CN116581351A - 包含喷嘴结构的用于燃料电池堆的反应物进料和回料总成 - Google Patents

包含喷嘴结构的用于燃料电池堆的反应物进料和回料总成 Download PDF

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Abstract

提供用于促进固体氧化物燃料电池SOFC堆系统中的反应物进料流动的反应物进料和回料总成的各种实施例，例如阳极分流板ASP。实施例包含反应物进料和回料总成，其沿着反应物进料到燃料电池堆的流动路径包含至少一个喷嘴结构。所述至少一个喷嘴结构可包含沿着所述反应物的所述流动路径减小的宽度尺寸。所述总成的所述至少一个喷嘴结构可在所述反应物进料进入相邻燃料电池堆时加速所述反应物进料，并且可以为所述反应物进料提供足够的动能以抵消沿着穿过所述燃料电池堆的反应物流动路径的粘性阻力增加的影响。

Description

包含喷嘴结构的用于燃料电池堆的反应物进料和回料总成
技术领域
本公开的实施例大体上涉及燃料电池系统，且尤其涉及具有喷嘴的进料和回料总成。
背景技术
燃料电池是可将存储于燃料中的能量以高效率转化成电能的电化学装置。电解槽电池是可使用电能还原例如水等给定材料以产生例如氢等燃料的电化学装置。燃料电池和电解槽电池可包括在燃料电池和电解模式两者下操作的可逆电池。
在例如固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的高温燃料电池系统中，使氧化流穿过燃料电池的阴极侧，同时使燃料流穿过燃料电池的阳极侧。氧化流通常是空气，而燃料流可以是烃燃料，例如甲烷、天然气、氢气、丙烷、乙醇或甲醇。在750℃至950℃之间的典型温度下运行的燃料电池能够将氧和游离氢结合，留下多余的电子。多余的电子穿过阳极与阴极之间的完整电路引导回燃料电池的阴极侧，从而导致电流流过所述电路。
燃料电池堆可在内部或外部针对燃料和空气实现歧管化。在内部歧管化堆中，利用堆内所含的提升管将燃料和空气分配给每个电池。换句话说，气体流动穿过每个燃料电池的支撑层(例如，电解质层)中的开口或孔和每个电池的气体分隔器。在外部歧管化堆中，在燃料和空气入口侧和出口侧，堆为开放的，且燃料和空气独立于堆硬件引入和收集。例如，入口和出口的燃料和空气在堆与堆所位于的歧管外壳之间的单独通道中流动。一些燃料电池堆可在内部针对第一反应物(例如，燃料)歧管化，并且在外部针对第二反应物(例如，空气)歧管化。
燃料电池电力产生系统可包含一或多个燃料电池堆和分配系统，所述分配系统将反应物流动流提供到堆中每个燃料电池的适当位置并且从燃料电池和堆中去除废气流。
发明内容
实施例包含一种用于燃料电池堆系统的反应物进料和回料总成，其包括：所述反应物进料和回料总成中的反应物进料开口；所述反应物进料和回料总成中的反应物出料开口；所述反应物进料和回料总成内的反应物进料通道，其与反应物进料管道流体连通；至少一个喷嘴结构，其与所述反应物进料通道和燃料电池堆的入口提升管通道流体连通，所述至少一个喷嘴结构的宽度尺寸沿着反应物穿过至少一个喷嘴结构流到所述入口提升管通道的方向减小；以及所述反应物进料和回料总成内的反应物出料通道，其与所述反应物出料管道流体连通。
其它实施例包含一种燃料电池堆系统，其包括：柱，其包括至少第一燃料电池堆和第二燃料电池堆；以及反应物进料和回料总成，其位于所述柱中的所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间。所述反应物进料和回料总成与所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆流体连通，并且被配置成向所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的每一者提供反应物进料以及从所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的每一者接收反应物出料，并且其中所述反应物进料和回料总成沿着所述反应物进料的流动路径包括至少一个喷嘴结构，所述至少一个喷嘴结构的宽度尺寸沿着所述反应物进料的所述流动路径的方向减小。
附图说明
图1是现有技术SOFC堆总成的透视图。
图2是现有技术SOFC堆的透视图。
图3是现有技术SOFC堆的示意性侧视横截面图。
图4是现有技术SOFC堆的侧视横截面图。
图5A-5B是SOFC端板中的现有技术燃料流的透视图。
图6A是用于SOFC堆柱的反应物进料和回料总成的分解视图。
图6B是示出反应物进料和回料总成和位于反应物进料和回料总成的上表面上的SOFC堆的透视图。
图7是通过图6B的阳极反应物进料和回料总成在柱中分离的一对燃料电池堆的随柱高度而变的温度分布曲线图。
图8A是根据本公开的实施例的阳极反应物进料和回料总成的顶部透视图。
