專利名稱：具有流體流再循環(huán)的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及燃料電池系統(tǒng)，并且更特別地涉及具有流體流再循環(huán)的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術：
電化學燃料電池組件轉(zhuǎn)換反應物即燃料和氧化劑以產(chǎn)生電能和反應產(chǎn)物。電化學燃料電池組件通常使用設置在兩個電極即陰極和陽極之間的電解質(zhì)。每個電極通常包括多孔的導電板材和設置在電解質(zhì)和電極層之間接口處的電催化劑以引起希望的電化學反應。電催化劑的位置通常界定了電化學反應區(qū)域。
固態(tài)聚合物燃料電池組件典型地使用設置在兩個電極層之間由固相聚合物電解質(zhì)、或離子交換膜構(gòu)成的膜電極組件(“MEA”)。該膜除了是離子導電(典型地質(zhì)子導電)材料外，還充當用于使反應物(即燃料和氧化劑)流彼此隔離的屏障。
MEA典型地插入到兩個隔板之間以形成燃料電池組件，所述隔板對反應物流體流來說基本上是不可滲透的。所述板用作為集電器而為相鄰的電極提供支撐，并且典型地包括用于向MEA供給反應物或用于循環(huán)冷卻劑的流場通道。所述板典型地被稱作流場板(flow fieldplate)。燃料電池組件典型地被壓縮以確保所述板和電極之間的良好電接觸以及燃料電池部件之間的良好密封。多個燃料電池組件可以串聯(lián)或并聯(lián)地電結(jié)合在一起以形成燃料電池組。在燃料電池組中，板可以在兩個相鄰燃料電池組件之間公用，在這種情況下，該板還將兩個鄰接燃料電池組件的流體流隔開。這種板通常被稱為雙極板并且可以在每個主要面上分別具有用于引導燃料和氧化劑、或反應物和冷卻劑的流體通道。
供應給陽極的所述燃料流典型地包括氫氣。例如，燃料流可以是諸如基本上為純氫氣或包含氫氣的重整流的氣體。供應給陰極的氧化劑流典型地包括氧，例如基本上為純氧，或者諸如空氣的稀釋氧氣流。
構(gòu)成組的每個燃料電池典型地充注有處于所需壓力下的選定燃料和氧化劑。在一些系統(tǒng)中，所需的壓力保持恒定而不管負載需要量如何，而在其他系統(tǒng)中，所需的壓力根據(jù)負載需要量而變化。然而，在所有的系統(tǒng)中，所需的壓力通常由位于反應物源處的調(diào)節(jié)器控制。這種調(diào)節(jié)器可以采取許多形式。例如，在反應物來自氣體壓力高于所需壓力的來源的地方，調(diào)節(jié)器可以采取可變開口閥門系統(tǒng)的形式，其根據(jù)需要讓較少或較多的流體進入以保持/達到所需的壓力這種調(diào)節(jié)器典型地稱作壓力調(diào)節(jié)器。在另一個實例中，在反應物來自氣體壓力低于所需壓力的來源的地方，調(diào)節(jié)器可以采取壓縮機的形式。在另外一個實例中，在反應物來自氣體壓力大致等于所需壓力的來源的地方，調(diào)節(jié)器可以采取送風機的形式。系統(tǒng)中可以存在一種以上形式的調(diào)節(jié)器。例如，Merritt等人的美國專利No.5,441,821公開了一種系統(tǒng)，其中燃料來源于高壓源(加壓氫氣)并且燃料在到達所述組之前由壓力調(diào)節(jié)器控制，而氧化劑來源于低壓源(周圍環(huán)境)并且由空氣壓縮機控制(即，空氣在到達所述組之前被壓縮)。
由于所需的壓力始終設定為與另一個壓力相關，因此壓力調(diào)節(jié)器在差值的基礎上工作，所述另一個壓力可以為常量(例如，保持/達到高于大氣壓的期望壓力)或者變量(例如，保持/達到高于該系統(tǒng)其他部分中的壓力的期望壓力，所述其他壓力為變量)。例如，在Merritt等人的美國專利No.5,441,821公開的系統(tǒng)中，壓縮機設定與恒定壓力(周圍環(huán)境壓力)相關的期望的氧化劑壓力，而閥式壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)變化的壓力設定期望的燃料流壓力，更特別地保持/達到燃料和氧化劑流之間的穩(wěn)定壓力差。
從燃料電池組排出的每個反應物流通常包括有用的反應物產(chǎn)品，諸如水和未消耗的燃料或氧化劑，其可以被燃料電池系統(tǒng)利用。利用這種有用的反應物產(chǎn)品的一種方法就是使排放的反應物流再循環(huán)。因此，例如，使氫氣排出流再循環(huán)到陽極入口導致了更高效的系統(tǒng)，因為其使得由向大氣排放未消耗氫氣所產(chǎn)生的廢物最少。
如Merritt等人的美國專利No.5,441,821中所概述的那樣，實現(xiàn)氫氣再循環(huán)的一個方法是通過使用噴射器，其中，噴射器的運動入口流體連接到加壓氫氣源上，噴射器的吸入口流體地連接到氫氣排放出口并且噴射器的排出口流體連接到燃料電池組的氫氣流入口。因此，根據(jù)噴射器眾所周知的操作，氫氣供應流輸送(并且因此再循環(huán))相對低壓的氫氣排出流，并且兩股氣流在進入燃料電池組的陽極入口前混合。
根據(jù)燃料電池組氫氣入口流流速的寬度型譜(wide spectrum)，噴射器必須在該范圍內(nèi)工作，人們已經(jīng)證明了很難設計出令人滿意的噴射器。設計一種在最大負載需要量期間向燃料電池組供給所需進口流量的噴射器導致了噴嘴和/或擴散器的喉部太大而不能在低負載需要量期間(例如，空載期間)使所需的氫氣再循環(huán)。相反地，設計一種在低負載需要量期間使所需氫氣再循環(huán)的噴射器導致了噴嘴和/或擴散器的喉部太小而不能在高負載需要量期間向燃料電池組供給所需的進口流量。
為了解決上述問題，Tatsuya等人的日本公開文獻No.2001-266922中已經(jīng)提出了一種兩級轉(zhuǎn)換噴射器系統(tǒng)，其中，根據(jù)在當時占優(yōu)勢的狀態(tài)使用低流量或高流量噴射器中的任意一個。然而，具有兩個分開的噴射器和相關的流體回路導致了在典型的汽車應用中所涉及的空間要求。另外，該系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換點，更具體地當運動流體的流動從低流量噴射器向高流量噴射器切換時，典型地經(jīng)受再循環(huán)的所述流體會急劇減少，通常減少到所需的最小輸送等級之下。增加另外的噴射器將減輕轉(zhuǎn)換點問題，但是又會使空間要求的問題更嚴重。
