CN100468826C - 高温燃料电池的混合器-喷射器 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，该系统包括燃料电池叠层，该燃料电池叠层具有阳极侧和阴极侧，阳极侧具有用于接受燃料的入口和用于排出阳极排气的出口，而阴极侧具有用于接受氧化剂气体的入口和用于排出氧化剂排气的出口；以及包括混合器-喷射器，该混合器-喷射器用于混合阳极排气与氧化剂供气。混合器-喷射器适合产生氧化剂供气的发散射流或者气流，以便增强混合并促进减少压力损失。特别是，混合器-喷射器包括一些元件，其中每个元件相对于进入氧化剂供气的路线成一定角度配置，并起作用形成多路氧化剂气流。

Description

高温燃料电池的混合器-喷射器
技术领域
本发明涉及控制燃料电池叠层的阳极或者燃料与阴极或者氧化剂侧之间的压差，尤其是涉及在阳极出口或者排气与供给到该叠层阴极侧的入口空气或者氧化剂气体混合时将该压差降至最小程度。更具体地说，本发明涉及阳极尾气混合和燃料电池系统压差的补偿。
背景技术
燃料电池是一种装置，该装置通过电化学反应直接将储存在任何含氢燃料，比如氢、甲烷或者天然气中的化学能转换成电能。这不同于传统的电能生产方法，传统的电能生产方法必须首先燃烧燃料产生热量，然后将热量转换成机械能，并最后转换成电能。燃料电池采用的更为直接的转换过程比传统的装置在提高效率和减少污染物排放方面具有明显的优点。
通常，与蓄电池类似的燃料电池包括负极或者阳极电极和正极或者阴极电极，这些电极被电解质分开，该电解质用来在它们之间传导带电离子。但是与蓄电池相反，只要燃料和氧化剂分别供给到阳极和阴极，燃料电池便连续地生产电能。为了达到这一目的，在阳极和阴极附近形成气流场，以此供给燃料和氧化剂气体。为了生产有用的功率级，必须将许多单独的燃料电池串联地叠堆在一起，并在每个电池与其相邻者之间设有导电的分离板。
在高温燃料电池叠层中，供给到叠层的氧化剂或者阴极侧的新鲜空气需要从大气温度加热到燃料电池叠层的温度。达到这点的一种方法是通过燃烧来自进入空气中阳极侧排气的无用燃料。在气相燃烧器中或者在催化反应器可以做到这种“燃烧”，其中催化反应器在高温燃料电池应用中更加普遍。为了确保燃料完全反应并且使催化剂中的温度梯度最小化，阳极侧排气必须与空气完全混合。
根据工艺流程，这种混合过程在两个气流的结合点上使阳极侧气体压力与阴极侧气体压力结合。阳极侧出口的压力比阴极侧入口的压力高一个为克服与任何连接管道和与燃烧气体所用氧化器相关的压力损失所需要的量。任何压差产生阳极气体泄漏到阴极入口空间中的倾向，并且压差越大，密封必须越好。通常利用两个表面之间的机械力形成燃料电池叠层中阳极与阴极之间的密封，在某些情况下，歧管密封包括多孔的衬垫材料，使用该材料使能达到“可接受的”泄漏速率。两个示例中的泄漏速率是阳极与阴极压差的函数。因此，使压差最小化对于防止过量泄漏是重要的。最后，泄漏结果降低了系统效率、提高了污染物排放程度并且缩短了叠层的使用寿命。
在以前的系统中，通过努力使叠层阴极侧入口的氧化剂气体的压力与叠层阳极侧出口的排出燃料气体的压力相等，已达到压差的最小化。面对往往使该压力不相等的其它操作要求，必须实现这点。
目前的燃料电池系统采用了各种方法来解决混合和压差的问题。通过在输送到催化剂之前使两个气流能在管的长距离范围内流动，经常达到混合的目的。但是，充分混合所需的管的长度太大，以致不能用在工业系统中并且导致过大的压差。长管还可能产生气流的不良热量损失。其它混合系统采用了市场上可以买到的“静态”混合板，这种混合板在混合气中产生高度的流体剪切力并且提供非常均匀的合成物。不利的是，这些静态混合器也产生较大的压力损失，因而提高了燃料电池叠层上阳极-对-阴极压力的不平衡性。
为了解决压力平衡问题，一种系统使用了高温升压鼓风机，该鼓风机设置在叠层阳极侧的出口与混合点之间，以克服连接管道、混合器和氧化器的压力损失。这种作法具有这样的优点，即独立地控制压力平衡，但是增加了较多的费用并对工业系统产生可靠性问题。另一种系统使用了下游的热再循环鼓风机，以通过混合装置和氧化器抽出阳极排气和新鲜空气氧化剂气体。这种系统的结构允许阴极侧上入口处工作的气体压力大于阳极侧上出口处的气体压力，同时对差值进行一些控制。这种系统的缺点也是再循环鼓风机的费用和可靠性以及系统硬件的整体复杂性问题。解决压差的另一个途径是，只允许工作燃料压力大于氧化剂压力。在这种情况下的经验表明，可能产生许多操作问题，比如不均匀的叠层温度、系统效率降低并且增加废气污染物排放。
在转让给此中同一受让人的美国申请系列号10/187,495中公开了一种混合器-喷射器，其适合于提供所需的混合新鲜氧化剂或者空气和阳极排气，并且减少燃料电池叠层的阴极侧入口处的气体与叠层阳极侧出口处的气体之间的压差。混合器-喷射器使用来自进入新鲜空气流(由新鲜空气鼓风机供给)的能量，以降低混合点处阳极气流的压力。尤其是，混合器-喷射器设计用来提高速度并且降低氧化剂供气的压力，在这里阳极出口气流结合氧化剂气流并与其混合。高速混合气然后通过扩散器部分，该扩散器部分降低混合气速度并提高混合气压力。控制混合气体的压力增量，使得叠层阳极侧出口处的气体压力基本上等于叠层阴极侧入口处的气体压力。
