CN117581404A

CN117581404A - 确定排出器尺寸并通过旁通阀操作排出器的燃料电池系统和方法

Info

Publication number: CN117581404A
Application number: CN202280044893.2A
Authority: CN
Inventors: R·J·安西默
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2024-02-20
Also published as: WO2022271592A1

Abstract

本公开广泛涉及利用旁通阀确定或控制通过文丘里管或排出器的燃料流量，从而确定文丘里管或排出器尺寸的燃料电池系统和方法。

Description

确定排出器尺寸并通过旁通阀操作排出器的燃料电池系统和方法

相关申请的交叉引用

本非临时申请根据35U.S.C.§119(e)和任何其他适用的法律或法规，要求获得2021年6月25日提交的美国临时专利申请序列第63/215,077号的权益和优先权，该申请的全部内容通过援引在此明确并入本文中。

技术领域

本公开涉及用于确定燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统中的文丘里管或排出器的尺寸，并通过旁通阀来操作文丘里管或排出器的系统和方法。

背景技术

车辆和/或动力总成利用燃料电池或燃料电池堆来满足其功率需求。

本公开涉及用于确定燃料电池系统中的文丘里管或排出器的尺寸，并利用旁通阀来确定/控制流过文丘里管或排出器的燃料流量，从而操作文丘里管或排出器的系统和方法。更具体而言，本公开涉及适当调整文丘里管或排出器的尺寸并配置和操作旁通阀，以使燃料电池系统能够在广泛的工作范围内达到目标一次燃料流率和引射率(ER)。

概述

为满足这些以及其他需求，本文包括了本发明的实施例。

在本公开的一个方面，如本文所述，燃料电池或燃料堆系统包含第一燃料和第二燃料。第一燃料流过控制阀和尺寸适当的排出器。第二燃料流过控制阀和旁通阀。尺寸适当的排出器和旁通阀采用并联配置。

在一些实施例中，旁通阀可以是比例控制阀。

在一些实施例中，尺寸适当的排出器可以包含一次喷嘴。尺寸适当的排出器的尺寸可以通过减小一次喷嘴面积来确定。

在一些实施例中，旁通阀可以具有可变开度或闭度内阀，该内阀可以确定流过旁通阀的第二燃料流量。

在一些实施例中，旁通阀可以具有适当的尺寸，以允许第一燃料和第二燃料均流过旁通阀。

在一些实施例中，尺寸适当的排出器的尺寸可以基于尺寸适当的排出器的有效效率、尺寸适当的排出器的几何形状，或系统的工作条件来确定。

在一些实施例中，尺寸适当的排出器的尺寸可以基于第一燃料的成分或第二燃料的成分来确定。

在本公开的第二方面，使用燃料电池或燃料电池堆系统的方法包括以下步骤：让第一燃料流过尺寸适当的排出器；以及让第二燃料流过旁通阀。尺寸适当的排出器和旁通阀采用并联配置。

在一些实施例中，旁通阀可以是比例控制阀。

附图简要说明

当参照附图阅读以下详细说明时，可以更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，相应字符代表整个附图中的相应部分，其中：

图1A是包含一个或多个燃料电池堆并连接到配套设施的燃料电池系统的示意图。

图1B是包括燃料电池和/或燃料电池堆的燃料电池模块和燃料电池系统的示意图。

图1C是燃料电池堆中燃料电池的部件的示意图。

图2是一张图表，显示了包括燃料电池或燃料电池堆的系统的工作曲线。

图3是燃料电池堆系统中与文丘里管或排出器一起使用的机械调节器的示意图。

图4是燃料电池堆系统中与文丘里管或排出器一起使用的比例控制阀的示意图。

图5是燃料电池堆系统中与文丘里管或排出器一起使用的节流装置的示意图。

图6是混合器中不同区域的示意图。

图7是引射流(一次流)和夹带流(二次流)进入文丘里管或排出器的示意图。

图8是一张图表，显示了内部排出器效率约为60％时，系统的引射率(ER)、临界引射率(ER_{_critical})、目标引射率(ER_{_target})和可逆引射率与电流密度的函数关系。

图9是一张图表，显示了对于给定的工作条件，即使内部排出器效率达到100％，系统也可能无法在低于一定电流密度的情况下扩展工作范围。

图10A是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的系统引射率，该配置的EES大小为1.0；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图10B是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的排出器引射率(ER)，该配置的EES大小为1.0；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图10C是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与目标引射率之比，该配置的EES大小为1.0；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图10D是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与可逆引射率之比，该配置的EES大小为1.0；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图11A是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的系统引射率，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图11B是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的排出器引射率(ER)，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图11C是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与目标引射率之比，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图11D是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与可逆引射率之比，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图12A是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的系统引射率，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个旁通阀或节流装置，其设置可使流过文丘里管或排出器的流量最大化。

图12B是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的排出器引射率(ER)，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个旁通阀或节流装置，其设置可使流过文丘里管或排出器的流量最大化。

图12C是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与目标引射率之比，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个旁通阀或节流装置，其设置可使流过文丘里管或排出器的流量最大化。

图12D是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与可逆引射率之比，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个旁通阀或节流装置，其设置可使流过文丘里管或排出器的流量最大化。

图13A是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的系统引射率，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个用作旁通阀或节流装置的比例控制阀。

图13B是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的排出器引射率(ER)，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个用作旁通阀或节流装置的比例控制阀。

图13C是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与目标引射率之比，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个用作旁通阀或节流装置的比例控制阀。

图13D是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与可逆引射率之比，该配置的EES大小为0.21；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为60％；并且其中包括一个用作旁通阀或节流装置的比例控制阀。

图14A是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的系统引射率，该配置的EES大小为1.0；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图14B是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的排出器引射率(ER)，该配置的EES大小为1.0；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图14C是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与目标引射率之比，该配置的EES大小为1.0；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图14D是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与可逆引射率之比，该配置的EES大小为1.0；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图15A是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的系统引射率，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图15B是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的排出器引射率(ER)，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图15C是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与目标引射率之比，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图15D是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与可逆引射率之比，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个二元旁通阀或节流装置。

图16A是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的系统引射率，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个旁通阀或节流装置，其设置可使流过文丘里管或排出器的流量最大化。

图16B是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的排出器引射率(ER)，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个旁通阀或节流装置，其设置可使流过文丘里管或排出器的流量最大化。

图16C是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与目标引射率之比，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个旁通阀或节流装置，其设置可使流过文丘里管或排出器的流量最大化。

图16D是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与可逆引射率之比，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个旁通阀或节流装置，其设置可使流过文丘里管或排出器的流量最大化。

图17A是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的系统引射率，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个用作旁通阀或节流装置的比例控制阀。

图17B是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的排出器引射率(ER)，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个用作旁通阀或节流装置的比例控制阀。

图17C是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与目标引射率之比，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个用作旁通阀或节流装置的比例控制阀。

图17D是一张图表，显示了包括EES配置的系统中的引射率与可逆引射率之比，该配置的EES大小为0.27；最大升压(ΔP_LIFT)约为0.25bara；混合器面积比(MAR)的值较大，使得几何限制可能不适用于该系统；内部排出器效率约为50％；并且其中包括一个用作旁通阀或节流装置的比例控制阀。

详细说明

本公开涉及确定文丘里管或排出器的尺寸，使得包括该文丘里管或排出器的燃料电池系统可以达到目标引射率(ER)。本公开涉及使用旁通阀的燃料电池系统和方法，以根据燃料电池系统的工作条件和/或要求来确定和/或控制流过适当尺寸的文丘里管或排出器的燃料流量，从而达到目标引射率。

如图1A所示，燃料电池系统或燃料电池堆系统10通常包含一个或多个燃料电池堆12或燃料电池模块14，其与配套设施(BOP)16包括各种组件相连接，用以创造、产生和/或分配电力，从而以环保的方式满足现代工业和商业需求。如图1B和1C所示，燃料电池系统10可以包含由多个单片燃料电池20组成的燃料电池堆12。每个燃料电池堆12均可容纳串联和/或并联在一起的多个燃料电池20。燃料电池系统10可以包含如图1A和1B所示的一个或多个燃料电池模块14。每个燃料电池模块14均可包含多个燃料电池堆12和/或多个燃料电池20。

燃料电池堆12中的燃料电池20可以堆叠在一起，以倍增和增加单个燃料电池堆12的电压输出。燃料电池系统10中燃料电池堆12的数量可以根据运行燃料电池系统10和满足任何负载的电力需求所需的功率量而变化。燃料电池堆12中燃料电池20的数量可以根据运行燃料电池系统10(包括燃料电池堆12)所需的功率量而变化。

每个燃料电池堆12或燃料电池系统10均可以使用任意数量的燃料电池20。例如，每个燃料电池堆12中可以包含大约100个至1000个燃料电池20，包括其中所包含的任何具体数量或数量范围(例如大约200至800)的燃料电池20。在实施例中，燃料电池系统10可以包含大约20至1000个燃料电池堆12，包括其中所包含的任何具体数量或数量范围(例如大约200至800)的燃料电池堆12。燃料电池堆12中，燃料电池模块14内的燃料电池20可以朝向任何方向，以优化燃料电池系统10的运行效率和功能。

燃料电池堆12中的燃料电池20可以是任何类型的燃料电池20。燃料电池20可以是聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)燃料电池、阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)或固态氧化物燃料电池(SOFC)。在示例性实施例中，燃料电池20可以是聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)燃料电池或固态氧化物燃料电池(SOFC)。

在图1C所示的一个实施例中，燃料电池堆12包含多个质子交换膜(PEM)燃料电池20。每个燃料电池20包含单个膜电极组件(MEA)22和一个气体扩散层(GDL)24、26，气体扩散层位于膜电极组件(MEA)22的一侧或两侧(见图1C)。燃料电池20还包含双极板(BPP)28、30，位于各个气体扩散层(GDL)24、26的外侧。上述部件22、24、26、30包括单个重复单元50。

双极板(BPP)28、30负责运输反应物，例如燃料32(如氢气)或氧化剂34(如氧气、空气)，以及燃料电池20中的冷却流体36(如冷却剂和/或水)。双极板(BPP)28、30可以通过氧化剂流场42和/或燃料流场44，将反应物32、34均匀分配到每个燃料电池20的活性区域40。活性区域40是发生电化学反应以驱动燃料电池20产生电力的地方，它位于膜电极组件(MEA)22处的气体扩散层(GDL)24、26和双极板(BPP)28、30的中心。双极板(BPP)28，30被压缩在一起，以将一种或多种反应物32隔离和/或密封在其各自的通路、通道和/或流场42、44中，从而保持导电性，这是燃料电池20稳健运行的必备条件。

本文所述的燃料电池系统10可用于固定和/或不可移动的电力系统，例如工业应用和发电厂。燃料电池系统10也可以与电解槽18和/或其他电解系统18联合实施。在一个实施例中，燃料电池系统10以串联或并联的方式连接和/或附接到电解系统18，例如BOP 16中的一个或多个电解槽18。在另一个实施例中，燃料电池系统10没有以串联或并联的方式连接和/或附接到电解系统18，例如BOP 16中的一个或多个电解槽18。

本燃料电池系统10也可以包括在移动应用中。在示例性实施例中，燃料电池系统10是用于车辆和/或动力总成100。包括本燃料电池系统10的车辆100可以是汽车、通行车、公共汽车、卡车、火车、机车、飞行器、轻型车辆、中型车辆或重型车辆。

车辆和/或动力总成100可以在公路、高速公路、铁路、空中航线和/或水路上使用。车辆100可用于包括但不限于非公路运输、小车和/或采矿装备的应用。例如，采矿装备车辆100的示例性实施例是采矿卡车或矿用运输卡车。

包括燃料电池20或燃料电池堆12的燃料电池系统10的一个实施例的工作特性如图2中的曲线101所示。工作压力和相关的工作温度显示为电流密度108的函数。燃料电池20或燃料电池堆12可能需要在一个压力范围内工作，此压力范围被称为阳极入口歧管压力(P_AIM)，在阳极入口歧管404处测量。

