專利名稱：從氣體氧化器的電解質(zhì)的原地去除的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，并且尤其涉及從在這種系統(tǒng)中使用的氣體氧化器的電解質(zhì)的去除。
背景技術(shù)：
燃料電池是借助電化學(xué)反應(yīng)將存儲在碳?xì)淙剂现械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。通常，燃料電池包括通過電解質(zhì)分離的陽極和陰極，該電解質(zhì)用于傳導(dǎo)帶電離子。燃料電池通過使反應(yīng)物燃料氣體傳遞通過陽極，同時使氧化氣體傳遞通過陰極而操作。為了產(chǎn)生有用的電力水平，多個獨立燃料電池與每個電池之間的導(dǎo)電隔板串聯(lián)地堆疊，從而形成燃料電池堆。
熔化的碳酸鹽燃料電池(“MCFCs”)通過使氧化氣體中的氧與陰極處的自由電子反應(yīng)以形成碳酸根離子而操作，這些碳酸根離子穿過熔化的碳酸鹽電解質(zhì)移動到陽極，以與氫反應(yīng)并產(chǎn)生水、二氧化碳和電力。MCFCs中的電解質(zhì)包括熔化的碳酸鹽混合物，該混合物通常包括碳酸鋰、碳酸鉀或者碳酸鋰與碳酸鉀的組合。因為MCFC的操作溫度大約是550-650攝氏度，所以電解質(zhì)在MCFC操作期間處于液態(tài)狀態(tài)。
典型的MCFC系統(tǒng)包括位于燃料電池陽極下游的陽極廢氣氧化器單元，該陽極廢氣氧化器單元包括用于氧化陽極排氣中的氫、一氧化碳和未反應(yīng)的碳?xì)浠衔锏难趸呋瘎?，以產(chǎn)生氧化氣體，該氧化氣體適于添加到用于供給到燃料電池陰極的空氣和氧化劑氣體。在某些情況下，氧化器單元包含在廢氣氧化器組件中，該廢氣氧化器組件包括在氧化器單元之前的混合器。在該組件中，陽極廢氣流和陰極供給空氣或氧化劑首先在混合器中混合，然后混合的氣體被供給到用于經(jīng)由暴露于單元中的氧化催化劑而氧化廢氣的氧化單元中。所產(chǎn)生的富含氧化劑和二氧化碳的氣體然后被供給到燃料電池的陰極。
轉(zhuǎn)讓給與本申請相同受讓人的美國專利申請No.10/187,495公開了采用混合器/噴射器(eductor)和氧化器的這種陽極廢氣氧化器組件的實例，其中氧化器單元的氣體氧化器催化劑塊與混合器/噴射器的出口接合。在該氧化器組件中，陽極廢氣和空氣的氣體混合物通過結(jié)合到混合器的出口的催化劑塊的進口面進入氧化器催化劑塊體。在氧化器塊體中，氣體混合物經(jīng)過燃燒反應(yīng)以氧化存在于混合物中的氫、一氧化碳和碳?xì)浠衔铩?br> 在燃料電池堆的操作期間，某些電解質(zhì)微粒處于氣相，并且從燃料電池的電解質(zhì)層釋放到陽極廢氣流中。在熱的陽極廢氣流與冷空氣在混合器中混合后，產(chǎn)生的氣體混合物的溫度大約是300到400攝氏度。由于陽極廢氣的冷卻，廢氣流中的氣相的電解質(zhì)微粒從氣體微粒轉(zhuǎn)換成固體電解質(zhì)微粒。這些微粒沉積在混合器的壁上和氧化器催化劑塊體的進口面處。沉積在氧化器催化劑塊體的進口面上的電解質(zhì)微粒形成氣體混合物到氧化器催化劑中并通過該氧化器催化劑的流動路徑的部分障礙，導(dǎo)致橫跨催化劑塊的增大的壓力降，因而增大了陽極廢氣流的壓力與陰極進氣流的壓力之間的差異。另外，通過電解質(zhì)沉積物的阻礙改變了通過催化劑塊體的流動分布，導(dǎo)致從催化劑塊體的一端到另一端的溫度分布的較大差異。
燃料電池堆的性能和效率對燃料電池組件中的壓力變化敏感。尤其是，由于氧化器催化劑上的電解質(zhì)微粒沉積物的上述累積而產(chǎn)生的陽極流與陰極流之間的增大的壓力差影響了燃料電池堆的溫度分布和電壓變化。而且，電解質(zhì)微粒沉積物使氧化器催化劑失去活性，這影響了碳?xì)浠衔锶紵省?br> 因此，為了維持陽極輸出氣流與陰極進氣流之間的壓力差恒定，必須從陽極氣體氧化器催化劑的進口面去除電解質(zhì)微粒沉積物。另外，電解質(zhì)微粒的去除降低了氧化器催化劑活性的喪失，并且提高了燃料電池性能。
傳統(tǒng)地，通過利用適于去除堿金屬碳酸鹽化合物的溶劑清洗氧化器催化劑從陽極氣體氧化器催化劑中去除電解質(zhì)微粒。然而，該方法需要燃料電池設(shè)備停機，并且拆卸氧化器組件以取出催化劑塊體而用于清洗。結(jié)果，燃料電池發(fā)電設(shè)備的效率下降，并且燃料電池發(fā)電設(shè)備操作的維護費用顯著增大。因此，需要電解質(zhì)微粒的原地去除方法，以便避免這些缺點。
因此，本發(fā)明的目的是提供從具有燃料電池系統(tǒng)的氧化器單元的氧化器組件的電解質(zhì)微粒去除，其不需要從氧化器組件取出氧化器單元。
