具有混合器-排放器的燃料电池系统技术方案

公开了一种燃料电池系统，其包括用于减小燃料电池堆的阳极（３）和阴极侧（４）之间压力差的混合器／排放器（７）。混合器／排放器（７）被放在阳极后部或废燃料气体（３ｂ）与新鲜空气或氧化剂供应气体入口之间的混合点处。进入氧化剂压力被转换成高动量气流，以形成对燃料废气的吸入。这种吸入补偿了在被用来燃烧废燃料气体气体管道和被用来燃烧废燃料气体的氧化器中的压力损失，导致阳极和阴极侧气压的基本平衡。混合器／排放器（７）可以是轴形或环形喷射泵单元的形式，两者在积极混合燃料废气和进入氧化剂或空气方面都有优点。混合器／排放器的几何形状可以改变，以提供合适的吸入，从而在选择的操作条件范围上平衡压力。此外，进入新鲜空气流速或氧化剂废气循环流速可以改变，以主动平衡在任何操作点的压力。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
具有混合器/排放器的燃料电池系统
本专利技术涉及使用燃料电池堆的燃料电池系统，所述燃料电池堆在该堆的阳极或燃料与阴极或氧化剂侧之间具有压力差，具体地，本专利技术涉及含有用于减小该压力差的机构的这种类型的燃料电池系统。相关技术描述燃料电池是通过电化学反应将存储在例如氢气或甲烷的燃料中的化学能直接转换成电能的装置。这与传统的电能产生方法不同，传统方法必须首先燃烧燃料以产生热，然后将热转换成机械能，最后转换成电。由燃料电池使用的这种更为直接的转换过程，在提高效率和减少污染物排出两方面都具有比传统方式显著的优点。总体来讲，燃料电池，类似于电池，包括由电解质分开的负极或阳极电极和正极或阴极电极，所述电解质用于在它们之间传导带电的离子。但是，与电池形成对比的是，只要分别向阳极和阴极中供应燃料和氧化剂，燃料电池就会持续产生电能。为了将此实现，气流场被设置为接近阳极和阴极，通过该气流场来供应燃料和氧化剂气体。为了产生有用的功率水平，将一定数量的单独的燃料电池顺序堆叠，并在每一个电池之间都有导电分隔板。在高温燃料电池堆中，期望使经过堆的阳极和阴极侧的气体的压力差最小。这样是因为有必要在堆的某些部分提供密封以使燃料和氧化剂气体彼此隔离。为了建立所需要的密封，在一些情况下是在其间夹有垫圈的一些表面，被机械地强推在一起以实现“可接受的”泄漏率。该泄漏率是压力差的函数。因此，最小化压力差对于防止过度泄漏是很重要的。在过去的系统中，通过尝试使得在堆阴极侧入口处的氧化剂气体的-->压力等于在堆阳极侧出口处的燃料废气的压力，已经实现了使压力差最小。要实现这点，就必须面对易于使压力不相等的其他操作要求。具体地，在燃料电池堆中，新鲜空气通常作为氧化剂，并且在堆阴极侧的入口提供。该新鲜空气一般处于环境温度，并且必须被加热到堆的操作温度。对空气的加热传统上通过在输入空气中燃烧从堆的阳极侧排出的未使用的或废弃的燃料气体来完成。关于在两个气流交接点处的处理流，使堆阳极侧出口处的气压与堆阴极侧入口处的气压耦合。这样，在阳极侧出口处的压力必定比阴极侧入口处的压力高出用于克服与任何连接管道和用于燃烧气体的氧化器相关联的压力损失所需的量。当前的燃料电池系统已经使用多种方法来解决这个压力差问题。一个这样的方法，使用放置在堆阳极侧的出口与混合点之间的高温升压鼓风机来克服连接管道和氧化器的压力损失。这具有单独控制压力平衡的优点，但是给商用系统带来了成本显著增加和可靠性的问题。另一个方法，使用下游的热循环鼓风机来吸引阳极废气和新鲜空气氧化剂气体两者通过混合设备和氧化器。这种系统构造允许在阴极侧入口处的气压高于在阳极侧出口处的气压，同时对气压差有某种控制。该系统的缺点同样也是循环鼓风机的成本和可靠性问题，以及系统硬件的整体复杂性。该问题的另一个解决方法是仅仅允许燃料压力大于氧化剂压力。在这种情况下的经验是可能引起许多操作问题。这些问题包括不均匀的堆温度，降低的系统效率和增加的废气污染物排放。因此，本专利技术的目标是提供使用燃料电池堆的燃料电池系统，其中，堆阴极侧入口处的气体与堆阳极侧出口处的气体之间的压力差被降低，在某种意义上避免了上述缺点。本专利技术的另一个目标是提供使用燃料电池堆的燃料电池系统，其中，堆阴极侧入口处的气体与堆阳极侧出口处的气体之间的压力差以简单和容易的方式被降低。
技术实现思路
根据本专利技术的原理，上述和其他目标在上述类型的燃料电池系统中-->被实现，其中在该系统中使用了混合器/排放器(mixer/eductor)。该混合器/排放器接收将供给堆阴极侧入口的新鲜的氧化剂或空气，还接收从堆阳极侧出口送出的废气。混合器/排放器操作并混合这些气体以通过氧化器并随后传送到堆阴极侧的入口。根据本专利技术，该排放器/混合器操作并混合这些气体，使得堆阳极侧出口处的气体与堆阴极侧入口处的气体之间的压力差被降低。此外，通过控制所供应新鲜空气的流速来实现对降低压力差的额外控制。在本专利技术的另一个方面中，在对堆阴极侧出口与混合器/排放器之间放置循环鼓风机，以提供对降低压力差的额外控制。附图简述在结合附图阅读下面的详细描述之后，本专利技术的上述和其他特征以及方面将变得更加清楚，其中：图1示出了根据本专利技术原理的含有混合器/排放器的燃料电池系统；图2示出了可用作图1的燃料电池系统中的混合器/排放器的环型混合器/排放器；图3示出了可用作图1的燃料电池系统中的混合器/排放器的轴形混合器/排放器；图4示出了作为混合器/排放器入口处氧化剂空气流速的函数的、在图2所示类型的混合器/排放器的入口处测量的从燃料电池堆阳极侧出口排出的废气压力的图；图5示出了对于图2的混合器/排放器的多种空气流速，作为收缩流面积的函数的预期收缩压力；以及图6示出了可用作图1的燃料电池系统中的混合器/排放器的轴形/环型混合器/排放器。详细描述图1示意性地示出了根据本专利技术原理的燃料电池系统1。如所示出的，系统1包括具有燃料或阳极侧3和氧化剂或阴极侧4的燃料电池堆-->2。阳极侧3包括用于供应新鲜燃料的入口3a和用于提出废燃料的出口3b。阴极侧4也包括用于接收氧化剂的入口4a和用于排出废氧化剂的出口4b。氧化剂源5以可控流速或速度向系统1供应被示为空气的氧化剂。通过使用来自堆2阳极侧3的出口3b的由管道11运送的废燃料燃烧氧化器6中的氧化剂来加热氧化剂。氧化器6一般是氧化催化床。所得到的被加热的气体经由管道12被供应到堆2阴极侧4的入口4a。为了使经过堆2的氧化剂和燃料气体之间的压力差最小，使系统1适于减小在出口3b处的废燃料气体与在入口4a处的氧化剂供应气体之间的压力差。更具体地，根据本专利技术的原理，这是通过将混合器/排放器7并入系统1中实现的。特别地，该混合器/排放器被定位用于在入口7a接收经由管道11来自出口3b的废燃料气体并在入口7b接收来自供应5的氧化剂气体。使混合器/排放器7适于对氧化剂供应气体增加速度并减小压力，从而形成真空。该真空降低在废燃料气体到混合器/排放器7的入口7a处的废燃料气体压力，然后吸入废燃料气体使其通过混合器/排放器。氧化剂和废燃料气体因此被混合，并且混合气体的压力在通过混合器/排放器到达耦合到氧化器6的出口7c时增加。通过合适的选择混合器/排放器7的构造，上述的进入废燃料气体的压力降低和混合气体的压力增加可以被控制，以使得在阳极侧出口3b处的气压基本上等于在阴极侧入口4a的气压。图2、3和6分别示出了可用作图1的混合器/排放器的环型混合器/排放器、轴形混合器/排放器和轴形/环型混合器/排放器。在这些单元的每一个中都存在传统的“收缩区”，其中，进入的氧化剂气体的速度及其压力被降低以形成真空，并且在其附近引入废燃料气体。在“收缩区”之后是“压力恢复和混合区”，气体在其中被混合并且混合气体的压力增加。可以使用标准设计步骤来提供这种类型的混合器/排放器喷射泵单元，以满足该特定应用的要求。在图2的混合器/排放器中，在收缩区中，在入口7b进入的来自供-->应源5的氧化剂被收缩到围绕形成入口7a的圆形开口的环形部分7d中。在部分7d的横截面被选择为使得在入口7b处进入氧化剂的静压P1被转换成增加的速度，从而将环形部分7d处的静压减小到P2。著本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：燃料电池堆，其具有阳极侧和阴极侧，所述阳极侧具有用于接收燃料的入口和用于排放废燃料气体的出口，并且所述阴极侧具有用于接收氧化剂气体的入口和用于排放废氧化剂气体的出口；燃烧器，用于燃烧氧化剂和废燃料气体 ，并用于将所得到的气体传送到所述阴极侧的入口；混合器／排放器，用于操作并混合来自所述阳极侧的所述出口的废燃料气体和供应的氧化剂气体，并将所得到的混合物传送到所述燃烧器，所述混合器／排放器适于操作并混合所述废燃料气体和供应的氧化剂气体 ，使得在阳极侧出口处的所述废燃料气体的压力与在阴极侧入口处的氧化剂气体的压力之间的差别被减小。

【技术特征摘要】
US 2002-7-2 10/187,4951.一种燃料电池系统，包括：燃料电池堆，其具有阳极侧和阴极侧，所述阳极侧具有用于接收燃料的入口和用于排放废燃料气体的出口，并且所述阴极侧具有用于接收氧化剂气体的入口和用于排放废氧化剂气体的出口；燃烧器，用于燃烧氧化剂和废燃料气体，并用于将所得到的气体传送到所述阴极侧的入口；混合器/排放器，用于操作并混合来自所述阳极侧的所述出口的废燃料气体和供应的氧化剂气体，并将所得到的混合物传送到所述燃烧器，所述混合器/排放器适于操作并混合所述废燃料气体和供应的氧化剂气体，使得在阳极侧出口处的所述废燃料气体的压力与在阴极侧入口处的氧化剂气体的压力之间的差别被减小。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中：所述混合器/排放器具有收缩区，用于对进入的氧化剂气体增加速度并减小压力，从而形成高压氧化剂流，其产生用于废燃料气体的真空。3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中：所述混合器/排放器还具有在所述收缩区后的混合和恢复区，所述高压氧化剂流和所述废燃料气体在其中被混合，并且所得到混合物的压力被增加。4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中：控制所述收缩...

【专利技术属性】
技术研发人员：S布兰彻特，P帕特尔，
申请(专利权)人：燃料电池能有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]