燃料电池20或燃料电池堆12的最高阳极入口歧管压力(P_{AIM_HI})用110表示。燃料电池20或燃料电池堆12的最低阳极入口歧管压力(P_{AIM_LO})用120表示。最高阳极入口歧管压力(P_{AIM_HI})110和最低阳极入口歧管压力(P_{AIM_LO})120表示目标阳极入口歧管压力范围或工作压力。燃料电池系统10的目标温度可以介于低燃料供应工作温度(T_{CV_LO})102至高燃料供应工作温度(T_{CV_HI})104之间。

当燃料电池20或燃料电池堆12在临界电流密度(i_{_LO_CR})130以上工作时，燃料电池20或燃料电池堆12的运行压力应务必介于大约或近似最高阳极入口歧管压力(P_{AIM_HI})110至大约或近似最低阳极入口歧管压力(P_{AIM_LO})120之间。在一些实施例中，临界电流密度(i_{_LO_CR})130可以是大约0.7A/cm²。在其他实施例中，临界电流密度(i_{_LO_CR})130可以是大约0.6A/cm²。在另一些实施例中，临界电流密度(i_{_LO_CR})130可以高于或低于0.7A/cm²，例如介于大约0.5A/cm²至0.9A/cm²之间，包括其中所包含的任意电流密度108或电流密度108范围。

燃料电池20或燃料电池堆12可以在高电流密度138下工作，该高电流密度可以高于临界电流密度(i_{_LO_CR})130。高电流密度138可以介于大约1.3A/cm²至2.0A/cm²、大约1.3A/cm²至1.6A/cm²或大约1.0A/cm²至1.6A/cm²之间，包括其中所包含的任意电流密度108或电流密度108范围。在一些实施例中，燃料电池20或燃料电池堆12以这种高电流密度138(例如大约1.6A/cm²)运行时，会导致燃料电池20或燃料电池堆12的工作压力和工作温度偏离最佳目标工作压力和工作温度。

燃料电池20或燃料电池堆12的工作压力和工作温度偏离最佳目标工作压力和工作温度时，燃料电池20或燃料电池堆12的效率可能会降低。由于MEA 22降解(例如因为燃料不足、水淹和/或相对湿度影响)，这种工作条件还可能导致燃料电池20或燃料电池堆12损坏。在一些实施例中，当燃料电池20或燃料电池堆12在临界电流密度(i_{_LO_CR})130以下工作时，燃料电池20或燃料电池堆12的工作压力和工作温度可以具有更高的灵活性。包括燃料电池或燃料电池堆的本操作系统可以在最小电流密度(i_MIN)132和最大电流密度(i_MAX)134下工作。

在一个实施例中，包括燃料电池20或燃料电池堆12的燃料电池系统10可以在与图2中曲线160所示不同的工作范围内运行。燃料电池系统10可以在较高压力(例如最高阳极入口歧管压力(P_{AIM_HI})110)下运行，或在低至临界电流密度(i_{_LO_CR})130的电流密度108下运行。例如，燃料电池系统10可以将大约2.5bara时的稳态运行延伸到临界电流密度(i_{_LO_CR})130左右。以bara为单位的压力测量值是指以bar为单位的绝对压力。

图3展示了燃料电池系统10的一个实施例，它包括燃料电池堆12、机械调节器250、与燃料电池堆12串联或并联的再循环泵或鼓风机220、排气阀280、切断阀270、压力传递阀290、一个或多个压力传感器240/260，以及文丘里管或排出器230。在一些实施例中，燃料电池系统10可能包括一个或多个燃料电池堆12，或一个或多个燃料电池20。在其他实施例中，还可能存在一个或多个阀门、传感器、压缩机、调节器、鼓风机、喷射器、排出器和/或其他装置，与燃料电池堆12串联或并联。

在燃料电池系统10的一个实施例中，阳极入口流222流过燃料电池堆12的阳极204端部。阳极入口流222通常可以是新鲜燃料(例如H₂)和阳极废气(例如H₂燃料和/或水)的混合物。相反，氧化剂206(例如空气、氧气或加湿空气)可以流过燃料电池堆12的阴极208端部。

可以在阳极入口212处提供过量燃料，以免在流向阳极出口214时燃料不足。阳极入口流222的含水量或阳极入口流222的相对湿度可能影响燃料电池堆12的性能和健康状况。例如，低入口湿度可能使膜电极组件(MEA)22较干燥，导致性能下降。低入口湿度还可能引起应力，从而给膜电极组件(MEA)22造成永久性损坏。

高湿度水平可能导致燃料电池20或燃料电池堆12内发生水淹，从而引起局部燃料不足和/或其他效应，造成燃料电池性能降低和/或膜电极组件(MEA)22损坏。在一些实施例中，入口相对湿度可能存在一个最佳范围，在该范围内，燃料电池性能得到改善，并且膜电极组件(MEA)22的降解率减至最低。例如，当阳极入口流222的相对湿度水平在约30％至约35％的范围内时(包括其中所包含的任何百分比或范围)，燃料电池20或燃料电池堆12可以实现最佳性能。

燃料电池20中的过量燃料和水含量可能来自二次流或再循环流226。燃料电池系统10中二次流226的组成取决于阳极出口流225的组成。在一些实施例中，在给定的阳极气体出口温度和压力下，阳极出口流225可能含有饱和水分。因此，在确定所需的二次流226以满足阳极入口流222的过量燃料或相对湿度目标时，可以考虑二次流226组成的变化。

所需的二次流226流率可以根据对过量燃料的需求或对增加水含量的需求来确定，以需要较高二次流226流率的情况为准。所需的二次流226流率可以目标引射率(ER)来表示。或者，目标有效过量燃料比或所需最小燃料比可以将阳极入口流222对过量燃料的需求或对增加水含量的需求纳入考虑范围。

过量燃料比(λ)或阳极化学计量比定义为阳极入口燃料流率与燃料电池20或燃料电池堆12中消耗的燃料之比。过量燃料比(λ)可以用来表示满足所需阳极入口流222特性所需的二次流226的组成。所需阳极入口流222特性可以是燃料电池系统10的过量燃料比或相对湿度要求，以其中较严格者为准。

过量燃料比(λ)或阳极化学计量比定义为阳极入口流222流率与燃料电池20或燃料电池堆12中消耗的燃料之比。所需最小过量燃料比(λ)140与电流密度108的关系如图2所示。在一些实施例中，燃料电池系统10要求燃料量等于或高于所需最小过量燃油比(λ)140。在其他实施例中，燃料电池系统10可能需要维持一个目标水量或湿度水平，这可能会影响过量燃料比(λ)140。过量燃料比(λ)140可以在燃料电池系统10的整个工作范围内保持不变，但在低电流密度108下时除外，例如电流密度108等于或低于过量燃料比电流密度阈值(i_{_λ_THV})150时。或者/以及，过量燃料比(λ)140可以随电流密度108的变化而变化。

在一些实施例中，高于过量燃料比电流密度阈值(i_{_λ_THV})150的过量燃料比(λ)140可以在大约1.3至1.9的范围内，包括其中所包含的任何比率。在一个优选实施例中，高于过量燃料比电流密度阈值(i_{_λ_THV})150的过量燃料比(λ)140可以在大约1.4至1.6的范围内，包括其中所包含的任何比率或比率范围。

在一些实施例中，燃料电池系统10的过量燃料比电流密度阈值(i_{_λ_THV})150可以等于或约为0.2A/cm²。在其他实施例中，过量燃料比电流密度阈值(i_{_λ_THV})150可以是不同的电流密度108。例如，过量燃料比电流密度阈值(i_{_λ_THV})150可以是大约0.05A/cm²至0.4A/cm²范围内的电流密度108，包括其中所包含的任何电流密度108或电流密度108范围。在一个优选实施例中，过量燃料比电流密度阈值(i_{_λ_THV})150可以是大约0.1A/cm²或0.2A/cm²。过量燃料比电流密度阈值(i_{_λ_THV})150可以取决于燃料电池20或燃料电池堆12的工作条件。

在一个实施例中，如果燃料电池20或燃料电池堆12在过量燃料比电流密度阈值(i_{_λ_THV})150以下工作，则可以保持通过阳极204的最小体积流率，以冲洗掉燃料电池20或燃料电池堆12中可能形成的任何液态水。在低流率下(例如低于大约0.2A/cm²或低于大约0.1A/cm²)，燃料电池20或燃料电池堆12中可能发生水淹。如果最小体积流率低于过量燃料比电流密度阈值(i_{_λ_THV})150，则燃料电池20或燃料电池堆12的降解率可能会提高，并且燃料电池或燃料电池堆的性能可能受到不利影响。

燃料电池系统10中可以使用文丘里管或排出器230。可以适当调整文丘里管或排出器230的大小，使得燃料电池系统10在某些电流密度108下可能不需要再循环泵220(例如鼓风机)的帮助。不使用再循环泵或鼓风机220可能导致寄生负载降低，如图2的曲线170和180所示。

曲线170显示了在没有文丘里管或排出器230的情况下，由再循环泵或鼓风机220输送的流量的一部分。曲线180显示了对应的寄生负载。寄生负载可能随着电流密度的提高而增加，如曲线180所示。这是因为，再循环泵或鼓风机220可以在与燃料电池20或燃料电池堆12中的压力损失成比例，和/或与燃料电池20或燃料电池堆12中二次流226的所需流率成比例的容量下工作。

燃料电池20或燃料电池堆12最初可在高电流密度138以及高工作温度和压力下运行，使得在该初始工作条件下的燃料电池负载较高。燃料电池负载定义为：

负载＝电池堆功率＝电流x燃料电池或燃料电池堆电压＝电流密度x燃料电池面积x燃料电池或燃料电池堆电压。

当负载对功率的需求迅速减少或降低，要求燃料电池20或燃料电池堆12降低输送的电流时，燃料电池20或燃料电池堆12可能处于减载状态。

在燃料电池20或燃料电池堆12的瞬态运行期间，燃料电池20或燃料电池堆12中的工作压力可能会随着燃料电池20或燃料电池堆12工作温度的变化而变化。例如，在减载期间，燃料电池系统10的工作压力可能对应于瞬态工作压力(P_{_AIM_TRS})，后者可能大于其稳态工作压力(P_{_AIM_SS})。在一些实施例中，瞬态工作压力(P_{_AIM_TRS})可以等于最高阳极入口歧管压力(P_{AIM_HI})110，即使在低电流密度108下也是如此。在接受负载期间，电流密度108的增加率是有限的，稳态工作压力(P_{_AIM_SS})可以等于阳极入口歧管压力(P_AIM)。

在一个实施例中，燃料电池20或燃料电池堆12的工作压力可以优化促进燃料电池20或燃料电池堆12的高效运行与在选定的工作压力下运行所需的寄生负载(例如空气压缩机、鼓风机和/或泵的寄生负载)之间的平衡。在一些实施例中，工作温度、工作压力和/或过量空气比140可用于维持燃料电池20或燃料电池堆12运行所需的目标相对湿度(RH)。工作温度、工作压力和/或过量空气比140可以根据阴极208处相对湿度(RH)的特定值来确定。

过量空气比的定义类似于过量燃料比140，但它指的是阴极208侧的流量(即空气中的过量O₂)。过量空气比、压力和温度的组合可用于控制阴极208侧的湿度，进而影响阳极204(H₂)侧的水含量。在一个实施例中，随电流密度变化的温度、压力和过量空气比可以用来控制阴极208侧的湿度。在一些实施例中，过量空气比可以是大约2.0。在其他实施例中，过量空气比可以介于大约1.7至2.1之间，包括其中所包含的任何比率或比率范围。在另一些实施例中，通过加压操作，过量空气比可以介于大约1.8至1.9之间，包括其中所包含的任何比率或比率范围。过量空气比可以提高到空气阈值电流以下，以保持足够高的体积流率，防止燃料电池20或燃料电池堆12在阴极208侧发生水淹。

目标相对湿度(RH)可以通过使用加湿装置结合工作压力和工作温度来维持。例如，加湿装置可以用在燃料电池20或燃料电池堆12的阴极208侧。如果指定了燃料电池20或燃料电池堆12的目标相对湿度(RH)和目标工作压力，则可以确定燃料电池20或燃料电池堆12运行的目标温度。

