CN101027810A - 具有流体流再循环的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种发电系统具有用于使排出流再循环的一多喷射器组件。该系统包括具有反应物流入口、反应物流出口和至少一个燃料电池的燃料电池组。加压反应物源向多喷射器组件提供反应物。该多喷射器组件包括两个运动流体入口、一个流体连接到反应物流出口以接收来自燃料电池组的再循环流体的吸入口和一个流体连接到反应物流入口以向燃料电池组提供入口流的排出口。压力调节器插入到加压反应物源和所述多喷射器组件的两个运动流体入口之间。第一电磁阀插入到第一运动流体入口和调节器之间。第二电磁阀插入到第二运动流体入口和调节器之间。旁通阀将加压反应物源连接到第二运动流体入口。旁通电磁阀插入到位于加压反应物源和第二运动流体入口之间的旁通管路中。在低负载工作状态期间，第二电磁阀打开并且第一和旁通电磁阀闭合，使得由调节阀控制的加压反应物被导向第二运动流体入口。在高负载工作状态下，第二电磁阀闭合并且第一和旁通电磁阀打开，使得由调节器控制的加压反应物被导向第一运动流体入口，并且不受调节器控制的加压反应物被导向第二运动流体入口。

Description

具有流体流再循环的燃料电池系统
技术领域
本发明总体上涉及燃料电池系统，并且更特别地涉及具有流体流再循环的燃料电池系统。
背景技术
电化学燃料电池组件转换反应物即燃料和氧化剂以产生电能和反应产物。电化学燃料电池组件通常使用设置在两个电极即阴极和阳极之间的电解质。每个电极通常包括多孔的导电板材和设置在电解质和电极层之间接口处的电催化剂以引起希望的电化学反应。电催化剂的位置通常界定了电化学反应区域。
固态聚合物燃料电池组件典型地使用设置在两个电极层之间由固相聚合物电解质、或离子交换膜构成的膜电极组件(“MEA”)。该膜除了是离子导电(典型地质子导电)材料外，还充当用于使反应物(即燃料和氧化剂)流彼此隔离的屏障。
MEA典型地插入到两个隔板之间以形成燃料电池组件，所述隔板对反应物流体流来说基本上是不可渗透的。所述板用作为集电器而为相邻的电极提供支撑，并且典型地包括用于向MEA供给反应物或用于循环冷却剂的流场通道。所述板典型地被称作流场板(flow fieldplate)。燃料电池组件典型地被压缩以确保所述板和电极之间的良好电接触以及燃料电池部件之间的良好密封。多个燃料电池组件可以串联或并联地电结合在一起以形成燃料电池组。在燃料电池组中，板可以在两个相邻燃料电池组件之间公用，在这种情况下，该板还将两个邻接燃料电池组件的流体流隔开。这种板通常被称为双极板并且可以在每个主要面上分别具有用于引导燃料和氧化剂、或反应物和冷却剂的流体通道。
供应给阳极的所述燃料流典型地包括氢气。例如，燃料流可以是诸如基本上为纯氢气或包含氢气的重整流的气体。供应给阴极的氧化剂流典型地包括氧，例如基本上为纯氧，或者诸如空气的稀释氧气流。
构成组的每个燃料电池典型地充注有处于所需压力下的选定燃料和氧化剂。在一些系统中，所需的压力保持恒定而不管负载需要量如何，而在其他系统中，所需的压力根据负载需要量而变化。然而，在所有的系统中，所需的压力通常由位于反应物源处的调节器控制。这种调节器可以采取许多形式。例如，在反应物来自气体压力高于所需压力的来源的地方，调节器可以采取可变开口阀门系统的形式，其根据需要让较少或较多的流体进入以保持/达到所需的压力：这种调节器典型地称作压力调节器。在另一个实例中，在反应物来自气体压力低于所需压力的来源的地方，调节器可以采取压缩机的形式。在另外一个实例中，在反应物来自气体压力大致等于所需压力的来源的地方，调节器可以采取送风机的形式。系统中可以存在一种以上形式的调节器。例如，Merritt等人的美国专利No.5,441,821公开了一种系统，其中燃料来源于高压源(加压氢气)并且燃料在到达所述组之前由压力调节器控制，而氧化剂来源于低压源(周围环境)并且由空气压缩机控制(即，空气在到达所述组之前被压缩)。
由于所需的压力始终设定为与另一个压力相关，因此压力调节器在差值的基础上工作，所述另一个压力可以为常量(例如，保持/达到高于大气压的期望压力)或者变量(例如，保持/达到高于该系统其他部分中的压力的期望压力，所述其他压力为变量)。例如，在Merritt等人的美国专利No.5,441,821公开的系统中，压缩机设定与恒定压力(周围环境压力)相关的期望的氧化剂压力，而阀式压力调节器根据变化的压力设定期望的燃料流压力，更特别地保持/达到燃料和氧化剂流之间的稳定压力差。
从燃料电池组排出的每个反应物流通常包括有用的反应物产品，诸如水和未消耗的燃料或氧化剂，其可以被燃料电池系统利用。利用这种有用的反应物产品的一种方法就是使排放的反应物流再循环。因此，例如，使氢气排出流再循环到阳极入口导致了更高效的系统，因为其使得由向大气排放未消耗氢气所产生的废物最少。
如Merritt等人的美国专利No.5,441,821中所概述的那样，实现氢气再循环的一个方法是通过使用喷射器，其中，喷射器的运动入口流体连接到加压氢气源上，喷射器的吸入口流体地连接到氢气排放出口并且喷射器的排出口流体连接到燃料电池组的氢气流入口。因此，根据喷射器众所周知的操作，氢气供应流输送(并且因此再循环)相对低压的氢气排出流，并且两股气流在进入燃料电池组的阳极入口前混合。
根据燃料电池组氢气入口流流速的宽度型谱(wide spectrum)，喷射器必须在该范围内工作，人们已经证明了很难设计出令人满意的喷射器。设计一种在最大负载需要量期间向燃料电池组供给所需进口流量的喷射器导致了喷嘴和/或扩散器的喉部太大而不能在低负载需要量期间(例如，空载期间)使所需的氢气再循环。相反地，设计一种在低负载需要量期间使所需氢气再循环的喷射器导致了喷嘴和/或扩散器的喉部太小而不能在高负载需要量期间向燃料电池组供给所需的进口流量。