本發(fā)明的另一個目的是以不顯著影響燃料電池系統(tǒng)的性能的方式提供前述電解質(zhì)微粒去除。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的原理，以上和其他目的在一種用于燃料電池系統(tǒng)的氧化器組件的方法和裝置中實現(xiàn)，其中氧化器組件具有氧化單元，該氧化單元用于氧化包含電解質(zhì)微粒的陽極廢氣，并且氧化器組件被修改或調(diào)整成使電解質(zhì)微粒能夠從組件去除并從組件去除，并且其中調(diào)整和去除在氧化單元保持在氧化器組件的情況下進行。還根據(jù)本發(fā)明，燃料電池系統(tǒng)還被修改成使調(diào)整和去除在氧化組件保持在燃料電池系統(tǒng)中的情況下進行。
在下文中待說明的本發(fā)明的某些實施例中，氧化器組件被修改或調(diào)整成接收溶劑，以便使溶劑與氧化器單元接觸，用于溶解或去除其上的微粒電解質(zhì)，并且從組件排出溶劑和包含的微粒電解質(zhì)。在本發(fā)明的另一個實施例中，氧化器組件被修改或調(diào)整成被加熱以使微粒電解質(zhì)通過汽化從組件剝落并去除。在本發(fā)明的又一個實施例中，氧化器組件被調(diào)整或修改成捕獲電解質(zhì)微粒并排出捕獲的微粒。在這些實施例中，電解質(zhì)微粒的去除在氧化單元保持在氧化組件中的情況下進行，而且，在燃料電池系統(tǒng)處于促進和允許所述去除的狀態(tài)或模式下進行。
在使用溶劑的本發(fā)明的實施例中，液體或蒸汽形式的溶劑通過組件的混合器單元或氧化單元引入到氧化器組件中，保持在組件中足夠的時間以溶解或去除電解質(zhì)微粒，然后從組件通過混合器單元排出。在其中氧化器組件被加熱的本發(fā)明的實施例中，加熱進行一段時間，該時間足以使電解質(zhì)微粒剝落并隨后當(dāng)剝落的微粒接觸混合單元時汽化剝落的微粒。最后，在其中捕獲電解質(zhì)微粒的本發(fā)明的實施例中，氧化組件在氧化單元之前設(shè)有過濾器，用于氣流在進入到氧化單元之前從中過濾電解質(zhì)微粒。優(yōu)選地，過濾器位于混合器單元中，并且是葉片過濾器的形式。


當(dāng)結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)說明時，本發(fā)明的以上和其它特征和方面將變得較明顯，在附圖中圖1示出燃料電池系統(tǒng)的示意圖，該燃料電池系統(tǒng)適于采用根據(jù)本發(fā)明的原理的原地電解質(zhì)去除；圖2示出陽極廢氣氧化器組件，該陽極廢氣氧化器組件能夠適于進行根據(jù)本發(fā)明的原地電解質(zhì)微粒去除；圖3示出圖2的組件的第一實施例，其適于使用水溶劑的電解質(zhì)微粒的原地去除；圖4示出圖3的組件的修改形式；圖5示出圖2的組件的第二實施例，其適于使用加濕的氣體作為溶劑的電解質(zhì)微粒的原地去除；圖6示出使用適于通過燃燒去除電解質(zhì)微粒的圖2的氧化器組件的第三實施例的電解質(zhì)微粒的去除之前和之后的燃料電池系統(tǒng)的性能的曲線圖；圖7示出適于使用過濾器的電解質(zhì)微粒的原地去除的圖2的氧化器組件的第四實施例；圖8示出圖7的氧化器組件的葉片過濾器的橫截面。
具體實施例方式
圖1示出燃料電池系統(tǒng)100的示意圖，該燃料電池系統(tǒng)適于根據(jù)本發(fā)明的原理進行電解質(zhì)微粒的原地去除。燃料電池系統(tǒng)包括具有陽極104和陰極106的燃料電池102。諸如天然氣的燃料氣體從燃料供給站108供給到系統(tǒng)100。在被輸送到陽極104之前，燃料在燃料凈化站110處經(jīng)過凈化處理，并且在熱交換器112中與水結(jié)合并被加熱。處理過的加熱燃料通過陽極進口104a進入陽極，以經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)。廢燃料通過陽極出口104b作為陽極廢氣離開陽極104。
陽極104的出口104b連接到陽極廢氣氧化器組件114的進口114a。在氧化器組件114中，陽極廢氣與諸如空氣的氧化氣體混合，并且陽極廢氣中包括氫、碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉奈捶磻?yīng)成分被氧化以產(chǎn)生二氧化碳和空氣的混合物。在氧化器組件114中產(chǎn)生的二氧化碳和空氣的混合物適于在燃料電池陰極106中用作氧化氣體。二氧化碳和空氣的該混合物通過陰極進口106a進入陰極106。在穿過陰極106后，廢氧化氣體離開陰極106，并且在離開燃料電池系統(tǒng)100之前被輸送到用于加熱燃料和水的熱交換器112。