机械调节器250是一种控制阀254，可用来控制流向阳极204的新鲜燃料202的流量，该新鲜燃料流也称为一次流、一次质量流、一次燃料或引射流。阳极204和阴极208处的气体流(例如阳极入口气流222和空气206)之间的压差可以为机械调节器250中的控制器252提供输入信号256。

机械调节器250的控制器252可以确定流过阳极204处的阳极入口212的阳极入口流222的流量。控制阀254可以是比例控制阀或喷射器。在其他实施例中，控制阀256可以包括内阀258、线圈255或电磁阀257，用于控制控制阀254的开启或关闭。来自燃料电池20或燃料电池堆12的阳极204和/或阴极208的输入信号256可以是物理信号256或虚拟(例如电子)信号256。该信号可以是本领域已知的任何类型的通信信号或计算机信号256。

一次流202的流率或一次流率可基于工作压力(例如阳极压力)来加以控制，以匹配燃料电池堆12中的燃料消耗。在一些实施例中，假设所有其他参数都相同，当燃料消耗与阳极204处的新鲜燃料供给相匹配时，阳极204中的压力便可保持稳定。由于机械调节器250是利用阳极204与阴极208之间的压差来运作，因此在使用机械调节器250时，需要维持目标压差。在一些实施例中，阴极208处的压力通过阴极侧控制装置282控制和/或维持在目标水平。

机械调节方法(例如采用执行器282)可以利用来自阴极/空气入口216的压力信号281来控制质量流量，并将燃料电池堆12阴极208侧的压力维持在适当水平。在一些实施例中，来自阴极208侧的压力信号218将输入机械调节器250。在一些实施例中，阳极204侧质量流量和阳极204侧压力可以通过使用来自阴极208侧的压力信号281并测量一个或多个阳极204侧条件来控制。

来自阴极208侧的压力信号281可以改变机械调节器250中内阀258的位置，以控制通过机械调节器250的质量流量，并维持阳极204和阴极208之间的目标压差。作用于机械调节器250的输入信号256实际上作用在机械调节器250的隔膜257或其他部件上的压差。对于该压差，不能进行其他直接测量。阳极204处的单点压力可以计算如下：阴极208侧压力加上阳极204处气体流(例如222)与阴极208处气体流(例如206)之间的压差。

利用阳极气体再循环(AGR)回路224中的流动压力，文丘里管或排出器230可以抽取二次流226，也称为二次质量流、夹带流或再循环流。如后文所述，文丘里管或排出器230可以利用来自较高压力一次流的可用过量焓来吸引二次流226，以弥补通过AGR回路224的压力损失。阳极气体再循环回路224可以包含文丘里管或排出器230、燃料电池堆12和二次入口232(例如文丘里管或排出器230的吸入室620中包括的入口)，以及/或者与文丘里管或排出器230和/或燃料电池堆12相关联的其他管件、阀门、通道、歧管。再循环泵或鼓风机220可以增加或减少AGR回路224中的压差。

燃料电池系统10可能需要维持一个目标水量或湿度水平，这可能会推动饱和二次流226流动。饱和二次流226随后可以推动一次流202，使得目标过量燃料比(λ)140取决于目标水量或湿度水平。

在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220可用于实现过量燃料比。再循环泵或鼓风机220可以在燃料电池堆12的整个工作范围(电流密度)内工作。再循环泵或鼓风机220的寄生负载可能相当大。在一个实施例中，可能需要大型再循环泵或鼓风机220来提供动力，以实现目标过量燃料比(λ)140。在一些实施例中，使用再循环泵或鼓风机220可能效率低下且成本高昂。再循环泵或鼓风机220的工作特性可能不同于文丘里管或排出器230的工作条件。

再循环泵或鼓风机220的升压能力(ΔP_{_BLWR})是通过再循环泵或鼓风机220的流量(Q)、鼓风机速度(N)和流量组成密度(ρ)的函数。再循环泵或鼓风机220的升压(ΔP_{_BLWR})可能受到燃料电池系统10的功率消耗限值和/或速度限值的限制。当再循环泵或鼓风机220不转动或在燃料电池系统10的其他失速情况下运行时，再循环泵或鼓风机220可能在AGR回路224中起到限制作用。

ΔP_{_BLWR}＝f(Q, N, ρ) (1)

如图4的运行中燃料电池系统11所示，可以用比例控制阀310代替机械调节器250。比例控制阀310由电子控制，相比机械调节器250，它能更灵活地控制阳极204处的单点压力。比例控制阀310可用于控制燃料电池系统11中的一次流。在其他实施例中，可以用喷射器(未示出)代替比例控制阀310。

比例控制阀310可以有利地主动管理压差，避免压力下降问题，以及/或者让燃料电池堆12在不同的工作条件下灵活运行。说明性工作条件可以包括但不限于：工作电流密度、工作压力、工作温度、工作相对湿度、燃料供应压力、燃料供应温度、所需二次流、引射率、寄生负载限制、功率需求、AGR回路224中的压力损失、文丘里管或排出器230的性能和/或效率、再循环泵或鼓风机220的性能和/或效率、燃料密度、吹扫流量，以及阻塞或非阻塞(例如未阻塞)流条件。

燃料电池系统10/11的调节比定义为文丘里管或排出器230的最大容量与文丘里管或排出器230的最小容量之比。文丘里管或排出器230可以利用一次流抽取再循环流226。调节比表示了文丘里管或排出器230可以在什么范围内为燃料电池堆12输送所需过量燃料比(λ)140。

燃料电池系统10/11可以设计为使文丘里管或排出器230的调节比最大化。因此，最大化文丘里管或排出器230的调节比还能尽量减小与再循环泵或鼓风机220相关的尺寸和寄生负载。在一些实施例中，文丘里管或排出器230可能需要稳健地运行和/或运作，以便以所需的过量燃料比(λ)140输送所需的一次流202。

在一个实施例中，燃料供应系统80可以在燃料供应压力(P_CV)和燃料供应温度(T_CV)下供应燃料。一次流202可以经过控制阀256，并通过一次喷嘴236以一次喷嘴入口压力(P_O)和一次入口温度(T_O)进入文丘里管或排出器230。二次流226可以通过吸入室620中的二次入口或进口232以二次入口压力(P_S)和二次入口温度(T_S)进入文丘里管或排出器230。

文丘里管或排出器230可以利用一次流中的将阳极气体再循环流诱导为文丘里管或排出器230中的二次流226。电池堆压力(ΔP_STACK)是通过AGR回路224的压力损失。二次流226可以克服电池堆压力(ΔP_STACK)而提升。

升压(ΔP_LIFT)是克服AGR回路224中的压力损失(ΔP_STACK)所需的压力。在一些实施例中，升压(ΔP_LIFT)可能主要是克服通过燃料电池堆12或AGR回路224任何其他组件的压力损失。在一些实施例中，压力损失可以与通过AGR回路224中的一个或多个歧管和/或通道的体积流率成比例。在其他实施例中，阳极入口212处的体积流量222可以包括作为一次流202的新鲜燃料(例如H₂)与再循环流226的混合物。

二次入口压力(P_S)可能取决于燃料电池或燃料电池堆12的阳极入口歧管压力(P_AIM)，以及AGR回路224中的压力损失(ΔP_STACK)或所需的升压(ΔP_LIFT)。

P_S＝P_AIM - ΔP_LIFT (2)

能被引射的二次流226的量由燃料电池系统10/11的边界条件和文丘里管或排出器230的效率决定。在一些实施例中，边界条件可以是一次喷嘴入口压力(P_O)、二次入口压力(P_S)、燃料电池或燃料电池堆12的阳极入口歧管压力(P_AIM)和/或二次流226组成。在一些实施例中，从阳极出口214到文丘里管或排出器二次入口232的二次流226是一个绝热过程。文丘里管或排出器230的一次入口温度(T_O)和二次入口温度(T_S)可能会影响二次流226。

如前所述，当工作电流密度高于某一临界电流密度(i_{_LO_CR})130时，燃料电池系统10/11需要在图2中曲线160所示的目标阳极入口歧管压力范围内运行。一次入口压力(P_O)可以随着一次燃料需求成比例地下降，直到一次喷嘴236不再被阻塞(即未阻塞)。在其他实施例中，如果一次喷嘴236未阻塞，则一次入口压力(P_O)的下降率可能是非线性的，并且/或者可能对下游压力敏感例如二次入口压力(P_S)。在其他实施例中，一次入口压力(P_O)可能随着一次入口温度(T_O)的降低而下降。

一次入口温度(T_O)可以等于燃料供应温度(T_CV)。一次入口温度(T_O)可能会影响一次流202。在一些实施例中，燃料电池系统10/11可以具有目标质量流率。在其他实施例中，二次入口温度(T_S)可能通过二次入口232和/或文丘里管或排出器230的几何约束影响二次流226。在一些实施例中，二次入口温度(T_S)可以是一项几何约束。热力学约束和/或文丘里管或排出器230效率也可能影响二次流226。

文丘里管或排出器230可能对一次喷嘴入口压力(P_O)、背压和所需的升压(ΔP_LIFT)敏感。背压可以是排出器出口238处的出口压力(P_C)，或者可以是阳极入口歧管压力(P_AIM)。如果从文丘里管或排出器230出口到阳极入口歧管的过程中没有压力损失，则排出器出口238的出口压力(P_C)可能等于阳极入口歧管压力(P_AIM)。在一些实施例中，一次喷嘴入口压力(P_O)可以是燃料电池系统10/11中电流密度(i)的函数。

P_O＝f(i) (3)

引射率(ER)是衡量文丘里管或排出器230性能和/或能力的指标，它可能对一次喷嘴入口压力(P_O)、背压(例如P_C、P_AIM)和/或升压(ΔP_LIFT)敏感。在一个实施例中，随着背压(例如P_C、P_AIM)的增加，文丘里管或排出器230可能从双重阻塞状态(具有稳定的引射率)变为过渡状态(引射率不断下降)，再到反向流动状态。文丘里管或排出器230中的反向流动表明没有燃料再循环通过AGR回路224，这可能是不利的。在一些实施例中，文丘里管或排出器230可能需要抵消通过燃料电池或燃料电池堆12的压力损失(ΔP_STACK)，同时克服背压(例如P_C、P_AIM)运行。

可逆引射率(RER)定义为系统在给定工作条件下基于热力学限值的最大引射率(ER)。在一些实施例中，混合熵不予考虑，因为文丘里管或排出器230的设计中可能没有任何元件旨在恢复与混合熵相关的化学势。

实际引射率(ER)取决于文丘里管或排出器230的设计。文丘里管或排出器230效率低下可能会妨碍可逆引射率(RER)的实现。几何约束可能会妨碍可逆引射率(RER)的实现。在文丘里管或排出器230的整个工作范围内，都可以保持高可逆引射率(RER)。在一些实施例中，可逆引射率(RER)至少可以大于燃料电池系统10/11的所需引射率(目标引射率(ER_{_target}))。目标引射率ER_{_target}是所需的最小引射率(ER)。对于给定的一次入口压力(P_O)，可逆引射率(RER)可能随着阳极入口歧管压力(P_AIM)的增加和/或升压(ΔP_LIFT)的增加而降低。

在一个实施例中，燃料电池系统13可以采用如图5中所示的配置。具有适当的尺寸以支持部分一次流202(例如H₂)的文丘里管或排出器230可以与旁通阀或节流装置410并联放置。旁通阀或节流装置410至少需具有开/闭功能，并且其尺寸必须能够提供一次流202中不流过文丘里管或排出器230的剩余部分。旁通阀或节流装置410可以是具有开/闭功能的二元阀。旁通阀或节流装置410可以有具可变开度或闭度内阀。

旁通阀或节流装置410可以是机械调节器、圆顶式机械调节器、喷射器或比例控制阀。在其他实施例中，一种包括旁通阀或节流装置410的配置可以在整个工作范围内(从燃料电池系统13处于空闲状态时到燃料电池系统13在最大电流密度状态下运行时)满足阳极气体再循环(AGR)要求。

在一个实施例中，一种包括旁通阀或节流装置410(例如比例控制阀)以及适当尺寸的文丘里管或排出器230的配置可以在整个工作范围内(从燃料电池系统13处于空闲状态时到燃料电池系统13在最大电流密度状态下运行时)满足阳极气体再循环(AGR)要求，而不需要再循环泵或鼓风机220。这种配置被称为EES(精致排出器系统)配置。