为了解决上述问题，Tatsuya等人的日本公开文献No.2001-266922中已经提出了一种两级转换喷射器系统，其中，根据在当时占优势的状态使用低流量或高流量喷射器中的任意一个。然而，具有两个分开的喷射器和相关的流体回路导致了在典型的汽车应用中所涉及的空间要求。另外，该系统中的转换点，更具体地当运动流体的流动从低流量喷射器向高流量喷射器切换时，典型地经受再循环的所述流体会急剧减少，通常减少到所需的最小输送等级之下。增加另外的喷射器将减轻转换点问题，但是又会使空间要求的问题更严重。
因此，存在对具有流体流再循环的燃料电池系统的需要，所述再循环在燃料电池组工作状态的整个范围内高效运转，并且解决了在车辆应用中典型相关的一些空间要求。本发明解决了这些及其它需要，并且提供了其它相关的优点。
发明内容
本发明提供了一种用于使燃料电池系统的反应物流体流再循环的装置，该燃料电池系统具有带入口流和排出流的燃料电池组。该装置包括：
-共用吸入腔，其流体连接到吸入口，该吸入口被设置成接收来自燃料电池组的排出流的再循环流体；该共用吸入腔可以大体上为圆柱形；
-低流量喷嘴，其定位在共用吸入腔中并且流体连接低流量运动入口，该低流量运动入口被设置成接收来自燃料电池组的反应物源的第一运动流体；
-低流量扩散器，其流体连接到排出口，该排出口被设置成向燃料电池组提供入口流；
-高流量喷嘴，其定位在共用吸入腔中并且流体连接高流量运动入口，该高流量运动入口被设置成接收来自反应物源的第一运动流体；以及，
-高流量扩散器，其流体连接到排出口。
所述低流量喷嘴和扩散器可被设置成在低负载状态下输送再循环流体并且提供入口流，而所述高流量喷嘴和扩散器可被设置成在高负载状态下输送再循环流体并且提供入口流。
该装置还可以包括：
-超低流量喷嘴，其定位在共用吸入腔中并且流体连接到超低流量运动入口，该超低流量运动入口被设置成接收来自反应物源的第二运动流体；以及，
-超低流量扩散器，其流体连接到排出口。
所述超低流量喷嘴和超低流量扩散器可被设置成在空载状态下输送一部分再循环流体并提供一部分入口流。
该装置还可以包括用于防止流体通过各扩散器返回的单向阀。
本发明还提供了一种发电系统。该系统包括：
-燃料电池组，其包括反应物流入口、反应物流出口和至少一个燃料电池；
-加压反应物源；
-一多喷射器组件，包括：
i)流体连接到加压反应物源的第一运动流体入口，
ii)流体连接到加压反应物源的第二运动流体入口，
iii)流体连接到反应物流出口以接收来自燃料电池组的再循环流体的吸入口，和
iv)流体连接到反应物流入口以向燃料电池组提供入口流的排出口；
-调节器，其流体连接到加压反应物源和所述多喷射器组件的第一和第二运动流体入口并且插入到它们之间，所述调节器用于调节流向所述多喷射器组件的第一运动流体；该调节器可以为压力控制阀；以及，
-第一电磁阀，其流体连接到第二运动流体入口和所述调节器并插入到它们之间。
由本发明提供的发电系统还可以包括：
-第二电磁阀，其流体连接到第二运动流体入口和所述调节器并插入到它们之间；
-旁通管路，其将加压反应物源流体连接到第二运动流体入口，以用于向所述多喷射器组件提供第二运动流体；以及，
-旁通电磁阀，其流体连接到加压反应物源和第二运动流体入口上并插入到位于加压反应物源和第二运动流体入口之间的旁通管路中。
第一运动流体入口可以流体连接到第一喷嘴和扩散器，所述第一喷嘴和扩散器被设置成在高负载状态下输送再循环流体并且提供入口流，而第二运动流体入口可以流体连接到第二喷嘴和扩散器，所述第二喷嘴和扩散器被设置成在低负载状态下输送再循环流体并且提供入口流。
该发电系统还可以包括压力传感器，其用于检测流向所述多喷射器组件的第一运动流体的压力并且用于辅助第一、第二和旁通电磁阀的操作。
本发明还提供了一种操作这种发电系统的方法，其中：
-在低负载工作状态期间，打开第二电磁阀并且关闭第一和旁通电磁阀，使得第一运动流体被导向第二运动流体入口；以及，
-在高负载工作状态期间，闭合第二电磁阀并且打开第一和旁通电磁阀，使得第一运动流体被导向第一运动流体入口并且第二运动流体被导向第二运动流体入口。
该发电系统的多喷射器组件还可以包括流体连接到加压反应物源的第三运动流体入口。第三运动流体入口可以流体连接到第三喷嘴和扩散器，并且所述第三喷嘴和扩散器被设置成在空载状态下输送一部分再循环流体并且提供一部分入口流。
本发明提供的操作该发电系统的方法包括：
-在所有工作状态下，引导第三运动流体从加压反应物源流向第三运动流体入口。
本发明还提供了一种发电系统，包括：
-燃料电池组，其包括被设置成接收第一入口流的第一反应物流入口，被设置成接收第二入口流的第二反应物流入口、第一反应物流出口和至少一个燃料电池；
-加压反应物源；
-一多喷射器组件，包括：
i)流体连接到第一反应物流出口以接收再循环流体的吸入口，
ii)流体连接到第一反应物流入口以提供第一入口流的排出口，
iii)流体连接到加压反应物源的第一运动流体入口，和
iv)流体连接到加压反应物源的第二运动流体入口；
-第一压力调节器，其流体连接到加压反应物源和第一运动流体入口并且插入到它们之间，用于调节流向第一运动流体入口的第一运动流体的压力，其中，第一压力调节器被设置成相对于第二入口流的压力以基本恒定的第一压差保持第一入口流的压力；以及，
-第二压力调节器，其流体连接到加压反应物源和第二运动流体入口并且插入到它们之间，用于调节流向第二运动流体入口的第二运动流体的压力，其中，第二压力调节器被设置成相对于第二入口流的压力以基本恒定的第二压差保持第一入口流的压力，第二压差不同于第一压差。
