CN117597803A - 燃料电池使用排出器时降低成本和寄生负载的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开广泛涉及用于优化文丘里管或排出器的使用，以及在燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统中将文丘里管或排出器与再循环泵或鼓风机一起使用时，降低与之相关的成本和寄生负载的系统和方法。

Description

燃料电池使用排出器时降低成本和寄生负载的系统和方法
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63/215,075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
本公开涉及用于优化文丘里管或排出器的使用的系统和方法，以及在燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统中将文丘里管或排出器与再循环泵或鼓风机一起使用时，降低与之相关的成本和寄生负载的系统和方法。
背景技术
车辆和/或动力总成利用燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统来满足其功率需求。根据燃料电池、电池堆或系统的工作条件，可以将燃料电池系统的最低过量燃料目标指定为燃料电池或燃料电池堆所需的最低水平的过量燃料目标。燃料电池或燃料电池堆的过量燃料水平可以高于最低过量燃料目标，但达到该更高水平可能导致燃料电池或燃料电池堆的寄生负载较高。例如，高于最低过量燃料目标的过量燃料水平可以通过在阳极保持高燃料流率来实现，这可能导致燃料电池、电池堆或系统出现压力损失。
鼓风机和/或泵(例如再循环泵)可以在与燃料电池或燃料电池堆的压力损失成比例的容量下工作。鼓风机和/或泵也可以在与通过鼓风机和/或泵的体积流率成比例的容量下工作。鼓风机和/或泵可以使用额外的功率来补偿压力损失。然而，鼓风机和/或泵使用额外的功率可能导致燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统的寄生负载较高。本公开涉及用于优化文丘里管或排出器的使用，以解决在包括燃料电池和/或燃料电池堆的燃料电池系统中使用再循环泵或鼓风机时的相关高成本和高寄生负载的系统和方法。
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，本文描述了一种燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统。该燃料电池系统有一个排出器。排出器具有以第一压力(PO)进入第一入口的第一燃料和以第二压力(PS)进入第二入口的第二燃料。第一燃料和第二燃料以排出器出口压力离开排出器出口。排出器具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(ER)。燃料电池系统需要在工作电流密度和工作压力范围内的工作压力下工作。工作压力等于或高于临界电流密度，排出器具有有效效率(η)。
在一些实施例中，工作压力可以介于低压到高压之间。在一些实施例中，燃料电池系统在工作电流密度下的工作压力可以设置为低于排出器出口压力(PC)，以满足如下关系：(PC/PO)κ＜PS/PC。在一些实施例中，κ＝(R_A/R_B)(η/ER)，RA可以是第一燃料的气体常数，RB可以是第二燃料的气体常数。
在一些实施例中，燃料电池系统可以包含阳极气体再循环回路，并且排出器大小可以取决于通过阳极气体再循环回路的压力损失(ΔPLIFT)。在一些实施例中，压力损失(ΔPLIFT)可以随包括工作电流密度和工作压力在内的工作条件而变化。在一些实施例中，(PC/PO)K＜1-ΔPLIFT/PC。在一些实施例中，κ＝(R_A/R_B)(η/ER)，RA可以是第一燃料的气体常数，RB可以是第二燃料的气体常数。
在一些实施例中，排出器可以具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(ER)，而无需鼓风机的帮助。
在一些实施例中，第一压力(PO)可以取决于第一入口处的第一燃料的温度。
在一些实施例中，排出器可以具有适当的大小，以在电流密度阈值或以上达到目标引射率。在一些实施例中，目标引射率可以基于最低过量燃料比或最低阳极气体入口湿度。
在一些实施例中，燃料电池系统还可以包含位于排出器上游或下游的鼓风机。
在一些实施例中，有效效率(η)可以随排出器的工作条件而变化。
在本公开的第二方面，一种操作燃料电池系统的方法包括以下步骤：让第一燃料以第一压力(PO)流过排出器中的第一入口；让第二燃料以第二压力(PS)流过排出器中的第二入口；让第一燃料和第二燃料的混合物以排出器出口压力(PC)离开排出器出口；适当选择排出器的大小，以在临界电流密度下完全输送第二燃料；以及在工作电流密度和工作压力下操作燃料电池系统。工作压力等于或高于临界电流密度，排出器具有有效效率(η)。
在一些实施例中，工作压力可以介于低压到高压之间。在一些实施例中，燃料电池系统在工作电流密度下的工作压力可以设置为低于排出器出口压力(PC)，以满足如下关系：(PC/PO)κ＜PS/PC。在一些实施例中，κ＝(R_A/R_B)(η/ER)，RA可以是第一燃料的气体常数，RB可以是第二燃料的气体常数。
在一些实施例中，燃料电池系统可以包含阳极气体再循环回路，并且排出器大小可以取决于通过阳极气体再循环回路的压力损失(ΔPLIFT)。在一些实施例中，压力损失(ΔPLIFT)可以随包括工作电流密度和工作压力在内的工作条件而变化。在一些实施例中，(PC/PO)κ＜1-ΔPLIFT/PC。在一些实施例中，κ＝(R_A/R_B)(η/ER)，RA可以是第一燃料的气体常数，RB可以是第二燃料的气体常数。
在一些实施例中，排出器可以具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(ER)，而无需鼓风机的帮助。
在一些实施例中，排出器可以具有适当的大小，以达到目标引射率(ER)。在一些实施例中，目标引射率可以取决于最低过量燃料比或最低阳极气体入口湿度。
在一些实施例中，该方法可以包括在第一燃料进入第一入口之前对其进行预处理的步骤。在一些实施例中，预处理可以包括将第一燃料加热或冷却至定径温度。在一些实施例中，定径温度可以取决于燃料电池系统的工作条件。
在一些实施例中，该方法可以包括操作位于排出器上游或下游的鼓风机的步骤。
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5A是一张图表，显示了包括文丘里管或排出器的系统在阻塞条件下的工作曲线。
图5B是一张图表，显示了包括文丘里管或排出器的系统在阻塞和非阻塞条件下的工作曲线。
图6是燃料电池系统中位于文丘里管或排出器下游的鼓风机的示意图。
详细说明
本公开涉及用于优化燃料电池系统或燃料电池堆系统中，燃料电池或电池堆的文丘里管和/或排出器的使用的系统和方法。本公开还涉及用于解决与燃料电池或燃料电池堆中的再循环泵或鼓风机相关的高成本和高寄生负载的系统和方法。更具体而言，本公开涉及用于实现以下目标的系统和方法：根据燃料电池或燃料电池系统的工作要求，优化和/或平衡燃料供应限值和范围；通过在燃料电池或燃料电池堆的所有工作模式中引入一次燃料温度调节来改善文丘里管或排出器性能；以及优化再循环泵或鼓风机相对于文丘里管或排出器的定位。