对于任何AGR系统要求，EES的大小和能力都可以基于热力学原理、用户可配置的效率和/或基于文献或计算流体动力学(CFD)分析的标称效率值，通过计算和/或数值模拟来确定。在其他实施例中，可能需要更高保真度的方法来定义文丘里管或排出器230的设计特性。在另一些实施例中，文丘里管或排出器230使用的尺寸范围可以通过测试来确认。

标准文丘里管或排出器230配置可能有足够的引射支持在高电流密度下达到目标引射率(ER_{_target})。热力学可能会限制利用文丘里管或排出器230在较低电流密度下达到目标引射率(ER_{_target})的能力。文丘里管或排出器230的引射压力可以降低，以便降低燃料流率，以匹配燃料电池20的消耗。

在一个实施例中，EES配置包括小型文丘里管或排出器230以及旁通阀或节流装置410，使得在高电流密度下运行时，文丘里管或排出器230可用的引射仍然足以达到系统目标引射率(ER_{_target})，并且/或者在低电流密度下运行时，当旁通阀或节流装置410至少部分闭合，可用的引射增加，使得可逆引射率(RER)显著提高，让文丘里管或排出器230能够达到目标引射率(ER_{_target})要求。

在一个实施例中，对于EES配置中的文丘里管或排出器230的一次喷嘴236，可以通过减小一次喷嘴的直径来缩小尺寸。在EES配置中，文丘里管或排出器230的一次喷嘴236的尺寸缩小幅度可能有限，因为必须要有足够的引射才能在额定电流下达到系统目标引射率(ER_{_system_target})。可逆引射率(RER)和排出器效率是EES配置中的关键方面。

ER_{_EES}＝f(P_{_EMPTY},T_{O_SZ},ΔP_LIFT) (4)

ER_{_system_target}＝ER_{_EES} x m_{_H2_EP}/m_{_total_P} (5)

其中，ER_{_EES}是EES配置中的文丘里管或排出器230的引射率，ER_{_system_target}是包括EES配置的系统的目标引射率，m_{_H2_EP}是通过EES配置中的文丘里管或排出器230的一次质量流量，m_{_total_P}是通过燃料电池系统13的总一次质量流量。

尺寸缩小后的文丘里管或排出器230的混合器面积比(MAR)必须足够大，以确保在整个工作范围内都能达到系统目标引射率(ER_{_target})。在较高电流条件下，通过文丘里管或排出器230的流量m_{_H2_EP} 410只是整个一次流202中的一小部分，因此混合器面积比(MAR)必须足够大，才能达到系统的目标引射率(ER_{_system_target})。在一个实施例中，旁通阀或节流装置410必须具有适当的尺寸，以支持在额定电流密度下满足全部一次燃料流量要求。m_{_H2_RP}430是通过EES配置中的流量旁通阀或节流装置410的流量。总一次流流量m_{_total_P} 202由下式计算得出：

m_{_total_P}＝m_{_H2_EP}+m_{_H2_RP} (6)

在一个实施例中，缩小EES配置中的文丘里管或排出器230的尺寸就足以提高空闲电流条件下的可逆引射率(RER)，使得能够在空闲条件下达到目标引射率(ER_{_target})，而不需要使用鼓风机。尺寸缩小幅度可能不需要超过这一点。在一个实施例中，旁通阀或节流装置410可以是机械调节器、圆顶式机械调节器或喷射器。在优选实施例中，旁通阀或节流装置410可以是比例控制阀。

在一个实施例中，旁通阀或节流装置410是比例控制阀，并且一次喷嘴入口压力(P_O)可以用作附加变量，以便在不同工作范围内维持目标引射率(ER_{_target})。使用一次喷嘴入口压力(P_O)作为变量，可以在使用旁通阀或节流装置410和不使用旁通阀或节流装置410这两种操作之间实现平滑过渡。在其他实施例中，混合器面积比(MAR)可以设计成使文丘里管或排出器230的效率最大化。

在一个实施例中，EES配置可以显著提高调节比能力。在一些实施例中，由于调节比提高，在正常工作条件下，可以无需任何再循环泵或鼓风机220的支持。在其他实施例中，再循环泵或鼓风机220的尺寸可以减小，从而降低燃料电池系统13上的寄生负载。

在一个实施例中，燃料电池系统13可以在稳态下运行。电池堆工作压力可以是电流密度的函数。电池堆工作温度可以取决于电池堆工作压力。吹扫流(prg)可以使阳极气体再循环成分226保持恒定的相对湿度(RH)。阳极再循环回路224中的压力损失可能取决于阳极再循环回路224中的质量流量和/或体积流量。

在一个说明性实施例中，如图5和6所示，新鲜燃料202在燃料供应温度(T_CV)和燃料供应压力(P_CV)下进入控制阀256，例如比例控制阀310、机械调节器250或喷射器。新鲜燃料202离开比例控制阀310、机械调节器250或喷射器，并在一次喷嘴入口压力(P_O)和一次入口温度(T_O)下进入文丘里管或排出器230或节流装置410。一定量的新鲜燃料202离开控制阀256，并从进口234进入文丘里管或排出器230(m_{_H2_EP}，420)。

一定量的新鲜燃料202离开控制阀256，并进入旁通阀或节流装置410(m_{_H2_RP}，430)。阳极气体再循环成分226(m_{_RC})在二次入口压力(P_S)和二次入口温度(T_S)下，从二次入口232进入文丘里管或排出器230。阳极气体再循环成分226(m_{_RC})可以含有质量分数为x_{_H2O_RC}的水。m_{_ejector}为流过EES配置中的文丘里管或排出器230的燃料质量流量，m_{_total}为流过燃料电池系统13的总燃料质量流量。

m_{_ejector}＝m_{_H2_EP}+m_{_RC} (7)

m_{_total}＝m_{_H2_EP}+m_{_RC}+m_{_H2_RP} (8)

在一个实施例中，阳极气体再循环成分226(m_{_RC})、进入文丘里管或排出器230的新鲜燃料420(m_{_H2_EP})和进入旁通阀或节流装置410的新鲜燃料430(m_{_H2_RP})以阳极入口歧管质量(m_{_AIM})、阳极入口歧管压力(P_AIM)、阳极入口歧管温度(T_AIM)和电池堆过量燃料比或阳极化学计量比(λ)进入燃料电池堆12阳极204处的阳极入口歧管404。一定质量的燃料(m_{_H2_P})在燃料电池堆12运行期间被消耗，一定质量的水(m_{_H2O_S})以湿度的形式添加到阳极再循环气体成分226中。

燃料电池系统13可以具有吹扫流质量(m_prg)，以周期性或连续性地从阳极气体再循环成分226中去除污染气体(例如N₂)和/或水。燃料电池堆12运行期间所需的一次燃料量(m_{_H2_P})取决于燃料电池堆12消耗的燃料量(m_{_H2_P_FC})和由于吹扫流而损失的质量(m_prg)。

m_{_H2_P}＝m_{_H2_P_FC}+A x m_prg (9)

吹扫流可以包括水和/或其他污染物，以及阳极气体再循环(AGR)回路224内的燃料(例如H₂)。A是一个系数，用于计算吹扫流各种成分的不同密度。

阳极再循环气体成分226(m_{_RC})以某一含水量(x_{_H2O_RC})和温度(T_STACK)循环，然后从二次入口232进入文丘里管或排出器230。阳极再循环回路224中的压力损失是升压(ΔP_STACK)。

电池堆过量燃料比或阳极化学计量比(λ)是进入文丘里管或排出器230的新鲜燃料420(m_{_H2_EP})和阳极再循环气体成分226(m_{_RC})的函数。阳极化学计量比(λ)可以针对吹扫流量进行调整。

在一个实施例中，引射率(ER)是电池堆过量燃料比或阳极化学计量比(λ)和阳极再循环气体成分226中的水量(x_{_H2O_RC})的函数。系统引射率(ER__system)也可定义为：

当吹扫流量为零时，

在一个实施例中，旁通阀或节流装置410的操作可以基于用户规定的燃料电池系统13操作要求。计算和/或数值模拟可以确定旁通阀或节流装置410的操作。或者/此外，文丘里管或排出器230的尺寸缩小最大幅度(例如EES大小)可以基于用户规定的燃料电池系统13操作要求来估计。

支持最大引射率(ER)流量所需的混合器面积比(MAR)可以基于用户规定的燃料电池系统13操作要求来估计。在一些实施例中，EES的工作范围(例如调节比)可以基于用户规定的燃料电池系统13操作要求来估计。如果基线文丘里管或排出器230的调节比小于尺寸缩小后的精致排出器系统的调节比，即小于1/EES大小，则当文丘里管或排出器230接近EES大小时，可能需要增加可用的文丘里管或排出器230引射力(例如旁通阀或节流装置410的面积可以减小，以增加一次喷嘴入口压力P_O)并提高进入文丘里管或排出器230的新鲜燃料420量(m_{_H2_EP})。

在一个实施例中，如图5所示，包括夹带流的阳极气体再循环成分226(m_{_RC}、m_{_B})在二次入口压力(P_S)和二次入口温度(T_S)下进入文丘里管或排出器230的二次入口232。离开燃料供应系统且包括引射流420的一定量新鲜燃料202(m_{_H2_EP}、m_{_A})在一次喷嘴入口压力(P_O)和一次入口温度(T_O)下进入文丘里管或排出器230的进口234。在一些实施例中，文丘里管或排出器230包括一个混合器500。

如图6中的燃料电池系统15所示，新鲜燃料420和阳极气体再循环成分226从混合器进口520进入文丘里管或排出器230的混合器500，并在区域530混合形成燃料流532。在一些实施例中，新鲜燃料420和阳极气体再循环成分226在文丘里管或排出器230的区域530中以恒压混合条件进行混合。如果燃料流532的速度超过声速，那么该燃料流532可以穿过激波，同时速度、压力或温度会发生相应的变化。

这种激波事件一般发生在文丘里管或排出器230中。在一些实施例中，燃料流532可以进入混合器500的激波段540。燃料流532可以通过激波在文丘里管或排出器230的激波段540形成燃料流542，然后传输到扩散器550。

燃料流542随后可以进入扩散器550，并作为燃料流552离开扩散器550。离开扩散器550的燃料流552(m_{_C})具有扩散器550中的扩散器温度T_C和扩散器压力P_C。包括引射流420(m_{_H2_EP}、m_{_A})和二次流226(m_{_RC}、m_{_B})混合物的燃料流552(m_{_C})离开文丘里管或排出器230中混合器500的扩散器550，并通过阳极入口歧管404进入燃料电池堆12的阳极204。

引射流的熵变(Δs_{_M})和夹带流的熵变(Δs_{_E})可定义为：

Δs_{_M}＝C_{P_A}x ln(T_C/T₀)-R_{_A} ln(P_C/P_O) (12)

Δs_{_E}＝C_{P_B} x ln(T_C/T_S)-R_{_B} ln(P_C/P_S) (13)

C_{P_A}是引射流气体成分的比容量，C_{P_B}是夹带流气体成分的比容量，R_{_A}是引射流气体成分的比气体常数，R_{_B}是夹带流气体成分的比气体常数。估算真实气体性质的可逆熵变的其他方法可以通过类似方式推导出来。

在一个实施例中，燃料进入和通过文丘里管或排出器230的过程是一个绝热过程。在一个实施例中，引射流420的焓变(Δh_{_M})等于0，并且/或者夹带流226的焓变(Δh_{_E})等于0。

引射流420和夹带流226通过文丘里管或排出器230中混合器500的不同部分(520、530、540、550)时，这些流(420、226)的熵、焓、压力、温度和/或速度的变化可用于计算燃料电池系统13、15的引射率(ER)。引射流420和夹带流226的熵、焓、压力、温度和/或速度的变化也可用于确定文丘里管或排出器230的工作限值，例如文丘里管或排出器230的尺寸和/或配置。

下面讨论的方程描述了引射流420和夹带流226通过文丘里管或排出器230中混合器500的不同部分(520、530、540、550)时，其熵、焓、压力、温度和/或速度的变化，这些方程可用于计算和/或数值模型，以确定文丘里管或排出器230的工作限值和旁通阀或节流装置410的开启程度。