本发明的目的是提供一种改进的混合器-喷射器，其中通过喷射器的氧化剂气体的压力损失进一步减少，使氧化剂气体新鲜空气与阳极废气的混合程度达到最佳化，并且阴极侧入口处的气体与叠层阳极侧的出口处的气体之间的压力在该系统的整个工作范围内以避免上述缺点的形式得到平衡。
发明内容
根据本发明原理，一种燃料电池系统达到上述和其它目的，该系统具有上述型式的混合器-喷射器，这种混合器-喷射器适合产生多个氧化剂供气的射流，因此在混合器-喷射器内，在氧化剂供气与阳极排气之间实现所需的混合，并且在该系统的燃料电池的阴极侧入口处的氧化剂气体与阳极侧出口处的阳极排气之间获得更加平衡的压力。更具体地说，根据本发明，混合器-喷射器包括一些元件，这些元件相对于氧化剂供气的路线成一定角度布置，从而产生一组发散的阴极气体射流，这些射流相互作用并且与阳极放出的气体有效混合。混合器-喷射器的这种构型使已知工作点范围内的给定系统结构能实现所需的混合和压力平衡。另外，可以控制氧化剂输入气体的流量或者从排气再循环鼓风机中氧化剂排出气体的流量，以有助于平衡该压力。
附图说明
通过结合附图来阅读下面的详细说明，本发明上述的和其它的特征以及各方面将更加一目了然，其中:
图1是方框图，示出包括根据本发明原理的混合器-喷射器的燃料电池系统；
图2A是图1中混合器-喷射器的第一实施例的横剖面图；
图2B是图2A中一部分混合器-喷射器的立体横剖面图；
图2C是图2B中示出一部分混合器-喷射器的横剖面图，其示出气流路线；
图3A是图1中混合器-喷射器的第二实施例的横剖面图；
图3B是图3A中一部分混合器-喷射器的立体横剖面图；
图3C是图3B中示出一部分混合器-喷射器的横剖面图，其示出气流路线；
图4A是图1中混合器-喷射器的第三实施例的横剖面图；
图4B是图4A中一部分混合器-喷射器的立体横剖面图；
图4C是图4B中示出一部分混合器-喷射器的横剖面图，其示出气流路线；
图5A是图1中混合器-喷射器的第四实施例的横剖面图；
图5B是图5A中一部分混合器-喷射器的立体横剖面图；
图5C是图5B中示出一部分混合器-喷射器的横剖面图，其示出气流路线；
图6A是上述′495申请中混合器-喷射器的横剖面图；
图6B是图6A中一部分混合器-喷射器的横剖面图，其示出气流路线；
图7是曲线图，示出与′495申请中混合器-喷射器相比对本发明的混合器-喷射器测出的空气侧压力损失的改进结果；
图8是曲线图，示出与′495申请中混合器-喷射器相比对本发明的混合器-喷射器测出的阳极侧吸力的提高结果；
图9是图表，示出使用本发明的混合器-喷射器得到测出的混合均匀度；以及
图10是图表，示出使用′495申请中混合器-喷射器得到测出的混合均匀度。
具体实施方式
图1是方框图，其概略示出燃料电池系统1。系统1包括分别具有阳极部分2A和阴极部分2B的燃料电池2、氧化器3和再循环鼓风机4。燃料电池系统1还包括根据本发明原理的混合器-喷射器5。
如图所示，新鲜空气6与被再循环鼓风机4再循环的、来自阴极侧部分2B的氧化剂排气相混合，以产生氧化剂供气6A。该氧化剂供气6A在入口5A处供给到混合器-喷射器5中。在通过混合器-喷射器5时，氧化剂供气6A降低压力并夹带在入口5B处进入混合器-喷射器5中的阳极排气。氧化剂供气与阳极排气的混合气在出口5C处离开混合器-喷射器5并继续进入氧化器3的入口3A。在氧化器3中，混合气体的阳极排气中的剩余燃料燃烧，因此使气流的温度升高。氧化器的出口气流被输送到阴极部分2B的阴极入口8中。
氧化剂排气从阴极出口9中输出，并且如上面所述那样，其中的一部分被再循环鼓风机4再循环到进入空气中。燃料气体在入口11处被输送到阳极部分2A中。
概括地说，系统1中混合器-喷射器5的一个目的是使在阳极部分2A出口7处的阳极排气与阴极部分2B入口8处的氧化剂气体之间的压差降低或者最小化。混合器-喷射器5的另一个目的是使在混合器-喷射器入口5B处接受的阳极排气与在混合器-喷射器入口5A处接受的氧化剂供气6A达到理想的混合，以供给到氧化器3中。
根据本发明，混合器-喷射器5适合提高速度并且降低阳极出口气流与氧化剂供气流相遇之处的氧化剂供气的压力。这样降低了混合器-喷射器入口5B处的阳极排气的压力。阳极排气与在混合器-喷射器入口5A处接受的氧化剂供气相混合。当混合气体通过并离开混合器-喷射器5到达氧化器3中时，混合气体的压力升高。
根据本发明，混合器-喷射器5还适合包括若干元件，每个元件相对于氧化剂供气6A的轴线或者路线成一定角度布置，因此为氧化剂供气形成氧化剂供气的发散射流。这样，可以更好地控制混合气体压力的增量和这些气体的混合，从而使混合最佳化并且使阴极部分2B入口8处的氧化剂气体与阳极部分2A出口7处的阳极排气之间的压差最小化。在下面描述本发明的混合器-喷射器的各种实施例。
第一实施例(图2A-2C):五个喷嘴
图2A-2C示出本发明的混合器-喷射器100的第一实施例。参照图2B，混合器-喷射器100包括氧化剂供气用的氧化剂供气入口120和阳极排气用的阳极排气入口121，这些入口形成T形混合组件122。在虚线所示的替代构型中，混合组件122可以改进成，通过为阳极排气设置第二入口121A形成十字形组件。在没有改变本发明的目的或者功能的情况下，可以增加额外的阳极排气入口。应该注意，根据入口所需的总流率，选择图2A所示的入口120、121的横截面积101、102。