如图1A所示，燃料电池系统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的工作特性的一个实施例如图2中的图表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，该压力范围被称为阳极入口歧管压力(PAIM)，在阳极入口歧管213处测得。
燃料电池20或燃料电池堆12的最高阳极入口歧管压力(PAIM_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(PAIM_LO)用120表示。最高阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110和最低阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120之间的范围160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(TCV_LO)102至高燃料供应工作温度(TCV_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(PAIM_HI)110至大约或近似最低阳极入口歧管压力(PAIM_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(iMIN)132和/或最大电流密度(iMAX)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(PAIM_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和/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。引射率(ER)定义为低压流的质量流率(例如二次质量流率)与高压流的质量流率(例如一次质量流率)之比。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。
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和/或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(PAIM_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(PAIM)。
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(或称一次流率)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、引射流或再循环流。在一些实施例中，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234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(PCV)和燃料供应温度(TCV)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(PO)和一次入口温度(TO)进入文丘里管或排出器230。二次流226可以通过吸入室234中的二次入口232以二次入口压力(PS)和二次入口温度(TS)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(ΔPSTACK)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(ΔPSTACK)而提升。
升压(ΔPLIFT)是克服AGR回路224中的压力损失(ΔPSTACK)所需的压力。在一些实施例中，升压(ΔPLIFT)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(PS)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(PAIM)，以及AGR回路224中的压力损失(ΔPSTACK)或所需的升压(ΔPLIFT)。
PS＝PAIM - ΔPLIFT (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。边界条件可以包括一次喷嘴入口压力(PO)、二次入口压力(PS)、燃料电池或燃料电池堆12的阳极入口歧管压力(PAIM)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(TO)和二次入口温度(TS)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(PO)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(PO)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(PS)。在其他实施例中，一次入口压力(PO)可能随着一次入口温度(TO)的降低而下降。
一次入口温度(TO)可以等于燃料供应温度(TCV)，并且/或者一次入口温度(TO)可能影响一次流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(TS)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。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(PO)、背压和所需的升压(ΔPLIFT)敏感。背压可以是排出器出口238处的出口压力(PC)，或者可以是阳极入口歧管压力(PAIM)。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(PC)可能等于阳极入口歧管压力(PAIM)。在一些实施例中，一次喷嘴入口压力(PO)可以是燃料电池系统10/11中电流密度(i)的函数。
PO＝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(PO)、背压(例如PC、PAIM)和/或升压(ΔPLIFT)敏感。在一个实施例中，随着背压(例如PC、PAIM)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(ΔPSTACK)，同时克服背压(例如PC、PAIM)运行。
可逆引射率(RER)或基于热力学限值的引射率(ER)的可逆部分定义为：
RER＝-Δχ_M/Δχ_S(4)
Δχ_M是引射流Δχ_S是夹带的流/>在一个实施例中，对于给定的一组边界条件，燃料电池系统10/11的可逆引射率(RER)可以估计如下：
Δχ_M＝CP_A(TC-TO)+CP_Aln(TC/TO)-R_A ln(PC/PO) (5)
Δχ_S＝CP_B(TC-TS)+CP_Bln(TC/TS)-R_B ln(PC/PS) (6)
