CN1914757B - 具有引入多于一个燃料场的入口燃料和/或引入少于所有燃料场的再循环物的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

燃料电池动力设备(19、47、60、86、102、112、121)包括来自标记为M-N至M的流场序列(20-23；49-52；61-64；87-89)的最后一个燃料流场(23、52、64、89)的燃料出口(29)的再循环燃料，所述再循环燃料被施加至第M流场或第M和第(M-1)流场。燃料再循环推进器是鼓风机(30)、受排出空气推动的涡轮压缩机(30a)、喷射器(30b)或电化学氢泵(30c)。来自源(77)的燃料可被施加至流场序列的第一燃料流场(87)或附加燃料流场(88、74、75、89)以降低所述流场序列的所述第一流场中的压力降和流速需求且确保附加燃料流场中存在更多燃料。可通过这种场中的电压(126)或其排出物的燃料含量(128)控制到达所述附加燃料流场的流。通过罐(125)提供瞬态燃料体积。

Description

具有引入多于一个燃料场的入口燃料和/或引入少于所有燃料场的再循环物的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池动力设备，其中：从燃料电池动力设备中排出的燃料通过燃料再循环回路返回至燃料电池动力设备内的一些但少于所有燃料流场；燃料被供给至至少两个流场；且再循环燃料由鼓风机、电化学氢泵或喷射器(射流泵)进行推进。
背景技术
为了在质子交换膜燃料电池动力设备中获得非常高的燃料利用率，如大小达到99％，同时避免燃料电池动力设备的任何部分中出现燃料不足的情况，通常采用燃料再循环回路。这种再循环回路接收来自燃料电池动力设备的燃料排出物，且通过利用一些种类的泵使再循环燃料的压力恢复达到与新鲜的入口燃料压力大体上相同的压力而使燃料排出物返回燃料电池动力设备的燃料入口。使用燃料再循环回路允许整个系统中的燃料利用率高于单独燃料电池中的燃料利用率。
使燃料进行再循环则需要鼓风机或压缩机，这增加了成本且消耗了寄生功率。在使用纯氢系统的情况下，与重整物相比，由于氢的密度低而使得难以泵送燃料。
另一种可选方式是，可通过使燃料在每个单独燃料电池内或在通过燃料电池堆中的不同燃料电池组的情况下顺序地首先通过一组燃料流场，且随后依次通过下一组燃料流场而获得高燃料利用率，所述燃料电池堆被称作Acascaded@燃料电池系统。这种系统可在不使用燃料再循环回路的情况下获得大小为99％的总系统燃料利用率，但这种系统存在其它问题。这些问题包括燃料流场两端的较高的压力降；尤其是在最后的燃料流场中存在局部燃料不足的风险，这是由于迁移通过电解质的惰性气体如氮气使氢稀释所造成的；和由于迅速引入燃料遍及系统的问题而导致出现的燃料电池系统启动和关闭困难，尤其在启动过程中情况更是如此。
已经通过将燃料从燃料供应管道直接引入所有燃料流场内且将燃料从所有燃料流场直接提取进入排出口内而部分解决了启动问题，如于2001年8月3日提交的序号为No.09/921809的共同待审的美国专利申请中所披露地。
发明内容
本发明的目的包括：燃料电池动力设备中得到改进的燃料利用率；在燃料电池动力设备的燃料流场两端的更低的压力降；串联燃料电池燃料流场中得到改进的燃料利用率；燃料电池动力设备中降低压力的燃料再循环；和燃料电池动力设备中得到改进的燃料处理和利用率。
根据本发明，燃料流动通过顺序布置的燃料流场以使得离开一个燃料流场的燃料进入串联在所述燃料流场后面的另一个燃料流场，使得所述燃料电池动力设备的燃料排出物产生燃料再循环，所述燃料再循环使再循环燃料返回所述序列联序列中最后两个所述燃料流场中的一个或两个。
所述燃料流场序列可以是单独的燃料电池的所述燃料流道内的多条通道；或它们可以是单个级联堆内串联布置的燃料电池组；或它们可以是具有串联燃料流关系的单独燃料电池堆的燃料电池，从而使得离开除最后一个堆以外的任何堆的燃料进入所述序列中随后的下一个堆。可通过内部燃料歧管、外部燃料歧管或内部和外部燃料歧管获得多条燃料通道。
进一步根据本发明，为了提供通过燃料电池动力设备的第一燃料流场的更低的燃料速度，所述第一燃料流场将所述燃料供给至燃料流场序列中的下一个燃料流场，一些入口燃料绕过所述序列中的所述第一流场周围且直接施加至所述序列中的另外一个(additional)燃料流场的所述燃料入口。使一部分所述燃料绕过所述第一流场周围是有利的，原因在于这样做使得由于流量减少的原因而导致减少了通过所述第一流场的压力降。所述减少的流量还导致减轻了所述第一流场的入口处的电解质的变干情况。这在所述电解质为质子交换膜的情况下延长所述电解质的寿命方面尤为重要。在一个实例中，两个燃料电池堆串联连接在一起，所述序列中的第二堆接收来自所述序列中所述第一堆和来自所述燃料供应管道的燃料。在另一个实例中，级联燃料电池堆的所述第一级和所述第二级接收来自所述燃料供应管道的燃料。本发明方面的另一个实例将来自源的燃料直接供应至所述序列中的所述最后一个流场。
