CN1163997C - 具有排气再循环的燃料电池 - Google Patents

具有排气再循环的燃料电池 Download PDF

Info

Publication number
CN1163997C
CN1163997C CNB998087661A CN99808766A CN1163997C CN 1163997 C CN1163997 C CN 1163997C CN B998087661 A CNB998087661 A CN B998087661A CN 99808766 A CN99808766 A CN 99808766A CN 1163997 C CN1163997 C CN 1163997C
Authority
CN
China
Prior art keywords
flow field
anode
fuel cell
cathode
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB998087661A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1309819A (zh
Inventor
卡尔·安东尼·赖泽
德良·杨
¡
保罗·理查德·马尔焦蒂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
UTC Power Corp
Original Assignee
UTC Fuel Cells LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by UTC Fuel Cells LLC filed Critical UTC Fuel Cells LLC
Publication of CN1309819A publication Critical patent/CN1309819A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1163997C publication Critical patent/CN1163997C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了用于改善PEM燃料电池电源(10)中水管理的方法和装置。这种燃料电池电源(10)包括一个用于燃烧阳极排气(60)的燃烧器(62)，以产生一种含有水的燃烧排气。燃烧排气被再循环到阳极输入端(27)和/或阴极输入端(29)。再循环系统(64)可包括附加装置，例如用于在再循环至阳极(20)之前去除燃烧排气中一氧化碳的装置(77)。一个燃料处理器(74)热连接于燃烧器(62)。本发明的优点是可以省去用于回收燃烧排气中的水(25)的冷凝器(68)，减少了容量或操作频率，因而降低了燃料电池电源的成本和/或复杂程度。