下标A和B分别表示一次流和二次流特性。CP是恒压下的比热。R为气体常数(RUGS/MW)，RUGS＝普适气体常数，MW为气体(例如H2燃料)的平均分子量。
在一个实施例中，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。
在一个实施例中，如果TS＝TO，则
RER＝-R_A ln(PC/PO)/R_B ln(PC/PS) (7)
在其他实施例中，如果二次入口温度(TS)不等于一次喷嘴入口温度(TO)，但该过程是绝热的，则可逆引射率(RER)可以如上所述来计算。
在一个实施例中，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的低效率或几何约束可能会妨碍可逆引射率(RER)的实现。在一些实施例中，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)。在其他实施例中，可逆引射率(RER)至少可以大于燃料电池系统10/11的目标引射率(ER_target)。目标引射率(ER_target)是系统10/11所需的最小引射率(ER)。在一个实施例中，对于给定一次入口压力(PO)，可逆引射率(RER)可能随着阳极入口歧管压力(PAIM)的增加而降低。在其他实施例中，对于给定一次入口压力(PO)，可逆引射率(RER)可能随着升压(ΔPLIFT)的增加而降低。
文丘里管或排出器230的有效效率(η_eff_ejc)对于确定是否和/或何时需要再循环泵或鼓风机220支持以实现目标引射率(ER_target)至关重要。文丘里管或排出器230的有效效率(η_eff_ejc)可以是衡量文丘里管或排出器230整体效率的指标，它可能取决于文丘里管或排出器230的各种部件的效率(η_ejc)。在其他实施例中，文丘里管或排出器230的有效效率(η_eff_ejc)可能取决于燃料电池系统10/11的工作条件。在另一些实施例中，文丘里管或排出器230的有效效率(η_eff_ejc)可能取决于文丘里管或排出器230设计、一次喷嘴236相对于文丘里管或排出器230中混合器入口的位置，以及/或者文丘里管或排出器230的不同部件的效率。
相对于工作电流密度108，ER/RER比可能在某一电流密度下达到最大值，然后随着电流密度超过该最大值对应的电流密度值，ER/RER比降低。在一些实施例中，因为文丘里管或排出器230内的损失可能随着内部流率而增加，或者因为几何约束可能限制通过文丘里管或排出器230的流率，ER/RER比可以达到最大值。例如，当电流密度108从最大电流密度开始降低时，ER/RER比可能随之增加。
当PO/PS比值低于某一比值时，ER/RER比可以达到最大值，因为排出器有效效率降低或其他情况所导致的ER/RER比的相对损失可能会增加。例如，随着PO/PS比值下降，使得一次喷嘴236不发生阻塞(例如对于H2，PO/PS<1.9)，文丘里管或排出器230的效率可能会开始下降，限制排出器的引射率(ER)能力。在一些实施例中，通过精心考虑文丘里管或排出器230的设计，文丘里管或排出器230在低PO/PS比下的有效效率可以得到改善。
ER/RER比可以达到最大值，因为文丘里管或排出器230的边界条件可以达到文丘里管或排出器230的击穿条件。文丘里管或排出器230的边界条件可能会降低可逆引射率(RER)，使得ER/RER比可能下降到最低要求水平以下。或者/以及，在低电流密度条件(例如低PO/PAIM)下，文丘里管或排出器230的边界条件可能到达文丘里管或排出器230的击穿条件。
燃料电池系统10/11可能有吹扫流，以去除系统10/11中的氮气(N2)和/或水。吹扫流可以去除燃料电池系统10/11中的其他气体。在一些实施例中，对于给定的燃料供应系统压力(PCV)、燃料供应温度(TCV)和/或控制阀特性，文丘里管或排出器230的一次喷嘴236可以允许一次质量流(加上任何吹扫流)在最大电流密度下流动。
压力和温度边界条件可能随着燃料电池系统10/11的工作电流密度而变化。背压(例如PC、PAIM)可以由燃料电池堆12的工作要求和/或效率来确定。克服AGR回路224中压力损失所需的最小升压(ΔPLIFT_MIN)是阳极气体再循环体积流量(AGRVOLFLOW)或二次流226和/或一次流202的函数。阳极气体再循环体积流量(AGRVOLFLOW)是电流密度和目标引射率(ERtarget)的函数。
ΔPLIFT_MIN＝f(AGRVOLFLOW)＝f(i,ERtarget) (8)
设计和运行采用文丘里管或排出器230(带或不带再循环泵或鼓风机220)的燃料电池系统10/11时，需要权衡许多因素。文丘里管或排出器230的大小可以基于燃料电池系统10/11的压力和/或温度定径限值来确定。如前所述，燃料供应系统80在燃料供应压力(PCV)和燃料供应温度(TCV)下供应燃料。根据燃料定径压力(P_CV_MIN)和燃料定径温度(T_CV_SZ)限值来调整下游部件尺寸，可以使文丘里管或排出器230的工作范围最大化。在一些实施例中，燃料定径压力(P_CV_MIN)可以是控制阀处的最小入口压力。在其他实施例中，燃料定径压力(P_CV_MIN)可以是在空压条件(PEMPTY)下，控制阀入口处的压力。
在一个实施例中，控制阀可能被阻塞，并且具有根据下式确定的压力恢复系数(PRF)。
PRF＝√[(P1-P2)/(P1-PVC)](9)
P1是在控制阀256上游测得的上游压力，例如燃料供应压力(PCV)。P2是在控制阀256下游测得的下游压力。如果燃料电池系统10/11没有文丘里管或排出器230，则P2为阳极入口歧管压力(PAIM)；如果燃料电池系统10/11具有文丘里管或排出器230，则为一次喷嘴入口压力(PO)。PVC是机械调节器250中，控制阀256的流颈259处的压力。
当一次喷嘴236因某种燃料组成而阻塞时，燃料的临界压力比(pr_CR)是一次喷嘴入口压力(PO)与二次入口压力(PS)之比。在一些实施例中，氢气的阻塞压力比(例如临界压力比pr_CR)约为1.9。如果阀门阻塞，并且燃料电池系统10/11中的燃料为H2，则PVC＝P1/1.9。
文丘里管或排出器230的一次喷嘴236可以具有适当的大小，以便在空压条件(PEMPTY)下提供所需的燃料流量，包括吹扫流量。空压条件(PEMPTY)包括一次入口温度(TO)等于燃料定径温度(T_CV_SZ)和一次入口压力(PO)等于或约为最大一次喷嘴入口压力(PO_MAX)时的条件。最大一次喷嘴入口压力(PO_MAX)取决于压力恢复系数(PRF)和燃料定径压力(P_CV_MIN)。在一些实施例中，空压(PEMPTY)可以是大约12bara到15bara，包括其中所包含的所有压力和压力范围。在其他实施例中，空压(PEMPTY)可以是大约12bara。
所需的燃料流量可能取决于实际燃料流量(一次流量)202、再循环流量226和/或吹扫流量。在一些实施例中，可以对文丘里管或排出器230的工作范围(例如反向工作范围、过渡工作范围、双重阻塞工作范围)进行管理。例如，如果燃料电池系统10/11的运行使得文丘里管或排出器230在过渡区工作，则文丘里管或排出器230的一次喷嘴236最好可以在电流密度108尽可能低的条件下保持阻塞。
对于给定的控制阀256最小入口压力和定径温度(T_CV_SZ)，存在相应的一次喷嘴入口定径压力(PO_SZ)。在一些实施例中，一次喷嘴面积的大小通过一次喷嘴入口定径压力(PO_SZ)和相应的一次喷嘴入口定径温度(TO_SZ)来确定。