根据本发明，通过(a)所述流场中的电压和(b)离开所述流场的燃料中的至少一个控制进入所述另外一个流场的燃料流量。
更进一步根据本发明，燃料电池动力设备采用喷射器或射流泵将燃料从所述燃料电池堆的所述排出口吸入所述燃料电池堆的流场的所述燃料入口内。
进一步根据本发明，通过简单的鼓风机将燃料电池堆的所述燃料排出物推进至所述燃料电池堆的燃料流场的所述入口以提供再循环燃料。
进一步根据本发明，通过电化学氢泵将燃料电池堆的所述燃料排出物推进至所述燃料电池堆的燃料流场的所述入口以提供再循环燃料。
根据本发明的另一方面，可为除所述第一燃料流场以外的燃料流场提供低压体积的燃料，由此使得当所述燃料电池堆上的负载迅速增加时，允许附加的氢流入下游燃料流场。
根据对本发明的典型实施例的以下详细描述并结合附图，将更易于理解本发明的其它目的、特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明的燃料电池动力设备的简化的程式化示意图，所述燃料电池动力设备具有燃料电池堆的所有燃料电池内的多条通道，且再循环燃料被施加至最后两条通道；
图2是仅采用外部燃料歧管的图1所示燃料电池动力设备的简化的程式化示意图；
图3是根据本发明的燃料电池动力设备的简化的程式化示意图，所述燃料电池动力设备具有在级联燃料电池堆中的布置成串联燃料流关系的多个燃料电池组，且再循环燃料被施加至堆的最后两个组；
图4是根据本发明的燃料电池动力设备的简化的程式化示意图，所述设备具有串联布置的多个燃料电池堆，且再循环燃料被施加至序列中的最后两个堆；
图5是根据本发明的燃料电池动力设备的简化的程式化示意图，所述燃料电池动力设备具有一对燃料电池堆，根据本发明，第二燃料电池堆接收来自第一燃料电池堆和来自燃料供应管道的燃料；
图6是图5所示的燃料电池动力设备的简化的程式化示意图，且再循环燃料被供应至第一堆的入口；
图7是根据本发明的级联燃料电池动力设备的简化的程式化示意图，所述级联燃料电池动力设备具有多个燃料电池组，第二组接收来自第一组和来自燃料供应管道的燃料；
图8是根据本发明的级联燃料电池动力设备的简化的程式化示意图，所述级联燃料电池动力设备具有多个燃料电池组，最后一组接收来自倒数第二组和来自燃料供应管道的燃料；
图9是根据本发明的级联燃料电池堆的简化的程式化示意图，其中第二组接收来自第一组和来自燃料供应管道的燃料，且将再循环燃料从所述燃料电池动力设备的排出口供应至级联堆中的最后两个组；
图10是根据本发明的级联燃料电池堆的简化的程式化示意图，所述级联燃料电池堆具有用于将再循环燃料从所述燃料电池堆的燃料排出口吸至级联堆的最后一组的入口的喷射器；
图11是根据本发明的级联燃料电池堆的简化的程式化示意图，所述级联燃料电池堆具有用于将再循环燃料从所述燃料电池堆的燃料排出口吸至级联堆的最后一组的入口的电化学氢泵；
图12是根据本发明的级联燃料电池动力设备的简化的程式化示意图，所述级联燃料电池动力设备具有多个燃料电池组，最后一组接收来自倒数第二组和来自燃料供应储罐的燃料；和
图13是级联燃料流场的简化的程式化框图，任何或所有所述流场可接收来自源和/或燃料再循环气体的新鲜燃料。
具体实施方式
参见图1，燃料电池动力设备19包括多个燃料电池(图中仅示出一个)，所述燃料电池分别具有布置成M燃料流场序列20-23的燃料流道，所述M燃料流场序列包括通道M-N至通道M，除最后一条通道23以外的每条通道20-22的燃料流道被供给至所述序列中的下一条通道21-23.流场20与流场21之间的过渡部分25是内部转向歧管.在内部燃料入口歧管26处接收来自燃料供应管道27的燃料，且燃料电池堆19的排出物通过内部燃料出口歧管28和管道29到达燃料再循环推进器30.燃料再循环推进器30的输出物被供给通过响应于控制器35的第一阀34到达旁通入口管道36和内部歧管37并到达燃料电池堆的最后一条通道23，以及通过阀38和旁通入口管道39和内部歧管40到达燃料电池堆的C1通道22.排出物的一些部分通过阀41到达排出管道42.在图1所示的实施例中，燃料通过每个燃料电池内的通路从燃料入口到达燃料排出口，通过在每个电池内形成的内部转向歧管提供从一条通道向下一条通道的转向.