进入文丘里管或排出器230进口234的新鲜燃料420的压力从一次喷嘴入口压力(P_O)变为一次混合器进口压力(P_PE)，并且温度从一次入口温度(T_O)变为混合器进口520处的一次进口温度(T_PE)。进入文丘里管或排出器230二次入口232的阳极气体再循环成分226的压力从二次入口压力(P_S)变为二次混合器进口压力(P_SE)，并且温度从二次入口温度(T_S)变为混合器进口520处的二次进口温度(T_SE)。

由于效率低下，系统中与流体质量相关的动能的一部分可能会转化为显焓(温度更高)。混合器进口520处引射流420和夹带流226的熵变(Δs)和焓变(Δh)可以通过下式确定：

Δs_S_O＝C_{P_B}x ln(T_SE/T_S)–R_{_B} ln(P_SE/P_S) (14)

Δh_S_O＝C_{P_B}x(T_SE–T_S) (15)

Δs_{_}P_O＝C_{P_A}x ln(T_PE/T_O)–R_{_A} ln(P_PE/P_O) (16)

Δh_P_O＝C_{P_A} x(T_PE-T_O) (17)

在等熵加速下，Δs_P_O＝0

T_PE＝T_PE_rev (18)

T_{S_REV}＝(P_{S_REV})^((γ-1)/γ) (19)

Δh_P_{O_REV}＝-C_P x T_O x(1-(P_PE/P_O) ^((γ-1)/γ)) (20)

γ为C_P/C_V，C_P是恒定压力下的热容量，C_V是恒定体积下的热容量。

在一个实施例中，T_PE_rev是混合器进口520处一次流420的可逆温度，P_PE_rev是其可逆压力，η_nzl是一次喷嘴236、630的效率。同样，T_SE_rev是混合器进口520处二次流226的可逆温度，P_SE_rev是其可逆压力，η_sec是二次流吸入室620的效率。混合器入口处的一次流射流温度T_PE和二次流温度T_SE可以表示为：

T_PE/T_O ＝ 1 - η_nzl (1 - (P_PE/P_O) ^((γ-1)/γ)) (21)

T_SE/T_S ＝ 1 - η_sec (1 – T_{S_REV}) (22)

引射流420的一次喷嘴效率(η_nzl)可以是喷嘴效率和射流膨胀效率的函数，其中，射流是通过一次喷嘴236、630进入文丘里管或排出器230的一次流。一次喷嘴效率(η_nzl)可以是各种变量的函数，例如一次喷嘴设计参数和一次喷嘴236、630处的马赫数(Ma_{_PN})。二次流吸入室620的效率(η_sec)是二次流吸入室620的设计和二次入口处的马赫数(MA_{_SE})的函数。

Pr_P_O是一次混合器进口压力(P_E)与一次喷嘴入口压力(P_O)之比，即P_E/P_O。Pr_S_O是二次混合器进口压力(P_SE)与二次入口压力(P_S)之比，即P_SE/P_S。

在一个实施例中，可以使用温度而非压力来追踪混合器500的混合器进口520中的燃料流动速度。在其他实施例中，可以使用压力来追踪混合器500的混合器进口520中的速度。在一些实施例中，混合器500的混合器进口520的几何配置可用于估计引射流420和夹带流226的相对质量流率。

当具有一次(引射)流入口面积(a_{_PE})和二次(夹带)流入口面积(a_{_SE})的混合器500的混合器进口520处的马赫数(Ma_{_PE})大于1.0时，进入混合器区域530的一次流将膨胀超过一次入口喷嘴面积(A_{_nzl})的大小。在一些实施例中，如图7中的燃料电池系统17所示，引射流420从一次流进口234进入文丘里管或排出器230，并通过一次喷嘴236、630的入口，然后从混合器进口520进入混合器区域530。夹带流226通过二次流吸入室620进入文丘里管或排出器230。

A_{_SE}/A_{_nzl}＝MAR-A_{_PE}/A_{_nzl} (24)

引射流420在混合器进口520处的速度(v_{_PE})为：

v_{_PE}＝√(2 x C_{P_A}x(T_O/T_PE)) (25)

a_{_PE}是进入混合器进口520的引射流420的声速。

a_{_PE}＝√(γ_{_A} x R_{_A} x T_PE) (26)

γ_{_A}为C_{P_A}/C_{V_A}，R_{_A}为R_univ/MW_A， (27)

v_{_PE}＝Ma_{_PE} x a_{_PE} (28)

Ma_{_PE}是进入混合器进口520的引射流420的马赫数。

Ma_{_PE}＝v_{_PE}/a_{_PE} (29)

ρ_PE＝P_E/R_{_A}/T_PE (30)

ρ_PE是引射流进入混合器进口520时，引射流成分的密度。

m_{_A}是进入混合器进口520的引射流的质量，m_{_B}是进入混合器进口520的夹带流的质量，ρ_SE进入混合器进口520的夹带流成分的密度，a_{_SE}是进入混合器进口520的夹带流226的声速，Ma_{_SE}是进入混合器进口520的二次流226的马赫数。

m_{_A}＝A_{_PE} x Ma_{_PE} x a_{_PE} xρ_PE (31)

m_{_A}/A_{_nzl}＝A_{_PE}/A_{_nzl} x Ma_{_PE} x a_{_PE} xρ_PE (32)

m_{_B}/A_{_nzl}＝(MAR-A_{_PE}/A_{_nzl})x Ma_{_SE} x a_{_SE} xρ_SE (33)

m_{_A}/A_{_nzl}＝A_{_PE}/A_{_nzl} x Ma_{_PE} x a_{_PE} xρ_PE (34)

m_{_B}/A_{_nzl}＝(MAR-A_{_PE}/A_{_nzl})x Ma_{_SE} x a_{_SE} xρ_SE (35)

引射流420以恒定压力通过混合器进口520后，与夹带流226在混合器区域530中混合，形成燃料流532。混合形成燃料流532的引射流420和夹带流226之间实现动量平衡。混合形成燃料流532的引射流420和夹带流226之间实现热平衡。

当引射流420与夹带流226在混合器区域530中混合时，可能会因为动量损失而导致效率低下。混合器区域530中的损失可以假定为与动量(例如m_{_A}v_A、m_{_B}v_B)成比例，其中η_MX是混合器效率，v_A是进入文丘里管或排出器230的引射流的速度，v_B是进入文丘里管或排出器230的夹带流的速度。

(m_{_A}+m_{_B})x v_M＝√(η_MX)x(m_{_A}v_PE+m_{_B}v_SE) (36)

(m_{_A}+m_{_B})x v_M＝m_{_A}v_PM+m_{_B}v_SM (37)

v_PM＝√(η_MX)x v_PE (38)

v_SM＝√(η_MX)x v_SE (39)

v_PE是引射流420在混合器进口520处的速度，v_SE是夹带流226在混合器进口520处的速度，v_M是燃料流532在混合器区域530中的速度，v_PM是引射流420在混合器区域530中的速度，T_PM是引射流420在混合器区域中的温度，v_SM是夹带流226在混合器区域530中的速度，T_SM是夹带流226在混合器区域中的温度。

进入混合器区域530的每个燃料流都可以独立处理。在一些实施例中，由于混合器区域530中的动量损失，燃料流532在混合器区域530中可能发生实际温度变化。

v_PM ²＝η_MX x v_PE ² (40)

v_PE ²＝2x C_P x(T_O-T_PE) (41)

v_PM ²＝2x C_P x(T_O-T_PM) (42)

v_PE ²-v_PM ²＝(1-η_MX)x v_PE ²＝2 x C_{P_A} x(T_PM-T_O) (43)

2 x C_{P_A} x(T_PM-T_PE)＝(1-η_MX)x v_PE ² (44)

T_PM＝T_PE+0.5 x(1-η_MX)x v_PE ²/C_{P_A} (45)

同样，T_SM＝T_SE+0.5 x(1-η_MX)x v_SE ²/C_{A_B} (46)

引射流在混合器区域530中的焓变(Δh_{_PM})和夹带流在混合器区域530中的焓变(Δh_{_SM})计算如下：

Δh_{_PM}＝C_{P_A} x(T_PE-T_PM) (47)

Δh_{_SM}＝C_{P_B} x(T_SE-T_SM) (48)

在一个实施例中，引射流430和夹带流226在混合器区域530中的混合是一个恒压过程，引射流在混合器区域530中的熵变(Δs_{_PM})和夹带流在该混合器区域中的熵变(Δs_{_SM})计算如下：

Δs_{_PM}＝C_{P_A} ln(T_PM/T_PE) (49)

Δs_{_SM}＝C_{P_B} ln(T_SM/T_SE) (50)

引射流420和夹带流226可以在混合器区域530内进行绝热混合，同时保持动量平衡。这种混合可能取决于引射率(ER)。对于这种混合，需要采用迭代求解的方式进行模拟，以遵循热力学第一和第二定律。在一个实施例中，引射率(ER)可用于计算燃料流532的特性。

ER＝m_{_B}/m_{_A} (51)

m_{_C}/m_{_A}＝1+ER (52)

C_{P_C}＝(C_{P_A}+ER x C_{P_B})/(1+ER) (53)

MW_{_C}＝y_{_H2_C} x MW_{_H2}+y_{_H2O_C} x MW_{_H2O} (54)

R_{_C}＝R^*/MW_{_C} (54)

γ_{_C}＝C_{P_C}/(C_{P_C}-R_{_C}) (55)

m_{_C}是引射流420和夹带流226的总质量，C_{P_C}是引射流420和夹带流226的总热容，R^*是普适气体常数，R_{_C}是引射流420和夹带流226的总气体常数，y_{_H2_C}是引射流420和夹带流226组合中氢气的摩尔数，y_{_H2O_C}是引射流420和夹带流226组合中水的摩尔数，MW_{_H2}是氢气的分子量，MW_{_H2O}是水的分子量。γ_{_C}为C_{P_C}/C_{V_C}，其中C_{P_C}是引射流420和夹带流226在恒定压力下的总热容，C_{V_C}是引射流420和夹带流226在恒定体积下的总热容。

在一个实施例中，混合器区域530中的热平衡可用于计算燃料流532的温度。

m_{_C} x C_{P_C} x T_M＝m_{_A} x C_{P_A} x T_PM+m_{_B} x C_{P_B} x T_SM (56)

C_{P_C}(1+ER)x T_M＝C_{P_A} x T_PM+ER x C_{P_B} x T_SM (57)

同样，总温度计算如下：

C_{P_C}(1+ER)x T_C＝C_{P_A} x T_O+ER x C_{P_B} x T_SM (58)

T_M是引射流420和夹带流226混合之后，燃料流532在混合器区域530中的温度。T_C是离开混合器500的燃料流的温度。在一些实施例中，T_C是通过扩散器550离开文丘里管或排出器230的燃料流552的温度。

在一个实施例中，在确定混合器区域530中气体流燃料流532的温度之后，引射流420和夹带流226混合后的混合器区域530中的燃料流532速度(v_M)可以计算如下：

v_M ²＝2 x C_{P_C}(T_C-T_M) (59)

混合器区域530中的马赫数(Ma_{_M})可以通过下式确定：

a_{_M}＝√(γ_{_C} x R_{_C}x T_M) (60)

Ma_{_M}＝v_{_M}/a_{_M} (61)

a_{_M}是混合器区域530中的声速。

混合器500的激波段540中的激波可以增加燃料流542的熵。在一些实施例中，如果混合器区域530中的马赫数(Ma_{_M})大于1.0，则混合器500的激波段540中的激波可以增加燃料流542的熵。在一个实施例中，激波区中的马赫数(Ma_{_SH})在混合器500的激波段540中变化。

Ma_{_SH} ²＝[1+0.5 x(γ_{_C}-1)x Ma_{_M} ²]/[γ_{_C} x Ma_{_M} ²–0.5 x(γ_{_C}-1)] (61)

混合器500的激波段540中的焓变(Δh_SH)为：

Δh_SH＝C_{P_C} x(T_SH-T_M) (62)

T_SH是燃料流542的温度。

混合器500的激波段540中的熵变(Δs_SH)为：

Δs_SH＝C_{P_C} x ln(T_SH/T_M)-R_{_C}x ln(P_SH/P_M) (63)

