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CN105517701B - 用于混合可重整燃料和含氧气体和/或蒸汽的装置和方法 - Google Patents

用于混合可重整燃料和含氧气体和/或蒸汽的装置和方法 Download PDF

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CN105517701B
CN105517701B CN201480047580.8A CN201480047580A CN105517701B CN 105517701 B CN105517701 B CN 105517701B CN 201480047580 A CN201480047580 A CN 201480047580A CN 105517701 B CN105517701 B CN 105517701B
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Abstract

本教导提供这样的装置和方法，其用于混合可重整燃料和/或蒸汽与含氧气体和/或蒸汽，以提供适于利用燃料电池单元和/或燃料电池系统的重整器和/或燃料电池堆进行重整的气态重整反应混合物。具体地，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，设备包括具有定位于入口和出口之间的喉部的管。管在喉部的下游包括一个或多个燃料入口。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。

Description

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
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
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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/或蒸汽。
在本申请通篇中，在组成物描述成具有、包括或包含特定成分的情况下，或者在过程描述为具有、包括或包含特定处理步骤的情况下，可预期的是，本教导的组成物还实质上由所列举的成分组成或者由所列举的成分组成，以及本教导的过程还实质上由所列举的处理步骤组成或者由所列举的处理步骤组成。
在本申请中，在元件或部件叙述成包括在一列列举的元件或部件中，和/或选自一列列举的元件或部件的情况下，应理解的是，元件或部件可以是所列举的元件或部件中的任何一个，或者元件或部件可选自由所列举的元件或部件中的两个或更多个组成的组。另外，应理解的是，无论本文是明确的还是隐含的，在不背离本教导的精神和范围的情况下，本文描述的组成物的元素和/或特征、装置或方法可以以多种方式进行组合。例如，在对特定的结构进行参考的情况下，除非通过上下文另外地理解，否则该结构可用于本教导的装置的各种实施方式中，和/或用于本教导的方法中。
应理解的是，除非通过上下文和应用另外地理解，否则表述“......中的至少一个”分别包括在该表述之后列举的物体中的每个，以及所列举的物体中的两个或更多个的各种组合。
除非另外特别声明或通过上下文所理解，否则术语“包括(include)”、“包括(includes)”、“包括(including)”、“具有(have)”、“具有(has)”、“具有(having)”、“包含(contain)”、“包含(contains)”、或“包含(containing)”的使用，包括其在语法上等同的术语的使用，通常应当理解成开放式的和非限制性的，例如，不排除额外的未列举的元件或步骤。
在本文中，除非另外特别声明，否则在本文中例如“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”的单数的使用包括复数(反之复数的使用包括单数)。
当在数量值之前使用术语“约”的情况下，除非另外特别声明，否则本教导还包括特定数量值本身。如本文所使用，除非另外指出或推论，否则术语“约”表示在标称值上下±10％的波动。
应理解的是，只要本教导保持可操作，步骤的顺序或用于执行某些动作的顺序是无关紧要的。另外，可同时执行两个或更多个步骤或动作。
在本说明书的各处，值以组或范围进行公开。具体意图在于，说明书包括这些组和范围的组成元素中的每个和各个单独子组合，以及这些组或范围的各端点的任何组合。例如，介于0到40的范围内的整数具体旨在单独地公开0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39和40，以及介于0到20的范围内的整数具体旨在单独地公开1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20。
除非要求保护，否则在本文中任意和所有示例、或者例如“诸如”、“包括”或“例如”的示例性言词的使用仅旨在更好地说明本教导，而不对本发明的范围进行限制。在说明书中，没有言词应解释成指示：任何非保护元件对于本教导的实施来说是必要的。
指示空间方位或高度的术语和表述，诸如“上面”、“下面”、“顶部”、“底部”、“水平”、“竖直”等，除非其在上下文的使用另外地指示，否则在本文中将理解成没有结构性、功能性或操作性的含义，且仅理解成反映可在某些附图中示出的、本教导的装置、设备、部件和/或特征的各视图的随意选择的方位。
如本文所使用，“液态可重整燃料”指的是并包括含碳和氢的可重整燃料，这些燃料在标准温度和压力(STP)条件下为液体，例如，甲醇、乙醇、石油、蒸馏水、汽油、煤油、喷气燃料、柴油、生物柴油等，这些燃料在进行重整时经历转换成为富氢的重整油。无论“液态可重整燃料”是处于液态还是处于气态(即蒸汽)，表述“液态可重整燃料”都应当进一步理解成包括这些燃料。
如本文所使用，“气态可重整燃料”指的是并包括含碳和氢的可重整燃料，这些燃料在STP条件下可以是气体，例如，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、异丁烯、二甲醚、它们的混合物，诸如天然气和液化天然气(LNG)(主要为甲烷)、以及石油气和液化石油气(LPG)(主要为丙烷或丁烷，但是包括主要由丙烷和丁烷组成的所有混合物)等，这些燃料在进行重整时经历转换成为富氢的重整油。气态可重整燃料还包括与其它气态可重整燃料类似可存储为液体的氨。
如本文所使用，“可重整燃料”指的是液态可重整燃料和/或气态可重整燃料。
如本文所使用，“气态重整反应混合物”指的是：包括气液态可重整燃料(例如，汽化的液态可重整燃料)、气态可重整燃料、或其组合、以及含氧气体(例如空气和/或例如蒸汽形式的水)的混合物。气态重整反应混合物可进行重整反应以创建还可包含一氧化碳的富氢产物(“重整油”)。在要进行催化部分氧化(“CPOX”)重整反应时，气态重整反应混合物可称为包括可重整燃料和含氧气体的“气态CPOX反应混合物”。在要进行蒸汽重整反应的情况下，气态重整反应混合物可称为包括可重整燃料和蒸汽的“气态蒸汽重整反应混合物”。在要进行自热(“AT”)重整反应的情况下，气态重整反应混合物可称为包括可重整燃料、含氧气体和蒸汽的“气态AT重整反应混合物”。
如本文所使用，“燃料电池堆”指的是燃料电池单元或燃料电池系统的、其中发生电化学反应以将氢或电化学氧化的物质转换成电的部件。燃料电池堆包括通常形成于层中的阳极、阴极和电解液。在操作时，例如从重整器和/或本教导的流体混合设备进入燃料电池堆的重整油的氢和任何其它电化学氧化的组分在燃料电池堆的阳极层内与氧阴离子结合，以生成水和/或二氧化碳和电子。在阳极层内生成的电子通过外部负荷进行迁移并返回至阴极层，在阴极层中，氧与电子结合以提供选择性地经过电解液层和阳极层的氧阴离子。