图2示出了图1所示的燃料电池动力设备19，然而，其中通过外部转向歧管45、40a、37a实现从一条通道向下一条通道的所有燃料传递。如果需要，在适当情况下可通过内部转向歧管实现从一条通道向下一条通道的燃料传递，只要提供旁通燃料入口即可。
在图1和图2所示的构型中，存在四条通道，但也可存在两条或三条或多于四条通道。在图1和图2所示的构型中，再循环燃料被供应至燃料电池堆中的最后一条通道和燃料电池堆中的倒数第二条通道。然而，根据本发明，再循环燃料仅需要被供应至燃料电池堆的最后一条通道23或燃料电池堆的倒数第二条通道22，且不需要被同时供应至所述两条通道。
参见图3，级联燃料电池动力堆47包括布置成序列M-N至M的燃料电池子堆序列49-52，除最后一个子堆52以外的每个子堆49-51的燃料出口被供给至所述序列50-52中的下一个子堆。在每个子堆内，存在多个燃料电池，级联堆47的燃料电池彼此串联地电连接。在级联堆47中，通过转向歧管55使燃料从第一子堆49到达第二子堆50；通过转向歧管56使燃料从第二子堆到达第三子堆；且通过转向歧管57使燃料从第三子堆到达第四子堆。转向歧管56和57具有将旁通燃料供应至最后两个流场的旁通燃料入口36、39。
在图3所示的构型中，级联燃料电池堆47包括四个子堆；然而，根据本发明，可以存在两个子堆、三个子堆或多于四个子堆。在级联燃料电池堆47中，再循环燃料被供应至最后两个子堆51、52。然而，根据本发明，再循环燃料可仅被供应至最后一个子堆52；在这种情况下，转向歧管56将不具有燃料入口39。
参见图4，燃料电池动力设备60包括标记为M-N至M的多个完整的燃料电池堆61-64。第一堆61接收来自燃料供应管道27的燃料，所述序列中的第二堆62接收通过导管68来自所述序列中第一燃料电池堆61的燃料；第三燃料电池堆63接收在导管69中的来自所述第二燃料电池堆62和来自阀38的燃料，所述来自阀的燃料包括由推进器30供应的再循环燃料，所述推进器通过出口29被连接至与所述序列中的最后一个堆64的燃料流场出口互连的燃料出口歧管。所述序列中的最后一个堆64接收通过导管70来自所述序列中倒数第二堆63和来自阀34的燃料，所述阀接收来自推进器30的旁通燃料。
燃料电池动力设备60包括四个燃料电池堆61-64，但也可包括两个燃料电池堆、三个燃料电池堆或多于四个燃料电池堆。燃料电池动力设备60将旁通燃料供应至序列中的最后一个堆64和序列中的倒数第二堆63；然而，根据本发明，旁通燃料可仅被供应至序列中的倒数第二堆63或仅被供应至序列中的最后一个堆64，在所述情况下，将省略阀34、38中的一个阀及其相关的导管。
图5示出了本发明的另一方面，其中燃料电池动力设备73包括标记为M-N至M的两个燃料电池堆74、75。来自源77的燃料被供应通过在控制器35控制下的阀78到达堆74的燃料入口歧管的入口80。来自阀78的燃料还被供应通过阀82(所述阀可由孔口替换)到达序列中第二堆75的燃料入口歧管的入口83，入口83还接收来自堆74的燃料出口歧管的燃料。根据本发明的该方面，这将一些燃料供应至堆75，而不必使该燃料流动通过堆74，这降低了堆74的燃料流场中的燃料速度和压力降，同时还有助于避免堆75的多个部分中出现燃料不足的情况。
如图6所示，可通过燃料出口导管85将离开序列中最后一个堆75的燃料出口歧管的燃料供应至再循环燃料推进器30，所述推进器将再循环燃料供应通过响应于控制器35的阀38到达堆74的燃料入口歧管的入口80.因此，可在将再循环燃料供应或不供应至其中一个堆的情况下，使用如图5和图6中的燃料电池动力设备73所示的本发明的所述方面.尽管图6中示出将再循环燃料仅供应至燃料流场序列中的第一燃料流场(堆74)，但再循环燃料还可被供应至该序列中的第二燃料流场，即堆75，或被供应至两个堆.尽管图5和图6所示的构型被示出仅具有两个堆，但根据本发明，在多种构型中存在或不存在再循环燃料的情况下，三个或多个堆可采用本发明.