第一运动流体入口可流体连接到第一喷嘴和扩散器，所述第一喷嘴和扩散器被设置成在高负载状态下输送再循环流体并提供入口流，并且第二运动流体入口可以流体连接到第二喷嘴和扩散器，所述第二喷嘴和扩散器被设置成在低负载状态下输送再循环流体并提供入口流，第一压差小于第二压差。
本发明还提供了一种压力调节器，包括：
-第一参考腔室，其被设置成流体连接到第一流体的参考反馈管路；
-第二参考腔室，其被设置成流体连接到第二流体的参考反馈管路；
-柔性膜，其流体地分隔第一和第二参考腔室，并且受偏压以在第一流体的压力相对于第二流体的压力等于期望压差时处于平衡状态；
-调节器入口，其被设置成流体连接到加压反应物源；
-第一调节器出口；
-第二调节器出口；
-第一通道，其流体连接所述调节器入口和所述第一调节器出口；
-第二通道，其流体连接所述调节器入口和所述第二调节器出口；
-第一可移动杆，其被设置成跟随柔性膜移动，并包括被设置成根据第一可移动杆的位置开启和关闭第一通道的第一塞；和
-第二可移动杆，其被设置成在第一可移动杆已经被柔性膜移动设定距离后跟随第一可移动杆的移动，该第二可移动杆包括被设置成根据第二可移动杆的位置开启和关闭第二通道的第二塞。
所述柔性膜、第一可移动杆和第二可移动杆可以如此布置使得：随着第一流体压力相对于第二流体压力的增加，柔性膜压下第一可移动杆，从而打开第一通道，并且在已经移动设定距离后，第一可移动杆压下第二可移动杆，从而打开第二通道。
第二可移动杆可包括被设置成使第一可移动杆运动并且流体连接调节器入口和第一调节器出口的内部轴向通道，而第一可移动杆可被设置成在被柔性膜移动设定距离后在第二可移动杆的内部轴向通道内部中移动并且与第二可移动杆相接合。
本发明还可以提供一种发电系统，包括：
-燃料电池组，其包括反应物流入口、反应物流出口和至少一个燃料电池；
-加压反应物源；
-一多喷射器组件，包括：
i)流体连接到反应物流出口以接收来自燃料电池组的再循环流体的吸入口，
ii)流体连接到反应物流入口以向燃料电池组提供入口流的排出口；
iii)流体连接到加压反应物源的第一入口，和
iv)流体连接到加压反应物源的第二入口；以及
-上述压力调节器流体连接到加压反应物源和多喷射器组件并且插入到它们之间，其中，所述第一调节器出口流体连接到所述多喷射器组件的第一入口，并且第二调节器出口流体连接到所述多喷射器组件的第二入口。
本发明装置/方法的特定实施例的细节将在下文详细说明中阐述并且在附图中图示说明以提供对该实施例的理解。然而，本领域的技术人员将明白，本发明装置/方法具有其他实施例，和/或可以在不具备下列优选实施例说明中阐述的一些细节的情况下实施。
附图说明
图1是双喷射器的实施例的侧面剖视图。
图2是基于具有用于流体燃料流再循环的双喷射器、调节器和开关电磁阀的发电系统的燃料电池的示意图。
图3是基于具有用于流体燃料流再循环的双喷射器、调节器和三个开关电磁阀的发电系统的燃料电池的示意图。
图4是基于具有用于流体燃料流再循环的三喷射器、调节器和三个开关电磁阀的发电系统的燃料电池的示意图。
图5是基于具有用于流体燃料流再循环的双喷射器、两个调节器的发电系统的燃料电池的示意图。
图5A是在图5的燃料电池系统工作期间，燃料电池系统的压差对负载需要量的理想曲线图。
图6是基于具有用于流体燃料流再循环的双喷射器、双作用调节器的发电系统的燃料电池的示意图。
图7是图6中示意性显示的双作用压力调节器的一个实施例的侧面剖视图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的实施例的双喷射器1。喷射器1包括共用吸入腔2、低流量喷嘴3L和低流量扩散器4L(为了简单起见，其在下文中将被整体性地称为低流量喷射器L)、低流量单向阀5L、高流量喷嘴3H和高流量扩散器4H(为简单起见，其在下文中将被整体性地称为高流量喷射器H)、高流量单向阀5H、流体连接到共用吸入腔2的吸入口6、流体连接到低流量喷嘴3L的低流量运动入口7L、流体连接到高流量喷嘴3H的高流量运动入口7H以及流体连接到低流量扩散器4L和高流量扩散器4H的排出口8。吸入口6配置成接收来自燃料电池组的排出流出口的再循环流体R，低流量运动入口7L和高流量运动入口7H配置成接收来自供应流源的运动流体M，并且排出口8配置成向燃料电池组提供入口流S。入口流S因此由再循环流体R和运动流体M的合流形成。
当与具有两个(或更多)分开的喷射器的系统相比较时，具有共用吸入腔2允许更为紧凑的设计。共用吸入腔2典型地为圆柱形，但不限于这种几何特征。
低流量喷射器L设计成能在燃料电池组工作状态的低负载范围内有效地工作。特别地，低流量喷射器L设计成使得低流量喷嘴3L和低流量扩散器4L尽可能大，并牢记：在空载工作状态下，必须在共用吸入腔2中产生足够的抽吸力以输送再循环流体R且必须提供足够的入口流S。
高流量喷射器H设计成能在燃料电池组工作状态的中到高负载范围内有效地工作。特别地，高流量喷射器H设计成使得高流量喷嘴3H和高流量扩散器4H尽可能小，并牢记：在最大流量状态下，必须在共用吸入腔2中产生足够的抽吸力以输送再循环流体R且必须提供足够的入口流S。最大流量状态不仅包括在燃料电池组满载工作状态期间所必需的流量，而且还包括在净化工作和燃料电池系统压力增加工作期间所必需的流量。
为了避免离开低流量喷射器L或高流量喷射器H中的任意一个的流体通过另一个喷射器返回到共用吸入腔2中，在每个喷射器的出口处设置有单向阀。在该实施例中，低流量和高流量单向阀5L和5H分别布置在扩散器4L和4H的端部，所述单向阀是允许射流SL和SH分别从扩散器4L和4H流出的简单的瓣阀，但是对流入没有影响。射流SL和/或射流SH产生入口流S。