如本文所使用，“与......可操作地流体连通”指的是：当部件和/或结构处于操作或活动的状态或位置时，各部件和/或结构之间或之中的流体连通；然而，当部件和/或结构处于不操作或不活动的状态或位置时，流体连通可以中断。可操作的流体连通可由布置于部件和/或结构之间或之中的阀组件进行控制。例如，如果A经由阀组件与B可操作地流体连通，则随后当阀组件“打开”时，流体可从A流动或输送至B，从而允许A和B之间的流体连通。然而，当阀组件“关闭”时，A和B之间的流体连通可中断或停止。换言之，阀组件可操作以在A和B之间提供流体连通。应理解的是，流体连通可包括各种程度和比率的流体流动和相关特性。例如，完全打开的阀组件可在部件和/或结构之间或之中提供流体连通，如同阀组件在其部分关闭时所能提供的流体连通那样；然而，诸如流速的流体流动特性可能受到阀组件的不同位置的影响。如本文所使用，除非上下文另外指出，否则“与......可操作地流体连通”和“与......流体连通”可交换地使用。
如本文所使用，流体的“控制流动”、“控制输送”、“调节流动”和“调节输送”，包括语法上的等同物和等同表述和言词，可以是：增加流体的流动或输送、减小流体的流动或输送、保持流体的大致恒定的流动或输送、和/或中断或停止流体的流动或输送。
类似地，“控制压力”和“调节压力”，包括语法上的等同物和等同表述和言词，可以是：增加压力、减小压力、保持大致恒定的压力、和/或中断或停止压力。应理解的是，在诸多情况下，“控制流动”和“调节流动”可以是“控制压力”和“调节压力”，反之“控制压力”和“调节压力”可以是“控制流动”和“调节流动”。此外，“控制”、“调节”和“操纵”输送系统的组件、燃料电池单元或燃料电池系统(包括语法上的等同物和等同表述和言词，例如阀组件或正气态压力的源)，可影响与上述相同的变化和/或稳态操作。
如本文所使用，“阀组件”指的是如下的结构，该结构一起可监视和/或控制部件和/或结构之间或之中的流体连通和流体流动特性，例如将丙烷从丙烷的源输送至重整器。阀组件可以是单个阀，或者包括多个阀和相关结构，其中某些结构可串联。阀组件可以是或可包括压力计量组件。例如，阀组件可以是或可包括计量阀，从而允许对流体的流动和输送进行数字控制。阀组件可以是或可包括呈短笛状配置的阀，例如每个都与比例阀关联的一系列孔口。阀组件可包括诸如比例电磁阀的比例阀；或者诸如一系列比例电磁阀的一系列比例阀。阀组件可包括诸如电磁阀的开/关阀；或者例如一系列开/关电磁阀的一系列开/关阀。阀组件可包括三通阀、一系列三通阀、单向阀、一系列单向阀、孔口、一系列孔口、及其组合、以及本文所描述的其它阀和阀组件的组合，其中某些阀和阀组件可以串联。在结构或部件指示为串联的情况下，部件可以平行地串联或顺序地串联(例如，共线)。
如本文所使用，“传感器组件”指的是任何合适的传感器或感测设备或者传感器或感测设备的组合，以监视、测量和/或确定操作参数。例如，可利用任何合适的流量计监视燃料的流速、可利用任何合适的压力感测或压力调节设备监视压力、以及可利用任何合适的温度传感器监视温度。因此，传感器设备的示例包括流量计、压力计、热电偶、热敏电阻和电阻式温度检测器。传感器组件可以是流体流动压差传感器或仪器，或者仅仅是压差测量组件。压差测量组件通常包括两个测压孔。压差测量组件可包括诸如孔口或比例阀(组件)的阀组件或者与该阀组件相关联，以便测量在进入阀或阀组件之前流体的压力和在流体排出阀或阀组件之后的压力并确定差异。传感器或感测设备可包括天平、诸如弹簧秤的计重秤，或者用于测量、确定和/或监视物体的重量的其它设备。传感器组件可选择性地包括与控制器通信的变换器。
如本文所使用，“正气态压力的源”或“正气体压力的源”指的是可产生正气态压力或正气体压力或者使气体运动的设备或装置。正气体压力的源可以是正容积式鼓风机、泵或压缩机，或者动态鼓风机、泵或压缩机。正气态压力或正气体压力的源的示例包括风扇、多个或一系列风扇、诸如旋转叶片泵的旋转泵、多个或一系列旋转泵、例如离心式鼓风机的鼓风机、例如多个或一系列离心式鼓风机的多个或一系列鼓风机、空气泵、诸如空气或惰性气体的箱的压缩气体容器、及其组合。“正气态压力”或“正气体压力”可通过正气体压力的这些源和本领域技术人员公知的其它源中的任何源来实现。“含氧气体的源”可以是正气体压力的源，和/或可通过正气体压力的源进行输送，例如来自燃料电池单元和/或系统的一个或多个部件的流体流。
包括本教导的流体混合设备的燃料电池系统可包括多种管道。流体混合设备及其外围部件可包括多个管道、可重整燃料的源、含氧气体的源、燃料电池系统及其部件，其中，多个管道例如是布置成在流体混合设备的部件之间或之中提供可操作的流体连通的两个或更多个管道。例如，多个管道可将流体混合设备联接至燃料电池单元和/或系统的部件，以及使燃料电池系统的部件自身联接。换言之，包括外围部件和设备的、本教导的流体混合设备的组件和方法可包括连接或接合部件的管道，所述部件例如是液态可重整燃料的源、气态可重整燃料的源、正气体压力的源、重整器、汽化器、含氧气体的源、阀组件、传感器组件和诸如液体泵的相关装备。这些部件和其他部件中的每个可包括入口、出口和端口中的一个或多个以允许流体连通，例如将建立在部件之间或之中的可操作的流体连通。还应理解的是，管道可包括例如与管道关联的其它部件和设备，例如阀组件、泵、正气态压力的源和传感器组件。
根据例如特定应用、可重整燃料和总输送系统和/或燃料电池系统的占用空间大小的诸多因素，管道或管道系统可具有诸多特定设计、配置、布局和连接。因此，本文描述和/或示出的管道系统仅出于说明的目的，且不旨在以任何方式限制本教导。此外，在两个或更多个管道可描述为连接至、联接至或以其它方式接合部件(例如阀组件和气态可重整燃料的源)的情况下，还可预期的是，单个管道实现相同的设计和/或目的，其中，诸如阀组件的部件可描述为与单个管道“共线”、位于单个管道“内部”或者与单个管道“关联”。另外，“联接至”、“连接至”或以其它方式接合两个或更多个部件或结构可意指：一个部件或结构直接或间接地联接、连接或接合至另一部件或结构。
管道可以是导管，例如用于运输流体的通道、管或通路。例如，正气态压力管道的源可用于将例如空气的气体运输或输送至流体混合设备的入口，和/或用于将可重整燃料输送至流体混合设备的燃料入口。管道可以是歧管，例如具有用于收集或分配流体的多个出口或入口的腔室、管子或导管。如本文所使用，“公共管道”主要指的是用于将流体输送至特定位置和/或从特定位置输送流体的多端口管道。
燃料电池单元和/或燃料电池系统可包括用于使与流体混合设备和/或燃料电池关联的单元和/或系统的操作自动化的控制系统。控制系统可包括与控制器通信的多个传感器。响应于来自传感器的输入信号、来自用户输入设备的用户命令和/或编制的子程序和命令序列，控制器可管理流体混合设备的操作，例如至流体混合设备和/或燃料电池系统的含氧气体和可重整燃料的流动特性。
本教导的流体混合设备、燃料电池单元和燃料电池系统可包括控制系统，用于例如在其启动模式、稳态模式和/或停止模式下，单独地使设备、各个燃料电池单元、其部件、和/或包括部件的燃料电池系统的操作自动化。控制系统可包括控制元件，例如，控制电子器件、致动器、阀组件、传感器组件、以及用于单独地监视、控制和/或调节流体混合设备的操作的其它结构和设备，例如至流体混合设备的含氧气体和可重整燃料的流动特性、流体混合设备的诸如阀组件的各个部件、正气体压力的源、气态可重整燃料的源、液态可重整燃料的源、加热器、各个燃料电池单元、其一个或多个组件和/或燃料电池系统。
控制系统可包括能与各种控制部件和流体混合设备和/或每个燃料电池单元的部件进行通信的控制器。控制系统和/或控制器可监视并逻辑地控制通过流体混合设备、通过各个燃料电池单元和通过燃料电池系统的流体的流动路径。换言之，在燃料电池单元中和/或在使用控制系统的燃料电池系统中，常用的流体回路可通过流体混合设备来实现。