图8B是总成的局部剖视图，示出图8A的区B。
图8C是沿着图8A中的线C-C'的总成的局部侧视横截面图。
图9是根据本公开的实施例的阳极反应物进料和回料总成的局部侧视横截面图。
图10是示出随柱高度而变的燃料电池堆的比较燃料利用率(FU)分配的曲线图，其中使用了比较阳极进料和回料总成以及根据本公开实施例的阳极进料和回料总成。
具体实施方式
并入本文并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的示例实施例，并且与上文给出的总体描述和下文给出的详细描述一起用于解释本发明的特征。
图1是现有技术SOFC堆总成200的局部分解透视图。在此实施例中，SOFC堆总成200包含多个燃料电池堆14，所述燃料电池堆在内部针对燃料歧管化且在外部针对空气歧管化，但应理解，也可以使用其它配置，例如在内部针对空气歧管化且在外部针对燃料歧管化的系统或在内部针对燃料和空气两者歧管化的系统。
如图1所示，楔形陶瓷侧挡板220(例如，在水平方向上具有不均匀厚度和大致三角形横截面形状)位于相邻燃料电池堆14(或燃料电池堆柱201)之间，其中一个侧挡板围封于区域A中。挡板220用于将阴极进料引导到阴极流动路径中并填充相邻堆之间的空间，使得阴极进料穿过堆14中的每一者而不是绕过堆14的纵向侧周围。挡板220由拉杆222保持就位，所述拉杆穿过位于挡板220中的每一者中心的紧密配合孔224。优选地，挡板220为非导电的，并且由合适的陶瓷材料制成一个整体件。图1还示出在堆柱中的堆之间的燃料分配歧管以及连接到歧管的燃料入口和出料管道。所属领域的技术人员将认识到，下文描述的实施例不限于在图1所示的特定总成结构中使用。
图2是包含一或多个燃料电池堆14的柱201的透视图，例如图1的区域A所示。图2示出各自包括竖直堆叠的燃料电池的多个燃料电池堆14。柱201可包含用于反应物的至少一个进料/回料总成15。例如，对于在内部针对燃料歧管化的燃料电池系统，进料/回料总成15可被称为阳极进料/回料总成15。阳极进料/回料总成15可联接到阳极进料端口(图2中未示出)且可将阳极进料(例如，含燃料的反应物流)引导到一或多个燃料电池堆14中，并且可收集来自对应燃料电池堆14的阳极出料且将阳极出料引导到出料端口(图2中未示出)。阳极进料/出料总成15可包含位于柱201内(例如，图2所示的两个燃料电池堆14之间)的板形部分，并且还可包含从柱延伸出的突出部分808中的流体连接件端口。阳极进料/出料总成15可将阳极进料引导到位于柱201中阳极进料/出料总成15上方和下方的多个燃料电池堆14中并从中收集阳极出料。这种阳极进料/出料总成15也可被称为阳极分流板(ASP)。根据需要，可以在相邻燃料电池堆14之间设置任何数量的ASP 15。此外，柱201中的燃料电池堆14的数量和/或相应ASP 15之间的燃料电池堆14的数量可根据需要选择而不限于图2所示的配置。
图3是现有技术柱201的示意性侧视横截面图，其示意性地示出穿过ASP 15和多个燃料电池堆14-1、14-2的反应物流动路径。燃料流由实心黑色箭头160所示。燃料首先从柱201的第一侧301进入ASP 15，其中燃料贯穿堆14-1、14-2竖直分配(例如，在延伸穿过相应堆14-1、14-2的入口提升管通道16a内)。当燃料从图3中的左侧到右侧行进穿过每个堆14-1、14-2时，反应物流中的至少一部分燃料在燃料电池中反应以发电。如实心黑色箭头170所示，包含反应产物和任何未反应燃料的出料流然后沿着堆14-1、14-2右侧的竖直轴线从各个位置(例如，穿过出口提升管通道16b)被引导到ASP 15，在所述ASP处，出料流从柱201的第二侧排出。ASP 15因此管理传入和传出的反应物流160、170。
尽管图3示出在柱201的相对侧301、303上进入和排出柱201的燃料流和出料流，但应理解，在各种实施例中，燃料流和出料流可在柱201的同一侧进入和排出柱，例如在图2所示的配置中。ASP 15可包含内部管道(图3中未示出)，所述内部管道将传入的燃料流160从柱201的第一侧301引导到堆14-1、14-2的相应入口提升管通道16a中。ASP 15还可包含另一内部管道(图3中未示出)，所述内部管道将出料流170从堆14-1、14-2的相应出口提升管通道16b穿过ASP引导到柱201的第一侧301，其中出料流170可以排出柱201。ASP的内部管道可以至少部分地位于不同平面内(即，进入和离开图3中的页面)。
图4是包含多个SOFC堆14-1、14-2和ASP 15的现有技术柱201的一部分的侧视横截面图。图4所示的柱201从图3所示的柱201绕竖直轴线旋转90度。堆14-1和14-2内的每个SOFC 1包含阴极电极7、固体氧化物电解质5和阳极电极3。燃料电池堆通常由多个SOFC 1以平面元件、管或其它几何形状的形式构建。此外，尽管图4中示出了竖直定向的堆，但燃料电池可以水平地或在竖直与水平之间的任何其它合适的方向上堆叠。燃料电池堆的主要功能是向可能很大的电化学活性表面提供燃料和空气。