在一个实施例中，文丘里管或排出器230的混合器面积231(即一次流与二次流混合的地方)可以足够大，以便在燃料电池系统10/11中实现最大引射率(ER)。混合器面积比(MAR)为文丘里管或排出器230的混合器面积231与一次喷嘴面积之比。文丘里管或排出器230的混合器面积比(MAR)可以根据定径温度(T_CV_SZ)来调整。
在一个实施例中，最大一次质量流率或最大质量流率(m_MAX)由下式计算得出：
m_MAX＝I2M x iMAX x(1+prg)(10)
iMAX为燃料电池堆12的最大电流密度(例如大约1.6A/cm2)，prg为吹扫流量百分比(例如10％)，I2M为将电流密度转换成燃料(如H2)质量流量的常数。
一次喷嘴入口定径压力(PO_SZ)取决于燃料供应条件和最大一次质量流率(m_MAX)下的控制阀压力。一次喷嘴入口定径压力(PO_SZ)为：
PO_SZ＝P_CV_MIN/CVPR(11)
CVPR是控制阀在最大流量条件下的压力比。在一个实施例中，CVPR介于大约1.2至1.9之间，包括其中所包含的所有值和范围。
在一个实施例中，控制阀256在最大一次质量流率(m_MAX)下可能完全打开，而最大流量下的压力恢复系数(PRF_WO)可以确定如下：
PRF_WO＝√[(P_CV_MIN-PO_SZ)/(P_CV_MIN–PVC)] (12)
PRF_WO＝√[(1-1/CVPR)/(1-1/pr_CR)] (13)
CVPR＝PO_SZ/PRF_WO (14)
CVPR＝1/[1-PRF_WO 2 x(1-1/pr_CR)] (15)
最大流量下的压力恢复系数(PRF_WO)可以介于大约0.6至0.8之间，包括其中所包含的所有值和范围。在一些实施例中，最大流量下的压力恢复系数(PRF_WO)可以大于0.8。在其他实施例中，最大流量下的压力恢复系数(PRF_WO)可以是大约1.0。
文丘里管或排出器230的尺寸和设计可以利用适当的几何参数来确定。基于向燃料电池系统10/11供应一次流202的燃料供应系统80的压力和/或温度限值和范围，可以确定文丘里管或排出器230的一次喷嘴236和/或混合面积231的大小，以满足燃料电池系统10/11的最大流量要求。
文丘里管或排出器230的阻塞范围与控制阀处的最小入口压力，即燃料定径压力(P_CV_MIN)成反比。在一个实施例中，排出器喷嘴(一次喷嘴236)面积(ANZL)可以具有适当的大小，使得在最大一次喷嘴入口定径压力(PO_SZ)下可以实现最大一次质量流率(m_MAX)。一次喷嘴的所需有效面积(A_EFF_NZL)为：
A_EFF_NZL＝[m_MAX x√TO_SZ]/[PO_SZ x CF_H2] (16)
CF_H2是常数因子，对于氢气，它等于0.578。在一些实施例中，实际喷嘴面积(ANZL)可以大于有效喷嘴面积(A_EFF_NZL)，以弥补一次喷嘴236的效率不足。
当一次喷嘴236阻塞时，所需的一次喷嘴入口压力(PO)为：
当一次喷嘴236未阻塞时，所需的一次喷嘴入口压力(PO)对下游压力(PS)敏感。如果燃料电池系统10/11中的一次流202为氢气(H2)，则在以下情况下，一次喷嘴236可以保持氢气阻塞：
PO/PS>1.9→PO/(PC–ΔPLIFT)>1.9 (18)
ΔPSTACK＝(i/iMAX)xΔPREF x(PC_REF/PC)n (19)
升压(ΔPLIFT)是克服通过AGR回路224的压力损失(ΔPSTACK)所需的压力。ΔPREF是最大电流下的压力损失。在一些实施例中，如果一次喷嘴236未阻塞，则一次喷嘴入口压力(PO)与二次入口压力(PS)的关系曲线可能趋于平缓。在非阻塞条件下，一次喷嘴入口压力(PO)与排出器出口压力(PC)之比，即PO/PC，要小于阻塞条件下的PO/PC比。PC_REF是最大电流下的工作压力，n表示该关系的阶数，可以介于0到1之间。
对于给定的燃料供应约束，燃料电池系统10/11的可逆引射率(RER)可以最大化。
RER＝-R_A ln(PC/PO)/R_B ln(PC/PS) (20)
在恒定的排出器出口压力(PC)和二次入口压力(PS)下，可逆引射率(RER)对一次喷嘴入口压力(PO)的偏导数由下式计算得出：
/>
以上方程显示，斜率为正数，表明可逆引射率(RER)的变化与一次喷嘴入口压力(PO)的变化方向相同。一次喷嘴入口压力(PO)越高，可逆引射率(RER)越大，其他一切保持不变。对于固定的排出器出口压力(PC)(等于阳极入口歧管压力(PAIM))和给定的二次入口压力(PS)，可以通过最大化一次喷嘴入口压力(PO)来使可逆引射率(RER)最大化。
工作压力或阳极入口歧管压力(PAIM)或背压可以根据以下因素来确定：燃料的临界压力比(pr_CR)、吹扫流量、控制装置处的最小入口压力(即燃料定径压力)(P_CV_MIN)、一次燃料入口温度(TO)和定径温度(T_CV_SZ)。阳极入口歧管压力(PAIM)可能影响文丘里管或排出器230可以达到目标引射率(ERtarget)的范围。在一些实施例中，可逆引射率(RER)可以最大化。在另一些实施例中，对于燃料电池系统10/11的一组给定边界条件，一次喷嘴入口压力(PO)可以增加。
如前所述，可逆引射率(RER)为：
RER＝-R_A ln(PC/PO)/R_B ln(PC/PS) (22)
要确定燃料电池工作压力(例如排出器出口压力(PC)、阳极入口歧管压力(PAIM))如何影响文丘里管或排出器230的工作范围，应当注意：
RER＞ER_target/η_eff_ejc (23)
η_eff_ejc是衡量可逆引射率(RER)可实现部分或排出器有效效率的指标，它取决于燃料电池系统10/11的工作条件。
如果κ＝R_A/_B)(η_ejc/ER_target)，则(PC/PO)κ＜PS/PC (24)
通过AGR回路224的压力损失(ΔPSTACK)与体积流量成正比。
ΔPSTACK＝ΔPREF X i_FRAC x(PAIM_REF/PAIM)n (25)
i_FRAC＝i/iMAX，如果排出器出口238处的出口压力(PC)与阳极入口歧管压力(PAIM)相同，则参考阳极入口歧管压力(PAIM_REF)为最大电流下的工作压力(PC_REF)。
在一个实施例中，通过AGR回路224的压力损失(ΔPSTACK)随着质量流量的降低而降低。在一些实施例中，当在AGR回路224中循环的气体组成密度较高时，通过AGR回路224的压力损失(ΔPSTACK)通常会降低。
如果n＝0，
(PC/Po)κ＜1-ΔPREF x i_FRAC/PAIM (26)
如果n＝1，
(PC/PO)κ＜1-ΔPREF x i_FRAC/PAIM (27)
在一个实施例中，如果一次喷嘴236阻塞，并且在燃料电池系统10/11的整个工作范围内使用最大阳极入口歧管压力(PAIM_HI)(大约2.5bara)，则文丘里管或排出器230可以在低至大约48％的最大电流密度下工作，调节比约为1.1。在其他实施例中，如果一次喷嘴236阻塞，并且在燃料电池系统10/11的整个工作范围内使用最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)(大约1.1bara)，则文丘里管或排出器230可以在低至大约21％的最大电流密度下工作，调节比约为4.9。