连接到入口120的喷嘴装置126相对于进入氧化剂供气空气的路线成发散的角度包括一些元件，以便产生发散氧化剂气体射流，该射流增强两种流的混合并有助于使压力损失最小化。更具体地说，如图2A-2C所示那样，在喷嘴装置中包括五个喷嘴管126A-126E，其中四个喷嘴管126B-126E相对于进入氧化剂路线129成角度地配置，其中一个喷嘴管126A沿着所述路线配置。在所示的情况下，喷嘴管126A水平地配置，而第一对相对的管126B-126C成角度地位于管126A的上方和下方，第二对相对的管126D和126E(看不见)成角度地配置在管126A的右边和左边。喷嘴管126A-126E中的每一个具有平滑圆角的引入部139(图2B中示出)。
喷嘴管126A-126E将氧化剂供气加速到高的速度，如在图2C中用管126A-126C的速度矢量140、141、142所示那样。选择喷嘴管126A-126E的数量和直径106(图2A中示出)，以提供理想压力级所需的必要速度。在这方面，根据应用的具体要求，喷嘴管126A-126E中的每一个可具有不同的直径。此外，喷嘴管126A-126E的取向可以不同于所示的取向。通常，这些管可以一个或者多个对称轴线布置，但是也可特意布置成不对称的，以适合给定应用的特殊性能要求。而且，将喷嘴管的长度107选择成足以确保以所需的角度108引导气流，同时防止管本身内过大的摩擦压力损失。
当氧化剂供气离开喷嘴管126A-126E时，便开始与混合组件122内的阳极排气相混合。为此，喷嘴装置126的构型，比如四个喷嘴管126B-126E相对于进入氧化剂气体的路线129取向的角度108使夹带阳极排气(在图2C中用矢量150和151表示)和阳极排气与混合组件122内的氧化剂气体相混合最大化，并且延迟各个射流聚结成单个大的射流。此外，选择喷嘴管126B-126E的旋转位置128(图2B)，以使两个气流的混合最大化。此外，选择喷嘴管126A-126E的端部相对于入口121的中心线(图2A)的位置109，以达到所需的压力分布。
氧化剂气体的高速夹带混合组件122内的阳极排气并使该混合气转到混合导管123中。混合导管123具有开口103、长度104和喇叭形或者发散形角度105，选择上述全部以促进所需的混合。因此，在两个气流之间的混合在混合导管中继续进行，并且得到隔板124的进一步支持，该隔板124起作用，以在该混合气中产生紊流并且进行再循环。如图2A所示那样，选择隔板124的位置112、角度111和长度110，以使混合最大化，同时防止过大的压力损失。混合气体继续沿混合导管流下并进入催化剂歧管198中，在那里，气体转弯(如箭头159所示那样)并流过催化剂床199。
用来达到图2A-2C中混合器-喷射器的各种部件的参数如下:喷嘴管发散角度108为0度到45度；喷嘴管位置109为-1到+1倍于阳极气体管直径102；喷嘴管旋转记时128为-90度到+90度；喷嘴管长度107为1到10倍于喷嘴管直径106；混合导管喇叭形角度105为0度到30度；催化剂表面取向角度159为0度到90度；使用五个喷嘴管126；以及使用隔板124。
第二实施例(图3A-3C):四个喷嘴
图3A-3C示出本发明的混合器-喷射器的第二实施例200。参照图3B，混合器-喷射器包括氧化剂供气用的氧化剂供气入口220和阳极排气用的阳极排气入口221，这些入口形成T形混合组件222。如上面对混合器-喷射器的第一实施例论述的那样，在替换的构型中，混合组件222通过为阳极排气设置额外的入口可形成十字形组件，或者通过在各种角度位置上增加额外的入口进一步精心制作。根据在具体应用中预定的总流率选择图3A所示的入口220、221的横截面积201、202。
连接到入口220的喷嘴装置226相对于进入氧化剂气体的路线成角度地包括一些元件，以便产生发散射流，该射流增强两种气流的混合并且使压力损失最小化。更具体地说，在该装置中包括四个喷嘴管226A-226D，这些喷嘴管相对于进入氧化剂路线229成角度地配置。在图3A-3C中，示出只是垂直相对的喷嘴管226A-226B，该喷嘴管连接到终止于入口220的隔板的右侧。一对类似的垂直相对的喷嘴管226C-226D(看不见)连接到隔板的左侧。每个喷嘴管226A-226D具有平滑圆角的引入部239(在图3B中示出)。
喷嘴管226A-226D将氧化剂供气加速到高的速度，如在图3C中用管226A-226B的速度矢量240和241所示那样。选择喷嘴管226A-226D的直径206(图3A中示出)，以提供理想真空级所需的必要速度。根据应用的具体要求，每个喷嘴226可以具有不同的直径。此外，喷嘴管226A-226D通常将以一个或者多个对称轴线布置，但是也可以布置成不对称的，以适合应用的具体真空和混合要求。选择喷嘴管226A-226D的长度207，以确保以所需要角度208引导气流，同时防止管本身内过大的摩擦压力损失。
当氧化剂供气离开喷嘴管226A-226D时，便开始与混合组件222内的阳极排气相混合。喷嘴装置226的构型，比如喷嘴管226A-226D取向的角度208使夹带阳极排气(在图3C中用矢量250和251表示)和阳极排气与混合组件222内的氧化剂气体相混合最大化，并且延迟各个气流路线聚结成单个大的路线。此外，选择喷嘴管226A-226D的旋转位置228(图3B)，以使两个气流的混合最大化。此外，选择喷嘴管的端部相对于入口221的中心线(图3A)的位置209，以达到所需的压力分布。