在肋10之间含有气流通路或通道8的气流分隔器9(当为平面堆的一部分时被称为气流分隔板)将堆中的各个电池分隔开。通常，气流分隔板9还用作互连件，其将一个电池的阳极或燃料电极3电连接到相邻电池的阴极或空气电极7。在这种情况下，用作互连件的气流分隔板由导电材料制成或含有导电材料。互连件/气流分隔器9将流向堆中一个电池的燃料电极(即，阳极3)的燃料(例如，烃燃料)与流向堆中的相邻电池的空气电极(即，阴极7)的氧化剂(例如，空气)分隔。在堆14的一部分的任一端，可存在用于分别向端电极提供空气或燃料的空气端板11a或燃料端板11b。ASP 15可以位于燃料电池堆14-1与14-2之间，并与第一燃料电池堆14-1的空气或燃料端板11a以及第二燃料电池堆14-2的空气或燃料端板11b连接。
图5A-5B是示出SOFC端板11a、11b中反应物流动的透视图。图5A示出图4所示的空气端板11a的顶部，并且图5B示出图4所示的燃料端板11b的底部。也就是说，图5A-B中未示出的端板11a、11b的侧面是基本上平坦的，并且当如图4所示设置在SOFC堆14-1和14-2中时可以与ASP 15(未示出)直接接触。
沿着图5A-B中的线A-A提供图4中以侧视横截面示出的端板11a、11b的部分。首先参见图5B，燃料端板11b在肋10之间包含用于引导燃料流动的气流通路或通道8。此实施例中的燃料端板11b包含至少一个提升管通道16a，用于向SOFC的阳极侧提供燃料，如箭头29所示。提升管通道16a通常包括延伸穿过燃料电池的至少一层并互连堆的燃料入口提升管开口或孔。如图5B所示，燃料可以穿过入口提升管通道16a流向每个燃料电池的阳极侧。在阳极侧，燃料可以在入口增压室17a(例如，互连件表面中的凹槽)中收集，然后流过燃料电池阳极3，通过在燃料端板11b中形成的气流通道8到达出口增压室17b，然后通过单独的出口提升管通道16b排出。
如图5A所示，空气端板11b可在肋10之间包含引导空气流44通过燃料电池的阴极电极的气流通路或通道8。密封件15a、15b可密封互连件和燃料电池的阴极侧上的相应提升管16a、16b，以防止燃料到达燃料电池的阴极电极。密封件可以具有如图所示的圆环形或中空圆筒形状，使得提升管16a、16b延伸穿过相应密封件15a、15b的中空中间部分。密封件15a、15b可包含升高的顶表面，用于接触相邻SOFC的平坦表面。外围密封件15c可以密封燃料电池的阳极侧，以防止空气到达燃料电池的阳极电极。密封件15a-c可包括玻璃材料。可以提供任何玻璃密封件15a-c以将燃料与空气充分气动地隔离。
图6A是可以用于包含例如图4所示的多个SOFC堆14-1、14-2的柱201的反应物进料和回料总成15的分解视图。在此实例中，反应物进料和回料总成是阳极分流板(ASP)。例如图6A所示的ASP 15可以通过经由合适的接合工艺(例如，通过焊接或钎焊工艺)将多个板接合在一起而形成。ASP可包含接合在一起的两个或更多个板，例如图6A所示的三个板804A、804B和804C。应理解，ASP 15可包含接合在一起的超过三个板。替代地，ASP 15可包含单个整体板构件，所述单个整体板构件可包含板构件内的适当开口和流体通道，如下所述。
在一些ASP中，形成ASP的板804A、804B、804C中的一或多者可以具有分段式构造，在板804A、804B、804C的相应分段之间具有间隙，所述间隙可以允许分段彼此独立地“浮动”。图6B是示出已组装的ASP 15和位于ASP 15上表面上的SOFC堆14-1的透视图，其中ASP15的最上板804A包含多个分段701、702，在分段701和702之间具有间隙703。此分段式构造可有助于减少在热循环期间施加到SOFC堆14-1、14-2的相邻组件的热应力。密封材料可以任选地填充APS板804A的相邻分段之间的间隙703。
ASP 15的板804A、804B、804C可以由具有良好耐高温氧化和腐蚀性的耐用导电材料形成，例如446级不锈钢(SS446)金属板或合金。ASP 15的板804A、804B、804C中的每一者可以由相同的材料形成，或者可以由不同的材料形成。在一些实施例中，ASP 15可以由具有不同热膨胀系数(CTE)的不同材料形成，例如第10,511,047号美国专利中描述的材料，所述美国专利以引用的方式并入本文中。尤其，ASP 15的最外部分(例如，板804A和804B)可以由CTE在ASP 15的内部部分(例如，板804C)与SOFC堆14-1、14-2的相邻组件(例如，SOFC堆14-1、14-2的端板11a、11b(例如，Cr-Fe合金板))的CTE之间的材料形成。在一些实施例中，ASP 15的全部或部分可包含Cr-Fe合金，并且可以使用金属板或粉末冶金(PM)工艺制造。