如果最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)提高到大约1.2，则调节比可降低到大约4.0。在一些实施例中，如果一次喷嘴236阻塞，并且在每个电流密度(i)下，阳极入口歧管压力(PAIM)都是最大阳极入口歧管压力(PAIM_HI)，则可以在整个工作范围内启用文丘里管或排出器230操作。在另一些实施例中，当燃料电池系统10/11在文丘里管或排出器230的较低工作范围内运行时，一次喷嘴236可能不阻塞。
燃料电池20或燃料电池堆12在任何工作电流密度108下的工作压力都可以设置为低于满足以下关系的值：
(Pc/Po)κ＜1-ΔPLIFT/PC (28)
排出器出口压力(PC)可以具有一个上限(例如最大阳极入口歧管压力(PAIM_HI))和一个下限(例如最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO))。或者/此外，排出器出口压力(PC)可以对升压要求(ΔPLIFT)敏感。最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)可能影响文丘里管或排出器230的调节比。降低阳极入口歧管压力(PAIM)可以扩大文丘里管或排出器230的工作范围。
如果已知阳极入口歧管的最小和最大压力(分别为PAIM_LO120和PAIM_HI 110)，则可以确定可设定最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120所在的低断点(即电流密度)(i_LO_BRK)和可设定最大阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110所在的高断点(即电流密度)(i_HI_BRK)。在一个实施例中，在阻塞条件下，
在阻塞条件下，如果燃料电池系统10/11的最大电流密度(iMAX)134约为1.6A/cm2，吹扫流量百分比(prg)约为10％，一次喷嘴入口定径温度(TO_SZ)约为80℃，控制阀处的最小入口压力(即燃料定径压力)(P_CV_MIN)约为12bara，临界压力比(pr_CR)约为1.9bara，最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120约为1.2bara，一次入口燃料温度(TO)约为80℃，最大阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110约为2.5bara，则通过计算可知，应设定最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120所在的断点(即电流密度108)i_LO_BRK约为0.64A/cm2，应设定最大阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110所在的断点(即电流密度)i_HI_BRK约为1.32A/cm2。调节比定义为i_LO_BRK与燃料电池系统10/11的最大电流密度(iMAX)134之比，计算结果约为2.52。如果控制阀处的最小入口压力(即燃料定径压力)(P_CV_MIN)变为大约12bara，而所有其他变量保持不变，则通过计算可知，i_LO_BRK约为0.64A/cm2，i_HI_BRK为1.32A/cm2，调节比约为5.04。
在阻塞条件下，如果文丘里管或排出器230在高电流密度下运行，或当一次喷嘴入口定径温度(TO_SZ)约为40℃时，一次入口燃料温度(TO)约为85℃，燃料电池系统10/11的最大电流密度(iMAX)134约为1.6A/cm2，吹扫流量百分比(prg)约为10％，控制阀处的最小入口压力(即燃料定径压力)(P_CV_MIN)约为12bara，临界压力比(pr_CR)约为1.9bara，最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120约为1.2bara，最大阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110约为2.5bara，则调节比约为2.69。在其他实施例中，如果文丘里管或排出器230在低电流密度下运行，燃料温度较高，且当一次喷嘴入口定径温度(TO_SZ)约为85℃时，一次入口燃料温度(TO)约为85℃，而所有其他变量保持不变，则调节比降至大约2.52。
在阻塞条件下，如果燃料电池系统10/11的最大电流密度(iMAX)134约为1.6A/cm2，吹扫流量百分比(prg)约为10％，控制阀处的最小入口压力(即燃料定径压力)(P_CV_MIN)约为12bara，临界压力比(pr_CR)约为1.9bara，最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120约为1.2bara，一次入口燃料温度(TO)约为85℃，一次喷嘴入口定径温度(TO_SZ)约为85℃，最大阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110约为2.5bara，则调节比降至大约2.52。如果最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120降至大约1.1bara，而所有其他变量保持不变，则调节比降至大约2.75。
如果一次喷嘴236不需要阻塞，则可以根据下式确定可设定最小阳极入口歧管压力PAIM_LO 120的低断点(即电流密度)(i_LO_BRK)和可设定最大阳极入口歧管压力PAIM_HI 110的高断点(即电流密度)(i_HI_BRK)：
PO＝f(i_FRAC) (32)
电流密度(i)可以是i_LO_BRK或i_HI_BRK。
图5A所示图形501展示了文丘里管或排出器230在阻塞条件下的工作范围，图5B所示图形502展示了文丘里管或排出器230在阻塞和非阻塞条件下的工作范围。如图5A和B所示，曲线160表示燃料电池堆设计所确定的目标阳极入口歧管压力范围。在临界电流密度(i_LO_CR)130以上时，燃料电池系统10/11可能必须在目标阳极入口歧管压力范围内运行，该范围处于曲线160所示的范围内。在所示实施例中，临界电流密度(i_LO_CR)130约为0.7A/cm2。文丘里管或排出器230的优选最大阳极入口歧管压力(PAIM)，即文丘里管或排出器230的优选最大排出器压力(P_AIM_EJCT_MAX)，是电流密度的函数，如曲线410所示。文丘里管或排出器230的优选最大排出器压力(P_AIM_EJCT_MAX)对一次入口温度(TO)敏感，如曲线420所示。
最大排出器压力(P_AIM_EJCT_MAX)可以根据燃料供应系统80的限值和范围而变化。最大排出器压力(P_AIM_EJCT_MAX)曲线410与最大阳极入口歧管压力(PAIM_HI)110相交所处的电流密度定义为高电流密度排出器阈值(i_HI_THV)464。最大排出器压力(P_AIM_EJCT_MAX)曲线410与最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120相交所处的电流密度定义为低电流密度排出器阈值(i_LO_THV)460。