所希望的是，图6所示的阀82的燃料供给物在堆M-N的燃料再循环气体供给物的上游。这样做有两个优点：(1)流中的氢含量更高和(2)流中没有水，这允许对流量进行更准确地计量。
参见图7，级联燃料电池动力设备86具有标记为M-N至M的一系列燃料电池组87-89。级联动力设备86具有燃料入口歧管92、第一燃料转向歧管93、第二燃料转向歧管94和燃料出口歧管95。来自源77的燃料通过响应于控制器35的阀78直接进入燃料入口歧管92。燃料还流动通过在控制器35控制下的阀82到达第一燃料转向歧管93。通过这种方式，不得不到达级联燃料电池动力设备86中的第二组88和第三组89的所有燃料不必通过第一组87。因此，通过第一组87的压力降更低且减轻了电解质变干的情况，且可通过更低的燃料流速满足第二堆88和第三堆89的燃料需求。
在图8中，燃料电池动力设备86使来自源77的燃料通过阀78、82到达转向歧管94a的燃料入口以便将直接来自源77的燃料供应进入第M组燃料流场89内。在图8所示的构型中，转向歧管93a不具有来自源77的燃料入口。
在图8中，还示出了可响应于最后一个电池组内的电压127a控制阀82的事实，所述电压可以是整个组两端的电压或一些燃料电池两端的电压。或者，控制器35可响应于来自线129上的氢检测器128的指示燃料出口歧管95的流出口中的氢浓度的信号控制阀82。或者，可利用电压和氢含量控制阀82。通过这种方式，如果线127a上的最后一个电池组内的平均电池电压低于线127上堆两端的平均电池电压，那么将指示氢不足且阀82将打开或打开更大的量。相似地，氢不足(来自燃料出口歧管95的排出物中的氢浓度太低)的任何指示将通过控制器35导致通过阀82的流量体积增加。相反地，如果指示相反，那么可朝向部分关闭或完全关闭调节阀82。
图8还示出，控制器可响应于由来自压力传感器136的信号指示的压力以及由来自电流传感器138的信号指示的通过负载的电流。
参见图9，级联燃料电池堆86具有另一个组98和附加的燃料转向歧管99，且包括上文结合图3所述的到达最后两组98、89的再循环燃料流。因此，燃料电池动力设备可利用本发明的这两个方面的优点，包括将级联燃料电池堆中的一些燃料供给至堆的第二组(C2)，由此降低通过级联燃料电池堆的第一组(M-N)的燃料流的量和速度，以及仅将再循环燃料施加至级联燃料电池堆中的最后一组(M)或将再循环燃料施加至燃料电池堆的倒数第二组(C1)，或施加至这两个组。
参见图10，除了仅存在三个燃料电池组49、50、52且仅存在一个再循环入口36以外，级联燃料电池动力设备112大体上是上文结合图3所述的级联燃料电池动力设备47的三组型式.在图10中，本发明的另一方面是当再循环燃料仅返回燃料流场序列中的最后一个或两个燃料流场时的低压要求.这允许在燃料转向歧管114中使用低功率、低压推进器如喷射器30b，所述喷射器将燃料从燃料转向出口歧管116传送通过导管115到达燃料转向入口歧管117.喷射器30b能够将再循环燃料吸出燃料出口29，原因在于与现有技术已公知的将燃料再循环气体施加至燃料电池动力设备的第一流场(如49)的情况相比，单个流场52两端仅存在低压力降的事实.
