燃料电池使用排出器时降低成本和寄生负载的系统和方法与流程

本公开涉及用于优化文丘里管或排出器的使用的系统和方法，以及在燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统中将文丘里管或排出器与再循环泵或鼓风机一起使用时，降低与之相关的成本和寄生负载的系统和方法。

背景技术：

1、车辆和/或动力总成利用燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统来满足其功率需求。根据燃料电池、电池堆或系统的工作条件，可以将燃料电池系统的最低过量燃料目标指定为燃料电池或燃料电池堆所需的最低水平的过量燃料目标。燃料电池或燃料电池堆的过量燃料水平可以高于最低过量燃料目标，但达到该更高水平可能导致燃料电池或燃料电池堆的寄生负载较高。例如，高于最低过量燃料目标的过量燃料水平可以通过在阳极保持高燃料流率来实现，这可能导致燃料电池、电池堆或系统出现压力损失。

2、鼓风机和/或泵(例如再循环泵)可以在与燃料电池或燃料电池堆的压力损失成比例的容量下工作。鼓风机和/或泵也可以在与通过鼓风机和/或泵的体积流率成比例的容量下工作。鼓风机和/或泵可以使用额外的功率来补偿压力损失。然而，鼓风机和/或泵使用额外的功率可能导致燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统的寄生负载较高。本公开涉及用于优化文丘里管或排出器的使用，以解决在包括燃料电池和/或燃料电池堆的燃料电池系统中使用再循环泵或鼓风机时的相关高成本和高寄生负载的系统和方法。

技术实现思路

0、概述

1、为满足这些以及其他需求，本文包括了本发明的实施例。在本公开的一个方面，本文描述了一种燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统。该燃料电池系统有一个排出器。排出器具有以第一压力(po)进入第一入口的第一燃料和以第二压力(ps)进入第二入口的第二燃料。第一燃料和第二燃料以排出器出口压力离开排出器出口。排出器具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(er)。燃料电池系统需要在工作电流密度和工作压力范围内的工作压力下工作。工作压力等于或高于临界电流密度，排出器具有有效效率(η)。

2、在一些实施例中，工作压力可以介于低压到高压之间。在一些实施例中，燃料电池系统在工作电流密度下的工作压力可以设置为低于排出器出口压力(pc)，以满足如下关系：(pc/po)κ＜ps/pc。在一些实施例中，κ＝(r_a/r_b)(η/er)，ra可以是第一燃料的气体常数，rb可以是第二燃料的气体常数。

3、在一些实施例中，燃料电池系统可以包含阳极气体再循环回路，并且排出器大小可以取决于通过阳极气体再循环回路的压力损失(δplift)。在一些实施例中，压力损失(δplift)可以随包括工作电流密度和工作压力在内的工作条件而变化。在一些实施例中，(pc/po)k＜1-δplift/pc。在一些实施例中，κ＝(r_a/r_b)(η/er)，ra可以是第一燃料的气体常数，rb可以是第二燃料的气体常数。

4、在一些实施例中，排出器可以具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(er)，而无需鼓风机的帮助。

5、在一些实施例中，第一压力(po)可以取决于第一入口处的第一燃料的温度。

6、在一些实施例中，排出器可以具有适当的大小，以在电流密度阈值或以上达到目标引射率。在一些实施例中，目标引射率可以基于最低过量燃料比或最低阳极气体入口湿度。

7、在一些实施例中，燃料电池系统还可以包含位于排出器上游或下游的鼓风机。

8、在一些实施例中，有效效率(η)可以随排出器的工作条件而变化。

9、在本公开的第二方面，一种操作燃料电池系统的方法包括以下步骤：让第一燃料以第一压力(po)流过排出器中的第一入口；让第二燃料以第二压力(ps)流过排出器中的第二入口；让第一燃料和第二燃料的混合物以排出器出口压力(pc)离开排出器出口；适当选择排出器的大小，以在临界电流密度下完全输送第二燃料；以及在工作电流密度和工作压力下操作燃料电池系统。工作压力等于或高于临界电流密度，排出器具有有效效率(η)。

10、在一些实施例中，工作压力可以介于低压到高压之间。在一些实施例中，燃料电池系统在工作电流密度下的工作压力可以设置为低于排出器出口压力(pc)，以满足如下关系：(pc/po)κ＜ps/pc。在一些实施例中，κ＝(r_a/r_b)(η/er)，ra可以是第一燃料的气体常数，rb可以是第二燃料的气体常数。

11、在一些实施例中，燃料电池系统可以包含阳极气体再循环回路，并且排出器大小可以取决于通过阳极气体再循环回路的压力损失(δplift)。在一些实施例中，压力损失(δplift)可以随包括工作电流密度和工作压力在内的工作条件而变化。在一些实施例中，(pc/po)κ＜1-δplift/pc。在一些实施例中，κ＝(r_a/r_b)(η/er)，ra可以是第一燃料的气体常数，rb可以是第二燃料的气体常数。