Description

具有排气再循环的燃料电池
                      技术领域
本发明涉及一种燃料电池电源，特别是涉及燃料电池电源中改善水管理的方法和装置。
                      背景技术
本技术领域中，多种燃料电池被人们熟知，比如固体氧化物燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，磷酸盐燃料电池以及质子交换膜(PEM)燃料电池。从概念上说，燃料电池的工作是非常简单的。电解质将阳极与阴极分离，当阳极和阴极分别被导入燃料和氧化剂且电池保持适当温度时，在阳极和阴极之间产生电。离子物质可通过上述电解质在阳极和阴极之间游动。反应物是相对简单和有益的，典型的包括二氧化碳和水，对环境的影响较小。与其它能源相比较(如内燃机)，燃料电池简单、噪音低、无污染、高效率且直接产生电。
然而，实际上燃料电池电源还是比较复杂，燃料电池需要很多硬件的支持，这些硬件通常被设置在一个电池集合组件(CSA)中。上述硬件设备可包括：一个热能管理子系统，以使电池集合组件保持在适当的工作温度；一个燃料处理子系统，它包括燃料重整器(reformer)和移相变换器(shift converter)，用于从烃燃料中产生氢燃料；以及一个水管理子系统，用于回收燃料电池工作中产生的水，以减少对外部水的需求。燃料脱硫也是经常需要的。这些不同的子系统经常是彼此关联的，例如热交换器和排气冷却器或冷凝器就是用于将热量和/或水从一个子系统输送到另一个子系统。
在质子交换膜(PEM)燃料电池电源中，水的管理是特别重要的。应该除去在阴极产生的水以免阴极被淹已以及氧化剂在阴极发生反应。而且水经质子膜由H+质子带到阴极并加入准备从阴极排除的水中，阳极因此变干。上述阳极的变干或即使阴极因不适当的水管理而变干都会损坏质子交换膜。因此水是在阳极的燃料输入端加入，在阴极则通过对阴极外部进行受控排气而被去除。其它一些子系统如燃料重整器是需要水的。水的用量与水的产生刚好平衡，也就是说，电源本身用水自足，而无须外部供水是人们所期望的。水的平衡问题增加了PEM燃料电池电源的复杂程度。
如今的燃料电池电源，像基于PEM电池的电源，正是因为其复杂性和相应的成本问题而没有得到充分应用，例如其在环保和其它方面的优点。这种情况是远远不能令人满意的。传统的电源如内燃机、燃煤或油发电厂等所产生的环境问题及其它缺陷依然十分严峻。
因此本发明的目的在于降低燃料电池电源的复杂程度和/或成本。
本发明的另一个目的是提供一种PEM燃料电池电源中水管理的方法和装置。其它目的将体现在后面的叙述中。
                      本发明的公开
为达到上述发明目的，本发明提供了使燃料电池电源的阳极流场(flow field)的排气再循环的方法和装置。阳极的排气被提供给一个燃烧器，燃烧的排气再至少送给该电源的阳极流场和阴极流场的其中一个流场。
根据本发明的一个方面，一种由输入燃料和氧化剂反应剂而产生电的燃料电池电源装置包括一个电池集合组件(CSA)。该CSA包括至少一个燃料电池，每个燃料电池有一个阳极和一个阴极，阳极和阴极之间有电解质。CSA用于确定一个阳极流场，以接收燃料并使阳极暴露于燃料，同时也确定一个阴极流场，以接收氧化剂并使阴极暴露于氧化剂。CSA还用于提供阳极流场的排气。所述电源包括一个水排除装置，用来排除阴极流场的水。一个燃烧器用来接收来自阳极流场的排气，产生一种含水的燃烧排气，燃烧器(combustionunit)将燃烧排气与阴极流场和/或阳极流场流体地连通。燃烧器可热连接到处理输入燃料的燃料处理器。
