特許 6236082 受動再循環装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6236082

(24)【登録日】2017年11月2日

(45)【発行日】2017年11月22日

(54)【発明の名称】受動再循環装置

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/122 20060101AFI20171113BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20171113BHJP

【ＦＩ】

   F16K31/122

   H01M8/04 N

   H01M8/04 J

【請求項の数】8

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2015-526586(P2015-526586)

(86)(22)【出願日】2013年8月1日

(65)【公表番号】特表2015-527543(P2015-527543A)

(43)【公表日】2015年9月17日

(86)【国際出願番号】US2013053278

(87)【国際公開番号】WO2014025618

(87)【国際公開日】20140213

【審査請求日】2016年7月5日

(31)【優先権主張番号】61/680,845

(32)【優先日】2012年8月8日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】505163578

【氏名又は名称】ヌヴェラ・フュエル・セルズ，エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100147511

【弁理士】

【氏名又は名称】北来 亘

(72)【発明者】

【氏名】ルント，ベンジャミン・エス

【審査官】 山本 崇昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２７２４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５０６２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２３８５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４８７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１６４５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３１００００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０００９２２３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｋ ３１／１２−３１／１６５

Ｆ１６Ｋ ３１／３６−３１／４２

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

再循環装置（１０１０）において、
排気（２２０）を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第１通路（７３０）と、燃料（１２０）を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第２通路（７４０）と、前記排気（２２０）と前記燃料（１２０）の混合物（２００）を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第３通路（７５０）と、前記第２通路（７４０）から前記第３通路（７５０）へ延びる長手方向軸（８６０）と、を備える本体（７００）と、
ピストン空洞部（８２０）を通る第１針部分を受け入れるように構成されている前記ピストン空洞部（８２０）を備え、前記本体（７００）内に滑動可能に配置されているピストン（７１０）であって、前記ピストン空洞部（８２０）は燃料（１２０）をピストン中央の当該空洞部（８２０）の最も小さい断面積のところに配置されているオリフィス（８７０）に向かって方向決めするように構成されており、ピストン表面は排気を受け入れるように構成されており、それにより、前記ピストン（７１０）が前記排気の圧力によって前記本体の前記長手方向軸（８６０）に沿って動かされて前記オリフィス（８７０）を通過する前記燃料（１２０）の流れを制御する、ピストン（７１０）と、
排気（２２０）を受け入れるように構成され且つ前記オリフィス（８７０）からの燃料（１２０）を受け入れるように構成されて前記本体（７００）内に配置されている混合室（７９０）と、
前記本体（７００）へ固定的に連結されている針（７２０）であって、
第２端（９００）に向かって延びている中央空洞部（９１０）の中へ入る前記燃料（１２０）の受け入れ用の通路を有する第１端（８９０）、を備えており、
第２端（９００）の全体の領域においては、流出通路（９２０）が、燃料（１２０）が前記中央空洞部（９１０）から前記ピストン空洞部（８２０）の中へ出てゆけるようにしており、第２端（９００）は下流方向に先細になっており、それにより、前記先細の針部分の表面は前記ピストン（７１０）の前記先細の内表面に平行であり且つ前記ピストンが動くにつれて当該ピストンの前記内表面に係合するように構成されている、針（７２０）と、を備えている再循環装置（１０１０）。

【請求項2】

前記ピストン（７１０）は前記針（７２０）へ固定的に連結されているダイヤフラムに置き換えられており、前記ダイヤフラムは前記オリフィス（８７０）を通る前記流れを制御し、前記ダイヤフラムは前記排気（２２０）の圧力に因り撓む、請求項１に記載の再循環装置（１０１０）。

【請求項3】

前記再循環装置（１０１０）は燃料電池システム（１００）内で作動するように構成されている、請求項１に記載の再循環装置（１０１０）。

【請求項4】

前記燃料（１２０）は前記オリフィス（８７０）から射出され、前記排気（２２０）は同伴され、前記混合室（７９０）内で混合される、請求項１に記載の再循環装置（１０１０）。

【請求項5】

前記排気（２２０）は燃料電池（１３０）のアノード区画（１４０）から吐出され、燃料（１２０）は水素含有流体である、請求項１に記載の再循環装置（１０１０）。

【請求項6】

前記再循環装置（１０１０）の第１通路（７３０）へ供給される前記排気（２２０）の流入圧力は約３ｐｓｉｇ（２０．７ｋＰａ）から約６０ｐｓｉｇ（４１４ｋＰａ）の間の範囲にあり、前記再循環装置（１０１０）の第２通路（７４０）へ供給される前記燃料の圧力は約３０ｐｓｉｇ（２０７ｋＰａ）から約５００ｐｓｉｇ（３．４５ＭＰａ）の間の範囲にある、請求項１に記載の再循環装置（１０１０）。

【請求項7】

前記燃料（１２０）と前記混合物の少なくとも一方の流速は超音速で作動するように構成されている、請求項１に記載の再循環装置（１０１０）。

【請求項8】

前記針（７２０）は、前記オリフィス（８７０）に進入するにつれて、前記針（７２０）が前記オリフィス（８７０）を塞ぎ前記燃料（１２０）の流れを封止するまでその面積を減少させている、請求項１に記載の再循環装置（１０１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001]本願は、２０１２年８月８日出願の米国仮特許出願第６１／６８０，８４５号の恩典を主張し、同仮出願をここに参考文献として援用する。

【0002】

[0002]本開示は、流体流れを受動制御するための再循環装置に関する。幾つかの実施形態では、ここに記載されている再循環装置は、燃料電池の再循環ループへ供給される燃料の量を制御するのに使用することができる。

【背景技術】

【0003】

[0003]液体及び気体の形態をしている流体流れを制御するのに弁又は射出器の様な各種装置が使用されている。その様な装置は、機械的組立体内部の流体の流れ又は組立体を出入りする流体の流れを制御するために、組立体に組み入れられている場合が多い。その様な流体流れを増加又は減少させるため、弁又は射出器は、一体化された電気式、空気式、又は機械式の制御部構成要素を有している。これらの能動制御機構が一般的に使用されているのに対し、流体圧力に基づく受動制御は、流体流れを精度よく制御することの難しさ又は構成要素を広い条件範囲に亘る有効作動を確約する寸法にすることの難しさ故にあまり一般的ではない。

【0004】

[0004]燃料電池は電力を生成するための装置である。燃料からの化学エネルギーは酸素又は他の酸化剤との化学反応を通じて電気へと変換される。化学反応により、典型的に電気と熱と水が生じる。作動時、燃料電池は、通常、燃料、酸化剤、又は冷却液の制御された流れを必要とする。