P_SH是燃料流542的压力。

P_SH/P_M＝1+2 x(γ_{_C}(γ_{_C}+1))x(Ma_{_M} ²-1) (64)

v_SH/v_M＝[1+0.5 x(γ_{_C}-1)x Ma_{_M} ²]/[0.5 x(γ_{_C}+1)x Ma_{_M} ²] (65)

ρ_SH/ρ_M＝v_M/v_SH (66)

T_SH/T_M＝P_SH/P_Mxρ_M/ρ_SH (67)

ρ_SH是燃料流542的密度，v_SH是燃料流542的速度。

在一个实施例中，燃料流552可以通过扩散器550来减速，以恢复压力。燃料流552可膨胀到由焓平衡确定的温度，燃料流552的压力恢复可能是有限的。扩散器的效率η_diff是混合器长度、扩散器设计、膨胀比、膨胀角和/或Ma_{_SH}的函数。

燃料流542可以通过中间状态过渡到燃料流552。燃料流542可以等熵减速到中间状态(DF')，并从中间状态(DF')等焓膨胀到退出状态(C)(例如燃料流552)。燃料流542在文丘里管或排出器230的区段550中变至中间状态DF'时，焓变(Δh_DF')为：

Δh_DF'＝η_diff x C_p x(T_C-T_SH) (68)

T_DF'＝＝η_diff(T_C-T_SH)+T_SH (69)

燃料流542在文丘里管或排出器230的区段550中变至状态DF'时，熵变(Δs_DF')为：

Δs_DF'＝0＝C_p ln(T_DF'-T_SH)-R(P_DF'/P_SH) (70)

P_DF'/P_SH＝(T_DF'/T_SH)^(γ/(γ-1)) (71)

P_DF'＝P_C (72)

P_DF'和T_DF'分别是燃料流542在中间状态(DF')时的压力和温度，P_C和T_C分别是离开文丘里管或排出器230的扩散器550的燃料流552的压力和温度。

引射流420和夹带流226的熵、焓、压力、温度和/或速度的变化可以建模为单个不可逆熵生成步骤，用以计算燃料电池系统13、15、17的引射率(ER)，并确定文丘里管或排出器230的工作限值和/或旁通阀或节流装置410的开启程度。下面讨论的方程描述了引射流420和夹带流226的熵、焓、压力、温度和/或速度的变化，这些方程可以建模为单个不可逆熵生成步骤，用以计算和/或数值模型。

引射率可以基于使用单一损失项的热力学分析来确定。在其他实施例中，边界条件可以基于燃料电池系统13、15、17的工作条件，例如升压(ΔP_LIFT)、目标引射率(ER_{_target})、空压(P_EMPTY)、阳极偏压(P_BIAS，即阳极204和阴极208处的压差)和/或一次入口喷嘴压力(P_O)。

升压(ΔP_LIFT)要求可以基于实现目标引射率(ER_{_target})的条件下的预期压力损失来确定。在一些实施例中，燃料电池系统13、15、17可以是绝热系统。在一些实施例中，文丘里管或排出器230出口温度(T_C)可以基于焓平衡来计算：

(1+ER)x C_{P_C}x T_C＝C_{P_A} x T_O+(1+ER)x C_{P_B} x T_S (73)

一次入口温度(T_O)可以不等于二次入口温度(T_S)。可以在文丘里管或排出器230内模拟单个非等熵过程，并且/或者可以用内部排出器效率(η_ejc)来表示文丘里管或排出器230中的所有损失。损失可以包括喷嘴效率低下、进入混合器区域530的一次流膨胀、任何混合损失、由激波引起的损失，以及扩散器550中的损失。

损失水平可能与混合器区域530中的动能成正比：

P_SE＝P_PE＝P_S/pr_{_CR} (75)

T_PE＝T_O x(P_PE/P_O)^(γ-1)/γ (76)

T_SE＝T_S x(P_SE/P_S)^(γ-1)/γ (77)

T_PM＝T_O - η_ejc (T_O–T_PE) (78)

T_SM＝T_S - η_ejc (T_S–T_SE) (79)

pr_{_CR}是临界压力比。在燃料电池的典型工作温度和压力下，H₂的临界压力比约为1.9，或者水饱和再循环流的临界压力比约为1.88。

PE/SE和PM/SM可用于定义混合器进口520处和混合器区域530处的引射流和夹带流的各个状态。在一些实施例中，混合器进口520处的这些流420和226在混合器500中被假定为是阻塞的。在一个实施例中，无论实际的引射率(ER)为何值，单个不可逆熵生成步骤都可以提供相同的熵损失。

在一个实施例中，不存在损失。在一些实施例中，由于内部排出器损失，速度会降低，这可能会引起在扩散器550的减速过程中可能无法恢复的温度升高。在其他实施例中，热力学第一定律和第二定律相结合，从而可以通过如下所示的关系来计算引射率(ER)。假设热容(C_P)恒定、气体成分理想，且不考虑混合熵：

-(Δs_{_M}-Δs_{_GEN_M})＝ER x(Δs_{_E}-Δs_{_GEN_E}) (80)

在一个实施例中，引射熵的可逆分量(Δs_{_M})和夹带熵的可逆分量(Δs_{_E})为：

Δs_{_M}＝C_{P_A} ln(T_C/T_O)-R_{_A} ln(P_C/P_O) (81)

Δs_{_E}＝C_{P_B} ln(T_C/T_S)-R_{_B} ln(P_C/P_S) (82)

在一个实施例中，引射熵的不可逆分量(Δs_{_GEN_M})和夹带熵的不可逆分量(Δs_{_GEN_E})为：

Δs_{_GEN_M}＝C_{P_A} ln(T_PM/T_PE) (83)

Δs_{_GEN_E}＝C_{P_B} ln(T_SM/T_SE) (84)

ER＝-(Δs_{_M}-Δs_{_GEN_M})/(Δs_{_E}-Δs_{_GEN_E}) (85)

EES配置中的文丘里管或排出器230的尺寸可以基于系统额定电流条件下的估计引射率(ER)与目标引射率(ER_{_target})之比(即ER/ER_{_target})来估计。系统的估计引射率(ER)可以基于上面讨论的方程来确定。使用比例控制阀作为旁通阀或节流装置410，可以确定系统中的文丘里管或排出器230的尺寸。文丘里管或排出器230的尺寸可以基于实际引射率(ER)、目标引射率(ER_{_target})、系统的热力学限值(例如可逆引射率(RER))，以及/或者系统的其他工作条件或特性来估计。

系统的工作条件或特性可以包括文丘里管或排出器230的混合器面积比(MAR)、部件效率、所需升压(ΔP_LIFT)、工作条件(空压(P_EMPTY)、阳极偏压(P_BIAS)和/或一次入口喷嘴压力(P_O))，以及/或者系统的工作点(例如电流密度)。受几何约束的质量流(引射流420、夹带流226)可以在双重阻塞条件下确定。实现双重阻塞条件的背压可以确定。输送目标质量流量所需的一次压力可以估计。可以考虑可逆和不可逆的情况。

文丘里管或排出器230各部件(进口234、232，喷嘴236、630，吸入室620，混合器进口520，混合器区域530，扩散器550，激波段540)的损失可用于估计不可逆损失。可以假设绝热过程、理想气体条件、恒定比热和/或可压缩流体。在一些实施例中，可以在双重阻塞条件下应用部件效率。

系统所需的升压(ΔP_LIFT)可以基于达到目标引射率(ER_{_target})时的流率来确定。目标引射率(ER_{_target})可以基于系统的最小过量燃料比(λ_{_MIN})来确定。在一些实施例中，系统的最小过量燃料比(λ_{_MIN})可以取决于系统的工作条件。在一些实施例中，引射率(ER)通过与目标引射率(ER_{_target})相关联的升压(ΔP_LIFT)来计算。

如果估计引射率(ER)大于目标引射率(ER_{_target})，则燃料电池系统13会需要更高的升压(ΔP_LIFT)。因此，这样的估计引射率(ER)可能无法实现，而实际引射率(ER)可能低于估计值。虽然可能无法实现引射率(ER)的实际值，但实现的引射率(ER)仍然可以大于或等于目标引射率(ER_{_target})。系统的引射率(ER)能力可用于估计文丘里管或排出器230的尺寸缩小幅度，即缩小到什么尺寸可以使得在系统的所有工作条件下都能达到目标引射率(ER_{_target})。

文丘里管或排出器230所需的升压(ΔP_LIFT)能力可以基于部件效率和/或工作条件(空压(P_EMPTY)、阳极偏压(P_BIAS)和/或一次入口喷嘴压力(P_O))来预测。在一个实施例中，部件效率可以包括一次喷嘴效率(η_nzl)、二次入口处的吸入效率(η_sec)、混合器效率(η_MX)、扩散器效率(η_diff)、引射流效率(η_M)和/或夹带流效率(η_E)。

η_M ＝ η_nzl x η_MX x η_diff (86)

η_E ＝ η_ sec x η_MX x η_diff (87)

对于一定的混合器面积比(MAR)、一定的排出器部件效率和工作点(电流密度)，可以确定文丘里管或引射器230的工作范围。在一些实施例中，可以确定可逆和损失情况下的最大引射率(例如，如果ER受到几何形状的约束，则可逆和损失情况下的最大引射率可能相同)。在其他实施例中，可以确定全引射率(ER)下提供的最大升压(ΔP_LIFT)。如果文丘里管或排出器230的出口压力(P_C)小于临界出口压力(P_{_critical}，低于该压力时，文丘里管或排出器230会发生双重阻塞)，则通过文丘里管或排出器230的受几何形状限制的流量称为临界引射率(ER_{_critical})。文丘里管或排出器230出口压力(P_C)的进一步降低不会使引射率(ER)提高到临界引射率(ER_{_critical})以上。

对于给定的混合器面积比(MAR)、排出器部件效率和工作点(电流密度)，可以确定达到升压(ΔP_LIFT)要求的条件。在一些实施例中，对于给定的排出器出口压力(P_C)和给定的任何工作条件，可以确定引射率(ER)和可逆引射率(RER)。在其他实施例中，可以确定排出器效率(相对于RER)。在一个实施例中，在目标引射率(ER_{_target})/可逆引射率(RER)受到严格限制的条件下，可以优化排出器效率，以将EES操作扩展到系统的整个工作范围。

EES配置可以提供更宽的操作范围，并允许缩小再循环泵或鼓风机220的尺寸。在一些实施例中，EES配置中的文丘里管或排出器230的尺寸缩小幅度基于额定电流下的ER/ER_{_target}比来确定。ER/ER_{_target}比不同于调节比。在其他实施例中，当排出器性能下降时，可以考虑调节比。

在一个实施例中，调整后的引射率(ER_{_adjusted})与系统引射率(ER_{_system})相同。引射率(ER)是文丘里管或排出器230的引射率。调整后的临界引射率(ER_{_critical_adjusted})是燃料电池系统13的最大引射率能力。

临界引射率(ER_{_critical})是文丘里管或排出器230的最大引射率能力。在一些实施例中，临界引射率(ER_{_critical})考虑了文丘里管或排出器230的热力学限值和几何限值，调整后的临界引射率(ER_{_critical_adjusted})考虑了燃料电池系统13的热力学限值和几何限值。

包括旁通阀或节流装置410的燃料电池系统13可以包括一个以上并联或串联配置的文丘里管或排出器230。根据燃料电池系统13的引射率要求，该一个以上文丘里管或排出器230的一次喷嘴236、630或任何其他部件可以具有不同的大小。

包括旁通阀或节流装置410的燃料电池系统13在高额定电流密度下或低电流密度下都可以达到目标引射率(ER_{_target})。在一些实施例中，燃料电池系统13可以由过量比来驱动。

如果一次入口喷嘴面积为(A_{_nzl})，二次(夹带)流入口面积为(A_{_SE})，则混合器面积比(MAR)为：

MAR＝(A_{_nzl}+A_{_SE})/A_{_nzl} (88)