ASP 15可包含入口提升管开口，其可由穿过板804A、804B和804C中的每一者形成的开口812a、812b和812c组成，使得当板804A、804B和804C接合在一起时，开口812a、812b和812c形成穿过ASP 15的连续流体通路，反应物(例如，燃料)可流动穿过所述通路。ASP 15还可包含出口提升管开口，其由穿过板804A、804B和804C中的每一者形成的开口814a、814b和814c组成，使得当板804A、804B和804C接合在一起时，开口814a、814b和814c形成穿过ASP15的连续流体通路，出料流可流动穿过所述通路。ASP 15的入口提升管开口和出口提升管开口可以与SOFC堆14-1、14-2的提升管通道16a、16b对齐，如图6B所示。
板804A、804B和804C中的每一者还可包含从板804A、804B和804C的一侧延伸的突出部分808。当ASP 15组装在SOFC系统中时，突出部分808可被配置成从燃料电池堆14的柱201延伸出，如图2所示。每个突出部分808可包含延伸穿过突出部分808的一对开口806和807，使得当板804A、804B和804C接合在一起时，开口806、807形成延伸穿过ASP 15的突出部分808的一对连续流体通路。开口806可提供ASP 15的反应物进料开口，并且开口807可提供ASP 15的反应物出料开口。
板804C可包含在开口806与开口812c之间连续延伸的开放区815，使得当板804A、804B和804C接合在一起时，开放区815可形成在反应物进料开口806与ASP 15的入口提升管开口812a-c之间延伸的第一内部管道。板804C还可包含在开口807与开口814c之间延伸的开放区816，使得当板804A、804B和804C接合在一起时，开放区816可形成在反应物出料开口807与ASP 15的出口提升管开口814a-c之间延伸的第二内部管道。反应物(例如，阳极)进料管817可接合到反应物进料开口806上方ASP 15的突出部分808或与之一体地形成，并且反应物出料管818可接合到反应物出料开口807上方ASP 15的突出部分808或与之一体地形成。
来自反应物进料管817的反应物(例如，燃料)可以流入ASP 15的突出部分808中的反应物进料开口806中，并通过第一内部流体管道815流到入口提升管开口812a-c。从那里，反应物可以通过入口提升管开口812a-c流入位于柱201中ASP 15上方和下方的燃料电池堆14-1和14-2的入口提升管通道16a中(见图2)。来自燃料电池堆14-1和14-2的反应物(即，阳极)出料可以从燃料电池堆14-1和14-2的出口提升管通道16b流入ASP15的出口提升管开口814a-c中，通过第二内部流体管道816流到ASP 15的突出部分808中的反应物出料开口807，并通过反应物出料管818排出。
再次参考图2，燃料电池堆14的柱201可包含反应物进料和回料总成15，例如，图6A-6B所示ASP 15向位于柱201中反应物进料和回料总成15上方和下方的一对燃料电池堆14-1、14-2提供反应物(即，燃料)以及从所述一对燃料电池堆移除反应物出料。因此，柱201中的每个燃料电池堆14可在燃料电池堆14的一端(例如，在ASP与堆交接面处)邻接反应物进料和回料总成15，并且柱201中的一些燃料电池堆14可以在燃料电池堆14的另一端(即，在堆与堆交接面处)邻接柱201的另一燃料电池堆14。
在上文参考图1-6B所示和描述的SOFC堆总成200中，燃料电池堆14的温度不均匀。通常，燃料电池堆14内的温度随着与相邻反应物进料和回料总成15的距离(例如，从ASP与堆交接面的距离)而增加。燃料电池堆14内的最高温度通常出现在燃料堆14与相邻燃料电池堆之间的交接面处(即，在堆与堆交接面处)。这在图7中示出。具体地，图7示出在柱中通过ASP 15分隔开的一对燃料电池堆14-1、14-2的温度分布701。堆的最低温度出现在邻近ASP处，堆的温度随着与ASP的距离而增加，并在堆的相对端达到最大值，其中堆与柱的相邻堆交接。堆温度的这种较大差异也可能导致整个燃料电池堆的燃料利用率(FU)发生不希望的改变。尤其，燃料电池堆内燃料流动的粘性阻力随着堆温度的增加而增加，使得在靠近堆与堆交接面的较高堆温度下，燃料(例如，氢燃料)缺乏足够的动能来克服粘性阻力的增加。因此，能够流到接近堆与堆交接面的燃料电池的燃料更少，而更多的燃料流到最靠近ASP的燃料电池。这可能导致堆与堆交接面附近的燃料利用率(FU)高于燃料电池堆的ASP与堆交接面附近的FU，并且在一些情况下可能导致接近堆与堆交接面的堆中的一或多个燃料电池的燃料不足。
