KR102343440B1 - 수동 재순환 장치 - Google Patents

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KR102343440B1
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벤자민 에스. 런트
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누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 배기 가스를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 관, 연료를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 2 관, 배기 가스 및 연료의 혼합물을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 3 관, 및 상기 제 2 관으로부터 상기 제 3 관으로 연장하는 길이 방향 축을 포함하는 몸체를 포함하는 재순환 장치를 제공한다. 장치는 또한 내부 캐비티의 가장 작은 단면적에 위치된, 오리피스를 향해 연료를 향하게 하는 상기 내부 캐비티를 포함하는 노즐, 및 상기 연료를 수용하도록 구성된 제 1 단부 및 상기 노즐 캐비티로 연료를 유입하도록 구성된 제 2 단부를 포함하는 상기 몸체 내에 활주 가능하게 위치된 피스톤으로서, 상기 오리피스를 통과하는 연료의 유동을 제어하는 배기 가스에 의해 상기 몸체의 상기 길이 방향 축을 따라 작동될 수 있는 상기 피스톤을 포함할 수 있다. 상기 몸체 내에 위치된 혼합 챔버는 배기 가스를 수용하도록 구성되고 상기 오리피스로부터 연료를 수용하도록 구성될 수 있다.

Description

수동 재순환 장치{PASSIVE RECIRCULATION DEVICE}
본 출원은 여기에 참조로써 통합되어 있는 2012년 8월 8일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/680,845호의 이점을 주장한다.
본 개시물은 유체 유동을 수동적으로 제어하는 재순환 장치에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 여기에 설명된 재순환 장치는 연료 전지의 재순환 루프에 공급되는 연료의 양을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
밸브들 또는 이젝터들(ejector)과 같은 다양한 장치들이 액체 및 가스 형태인 유체 유동을 제어하기 위해 사용된다. 이러한 장치들은 종종 조립체 내에서 유체의 유동 또는 조립체의 내외로의 유체의 유동들을 제어하기 위해 기계적 조립체에 포함된다. 이러한 유체 유동을 증가 또는 감소시키기 위해, 밸브들 또는 이젝터들은 통합된 전기, 공압, 또는 기계적 제어 구성 요소들을 가질 수 있다. 이 능동 제어 기구들이 흔히 사용되는 반면, 유압에 기초한 수동 제어는 다양한 조건들에서 효과적인 작동을 보장하기 위해 유체 유동을 정확하게 제어하거나 또는 구성 요소들을 치수설정하는 어려움 때문에 흔하게 사용되지 않는다.
연료 전지는 전력을 생성하는 장치이다. 연료로부터의 화학 에너지는 산소 또는 다른 산화제와의 화학 반응을 통해 전기로 전환된다. 화학 반응은 일반적으로 전기, 열, 및 물을 생성한다. 작동시에, 연료 전지는 보통 연료, 산화제, 또는 냉각 유체의 제어된 유동을 요구한다.
연료 전지는 애노드 격실 내의 애노드, 캐소드 격실 내의 캐소드, 및 전하가 애노드 및 캐소드 사이에서 이동하도록 하는 전해질을 포함할 수 있다. 전자는 애노드로부터 캐소드로 전기 부하 회로를 통해 이동하고, 전기를 생성한다. 전기 출력을 변경하도록, 밸브들, 이젝터들, 또는 다른 유동 장치들이 하나 이상의 격실들로의 유체 유동을 제어하기 위해 구성될 수 있다.
몇몇 예들에서, 연료의 유동이 애노드 격실에 공급되고, 산소 함유 가스(예를 들어, 공기)의 유동이 캐소드 격실에 공급된다. 연료는 아래에 반응식으로 나타낸 바와 같이, 연료의 일부가 애노드 격실에서 전기 화학 반응을 겪는 동안 애노드 격실을 통해 연속으로 유동할 수 있다.
2H2 → 4H+ + 4e-
애노드 전기 화학 반응에 의해 생성된 전자는 애노드로부터 캐소드로 전기 부하 회로를 통해 이동되고, 직류를 생성한다. 반응에 의해 생성된 양으로 대전된 이온은 애노드로부터 전해질을 통해 캐소드로 이동된다. 전해질은 양으로 대전된 이온의 통과 동안 음으로 대전된 전자의 통과를 방지하도록 구성될 수 있다.
전해질을 통한 양으로 대전된 이온의 통과 후에, 이온은 전기 부하 회로를 통과했던 전자와 캐소드 격실에서 결합할 수 있다. 결합은 아래에 반응식으로 나타낸 바와 같이, 캐소드 전기 화학 반응을 형성할 수 있고, 반응에서 물이 산소의 환원으로부터 생성된다.
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
애노드 격실에서 산화된 연료의 양은 전기 부하 회로로부터 요구되는 전력의 양에 의존할 수 있다. 연료의 일부가 애노드 격실로부터 배출되기 때문에 애노드 격실에 공급되는 모든 연료가 산화되지는 않는다.