可选择的是，来自阴极流场的阴极排气也可以提供给燃烧器。
根据本发明的另一个方面，一个由燃料和氧化剂反应剂产生电的燃料电池电源包括一个电池集合组件(CSA)，该CSA至少包括一个有一个阳极和一个阴极的燃料电池，阳极和阴极之间有一种质子交换膜(PEM)。CSA用于确定接收燃料并使燃料暴露于阳极的阳极流场，同时确定接受氧化剂并使氧化剂暴露于阴极的阴极流场。CSA还用于确定冷却CSA和回收CSA内部水的冷却剂流场。该电源还包括一个燃烧器，用于接收来自阳极流场的排气并产生含有水的排气。燃烧器与阳极流场流体地连通，向阳极流场至少提供一部分燃烧排气。另一方面，燃烧器与阴极流场流体地连通，向阴极流场至少提供一部分燃烧排气。可选择的是，来自阴极流场的阴极排气也可以提供给燃烧器。
此外，本发明提供了一种操作燃料电池电源的方法，该燃料电池电源由输入燃料及氧化剂反应剂产生电，它包括一个电池集合组件(CSA)，CSA至少包括一个燃料电池，燃料电池有一个阳极和一个阴极，阳极和阴极之间有电解质。这种方法包括：提供一个阳极流场，使阳极暴露于燃料；提供一个阴极流场，使阴极暴露于氧化剂；将至少一部分来自阳极流场的阳极排气输送给燃烧器；燃烧阳极排气，以产生含水的燃烧排气；将燃烧的排气至少提供给阳极流场和阴极流场的其中之一；以及除去该燃料电池电源中阴极流场的水。通过内部水回收装置可以去除阴极流场的水。此外，该方法可以包括：将阴极流场的阴极排气提供给燃烧器。
本发明的优点在于，省去了用于回收燃烧排气中的水的冷凝器，减少了容量(capacity)或操作频率，因此降低了燃料电池电源或其工作的成本和复杂程度。
本发明的上述及其它特征将进一步体现在后面的详细描述及附图中。
                      附图的简要说明
图1是根据本发明的一种燃料电池电源的示意图，其中来自阳极流场的排气被燃烧，燃烧的排气被导入阴极流场。
图2是根据本发明的一种燃料电池电源的示意图，其中来自阳极流场的排气被燃烧，燃烧的排气被导入阳极流场。
图3表示的是根据本发明的一种燃料电池电源，其中来自阳极流场的排气被燃烧后，可选择将其导入阳极流场、阴极流场或两个流场都导入。
           实施本发明的最佳方式
参照图1，标号10表示本发明的燃料电池电源10。该电源包括一个具有燃料电池30的电池集合组件(CSA)14。燃料电池30包括电解质21，如质子交换膜(PEM)，电解质介于阳极20和阴极22之间。正如本领域的普通技术人员所知，燃料电池30可以包括其它介质层，如基质层(substrate layers)、以及邻接阳极和阴极的双层介质(bilayers)，为简单起见，这些在图1中省略了。如人们所知，CSA14的采用，确定了阳极流场24，以接收来自阳极流场输入端27的燃料，并使阳极20暴露于燃料。同样CSA14的采用，还确定了阴极流场28，以便在阴极流场输入端29接收来自氧化剂输入流31的氧化剂(如氧气)，并使阴极22暴露于氧化剂。图中表示的阳极和阴极流场本领域的普通技术人员都可以看懂，CSA可以用多种方式来确定上述阳极和阴极流场24和28。比较典型的是，CSA包括板形物，板子朝燃料电池30的一侧开有槽沟，可导入适量的燃料流和氧化剂反应剂流。
在CSA运行过程中，阳极流场24在输入端27接收来自燃料输入端26的燃料(如氢气)。燃料在送入阳极流场之前可由燃料处理器进行处理，这一点将在后面进一步讨论。燃料在阳极20上还原，产生电子和H+离子。H+离子通过电解质21游离到阴极22，在那里与氧化剂(如氧气)结合生成水进入阴极流场28，如图中的42所示。上述过程是放热的。阳极20和阴极22之间建立了电位差，在阳极20和阴极22之间跨接一个负载，形成一个完整的外部电路，为阳极产生的电子提供了一个回路。
