催化加湿器和加热器， 主要用于燃料电池的氧化剂流的加湿 【发明领域】
本发明涉及电化学燃料电池，具体而言，本发明涉及用氢做燃料，用氧化剂将氢转化为电能和热量的电化学燃料电池，更具体而言，本发明还涉及这种采用质子交换膜的电化学燃料电池的加湿要求。
【发明背景】
通常，燃料电池是一种将化学反应产生的能量转化为电能的装置。它不同于蓄电池之处在于：燃料电池只要供应燃料和氧化剂就能产生电能。
燃料电池通过将燃料和氧化剂与两个适当的电极和电解质相接触来产生电动势。例如将一种燃料如氢气加入到第一电极，这样，在有电解质和催化剂的情况下，该燃料发生电化学反应，在第一电极中产生电子和阳离子。这些电子通过连接电极之间的电路从第一电极流到第二电极。阳离子则穿过电解质到达第二电极。同时，将一种氧化物(典型的为空气、富含氧气的空气或氧气)加入到第二电极，这样，在有电解质和催化剂的情况下，氧化物发生电化学反应，产生阴离子并消耗从电路流过来地电子；在第二电极产生的阳离子被消耗。在第二电极或阴极产生的阴离子与来自第一电极的阳离子发生反应，生成反应产物如水。可以选择地将第一电极或阳极称为燃料或氧化电极，可选择地将第二电极称为氧化物或还原电极。两个电极处的半电池反应分别如下：
第一电极
第二电极
外部电路可从电池获取电流，从而接收电能。整个燃料电池的反应可产生电能，该电能是以上所述两个独立的半电池反应的总和。水和热量是反应的典型副产物。
实际上，燃料电池不是作为单个电池工作的。而是将燃料电池串联起来，将一个电池堆放在另一个电池上面或并排放置。称为燃料电池组的一系列燃料电池，通常被封入壳体中。燃料和氧化剂通过管子被送到电极，而由反应物或冷却介质提供冷却。在电池组内还有集电体、电池与电池的密封和绝缘装置，以及位于燃料电池组外部的必要的通道和仪表。电池组、外壳和相关的硬件组成了燃料电池组件。
燃料电池可根据电解质的类型来分类，或为液体，或为固体。本发明主要涉及应用固体电解质例如质子交换膜(PEM)的燃料电池。由于目前所使用的交换膜在干燥时不能有效工作，所以必须用水使PEM保持湿润。因此，燃料电池工作期间经常通过向反应气体(通常是氢气和空气)中加入水的方法使交换膜得到所需的恒定湿度。
固体聚合物燃料电池中所用的质子交换膜充当电解质，并可做为阻挡层，以避免反应气体的混合。适当的交换膜的例子是一种共聚的全氟化碳材料，该材料包括氟化碳链和磺酸组的基本单元。这种膜可能有多种分子结构。如果燃料电池在完全水合的，基本上是水饱和的状态下工作，那么应用这些膜就可得到优异的性能。同样，交换膜必须保持持续湿润，但同时不能过湿或淹水，因为这样会降低性能。此外，燃料电池组的温度必须保持在冰点以上以避免电池组的冻结。
冷却、湿润和加压的需求增加了燃料电池的成本和复杂程度，降低了它在许多应用中作为可选择能源的商业竞争力。因此，燃料电池研究的方向是使燃料电池可以在没有反应物调湿，并在吸气式大气条件下工作，同时还可保持有效的功率输出。
虽然燃料电池当前的技术发展已经越来越集中在简化空气吸入气压的设计上，却还没有充分的重视燃料电池在冰点以下的温度工作的情况，这种情况需要进一步复杂的设计。例如，需要热转换器和热绝缘，它们是启动、关闭和反应物加湿器的附加控制协议。