圖2示出可用作組件114的陽極廢氣氧化器組件的說明示例的詳細(xì)視圖。如圖所示，氧化器組件114具有混合器單元116和氧化器單元118。包括氧化催化劑的氧化器單元118連接到混合器單元116的出口116b。在圖2所示的說明示例中，氧化器單元118包括催化劑塊體，該催化劑塊體具有預(yù)定尺寸，以便在混合器116的出口116b上形成蓋。
混合器116包括與陽極出口104b并與空氣供給站121相聯(lián)的進口組件120。進口組件120包括連接到陽極出口104b用于從燃料電池陽極104接收陽極廢氣的陽極廢氣進口114a和用于從空氣供給站121接收空氣的空氣進口120b。陽極廢氣和空氣在混合器116的進口組件120中結(jié)合，并被輸送到混合器116的混合區(qū)域116a中用于進一步混合。
如上所述，進入氧化器組件114的陽極廢氣的溫度大約是550-700攝氏度。在熱的陽極廢氣與較冷空氣在進口組件120中混合并且在混合器116的混合區(qū)域116a中進一步混合后，混合物的溫度大約是300-400攝氏度。存在于陽極廢氣中的電解質(zhì)微粒隨著陽極廢氣和空氣的混合物的溫度降低而凝固。當(dāng)陽極廢氣和空氣的混合物穿過氧化器單元118時，固體電解質(zhì)微粒不能穿過氧化器單元118中的通道，并且沉積在氧化器118的表面118a上。隨著氧化器組件114的繼續(xù)操作，電解質(zhì)微粒在氧化器單元118的表面118a上累積，并且形成通向氧化器單元118并通過氧化器單元118的氣體混合物的通路中的局部屏障。氧化器單元表面118a上的該部分障礙導(dǎo)致混合器116中的氣體壓力增大。同時，離開氧化組件114的氧化氣體的壓力降低，增大了橫跨氧化器單元118的壓力差。
根據(jù)本發(fā)明的原理，氧化器組件114和燃料電池系統(tǒng)100適于進行從氧化器單元118的電解質(zhì)微粒的原地去除。以下說明適于如此的氧化器組件和系統(tǒng)100的各種實施例。
使用水的電解質(zhì)沉積物的原地去除根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例，通過修改氧化器組件114和燃料電池系統(tǒng)100以便使氧化器單元118暴露于水溶劑而從氧化器單元118去除電解質(zhì)微粒沉積物，而不從組件114中取出氧化器單元118并且不從燃料電池系統(tǒng)100取出組件114。尤其是，組件114和系統(tǒng)100被修改或調(diào)整，以便使氧化器組件114被供給并能夠接收足夠量的水，以與氧化器單元118的表面118a接觸并優(yōu)選地將其浸沒預(yù)定的時間段。系統(tǒng)100在水處理期間還適于處于深度熱循環(huán)階段或狀態(tài)中，其中溫度降低到環(huán)境溫度，以便使系統(tǒng)不產(chǎn)生電力。
更具體地，圖3示出如此修改或調(diào)整的圖2的組件和系統(tǒng)100。如圖所示，在混合器116的混合區(qū)域116a中設(shè)有進口/出口開口122，該進口/出口開口122連接到水供給站124和設(shè)置在系統(tǒng)100中的排出管126。還將諸如三通閥的閥123添加到系統(tǒng)100，以控制通向混合器116和來自混合器116的水通過進口/出口開口122，并在燃料電池系統(tǒng)100的操作期間將進口/出口開口122維持在關(guān)閉狀態(tài)。
當(dāng)燃料電池系統(tǒng)處于深度熱循環(huán)階段并且電解質(zhì)的去除開始時，閥123的進口部分123a和部分123b打開，以允許水從水供給站124通過進口/出口開口122流到混合器116的混合區(qū)域116a中，同時閥123的出口部分123a保持關(guān)閉。水可以流到混合器116中并且填充混合區(qū)域116a，直到氧化器單元118暴露于水，并且尤其是直到至少單元118的表面118a浸沒在水中為止。
當(dāng)混合器116中的水量到達預(yù)定水平時，閥部分123a和123b關(guān)閉。氧化器單元118的表面118a保持浸沒在水中預(yù)定的時間段，即大約30分鐘到2小時。在經(jīng)過預(yù)定的時間段后，水和從表面118a溶解的電解質(zhì)微粒沉積物通過打開閥部分123b和123c從混合器116去除并且通過進口/出口開口122輸送到排出管126中。當(dāng)水和溶解的電解質(zhì)沉積物正從混合區(qū)域116a去除時，閥部分123a保持關(guān)閉。另外，可設(shè)有連接到進口/出口開口122的噴嘴，以幫助從混合區(qū)域116a去除水和溶解的電解質(zhì)。
在圖3的說明性實施例中，氧化器組件118構(gòu)造成使開口122設(shè)置在混合區(qū)域116b的下部中，并且同一開口122用于將水供給到混合器116以及從中去除。如可理解的，能以其它方式構(gòu)造氧化器組件，以便將水從水供給站124輸送到混合器單元116，以浸沒氧化器單元的表面118a并從混合器單元排出水和溶解的電解質(zhì)微粒。