如果最大排出器压力(P_AIM_EJCT_MAX)大于阳极入口歧管压力(PAIM)，文丘里管或排出器230可以在一次喷嘴236阻塞条件下运行，这是一种稳健的排出器状态。在一些实施例中，如果阳极入口歧管压力(PAIM)大于最大排出器压力(P_AIM_EJCT_MAX)，虽然文丘里管或排出器230仍然可以引射流量，但文丘里管或排出器230可能对边界条件更加敏感。在其他实施例中，如果阳极入口歧管压力(PAIM)大于最大排出器压力(P_AIM_EJCT_MAX)，文丘里管或排出器230继续满足引射率(ER)要求的能力可能会变得对升压(ΔP_LIFT)更加敏感。
考虑到AGR回路224中的差压，文丘里管或排出器230配置可以具有适当的大小，以在临界电流密度(i_LO_CR)130下完全输送再循环流226。文丘里管或排出器230配置可以具有适当的大小，能够完全输送再循环流226，而无需再循环泵或鼓风机220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，如曲线170和440所示。曲线170显示了由再循环泵或鼓风机220输送的再循环流的比例，曲线440显示了相应的寄生节能。显示寄生节能440的曲线440与显示由再循环泵或鼓风机220输送的再循环流比例的曲线170成反比。
在一个实施例中，空压(PEMPTY)限值可能是一个重要参数。为了满足标称条件下的再循环流量要求，空压(PEMPTY)限值可以设定得足够高，使得文丘里管或排出器230能够输送再循环流226，而无需再循环泵或鼓风机220的帮助。
文丘里管或排出器230的优选最大排出器压力(P_AIM_EJCT_MAX)可能取决于一次燃料入口温度(TO)。曲线420显示了一次燃料入口温度(TO)与一次喷嘴入口定径温度(TO_SZ)相同时的最大排出器压力(P_AIM_EJCT_MAX)。因此，文丘里管或排出器230可能会由于一次燃料入口温度(TO)的影响，而进入性能不够稳健的状态。
要抵消一次燃料入口温度(TO)变化的影响，可以提高控制阀处的最小入口压力，即燃料定径压力(P_CV_MIN)。例如，如果一次喷嘴入口定径温度(TO_SZ)为80℃，最低一次燃料入口温度(TO)为0℃，则抵消因子计算如下：
抵消因子＝√((TO_SZ+273.15)/(TO+273.15))＝1.14(33)
例如，一次喷嘴入口压力(PO)可以降低为原来的1/1.14，以抵消一次燃料入口温度(TO)变化的影响。降低一次喷嘴入口压力(PO)会降低给定工作电流密度下的允许阳极入口歧管压力(PAIM)，并影响调节比。在一些实施例中，阳极入口歧管压力(PAIM)可以调节，以补偿温度的变化。如果阳极入口歧管压力(PAIM)设置不当，文丘里管或排出器230可能会受到不利影响。空压(PEMPTY)可以增加14％，以抵消一次燃料入口温度(TO)的任何变化的影响。
在一个优选实施例中，文丘里管或排出器230设计为使得文丘里管或排出器230可以在低电流密度下继续稳健地满足任何引射率(ER)要求。文丘里管或排出器230可以在电流密度低至图5A和图5B中过量燃料比电流密度阈值(i_λ_THV)150的情况下继续满足引射率(ER)要求。显示寄生节能440的曲线说明了文丘里管或排出器230可以在电流密度如此之低的情况下继续满足引射率(ER)要求的配置的优势。文丘里管或排出器230与再循环泵或鼓风机220可以同时工作。或者/此外，再循环泵或鼓风机220可以选用较小尺寸，以增加寄生节能和/或减少燃料电池系统10/11的成本、尺寸或重量。
燃料供应系统80以及燃料电池堆12的工作条件(例如压力、温度、再循环流量要求和电池堆差压等)可能影响文丘里管或排出器230的运行和/或性能。在其他实施例中，燃料电池堆12排出气体的组成(例如水含量、N2含量等)可能影响文丘里管或排出器230的运行和/或性能。
对一次流进行连续温度预处理可以改善文丘里管或排出器230的运行和/或性能。在一些实施例中，温度预处理可以包括加热和/或冷却。一次流的温度预处理通常是在冷启动操作期间完成。
在燃料电池堆12的任何运行期间，一次入口温度(TO)可能发生显著变化。在一个实施例中，一次入口温度(TO)可以介于大约-40℃至100℃、大约-40℃至-20℃、大约-20℃至0℃、大约0℃至20℃、大约20℃至40℃、大约40℃至60℃、大约60℃至80℃或大约80℃至100℃，包括其中包含的所有值和范围。
在确定文丘里管或排出器230的一次喷嘴236的大小时，可以将一次入口温度(TO)范围的最高温度纳入考虑。这可能导致一次喷嘴236大于其他情况下的要求，使得在部分负载条件下，当一次入口温度(TO)处于允许范围的中间时，文丘里管或排出器230的运行会受到进一步挑战，因为输送一次流202所需的一次喷嘴入口压力(PO)低于在允许范围的最高温度时所需的压力。
例如，应设定最小阳极入口歧管压力(PAIM_LO)120所在的断点(即电流密度)i_LO_BRK从一次喷嘴入口定径温度(TO_SZ)为0℃时的2.52A/cm2变为一次喷嘴入口定径温度(TO_SZ)为80℃时的2.21A/cm2。这种变化可能会使文丘里管或排出器230难以在低负载条件下实现所需的引射率(ER)。
在一个实施例中，可变一次入口燃料温度(TO)导致文丘里管或排出器230的出口流温度较低。在较低一次入口温度(TO)下，由于引射流226饱和，文丘里管或排出器230出口的相对湿度(RH)可能超过RH＝1(例如RH＝2、2.1、2.2、3等)。当RH超过1时，阳极入口212处的歧管或管道中可能出现冷凝问题。在其他实施例中，可能会有液滴凝聚在一次流喷射口上。
较低的一次入口温度(TO)可能会使文丘里管或排出器230中出现温度梯度。这种温度梯度可能会导致文丘里管或排出器230、连接到文丘里管或排出器230的歧管，以及/或者燃料电池堆12的内部发生应力失效。为了减轻温度梯度的影响，可以在一次喷嘴236入口前方进行热交换，使燃料保持在固定温度(例如燃料电池工作温度)。一次喷嘴236入口前方的一次流202的温度预处理可以基于一次喷嘴入口定径温度(TO_SZ)，后者可能会随燃料电池系统10/11的工作条件而变化。
一次入口温度(TO)可以通过与燃料电池堆12的组成部分(例如冷却剂36、后置压缩机空气流37等)进行热交换来保持在固定温度。这种热交换可以产生可预测的文丘里管或排出器230出口成分和温度。在一些实施例中，热交换可以包括一个或多个圆管、管道或其他设备，用于将一次流引导至与之交换热量的组成部分附近。在一个实施例中，文丘里管或排出器230也可以在更广泛的边界条件下更稳健地运行。
凭借灵活控制入口温度的能力，文丘里管或排出器230的工作范围可以扩展到较低电流密度108。文丘里管或排出器230可以在较低温度和高电流密度108下工作，并且文丘里管或排出器230的一次喷嘴236可以具有适当的大小，以便在该较低温度下工作。在较低工作电流密度(即等于或约为i_LO_BRK)下，入口处一次流202的温度(TO)可以通过实施温度预处理来提高。这种配置要求提高一次喷嘴入口压力(PO)，以满足燃料电池系统10/11的质量流量要求。
例如，如果一次喷嘴236的大小使其可以在40℃下运行，并且当燃料电池系统10/11以约为i_LO_BRK的电流密度108运行时，一次入口燃料温度(TO)提高到80℃，则调节比将从2.52提高到2.69。因此，在一次入口燃料温度(TO)升高后，文丘里管或排出器230的工作范围可以扩大，并且对再循环泵或鼓风机220的任何定径要求都可以最小化。在一些实施例中，通过温度预处理设备将燃料电池系统10/11中的压力损失降至最低，可以最大限度地发挥预处理的优势。