当应用固体聚合物质子交换膜(PEM)时，通常将之设置在两个电极之间，该电极由多孔的导电材料构成。电极中通常注入或涂覆有疏水性聚合物，例如聚四氟乙烯。在每个膜/电极的分界面有催化剂，用来催化所需的电化学反应，典型地采用磨碎的催化剂。膜/电极组件固定在两个导电板之间，每个导电板中至少有一个在其中形成的(流体)流道，传导流体流的燃料板典型由石墨构成。液体流道直接将燃料和氧化剂送到对应的电极，即，燃料侧的阳极，氧化剂侧的阴极。将电极电连接到电路上，从而在电极之间提供了传导电子的路径。在电路中提供了和任何传统电路中类似的电交换设备及类似设备。通常，这种燃料电池所用的燃料是氢气，或由其它燃料得到的富含氢气的重整产品(重整产品：一种燃料，它是将碳氢化合物燃料重整为一种包括氢气和其它气体的气态燃料而得到的)。可以根据各种来源提供阴极侧的氧化剂。在某些应用中，为了制作更小型的燃料电池、减小流道的尺寸等，期望提供纯氧。但是通常用空气作为氧化剂，这是因为空气容易得到并且不需要任何单独的或瓶装的气体供应源。此外，在没有空间的局限性的情况下，例如固定应用和类似应用，在大气压力下就可以方便地输送空气。在这种情况下，通常可以简单地设置使作为氧化剂的空气通过燃料电池组的通道，从而大大简化了燃料电池组的总体结构。燃料电池组可以简单地设置通风孔，如果可能，可以安装一些风扇或类似装置来促进空气的流通，而不必提供单独的氧化剂管路。
大家知道，催化燃烧器的工作原理与燃料电池的工作原理类似，但是其反应动力速度增加且温度升高。一种燃料(例如氢气)在催化剂床的作用下，以一定的速度，通过与氧气或空气直接接触而被氧化，例如，催化剂床为表面有少量铂的瓷珠。
化学反应的副产物类似于燃料电池的副产物，但是不产生任何电能：
反应物的较高的消耗率和随之释放的热量反映出该化学反应是通过直接接触，而不是通过质子/电子交换来实现的。催化燃烧是无焰的，其反应温度介于燃料电池的“冷燃烧”和明火燃烧之间。流速可以是脉冲的或可调制的，从而可以改变温度的分布。氢气催化燃烧不需要用引发火焰或火星来引燃。
在K.stephen和B.dahm的题为“Catalytic Combustion ofHydrogen in a Diffusive Burner”的文章1483-1492页中可找到催化燃烧器的一个提案的例子，是关于扩散燃烧器的氢气催化燃烧的。
发明综述
根据本发明的第一个方面，提供了一个用来催化氢气和气态氧化剂的反应的管式反应器，此管式反应器包括：
细长外壳；
由可促进燃料和氧化剂催化燃烧的材料形成的催化剂，将催化剂做成一个基本上填满细长外壳的细长体，此催化剂是疏松的；
第一入口，用于气态燃料；第二入口，用于气态氧化剂，所述第一和第二入口都位于细长外壳的一端；
在外壳的另一端有一个出口，在使用中，催化剂促进了燃料和氧化剂的燃烧，产生热量和水分，加热并加湿的气流从此出口流出。
优选为，外壳和催化剂主体通常都是圆柱形的，其长度基本上大于管式反应器的直径。
根据本发明的第二个方面，提供了包括至少一个燃料电池的燃料电池系统，每个燃料电池包括：
燃料入口；
具有催化剂的阳极，此催化剂与阳极结合在一起用于使燃料中产生阳离子；
连接在入口和阳极之间的燃料通道，用来将燃料输送到阳极；
用来供给氧化剂的氧化剂入口装置；
具有催化剂的阴极，此催化剂与阴极相结合，并连接到氧化剂入口装置，用来使氧化剂中产生阴离子，所述阴离子在所述阴极与所述阳离子发生反应生成水；
位于所述阳极和所述阴极之间的离子交换膜，当燃料和氧化剂相互隔离时，所述交换膜有助于阳离子从所述阳极迁移到所述阴极；
催化反应器，此反应器具有第一燃料入口和第二氧化剂入口，以及加热并加湿气体的出口，催化反应器是用来给燃料电池提供加热并加湿的气体的。
优选为，燃料电池系统包括多个燃料电池，组成一个燃料电池组。
燃料电池组可以包括吸气式电池组，吸气式电池组包括许多贯穿燃料电池组的通道，用来使作为氧化剂的周围空气穿过燃料电池组自由流动，每个燃料电池至少有一个通道，其中催化反应器固定在燃料电池组的下面。催化转换器配置成用来通过第二入口接收作为氧化剂的空气的，接收的空气超过了催化反应器内燃料燃烧所需空气的化学计算量，因此，加热并加湿的空气从催化反应器的出口排放出来。催化反应器的出口固定在燃料电池组通道的下面，因此，加热并潮湿的空气通过燃料电池组的通道从催化反应器中向上流出。