为了不使用单向阀，可将单个的扩散器放置在低流量喷嘴3L和高流量喷嘴3H的下游，即共用吸入腔2将流体地连接到单个扩散器上，所述扩散器再产生入口流S。然而，将一个以上的喷嘴与单个扩散器对准是成问题的：流出喷嘴并且偏离扩散器的中心轴线而进入扩散器的任何流体都将导致流量优化方面的减弱。另外，每个喷嘴与特定的扩散器配置一起最佳地工作：具有用于两个喷嘴的单个扩散器也可以导致流量优化方面的减弱。
出于在各种因素中的制造简化的考虑，低流量喷嘴3L和高流量喷嘴3H典型地为亚音速的(即，低流量喷嘴3L和高流量喷嘴3H不能产生超音速流)。然而，应该明白根据本发明，超音速喷嘴是可能的。因此，在一个实施例(亚音速喷嘴)中，低流量喷射器L具有阻塞点，超过该阻塞点，流向低流量喷射器L的运动流体M的增加导致了在低流量喷射器L的抽吸功率和入口流S的流量方面较低的增长率。因此，转换点T典型地出现在低流量喷射器L开始堵塞运动流体M的位置点周围，运动流体M的路径在所述转换点处从低流量喷射器L切换到高流量喷射器H。然而，应当理解，转换点T可以出现在其它位置点。
当运动流体M从低流量喷射器L切换到高流量喷射器H时，由于高流量喷射器H需要比低流量喷射器L更低压力的运动流体M以产生相同的入口流S，因此运动流体M的压力降低。从转换点T向前，运动流体M(现在被导向高流量喷射器H)的压力随后开始再次增加直到满负载状态为止。运动流体M的压力在达到转换点T时减小所引起的问题是共用吸入腔2中的抽吸力(现在由高流量喷射器H产生)经历了下降，其导致了暂时的抽吸力不充足(“转换点T问题”)：只有随着运动流体M的压力再次开始增加，共用吸入腔2中所必需的吸力将由高流量喷射器H产生。
使运动流体M从转换点T向前(与将运动流体M从低流量喷射器L切换到高流量喷射器H相反)供给低流量喷射器L和高流量喷射器H不能令人满意地帮助解决转换点T问题，参考图2，在下文将对该内容进行更详细的解释。
图2显示了在燃料电池组系统的阳极侧上工作的双喷射器1，在该位置处，所需的燃料流压力将与氧化剂流保持希望的稳定压差。这种差值可以为零或负值，但是因为由于MEA失效造成的燃料向氧化剂流中的泄漏优选地为氧化剂向燃料流中的泄漏，因此，这种差值典型地为正值(即，燃料流压力高于氧化剂流压力)。
在图2所示的实施例中，燃料来源于高压源(加压氢气)并且由压力调节器9控制。压力调节器9被设置成保持阳极入口流AIS和阴极入口流CIS之间所需的稳定压差(出于简化的考虑，阴极入口流CIS的源头没有显示在图2中)。压力调节器9控制被导向双喷射器1的运动流体M，并且开关电磁阀8H控制运动流体M向高流量喷射器H的供给。图2中所述系统如下所述地工作：从空载状态向上，调节器9控制被导向低流量喷射器L的运动流体M。当达到转换点T时，电磁阀8H打开。在当前实施例中，转换点T相对于运动流体M的压力确定。因此，测量运动流体M压力的压力传感器P控制电磁阀8H。然而，应该理解，转换点T可以相对于诸如调节器9的状态或阳极入口流AIS的压力增长率的其它因素确定，在这种情况下，除了压力传感器P之外的其它装置将控制电磁阀8H的打开与关闭。
随着到达转换点T及电磁阀8H的打开，调节器9自动地减小运动流体M的压力(实际上，为了产生随着到达转换点T而发生的相同的入口流S，现在需要供应给高流量喷射器H的运动流体M的压力低于需要供应给低流量喷射器L的运动流体的压力)。调节器9随后开始再次增加运动流体M的压力，直到到达满负载状态为止。然而，因为由供应低压运动流体M的低流量喷射器L引起的共用吸入腔2中的吸力降低通常不能由高流量喷射器H利用这种低压运动流体M产生的吸力所补偿(从而在共用吸入腔2中存在不能接受的吸力降)，所以这不能令人满意地解决转换点T的问题。
在低流量喷射器L和高流量喷射器H之间增加另外的喷射器是解决转换点T问题的一个选择，所有的喷射器共同使用共用吸入腔(即，具有三或四个喷射器)。然而，这种选择可能产生制造和空间布置的问题。另一种选择是利用调节器19和三个开关电磁阀(18H，18L和18B)，如图3所示。根据该实施例的双喷射器1的操作如下所述。
以空载流量状态(低负载状态)起动，旁通电磁阀18B和高流量电磁阀18H关闭，同时低流量电磁阀18L打开。因此，由调节器19控制的第一运动流体M1仅仅被导向低流量喷射器L(通过低流量运动入口17L)。当到达转换点T时，低流量电磁阀18L闭合并且高流量电磁阀18H打开，使得由调节器19控制的第一运动流体M1被导向高流量喷射器H(通过高流量运动入口17H)：出于上文解释的原因，当将第一运动流体M1从低流量喷射器L切换到高流量喷射器H时(即，当到达转换点T时)，调节器19降低第一运动流体M1的压力并且随后开始再次增加该压力。然而，由于下述原因，共用吸入腔2中不会出现随之产生的典型的吸力降。
与到达转换点T时大致相同的时刻，旁通电磁阀18B打开，使得第二运动流体M2被导向低流量喷射器L(通过旁通管路20)。尽管其可以相对于其它因素确定，但是在本实施例中，转换点T相对于第一运动流体M1的压力通过压力传感器P确定。更具体地，当由调节器19控制的第一运动流体M1的压力与供给的加压氢气的压力基本相同时，转换点T出现。因此，当转换点T出现时，因为基本与供给的加压氢气的流量相同的第一运动流体M1被基本与供给的加压氢气的流量相同的第二运动流体M2所代替，因此低流量电磁阀18L的闭合和旁通电磁阀18B的打开导致了向低流量喷射器L基本没有进给变化。因此，低流量喷射器L持续提供共用吸入腔2中所需的吸力和所需的阳极入口流AIS。因此，当出现转换点T时，在调节器19的作用下产生的第一运动流体M1的压力减小不会在共用吸入腔2中导致不能令人满意的吸力降。通过转换点T后，调节器19随后开始增加第一运动流体M1的压力，使得高流量喷射器H开始逐渐加大阳极入口流AIS以及共用吸入腔2中所需的吸力。