因此，存在對具有流體流再循環(huán)的燃料電池系統(tǒng)的需要，所述再循環(huán)在燃料電池組工作狀態(tài)的整個范圍內(nèi)高效運轉(zhuǎn)，并且解決了在車輛應用中典型相關的一些空間要求。本發(fā)明解決了這些及其它需要，并且提供了其它相關的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于使燃料電池系統(tǒng)的反應物流體流再循環(huán)的裝置，該燃料電池系統(tǒng)具有帶入口流和排出流的燃料電池組。該裝置包括-共用吸入腔，其流體連接到吸入口，該吸入口被設置成接收來自燃料電池組的排出流的再循環(huán)流體；該共用吸入腔可以大體上為圓柱形；-低流量噴嘴，其定位在共用吸入腔中并且流體連接低流量運動入口，該低流量運動入口被設置成接收來自燃料電池組的反應物源的第一運動流體；-低流量擴散器，其流體連接到排出口，該排出口被設置成向燃料電池組提供入口流；-高流量噴嘴，其定位在共用吸入腔中并且流體連接高流量運動入口，該高流量運動入口被設置成接收來自反應物源的第一運動流體；以及，-高流量擴散器，其流體連接到排出口。
所述低流量噴嘴和擴散器可被設置成在低負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并且提供入口流，而所述高流量噴嘴和擴散器可被設置成在高負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并且提供入口流。
該裝置還可以包括-超低流量噴嘴，其定位在共用吸入腔中并且流體連接到超低流量運動入口，該超低流量運動入口被設置成接收來自反應物源的第二運動流體；以及，-超低流量擴散器，其流體連接到排出口。
所述超低流量噴嘴和超低流量擴散器可被設置成在空載狀態(tài)下輸送一部分再循環(huán)流體并提供一部分入口流。
該裝置還可以包括用于防止流體通過各擴散器返回的單向閥。
本發(fā)明還提供了一種發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括
-燃料電池組，其包括反應物流入口、反應物流出口和至少一個燃料電池；-加壓反應物源；-一多噴射器組件，包括i)流體連接到加壓反應物源的第一運動流體入口，ii)流體連接到加壓反應物源的第二運動流體入口，iii)流體連接到反應物流出口以接收來自燃料電池組的再循環(huán)流體的吸入口，和iv)流體連接到反應物流入口以向燃料電池組提供入口流的排出口；-調(diào)節(jié)器，其流體連接到加壓反應物源和所述多噴射器組件的第一和第二運動流體入口并且插入到它們之間，所述調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)流向所述多噴射器組件的第一運動流體；該調(diào)節(jié)器可以為壓力控制閥；以及，-第一電磁閥，其流體連接到第二運動流體入口和所述調(diào)節(jié)器并插入到它們之間。
由本發(fā)明提供的發(fā)電系統(tǒng)還可以包括-第二電磁閥，其流體連接到第二運動流體入口和所述調(diào)節(jié)器并插入到它們之間；-旁通管路，其將加壓反應物源流體連接到第二運動流體入口，以用于向所述多噴射器組件提供第二運動流體；以及，-旁通電磁閥，其流體連接到加壓反應物源和第二運動流體入口上并插入到位于加壓反應物源和第二運動流體入口之間的旁通管路中。
第一運動流體入口可以流體連接到第一噴嘴和擴散器，所述第一噴嘴和擴散器被設置成在高負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并且提供入口流，而第二運動流體入口可以流體連接到第二噴嘴和擴散器，所述第二噴嘴和擴散器被設置成在低負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并且提供入口流。
該發(fā)電系統(tǒng)還可以包括壓力傳感器，其用于檢測流向所述多噴射器組件的第一運動流體的壓力并且用于輔助第一、第二和旁通電磁閥的操作。
本發(fā)明還提供了一種操作這種發(fā)電系統(tǒng)的方法，其中-在低負載工作狀態(tài)期間，打開第二電磁閥并且關閉第一和旁通電磁閥，使得第一運動流體被導向第二運動流體入口；以及，-在高負載工作狀態(tài)期間，閉合第二電磁閥并且打開第一和旁通電磁閥，使得第一運動流體被導向第一運動流體入口并且第二運動流體被導向第二運動流體入口。
該發(fā)電系統(tǒng)的多噴射器組件還可以包括流體連接到加壓反應物源的第三運動流體入口。第三運動流體入口可以流體連接到第三噴嘴和擴散器，并且所述第三噴嘴和擴散器被設置成在空載狀態(tài)下輸送一部分再循環(huán)流體并且提供一部分入口流。
本發(fā)明提供的操作該發(fā)電系統(tǒng)的方法包括-在所有工作狀態(tài)下，引導第三運動流體從加壓反應物源流向第三運動流體入口。
本發(fā)明還提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，包括-燃料電池組，其包括被設置成接收第一入口流的第一反應物流入口，被設置成接收第二入口流的第二反應物流入口、第一反應物流出口和至少一個燃料電池；-加壓反應物源；-一多噴射器組件，包括i)流體連接到第一反應物流出口以接收再循環(huán)流體的吸入口，ii)流體連接到第一反應物流入口以提供第一入口流的排出口，iii)流體連接到加壓反應物源的第一運動流體入口，和iv)流體連接到加壓反應物源的第二運動流體入口；-第一壓力調(diào)節(jié)器，其流體連接到加壓反應物源和第一運動流體入口并且插入到它們之間，用于調(diào)節(jié)流向第一運動流體入口的第一運動流體的壓力，其中，第一壓力調(diào)節(jié)器被設置成相對于第二入口流的壓力以基本恒定的第一壓差保持第一入口流的壓力；以及，-第二壓力調(diào)節(jié)器，其流體連接到加壓反應物源和第二運動流體入口并且插入到它們之間，用于調(diào)節(jié)流向第二運動流體入口的第二運動流體的壓力，其中，第二壓力調(diào)節(jié)器被設置成相對于第二入口流的壓力以基本恒定的第二壓差保持第一入口流的壓力，第二壓差不同于第一壓差。
第一運動流體入口可流體連接到第一噴嘴和擴散器，所述第一噴嘴和擴散器被設置成在高負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流，并且第二運動流體入口可以流體連接到第二噴嘴和擴散器，所述第二噴嘴和擴散器被設置成在低負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流，第一壓差小于第二壓差。
本發(fā)明還提供了一種壓力調(diào)節(jié)器，包括-第一參考腔室，其被設置成流體連接到第一流體的參考反饋管路；-第二參考腔室，其被設置成流體連接到第二流體的參考反饋管路；-柔性膜，其流體地分隔第一和第二參考腔室，并且受偏壓以在第一流體的壓力相對于第二流體的壓力等于期望壓差時處于平衡狀態(tài)；-調(diào)節(jié)器入口，其被設置成流體連接到加壓反應物源；-第一調(diào)節(jié)器出口；-第二調(diào)節(jié)器出口；-第一通道，其流體連接所述調(diào)節(jié)器入口和所述第一調(diào)節(jié)器出口；-第二通道，其流體連接所述調(diào)節(jié)器入口和所述第二調(diào)節(jié)器出口；-第一可移動桿，其被設置成跟隨柔性膜移動，并包括被設置成根據(jù)第一可移動桿的位置開啟和關閉第一通道的第一塞；和-第二可移動桿，其被設置成在第一可移動桿已經(jīng)被柔性膜移動設定距離后跟隨第一可移動桿的移動，該第二可移動桿包括被設置成根據(jù)第二可移動桿的位置開啟和關閉第二通道的第二塞。