【0005】

[0005]燃料電池は、アノード区画のアノード、カソード区画のカソード、及び電荷がアノードとカソードの間を動けるようにする電解質、を含んでいる。電子がアノードからカソードへ電気負荷回路を通して引き出され、電気を発生させる。電気出力を変えるため、弁、射出器、又は他の流れ装置は、１つ又はそれ以上の区画への流体流れを制御するように構成されている。

【0006】

[0006]一部の例では、燃料の流れがアノード区画へ供給され、酸素含有ガス（例えば空気）の流れがカソード区画へ給送される。燃料はアノード区画を通って継続的に流れることができ、その間、燃料の一部はアノード区画で、下の式、即ち、
２Ｈ^２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
によって表される電気化学反応を起こす。

【0007】

[0007]アノード電気化学反応によって発生する電子はアノードからカソードへ電気負荷回路を通して引き出され、直流電気を発生させる。反応によって発生する正に帯電したイオンはアノードから電解質を通してカソードへ引き出される。電解質は正に帯電したイオンの通過を許容する一方で負に帯電した電子の通過を阻止するように構成されている。

【0008】

[0008]正に帯電したイオンが電解質を通過したら、次にイオンはカソード区画で電気負荷回路を通過してきた電子と一体化することになる。一体化はアノード電気化学反応を生み、下の式、即ち、
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ
によって表される様に酸素の還元から水が発生する。

【0009】

[0009]アノード区画で酸化される燃料の量は電気負荷回路から要求されるパワーの量に依存する。アノード区画へ供給される燃料全てが酸化されるとは限らず、燃料の一部はアノード区画から吐出される。

【0010】

[0010]燃料電池の全体としての効率を上げるために、アノード区画からの流出を再循環ループを経由してアノード区画への流入へ流し戻すことができる。燃料電池がパワーを継続的に出力するのを可能にするためには、燃料を再循環ループへ導入してアノード区画で酸化された燃料に取って代わらせなくてはならない。燃料を再循環ループに導入させる速度は電気回路に掛かる負荷に依存するものであり、負荷が大きいほどより多くの燃料が必要になってくる。

【0011】

[0011]再循環ループへ導入される燃料の流れは、弁又は射出器を含む様々な装置によって制御することができる。燃料電池が最小パワー出力から最大パワー出力へ立ち上がるとき又はその逆のときに適切な量の燃料を再循環ループへ供給するには、寸法の異なる多様な射出器又は流れを絞る能力のある制御弁が必要になる。多様な制御弁と同様に異なる寸法のノズルを有する多様な射出器ともなれば、費用が嵩み装置の複雑性が増すこともあり得る。

【0012】

[0012]先行技術の装置の中には、多様な射出器の必要性を可変流れ射出器を使用することによって低減したものもあれば、制御弁を射出器と組み合わせて使用したものもある。例えば、米国特許第６，８５８，３４０号は、燃料電池システムでの使用のための可変流れ射出器を開示している。射出器内の２つのダイヤフラムがノズルに対する針の運動を制御して射出器を通る流体流れを調整するようになっている。米国特許第７，５３６，８６４号及び米国特許第６，７７９，３６０号はノズルの開きを制御するのにアクチュエータを使用している。米国特許出願第２０１０／００６８５７９号は、射出器と関連付けて使用される制御弁を開示している。

【0013】

[0013]しかしながら、これらの弁及び射出器は、どれもが何らかの形態の能動制御システムを必要とするため、受動制御で作動するものは何もない。例えば、複数の流体を使用して複数のダイヤフラムを変形させたり、管理されたアクチュエータがラムを操作したり、制御アクチュエータが針を位置付けたり、制御弁が下流のフィードバックに基づいて流れを絞ったりしている。本開示は、先行技術の少なくとも幾つかの不完全さを克服する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】米国仮特許出願第６１／６８０，８４５号

【特許文献2】米国特許第６，８５８，３４０号

【特許文献3】米国特許第７，５３６，８６４号

【特許文献4】米国特許第６，７７９，３６０号

【特許文献5】米国特許出願第２０１０／００６８５７９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

[0014]上記状況を考慮し、本開示は、燃料電池システムへ一体化させることのできる再循環装置を提供している。再循環装置は、アノード再循環流れをアノード区画排気圧力に基づいて受動制御することができる。装置は、最小パワー出力から最大パワー出力までの条件範囲に亘る作動を許容するように燃料を燃料電池へ供給する。

【課題を解決するための手段】

【0016】

[0015]本開示の１つの態様は、再循環装置において、排気を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第１通路と、燃料を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第２通路と、排気と燃料の混合物を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第３通路と、第２通路から第３通路へ延びる長手方向軸と、を備える本体、を備えるものとすることのできる再循環装置に向けられている。装置は、更に、内空洞部を備えるノズルであって燃料を当該内空洞部の最も小さい断面積のところに配置されているオリフィスに向かって方向決めするのに適したノズルと、本体内に滑動可能に配置されていて燃料を受け入れるように構成された第１端とノズル空洞部へ燃料供給するように構成された第２端を備えているピストンと、を備えており、それにより、ピストンが排気によって本体の長手方向軸に沿って動かされてオリフィスを通過する燃料の流れを制御するようになっている。本体内に配置されている混合室は、排気を受け入れるように構成され且つオリフィスからの燃料を受け入れるように構成されている。

【0017】

[0016]本開示の別の態様は、再循環装置において、排気を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第１通路と、燃料を受け入れるように構成されている、弁座を備える少なくとも１つの第２通路と、排気と燃料の混合物を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第３通路と、第２通路から第３通路へ延びる長手方向軸と、を備える本体、を備えている再循環装置に向けられている。内空洞部を備えるノズルが、燃料を内空洞部の最も小さい断面積のところに配置されているオリフィスに向かって方向決めすることができ、ノズルは本体へ固定的に連結されているものとすることができる。再循環装置は、更に、本体内に滑動可能に配置されていて燃料を受け入れるように構成された第１端とノズル空洞部へ燃料供給するように構成された第２端を備えているピストンを備えており、ピストン表面は排気を受け入れるように構成されており、それにより、ピストンが排気によって本体の長手方向軸に沿って動かされてオリフィスを通過する燃料の流れを制御するようになっている。混合室が排気を受け入れるように構成され且つオリフィスからの燃料を受け入れるように構成されて本体内に配置されており、先細端を備える弁棒がピストンの第１端へ固定的に連結されており、それにより、長手方向軸に沿って動かされるピストンが弁棒第１端と弁座の間の距離を制御するようになっている。