除了推进器30c为美国专利6,280,865中所述的电化学氢泵以外，图11所示的燃料电池动力设备121与图10所示的燃料电池动力设备102、112相似。
因此，本发明的一个重要方面在于：由于将燃料旁通施加至燃料流场序列中最后两个燃料流场中的一个或两个流场的原因而具有低压燃料旁通。该低压允许使用如喷射器、电化学氢泵和具有低压和低能需求的简单鼓风机等装置。这使寄生功率消耗最小化且使整个燃料电池动力设备更高效。本发明还确保布置成串联燃料流关系的燃料流场的随后级不会受到燃料不足的困扰，即使在整个动力设备的燃料利用率可达99％的情况下。
图12示出了本发明的另一个方面，其中除例如在设置在阀82与歧管94a的入口之间的低压燃料储罐125中提供燃料的储备体积以外，燃料电池动力设备86与图8所示的燃料电池动力设备相似。这允许当燃料电池堆的负载迅速增加时，最后一个流场组89立即接收附加的氢。当使用重整物而不是纯氢作为燃料时，将来自源的燃料施加至流场序列中的第一流场及其以外的流场中是特别有利的，如图5-图9所示。
在图5-图9和图12所示的所有实施例中，阀78、82不需要进行串联，阀82可被直接连接至氢或其它富氢燃料如重整物的源77。因此，另外一个燃料流场可直接或通过储存装置125接收来自源的燃料，所述储存装置增加了可得燃料体积以有助于增加瞬态负载。
图12还示出了本发明的又一个方面，其中通过由电压传感器126确定的燃料流场组或其上一些子组的电压控制到达另外一个燃料流场89的燃料流量，所述电压传感器将线127a上的信号提供给控制器35。或者，可通过由氢检测器128检测到的流动通过另外一个燃料流场的燃料量，如离开燃料出口歧管95的燃料量控制供应至另外一个燃料流场89的燃料量，所述氢检测器将线129上的信号提供给控制器35。或者可利用电压和氢含量控制到达另外一个流场的流量。
图13示出了任何数量的燃料流场(X)150...151、152可在相应的阀155...156、157的控制下直接接收来自源77的燃料以及接收来自相应的阀160、161、162的燃料再循环气体。来自源77的燃料可被施加至前两个或第一和最后一个或所有流场或任何需要的流场，且再循环燃料气体可被供应至最后一个、倒数第二个、第一燃料流场或所述燃料流场的任意组合。在图13中，应该理解，燃料流场可以是通过每个电池燃料流路的燃料流通道、一个级联燃料电池堆内呈串联燃料流关系的M燃料电池组的燃料流场、或呈串联燃料流关系的M燃料电池堆的燃料流场的燃料流场。
尽管为了使效率达到最高，采用本发明多个方面的燃料电池动力设备可能是优选的，但是如果在本发明的任何使用情况中需要的话，则可独立使用本发明的多个方面。

Claims (7)

1.一种用于为负载提供电功率的燃料电池动力设备(19、47、60、86)，所述燃料电池动力设备包括：
具有布置成一系列M个燃料流场(20-23；49-52；61-64；74、75；87-89；150-152)的燃料流道的多个燃料电池，所述序列中的最后一个燃料流场为所述序列中的第M燃料流场，且所述序列中的第一燃料流场为所述序列中的第M-N流场，其中N比M小1，所述燃料流场序列选自(a)通过每个电池的燃料流道的M条燃料流通道(20-23)、(b)在一个级联燃料电池堆内呈串联燃料流关系的M组燃料电池的燃料流场(49-52；87-89；150-152)，其中来自除最后一组以外的每个组的燃料被供给进入所述序列中的下一个组、和(c)呈串联燃料流关系的M个燃料电池堆的燃料流场(61-64；74、75)，其中来自除最后一个堆以外的每个堆的燃料被供给进入所述序列中的下一个堆，每个所述燃料流场被连接在燃料流场入口与燃料流场出口之间；
每个所述燃料流场入口被连接至选自(d)内部燃料入口歧管(26)、(e)外部燃料入口歧管(26、117)、(f)内部燃料转向歧管(25、37、40)和(g)外部燃料转向歧管(37a、40a、45；55-57；93、94、99)的燃料歧管；
每个所述燃料流场出口被连接至选自(h)内部燃料出口歧管(28)、(i)外部燃料出口歧管(28、29、95)、(j)内部燃料转向歧管(25、37、40)和(k)外部燃料转向歧管(37a、40a、45；55-57；93、94、99)的燃料歧管；
燃料源(26、77)；
所述序列中的所述第一流场接收来自所述源的燃料；
其特征在于：
所述序列中的另外一个燃料流场(75、88、89、151、152)接收来自所述序列中所述另外一个燃料流场的前一个所述流场的燃料并且或是(l)直接接收来自所述源的燃料或是(m)通过接收来自所述源的燃料的燃料储存装置(125)接收来自所述源的燃料；
燃料再循环回路(30、34、38)接收来自连接至所述燃料流场的所述第M燃料流场的燃料流场出口的一条所述歧管的燃料且将再循环燃料供应至(r)连接至所述序列中所述第M流场的燃料流场入口的所述歧管(57、117)中的第一歧管，或(s)连接至所述序列中第M-1流场的燃料流场入口的所述歧管(40、56；94、99)中的第二歧管，或(t)所述第一歧管和所述第二歧管；和
所述燃料再循环回路具有选自(u)鼓风机、(v)电化学氢泵(30c)、(w)喷射器(30b)中的推进器，所述喷射器的输入端被连接至所述第M流场的所述燃料流场出口且所述喷射器的输出端被连接至所述第一歧管和所述第二歧管中的一条或两条。
2.根据权利要求1所述的燃料电池动力设备，其中：
所述另外一个流场是所述序列中的倒数第二流场。
3.根据权利要求2所述的燃料电池动力设备，其中：
所述序列中的所述倒数第二流场(151)接收来自所述序列中所述倒数第二燃料流场的前一个燃料流场的燃料且直接接收来自所述源的燃料，且所述序列中的所述最后一个流场(152)接收来自所述序列中的所述倒数第二流场的燃料且直接接收来自所述源的燃料。
4.一种燃料电池动力设备(19、47、60、86)，所述燃料电池动力设备包括：