如果文丘里管或排出器230的一次喷嘴236、630缩小尺寸，即一次入口喷嘴面积(A_{_nzl})缩小，并且二次(夹带)流入口面积(A_{_SE})保持不变，则混合器面积比(MAR)可以增加，以弥补一次入口喷嘴面积(A_{_nzl})的减小。

例如，如果全尺寸混合器面积比(MAR)等于5，一次入口喷嘴面积(A_{_nzl})可以是大约1个单位，二次(夹带)流入口面积(A_{_SE})可以是大约4个单位。如果文丘里管或排出器230的尺寸缩小到原来的1/4，则混合器面积比(MAR)的标称增加幅度可以是大约3.4倍至17倍。在另一些实施例中，混合器面积比(MAR)的增加幅度可以是包括文丘里管或排出器230的燃料电池系统10、11、13的最高工作电流密度和最低工作电流密度的折衷结果。

在另一些实施例中，混合器面积比(MAR)可以增加到大约15(即增加大约3倍)至大约19(即增加大约3.8倍)，包括其中所包含的任何比率。在其他实施例中，混合器面积比(MAR)可以增加到大约12(即增加大约2.4倍)至大约17(即增加大约3.4倍)，包括其中所包含的任何比率。在另一些实施例中，混合器面积比(MAR)可以增加到大约12(即增加大约2.4倍)至大约19(即增加大约3.8倍)，包括其中所包含的任何比率。

例如，如果全尺寸混合器面积比(MAR)等于5，一次入口喷嘴面积(A_{_nzl})可以是大约1个单位，二次(夹带)流入口面积(A_{_SE})可以是大约4个单位。如果文丘里管或排出器230的尺寸缩小到原来的1/2，则混合器面积比(MAR)的标称增加幅度可以是大约1.8倍至9倍。在另一些实施例中，混合器面积比(MAR)的增加幅度可以是包括文丘里管或排出器230的燃料电池系统10、11、13的最高工作电流密度和最低工作电流密度的折衷结果。

在另一些实施例中，混合器面积比(MAR)可以增加到大约7(即增加大约1.4倍)至大约10(即增加大约2倍)，包括其中所包含的任何比率。在其他实施例中，混合器面积比(MAR)可以增加到大约8(即增加大约1.6倍)至大约14(即增加大约2.8倍)，包括其中所包含的任何比率。在另一些实施例中，混合器面积比(MAR)可以增加到大约7(即增加大约1.4倍)至大约14(即增加大约2.8倍)，包括其中所包含的任何比率或比率范围。

燃料电池系统10、11、13的内部排出器效率可以是大约30％至40％、大约40％至50％、大约50％至60％，包括其中所包含的任何百分比或百分比范围。在一些实施例中，混合器面积比(MAR)可以很大，使得几何限制可以不适用于燃料电池系统13。混合器面积比(MAR)可以在大约5至7、大约7至10、大约10至15或大约15至25的范围内，包括其中所包含的任何数量或数量范围。

在其他实施例中，可通过旁通阀或节流装置410的引射流420的量可以是大约0％至10％、大约10％至20％、大约20％至30％、大约30％至40％、大约40％至50％、大约50％至60％、大约60％至70％、大约70％至80％、大约80％至90％、大约90％至100％，包括其中所包含的任何百分比或百分比范围。在优选实施例中，旁通阀或节流装置410可以调整，以允许可使燃料电池系统13达到其目标引射率(ER_{_target})的一定比例的引射流420通过。

在一个实施例中，一种使用包括文丘里管或排出器230的燃料电池20或燃料电池堆12的方法包括确定文丘里管或排出器230的尺寸并进行操作，以扩大工作范围并控制夹带流226的再循环流率。在一些实施例中，该方法包括让一次燃料420流过文丘里管或排出器230，并让一次燃料430流过与文丘里管或排出器230并联配置的旁通控制阀410。

在其他实施例中，该方法包括通过改变一次喷嘴236、630的尺寸和/或调整文丘里管或排出器230的混合器面积比(MAR)，以考虑流过旁通控制阀410并贡献夹带流226的一次燃料430，从而确定文丘里管或排出器230的尺寸。在一些实施例中，要确定流过旁通阀410的一次燃料430和流过文丘里管或排出器230的一次燃料420的量，取决于包括燃料电池或燃料电池堆12的燃料电池系统13的额定电流密度、所需引射率(ER)和/或工作条件。

范例

范例1

在一个实施例中，燃料电池系统10、11、13、15或17可以包括孤立的文丘里管或排出器230，空压(P_EMPTY)约为12bara，一次入口喷嘴压力(P_O)约为5.7bara，升压(ΔP_LIFT)约为0.15bara，吹扫流率(prg)为10％，定径温度(T_{O_SZ})为85℃。图8中的曲线图801显示了内部排出器效率约为60％时，系统的引射率(ER)、临界引射率(ER_{_critical})、目标引射率(ER_{_target})和可逆引射率与电流密度的函数关系。如图所示，对于给定的工作条件，将单个排出器的工作范围扩展到大约0.5A/cm²的电流密度以下，会导致引射率(ER)降至目标引射率(ER_{_target})以下，因而是不可行的。

范例2

在一个实施例中，如图9中的曲线图901所示，对于给定的一组工作条件，即使排出器的效率为100％，系统10、11、13、15或17可能也无法将工作范围扩展到大约0.4A/cm²以下，因为文丘里管或排出器230可能会受到热力学限制。调整后的引射率(ER_{_adjusted})与目标引射率(ER_{_target})之比应该等于或大于1，系统才能运行。

范例3

在一个实施例中，如果额定电流密度约为1.6A/cm²，排出器部件效率(η_nzl、η_sec、η_MX和η_diff)介于大约85％至90％之间，并且混合器面积比(MAR)约为100，则引射率(ER)和可逆引射率(RER)可能不存在任何几何约束。如果η_M＝η_E＝～65％，则ER/RER＝45％。在一些实施例中，文丘里管或排出器230的效率随着混合器面积比(MAR)的增大而降低，因此可获得的引射率或引射率能力可能不得而知。

范例4

在一个实施例中，如果混合器面积比(MAR)介于大约5至15之间，则引射率(ER)和可逆引射率(RER)可能存在几何约束。在一些实施例中，文丘里管或排出器230的效率是混合器面积比(MAR)的函数。在一些实施例中，混合器面积比(MAR)每增加一个单位，混合器区域530的效率可能降低大约1％至2％。在其他实施例中，ER/RER比可能由于几何约束而降低。例如，如果混合器面积比(MAR)从100降至10，则额定电流下的ER/RER比可能从大约45％变为大约15％。在一些实施例中，当电流密度下降时，几何约束可以提供更大的引射流能力。

范例5

在一个实施例中，文丘里管或排出器230的工作范围对空燃料供应压力(空压P_EMPTY)和燃料供应温度(T_CV)范围敏感。在一些实施例中，较高的空压(P_EMPTY)和稳定的燃料供应温度可以提供更广泛、更稳健的工作范围。例如，12bara的空压(P_EMPTY)、大约85℃的燃料供应温度(T_CV)和大约10％的吹扫流率(prg)可以让文丘里管或排出器230具有稳健的工作范围。

范例6

在一个实施例中，升压(ΔP_LIFT)和排出器部件效率(η_nzl、η_sec、η_MX和η_diff)可能影响文丘里管或排出器230的工作范围。文丘里管或排出器230的工作范围可能取决于这些变量。例如，当目标ER下的升压(ΔP_LIFT)约为15kPa，混合器面积比(MAR)约为10，并且总η_M和η_E约为65％时，文丘里管或排出器230可以具有稳健的工作范围。在一些实施例中，电流密度(i)可以是大约1.6A/cm²。ER/RER比可以是大约15％。调节比可以约为4，EES一次喷嘴236、630大小可以是大约0.4A/cm²。

范例7

在一个实施例中，当电流密度低于额定电流密度的大约10％时，全尺寸文丘里管或排出器230就无法达到ER_{_target}。例如，当电流密度约为额定电流密度的7％时，可逆引射率(RER)可能过低(也就是说，即使文丘里管或排出器230的效率为100％，该文丘里管或排出器230也无法实现ER)。然而，在额定电流的大约10％时，RER约为7。在一些实施例中，ER/RER比可以是大约20％。文丘里管或排出器230可能能够达到目标引射率(ER_{_target})。

范例8

在一个实施例中，如图10A-10D中的曲线图921、922、923、924所示，燃料电池系统10、11、13、15或17可能具有大约0.15bara的最大升压(ΔP_LIFT)，并包括采用EES配置的文丘里管或排出器230，其中EES大小为1.0，混合器面积比(MAR)的值很大，使得几何限制可能不适用于系统(例如MAR约为13)，排出器效率约为60％。可以使用二元旁通阀或节流装置410。对于某些高于约0.21A/cm²的电流密度，调整后的引射率(ER_{_adjusted})可能高于目标引射率(ER_{_target})。除了系统要求之外，可能还有额外的引射

范例9

在一个实施例中，如图11A-11D中的曲线图931、932、933、934所示，燃料电池系统10、11、13、15或17可能具有大约0.15bara的最大升压(ΔP_LIFT)，并包括采用EES配置的文丘里管或排出器230，其中EES大小为0.21，混合器面积比(MAR)的值很大，使得几何限制可能不适用于系统(例如MAR约为13)，排出器效率约为60％。可以使用二元旁通阀或节流装置410。一次喷嘴236、630的尺寸根据额定电流约为0.34A/cm²时，全部流量的给定比例来确定。在某些电流密度下，例如高于约0.35A/cm²或低于约0.65A/cm²时，调整后的引射率(ER_{_adjusted})可能低于目标引射率(ER_{_target})。在某些电流密度下，例如低于约0.35A/cm²时，可能有除系统要求之外的额外引射

范例10

在一个实施例中，如图12A-12D中的曲线图941、942、943、944所示，燃料电池系统10、11、13、15或17可能具有大约015bara的最大升压(ΔP_LIFT)，并包括采用EES配置的文丘里管或排出器230，其中EES大小为0.21，混合器面积比(MAR)的值很大，使得几何限制可能不适用于系统(例如MAR约为13)，排出器效率约为60％。一次喷嘴236、630的尺寸根据额定电流约为0.34A/cm²时，全部流量的给定比例来确定。旁通阀或节流装置410可以设置成使得通过文丘里管或排出器230的流量最大化，即一次喷嘴入口压力(P_O)最大化。可能不会有部分流量通过旁通阀或节流装置410。在该配置中，在扩展到EES_size(0.21)以下的整个工作范围内，调整后的引射率(ER_{_adjusted})都可以大于目标引射率(ER_{_target})。调整后的引射率(ER_{_adjusted})可以与调整后的临界引射率(ER_{_critical_adjusted})保持一致。该系统可能没有任何额外的引射

范例11

在一个实施例中，如图13A-13D中的曲线图951、952、953、954所示，燃料电池系统10、11、13、15或17可能具有大约0.15bara的最大升压(ΔP_LIFT)，并包括采用EES配置的文丘里管或排出器230，其中EES大小为0.21，混合器面积比(MAR)的值很大，使得几何限制可能不适用于系统(例如MAR约为13)，排出器效率约为60％。一次喷嘴236、630的尺寸根据额定电流约为0.34A/cm²时，全部流量的给定比例来确定。旁通阀或节流装置410可以包括比例阀。旁通阀或节流装置410的流量比例可调节，以控制整个工作条件下的调整后引射率(ER_{_adjusted})。旁通阀可以在100％负载条件下完全打开，在空闲条件下完全关闭。在该配置中，在整个工作范围内，调整后的引射率(ER_{_adjusted})都可以与目标引射率(ER_{_target})保持一致。

范例12

在一个实施例中，如图14A-14D中的曲线图961、962、963、964所示，燃料电池系统10、11、13、15或17可能具有大约0.25bara的最大升压(ΔP_LIFT)，并包括采用EES配置的文丘里管或排出器230，其中EES大小为1.0，混合器面积比(MAR)的值很大，使得几何限制可能不适用于系统(例如MAR约为15)，排出器效率约为50％。可以使用二元旁通阀或节流装置410。对于某些高于约0.4A/cm²的电流密度，调整后的引射率(ER_{_adjusted})可能高于目标引射率(ER_{_target})。除了系统要求之外，可能还有额外的引射