【0018】

[0017]本開示の別の態様は、再循環装置において、排気を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第１通路と、燃料を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第２通路と、排気と燃料の混合物を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第３通路と、第２通路から第３通路へ延びる長手方向軸と、を備える本体、を備えるものとすることのできる再循環装置に向けられている。装置は、更に、内空洞部を備えるノズルであって燃料を当該ノズル空洞部の最も小さい断面積のところに配置されているオリフィスに向かって方向決めするのに適したノズルを備えており、それにより、ノズルはピストンの第２端へ固定的に連結されたものとすることができる。装置は、更に、本体内に滑動可能に配置されているピストンを備え、ピストンは中央空洞部を備えており、中央空洞部はピストン中央空洞部の全長さを貫いて第１針部分を受け入れるように構成されており、ピストン表面は排気を受け入れるように構成されており、それにより、ピストンが排気圧力によって本体の長手方向軸に沿って動かされてオリフィスを通過する燃料の流れを制御するようになっている。混合室が排気を受け入れるように構成され且つオリフィスからの燃料を受け入れるように構成されて本体内に配置されている。装置は、更に、本体へ固定的に連結されている針を備えており、針は第２針部分へ接続している中央空洞部の中へ給送する燃料受け入れ用通路を備える第１部分を備えており、それにより、第１針部分と第２針部分は固定的に連結されている。針は、更に、燃料が中央空洞部からノズル空洞部の中へ出てゆけるようにする流出通路を有する第２部分を備えるものとすることができ、つまり第２針部分は第２端に向かって先細になっており、それにより、先細針部分の表面はノズルの先細内表面に平行であり、ノズル及びピストンが動くにつれてノズルの内表面に係合するように構成されている。

【0019】

[0018]上記の概括的な説明と次に続く詳細な説明は、例示と解説のみが目的であり、特許請求に際し本開示を限定するものではない。

【0020】

本願発明の実施形態は、例えば、以下の通りである。
［形態１］
再循環装置において、
排気を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第１通路と、燃料を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第２通路と、前記排気と前記燃料の混合物を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第３通路と、前記第２通路から前記第３通路へ延びる長手方向軸と、を備える本体と、
内空洞部を備えるノズルであって燃料を当該内空洞部の最も小さい断面積のところに配置されているオリフィスに向かって方向決めするのに適したノズルと、
前記本体内に滑動可能に配置されていて前記燃料を受け入れるように構成された第１端と燃料を前記ノズル空洞部へ導入するように構成された第２端を備えているピストンであって、それにより、当該ピストンが前記排気によって前記本体の前記長手方向軸に沿って動かされて前記オリフィスを通過する前記燃料の流れを制御するようになっている、ピストンと、
前記本体内に配置されている混合室であって、前記排気を受け入れるように構成され且つ前記オリフィスからの燃料を受け入れるように構成されている混合室と、を備えている再循環装置。
［形態２］
形態１に記載の再循環装置を含む燃料電池システムにおいて、
燃料源と、
アノード区画、カソード区画、及び電解質を備える燃料電池と、
追加の燃料が前記オリフィスを通って流れることを可能にするように構成されている前記再循環装置内のピストンと、
燃料源を再循環装置の第２通路へ流体接続する第１導管と、
再循環装置の第３通路をアノード区画入口へ流体接続する第２導管と、
アノード区画出口を前記本体の前記第１通路へ流体接続する第３導管と、
を更に備えている燃料電池システム。
［形態３］
前記装置は燃料電池システム内で作動するように構成されている、形態１に記載の再循環装置。
［形態４］
前記燃料は前記オリフィスから射出され、前記排気は同伴され、前記混合室内で混合される、形態１に記載の再循環装置。
［形態５］
前記排気は燃料電池の前記アノード区画から吐出され、燃料は水素含有流体である、形態１に記載の再循環装置。
［形態６］
再循環装置の前記第１通路へ供給される前記排気流入圧力は約３ｐｓｉｇから約６０ｐｓｉｇの間の範囲にあり、再循環装置の第２通路へ供給される前記燃料圧力は約３０ｐｓｉｇから約５００ｐｓｉｇの間の範囲にある、形態１に記載の再循環装置。
［形態７］
前記燃料と前記混合物の少なくとも一方の流速は超音速で作動するように構成されている、形態１に記載の再循環装置。
［形態８］
再循環装置において、
排気を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第１通路と、燃料を受け入れるように構成されている、弁座を備える少なくとも１つの第２通路と、前記排気と前記燃料の混合物を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第３通路と、前記第２通路から前記第３通路へ延びる長手方向軸と、を備える本体と、
内空洞部を備えていて燃料を当該内空洞部の最も小さい断面積のところに配置されているオリフィスに向かって方向決めするのに適したノズルであって、本体へ固定的に連結されているノズルと、
前記本体内に滑動可能に配置されていて前記燃料を受け入れるように構成された第１端と燃料を前記ノズル空洞部へ導入するように構成された第２端を備えているピストンであって、当該ピストン表面は排気を受け入れるように構成されており、それにより、当該ピストンが前記排気によって前記本体の前記長手方向軸に沿って動かされて前記オリフィスを通過する前記燃料の流れを制御するようになっている、ピストンと、
前記排気を受け入れるように構成され且つ前記オリフィスからの燃料を受け入れるように構成されて前記本体内に配置されている混合室と、
前記ピストンの前記第１端へ固定的に連結されている先細端を備える弁棒であって、それにより、前記長手方向軸に沿って動かされる前記ピストンが当該弁棒第１端と前記弁座の間の距離を制御するようになっている、弁棒と、を備えている再循環装置。
［形態９］
前記ピストンは、ピストンヘッド及びシリンダへ固定的に連結されている弁棒を備える組立体であり、前記ピストン組立体の前記第１端は、燃料が第１端から第２端までの前記ピストンの長さを走っている中央空洞部に進入できるようにする少なくとも１つの通路を前記シリンダの側壁に有しており、燃料が通過できるようにしている、形態８に記載の再循環装置。
［形態１０］
形態８に記載の再循環装置を含む燃料電池システムにおいて、
燃料源と、
アノード区画、カソード区画、及び電解質を備える燃料電池と、
追加の燃料が前記オリフィスを通って流れることを可能にするように構成されている前記再循環装置内のピストン及び弁棒と、
燃料源を再循環装置の第２通路へ流体接続する第１導管と、
再循環装置の第３通路をアノード区画入口へ流体接続する第２導管と、
アノード区画出口を前記本体の前記第１通路へ流体接続する第３導管と、
を更に備えている燃料電池システム。
［形態１１］
前記装置は燃料電池システム内で作動するように構成されている、形態８に記載の再循環装置。
［形態１２］
前記燃料は前記オリフィスから射出され、前記排気は同伴され、前記混合室内で混合される、形態８に記載の再循環装置。
［形態１３］
前記排気は燃料電池の前記アノード区画から吐出され、燃料は水素含有流体である、形態８に記載の再循環装置。
［形態１４］
再循環装置の前記第１通路へ供給される前記排気流入圧力は約３ｐｓｉｇから約６０ｐｓｉｇの間の範囲にあり、再循環装置の第２通路へ供給される前記燃料圧力は約３０ｐｓｉｇから約５００ｐｓｉｇの間の範囲にある、形態８に記載の再循環装置。
［形態１５］
前記燃料と前記混合物の少なくとも一方の流速は超音速で作動するように構成されている、形態８に記載の再循環装置。
［形態１６］
前記弁棒が前記弁座に近づくにつれて、前記燃料の流れのために開口する前記断面積は減少して前記燃料の流れを制限する、形態８に記載の再循環装置。
［形態１７］
再循環装置において、
排気を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第１通路と、燃料を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第２通路と、前記排気と前記燃料の混合物を受け入れるように構成されている少なくとも１つの第３通路と、前記第２通路から前記第３通路へ延びる長手方向軸と、を備える本体と、
前記本体内に滑動可能に配置されているピストンであって、ピストン空洞部を備え、前記ピストン空洞部は当該ピストン空洞部を貫いて第１針部分を受け入れるように構成されており、前記ピストン空洞部は燃料を当該ピストン中央空洞部の最も小さい断面積のところに配置されているオリフィスに向かって方向決めするように構成されており、ピストン表面は排気を受け入れるように構成されており、それにより、前記ピストンが前記排気圧力によって前記本体の前記長手方向軸に沿って動かされて前記オリフィスを通過する前記燃料の流れを制御するようになっている、ピストンと、
排気を受け入れるように構成され且つ前記オリフィスからの燃料を受け入れるように構成されて前記本体内に配置されている混合室と、
前記本体へ固定的に連結されている針であって、
第２端に向かって延びている中央空洞部の中へ給送する前記燃料受け入れ用の通路を有する第１端、を備えており、
略第２端領域では、流出通路が、燃料が前記中央空洞部から前記ピストン空洞部の中へ出てゆけるようにしており、第２端は下流方向に先細になっており、それにより、前記先細針部分の表面は前記ピストンの前記先細内表面に平行であり且つ前記ピストンが動くにつれて当該ピストンの前記内表面に係合するように構成されている、針と、を備えている再循環装置。
［形態１８］
前記ピストンは前記針へ固定的に連結されているダイヤフラムに置き換えられており、前記ダイヤフラムは前記オリフィスを通る前記流れを制御し、前記ダイヤフラムは前記排気圧力に因り撓む、形態１７に記載の再循環装置。
［形態１９］
前記装置は燃料電池システム内で作動するように構成されている、形態１７に記載の再循環装置。
［形態２０］
前記燃料は前記オリフィスから射出され、前記排気は同伴され、前記混合室内で混合される、形態１７に記載の再循環装置。
［形態２１］
前記排気は燃料電池の前記アノード区画から吐出され、燃料は水素含有流体である、形態１７に記載の再循環装置。
［形態２２］
再循環装置の前記第１通路へ供給される前記排気流入圧力は約３ｐｓｉｇから約６０ｐｓｉｇの間の範囲にあり、再循環装置の第２通路へ供給される前記燃料圧力は約３０ｐｓｉｇから約５００ｐｓｉｇの間の範囲にある、形態１７に記載の再循環装置。
［形態２３］
前記燃料と前記混合物の少なくとも一方の流速は超音速で作動するように構成されている、形態１７に記載の再循環装置。
［形態２４］
前記針は、前記オリフィスに進入するにつれて、前記針が前記オリフィスを塞ぎ前記燃料の流れを封止するまでその面積を減少させている、形態１７に記載の再循環装置。
[0019]本明細書に組み入れられ、その一部を構成している添付図面は、本開示の幾つかの実施形態を描いており、説明と共に、本開示の原理を解説するうえで役立つ。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】[0020]或る例示としての実施形態による燃料電池システムの概念図である。

