用于混合可重整燃料和含氧气体和/或蒸汽的装置和方法
【技术领域】
[0001]本教导涉及用于混合可重整燃料和含氧气体和/或蒸汽，以引入燃料电池单元的重整器和/或燃料电池堆的装置和方法。
【背景技术】
[0002]使气态可重整燃料和/或液态可重整燃料转换成富氢的含一氧化碳的气体混合物(通常被称为“合成气体”或“合成气”的产品)，可根据诸如蒸汽重整、干重整、自热重整以及催化部分氧化重整的这些公知燃料重整操作中的任意操作来进行。
[0003]由于燃料电池系统或简称为“燃料电池”的潜力，即用于将电化学可氧化的燃料(诸如氢、氢和一氧化碳的混合物(例如合成气等))电化学地转换成电的设备，改进的燃料重整器、燃料重整器部件和重整工艺的开发持续成为相当多的研究的焦点，从而对于包括主动力单元(MPU)和辅助动力单元(APU)的通常应用发挥着极大扩展的作用。燃料电池还可用于专门的应用，例如，作为用于电动车辆的车载发电设备、用于住宅用设备的备用电源和主电源、用于闲暇使用的主电源、在没有电网的位置的户外设备和其它耗电设备，以及替代便携电池包的更轻质、更高功率密度、独立于周围温度的物品。
[0004]因为大规模地、经济地制氢，所以氢的分配所需的基础设施和用于氢的储存(尤其是作为运输燃料)的实用方法广泛地被认为任重道远。诸多当前的研究和开发已经指向:改进燃料重整器和燃料电池组件二者，其中，燃料重整器作为电化学可氧化的燃料的源，尤其是氢和一氧化碳的混合物的源，燃料电池组件通常被称为燃料电池“堆”并作为将这些燃料转换成电的转换器；以及将燃料重整器与燃料电池集成于更紧凑、可靠和高效的设备中以用于生成电能。
[0005]考虑到这些，将可重整燃料和含氧气体和/或蒸汽的混合物高效地输送至燃料重整器和/或燃料电池堆，是需要发展的另一方面。例如，可重整燃料通常使用静态混合器而与空气混合，其中，可重整燃料通常仅在静态混合器之前添加至空气流，且形成的混合可重整燃料和空气流输送至燃料重整器。然而，例如由于压降的影响，导致这种混合器通常不能充分地混合在输送至重整器之前的成分。注入器喷嘴系统也可用于混合可重整燃料和空气;然而，这些系统通常无法提供可精确测量的连续流体流。
[0006]此外，虽然气态可重整燃料可稍微高效地被加压并与空气混合，但是液态可重整燃料的汽化以及随后与空气的混合，更具有挑战性。混合应该向重整器提供相当均质的组成物，即可重整燃料和空气的均匀混合物，使得可监测和适当地控制反应温度，并可将空气流和可重整燃料添加物的流速调节成保持高效的重整过程同时使焦化最小化，其中，焦化可能不利于重整催化剂和燃料电池堆。因此，需要改进用于将可重整燃料和含氧气体的混合流输送至燃料电池单元的重整器的装置和方法。
【发明内容】
[0007]根据前面所述，本教导提供如下的装置和方法，其用于混合可重整燃料与含氧气体和/或蒸汽，以提供适于利用燃料电池单元的重整器和/或燃料电池堆进行重整的气态重整反应混合物。对于“on-cell”重整而言，均匀的气体和空气混合是非常重要的，借此，重整催化剂包含在燃料电池堆的燃料电极中。本教导的装置和方法可提供大致均质混合的或均匀的气态重整反应混合物，以便燃料电池单元更高效地进行操作。具有期望的氧气-燃料比率的均匀气态重整反应混合物可使用反馈环路增加对燃料电池单元的操作的监视和控制。此外，本教导的流体混合设备和方法可利用经由设备的低的背压来提供流体混合，从而能够使用商业上可行的和经济的部件，诸如鼓风机来操作设备。
[0008]此外，本教导的装置和方法可使气态可重整燃料、汽化液态可重整燃料或液态可重整燃料在引入重整器之前与含氧气体进行混合。部分地由于通过设备的湍流流动路径，使得设备的设计可影响可重整燃料和含氧气体的高效和有效的混合。由于在液态可重整燃料通过设备的燃料入口进入含氧气流时体积和表面积增加，所以液态可重整燃料与含氧气体的混合还可能受到本教导的设备和方法的影响。设备的设计可允许液态可重整燃料，例如加热的液态可重整燃料进行雾化和/或汽化，并与加热的含氧气流混合，以提供适于引入燃料电池单元的重整器和/或燃料电池堆的气态重整反应混合物。