例如，如圖4所示，氧化器組件114可被修改成包括靠近氧化器單元118的出口表面118b的一個或多個水輸送單元128，如噴射器。在該說明性布置中，水從水供給站124供給到水輸送單元128中的每一個，并且可以通過氧化器單元118中的孔或通道從輸送單元128流到混合器116的混合區(qū)域116a中。在水供給站124與水輸送單元128之間設(shè)有閥124a，以控制通向這些單元的水供給。在系統(tǒng)100的深度熱循環(huán)階段或模式期間，閥124a打開以通過允許水從水供給站124輸送到輸送單元128開始去除電解質(zhì)微粒沉積物。
如在圖3所示的說明性布置中，水可以填充混合器116的混合區(qū)域116a并且填充到至少浸沒氧化器單元118的表面118a。當(dāng)預(yù)定量的水供給到混合區(qū)域116a時，閥124a關(guān)閉并且保持關(guān)閉狀態(tài)，直到開始下一次的電解質(zhì)去除為止。氧化器單元118的表面118a浸沒在水中預(yù)定的時間段，該時間段足以溶解該表面上的電解質(zhì)微粒沉積物。在該說明性示例中，該預(yù)定的時間段大約是30分鐘到2小時。
在經(jīng)過預(yù)定的時間段后，所有或大部分電解質(zhì)微粒沉積物通過溶解在水中而從氧化器單元118去除。然后通過設(shè)置在混合區(qū)域116a中的開口122從混合區(qū)域116a去除水和電解質(zhì)的混合物。在該說明性實施例中，開口122設(shè)置在混合器116的混合區(qū)域116a的底部處，并且連接到排出管126。另外，一噴嘴(未示出)可連接到排出開口122，以進一步幫助從混合器116去除水。在開口122與排出管126之間設(shè)有閥125，用于控制從混合器116的水去除。尤其是，在經(jīng)過預(yù)定時間段后打開閥125以允許水從混合區(qū)域116a經(jīng)過開口122并進入排出管126。如可理解的，閥125在閥124a打開并且水從輸送單元128供給到混合區(qū)域116a中的燃料電池系統(tǒng)操作期間以及在催化劑浸沒在水中的預(yù)定時間段期間是關(guān)閉的。
在暴露于碳酸鉀溶液的氧化催化劑的試樣上測試了使用水從氧化器催化劑的表面去除碳酸鉀電解質(zhì)微粒。在準(zhǔn)備用于這種測試的催化劑試樣時，氧化催化劑的試樣被浸到含20％重量百分比的碳酸鉀溶液中，以使每個試樣都涂覆有足夠的碳酸鉀。每個試樣都包括大約1％-4％重量百分比的碳酸鉀。然后在110攝氏度下通宵干燥試樣。涂覆的試樣浸沒在水中大約30分鐘。用于每個試樣的水的體積大約是每個試樣的體積的5倍。隨后測試清洗的試樣表明，所有表面電解質(zhì)覆層都被去除。結(jié)果，橫跨試樣的壓力降減小，并且恢復(fù)了催化劑的活性。
在其中將水用作溶劑以從氧化器單元118去除電解質(zhì)微粒沉積物的本發(fā)明的第二實施例中，氧化器單元118和系統(tǒng)100被修改或調(diào)整成在預(yù)定溫度下使加濕的氣體通過單元118。包括空氣和水蒸汽的氣體適于用作該加濕的氣體。在這種情況下，燃料電池系統(tǒng)100在電解質(zhì)沉積物的去除期間適于在沒有發(fā)電模式的熱待機狀態(tài)下或低溫(大約500)下。
更具體地，圖5示出圖2的氧化器組件114，該氧化器組件被修改以在混合器116中設(shè)置連接到加濕的氣體供給站132的進口開口130。在這種情況下，在系統(tǒng)100停機的情況下，通過打開閥130a使加濕的氣體從加濕的氣體供給站132經(jīng)由開口130供給到混合器116，該閥130a控制通向組件114的加濕氣體輸送。尤其是，當(dāng)電解質(zhì)沉積物的去除開始并且允許加濕的氣體進入混合區(qū)域116a時，閥130a打開。加濕的氣體從混合區(qū)域116a流過氧化器單元118持續(xù)預(yù)定的時間段。該預(yù)定的時間段在30分鐘到4小時之間。
供給到混合區(qū)域116a的加濕氣體的溫度被控制成低于氧化器單元118中的催化劑塊體的溫度。尤其是，當(dāng)氧化器單元118的溫度維持在大約90攝氏度時，加濕氣體的溫度大約是55攝氏度。因為氧化器單元118的溫度高于加濕氣體的溫度，所以當(dāng)氣體穿過時，在單元的表面118a上形成水滴，潤濕電解質(zhì)微粒沉積物。結(jié)果，電解質(zhì)溶解在這些水滴中。