上文概括的并在图3中所示的系统潜在的原理也可以应用于多喷射器(例如三或四个喷射器)。实际上，将使用全流量的低流量喷射器作为正在使用的高流量喷射器的供给原理不内在地局限于双喷射器。然而，随着喷射器数目的增加，调节器和电磁阀的数目也增加，从而产生空间布置的问题。
尽管上述实施例可以适当地处理典型的汽车应用中的向上瞬变(up-transient)状态，但是在严重的向下瞬变(down-transient)状态中也会出现问题。实际上，参考图3，快速的负载降低不仅导致高流量电磁阀18H和旁通电磁阀18B关闭和低流量电磁阀18L打开，而且还导致调节器19暂时关闭。尽管这将解决快速减小阳极入口流AIS的供应的需求，但是它将导致再循环流体R不希望的中断。如图4所示，该问题可以通过增加恒定供给第三运动流体M3的超低流量喷射器UL来解决，所述第三运动流体基本与供给的加压氢气的流量相同，而不论工作状态如何(从而产生三喷射器10)。在一个实施例中，超低流量喷射器UL的喷嘴与低流量喷射器L和高流量喷射器H一起布置在共用吸入腔2中，并且从节约空间的角度来说处于最有效的位置。然而，使超低流量喷射器UL的喷嘴定位在根据本发明的另一个吸入腔中是可能的。超低流量喷射器UL设计为能供应空载要求的百分比并且还提供共用吸入腔2中所必需的吸力以保持最小量的再循环流体R。
因为超低流量喷射器UL恒定地供应高压流，所以通常不存在使从低流量喷射器L或高流量喷射器H任意一个流出的流体通过超低流量喷射器UL返回到共用吸入腔2中的可能性。因此，通常不需要布置在超低流量喷射器UL下游端的单向阀。然而，应该理解，燃料电池系统的特殊性可以要求在超低流量喷射器UL的下游端布置单向阀。
应当指出，根据本发明，由阀式调节器和下游开关电磁阀所执行的功能可以组合在诸如燃料喷射器的脉冲宽度调制阀中。例如，参考图4，通过用脉冲宽度调制阀代替开关电磁阀(即，18H和18L)，调节器19可以被去掉。不仅达到低流量喷射器L/高流量喷射器H的运动流体M的压力可以由调制阀(通过改变脉冲宽度)控制，而且运动流体M是否到达低流量喷射器L和/或高流量喷射器H也可以被控制(通过使调制阀闭合或工作)。
另一种解决转换点T问题的方法是利用第二调节器替换图3和4中显示的三个开关电磁阀(18H，18L和18B)，并且每个调节器被设置成保持阳极入口流AIS和阴极入口流CIS之间的不同的期望稳定压差。图5显示了这种变化如何应用到图3显示的系统中(但是应当理解，可以类似地改变图4所示的系统)。
参考图5，高流量调节器29H流体地连接到高流量运动入口17H上并且控制被导向高流量喷射器H的运动流体MH，而低流量调节器29L流体地连接到低流量运动入口17L并且控制被导向低流量喷射器L的运动流体ML。高流量调节器29H配置成保持期望的稳定压差PDH并且低流量调节器配置成保持期望的稳定压差PDL，并且稳定压差PDH低于稳定压差PDL(PDH＜PDL)。例如，高流量调节器29H可被设置成保持阳极入口流AIS的压力比阴极入口流CIS的期望稳定压力高1磅/平方英寸(psi)(即，期望稳定压差PDH是+1psi)，并且低流量调节器29L可被设置成保持阳极入口流AIS的压力比阴极入口流CIS的期望稳定压力高4psi(即，期望稳定压差PDL是+4psi)。
参考图5和5A，后者为在图5所示的燃料电池系统工作期间，燃料电池系统的压差对负载需要量的理想曲线图，燃料电池系统将按照下列方式工作。参考图5A的线A，在低负载需要量处，该系统将在较高的稳定压差PDL下工作(即，参考上述实例，该系统将在+4psi压差下工作)。随着负载需要量增大，低流量调节器29L打开以保持该较高的稳定压差PDL，即，低流量调节器29L将改变运动流体ML。同时，高流量调节器29H在其检测到比其正试图保持的压差(PDH)高的压差(PDL)时仍然闭合，即，高流量调节器29H不会引导任何运动流体MH到高流量喷射器H中。当低流量调节器29L完全打开时，负载需要量进一步的增加导致了该系统压差的下降(由于与阴极入口流CIS的压力增加相比，阳极入口流AIS的压力不再能令人满意地增加)。一旦这种压差试图低于较低的稳定压差PDH(即，参照上述实例，一旦系统的压差试图低于+1psi压差)，高流量调节器29H开始打开以保持这种较低的压差PDH(即，高流量调节器29H将改变运动流体MH)。同时，在试图(attemping)但未成功地使压差恢复到较高的稳定压差PDL时，低流量调节器29L保持完全打开(即，参照上述实例，低流量调节器29L试图但未成功地增加阳极入口流AIS的压力从而比阴极入口流CIS的压力高4psi)。该实施例在转换点T当运动流体ML的压力进一步的增加导致阳极入口流AIS的压力未充分增加时出现的地方是有利的。它的优点在于不需要图3和4所示实施例中的必需的电路。然而，该实施例在转换点T在运动流体ML的压力进一步的增加导致阳极入口流AIS的压力未充分增加之前出现的地方是没有好处的。另外，该实施例在以变化的期望稳定压差工作的燃料电池中是没有优势的，所述工作可能会导致不希望的不稳定性。
应当理解，根据本发明，负的期望稳定压差是可能的。例如，高流量调节器29H可以配置成保持阳极入口流AIS的压力比阴极入口流CIS的期望稳定压力低4磅/平方英寸(psi)(即，期望稳定压差PDH是-4psi)。低流量调节器29L能因此配置成保持阳极入口流AIS的压力比阴极入口流CIS的期望稳定压力低1psi(即，期望稳定压差PDL是-1psi)，使得稳定压差PDH保持低于稳定压差PDL(PDH＜PDL)。该可选的实施例由图5A中的线B表示。
