置，支承传递介质装置与动力装置排气流和工作氧化剂流形成物质传递关系，这样，两种气流都接触物质传递介质装置，并防止动力装置排气和工作氧化剂流大量混合。
2.权利要求1所述的系统，其中，传递介质装置包括一种离子键膜的液态水部分。
3.权利要求2所述的系统，其中，分离器罩装置包括支承离子键膜的液态水的膜部分。
4.权利要求1所述的系统，其中，传递介质装置包括一种离子键膜管的液态水部分。
5.权利要求4所述的系统，其中，分离器罩装置包括支承在离子键膜管中的的液态水的管部分。
6.权利要求1所述的系统，其中，传递介质装置包括干燥剂材料，该干燥剂材料能够从气体流中吸收水分，并且能够解吸水分，使其进入气体流。
7.权利要求6所述的系统，其中，分离器罩装置包括一个热函轮，支承多个通道中的干燥剂，该通道通常与热函轮的旋转轴线平行，热函轮可旋转地支承在分离器罩的进气和排气腔内，这样，热函轮围绕一个与气流平行的轴转动，该气流是经过进气腔的工作氧化剂流和经过排气腔的动力装置排气流，热函轮的转动把从排气流所吸附的水直接传递到工作氧化剂流。
8.权利要求1所述的系统，其中，电解质是一种质子交换膜。
9.权利要求1所述的系统，其中，该系统包括：一个第二氧化剂通道，该通道将一部分工作氧化剂气流传递进入燃料处理元件装置，作为燃料处理元件装置的工作氧化剂。
10.权利要求9所述的系统，其中，燃料处理元件装置进一步包括：一个蒸汽发生器，它接收从辅助燃烧器来的热量，以产生蒸汽；一个烃燃料供给源，将烃燃料供给进入蒸汽管；和一根转化燃料排出管，引导转化燃料进入阳极支持层；并且，其中，第二氧化剂通道引导一部分工作氧化剂流进入蒸汽管。
11.权利要求10所述的系统，其中，动力装置包括一个第三氧化剂通道，该通道与物质和热量直接传递装置流体地连通，并将一部分工作氧化剂流传递进入辅助燃烧器。
12.权利要求11所述的系统，其中，传递介质装置包括一种离子键膜的液态水部分，以及分离器罩装置包括支承离子键膜的液态水的膜部分。
13.权利要求11所述的系统，其中，传递介质装置包括一种离子键膜管的液态水部分，以及分离器罩装置包括在离子键膜管中支承液态水的管部分。
14.权利要求11所述的系统，其中，传递介质装置包括一种干燥材料，该材料能吸附来自一种气流的水分，并且能解吸水分，使其进入一种气流。
15.权利要求14所述的系统，其中，分离器罩装置包括一个热函轮，支承多个通道中的干燥剂，该通道通常与热函轮的旋转轴线平行，热函轮可旋转地支承在分离器罩的进气和排气腔内，这样，热函轮围绕一个与气流平行的轴转动，该气流是经过进气腔的工作氧化剂流和经过排气腔的动力装置排气流，热函轮的转动把从排气流所吸附的水直接传递到工作氧化剂流。
16.权利要求9所述的系统，其中，电解质是一种质子交换膜。
17.一种为了回收排出动力装置的物质和热量而操作燃料电池动力装置的方法，该方法包括下列步骤：
a.至少提供一个燃料电池，该燃料电池包括：
I.一种电解质，具有一个第一主表面和一个相对的第二主表面；和
II.一个阳极电极，由一个多孔阳极支持层支承，与电解质的第一主表面紧密接触，和一个阴极电极，由一个多孔阴极支持层支承，与电解质的第二主表面紧密接触，其中，多孔阳极支持层与阳极电极接触，并传递一种还原流体气流，以及多孔阴极支持层与阴极电极接触，并传递一种氧化剂流体气流；
b.传递一种工作氧化剂流，使其经过一个主氧化剂通道从一个氧化剂供给处进入多孔阴极支持层；
c.传递一种阳极排气流，使其从阳极支持层流过一个辅助燃烧器燃料处理元件；使阳极排气流燃烧，并引导燃烧过的阳极排气流进入一个动力装置排气通道；
d.传递一种阴极排气流，使其经过一个阴极排气通道从多孔阴极支持层出来，进入动力装置排气通道；并将燃烧过的阳极排气流与阴极排气流混合进入一种动力装置排气流；以及
e.传递工作氧化剂流和动力装置排气流，使其与一种传递介质接触，由此，引导工作氧化剂流和动力装置排气流在一种物质和热量直接传递装置内形成物质传递关系，以便吸附动力装置排气流内由极性分子组成的流体物质，并且进一步利用支承在一个分离器罩内的物质传递介质来解吸由极性分子组成的流体物质，使其进入工作氧化剂流，以致于两种气流都接触物质传递介质并且避免两种气流大量混合在一起。
18.权利要求17所述的方法，进一步包括下列步骤：传递一部分工作氧化剂流，使其经过一个第二氧化剂通道进入动力装置的燃料处理元件，作为一种燃料处理元件的工作氧化剂。
19.权利要求18所述的方法，进一步包括下列步骤：传递一部分工作氧化剂流，使其经过第二氧化剂通道进入一根提供蒸汽和烃燃料的蒸汽管，再到一个动力装置的燃料处理转化器，传递一部分工作氧化剂流，使其经过一个第三氧化剂通道到辅助燃烧器，该辅助燃烧器为一个动力装置的蒸汽发生器提供热量。
20.权利要求17所述的方法，进一步包括下列步骤：传递工作氧化剂流和动力装置排气流，使其与一种离子键膜的液态水部分接触，由此，引导工作氧化剂流和动力装置排气流形成物质传递关系。
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