所述柔性膜、第一可移動桿和第二可移動桿可以如此布置使得隨著第一流體壓力相對于第二流體壓力的增加，柔性膜壓下第一可移動桿，從而打開第一通道，并且在已經(jīng)移動設定距離后，第一可移動桿壓下第二可移動桿，從而打開第二通道。
第二可移動桿可包括被設置成使第一可移動桿運動并且流體連接調(diào)節(jié)器入口和第一調(diào)節(jié)器出口的內(nèi)部軸向通道，而第一可移動桿可被設置成在被柔性膜移動設定距離后在第二可移動桿的內(nèi)部軸向通道內(nèi)部中移動并且與第二可移動桿相接合。
本發(fā)明還可以提供一種發(fā)電系統(tǒng)，包括-燃料電池組，其包括反應物流入口、反應物流出口和至少一個燃料電池；-加壓反應物源；-一多噴射器組件，包括i)流體連接到反應物流出口以接收來自燃料電池組的再循環(huán)流體的吸入口，ii)流體連接到反應物流入口以向燃料電池組提供入口流的排出口；iii)流體連接到加壓反應物源的第一入口，和iv)流體連接到加壓反應物源的第二入口；以及-上述壓力調(diào)節(jié)器流體連接到加壓反應物源和多噴射器組件并且插入到它們之間，其中，所述第一調(diào)節(jié)器出口流體連接到所述多噴射器組件的第一入口，并且第二調(diào)節(jié)器出口流體連接到所述多噴射器組件的第二入口。
本發(fā)明裝置/方法的特定實施例的細節(jié)將在下文詳細說明中闡述并且在附圖中圖示說明以提供對該實施例的理解。然而，本領域的技術人員將明白，本發(fā)明裝置/方法具有其他實施例，和/或可以在不具備下列優(yōu)選實施例說明中闡述的一些細節(jié)的情況下實施。


圖1是雙噴射器的實施例的側(cè)面剖視圖。
圖2是基于具有用于流體燃料流再循環(huán)的雙噴射器、調(diào)節(jié)器和開關電磁閥的發(fā)電系統(tǒng)的燃料電池的示意圖。
圖3是基于具有用于流體燃料流再循環(huán)的雙噴射器、調(diào)節(jié)器和三個開關電磁閥的發(fā)電系統(tǒng)的燃料電池的示意圖。
圖4是基于具有用于流體燃料流再循環(huán)的三噴射器、調(diào)節(jié)器和三個開關電磁閥的發(fā)電系統(tǒng)的燃料電池的示意圖。
圖5是基于具有用于流體燃料流再循環(huán)的雙噴射器、兩個調(diào)節(jié)器的發(fā)電系統(tǒng)的燃料電池的示意圖。
圖5A是在圖5的燃料電池系統(tǒng)工作期間，燃料電池系統(tǒng)的壓差對負載需要量的理想曲線圖。
圖6是基于具有用于流體燃料流再循環(huán)的雙噴射器、雙作用調(diào)節(jié)器的發(fā)電系統(tǒng)的燃料電池的示意圖。
圖7是圖6中示意性顯示的雙作用壓力調(diào)節(jié)器的一個實施例的側(cè)面剖視圖。
具體實施例方式
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的雙噴射器1。噴射器1包括共用吸入腔2、低流量噴嘴3L和低流量擴散器4L(為了簡單起見，其在下文中將被整體性地稱為低流量噴射器L)、低流量單向閥5L、高流量噴嘴3H和高流量擴散器4H(為簡單起見，其在下文中將被整體性地稱為高流量噴射器H)、高流量單向閥5H、流體連接到共用吸入腔2的吸入口6、流體連接到低流量噴嘴3L的低流量運動入口7L、流體連接到高流量噴嘴3H的高流量運動入口7H以及流體連接到低流量擴散器4L和高流量擴散器4H的排出口8。吸入口6配置成接收來自燃料電池組的排出流出口的再循環(huán)流體R，低流量運動入口7L和高流量運動入口7H配置成接收來自供應流源的運動流體M，并且排出口8配置成向燃料電池組提供入口流S。入口流S因此由再循環(huán)流體R和運動流體M的合流形成。
當與具有兩個(或更多)分開的噴射器的系統(tǒng)相比較時，具有共用吸入腔2允許更為緊湊的設計。共用吸入腔2典型地為圓柱形，但不限于這種幾何特征。
低流量噴射器L設計成能在燃料電池組工作狀態(tài)的低負載范圍內(nèi)有效地工作。特別地，低流量噴射器L設計成使得低流量噴嘴3L和低流量擴散器4L盡可能大，并牢記在空載工作狀態(tài)下，必須在共用吸入腔2中產(chǎn)生足夠的抽吸力以輸送再循環(huán)流體R且必須提供足夠的入口流S。
高流量噴射器H設計成能在燃料電池組工作狀態(tài)的中到高負載范圍內(nèi)有效地工作。特別地，高流量噴射器H設計成使得高流量噴嘴3H和高流量擴散器4H盡可能小，并牢記在最大流量狀態(tài)下，必須在共用吸入腔2中產(chǎn)生足夠的抽吸力以輸送再循環(huán)流體R且必須提供足夠的入口流S。最大流量狀態(tài)不僅包括在燃料電池組滿載工作狀態(tài)期間所必需的流量，而且還包括在凈化工作和燃料電池系統(tǒng)壓力增加工作期間所必需的流量。
為了避免離開低流量噴射器L或高流量噴射器H中的任意一個的流體通過另一個噴射器返回到共用吸入腔2中，在每個噴射器的出口處設置有單向閥。在該實施例中，低流量和高流量單向閥5L和5H分別布置在擴散器4L和4H的端部，所述單向閥是允許射流SL和SH分別從擴散器4L和4H流出的簡單的瓣閥，但是對流入沒有影響。射流SL和/或射流SH產(chǎn)生入口流S。
為了不使用單向閥，可將單個的擴散器放置在低流量噴嘴3L和高流量噴嘴3H的下游，即共用吸入腔2將流體地連接到單個擴散器上，所述擴散器再產(chǎn)生入口流S。然而，將一個以上的噴嘴與單個擴散器對準是成問題的流出噴嘴并且偏離擴散器的中心軸線而進入擴散器的任何流體都將導致流量優(yōu)化方面的減弱。另外，每個噴嘴與特定的擴散器配置一起最佳地工作具有用于兩個噴嘴的單個擴散器也可以導致流量優(yōu)化方面的減弱。
出于在各種因素中的制造簡化的考慮，低流量噴嘴3L和高流量噴嘴3H典型地為亞音速的(即，低流量噴嘴3L和高流量噴嘴3H不能產(chǎn)生超音速流)。然而，應該明白根據(jù)本發(fā)明，超音速噴嘴是可能的。因此，在一個實施例(亞音速噴嘴)中，低流量噴射器L具有阻塞點，超過該阻塞點，流向低流量噴射器L的運動流體M的增加導致了在低流量噴射器L的抽吸功率和入口流S的流量方面較低的增長率。因此，轉(zhuǎn)換點T典型地出現(xiàn)在低流量噴射器L開始堵塞運動流體M的位置點周圍，運動流體M的路徑在所述轉(zhuǎn)換點處從低流量噴射器L切換到高流量噴射器H。然而，應當理解，轉(zhuǎn)換點T可以出現(xiàn)在其它位置點。