在瞬态期间，来自燃料电池堆12的电能或废热可被转移到加热器或蓄热装置，以加热一次流202并提高一次燃料入口温度(TO)。例如，如果通过加热来提高一次燃料入口温度(TO)，则一次入口压力(PO)将会增大，以补偿温升，并使对再循环泵或鼓风机220的任何定径要求最小化。例如，如果一次流202在部分负载条件下在80℃时照常运行，并且在瞬态期间被加热到150℃，则过渡点处的电流密度(i_TRS_BRK)可以减少9％左右。
就文丘里管或排出器230而言，再循环泵或鼓风机220的配置可以改善文丘里管或排出器230的运行和/或性能。再循环泵或鼓风机220支持文丘里管或排出器230的运行和/或性能。在一些实施例中，如图3和4所示，如果再循环泵或鼓风机220位于文丘里管或排出器230的上游，则通过再循环泵或鼓风机220的流率与通过AGR回路224的再循环流量相对应。例如，如果引射率(ER)等于2.0，则通过再循环泵或鼓风机220的流量(Q)为燃料222总流量(一次流202+再循环燃料流226)的2/3。在其他实施例中，如图6所示，如果再循环泵或鼓风机520位于文丘里管或排出器230的下游，则通过再循环泵或鼓风机520的燃料流量(Q)等于燃料电池系统13中的总燃料流量222。
循环泵或鼓风机220的寄生负载定义为等于AGR回路224中的压差乘以通过再循环泵或鼓风机220/520的流量(Q)。因此，当AGR回路224中的压差相同时，再循环泵或鼓风机520位于文丘里管或排出器230下游时的寄生负载会比再循环泵或鼓风机220位于文丘里管或排出器230上游时的更高。
在一个实施例中，当一次喷嘴入口压力(PO)与二次入口压力(PS)之比，即PO/PS低于临界比值(pr_CR)时，文丘里管或排出器230的性能会下降。在一些实施例中，文丘里管或排出器230可以设计为在临界比值(pr_CR)以下高效运行。
燃料电池系统10/11/13可以没有再循环泵或鼓风机220/520。在没有再循环泵或鼓风机220/520的情况下，二次入口压力(PS)为阳极入口歧管压力(PAIM)与燃料电池或燃料电池堆12的压差(ΔP_FC)之差。
PS＝PAIM - ΔP_FC (34)
当电流密度需求降低时，一次流量202会降低，一次喷嘴入口压力(PO)会下降。阳极入口歧管压力(PAIM)和燃料电池的压差(ΔP_FC)取决于燃料电池堆12的运行和设计。如果电流密度需求降低，使得一次喷嘴入口压力(PO)与二次入口压力(PS)之比，即PO/PS过低而无法完全支持引射率(ER)要求，则可以将再循环泵220/520添加到燃料电池系统10/11/13中。
一次喷嘴236的马赫数可用于确定何时需要再循环泵或鼓风机220/520。当一次喷嘴236的马赫数低于1.0时，引射效率通常会降低。例如，如果一次喷嘴236的马赫数约为0.54，但边界条件使得可逆引射率(RER)不足以满足升压(ΔP_LIFT)要求，则可能需要将再循环泵或鼓风机220/520添加到燃料电池系统10/11/13中。
如果再循环泵或鼓风机220位于文丘里管或排出器230的上游，或与文丘里管或排出器230串联，则再循环泵或鼓风机220的存在不仅会降低升压(ΔP_LIFT)，还会提高二次入口压力(PS)。升压(ΔP_LIFT)与再循环泵或鼓风机220的升压能力(ΔP_BLWR)成比例地降低。二次入口压力(PS)也取决于再循环泵或鼓风机220的升压能力(ΔP_BLWR)。一次喷嘴236的马赫数可能下降，导致文丘里管或排出器230的运行和/或性能效率降低。在一些实施例中，效率可能急剧下降。
ΔP_LIFT＝ΔP_FC-ΔP_BLWR(35)
PS＝PAIM - ΔP_FC + ΔP_BLWR (36)
如果再循环泵或鼓风机520位于文丘里管或排出器230的下游，则再循环泵或鼓风机520会降低升压(ΔP_LIFT)，但不影响二次入口压力(PS)。因此，一次喷嘴入口压力(PO)与二次入口压力(PS)之比，即PO/PS比再循环泵或鼓风机220位于文丘里管或排出器230的上游时更高。一次喷嘴236的马赫数不会改变，可逆引射率(RER)将提高，使得燃料电池系统13可以满足升压(ΔP_LIFT)要求，而文丘里管或排出器230的运行和/或性能效率不会降低。
ΔP_LIFT ＝ ΔP_FC- ΔP_BLWR (37)
PS＝PAIM - ΔP_FC (38)
如果再循环泵或鼓风机220位于文丘里管或排出器230的上游，则再循环泵或鼓风机220可以支持整个引射率(ER)和AGR回路224的压差(ΔPSTACK)。如果再循环泵或鼓风机220位于文丘里管或排出器230的上游，则当一次喷嘴236的马赫数为0.48时，再循环泵或鼓风机220可能能够实现大约10％的可逆引射率(RER)。如果再循环泵或鼓风机520位于文丘里管或排出器230的下游，则当一次喷嘴236的马赫数为0.54时，再循环泵或鼓风机520可能能够实现大约50％的可逆引射率(RER)。由于文丘里管或排出器230的运行和/或工作效率随着马赫数而下降，因此配置在文丘里管或排出器230下游的再循环泵或鼓风机520将使文丘里管或排出器230的运行和/或性能效率最大化。
本发明的以下描述方面是可以考虑且非限制性的。
本发明的第一个方面涉及具有排出器的燃料电池系统。排出器具有以第一压力(PO)进入第一入口的第一燃料和以第二压力(PS)进入第二入口的第二燃料。第一燃料和第二燃料以排出器出口压力离开排出器出口。排出器具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(ER)。燃料电池系统需要在工作电流密度和工作压力范围内的工作压力下工作。工作压力等于或高于临界电流密度，排出器具有有效效率(η)。
本发明的第二个方面涉及操作燃料电池系统的方法。该操作燃料电池系统的方法包括以下步骤：让第一燃料以第一压力(PO)流过排出器中的第一入口；让第二燃料以第二压力(PS)流过排出器中的第二入口；让第一燃料和第二燃料的混合物以排出器出口压力(PC)离开排出器出口；适当选择排出器的大小，以在临界电流密度下完全输送第二燃料；以及在工作电流密度和工作压力下操作燃料电池系统。工作压力等于或高于临界电流密度，排出器具有有效效率(η)。
在本发明的第一和第二方面，工作压力可以介于低压到高压之间。在本发明的第一和第二方面，燃料电池系统在工作电流密度下的工作压力可以设置为低于排出器出口压力(PC)，以满足如下关系：(PC/PO)κ＜PS/PC。在本发明的第一和第二方面，κ＝(R_A/R_B)(η/ER)，RA可以是第一燃料的气体常数，RB可以是第二燃料的气体常数。
在本发明的第一和第二方面，燃料电池系统可以包含阳极气体再循环回路，并且排出器大小可以取决于通过阳极气体再循环回路的压力损失(ΔPLIFT)。在本发明的第一和第二方面，压力损失(ΔPLIFT)可以随包括工作电流密度和工作压力在内的工作条件而变化。在本发明的第一和第二方面，(PC/PO)κ＜1-ΔPLIFT/PC。在本发明的第一和第二方面，κ＝(R_A/R_B)(η/ER)，RA可以是第一燃料的气体常数，RB可以是第二燃料的气体常数。
在本发明的第一和第二方面，排出器可以具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(ER)，而无需鼓风机的帮助。