氧化剂气体的高速夹带混合组件222内的阳极排气并使该混合气转到混合导管223中。混合导管223具有开口203、长度204和喇叭形角度205，选择上述全部以促进所需的混合。因此，在两个气流之间的混合在混合导管中继续进行，并且得到隔板(未示出)的进一步支持，该隔板起作用，以在该混合气中产生紊流并且进行再循环。混合气体继续沿混合导管流下并进入催化剂歧管298中，在那里，气体转弯(如箭头259所示那样)并进入催化剂床299。
用来达到图3A-3C中混合器-喷射器的各种部件的参数如下:喷嘴发散角度208为0度到90度；喷嘴管位置209为-1到+1倍于阳极气体管直径202；喷嘴管旋转记时228为-45度到+45度；喷嘴管长度207为1到10倍于喷嘴管直径206；混合导管喇叭形角度205为0度到30度；催化剂表面取向角度259为0度到90度；使用四个喷嘴管226；以及使用隔板124。
第三实施例(图4A-4C):一个喷嘴、空气旋转器、混合锥和混合 气旋转器
图4A-4C示出本发明的混合器-喷射器的第三实施例300。参照图4C，混合器-喷射器300包括氧化剂供气用的氧化剂气体入口320和阳极排气用的阳极排气入口321，这些入口形成T形混合组件322。在替换的构型(在图4A-4C中没有示出)中，混合组件322可以改进成，通过为阳极排气设置额外的入口形成十字形组件，或者通过在各种角度位置上增加额外的入口进一步精心制作。根据在具体应用中预定的总流率选择图4A所示的入口320、321的横截面积301、302。
连接到入口320的混合装置326相对于进入氧化剂供气的路线成一定角度包括一些元件，以便产生发散流，该发散流增强两个气流的混合并且使压力损失最小化。更具体地说，如图4B所示那样，混合装置包括喷嘴326A，该喷嘴沿着进入氧化剂供气的路线329配置，并且优选地，还在喷嘴的入口处设有空气旋转器330。空气旋转器330具有弯曲叶片330A，该叶片限定冲角338，该空气旋转器330促使进入氧化剂气体产生顺时针或者逆时针方向的涡流。
当氧化剂气体流过喷嘴326A时，便被压缩并通过具有直径306(在图4A中示出)的开口离开，该直径306小于氧化剂气体进入喷嘴所经过的开口的直径。通过喷嘴压缩气流使入口氧化剂气体加速到高速，如在图4C中速度矢量340和341所示那样。选择喷嘴开口的直径306，以将气体加速到理想压力所需的必要速度。此外，将喷嘴的长度307选择成足以防止过大的摩擦压力损失。
当速度升高的氧化剂气体流离开喷嘴326A时，便开始与混合组件322中的阳极排气相混合，如图4C中所示那样。在混合装置326中还包括混合锥327，该混合锥327具有与氧化剂气体路线329成角度的表面327A，以将氧化剂气体分成若干不同的气流，从而改善气体混合。还有限定冲角339的弯曲叶片331A的第二个旋转器331设置在混合锥327后面的套筒332内。旋转器332还促使从混合锥327来的各种路线的混合气体产生顺时针或者逆时针方向的涡流，因此进一步增强了混合。
混合装置326的构型，比如混合锥327的尺寸310、311使夹带阳极排气(在图4C中用矢量350和351表示)和阳极排气与混合组件322内的氧化剂气体相混合最大化，并且防止各个气流聚结成单个大气流。因此，例如选择喷嘴326A的端部与混合锥327的底部之间的距离319，以便将两个气流的混合最大化。此外，选择喷嘴管326的端部相对于入口321中心线(图4A)的位置309，以达到所需的压力分布。
高速氧化剂气体夹带混合组件322内的阳极排气，并且在流过混合锥327和第二旋转器331之后，混合气体转到混合导管323中。混合导管323具有开口303、长度304和喇叭形角度305，选择上述全部以促进所需的混合。而且，这个实施例还可包括隔板，比如图2A所示的隔板124。混合气体继续流过混合导管323并进入催化剂歧管398中，在那里，气体转弯(如箭头359所示那样)并流过催化剂床399。
用来达到图4A-4C中混合器-喷射器的各种部件的参数如下:空气旋转器330的冲角338为-60度到+60度；混合旋转器331的冲角为-60度到+60度；喷嘴位置309为-1到+1倍于阳极气体管直径302；混合锥位置319为1到10倍于喷嘴管直径306；混合导管喇叭形角度305为0度到30度；催化剂表面取向角度359为0度到90度；以及使用隔板124。
第四实施例(图5A-5C):一个喷嘴、环形间隙和混合锥
图5A-5C示出本发明的混合器-喷射器的第四实施例400。参照图5B，混合器-喷射器400包括氧化剂供气用的氧化剂供气入口420和阳极排气用的阳极排气入口421。根据在具体应用中预定的总流率选择图5A所示的入口420、421的横截面积401和402。