具有布置成一系列M个燃料流场(20-23；49-52；61-64；87-89；150-152)的燃料流道的多个燃料电池，所述序列中的最后一个燃料流场为所述序列中的第M燃料流场，且所述序列中的第一燃料流场为所述序列中的第M-N流场，其中N比M小1，所述燃料流场序列选自(a)通过每个电池的燃料流道的M条燃料流通道(20-23)、(b)在一个级联燃料电池堆内呈串联燃料流关系的M组燃料电池的燃料流场(49-52；87-89；150-152)，其中来自除最后一组以外的每个组的燃料被供给进入所述序列中的下一个组、和(c)呈串联燃料流关系的M个燃料电池堆的燃料流场(61-64；74、75)，其中来自除最后一个堆以外的每个堆的燃料被供给进入所述序列中的下一个堆，每个所述燃料流场被连接在燃料流场入口与燃料流场出口之间；
每个所述燃料流场入口被连接至选自(d)内部燃料入口歧管(26)、(e)外部燃料入口歧管(26、117)、(f)内部燃料转向歧管(25、37、40)和(g)外部燃料转向歧管(37a、40a、45；55-57；93、94、99)的燃料歧管；
每个所述燃料流场出口被连接至选自(h)内部燃料出口歧管(28)、(i)外部燃料出口歧管(28、29、95)、(j)内部燃料转向歧管(25、37、40)和(k)外部燃料转向歧管(37a、40a、45；55-57；93、94、99)的燃料歧管；
燃料源(26、77)；
所述序列中的所述第一流场接收来自所述源的燃料；
其特征在于：
燃料再循环回路(30、34、38)接收来自连接至所述燃料流场的所述第M燃料流场的燃料流场出口的一条所述歧管的燃料且将再循环燃料供应至(l)连接至所述序列中所述第M流场的燃料流场入口的所述歧管(57、117)中的第一歧管，或(m)连接至所述序列中所述第M-1流场的燃料流场入口的所述歧管(40、56；94、99)中的第二歧管，或(n)所述第一歧管和所述第二歧管。
5.根据权利要求4所述的燃料电池动力设备(19、47、60、86)，其中：所述燃料再循环回路具有选自(o)鼓风机(30)、(p)电化学氢泵(30c)、(q)喷射器(30b)中的推进器，所述喷射器的输入端被连接至所述第M流场的所述燃料流场出口且所述喷射器的输出端被连接至所述第一歧管和所述第二歧管中的一条或两条。
6.一种燃料电池(19、47、60、86)动力设备，所述燃料电池动力设备包括：
具有布置成一系列M个燃料流场(20-23；49-52；61-64；87-89；150-152)的燃料流道的多个燃料电池，所述序列中的最后一个燃料流场为所述序列中的第M燃料流场，且所述序列中的第一燃料流场为所述序列中的第M-N流场，其中N比M小1，所述燃料流场序列选自(a)通过每个电池的燃料流道的M条燃料流通道(20-23)、(b)在一个级联燃料电池堆内呈串联燃料流关系的M组燃料电池的燃料流场(49-52；87-89；150-152)，其中来自除最后一组以外的每个组的燃料被供给进入所述序列中的下一个组、和(c)呈串联燃料流关系的M个燃料电池堆的燃料流场(61-64；74、75)，其中来自除最后一个堆以外的每个堆的燃料被供给进入所述序列中的下一个堆，每个所述燃料流场被连接在燃料流场入口与燃料流场出口之间；
每个所述燃料流场入口被连接至选自(d)内部燃料入口歧管(26)、(e)外部燃料入口歧管(26、117)、(f)内部燃料转向歧管(35、37、40)和(g)外部燃料转向歧管(37a、40a、45；55-57；93、94、99)的燃料歧管；
每个所述燃料流场出口被连接至选自(h)内部燃料出口歧管(28)、(i)外部燃料出口歧管(28、29、95)、(j)内部燃料转向歧管(35、37、40)和(k)外部燃料转向歧管(37a、40a、45；55-57；93、94、99)的燃料歧管；
燃料源(26、77)；和
所述序列中的所述第一燃料流场接收来自所述源的燃料；
其特征在于：
接收来自所述源的燃料的燃料储存装置(125)；
所述序列中的另外一个燃料流场(75、88、89、151、152)接收来自(l)所述序列中所述另外一个燃料流场的前一个燃料流场的燃料并且或是接收来自(m)所述燃料储存装置的燃料或是接收来自(n)所述源的燃料。
7.一种燃料电池动力设备(19、47、60、86)，所述燃料电池动力设备包括：
具有布置成一系列M个燃料流场(20-23；49-52；61-64；87-89；150-152)的燃料流道的多个燃料电池，所述序列中的最后一个燃料流场为所述序列中的第M燃料流场，且所述序列中的第一燃料流场为所述序列中的第M-N流场，其中N比M小1，所述燃料流场序列选自(a)通过每个电池的燃料流道的M条燃料流通道(20-23)、(b)在一个级联燃料电池堆内呈串联燃料流关系的M组燃料电池的燃料流场(49-52；87-89；150-152)，其中来自除最后一组以外的每个组的燃料被供给进入所述序列中的下一个组、和(c)呈串联燃料流关系的M个燃料电池堆的燃料流场(61-64；74、75)，其中来自除最后一个堆以外的每个堆的燃料被供给进入所述序列中的下一个堆，每个所述燃料流场被连接在燃料流场入口与燃料流场出口之间；
每个所述燃料流场入口被连接至选自(d)内部燃料入口歧管(26)、(e)外部燃料入口歧管(26、117)、(f)内部燃料转向歧管(35、37、40)和(g)外部燃料转向歧管(37a、40a、45；55-57；93、94、99)的燃料歧管；
每个所述燃料流场出口被连接至选自(h)内部燃料出口歧管(28)、(i)外部燃料出口歧管(28、29、95)、(j)内部燃料转向歧管(35、37、40)和(k)外部燃料转向歧管(37a、40a、45；55-57；93、94、99)的燃料歧管；
燃料源(26、77)；
其特征在于：
所述序列中的所述第M流场接收(l)直接来自所述第M-1流场的燃料且通过接收来自所述源的燃料的燃料储存装置(125)接收(m)来自所述源的燃料。
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Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4334851B2 (ja) * 2002-10-29 2009-09-30 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US20050142407A1 (en) * 2003-12-26 2005-06-30 Fuller Thomas F. Start up cascaded fuel cell stack
