專利名稱：具有混合器/排放器的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池堆在該堆的陽極或燃料與陰極或氧化劑側(cè)之間具有壓力差，具體地，本發(fā)明涉及含有用于減小該壓力差的機構(gòu)的這種類型的燃料電池系統(tǒng)。
相關(guān)技術(shù)描述燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)將存儲在例如氫氣或甲烷的燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。這與傳統(tǒng)的電能產(chǎn)生方法不同，傳統(tǒng)方法必須首先燃燒燃料以產(chǎn)生熱，然后將熱轉(zhuǎn)換成機械能，最后轉(zhuǎn)換成電。由燃料電池使用的這種更為直接的轉(zhuǎn)換過程，在提高效率和減少污染物排出兩方面都具有比傳統(tǒng)方式顯著的優(yōu)點。
總體來講，燃料電池，類似于電池，包括由電解質(zhì)分開的負(fù)極或陽極電極和正極或陰極電極，所述電解質(zhì)用于在它們之間傳導(dǎo)帶電的離子。但是，與電池形成對比的是，只要分別向陽極和陰極中供應(yīng)燃料和氧化劑，燃料電池就會持續(xù)產(chǎn)生電能。為了將此實現(xiàn)，氣流場被設(shè)置為接近陽極和陰極，通過該氣流場來供應(yīng)燃料和氧化劑氣體。為了產(chǎn)生有用的功率水平，將一定數(shù)量的單獨的燃料電池順序堆疊，并在每一個電池之間都有導(dǎo)電分隔板。
在高溫燃料電池堆中，期望使經(jīng)過堆的陽極和陰極側(cè)的氣體的壓力差最小。這樣是因為有必要在堆的某些部分提供密封以使燃料和氧化劑氣體彼此隔離。為了建立所需要的密封，在一些情況下是在其間夾有墊圈的一些表面，被機械地強推在一起以實現(xiàn)“可接受的”泄漏率。該泄漏率是壓力差的函數(shù)。因此，最小化壓力差對于防止過度泄漏是很重要的。
在過去的系統(tǒng)中，通過嘗試使得在堆陰極側(cè)入口處的氧化劑氣體的壓力等于在堆陽極側(cè)出口處的燃料廢氣的壓力，已經(jīng)實現(xiàn)了使壓力差最小。要實現(xiàn)這點，就必須面對易于使壓力不相等的其他操作要求。
具體地，在燃料電池堆中，新鮮空氣通常作為氧化劑，并且在堆陰極側(cè)的入口提供。該新鮮空氣一般處于環(huán)境溫度，并且必須被加熱到堆的操作溫度。對空氣的加熱傳統(tǒng)上通過在輸入空氣中燃燒從堆的陽極側(cè)排出的未使用的或廢棄的燃料氣體來完成。關(guān)于在兩個氣流交接點處的處理流，使堆陽極側(cè)出口處的氣壓與堆陰極側(cè)入口處的氣壓耦合。這樣，在陽極側(cè)出口處的壓力必定比陰極側(cè)入口處的壓力高出用于克服與任何連接管道和用于燃燒氣體的氧化器相關(guān)聯(lián)的壓力損失所需的量。
當(dāng)前的燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)使用多種方法來解決這個壓力差問題。一個這樣的方法，使用放置在堆陽極側(cè)的出口與混合點之間的高溫升壓鼓風(fēng)機來克服連接管道和氧化器的壓力損失。這具有單獨控制壓力平衡的優(yōu)點，但是給商用系統(tǒng)帶來了成本顯著增加和可靠性的問題。另一個方法，使用下游的熱循環(huán)鼓風(fēng)機來吸引陽極廢氣和新鮮空氣氧化劑氣體兩者通過混合設(shè)備和氧化器。這種系統(tǒng)構(gòu)造允許在陰極側(cè)入口處的氣壓高于在陽極側(cè)出口處的氣壓，同時對氣壓差有某種控制。該系統(tǒng)的缺點同樣也是循環(huán)鼓風(fēng)機的成本和可靠性問題，以及系統(tǒng)硬件的整體復(fù)雜性。該問題的另一個解決方法是僅僅允許燃料壓力大于氧化劑壓力。在這種情況下的經(jīng)驗是可能引起許多操作問題。這些問題包括不均勻的堆溫度，降低的系統(tǒng)效率和增加的廢氣污染物排放。
