CN109119657A - 无源再循环设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种再循环设备，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；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，从而控制通过孔的燃料流量。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。

Description

无源再循环设备

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

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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

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。

图1是根据示例性实施例的燃料电池系统的示意图。

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。

图2B是根据示例性实施例的活塞和阀杆的等距示意图。

图3A是根据另一示例性实施例的喷射器的剖视图。

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

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。

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外，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。

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。

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。

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隔室出口230从阳极隔室140中排出作为排气220。由于在阳极电化学反应中消耗的燃料的固定体积压力减少，所以从阳极隔室出口230中排出的排气220可以以比进入阳极隔室入口240的混合燃料200低的压力排出。

阳极隔室出口230可以流体地连接到再循环设备110的第一通道250。排气220可以经由第一通道250进入再循环设备110并且可以与燃料120流混合。通过再循环设备110的第二通道260可以供应燃料120。排气220和燃料120在再循环设备110中混合之后，混合物可以通过第三通道270排出作为混合燃料200。第三通道270可以流体地连接到阳极隔室入口240，用于允许混合燃料200流入阳极隔室140。如图1所示，再循环回路160的流可以在再循环设备110和燃料电池130之间流动。

在典型的操作条件下，第二通道260处的燃料120的压力范围可以为约30 psig到约500 psig之间。第一通道250内的排气220的压力范围可以为约3 psig到约60 psig之间。以及离开第三通道270的混合燃料200的压力范围可以为约3 psig到约20 psig之间。这些可变压力范围的原因如下所述。

发生在阳极隔室140中的阳极电化学反应消耗混合燃料200并且降低再循环回路160内的固定体积压力。为了克服这个问题，再循环设备110可以使用连续燃料再循环来操作。特别地，在电负载电路190的功率输出上升或下降的同时，以特定的流量引入到第二通道260中的燃料120可以维持再循环回路160内的用来维持燃料电池130产生电所需的固定体积压力。如上所述，即，无源地并且无需有源控制，再循环设备110可以被配置成调节燃料120流。

图2A是根据示例性实施例的再循环设备10的剖视图。再循环设备110可以包括本体400、喷嘴410、和活塞410。如前所述，再循环设备110可以被配置成经由第一通道250接收排气220并且经由第二通道260接收燃料120。燃料120流和排气220流可以组合并且混合燃料200可以经由第三通道270离开再循环设备110。

本体400可以包括具有内腔430的结构，该内腔被配置成容纳喷嘴410和活塞420。例如，本体400可以由金属、金属合金、塑料、复合材料、或等效材料制成。本体400可以具有涂层或进行表面处理以减少摩擦或增加腐蚀保护。例如，聚四氟乙烯涂层或硬质阳极化处理均可以使用。

本体400可以包括单个结构或多个片的组件。特别地，再循环设备110可以被设计成容易从燃料电池系统100去除以用于维修或更换。例如，本体400可以包括第一本体段440和第二本体段450。本体段440和450可以使用各种附接机构来固定地或可移动地彼此耦合。

再循环设备110可以包括纵向轴线460，该纵向轴线460从本体400的上游段延伸到本体400的下游段。例如，第一本体段440可以处于下游（即，图2A中的右侧）并且第二本体段450可以放置在上游（即，图2A中的左侧）。燃料120可以大致平行于纵向轴线460从上游流到下游。排气220可以大致垂直于纵向轴线460和燃料120流动，并且可以与燃料120混合以形成混合燃料200，该混合燃料也可以大致平行于纵向轴线460从第三通道270流出。

第三通道270可以延伸通过本体400或第一本体段440的至少一部分。例如，第三通道270可以从内腔430的内表面延伸到第一本体段440的外表面。第三通道270可以包括锥形段并且可以被配置成加强燃料120和排气220的混合。

第一通道250可以被配置成接收排气220。尽管在图2A中第一通道250示为垂直于第三通道270，但是第一通道250可以相对于第三通道270以各种角度定位。第一通道250可以延伸通过本体400或第一本体段440的至少一部分。特别地，第一通道可以从本体400/第一本体段250的外表面延伸到内腔430的内表面。在其它实施例中，被配置成接收排气220的第一通道250可以包括多个通道。