控制系统可包括与控制器通信的一个或多个传感器或传感器组件。响应于来自传感器的输入信号、来自用户输入设备的用户命令和/或编制的子程序和命令序列，控制器可独立地管理流体混合设备和/或一个或多个燃料电池单元的操作。控制器可以是在处理器上进行操作的软件。然而，应用被实施成具有一个或多个数字电路或模拟电路或其组合的控制器，处于本教导的范围内。响应于来自传感器的输入信号、来自用户输入设备的用户命令和/或编制的子程序和命令序列，控制器可管理流体混合设备和/或一个或多个燃料电池单元和/或燃料电池系统的操作。
传感器组件可以但不一定包括与控制器通信的变换器。通信路径通常将是有线电信号，但是也可应用任何其它合适形式的通信路径。换言之，本文的传感器组件、控制信号接收设备和通信路径可以是任何适当的构造，诸如本领域公知的构造。
在一方面，本教导提供一种流体混合设备，用于混合可重整燃料和诸如空气的含氧气体，以便输送至燃料电池系统的重整器。流体混合设备通常包括管，该管具有入口、出口和定位于入口和出口之间的喉部。喉部所具有的内径小于出口的内径。喉部所具有的内径可小于管的入口的内径。管的从入口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可包括螺旋混合结构。螺旋混合结构可以是或者可包括以下至少之一：位于管的壁中的凹槽或凹陷部；以及从管的壁突出的鳍状部或其它结构，例如，挤压出的三角形叶片。螺旋混合结构可创建或限定一个或多个膛线通道。在存在多个膛线通道的情况下，膛线通道可以是单独膛线通道，例如，使得在不经过或跨过螺旋混合结构的情况下，每个单独膛线通道中的内壁将不会对另一单独膛线通道开放。管在喉部的下游处还包括一个或多个(可重整的)燃料入口。
喉部可由管的狭窄或收缩部分限定，或者可以是管的狭窄或收缩部分。喉部所具有的内径可小于管的入口的内径。喉部所具有的内径通常小于管的出口的内径。喉部可具有沿着穿过管的纵向轴线的长度，其中，该长度可取决于多种参数，诸如喉部的内径、入口的内径、管的内径从入口到喉部减小的角度(或锥度)和长度、管的出口的内径、以及管的内径从喉部到出口增加的角度(或加宽程度)和长度。喉部所具有的长度可以由垂直于穿过管的纵向轴线的平面限定。换言之，壁的内径可从入口朝向喉部减小，并且壁的内径可从喉部朝向出口增加，其中，内径的增加在内径朝向喉部的减小停止之后开始。
在喉部的上游处，即从管的入口到喉部，管的内径可以是大于喉部的内径的直径。对于管长度的任意部分，管的入口到喉部的内径可以是恒定的或者大致恒定的。管的从入口到喉部的那一部分的内径可逐渐减小或者在下游方向上内径减小至喉部。内径的减小可以是线性减小、指数减小、或者线性减小和指数减小中的一者或两者的组合(包括恒定直径部分)。例如，从入口起管的内径可在长度上大致恒定、在长度上呈指数减小、在长度上相对于穿过管的纵向轴线以第一角度线性减小、以及在长度上以第二角度线性减小至喉部。同样地，但是以相反的含义讲，如同在喉部的上游处管的内径可逐渐减小或减小那样，在喉部的下游处管的内径可具有较大的直径且沿着纵向轴线加宽。
在各实施方式中，在入口和喉部之间，管的内壁的至少一部分包括螺旋混合结构。在入口和喉部之间螺旋混合结构的旋转方向可与在喉部和出口之间螺旋混合结构的旋转方向相同。在入口和喉部之间螺旋混合结构的旋转方向可与在喉部和出口之间螺旋混合结构的旋转方向相反。在某些实施方式中，螺旋混合结构可沿着穿过喉部的整个长度位于管的内壁上。例如，螺旋结构可从入口延续至出口，使得由螺旋混合结构创建的通道连续并传送通过喉部。在特定的实施方式中，可存在螺旋结构，并且位于喉部的内壁上以及位于喉部的上游和下游(但不是从管的入口到出口沿着内壁的整个长度)。
此外，螺旋结构的扭曲程度可在其整个长度上恒定或者可变化。例如，螺旋混合结构的每个扭曲之间的距离可沿着管的下游方向增加和/或减少，以及其组合。在某些实施方式中，在管的接近流体混合设备的入口的内壁上可存在直通道，该直通道可开始形成螺旋混合结构。这些实施方式和包括螺旋混合结构的其它实施方式中的螺旋混合结构可具有朝向喉部增加的扭曲(即，连续螺旋扭曲之间的距离更短)。如果螺旋混合结构存在，则增加的扭曲可延续穿过喉部并到达喉部下游，例如到达管的出口。
在各实施方式中，管的内壁可包括多个凹坑，诸如高尔夫场上的凹坑。这种设计例如可通过影响和降低或破坏沿着内壁的边界层而降低与设备关联的压降。这种凹坑可不同于如本文所描述的阶梯式结构，这是因为阶梯式结构可创建局部的流体混合，例如，流动流体的局部涡流或漩涡。
在一些实施方式中，一个或多个燃料入口包括围绕管的圆周的一系列孔，其中，这一系列孔在管的内部和管的外部之间提供流体连通。这一系列孔可垂直于或大致垂直于管的纵向轴线。这一系列孔可以呈围绕管的圆周的螺旋图案，其中，螺旋图案所具有的旋转方向与喉部和出口之间的螺旋混合结构的旋转方向相同或相反。燃料入口或这一系列孔可以呈部分地或完全地环绕管的多种图案。例如，两个系列或更多系列的孔可围绕管的圆周或围绕管的半个圆周彼此邻近。
在各实施方式中，尤其是在设备的设计中存在套环和/或燃料源管的情况下，多孔阻隔件可限定燃料入口。换言之，多孔阻隔件可形成管的壁的、例如位于喉部的出口处的那一部分，和/或形成管的在喉部的下游处的那一部分，其中，燃料入口通常定位于喉部的下游处。多孔阻隔件可以是扩散膜。多孔阻隔件可以是多孔膜、多孔聚合物和/或多孔陶瓷，或者是可创建用于可重整燃料和/或蒸汽的扩散膜并在流体混合设备经历的操作条件下保持稳定的其它多孔材料。如果多孔阻隔件定位于液密区(除多孔阻隔件之外)，例如沿着燃料注入室或燃料注入通道的面或表面或者作为燃料注入室或燃料注入通道的面或表面，则可重整燃料可扩散通过或以其它方式通过多孔阻隔件而进入管的内部。因为燃料注入室和通道可液密，以便通过燃料入口(此处为多孔阻隔件)进行可重整燃料的加压输送，并且在燃料入口的位置处与燃料注入室和通道相对的压力可相对低，所以可重整燃料电池侧上的较高压力可使可重整燃料运动通过多孔阻隔件而进入通过管进行运动的、高速度的含氧气流中。这样的设计和操作可有利于液态可重整燃料，其中，从设备传递的热可在进入管之前加热液态可重整燃料。
多孔阻隔件的使用可允许用于压差测量的测压孔定位在管的喉部上，而不会使喉部中的压力测量中断或使该中断最小化，这是因为可重整燃料从多孔阻隔件扩散至含氧气体的流中而非“喷射”到气流中，如同通过作为孔的燃料入口那样。虽然多孔阻隔件可定位成沿着由燃料注入室限定的、管的整个表面或壁或者大体上整个表面或壁(或者燃料注入通道的部分表面或壁)，但是多孔阻隔件可以是管的更狭窄的带或部分(在纵向轴线的方向上)。尽管使可重整燃料扩散或运动至含氧气体的气流中的地方具有较小的表面积，但是与将用于较大表面积的多孔阻隔件相比，该多孔阻隔件可具有更高的多孔性，从而允许相同量或体积的可重整燃料扩散或运动至含氧气体的气流中，同时使背压问题最小化。
在特定实施方式中，流体混合设备包括第二管，其中，第二管包括入口和出口，且第二管的出口经由燃料入口与管的内部流体连通。第二管可包括定位于第二管的入口和出口之间的喉部，其中，第二管的喉部所具有的直径小于第二管的出口和入口的直径。例如，管和第二管可以是文丘里形状的管，且可具有相应的测压孔以用于测量流经测压孔的流体的流速。在某些实施方式中，第二管可包括喉部，其中，第二管的喉部所具有的直径小于第二管的入口的直径，且第二管的出口包括第二管的喉部，即第二管的喉部与管相交。
在各实施方式中，包括在管的内壁上或内壁中没有螺旋混合结构的那些实施方式，流体混合设备包括在管的外表面上围绕一个或多个燃料入口的套环，该套环与管创建与一个或多个燃料入口流体连通，例如可操作地流体连通的燃料注入室。套环可包括燃料源入口。套环可将一个或多个燃料入口与管外部的周围环境隔开。燃料入口可以是多孔阻隔件。