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供使用燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)，其中，堆陰極側(cè)入口處的氣體與堆陽極側(cè)出口處的氣體之間的壓力差被降低，在某種意義上避免了上述缺點。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供使用燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)，其中，堆陰極側(cè)入口處的氣體與堆陽極側(cè)出口處的氣體之間的壓力差以簡單和容易的方式被降低。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的原理，上述和其他目標(biāo)在上述類型的燃料電池系統(tǒng)中被實現(xiàn)，其中在該系統(tǒng)中使用了混合器/排放器(mixer/eductor)。該混合器/排放器接收將供給堆陰極側(cè)入口的新鮮的氧化劑或空氣，還接收從堆陽極側(cè)出口送出的廢氣。混合器/排放器操作并混合這些氣體以通過氧化器并隨后傳送到堆陰極側(cè)的入口。根據(jù)本發(fā)明，該排放器/混合器操作并混合這些氣體，使得堆陽極側(cè)出口處的氣體與堆陰極側(cè)入口處的氣體之間的壓力差被降低。此外，通過控制所供應(yīng)新鮮空氣的流速來實現(xiàn)對降低壓力差的額外控制。
在本發(fā)明的另一個方面中，在對堆陰極側(cè)出口與混合器/排放器之間放置循環(huán)鼓風(fēng)機，以提供對降低壓力差的額外控制。
附圖簡述在結(jié)合附圖閱讀下面的詳細(xì)描述之后，本發(fā)明的上述和其他特征以及方面將變得更加清楚，其中

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明原理的含有混合器/排放器的燃料電池系統(tǒng)；圖2示出了可用作圖1的燃料電池系統(tǒng)中的混合器/排放器的環(huán)型混合器/排放器；圖3示出了可用作圖1的燃料電池系統(tǒng)中的混合器/排放器的軸形混合器/排放器；圖4示出了作為混合器/排放器入口處氧化劑空氣流速的函數(shù)的、在圖2所示類型的混合器/排放器的入口處測量的從燃料電池堆陽極側(cè)出口排出的廢氣壓力的圖；圖5示出了對于圖2的混合器/排放器的多種空氣流速，作為收縮流面積的函數(shù)的預(yù)期收縮壓力；以及圖6示出了可用作圖1的燃料電池系統(tǒng)中的混合器/排放器的軸形/環(huán)型混合器/排放器。
詳細(xì)描述圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明原理的燃料電池系統(tǒng)1。如所示出的，系統(tǒng)1包括具有燃料或陽極側(cè)3和氧化劑或陰極側(cè)4的燃料電池堆2。陽極側(cè)3包括用于供應(yīng)新鮮燃料的入口3a和用于提出廢燃料的出口3b。陰極側(cè)4也包括用于接收氧化劑的入口4a和用于排出廢氧化劑的出口4b。
氧化劑源5以可控流速或速度向系統(tǒng)1供應(yīng)被示為空氣的氧化劑。通過使用來自堆2陽極側(cè)3的出口3b的由管道11運送的廢燃料燃燒氧化器6中的氧化劑來加熱氧化劑。氧化器6一般是氧化催化床。所得到的被加熱的氣體經(jīng)由管道12被供應(yīng)到堆2陰極側(cè)4的入口4a。
為了使經(jīng)過堆2的氧化劑和燃料氣體之間的壓力差最小，使系統(tǒng)1適于減小在出口3b處的廢燃料氣體與在入口4a處的氧化劑供應(yīng)氣體之間的壓力差。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的原理，這是通過將混合器/排放器7并入系統(tǒng)1中實現(xiàn)的。特別地，該混合器/排放器被定位用于在入口7a接收經(jīng)由管道11來自出口3b的廢燃料氣體并在入口7b接收來自供應(yīng)5的氧化劑氣體。
使混合器/排放器7適于對氧化劑供應(yīng)氣體增加速度并減小壓力，從而形成真空。該真空降低在廢燃料氣體到混合器/排放器7的入口7a處的廢燃料氣體壓力，然后吸入廢燃料氣體使其通過混合器/排放器。氧化劑和廢燃料氣體因此被混合，并且混合氣體的壓力在通過混合器/排放器到達(dá)耦合到氧化器6的出口7c時增加。通過合適的選擇混合器/排放器7的構(gòu)造，上述的進(jìn)入廢燃料氣體的壓力降低和混合氣體的壓力增加可以被控制，以使得在陽極側(cè)出口3b處的氣壓基本上等于在陰極側(cè)入口4a的氣壓。