在本发明的第一和第二方面，第一压力(PO)可以取决于第一入口处的第一燃料的温度。
在本发明的第一和第二方面，排出器的大小可以根据第一入口处的第一燃料的定径温度来确定。在本发明的第一和第二方面，可以在第一燃料进入第一入口之前对其进行预处理。在本发明的第一和第二方面，预处理可以包括将第一燃料的温度加热或冷却至定径温度。在本发明的第一和第二方面，定径温度可以取决于燃料电池系统的工作条件或随之而变化。在本发明的第一和第二方面，加热或冷却第一燃料可以包括与燃料电池系统的其他组成部分进行热交换。该其他组成部分可以包括冷却剂或压缩机空气流。在本发明的第一和第二方面，加热或冷却第一燃料可以包括一个或多个圆管或管道将第一燃料引导至燃料电池系统的其他组成部分附近。
在本发明的第一和第二方面，排出器可以具有适当的大小，以在电流密度阈值或以上达到目标引射率。在本发明的第一和第二方面，目标引射率可以基于最低过量燃料比或最低阳极气体入口湿度。
在本发明的第一和第二方面，燃料电池系统还可以包含位于排出器上游或下游的鼓风机。
在本发明的第一和第二方面，有效效率(η)可以随排出器的工作条件而变化。
在本发明的第二方面，该方法还可以包括在第一燃料进入第一入口之前对其进行预处理的步骤。
在本发明的第二方面，该方法还可以包括操作位于排出器上游或下游的鼓风机的步骤。
结合一个示例性实施例或方面图示或描述的特征可以与本文描述的任何其他实施例或方面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。
上述实施例和方面的描述足够详细，以使本领域的技术人员能够实施权利要求的内容，而且应该理解，在不偏离权利要求的精神和范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行逻辑、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 (20)

1.一种燃料电池系统，包括：
一个排出器，其具有以第一压力(PO)进入第一入口的第一燃料和以第二压力(PS)进入第二入口的第二燃料，并且第一燃料和第二燃料以排出器出口压力(PC)离开排出器出口；
其中，排出器具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(ER)；
其中，燃料电池系统需要在工作电流密度和工作压力范围内的工作压力下工作，
其中，工作压力等于或高于临界电流密度，并且其中，排出器具有有效效率(η)。
2.权利要求1所述的系统，其中，工作压力范围介于低压到高压之间；其中，燃料电池系统在工作电流密度下的工作压力设置为低于排出器出口压力(PC)，以满足关系(PC/PO)κ＜PS/PC；并且其中，κ＝(R_A/R_B)(η/ER)，RA是第一燃料的气体常数，RB是第二燃料的气体常数。
3.权利要求1所述的系统，其中，燃料电池系统包括阳极气体再循环回路，并且排出器大小取决于通过阳极气体再循环回路的压力损失(ΔPLIFT)；其中，压力损失(ΔPLIFT)随包括工作电流密度和工作压力在内的工作条件而变化；其中，(PC/PO)κ＜1-ΔPLTFT/PC；并且其中，κ＝(R_A/R_B)(η/ER)，RA是第一燃料的气体常数，RB是第二燃料的气体常数。
4.权利要求1所述的系统，其中，排出器具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(ER)，而无需鼓风机的帮助。
5.权利要求1所述的系统，其中，第一压力(PO)取决于第一入口处的第一燃料的温度。
6.权利要求4所述的系统，其中，排出器的大小基于第一入口处的第一燃料的定径温度。
7.权利要求6所述的系统，其中，在第一燃料进入第一入口之前对其进行预处理；其中，预处理包括将第一燃料的温度加热或冷却至定径温度；并且其中，定径温度可以随该系统的工作条件而变化。
8.权利要求7所述的系统，其中，加热或冷却第一燃料包括与燃料电池系统的其他组成部分，例如冷却剂或压缩机空气流，进行热交换。
9.权利要求7所述的系统，其中，加热或冷却第一燃料包括一个或多个圆管或管道将第一燃料引导至燃料电池系统的其他组成部分附近。
10.权利要求1所述的系统，其中，排出器具有适当的大小，以在电流密度阈值或以上达到目标引射率；并且其中，目标引射率基于最低过量燃料比或最低阳极气体入口湿度。
11.权利要求1所述的系统，其中，燃料电池系统还包括位于排出器上游或下游的鼓风机。
12.权利要求1所述的系统，其中，有效效率(η)随排出器的工作条件而变化。
13.一种操作燃料电池系统的方法，包括：
让第一燃料以第一压力(PO)流过排出器中的第一入口，
让第二燃料以第二压力(PS)流过排出器中的第二入口，
让第一燃料和第二燃料的混合物以排出器出口压力(PC)离开排出器出口，
适当选择排出器的大小，以在临界电流密度下完全输送第二燃料，以及
在工作电流密度和工作压力下操作燃料电池系统，
其中，工作压力等于或高于临界电流密度，并且
其中，排出器具有有效效率(η)。
14.权利要求13所述的方法，其中，工作压力包含在从低压到高压的工作压力范围内；其中，该系统在工作电流密度下的工作压力设置为低于排出器出口压力(PC)，以满足关系(PC/PO)κ＜PS/PC；并且其中，κ＝(R_A/R_B)(η/ER)，RA是第一燃料的气体常数，RB是第二燃料的气体常数。
15.权利要求13所述的方法，其中，燃料电池系统包括
阳极气体再循环回路，并且排出器大小基于通过阳极气体再循环回路的压力损失(ΔPLIFT)确定；其中，压力损失(ΔPLIFT)随工作条件而变化；其中，(PC/PO)κ＜1-ΔPLIFT/PC；并且其中，κ＝(R_A/R_B)(η/ER)，RA是第一燃料的气体常数，RB是第二燃料的气体常数。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，排出器具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(ER)，而无需鼓风机的帮助。
17.权利要求13所述的方法，其中，排出器具有适当的大小，以达到目标引射率(ER)；并且其中，目标引射率取决于最低过量燃料比或最低阳极气体入口湿度。
18.权利要求13所述的方法，其中，该方法包括在第一燃料进入第一入口之前对其进行预处理；其中，预处理包括将第一燃料加热或冷却至定径温度；并且其中，定径温度取决于燃料电池系统的工作条件。
19.权利要求18所述的方法，其中，加热或冷却第一燃料包括与燃料电池系统的其他组成部分进行热交换。
20.权利要求13所述的方法，其中，该方法还包括操作位于排出器上游或下游的鼓风机。
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US8691461B2 (en) * 2009-08-21 2014-04-08 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
US8389168B2 (en) * 2009-12-10 2013-03-05 GM Global Technology Operations LLC Injector control for fuel cell system
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