阴极流场的水必须加以适当管理，以防冲淹阴极22和因此妨碍氧气到达阴极22。通过排气，阴极流场排气49可以除去水25。阴极排气可以简单地排放到燃料电池电源的外部，如图中的52所示；也可以将排气导入一个液体分离器，该分离器将水25从排气中分离出来，并且分别提供气和水的出口56和58。水25可直接用于该电源10。这些使用可以包括(但不局限于)将水与燃料输入流结合，以湿润阳极流场；将水25导入一个气流重整器，使烃燃料转化成氢气；将水25导入移相变换器，使一氧化碳转化成氢气；或将水25导入与该燃料电池电源相连的冷却系统。另一个内部水回收的例子在后面描述。如本领域的普通技术人员所知，燃料电池电源中水的使用有多种方式，例如结合一种与燃料电池电源相连的子系统，所述的子系统有许多种类。
上述燃料电池30只是一个代表，通常，CSA包含多个燃料电池(如燃料电池30)，它们一个摞一个，如图所示，位于阴极流场28下面的另一个阳极流场24’。若干个燃料电池的阳极和阴极的电输出端结合在一起。为了提供交流电流，该电源可包括一个转换器，将CSA14输出的直流电流转换成交流电流。
这里使用的术语CSA是一个装置，它包括一个燃料电池，燃料电池有阳极、阴极及阳极与阴极之间的电解质，它还包括至少有阳极流场和阴极流场的结构，使燃料电池的阴极和阳极暴露于输入的反应物如氧化剂和燃料。该CSA不必局限于图1所示的形式。
方块40示出了具有多个燃料电池的CSA14的一个重要功能。相邻的阴极流场和阳极流场，如阴极流场28和阳极流场24’彼此分隔，以防氧化剂与燃料反应剂相混杂。在结构上，CSA14可以采用多种形式来实现图中方块40所示的阴极流场28与阳极流场24’的分隔。例如，参考1988年9月6日公告的、Reiser等人的美国专利US4,769,297，CSA14在阴极流场28与阳极流场24’之间有一个亲水的隔离板(图1中未示出)。该隔离板使阴极流场28与阳极流场24’之间保持适当的压力差，以防止前面所述的氧化剂和燃料的混杂。然而，该隔离板可直接将水从阴极流场28导入阳极流场24’，用标号45表示，从而除去阴极流场的水，使其用于该电源10，如湿润阳极流场24’。
另一种方式中，方块40所示的阳极与阴极的分离可由一个有冷却剂流场的结构实现，例如参考1996年4月2日公告的、Meyer等人的美国专利US5,503,944。在上述专利中，一种多孔板分别确定了阴极流场和阳极流场28和24’，而且还确定了板子之间和阴极流场与阳极流场之间的冷却剂流场。泵50泵送冷却剂(通常是水)沿冷却环路57流动，该冷却环路可包括一个热交换器59，用于环路散热。多孔板可除去阴极流场28的水，而且使水供电源10使用。水从阴极流场28流到冷却剂流场(如图中的44所示)，在冷却环路57中循环。水还可以在冷却剂流场与阳极流场46之间来回循环，以避免电解质21变干。水流的输送是通过不同流场之间的压力差而实现的。
这里的术语“内部水回收”，是指利用刚才所描述的方法和结构，在CSA内部，从阴极流场28和/或阳极流场24除去水，并使水返回到冷却剂流场。
然而，如上所述，水在阴极流场28的外部被回收而返回电源10；带有排气56的液体分离器54可以用于上面描述过的内部水回收器，或者代替上述内部水回收器。本领域的普通技术人员知道应放弃多余的水。这里所说的水可为液体状态或汽体状态。