溶解的電解質(zhì)掉落到混合器116的混合區(qū)域116a。再次參照圖5，在混合區(qū)域116a的底部處設(shè)有出口開口122，開口122連接到排出管126。設(shè)有閥127用于控制從混合區(qū)域116a的水和電解質(zhì)混合物的去除。在經(jīng)過預(yù)定的時間段后打開閥127，并且溶解在水中的電解質(zhì)沉積物被去除。如可理解的，閥128在所有其它時間期間是關(guān)閉的。
在圖5的可選實施例中，代替將加濕氣體提供到混合器單元116，加濕氣體供給站通過供給到單元的出口而連接到并通過氧化器單元118。在該布置中，加濕氣體穿過氧化器單元并進入混合區(qū)域。如上文所討論的，這導(dǎo)致在氧化單元118的表面118a上形成水滴，這些水滴溶解表面118a上的電解質(zhì)微粒。然后經(jīng)由閥127的打開從混合區(qū)域去除所產(chǎn)生的溶解的電解質(zhì)，用于通過排出管126清除。
使用圖5的上述布置在氧化催化劑的涂覆有電解質(zhì)的試樣上進行測試表明，可從氧化器單元118的表面去除超過90％的電解質(zhì)。如上文所討論的，這種去除顯著減小了陽極廢氣與陰極進氣之間的壓力差，并提高了催化劑的性能。
電解質(zhì)沉積物的原地燃燒根據(jù)本發(fā)明的第三實施例，系統(tǒng)100和氧化器組件114被修改以便通過燃燒或加熱實現(xiàn)從氧化器單元118的表面118a去除電解質(zhì)微粒沉積物。在這種情況下，燃料電池系統(tǒng)100適于被置于熱待機預(yù)點火模式或狀態(tài)下，并且沒有電力通過該系統(tǒng)產(chǎn)生。
更具體地，系統(tǒng)100在熱待機預(yù)點火模式下操作，以提高氧化器組件114內(nèi)的溫度，從而使氧化器單元118上的電解質(zhì)微粒沉積物剝落和汽化，而不影響氧化器催化劑的性能。尤其是，將溫度升高到大約790到840攝氏度。將通過調(diào)節(jié)空氣燃料比以利于燃燒而獲得希望的溫度目標(biāo)，導(dǎo)致催化劑的表面處的較高的溫度。在這種情況下，在熱待機預(yù)點火期間最大的希望的溫度是800攝氏度，從而防止氧化催化劑的失效。當(dāng)組件114的溫度達到大約790攝氏度時，氧化器單元118的表面上的電解質(zhì)微粒沉積物開始從表面118a剝落。這被確信是通過在升高的溫度下電解質(zhì)微粒的附著特性的喪失以及通過在組件114的冷卻期間的熱膨脹不匹配造成的。剝落物落到混合區(qū)域116a中，在混合區(qū)域116a中，它們撞擊混合器116的表面。
在模擬該原地去除構(gòu)造的測試中，使用了上面具有電解質(zhì)沉積物的氧化器催化劑試樣。使用與上述相同的程序準(zhǔn)備用于這些測試的涂覆試樣。對于這些測試，每個試樣的僅一個表面涂覆有電解質(zhì)。每個試樣都被顛倒，以便使形成試樣的底面的涂覆電解質(zhì)的表面類似于圖2的組件100的氧化器單元118中的催化劑塊體的位置。試樣在空氣中被加熱到790攝氏度或到840攝氏度大約2小時到4小時。大約60％的電解質(zhì)沉積物從加熱到790攝氏度的試樣剝離，并且類似地，89％的電解質(zhì)沉積物從加熱到840攝氏度的試樣剝離。
圖6示出燃料電池系統(tǒng)在去除了適于通過燃燒或加熱進行去除的燃料電池系統(tǒng)100和氧化器組件114上的電解質(zhì)微粒沉積物之前和之后的性能曲線圖。如圖所示，X軸代表燃料電池系統(tǒng)的操作時間，而Y軸代表混合器單元116的混合區(qū)域116a中的氣體的壓力與陰極進口處的氧化氣體的壓力之間的壓力差。如可見到的，壓力差隨著燃料電池的操作時間的增大而增大。壓力差的增大是由于混合區(qū)域中的氣體的壓力的升高和陰極進口處氣體的壓力的同時降低。尤其是，穿過氧化催化劑的氣體量由于催化劑的進口表面上的電解質(zhì)沉積物的累積而減小。
如圖6所示，在09/05/03使用系統(tǒng)和氧化器組件的燃燒修改而從氧化器催化劑的表面除去電解質(zhì)微粒之后，壓力差急劇地減小。因此可看到，本發(fā)明恢復(fù)了陽極廢氣與陰極進氣之間的壓力分布，并且維持了燃料電池系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性。
電解質(zhì)沉積物的原地過濾根據(jù)本發(fā)明的第四實施例，系統(tǒng)100和氧化器組件114被修改或調(diào)整成通過捕獲電解質(zhì)微粒來去除陽極廢氣和空氣混合物中的電解質(zhì)微粒。更具體地，如圖7所示，在組件114的混合器單元116的混合區(qū)域116a內(nèi)定位有示出為葉片過濾器134的過濾器，以去除通過該過濾器的氣體混合物中的電解質(zhì)微粒。因而在系統(tǒng)100保持操作、氧化器單元保持在組件114中并且組件100保持在系統(tǒng)100中的同時，過濾器134連續(xù)地去除電解質(zhì)微粒。