范例13

在一个实施例中，如图15A-15D中的曲线图971、972、973、974所示，燃料电池系统10、11、13、15或17可能具有大约0.25bara的最大升压(ΔP_LIFT)，并包括采用EES配置的文丘里管或排出器230，其中EES大小为0.27，混合器面积比(MAR)的值很大，使得几何限制可能不适用于系统(例如MAR约为15)，排出器效率约为50％。可以使用二元旁通阀或节流装置410。一次喷嘴236、630的尺寸根据额定电流约为0.43A/cm²时，全部流量的给定比例来确定。在某些电流密度下，例如高于约0.48A/cm²或低于约1.3A/cm²时，调整后的引射率(ER_{_adjusted})可能低于目标引射率(ER_{_target})。在某些电流密度下，例如低于约0.42A/cm²时，可能有除系统要求之外的额外引射

范例14

在一个实施例中，如图16A-16D中的曲线图981、982、983、984所示，燃料电池系统10、11、13、15或17可能具有大约0.25bara的最大升压(ΔP_LIFT)，并包括采用EES配置的文丘里管或排出器230，其中EES大小为0.27，混合器面积比(MAR)的值很大，使得几何限制可能不适用于系统(例如MAR约为15)，排出器效率约为50％。一次喷嘴236、630的尺寸根据额定电流约为0.43A/cm²时，全部流量的给定比例来确定。

旁通阀或节流装置410可以设置成使得通过文丘里管或排出器230的流量最大化，即一次喷嘴入口压力(P_O)最大化。可能不会有部分流量通过旁通阀或节流装置410。在该配置中，在扩展到EES_size(0.27)以下的整个工作范围内，调整后的引射率(ER_{_adjusted})都可以大于目标引射率(ER_{_target})。调整后的引射率(ER_{_adjusted})可以与调整后的临界引射率(ER_{_critical_adjusted})保持一致。该系统可能没有任何额外的引射

范例15

在一个实施例中，如图17A-17D中的曲线图991、992、993、994所示，燃料电池系统10、11、13、15或17可能具有大约0.25bara的最大升压(ΔP_LIFT)，并包括采用EES配置的文丘里管或排出器230，其中EES大小为0.27，混合器面积比(MAR)的值很大，使得几何限制可能不适用于系统(例如MAR约为15)，排出器效率约为50％。一次喷嘴236、630的尺寸根据额定电流约为0.43A/cm²时，全部流量的给定比例来确定。旁通阀或节流装置410可以包括比例阀。旁通阀或节流装置410的流量比例可调节，以控制整个工作条件下的调整后引射率(ER_{_adjusted})。旁通阀可以在100％负载条件下完全打开，在空闲条件下完全关闭。在该配置中，在整个工作范围内，调整后的引射率(ER_{_adjusted})都可以与目标引射率(ER_{_target})保持一致。

本发明的以下描述方面是可以考虑且非限制性的：

本发明的第一方面涉及燃料电池或燃料电池堆系统。该燃料电池或燃料电池堆系统包含第一燃料和第二燃料。第一燃料流过控制阀和尺寸适当的排出器。第二燃料流过控制阀和旁通阀。尺寸适当的排出器和旁通阀采用并联配置。

本发明的第二方面涉及使用燃料电池或燃料电池堆系统的方法。该方法包括以下步骤：让第一燃料流过尺寸适当的排出器；以及让第二燃料流过旁通阀。尺寸适当的排出器和旁通阀采用并联配置。

在本发明的第一和第二方面，旁通阀可以是比例控制阀。

在本发明的第一和第二方面，尺寸适当的排出器可以包含一次喷嘴。尺寸适当的排出器的尺寸可以通过减小一次喷嘴面积来确定。在本发明的第一和第二方面，尺寸适当的排出器可以包括混合器面积比，其经过调整后支持第二燃料流过旁通阀。在本发明的第一和第二方面，尺寸适当的排出器可以缩小到原来的大约1/4。混合器面积比可以提高大约2.4倍至3.8倍。在本发明的第一和第二方面，尺寸适当的排出器可以缩小到原来的大约1/2。混合器面积比可以提高大约1.4倍至2.8倍。

在本发明的第一和第二方面，旁通阀可以具有可变开度或闭度内阀，该内阀可以确定流过旁通阀的第二燃料流量。

在本发明的第一和第二方面，旁通阀可以具有适当的尺寸，以允许第一燃料和第二燃料均流过旁通阀。

在本发明的第一和第二方面，尺寸适当的排出器的尺寸可以基于尺寸适当的排出器的有效效率、尺寸适当的排出器的几何形状，或系统的工作条件来确定。在本发明的第一和第二方面，系统的工作条件可以包括一次喷嘴入口压力、二次入口压力、系统的空压，或系统的升压。

在本发明的第一和第二方面，尺寸适当的排出器的尺寸可以基于第一燃料的成分或第二燃料的成分来确定。

结合一个示例性实施例图示或描述的特征可以与本文描述的任何其他实施例的任何其他特征或元件相组合。这种修改和变更旨在包括在本公开的范围内。此外，本领域技术人员将认识到，本领域技术人员公知的术语可以在此互换使用。

上述实施例的描述足够详细，以使本领域的技术人员能够实施权利要求书，而且应该理解，在不偏离权利要求的精神和范围的情况下，可以进行逻辑、机械和电气方面的变化。因此，详细的描述不应认为具有限制性意义。

如本文所用，以单数形式列举并以词汇“一个”或“一种”(a/an)开头的元件或步骤应理解为不排除所述元件或步骤的复数形式，除非明确说明了这种排除。

此外，对本文所述主题的“一个实施例”的引用并不意味着解释为排除也包含所列举特征的其他实施例的存在。单位、测量和/或值的指定数值范围包括、基本上由所有数值、单位、测量和/或范围组成或由所有数值、单位、测量和/或范围组成，所有数值、单位、测量和/或范围包括这些范围和/或端点或在这些范围和/或端点内，无论这些数值、单位、测量和/或范围是否在本公开中明确规定。

除非另有定义，本文所用技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。本文所用的术语“第一”、“第二”、“第三”等并不表示任何顺序或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开来。术语“或”与“和/或”是指包含并意指所列项目中的任何一个或所有项目。此外，术语“连接”和“联接”并不只限于物理或机械连接或联接，也可以包括直接或间接的电气连接或联接。

此外，除非明确说明相反，否则“包括”、“包含”或“具有”具有特定属性的一个元件或多个元件的实施例可以包括不具有该属性的其他这样的元件。术语“包括”或“包含”(comprising/comprises)是指包含但不排除其他元件、组分和/或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。术语“包括”也可以指本公开中包含但不排除其他元件、组分和/或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法实施例。短语“由……组成”或“由……构成”(consistingof/consists of)是指排除任何其他元件、组分或方法步骤存在的混合物、组合物、制剂或方法。

短语“由……组成”是指本公开中排除任何附加元件、组分或方法步骤存在的化合物、组合物、制剂或方法。短语“主要由……组成”或“主要由……构成”(consistingessentially of/consists essentially of)是指包含对组合物、化合物、制剂或方法的特性没有实质性影响的其他元件、组分或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。短语“主要由……组成”也指本公开中包含对组合物、化合物、制剂或方法的特性没有实质性影响的其他元件、组分或方法步骤的组合物、化合物、制剂或方法。

在本文说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修改可允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生变化的任何定量表示。因此，由一个或多个术语(如“大约”(about)和“基本上”(substantially))修饰的数值不应局限于指定的精确数值。在一些情况下，近似语言可能对应于用于测量数值的仪器的精度。在本说明书和权利要求书中，范围限制可以合并和/或互换。除非上下文或语言另有说明，这种范围被识别并包括其中所含的所有子范围。

如本文所用，术语“可以”(may)和“可能是”(maybe)表示在一系列情况下发生的可能性；拥有特定的属性、特征或功能；和/或通过表达与限定动词相关的一个或多个能力或可能性来限定另一个动词。因此，“可以”和“可能是”的用法表明修改后的术语显然是适当的、能够的或适合于指示的能力、功能或用法，同时考虑到在一些情况下，修改后的术语有时可能不合适、不能够或不恰当。

应当理解，上述描述是说明性的，而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其各方面)可以单独使用、一起使用或彼此配合使用。此外，可以进行许多修改，以使特定情况或材料适应本文所述主题的教导，而不会偏离其范围。尽管本文所述材料的尺寸和类型旨在限定所公开主题的参数，但它们绝不是限制性的，而是示例性实施例。在回顾上文描述后，本领域技术人员将明白许多其他实施例。因此，本文所述主题的范围应参照所附权利要求书以及这样的权利要求书有权享有的全部等同物范围来确定。

本书面说明书使用示例来公开本文所述主题的几个实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域普通技术人员能够实践所公开主题的实施例，包括制造和使用设备或系统以及执行方法。本文所述主题的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包含本领域普通技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例的结构元件与权利要求书的字面语言没有区别，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其它示例旨在在权利要求书的范围之内。

尽管本文只图示和描述了本发明的某些特征，但对于本领域的技术人员来说，会有许多修改和变化。因此，应当理解，所附的权利要求书旨在涵盖属于本发明真正精神范围的所有这样的修改和变化。

Claims

1.一种燃料电池或燃料电池堆系统，包括：

第一燃料，其流过控制阀和尺寸适当的排出器，以及

第二燃料，其流过控制阀和旁通阀，

其中，尺寸适当的排出器和旁通阀采用并联配置。

2.权利要求1所述的系统，其中，旁通阀为比例控制阀。

3.权利要求1所述的系统，其中，尺寸适当的排出器包括一次喷嘴，并且尺寸适当的排出器的尺寸通过减小一次喷嘴面积来确定。

4.权利要求3所述的系统，其中，尺寸适当的排出器包括混合器面积比，其经过调整后支持第二燃料流过旁通阀。

5.权利要求4所述的系统，其中，尺寸适当的排出器缩小到原来的大约1/4，并且混合器面积比提高大约2.4倍至3.8倍。

6.权利要求4所述的系统，其中，尺寸适当的排出器缩小到原来的大约1/2，并且混合器面积比提高大约1.4倍至2.8倍。

7.权利要求1所述的系统，其中，旁通阀具有可变开度或闭度内阀，该内阀可以确定流过旁通阀的第二燃料流量。

8.权利要求1所述的系统，其中，旁通阀具有适当的尺寸，以允许第一燃料和第二燃料均流过旁通阀。

9.权利要求1所述的系统，其中，尺寸适当的排出器的尺寸基于尺寸适当的排出器的有效效率、尺寸适当的排出器的几何形状，或系统的工作条件来确定。

10.权利要求9所述的系统，其中，系统的工作条件包括一次喷嘴入口压力、二次入口压力、系统的空压，或系统的升压。

11.权利要求1所述的系统，其中，尺寸适当的排出器的尺寸基于第一燃料的成分或第二燃料的成分来确定。

12.一种使用燃料电池或燃料电池堆系统的方法，包括：

让第一燃料流过尺寸适当的排出器，

让第二燃料流过旁通阀，

其中，尺寸适当的排出器和旁通阀采用并联配置。

13.权利要求12所述的方法，其中，旁通阀为比例控制阀。

14.权利要求12所述的方法，其中，尺寸适当的排出器包括一次喷嘴，并且尺寸适当的排出器的尺寸通过减小一次喷嘴面积来确定。

15.权利要求14所述的方法，其中，尺寸适当的排出器包括混合器面积比，其经过调整后支持第二燃料流过旁通阀。

16.权利要求12所述的方法，其中，旁通阀具有可变开度或闭度内阀，该内阀可以确定流过旁通阀的第二燃料流量。

17.权利要求12所述的方法，其中，旁通阀具有适当的尺寸，以允许第一燃料和第二燃料均流过旁通阀。

18.权利要求12所述的方法，其中，尺寸适当的排出器的尺寸基于尺寸适当的排出器的有效效率、尺寸适当的排出器的几何形状，或系统的工作条件来确定。

19.权利要求18所述的方法，其中，系统的工作条件包括一次喷嘴入口压力、二次入口压力或系统的升压。

20.权利要求12所述的方法，其中，尺寸适当的排出器的尺寸基于第一燃料的成分或第二燃料的成分来确定。