在一些实施方式中，流体混合设备包括燃料源管，燃料源管至少在流体入口的上游处与管的外表面同轴并朝向出口延续。燃料源管可在从一个或多个燃料入口的上游的位置处，连接至管或者可与管集成。燃料源管可连接至套环或者可与套环集成，如本文所描述。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，其中，燃料注入通道经由燃料入口与管的内部流体连通。燃料入口可以是多孔阻隔件。燃料注入通道可包括入口。燃料注入通道的入口可与可重整燃料的源流体连通，例如可操作地流体连通。
在各实施方式中，用于混合可重整燃料和含氧气体的流体混合设备通常包括管，其中，管具有入口、出口和定位于入口和出口之间的喉部，其中，喉部所具有的内径可小于出口的内径，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；流体混合设备还包括套环，其中，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。
在一些实施方式中，流体混合设备通常包括管，其中，管具有入口、出口和定位于入口和出口之间的喉部，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；流体混合设备还包括燃料源管，其中，燃料源管至少在流体入口的上游处与管的外表面同轴并朝向出口延续，其中，燃料源管可在从一个或多个燃料入口的上游的位置处连接至管或者可与管集成，且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，其中，燃料注入通道经由燃料入口与管的内部流体连通，并与对应于燃料注入通道的管的内部热连通。入口的内径可大于喉部的内径。
在流体混合设备的各实施方式中，在喉部的下游方向上管的内径通常线性地或大致线性地增加。在喉部的下游方向上，管的内径可以以如沿着穿过管的纵向轴线测量的约12°、约10°、约8°、约6°或更小的角度，线性地或大致线性地增加。在流体混合设备的一些实施方式中，在下游方向上管的内径通常可从入口到喉部线性地或大致线性地减小。喉部以及管的非喉部部分的一部分或部可具有恒定的内径。管的非喉部部分可包括恒定内径的组合以及内径的增加或减小。
在一些实施方式中，管的、在喉部的下游的那一部分可由陶瓷制成。实际上，流体混合设备的整个管可由陶瓷制成。然而，在特定实施方式中，在管的、从出口或接近出口的地方朝向喉部的至少一部分是陶瓷的情况下，陶瓷管部分的内壁的至少一部分可涂覆和/或植入重整催化剂。在这种实施方式中，重整反应可在进入重整器和/或燃料电池堆之前，在流体混合设备中初始化。因此，由流体混合设备中的重整反应生成的热可以是用于加热和/或汽化可重整燃料的热源，可重整燃料诸如液态可重整燃料和/或水(蒸汽)，例如通过燃料注入通道进入设备的液态可重整燃料和/或水(蒸汽)。在特定实施方式中，从出口到喉部，管的内壁的长度的约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％或更多可包括重整催化剂。
在流体混合设备的某些实施方式中，管的内壁包括阶梯式结构，其中，阶梯式结构是从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，且阶梯式结构包括一个或多个燃料入口。阶梯式结构的形状通常使得流体沿着管的内壁的流动中断，且阶梯式结构可包括边缘。例如，阶梯式结构的上游端可包括垂直于或大致垂直于管的纵向轴线的凹陷部或凹槽。当沿着管的内壁的线性轴线考虑时，阶梯式结构的纵向横截面形状可以是三角形或大体呈三角形。当沿着管的内壁的线性轴线考虑时，阶梯式结构的纵向横截面形状可以为倒圆形。阶梯式结构可以是尖锐的或尖角式拐角或边和倒圆拐角或圆形拐角的组合。
本教导的流体混合设备可包括传感器组件，例如一个或多个传感器组件诸如第一测压孔和第二测压孔，和/或压差测量组件例如与两个测压孔关联的压差测量组件。这种压差测量组件可包括管或诸如孔口或比例阀(组件)的阀组件或者与该管或阀组件关联，使得可测量流体在进入管的喉部或阀组件之前的压力，并且可测量在喉部中的流体压力或流体在排出喉部或阀组件之后的压力并确定差异。流体流的压力的知识可允许计算流体的流速。传感器组件可定位成：位于一个或多个燃料入口的上游；位于管和/或第二管的喉部的上游；与管和/或第二管的喉部关联，诸如位于管和/或第二管的喉部上；位于管和/或第二管的喉部的下游；位于一个或多个燃料入口的下游；以及其组合。第一测压孔和第二测压孔中的每个可定位于一个或多个燃料入口的上游。测压孔或压差测量组件可定位于或布置在管的最大有效内径处，或者管的最小有效直径处，诸如喉部中。
本教导的另一方面提供一种燃料电池系统，通常包括本教导的流体混合设备；以及重整器和/或燃料电池堆，其中，重整器和/或燃料电池堆可与管的出口流体连通，例如可操作地流体连通。重整器可与燃料电池堆流体连通，例如可操作地流体连通。燃料电池系统可包括与本教导的流体混合设备和/或重整器流体连通，例如可操作地流体连通的汽化器。燃料电池系统可包括后燃室，其中，后燃室与燃料电池堆流体连通，例如可操作地流体连通。燃料电池系统可包括与管的入口流体连通，例如可操作地流体连通的含氧气体的源。燃料电池系统可包括与一个或多个燃料入口流体连通，例如可操作地流体连通的可重整燃料的源。燃料电池系统可包括正气态压力的源，以将例如气态可重整燃料、汽化的液态可重整燃料和/或液态可重整燃料的可重整燃料输送至一个或多个燃料入口。燃料电池系统可包括液体泵，用于将液态可重整燃料输送至汽化器和/或一个或多个燃料入口。
本教导的流体混合设备可由热传导材料制成。同样地，传递至流体混合设备的热和/或从流体混合设备传递的热可辅助燃料电池系统的热管理。例如，流体混合设备可定位于燃料电池堆和/或后燃室排气件中，以辅助可重整燃料的汽化和/或加热。此外，在流体混合设备在其下游部分中包括重整催化剂的情况下，通过重整反应生成的热可辅助可重整燃料的汽化和/或加热，尤其是在设计包括燃料源管和燃料注入通道的情况下。流体混合设备可形成于或置于包围燃料电池单元(例如，重整器、燃料电池堆和后燃室、以及选择性地，汽化器)的腔室中，其中，在腔室中传递并通过腔室中的部件的对流热可便于燃料电池单元及其部件的热管理。这种设计可创建集成封装，以用于高效的液态可重整燃料重整。
在另一方面，本教导提供操作本教导的流体混合设备的方法。这种方法通常包括：将含氧气体和/或蒸汽输送至本教导的流体混合设备的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和/或蒸汽，从而混合含氧气体和/或蒸汽与可重整燃料和/或蒸汽。可重整燃料可以是液态可重整燃料、汽化的液态可重整燃料、气态可重整燃料及其组合。
在各实施方式中，本教导的方法包括：输送含氧气体和/或蒸汽与来自管的出口的可重整燃料和/或蒸汽的混合物。该方法可包括将含氧气体和/或蒸汽与可重整燃料和/或蒸汽的混合物，诸如气态重整反应混合物输送至重整器和/或燃料电池堆。含氧气体可包括空气和来自燃料电池堆的阳极排出流中的至少一个。
在一些实施方式中，独立于本文列举的某些特定结构，本教导的方法包括：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进行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。
在某些实施方式中，含氧气体和/或蒸汽可在经过喉部之前，即在喉部的上游处经历膛线运动或扭曲运动。在特定实施方式中，含氧气体和/或蒸汽在喉部的上游处、在通过喉部时以及在喉部的下游处经历膛线运动或扭曲运动。例如，当流体经过包括螺旋混合结构的管时，可实现流体或流体的蒸汽的膛线运动或扭曲运动。
在本教导的方法的各实施方式中，将可重整燃料和/或蒸汽引入含氧气体的流中可包括：通过围绕管的圆周的多个或一系列燃料入口引入可重整燃料和/或蒸汽。在由多孔阻隔件限定燃料入口的情况下，本教导的方法可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的流中。