【図2A】[0021]或る例示としての実施形態による射出器の破断断面図であり、射出器の拡大断面を含んでいる。

【図2B】[0022]或る例示としての実施形態によるピストン及び弁棒の概略等角投影図である。

【図3A】[0023]別の例示としての実施形態による射出器の破断断面図である。

【図3B】[0024]別の例示としての実施形態による射出器の破断断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

[0025]これより本開示の例示としての実施形態を詳細に参照してゆくが、実施形態の例は添付図面に描かれている。図面全体を通じて、可能な場合は常に、同じ又は同様の部分を指すのに同じ符号を使用してゆく。

【0023】

[0026]図１は、或る例示としての実施形態による燃料電池システム１００の概念図である。燃料電池システム１００は再循環装置１１０を備えるものとすることができる。例えば、再循環装置１１０は、以下に詳しく説明されている受動再循環射出器を備えるものであってもよい。燃料電池システム１００は、再循環装置１１０に加えて、燃料１２０及び燃料電池１３０を備えることができる。燃料１２０は、水素、一酸化炭素、メタノール、及びメタンの様な希薄で軽い炭化水素類、を備えるものとすることができる。以上に解説されている様に、燃料電池１３０は化学反応を介して電気を生成するように構成されている。

【0024】

[0027]図１に示されている様に、燃料電池１３０は、アノード区画１４０、アノード１５０、電解質１６０、カソード区画１７０、カソード１８０、及び電気負荷回路１９０を備えるものとすることができる。電解質１６０は、ポリマー膜とアルカリ水溶液を備えている。幾つかの実施形態では、燃料電池１３０は、陽子交換膜、リン酸、固体酸化物、又は溶融炭酸塩を備えていてもよい。

【0025】

[0028]混合燃料２００の継続的な流れがアノード区画１４０へ供給されている。酸素の流れ２１０がカソード区画１７０へ供給されている。混合燃料２１０がアノード区画１４０に進入したら、当該混合燃料２００の一部はアノード１５０でアノード電気化学反応を起こすことになる。

【0026】

[0029]アノード区画１４０へ供給される混合燃料２００全てが必ずしもアノード電気化学反応で消費されるとは限らない。アノード区画１４０に流入する混合燃料２００の一部はアノード区画１４０から排気２２０としてアノード区画出口２３０を通って吐出されることになる。アノード区画出口２３０から吐出される排気２２０は、アノード電気化学反応での燃料消費による一定体積圧力減少に因り、アノード区画入口２４０に進入する混合燃料２００より低い圧力で出てゆくことになる。

【0027】

[0030]アノード区画出口２３０は、再循環装置１１０の第１通路２５０に流体接続されていてもよい。排気２２０は、再循環装置１１０に第１通路２５０を介して進入することができ、燃料１２０の流れと混合されることになる。燃料１２０は、再循環装置１１０の第２通路２６０を通って供給されることになる。排気２２０と燃料１２０が再循環装置１１０で混合された後、当該混合物は第３通路２７０を通って混合燃料２００として吐出されることになる。第３通路２７０はアノード区画入口２４０に流体接続されているので、混合燃料２００はアノード区画１４０に流入できるようになっている。図１に描かれている様に、再循環装置１１０と燃料電池１３０の間に再循環ループ２８０の流れが流れている。