连接到入口420的混合装置426相对于进入氧化剂供气的路线成一定角度包括一些元件，这些元件将氧化剂气流分成两个不同的气流，该气流增强阳极出口气流与氧化剂供气的混合并使压力损失最小化。更具体地说，如图5A-5C所示那样，混合装置426包括喷嘴426A，该喷嘴426A沿着进入氧化剂气体的路线429配置并且伸入到混合弯管431中。喷嘴426A含有具有直径412的钟形口、喷嘴管直径406和与具有直径413的钟形口相对的开口，该直径413小于钟形口直径412和喷嘴管直径406。进入氧化剂供气通过钟形口进入喷嘴426A中，流过喷嘴管，并在通过开口离开喷嘴进入弯管431中时被压缩，如图5C所示那样。通过喷嘴426A压缩气流，将氧化剂供气加速到高速，如在图5C中速度矢量440和442所示那样。
没有进入喷嘴426A的钟形口中的进入氧化剂气体绕着喷嘴流动，并被形成在混合导管423入口处的环形间隙424压缩。被环形间隙424压缩的上述氧化剂气体还将氧化剂气体加速到高速通过间隙，如图5C中速度矢量441和443所示那样。选择喷嘴426A的混合气流面积(通过喷嘴开口的直径413测量)和环形空间424将氧化剂气体加速到理想压力所需的速度。此外，喷嘴426A的长度407选择成足以防止喷嘴内过大的摩擦压力损失。
如图5B所示那样，阳极排气入口421将阳极排气引入压缩通道430中，当阳极排气流入混合弯管431并由速度升高的、离开喷嘴426A的氧化剂气流夹带时，该压缩通道430加速阳极排气。当速度升高的氧化剂气流离开喷嘴426A时，冲击位于混合弯管431中的混合锥427。混合锥427相对于氧化剂气体的路线429成一定角度具有表面427A，使得氧化剂气体分成数个不同的气流。当阳极排气被夹带时，这些不同的气流的相互作用改善了氧化剂排气与阳极排气的混合，如图5C所示那样。
混合装置426的构型，比如混合锥427的尺寸410、411使夹带阳极排气(在图5C中用矢量450、451表示)和阳极排气与混合弯管431内的氧化剂气体相混合最大化，并且防止各个气流聚结成单个气流。因此，例如选择喷嘴426A的端部与混合锥427的底部之间的距离419，以便使两个气流的混合最大化。此外，选择喷嘴管426A的端部相对于入口421中心线(图5A)的位置409，以达到所需的压力分布。
在混合弯管431内，高速氧化剂气体夹带阳极排气，并且该混合气在混合锥427上运动并进入混合导管423中，在此处还引入流过环形空间424的氧化剂气体。混合导管423具有开口403、长度404和喇叭形角度405，选择上述全部以促进所需的混合。而且，这个实施例还可包括隔板，比如图2A所示的隔板124。混合气体继续流过混合导管423并进入催化剂歧管498中，在那里，气体转弯(如箭头459所示那样)并流过催化剂床499。
用来达到图5A-5C中混合器-喷射器的各种部件的参数如下:喷嘴管位置409为-1到+1倍于阳极气体管直径402；喷嘴管长度407为1到10倍于喷嘴管直径406；混合锥位置419为1到10倍于喷嘴管直径406；混合导管喇叭形角度405为0度到30度；催化剂表面取向角度459为0度到90度；以及可以使用一个或者多个隔板124。
′495申请:图6A和6B
图6A和6B示出公开在′495申请中类型的混合器-喷射器500。参照图6A，混合器-喷射器包括氧化剂气体用的氧化剂气体入口520和阳极排气用的阳极排气入口521。根据具体应用中预定的总流率选择入口520、521的横截面积501、502。
当氧化剂供气流过入口520时，便通过入口521的弯管部分521A的圆形开口与混合导管523的入口之间的环形间隙524压缩或者“收缩”。混合导管523具有直径503、长度504和喇叭形角度505。通过环形间隙524压缩或者“收缩”空气流，在混合导管523内将入口氧化剂供气加速到高速，如图6B中的速度矢量540和541所示那样。选择环形间隙524的面积，以提供理想压力所需的必要速度。此外，混合导管523的长度504和宽度505选择成足以防止导管内过大的压力损失。
高速氧化剂供气夹带经过入口521的弯管部分521A的开口流入混合导管523中的阳极排气。阳极排气到混合导管523的气流用图6B所示的矢量550表示。混合气体继续流过混合导管523并进入催化剂歧管598中，在那里，气体转弯(如箭头559所示那样)并流过催化剂床599。
图7是曲线图，示出与使用′495申请中混合器-喷射器的系统相比较的上述四个实施例中的每一个从图1中点6到点8的阴极侧气体压力损失。尤其是，以氧化剂供气数个流率级比较在使用本发明的混合器-喷射器的实施例和′495申请中混合器-喷射器的实施例的阴极侧气体入口处的相对压力。图表上的数据点表示与所示和描述的各种实施例和′495申请中的实施例相对应的不同流率时的氧化剂供气压力的损失。
有关′495申请中混合器-喷射器的氧化剂供气压力损失的数据点与有关本发明第一、第二和第三实施例的氧化剂供气压力损失的数据点之间的距离710表示氧化剂气体压力损失缩减大约40％。有关′495申请中混合器-喷射器的氧化剂气体压力损失的数据点与有关本发明第四实施例的氧化剂气体压力损失的数据点之间的距离711表示氧化剂供气压力损失缩减大约15％。
图8是曲线图，示出在本发明的四个实施例中的每一个的混合器-喷射器和′495申请中混合器-喷射器的阳极排气时所得到的吸力。以本发明四个实施例中的每一个和′495申请中的混合器-喷射器的氧化剂供气数个流率级示出在混合器-喷射器的阳极排气时所得到的吸力。
