無源再循環(huán)設備的制造方法
【專利說明】無源再循環(huán)設備
[0001]說明
本申請要求于2012年8月8日提交的美國臨時申請第61/680，845號的優(yōu)先權(quán)，其通過引用并入本文。
技術(shù)領域
[0002]本公開涉及一種再循環(huán)設備，用于無源地控制流體流動。在一些實施例中，本文所描述的再循環(huán)設備可以用來控制供應到燃料電池的再循環(huán)回路的燃料的數(shù)量。
【背景技術(shù)】
[0003]諸如閥門或者噴射器之類的各種設備用來控制液體和氣體形式的流體流動。這種設備經(jīng)常結(jié)合到機械組件中，以便控制組件內(nèi)的流體的流動或出入組件的流體的流動。為了增加或減少這種流體流動，閥門或噴射器可以具有集成的電動、氣動或機械控制部件。雖然常用這些有源控制機構(gòu)，但是由于精確控制流體流動的困難或定部件尺寸以確保在寬條件范圍內(nèi)的有效操作的困難，所以基于流體壓力的無源控制還是不常見的。
[0004]燃料電池是用于發(fā)電的設備。通過與氧或其它氧化劑的化學反應將來自燃料的化學能轉(zhuǎn)換成電。該化學反應通常產(chǎn)生電、熱量和水。在操作中，燃料電池通常需要控制燃料、氧化劑、或冷卻流體的流動。
[0005]燃料電池可以包括陽極隔室中的陽極、陰極隔室中的陰極、和允許電荷在陽極和陰極之間移動的電解質(zhì)。通過電負載電路將電子從陽極拉向陰極，從而產(chǎn)生電。為了改變電輸出，閥門、噴射器、或其它流動設備可以被配置成控制流體向一個或多個隔室流動。
[0006]在一些示例中，燃料流(flow of fuel)被供應到陽極隔室，并且含氧氣體(例如，空氣)流被供應到陰極隔室。在一部分燃料在陽極隔室中進行電化學反應的同時，燃料可以連續(xù)地流經(jīng)陽極隔室，如下面的等式表示。
[0007]2H2— 4H ++4e_
通過電負載電路將由陽極電化學反應所產(chǎn)生的電子從陽極拉向陰極，從而產(chǎn)生直流電。通過電解質(zhì)將由反應所產(chǎn)生的帶正電的離子從陽極拉向陰極。電解質(zhì)可以被配置成在允許帶正電的離子通過的同時，防止帶負電的電子通過。
[0008]帶正電的離子通過電解質(zhì)后，該離子可以在陰極隔室中與已經(jīng)通過電負載電路的電子組合。該組合可以形成從氧的還原中生成水的陰極電化學反應，如下面的等式表示。
[0009]02+4H++4e-— 2H 20
在陽極隔室中被氧化的燃料的量可以取決于電負載電路所需功率的量。因為一部分燃料從陽極隔室中排出，所以并非供應到陽極隔室的所有燃料均被氧化。
[0010]為了提高燃料電池的總效率，借助于循環(huán)回路，陽極隔室的出口能夠流回到陽極隔室的入口。為了使燃料電池能夠連續(xù)輸出功率，必須將燃料引入到循環(huán)回路中以取代在陽極隔室中被氧化的燃料。燃料被引入到循環(huán)回路中的速率將取決于被施加到電氣電路的負載；負載越大，需要的燃料更多。
[0011]被引入到循環(huán)回路中的燃料流可以由各種設備(包括閥門或噴射器)來控制。當燃料電池從最小功率輸出上升到最大功率輸出時，向再循環(huán)回路供應適量的燃料，并且反之亦然，可能需要多個不同尺寸的噴射器或能夠節(jié)流流量的控制閥。多個具有不同尺寸噴嘴的噴射器、以及控制閥費用高昂并且會增加設備的復雜性。
[0012]一些現(xiàn)有技術(shù)的設備已經(jīng)通過使用可變流量噴射器減少了對多個噴射器的需求，而其它的設備已經(jīng)使用了控制閥與噴射器的組合。例如，美國專利第6，858，340號公開了一種燃料電池系統(tǒng)中使用的可變流量噴射器。噴射器內(nèi)的兩個隔膜控制相對于噴嘴的針運動來控制流經(jīng)噴射器的流體。美國專利第7，536，864號和美國專利第6，779，360號使用致動器來控制噴嘴開口。以及美國專利申請第2010/0068579號公開了一種與噴射器聯(lián)用的控制閥。
[0013]然而，因為這些控制閥和噴射器均需要一些形式的有源控制系統(tǒng)，所以它們無一使用無源控制來操作。例如，多種流體用來使多個隔膜變形，受管致動器操縱沖頭(ram)，控制致動器定位針，或控制閥基于下游反饋來節(jié)流流量。本公開克服了現(xiàn)有技術(shù)的至少一些缺陷。
[0014]考慮到上述情況，本公開提供了一種再循環(huán)設備，該再循環(huán)設備可以集成到燃料電池系統(tǒng)中。再循環(huán)設備可以基于基于陽極隔室排氣壓力無源地控制陽極再循環(huán)流動。該設備可以向燃料電池供以燃料以允許在從最小功率輸出到最大功率輸出的條件范圍內(nèi)操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本公開的一個方面涉及一種再循環(huán)設備，該再循環(huán)設備可以包括本體，該本體包括被配置成接收排氣的至少一個第一通道、被配置成接收燃料的至少一個第二通道、被配置成接收排氣和燃料的混合物的至少一個第三通道、和從第二通道延伸到第三通道的縱向軸線。該設備還可以包括噴嘴，該噴嘴包括內(nèi)腔，用于將燃料朝向孔引導，該孔位于內(nèi)腔的最小橫截面積處；和活塞，該活塞可滑動地位于本體內(nèi)，包括被配置成接收燃料的第一端和被配置成向噴嘴腔供以燃料的第二端，由此，活塞可以由排氣沿著本體的縱向軸線致動，用于控制通過孔的燃料的流量。位于本體內(nèi)的混合室可以被配置成接收排氣并且被配置成從孔中接收燃料。