圖2、3和6分別示出了可用作圖1的混合器/排放器的環(huán)型混合器/排放器、軸形混合器/排放器和軸形/環(huán)型混合器/排放器。在這些單元的每一個中都存在傳統(tǒng)的“收縮區(qū)”，其中，進(jìn)入的氧化劑氣體的速度及其壓力被降低以形成真空，并且在其附近引入廢燃料氣體。在“收縮區(qū)”之后是“壓力恢復(fù)和混合區(qū)”，氣體在其中被混合并且混合氣體的壓力增加?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)設(shè)計步驟來提供這種類型的混合器/排放器噴射泵單元，以滿足該特定應(yīng)用的要求。
在圖2的混合器/排放器中，在收縮區(qū)中，在入口7b進(jìn)入的來自供應(yīng)源5的氧化劑被收縮到圍繞形成入口7a的圓形開口的環(huán)形部分7d中。在部分7d的橫截面被選擇為使得在入口7b處進(jìn)入氧化劑的靜壓P1被轉(zhuǎn)換成增加的速度，從而將環(huán)形部分7d處的靜壓減小到P2。著名的Bernoulli等式描述了這一現(xiàn)象，P1+12ρμ12=P2+12ρμ22---[1]]]>在等式[1]中，P表示靜壓，μ表示流體速度，ρ表示流體密度。等式[1]的左側(cè)表示存在的總壓。如果速度μ2增加，那么靜壓P2必須減小，以使等式[1]保持平衡。減小的壓力P2轉(zhuǎn)化成在廢燃料氣體到混合器/排放器的入口點7a處的減小的壓力P3(壓力P3基本上等于壓力P2)，和在堆2陽極側(cè)的出口3b處的減小的壓力P4(壓力P4等于壓力P3加上由于管11引起的壓力損失)。在經(jīng)過收縮區(qū)到達(dá)混合和恢復(fù)區(qū)時，氣體被混合，并且混合氣體壓力在出口7c處被增加到壓力P5。
為了最小化在出口3b處的靜壓P4與在進(jìn)口或入口4a處的靜壓P6之間的差別(壓力P6等于壓力P5減去由于氧化器6和管12引起的壓力損失)，在環(huán)形部分7d處的流面積被選擇以產(chǎn)生充分降低靜壓P2所需的速度μ2。這相應(yīng)的又轉(zhuǎn)變成靜壓P3以及因此靜壓P4的相應(yīng)降低。
圖4示出了對于圖2中類型的原型混合器/排放器，作為氧化劑供應(yīng)流速的函數(shù)的壓力P2。該曲線示出了根據(jù)等式[1]預(yù)期的特征拋物線形狀。在考慮不可逆壓力損失而給等式[1]增加一項后，得到，(P1+12ρμ12)-(K1·12ρμ22)=(P2+12ρμ22)---[2]]]>這里，K1是使用圖4的數(shù)據(jù)計算出來的經(jīng)驗損失系數(shù)。使用該損失系數(shù)，可以計算在環(huán)形部分7d的范圍區(qū)域(收縮喉部區(qū)域)上的P2以及氧化劑的空氣流速，產(chǎn)生圖5的曲線。使用該曲線，環(huán)形部分7d的面積可以基于期望的氧化劑氣體的空氣流速和期望壓力P2來選擇，以平衡陽極和陰極側(cè)壓力(P4和P6)。
在圖3和圖6的混合器/排放器中，可以遵循類似的步驟。在圖3的混合器/排放器中，不是用環(huán)形部分區(qū)形成收縮區(qū)，而是噴嘴區(qū)形成收縮區(qū)并且被選擇用以提供壓力P2的期望減小，并從而平衡壓力P4和P6。在圖6的混合器/排放器中，收縮區(qū)由圖2的混合器/排放器的環(huán)形部分區(qū)與圖3的混合器/排放器的噴嘴區(qū)的組合形成。在這種情況下，這些區(qū)域被選擇為使得它們一起提供壓力P2的期望減小，并從而平衡壓力P4和P6。
應(yīng)該注意，對減小壓力P4和P6的差別的額外控制可以通過控制氧化劑供應(yīng)氣體的流速來實現(xiàn)。一般地，這可以通過在供應(yīng)源5中包括可控鼓風(fēng)機來實現(xiàn)。
此外，在本發(fā)明的另一個方面中，使用循環(huán)鼓風(fēng)機8來循環(huán)來自堆陰極側(cè)出口4b的廢氧化劑氣體，以將其與來自供應(yīng)源5的氧化劑結(jié)合。再次，通過控制該鼓風(fēng)機來調(diào)節(jié)被循環(huán)的廢氧化劑氣體的流速，可以實現(xiàn)在減小壓力P4和P6之間差別方面的額外控制。