沿着该曲线的Y轴的较多负值表示在给定流率下的较大吸力，显示克服互连管道和氧化器内更大节流的能力。在这个曲线上可以看到，数据显示，′495申请中混合器-喷射器与第一实施例和第二实施例的混合器-喷射器的阳极排气吸力大致相同。箭头810指出这种情况，该箭头810表示这些实施例所得到的真空度和′495申请的混合器-喷射器所得到的真空度之间的差值可忽略不计。尽管这种吸力差值可忽略不计，但是本发明的这些实施例仍然呈现这样的优点，即与′495申请中混合器-喷射器相比，所述实施例达到氧化剂供气压力损失缩减40％。箭头811表示本发明第四实施例所得到的真空度。相对于′495申请中混合器-喷射器所得到的真空度，如箭头810所示那样，这表示第四实施例吸力提高达到500％。同时，上述第四实施例相对于′495申请也达到氧化剂气体压力损失改进15％。
图9和10分别示出使用本发明第一实施例的混合器-喷射器和使用′495申请中混合器-喷射器时在催化剂床表面上的混合均匀度。借助于阳极排气流与氦结合并且使用氦检测器测量氧化器表面上的浓度，通过在实验室中进行测量曾得到图9所示的数值。偏差数据表示偏离平均混合值的百分比偏差。在图9中可以看到，第一实施例中的混合均匀度变量是±2％。
通过在氧化器的工作温度分布范围内进行测量曾得到图10中的数值。随后通过从测出的氧化器出口温度中减去测出的氧化器入口温度，将温度分布转换成估计的阳极出口混合气分布，以得到氧化器中温升的分布。而且，温升与通过氧化器的阳极排气分布成正比。图10中的偏差数据也表示偏离平均混合值的百分比偏差。在图10中可以看到，混合均匀度的变量为±7％到12％。因此，与′495申请中混合器-喷射器相比，本发明的混合器-喷射器明显改善了气体的混合。
在所有情况下应该知道，上述装置仅仅是表示本发明应用中许多可能具体实施例的举例说明。在没有脱离本发明的精神和范围的情况下，根据本发明的原理可以容易地设计许多不同的其它装置。因此，例如在本发明的第一和第二实施例中，尽管分别使用了四个和五个喷嘴管，但是也可以采用更多或者更少的管。管子数量的典型范围为2到16个管子。

Claims (34)

1.一种燃料电池系统，该系统包括:
燃料电池叠层，其具有阳极侧和阴极侧，所述阳极侧具有用于接受燃料的入口和用于排出含有燃料气体的阳极排气的出口，而所述阴极侧具有用于接受氧化剂气体的入口和用于排出氧化剂排气的出口；以及
混合器-喷射器，其用于混合来自所述阳极侧出口的阳极排气与用于在所述燃料电池的阴极侧使用的氧化剂供气，所述混合器-喷射器适合使所述阳极排气与氧化剂供气相混合，同时还缩小阳极侧出口处所述阳极排气的压力与阴极侧入口处氧化剂气体的压力之间的差；
所述混合器-喷射器进一步适合产生用于所述氧化剂供气的多路氧化剂气流，以促进所述氧化剂供气与所述阳极排气的混合和压差的缩小，
所述混合器-喷射器包括:布置在所述混合器-喷射器的区域内的组件，该组件具有相对于所述氧化剂供气的路线成一定角度的一些元件，由此形成所述多路气流；阳极排气入口，用于接受所述阳极排气并且将所述阳极排气输送到所述混合器-喷射器的区域内并通过该区域；氧化剂供气入口，用于接受所述氧化剂供气并将所述氧化剂供气输送到所述混合器-喷射器的所述区域内并通过该区域；以及混合导管，其在所述混合器-喷射器的所述区域之后，用于接受经过所述区域的气体。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述多路气流中的至少第一气流与第二气流相互之间成一定角度。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述组件包括多个喷嘴，所述喷嘴配置在所述区域内并且相对于所述氧化剂供气的路线成一定角度布置，所述氧化剂供气的多个部分通过所述多个喷嘴，以致为所述氧化剂供气形成所述多个氧化剂气流，使得在所述多个氧化剂气流中的氧化剂供气与所述阳极排气在所述区域内相互作用，然后所述气体进入所述混合导管中。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括一个或者多个隔板，该隔板位于所述混合导管内，以促进所述混合导管内的气体混合。
5.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述一个或者多个喷嘴包括:第一和第二相对竖向隔开的喷嘴，第一和第二喷嘴相互之间成第一角度布置；以及第三和第四相对竖向隔开的喷嘴，第三和第四喷嘴相互之间成第二角度布置，并且与所述第一和第二喷嘴水平隔开。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括一个或者多个隔板，该隔板位于所述混合导管内，以促进气体在所述混合导管内的混合。
7.如权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述第一和第二角度相等。
8.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括另外的喷嘴，其沿着所述氧化剂供气的路线布置，一部分所述氧化剂供气通过该喷嘴，以形成所述氧化剂供气用的所述氧化剂气流其中之一。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述一个或者多个喷嘴包括:第一和第二相对竖向隔开的喷嘴，所述第一和第二喷嘴相对于所述另外的喷嘴成第一和第二角度布置在所述另外喷嘴的上方和下方；以及第三和第四相对水平隔开的喷嘴，第三和第四喷嘴相对于所述另外的喷嘴成第三和第四角度布置在所述另外喷嘴的右边和左边。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括一个或者多个隔板，该隔板位于所述混合导管内，以促进气体在所述混合导管内的混合。