第二通道260可以被配置成接收燃料120流。在一些方面中，第二通道260可以从本体400或第二本体段450的外表面延伸到内腔430的内表面。被配置成耦合到燃料130的供应线的第二通道260可以包括各种接头（未示出）。

第一通道250、第二通道260、第三通道270、阳极隔室入口240、或阳极隔室出口230处的连接配件（未示出）可以利用快速连接接头或等效样式连接来实现容易组装或拆卸。连接配件可以被配置成吸收振动或压力波动，该振动或压力波动可以是由从喷嘴410排出的流而导致的。

在可选实施例（未示出）中，再循环设备110的几何形状可以集成到燃料电池130的一部分中。这种配置可以消除对互连配件的需求。

本体400可以被配置成接收喷嘴410。喷嘴410可以被配置成将燃料120流引入到混合室470中，在混合室470中，燃料120与排气220组合。混合燃料200随后从再循环设备110输出并且形成再循环回路280的一部分。

喷嘴410可以被配置成当它从上游位置（如图2A中所示的向左）流到下游位置（如图2A所示的向右）时，加速燃料120流。喷嘴410的形状或尺寸被设计成雾化燃料120以允许燃料120与排气220在混合室470中充分混合。喷嘴410可以这样配置：从喷嘴410排出的燃料的流量在横向于喷嘴的混合室470中产生相对负压。

在一些实施例中，喷嘴410可以被配置成使用超音速流体流动来操作。喷嘴410还可以被配置成接收排气220流，该排气220流大致垂直于离开喷嘴410的燃料120流。喷嘴410的外表面可以被配置成形成围绕离开喷嘴410的燃料120流的排气220的大体上湍流。特别地，排气220流可以以围绕离开喷嘴410的燃料120射流的大致圆形运动来围绕喷嘴410打旋。燃料120和排气220的这种不同的流路可以加强两种流体流的混合。

喷嘴410可以由金属、金属合金、复合材料或能够应对高压和高速流体应用而不会被腐蚀的等效材料制成。喷嘴410的内表面可以具有抛光的低摩擦精整以最大限度地提高流速效率或维持燃料120的高排放速度。

在其它实施例中，喷嘴410可以形成为本体400的一部分，形成了本体400和喷嘴410的单个结构。并且，在其它实施例中，喷嘴410可以形成为第一本体段440或第二本体段450的一部分。

喷嘴410可以将内腔430划分成喷嘴410下游的混合室470和喷嘴410上游的活塞室480。混合室470和活塞室480可以流动地连接。例如，排气220可以从第一通道250或混合室470流到活塞室480。例如，一个或多个通口（through port）490可以被配置成允许流体从混合室470流入活塞室480。

在其它实施例中，流入活塞室480的排气220可以借助于通道处于本体400的结构中，该通道将混合室470流体地连接到活塞室480。

喷嘴410可以具有大致位于上游的第一端500和大致位于下游的第二端510。喷嘴410可以包括位于第一端500和第二端510之间的喷嘴腔520，其中喷嘴腔520可以被配置成提供燃料120通过喷嘴410的通道。如图2A所示，喷嘴腔520的直径可以减小，在从第一端500延伸到第二端510的同时变窄。

第二端510可以包括孔620，被配置成允许燃料120流从喷嘴腔520到混合室470之间通过。孔620的形状可以被设计成提供将燃料120喷射或流动分配到混合室470中。孔620可以位于在第二端510的最端部表面处或大致位于第二端510的下游区域内。还设想的是，孔620的开口的横截面形状可以包括正方形、长方形、圆形、三角形或其它形状。

喷嘴410的第一端500可以被配置成接收进入喷嘴腔520的燃料120。特别地，第一端500可以接收活塞420的至少一部分。在其它实施例中，喷嘴410可能不接收活塞420。相反，活塞420可以由本体400的一部分来接收，该本体400的一部分流体地连接到喷嘴腔520。

活塞420可以被配置成提供燃料120从第二通道260到喷嘴410的第一端500的通道。活塞420还可以被配置成控制通过第二通道260的燃料120流到喷嘴410的第一端500以及从孔620中流出。在一些实施例中，形成在活塞室480中的活塞420可以基于排气220的压力来控制燃料120流。