연료 전지의 전체 효율을 증가시키기 위해서, 애노드 격실로부터의 배출물은 재순환 루프에 의해 애노드 격실의 입구로 다시 유동할 수 있다. 연료 전지가 연속적으로 전력을 생성하기 위해서, 연료는 애노드 격실에서 산화되는 연료를 대체하기 위해 재순환 루프에 유입되어야한다. 연료가 재순환 루프에 유입되는 속도는 전기 회로에 적용되는 부하에 의존할 것이고; 부하가 클수록, 더 많은 연료가 요구된다.
재순환 루프에 유입되는 연료의 유동은 밸브들 또는 이젝터들을 포함하는 다양한 장치들에 의해 제어될 수 있다. 연료 전지가 최소 전력 출력으로부터 최대 전력 출력으로 증가될 때 재순환 루프에 적절한 양의 연료를 공급하는 것은, 다양한 크기의 복수의 이젝터들 또는 유동을 조절할 수 있는 제어 밸브를 필요로 할 수 있다. 다양한 크기의 노즐들을 갖는 복수의 이젝터들뿐만 아니라 제어 밸브들은 고가일 수 있고 장치의 복잡성을 증가시킬 수 있다.
일부 종래 기술의 장치들은 가변적인 유동 이젝터들을 사용하여 복수의 이젝터들의 필요를 감소시켰고, 반면에 다른 종래 기술의 장치들은 이젝터와 결합하여 제어 밸브를 사용하였다. 예를 들어, 미국 특허 제6,858,340호는 연료 전지 시스템에서의 사용을 위한 가변적인 유동 이젝터를 개시하고 있다. 유체를 조절하기 위해 노즐에 대한 이젝터 제어 니들 이동에서 2개의 다이어프램들은 이젝터를 통해 유동한다. 미국 특허 제7,536,864호 및 미국 특허 제6,779,360호는 노즐 개구를 제어하기 위해 액추에이터를 사용한다. 그리고 미국 특허 출원 제2010/0068579호는 이젝터와 함께 사용되는 제어 밸브를 개시하고 있다.
그러나, 밸브들 및 이젝터들 모두는 능동 제어 시스템의 일부 형태를 요구하기 때문에 이 밸브들 및 이젝터들 어떠한 것도 수동 제어로 작동되지 않는다. 예를 들어, 복수의 유체는 복수의 다이어프램들을 변형하기 위해 사용되고, 관리되는 액추에이터는 램(ram)을 조종하고, 제어 액추에이터는 니들을 배치하고, 또는 제어 밸브는 피드백의 하류에 기초하여 유동을 조절한다. 본 개시물은 종래 기술의 적어도 일부 결점들을 극복한다.
상술된 상황들을 고려하여, 본 개시물은 연료 전지 시스템에 통합될 수 있는 재순환 장치를 제공한다. 재순환 장치는 애노드 격실의 배기 가스 압력에 기초하여 애노드 재순환 유동을 수동적으로 제어할 수 있다. 장치는 최소 전력 출력으로부터 최대 전력 출력으로의 조건들의 범위에 걸쳐 작동을 허용하기 위해 연료 전지에 연료를 공급할 수 있다.
본 개시물의 하나의 양태는 배기 가스를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 관, 연료를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 2 관, 배기 가스 및 연료의 혼합물을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 3 관, 및 상기 제 2 관으로부터 상기 제 3 관으로 연장하는 길이 방향 축을 포함하는 몸체를 포함할 수 있는 재순환 장치에 관한 것이다. 장치는 또한 내부 캐비티의 가장 작은 단면적에 위치된, 오리피스를 향해 연료를 향하게 하는 상기 내부 캐비티를 포함하는 노즐과, 상기 연료를 수용하도록 구성된 제 1 단부 및 상기 노즐 캐비티로 연료를 유입하도록 구성된 제 2 단부를 포함하는 상기 몸체 내에 활주 가능하게 위치된 피스톤으로서, 상기 피스톤은 상기 오리피스를 통과하는 연료의 유동을 제어하는 배기 가스에 의해 상기 몸체의 상기 길이 방향 축을 따라 작동될 수 있는 상기 피스톤을 포함할 수 있다. 상기 몸체 내에 위치된 혼합 챔버는 배기 가스를 수용하도록 구성될 수 있고 오리피스로부터 연료를 수용하도록 구성될 수 있다.
