无源再循环设备的制造方法
【专利说明】无源再循环设备
[0001]说明
本申请要求于2012年8月8日提交的美国临时申请第61/680，845号的优先权，其通过引用并入本文。
技术领域
[0002]本公开涉及一种再循环设备，用于无源地控制流体流动。在一些实施例中，本文所描述的再循环设备可以用来控制供应到燃料电池的再循环回路的燃料的数量。
【背景技术】
[0003]诸如阀门或者喷射器之类的各种设备用来控制液体和气体形式的流体流动。这种设备经常结合到机械组件中，以便控制组件内的流体的流动或出入组件的流体的流动。为了增加或减少这种流体流动，阀门或喷射器可以具有集成的电动、气动或机械控制部件。虽然常用这些有源控制机构，但是由于精确控制流体流动的困难或定部件尺寸以确保在宽条件范围内的有效操作的困难，所以基于流体压力的无源控制还是不常见的。
[0004]燃料电池是用于发电的设备。通过与氧或其它氧化剂的化学反应将来自燃料的化学能转换成电。该化学反应通常产生电、热量和水。在操作中，燃料电池通常需要控制燃料、氧化剂、或冷却流体的流动。
[0005]燃料电池可以包括阳极隔室中的阳极、阴极隔室中的阴极、和允许电荷在阳极和阴极之间移动的电解质。通过电负载电路将电子从阳极拉向阴极，从而产生电。为了改变电输出，阀门、喷射器、或其它流动设备可以被配置成控制流体向一个或多个隔室流动。
[0006]在一些示例中，燃料流(flow of fuel)被供应到阳极隔室，并且含氧气体(例如，空气)流被供应到阴极隔室。在一部分燃料在阳极隔室中进行电化学反应的同时，燃料可以连续地流经阳极隔室，如下面的等式表示。
[0007]2H2— 4H ++4e_
通过电负载电路将由阳极电化学反应所产生的电子从阳极拉向阴极，从而产生直流电。通过电解质将由反应所产生的带正电的离子从阳极拉向阴极。电解质可以被配置成在允许带正电的离子通过的同时，防止带负电的电子通过。
[0008]带正电的离子通过电解质后，该离子可以在阴极隔室中与已经通过电负载电路的电子组合。该组合可以形成从氧的还原中生成水的阴极电化学反应，如下面的等式表示。
[0009]02+4H++4e-— 2H 20
在阳极隔室中被氧化的燃料的量可以取决于电负载电路所需功率的量。因为一部分燃料从阳极隔室中排出，所以并非供应到阳极隔室的所有燃料均被氧化。
[0010]为了提高燃料电池的总效率，借助于循环回路，阳极隔室的出口能够流回到阳极隔室的入口。为了使燃料电池能够连续输出功率，必须将燃料引入到循环回路中以取代在阳极隔室中被氧化的燃料。燃料被引入到循环回路中的速率将取决于被施加到电气电路的负载；负载越大，需要的燃料更多。
[0011]被引入到循环回路中的燃料流可以由各种设备(包括阀门或喷射器)来控制。当燃料电池从最小功率输出上升到最大功率输出时，向再循环回路供应适量的燃料，并且反之亦然，可能需要多个不同尺寸的喷射器或能够节流流量的控制阀。多个具有不同尺寸喷嘴的喷射器、以及控制阀费用高昂并且会增加设备的复杂性。
[0012]一些现有技术的设备已经通过使用可变流量喷射器减少了对多个喷射器的需求，而其它的设备已经使用了控制阀与喷射器的组合。例如，美国专利第6，858，340号公开了一种燃料电池系统中使用的可变流量喷射器。喷射器内的两个隔膜控制相对于喷嘴的针运动来控制流经喷射器的流体。美国专利第7，536，864号和美国专利第6，779，360号使用致动器来控制喷嘴开口。以及美国专利申请第2010/0068579号公开了一种与喷射器联用的控制阀。
[0013]然而，因为这些控制阀和喷射器均需要一些形式的有源控制系统，所以它们无一使用无源控制来操作。例如，多种流体用来使多个隔膜变形，受管致动器操纵冲头(ram)，控制致动器定位针，或控制阀基于下游反馈来节流流量。本公开克服了现有技术的至少一些缺陷。
[0014]考虑到上述情况，本公开提供了一种再循环设备，该再循环设备可以集成到燃料电池系统中。再循环设备可以基于基于阳极隔室排气压力无源地控制阳极再循环流动。该设备可以向燃料电池供以燃料以允许在从最小功率输出到最大功率输出的条件范围内操作。
【发明内容】