本发明的燃料电池电源10包括一个用于改善水管理的再循环回路64。燃烧装置62可以是一个燃烧器或一个催化床，它流体地连接于阳极流场24，接收来自阳极流场24的阳极排气60。阳极排气通常包含未用的氢气。该燃烧装置62使排气60燃烧，产生含有水的排气。通过再循环回路64，燃烧装置62流体地连接于阴极流场28，给阴极流场的输入端29提供燃烧的排气。燃烧排气中的水通过内部回收工序(如专利US4,769,297和US5,503,944中所描述的)或外部回收工序(如液体/气体分离器54)提供给电源10。至少可以包括阀67和69的其中之一，阀67和69分别为来自再循环回路的阳极排气和燃烧排气提供气流通路。如果需要，还可以使用一个混合阀66，一个泵63以增加燃烧排气的压力。如图1所示，燃烧装置也接收空气。
控制一个或多个阀66、67和69，就可以改变导入阴极流场28的燃烧排气与氧化剂的比例。
图2表示的燃料电池电源12包括一个回路65，将燃烧气体从燃烧装置62再循环到阳极流场，对输入燃料流26进行加湿，以免电解质21因干燥受损。H+质子将水从湿润的阳极流场24经电解质21拖至阴极流场28，在那里除去阴极流场的水，使水被上述电源12所利用。
如图2所示，电源可包括一氧化碳(CO)去除装置，用于去除输入燃料流中的CO。美国专利US5,330,727公开了一种这样的CO去除装置，在此作为参考。在图2所示的实施例中，为了尽可能地接近化学计量，最好对燃烧装置62进行控制，以降低导入输入燃料流26的氧气量，并因此而降低导入阳极流场24的氧气量。如图所示，可以采用一个冷凝器68，用来除去燃烧排气中的水。排气阀67和69为排气提供了选择，使至少一个部分阳极排气或燃烧排气通过。如图所示，还可以使用一个混合阀71。由于输入燃料流26通常压力较高，因此使用一个泵73来提高燃烧排气的压力。图2中许多与图1相同的特征在这里不再叙述。
可以使用一个或多个阀66、67和71来改变导入阳极流场24的燃烧排气与燃料的比例。
图3表示本发明的燃料电池电源15，其中，燃烧装置62的燃烧排气可以导入阳极流场24或阴极流场28或两者。可调节一个或多个阀63、67、69和71，以改变燃烧排气导入阴极流场以及导入阳极流场的相对量，并改变燃烧排气与燃料和氧化剂的比例。其它与图1和图2共有的特征在图3中表示。
参照图1-3，根据本发明，燃烧装置62也可接收阴极排气，如图中的标号53所示，因此，阴极排气中的水25通过燃烧器排气提供给阴极流场22、阳极流场24或两者，如图1-3所示。阴极排气中的水因此而保留并用于燃料电池电源10、12或15。
以前的燃料电池电源燃烧阳极排气，以消耗未用的氢气，并将燃烧排气导入冷凝器来回收水，回收的水可导入电源而得到利用。根据本发明，燃烧排气可以循环于阳极流场或阴极流场，这样，就可以省去冷凝器，即使包括冷凝器(如图1-3所示的、可选择使用的冷凝器68)，其容量和操作频率均可降低。PEM电源的复杂程度和/或成本因此而降低。如果带有可选择使用的冷凝器68，则水可从冷凝器除去，如图中的标号70所示。
如图1-3所示，燃烧装置可热连接于可选择使用的燃料处理器74，如波浪线72所示。
可以看出，本发明有效地达到了前面叙述的目的，这一点在上面描述得很清楚。由于对上述结构可能作一定的不偏离发明范围的改变，所以上面的描述及附图所示的内容均被视为例证但不局限于此。
也可以这样理解，下列权利要求将覆盖所描述的本发明的一般特征和具体特征以及对于本发明的全部陈述，这些可能因为语言问题而有所偏差。