将可重整燃料和/或蒸汽引入含氧气体和/或蒸汽的流中可包括：在不影响沿着管的压差测量或使得对该压差测量的影响最小化的情况下，在含氧气体和/或蒸汽的流的最高速度点处或在接近该最高速度点处，引入可重整燃料和/或蒸汽。在一些实施方式中，将可重整燃料和/或蒸汽引入含氧气体和/或蒸汽的流中可包括：将可重整燃料和/或蒸汽引导至靠近喉部的出口，诸如从喉部的出口到管的出口沿着通过管的纵向轴线，位于长度的约1％、约2％、约3％、约5％、约7％、约10％、约12％、约15％、约17％、约20％或约25％内。
在某些实施方式中，将可重整燃料和/或蒸汽引入含氧气体和/或蒸汽的流中可包括：将可重整燃料和/或蒸汽引导至喉部的出口的下游处或直接引导至喉部的出口的下游(平坦面)处。在这种情况下以及在存在螺旋混合结构以提供延伸通过管的长度的单独膛线通道的情况下，燃料入口(例如管壁中的孔)可定位在没有与之关联的测压孔的单独膛线通道中。换言之，测压孔可定位于喉部区中(例如，靠近喉部的出口的平坦面)，并与延伸通过该测压孔的、不与燃料入口关联的通道重合。用于压差测量的另一测压孔可在与喉部区中的测压孔相同的通道中，在喉部的上游处定位于管的较宽直径部分中。螺旋混合结构的高度可影响这种设计对于压差测量的效果和如何关闭测压孔，且燃料入口可以是喉部的出口的平坦面。
该方法可包括在将可重整燃料引入含氧气体的流中之前，将热量从含氧气体传递至可重整燃料，例如其中，可重整燃料与管的下游方向相反地流动并与含氧气体热连通。本教导的方法可包括将可重整燃料和含氧气体的混合物，诸如气态重整反应混合物引导至燃料电池单元或燃料电池系统的重整器。
提供以下示例性实施方式以进一步说明本教导和便于对本教导的理解，且不旨在以任何方式限制本发明。
另外，如之前出于简明所叙述，本文的讨论和描述将集中在包括催化部分氧化重整反应和反应物(可重整燃料和含氧气体)的部分氧化重整反应和反应物。然而，本文描述的设备、系统和方法可同等地应用于诸如蒸汽重整和自热重整的其它重整反应、以及它们各自的反应物。例如，对于蒸汽重整，蒸汽可替换本文的描述中的含氧气体。对于自热重整，可随着本文的描述中的含氧气体和/或可重整燃料引入蒸汽。
此外，附图的类似组件可以是相同的或不同的，例如，具有与之关联的多种修改，诸如对于结构的材料、传感器组件、阀配置、管道连接件和配置等的修改。
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，其中，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。
参照图1A，流体混合设备10包括具有入口14和出口16的管12。流体混合设备10具有喉部18，喉部18定位于入口14和和出口16之间。流体混合设备包括螺旋混合结构20和燃料入口22。所描绘的流体混合设备还包括第一测压孔24和第二测压孔26。
在所描绘的设备的操作中，例如通过使用正气体压力的源可使诸如空气的含氧气体通过管的入口引入管中并经过管。气流的速度随着含氧气体经过管而增加，且气流的压力随着含氧气体经过在喉部的上游处管的锥形部分(即，其中管的内径增加至喉部的内径)而降低。当含氧气体经过喉部时，气流的速度达到其最大值且其压力最小。随后，随着气流传送至喉部之外并进入在喉部的下游处管的加宽部分(即，其中管的内径朝向出口增加)，气流经历由结构的几何形状创建的湍流，这种几何形状可以是用于高效地和有效地混合流体的位置。随着液流朝向出口进行传送，液流的速度降低并且压力恢复。因此，可使通过设备的总压力流动损失最小化。
此外，位于喉部的下游的螺旋混合结构对气流添加了膛线效应(rifling effect)或扭曲效应(twisting effect)，从而加剧了气流的湍流。可重整燃料可引入管的内部，并通过燃料入口在喉部的下游处进入含氧气体的流中，其中，可重整燃料可在高湍流的区域中与含氧气体的流混合。可重整燃料和含氧气体可随着它们通过管向下游流动而进一步混合，其中，混合物(即，气态重整反应混合物)还可经历膛线效应或扭曲效应。随后，可重整燃料和含氧气体的混合物可在管的出口处排出管。
在喉部的下游处管的内径的加宽可根据诸多因素发生相当大的变化，这些因素包括管在该部分的内径(和/或体积)、从喉部起管的下游部分的长度、意图使用的可重整燃料以及各种其它因素。如果诸如测压孔(例如，作为压差测量组件的一部分)的传感器组件定位于管的这个部分(附图未示出)中，则期望液流的层流保持良好的信号，以进行压力测量(或测量其它特性)。换言之，随着流体流经管，局部效应可中断层流，诸如沿着可能存在边界层的管的内壁进行流动分离。这种效应及其它因素可引起要测量的随机信号噪声，从而混淆将测量的参数或特性的真实值。信号平均可用于使这种效应最小化，尤其是在与良好的二次校正相结合时。
然而，为了使含氧气流和含氧气流与可重整燃料的混合物保持层流或大致的层流，在喉部的下游处管的内径的加宽或增加应该处于小于或等于如从穿过管的纵向轴线测量的约15°的角度。在各种实施方式中，在喉部的下游处管的内径的加宽或增加应该处于小于或等于如从穿过管的纵向轴线测量的约14°、约13°、约12°、约11°、约10°、约9°、约8°、约7°、约6°、约5°或更小的角度。
在喉部的上游处管的内径的锥度或变窄可根据诸多因素相当大地变化，这些因素包括与管的下游部分有关的以上讨论的那些因素，以及在管的这个部分中管的内壁上是否存在螺旋混合结构。然而，在流体混合设备的从入口到喉部的上游部分上，管的内径的锥度通常比在喉部的下游处的加宽更不敏感，并且角度可比如上所述的角度更大。
如图1A所示，流体混合设备包括两个测压孔。测压孔定位成使得可在喉部之前的最高阀处和在喉部中的最低阀处，测量通过管的含氧气流的压力，以在将可重整燃料引入含氧气流之前，更精确地计算压差。应理解的是，测压孔和/或其它传感器组件可定位于沿着管的其它位置或者除测压孔的所描绘的位置之外的其它位置。例如，用于压差测量的第二测压孔的位置可位于喉部的上游处或者直接邻近喉部的出口的平坦面，诸如直接位于喉部的出口的上游处。
如本文所述，可重整燃料被引入管中，且含氧气流可以是气态可重整燃料或液态可重整燃料。气态可重整燃料可从加压容器或装置和/或压缩的气态可重整燃料的容器(例如，丙烷箱或丁烷箱)被引入。在本教导的各实施方式中，正气体压力的源可辅助将可重整燃料输送至管的燃料入口和/或至含氧气流中。气态可重整燃料还可在引入含氧气流中之前进行加热。
液态可重整燃料可在引入含氧气流中之前进行汽化，使得汽化的液态可重整燃料可引入含氧气流中，类似于气态可重整燃料那样。汽化的液态可重整燃料可在汽化之后进行加热直至输送至含氧气流中，以保持液态可重整燃料的汽化状态。
液态可重整燃料可通过管直接引入至含氧气流中。在这种情况下，液体泵可用于使液态可重整燃料加压和/或输送至管的燃料入口并进入含氧气流中。液态可重整燃料可在其引入含氧气流中之前进行加热，以便于在管的喉部的下游处湍流混合区中的液态可重整燃料的汽化。通过在喉部的下游处进入管的内部的液态可重整燃料经历的体积和表面积的增加可辅助创建汽化的液态可重整燃料。因此，进入管的湍流部分并经历体积和表面积增加的加热的液态可重整燃料、以及选择性地，螺旋混合结构，可充分地汽化，以给含氧气流提供适于输送至燃料电池单元或燃料电池系统的重整器的气态重整反应混合物。
图1B是本教导的流体混合设备的实施方式的示意图，类似于图1A的流体混合设备，但是包括多个燃料入口和与之关联的套环。图1B还包括与在喉部的上游处管的内壁关联的螺旋混合结构。
现在参照图1B，流体混合设备10'包括具有入口14'和出口16'的管12'。流体混合设备10'具有定位于入口14'和出口16'之间的喉部18'。流体混合设备在喉部18'的上游和下游均包括位于管的内壁上的螺旋混合结构20'。流体混合设备包括多个燃料入口22'，描绘为围绕管12'的圆周的一系列孔。流体混合设备包括包围多个燃料入口的套环28。套环连同管创建与燃料源入口32流体连通的燃料注入室30。所描绘的流体混合设备还包括第一测压孔24'和第二测压孔26'。