본 개시물의 또 다른 양태는 배기 가스를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 관, 연료를 수용하도록 구성된 밸브 시트를 포함하는 적어도 하나의 제 2 관, 배기 가스 및 연료의 혼합물을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 3 관, 및 상기 제 2 관으로부터 상기 제 3 관으로 연장하는 길이 방향 축을 포함하는 몸체를 포함하는 재순환 장치에 관한 것이다. 내부 캐비티를 포함하는 노즐은 내부 캐비티의 가장 작은 단면적에 위치된, 오리피스를 향해 연료를 향하게 할 수 있고, 여기서 노즐은 몸체에 고정적으로 연결될 수 있다. 재순환 장치는 또한 연료를 수용하도록 구성된 제 1 단부 및 노즐 캐비티에 노즐로 연료를 유입하도록 구성된 제 2 단부를 포함하는 몸체 내에 활주 가능하게 위치된 피스톤을 포함할 수 있고, 피스톤 표면은 배기 가스를 수용하도록 구성될 수 있어서 피스톤이 오리피스를 통과하는 연료의 유동을 제어하는 배기 가스에 의해 몸체의 길이 방향 축을 따라 작동될 수 있다. 혼합 챔버는 배기 가스를 수용하도록 구성되고 또한 오리피스로부터 연료를 수용하도록 구성된 몸체 내에 위치될 수 있고 테이퍼진 단부를 포함하는 밸브 스템은 피스톤의 제 1 단부에 고정적으로 연결될 수 있고, 길이 방향 축을 따라 작동되는 피스톤은 밸브 스템 제 1 단부 및 밸브 시트 사이의 거리를 제어한다.
본 개시물의 또 다른 양태는 배기 가스를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 관, 연료를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 2 관, 배기 가스 및 연료의 혼합물을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 3 관, 및 상기 제 2 관으로부터 상기 제 3 관으로 연장하는 길이 방향 축을 포함하는 몸체를 포함하는 재순환 장치에 관한 것이다. 장치는 또한 노즐 캐비티의 가장 작은 단면적에 위치된, 오리피스를 향해 연료를 향하게 하는 내부 캐비티를 포함하는 노즐을 포함할 수 있고, 여기서 노즐은 피스톤의 제 2 단부에 고정적으로 연결될 수 있다. 장치는 또한 피스톤 중앙 캐비티의 전체 길이를 통해 제 1 니들 부분을 수용하도록 구성된 중앙 캐비티를 포함하는 몸체 내에 활주 가능하게 위치된 피스톤을 포함할 수 있고, 피스톤 표면은 배기 가스를 수용하도록 구성될 수 있어, 피스톤은 오리피스를 통과하는 연료의 유동을 제어하는 배기 가스의 압력에 의해 몸체의 길이 방향 축을 따라 작동될 수 있다. 혼합 챔버는 배기 가스를 수용하도록 구성되고 오리피스로부터 연료를 수용하도록 구성된 몸체 내에 위치될 수 있다. 장치는 또한 제 2 니들 부분에 연결되는 중앙 캐비티 내로 공급되는 연료를 수용하기 위한 관을 포함하는 제 1 부분을 포함하는 몸체에 고정적으로 연결된 니들을 포함할 수 있고, 제 1 니들 부분과 제 2 니들 부분은 고정적으로 연결된다. 니들은 또한 연료가 중앙 캐비티로부터 노즐 캐비티로 나가도록 하는 출구 관을 갖는 제 2 부분을 포함할 수 있고; 제 2 니들 부분은 제 2 단부를 향해 테이퍼지고 테이퍼진 니들 부분의 표면은 노즐의 테이퍼진 내면과 평행하고 노즐 및 피스톤이 작동할 때 노즐의 내면과 결합하도록 구성된다.
상술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 예시적이고 설명을 위한 것이고 청구된 바와 같이, 개시물을 제한하지 않음이 이해되어야 한다.
이 명세서의 일부에 포함되고 일부를 구성하는 첨부된 도면들은 본 개시물의 일부 실시예들을 나타내고 설명과 함께 본 개시물의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지 시스템의 개략도.
도 2a는 이젝터의 확대 부분을 포함하는 예시적인 실시예에 따른, 이젝터의 절단면도.
도 2b는 예시적인 실시예에 따른, 피스톤 및 밸브 스템의 개략적인 등축도.
도 3a는 또 다른 예시적인 실시예에 따른, 이젝터의 절단면도.
도 3b는 또 다른 예시적인 실시예에 따른, 이젝터의 절단면도.
본 개시물의 예시적인 실시예들이 이제 상세하게 참조될 것이고, 그 예들은 첨부된 도면들에서 설명된다. 어느 도면에서든, 동일한 도면 부호들은 동일하거나 또는 유사한 부분들을 언급하도록 도면들 전반에 걸쳐 사용될 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른, 연료 전지 시스템(100)의 개략도이다. 연료 전지 시스템(100)은 재순환 장치(110)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 재순환 장치(110)는 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이 수동 재순환 이젝터를 포함할 수 있다. 재순환 장치(110) 외에, 연료 전지 시스템(100)은 연료(120) 및 연료 전지(130)를 포함할 수 있다. 연료(120)는 수소, 일산화탄소, 메탄올, 및 메탄과 같은 희석된 경질 탄화수소를 포함할 수 있다. 상술된 바와 같이, 연료 전지(130)는 화학 반응을 통해 전기를 생성하도록 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지(130)는 애노드 격실(140), 애노드(150), 전해질(160), 캐소드 격실(170), 캐소드(180), 및 전기 부하 회로(190)를 포함할 수 있다. 전해질(160)은 폴리머 막 및 수성 알칼리 용액을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 연료 전지(130)는 양자 교환 막, 인산, 고체 산화물 또는 용해된 카보네이트를 포함할 수 있다.