11.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述第一、第二、第三和第四角度相等。
12.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述组件包括一混合锥，其布置在所述区域内并具有一些表面，这些表面相对于所述氧化剂供气的路线成一定角度布置，所述氧化剂供气冲击所述表面，因此，为所述氧化剂供气形成所述多个氧化剂气流，使得所述多个氧化剂气流中的氧化剂供气与所述区域内的所述阳极排气相互作用，然后所述气体进入所述混合导管中；并且
所述混合器-喷射器进一步包括:喷嘴，该喷嘴布置在所述混合锥之前的所述氧化剂供气的路线中，所述氧化剂供气在冲击所述混合锥的所述表面之前通过该喷嘴；以及第一和第二混合旋转器，所述旋转器使通过其中的气体沿着顺时针方向和逆时针方向中的一个方向循环，所述第一旋转器位于所述喷嘴之前的所述氧化剂供气的路线中，而所述第二旋转器位于所述混合锥之后并在从所述混合锥来的气体的路线中。
13.如权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述旋转器中的每一个具有多个弯曲叶片。
14.如权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括一个或者多个隔板，该隔板位于所述混合导管内，以促进气体在所述混合导管内的混合。
15.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述组件包括:混合锥，其布置在所述区域内并具有一些表面，这些表面相对于所述氧化剂供气的路线成一定角度布置，所述氧化剂供气的第一部分冲击所述表面，因此为所述氧化剂供气的所述第一部分形成所述多个氧化剂气流，使得所述氧化剂供气的所述第一部分处于所述多个氧化剂气流中，并且进入所述混合导管内；喷嘴，其布置在所述混合锥之前的所述氧化剂供气的路线中，所述氧化剂供气的所述第一部分在冲击所述混合锥的所述表面之前通过该喷嘴；
所述氧化剂供气的第二部分绕着所述喷嘴和所述混合锥通过，并经过间隙进入所述混合导管中；
所述入口具有弯管部分，该部分延伸到所述区域中到达所述混合锥，以将所述阳极排气输送到所述混合锥内，并且所述喷嘴延伸到其中；以及
所述多个氧化剂气流中的所述氧化剂供气的所述第一部分和所述氧化剂供气的所述第二部分与所述阳极排气在所述混合导管内相互作用。
16.如权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述弯管与一支承的周缘部分相结合的区域的外部区域内形成所述间隙，所述支承用于所述混合锥。
17.如权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括一个或者多个隔板，该隔板位于所述混合导管内，以促进气体在所述混合导管内的混合。
18.一种供燃料电池叠层使用的混合器-喷射器，该燃料电池叠层具有阳极侧和阴极侧，所述阳极侧具有用于接受燃料的入口和用于排出含有燃料气体的阳极排气的出口，而所述阴极侧具有用于接受氧化剂气体的入口和用于排出氧化剂排气的出口；所述混合器-喷射器用于混合来自所述阳极侧的出口的阳极排气与用于在所述燃料电池叠层的所述阴极侧使用的氧化剂供气；
所述混合器-喷射器适合使所述阳极排气与氧化剂供气相混合，同时还减小阳极侧出口处的所述阳极排气的压力与阴极侧入口处的氧化剂气体的压力之间的差；
所述混合器-喷射器进一步适合产生用于氧化剂供气的氧化剂气体流，以促进所述氧化剂供气与所述阳极排气的混合以及减小压力差；
所述混合器-喷射器包括:布置在所述混合器-喷射器的区域内的组件，该组件具有相对于所述氧化剂供气的路线成一角度的一些元件，以由此形成一个或者多个所述氧化剂气流；阳极排气入口，用于接受所述阳极排气并且将所述阳极排气输送到所述混合器-喷射器的区域内并通过该区域；氧化剂供气入口，用于接受所述氧化剂供气并将所述氧化剂供气输送到所述混合器-喷射器的所述区域内并通过该区域；以及混合导管，其在所述混合器-喷射器的所述区域之后，用于接受经过所述区域的气体。
19.如权利要求18所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述氧化剂气流中的至少第一气流与第二气流相互之间成一角度。
20.如权利要求18所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述组件包括一个或者多个喷嘴，所述喷嘴配置在所述区域内并且相对于所述氧化剂供气的路线成一定角度布置，所述氧化剂供气的多个部分通过所述一个或者多个喷嘴，以致为所述氧化剂供气形成所述一个或者多个氧化剂气流，使得在所述一个或者多个氧化剂气流中的氧化剂供气与所述阳极排气在所述区域内相互作用，然后所述气体进入所述混合导管中。