图1B中的流体混合设备的操作可类似于图1A中的流体混合设备的操作，例如，通过流体混合设备的流体的大致流动和混合以及可重整燃料的类型和/或源可以类似。然而，可重整燃料以不同的方式被引入含氧气流中。换言之，并非单个燃料入口，存在围绕管的圆周的一系列孔，这些孔在管的外部和内部之间提供流体连通。孔的数量和尺寸可根据特定应用、期望使用的可重整燃料、管的内壁的尺寸和设计以及直径、以及各种其它参数而改变。此外，燃料入口可包括围绕圆周的多于一个系列的孔，或者燃料入口可仅部分地围绕管。
在所描绘的设备中，存在套环围绕管，从而包围燃料入口并将燃料入口与管外部的周围环境隔开。例如，套环可连接至、粘合至或焊接至管的外部，以在两个结构之间创建液密的密封，这样还可在加压的可重整燃料经过时承受更高的压力。套环可使用诸如O形圈的密封构件形成与管和/或设备的液密密封，如稍后在图1E和图1F中所示。可替代地，套环可与管集成，例如，管可制造为单件的设计。套环和管可共同创建与燃料源入口(和可重整燃料的源)和管的内部流体连通的燃料注入室。虽然在所描绘的流体混合设备中，在燃料源入口、燃料注入室、燃料入口和管的内部之间存在流体连通，但是这些结构中的一个或多个可通过使用阀组件或其它合适的流体流动控制设备或结构，可操作地与另一结构流体连通。
在操作时，可重整燃料，诸如加压和/或加热的可重整燃料可通过燃料源入口引入燃料注入室中且之后通过燃料入口进入含氧气流中，从而通过管向下游运动。因为围绕管的圆周的一系列孔定位于喉部的下游，所以可重整燃料可在流体混合设备的湍流区处被引入，以促进与含氧气流的混合，从而可实现生成成分的均匀度，例如实现均质的气态重整反应混合物。随着在喉部的下游处管的内径增加，湍流也可减少。因此，为了以其最高速度将可重整燃料引入含氧气流中，从喉部的下游端到燃料入口的距离应当最小化。
此外，使用诸多小直径孔和/或各种图案的孔作为燃料入口，可辅助通过这种设备输送的液态可重整燃料的雾化和/或汽化。例如，诸多小直径孔可在体积和表面积增加的位置处，对加热的液态可重整燃料的细雾喷射至湍流流动的含氧气流中产生影响，其中，这些混合物之后可遇到螺旋混合结构，以进一步增进流体成分的混合。
在本教导的流体混合设备的各实施方式中，在喉部的上游处管的内壁可包括如图1B所示的螺旋混合结构。在设备的这个部分中的螺旋混合结构可在含氧气流引入喉部之前，辅助创建含氧气流的湍流。换言之，含氧气体可在达到喉部之前以及在可重整燃料引入之前，进行膛线、扭曲或旋转。定位于设备的入口和设备的喉部之间的螺旋混合结构所具有的旋转方向可与定位于喉部和管的出口之间的螺旋混合结构的旋转方向相同或相反。无论旋转方向相同或相反，每个螺旋混合结构都可具有相同或不同的扭曲程度，即螺旋混合结构的每个扭曲之间的距离相同或不同。实际上，对于螺旋混合结构，扭曲程度可沿着螺旋混合结构的纵向轴线改变，例如从喉部朝向出口改变。
应理解的是，喉部的内壁可包括螺旋混合结构。在某些实施方式中，喉部的长度可最小化，使得存在于喉部中的螺旋混合结构不起作用。然而，不管喉部的长度如何，可能总需要这种螺旋混合结构。
当管的内壁的一个或多个部分包括螺旋混合结构和测压孔，或者在这种部分中存在压差测量组件时，测压孔可定位于螺旋混合结构的相同通道中，例如膛线的相同通道，以提高从测压孔测量的精度。
图1C是本教导的流体混合设备的实施方式的示意图，类似于图1A和图1B的流体混合设备，但是没有螺旋混合结构和套环而是包括与管同轴的燃料源管。
现在参照图1C，流体混合设备10"包括具有入口14"和出口16"的管12"。流体混合设备10"具有定位于入口14"和出口16"之间的喉部18"。流体混合设备包括多个燃料入口22"，描绘为围绕管12"的圆周的、大体垂直于管的纵向轴线的一系列孔。流体混合设备包括在喉部18"的下游处与管12"的外表面同轴的燃料源管34。燃料源管和管间隔开并创建燃料注入通道36，燃料注入通道36通过燃料源入口(未示出)与燃料入口22"和可重整燃料的源(未示出)流体连通。所描绘的流体混合设备还包括第一测压孔24"和第二测压孔26"。
燃料源管的内表面和管的对应外表面间隔开，以在燃料源管的内表面和管的对应外表面之间创建燃料源通道。这种设计所具有的目的与由套环和管形成的燃料注入室的目的类似，即用于通过燃料入口在可重整燃料的源和管的内部之间创建流体连通，例如可操作的流体连通。这种设备的制造还可类似于具有套环的管的制造，其类似之处在于，燃料源管可连接或固定至管或者可制造成与管集成，例如形成为相同制造过程的一部分。虽然使用燃料源管的设计可包括如本文所述的套环，但是使用燃料源管可避免对套环的需求。
燃料源管可至少在流体入口的上游处与管的外表面同轴，以创建与燃料入口流体连通的燃料注入通道。同轴的燃料源管朝向管的出口延续，以创建用于将可重整燃料引入管的内部的燃料注入通道。在这种设计中，可重整燃料(处于多种形式且来自多种源)可输送至燃料入口，从而邻近于管的外部流动并在与含氧气流和混合物的流动相反的方向上流动，其中，混合物包括在管的内部的可重整燃料。换言之，可重整燃料可设想成被管环绕，其中，可重整燃料可与包含加热的含氧气流和气态重整反应混合物的管的内部热连通。同样地，该设计可用作对流式热交换器，以在可重整燃料进入含氧气流之前保持或增加可重整燃料的温度。
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，类似于图1B的流体混合设备，但是在喉部的上游处没有套环、测压孔或螺旋混合结构。
现在参照图1D，流体混合设备10"'包括具有入口14"'和出口16"'的管12"'。流体混合设备10"'具有定位于入口14"'和出口16"'之间的喉部18"'。流体混合设备包括多个燃料入口22"'，描绘为围绕管12"”的圆周的、大体垂直于管的纵向轴线的一系列孔。流体混合设备包括螺旋混合结构20"，描绘为从内壁突出至管的内部的三角形突出部。
如在图1D中可看见，可使管的喉部最小，或者与管的直径相比，管的喉部具有短的长度。此外，随着螺旋混合结构突出至管的内部，可容易得知管的内部和外部之间通过燃料入口进行流体连通。图1D所示的设备可配备有套环或燃料源管。
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，其中，套环坐落在两个O形圈上并与管创建围绕多个燃料入口的燃料注入室。
现在参照图1E，流体混合设备10ⅳ包括具有入口14ⅳ和出口16ⅳ的管12ⅳ。流体混合设备10ⅳ具有定位于入口14ⅳ和出口16ⅳ之间的喉部18ⅳ。流体混合设备包括多个燃料入口22ⅳ，描绘为围绕管12ⅳ的圆周的一系列孔。流体混合设备包括包围多个燃料入口22ⅳ的套环28'，其中，套环28'坐落于两个O形圈31上以形成液密的密封。套环28'连同管12ⅳ的外部创建与燃料源入口32'流体连通的燃料注入室30'。所描绘的流体混合设备还包括第一测压孔24"'和第二测压孔26"'。
图1E中的流体混合设备的操作可类似于图1B中的流体混合设备的操作，例如通过流体混合设备的流体的大致流动和混合以及可重整燃料的类型和/或源可以类似。然而，图1E所示的流体混合设备具有套环，该套环可在形成管的结构之上滑动并进入适当位置，以创建与燃料入口流体连通的燃料注入室。O形圈或其它密封构件可用于在套环和流体混合设备的结构之间创建液密的密封。在所描绘的示例中，管的位于喉部的上游处的那一部分以例如圆柱形金属块的材料块创建，借此，块可将管限定在这个位置。同样地，材料块的直径可与管的位于喉部的下游处的那一部分的直径相同，使得圆柱形套环可围绕两个部分紧密地配合，且密封构件创建液密密封。
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，其中，套环坐落于两个O形圈上并与管创建燃料注入室。该设备的燃料入口由在燃料注入室的区域中作为管的壁的多孔阻隔件限定。