本公开的各种实施例涉及反应物进料和回料总成，例如阳极分流板(ASP)，其可以最大限度地减少沿着燃料电池堆的反应物(例如，燃料)流动路径的粘性阻力增加的影响。在一个实施例中，燃料可包括氢。在另一实施例中，燃料可包括烃燃料，例如天然气、戊烷、甲烷等，或氢和烃燃料的混合物。在各种实施例中，反应物进料和回料总成可在反应物进料到相邻燃料电池堆的流动路径中包含至少一个喷嘴结构，例如一对喷嘴结构。总成的每个喷嘴结构沿着反应物进料的流动路径的方向的喷嘴结构的宽度尺寸逐渐减小。喷嘴结构可被配置成在反应物进料进入相邻燃料电池堆时加速所述反应物进料，并且可以为反应物提供足够的动能以抵消沿着穿过燃料电池堆的反应物流动路径的粘性阻力增加的影响。
图8A是根据本公开的实施例的阳极反应物进料和回料总成15的顶部透视图。图8B是总成15的局部剖视图，示出图8A的区B。图8C是沿着图8A中的线C-C'的总成15的局部侧视横截面图。参考图8A-8C，阳极反应物进料和回料总成15可以是阳极分流板(ASP)，例如上文参考图6A和6B所示和描述。图8A-8C所示的一或多个ASP 15可以在柱201中位于两个燃料电池堆14之间，例如图2、3和4中所示的堆14-1和14-2。ASP的第一表面901可以面向柱201的第一燃料电池堆14-1(见图3)，并且第二表面902可以面向柱201的第二燃料电池堆14-2。在一些实施例中，ASP 15的第一表面901和第二表面902可以直接接触相应燃料电池堆14-1和14-2的端板11a、11b。ASP 15可包含可延伸穿过ASP 15的入口提升管开口812和出口提升管开口814。当ASP 15位于柱201内时，ASP 15中的入口提升管开口812可与相邻燃料电池堆14-1和14-2的相应入口提升管通道16a流体连通。另外，ASP 15的出口提升管开口814可以与相邻燃料电池堆14-1和14-2的相应出口提升管通道16b流体连通。因此，入口提升管开口812通过ASP15可提供与柱201的内部歧管化燃料电池堆14的入口提升管通道16a连续的流体通道，并且出口提升管开口814通过ASP 15可提供与柱201的内部歧管化燃料电池堆14的出口提升管通道16b连续的流体通道。
ASP 15可包含突出部分808，当ASP 15位于燃料电池堆14的柱201中时，所述突出部分可从柱201横向向外延伸。突出部分808可包含延伸穿过ASP 15的反应物进料开口806和延伸穿过ASP 15的反应物出口开口807。ASP 15内的第一内部流体管道815可在反应物入口开口806与入口提升管开口812之间延伸。第二内部流体管道816可在ASP内在反应物出口开口807与出口提升管开口814之间延伸。一对反应物进料管(图8A-8C中未示出)可联接到ASP 15的第一表面901和第二表面902上的突出部分808，并且可流体连接到反应物入口开口806。另外，一对反应物出料管(图8A-8C中未示出)可联接到ASP的第一表面901和第二表面902上的突出部分808，并且可流体连接到反应物出料开口807。
因此，在SOFC堆总成的操作期间，来自反应物进料管的反应物(例如，燃料)可流入反应物进料开口806中并通过第一内部流体管道815流到入口提升管开口812。如图8C的横截面图所示，当反应物流(由实心黑色箭头160所示)到达入口提升管开口812时，反应物流可以分叉，使得反应物流的第一部分(由箭头160-1所示)可以沿第一方向流过入口提升管开口812并且通过ASP 15的第一(例如，上)表面901中的出口906排出ASP15，并且反应物流的第二部分(由箭头160-2所示)可以沿第二方向流过入口提升管开口812并且通过ASP 15的第二(例如，下)表面902中的出口907排出ASP 15。通过出口906排出ASP 15的反应物流160-1的部分可以进入燃料电池堆14-1的入口提升管通道16a(图8C中虚线所示)，并且通过出口907排出ASP 15的反应物流160-2的部分可以进入燃料电池堆14-2的入口提升管通道16a(图8C中虚线所示)。
在各种实施例中，ASP 15的入口提升管开口812可包含至少一个喷嘴结构，并且优选地包含一对喷嘴结构903-1和903-2，其位于通过入口提升管开口812的反应物流动路径中。参考图8C，第一喷嘴结构903-1可由入口提升管开口812的具有锥形形状的侧壁908形成，使得入口提升管开口812的宽度尺寸可沿着反应物流160-1朝向ASP 15的第一(例如，上)表面901中的出口906的方向逐渐减小。第二喷嘴结构903-2可由入口提升管开口812的具有锥形形状的侧壁909形成，使得入口提升管开口812的宽度尺寸可沿着反应物流160-2朝向ASP 15的第二(例如，下)表面902中的出口907的方向逐渐减小。图8B是ASP 15的局部剖视图，其中移除了ASP 15围绕出口906的一部分以便示出入口提升管开口812的形成第一喷嘴结构903-1的侧壁908的形状。