혼합된 연료(200)의 연속적인 유동은 애노드 격실(140)에 공급될 수 있다. 산소(210)의 유동은 캐소드 격실(170)에 공급될 수 있다. 혼합된 연료(200)가 애노드 격실(140)에 진입한다면, 혼합된 연료(200)의 일부는 애노드(150)에서 애노드 전기 화학 반응을 겪을 수 있다.
애노드 격실(140)에 공급되는 모든 혼합된 연료(200)가 애노드 전기 화학 반응에서 반드시 소비되지는 않는다. 애노드 격실(140) 내로 유동하는 혼합된 연료(200)의 일부는 애노드 격실(140)로부터 배기 가스(220)로서 애노드 격실 출구(230)를 통해 배출될 수 있다. 애노드 격실 출구(230)로부터 배출된 배기 가스(220)는 애노드 전기 화학 반응에서 소비된 연료로부터의 고정된 체적 압력 감소 때문에 애노드 격실 입구(240)에 진입하는 혼합된 연료(200)보다 낮은 압력으로 나갈 수 있다.
애노드 격실 출구(230)는 재순환 장치(110)의 제 1 관(250)에 유체 연결될 수 있다. 배기 가스(220)는 제 1 관(250)을 통해 재순환 장치(110)에 진입할 수 있고 연료(120)의 유동과 혼합될 수 있다. 연료(120)는 재순환 장치(110)의 제 2 관(260)을 통해 공급될 수 있다. 배기 가스(220) 및 연료(120)가 재순환 장치(110)에서 혼합된 후에, 혼합물은 혼합된 연료(200)로서 제 3 관(270)을 통해 배출될 수 있다. 제 3 관(270)이 애노드 격실 입구(240)에 유체 연결될 수 있고, 혼합된 연료(200)가 애노드 격실(140)로 유동하게 된다. 재순환 루프(160)의 유동은 도 1에 도시된 바와 같이 재순환 장치(110) 및 연료 전지(130) 사이에서 유동할 수 있다.
일반적인 작동 조건들에서, 제 2 관(260)에서의 연료(120)의 압력은 약 30 내지 약 500psig 사이의 범위에 있을 수 있다. 제 1 관(250) 내의 배기 가스(220)의 압력은 약 3 내지 약 60psig 사이의 범위에 있을 수 있다. 그리고 제 3 관(270)을 나가는 혼합된 연료(200)의 압력은 약 3 내지 약 20psig 사이의 범위에 있을 수 있다. 3개의 가변적인 압력 범위들에 대한 이유는 아래에 설명된다.
애노드 격실(140)에서 발생하는 애노드 전기 화학 반응은 혼합된 연료(200)를 소비하고 재순환 루프(160) 내에서 고정된 체적 압력을 감소시킨다. 이에 대응하기 위해서, 재순환 장치(110)는 연속적인 연료 재순환으로 작동될 수 있다. 구체적으로, 특정한 유속으로 제 2 관(260)에 진입하는 연료(120)는 전기 부하 회로(190)가 전력 출력을 증감하는 동안 연료 전지(130)로부터 전력 생성을 유지하도록 요구되는 재순환 루프(160) 내에서 고정된 체적 압력을 유지할 수 있다. 재순환 장치(110)는 상술된 바와 같이, 즉, 수동적으로 그리고 능동 제어 없이, 연료(120)의 유동을 조절하도록 구성될 수 있다.
도 2a는 예시적인 실시예에 따른, 재순환 장치(110)의 단면도이다. 재순환 장치(110)는 몸체(400), 노즐(410), 및 피스톤(420)을 포함할 수 있다. 상술된 바와 같이, 재순환 장치(110)는 제 1 관(250)을 통해 배기 가스(220) 및 제 2 관(260)을 통해 연료(120)를 수용하도록 구성될 수 있다. 연료(120) 및 배기 가스(220)의 유동은 결합될 수 있고 혼합된 연료(200)는 제 3 관(270)을 통해 재순환 장치(110)를 나갈 수 있다.
몸체(400)는 피스톤(420) 및 노즐(410)을 수납하도록 구성된 내부 캐비티(430)를 갖는 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몸체(400)는 금속, 금속 합금, 플라스틱, 복합 재료, 또는 등가 재료로 구성될 수 있다. 몸체(400)는 마찰을 감소시키거나 또는 방식을 증가시키기 위해 코팅부를 가질 수 있거나 또는 표면 처리를 받을 수 있다. 예를 들어, 테플론 코팅 또는 단단한 양극 산화 처리가 이용될 수 있다.