Claims (17)

1.一种固态聚合物电解燃料电池电源设备，用于由燃料和氧化剂反应物产生电，包括：
一个电池集合组件，包括至少一个燃料电池，所述燃料电池具有一个阳极、一个阴极及位于阳极与阴极之间的电解质，所述的电池集合组件适于确定一个接收燃料并使阳极暴露于燃料的阳极流场，从所述阳极流场提供阳极排气，以及所述电池集合组件确定一个接收氧化剂并使阴极暴露于氧化剂的阴极流场；
一个水去除装置，用于从所述的阴极流场去除水；以及
一个燃烧装置，接收来自阳极流场的阳极排气，以产生含有水的燃烧排气，该燃烧装置流体地连接于所述阳极流场和所述阴极流场的至少其中之一，以便将至少一部分燃烧排气提供给所述阳极流场和所述阴极流场的至少其中之一。
2.权利要求1所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，包括从燃烧排气中除去水的一个冷凝器。
3.权利要求1所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，包括一个燃料处理器，其中，所述的燃烧装置热连接到所述的燃料处理器，以便将热量提供给所述的燃料处理器。
4.权利要求1所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，其中，所述的部分燃烧的阳极排气被提供给所述的阳极流场，所述电源设备还包括一个泵，以便在将燃烧排气输送至所述的阳极流场之前，提高燃烧排气的压力。
5.权利要求1所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，包括一个一氧化碳去除装置，以便在将燃烧排气输送至阳极流场之前，去除燃烧排气中的一氧化碳。
6.权利要求1所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，其中，所述的水去除装置包括一个液体/气体分离器，以接收所述的阴极流场的阴极排气，并去除其中的水。
7.权利要求1所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，其中，所述的水去除装置包括一个亲水的隔离板，将来自阴极流场的水输送至阳极流场。
8.权利要求1所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，其中，所述的水去除装置包括所述电池集合组件内部的水回收装置。
9.权利要求1所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，其中，所述电池集合组件包括第一、第二两块板，这两块板之间有水冷却剂流场，所述的第一块板确定了阳极流场，第二块板确定了阴极流场，其中，所述的水去除装置包括一个装置，该装置是至少在第二块板上形成多孔，以使水能够从阴极流场流到冷却流。
10.权利要求1所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，包括一个排气元件，用于至少排放所述的部分燃烧的排气，使得这部分排气不流向所述阳极流场。
11.权利要求1所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，其中，所述的电池集合组件适于确定来自阴极流场的阴极排气，其中，所述的燃烧装置流体地连通于来自所述阴极流场的所述阴极排气。
12.一种固态聚合物电解燃料电池电源设备，用于由燃料和氧化剂反应剂产生电，包括：
一个电池集合组件，包括至少一个燃料电池，所述燃料电池有一个阳极、一个阴极和位于阳极和阴极之间的固态聚合物质子交换膜，所述电池集合组件适于确定了一个阳极流场，以接收燃料并使燃料暴露于所述的阳极，提供来自阳极流场的阳极排气，同时还确定了一个阴极流场，以接受氧化剂并使氧化剂暴露于所述的阴极，另外还确定了一个冷却剂流场，所述冷却剂流场用于冷却所述电池集合组件，并接收所述电池集合组件内部回收的水；
一个燃烧装置，接收来自阳极流场的阳极排气，以产生含有水的燃烧排气，所述的燃烧装置流体地连通于所述的阳极流场，以便将至少一部分所述的燃烧排气提供给所述的阳极流场。
13.权利要求12所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，其中，所述电池集合组件确定来自阴极流场的阴极排气，所述的燃烧装置流体地连通于所述阴极排气。
14.一种固态聚合物电解燃料电池电源设备，用于由燃料和氧化剂反应剂产生电，包括：
一个电池集合组件，包括至少一个燃料电池，所述燃料电池有一个阳极、一个阴极、及位于阳极和阴极之间的固态聚合物质子交换膜，所述电池集合组件适于确定一个接收燃料并使燃料暴露于阳极的阳极流场，用于提供来自阳极流场的被接收燃料的排气，还确定了一个接收氧化剂并使氧化剂暴露于阴极的阴极流场，另外还确定了一个冷却剂流场，所述冷却剂流场用来冷却所述电池集合组件并接收所述电池集合组件内部回收的水；
一个燃烧装置，用来接收来自阳极流场的被接收燃料的排气，以产生含有水的燃烧排气，所述的燃烧装置流体地连通于阴极流场，以便将至少一部分所述的燃烧排气提供给所述的阴极流场。
15.权利要求14所述的固态聚合物电解燃料电池电源设备，其中，所述电池集合组件适于确定来自阴极流场的阴极排气，其中，所述的燃烧装置流体地连通于所述阴极流场。
16.一种控制固态聚合物电解燃料电池电源设备以由输入燃料和氧化剂反应剂产生电的方法，该固态聚合物电解燃料电池电源设备具有一个电池集合组件，该电池集合组件包括至少一个燃料电池，该燃料电池具有一个阳极、一个阴极、及阳极与阴极之间的固态聚合物电解质，所述的方法包括：
提供一个阳极流场，使阳极暴露于燃料；
提供一个阴极流场，使阴极暴露于氧化剂；
将至少一部分阳极排气从阳极流场输送至燃烧装置；
用该燃烧装置来燃烧所述部分阳极排气，以产生含有水的燃烧排气；
向阳极流场和阴极流场的至少其中之一提供所述的燃烧排气；
以及，除去阴极流场的水。
17.权利要求16的方法，包括将至少一部分阴极排气从阴极流场输送至燃烧装置的步骤。
CNB998087661A 1998-07-17 1999-07-16 具有排气再循环的燃料电池 Expired - Fee Related CN1163997C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/118,546 US6277508B1 (en) 1998-07-17 1998-07-17 Fuel cell power supply with exhaust recycling for improved water management
US09/118,546 1998-07-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1309819A CN1309819A (zh) 2001-08-22
CN1163997C true CN1163997C (zh) 2004-08-25