现在参照图1F，流体混合设备10V包括具有入口14V和出口16V的管12V。流体混合设备10V具有定位于入口14V和出口16V之间的喉部18V。流体混合设备包括多个燃料入口，描绘成作为形成燃料注入室30"的表面的管12V的壁的多孔阻隔件22V。流体混合设备包括包围多孔阻隔件22V的套环28"，其中，套环28"坐落在两个O形圈31'上以形成液密密封。套环28"连同管12V的外部创建与燃料源入口32"流体连通的燃料注入室30"。管12V的内壁包括定位于喉部的下游和多孔阻隔件(燃料入口)22V之后的重整催化剂33。所描绘的流体混合设备还包括第一测压孔24ⅳ和第二测压孔26ⅳ。
对于图1E和图1F，套环和管的布置的构造可类似。然而，在图1F的管的壁中创建多孔阻隔件或者由该壁创建多孔阻隔件，例如至少在管的壁与燃料注入室对应的情况下。多孔阻隔件是用于设备的燃料入口，借此，可重整燃料和/或蒸汽可经由燃料源入口引入燃料注入室中。可重整燃料和/或蒸汽通常在输送期间加压，使得燃料注入室和管的内部的对应部分之间的压力差提供驱动力，以使可重整燃料和/或蒸汽运动通过多孔阻隔件至经过管的含氧气体和/或蒸汽的高速流中。
在使用陶瓷创建多孔阻隔件的情况下，可能高效的是，使用陶瓷创建管的从喉部起的整个下游部分(选择性地包括喉部)。在各种制造技术中，合适的陶瓷结构可铸造在喉部或者喉部的一部分上，其中，喉部的这个部分从限定管的从喉部起的上游部分的材料块延伸出，如附图所示。陶瓷可铸造成在适当的位置中提供多孔阻隔件(或壁)，并根据多孔阻隔件(燃料入口)的设计和长度进一步在下游和上游提供液密的壁。其它制造技术也可使用，诸如在旋转锭子上喷射陶瓷浆料，其中，在制造期间陶瓷浆料的成分可改变，以创建多孔和无孔的(液密的)壁部分。
使用陶瓷至少创建管的下游部分可具有其它优点。例如，如图1F所示，在该位置，重整催化剂可涂覆和/或植入在管的壁中。因此，气态重整反应混合物可在输送至重整器和/或燃料电池堆之前在流体混合设备中开始进行重整，以提高重整过程的效率和/或效果。重整反应可产生热，该热可用于加热在引入管的内部之前的可重整燃料和/或水或蒸汽(例如，参见图1C的设备，其中，燃料注入通道可与内壁的、具有与之关联的重整催化剂的那一部分重合，如图1F所示)。
图1G是流体混合设备的实施方式的喉部区的放大外形视图的示意图，其中，测压孔和燃料入口定位成邻近喉部的出口，但是位于不同的单独膛线通道中。单独膛线通道由螺旋混合结构(虚线)形成于管的内壁上。
现在参照图1G，流体混合设备10ⅵ包括管12ⅵ，管12ⅵ具有定位于入口端14ⅵ和出口端16ⅵ之间的喉部18ⅵ。穿过管12ⅵ的内部的螺旋混合结构20'"(虚线所示)创建经过管12ⅵ的单独膛线通道21、23、25。管12ⅵ还包括燃料入口22ⅵ和测压孔26v。如所示，燃料入口22ⅵ与单独膛线通道23、25关联或重合，单独膛线通道23、25不同于或独立于与测压孔26v关联或重合的单独膛线通道21。
因为期望使下游测压孔和燃料入口之间的距离最小化，所以这种设计可允许压差测量组件的下游测压孔接近或直接邻近喉部的出口的上游侧，且燃料入口接近或直接邻近喉部的出口的下游侧。螺旋混合结构的高度可影响这种设计对于压差测量的效果；以及影响下游测压孔和燃料入口可彼此靠近的程度和/或靠近喉部的出口的平坦面的程度。
换言之，为了使上游测压孔(定位成更靠近管的入口)和下游测压孔之间的压差最大化，下游测压孔可放置成接近喉部或沿着喉部放置。为了通过管引入接近于或处于含氧气体的流的最高速度的点的可重整燃料，燃料入口应当布置成靠近喉部的出口，但是不妨碍在下游测压孔处的压力测量或使对于该压力测量的干扰最小化。允许测压孔位于单独膛线通道中且没有燃料入口(即，燃料入口可与不同的单独膛线通道关联或位于不同的单独膛线通道中)的螺旋混合结构可使下游测压孔和燃料入口之间的距离(沿着穿过管的纵向轴线)最小化。根据螺旋混合结构的高度及其它流体流动特性，燃料入口可位于相等距离处或位于下游测压孔的上游，使得燃料入口可位于流体混合设备的流体流动区域的最大速度处。
图2A示出了本教导的示例性流体混合设备220。设备包括用于接纳第一流体209的流的第一管A和用于接纳第二流体210的流的第二管B。第一管具有入口200，喉部C和出口201。第二管B具有入口202、喉部D和出口203(其与第一管A的燃料入口重合)。
第二管将第二流体210的流排放至管A的喉部C中，而第一流体209的流经过喉部C。在这种实施方式中，第一流体209的流可通过测量测压孔204和205之间的压力差来确定。另外，第二流体210的流可通过测量测压孔206和207之间的压力差来确定。在这种实施方式中，第一管和第二管在喉部C处相交。流体的流可在第一流体209的流的最高速度和最低压力以及第二流体210的流的较低速度和较高压力的点处相遇和混合。混合的流体211流经出口201。因此，设备可混合可重整燃料和含氧气体，同时在没有测量中断的情况下，同时并独立地测量这两个流体的流的流动特性。
图2B示出了本教导的流体混合设备320的另一实施方式。图2B的实施方式类似于图2A所示的实施方式，且相同的部件给出相同的参考标记。图2A和图2B的实施方式之间的差异在于第一管A和第二管B之间的相交位置。如图2B所示，第二管B在第一管的喉部C的下游(或远离喉部C)的位置处与第一管A相交。
图2A与图2B的比较示出了，管A和管B相交的位置可沿着第一管的长度(即，水平管)移动到任何地方。同样地，假设可测量通过第一管的流速，则第二管的出口可沿着第一管的长度定位于任何地方。例如，第二管的出口可位于远离朝向第一管的出口的孔205的任何位置。然而，第一管的喉部的下游端和第二管的出口之间的距离应当最小化，以在混合期间实现最大湍流。
图2C示出了本教导的流体混合设备420的另一实施方式。图2C的实施方式类似于图2A所示的实施方式，且相同的部件可给出相同的参考标记。图2A和图2C的实施方式之间的差异在于，图2C中第二管B的喉部D与第一管A相交，使得第二管B的出口203包括第二管B的喉部D。这允许流体在两个流体处于其最高流速的位置处进行混合，从而允许流体充分地混合。
图2D示出了本教导的流体混合设备520的另一实施方式，且相同的部件给出相同的参考标记。图2D所描绘的实施方式类似于图2C，除了第二管B在喉部C的下游处第一管的内径增加的加宽部中的位置处与第一管A相交。在该区域中，第一流体的流所具有的速度介于紧邻的下游处的速度和邻近喉部C和出口201的速度之间。
图2A和图2B与图2C和图2D的比较示出了，第二管的出口的相交的位置可沿着第二管B的长度移动，从而使第一管A与第二管的喉部D相交，或者与在第二管的喉部D的下游处的、第二管的出口相交。因此，在本教导的流体混合设备中，喉部的长度和/或在喉部的下游处管的那一部分可改变。此外，第二管的出口的直径可改变。
图2E示出了本教导的流体混合设备620的另一实施方式。图2E的实施方式类似于图2B所示的实施方式，且相同的部件给出相同的参考标记。图2E和图2B的实施方式之间的差异在于，第二管B的出口的位置。如图2E所示，第二管B的出口203位于第一管A的内部。这种设计可增强或另外提供期望的混合。
在图2A至图2E中的每个图中，通过第二管B的纵向轴线可不垂直于通过第一管A的纵向轴线。换言之，通过第二管的纵向轴线可相对于通过第一管A的纵向轴线(即，朝向喉部)形成大于90°或小于90°的角度，以通过第一管A增强进入的可重整燃料和流体流的混合。
图2F示出了本教导的流体混合设备720的另一实施方式。图2F的实施方式类似于图2B和图2E所示的实施方式，且相同的组件给出相同的参考标记。图2F与图2B和图2E的实施方式之间的差异在于，第二管B具有封闭端，本文示为以与跨过管的内部的直径的管A的内壁接触而结束。如图2F所示，第二管B包括出口203，出口203是在靠近穿过第一管A的中央纵向轴线的位置处，围绕第一管A的下游部分的圆周的一系列孔。因此，诸如可重整燃料和/或蒸汽的流体可通过孔输送至流经第一管A的含氧气体和/或蒸汽的高速气流。