몸체(400)는 단일 구조체 또는 복수의 부분들의 조립체를 포함할 수 있다. 특히, 재순환 장치(110)는 정비 또는 교체를 허용하기 위해 연료 전지 시스템(100)으로부터의 용이한 제거를 위해 디자인될 수 있다. 예를 들어, 몸체(400)는 제 1 몸체 부분(440) 및 제 2 몸체 부분(450)을 포함할 수 있다. 몸체 부분들(440 및 450)은 다양한 부착 기구들을 사용하여 서로 고정적으로 또는 제거 가능하게 연결될 수 있다.
재순환 장치(110)는 몸체(400)의 상류 부분으로부터 몸체(400)의 하류 부분으로 연장하는 길이 방향 축(460)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 몸체 부분(440)은 하류에 있을 수 있고(즉, 도 2a에서 우측) 제 2 몸체 부분(450)은 상류에 배치될 수 있다(즉, 도 2a에서 좌측). 연료(120)는 상류로부터 하류로 길이 방향 축(460)에 대해 일반적으로 평행하게 유동할 수 있다. 배기 가스(220)는 길이 방향 축(460) 및 연료(120)에 대해 일반적으로 수직으로 유동할 수 있고, 또한 제 3 관(270)으로부터의 길이 방향 축(460)과 일반적으로 평행하게 유동할 수 있는 혼합된 연료(200)를 형성하기 위해 연료(120)와 혼합될 수 있다.
제 3 관(270)은 몸체(400)의 적어도 일부 또는 제 1 몸체 부분(440)을 통해 연장할 수 있다. 예를 들어, 제 3 관(270)은 내부 캐비티(430)의 내면으로부터 제 1 몸체 부분(440)의 외면으로 연장할 수 있다. 제 3 관(270)은 테이퍼진 부분을 포함할 수 있고 연료(120) 및 배기 가스(220)의 혼합을 향상시키도록 구성될 수 있다.
제 1 관(250)은 배기 가스(220)를 수용하도록 구성될 수 있다. 제 1 관(250)이 도 2a에서 제 3 관(270)과 수직인 것으로서 도시될지라도, 제 1 관(250)은 제 3 관(270)에 대해 다양한 각들로 배향될 수 있다. 제 1 관(250)은 몸체(400)의 적어도 일부 또는 제 1 몸체 부분(440)을 통해 연장할 수 있다. 특히, 제 1 관(250)은 몸체(400)의 외면/제 1 몸체 부분(440)으로부터 내부 캐비티(430)의 내면으로 연장할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제 1 관(250)은 배기 가스(220)를 수용하도록 구성된 복수의 관들을 포함할 수 있다.
제 2 관(260)은 연료(120)의 유동을 수용하도록 구성될 수 있다. 일부 양태들에서, 제 2 관(260)은 몸체(400)의 외면 또는 제 2 몸체 부분(450)으로부터 내부 캐비티(430)의 내면으로 연장할 수 있다. 제 2 관(260)은 연료(130) 공급 라인에 연결되도록 구성된 다양한 연결기들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
제 1 관(250), 제 2 관(260), 제 3 관(270), 애노드 격실 입구(240), 또는 애노드 격실 출구(230)에서의 연결 끼워맞춤부들(도시되지 않음)은 용이한 조립 또는 분해를 위해서 신속한-연결 연결기 또는 동등한 스타일의 연결부들을 이용할 수 있다. 연결 끼워맞춤부들은 노즐(410)로부터의 유동의 배출에 의해 야기될 수 있는 진동 또는 압력 진동을 흡수하도록 구성될 수 있다.
대안적인 실시예에서(도시되지 않음), 재순환 장치(110)의 기하학적 구조는 연료 전지(130)의 일부에 포함될 수 있다. 이러한 구성은 상호 연결하는 끼워맞춤부들의 필요를 제거할 수 있다.
몸체(400)는 노즐(410)을 수용하도록 구성될 수 있다. 노즐(410)은 연료(120)가 배기 가스(220)와 결합되는 혼합 챔버(470)에 연료(120)의 유동을 유입하도록 구성될 수 있다. 혼합된 연료(200)는 나중에 재순환 장치(110)로부터 출력되고 재순환 루프(280)의 일부를 형성한다.