【0028】

[0031]典型的な作動条件下では、燃料１２０の第２通路２６０での圧力は約３０ｐｓｉｇから約５００ｐｓｉｇの間の範囲にある。第１通路２５０の排気２２０の圧力は、約３ｐｓｉｇから約６０ｐｓｉｇの間の範囲にある。また、第３通路２７０を出てゆく混合燃料２００の圧力は、約３ｐｓｉｇから約２０ｐｓｉｇの間の範囲にある。これらの可変圧力範囲の理由は以下に説明されている。

【0029】

[0032]アノード区画１４０に起こるアノード電気化学反応は混合燃料２００を消費し、再循環ループ２８０内の一定体積圧力を減少させる。これに対抗するため、再循環装置１１０は継続的燃料再循環で作動されるようになっている。具体的には、或る特定の流量での第２通路２６０への燃料１２０導入が、電気負荷回路１９０がパワー出力を立ち上げる又は立ち下げている間の燃料電池１３０からのパワー発生を維持するのに必要とされる一定体積圧力を再循環ループ２８０内に維持する。再循環装置１１０は、燃料１２０の流れを上述の様に即ち受動式に、能動制御無しに、調整するように構成されている。

【0030】

[0033]図２Ａは、或る例示としての実施形態による再循環装置１１０の断面略図である。再循環装置１１０は、本体４００、ノズル４１０、及びピストン４２０を備えている。先に説明されている様に、再循環装置１１０は、排気２２０を第１通路２５０経由で受け入れ、燃料１２０を第２通路２６０経由で受け入れるように構成されている。燃料１２０の流れと排気２２０の流れは一体化し、混合燃料２００が再循環装置１１０を第３通路２７０経由で出てゆく。

【0031】

[0034]本体４００は、ノズル４１０及びピストン４２０を収納するように構成されている内部空洞部４３０を有する構造を備えるものとすることができる。例えば、本体４００は、金属、合金、プラスチック、複合材料、又は同等の材料で構築されていてもよい。本体４００は、摩擦を低減するように又は腐食保護を高めるように被膜を有しているか又は表面処理を施されていてもよい。例えば、テフロン被膜又は硬質陽極酸化処理を利用することができよう。

【0032】

[0035]本体４００は、単体構造を備えていてもよいし、複数部品の組立体を備えていてもよい。具体的には、再循環装置１１０は、修理又は交換を可能にさせるために燃料電池システム１００からの容易取り外しに適する設計とすることができる。例えば、本体４００は、第１本体部分４４０と第２本体部分４５０を備えていてもよい。本体の部分４４０と部分４５０は、各種取り付け機構によって固定的に又は取り外し可能に互いへ連結されている。

【0033】

[0036]再循環装置１１０は、本体４００の上流部分から本体４００の下流部分へ延びる長手方向軸４６０を含んでいる。例えば、第１本体部分４４０が下流（即ち、図２Ａの右側）にあり、第２本体部分４５０が上流（即ち、図２Ａの左側）に設置されていてもよい。燃料１２０は、長手方向軸４６０に略平行に上流から下流へ流れてゆくことができる。排気２２０は長手方向軸４６０及び燃料１２０に略垂直に流れ、燃料１２０と混合されて混合燃料２００を形成することができ、当該混合燃料も長手方向軸４６０に略平行に第３通路２７０から流れてゆく。

【0034】

[0037]第３通路２７０は、少なくとも本体４００又は第１本体部分４４０の一部を貫いて延びるものとすることができる。例えば、第３通路２７０は内部空洞部４３０の内表面から第１本体部分４４０の外部表面まで延びていてもよい。第３通路２７０は、先細部分を含むものとすることができ、燃料１２０と排気２２０の混合を増進させるように構成されていてもよい。

【0035】

[0038]第１通路２５０は排気２２０を受け入れるように構成されている。第１通路２５０は図２Ａには第３通路２７０に垂直であるものとして示されているが、第１通路２５０は第３通路２７０に対して様々な角度に向き付けられていてもよい。第１通路２５０は、少なくとも本体４００又は第１本体部分４４０の一部を貫いて延びていてもよい。具体的には、第１通路２５０は本体４００／第１本体部分４４０の外表面から内部空洞部４３０の内表面まで延びていてもよい。他の実施形態では、第１通路２５０は排気２２０を受け入れるように構成されている複数の通路を備えている場合もある。

【0036】

[0039]第２通路２６０は燃料１２０の流れを受け入れるように構成されている。幾つかの態様では、第２通路２６０は本体４００又は第２本体部分４５０の外部表面から内部空洞部４３０の内表面まで延びている。第２通路２６０は、燃料１３０供給ラインへ連結するように構成されている各種連結器（図示せず）を含むものとすることができる。

【0037】

[0040]第１通路２５０、第２通路２６０、第３通路２７０、アノード区画入口２４０、又はアノード区画出口２３０のところの接続金具（図示せず）は、急速接続連結器又は容易組立又は容易分解を可能にさせる同等の様式の接続具を利用していてもよい。接続金具は、ノズル４１０からの流れ吐出によって引き起こされ得る振動又は圧力変動を吸収するように構成されていてもよい。

【0038】

[0041]或る代わりの実施形態（図示せず）では、再循環装置１１０の幾何学形状は燃料電池１３０の一部分へ一体化されている。その様な構成は相互接続用金具の必要性を無くすことができる。

【0039】

[0042]本体４００はノズル４１０を受け入れるように構成されている。ノズル４１０は、燃料１２０の流れを、燃料１２０が排気２２０と一体化される混合室４７０の中へ導入するように構成されている。混合燃料２００は、その後、再循環装置１１０から出力され、再循環ループ２８０の一部を形成する。

【0040】

[0043]ノズル４１０は、燃料１２０が上流場所（図２Ａで示せば左手）から下流場所（図２Ａで示せば右手）へ流れる際に、燃料１２０の流れを加速するように構成されている。ノズル４１０は、混合室４７０で燃料１２０が排気２２０と十分に混ざり合えるように燃料１２０をエアゾール化する形状又は寸法とすることができる。ノズル４１０は、ノズル４１０から吐出される燃料の流量が、混合室４７０のノズル横の領域に相対的陰圧を作り出すように構成されていてもよい。

【0041】

[0044]幾つかの実施形態では、ノズル４１０は、超音速流体流れで作動するように構成されている。ノズル４１０は、更に、ノズル４１０を出てゆく燃料１２０の流れに略垂直な排気２２０の流れを受け入れるように構成されていてもよい。ノズル４１０の外表面は、ノズル４１０を出てゆく燃料１２０の流れの周りに排気２２０の実質的な乱流を形成するように構成されていてもよい。具体的には、排気２２０の流れは、ノズル４１０を出てゆく燃料１２０の噴流周りの略円形運動でノズル４１０の周りに渦を巻くようになっていてもよい。燃料１２０と排気２２０のその様な異なる流れ経路は２つの流体流れの混合を増進させる。