21.如权利要求20所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括一个或者多个隔板，该隔板位于所述混合导管内，以促进气体在所述混合导管内的混合。
22.如权利要求20所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述一个或者多个喷嘴包括:第一和第二相对竖向隔开的喷嘴，该喷嘴相互之间成第一角度布置；以及第三和第四相对竖向隔开的喷嘴，第三和第四喷嘴相互之间成第二角度布置，并且与所述第一和第二喷嘴水平隔开。
23.如权利要求22所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括一个或者多个隔板，所述隔板位于所述混合导管内，以促进所述混合导管内的气体混合。
24.如权利要求22所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述第一和第二角度相等。
25.如权利要求20所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括另外的喷嘴，其沿着所述氧化剂供气的路线布置，一部分所述氧化剂供气通过该另外的喷嘴，以形成所述氧化剂供气用的所述氧化剂气流其中之一。
26.如权利要求25所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述一个或者多个喷嘴包括:第一和第二相对竖向隔开的喷嘴，第一和第二喷嘴相对于所述另外的喷嘴成第一和第二角度布置在所述另外喷嘴的上方和下方；以及第三和第四相对水平隔开的喷嘴，第三和第四喷嘴相对于所述另外的喷嘴成第三和第四角度布置在所述另外喷嘴的右边和左边。
27.如权利要求26所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括一个或者多个隔板，所述隔板位于所述混合导管内，以促进气体在所述混合导管内的混合。
28.如权利要求28所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述第一、第二、第三和第四角度相等。
29.如权利要求22所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述组件包括一混合锥，其布置在所述区域内并具有一些表面，这些表面相对于所述氧化剂供气的路线成一定角度布置，所述氧化剂供气冲击所述表面，因此，为所述氧化剂供气形成所述一个或者多个氧化剂气流，使得所述一个或者多个氧化剂气流中的氧化剂供气与所述区域内的所述阳极排气相互作用，然后所述气体进入所述混合导管中；以及
所述混合器-喷射器进一步包括:喷嘴，该喷嘴布置在所述混合锥之前的所述氧化剂供气的路线中，所述氧化剂供气在冲击所述混合锥的所述表面之前通过该喷嘴；以及第一和第二混合旋转器，所述旋转器使通过其中的气体沿着顺时针方向和逆时针方向中的一个方向循环，所述第一旋转器位于所述喷嘴之前的所述氧化剂供气的路线中，而所述第二旋转器位于所述混合锥之后并在从所述混合锥来的气体的路线中。
30.如权利要求29所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述旋转器中的每一个具有多个弯曲叶片。
31.如权利要求29所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括一个或者多个隔板，所述隔板位于所述混合导管内，以促进气体在所述混合导管内的混合。
32.如权利要求18所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述组件的混合器-喷射器进一步包括:混合锥，其布置在所述区域内并具有一些表面，这些表面相对于所述氧化剂供气的路线成一定角度布置，所述氧化剂供气的第一部分冲击所述表面，因此为所述氧化剂供气的所述第一部分形成所述一个或者多个氧化剂气流，使得所述氧化剂供气的所述第一部分处于所述一个或者多个氧化剂气流中，并且进入所述混合导管内；喷嘴，其布置在所述混合锥之前的所述氧化剂供气的路线中，所述氧化剂供气的所述第一部分在冲击所述混合锥的所述表面之前通过该喷嘴；
所述氧化剂供气的第二部分绕着所述喷嘴和所述混合锥通过，并经过间隙进入所述混合导管中；
所述入口具有弯管部分，该部分延伸到所述区域中到达所述混合锥，以将所述阳极排气输送到所述混合锥内，并且所述喷嘴延伸到其中；以及
所述一个或者多个氧化剂气体流中的所述氧化剂供气体的所述第一部分和所述氧化剂供气体的所述第二部分与所述阳极排气在所述混合导管内相互作用。
33.如权利要求32所述的混合器-喷射器，其特征在于，
在所述弯管接合用于所述混合锥的支承的周缘部分的区域外的区域内形成所述间隙。
34.如权利要求32所述的混合器-喷射器，其特征在于，
所述混合器-喷射器进一步包括一个或者多个隔板，所述隔板位于所述混合导管内，以促进气体在所述混合导管内的混合。
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