[0015]本公开的一个方面涉及一种再循环设备，该再循环设备可以包括本体，该本体包括被配置成接收排气的至少一个第一通道、被配置成接收燃料的至少一个第二通道、被配置成接收排气和燃料的混合物的至少一个第三通道、和从第二通道延伸到第三通道的纵向轴线。该设备还可以包括喷嘴，该喷嘴包括内腔，用于将燃料朝向孔引导，该孔位于内腔的最小横截面积处；和活塞，该活塞可滑动地位于本体内，包括被配置成接收燃料的第一端和被配置成向喷嘴腔供以燃料的第二端，由此，活塞可以由排气沿着本体的纵向轴线致动，用于控制通过孔的燃料的流量。位于本体内的混合室可以被配置成接收排气并且被配置成从孔中接收燃料。
[0016]本公开的另一方面涉及一种再循环设备，该再循环设备包括本体，该本体包括被配置成接收排气的至少一个第一通道、被配置成接收燃料的包括阀座的至少一个第二通道、被配置成接收排气和燃料的混合物的至少一个第三通道、和从第二通道延伸到第三通道的纵向轴线。包括内腔的喷嘴可以将燃料朝向孔引导，该孔位于内腔的最小横截面积处，其中喷嘴可以固定地耦合到本体。再循环设备还可以包括活塞，该活塞可滑动地位于本体内，包括被配置成接收燃料的第一端和被配置成向喷嘴腔供以燃料的第二端，活塞表面可以被配置成接收排气，由此，活塞可以由排气沿着本体的纵向轴线致动，用于控制通过孔的燃料的流量。混合室可以位于本体内，被配置成接收排气并且被配置成从孔中接收燃料，并且包括锥形端的阀杆可以固定地耦合到活塞的第一端，由此，沿着纵向轴线致动的活塞控制阀杆的第一端和阀座之间的距离。
[0017]本公开的另一方面涉及一种再循环设备，该再循环设备包括本体，该本体包括被配置成接收排气的至少一个第一通道、被配置成接收燃料的至少一个第二通道、被配置成接收排气和燃料的混合物的至少一个第三通道、和从第二通道延伸到第三通道的纵向轴线。该设备还可以包括喷嘴，该喷嘴包括内腔，用于将燃料朝向孔引导，该孔位于内腔的最小横截面积处，由此，喷嘴可以固定地耦合到活塞的第二端。该设备还可以包括活塞，该活塞可滑动地位于本体内，包括中心腔，该中心腔被配置成接收穿过活塞中心腔整个长度的第一针段，活塞表面可以被配置成接收排气，由此，活塞可以由排气压力沿着本体的纵向轴线致动，控制通过孔的燃料的流量。混合室可以位于本体内，被配置成接收排气并且被配置成从孔中接收燃料。该设备还可以包括针，该针固定地耦合到本体，包括第一段，该第一段包括用于接收送入中心腔的燃料的通道，该中心腔连接至第二针段，由此，第一针段和第二针段固定地耦合。针还可以包括第二段，该第二段具有允许燃料从中心腔离开进入到喷嘴腔的出口通道；第二针段向着第二端逐渐变细，由此，锥形针段的表面平行于喷嘴的锥形内表面并且被配置成当喷嘴与活塞致动时，与喷嘴的内表面接合。
[0018]要理解的是，以上的一般描述和以下的详细描述仅是示例性和说明性的，而非对所要求保护的本公开的限制。
【附图说明】
[0019]并入并且构成本说明书的一部分的附图图示了本公开的若干个实施例，并与说明书一起用来解释本公开的原理。
[0020]图1是根据示例性实施例的燃料电池系统的示意图。
[0021]图2A是根据示例性实施例的包括喷射器的放大段的喷射器的剖视图。
[0022]图2B是根据不例性实施例的活塞和阀杆的等距不意图。
[0023]图3A是根据另一示例性实施例的喷射器的剖视图。
[0024]图3B是根据另一示例性实施例的喷射器的剖视图。
【具体实施方式】
[0025]现在，将详细参照本公开的示例性实施例，其中的示例在附图中示出。在任何可能的情况下，相同的附图标记将用来指相同或相似的部件。
[0026]图1是根据示例性实施例的燃料电池系统100的示意图。燃料电池系统100可以包括再循环设备110。例如，再循环设备110可以包括如下详细描述的无源再循环喷射器。除了再循环设备110夕卜，燃料电池系统100还可以包括燃料120和燃料电池120。燃料120可以包括氢、一氧化碳、甲醇、和稀释的轻质烃(如甲烷)。如上所解释，燃料电池130可以被配置成经由化学反应发电。
[0027]如图1所示，燃料电池120可以包括阳极隔室140、阳极150、电解质160、阴极隔室170、阴极180、和电负载电路190。电解质160可以包括聚合物膜和碱性水溶液。在一些实施例中，燃料电池120可以包括质子交换膜、磷酸、固体氧化物、或熔融碳酸盐。
[0028]混合燃料200的连续流可以被供应到阳极隔室140。氧气210流可以被供应到阴极隔室170。一旦混合燃料210进入阳极隔室140，混合燃料200的一部分可以就在阳极150处进行阳极电化学反应。
[0029]并非被供应到阳极隔室140的所有混合燃料200必须均在阳极电化学反应中消耗。流入阳极隔室140的混合燃料200的一部分可以通过阳极