Family

ID=22379275

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB998087661A Expired - Fee Related CN1163997C (zh) 1998-07-17 1999-07-16 具有排气再循环的燃料电池

Country Status (9)

Country Link
US (1) US6277508B1 (zh)
EP (1) EP1099270A4 (zh)
JP (1) JP2002525805A (zh)
KR (1) KR20010071907A (zh)
CN (1) CN1163997C (zh)
AU (1) AU1307700A (zh)
BR (1) BR9912154A (zh)
ID (1) ID27286A (zh)
WO (1) WO2000016426A1 (zh)

Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3508094B2 (ja) * 1999-06-15 2004-03-22 本田技研工業株式会社 燃料電池システムにおける液体燃料の蒸発制御方法
DE19943248B4 (de) * 1999-09-10 2005-10-27 Ballard Power Systems Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
NL1013876C2 (nl) * 1999-12-17 2001-07-03 Stichting Energie Lage-temperatuur-brandstofcel-samenstel alsmede werkwijze voor het bedrijven daarvan.
DE10013687B4 (de) * 2000-03-21 2007-06-28 Nucellsys Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben
JP2001266918A (ja) * 2000-03-24 2001-09-28 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の制御装置
DE10037062B4 (de) * 2000-07-29 2007-07-05 Nucellsys Gmbh Brennstoffzellensystem
US6531238B1 (en) 2000-09-26 2003-03-11 Reliant Energy Power Systems, Inc. Mass transport for ternary reaction optimization in a proton exchange membrane fuel cell assembly and stack assembly
US6514634B1 (en) * 2000-09-29 2003-02-04 Plug Power Inc. Method and system for humidification of a fuel
AU2002303134A1 (en) 2001-03-16 2002-10-03 Creare Inc. Lightweight direct methanol fuel cell and supporting systems
EP1296402A1 (en) 2001-09-25 2003-03-26 Ballard Power Systems AG Fuel cell system and method for operating the same
US7481948B2 (en) * 2002-02-19 2009-01-27 Honeywell International Inc. Heat transfer compositions with high electrical resistance for fuel cell assemblies
US6869709B2 (en) * 2002-12-04 2005-03-22 Utc Fuel Cells, Llc Fuel cell system with improved humidification system
JP4292368B2 (ja) * 2002-12-12 2009-07-08 ソニー株式会社 燃料電池及びこれを搭載した電子機器
US8026010B2 (en) * 2003-01-14 2011-09-27 GM Global Technology Operations LLC Anode exhaust gas dilution method and apparatus in PEM fuel cell powered system
JP2005141924A (ja) * 2003-11-04 2005-06-02 Nissan Motor Co Ltd 移動体用燃料電池システム
JP4561158B2 (ja) * 2004-04-15 2010-10-13 パナソニック株式会社 燃料電池
JP4575701B2 (ja) * 2004-04-20 2010-11-04 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US7736777B2 (en) * 2005-08-11 2010-06-15 Fuelcell Energy, Inc. Control assembly for controlling a fuel cell system during shutdown and restart
JP4872331B2 (ja) * 2005-12-05 2012-02-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその停止方法
JP5024721B2 (ja) * 2006-05-10 2012-09-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその循環比算出方法
US8530101B2 (en) 2007-08-08 2013-09-10 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Anode exhaust recycle system
US8343671B2 (en) 2007-12-28 2013-01-01 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Fuel cell system having recycle fuel conduit in fluid communication with fuel cell assembly and carbon dioxide removal unit
US8309259B2 (en) 2008-05-19 2012-11-13 Arizona Board Of Regents For And On Behalf Of Arizona State University Electrochemical cell, and particularly a cell with electrodeposited fuel
JP5263292B2 (ja) * 2008-07-25 2013-08-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法
US8491763B2 (en) * 2008-08-28 2013-07-23 Fluidic, Inc. Oxygen recovery system and method for recovering oxygen in an electrochemical cell
CN102549834B (zh) 2009-10-08 2015-03-11 流体公司 具有流管理系统的可再充电金属-空气电池
CN202721244U (zh) 2010-06-24 2013-02-06 流体股份有限公司 具有阶梯形支架燃料阳极的电化学电池
CN102403525B (zh) 2010-09-16 2016-02-03 流体公司 具有渐进析氧电极/燃料电极的电化学电池系统
WO2012054594A1 (en) 2010-10-20 2012-04-26 Fluidic, Inc. Battery resetting process for scaffold fuel electrode
JP5908251B2 (ja) 2010-11-17 2016-04-26 フルイディック，インク．Ｆｌｕｉｄｉｃ，Ｉｎｃ． 階層型アノードのマルチモード充電
EP2772976B1 (de) * 2013-02-27 2017-11-15 Airbus Defence and Space GmbH Regeneratives Brennstoffzellensystem mit Gasreinigung
WO2018018036A1 (en) 2016-07-22 2018-01-25 Fluidic, Inc. Moisture and carbon dioxide management system in electrochemical cells
CN107084553B (zh) * 2017-03-24 2020-01-14 西安交通大学 分布式冷热电水汽联产装置及方法
CN107014110B (zh) * 2017-03-24 2020-01-14 西安交通大学 分布式水汽冷热电联供装置及方法
CN107024028A (zh) * 2017-03-24 2017-08-08 西安交通大学 一种分布式热泵装置及方法
GB2590342B (en) * 2019-03-21 2022-07-27 Intelligent Energy Ltd Catalytic heaters for evaporatively cooled fuel cell systems
US11251476B2 (en) 2019-05-10 2022-02-15 Form Energy, Inc. Nested annular metal-air cell and systems containing same