[0016]本公開的另一方面涉及一種再循環(huán)設備，該再循環(huán)設備包括本體，該本體包括被配置成接收排氣的至少一個第一通道、被配置成接收燃料的包括閥座的至少一個第二通道、被配置成接收排氣和燃料的混合物的至少一個第三通道、和從第二通道延伸到第三通道的縱向軸線。包括內(nèi)腔的噴嘴可以將燃料朝向孔引導，該孔位于內(nèi)腔的最小橫截面積處，其中噴嘴可以固定地耦合到本體。再循環(huán)設備還可以包括活塞，該活塞可滑動地位于本體內(nèi)，包括被配置成接收燃料的第一端和被配置成向噴嘴腔供以燃料的第二端，活塞表面可以被配置成接收排氣，由此，活塞可以由排氣沿著本體的縱向軸線致動，用于控制通過孔的燃料的流量?；旌鲜铱梢晕挥诒倔w內(nèi)，被配置成接收排氣并且被配置成從孔中接收燃料，并且包括錐形端的閥桿可以固定地耦合到活塞的第一端，由此，沿著縱向軸線致動的活塞控制閥桿的第一端和閥座之間的距離。
[0017]本公開的另一方面涉及一種再循環(huán)設備，該再循環(huán)設備包括本體，該本體包括被配置成接收排氣的至少一個第一通道、被配置成接收燃料的至少一個第二通道、被配置成接收排氣和燃料的混合物的至少一個第三通道、和從第二通道延伸到第三通道的縱向軸線。該設備還可以包括噴嘴，該噴嘴包括內(nèi)腔，用于將燃料朝向孔引導，該孔位于內(nèi)腔的最小橫截面積處，由此，噴嘴可以固定地耦合到活塞的第二端。該設備還可以包括活塞，該活塞可滑動地位于本體內(nèi)，包括中心腔，該中心腔被配置成接收穿過活塞中心腔整個長度的第一針段，活塞表面可以被配置成接收排氣，由此，活塞可以由排氣壓力沿著本體的縱向軸線致動，控制通過孔的燃料的流量?；旌鲜铱梢晕挥诒倔w內(nèi)，被配置成接收排氣并且被配置成從孔中接收燃料。該設備還可以包括針，該針固定地耦合到本體，包括第一段，該第一段包括用于接收送入中心腔的燃料的通道，該中心腔連接至第二針段，由此，第一針段和第二針段固定地耦合。針還可以包括第二段，該第二段具有允許燃料從中心腔離開進入到噴嘴腔的出口通道；第二針段向著第二端逐漸變細，由此，錐形針段的表面平行于噴嘴的錐形內(nèi)表面并且被配置成當噴嘴與活塞致動時，與噴嘴的內(nèi)表面接合。
[0018]要理解的是，以上的一般描述和以下的詳細描述僅是示例性和說明性的，而非對所要求保護的本公開的限制。
【附圖說明】
[0019]并入并且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖圖示了本公開的若干個實施例，并與說明書一起用來解釋本公開的原理。
[0020]圖1是根據(jù)示例性實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
[0021]圖2A是根據(jù)示例性實施例的包括噴射器的放大段的噴射器的剖視圖。
[0022]圖2B是根據(jù)不例性實施例的活塞和閥桿的等距不意圖。
[0023]圖3A是根據(jù)另一示例性實施例的噴射器的剖視圖。
[0024]圖3B是根據(jù)另一示例性實施例的噴射器的剖視圖。
【具體實施方式】
[0025]現(xiàn)在，將詳細參照本公開的示例性實施例，其中的示例在附圖中示出。在任何可能的情況下，相同的附圖標記將用來指相同或相似的部件。
[0026]圖1是根據(jù)示例性實施例的燃料電池系統(tǒng)100的示意圖。燃料電池系統(tǒng)100可以包括再循環(huán)設備110。例如，再循環(huán)設備110可以包括如下詳細描述的無源再循環(huán)噴射器。除了再循環(huán)設備110夕卜，燃料電池系統(tǒng)100還可以包括燃料120和燃料電池120。燃料120可以包括氫、一氧化碳、甲醇、和稀釋的輕質(zhì)烴(如甲烷)。如上所解釋，燃料電池130可以被配置成經(jīng)由化學反應發(fā)電。
[0027]如圖1所示，燃料電池120可以包括陽極隔室140、陽極150、電解質(zhì)160、陰極隔室170、陰極180、和電負載電路190。電解質(zhì)160可以包括聚合物膜和堿性水溶液。在一些實施例中，燃料電池120可以包括質(zhì)子交換膜、磷酸、固體氧化物、或熔融碳酸鹽。
[0028]混合燃料200的連續(xù)流可以被供應到陽極隔室140。氧氣210流可以被供應到陰極隔室170。一旦混合燃料210進入陽極隔室140，混合燃料200的一部分可以就在陽極150處進行陽極電化學反應。
[0029]并非被供應到陽極隔室140的所有混合燃料200必須均在陽極電化學反應中消耗。流入陽極隔室140的混合燃料200的一部分可以通過陽極