當運動流體M從低流量噴射器L切換到高流量噴射器H時，由于高流量噴射器H需要比低流量噴射器L更低壓力的運動流體M以產(chǎn)生相同的入口流S，因此運動流體M的壓力降低。從轉(zhuǎn)換點T向前，運動流體M(現(xiàn)在被導向高流量噴射器H)的壓力隨后開始再次增加直到滿負載狀態(tài)為止。運動流體M的壓力在達到轉(zhuǎn)換點T時減小所引起的問題是共用吸入腔2中的抽吸力(現(xiàn)在由高流量噴射器H產(chǎn)生)經(jīng)歷了下降，其導致了暫時的抽吸力不充足(“轉(zhuǎn)換點T問題”)只有隨著運動流體M的壓力再次開始增加，共用吸入腔2中所必需的吸力將由高流量噴射器H產(chǎn)生。
使運動流體M從轉(zhuǎn)換點T向前(與將運動流體M從低流量噴射器L切換到高流量噴射器H相反)供給低流量噴射器L和高流量噴射器H不能令人滿意地幫助解決轉(zhuǎn)換點T問題，參考圖2，在下文將對該內(nèi)容進行更詳細的解釋。
圖2顯示了在燃料電池組系統(tǒng)的陽極側(cè)上工作的雙噴射器1，在該位置處，所需的燃料流壓力將與氧化劑流保持希望的穩(wěn)定壓差。這種差值可以為零或負值，但是因為由于MEA失效造成的燃料向氧化劑流中的泄漏優(yōu)選地為氧化劑向燃料流中的泄漏，因此，這種差值典型地為正值(即，燃料流壓力高于氧化劑流壓力)。
在圖2所示的實施例中，燃料來源于高壓源(加壓氫氣)并且由壓力調(diào)節(jié)器9控制。壓力調(diào)節(jié)器9被設置成保持陽極入口流AIS和陰極入口流CIS之間所需的穩(wěn)定壓差(出于簡化的考慮，陰極入口流CIS的源頭沒有顯示在圖2中)。壓力調(diào)節(jié)器9控制被導向雙噴射器1的運動流體M，并且開關電磁閥8H控制運動流體M向高流量噴射器H的供給。圖2中所述系統(tǒng)如下所述地工作從空載狀態(tài)向上，調(diào)節(jié)器9控制被導向低流量噴射器L的運動流體M。當達到轉(zhuǎn)換點T時，電磁閥8H打開。在當前實施例中，轉(zhuǎn)換點T相對于運動流體M的壓力確定。因此，測量運動流體M壓力的壓力傳感器P控制電磁閥8H。然而，應該理解，轉(zhuǎn)換點T可以相對于諸如調(diào)節(jié)器9的狀態(tài)或陽極入口流AIS的壓力增長率的其它因素確定，在這種情況下，除了壓力傳感器P之外的其它裝置將控制電磁閥8H的打開與關閉。
隨著到達轉(zhuǎn)換點T及電磁閥8H的打開，調(diào)節(jié)器9自動地減小運動流體M的壓力(實際上，為了產(chǎn)生隨著到達轉(zhuǎn)換點T而發(fā)生的相同的入口流S，現(xiàn)在需要供應給高流量噴射器H的運動流體M的壓力低于需要供應給低流量噴射器L的運動流體的壓力)。調(diào)節(jié)器9隨后開始再次增加運動流體M的壓力，直到到達滿負載狀態(tài)為止。然而，因為由供應低壓運動流體M的低流量噴射器L引起的共用吸入腔2中的吸力降低通常不能由高流量噴射器H利用這種低壓運動流體M產(chǎn)生的吸力所補償(從而在共用吸入腔2中存在不能接受的吸力降)，所以這不能令人滿意地解決轉(zhuǎn)換點T的問題。
在低流量噴射器L和高流量噴射器H之間增加另外的噴射器是解決轉(zhuǎn)換點T問題的一個選擇，所有的噴射器共同使用共用吸入腔(即，具有三或四個噴射器)。然而，這種選擇可能產(chǎn)生制造和空間布置的問題。另一種選擇是利用調(diào)節(jié)器19和三個開關電磁閥(18H，18L和18B)，如圖3所示。根據(jù)該實施例的雙噴射器1的操作如下所述。
以空載流量狀態(tài)(低負載狀態(tài))起動，旁通電磁閥18B和高流量電磁閥18H關閉，同時低流量電磁閥18L打開。因此，由調(diào)節(jié)器19控制的第一運動流體M1僅僅被導向低流量噴射器L(通過低流量運動入口17L)。當?shù)竭_轉(zhuǎn)換點T時，低流量電磁閥18L閉合并且高流量電磁閥18H打開，使得由調(diào)節(jié)器19控制的第一運動流體M1被導向高流量噴射器H(通過高流量運動入口17H)出于上文解釋的原因，當將第一運動流體M1從低流量噴射器L切換到高流量噴射器H時(即，當?shù)竭_轉(zhuǎn)換點T時)，調(diào)節(jié)器19降低第一運動流體M1的壓力并且隨后開始再次增加該壓力。然而，由于下述原因，共用吸入腔2中不會出現(xiàn)隨之產(chǎn)生的典型的吸力降。
與到達轉(zhuǎn)換點T時大致相同的時刻，旁通電磁閥18B打開，使得第二運動流體M2被導向低流量噴射器L(通過旁通管路20)。盡管其可以相對于其它因素確定，但是在本實施例中，轉(zhuǎn)換點T相對于第一運動流體M1的壓力通過壓力傳感器P確定。更具體地，當由調(diào)節(jié)器19控制的第一運動流體M1的壓力與供給的加壓氫氣的壓力基本相同時，轉(zhuǎn)換點T出現(xiàn)。因此，當轉(zhuǎn)換點T出現(xiàn)時，因為基本與供給的加壓氫氣的流量相同的第一運動流體M1被基本與供給的加壓氫氣的流量相同的第二運動流體M2所代替，因此低流量電磁閥18L的閉合和旁通電磁閥18B的打開導致了向低流量噴射器L基本沒有進給變化。因此，低流量噴射器L持續(xù)提供共用吸入腔2中所需的吸力和所需的陽極入口流AIS。因此，當出現(xiàn)轉(zhuǎn)換點T時，在調(diào)節(jié)器19的作用下產(chǎn)生的第一運動流體M1的壓力減小不會在共用吸入腔2中導致不能令人滿意的吸力降。通過轉(zhuǎn)換點T后，調(diào)節(jié)器19隨后開始增加第一運動流體M1的壓力，使得高流量噴射器H開始逐漸加大陽極入口流AIS以及共用吸入腔2中所需的吸力。
上文概括的并在圖3中所示的系統(tǒng)潛在的原理也可以應用于多噴射器(例如三或四個噴射器)。實際上，將使用全流量的低流量噴射器作為正在使用的高流量噴射器的供給原理不內(nèi)在地局限于雙噴射器。然而，隨著噴射器數(shù)目的增加，調(diào)節(jié)器和電磁閥的數(shù)目也增加，從而產(chǎn)生空間布置的問題。
盡管上述實施例可以適當?shù)靥幚淼湫偷钠噾弥械南蛏纤沧?up-transient)狀態(tài)，但是在嚴重的向下瞬變(down-transient)狀態(tài)中也會出現(xiàn)問題。實際上，參考圖3，快速的負載降低不僅導致高流量電磁閥18H和旁通電磁閥18B關閉和低流量電磁閥18L打開，而且還導致調(diào)節(jié)器19暫時關閉。盡管這將解決快速減小陽極入口流AIS的供應的需求，但是它將導致再循環(huán)流體R不希望的中斷。如圖4所示，該問題可以通過增加恒定供給第三運動流體M3的超低流量噴射器UL來解決，所述第三運動流體基本與供給的加壓氫氣的流量相同，而不論工作狀態(tài)如何(從而產(chǎn)生三噴射器10)。在一個實施例中，超低流量噴射器UL的噴嘴與低流量噴射器L和高流量噴射器H一起布置在共用吸入腔2中，并且從節(jié)約空間的角度來說處于最有效的位置。然而，使超低流量噴射器UL的噴嘴定位在根據(jù)本發(fā)明的另一個吸入腔中是可能的。超低流量噴射器UL設計為能供應空載要求的百分比并且還提供共用吸入腔2中所必需的吸力以保持最小量的再循環(huán)流體R。
因為超低流量噴射器UL恒定地供應高壓流，所以通常不存在使從低流量噴射器L或高流量噴射器H任意一個流出的流體通過超低流量噴射器UL返回到共用吸入腔2中的可能性。因此，通常不需要布置在超低流量噴射器UL下游端的單向閥。然而，應該理解，燃料電池系統(tǒng)的特殊性可以要求在超低流量噴射器UL的下游端布置單向閥。
應當指出，根據(jù)本發(fā)明，由閥式調(diào)節(jié)器和下游開關電磁閥所執(zhí)行的功能可以組合在諸如燃料噴射器的脈沖寬度調(diào)制閥中。例如，參考圖4，通過用脈沖寬度調(diào)制閥代替開關電磁閥(即，18H和18L)，調(diào)節(jié)器19可以被去掉。不僅達到低流量噴射器L/高流量噴射器H的運動流體M的壓力可以由調(diào)制閥(通過改變脈沖寬度)控制，而且運動流體M是否到達低流量噴射器L和/或高流量噴射器H也可以被控制(通過使調(diào)制閥閉合或工作)。
另一種解決轉(zhuǎn)換點T問題的方法是利用第二調(diào)節(jié)器替換圖3和4中顯示的三個開關電磁閥(18H，18L和18B)，并且每個調(diào)節(jié)器被設置成保持陽極入口流AIS和陰極入口流CIS之間的不同的期望穩(wěn)定壓差。圖5顯示了這種變化如何應用到圖3顯示的系統(tǒng)中(但是應當理解，可以類似地改變圖4所示的系統(tǒng))。
參考圖5，高流量調(diào)節(jié)器29H流體地連接到高流量運動入口17H上并且控制被導向高流量噴射器H的運動流體MH，而低流量調(diào)節(jié)器29L流體地連接到低流量運動入口17L并且控制被導向低流量噴射器L的運動流體ML。高流量調(diào)節(jié)器29H配置成保持期望的穩(wěn)定壓差PDH并且低流量調(diào)節(jié)器配置成保持期望的穩(wěn)定壓差PDL，并且穩(wěn)定壓差PDH低于穩(wěn)定壓差PDL(PDH＜PDL)。例如，高流量調(diào)節(jié)器29H可被設置成保持陽極入口流AIS的壓力比陰極入口流CIS的期望穩(wěn)定壓力高1磅/平方英寸(psi)(即，期望穩(wěn)定壓差PDH是+1psi)，并且低流量調(diào)節(jié)器29L可被設置成保持陽極入口流AIS的壓力比陰極入口流CIS的期望穩(wěn)定壓力高4psi(即，期望穩(wěn)定壓差PDL是+4psi)。
參考圖5和5A，后者為在圖5所示的燃料電池系統(tǒng)工作期間，燃料電池系統(tǒng)的壓差對負載需要量的理想曲線圖，燃料電池系統(tǒng)將按照下列方式工作。參考圖5A的線A，在低負載需要量處，該系統(tǒng)將在較高的穩(wěn)定壓差PDL下工作(即，參考上述實例，該系統(tǒng)將在+4psi壓差下工作)。隨著負載需要量增大，低流量調(diào)節(jié)器29L打開以保持該較高的穩(wěn)定壓差PDL，即，低流量調(diào)節(jié)器29L將改變運動流體ML。同時，高流量調(diào)節(jié)器29H在其檢測到比其正試圖保持的壓差(PDH)高的壓差(PDL)時仍然閉合，即，高流量調(diào)節(jié)器29H不會引導任何運動流體MH到高流量噴射器H中。當?shù)土髁空{(diào)節(jié)器29L完全打開時，負載需要量進一步的增加導致了該系統(tǒng)壓差的下降(由于與陰極入口流CIS的壓力增加相比，陽極入口流AIS的壓力不再能令人滿意地增加)。一旦這種壓差試圖低于較低的穩(wěn)定壓差PDH(即，參照上述實例，一旦系統(tǒng)的壓差試圖低于+1psi壓差)，高流量調(diào)節(jié)器29H開始打開以保持這種較低的壓差PDH(即，高流量調(diào)節(jié)器29H將改變運動流體MH)。同時，在試圖(attemping)但未成功地使壓差恢復到較高的穩(wěn)定壓差PDL時，低流量調(diào)節(jié)器29L保持完全打開(即，參照上述實例，低流量調(diào)節(jié)器29L試圖但未成功地增加陽極入口流AIS的壓力從而比陰極入口流CIS的壓力高4psi)。該實施例在轉(zhuǎn)換點T當運動流體ML的壓力進一步的增加導致陽極入口流AIS的壓力未充分增加時出現(xiàn)的地方是有利的。它的優(yōu)點在于不需要圖3和4所示實施例中的必需的電路。然而，該實施例在轉(zhuǎn)換點T在運動流體ML的壓力進一步的增加導致陽極入口流AIS的壓力未充分增加之前出現(xiàn)的地方是沒有好處的。另外，該實施例在以變化的期望穩(wěn)定壓差工作的燃料電池中是沒有優(yōu)勢的，所述工作可能會導致不希望的不穩(wěn)定性。
應當理解，根據(jù)本發(fā)明，負的期望穩(wěn)定壓差是可能的。例如，高流量調(diào)節(jié)器29H可以配置成保持陽極入口流AIS的壓力比陰極入口流CIS的期望穩(wěn)定壓力低4磅/平方英寸(psi)(即，期望穩(wěn)定壓差PDH是-4psi)。低流量調(diào)節(jié)器29L能因此配置成保持陽極入口流AIS的壓力比陰極入口流CIS的期望穩(wěn)定壓力低1psi(即，期望穩(wěn)定壓差PDL是-1psi)，使得穩(wěn)定壓差PDH保持低于穩(wěn)定壓差PDL(PDH＜PDL)。該可選的實施例由圖5A中的線B表示。
另一種解決轉(zhuǎn)換點T問題的方法是用雙作用壓力調(diào)節(jié)器替換圖3和4中顯示的三個開關電磁閥(18H，18L和18B)和調(diào)節(jié)器(9或19)，所述雙作用壓力調(diào)節(jié)器將在下文詳細描述。圖6顯示了這種變化如何應用到圖3顯示的系統(tǒng)中(但是應當理解，可以類似地改變圖4中顯示的系統(tǒng))。參照圖6，雙作用壓力調(diào)節(jié)器800具有流體連接到高壓源(加壓氫氣)的入口801，和兩個出口即高流量出口802和低流量出口803。高流量出口802流體連接到高流量運動入口17H并且向高流量噴射器H供給運動流體MH，而低流量出口803流體連接到低流量運動入口17L并且向低流量噴射器L供給運動流體ML。如下文將具體解釋的那樣，雙作用壓力調(diào)節(jié)器800調(diào)節(jié)運動流體MH和運動流體ML以保持陽極入口流AIS和陰極入口流CIS之間的期望穩(wěn)定壓差。
圖7是圖6中示意性顯示的雙作用壓力調(diào)節(jié)器800的實施例的側(cè)面剖視圖。如上所述，壓力調(diào)節(jié)器800具有流體連接到高壓源的調(diào)節(jié)器入口801，和高、低流量出口802和803，所述流量出口分別連接到圖6所示的高流量噴射器M和低流量噴射器L。壓力調(diào)節(jié)器800還具有流體連接調(diào)節(jié)器入口801和低流量出口803的第一通道805，和流體連接調(diào)節(jié)器入口801和高流量出口802的第二通道804。另外，壓力調(diào)節(jié)器800流體連接到來自陽極入口流AIS的參考燃料反饋管路830和來自陰極入口流CIS的參考氧化劑反饋管路850。
在工作中，參考燃料反饋管路830供給入燃料參考腔室831中并且參考氧化劑反饋管路850供給入氧化劑參考腔室851中。燃料和氧化劑參考腔室831和851被偏壓的柔性膜840流體地隔開，每當所述兩個腔室(831和851)之間的壓差與陽極入口流AIS和陰極入口流CIS之間的期望穩(wěn)定壓差基本相同時，所述柔性膜處于平衡狀態(tài)(為了清晰起見，偏壓裝置沒有顯示在圖7中)。
壓力調(diào)節(jié)器800可以有利地用于一系統(tǒng)中，在該系統(tǒng)中，第一流中的期望壓力根據(jù)負載需要量設定并且第二流中的期望壓力變化以保持第一和第二流之間的期望穩(wěn)定壓差。例如，在一系統(tǒng)中，所期望的氧化劑壓力根據(jù)負載需要量設定，并且所期望的燃料流壓力可以被壓力調(diào)節(jié)器800調(diào)節(jié)以保持燃料流和氧化劑流之間的期望穩(wěn)定壓差。
在這樣的系統(tǒng)中，負載增加導致氧化劑壓力增加，所述氧化劑壓力的增加導致參考燃料流壓力相對于參考氧化劑流壓力的降低。因此，柔性膜840朝燃料參考腔室831移動。柔性膜840接觸第一可移動桿810的第一端811并且壓下第一可移動桿810并因此壓下第一塞815。第一塞815可以為圓錐形使得其在第一通道805中的運動而導致該第一通道逐漸開啟(或閉合)。因此，柔性膜840的運動逐漸打開第一通道805并且將加壓燃料流通過低流量出口803導向低流量噴射器L。
第一可移動桿810定位在第二可移動桿820的內(nèi)部軸向通道中，使得通過第二可移動桿820中未被第一可移動桿810占據(jù)的通道容積在調(diào)節(jié)器入口801和低流量出口803之間進行流體連接。第二可移動桿820中未被第一可移動桿810所占據(jù)的容積必須足夠大以允許足夠的流體從調(diào)節(jié)器入口801向低流量出口803流動。
第一塞815將持續(xù)打開第一通道805直到燃料流和氧化劑流之間的期望穩(wěn)定壓差恢復為止，在該位置處，柔性膜840將停止移動并且停留在新的平衡點。
然而，對于特定的載荷增加來說，打開第一通道805完全不會恢復燃料流和氧化劑流之間的期望穩(wěn)定壓差(即，低流量噴射器L不能再恢復期望的穩(wěn)定壓差)。因此，柔性膜840將繼續(xù)其朝向燃料參考腔室831的運動。在移動一設定距離X之后，第一可移動桿810的凸起813接觸第二可移動桿820的第一端部821。在圖7所示實施例中，凸起813具有平坦的下部，其形狀被制成與第一端部821令人滿意地接觸。然而，應當理解，不同形狀的組合是可能的。另外，在圖7所示實施例中，距離X被設置成使得當凸起813接觸第一端部821時，第一通道805完全打開。然而，應當理解，距離X被設置成當?shù)竭_轉(zhuǎn)換點T時，凸起813接觸第一端部821，如上所述，該轉(zhuǎn)換點可以出現(xiàn)在不同的位置。
在圖7所示的實施例中，當?shù)谝豢梢苿訔U810的凸起813接觸第二可移動桿820的第一端部821時，調(diào)節(jié)器入口801和低流量出口803之間的流體連接被干擾。因此，在第二可移動桿820的第一端部821中存在開口860。然而，應當理解，根據(jù)本發(fā)明，可能存在不會干擾調(diào)節(jié)器入口801和低流量出口803之間的流體連接的凸起，所以第二可移動桿820的第一端部821沒有開口860是可能的。
在凸起813接觸第二可移動桿820的第一端部821之后，柔性膜840朝向燃料參考腔室831的進一步移動壓下第二可移動桿820，并因此壓下第二塞825。第二塞825可以為圓錐形使得其在第二通道804中運動而導致該第二通道逐漸打開(或閉合)。因此，柔性膜840在凸起813接觸第二可移動桿820的第一端部821之后的運動逐漸打開第二通道并且將加壓燃料流通過高流量出口802導向高流量噴射器H。第二塞825將繼續(xù)打開第二通道804直到燃料流和氧化劑流之間的期望穩(wěn)定壓差恢復為止，在該位置處，柔性膜840將停止移動并且停留在新的平衡點。
如圖7中進一步顯示的那樣，第一塞815和第二塞825分別接合第一和第二彈簧裝置818和828。第一和第二彈簧裝置818和828能夠使前述過程反向重復(即，處于負載減小狀態(tài))。第一和第二彈簧裝置818和828還有助于當相關的可移動桿(即，第一和第二可移動桿810和820)不被壓下時，使燃料不滲過相關的塞(即第一和第二塞815和825)；然而，應注意到，這主要由流體連接到第一和第二塞815和825(通過調(diào)節(jié)器入口801)的高壓源的作用實現(xiàn)。
為了不過度干擾該偏壓裝置，第一和第二彈簧裝置818和828產(chǎn)生明顯小于該偏壓裝置的作用力，每當兩個腔室(831和851)之間的壓差基本等于陽極入口流AIS和陰極入口流CIS之間的期望穩(wěn)定壓差時，所述偏壓裝置確保存在平衡狀態(tài)。
盡管圖7所示的實施例被設置成調(diào)節(jié)流向雙噴射器的流量，但是應當理解，本發(fā)明不局限于該實施例。實際上，該實施例可以通過增加另外的可移動桿和相連的塞子改變?yōu)檎{(diào)節(jié)多個噴射器(例如，三或四個噴射器)，所述塞子逐漸打開另外的通道并且將加壓燃料流通過另外的出口導向其他噴射器。
此外，盡管前述實施例涉及流體燃料流再循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)，但是應當理解，噴射器還可以結(jié)合到基于使用基本為純氧的發(fā)電系統(tǒng)的燃料電池中，作為氧化劑流的純氧來源于高壓源，并且所述噴射器用于使排出的氧化劑流再循環(huán)。從這一點上來說，在上文闡述的關于流體燃料流的噴射器再循環(huán)的基本相同的原理可以應用到流體氧化劑流的噴射器再循環(huán)中。
由上述內(nèi)容應當理解，盡管出于說明目的已經(jīng)在此描述了本發(fā)明具體的實施例，但是在不偏離本發(fā)明精神和范圍的條件下可以進行各種改變。因此，本發(fā)明只由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種用于使燃料電池系統(tǒng)的反應物流體流再循環(huán)的裝置，該燃料電池系統(tǒng)具有帶入口流和排出流的燃料電池組，所述裝置包括共用吸入腔，其流體連接到吸入口，該吸入口被設置成接收來自燃料電池組的排出流的再循環(huán)流體；低流量噴嘴，其定位在共用吸入腔中并且流體連接到低流量運動入口，該低流量運動入口被設置成接收來自反應物源的第一運動流體；低流量擴散器，其流體連接到排出口，該排出口被設置成向燃料電池組提供入口流；高流量噴嘴，其定位在共用吸入腔中并且流體連接到高流量運動入口，該高流量運動入口被設置成接收來自燃料電池組的反應物源的所述第一運動流體；以及高流量擴散器，其流體連接到排出口。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述共用吸入腔基本為為圓柱形。
