JP2015527543A5

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Publication number: JP2015527543A5
Application number: JP2015526586A
Authority: JP
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2033-08-01

Description

[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。

[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。

[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。

[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。

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。

Claims

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）。
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）。
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）。
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）。
前記排気（２２０）は燃料電池（１３０）の前記アノード区画（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）。
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）。
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）。
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）。