在图8A-8C所示的实施例中，喷嘴结构903-1和903-2具有圆锥形截头锥体的形状，其宽度尺寸(即，直径)沿着反应物流160-1和160-2通过相应喷嘴结构903-1和903-2的方向收敛。应理解，在各种实施例中，喷嘴结构903-1和903-2可具有不同形状，例如方锥形截头锥体、球形分段、卵形分段或沿着反应物流160-1和160-2的方向具有收敛宽度尺寸的任何其它形状。在各种实施例中，喷嘴结构903-1和903-2可在反应物160分别通过出口906和907排出ASP 15时加速所述反应物的流动。因此，在进入相邻燃料电池堆14-1和14-2的入口提升管通道16a之前被喷嘴结构903-1和903-2加速的反应物160可以具有足够的动能，以克服沿着穿过燃料电池堆14-1和14-2的反应物流动路径的粘性阻力增加。
图9是根据本公开的实施例的ASP 15的一部分的局部横截面图，没有箭头指示反应物流动，以更清楚地示出ASP 15的入口提升管开口812中的喷嘴结构903-1和903-2。参考图9，第一内部流体管道815可位于ASP 15的第一(即，上)内壁910与第二(即，下)内壁911之间。上内壁910与下内壁911之间的距离可限定第一内部流体管道815的高度尺寸H。入口提升管开口812中的第一喷嘴结构903-1可具有由ASP 15的上内壁910中的开口限定的进入口912。入口提升管开口812中的第二喷嘴结构903-2可具有由ASP15的下内壁911中的开口限定的进入口913。喷嘴结构903-1和903-2的进入口912和913的宽度尺寸可为W1。在一些实施例中，喷嘴结构903-1和903-2的进入口912和913的宽度尺寸W1可大于第一内部流体管道815的高度尺寸H。在一些实施例中，喷嘴结构903-1和903-2的进入口912和913的宽度尺寸W1可小于相邻燃料电池堆14-1和14-2的入口提升管通道16a的宽度(见图8C)。
在喷嘴结构903-1和903-2内，喷嘴结构903-1和903-2的宽度尺寸可由至少一个侧壁908和909限定。在图9所示的实施例中，喷嘴结构903-1和903-2的侧壁908和909可以是围绕喷嘴结构903-1和903-2的整个外围连续延伸的弯曲侧壁。在其它实施例中，多个侧壁可围绕喷嘴结构903-1和903-2的外围延伸，使得喷嘴结构903-1和903-2可具有多边形横截面形状。如图9所示，每个喷嘴结构903-1和903-2的至少一个侧壁908和909可以沿着反应物流动的方向成角度或弯曲，使得喷嘴结构903-1和903-2的宽度尺寸在其相应进入口912和913与出口906和907之间沿着喷嘴结构903-1和903-2的长度逐渐减小。在图9所示的实施例中，喷嘴结构903-1和903-2的侧壁908和909相对于竖直方向具有收敛角θ。在各种实施例中，喷嘴结构903-1、903-2的至少一个侧壁908、909的收敛角θ可在约10°与约45°之间，例如在约15°与约35°之间，包含约26°。
喷嘴结构903-1和903-2的出口906和907的宽度尺寸可为W2，其小于喷嘴结构903-1和903-2的进入口912和913的宽度尺寸W1。在各种实施例中，喷嘴结构903-1和903-2的出口906和907的宽度尺寸W2可比喷嘴结构903-1和903-2的进入口912和913的宽度尺寸W1小至少约20％，例如小30-50％，包含小约40％。在一些实施例中，喷嘴结构903-1和903-2的出口906和907的宽度尺寸W2可比第一内部流体管道815的高度尺寸H小。喷嘴结构903-1和903-2中的每一者可在喷嘴结构903-1和903-2的相应进入口912和913与出口906和907之间具有长度尺寸，其由ASP 15的相应外表面901和902与内壁910和911之间的ASP 15的厚度T限定。在一些实施例中，厚度T可小于喷嘴结构903-1和903-2的出口906和907的宽度尺寸W2。
在一个非限制性实施例中，第一内部流体管道815的高度尺寸H可为3至8mm，例如5至6mm，喷嘴结构903-1和903-2的进入口912和913的宽度尺寸W1可为4至10mm，例如6至7mm，喷嘴结构903-1和903-2的出口906和907的宽度尺寸W2可为2至6mm，例如4至5mm，并且喷嘴结构903-1和903-2中的每一者的长度尺寸(由厚度T限定)可为1至4mm，例如2至3mm。在图9所示的实施例中，喷嘴结构903-1和903-2中的每一者包含相同大小和形状，但是应理解，喷嘴结构903-1和903-2可具有不同大小和/或形状。此外，尽管图8A-9所示的反应物进料和回料总成15(例如，ASP)包含位于入口提升管开口812中的一对喷嘴结构903-1和903-2，但应理解，根据各种实施例的反应物进料和回料总成15可包含超过两个喷嘴结构903，或者可具有单个喷嘴结构903。例如，上文描述的ASP 15可包含入口提升管开口812，所述入口提升管开口具有沿着进入一个相邻燃料电池堆14-1的一个反应物流动路径的喷嘴结构903-1，所述ASP还可具有常规(即，非锥形)开口，所述开口具有沿着进入另一相邻燃料电池堆14-2的第二反应物流动路径的笔直竖直延伸的侧壁。