노즐(410)은 연료가 상류 위치(도 2a에 도시된 바와 같이 좌측)로부터 하류 위치(도 2a에 도시된 바와 같이 우측)로 유동할 때 연료(120)의 유동을 가속화하도록 구성될 수 있다. 노즐(410)은 혼합 챔버(470)에서 배기 가스(220)와 연료(120)의 충분한 혼합을 허용하기 위해 연료(120)를 에어로졸화(aerosolize)하도록 형성 또는 크기 설정될 수 있다. 노즐(410)은 노즐(410)로부터 배출된 연료의 유속이 노즐 측면의 구역의 혼합 챔버(470)에서 상대 부압을 생성하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 노즐(410)은 초음속 유체 유동으로 작동하도록 구성될 수 있다. 노즐(410)은 또한 노즐(410)을 나가는 연료(120)의 유동에 대해 일반적으로 수직인 배기 가스(220)의 유동을 수용하도록 구성될 수 있다. 노즐(410)의 외면은 노즐(410)을 나가는 연료(120)의 유동에 대한 배기 가스(220)의 상당한 난류를 형성하도록 구성될 수 있다. 특히, 배기 가스(220)의 유동은 노즐(410)을 나가는 연료(120)의 제트에 대한 일반적인 원운동으로 노즐(410) 주위를 빙빙 돌 수 있다. 연료(120) 및 배기 가스(220)의 이러한 다른 유동 경로들은 유체의 2개의 유동의 혼합을 개선할 수 있다.
노즐(410)은 침식 없이 고압 및 고속 유체 적용을 다룰 수 있는 금속, 금속 합금, 복합 재료, 또는 등가 재료로 구성될 수 있다. 노즐(410)의 내면은 유량 효율을 최대화하고 또는 연료(120)의 높은 배출 속도를 유지하도록 폴리싱된 저마찰 마무리 작업을 받을 수 있다.
다른 실시예들에서, 노즐(410)은 몸체(400)의 일부로서 형성될 수 있고, 몸체(400) 및 노즐(410)의 단일 구조를 생성한다. 그리고 또 다른 실시예들에서, 노즐(410)은 제 1 몸체 부분(440) 또는 제 2 몸체 부분(450)의 일부로서 형성될 수 있다.
노즐(410)은 내부 캐비티(430)를 노즐(410)의 하류의 혼합 챔버(470) 및 노즐(410)의 상류의 피스톤 챔버(480)로 분할할 수 있다. 혼합 챔버(470) 및 피스톤 챔버(480)는 유체 연결될 수 있다. 예를 들어, 배기 가스(220)는 제 1 관(250) 또는 혼합 챔버(470)로부터 피스톤 챔버(480)로 유동할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 관통 포트들(490)은 혼합 챔버(470)로부터 피스톤 챔버(480)로의 유체 유동을 허용하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예들에서, 피스톤 챔버(480)로의 배기 가스(220)의 유동은 피스톤 챔버(480)와 혼합 챔버(470)를 유체 연결하는 몸체(400) 구조체 내의 관에 의해 있을 수 있다.
노즐(410)은 일반적으로 상류에 위치된 제 1 단부(500) 및 일반적으로 하류에 위치된 제 2 단부(510)를 가질 수 있다. 노즐(410)은 제 1 단부(500) 및 제 2 단부(510) 사이에 위치된 노즐 캐비티(520)를 포함할 수 있고, 노즐 캐비티(520)는 노즐(410)을 통해 연료(120)의 관을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 노즐 캐비티(520)는 직경을 감소시킬 수 있고, 제 1 단부(500)로부터 제 2 단부(510)로 연장하는 동안 좁아진다.
제 2 단부(510)는 연료(120)의 유동이 노즐 캐비티(520)로부터 혼합 챔버(470)로 지나가기 위해 구성된 오리피스(620)를 포함할 수 있다. 오리피스(620)는 혼합 챔버(470)로의 연료(120)의 분무 또는 유동 분포를 제공하기 위해 형성될 수 있다. 오리피스(620)는 제 2 단부(510)의 말단면에 위치될 수 있거나 또는 제 2 단부(510)의 하류 구역 내에 일반적으로 위치될 수 있다. 또한 오리피스(620) 개구가 정사각형, 직사각형, 원형, 삼각형, 또는 다른 형상의 단면적 형상을 포함할 수 있다는 것이 고려된다.
노즐(410)의 제 1 단부(500)는 노즐 캐비티(520)로 연료(120)를 수용하도록 구성될 수 있다. 특히, 제 1 단부(500)는 피스톤(420)의 적어도 일부를 수용할 수 있다. 다른 실시예들에서, 노즐(410)은 피스톤(420)을 수용할 수 없다. 오히려 피스톤(420)은 노즐 캐비티(520)에 유체 연결되는 몸체(400)의 일부에 의해 수용될 수 있다.
피스톤(420)은 제 2 관(260)으로부터 노즐(410)의 제 1 단부(500)로 연료(120)의 관을 제공하도록 구성될 수 있다. 피스톤(420)은 또한 제 2 관(260)을 통해 노즐(410)의 제 1 단부(500) 및 오리피스(620)의 출구로 지나가는 연료(120)의 유동을 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 피스톤(420)은 피스톤 챔버(480)에 형성된 배기 가스(220)의 압력에 기초하여 연료(120)의 유동을 제어할 수 있다.