12、在一些实施例中，排出器可以具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(er)，而无需鼓风机的帮助。

13、在一些实施例中，排出器可以具有适当的大小，以达到目标引射率(er)。在一些实施例中，目标引射率可以取决于最低过量燃料比或最低阳极气体入口湿度。

14、在一些实施例中，该方法可以包括在第一燃料进入第一入口之前对其进行预处理的步骤。在一些实施例中，预处理可以包括将第一燃料加热或冷却至定径温度。在一些实施例中，定径温度可以取决于燃料电池系统的工作条件。

15、在一些实施例中，该方法可以包括操作位于排出器上游或下游的鼓风机的步骤。

技术特征：

1.一种燃料电池系统，包括：

2.权利要求1所述的系统，其中，工作压力范围介于低压到高压之间；其中，燃料电池系统在工作电流密度下的工作压力设置为低于排出器出口压力(pc)，以满足关系(pc/po)κ＜ps/pc；并且其中，κ＝(r_a/r_b)(η/er)，ra是第一燃料的气体常数，rb是第二燃料的气体常数。

3.权利要求1所述的系统，其中，燃料电池系统包括阳极气体再循环回路，并且排出器大小取决于通过阳极气体再循环回路的压力损失(δplift)；其中，压力损失(δplift)随包括工作电流密度和工作压力在内的工作条件而变化；其中，(pc/po)κ＜1-δpltft/pc；并且其中，κ＝(r_a/r_b)(η/er)，ra是第一燃料的气体常数，rb是第二燃料的气体常数。

4.权利要求1所述的系统，其中，排出器具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(er)，而无需鼓风机的帮助。

5.权利要求1所述的系统，其中，第一压力(po)取决于第一入口处的第一燃料的温度。

6.权利要求4所述的系统，其中，排出器的大小基于第一入口处的第一燃料的定径温度。

7.权利要求6所述的系统，其中，在第一燃料进入第一入口之前对其进行预处理；其中，预处理包括将第一燃料的温度加热或冷却至定径温度；并且其中，定径温度可以随该系统的工作条件而变化。

8.权利要求7所述的系统，其中，加热或冷却第一燃料包括与燃料电池系统的其他组成部分，例如冷却剂或压缩机空气流，进行热交换。

9.权利要求7所述的系统，其中，加热或冷却第一燃料包括一个或多个圆管或管道将第一燃料引导至燃料电池系统的其他组成部分附近。

10.权利要求1所述的系统，其中，排出器具有适当的大小，以在电流密度阈值或以上达到目标引射率；并且其中，目标引射率基于最低过量燃料比或最低阳极气体入口湿度。

11.权利要求1所述的系统，其中，燃料电池系统还包括位于排出器上游或下游的鼓风机。

12.权利要求1所述的系统，其中，有效效率(η)随排出器的工作条件而变化。

13.一种操作燃料电池系统的方法，包括：

14.权利要求13所述的方法，其中，工作压力包含在从低压到高压的工作压力范围内；其中，该系统在工作电流密度下的工作压力设置为低于排出器出口压力(pc)，以满足关系(pc/po)κ＜ps/pc；并且其中，κ＝(r_a/r_b)(η/er)，ra是第一燃料的气体常数，rb是第二燃料的气体常数。

15.权利要求13所述的方法，其中，燃料电池系统包括

16.根据权利要求13所述的方法，其中，排出器具有适当的大小，能够以临界电流密度完全输送第二燃料，以实现所需的引射率(er)，而无需鼓风机的帮助。

17.权利要求13所述的方法，其中，排出器具有适当的大小，以达到目标引射率(er)；并且其中，目标引射率取决于最低过量燃料比或最低阳极气体入口湿度。

18.权利要求13所述的方法，其中，该方法包括在第一燃料进入第一入口之前对其进行预处理；其中，预处理包括将第一燃料加热或冷却至定径温度；并且其中，定径温度取决于燃料电池系统的工作条件。

19.权利要求18所述的方法，其中，加热或冷却第一燃料包括与燃料电池系统的其他组成部分进行热交换。

20.权利要求13所述的方法，其中，该方法还包括操作位于排出器上游或下游的鼓风机。

技术总结
本公开广泛涉及用于优化文丘里管或排出器的使用，以及在燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统中将文丘里管或排出器与再循环泵或鼓风机一起使用时，降低与之相关的成本和寄生负载的系统和方法。

技术研发人员：R·J·安西默,E·蒂尼,P·福特
受保护的技术使用者：康明斯有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25