活塞420可以由金属、金属合金、复合材料或能够应对高压和高速流体应用的等效材料制成。

活塞420可以可滑动地位于活塞室480内，该活塞室480形成在第一本体段440内。在其他实施例中，活塞420可滑动地位于活塞室480或单个本体400内，该活塞室480形成在第二本体段450内，该单个本体400包括单个结构。

活塞420在仍然维持密封的边缘的同时，可以借助于轴承或等效机构沿着活塞室480的内表面滑动。活塞420的外边缘可以被配置成紧密密封活塞室480的内表面，以便防止排气220绕过活塞420。

在可选实施例中，隔膜（未示出）可以用来允许活塞420相对于活塞室480滑动。隔膜密封（未示出）可以固定到活塞420的外壁和活塞室480的内壁。

在活塞420和活塞室480之间可以存在适量摩擦以防止活塞420快速振荡，以响应于排气220的压力波动。被配置成接收活塞420的活塞室480可以为大致圆柱形。在其它实施例中，活塞室480可以为不同的形状。例如，配置成接收活塞420的活塞室480可以为正方形、椭圆形、或矩形，该活塞具有相应的形状。

活塞420可以具有第一端540和第二端550，该第一端540为上游端，并且该第二端550为下游端。活塞420可以具有活塞腔560，提供从第一端540周围的区域到第二端550的流体通道的活塞腔560位于第一端540和第二端550之间。第二端550可以与喷嘴腔520流体地连接。

活塞420可以包括活塞头530。活塞头530可以从围绕活塞腔560的壁向活塞室480的内表面侧向延伸。活塞头530可以在活塞室480中大致沿着纵向轴线460移动。活塞头530可以被配置成朝向活塞头表面570处的排气220流。特别地，排气220的压力可以施加到活塞头表面570来纵向地移动活塞420。

活塞420的第一端540可以包括阀杆590。阀杆590可以具有锥形端，该锥形端被配置成与阀座600配合。入口通道610可以位于第一端540的大致区域（general region）内。入口通道610可以允许燃料120流入活塞腔560，该燃料120从第二通道260中流出并且通过阀杆600和阀座590之间。

如上所讨论，再循环设备110可以被配置成通过第二通道260接收燃料120并且组合燃料120与排气220。在壁可以膨胀用于增加形成阀座600的第二通道260的横截面积之前，形成在第二本体段450内的第二通道260能够逐渐变细形成窄横截面积。阀座600可以被配置成与阀杆590接合。

阀杆590的外周面的形状可以被设计成在第一端540附近，其直径在向第一端540的最外表面靠近时减小。阀杆590可以终止于一点。第一端540的下游可以为入口通道610，该入口通道610通过阀杆590的壁从阀杆590的外表面延伸到活塞腔560。入口通道610可以允许燃料120从第二通道260流入活塞腔560，该第二通道260经过阀座600和阀杆260之间。燃料120可以从活塞腔560流到第二端550并进入喷嘴腔520。燃料120可以从喷嘴腔520通过孔620流入混合室470。由于上述燃料120的流路，经过阀座600和阀杆590之间的燃料120可以流动，直到它到达混合室470为止，在混合室470中，燃料120可以与排气220混合用于形成混合燃料200。

再循环设备110可以操作如下。如图2B所示，排气220可以对活塞头表面570施加压力，用于形成力580。力580的方向上游可以大致平行于纵向轴线460。

力580可以导致活塞420和阀杆590大致沿着纵向轴线460滑向第二通道260和阀座600的上游。例如，活塞420和阀杆590可以向上游滑动直到阀杆590接触阀座600为止并且表面相接合。这种接合可以完全阻止通过第二通道260的所有流动。因此，阀杆590和阀座600之间的开口面积可以通过沿着纵向轴线460致动活塞420和阀杆590来改变。活塞420相对于本体400的运动可以控制流经第二通道260并且经过阀座600和阀杆590之间的燃料120的流量。

经过阀杆590和阀座600之间的燃料120可以通过入口通道610进入活塞腔560流到喷嘴腔520。燃料可以通过孔620从喷嘴腔520流出进入混合室470。在混合室470中，燃料120可以与排气220混合。最终，燃料120可以从第三通道270流到阳极隔室140作为混合燃料200。

当进入第二通道260的燃料120经过阀座600时，它可以接触阀杆590的锥形端。如此可见，如图2B所示，燃料120可以对阀杆590的锥形表面施加压力，用于形成燃料力630。力630可以大致处于沿着纵向轴线460的下游方向上。力580和燃料力630的总和可以确定活塞420和阀杆590相对于本体400的位置。平衡力580、630可以控制燃料120的流量，该燃料120流经喷嘴410和孔620并进入混合室470。

图2B是根据示例性实施例的活塞420的等距示意图。图2B示出了活塞头530和阀杆630的可用表面面积连同可以施加到活塞420和阀杆590的力580和燃料力630。

在其它实施例中，燃料力630可以由弹簧（未示出）来补充。这种弹簧可以放置在活塞室480内。例如，弹簧可以被配置成在下游方向上对活塞420施加额外的力。该方向可以大致平行于纵向轴线460。选择该弹簧可以设置用来致动活塞所需的预期阳极压力。在可选实施例中，张力下的弹簧（未示出）可以用来补充力580。

图3示出了再循环设备1010的可选实施例。如图2所示，再循环设备1010可以包括本体700和活塞710。然而，图3中所公开的实施例也可以具有针720。

类似于图2中的本体400，本体700可以接收第一通道730中的排气220流和第二通道740中的燃料120。如图1所示，这两种流可以在本体700内混合并且从第三通道750中排出作为混合燃料200。

本体700可以包括具有内腔760的结构，该结构被配置成容纳活塞710。例如，本体700可以包括第一本体段770和第二本体段780。本体段770、780可以使用如上所述的各种机构来彼此耦合。

类似于上述的喷嘴410，活塞710可以被配置成将燃料120流引入到混合室790中。例如，当燃料120流经活塞710时，活塞710可以加速燃料120。燃料120可以达到使排气220夹带燃料120以允许在混合室790内混合所必需的速度。活塞710可以提供燃料120从针720到混合室790的通道。活塞710还可以基于在内腔760内对活塞710施加的排气220的压力来控制通过第二通道740的燃料120流。

活塞710可以可滑动地位于内腔760内，该内腔760形成在本体700内。活塞710在仍然维持密封的边缘的同时，可以借助于轴承或等效机构沿着内腔760滑动。本体700可以被配置成限制活塞710可以在内腔760内滑动的范围。可以在活塞710和内腔760之间存在适量摩擦以防止活塞710的快速振荡，以响应于排气220的压力波动。

活塞710可以具有大致位于上游的第一端800和大致位于下游的第二端810。活塞710可以包括位于第一端800和第二端810之间的活塞腔820，其中活塞腔820可以被配置成接收针720并且提供燃料130通过活塞710的通道。

第一端800可以包括活塞头830，该活塞头830被配置成接收针720。活塞头830可以被配置成接收活塞头表面840处的排气220的压力。排气220可以对活塞头表面840施加压力，用于在大致上游方向上形成力850。

活塞头830的外边缘可以被配置成紧密密封内腔760的表面，以便防止排气220绕过活塞头表面830。

活塞710的第二端810可以包括孔870，以允许流体从活塞腔820流到混合室790。孔870的形状可以被设计成提供将燃料120喷射或流动分配混合室790中。孔870的内表面的一部分可以被特定地配置成接收通过孔870的针720的一部分。

孔870可以位于第二端810的最端部表面处或大致位于第二端区域处。第二端810区域处的活塞腔820的直径可以减小，用于在向第二端810延伸的同时变窄，从而形成了狭窄内腔880。狭窄内腔880可以被配置成接收针720并且与针的外表面接合。

针720可以允许燃料120从第二通道740流到活塞710的狭窄内腔880。针720可以具有大致位于上游的第一端890和大致位于下游的第二端900。针720可以具有位于第一端890与第二端900之间的针中心腔910，该针中心腔910提供从第一端890到第二端900的大致区域的通道。针720可以大致平行于纵向轴线860从第二本体段780向下游延伸到混合室790的大致中心区域。

针720的第一端890可以从第二通道740中接收燃料120并且允许燃料流入针中心腔910。针720可以被配置成可滑动地插入活塞腔820直到到达狭窄内腔880的大致区域为止。

在其它实施例中，针720可以为单独的结构，该单独的结构可以耦合到第一本体段770或本体700。

在第二端900的上游，针720可以具有出口通道920，该出口通道920允许流体通过针720的壁从针中心腔910进入活塞腔820和狭窄内腔880。第二端900附近的针720的一部分可以逐渐变细，从而减小针720的横截面积的直径。针720的最下游端可以包括点。针720的锥形段可以被配置成与狭窄内腔880的表面和孔870接合。

再循环设备1010可以如下操作。如图3B所示，力850可以施加到活塞头表面840。这可能导致活塞710大致向上游滑动。该方向可以大致平行于纵向轴线860。当活塞710向上游滑动时，运动可以导致第二端900通过孔870从狭窄内腔880中突出。活塞710可以向上游滑动直到针720的第二端900通过孔870突出为止。这种运动可以充满孔870，用于预防或限制进一步滑动或阻塞流通过孔870。因此，可以改变活塞710的狭窄内腔880和针的第二端900之间的开口面积。修改该开口面积可以控制经过孔870的燃料120的流量。控制通过孔870的燃料120流可以控制经过第二通道740的燃料120流。

弹簧（未示出）可以放置在内腔760内并且用来以对抗力850。例如，弹簧可以被配置成在下游方向上对活塞830施加弹簧力930。该方向可以大致平行于纵向轴线860。力850和弹簧力930的总和可以确定活塞850的位置。活塞850的位置可以控制通过孔870进入混合室790内的燃料120的流量。可以选择弹簧来设置致动活塞850所需的阳极压力。

在其它实施例中，弹簧力930可以由液压力来补充或替换，该弹簧力通过在活塞830的上游处加压活塞830来形成。

考虑本文中所公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施例对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。旨在说明书和示例被视为仅仅示例性的，本发明的真正范围和精神由以下权利要求限定。

Claims (7)

1.一种再循环设备，包括：

限定内腔的本体，该本体包括被配置成接收排气至本体内的第一通道、被配置成接收燃料至本体内的第二通道、被配置成从本体排出排气和燃料的混合物的第三通道、和从第二通道延伸到第三通道的纵向轴线；

活塞，该活塞可滑动地位于本体内，该活塞具有隔膜密封，该隔膜密封固定至活塞的外壁和内腔的内壁，该活塞将内腔分离成暴露在该排气中的第一腔段和从该排气中被分离的第二腔段，该活塞包括活塞腔，该活塞腔被配置成接收穿过活塞腔的针，该活塞腔被配置成将燃料朝向孔引导，该孔位于活塞腔的最小横截面积处，由此，活塞由本体的第一腔段内的排气施加到活塞的排气力沿着本体的纵向轴线朝向第二通道致动；

混合室，该混合室位于本体内，被配置以接收排气并且被配置成从孔中接收燃料；

弹簧，该弹簧设置在本体的第二腔段内，对在第一腔段和第二腔段之间延伸的活塞的壁施加弹簧力，其中该弹簧力对抗排气力；和

针，该针固定地耦合到本体，包括：

第一端，该第一端从第二通道接收燃料并且将燃料送入中心腔，该中心腔朝向第二端延伸；和

出口通道，该出口通道将燃料从中心腔排出而进入活塞腔；

其中，活塞的外边缘被配置成紧密密封内腔的表面；并且

活塞的位置通过由本体内的排气的压力产生的排气力无源地控制，以便排气力、弹簧力和由于第二腔段内的无源压力而产生的液体压力的总和确定活塞的位置以及通过孔进入混合室的燃料的流量。

2.根据权利要求1所述的再循环设备，其中该设备被配置成在燃料电池系统内操作。

3.根据权利要求1所述的再循环设备，其中从孔喷出的燃料和排气被夹带并在混合室内混合。

4.根据权利要求1所述的再循环设备，其中排气从燃料电池的阳极隔室中排出并且燃料为含氢流体。

5.根据权利要求1所述的再循环设备，其中供应到再循环设备的第一通道的排气入口压力的范围为约3 psig到60 psig之间并且供应到再循环设备的第二通道的燃料压力的范围为30 psig到500 psig之间。

6.根据权利要求1所述的再循环设备，其中燃料和混合物中的至少一个的流速被配置成在超音速速度下操作。

7.根据权利要求1所述的再循环设备，其中当针进入孔时，减小孔的面积直到针填满孔并密封燃料流为止。