这种设计可加强或另外提供期望的混合。例如，出口或一系列孔可具有不同的尺寸和/或图案，如本文所描述。由于可能期望仅在与流经第一管A的含氧气体和/或蒸汽的流相反或大致相反的方向上输送来自第二管B的流体，以在沿着第一管的内壁接触催化剂之前和/或在输送至重整器和/或燃料电池堆之前，增加流体的混合，所以出口或一系列孔也无需包围第二管B的整个圆周。
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，其中，阶梯式结构与燃料入口关联。参照图3，描绘了阶梯式结构38，其中，阶梯式结构是管40的内壁中的凹陷部或凹槽，该凹陷部或凹槽从燃料入口22ⅳ的上游开始且在燃料入口22ⅳ的下游处结束。阶梯式结构42的上游端垂直于或大体垂直于由线Z-Z表示的管的纵向轴线。当沿着由管40的内壁创建的线性线条考虑时，所描绘的阶梯式结构的纵向截面形状为三角形或大体呈三角形。换言之，这种三角形的顶点在图3中示出为M、N和O。当然，阶梯式结构的其它设计、形状和位置包括在本教导中，然而由于这些其它设计、形状和位置过多而不进行描述。
在本教导的流体混合设备中，阶梯式结构的一个功能可以是破坏内壁的直线度。阶梯式结构可创建初始的、局部的湍流区，其中，通过燃料入口快速进入的可重整燃料可在其引入含氧气流的绝大部分之前与含氧气体混合，含氧气体还可以是湍流流动的和/或扭曲的。因此，阶梯式结构可认为是涡流发生器或涡流发生器的促进器。
参照图3，含氧气流的路径由虚线S所示。由于该气流的沿着管的内壁的那一部分经过阶梯式结构的上游端，所以这一部分在其经过阶梯式结构时经历湍流和/或扭曲，如由连续的虚线P所示。通过燃料入口22ⅳ引入的可重整燃料(如由点划线R所示)然后在从含氧气体和可重整燃料混合物的流中运出之前，在阶梯式结构或附近区域中与含氧气体混合，其中，如果存在螺旋混合结构则所述流可以进行扭曲或膛线。因此，按照这种方式，可重整燃料和含氧气体的混合可辅助提供均匀的气态重整反应混合物。
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。参照图4，本教导的通常的流体混合设备10ⅳ示出为具有入口14ⅳ、出口16ⅳ和燃料入口22ⅴ。燃料电池系统包括重整器44、与重整器44流体连通的燃料电池堆46、以及与燃料电池堆46流体连通的后燃室48。含氧气体50的源与入口14ⅳ流体连通。
图4还描绘了可通过其入口22v引入流体混合设备10ⅳ的、可重整燃料的三个不同的源。可根据特定应用和燃料电池系统的设计单独地或组合地使用不同的源中的每个。更具体地，诸如压缩丙烷箱的气态可重整燃料52的源可经由阀组件54与流体混合设备10ⅳ的入口22可操作地流体连通，从而可控制和管理可重整燃料的源中的一个或多个输送至流体混合设备。液态可重整燃料56的源可经由阀组件54与液体混合设备10ⅳ的入口22v可操作地流体连通。为了将可重整的液体直接输送至流体混合设备，可使用液体泵或加压设备(未示出)。液态可重整燃料56的源可与汽化器58流体连通。汽化器58可通过阀组件54与流体混合设备10ⅳ的入口22ⅴ可操作地流体连通，其中，正气体(气态)压力60的源可辅助将汽化的液态可重整燃料输送至流体混合设备10ⅳ。
在不背离本教导的精神或实质特性的情况下，本教导包括其它特定形式的实施方式。因此，前述实施方式在所有方面均被认为是说明性的，而不局限于本文所描述的本教导。因此，本发明的范围由所附权利要求指示，而不由前面的描述指示，且本文旨在包括落入权利要求的等同效力的含义和范围内的所有改变。

Claims (15)

1.一种燃料电池系统，包括：
流体混合设备，用于混合用于燃料电池系统的重整器和/或燃料电池堆的可重整燃料与含氧气体和/或蒸汽，所述流体混合设备包括：
管，具有入口、出口和定位于所述入口和所述出口之间的喉部，其中
所述喉部所具有的内径小于所述出口的内径，
从所述入口穿过所述管到所述出口的纵向轴线限定下游方向，
在所述喉部和所述出口之间，所述管的内壁的至少一部分包括螺旋混合结构，以及
所述管在所述喉部的下游处包括一个或多个燃料入口；
套环，所述套环在所述管的外表面上包围所述一个或多个燃料入口，并与所述管创建与所述一个或多个燃料入口流体连通的燃料注入室，其中，所述套环包括燃料源入口，并将所述一个或多个燃料入口与所述管外部的周围环境隔开；以及
重整器和燃料电池堆中的至少之一，与所述管的出口流体连通。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述一个或多个燃料入口包括一系列孔，所述一系列孔在所述管的内部和所述管的外部之间提供流体连通。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述一个或多个燃料入口由多孔阻隔件限定。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述喉部的下游处，所述管的至少一部分包括陶瓷。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述喉部的下游处，所述管的内壁的至少一部分包括重整催化剂。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述管的内径以沿着所述纵向轴线测量的10°或更小的角度，在所述喉部的下游方向上线性地增加。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述管的内壁包括阶梯式结构，所述阶梯式结构为在所述一个或多个燃料入口的上游处开始并朝向所述出口结束的凹陷部或凹槽，且所述阶梯式结构包括一个或多个燃料入口。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，包括第一测压孔和第二测压孔，其中，所述第一测压孔和所述第二测压孔中的每个定位于所述一个或多个燃料入口的上游处。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，包括：与所述管的入口流体连通的含氧气体和/或蒸汽的源；与所述一个或多个燃料入口流体连通的可重整燃料的源；以及选择性地包括正气态压力的源，以将所述含氧气体和/或蒸汽输送至所述管的入口并通过所述管。
10.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述喉部的上游、穿过所述喉部以及在所述喉部的下游，所述管的内壁包括螺旋混合结构。
11.一种混合可重整燃料和含氧气体和/或蒸汽以输送至如权利要求1至10中的任一项所述的燃料电池系统的重整器和/或燃料电池堆的方法，所述方法包括：
通过所述流体混合设备输送含氧气体和/或蒸汽，使得所述含氧气体和/或蒸汽通过所述喉部而经历速度的增加和压力的降低，并在所述喉部的下游处随着压力的增加和速度的降低而经历膛线运动或扭曲运动；以及
在所述喉部的下游处，将可重整燃料引入含氧气体和/或蒸汽的流中，借此，所述可重整燃料与所述含氧气体和/或蒸汽的流混合，以提供气态重整反应混合物。
12.如权利要求11所述的方法，包括在所述气态重整反应混合物排出所述管的出口之前，重整或部分地重整所述气态重整反应混合物。
13.如权利要求12所述的方法，包括：在将所述可重整燃料引导至所述含氧气体和/或蒸汽的流中之前，将通过重整或部分地重整所述气态重整反应混合物而生成的热传递至所述可重整燃料。
14.如权利要求11所述的方法，包括将所述气态重整反应混合物输送至重整器和/或燃料电池堆。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述可重整燃料是液态可重整燃料、汽化的液态可重整燃料和气态可重整燃料中的至少一种。
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