另一种解决转换点T问题的方法是用双作用压力调节器替换图3和4中显示的三个开关电磁阀(18H，18L和18B)和调节器(9或19)，所述双作用压力调节器将在下文详细描述。图6显示了这种变化如何应用到图3显示的系统中(但是应当理解，可以类似地改变图4中显示的系统)。参照图6，双作用压力调节器800具有流体连接到高压源(加压氢气)的入口801，和两个出口即高流量出口802和低流量出口803。高流量出口802流体连接到高流量运动入口17H并且向高流量喷射器H供给运动流体MH，而低流量出口803流体连接到低流量运动入口17L并且向低流量喷射器L供给运动流体ML。如下文将具体解释的那样，双作用压力调节器800调节运动流体MH和运动流体ML以保持阳极入口流AIS和阴极入口流CIS之间的期望稳定压差。
图7是图6中示意性显示的双作用压力调节器800的实施例的侧面剖视图。如上所述，压力调节器800具有流体连接到高压源的调节器入口801，和高、低流量出口802和803，所述流量出口分别连接到图6所示的高流量喷射器M和低流量喷射器L。压力调节器800还具有流体连接调节器入口801和低流量出口803的第一通道805，和流体连接调节器入口801和高流量出口802的第二通道804。另外，压力调节器800流体连接到来自阳极入口流AIS的参考燃料反馈管路830和来自阴极入口流CIS的参考氧化剂反馈管路850。
在工作中，参考燃料反馈管路830供给入燃料参考腔室831中并且参考氧化剂反馈管路850供给入氧化剂参考腔室851中。燃料和氧化剂参考腔室831和851被偏压的柔性膜840流体地隔开，每当所述两个腔室(831和851)之间的压差与阳极入口流AIS和阴极入口流CIS之间的期望稳定压差基本相同时，所述柔性膜处于平衡状态(为了清晰起见，偏压装置没有显示在图7中)。
压力调节器800可以有利地用于一系统中，在该系统中，第一流中的期望压力根据负载需要量设定并且第二流中的期望压力变化以保持第一和第二流之间的期望稳定压差。例如，在一系统中，所期望的氧化剂压力根据负载需要量设定，并且所期望的燃料流压力可以被压力调节器800调节以保持燃料流和氧化剂流之间的期望稳定压差。
在这样的系统中，负载增加导致氧化剂压力增加，所述氧化剂压力的增加导致参考燃料流压力相对于参考氧化剂流压力的降低。因此，柔性膜840朝燃料参考腔室831移动。柔性膜840接触第一可移动杆810的第一端811并且压下第一可移动杆810并因此压下第一塞815。第一塞815可以为圆锥形使得其在第一通道805中的运动而导致该第一通道逐渐开启(或闭合)。因此，柔性膜840的运动逐渐打开第一通道805并且将加压燃料流通过低流量出口803导向低流量喷射器L。
第一可移动杆810定位在第二可移动杆820的内部轴向通道中，使得通过第二可移动杆820中未被第一可移动杆810占据的通道容积在调节器入口801和低流量出口803之间进行流体连接。第二可移动杆820中未被第一可移动杆810所占据的容积必须足够大以允许足够的流体从调节器入口801向低流量出口803流动。
第一塞815将持续打开第一通道805直到燃料流和氧化剂流之间的期望稳定压差恢复为止，在该位置处，柔性膜840将停止移动并且停留在新的平衡点。
然而，对于特定的载荷增加来说，打开第一通道805完全不会恢复燃料流和氧化剂流之间的期望稳定压差(即，低流量喷射器L不能再恢复期望的稳定压差)。因此，柔性膜840将继续其朝向燃料参考腔室831的运动。在移动一设定距离X之后，第一可移动杆810的凸起813接触第二可移动杆820的第一端部821。在图7所示实施例中，凸起813具有平坦的下部，其形状被制成与第一端部821令人满意地接触。然而，应当理解，不同形状的组合是可能的。另外，在图7所示实施例中，距离X被设置成使得当凸起813接触第一端部821时，第一通道805完全打开。然而，应当理解，距离X被设置成当到达转换点T时，凸起813接触第一端部821，如上所述，该转换点可以出现在不同的位置。
在图7所示的实施例中，当第一可移动杆810的凸起813接触第二可移动杆820的第一端部821时，调节器入口801和低流量出口803之间的流体连接被干扰。因此，在第二可移动杆820的第一端部821中存在开口860。然而，应当理解，根据本发明，可能存在不会干扰调节器入口801和低流量出口803之间的流体连接的凸起，所以第二可移动杆820的第一端部821没有开口860是可能的。
在凸起813接触第二可移动杆820的第一端部821之后，柔性膜840朝向燃料参考腔室831的进一步移动压下第二可移动杆820，并因此压下第二塞825。第二塞825可以为圆锥形使得其在第二通道804中运动而导致该第二通道逐渐打开(或闭合)。因此，柔性膜840在凸起813接触第二可移动杆820的第一端部821之后的运动逐渐打开第二通道并且将加压燃料流通过高流量出口802导向高流量喷射器H。第二塞825将继续打开第二通道804直到燃料流和氧化剂流之间的期望稳定压差恢复为止，在该位置处，柔性膜840将停止移动并且停留在新的平衡点。
如图7中进一步显示的那样，第一塞815和第二塞825分别接合第一和第二弹簧装置818和828。第一和第二弹簧装置818和828能够使前述过程反向重复(即，处于负载减小状态)。第一和第二弹簧装置818和828还有助于当相关的可移动杆(即，第一和第二可移动杆810和820)不被压下时，使燃料不渗过相关的塞(即第一和第二塞815和825)；然而，应注意到，这主要由流体连接到第一和第二塞815和825(通过调节器入口801)的高压源的作用实现。