【0042】

[0045]ノズル４１０は、金属、合金、複合材料、又は高圧力高速度流体適用に侵食無しに対応する能力のある同等の材料で構築することができる。ノズル４１０の内表面は、流量効率を最大化するように又は燃料１２０の高い吐出速度を維持するように研磨低摩擦仕上げを施されていてもよい。

【0043】

[0046]他の実施形態では、ノズル４１０は本体４００の一部として形成されており、本体４００とノズル４１０の単体構造を作り上げている。更に他の実施形態では、ノズル４１０は、第１本体部分４４０又は第２本体部分４５０の一部として形成されている。

【0044】

[0047]ノズル４１０は、内部空洞部４３０をノズル４１０の下流の混合室４７０とノズル４１０の上流のピストン室４８０へ分割している。混合室４７０とピストン室４８０は流体接続されていてもよい。例えば、排気２２０が第１通路２５０又は混合室４７０からピストン室４８０へ流れることができるようになっていてもよい。例えば、１つ又はそれ以上の貫通口４９０が、流体が混合室４７０からピストン室４８０の中へ流れることを許容するように構成されていてもよい。

【0045】

[0048]他の実施形態では、ピストン室４８０への排気２２０の流れは、本体４００構造中の、混合室４７０をピストン室４８０に流体接続している通路を経由している。

【0046】

[0049]ノズル４１０は、概して上流に配置されている第１端５００と概して下流に配置されている第２端５１０を有するものとすることができる。ノズル４１０は、第１端５００と第２端５１０の間に配置されているノズル空洞部５２０を備えるものとすることができ、ノズル空洞部５２０はノズル４１０を貫く燃料１２０の通路を提供するように構成されていてもよい。図２Ａに示されている様に、ノズル空洞部５２０は、第１端５００から第２端５１０へ延びながら直径が減少し狭窄している。

【0047】

[0050]第２端５１０は、燃料１２０の流れがノズル空洞部５２０から混合室４７０へ通るのを許容するように構成されたオリフィス６２０を備えている。オリフィス６２０は、燃料１２０の混合室４７０への噴霧又は流れ分配を提供する形状とすることができる。オリフィス６２０は、第２端５１０の最も端の表面に配置させることもできるであろうし、概して第２端５１０の下流領域内に配置させることもできよう。更に、オリフィス６２０の開口部は、方形、矩形、円形、三角形、又は他の形状の断面形状を備えていてもよいと考えている。

【0048】

[0051]ノズル４１０の第１端５００は、燃料１２０をノズル空洞部５２０の中へ受け入れるように構成されている。具体的には第１端５００はピストン４２０の少なくとも一部を受け入れることができる。他の実施形態では、ノズル４１０はピストン４２０を受け入れていない場合もある。むしろピストン４２０はノズル空洞部５２０へ流体接続している本体４００の部分によって受け入れられていてもよい。

【0049】

[0052]ピストン４２０は、第２通路２６０からノズル４１０の第１端５００への燃料１２０の通路を提供するように構成されている。ピストン４２０は、更に、第２通路２６０を通過してノズル４１０の第１端５００へ至りオリフィス６２０から出る燃料１２０の流れを制御するように構成されている。幾つかの実施形態では、ピストン４２０は、ピストン室４８０に形成される排気２２０の圧力に基づいて、燃料１２０の流れを制御することができる。

【0050】

[0053]ピストン４２０は、金属、合金、複合材料、又は高圧力高速度流体適用に対応する能力のある同等の材料で構築することができる。

【0051】

[0054]ピストン４２０は、第１本体部分４４０内に形成されているピストン室４８０に滑動可能に配置されている。他の実施形態では、ピストン４２０は、第２本体部分４５０内又は単体構造を備える単一本体４００内に形成されているピストン室４８０に滑動可能に配置されている。

【0052】

[0055]ピストン４２０は、ベアリング又は同等の機構を介し、なおも封止された縁を維持しながらにピストン室４８０の内表面に沿って滑動するようになっている。ピストン４２０の外縁は、排気２２０がピストン４２０を迂回するのを防止するために、ピストン室４８０内表面に押し付けて密に封止するように構成されている。

【0053】

[0056]或る代わりの実施形態では、ピストン４２０のピストン室４８０に対する滑動を可能にさせるためにダイヤフラム（図示せず）が使用されている。ダイヤフラムシール（図示せず）がピストン４２０の外壁及びピストン室４８０の内壁へ固定されていてもよい。

【0054】

[0057]ピストン４２０とピストン室４８０表面の間に適切な摩擦があれば、排気２２０の圧力変動に反応したピストン４２０の急激な揺動を防ぐことができる。ピストン室４８０は、ピストン４２０を受け入れる構成の略円筒形とすることができる。他の実施形態では、ピストン室４８０は異なった形状をしている場合もある。例えば、ピストン室４８０は、対応する形状を有するピストン４２０を受け入れるように構成された方形、楕円形、又は矩形であってもよい。

【0055】

[0058]ピストン４２０は上流端である第１端５４０と下流端である第２端５５０を有している。ピストン４２０は、第１端５４０と第２端５５０の間に配置されたピストン空洞部５６０を有し、第１端５４０の周りの領域から第２端５５０への流体通路を提供している。第２端５５０はノズル空洞部５２０と流体接続している。

【0056】

[0059]ピストン４２０はピストンヘッド５３０を備えている。ピストンヘッド５３０は、ピストン空洞部５６０を取り囲む壁から横方向にピストン室４８０の内表面に向かって延びている。ピストンヘッド５３０はピストン室４８０内を概して長手方向軸４６０に沿って動くことができる。ピストンヘッド５３０は、ピストンヘッド表面５７０の排気２２０の流れに対し構成されている。具体的には、排気２２０の圧力がピストンヘッド表面５７０を押すように働いてピストン４２０を長手方向に動かすことになる。

【0057】

[0060]ピストン４２０の第１端５４０は弁棒５９０を備えるものとすることができる。弁棒５９０は弁座６００と嵌り合うように構成されている先細端を有するものとすることができる。流入通路６１０が略第１端５４０領域に配置されている。流入通路６１０は、燃料１２０が第２通路２６０から流れてきて弁座６００と弁棒５９０の間を通りピストン空洞部５６０の中へ流れてゆけるようにしている。

【0058】

[0061]以上に論じられている様に、再循環装置１１０は、燃料１２０を第２通路２６０を通じて受け入れ且つ燃料１２０を排気２２０と一体化させるように構成されている。第２本体部分４５０に形成されている第２通路２６０は漸減してゆき狭い断面積になった後に壁が拡がって第２通路２６０の断面積を増加させ弁座６００を形成している。弁座６００は弁棒５９０に係合するように構成されている。

