CN1458856A - 具有用于净化燃料供应的可更换吸气剂元件的燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
碳氧化物及其它杂质被从用于燃料电池(30)的氢燃料供应流(12)中除去。足以从氢气中化学吸附碳氧化物的吸气剂元件(20)被可拆卸地连接到燃料电池阳极端。燃料流通过吸气剂元件进行传递以便把碳氧化物化学吸附到吸气剂上，由此提供了被净化的氢气流(26)到燃料电池阳极。当吸气剂被用完以及用新的吸气剂更换时，把吸气剂从燃料电池中除去。
Description
技术领域
本发明通常涉及燃料电池，尤其涉及一种用于从氢燃料供应流中除去杂质的装置和方法。
背景技术
燃料电池是这样的电化学电池，其中由氧化反应产生的自由能变化被转换成电能。一个典型的燃料电池包含由离子导电的电解液分开的燃料电极(阳极)和氧化剂电极(阴极)。这些电极由一个外部电路导体电连接到负载(诸如电子电路)上。在所述电路导体中，电流通过电子的流动传输，而在电解液中它通过离子、诸如在酸性电解液中的氢离子(H+)或在碱性电解液中的氢氧离子(OH-)的流动传输。把能够化学氧化的燃料提供给阳极，并且在一种适当的催化剂上电离以产生离子和电子。由于气态氢在存在适当催化剂情况下的高活性和它的高能量密度，所以它是用于大多数应用的燃料选择。类似地，氧化剂被提供给燃料电池阴极，并且被催化还原。最常用的氧化剂是气态氧，它可以从空气中很容易和经济地获得，用于在陆地应用中使用的燃料电池。当气态的氢和氧被用作燃料和氧化剂时，这些电极是多孔的以允许气体-电解液接合处尽可能的大。电极必须是电子导体，而且具有适当的活性以给出有效的反应速率。由于电解液是一种非电子导体，所以电子经由外部电路流过离开阳极。在阴极处，氧与通过电解液迁移的氢离子和从外部电路输入的电子起反应以生成水作为一个副产物。副产物水典型地被蒸馏作为水蒸气。在燃料电池中进行的总反应是阳极和阴极反应的总和，部分反应自由能作为电能直接释放出来，而其余作为热量释放出来。
近年来，几乎所有的电子设备、尤其是便携式电子设备在尺寸方面都减小了，而且做得轻便了。同时，诸如全色显示、多媒体、大带宽数据传输和“常开、常连接”等奇需能量的特征已经把传统的电解电池技术推到了极限。某些已经设法用小的燃料电池代替电解电池。燃料电池的很大优点是潜在能够在一个小的包装中提供明显较大的能量(与一个电池相比)。然而，在消费者普遍接受之前，如何向燃料电池提供氢燃料供应的问题仍然在寻求一个精致和实际的解决方案。由于Hindenberg灾难，即使在我们之后的七十年，消费者仍保持谨防氢气，而且没有基础结构部门提供氢以重新填充被耗尽的的燃料电池。
某些现有技术系统通过使用微型重整设备把甲醇催化地转化或“重整”为氢，使用液体甲醇作为氢源。Epp和Baumert等人的、被转让给Ballard Power Systems的美国专利6,063,515就是一个这样的例子，而且描述了一个用于水底应用的集成燃料电池发电系统。液体甲醇容易获得，而且不会象氢气那样遭受同样的公共安全感受。利用重整器方法的一个主要障碍是重整过程没有提供一个纯净的氢气供应，而且“重整产品”包含微量的碳氧化物、诸如一氧化碳(CO)，它侵蚀性地腐蚀和抑制在燃料电池中的铂催化剂。在氢燃料流中的这些杂质导致了燃料电池的连续性能下降和最后破坏。为了减少在重整产品中的杂质，在重整过程中要求附加阶段和复杂、昂贵的重整装置。这样的一个例子是由Johnson Matthey刊登于1996年European Fuel CellNews第3卷第2期上的HOT-SPOT multi-stage reactor。由于尺寸、重量和成本，这些缺点否定了重整器(reformer)在小的、便携式燃料电池系统中的使用。在燃料电池系统技术领域内的一个进步是具有一个小的、便宜的重整器，以把液体甲醇转换为氢气，其中氢气与一个用于减少杂质的简单装置相连，以便不退化性能。