如圖7所示，葉片過濾器134定位在混合區(qū)域116a中，以便使氣體混合物在到達氧化器單元118之前需要穿過過濾器134。在這種情況下，葉片過濾器134垂直于氣流方向，以允許電解質(zhì)微粒直接撞擊在過濾器的表面上。電解質(zhì)微粒通過沉積在過濾器134的表面上而從氣體混合物去除，同時氣體混合物的其余部分穿過過濾器到達氧化器單元118。
在所示的情況下，過濾器134的下部與混合器的混合區(qū)域116a的最低點對準(zhǔn)。然而，應(yīng)理解，只要穿過區(qū)域116a的氣體在到達氧化器單元118之前被輸送通過過濾器134，過濾器134在混合區(qū)域116a內(nèi)的位置就可以變化。
在圖7所示的布置中，沉積在過濾器表面上的電解質(zhì)微粒由于重力而落到過濾器的下部上。這些微粒將累積在過濾器134的下部中，直到它們被去除。累積的微?？梢员恢芷诘厝コ?。在該說明性的布置中，在混合區(qū)域116a中在過濾器134正下方設(shè)有與排出管126連接的開口122。一閥127通過打開和關(guān)閉開口122控制累積的電解質(zhì)微粒的去除。尤其是，當(dāng)需要從過濾器134去除累積的電解質(zhì)微粒時，閥127打開，并且微粒由于重力而可以通過開口122落到排出管134中。微粒通過開口122的去除在維護日程期間周期地進行，并且組件100在該操作期間被冷卻到環(huán)境條件。
圖8示出葉片過濾器134的詳細(xì)的橫截面圖。如圖所示，葉片過濾器具有多個板134a，這些板相互平行并且形成多個通道134b，以引導(dǎo)氣體混合物通過這些通道。板134a具有預(yù)選的構(gòu)造，以便實現(xiàn)氣體混合物與板表面之間的最大接觸。這使較大量的氣體混合物暴露于過濾器表面，這增大了沉積在過濾器板上的電解質(zhì)微粒的量。
在圖8的說明性的形式中，葉片過濾器134包括多個間隔開的波紋板134a，以便將流過過濾器的氣體混合物導(dǎo)向成流過板之間的空間。利用該布置，沿過濾器中通道134b流動的氣體的方向改變許多次，導(dǎo)致過濾器通道中的氣體更好的混合以及氣體混合物與板表面之間的最佳接觸。
可根據(jù)混合器116的尺寸、通過氧化器組件114的氣體量、氣體混合物中的電解質(zhì)微粒濃度、流過混合器116的氣體混合物的速度和其它因素改變過濾器134的尺寸。在所示的情況下，氣體混合物的速度大約是10到20英尺/秒(在變化的發(fā)電條件下)，這需要過濾器134的厚度至少為4英寸，以便高效地去除電解質(zhì)微粒。另外，由過濾器134的平行板134a形成的通道134b的寬度應(yīng)該足夠，以便允許有效地去除電解質(zhì)微粒而不影響混合區(qū)域中的壓力。尤其是，在該情況下，通道134b大約是0.25-0.5英寸寬。
如可理解的，過濾器134和過濾器134內(nèi)的過濾器板134a的布置可以變化，以便優(yōu)化通過過濾器的氣體混合物的流動和電解質(zhì)微粒在過濾器表面上的沉積速度。
在所有情況下應(yīng)理解，上述布置僅是代表本發(fā)明的應(yīng)用的許多可能的特定實施例的示例?？梢栽诓槐畴x由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，根據(jù)本發(fā)明的原理容易地設(shè)計大量的且變化的其它布置。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池系統(tǒng)的氧化器組件的方法，所述氧化器組件具有用于在氧化器組件中氧化包含電解質(zhì)微粒的陽極廢氣的氧化器單元，所述方法包括調(diào)整氧化器組件，以便使電解質(zhì)微粒可從氧化器組件去除；去除電解質(zhì)微粒；其中所述調(diào)整和去除在氧化單元保持在所述氧化器組件中的情況下進行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括修改所述燃料電池系統(tǒng)，從而允許所述調(diào)整和去除在所述氧化器組件保持在所述燃料電池系統(tǒng)中的情況下進行；并且其中所述調(diào)整和去除在所述氧化器組件保持在所述燃料電池系統(tǒng)中的情況下進行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述調(diào)整包括所述氧化器組件接收用于接觸所述氧化器單元的溶劑，從而使氧化器單元上的電解質(zhì)微粒可從其上去除；并且所述去除包括從所述氧化器組件排出所述溶劑和所述去除的電解質(zhì)微粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述溶劑以液體和蒸汽形式之一被引入。