【0059】

[0062]弁棒５９０の外周面は、第１端５４０の近傍で、その直径が第１端５４０の最も外側の面に向かって進んでゆくにつれて減少しているような形状とすることができる。弁棒５９０は尖で終端していてもよい。第１端５４０から下流には、弁棒５９０の外表面から弁棒５９０の壁を貫いてピストン空洞部５６０へ延びている流入通路６１０がある。流入通路６１０は、第２通路２６０からの燃料１２０が弁座６００と弁棒５９０の間を通ってピストン空洞部５６０の中へ流れてゆけるようにしている。燃料１２０は、ピストン空洞部５６０から、第２端５５０へ、そしてノズル空洞部５２０の中へと流れることができる。ノズル空洞部５２０から、燃料１２０はオリフィス６２０を通って混合室４７０の中へ流れることができる。上述されている燃料１２０の流れ経路の結果として、弁座６００と弁棒５９０の間を通過した燃料１２０は、混合室４７０に至るまで流れてゆき、そこで排気２２０と混ざり合って混合燃料２００を形成することになる。

【0060】

[0063]再循環装置１１０は次の様に作動することができる。排気２２０がピストンヘッド表面５７０を押すように圧力を働かせると、図２Ｂに示されている様に力５８０が発生する。力５８０の上流方向の向きは長手方向軸４６０に略平行になっている。

【0061】

[0064]力５８０は、ピストン４２０及び弁棒５９０を上流の第２通路２６０及び弁座６００に向かって略長手方向軸４６０に沿って滑動させることになる。例えば、ピストン４２０及び弁棒５９０は、弁棒５９０が弁座６００に接触し面同士が係合するまで、上流へ滑動してゆく。この係合は第２通路２６０を通る全流れを完全に遮断する。こうして、弁棒５９０と弁座６００の間の開口の面積は、ピストン４２０及び弁棒５９０を長手方向軸４６０に沿って動かすことによって変化させることができる。ピストン４２０の本体４００に対する運動は、第２通路２６０を通り弁座６００と弁棒５９０の間を流れてゆく燃料１２０の流量を制御することができる。

【0062】

[0065]弁棒５９０と弁座６００の間を通過した燃料１２０は流入通路６１０を通ってピストン空洞部５６０に入りノズル空洞部５２０へと流れてゆく。ノズル空洞部５２０から、燃料はオリフィス６２０を通って混合室４７０の中へ流れてゆく。混合室４７０で燃料１２０は排気２２０と混ざり合う。最終的に、燃料１２０は混合燃料２００として第３通路２７０から出てアノード区画１４０へと流れてゆく。

【0063】

[0066]第２通路２６０に進入する燃料１２０は、弁座６００を通過してゆく際に弁棒５９０の先細端に接触することになる。而して、燃料１２０は弁棒５９０の先細面を押すように圧力を働かせ、図２Ｂに示されている様に燃料力６３０が発生する。力６３０は全体として長手方向軸４６０に沿って下流方向を向いている。力５８０と燃料力６３０の和がピストン４２０及び弁棒５９０の本体４００に対する位置を決定する。力５８０と力６３０の釣り合わせが、ノズル４１０及びオリフィス６２０を通って混合室４７０の中へ流れてゆく燃料１２０の流量を制御する。

【0064】

[0067]図２Ｂは、或る例示としての実施形態によるピストン４２０の概略等角投影図である。図２Ｂは、ピストンヘッド５３０及び弁棒５９０の有効表面積を、ピストン４２０及び弁棒５９０へ加えられている力５８０及び燃料力６３０と共に示している。

【0065】

[0068]他の実施形態では、燃料力６３０はばね（図示せず）によって補われている場合もある。その様なばねはピストン室４８０内に設置することができよう。例えば、ばねはピストン４２０を押すように下流方向への追加の力を働かせるように構成されていてもよいであろう。この方向は長手方向軸４６０に略平行とすることができよう。ばねを選択することにより、ピストンを動かすのに必要とされる所望アノード圧力を設定することができる。代わりの実施形態では、張力の掛けられたばね（図示せず）が、力５８０を補うのに使用されている場合もある。

【0066】

[0069]図３は、再循環装置の或る代わりの実施形態１０１０を示している。図２と同様、再循環装置１０１０は本体７００とピストン７１０を備えている。但し、図３に開示されている実施形態は更に針７２０を有している。

【0067】

[0070]図２の本体４００と同様、本体７００は第１通路７３０の排気２２０の流れ及び第２通路７４０の燃料１２０の流れを受け入れることができる。両流れは本体７００内で混ざり合い、図１に示されている様に混合燃料２００として第３通路７５０から吐出される。

【0068】

[0071]本体７００は、ピストン７１０を収納するように構成された内部空洞部７６０を有する構造を備えるものとすることができる。例えば、本体７００は第１本体部分７７０と第２本体部分７８０を備えるものとすることができる。本体の部分７７０と部分７８０は上述されている様に各種機構を使用して互いへ連結されている。

【0069】

[0072]ピストン７１０は、上述のノズル４１０と同様に、燃料１２０の流れを混合室７９０の中へ導入するように構成されている。例えば、ピストン７１０は燃料１２０がピストン７１０を通って流れてゆく際に燃料１２０を加速することができる。燃料１２０は、混合室７９０内での混合が可能になるように排気２２０を燃料１２０と一体に同伴するのに必要な速度に達することができる。ピストン７１０は、針７２０から混合室７９０への燃料１２０の通路を提供することができる。ピストン７１０は、更に、第２通路７４０を通る燃料１２０の流れを、ピストン７１０を押すように加えられる内部空洞部７６０の排気２２０圧力に基づいて制御することができる。

【0070】

[0073]ピストン７１０は、本体７００に形成されている内部空洞部７６０内に滑動可能に配置されていてもよい。ピストン７１０は、ベアリング又は同等の機構を介し、なおも封止された縁を維持しながらに内部空洞部７６０に沿って滑動するようになっている。本体７００は、ピストン７１０が内部空洞部７６０内を滑動する範囲を制限するように構成されている。ピストン７１０と内部空洞部７６０表面の間に適切な摩擦があれば、排気２２０の圧力変動に反応したピストン７１０の急激な揺動を防ぐことができる。

【0071】

[0074]ピストン７１０は、概して上流に配置されている第１端８００と概して下流に配置されている第２端８１０を有している。ピストン７１０は、第１端８００と第２端８１０の間に配置されているピストン空洞部８２０を備えており、ピストン空洞部８２０は、針７２０を受け入れ且つピストン７１０を通る燃料１３０の通路を提供するように構成されていてもよい。

【0072】

[0075]第１端８００は、針７２０を受け入れるように構成されているピストンヘッド８３０を備えるものとすることができる。ピストンヘッド８３０は、排気２２０の圧力をピストンヘッド表面８４０に受けるように構成されている。排気２２０はピストンヘッド表面８４０を押すように圧力を働かせ、概して上流方向への力８５０を発生させる。