US7465510B1 (en) * 2004-03-19 2008-12-16 Utc Power Corporation Turbocompressor impelling fuel recycle in fuel cell power plant
US7820333B2 (en) * 2005-04-25 2010-10-26 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell operating method with improved hydrogen and oxygen utilization
US20070128474A1 (en) * 2005-11-18 2007-06-07 Bach Peter J Shutdown procedure for fuel cell stacks
US7976990B2 (en) * 2005-12-06 2011-07-12 Honda Motor Co., Ltd. High efficiency fuel cell system
US8129057B2 (en) * 2005-12-06 2012-03-06 Honda Motor Co., Ltd. High efficiency fuel cell system
US7960066B2 (en) * 2006-01-25 2011-06-14 Canon Kabushiki Kaisha Fuel cell system
EP2092589A1 (en) * 2006-11-20 2009-08-26 Eect B.V. System having high-temperature fuel cells
US7709130B2 (en) * 2007-03-26 2010-05-04 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell
US7833668B2 (en) * 2007-03-30 2010-11-16 Bloom Energy Corporation Fuel cell system with greater than 95% fuel utilization
US7883803B2 (en) 2007-03-30 2011-02-08 Bloom Energy Corporation SOFC system producing reduced atmospheric carbon dioxide using a molten carbonated carbon dioxide pump
KR101405649B1 (ko) * 2008-03-05 2014-06-10 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치
JP2009245851A (ja) * 2008-03-31 2009-10-22 Toshiba Corp 燃料電池システム
WO2010056231A1 (en) * 2008-11-11 2010-05-20 Utc Power Corporation Inlet manifold with guiding structure for fuel cell
US8636975B2 (en) 2009-01-27 2014-01-28 H2Fuel-Systems B.V. Method, device and fuel for hydrogen generation
US8586252B2 (en) 2010-11-18 2013-11-19 Acumentrics Corporation Integral reactor system and method for fuel cells
FR2975227B1 (fr) * 2011-05-09 2014-07-04 Commissariat Energie Atomique Pile a combustible a injection multiple et procede de fonctionnement
US11094951B2 (en) 2011-05-09 2021-08-17 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Multiple injection fuel cell
JP6016520B2 (ja) * 2012-08-22 2016-10-26 三菱日立パワーシステムズ株式会社 燃料電池モジュール
JP6128978B2 (ja) * 2013-06-14 2017-05-17 パナソニック株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システム用モジュール
US9478822B2 (en) * 2013-08-15 2016-10-25 Nuvera Fuel Cells, LLC Multi-stack electrochemical cell system and method of use
US9478819B2 (en) * 2014-12-19 2016-10-25 Fuelcell Energy, Inc. High-efficiency molten carbonate fuel cell system and method
NL2016374B1 (en) 2015-11-06 2017-05-29 H2Fuel Cascade B V Method for Producing Metal borohydride and Molecular Hydrogen.
JP6698406B2 (ja) * 2016-03-31 2020-05-27 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム
US11309563B2 (en) 2016-04-21 2022-04-19 Fuelcell Energy, Inc. High efficiency fuel cell system with hydrogen and syngas export