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述氧化器組件包括混合器單元，所述混合器單元連接到所述氧化器單元的輸入端并且向其進料，所述混合器單元接收并混合氧化劑氣體和所述陽極廢氣，并且將所述混合的氣體進料到所述氧化器單元的所述輸入端，并且其中所述溶劑的所述接收通過所述混合器單元中的一開口和所述氧化器單元的輸出端之一進行；所述排出通過所述氧化器單元中的一開口進行；并且所述燃料電池系統(tǒng)的修改包括提供和操作溶劑供給站、閥組件和排出管，從而能夠進行所述接收和排出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述接收通過所述氧化器單元的所述輸出端進行；并且所述燃料電池系統(tǒng)的修改包括提供附裝到所述溶劑供給站上的噴射器，從而能夠進行所述接收。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述電解質(zhì)微粒包括碳酸鹽；所述溶劑是液體水；所述接觸進行20到120分鐘范圍內(nèi)的一段時間；并且所述燃料電池系統(tǒng)的修改包括在深度熱循環(huán)模式下操作所述燃料電池系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述電解質(zhì)微粒包括碳酸鹽；所述溶劑包括空氣和汽化了的水；所述接觸進行30分鐘到240分鐘范圍內(nèi)的一段時間；并且所述燃料電池系統(tǒng)的修改包括在低溫下操作所述燃料電池系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述汽化了的水在大約55攝氏度的溫度下；并且所述氧化器組件在大約90攝氏度的溫度下。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述氧化器組件的所述調(diào)整包括使所述氧化器組件能捕獲所述電解質(zhì)微粒。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述氧化器組件包括混合器單元，所述混合器單元連接到所述氧化器單元的輸入端并向其進料，所述混合器單元接收并混合氧化劑氣體和所述陽極廢氣，并且將所述混合的氣體進料到所述氧化器單元的所述輸入端，并且其中使所述氧化器組件能捕獲所述電解質(zhì)微粒包括在所述混合器單元中、所述混合的氣體的路徑中設(shè)置過濾器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述電解質(zhì)微粒的所述去除包括通過所述混合器單元中的一開口從所述過濾器排出過濾的電解質(zhì)微粒；并且所述燃料電池系統(tǒng)的修改包括提供并操作排出管和閥組件，以使所述過濾的電解質(zhì)的所述排出能夠進行。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述氧化器組件的所述調(diào)整包括加熱所述氧化器組件，以使其上的電解質(zhì)微粒能夠剝落；并且所述去除包括使所述氧化器組件的所述加熱到汽化所述剝落的電解質(zhì)微粒。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述電解質(zhì)微粒包括碳酸鹽；所述氧化器組件的所述加熱是加熱到790攝氏度到840攝氏度的范圍內(nèi)的溫度；并且所述燃料電池系統(tǒng)的修改包括在預(yù)點火熱待機模式下操作所述燃料電池系統(tǒng)。
15.一種組件，包括用在燃料電池系統(tǒng)中的氧化器組件，該氧化器組件具有氧化器單元，該氧化器單元用于在氧化器組件中氧化包含電解質(zhì)微粒的陽極廢氣，并且該氧化器組件被修改成使電解質(zhì)微粒能夠被去除并從氧化器組件去除且氧化單元保持在所述氧化器組件中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的組件，其中所述氧化器組件的所述修改這樣進行，即，使電解質(zhì)微粒能夠被去除并從氧化器組件去除能夠在氧化組件保持在所述燃料電池系統(tǒng)中的情況下進行。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的組件，其中所述氧化器組件的所述修改包括所述氧化器組件中的一進口接收用于接觸所述氧化器單元的溶劑，以便使氧化器單元上的電解質(zhì)微?？蓮钠淙コ灰约耙怀隹趶乃鲅趸鹘M件排出所述溶劑和所述去除的電解質(zhì)微粒。