具有例如图8A-9所示的至少一个喷嘴结构903-1和903-2的反应物进料和回料总成15可有助于确保足够的燃料到达相邻燃料电池堆14-1和14-2的所有燃料电池，包含接近“堆与堆”交接面的燃料电池。与具有常规反应物进料和回料总成的燃料电池堆总成相比，包含实施例反应物进料和回料总成15的燃料电池堆总成可以减少燃料电池堆14-1和14-2的不同部分中的燃料利用率(FU)差异。
图10示出在柱中通过阳极分流板15分隔开的一对燃料电池堆14-1和14-2中随柱高度而变的燃料利用率的曲线图。线1001对应于不具有喷嘴的比较ASP的FU，而线1002对应于在入口提升管开口812中具有一对喷嘴结构903-1和903-2的实施例ASP 15。如图10所示，使用实施例ASP的燃料电池堆的最大燃料利用率值与最小燃料利用率值之间的差(即，FUMax-FU min)小于使用比较ASP的燃料电池堆中的最大燃料利用率值与最小燃料利用率值之间的差的一半。
因此，使用具有如上文描述的至少一个喷嘴结构903-1和903-2的实施例反应物进料和回料总成15(例如，ASP)可以提供随柱高度而变的更均匀的FU，以及更接近预期FU设定点的最大燃料利用率(FU)值。这可以允许燃料电池堆和/或含有燃料电池堆的热箱在更高的FU设定点下运行，而不会使堆中的任何燃料电池面临燃料不足的风险。在一些实施例中，可以在不影响电池性能的情况下将堆的FU设定点增加至少1％，例如至少约1.5％(例如约1.6％)，从而提高系统的效率。此外，对于最靠近ASP的燃料电池，可以在没有显著反应物压力尖峰的情况下实现最大FU的增益。随柱高度而变的更均匀的FU还产生随柱高度而变的更均匀的输出电压分布。
前述方法描述仅作为说明性实例提供且不希望需要或暗示各种实施例的步骤必须按所呈现的次序来执行。如所属领域的技术人员将了解，可以任何次序执行前述实施例中的步骤的次序。例如“随后”、“然后”、“接下来”等词语不一定旨在限制步骤的次序；这些词语可用于在整个方法描述中引导读者。另外，以单数形式对权利要求元件的任何提及(例如使用冠词“一(a/an)”或“所述(the)”)不应被解释为将所述元件限于单数。
此外，本文描述的任何实施例的任何步骤可在任何其它实施例中使用。提供对所公开的方面的前述描述以使所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将显而易见对这些方面的各种修改，且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中所定义的一般原理可应用于其它方面。因此，本发明不希望局限于本文中所示的各方面，而是希望被赋予与本文中公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池堆系统的反应物进料和回料总成，其包括：
所述反应物进料和回料总成中的反应物进料开口；
所述反应物进料和回料总成中的反应物出料开口；
所述反应物进料和回料总成内的反应物进料通道，其与反应物进料管道流体连通；
至少一个喷嘴结构，其与所述反应物进料通道和燃料电池堆的入口提升管通道流体连通，所述至少一个喷嘴结构的宽度尺寸沿着反应物穿过至少一个喷嘴结构流到所述入口提升管通道的方向减小；以及
所述反应物进料和回料总成内的反应物出料通道，其与所述反应物出料管道流体连通。
2.根据权利要求1所述的反应物进料和回料总成，其中：
所述反应物进料和回料总成包括阳极分流板ASP；并且
所述至少一个喷嘴结构包括第一喷嘴结构和第二喷嘴结构。
3.根据权利要求2所述的反应物进料和回料总成，其中所述反应物进料通道位于所述总成的第一内壁与第二内壁之间，并且其中所述第一内壁中的开口限定所述第一喷嘴结构的进入口且所述第二内壁中的开口限定所述第二喷嘴结构的进入口。
4.根据权利要求3所述的反应物进料和回料总成，其中：
所述总成的所述第一内壁中的所述开口的宽度尺寸大于所述总成第一外表面中的开口的宽度尺寸；并且
所述总成的所述第二内壁中的所述开口的宽度尺寸大于所述总成第二外表面中的开口的宽度尺寸。
5.根据权利要求4所述的反应物进料和回料总成，其中所述总成的所述第一和第二外表面中的所述开口的所述宽度尺寸比所述总成的所述第一和第二内壁中的所述开口的所述宽度尺寸小30-50％。
6.根据权利要求4所述的反应物进料和回料总成，其中所述总成的所述第一内壁与所述第二内壁之间的高度尺寸大于所述总成的所述第一和第二外表面中的所述开口的所述宽度尺寸。
7.根据权利要求4所述的反应物进料和回料总成，其中所述总成的所述第一内壁与所述第二内壁之间的所述高度尺寸小于所述总成的所述第一和第二内壁中的所述开口的所述宽度尺寸。