附图简要说明
唯一的图是依据本发明的从用于燃料电池的燃料供应流中除去杂质的系统的略图。
最佳实施例的详细说明
碳氧化物及其它杂质被从用于燃料电池的氢燃料供应流中除去。足以从氢中化学吸附碳氧化物的一个吸气剂元件被可拆卸地连接到燃料电池阳极端，以便在耗尽时被容易地更换。燃料流通过吸气剂元件进行传递以便把碳氧化物化学吸附到吸气剂上，由此提供了一个被净化的氢气流到燃料电池阳极。当吸气剂被耗尽时，把吸气剂从燃料电池中除去，然后用一个新鲜的吸气剂更换。在吸气剂元件上一个可见指示器能够被用于指示吸气剂何时需要更换。虽然说明书已定义了本发明的、被认为是新颖特征的权利要求来结束，但是应当明白，通过参考附图本发明中的结构、操作方法和优点将会被更好地理解。
下面参见所述单一附图，用于一燃料电池30的一个燃料流净化系统5以下列方式进行操作。燃料源10提供了典型地包含杂质的一个燃料流12，其中所述杂质可能对燃料电池30有害。在最佳实施例中，燃料源是一种用于把液体甲醇重整成为氢气的化学重整器，而且燃料流被称为重整产品，但是做为选择，燃料源能够是氢气钢瓶、氢气发生器、市政供油管、金属氢化物等。用于其它烃类燃料诸如汽油的化学重整器也可以起燃料源的作用。燃料流12即重整产品，通常包含微量的碳氧化物杂质、诸如一氧化碳(CO)和/或二氧化碳(CO2)，它对燃料电池有害或是对燃料电池性能不利。CO通过在阳极电极处腐蚀铂催化剂而损坏燃料电池。CO2虽然不直接破坏燃料电池，但是通过使传递到阳极电极的氢气摩尔体积稀释而限制了性能。在用于便携式燃料电池系统的小的、便宜的化学重整器的重整产品中发现的典型杂质水平是5摩尔％CO和15摩尔％CO2。CO的水平在40ppm之上会导致燃料电池的性能降低和最后破坏。目前利用被重整的烃类燃料的燃料电池系统或者需要大的、昂贵的多级化学重整器、涤气器和过滤器，或者它们由于污染而具有有限的使用年限，因此排除了这种燃料电池系统在便携式电子设备中的实际使用。
在我们的发明中，通过经由一吸气剂元件20传递燃料流12，将它进行净化。吸气剂是一种在它的表面上结合气体的物质。活性气体被化学吸附和/或物理吸附到这表面上，而其它气体未受影响的经过。化学吸附是一个公知的化学吸附过程，其中在气体或液体分子和一个固体表面之间形成弱化学键。吸气剂通常被用于从气体中除去杂质，并且和微粒过滤器不同。吸气剂倾向于吸附杂质，而不是通过机械的尺寸排除原理“过滤”污染物。吸气剂元件20包含一种从燃料流12中化学吸附杂质的材料22。适于本发明的材料包含铂、银、钨、玻璃粉，云母、炭、铁和铁化合物。一种市场上买得到的、对化学吸附CO2有用的材料是烧碱石棉剂(ASCARITE)，它是涂有氢氧化钠的石棉纤维，而且ASCARITE被用于在燃烧分析仪中吸附CO2。吸气剂元件20有选择性地包含一个可见指示装置24，在它已经到达它的容量而且被耗尽、用尽、枯竭、期满、耗损或用完并且需要更换时，通知用户。几种监控或度量一个吸气剂元件的剩余容量的方法在工业中是已知的，诸如掺合改变颜色以指示吸收的CO或CO2数量的材料，电子测微计，度量和比较在输入流和被“净化”的排出流中的杂质数量等。
吸气剂元件20以这样一种方法可拆卸地连接到燃料电池的阳极端，以便它能够很容易地由人类用户除去并且用一个新鲜的吸气剂元件更换。术语“可拆卸地连接(removably connected)”意味着吸气剂和燃料电池是两个各自分开的部分，并且不是永久地连接在一起，它们也不是一个整体的单片部件。意图使吸气剂以这样一种方法连接到燃料电池，以便使它能够很容易地和迅速地从燃料电池分离，而没有破坏燃料电池或是不需要多种工具。例如，一种提供“可拆卸连接”装配的装置是在吸气剂元件、燃料源、和燃料电池之间使用快速折卸的气管接头。吸气剂元件可以通过一个搭扣配合或其它传统的锁紧机构被机械地连接到燃料电池上，它可能是螺丝连接的，可能是通过O形环和凸台适当密封就位等。我们不期望在“可拆卸连接的”的定义中包含粘接到或注模到燃料电池、或是借助于压配合或SWAGE-LOK(管子接套)配合连接。