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的組件，其中所述溶劑是液體和蒸汽中的一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的組件，其中所述氧化器組件包括連接到所述氧化器單元的輸入端并且向其進料的混合器單元，所述混合器單元接收并且混合氧化劑氣體和所述陽極廢氣，并且將所述混合的氣體進料到所述氧化器單元的所述輸入端；所述進口是所述混合器單元中的一開口和所述氧化器單元的輸出端之一；所述出口是所述混合器單元中的一開口；并且所述組件包括所述燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括溶劑供給站、排出管和閥組件，所述閥組件與所述溶劑供給站和所述排出管配合，以選擇性地連接到所述進口和所述出口。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的組件，其中所述進口是所述氧化器單元的所述輸出端；并且所述燃料電池系統(tǒng)還包括通過所述溶劑供給站進料的噴射器。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的組件，其中所述電解質(zhì)微粒包括碳酸鹽；所述溶劑是液體水；所述接觸進行20到120分鐘的范圍內(nèi)的一段時間；并且所述燃料電池系統(tǒng)在深度熱循環(huán)模式下操作。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的組件，其中所述電解質(zhì)微粒包括碳酸鹽；所述溶劑包括空氣和汽化了的水；所述接觸進行30分鐘到240分鐘的范圍內(nèi)的一段時間；并且所述燃料電池系統(tǒng)在低溫或熱待機模式之一下操作。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述汽化了的水在大約55攝氏度的溫度下；并且所述氧化器組件在大約90攝氏度的溫度下。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的組件，其中所述氧化器組件的所述修改包括使所述氧化器組件能捕獲所述電解質(zhì)微粒。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的組件，其中所述氧化器組件包括混合器單元，所述混合器單元連接到所述氧化器單元的輸入端并向其進料，所述混合器單元接收并混合氧化劑氣體和所述陽極廢氣，并且將所述混合的氣體進料到所述氧化器單元的所述輸入端，并且其中使所述氧化器組件能捕獲所述電解質(zhì)微粒包括將過濾器定位在所述混合器單元中、所述混合器的路徑中。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的組件，其中所述過濾器是包括多個間隔開的波紋板的葉片過濾器。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的組件，其中所述混合器單元具有一出口，所述出口與所述過濾器連通，用于使從所述過濾器捕獲的電解質(zhì)微粒通過。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的組件，其中所述組件包括燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括排出管和閥組件，所述閥組件與所述出口連通，用于接收通過所述出口的所述電解質(zhì)微粒。
29.根據(jù)權(quán)利要求16所述的組件，其中所述氧化器組件被修改成被加熱，以使電解質(zhì)微粒能夠剝落和汽化。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的組件，其中所述電解質(zhì)微粒包括碳酸鹽；所述氧化器組件的所述加熱是加熱到790攝氏度到840攝氏度的范圍內(nèi)的溫度；并且所述組件包括在預(yù)點火熱待機模式下操作的所述燃料電池系統(tǒng)。
全文摘要
一種用于燃料電池系統(tǒng)的氧化器組件的方法和裝置，其中氧化器組件具有氧化單元，該氧化單元用于氧化包含電解質(zhì)微粒的陽極廢氣，并且氧化器組件被修改或調(diào)整成使電解質(zhì)微?？蓮慕M件去除并從組件去除，并且其中調(diào)整和去除在氧化單元保持在氧化器組件的情況下進行。燃料電池系統(tǒng)還被修改以便使這種調(diào)整和去除在氧化組件保持在燃料電池系統(tǒng)中的情況下進行。
文檔編號H01M8/08GK101091274SQ200580044937
公開日2007年12月19日 申請日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月27日
發(fā)明者S·P·卡提卡納尼, M·法魯克, G·L·卡爾森, M·貝納蒂克特 申請人:燃料電池能有限公司