US10541433B2 (en) 2017-03-03 2020-01-21 Fuelcell Energy, Inc. Fuel cell-fuel cell hybrid system for energy storage
US10573907B2 (en) 2017-03-10 2020-02-25 Fuelcell Energy, Inc. Load-following fuel cell system with energy storage
JP7136016B2 (ja) * 2019-06-18 2022-09-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US12095124B2 (en) 2021-11-11 2024-09-17 Bloom Energy Corporation Fuel cell systems and methods with improved fuel utilization

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1596311C2 (de) * 1966-12-14 1971-05-27 Varta Ag Verfahren zur Reaktionswasser-Kondensation im Gaskreislauf und zum Ausbringen der Inertgase bei einer Brennstoffbatterie
US3615842A (en) * 1968-08-29 1971-10-26 Gen Electric Method and apparatus comprising an electrochemical ion exchange membrane purge pump in combination and fuel cell combination
US3843410A (en) * 1972-03-27 1974-10-22 Varta Ag Fuel cell power station
JPS6039773A (ja) * 1983-08-12 1985-03-01 Mitsubishi Electric Corp 積層形燃料電池
JPH03274674A (ja) * 1990-03-23 1991-12-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池発電プラントシステム
JPH06188009A (ja) * 1992-12-15 1994-07-08 Toshiba Corp 燃料電池
JPH10144331A (ja) * 1996-11-13 1998-05-29 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池の連結構造
JPH10223240A (ja) * 1997-02-06 1998-08-21 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池
US6039773A (en) * 1997-12-22 2000-03-21 Chevron Chemical Company Llc Fuel compositions containing polyamines of polyalkyl aromatic esters
US6238817B1 (en) * 1999-02-03 2001-05-29 International Fuel Cells, Llc Gas injection system for treating a fuel cell stack assembly
US6387558B1 (en) * 1999-02-18 2002-05-14 Toyota Jidosha Kabusiki Kaisha Fuel cell, separator for the same and method for distributing gas in fuel cell
US6251534B1 (en) * 1999-09-23 2001-06-26 Plug Power Inc. Fuel cell cascade flow system
US6610434B1 (en) * 2000-08-10 2003-08-26 Siemens Westinghouse Power Corporation Segregated exhaust SOFC generator with high fuel utilization capability
US6572995B2 (en) * 2001-09-07 2003-06-03 Utc Fuel Cells, Llc Fluid flow control for cool, efficient fuel cell operation
US7067209B2 (en) * 2002-10-31 2006-06-27 Utc Fuel Cells, Llc High temperature reactant recycling for PEM fuel cell humidification

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特开平6-188009A 1994.07.08

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Publication number Publication date
CN1914757A (zh) 2007-02-14
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US20050164069A1 (en) 2005-07-28
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