催化反应器通常可以是管状的，也可以是盘形的，其配置用于使使燃料和氧化剂基本上沿反应器的中心轴流动。
本发明的另一个方面是提供了一种操作燃料电池系统的方法，该燃料电池系统包括多个燃料电池，每个燃料电池包括：
燃料入口；
具有催化剂的阳极，此催化剂与阳极结合在一起用于使燃料中产生阳离子；
连接在入口和阳极之间的燃料通路，用来将燃料输送到阳极；
用于供给氧化剂的氧化剂入口装置；
具有催化剂的阴极，此催化剂与阴极相结合，并连接到氧化剂入口装置，用来使氧化剂中产生阴离子，所述阴离子在所述阴极与所述阳离子发生反应生成水；
位于所述阳极和所述阴极之间的离子交换膜，当燃料和氧化剂相互隔离时，所述交换膜有助于阳离子从所述阳极迁移到所述阴极；此方法包括：
(a).给燃料电池提供氧化剂和燃料，氧化剂使其发生反应产生电能和热量；
(b).供给催化反应器燃料和氧化剂，氧化剂量大于燃料燃烧所需的化学计算量，以保证燃料充分燃烧，从而产生加热并加湿的氧化剂流；
(c).供给燃料电池加热并加湿的氧化剂，使其与燃料发生反应产生电能和热量。
开始起动时的温度低于预设的温度，此方法可包括：开始时，只向催化反应器提供燃料和氧化剂，用来产生加热并加湿的氧化剂流，向燃料电池中输入加热并加湿的氧化剂来预热燃料电池，一旦燃料电池达到所需温度时开始向燃料电池中输送燃料。起动后并且燃料电池已达到所需的温度后，向反应器中供应足量的氧化剂和燃料，将由催化反应器向燃料电池系统中供应的氧化剂维持在所需的湿度水平。
本发明的另一个特点是提供了使燃料电池系统工作的另一个方法，此燃料电池系统包括多个燃料电池，每个燃料电池包括：
燃料入口；
具有催化剂的阳极，此催化剂与阳极结合在一起用于使燃料中产生阳离子；
连接在入口和阳极之间的燃料管路，用来将燃料输送到阳极；
用来供给氧化剂的氧化剂入口装置；
具有催化剂的阴极，此催化剂与阴极结合在一起并连接到氧化剂入口装置，用来使氧化剂中产生阴离子，所述阴离子在所述阴极与所述阳离子发生反应生成水；
位于所述阳极和所述阴极之间的离子交换膜，当燃料和氧化剂相互隔离时，所述交换膜有助于阳离子从所述阳极迁移到所述阴极，此方法包括：
(a).给燃料电池提供氧化剂和燃料，使其发生反应产生电能和热量；
(b).供给催化反应器燃料和氧化剂，氧化剂数量小于燃料燃烧所需的化学计算量，以保证氧化剂充分燃烧，从而产生加热并加湿的燃料流；
(c).供给燃料电池加热并加湿的燃料，使其与氧化剂发生反应产生电能和热量。
这种方法还可以包括：
(a).提供一个第二催化反应器；
(b).供给第二催化反应器燃料和氧化剂，氧化剂数量大于燃料燃烧所需的化学计算量，从而产生加热并加湿的氧化剂流；将此加热并加湿的氧化剂流输送到燃料电池的氧化剂入口装置，用来与加热并加湿的燃料发生反应产生电能和热量。
附图的简要描述：
为了更好的理解本发明，更清楚地显示本发明的执行过程，现在参考以下附图中的例子，其示出了本发明的优选实施例：
图1是根据本发明的燃料电池系统的第一个实施例的示意图；
图2是根据本发明的燃料电池系统的第二个实施例的示意图；
图3是根据本发明的燃料电池系统的第三个实施例的示意图；
图4a、4b和4c分别是根据本发明的管式反应器的透视图和侧视图；
图5是图1、图2和图3中燃料电池组的部分顶视图；
图6a、6b和6c分别是根据本发明的催化氢气燃烧器的管路设计的侧视图和端视图；
图7、8和9分别示出图1、2和3中燃料电池系统的实施例的更详细的视图。
优选实施例详述
首先参考图1和7，此装置的第一个实施例用数字10表示，并且此装置中包括一个外壳12。在图中，此外壳称为HyTef-FC15外壳。