8.根据权利要求4所述的反应物进料和回料总成，其中：
所述第一喷嘴结构包括至少一个侧壁，所述至少一个侧壁成角度或弯曲以在所述总成的所述第一内壁中的所述开口与所述第一外表面中的所述开口之间提供所述第一喷嘴结构的所述宽度尺寸的逐渐减小；并且
所述第二喷嘴结构包括至少一个侧壁，所述至少一个侧壁成角度或弯曲以在所述总成的所述第二内壁中的所述开口与所述第二外表面中的所述开口之间提供所述第二喷嘴结构的所述宽度尺寸的逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的反应物进料和回料总成，其中所述第一喷嘴结构的所述至少一个侧壁和所述第二喷嘴结构的所述至少一个侧壁相对于垂直线具有15°与35°之间的收敛角。
10.一种燃料电池堆系统，其包括：
柱，其包括至少第一燃料电池堆和第二燃料电池堆；以及
根据权利要求1所述的反应物进料和回料总成，其位于所述柱中的所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间。
11.根据权利要求10所述的燃料电池堆系统，其中：
所述至少一个喷嘴结构包括与所述反应物进料通道和所述第一燃料电池堆的第一入口提升管通道流体连通的第一喷嘴结构和与所述反应物进料通道和所述第二燃料电池堆的第二入口提升管通道流体连通的第二喷嘴结构；
所述第一喷嘴结构的宽度尺寸沿着反应物穿过至少一个喷嘴结构流到所述第一入口提升管通道的方向减小；并且
所述第二喷嘴结构的宽度尺寸沿着反应物穿过所述至少一个喷嘴结构流到所述第二入口提升管通道的方向减小。
12.根据权利要求11所述的燃料电池堆系统，其进一步包括：
反应物进料管道，其流体连接到所述反应物进料开口；以及
反应物出料管道，其流体连接到所述反应物出料开口。
13.根据权利要求12所述的燃料电池堆系统，其中：
所述反应物进料通道包括内部流体管道，其延伸穿过所述反应物进料和回料总成在所述反应物进料开口与入口提升管开口之间延伸，并且与所述第一燃料电池堆的所述第一入口提升管通道和所述第二燃料电池堆的所述第二入口提升管通道流体连通；并且
所述第一喷嘴结构和所述第二喷嘴结构位于所述反应物进料和回料总成的所述入口提升管开口内。
14.根据权利要求13所述的燃料电池堆系统，其中：
所述反应物进料和回料总成包括接触所述第一燃料电池堆的端板的第一外表面和接触所述第二燃料电池堆的端板的第二外表面；
所述总成的所述第一外表面中的开口提供所述第一喷嘴结构与所述第一燃料电池堆的所述第一入口提升管通道之间的流体连通；并且
所述总成的所述第二外表面中的开口提供所述第二喷嘴结构与所述第二燃料电池堆的所述第二入口提升管通道之间的流体连通。
15.根据权利要求11所述的燃料电池堆系统，其中所述第一喷嘴结构被配置成在流过穿过所述总成的反应物进入所述第一燃料电池堆的所述第一入口提升管通道之前加速所述反应物。
16.根据权利要求15所述的燃料电池堆系统，其中所述反应物包括燃料，并且所述第一和所述第二燃料电池堆包括固体氧化物燃料电池SOFC堆。
17.一种燃料电池堆系统，其包括：
柱，其包括至少第一燃料电池堆和第二燃料电池堆；以及
反应物进料和回料总成，其位于所述柱中的所述第一燃料电池堆与所述第二燃料电池堆之间，
其中所述反应物进料和回料总成与所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆流体连通，并且被配置成向所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的每一者提供反应物进料以及从所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的每一者接收反应物出料，并且其中所述反应物进料和回料总成沿着所述反应物进料的流动路径包括至少一个喷嘴结构，所述至少一个喷嘴结构的宽度尺寸沿着所述反应物进料的所述流动路径的方向减小。
18.根据权利要求17所述的燃料电池堆系统，其中所述至少一个喷嘴结构包括沿着所述反应物进料到所述柱的所述第一燃料电池堆的流动路径的第一喷嘴结构和沿着所述反应物进料到所述柱的所述第二燃料电池堆的流动路径的第二喷嘴结构。
19.根据权利要求18所述的燃料电池堆系统，其中所述反应物进料和回料总成包括阳极分流板ASP并且所述第一和第二燃料电池堆包括固体氧化物燃料电池SOFC堆。
20.根据权利要求18所述的燃料电池堆系统，其中所述反应物进料和回料总成进一步包括位于所述总成的第一内壁与第二内壁之间的反应物进料通道，并且其中所述第一内壁中的开口限定所述第一喷嘴结构的进入口且所述第二内壁中的开口限定所述第二喷嘴结构的进入口。
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