为了不过度干扰该偏压装置，第一和第二弹簧装置818和828产生明显小于该偏压装置的作用力，每当两个腔室(831和851)之间的压差基本等于阳极入口流AIS和阴极入口流CIS之间的期望稳定压差时，所述偏压装置确保存在平衡状态。
尽管图7所示的实施例被设置成调节流向双喷射器的流量，但是应当理解，本发明不局限于该实施例。实际上，该实施例可以通过增加另外的可移动杆和相连的塞子改变为调节多个喷射器(例如，三或四个喷射器)，所述塞子逐渐打开另外的通道并且将加压燃料流通过另外的出口导向其他喷射器。
此外，尽管前述实施例涉及流体燃料流再循环的发电系统，但是应当理解，喷射器还可以结合到基于使用基本为纯氧的发电系统的燃料电池中，作为氧化剂流的纯氧来源于高压源，并且所述喷射器用于使排出的氧化剂流再循环。从这一点上来说，在上文阐述的关于流体燃料流的喷射器再循环的基本相同的原理可以应用到流体氧化剂流的喷射器再循环中。
由上述内容应当理解，尽管出于说明目的已经在此描述了本发明具体的实施例，但是在不偏离本发明精神和范围的条件下可以进行各种改变。因此，本发明只由所附权利要求限定。

Claims (27)

1.一种用于使燃料电池系统的反应物流体流再循环的装置，该燃料电池系统具有带入口流和排出流的燃料电池组，所述装置包括：
共用吸入腔，其流体连接到吸入口，该吸入口被设置成接收来自燃料电池组的排出流的再循环流体；
低流量喷嘴，其定位在共用吸入腔中并且流体连接到低流量运动入口，该低流量运动入口被设置成接收来自反应物源的第一运动流体；
低流量扩散器，其流体连接到排出口，该排出口被设置成向燃料电池组提供入口流；
高流量喷嘴，其定位在共用吸入腔中并且流体连接到高流量运动入口，该高流量运动入口被设置成接收来自燃料电池组的反应物源的所述第一运动流体；以及
高流量扩散器，其流体连接到排出口。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述共用吸入腔基本为为圆柱形。
3.如权利要求1所述的装置，还包括：
用于防止流体通过低流量扩散器返回的低流量单向阀；和
用于防止流体通过高流量扩散器返回的高流量单向阀。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述低流量喷嘴和低流量扩散器配置成在低负载状态下输送再循环流体并提供入口流；并且
所述高流量喷嘴和高流量扩散器配置成在高负载状态下输送再循环流体并提供入口流。
5.如权利要求4所述的装置，还包括：
用于防止流体通过低流量扩散器返回的低流量单向阀；和
用于防止流体通过高流量扩散器返回的高流量单向阀。
6.如权利要求1所述的装置，还包括：
超低流量喷嘴，其定位在共用吸入腔中并且流体连接到超低流量运动入口，该超低流量运动入口被设置成接收来自反应物源的第二运动流体；以及
超低流量扩散器，其流体连接到排出口。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述共用吸入腔基本为圆柱形。
8.如权利要求6所述的装置，还包括：
用于防止流体通过低流量扩散器返回的低流量单向阀；和
用于防止流体通过高流量扩散器返回的高流量单向阀。
9.如权利要求8所述的装置，还包括用于防止流体通过超低流量扩散器返回的超低流量单向阀。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述低流量喷嘴和低流量扩散器配置成在低负载状态下输送再循环流体并提供入口流；
所述高流量喷嘴和高流量扩散器配置成在高负载状态下输送再循环流体并提供入口流；并且
所述超低流量喷嘴和超低流量扩散器配置成在空载状态下输送一部分再循环流体并提供一部分入口流。
11.如权利要求10所述的装置，还包括：
用于防止流体通过低流量扩散器返回的低流量单向阀；和
用于防止流体通过高流量扩散器返回的高流量单向阀。
12.如权利要求10所述的装置，还包括用于防止流体通过超低流量扩散器返回的超低流量单向阀。
13.一种发电系统，包括
燃料电池组，该燃料电池组包括反应物流入口、反应物流出口和至少一个燃料电池；
加压反应物源；
多喷射器组件，包括：
流体连接到加压反应物源的第一运动流体入口，
流体连接到加压反应物源的第二运动流体入口，
流体连接到反应物流出口以接收来自燃料电池组的再循环流体的吸入口，和
流体连接到反应物流入口以向燃料电池组提供入口流的排出口；
调节器，其流体连接到加压反应物源和所述多喷射器组件的第一和第二运动流体入口并且插入到它们之间，所述调节器用于调节流向所述多喷射器组件的第一运动流体；和
流体连接到第二运动流体入口和调节器并插入到它们之间的第一电磁阀。
14.一种发电系统，包括：
燃料电池组，该燃料电池组包括反应物流入口、反应物流出口和至少一个燃料电池；
加压反应物源；
多喷射器组件，包括：
流体连接到加压反应物源的第一运动流体入口，
流体连接到加压反应物源的第二运动流体入口，
流体连接到反应物流出口以接收来自燃料电池组的再循环流体的吸入口，和
流体连接到反应物流入口以向燃料电池组提供入口流的排出口；
调节器，其流体连接到加压反应物源和所述多喷射器组件的第一和第二运动流体入口并且插入到它们之间，所述调节器用于调节流向所述多喷射器组件的第一运动流体；
流体连接到第一运动流体入口和所述调节器并插入到它们之间的第一电磁阀；
流体连接到第二运动流体入口和所述调节器并插入到它们之间的第二电磁阀；
将加压反应物源流体连接到第二运动流体入口的旁通管路，用于向所述多喷射器组件提供第二运动流体；以及
流体连接到加压反应物源和第二运动流体入口并插入到位于加压反应物源和第二运动流体入口之间的旁通管路中的旁路电磁阀。
15.如权利要求14所述的发电系统，其特征在于：