3.如權利要求1所述的裝置，還包括用于防止流體通過低流量擴散器返回的低流量單向閥；和用于防止流體通過高流量擴散器返回的高流量單向閥。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述低流量噴嘴和低流量擴散器配置成在低負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流；并且所述高流量噴嘴和高流量擴散器配置成在高負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流。
5.如權利要求4所述的裝置，還包括用于防止流體通過低流量擴散器返回的低流量單向閥；和用于防止流體通過高流量擴散器返回的高流量單向閥。
6.如權利要求1所述的裝置，還包括超低流量噴嘴，其定位在共用吸入腔中并且流體連接到超低流量運動入口，該超低流量運動入口被設置成接收來自反應物源的第二運動流體；以及超低流量擴散器，其流體連接到排出口。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述共用吸入腔基本為圓柱形。
8.如權利要求6所述的裝置，還包括用于防止流體通過低流量擴散器返回的低流量單向閥；和用于防止流體通過高流量擴散器返回的高流量單向閥。
9.如權利要求8所述的裝置，還包括用于防止流體通過超低流量擴散器返回的超低流量單向閥。
10.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述低流量噴嘴和低流量擴散器配置成在低負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流；所述高流量噴嘴和高流量擴散器配置成在高負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流；并且所述超低流量噴嘴和超低流量擴散器配置成在空載狀態(tài)下輸送一部分再循環(huán)流體并提供一部分入口流。
11.如權利要求10所述的裝置，還包括用于防止流體通過低流量擴散器返回的低流量單向閥；和用于防止流體通過高流量擴散器返回的高流量單向閥。
12.如權利要求10所述的裝置，還包括用于防止流體通過超低流量擴散器返回的超低流量單向閥。
13.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料電池組，該燃料電池組包括反應物流入口、反應物流出口和至少一個燃料電池；加壓反應物源；多噴射器組件，包括流體連接到加壓反應物源的第一運動流體入口，流體連接到加壓反應物源的第二運動流體入口，流體連接到反應物流出口以接收來自燃料電池組的再循環(huán)流體的吸入口，和流體連接到反應物流入口以向燃料電池組提供入口流的排出口；調(diào)節(jié)器，其流體連接到加壓反應物源和所述多噴射器組件的第一和第二運動流體入口并且插入到它們之間，所述調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)流向所述多噴射器組件的第一運動流體；和流體連接到第二運動流體入口和調(diào)節(jié)器并插入到它們之間的第一電磁閥。
14.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料電池組，該燃料電池組包括反應物流入口、反應物流出口和至少一個燃料電池；加壓反應物源；多噴射器組件，包括流體連接到加壓反應物源的第一運動流體入口，流體連接到加壓反應物源的第二運動流體入口，流體連接到反應物流出口以接收來自燃料電池組的再循環(huán)流體的吸入口，和流體連接到反應物流入口以向燃料電池組提供入口流的排出口；調(diào)節(jié)器，其流體連接到加壓反應物源和所述多噴射器組件的第一和第二運動流體入口并且插入到它們之間，所述調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)流向所述多噴射器組件的第一運動流體；流體連接到第一運動流體入口和所述調(diào)節(jié)器并插入到它們之間的第一電磁閥；流體連接到第二運動流體入口和所述調(diào)節(jié)器并插入到它們之間的第二電磁閥；將加壓反應物源流體連接到第二運動流體入口的旁通管路，用于向所述多噴射器組件提供第二運動流體；以及流體連接到加壓反應物源和第二運動流體入口并插入到位于加壓反應物源和第二運動流體入口之間的旁通管路中的旁路電磁閥。
15.如權利要求14所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于第一運動流體入口流體連接到第一噴嘴和擴散器，并且所述第一噴嘴和擴散器配置成在高負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流；并且第二運動流體入口流體連接到第二噴嘴和擴散器，所述第二噴嘴和擴散器配置成在低負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流。
16.如權利要求14所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)節(jié)器為壓力控制閥，其用于調(diào)節(jié)流向所述多噴射器組件的第一運動流體的壓力。
17.如權利要求16所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括壓力傳感器，其用于檢測流向多噴射器組件的第一運動流體的壓力并且用于輔助第一、第二和旁通電磁閥的操作。
18.如權利要求14所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述多噴射器組件還包括流體連接到加壓反應物源的第三運動流體入口。
19.如權利要求18所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于第一運動流體入口流體連接到第一噴嘴和擴散器，所述第一噴嘴和擴散器配置成在高負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流；第二運動流體入口流體連接到第二噴嘴和擴散器，所述第二噴嘴和擴散器配置成在低負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流；以及第三運動流體入口流體連接到第三噴嘴和擴散器，所述第三噴嘴和擴散器配置成在空載狀態(tài)下輸送一部分再循環(huán)流體并提供一部分入口流。
20.一種用于操作如權利要求14所述的發(fā)電系統(tǒng)的方法，包括在低負載操作狀態(tài)期間，打開第二電磁閥并且關閉第一和旁通電磁閥，使得第一運動流體被導向第二運動流體入口；以及在高負載操作狀態(tài)期間，閉合第二電磁閥并且打開第一和旁通電磁閥，使得第一運動流體被導向第一運動流體入口并且第二運動流體被導向第二運動流體入口。
21.一種用于操作如權利要求18所述的發(fā)電系統(tǒng)的方法，包括在低負載操作狀態(tài)期間，打開第二電磁閥并且關閉第一和旁通電磁閥，使得第一運動流體被導向第二運動流體入口；在高負載操作狀態(tài)期間，閉合第二電磁閥并且打開第一和旁通電磁閥，使得第一運動流體被導向第一運動流體入口并且第二運動流體被導向第二運動流體入口；以及在所有操作狀態(tài)下，將第三運動流體從加壓反應物源導向第三運動流體入口。
22.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料電池組，包括被設置成接收第一入口流的第一反應物流入口、被設置成接收第二入口流的第二反應物流入口、第一反應物流出口和至少一個燃料電池；加壓反應物源；多噴射器組件，包括流體連接到第一反應物流出口以接收再循環(huán)流體的吸入口，流體連接到第一反應物流入口以提供第一入口流的排出口，流體連接到加壓反應物源的第一運動流體入口，和流體連接到加壓反應物源的第二運動流體入口；第一壓力調(diào)節(jié)器，其流體連接到加壓反應物源和第一運動流體入口并且插入到它們之間，用于調(diào)節(jié)流向第一運動流體入口的第一運動流體的壓力，其中，第一壓力調(diào)節(jié)器配置成相對于第二入口流的壓力以基本恒定的第一壓差保持第一入口流的壓力；以及第二壓力調(diào)節(jié)器，其流體連接到加壓反應物源和第二運動流體入口并且插入到它們之間，用于調(diào)節(jié)流向第二運動流體入口的第二運動流體的壓力，其中，第二壓力調(diào)節(jié)器配置成相對于第二入口流的壓力以基本恒定的第二壓差保持第一入口流的壓力，其中，第一壓差不同于第二壓差。
23.如權利要求22所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于第一運動流體入口流體地連接到第一噴嘴和擴散器，所述第一噴嘴和擴散器配置成在高負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流；第二運動流體入口流體地連接到第二噴嘴和擴散器，所述第二噴嘴和擴散器配置成在低負載狀態(tài)下輸送再循環(huán)流體并提供入口流；并且第一壓差小于第二壓差。
24.一種壓力調(diào)節(jié)器，包括第一參考腔室，其被設置成流體地連接到第一流體的參考反饋管路；第二參考腔室，其被設置成流體地連接到第二流體的參考反饋管路；柔性膜，其流體地分隔第一和第二參考腔室，并且受偏壓以在第一流體的壓力相對于第二流體的壓力等于期望壓差時處于平衡狀態(tài)；調(diào)節(jié)器入口，其被設置成流體地連接到加壓反應物源；第一調(diào)節(jié)器出口；第二調(diào)節(jié)器出口；第一通道，其流體地連接調(diào)節(jié)器入口和第一調(diào)節(jié)器出口；第二通道，其流體地連接調(diào)節(jié)器入口和第二調(diào)節(jié)器出口；第一可移動桿，其被設置成跟隨柔性膜的運動，該第一可移動桿包括有被設置成根據(jù)第一可移動桿的位置開啟和關閉所述第一通道的第一塞；以及第二可移動桿，其被設置成在第一可移動桿已經(jīng)被柔性膜移動設定距離后跟隨第一可移動桿的運動，該第二可移動桿包括被設置成根據(jù)第二可移動桿的位置開啟和關閉所述第二通道的第二塞。
25.如權利要求24所述的壓力調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述柔性膜、第一可移動桿和第二可移動桿如此布置使得隨著第一流體的壓力相對于第二流體的壓力增加，柔性膜壓下第一可移動桿，從而打開第一通道，并且在已經(jīng)移動所述設定距離后，第一可移動桿壓下第二可移動桿，從而打開第二通道。
26.如權利要求24所述的壓力調(diào)節(jié)器，其特征在于，第二可移動桿包括內(nèi)部軸向通道，該內(nèi)部軸向通道被設置成允許第一可移動桿運動并且流體連接調(diào)節(jié)器入口和第一調(diào)節(jié)器出口；第一可移動桿被設置成在被柔性膜移動所述設定距離后在第二可移動桿的內(nèi)部軸向通道中移動并與第二可移動桿相接合。
27.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料電池組，包括反應物流入口、反應物流出口和至少一個燃料電池；加壓反應物源；多噴射器組件，包括流體連接到反應物流出口以接收來自燃料電池組的再循環(huán)流體的吸入口，流體連接到反應物流入口以向燃料電池組提供入口流的排出口，流體連接到加壓反應物源的第一入口，和流體連接到加壓反應物源的第二入口；和流體連接到加壓反應物源和所述多噴射器組件并插入到它們之間的、根據(jù)權利要求24的壓力調(diào)節(jié)器，其中，第一調(diào)節(jié)器出口流體地連接到所述多噴射器組件的第一入口并且第二調(diào)節(jié)器出口流體地連接到所述多噴射器組件的第二入口。
全文摘要
一種發(fā)電系統(tǒng)具有用于使排出流再循環(huán)的一多噴射器組件。該系統(tǒng)包括具有反應物流入口、反應物流出口和至少一個燃料電池的燃料電池組。加壓反應物源向多噴射器組件提供反應物。該多噴射器組件包括兩個運動流體入口、一個流體連接到反應物流出口以接收來自燃料電池組的再循環(huán)流體的吸入口和一個流體連接到反應物流入口以向燃料電池組提供入口流的排出口。壓力調(diào)節(jié)器插入到加壓反應物源和所述多噴射器組件的兩個運動流體入口之間。第一電磁閥插入到第一運動流體入口和調(diào)節(jié)器之間。第二電磁閥插入到第二運動流體入口和調(diào)節(jié)器之間。旁通閥將加壓反應物源連接到第二運動流體入口。旁通電磁閥插入到位于加壓反應物源和第二運動流體入口之間的旁通管路中。在低負載工作狀態(tài)期間，第二電磁閥打開并且第一和旁通電磁閥閉合，使得由調(diào)節(jié)閥控制的加壓反應物被導向第二運動流體入口。在高負載工作狀態(tài)下，第二電磁閥閉合并且第一和旁通電磁閥打開，使得由調(diào)節(jié)器控制的加壓反應物被導向第一運動流體入口，并且不受調(diào)節(jié)器控制的加壓反應物被導向第二運動流體入口。
文檔編號F04F5/46GK101027810SQ200480033112
公開日2007年8月29日 申請日期2004年9月17日 優(yōu)先權日2003年9月18日
發(fā)明者J·布瓦什奇克, R·施密特, W·弗萊克, P·L·帕特森 申請人:百拉得動力系統(tǒng)公司