피스톤(420)은 고압 및 고속 유체 적용을 다룰 수 있는 금속, 금속 합금, 복합 재료, 또는 등가 재료로 구성될 수 있다.
피스톤(420)은 제 1 몸체 부분(440) 내에 형성된 피스톤 챔버(480) 내에 활주 가능하게 위치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 피스톤(420)은 제 2 몸체 부분(450) 또는 단일 구조체를 포함하는 단일 몸체(400) 내에 형성된 피스톤 챔버(480) 내에 활주 가능하게 위치될 수 있다.
피스톤(420)은 봉인된 에지를 여전히 유지하면서 베어링 또는 동등한 기구에 의해 피스톤 챔버(480) 내면을 따라 활주할 수 있다. 피스톤(420)의 외부 에지는 배기 가스(220)가 피스톤(420)을 우회하는 것을 방지하기 위해서 피스톤 챔버(480) 내면을 단단히 밀봉하도록 구성될 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 다이어프램(도시되지 않음)은 피스톤 챔버(480)에 대해 피스톤(420)이 활주할 수 있도록 사용될 수 있다. 다이어프램 밀봉부(도시되지 않음)는 피스톤(420)의 외벽 및 피스톤 챔버(480)의 내벽에 고정될 수 있다.
피스톤(420)과 피스톤 챔버(480) 표면 사이의 적절한 마찰은 배기 가스(220) 압력 진동에 반응하여 피스톤(420)의 빠른 진동을 방지하도록 있을 수 있다. 피스톤 챔버(480)는 피스톤(420)을 수용하도록 일반적으로 원통형으로 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 피스톤 챔버(480)는 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 피스톤 챔버(480)는 대응하는 형상을 갖는 피스톤(420)을 수용하기 위해 구성된 정사각형, 타원형, 또는 직사각형일 수 있다.
피스톤(420)은 상류 단부인 제 1 단부(540) 및 하류 단부인 제 2 단부(550)를 가질 수 있다. 피스톤(420)은 제 1 단부(540)에 대한 구역으로부터 제 2 단부(550)로의 유체 관을 제공하는 제 1 단부(540) 및 제 2 단부(550) 사이에 위치된 피스톤 캐비티(560)를 가질 수 있다. 제 2 단부(550)는 노즐 캐비티(520)와 유체 연결될 수 있다.
피스톤(420)은 피스톤 헤드(530)를 포함할 수 있다. 피스톤 헤드(530)는 피스톤 캐비티(560)를 둘러싸는 벽으로부터 측방향으로 피스톤 챔버(480) 내면을 향해 연장할 수 있다. 피스톤 헤드(530)는 일반적으로 피스톤 챔버(480)에서 길이 방향 축(460)을 따라 이동할 수 있다. 피스톤 헤드(530)는 피스톤 헤드면(570)에서 배기 가스(220)의 유동에 대해 구성될 수 있다. 특히, 배기 가스(220)의 압력은 피스톤(420)을 길이 방향으로 이동시키도록 피스톤 헤드면(570)에 대해 인가될 수 있다.
피스톤(420)의 제 1 단부(540)는 밸브 스템(590)을 포함할 수 있다. 밸브 스템(590)은 밸브 시트(600)과 정합하도록 구성된 테이퍼진 단부를 가질 수 있다. 입구 관(610)은 제 1 단부(540)의 일반적인 구역에 위치될 수 있다. 입구 관(610)은 제 2 관(260)으로부터 유동하고 또한 밸브 시트(600) 및 밸브 스템(590) 사이를 지나가는 연료(120)가 피스톤 캐비티(560)로 유동하도록 허용할 수 있다.
상술된 바와 같이, 재순환 장치(110)는 제 2 관(260)을 통해 연료(120)를 수용하고 또한 배기 가스(220)와 연료(120)를 결합하도록 구성될 수 있다. 제 2 몸체 부분(450)에 형성된 제 2 관(260)은 벽들이 밸브 시트(600)를 형성하는 제 2 관(260)의 단면적을 증가시키면서 팽창하기 전에, 좁은 단면적으로 테이퍼질 수 있다. 밸브 시트(600)는 밸브 스템(590)과 결합하도록 구성될 수 있다.
