專利名稱：廢氣再循環(huán)的燃料電池系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廢氣再循環(huán)的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法特別用于燃料電池，但不是唯一用于燃料電池。
背景技術(shù)：
最純粹化學(xué)反應(yīng)方面看，燃料電池用氫氣和氧氣發(fā)電，以蒸汽形式存在的水是副產(chǎn)品。然而不可避免地采用碳?xì)浠衔锶剂侠缣烊粴饣蛘吒?C2+)烴類燃料作氫源，并用空氣作氧源，該碳?xì)浠衔锶剂显谌剂想姵亟M件的上游受到重整。
固體氧化物燃料電池的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，為了在各個(gè)燃料電池的陽(yáng)極側(cè)用鎳催化劑進(jìn)行碳?xì)浠衔锶剂系膬?nèi)部蒸汽重整，700-1000℃的工作溫度范圍是足夠高的。因?yàn)楣腆w氧化物燃料電池的陽(yáng)極通常是鎳基的例如鎳基陶瓷合金，所以可以在陽(yáng)極上進(jìn)行至少部分內(nèi)部蒸汽重整。
碳?xì)浠衔锶剂系膬?nèi)部蒸汽重整，對(duì)于燃料電池組件的工作效率，特別是在使放熱燃料電池反應(yīng)與吸熱重整反應(yīng)的平衡方面具有優(yōu)點(diǎn)。然而，碳?xì)浠衔锶剂系耐耆珒?nèi)部重整由于重整反應(yīng)的吸熱作用將趨向于過(guò)分冷卻燃料電池，并在預(yù)加熱燃料混合物期間造成碳的沉積，所以已經(jīng)提出即進(jìn)行碳?xì)浠衔锶剂系恼羝A(yù)重整，又進(jìn)行內(nèi)部蒸汽重整。在Ceramic Fuel Cells Limited公司的的國(guó)際專利申請(qǐng)WO01/12452和PCT/AU02/00128中已說(shuō)明這種系統(tǒng)的例子。
輸送到燃料電池組件的燃料氣流中必須存在蒸汽，以便進(jìn)行內(nèi)部蒸汽重整反應(yīng)，在輸送的燃料中蒸汽和碳的比(S/C)是重整反應(yīng)中的一個(gè)重要參數(shù)。另外，在燃料氣流中，蒸汽的存在還趨向于降低碳在鎳催化劑上的沉積。
已經(jīng)提出再循環(huán)燃料電池組件例如一個(gè)或多個(gè)燃料電池堆中的廢氣，以便提供內(nèi)部重整反應(yīng)所需的蒸汽。在操作蒸汽本身充分的燃料電池系統(tǒng)時(shí)，使流出組件陽(yáng)極側(cè)的廢氣再循環(huán)，并與進(jìn)入的主燃料氣流混合。這樣做的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以克服燃料電池組件燃料利用率的限制。
利用一種裝置可以實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)中燃料廢氣的再循環(huán)，這種裝置必須能在高溫下工作。為將陽(yáng)極廢氣引入到進(jìn)入的燃料氣流中，不同的燃料電池研究人員已經(jīng)提出各種裝置。由一些燃料電池系統(tǒng)開發(fā)人員支持的一種方案已經(jīng)采用噴氣泵，例如歐洲專利申請(qǐng)EP0673074所述。在所有這些方案中，進(jìn)入燃料或者主燃料氣流經(jīng)幾何結(jié)構(gòu)固定的精確加工的噴嘴排出。由此得到的高速噴射氣流在夾帶室中產(chǎn)生真空，由此經(jīng)該夾帶室的抽吸口抽入再循環(huán)的燃料廢氣。這兩種氣流在噴射泵的混合管中混合，并流到燃料電池組件的陽(yáng)極側(cè)進(jìn)氣管。
如上所述的噴氣泵為了優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的熱效率只有一個(gè)單一的燃料利用率設(shè)計(jì)條件，使得由噴射泵抽入的再循環(huán)廢體積在理論上正比于主燃料氣流的體積(容易發(fā)生由系統(tǒng)中溫差、主氣流和再循環(huán)氣流的相關(guān)密度變化以及在循環(huán)氣流中蒸汽體積變化造成的不成比例的變化)。
這意味著，為了操作電力輸出降低因而下調(diào)燃料輸送量的燃料電池系統(tǒng)，在傳統(tǒng)上降低通過(guò)燃料電池組件的燃料體積流量。這種低的流量很難在整個(gè)燃料電池組件內(nèi)保持均勻流量分布。不均勻的燃料分布將導(dǎo)致在燃料電池組件中的各個(gè)電池之間的不均勻燃料利用率。最大局部燃料利用率是限制燃料電池安全操作(無(wú)損害操作的)一個(gè)因素。
按照燃料利用率控制陽(yáng)極廢氣再循的量可以得到一種優(yōu)點(diǎn)。為了保持燃料電池組件中的熱平衡，燃料電池系統(tǒng)需要在組件的整個(gè)輸出功率操作范圍內(nèi)改變?nèi)剂侠寐仕?。燃料利用率的變化改變了?yáng)極廢氣的蒸汽量，因而直接影響需要達(dá)到適當(dāng)S/C比所需的再循環(huán)陽(yáng)極廢氣的量。
除止之外，如世界上天然氣分配管路遇到的，用氣高峰和低峰將會(huì)引入碳?xì)浔茸兓闹魅剂蠚饬?。這種變化是季節(jié)性的，因?yàn)檎麄€(gè)市場(chǎng)的天然氣的需求在一年中是變化的。這種碳?xì)浔鹊淖兓哺淖兞岁?yáng)極廢氣再循環(huán)量與主燃料質(zhì)量流量比的要求，而且不能用上述噴射泵滿足這種要求，除非對(duì)最壞的情況設(shè)計(jì)噴射泵，因此碳?xì)浔茸兓瘜⒔档托省?br> 為形成變化的再循環(huán)率，上述使用噴射泵的這些方案面臨很大的困難。在線調(diào)節(jié)再循環(huán)量不是現(xiàn)成的，在氣流斜坡上升時(shí)，系統(tǒng)具有(可利用蒸汽質(zhì)量流的)共振時(shí)間，這種共振時(shí)間限制了燃料流的傾坡上升流量。當(dāng)由燃料電池組件產(chǎn)生更多的蒸汽量時(shí)，又需要再循環(huán)更多的蒸汽，以滿足增加燃料流量的蒸汽需求。在正常操作中，需要大量的過(guò)量蒸汽流，以便達(dá)到快速跟蹤負(fù)載的能力和系統(tǒng)原料燃料氣體成份變化的安全系數(shù)。當(dāng)采用上述噴射泵時(shí)，對(duì)于燃料電池系統(tǒng)的熱效率，這是一個(gè)很大的缺點(diǎn)。
其它的燃料電池系統(tǒng)開發(fā)者已經(jīng)提出采用高溫氣體鼓風(fēng)機(jī)使再循環(huán)廢氣和新的燃料氣體進(jìn)行適當(dāng)混合，以達(dá)到陽(yáng)極廢氣循環(huán)。然而，廢氣的高溫使得采用鼓風(fēng)機(jī)很不理想，特別需要熱交換器來(lái)冷卻鼓風(fēng)機(jī)上游的燃料氣體，然后在鼓風(fēng)機(jī)的下游再加熱燃料氣體。除了在這些溫度下操作的材料問(wèn)題例如金屬的蠕變和疲勞而外，鼓風(fēng)機(jī)還具有一般機(jī)械磨損以及操作噪音和振動(dòng)造成的缺點(diǎn)。
高溫空氣鼓風(fēng)機(jī)具有能使主燃料與再循環(huán)燃料廢氣的比發(fā)生變化的優(yōu)點(diǎn)。然而，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)工作在電力輸出急劇下降(降低發(fā)電量)時(shí)，需要大量廢氣再循環(huán)，以便保持要求的燃料體積流量流到燃料電池組件。這種大量廢氣再循環(huán)需要最大的鼓風(fēng)機(jī)負(fù)載，因此要求最大的電力負(fù)載。當(dāng)輸出電力因季節(jié)性特征而下調(diào)，同時(shí)又需要最高的鼓風(fēng)機(jī)功率時(shí)，大大減少了燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率。
本發(fā)明的一個(gè)目的是克服燃料電池系統(tǒng)中再循環(huán)燃料廢氣已知方案的上述缺點(diǎn)。按照本發(fā)明，采用一種噴射泵可以達(dá)到上述目的，該噴射泵具有噴嘴面積可變的結(jié)構(gòu)，這噴射泵適合在主燃料進(jìn)入噴射泵的混合管時(shí)控制燃料噴射的橫截面積，由此可以控制作用在主燃料氣流上的動(dòng)能。因此可以控制在噴射泵中由主燃料氣流夾帶的再循環(huán)燃料廢氣的比例。
稱為面積可調(diào)的原動(dòng)氫噴射器的噴射泵已在Fox ValveDevelopment Company公司(Dover，New Jersey，United States ofAmerica)出的小冊(cè)子“燃料電池的氫噴射器”中提出用在燃料電池方面，用于再循環(huán)最高溫度為500°F(260℃)的氫氣、蒸氣和空氣。然而這些裝置采用了在阻塞(音速)流動(dòng)狀態(tài)下工作的可變位閥針和閥座裝置，以便測(cè)量高壓原動(dòng)流量。因此，已提出將這些裝置用來(lái)控制在幾百千帕主氣流壓力下的質(zhì)量流量。如上所述，這種應(yīng)用不能夠獨(dú)立于原動(dòng)的或者主氣流流量改變?cè)傺h(huán)氣流的流量，因此不能改變夾帶的再循環(huán)氣體比例。
發(fā)明概要按照本發(fā)明，提供一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用燃料和含氧氣體發(fā)電的燃料電池組件；接在燃料電池組件上的主燃料管；裝在主燃料管中適合于由主燃料氣流驅(qū)動(dòng)的噴射泵，該噴射泵具有噴嘴、在噴嘴下游的夾帶室和在夾帶室下游的混合管；燃料廢氣再循環(huán)管道，從燃料電池組件伸出，通到夾帶室，用于輸送燃料廢氣；質(zhì)量流控制裝置，裝在主燃料管道上，位于噴射泵的上游，用于控制流向噴射泵的主燃料流量；其中噴射泵的噴嘴其橫截面是可調(diào)的，從而可以提供面積變化的主燃料氣流，由此可以改變?cè)趭A帶室中由主燃料夾帶的燃料廢氣的比例。
按照本發(fā)明，還提供一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，在這種方法中，使燃料電池組件中的燃料廢氣再循環(huán)，其中利用噴射泵使燃料廢夾帶在主燃料氣流中，主燃料電池氣流流過(guò)噴射泵的噴嘴并與主燃料氣流混合，其中通過(guò)調(diào)節(jié)噴射泵噴嘴的橫截面積，因而調(diào)節(jié)主燃料氣流流過(guò)的橫截面積，改變輸送到燃料電池組件的主燃?xì)夂腿剂蠌U氣混合流體中的燃料廢氣的比例。
因此由本發(fā)明得到的夾帶作用和主燃料氣流的質(zhì)量流速不成比例。這和用在燃料電池系統(tǒng)中典型噴射泵的特性不同，典型噴射泵具有固定的幾何結(jié)構(gòu)，不改變主燃料氣流的橫截面。當(dāng)固定主燃料氣流的橫截面時(shí)，主燃料氣流和夾帶的循環(huán)氣流在整個(gè)流量范圍內(nèi)基本上是成比例的。
改變?cè)傺h(huán)氣流與主燃料氣流的比例可以改變流向燃料電池組件的燃料氣流中的S/C的比。另外，按照本發(fā)明，提供一種用于調(diào)節(jié)輸送到燃料電池系統(tǒng)中燃料電池組件的燃料氣流中蒸汽比例的方法，該方法包括再循環(huán)燃料電池組件中含蒸汽的燃料廢氣，方法是利用噴射泵將燃料廢氣夾帶和混合在主燃料氣流中，主燃料氣流流過(guò)該噴射泵的噴嘴，其中通過(guò)調(diào)節(jié)該噴射泵噴嘴的橫截面積，因而通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)主燃料氣流的橫截面積，改變流向燃料電池組件的主燃料和燃料廢氣混合氣流中的燃料廢氣的比例。
在優(yōu)選實(shí)施例中，噴射泵噴嘴包括固定橫截面的噴嘴孔和矛形閥體，該閥體可相對(duì)于噴嘴孔沿軸向進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以改變噴嘴的橫截面積。G.H.Priestman和J.R.Tippetts的題為“在高溫廢氣內(nèi)部再循環(huán)中應(yīng)用面積可變的噴射泵”的論文(Journal of the Institute ofEnergy，December 1995，68，pp213-219)已經(jīng)提出用在爐子系統(tǒng)中再循環(huán)廢氣的這種面積可變噴射泵，此論文已作為參考文獻(xiàn)包含在本文中。
在噴射泵優(yōu)選實(shí)施例中的閥體和噴嘴孔可以具有任何適當(dāng)?shù)臋M截面形狀，但是這種形狀最好是圓形的、橢圓形的和有翼部的。一般說(shuō)來(lái)，噴嘴孔和從夾帶室伸出的混合管的至少一個(gè)入口基本上具有同樣的橫截面形狀。
該噴射泵能夠在主燃料氣流流過(guò)噴射泵噴嘴10時(shí)不夾帶任何燃料廢氣的條件下操作。在噴射泵的優(yōu)選實(shí)施例中可以達(dá)到這種狀態(tài)，不用在燃料廢氣再循環(huán)管道上配置關(guān)閉閥門，方法是形成噴嘴孔，使得在閥體完全從噴嘴孔退出時(shí)，該閥孔的橫截面積大于從夾帶室伸出的混合管的入口橫截面積。這種結(jié)構(gòu)在清洗燃料電池組件時(shí)具有很重要的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵谟们逑礆怏w代替主燃料氣體時(shí)可以調(diào)節(jié)噴射泵，使其不夾帶任何燃料廢氣，該清洗氣體是不燃燒的氣體例如惰性氣體。
如果燃料電池組件中的一個(gè)或者多個(gè)燃料電池由于某種原因發(fā)生破裂時(shí)，空氣可能從該電池的陰極側(cè)流到陽(yáng)極側(cè)，導(dǎo)致陽(yáng)極的破壞。在不存在再燃料廢氣時(shí)，這種陽(yáng)極破壞只限于一個(gè)或多個(gè)已破裂的電池。然而，在再循環(huán)燃料廢氣時(shí)，侵入燃料廢氣中的空氣可能使燃料電池組件的整個(gè)燃料側(cè)受到氧氣的污染。一般說(shuō)來(lái)，可以在污染的燃料廢氣由主燃料氣流再循環(huán)之，前識(shí)別這樣氧氣污染。然而如果受污染的燃料廢氣夾帶在清洗氣體中，則燃料側(cè)的清洗氣體仍將使燃料側(cè)受到氧的污染，調(diào)節(jié)噴射泵，使其不夾帶任何燃料廢氣，即可消除燃料側(cè)污染的危險(xiǎn)。
在這種沖洗中，最好使沖洗氣體從噴射泵經(jīng)廢氣再循環(huán)管流到廢氣排出口，這樣便可以排出廢氣再循環(huán)管線中位于燃料電池組件和噴射泵之間的燃料廢氣。燃料廢氣再循環(huán)管線可以從燃料電池組件伸出的燃料廢氣管道上分叉出來(lái)，并只將要夾帶的那部分燃料廢氣輸送到噴射泵，在這種實(shí)施例中，原動(dòng)的清洗氣體可以直接流過(guò)燃料電池組件并且在燃料泵設(shè)定在不夾帶任何燃料廢氣時(shí)可以向相反方向沿燃料廢氣再循環(huán)管流動(dòng)。這種配置可以減小沖洗操作的共振時(shí)間，并能減小沖洗所需的氣體量。
在另一實(shí)施例中，燃料廢氣再循環(huán)管將所有的燃料廢氣輸送到噴射泵，該噴射泵在夾帶室中具有廢氣排出口，以便排出過(guò)量的燃料廢氣。當(dāng)噴射泵調(diào)節(jié)成不夾帶任何燃料廢氣時(shí)，所有燃料廢氣將通過(guò)噴射泵的廢氣出口排出。在此實(shí)施例中，當(dāng)噴射泵調(diào)節(jié)成不夾帶任何廢氣時(shí)，在清洗操作中，所有原動(dòng)清洗氣體可以用噴射泵輸送到燃料電池組件，并從該組件經(jīng)燃料廢氣再循環(huán)管線流到噴射泵的廢氣排出口。
將所有廢氣輸送到噴射泵的再循環(huán)管線和在夾帶室中具有廢氣出口以便排出過(guò)多廢氣的噴射泵的這種裝置，已經(jīng)應(yīng)用于除燃料電池系統(tǒng)外的其它廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，并且是有利的，因?yàn)橹苯油ㄟ^(guò)夾帶室循環(huán)所有廢氣在結(jié)構(gòu)上比已知的循環(huán)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單。按照本發(fā)明的這一方面，提供了一種再循環(huán)廢氣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用燃料產(chǎn)生廢氣的組件、連接于該組件的主燃料管線、裝在該主燃料管道上并適合于由主燃料流體驅(qū)動(dòng)的噴射泵、從該組件通到噴射泵夾帶室以便輸送組件中所有燃料廢氣的燃料廢再循環(huán)管道以及在夾帶室中的廢氣排出口，其中噴射泵的噴嘴具有可調(diào)的橫截面積，從而使主燃料氣體經(jīng)噴嘴流出的面積是可變的，由此可以改變?cè)趭A帶室中由主燃料夾帶的燃料廢氣的比例，過(guò)多的燃料廢氣經(jīng)廢氣排出口排出。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，上面和下面關(guān)于燃料電池系統(tǒng)使用噴射泵的討論一般還適用于任何其它系統(tǒng)以及如上一節(jié)所述的用燃料產(chǎn)生廢氣的組件。
在燃料電池系統(tǒng)中，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，可以在操作期間使再循環(huán)燃料廢氣的質(zhì)量流量隨主燃料流量比例變化，并在于在正常操作期間可以使系統(tǒng)工作在最小的再循環(huán)流量，其優(yōu)點(diǎn)還在于，可以很好地響應(yīng)斜坡上升的燃料流量和電力輸出。當(dāng)降低發(fā)電量因而需要較低的燃料流量時(shí)，幾何結(jié)構(gòu)可變的噴射泵將會(huì)提供更多的再循環(huán)燃料廢氣，以稀釋主燃料氣流，并在整個(gè)輸出電力下調(diào)范圍內(nèi)保持將要求的燃料流量輸送到燃料電池組件。在最小輸出電力時(shí)，增加了輸送到燃料電池組件的燃料質(zhì)量流量，從而有助于燃料的分布，并可以達(dá)到比用其它方式可能達(dá)到的更大的電力輸出下調(diào)范圍。如果沒(méi)有這種結(jié)構(gòu)，則降低電力輸出操作期間，流到燃料電池組件中的燃料流量低，并在該組件中形成不良燃料分布，最后將造成在一個(gè)和多個(gè)燃料電池中局部缺少燃料，并不可逆轉(zhuǎn)地?fù)p壞陽(yáng)極，因?yàn)殛?yáng)極受到氧化。因此本發(fā)明的方法最好包括調(diào)節(jié)噴射泵噴嘴的橫截面積，以便在燃料電池組件的整個(gè)燃料電池兩端保持選定的差動(dòng)壓力范圍。
使用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法時(shí)，在燃料電池組件的不同操作條件下，陽(yáng)極側(cè)的差動(dòng)壓力的變化從滿功率操作條件到低功率輸出操作條件其變化不超過(guò)約25％比較好。該差動(dòng)壓力的變化不大于約15％更好，最好不大于約10％。
應(yīng)當(dāng)在噴射泵的上游進(jìn)行主燃料氣流的質(zhì)量流量控制。在使用噴射泵的很多狀態(tài)下，當(dāng)降低主燃料流量和降低主燃料氣流通過(guò)噴射泵噴嘴的橫截面積，以便增加混合氣流中燃料廢氣的比例時(shí)，可以在噴射泵的上游進(jìn)行主燃料氣流的質(zhì)量流量控制，方法是增加流到噴射泵的主燃料氣流的輸送壓力。無(wú)論如何，這種情況是存在的，例如在降低燃料利用率時(shí)以及降低主燃燒氣流流過(guò)噴射泵噴嘴的橫截面積，以便獨(dú)立于主燃料流量增加混合氣流中燃料廢氣的比例時(shí)。由此可以改變?nèi)剂蠌U氣和主燃料氣流的比例，以滿足燃料電池組件的化學(xué)反應(yīng)要求和適配組件的操作狀態(tài)。
主燃料氣流可以采用例如在燃料電池系統(tǒng)中的吹風(fēng)機(jī)或者泵輸送到噴射泵。然而，主燃料最好是已經(jīng)經(jīng)過(guò)局部預(yù)重整的天然氣，這種天然氣以例如40kPa的壓力輸送到燃料電池系統(tǒng)。流量控制裝置可以包括壓力調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器將壓力下調(diào)到噴射泵所需要的壓力，以便控制要求的質(zhì)量流量。通常在燃料的預(yù)加熱處理、預(yù)重整處理和/或者脫流處理的上游進(jìn)行質(zhì)量流量的控制?？梢杂萌魏魏线m的方法來(lái)測(cè)量實(shí)際的質(zhì)量流量。例如在冷區(qū)域可以用流量傳感器(散熱傳感器、渦流傳感器或者孔流量傳感器等)測(cè)量流量。在一個(gè)實(shí)施例中，采用質(zhì)量流量測(cè)量計(jì)進(jìn)行質(zhì)量流量控制，這種測(cè)量計(jì)具有整體的傳感器、流量控制閥和/或者壓力調(diào)節(jié)器。在另一實(shí)施例中，質(zhì)量流量控制裝置包括用流量傳感器控制的泵，該流量傳感器裝在主燃料管上，位于噴射泵的上游。當(dāng)需要增加主燃料氣流壓力，以保持要求的質(zhì)量流量時(shí)，此實(shí)施例是有效的。
噴射泵的作用最好在主燃料源和燃料電池組件之間形成一種壓差，由此使燃料電池組件與燃料電池組件廢氣壓力的變化隔離，這種廢氣壓力的變化是例如由于煙道效應(yīng)或者內(nèi)部瞬變狀態(tài)造成的。在優(yōu)選實(shí)施例中，可以采用例如噴射泵，使圓錐形的閥體完全插入噴嘴孔，由此可方便地關(guān)掉主燃料氣流。
在燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池組件是許多燃料電池組件中的一個(gè)組件，各個(gè)組件具有相應(yīng)的主燃料管以及相應(yīng)的適合于由該主燃料氣流驅(qū)動(dòng)的相應(yīng)上述噴射泵，燃料電池系統(tǒng)還包括燃料廢氣再循環(huán)管路，該循環(huán)管路從各個(gè)燃料電池組件通向有關(guān)噴射泵的夾帶室，以便將燃料廢氣輸送到夾帶室，各個(gè)噴射泵噴嘴的橫截面積可以個(gè)別調(diào)節(jié)，從而形成面積可變的主燃料氣流，因而可以改變各個(gè)噴射泵中由主燃料夾帶的燃料廢氣的比例。
采用許多燃料電池組件時(shí)，相應(yīng)的質(zhì)量流量控制裝置可以裝在各個(gè)主燃料管路上，位于相關(guān)噴射泵的上游，以便控制流到上述噴射泵的主燃料流量?？梢詮目偟闹魅剂瞎苈飞戏植娉鱿鄳?yīng)的主燃料管路，質(zhì)量流量控制裝置可以配置在總的主燃料管路上。
當(dāng)燃料電池系統(tǒng)包含許多燃料電池組件，而各個(gè)組件具有相應(yīng)的噴射泵，以便將燃料廢氣輸送到相應(yīng)的組件時(shí)，本發(fā)明方法的一個(gè)有利特征是可以個(gè)別調(diào)整各個(gè)噴射泵噴嘴的橫截面，以改變主燃料氣流流過(guò)的橫截面，由此可以調(diào)節(jié)流向相應(yīng)燃料電池組件的主燃料和燃料廢氣混合氣流中燃料廢氣的比例。
最好再循環(huán)從各個(gè)相應(yīng)燃料電池組件中排出的燃料廢氣，但是也可以將從一個(gè)或者多個(gè)其它燃料電池組件中排出的燃料廢氣混合起來(lái)，然后使混合的燃料廢氣再循環(huán)到所有這些燃料電池組件。
一個(gè)或者各個(gè)燃料電池組件最好包括許多燃料電池堆，各個(gè)堆最好包括許多固體氧化物燃料電池，各個(gè)相鄰的一對(duì)燃料電池由氣體分離板分開。
與相應(yīng)燃料電池組件相關(guān)的許多噴射泵中的各個(gè)泵最好由總?cè)剂显垂┙o主燃料。如果主燃料流量不變化，則噴射泵的差動(dòng)調(diào)節(jié)將使主燃料氣流按比例分配到這些泵。調(diào)節(jié)噴射泵噴嘴的橫截面積將改變?cè)搰娚浔玫牧鲃?dòng)阻力，當(dāng)各個(gè)噴射泵的壓差相同時(shí)，主燃料氣流在各個(gè)噴射泵之間將按均衡變化。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明下面參照僅作為舉例的附圖更詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)和方法的實(shí)施例，這些附圖是

圖1是示意系統(tǒng)配置圖，示出燃料電池堆廢氣再循環(huán)的一個(gè)實(shí)施例；圖2a和2b局部截面示意透視圖，示出用在圖1系統(tǒng)中的可替代噴射泵；
圖3是示意系統(tǒng)配置圖，示出燃料電池堆廢氣再循環(huán)的第二實(shí)施例；圖4是局部截面示意圖，示出圖3所示系統(tǒng)的燃料側(cè)。
詳細(xì)說(shuō)明參考圖1，主要的或者原動(dòng)的碳?xì)浠衔锶剂蠚饬鹘?jīng)燃料管2輸送到幾何結(jié)構(gòu)變化的噴射泵4的入口3，然后流到燃料電池堆6的燃料管15的燃料入口5。該燃料然后繞過(guò)組件中各個(gè)燃料電池的陽(yáng)極，并經(jīng)燃料廢氣管道17排到廢氣管7。燃料廢氣的一部分從管道7引出，沿再循環(huán)管道8進(jìn)入噴射泵4，與通過(guò)管道2的原動(dòng)/主燃料氣流混合。當(dāng)燃料通過(guò)電池堆時(shí)，空氣也從空氣輸入管9流到空氣入口管16，并流過(guò)電池堆，在電池堆中空氣繞過(guò)電池堆中各個(gè)燃料電池的陰極，然后經(jīng)空氣支管18排到空氣排出管10。
碳?xì)浠衔锶剂贤ǔＳ锰烊粴饣蛘吒氐臒N類燃料，該燃料已經(jīng)在噴射泵4上游的蒸汽預(yù)重整器(未示出)中進(jìn)行部分蒸汽預(yù)重整。另外，在噴射泵4的上游，最好在預(yù)重整器的上游配置流量控制裝置12。如果輸送的燃料是天然氣，則在約40kPa的源壓力下將天然氣輸送到燃料電池系統(tǒng)1，在這種情況下，質(zhì)量流量控制裝置12包括流量傳感器，該傳感器連接于壓力下降控制閥，調(diào)節(jié)該閥可以在主燃料入口3處提供要求的質(zhì)量流量?；蛘?，裝置12可以是例如流量傳感器，該傳感器連接于可以提供要求質(zhì)量流量的變速泵。
燃料電池堆6可以是燃料電池組件中若干固體氧化物燃料電池堆中的一個(gè)堆，噴射泵4將主燃料和再循環(huán)燃料廢氣的混合氣流輸送到該電池堆。在優(yōu)選實(shí)施例中，噴射泵4可以將燃料氣流分送到4個(gè)這樣的燃料電池堆6。收件人眾所周知固體氧化物燃料電池的燃料電池堆，為了方便起見，下面不再進(jìn)一步說(shuō)明這種電池堆。
下面參考圖2a，圖中示意示出噴射泵4的一個(gè)實(shí)施例20。該噴射泵20具有主體22，該主體形成進(jìn)氣室24、夾帶室26、橫截面面積恒定的混合管28和燃料氣流排出口30。在混合管28和出口30之間的張開部分通過(guò)小角度匯合成出口和下游管道的形狀的尺寸，從而將混合管中的動(dòng)能還原成靜壓力。主燃料入口3通到進(jìn)氣室24，該進(jìn)氣室通過(guò)噴嘴孔32與夾帶室26連通。燃料廢氣再循環(huán)管8通過(guò)孔34(圖2a中只能看到一部分)進(jìn)入夾帶室，而夾帶室通過(guò)進(jìn)氣口34與混合管28連通。
矛形閥體38可以沿軸向伸過(guò)進(jìn)氣室24，并由未示出的裝置支承，以便進(jìn)行軸向調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)裝置可以包括螺紋調(diào)節(jié)裝置，利用這種裝置可以轉(zhuǎn)動(dòng)閥體，使其前進(jìn)和后退。進(jìn)氣室22由噴射泵主體22端部40上的壁(未示出)封閉，錐形閥體38可以在密封狀態(tài)穿過(guò)該壁，因?yàn)槊伍y體38軸向伸過(guò)進(jìn)氣室24，所以主燃料進(jìn)氣管從橫向方向進(jìn)到進(jìn)氣室中。
矛形閥體38在其前端具有圓錐形的矛頭42，該矛頭可以伸入到噴嘴孔32，從而與該噴嘴孔形成主燃料氣流的面積可變的噴嘴。然而，可以軸向調(diào)節(jié)閥體38，使得圓錐形的前端42可以完全嵌入到噴嘴孔32中，使噴嘴關(guān)閉，或者可以從該噴嘴孔中完全退出該前端。
在圖中示出的噴嘴孔32、矛形的閥體38、混合管28和混合管入口36的橫截面是圓形的，但該橫截面可以是例如橢圓形的。噴嘴孔32的直徑為d，該直徑大于橫混合管28入口的直徑D，因此噴嘴孔的橫截面面積大于混合管入口的橫截面面積。矛形閥體的圓錐前端42其錐角約為40°。在未示出的另一實(shí)施例中，可以用圓的前端例如拋物面端部代替圓錐形前端42。該圓形前端最好在一個(gè)很小的角度范圍內(nèi)與閥體的其余部分并合，例如在0°-5°的范圍內(nèi)并合，從而達(dá)到對(duì)噴嘴關(guān)閉位置的準(zhǔn)確控制。
圖2b中示出噴射泵4的另一實(shí)施例44。該噴射泵44基本上與噴射泵20相同，為方便起見，下面只說(shuō)明與噴射泵20不同的地方。該噴射泵44具有矛形閥體46，該閥體具有圓錐形的前端48，該前端具有加大的徑向翼部或者突出部分50。該噴嘴孔52具有相應(yīng)的橫截面，因此矛形閥體的前端可以封閉該噴嘴，或者可以完全從噴嘴中退出。另外，雖然未示出，但是混合管54和其入口56具有相應(yīng)的橫截面形狀，該橫截面的面積小于噴嘴孔的橫截面面積。混合管入口56的相應(yīng)葉片形橫截面形狀可以逐漸地通過(guò)擴(kuò)散部分58或者混合管54中擴(kuò)散部分與燃料出口30′并合。這種葉半形結(jié)構(gòu)或者有肋片的結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)再循環(huán)燃料廢氣的被夾帶和混合。
為方便起見，下面說(shuō)明燃料電池系統(tǒng)1的噴射泵20的操作。和先前提出的用噴射泵進(jìn)行燃料電池廢氣再循環(huán)的系統(tǒng)一樣，當(dāng)矛形閥體38進(jìn)入噴嘴孔，限制噴嘴的橫截面積時(shí)，噴射泵進(jìn)氣室24中的主燃料可由噴嘴孔32改變噴入夾帶室的主燃料噴射流的橫截面積和增加該噴射流的速度。因此，在噴嘴上游的主燃料氣流的壓力便局部轉(zhuǎn)換成在噴嘴上的動(dòng)能，并在噴嘴的兩側(cè)形成壓差。這種壓差可以降低夾帶室中主燃料氣流的壓力到低于再循環(huán)燃料廢氣入口8處的燃料廢氣壓力，由此可以將燃料廢氣抽入到夾帶室中，并進(jìn)入管子28，在管子中這兩個(gè)氣流相混合。然后，混合氣流的動(dòng)能在橫截面積減小的混合管下游恢復(fù)成壓力。
向前將矛形閥體38移噴嘴孔32可以增加噴嘴兩端的壓差，從而使更大比例的燃料廢氣抽入到夾帶室26中，并進(jìn)入混合管28。在利用流量控制裝置12降低流到噴射泵和燃料電池堆的主燃料流量，降低燃料電池堆的電力輸出時(shí)，在電力輸出下調(diào)期間，這樣便能使基本上恒定的差動(dòng)壓力保持在燃料電池堆中的燃料電池陽(yáng)極的兩端。將主燃料保持在這種低的質(zhì)量流量需要增加原動(dòng)壓力，調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)裝置可以實(shí)現(xiàn)這種增加。
從噴嘴孔32部分退出矛形閥體38可以降低噴嘴兩端的壓差，結(jié)果，較小部分的燃料廢氣從燃料廢氣再循環(huán)管道8中被帶走。
如果需要調(diào)節(jié)燃料利用率，保持燃料電池系統(tǒng)中的熱平衡，則需要調(diào)節(jié)由燃料廢氣再循環(huán)的蒸汽比例。調(diào)節(jié)噴嘴的橫截面積，因而調(diào)節(jié)噴嘴兩端的壓差而不調(diào)節(jié)上游流量控制裝置可以實(shí)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)。下面再進(jìn)一步說(shuō)明，為了保持熱平衡，在燃料電池堆輸出電力的整個(gè)操作范圍內(nèi)，燃料電池系統(tǒng)要求燃料利用率水平發(fā)生變化。利用率的變化將改變電池堆陽(yáng)極廢氣中蒸汽的比例。因此，可以應(yīng)用再循環(huán)廢氣比例的變化對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴橫截面的直徑和噴嘴兩端的壓差可以改變?cè)傺h(huán)廢氣的比例。
想在電池堆的燃料側(cè)保持基本上恒定的差動(dòng)壓力，以便確保在降低主燃料流量時(shí)在整個(gè)電池堆上保持適當(dāng)?shù)娜剂狭髁糠植紩r(shí)，所需的蒸汽與碳的比例超過(guò)在輸出電力操作范圍內(nèi)由再循環(huán)廢氣適當(dāng)保持的比例。因此，可以在系統(tǒng)的輸出電力范圍采用高的燃料利用率，這是有利的，因?yàn)樵谳^低燃料利用率時(shí)，加入蒸汽稀釋燃料趨向于降低燃料電池的電力輸出。按照本發(fā)明，由于流動(dòng)分布較均勻，具有較高的質(zhì)量流量，而且在電池堆中具有較低的溫度梯度，所以可以減輕主燃料低流量時(shí)燃料利用率的限制。
取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電力輸出狀態(tài)，典型的燃料利用率為25％-70％。在65％的燃料利用率的情況下，在電池堆燃料側(cè)上保持基本上恒定差動(dòng)壓力的條件下，在40％的系統(tǒng)電力輸出40％時(shí)，該蒸汽與碳的比可以在例如約2.25-4.8之間變化。在這些條件下，在上游預(yù)重整器上采用比為1的恒定S/C比進(jìn)行的模擬試驗(yàn)已經(jīng)顯示出，當(dāng)S/C之比在電池堆上是2.25時(shí)，在燃料電池堆上流量的變化，在電池堆上的S/C比為2.25，而噴射泵主燃料入口壓力為40kPa時(shí)，從341L/min變化到在在電池堆上S/C之比是4.8，而噴射泵主燃料入口壓力為40kPa時(shí)的196L/min。這代表主燃料流量以L/min為單位的變化。電池堆的實(shí)際體積流量仍保持大約相同，從而可以在燃料側(cè)的兩端保持要求的差動(dòng)壓力，但是壓力可能稍微增加或降低，這受到溫度和燃料利用率的影響(這種影響改變氣體組份)。
下面說(shuō)明圖1所示燃料電池系統(tǒng)實(shí)施例的模擬實(shí)驗(yàn)，假定燃料電池的功率和熱平衡約為40kW。另外，在輸出功率降低到40％的條件下，作為例子，假定恒定燃料利用率為65％，在這種利用率條件下，系統(tǒng)可以保持熱量自持。假定由上游質(zhì)量流量控制操作確定的主燃料流量可以從例如再循環(huán)氣體壓力得到40kPa的原動(dòng)壓力。
在輸出功率降低時(shí)，主燃料流量降低到36％的摩爾流量，然后調(diào)節(jié)噴射泵，將再循環(huán)的廢氣體積流量增加35％的摩爾流量，以補(bǔ)充流到電池堆中主燃料流量的降低。
結(jié)果流到電池堆的混合流量減小到90％的全功率電池堆入口摩爾流量。因此，雖然在電池堆上可觀察到稍微降低的摩爾流量，但是這種降低與主燃?xì)饽柫髁康?4％降低不成比例。在燃料電池堆陽(yáng)極側(cè)的差動(dòng)壓力保持在全功率差動(dòng)壓力的77％。壓力的不成比例的變化有利于在電池堆上保持均勻的溫度梯度和均勻的流動(dòng)分布。
下面說(shuō)明上述燃料電池系統(tǒng)的另一例子，差別是，通過(guò)上游的質(zhì)量流量控制裝置，主氣流可以利用75kPa原動(dòng)壓力。在這種情況下，可以利用高再循環(huán)氣體壓力或者利用作為上游質(zhì)量流量控制裝置一部分的變速鼓風(fēng)機(jī)來(lái)提供原動(dòng)壓力。
在輸出功率降低到38％的情況下，以65％恒定的燃料利用率作例子，在這種情況下，系統(tǒng)可以是熱量自持的。
在這種情況下，主氣流量降低到全功率摩爾流量的36％，而在再循環(huán)廢氣的體積流量增加76％的摩爾流量，方法是，調(diào)節(jié)噴射泵，以補(bǔ)足流到電池堆的主燃料流量的降低。由此流到電池堆的混合液體的摩爾流量增加12％，超過(guò)全功率操作期間所用的流量，所以可以在燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)保持全功率設(shè)計(jì)的目標(biāo)差動(dòng)壓力。
改變?nèi)剂侠寐蕘?lái)保持熱量平衡的方法還可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的輸出功率，同時(shí)保持熱量平衡。上面例子已經(jīng)證明，可以在最大燃料利用率操作的范圍內(nèi)采用噴射泵。
一般說(shuō)來(lái)，在降低主燃料摩爾流量時(shí)，用燃料電池堆6的燃料廢氣來(lái)增加要求的陽(yáng)極側(cè)體積燃料流量，可以使燃料電池的功率輸出下調(diào)范圍擴(kuò)大，同時(shí)可以保持適量流量，以達(dá)到燃料均勻分布。換言之，(1)由于下調(diào)期間要求功率輸出降低而使輸出到燃料電池堆的主燃料量降低，或者(2)燃料利用率改變，或者(3)例如季節(jié)性需求時(shí)造成供應(yīng)燃料中主燃料的氫和碳的比改變時(shí)，均可容易地通過(guò)改變輸送到電池堆的主燃料和再循環(huán)廢氣混合氣流中廢氣的比例進(jìn)行補(bǔ)償。這樣便可確保電池堆陽(yáng)極側(cè)具有足夠的蒸汽供應(yīng)和通過(guò)的流量，以繼續(xù)有效的操作，否則，不充分的燃料分布將使個(gè)別的電池受到損害，并必須停機(jī)。
在某些情況下，輸送到電池堆6的燃料氣流中完全不需要再循環(huán)的廢氣，為此，噴射泵20設(shè)計(jì)成使得小d大于D。當(dāng)操作噴射泵，使得流過(guò)噴嘴的主燃料氣流的橫截面積大于混合管入口34的橫截面積時(shí)，該燃料氣流中便不夾帶任何廢氣。在空氣已經(jīng)漏入到燃料電池中一個(gè)電池的燃料側(cè)時(shí)，例如由于電池的破裂等造成的這種滲漏時(shí)，這種操作模式是特別有利的，因?yàn)榘鯕獾娜剂蠌U氣可能使電池整個(gè)堆受到損害，如果通過(guò)電池堆進(jìn)行再循環(huán)的話。在正常使用燃料電池系統(tǒng)時(shí)，或者甚至在一個(gè)燃料電池中發(fā)生滲漏之后沖洗系統(tǒng)時(shí)，都可能發(fā)生這種問(wèn)題。
為了進(jìn)行“沖洗”操作，用沖洗氣體(最好是惰性氣體)代替主燃料，將其輸送到噴射泵20的進(jìn)氣室24，并調(diào)節(jié)噴射泵的噴嘴，將矛形閥體38從噴嘴孔32中退出，使得沖洗氣體不夾帶任何廢氣。然后使沖洗氣體流過(guò)燃料電池堆陽(yáng)極側(cè)，以對(duì)其進(jìn)行沖洗。另外，在小d/D大于1時(shí)，可以利用“溢出”的惰性氣體，迫使一部分惰性氣體從夾帶室26反向流到排放管7，從而通過(guò)使流體在再循環(huán)管8中的反向流動(dòng)，從系統(tǒng)1中完全排出廢氣。電池堆6和再循環(huán)管8中的沖洗氣體可以經(jīng)廢氣管7排出。
圖3示出本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的第二實(shí)施例60。圖中示出的再循環(huán)廢氣系統(tǒng)60其配置大體與圖1所示的系統(tǒng)1相同，經(jīng)流量控制裝置68，燃料管62將主燃料輸送到幾何結(jié)構(gòu)可變的噴射泵66的入口64，然后再輸送到燃料電池堆72的燃料入口70。該燃料同樣繞過(guò)燃料電池堆中各個(gè)燃料電池的相應(yīng)陽(yáng)極，并排到排氣管74?？諝廨斎牍?6和空氣排出管78配置成使空氣流過(guò)電池堆的陰極側(cè)，以便使電池堆72發(fā)電。
然而，系統(tǒng)60沒(méi)有從圖1所示排氣管7分叉的再循環(huán)管8，因?yàn)閺碾姵囟呀映龅呐艢夤?4直接進(jìn)入噴射泵66。從噴射泵66接出的再循環(huán)廢氣排出管80可以使沒(méi)有流過(guò)電池堆72的廢氣排出系統(tǒng)60。
下面參考圖4，圖中僅示出系統(tǒng)60的燃料側(cè)，可以看到，噴射泵66類似于圖2a所示的噴射泵20(或者圖2b所示的噴射泵44)，下面僅說(shuō)明它們的差別。噴射泵66具有加大的夾帶室82，所有的燃料廢氣均由排氣管74輸送到該夾帶室中，而再循環(huán)廢氣排出管80經(jīng)燃料電池系統(tǒng)排出夾帶室中的燃料廢氣。除所有廢氣流過(guò)夾帶室而外，噴射泵66的操作方式與噴射泵20的操作方式完全一樣。
系統(tǒng)60和參照?qǐng)D1說(shuō)明的系統(tǒng)相比具有另一優(yōu)點(diǎn)，即排氣管74直接通到噴射泵，因而不需要再鋪設(shè)管道，不需用排氣管7分支出來(lái)的再循環(huán)管8來(lái)單獨(dú)抽吸廢氣。
技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看到，本發(fā)明除上述具體說(shuō)明的實(shí)施例而外，可以進(jìn)行改變和改型。應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明包括符合其精神和范圍的所有這些改變和改型。本發(fā)明還包括所有在本說(shuō)明中提到的，或者以單獨(dú)方式或共同方式指出的所有步驟、特征、組份和化合物，并包括所有上述步驟和特征中任何兩個(gè)和多個(gè)的任何和所有結(jié)合。具體是，系統(tǒng)60適用于用燃料產(chǎn)生廢氣的組件中利用廢氣循環(huán)的其它方面，不一定限于具體用在燃料電池工藝方面。
在通篇說(shuō)明中以及下面的權(quán)利要求書中，除非上下文需要，詞“包含”以及其語(yǔ)法變型詞應(yīng)當(dāng)被理解為包括所說(shuō)的總體或者步驟，或者成組的總體或者步驟，但不排除任何其它的總體和步驟，或者成組的總體和步驟。
在本說(shuō)明中提到的任何先有技術(shù)不能也不應(yīng)當(dāng)看作為一種承認(rèn)，或者看作為任何形式的暗示該先有技術(shù)形成普通的一般知識(shí)的一部分。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括用燃料和含氧氣體產(chǎn)生電能的燃料電池組件；連接于該燃料電池組件的主燃料管；裝在主燃料管上適合于由主燃料流驅(qū)動(dòng)的噴射泵，該噴射泵具有噴嘴、在噴嘴下游的夾帶室和夾帶室下游的混合管；燃料廢氣再循環(huán)管，該循環(huán)管從燃料電池組件通到夾帶室，用于將燃料廢氣輸送到夾帶室；以及在主燃料管上的質(zhì)量流量控制裝置，位于噴射泵的上游，用于控制流到噴射泵的主燃料流量，其特征在于，該噴射泵的噴嘴具有可調(diào)的橫截面積，從而可以提供主燃料從其流過(guò)的可變面積，由此可以改變夾帶室中由主燃料夾帶的燃料廢氣的比例。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，噴射泵的噴嘴包括固定橫截面的噴嘴孔和圓錐形閥體，該閥體可相對(duì)于噴嘴孔進(jìn)行軸向調(diào)節(jié)，以改變噴嘴的橫截面積。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，閥體和噴嘴孔的橫截面積選自圓形、橢圓形和有翼部的橫截面。
4.如權(quán)利要求2或者3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該噴嘴孔和夾帶室中混合管的入口具有大體相同的橫截面形狀。
5.如權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)閥體完全從噴嘴孔退出時(shí)，該噴嘴孔的橫截面積大于夾帶室中混合管入口的橫截面積。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，燃料廢氣再循環(huán)管從燃料電池組件伸出的燃料廢氣管上分支出來(lái)，并且只將要被夾帶的燃料廢氣量輸送到噴射泵。
7.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，燃料廢氣再循環(huán)管將所有燃料廢氣輸送到噴射泵中，該噴射泵具有在夾帶室的排氣口，以便排放過(guò)量的燃料廢氣。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)操作在40kPa或者更低的主燃料壓力下。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，燃料源在第一壓力下將燃料輸送到系統(tǒng)；位于噴射泵上游的裝在主燃料管上的質(zhì)量流量控制裝置包括壓力調(diào)節(jié)器，該壓力調(diào)節(jié)器是可調(diào)的，從而可以在不超過(guò)第一壓力的壓力范圍內(nèi)將主燃料輸送到噴射泵。
10.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該質(zhì)量流量控制裝置包括泵，該泵由位于噴射泵上游的裝在主燃料管上的流量傳感器控制。
11.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，燃料電池組件是許多燃料電池組件中的一個(gè)組件，各個(gè)組件具有相應(yīng)的主燃料管，以及裝在該主燃料管上的適合于由主燃料流驅(qū)動(dòng)的相應(yīng)上述噴射泵，該燃料電池系統(tǒng)還包括相應(yīng)的燃料廢氣再循環(huán)管線，該管線從各個(gè)燃料電池組件通到相關(guān)噴射泵的夾帶室，用于將燃料廢氣輸送到夾帶室；各個(gè)噴射泵噴嘴的橫截面積可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而形成主燃料從其流過(guò)的可變面積，由此可以改變?cè)诟鱾€(gè)噴射泵中由主燃料夾帶的燃料廢氣的比例。
12.如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，相應(yīng)質(zhì)量流量控制裝置配置在各個(gè)主燃料管上，位于相關(guān)噴射泵的上游，用于控制流到上述噴射泵的主燃料流量。
13.如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，相應(yīng)主燃料管從總的上燃料管分支出來(lái)，質(zhì)量流量控制裝置配置在總的主燃料管上。
14.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該燃料電池組件或各個(gè)組件包括多個(gè)燃料電池堆。
15.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，在這種方法中，再循環(huán)從燃料電池組件流出的燃料廢氣，其特征在于，燃料廢氣利用噴射泵被夾帶在主燃料流中，主燃料流流過(guò)該噴射泵的噴嘴，并與主燃料流混合；通過(guò)調(diào)節(jié)噴射泵噴嘴的橫截面積，因而調(diào)節(jié)流過(guò)該噴嘴的主燃料流的橫截面積，便可改變輸送到燃料電池組件的主燃料和燃料廢氣的混合流中燃料廢氣的比例。
16.一種在燃料電池系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)輸送到燃料電池組件的燃料流中蒸汽比例的方法，該方法包括利用噴射泵使燃料廢氣夾帶在主燃料氣流中，并與該氣流混合，由此使燃料電池組件中的包含蒸汽的燃料廢氣再循環(huán)，該主燃料氣流流過(guò)該噴射泵的噴嘴，其特征在于，通過(guò)調(diào)節(jié)噴射泵噴嘴的橫截面積，因而調(diào)節(jié)主燃料氣流流過(guò)該噴嘴的橫截面積，改變輸送到燃料電池組件的主燃料和燃料廢氣的混合流中的燃料廢氣的比例。
17.如權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，該噴射泵能夠在流過(guò)噴射泵噴嘴的主燃料流不夾帶任何燃料廢氣的狀態(tài)下工作。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，可以沖洗燃料電池組件，方法是調(diào)節(jié)噴射泵噴嘴，使其不夾帶任何燃料廢氣，并用沖洗氣流代替主燃料流。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，可以沖洗出燃料電池組件和噴射泵之間廢氣再循環(huán)管線中的燃料廢氣，方法是，使沖洗氣體從噴射泵經(jīng)廢氣再循環(huán)管線流到廢氣排出口。
20.如權(quán)利要求15-19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，噴射泵僅僅再循環(huán)要夾帶在主燃料流中的那部分燃料廢氣。
21.如權(quán)利要求15-19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所有燃料廢氣通過(guò)噴射泵再循環(huán)，過(guò)量的燃料廢氣經(jīng)廢氣排出口從噴射泵排出。
22.如權(quán)利要求15-21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在噴射泵的上游進(jìn)行主燃料流的質(zhì)量流量控制。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，質(zhì)量流量控制包括在降低主燃料流量時(shí)，以及減少主燃料流流過(guò)噴射泵噴嘴的橫截面積使混合流中的燃料廢氣比例增加時(shí)，增加輸送到噴射泵的主燃料流的輸送壓力。
24.如權(quán)利要求15-23中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，方法包括調(diào)節(jié)噴射泵噴嘴的橫截面積，以便跨過(guò)在燃料電池組件中的燃料電池陽(yáng)極側(cè)保持選定的壓差范圍。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，在燃料電池組件的整個(gè)操作條件范圍內(nèi)，跨過(guò)燃料電池陽(yáng)極側(cè)的壓差變化不超過(guò)約10％。
26.如權(quán)利要求15-25中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該方法包括利用噴射泵關(guān)閉主燃料流。
27.如權(quán)利要求15-26中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該噴射泵的作用是在主燃料源和燃料電池組件之間提供壓降，由此使燃料電池組件與系統(tǒng)廢氣壓力的變化相隔離。
28.如權(quán)利要求15-27中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，燃料電池系統(tǒng)包括許多燃料電池組件，各個(gè)組件具有相應(yīng)的噴射泵，以便將燃料廢氣再循環(huán)到相應(yīng)的組件；各個(gè)噴射泵噴嘴的橫截面積可單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而可改變流過(guò)該噴嘴的主燃料流的橫截面，由此可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)輸送到相應(yīng)燃料電池組件的主燃料和燃料廢氣的混合流中的燃料廢氣的比例。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，各個(gè)噴射泵噴嘴的不同調(diào)節(jié)用來(lái)控制流過(guò)該噴射泵的相應(yīng)主燃料流量。
30.如權(quán)利要求15-29中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該燃料電池組件或各個(gè)組件包括多個(gè)燃料電池堆。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)(1)和方法，在這種方法中利用燃料廢氣再循環(huán)管(8)和噴射泵(4)使燃料電池堆(6)中燃料廢氣再循環(huán)到該電池堆燃料側(cè)的入口(5)。在入口(3)的主燃料氣流形成噴射泵的原動(dòng)力，該噴射泵(4)具有幾何結(jié)構(gòu)可變的噴嘴，從而可在主燃料中夾帶不同比例的燃料廢氣，這樣在電池堆的輸出功率下調(diào)時(shí)，保持要求的燃料流量繞過(guò)燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)，并有利于提高電池堆的燃料利用率。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1561556SQ02819082
公開日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2002年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者斯科特·N·巴雷特, 茲翁科·拉齊克 申請(qǐng)人:塞拉米克燃料電池有限公司