[0009]此外，本教导的流体混合设备和方法可允许通过设备来监视和控制流体流的压力和流体流动特性以用于改进操作和效率。例如，设备的关键位置处的测压孔的布置可允许精确地测量流体流动特性，包括将可重整燃料输送至含氧气流。
[0010]因此，在一方面，本教导提供用于混合可重整燃料和含氧气体和/或蒸汽的流体混合设备，其中，生成的混合物或气态重整反应混合物可输送至燃料电池单元或系统的重整器和/或燃料电池堆。
[0011 ]例如，本教导的流体混合设备可包括具有入口、出口和定位于入口和出口之间的喉部的管，其中，喉部所具有的内径小于出口的内径，从入口穿过管到出口的纵向轴线限定下游方向，在喉部和出口之间，管的内壁的至少一部分包括螺旋混合结构，且管在喉部的下游处包括一个或多个燃料入口。入口的内径可大于喉部的内径。
[0012]在另一示例中，本教导的流体混合设备可包括:具有入口、出口和定位于入口和出口之间的喉部的管，其中，喉部所具有的内径小于出口的内径，从入口到出口的纵向轴线限定下游方向，且管在喉部的下游处包括一个或多个燃料入口；以及套环，在管的外表面上包围一个或多个燃料入口，并与管创建与一个或多个燃料入口流体连通的燃料注入室，其中，套环包括燃料源入口，并将一个或多个燃料入口与管外部的周围环境隔开。入口的内径可大于喉部的内径。燃料入口可由多孔阻隔件限定或者包括多孔阻隔件。
[0013]在另一示例中，本教导的流体混合设备可包括:具有入口、出口和定位于入口和出口之间的喉部的管，其中，喉部所具有的内径小于出口的内径，从入口到出口的纵向轴线限定下游方向，且管在喉部的下游处包括一个或多个燃料入口 ；以及燃料源管，至少在燃料入口的上游处与管的外表面同轴并朝向出口延续，其中，燃料源管在从一个或多个燃料入口的上游的位置处连接至管或与管集成，以及燃料源管的内表面和管的对应外表面间隔开以限定燃料注入通道，燃料注入通道经由燃料入口与管的内部流体连通。入口的内径可大于喉部的内径。燃料入口可由多孔阻隔件限定或包括多孔阻隔件。
[0014]在另一示例中，本教导的流体混合设备可包括具有入口、出口和定位于入口和出口之间的喉部的管，其中，喉部所具有的内径小于出口的内径，从入口穿过管到出口的纵向轴线限定下游方向，管在喉部的下游处包括一个或多个燃料入口，且管的内壁包括阶梯式结构，该阶梯式结构为在一个或多个燃料入口的上游处开始并朝向出口结束的凹陷部或凹槽，并包括一个或多个燃料入口。入口的内径可大于喉部的内径。
[0015]在本教导的流体混合设备的各实施方式中，管可整体地或者部分地由陶瓷制成。例如，位于喉部的下游处和/或包括喉部的一部分的管可以是陶瓷。多孔阻隔件可以是多孔陶瓷。此外，在喉部的下游处管的内壁可包括重整催化剂。
[0016]在另一方面，本教导提供混合可重整燃料和含氧气体和/或蒸汽的方法，其中，混合物适于输送至燃料电池单元或系统的重整器和/或燃料电池堆。该方法可包括操作本教导的流体混合设备。
[0017]例如，本教导的方法可包括:通过包括喉部的管输送含氧气体和/或蒸汽，使得含氧气体和/或蒸汽通过喉部而经历速度的增加和压力的下降，并在喉部的下游处随着压力的增加和速度的下降而经历膛线运动或扭曲运动；以及在喉部的下游处，将可重整燃料和/或蒸汽引入含氧气体和/或蒸汽的流中，借此，可重整燃料和/或蒸汽与含氧气体和/或蒸汽的流混合，以提供气态重整反应混合物。
[0018]在另一示例中，本教导的方法可包括操作本教导的流体混合设备的方法，其中，该方法可包括:将含氧气体和/或蒸汽输送至管的入口并通过该管；以及通过一个或多个燃料入口输送可重整燃料，从而混合含氧气体和/或蒸汽与可重整燃料。
[0019]在本教导的方法的各实施方式中，该方法可包括在气态重整反应混合物排出管的出口之前，重整或部分地重整气态重整反应混合物。该方法还可包括在将可重整燃料和/或蒸汽引入含氧气体和/或蒸汽的流中之前，将通过重整或部分地重整气态重整反应混合物而生成的热传递至可重整燃料和/或蒸汽。此外，该方法可包括将可重整燃料和/或蒸汽引入含氧气体和/或蒸汽的流中，该引入包括通过多孔阻隔件将可重整燃料和/或蒸汽引入含氧气体和/或蒸汽的流中。
[0020]通过以下附图、描述、示例和权利要求，将更充分地理解本教导的前述以及其它特征和优点。
【附图说明】