【0073】

[0076]ピストンヘッド８３０の外縁は、排気２２０がピストンヘッド８３０の表面を迂回するのを防止するために、内側の空洞部７６０表面に押し付けて密に封止するように構成されている。

【0074】

[0077]ピストン７１０の第２端８１０は、流体の流れがピストン空洞部８２０から混合室７９０へ通ってゆけるようにするオリフィス８７０を備えている。オリフィス８７０は、燃料１２０の混合室７９０への噴霧又は流れ分配を提供する形状とすることができる。オリフィス８７０の内表面の一部は、厳密には、オリフィス８７０を貫いて針７２０の一部分を受け入れるように構成されている。

【0075】

[0078]オリフィス８７０は、第２端８１０の最も端の表面に配置されていてもよいし、略第２端領域に配置されていてもよい。ピストン空洞部８２０は第２端８１０領域では、第２端８１０に向かって延びながら直径が減少し狭くなってゆき、狭窄内空洞部８８０を作り出している。狭窄内空洞部８８０は、針７２０を受け入れ且つ針の外表面に係合するように構成されている。

【0076】

[0079]針７２０は、第２通路７４０からの燃料１２０の、ピストン７１０狭窄内空洞部８８０への通過を可能にする。針７２０は、概して上流に配置されている第１端８９０と概して下流に配置されている第２端９００を有している。針７２０は、第１端８９０と第２端９００の間に配置されていて第１端８９０から略第２端９００領域への通路を提供している針中央空洞部９１０を有するものとすることができる。針７２０は、第２本体部分７８０から下流へ長手方向軸８６０に略平行に混合室７９０の略中央領域まで延びている。

【0077】

[0080]針７２０の第１端８９０は、燃料１２０を第２通路７４０から受け入れ、針の中央空洞部９１０の中へ流れてゆけるようにしている。針７２０は、ピストン空洞部８２０の中へ略狭窄内空洞部領域に達するまで滑動可能に挿入されるように構成されている。

【0078】

[0081]他の実施形態では、針７２０は、第１本体部分７７０又は本体７００へ連結されるようになった別体構造とすることができる。

【0079】

[0082]第２端９００の上流に、針７２０は、流体が針中央空洞部９１０から針７２０の壁を貫いてピストン空洞部８２０の中へ、そして狭窄内空洞部８８０の中へと通過できるようにする流出通路９２０を有している。第２端９００の近傍にある針７２０の部分は漸減してゆき、それにより針７２０の断面積の直径が小さくなっている。針７２０の最も下流の端は尖を含んでいてもよい。針７２０の先細部分は、狭窄内空洞部８８０の表面及びオリフィス８７０に係合するように構成されている。

【0080】

[0083]再循環装置１０１０は次の様に作動することができる。図３Ｂに示されている様に力８５０がピストンヘッド表面８４０に加えられる。これはピストン７１０を概して上流へ滑動させることになる。この方向は長手方向軸８６０に略平行である。運動は、ピストン７１０が上流へ滑動してゆくにつれて第２端９００を狭窄内空洞部８８０からオリフィス８７０を通じて突き出させる。ピストン７１０は上流へ針７２０の第２端９００がオリフィス８７０を通って突き出るまで滑動してゆく。この運動はオリフィス８７０を塞ぎ、それ以上の滑動を阻止又は制限し、オリフィス８７０を通る流れを遮断することができる。こうして、ピストン７１０の狭窄内空洞部８８０と針の第２端９００の間の開口部の面積を変化させることができる。開口部面積を変えることでオリフィス８７０を通過する燃料１２０の流量を制御することができる。オリフィス８７０を通過する燃料１２０の流れを制御することで、第２通路７４０を通過する燃料１２０の流れを制御することができる。

【0081】

[0084]ばね（図示せず）が内部空洞部７６０内に設置され、力８５０に対抗するように使用されていてもよい。例えば、ばねはピストン８３０を押すように下流方向へばね力を働かせるように構成されていてもよいであろう。この方向は長手方向軸８６０に略平行とすることができよう。力８５０とばね力９３０の和がピストン８５０の位置を決定することになる。ピストン８５０の位置が、オリフィス８７０を通って混合室７９０に入る燃料１２０の流量を制御する。ばねを選択して、ピストン８５０を動かすアノード圧力を設定することができる。

【0082】

[0085]他の実施形態では、ばね力９３０は、ピストン８３０の上流の内部空洞部７６０を加圧することによって発生する液圧力で補われていてもよいし又は液圧力に置き換えられていてもよい。

【0083】

[0086]ここに開示されている本発明の明細書及び実践の考察から、当業者には本発明の他の実施形態が自明であろう。明細書及び実施例は例示に過ぎないと考えられるべきであり、本発明の真の範囲及び精神は次に続く特許請求の範囲によって示されるものとする。

【符号の説明】

【0084】

１００ 燃料電池システム
１１０ 再循環装置
１２０ 燃料
１３０ 燃料電池
１４０ アノード区画
１５０ アノード
１６０ 電解質
１７０ カソード区画
１８０ カソード
１９０ 電気負荷回路
２００ 混合燃料
２１０ 酸素の流れ
２２０ 排気
２３０ アノード区画出口
２４０ アノード区画入口
２５０ 第１通路
２６０ 第２通路
２７０ 第３通路
２８０ 再循環ループ
４００ 再循環装置本体
４１０ ノズル
４２０ ピストン
４３０ 内部空洞部
４４０ 第１本体部分
４５０ 第２本体部分
４６０ 長手方向軸
４７０ 混合室
４８０ ピストン室
４９０ 貫通口
５００ ノズルの第１端
５１０ ノズルの第２端
５２０ ノズル空洞部
５３０ ピストンヘッド
５４０ ピストンの第１端
５５０ ピストンの第２端
５６０ ピストン空洞部
５７０ ピストンヘッド表面
５８０ 上流方向の力
５９０ 弁棒
６００ 弁座
６１０ 流入通路
６２０ オリフィス
６３０ 下流方向の燃料力
７００ 再循環装置本体
７１０ ピストン
７２０ 針
７３０ 第１通路
７４０ 第２通路
７５０ 第３通路
７６０ 内部空洞部
７７０ 第１本体部分
７８０ 第２本体部分
７９０ 混合室
８００ ピストンの第１端
８１０ ピストンの第２端
８２０ ピストン空洞部
８３０ ピストンヘッド
８４０ ピストンヘッド表面
８５０ 上流方向の力
８６０ 長手方向軸
８７０ オリフィス
８８０ 狭窄内空洞部
８９０ 針の第１端
９００ 針の第２端
９１０ 針中央空洞部
９２０ 流出通路
９３０ 下流方向のばね力
１０１０ 再循環装置

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】