在外壳12中，有一个燃料电池组14，此电池组以已知的方式包括多个PEM燃料电池，在对图5的描述中有更详细的描述。给电池组14提供一个氢气的主燃料输送管路16。该燃料管路16延伸到外壳12内，并延长成为主输送管路18，此主输送管路包括电磁控制阀20以及包括相应的流动控制阀24和电磁控制阀25的第二燃料管路22。如图所示，26表示的电池组吹扫出口可以使过量的氢气从燃料电池组14中排出。用相应的电磁控制阀27来控制氢气的排出。另外，众所周知，这样可避免燃料电池组14内氢气燃料中污染物和杂质的堆积。经吹扫出口26排出的氢气可以回收利用。
图1中的燃料电池组14是一个吸气式电池组。氢气燃料通过已知的方式流过每个单个燃料电池的阳极侧。同样，箭头29表示的是作为氧化剂的空气穿过每个燃料电池阴极侧的流动，在图1和图2中用43表示此空气流从电池组的上部排出。电池组14的上部和下部是打开的，并提供了适当的通风孔，从而使空气可以穿过燃料电池的阴极侧自由流动，如箭头29所示。
根据本发明，第二氢气输送管路22连接到催化反应器30，该反应器包括一个催化反应床层32，反应床可包括如网状的金属铝；根据其导热性、成本和易用性来选择这种材料。提供一个单独的空气入口34，经过泵36和空气输送管路38将此入口连接到催化燃烧器30。
应用气泵36将过量的空气输送到催化燃烧器30中。输送到催化反应器30中的氢气与空气发生反应，产生热量。因此，如29所示，空气、水和热量从催化反应器30中排出。换句话说，从入口34输送来的空气已经被有效地加热并加湿。然后，此加热并加湿的空气流过电池组14。
图1中的催化反应器或燃烧器30在一定程度上是基于传统的配置。这样，实际的已知方式的催化反应床层32相对较宽并具有较大的表面积，但是同时它在气体的流动方向上相对较薄。其目的是要接触大面积的气流，从而降低气流速度。这样，当气体受到催化反应床层32的作用时，可以确保气体有足够的驻留时间，以便充分地完全地燃烧。
实际上，通常很难达到充分燃烧，这一点在应用中是很重要的。此外，当反应器床层32的较大表面积适用于开放配置时，却不适用于任何封闭系统。然而，本发明者已经开发了一种细长的管式反应器，在图2中用50表示。此管式反应器50在以下有关图4的描述中有更详细的描述。图2的其他组件与图1的相同。为了简明起见，图2中的类似组件具有相同的附图标记，并且不再重复这些组件的描述。
因此，图2中的实施例也显示在图8中，用与图1中的实施例大部分相同的方式工作。但是，此实施例没有应用具有大表面积的开放式表面反应器床层32的催化反应器30，而是提供了一个封闭的管式反应器50。此反应器50具有燃料和空气的相应入口52和54，以及一个管式出口56。加热并加湿的空气流40从管式出口56流出，然后流过打开的燃料电池组14，如箭头29所示。空气入口41连接到空气管路42，此管路包括一个鼓风机或泵40。
在下一个实施例中，提供了一个止回阀58和一个快速制动阀59。现在参考图3和7，其中显示了本发明的第三个实施例。本发明的这个实施例也有一个外壳，总体上用数字60表示，也包括一个燃料电池组62。此电池组62是一个具有气泵或鼓风机64的封闭电池组，通过主输送管路66将气泵64连接到燃料电池组62的入口，过量的空气从燃料电池组62排出，如68所示。
在氢气侧，氢气输送管路70包括一个压力表和一个流量计(未出示)，并包括一个燃料电池组62的主氢气输送管路72和一个催化燃烧器或反应器50的第二输送管路74。在主输送管路72上有一个电磁阀73。在第二管路74上有电磁阀75、快速制动阀76和止回阀77。与第一个实施例一样提供了一个带有控制电磁阀79的燃料排出阀78。
提供了一个管式反应器50，在反应器侧还提供了一个氢气入口52。
催化反应器50的空气输送管路用80表示，并包括一个泵或表82、一个相应的止回阀84。空气输送管路80与催化反应器50的相应入口54相连。可以选择地安装一个压力表和一个流量计(未示出)。