可以理解，在所有的情況下，上述的安排都僅僅是代表本發(fā)明應(yīng)用的很多可能特定實施例的說明。根據(jù)本發(fā)明的原理，可以容易地設(shè)計大量和不同的其它安排，而不脫離本發(fā)明的主旨和范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆，其具有陽極側(cè)和陰極側(cè)，所述陽極側(cè)具有用于接收燃料的入口和用于排放廢燃料氣體的出口，并且所述陰極側(cè)具有用于接收氧化劑氣體的入口和用于排放廢氧化劑氣體的出口；燃燒器，用于燃燒氧化劑和廢燃料氣體，并用于將所得到的氣體傳送到所述陰極側(cè)的入口；混合器/排放器，用于操作并混合來自所述陽極側(cè)的所述出口的廢燃料氣體和供應(yīng)的氧化劑氣體，并將所得到的混合物傳送到所述燃燒器，所述混合器/排放器適于操作并混合所述廢燃料氣體和供應(yīng)的氧化劑氣體，使得在陽極側(cè)出口處的所述廢燃料氣體的壓力與在陰極側(cè)入口處的氧化劑氣體的壓力之間的差別被減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述混合器/排放器具有收縮區(qū)，用于對進(jìn)入的氧化劑氣體增加速度并減小壓力，從而形成高壓氧化劑流，其產(chǎn)生用于廢燃料氣體的真空。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述混合器/排放器還具有在所述收縮區(qū)后的混合和恢復(fù)區(qū)，所述高壓氧化劑流和所述廢燃料氣體在其中被混合，并且所得到混合物的壓力被增加。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中控制所述收縮區(qū)，以提供壓力差的所述減小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括氧化劑供應(yīng)，其具有可控流速，用于向所述混合器/排放器供應(yīng)氧化劑；并且所述流速被進(jìn)一步控制，以提供壓力差的所述減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括循環(huán)鼓風(fēng)機，用于循環(huán)來自所述陰極側(cè)的所述出口的廢氧化劑氣體，并用于將氧化劑供應(yīng)給所述混合器/排放器；并且所述循環(huán)鼓風(fēng)機被進(jìn)一步控制，以提供壓力差的所述減小。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述混合器/排放器是環(huán)形混合器/排放器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述混合器/排放器是軸形混合器/排放器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述混合器/排放器是軸形/環(huán)形混合器/排放器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括氧化劑供應(yīng)源，其具有可控流速，用于向所述混合器/排放器供應(yīng)氧化劑；并且所述流速被進(jìn)一步控制，以提供壓力差的所述減小。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括循環(huán)鼓風(fēng)機，用于循環(huán)來自所述陰極側(cè)的所述出口的廢氧化劑氣體，用于將氧化劑供應(yīng)給所述混合器/排放器；并且所述循環(huán)鼓風(fēng)機被進(jìn)一步控制，以提供壓力差的所述減小。
全文摘要
公開了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括用于減小燃料電池堆的陽極(3)和陰極側(cè)(4)之間壓力差的混合器/排放器(7)?；旌掀?排放器(7)被放在陽極后部或廢燃料氣體(3b)與新鮮空氣或氧化劑供應(yīng)氣體入口之間的混合點處。進(jìn)入氧化劑壓力被轉(zhuǎn)換成高動量氣流，以形成對燃料廢氣的吸入。這種吸入補償了在被用來燃燒廢燃料氣體氣體管道和被用來燃燒廢燃料氣體的氧化器中的壓力損失，導(dǎo)致陽極和陰極側(cè)氣壓的基本平衡。混合器/排放器(7)可以是軸形或環(huán)形噴射泵單元的形式，兩者在積極混合燃料廢氣和進(jìn)入氧化劑或空氣方面都有優(yōu)點?；旌掀?排放器的幾何形狀可以改變，以提供合適的吸入，從而在選擇的操作條件范圍上平衡壓力。此外，進(jìn)入新鮮空氣流速或氧化劑廢氣循環(huán)流速可以改變，以主動平衡在任何操作點的壓力。
文檔編號H01M8/04GK1666358SQ03815646
公開日2005年9月7日 申請日期2003年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月2日
發(fā)明者S·布蘭徹特, P·帕特爾 申請人:燃料電池能有限公司