[0021]应理解的是，下面描述的附图仅出于解释的目的。相同的标记通常表示相同的部件。附图不一定按比例绘制，重点通常放在示出本教导的原理上。附图不旨在以任何方式限制本教导的范围。
[0022]图1A是本教导的流体混合设备的实施方式的剖视图的示意图，在该设备的喉部的下游处具有单个燃料入口和螺旋混合结构。
[0023]图1B是本教导的流体混合设备的实施方式的剖视图的示意图，在该设备的喉部的上游和下游处具有围绕多个燃料入口和螺旋混合结构的套环。
[0024]图1C是本教导的流体混合设备的实施方式的剖视图的示意图，在该设备的喉部的下游处具有多个燃料入口和燃料源管以及燃料注入通道。
[0025]图1D是本教导的流体混合设备的实施方式的剖视立体图的示意图，具有多个燃料入口和在燃料入口的下游的螺旋混合结构。
[0026]图1E是本教导的流体混合设备的实施方式的放大剖视图的示意图，具有围绕多个燃料入口的套环，其中，套环坐落在两个O形圈上。
[0027]图1F是本教导的流体混合设备的实施方式的放大剖视图的示意图，具有围绕限定燃料入口的多孔阻隔件的套环，其中，套环坐落在两个O形圈上。
[0028]图1G是本教导的流体混合设备的实施方式的喉部区的放大外形图的示意图，其中，测压孔和燃料入口定位成邻近喉部的出口的平坦面，但是在管的内壁上定位于由螺旋混合结构(虚线)形成的不同的单独膛线通道中。
[0029]图2A是本教导的流体混合设备的实施方式的剖视图的示意图，具有用于将可重整燃料引入管中的第二管，其中，第二管与管的喉部相交。
[0030]图2B是本教导的流体混合设备的实施方式的剖视图的示意图，具有用于将可重整燃料引入管中的第二管，其中，第二管在管的喉部的下游处与管相交。
[0031]图2C是本教导的流体混合设备的实施方式的剖视图的示意图，具有用于将可重整燃料引入管中的第二管，其中，第二管的喉部与管的喉部相交。
[0032]图2D是本教导的流体混合设备的实施方式的剖视图的示意图，具有用于将可重整燃料引入管中的第二管，其中，第二管的喉部在管的喉部的下游处与管相交。
[0033]图2E是本教导的流体混合设备的实施方式的剖视图的示意图，具有用于将可重整燃料引入管中的第二管，其中，第二管在管的喉部的下游处与管相交且第二管的出口位于管的内部。
[0034]图2F是本教导的流体混合设备的实施方式的剖视图的示意图，具有用于将可重整燃料引入管中的第二管，其中，第二管在管的喉部的下游处与管相交并具有封闭端，其中第二管的出口由沿着穿过管的纵向轴线的一系列孔限定。
[0035]图3是本教导的流体混合设备的管的内壁的实施方式的放大剖视图的示意图，具有与燃料入口关联的阶梯式结构。
[0036]图4是包含本教导的流体混合设备的示例性燃料电池系统的示意图，其中，可重整燃料可以是气态可重整燃料、液态可重整燃料和/或汽化的液态可重整燃料。
【具体实施方式】
[0037]现已发现，可重整燃料能与含氧气体和/或蒸汽高效地混合，以提供可输送至燃料电池单元的重整器和/或燃料电池堆的气态重整反应混合物。换言之，本教导提供了使诸如可重整燃料的流体与诸如空气的含氧气体混合的流体混合设备和方法。流体混合设备和方法可分别描述为文丘里(Venturi)形状的管或使用文丘里效应，且可包括螺旋混合结构、套环、燃料源管、重整催化剂和阶梯式结构中的一个或多个，其中，套环创建与管的多个燃料入口关联的流体注入室，燃料源管与可提供逆流热传递燃料注入通道的管同轴，重整催化剂在混合区中位于设备的内壁上，阶梯式结构位于管的内壁上，可打乱内壁的线性度并可创建局部的湍流。
[0038]出于简明，本文的讨论和描述将主要集中于部分氧化重整反应和反应物，包括催化的部分氧化重整反应和反应物(可重整燃料和含氧气体)。然而，本文所描述的设备、系统和方法可同等地应用于其它重整反应，诸如蒸汽重整和自热重整及它们各自的反应物(分别为可重整燃料和蒸汽，以及可重整燃料、蒸汽和含氧气体)。因此，在本文结合设备或方法参考含氧气体的情况下，除非另外明确地声明或通过上下文所理解，否则本教导应当被认为是组合地或单独地包括蒸汽，即含氧气体和/或蒸汽。此外，在本文结合设备或方法参考可重整燃料的情况下，除非另外明确地声明或者如通过上下文所理解，否则本教导应当被认为是组合地或单独地包括蒸汽，即可重整燃料和