在经过可拆卸连接的吸气剂元件20之后，被净化的燃料流26流向燃料电池30。在所述最佳实施例中，被净化的燃料流26包含氢气。为了本发明起见，净化被定义为具有小于40ppm的CO水平。
从化学重整器流出的重整产品除包含微量的CO和CO2之外主要包含氢气。重整产品经过包含铂、银、钨、玻璃粉、云母、炭、铁或铁化合物的吸气剂元件，在那儿化学吸附CO和CO2，而且输出被净化的氢气到燃料电池。在使用一段时期之后，在吸气剂中的铂、银、钨、玻璃粉、云母、炭、铁或铁化合物被耗尽，而且从所述系统中除去用完的吸气剂，并且用一个新的吸气剂进行更换。就用于由燃料电池系统供电的消费者手持式电子设备的典型使用模型来说，吸气剂元件应当被设计和确定尺寸为在它需要更换之前维持至少一个星期。通过利用本发明，能够在一个便携式燃料电池应用中使用便宜的小重整器，以便重整诸如甲醇的液烃燃料，以获得用于为燃料电池供电的氢气。牺牲的吸气剂元件通过允许较不纯净的重整产品作为燃料供应源，消除了对更精细、更大和更昂贵的重整过程和设备的需要，从而可以提供具有实用尺寸和成本的、基于便携式重整器的燃料电池系统。
总起来说，我们已经创造了一种新颖的装置用以减少在用于燃料电池的燃料流中的杂质浓度，因此使得在便携式燃料电池系统中使用微型、便宜的重整器和液体甲醇燃料以便为手持式电子设备供电成为可能。虽然已经举例说明和描述了本发明的最佳实施例，但是显然没有对本发明进行这样的限制。对本领域技术人员来说，可以在没有背离由附加的权利要求所定义的本发明精神和范围的情况下，进行很多修改、改变、变化、置换和等效。
Claims (10)
1.一种从用于燃料电池的燃料供应流中除去杂质的系统，其包含：用于从所述燃料流中除去杂质的吸气剂元件，所述吸气剂元件可拆卸地连接在所述燃料供应流和所述燃料电池的阳极端之间，以便可以由所述燃料电池的用户更换。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包含：连接到所述吸气剂元件的化学重整器，以便把所述燃料流从所述化学重整器的一个出口传递到吸气剂元件。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述化学重整器是一个微重整器。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述除去步骤包含化学吸附。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述化学吸附步骤包含化学吸附一氧化碳。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述除去步骤包含物理吸附。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述除去步骤包含按尺寸排除进行机械过滤。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述吸气剂元件是可拆卸连接的，以便使它能够在所述吸气剂元件被用完时由所述燃料电池的用户更换。
9.如权利要求1所述的系统，其中，一氧化碳是从所述燃料流中被化学吸附的一种杂质。
10.如权利要求1所述的系统，进一步包含一个可见标记，用于指示所述吸气剂元件的状态。
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