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4826741A (en) * 1987-06-02 1989-05-02 Ergenics Power Systems, Inc. Ion exchange fuel cell assembly with improved water and thermal management
US4769297A (en) * 1987-11-16 1988-09-06 International Fuel Cells Corporation Solid polymer electrolyte fuel cell stack water management system
JP2819730B2 (ja) * 1990-02-15 1998-11-05 石川島播磨重工業株式会社 溶融炭酸塩型燃料電池の運転方法
US5635039A (en) * 1993-07-13 1997-06-03 Lynntech, Inc. Membrane with internal passages to permit fluid flow and an electrochemical cell containing the same
JPH0878037A (ja) * 1994-08-31 1996-03-22 Aqueous Res:Kk 燃料電池発電システム及びその運転方法
US5441821A (en) * 1994-12-23 1995-08-15 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell system with a regulated vacuum ejector for recirculation of the fluid fuel stream
US5700595A (en) * 1995-06-23 1997-12-23 International Fuel Cells Corp. Ion exchange membrane fuel cell power plant with water management pressure differentials
US5503944A (en) * 1995-06-30 1996-04-02 International Fuel Cells Corp. Water management system for solid polymer electrolyte fuel cell power plants
WO1997010619A1 (de) * 1995-09-11 1997-03-20 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenanlage und brennstoffzellenanlage zum durchführen des verfahrens
JP3554092B2 (ja) * 1995-10-11 2004-08-11 本田技研工業株式会社 燃料電池の燃料ガス供給方法
DE19605404C1 (de) * 1996-02-14 1997-04-17 Daimler Benz Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
JP3316393B2 (ja) * 1996-09-25 2002-08-19 三菱電機株式会社 燃料電池発電システム及びその運転方法
US5753383A (en) * 1996-12-02 1998-05-19 Cargnelli; Joseph Hybrid self-contained heating and electrical power supply process incorporating a hydrogen fuel cell, a thermoelectric generator and a catalytic burner
JP3254671B2 (ja) * 1996-12-27 2002-02-12 石川島播磨重工業株式会社 リショルムコンプレッサを用いた燃料電池発電装置
US6017646A (en) * 1998-06-03 2000-01-25 Praxair Technology, Inc. Process integrating a solid oxide fuel cell and an ion transport reactor
US6007931A (en) * 1998-06-24 1999-12-28 International Fuel Cells Corporation Mass and heat recovery system for a fuel cell power plant

Also Published As

Publication number Publication date
AU1307700A (en) 2000-04-03
EP1099270A4 (en) 2006-03-15
ID27286A (id) 2001-03-22
US6277508B1 (en) 2001-08-21
JP2002525805A (ja) 2002-08-13
BR9912154A (pt) 2001-04-10
CN1309819A (zh) 2001-08-22
EP1099270A1 (en) 2001-05-16
KR20010071907A (ko) 2001-07-31
WO2000016426A1 (en) 2000-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1163997C (zh) 具有排气再循环的燃料电池
Prater Polymer electrolyte fuel cells: a review of recent developments
USRE36148E (en) Method and apparatus for disposing of water and/or inert gas from a fuel cell block
CA2490877C (en) Humidity controlled solid polymer electrolyte fuel cell assembly
AU720425B2 (en) Reactant flow arrangement of a power system of several internal reforming fuel cell stacks
CN1159777C (zh) 燃料电池动力装置的物质和热量回收系统
US6699612B2 (en) Fuel cell power plant having a reduced free water volume
US20080199743A1 (en) Ambient Pressure Fuel Cell System Employing Partial Air Humidification
JP4705543B2 (ja) 閉鎖式インジェクタの抜き取り機能を用いたアノード流れシフト方法
CA2433167C (en) Fuel cell and method of controlling same
KR100646955B1 (ko) 연료전지 주변장치 구동 방법 및 이를 이용하는 연료전지시스템
CN111082106B (zh) 一种燃料电池启停机控制方法
CN107565148A (zh) 一种燃料电池水淹检测及故障排除系统及其工作方法
CN1781208A (zh) 具有封闭的反应物供应系统的燃料电池的操作方法
US20050142398A1 (en) Prevention of chromia-induced cathode poisoning in solid oxide fuel cells (SOFC)
US20040053095A1 (en) Humidification of reactant streams in fuel cells
JP4643128B2 (ja) 燃料電池システム
US20070031713A1 (en) High temperature fuel cell system having cooling apparatus and method of operating the same
CN100336252C (zh) 在最佳系统压力下使质子交换膜燃料电池发电装置的系统效率最高
CN1909276A (zh) 一种质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法
JP2000208158A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池発電装置
JP3258378B2 (ja) 燃料電池
CN115188991A (zh) 氢燃料电池装置
KR100506620B1 (ko) 고분자 전해질 연료전지 본체의 다단계식 적층 방법과 그구조
JP2005032561A (ja) 固体高分子形燃料電池及び固体高分子形燃料電池の運転システム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: UTC FUEL BATTERY CO., LTD.

Free format text: FORMER OWNER: INTERNATIONAL FUEL CELLS CORP.

Effective date: 20031226

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20031226

Address after: American Connecticut

Applicant after: UTC Fuel Cells, LLC

Address before: American Connecticut

Applicant before: International Fuel Cells LLC

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C19 Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee