CN1913207A - 燃料电池系统及向该系统供应混合燃料和水的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于供应混合燃料的装置，该装置包括存储水的水容器、存储燃料的燃料容器和混合器，该燃料容器中至少包括气态燃料，燃料容器与水容器通过压力管相连接，以将燃料容器的内部压力传输到水容器中，所述混合器通过水供应管与水容器相连接并通过燃料供应管与燃料容器相连接，该混合器通过混合燃料供应管输出混合燃料。一种水供应单元，包括存储水的水容器，该水容器与水供应管相连并具有一个出口；和与所述水容器相连接的一个压力供应单元，该压力供应单元向水容器内部施加气压以将水从水容器中通过所述出口排出。

Description

燃料电池系统及向该系统供应混合燃料和水的装置
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及向该系统供应燃料和水的装置。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2005年8月12日在韩国知识产权局申请的、申请号为10-2005-0074525的韩国专利的权利，该专利的全部内容包含在此作为参考。
背景技术
通常，燃料电池是一种动力产生系统，该系统通过氢气与氧气之间的反应将化学能直接转化为电能。在这里，燃料电池系统既可以接收纯氢气，也可以接收通过对甲醇、乙醇、天然气或类似的物质进行重整而获取的氢气。同样地，燃料电池系统既可以接收纯氧气，也可以接收空气中的氧气。
聚合物电解膜燃料电池(PEMFC)工作于100℃或100℃以下，包括一个存储燃料的燃料容器，一个通过重整燃料以产生氢气的重整器，和一个通过氢气与氧气之间的电化学反应以产生具有一定电压和电流的电能的发电机。该发电机包括至少一个产生电流的单元燃料电池，并可具有由多个单元燃料电池堆叠而成的结构。
在具有这种结构的PEMFC中，存储在燃料容器中的燃料供给重整器，重整器通过重整燃料以产生氢气，发电机通过氢气与氧气之间的电化学反应产生电能。
发电机主要上包括几个到几十个堆叠的单元燃料电池。在这里，每个单元燃料电池包括一个膜电极组件(MEA)和一个双极板。膜电极组件包括电解膜，和连接在该电解膜两侧面上的阳极和阴极。双极板不仅用作供应反应所需的氢气和氧气的通道，而且用作连接串联的每个MEA中的阳极和阴极的导体。通过该双极板，向阳极供应氢气并向阴极供应氧气。此时，氢气在阳极被氧化而氧气在阴极被还原，从而使得电子移动并产生电流。重整器使燃料和水的混合物进行重整反应，从而不仅产生所述发电机中发电所需的富氢的重整气体，而且从重整气体中去除一氧化碳，以保护燃料电池中的催化剂避免一氧化碳中毒。这样的重整器通常包括一个用于重整燃料以产生富氢的重整气体的重整单元，和一个从重整气体中去除一氧化碳的一氧化碳去除器。所述重整单元使用催化反应，如蒸汽重整(SR)、部分氧化(POX)、自动热重整(ATR)以及类似反应，以得到富氢的重整气体。所述一氧化碳去除器进行一种催化反应，如水气转换(WGS)、一氧化碳优先氧化(PROX)以及类似反应，或使用一个分离膜来实施氢气精练，以从重整气体中去除一氧化碳。
含氢的各种材料可被用作PEMFC用燃料。特别是经常使用碳氢材料。丁烷作为一种碳氢材料近来引起注意，因为它易于获得，而且也可以作为一种燃烧燃料用作重整反应所需的热源。
丁烷的沸点低，并易于在低压下液化，因此当其在预定压力下液化时处于燃料容器中。对于燃料电池系统在燃料容器中使用丁烷的情况，当燃料容器中的一个喷嘴打开时，气化的燃料从燃料容器中流入燃料电池，使得不需额外的燃料供应单元。不过，由于仍然需要其他水供应单元来驱动燃料电池，因此仅略去燃料供应单元以减小燃料电池系统的体积及能量消耗，其效果甚微。
发明内容
一个用于供应混合燃料的装置，包括一个存储水的水容器；一个存储燃料的燃料容器，该燃料容器中至少包括气态燃料，该燃料容器与所述水容器通过一个压力管相连接，以将所述燃料容器的内部压力传输到所述水容器中；和一个混合器，该混合器与所述水容器通过一个水供应管相连接并与所述燃料容器通过一个燃料供应管相连接，该混合器通过一个混合燃料供应管输出混合燃料。
所述燃料可包括碳氢材料，如丁烷，所述燃料容器可为便携式丁烷燃料容器。可在所述燃料容器的输出端安装一个分配器，该分配器可与所述压力管和所述燃料供应管相连通。
在一个实施方案中，压力管与一个第一流量控制阀相连接，燃料供应管与第二流量控制阀相连接。压力管可与第一电磁阀相连接，而所述装置可进一步包括一个动力单元和一个控制单元，以分别驱动和控制第一电磁阀。在一个实施方案中，燃料供应管与第二电磁阀相连接，并通过所述动力单元和控制单元分别驱动和控制第二电磁阀。水容器可包括一个与控制器电连接的水准探测器。
在一个实施方案中，所述燃料供应管、混合燃料供应管和水供应管在所述混合器的混合区域相互连通，所述燃料供应管与混合燃料供应管具有相近的内直径，并连接形成一个直线排列的空管。水供应管的内直径可小于所述燃料供应管与混合燃料供应管的内直径。混合器可包括一个设置在混合区域中所述水供应管末端的喷嘴。混合器可进一步包括设置在混合区域内部的一个空管，该空管的内直径从燃料供应管向着混合燃料供应管逐渐减小。
在另一个实施方案中，使用流体燃料的燃料电池系统中的燃料混合器包括一个有燃料流动其中的文丘里管，该文丘里管具有一个预定的通过喷射压力。该实施方案中还包括一个具有一个开口的水供应管，当燃料流过文丘里管时，在所述开口的位置产生负压，水供应管利用该负压通过所述开口供应水。所述水供应管的开口可设置一个喷嘴，该喷嘴可以与所述燃料的流动方向形成一个预定的角度。在所述文丘里管邻近喷嘴的部分，可形成一个朝向文丘里管中心的弯曲端。
在又一个实施方案中，用于供应混合燃料的装置包括一个存储水的水容器；一个存储燃料的燃料容器，该燃料容器中至少包括气态燃料；一个与燃料容器通过一个燃料供应管相连通的混合器，该混合器通过混合燃料供应管排出混合燃料；一个设置在混合器中的文丘里管，允许燃料流从燃料供应管通过并排出；和一个连接在水容器与混合器之间的水供应管，该水供应管具有一个开口，当燃料流过文丘里管时，在所述开口的位置产生负压，水供应管利用该负压通过所述开口供应水。该实施方案中可进一步包括一个将燃料容器的内部压力传输到水容器中的压力管。
根据另一个实施方案，燃料电池系统包括一个水供应单元；一个存储燃料的燃料容器，该燃料容器中至少包括气态燃料；一个利用化学催化反应通过水和燃料构成的混合燃料产生氢气的重整器；和一个通过将氢气与氧气之间的电化学反应能量转化为电能而产生电流的发电机。水供应单元包括存储水的水容器，该水容器与重整器通过水供应管相连；和压力供应单元，该压力供应单元向水容器的内部施加气压以从水容器向重整器供应水。压力供应单元可包括燃料容器和将燃料容器的内部压力传输到水容器中的压力管。
燃料电池系统的一个实施方案包括一个混合燃料供应单元，供应水和燃料构成的混合燃料；一个通过混合燃料的化学催化反应而产生氢气的重整器；和一个通过将氢气与氧气之间的电化学反应能量转化为电能而产生电流的发电机。在本实施方案中，混合燃料供应单元包括一个存储至少包括气态燃料的燃料容器；一个存储水的水容器；一个与燃料容器通过燃料供应管相连通的混合器，该混合器产生混合燃料并将该混合燃料通过一个混合燃料供应管输出；一个设置在混合器中的文丘里管，该文丘里管传输从燃料供应管中排出通过的燃料；和一个与水容器相连接的水供应管，该水供应管具有一个开口，当燃料流过文丘里管时，在所述开口的位置产生负压，水供应管利用该负压通过所述开口供应水。还可包括一个将燃料容器的内部压力传输到水容器中的压力管。
本发明的一个实施方案中的水供应单元包括一个存储水的水容器，该水容器与一个水供应管相连，并具有一个出口；和一个与水容器相连接的压力供应单元，该压力供应单元向水容器的内部施加气压，以从水容器中将水通过所述出口排出。压力供应单元可包括存储至少包括气态材料的容器和一个将容器内部压力传输到水容器中的压力管。
附图说明
通过下面结合附图对于多个实施例进行的描述，将使本发明的这些和/或其他特征和方面，变得显而易见而且更易于理解。
图1为本发明一个实施例中包括水供应单元的燃料电池系统示意图；
图2为显示丙烷丁烷混合物的蒸汽气压-温度关系的曲线图；
图3为本发明另一个实施例中一种水供应单元的示意图；
图4为本发明一个实施例中包括混合燃料供应单元的燃料电池示意图；
图5为本发明另一个实施例中一种混合燃料供应单元的示意图；
图6为本发明又一个实施例中一种混合燃料供应单元的示意图；
图7为本发明一个实施例中一种混合器的垂直截面图；
图8为本发明另一个实施例中一种混合器的垂直截面图；
图9为本发明又一个实施例中一种混合器的垂直截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图对本发明的实施方案进行描述，其中相同的数字指代相同的组件。
在下述的燃料电池系统实施方案中，燃料表示一种通常可获取的丁烷燃料，不过本发明并不局限于此。换句话说，燃料可包括一种碳氢材料，如液化天然气(LNG)、丙烷、纯丁烷等。纯丁烷与丙烷可混合，从而得到传统的丁烷燃料。在下文中，丁烷燃料与水的混合物将被称作“混合燃料”。
参看图1，本发明一个实施方案中的一种燃料电池系统包括燃料容器111，用于供水的水供应单元170，通过所述混合燃料产生氢气的重整器140，通过基于氢气和氧气之间的反应而将化学能转化为电能以产生电流的发电机150，和用于向重整器140和发电机150提供氧气的空气泵161和162。
燃料电池系统采用一个PEMFC，其中，重整器140通过混合燃料产生氢气，该氢气被供应给发电机150，从而通过氢气和氧气之间的电化学反应产生电能。
水供应单元170包括燃料容器111，分配器112，压力管124，水容器164，水供应管122，和第一止回阀128。
燃料容器111为一个耐压的密封容器，其中存储丁烷燃料。在此，燃料容器111包括一个喷嘴(未示出)。进一步地，燃料容器111可通过一个易于得到的便携式丁烷燃料容器来实现。在下文中，所述便携式丁烷燃料容器将被描述为燃料容器111。在这种情况下，容器的标准根据高压气体安全控制法的执行条例来确定。根据管理条例，该容器在50℃的温度下和比容器内气体压力高1.5倍的条件下不得变形。此外，该容器在50℃的温度下和比容器内气体压力高1.8倍的条件下不得破裂。进一步地，该容器在1.3MPa的压力下不得变形，且在1.5MPa的压力下不得破裂。对于无缝容器和焊接容器应服从前述执行条例中的其他条款。
通常销售的丁烷燃料，存储于前述的便携式丁烷燃料容器中，该丁烷燃料为一种约含30％丙烷和70％丁烷的混合物。将丙烷与丁烷混合的原因是：纯丁烷的沸点为-0.5℃，使得其在冬天或处于低温环境中难以通过其自身实现气化。丁烷燃料在一个相对低的压力下可容易地液化，从而使其液化后的体积差不多减小至1/200或更小，使得丁烷燃料通常在加压液化的状态下被存储于燃料容器111中。
当燃料容器111被液化的丁烷燃料所充满时，所述液化的丁烷燃料部分气化使得燃料容器111的内部压力增加。当所述内部压力到达一定的压力时，丁烷燃料不再进一步气化，使得燃料容器111保持一定的压力。此时，丁烷燃料处于气-液平衡，并保持在一定蒸气压或饱和蒸气压。在此，只要所述液体在相同的温度下具有相同的组分，则所述气压不变，这与所述密封容器中容纳的液体量无关。
图2为显示丙烷丁烷混合物的气压-温度关系的曲线图。
参看图2，例如，将丙烷与丁烷以3∶7的比例进行混合的混合燃料，在20℃的温度下具有4kg/cm2的蒸气压。就是说，燃料容器111保持的内部压力比室温20℃时的大气压力高4倍。因此，当燃料容器111的喷嘴打开时，充满燃料容器111上部空间的丁烷燃料，在内部压力的作用下被喷射出去。然后，处于上部空间的气体量减少，使得内部压力降低，并降低了施加于液体表面的压力，从而将液化丁烷燃料气化。这样，不需额外的燃料供应单元，当燃料容器111的喷嘴打开时，可实现丁烷燃料的连续供应。
再参看图1，通过与燃料容器111的喷嘴相连通的分配器112分配丁烷燃料，而且丁烷燃料在没有任何额外装置的情况下自行喷射。分配器112具有燃料出口端，分别与压力管124的第一末端和燃料供应管121相连通。压力管124具有与水容器164内部相连通的第二末端，相连通的位置和方向使得存储于水容器164中的水不会通过压力管124向分配器112倒流。燃料供应管121具有与重整器140相连通的第二末端。水供应管122具有与水容器164内部相连通的第一末端，相连通的位置和方向使得存储于水容器164中的水能够平稳供应。进一步地，水供应管122具有与重整器140相连通的一个第二末端。设置一个与水容器164相连通、并具有第一止回阀128的回水管129。第一止回阀128只允许流体沿着从回水管129到水容器164的方向流动。
按照这样的结构，燃料容器111与水容器164通过分配器112和压力管124相连通。如上所述，燃料容器111具有一个预定的内部压力，使得燃料容器111中的部分气化燃料供应给水容器164，水容器164的内部压力增加。进一步地，第一止回阀128允许通过回水管129容易地将水引入水容器164中，但阻止通过回水管129将水从水容器164喷射出来。因此，存储于水容器164中的水通过水供应管122排出并供给重整器140。存储于燃料容器111中的丁烷燃料也通过分配器112被分配，并通过燃料供应管121供应给重整器140。
在前述的实施方案中，燃料容器111用于向水容器164的内部施加压力，但本发明并不局限于此。可选地，只要能够安装与水容器164相连通的充气容器并向水容器164施加气压，则可单独使用一个充气容器。
为安全起见，本国产丁烷燃料通常包括少量的气味添加剂，如四氢噻吩(THT)、三丁基硫醇(TBM)和/或类似物质。然而，这样的气味添加剂包括含硫化合物。因此，当这样一种丁烷燃料在未去除含硫化合物的情况下用作重整燃料时，燃料电池系统中的催化剂会失去活性，使得燃料电池系统的耐久性恶化。为使用丁烷燃料产生重整气体，先要通过脱硫处理(未示出)将含硫组分从丁烷燃料中去除，然后再供应给重整器140。
重整器140通过一种气重整催化反应对丁烷燃料和水构成的混合燃料进行重整，以产生主要包括氢气的重整气体，并通过水气转换催化反应和优先氧化催化反应从重整气体中去除一氧化碳。进一步地，所述优先氧化催化反应所需的氧气可通过空气泵161从空气中获得。重整器140可进一步包括一个热源(未示出)以产生催化反应所需的热量，其中，所述热源从燃料容器111中接收部分丁烷燃料并进行燃烧。所述气重整催化反应、水气转换催化反应和优先氧化催化反应，分别根据下面的反应方程式1、2和3来实现。
〔反应方程式1〕
气重整催化反应：
       ΔH298＝485.3kJ/mol
〔反应方程式2〕
水气转换催化反应：
                ΔH298＝-41.1kJ/mol
〔反应方程式3〕
优先氧化催化反应：
                 ΔH298＝-284.1kJ/mol
发电机150根据氢气与氧气之间的电化学反应产生电能，其中，所述氢气通过重整器140重整得到，所述氧气通过空气泵162供应。发电机150包括一个用于分别氧化/还原氢气和氧气的膜电解组件(MEA)154，和一个用于向MEA 154供应氢气和氧气的双极板155。MEA 154通常包括一个阳极152，一个阴极153和一个设置在阳极152与阴极153之间的电解膜151。发电机150的电化学反应根据下面的反应方程式来实现：
〔反应方程式4〕
阳极：
阴极：
总反应：
发电机150具有与冷凝器163相连的第一末端。冷凝器163将从发电机150排出来的气体中的水蒸气冷凝，然后将冷凝后的水通过连通在冷凝器163与水容器164之间的回水管129传输到水容器164中。
图3为本发明另一个实施方案中的水供应单元的示意图。
参看图3，水供应单元270，除了上述的水供应单元170之外，还包括第一流量控制阀125。第一流量控制阀125安装在压力管124中。
按照这样的结构，控制第一流量控制阀125来调节从燃料容器111到水容器164的丁烷燃料供应量，从而调节水容器164的内部压力并调节从水容器164通过水供应管122排出的水量。
为方便起见，不再重复描述与第一实施方案中的水供应单元170相似的其他结构。
参看图4，本发明第三实施方案中的一种燃料电池系统，包括用于供应混合燃料的混合燃料供应单元190，用于重整混合燃料以产生氢气的重整器140，用于根据氢气与氧气之间的反应将化学能转化为电能而产生电流的发电机150，和向重整器140和发电机150供应氧气的空气泵161和162。
混合燃料供应单元190包括燃料容器111，分配器112，压力管124，水容器164，水供应管122，混合器130，燃料供应管121，混合燃料供应管123和第一止回阀128。
分配器112与燃料容器111的喷嘴相连通。分配器112的出口分别与压力管124的第一末端和燃料供应管121相连通。压力管124具有与水容器164内部相连通的第二末端，相连通的位置和方向使得存储于水容器164中的水不会通过压力管124向分配器112倒流。燃料供应管121具有与混合器130内部相连通的第二末端。进一步地，水供应管122具有一个与水容器164内部相连通的第一末端，相连通的位置和方向使得存储于水容器164中的水能够平稳供应。进一步地，水供应管122具有与混合器130内部相连通的一个第二末端。混合燃料供应管123具有与混合器130内部相连通的第一末端和设置在重整器140中的第二末端。在与水容器164相连通的回水管129中设置第一止回阀128。
按照这样的结构，燃料容器111通过分配器112和压力管124与水容器164相连通。如上所述，燃料容器111具有预定的内部压力，使得燃料容器111中的部分气化燃料供应给水容器164，从而增加了水容器164的内部压力。进一步地，第一止回阀128只允许流体沿着一个方向流动，使得通过回水管129能够容易地将水引入到水容器164中，但阻止通过回水管129将水从水容器164中排出。存储于燃料容器111中的丁烷燃料也通过分配器112分配并通过燃料供应管121供应给混合器130。在混合器130中，水和丁烷燃料混合并产生混合燃料。在此，混合燃料通过混合燃料供应管123供应给重整器140。
在前述的实施方案中，燃料容器111用于向水容器164内部施加压力，但本发明并不局限于此。另一方面，只要能够安装与水容器164相连通的充气容器并向水容器164施加气压，则可单独使用一个充气容器。
为方便起见，不再重复描述与第一实施方案中燃料电池系统中的水供应单元170中相似的重整器140、发电机150和空气泵161与162。
参看图5，本发明第四实施方案的混合燃料供应单元290，除了第三实施方案中的混合燃料供应单元190之外，还包括第一流量控制阀125，第二流量控制阀126和第二止回阀127。第一流量控制阀125与压力管124相连，第二流量控制阀126与燃料供应管121相连，第二止回阀127与水供应管122相连。
按照这样的结构，通过控制第一流量控制阀125，调节从燃料容器111到水容器164的丁烷燃料供应量，进而可调节水容器164的内部压力，从而控制了从水容器164通过水供应管122的排出的水量。进一步地，控制第二流量控制阀126以相应调节向混合器130供应的水量，从而调节向混合器130供应的丁烷燃料量。因此，第一流量控制阀125和第二流量控制阀126适时打开，以易于调节混合器130中水与丁烷燃料之间的混合量和混合比，从而控制燃料电池的输出。同时，第二止回阀127只允许流体沿着一个方向流动，使得能够容易地将水通过水供应管122从水容器164流入到混合器130中，但阻止将水通过水供应管122从混合器130引入到水容器164中。因此，即使燃料被引入到混合器130中，混合器130的内部压力也不会增加，因而水和燃料不会倒流向水容器164中。
参看图6，本发明第五实施方案中的混合燃料供应单元390，除了包括图4所示第三实施方案中的混合燃料供应单元190外，还包括第一电磁阀184，第二电磁阀185，动力单元181，控制器182，水准探测器183和第二止回阀127。第一电磁阀184与压力管124相连，第二电磁阀185与燃料供应管121相连，每个电磁阀都与动力单元181相连。动力单元181能够使用电、气压或类似方式。动力单元181与控制器182相连，控制器182与安装在水容器164中的水准探测器183相连。而且，第二止回阀127与水供应管122相连。
按照这样的结构，当根据一个预设值确定必要时，控制器182通过向动力单元181输出一个可预定的信号以驱动动力单元181。然后，控制与动力单元181相连的第一电磁阀184打开。这样，调节从燃料容器111到水容器164的丁烷燃料供应量，以控制水容器164的内部压力，从而调节从水容器164通过水供应管122到混合器130的水供应量。进一步地，当根据一个预设值确定必要时，控制器182通过向动力单元181输出一个可预定的信号驱动动力单元181，从而控制与动力单元181相连的第二电磁阀185打开。因而，根据相应的向混合器130供应的水量，调节向混合器130供应的丁烷燃料量。这样，通过控制器182自动调节第一和第二电磁阀184和185打开，使得可调节向混合器130供应的水和丁烷燃料的量，从而自动控制在混合器130中水与丁烷燃料的混合量和混合比，并进而控制燃料电池的输出。
水准探测器183探测水容器164的水准，并向控制器182输出一个包含探测到的水准的可预定的信号。当所述探测到的水准低于一个参照水准时，控制器182向动力单元181输出一个可预定的信号。然后，动力单元181驱动第一和第二电磁阀184和185工作，使得向混合器130供应的水和丁烷燃料逐渐减少和停止。这样，燃料电池可安全地停止。另一方面，当由于分别向水容器164供应水而使所述水容器164的探测到的水准高于所述参照水准时，水准探测器183探测到这一情况，动力单元181驱动第一和第二电磁阀184和185工作。然后，再次供应水和丁烷燃料，使得燃料电池重新起动。
第二止回阀127只允许流体沿着一个方向流动，使得水能够容易地由水容器164经过水供应管122流入混合器130中，但阻止将水从混合器130经过水供应管122引入到水容器164中。因此，即使燃料被引入到混合器130中，混合器130的内部压力也不会增加，因而水和燃料不会倒流向水容器164中。
在前述的实施方案中，第一电磁阀184和第二电磁阀185两者同时使用，但本发明并不局限于此。可选地，可仅使用第一电磁阀184而不使用第二电磁阀，以调节仅向混合器130供应的水量。
图7为本发明一个实施方案中一种混合器的垂直截面图。
参看图7，混合器130包括燃料供应管121，水供应管122和混合燃料供应管123，三者彼此连通于一个混合区域132中。具体地说，燃料供应管121和混合燃料供应管123具有彼此相近的直径，并呈直线排列且相互连通。进一步地，燃料供应管121和混合燃料供应管123形成为一体。在图7中，水供应管122设置为垂直于燃料供应管121和混合燃料供应管123，但本发明并不局限于此。在此，承载液态水的水供应管122具有的直径，可小于承载气态丁烷燃料的燃料供应管121和混合燃料供应管123所具有的直径。
按照这样的结构，气态燃料通过燃料供应管121被引入到混合区域132中，水通过水供应管122在丁烷燃料对水容器164的压力作用下被引入到混合区域132中。在混合区域132中，燃料和水混合为混合燃料，该混合燃料通过混合燃料供应管123传输出去。
图8为本发明另一个实施方案中一种混合器的垂直截面图。
参看图8，本发明第七实施方案中的混合器230包括燃料供应管121，水供应管122和混合燃料供应管123，三者彼此连通于一个混合区域132附近。具体地说，燃料供应管121和混合燃料供应管123具有彼此相近的直径，并呈直线排列且相互连通。进一步地，燃料供应管121和混合燃料供应管123形成为一体。水供应管122在其末端形成一个喷嘴133，与混合区域132相连通。一个内管131安装在混合区域132中燃料供应管121和混合燃料供应管123相连接的位置附近，从而具有一种双管结构。内管131具有一个与燃料供应管121内部相连通以引入丁烷燃料的第一末端，和一个向着混合燃料供应管123延伸且直径逐渐减小的第二末端。在此，内管131的第二末端与混合区域132中的喷嘴133邻近，并形成一个具有可预定直径的开口。
按照这样的结构，气态的丁烷燃料通过燃料供应管121被引入，并沿着内管131流动，该内管131的直径向着混合区域132逐渐减小。然后，丁烷燃料流遵循柏努利法则(Bernoull’s theorem)而变快，使得在混合区域132附近的压力变低，从而导致负压。基于前述的丁烷燃料相对于水容器164的压力和混合区域132附近的负压，水更易于通过水供应管122被引入，并通过喷嘴133注入混合区域132中。在混合区域132中，燃料与水混合并产生混合燃料，该混合燃料通过混合燃料供应管123被传输出去。
在前述的实施方案中，喷嘴133设置在内管131的外端，不过本发明并不局限于此。可选地，喷嘴133可设置在内管131的一个内端。
图9为本发明又一个实施方案中一种混合器的垂直截面图。
参看图9，本发明第八实施方案中的混合器330包括燃料供应管121，水供应管122和混合燃料供应管123，三者彼此连通于一个混合区域132中。具体地说，燃料供应管121和混合燃料供应管123具有彼此相近的直径，并呈直线排列且相互连通。而且，文丘里管136设置在燃料供应管121和混合燃料供应管123相连接的区域中。与一个典型的文丘里管一样，文丘里管136在其中间变窄，而在其相应的两端则变宽。
一个喷嘴134形成于水供应管122内并与混合区域132相连通，喷嘴134设置在文丘里管136朝向混合燃料供应管123的一端，此处文丘里管136的直径开始变宽。为防止在文丘里管136中流动的燃料进入喷嘴134中，喷嘴134以一个预定的角度朝向混合燃料供应管123的方向。这样，文丘里管136的取向不会与燃料流动方向相反。进一步地，一个柯恩达端(Coanda)135形成于喷嘴134与文丘里管136相遇的位置。柯恩达端135朝向文丘里管136中心通过固定与喷嘴134邻接的文丘里管136的表面而形成。
按照这样的结构，气态的丁烷燃料通过燃料供应管121被引入，并流向混合区域132。当气态的丁烷燃料通过直径逐渐减小的文丘里管136时，流速变快。因此，混合区域132中的压力遵循柏努利法则而降低，从而导致负压。同时，柯恩达端135向下弯曲，使得沿着柯恩达端135表面流动的丁烷燃料遵循柯恩达效应而向下流动。通过柯恩达端135并在喷嘴134附近连续流动的丁烷燃料，也通过惯性向下流动，从而减少了进入喷嘴134的丁烷燃料量。这样，水能够容易地通过喷嘴134喷射，而不会由于丁烷燃料进入喷嘴134而中断。
由于前述的丁烷燃料相对于水容器164的压力和混合区域132附近的负压，水更易于通过水供应管122引入，并通过喷嘴134注入混合区域132中。在混合区域132中，燃料和水混合并产生混合燃料，该混合燃料通过混合燃料供应管123被传输出去。
虽然本发明的不同实施例已经进行了展示和描述，本领域技术人员可能会在不超出本发明的原则和精神的情况下对这些实施例进行修改，本发明的保护范围由权利要求及其等同物所限定。

Claims (47)

1、一种用于供应混合燃料的装置，包括：
一个存储水的水容器；
一个存储燃料的燃料容器，该燃料容器中至少包括气态燃料，所述燃料容器通过一个压力管与所述水容器相连接，将所述燃料容器的内部压力传输到所述水容器中；和
一个通过一个水供应管与所述水容器相连接、并通过一个燃料供应管与所述燃料容器相连接的混合器，该混合器通过一个混合燃料供应管输出混合燃料。
2、如权利要求1所述的装置，其中所述燃料包括一种碳氢材料。
3、如权利要求2所述的装置，其中所述燃料包括丁烷。
4、如权利要求3所述的装置，其中所述燃料容器为一个便携式丁烷燃料容器。
5、如权利要求1所述的装置，进一步包括一个安装在所述燃料容器输出端的分配器。
6、如权利要求5所述的装置，其中所述分配器与压力管和燃料供应管相连通。
7、如权利要求1所述的装置，其中所述压力管与第一流量控制阀相连接。
8、如权利要求7所述的装置，其中所述燃料供应管与第二流量控制阀相连接。
9、如权利要求1所述的装置，其中所述压力管与第一电磁阀相连接，其中所述装置进一步包括一个动力单元和一个控制器，分别用于驱动和控制所述第一电磁阀。
10、如权利要求9所述的装置，其中所述燃料供应管与一个第二电磁阀相连接，并分别通过所述动力单元和所述控制器驱动和控制所述第二电磁阀。
11、如权利要求10所述的装置，其中所述水容器包括一个与所述控制器电连接的水准探测器。
12、如权利要求1所述的装置，其中所述燃料供应管、所述混合燃料供应管和所述水供应管相互连通于所述混合器的混合区域，且
所述燃料供应管和所述混合燃料供应管具有彼此相近的内直径，并相连形成一个直线排列的空管。
13、如权利要求12所述的装置，其中所述水供应管的内直径小于所述燃料供应管和混合燃料供应管的内直径。
14、如权利要求12所述的装置，其中所述混合器包括设置在所述混合区域中的一个喷嘴，该喷嘴位于所述水供应管的一端。
15、如权利要求12所述的装置，其中所述混合器包括设置在所述混合区域内部的一个空管，该空管的内直径沿着从所述燃料供应管向所述混合燃料供应管方向逐渐减小。
16、一种在使用流体燃料的燃料电池系统中装备的燃料混合器，该燃料混合器包括：
一个有燃料流通其中的文丘里管，该文丘里管具有一个预定的喷射通过压力；和
一个具有一个开口的水供应管，当所述燃料流过所述文丘里管时，在所述开口的位置形成负压，所述水供应管根据所述负压通过所述开口供应水。
17、如权利要求16所述的燃料混合器，其中所述水供应管的开口设置一个喷嘴。
18、如权利要求17所述的燃料混合器，其中所述喷嘴以一个预定的角度朝向所述燃料的流动方向。
19、如权利要求18所述的燃料混合器，其中所述文丘里管邻近所述喷嘴部分，形成一个朝向所述文丘里管中心的弯曲端。
20、一种用于供应混合燃料的装置，包括：
一个存储水的水容器；
一个存储燃料的燃料容器，其中至少包括气态燃料；
一个与所述燃料容器通过一个燃料供应管相连通的混合器，该混合器通过一个混合燃料供应管输出混合燃料；
一个设置在所述混合器中的文丘里管，该文丘里管允许燃料流从所述燃料供应管喷射通过；和
一个连接在所述水容器与所述混合器之间的水供应管，该水供应管具有一个开口，当所述燃料流过所述文丘里管时，在所述开口的位置形成负压，所述水供应管根据所述负压通过所述开口供应水。
21、如权利要求20所述的装置，进一步包括一个将所述燃料容器的内部压力传输到所述水容器中的压力管。
22、如权利要求21所述的装置，其中所述燃料包括一种碳氢材料。
23、如权利要求22所述的装置，其中所述燃料包括丁烷。
24、如权利要求23所述的装置，其中所述燃料容器为便携式丁烷燃料容器。
25、如权利要求21所述的装置，进一步包括一个安装在所述燃料容器输出端的分配器。
26、如权利要求25所述的装置，其中所述分配器与所述压力管和所述燃料供应管相连通。
27、如权利要求21所述的装置，其中所述压力管与第一流量控制阀相连接。
28、如权利要求27所述的装置，其中所述燃料供应管与第二流量控制阀相连接。
29、如权利要求21所述的装置，其中所述压力管与第一电磁阀相连接，其中所述装置进一步包括一个动力单元和一个控制器，分别用于驱动和控制所述第一电磁阀。
30、如权利要求29所述的装置，其中所述燃料供应管与第二电磁阀相连接，并分别通过所述动力单元和所述控制器，驱动和控制所述第二电磁阀。
31、如权利要求30所述的装置，其中所述水容器包括一个与所述控制器电连接的水准探测器。
32、如权利要求20所述的装置，其中所述水供应管的开口设置一个喷嘴。
33、如权利要求32所述的装置，其中所述喷嘴以一个预定的角度朝向所述燃料的流动方向。
34、如权利要求33所述的装置，其中所述文丘里管邻近所述喷嘴部分，形成一个朝向所述文丘里管中心的弯曲端。
35、一种燃料电池系统，包括：
一个供应水的水供应单元；
一个存储燃料的燃料容器，其中至少包括气态燃料；
一个重整器，该重整器利用化学催化反应通过水和燃料构成的混合燃料产生氢气；和
一个发电机，该发电机通过将氢气与氧气之间的电化学反应能量转化为电能，以产生电流，
其中，所述水供应单元包括：
一个存储水的水容器，该水容器与所述重整器通过一个水供应管相连；和
一个压力供应单元，该压力供应单元向所述水容器内部施加气压，以从所述水容器向所述重整器中供应水。
36、如权利要求35所述的燃料电池系统，其中所述压力供应单元包括一个燃料容器和一个用于将所述燃料容器的内部压力传输到所述水容器中的压力管。
37、如权利要求36所述的燃料电池系统，其中所述燃料包括一种碳氢材料。
38、如权利要求37所述的燃料电池系统，其中所述燃料容器为便携式丁烷燃料容器。
39、一种燃料电池系统，包括：
一个供应水和燃料构成的混合燃料的混合燃料供应单元；
一个通过混合燃料的化学催化反应而产生氢气的重整器；和
一个发电机，该发电机通过将氢气与氧气之间的电化学反应能量转化为电能，以产生电流，
其中，所述混合燃料供应单元包括：
一个存储燃料的燃料容器，其中至少包括气态燃料；
一个存储水的水容器；
一个与所述燃料容器通过燃料供应管相连通的混合器，该混合器产生混合燃料并通过混合燃料供应管输出所述混合燃料；
一个设置在所述混合器中的文丘里管，该文丘里管传输从所述燃料供应管喷射通过的燃料；和
一个与所述水容器相连接的水供应管，该水供应管具有一个开口，当所述燃料通过所述文丘里管时，在所述开口所处位置产生负压，所述水供应管利用所述负压通过所述开口供应水。
40、如权利要求39所述的燃料电池系统，进一步包括将所述燃料容器的内部压力传输到所述水容器中的压力管。
41、如权利要求40所述的燃料电池系统，其中所述燃料包括一种碳氢材料。
42、如权利要求41所述的燃料电池系统，其中所述燃料包括丁烷。
43、如权利要求42所述的燃料电池系统，其中所述燃料容器为便携式丁烷燃料容器。
44、一种水供应单元，包括：
一个存储水的水容器，该水容器与一个水供应管相连，并具有一个出口；和
一个与所述水容器相连接的压力供应单元，用于向所述水容器的内部施加气压，以将水从所述水容器中通过所述出口排出。
45、如权利要求44所述的水供应单元，其中所述压力供应单元包括一个存储至少包括气态材料的材料的容器，和将所述容器的内部压力传输到所述水容器中的压力管。
46、如权利要求45所述的水供应单元，其中所述压力管与流量控制阀相连接。
47、如权利要求46所述的水供应单元，其中所述材料包括碳氢材料。
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