第一运动流体入口流体连接到第一喷嘴和扩散器，并且所述第一喷嘴和扩散器配置成在高负载状态下输送再循环流体并提供入口流；并且
第二运动流体入口流体连接到第二喷嘴和扩散器，所述第二喷嘴和扩散器配置成在低负载状态下输送再循环流体并提供入口流。
16.如权利要求14所述的发电系统，其特征在于，所述调节器为压力控制阀，其用于调节流向所述多喷射器组件的第一运动流体的压力。
17.如权利要求16所述的发电系统，还包括压力传感器，其用于检测流向多喷射器组件的第一运动流体的压力并且用于辅助第一、第二和旁通电磁阀的操作。
18.如权利要求14所述的发电系统，其特征在于，所述多喷射器组件还包括流体连接到加压反应物源的第三运动流体入口。
19.如权利要求18所述的发电系统，其特征在于：
第一运动流体入口流体连接到第一喷嘴和扩散器，所述第一喷嘴和扩散器配置成在高负载状态下输送再循环流体并提供入口流；
第二运动流体入口流体连接到第二喷嘴和扩散器，所述第二喷嘴和扩散器配置成在低负载状态下输送再循环流体并提供入口流；以及
第三运动流体入口流体连接到第三喷嘴和扩散器，所述第三喷嘴和扩散器配置成在空载状态下输送一部分再循环流体并提供一部分入口流。
20.一种用于操作如权利要求14所述的发电系统的方法，包括：
在低负载操作状态期间，打开第二电磁阀并且关闭第一和旁通电磁阀，使得第一运动流体被导向第二运动流体入口；以及
在高负载操作状态期间，闭合第二电磁阀并且打开第一和旁通电磁阀，使得第一运动流体被导向第一运动流体入口并且第二运动流体被导向第二运动流体入口。
21.一种用于操作如权利要求18所述的发电系统的方法，包括：
在低负载操作状态期间，打开第二电磁阀并且关闭第一和旁通电磁阀，使得第一运动流体被导向第二运动流体入口；
在高负载操作状态期间，闭合第二电磁阀并且打开第一和旁通电磁阀，使得第一运动流体被导向第一运动流体入口并且第二运动流体被导向第二运动流体入口；以及
在所有操作状态下，将第三运动流体从加压反应物源导向第三运动流体入口。
22.一种发电系统，包括：
燃料电池组，包括被设置成接收第一入口流的第一反应物流入口、被设置成接收第二入口流的第二反应物流入口、第一反应物流出口和至少一个燃料电池；
加压反应物源；
多喷射器组件，包括：
流体连接到第一反应物流出口以接收再循环流体的吸入口，
流体连接到第一反应物流入口以提供第一入口流的排出口，
流体连接到加压反应物源的第一运动流体入口，和
流体连接到加压反应物源的第二运动流体入口；
第一压力调节器，其流体连接到加压反应物源和第一运动流体入口并且插入到它们之间，用于调节流向第一运动流体入口的第一运动流体的压力，其中，第一压力调节器配置成相对于第二入口流的压力以基本恒定的第一压差保持第一入口流的压力；以及
第二压力调节器，其流体连接到加压反应物源和第二运动流体入口并且插入到它们之间，用于调节流向第二运动流体入口的第二运动流体的压力，其中，第二压力调节器配置成相对于第二入口流的压力以基本恒定的第二压差保持第一入口流的压力，
其中，第一压差不同于第二压差。
23.如权利要求22所述的发电系统，其特征在于：
第一运动流体入口流体地连接到第一喷嘴和扩散器，所述第一喷嘴和扩散器配置成在高负载状态下输送再循环流体并提供入口流；
第二运动流体入口流体地连接到第二喷嘴和扩散器，所述第二喷嘴和扩散器配置成在低负载状态下输送再循环流体并提供入口流；并且
第一压差小于第二压差。
24.一种压力调节器，包括：
第一参考腔室，其被设置成流体地连接到第一流体的参考反馈管路；
第二参考腔室，其被设置成流体地连接到第二流体的参考反馈管路；
柔性膜，其流体地分隔第一和第二参考腔室，并且受偏压以在第一流体的压力相对于第二流体的压力等于期望压差时处于平衡状态；
调节器入口，其被设置成流体地连接到加压反应物源；
第一调节器出口；
第二调节器出口；
第一通道，其流体地连接调节器入口和第一调节器出口；
第二通道，其流体地连接调节器入口和第二调节器出口；
第一可移动杆，其被设置成跟随柔性膜的运动，该第一可移动杆包括有被设置成根据第一可移动杆的位置开启和关闭所述第一通道的第一塞；以及
第二可移动杆，其被设置成在第一可移动杆已经被柔性膜移动设定距离后跟随第一可移动杆的运动，该第二可移动杆包括被设置成根据第二可移动杆的位置开启和关闭所述第二通道的第二塞。
25.如权利要求24所述的压力调节器，其特征在于，所述柔性膜、第一可移动杆和第二可移动杆如此布置使得：随着第一流体的压力相对于第二流体的压力增加，柔性膜压下第一可移动杆，从而打开第一通道，并且在已经移动所述设定距离后，第一可移动杆压下第二可移动杆，从而打开第二通道。
26.如权利要求24所述的压力调节器，其特征在于，
第二可移动杆包括内部轴向通道，该内部轴向通道被设置成允许第一可移动杆运动并且流体连接调节器入口和第一调节器出口；
第一可移动杆被设置成在被柔性膜移动所述设定距离后在第二可移动杆的内部轴向通道中移动并与第二可移动杆相接合。
27.一种发电系统，包括：
燃料电池组，包括反应物流入口、反应物流出口和至少一个燃料电池；
加压反应物源；
多喷射器组件，包括：
流体连接到反应物流出口以接收来自燃料电池组的再循环流体的吸入口，
流体连接到反应物流入口以向燃料电池组提供入口流的排出口，
流体连接到加压反应物源的第一入口，和
流体连接到加压反应物源的第二入口；和
流体连接到加压反应物源和所述多喷射器组件并插入到它们之间的、根据权利要求24的压力调节器，
其中，第一调节器出口流体地连接到所述多喷射器组件的第一入口并且第二调节器出口流体地连接到所述多喷射器组件的第二入口。
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