管式反应器50的出口56用管路85连接到两个支路86和87，这两个支路通过各自的电磁阀88和89连接到输送管路72和空气输送管路66。虽然未示出，但是电池组62可以选择地包括一个循环泵。用已知的方式，过量的氢气可以通过出口或排出管路78排出，以避免污染物的堆积。
管式反应器50可以运行以提供加湿并加热的空气流或加湿并加热的氢气流。以下详细描述这两种模式。
若要产生加热并加湿的空气流，需要用泵82输送过量的空气，过量空气是相对于通过管路74的氢气流来说的。在管式反应器50中，氧气与氢气发生反应产生热量和水分，导致加热并加湿的空气流从出口56排出然后，阀门88保持关闭，阀门89打开，使得加热并加湿的空气流穿过主空气输送管路66，夹带到流入燃料电池组62的空气流中。
同样，若要产生加热的氢气流，阀门88打开，阀门89关闭。然后，通过管路74提供过量的氢气，过量氢气是与通过主燃料管路82的空气相比较而言的。气流是不流通的，只能在排气阀打开进行吹扫时排出。但是，在非封闭模式下工作时，气流可以用控制阀控制。在管式反应器50中，空气中的氧气与一定量的氢气发生反应产生热量和水分。这样使得含有残余氮气的氢气流，连同热量和水分从出口56流出。这种加热并加湿的氢气和氮气流穿过阀门88进入主燃料管路72。
可以理解，将加热并加湿的氢气输送到燃料管路72，当空气做为氧化剂时导致氮气进入到燃料气体供应中。因此，需要应用吹扫管路78来避免氮气在燃料电池组62内的堆积。可以选择地是，也可以始终应用流动系统。
在反应器50中发生完全反应是很重要的。换句话说，在两种工作模式中，剩余的氢气不会输送到主空气管路66中，剩余的氧气也不会输送到氢气输送管路72中，这一点是非常重要的。否则将导致氢气和氧气的潜在易燃气体混合物被送入燃料电池组60中，是很危险的。为了确保完全反应，必须使反应具有正确的布局和组织，以保证流速满量程时具有足够的驻留时间。
可以理解，也可以加热并加湿燃料和空气的输送通道。由于两种输送管路的不同需求，所以需要应用两个单独的管状反应器，每个反应器配置为在以上所述两种模式中的一种模式下工作。
参考图4，其中显示了管状反应器50的细节。可看出这是管状反应器50的一个早期版本，具体而言，反应器50的外壳是由传统的成品零件制成的。我们期望增强管状反应器50的总体配置，以使其设计既有更好的性能特点，又可以节约生产成本。
参考图4，管状反应器50包括一个管状反应器外壳51。在外壳的下端有一个T形连接器100。T形连接器100有三个连接法兰102，其中之一连接到管状外壳51上，另两个法兰提供氢气输送管路的连接。在外壳的上端，管状反应器50包括一个连接器104，它也设有连接法兰106，其中之一连接到管状外壳51上，另外的法兰提供输送管路的连接。图中示出的是圆形横截面的外壳51，可以理解为，可以应用任何形式的合适的横截面，例如正方形截面。
现在参考图5，其中示出了燃料电池组62中，例如由5对流场电极板组成的5个独立的燃料电池元件的平面图。这样，氧化剂流场电极板用110表示，燃料流场电极板用112表示。在每对氧化剂和燃料流区域板110、112之间，有各自的膜电极组件(MEA)和气体扩散媒质114。在氧化剂流场电极板110和MEA114之间，有限定的氧化剂通道116，燃料流氢气的通道118被限定在燃料流场电极板112和MEA114之间。冷却通道120设置在氧化剂流场电极板110的后面，紧靠燃料流场电极板112。这些冷却通道120与氧化剂通道116类似，只是冷却通道是穿过电池组62垂直(不是必须垂直)延伸的，用于使周围的空气穿过通道自由流动。用已知的方式，电池组的其它结构细节未示出，例如，没有示出将各流场电极板固定到一起的单元，但是这些可以是传统的结构。