밸브 스템(590)의 외주면은 제 1 단부(540)의 부근에서, 그 직경이 제 1 단부(540)의 최외부면을 향해 이동하는 것을 감소시키도록 형성될 수 있다. 제 1 단부(540)로부터 하류에는 밸브 스템(590)의 외면으로부터 밸브 스템(590)의 벽을 통해 피스톤 캐비티(560)로 연장하는 입구 관(610)이 있을 수 있다. 입구 관(610)은 밸브 시트(600) 및 밸브 스템(590) 사이를 지나가는 제 2 관(260)으로부터의 연료(120)가 피스톤 캐비티(560)로 유동하도록 허용할 수 있다. 연료(120)는 피스톤 캐비티(560)로부터 제 2 단부(550)로 그리고 노즐 캐비티(520)로 유동할 수 있다. 노즐 캐비티(520)로부터, 연료(120)는 오리피스(620)를 통해 혼합 챔버(470)로 유동할 수 있다. 상술된 연료(120) 유동 경로의 결과로서, 밸브 시트(600) 및 밸브 스템(590) 사이를 지나가는 연료(120)는 연료가 배기 가스(220)와 혼합하여 혼합된 연료(200)를 형성하는 혼합 챔버(470)에 도달할 때까지 유동할 수 있다.
재순환 장치(110)는 다음과 같이 작동할 수 있다. 배기 가스(220)는 도 2b에 도시된 바와 같이 힘(580)을 생성하는 피스톤 헤드면(570)에 대해 압력을 인가할 수 있다. 힘(580)의 상류 방향은 일반적으로 길이 방향 축(460)과 평행할 수 있다.
힘(580)은 피스톤(420) 및 밸브 스템(590)이 일반적으로 길이 방향 축(460)을 따라, 제 2 관(260) 및 밸브 시트(600) 상류를 향해 활주하도록 야기할 수 있다. 예를 들어, 예를 들어, 피스톤(420) 및 밸브 스템(590)은 밸브 스템(590)이 밸브 시트(600)와 접촉하고 표면들이 결합할 때까지 상류로 활주할 수 있다. 이 결합은 제 2 관(260)을 통하는 모든 유동을 완전히 차단할 수 있다. 따라서, 밸브 스템(590) 및 밸브 시트(600) 사이의 개구의 영역은 길이 방향 축(460)을 따라 피스톤(420) 및 밸브 스템(590)을 작동하여 변경될 수 있다. 몸체(400)에 대한 피스톤(420)의 이동은 제 2 관(260)을 통해 그리고 밸브 시트(600) 및 밸브 스템(590) 사이를 유동하는 연료(120)의 유동률을 제어할 수 있다.
밸브 시트(600) 및 밸브 스템(590) 사이를 지나가는 연료(120)는 입구 관(610)을 통해 피스톤 캐비티(560) 내로 노즐 캐비티(520)로 유동할 수 있다. 노즐 캐비티(520)로부터, 연료는 오리피스(620)를 통해 혼합 챔버(470) 내로 유출할 수 있다. 혼합 챔버(470)에서, 연료(120)는 배기 가스(220)와 혼합할 수 있다. 결국, 연료(120)는 제 3 관(270)에 의해 혼합된 연료(200)로서 애노드 격실(140)로 유출될 수 있다.
제 2 관(260)에 진입하는 연료(120)는 연료가 밸브 시트(600)를 통과하기 때문에 밸브 스템(590)의 테이퍼진 단부와 접촉할 수 있다. 이와 같이, 연료(120)는 밸브 스템(590)의 테이퍼진 표면에 대해 압력을 인가할 수 있고, 도 2b에 도시된 바와 같이 연료 힘(630)을 생성한다. 힘(630)은 일반적으로 길이 방향 축(460)을 따라 하류 방향에 있을 수 있다. 힘(580)과 연료 힘(630)의 합은 몸체(400)와 관련하여 피스톤(420) 및 밸브 스템(590)의 위치를 결정할 수 있다. 힘(580, 630)의 균형을 유지하는 것은 노즐(410) 및 오리피스(620)를 통해 그리고 혼합 챔버(470) 내로 유동하는 연료(120)의 유량을 제어한다.
도 2b는 예시적인 실시예에 따른, 피스톤(420)의 개략적인 등축도이다. 도 2b는 피스톤(420) 및 밸브 스템(590)에 인가될 수 있는 힘(580) 및 연료 힘(630)과 함께 피스톤 헤드(530) 및 밸브 스템(590)의 사용할 수 있는 표면적을 도시한다.
다른 실시예들에서, 연료 힘(630)은 스프링(도시되지 않음)에 의해 보완될 수 있다. 이러한 스프링은 피스톤 챔버(480) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 스프링은 하류 방향에서 피스톤(420)에 대한 추가의 힘을 인가하도록 구성될 수 있다. 이 방향은 길이 방향 축(460)과 일반적으로 평행할 수 있다. 스프링을 선택하는 것은 피스톤을 작동시키도록 요구되는 원하는 애노드 압력을 설정할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 인장력 하에서의 스프링(도시되지 않음)은 보충 힘(580)으로 사용될 수 있다.
도 3은 재순환 장치(1010)의 대안적인 실시예를 도시한다. 도 2에서와 같이, 재순환 장치(1010)는 몸체(700) 및 피스톤(710)을 포함할 수 있다. 그러나, 도 3에 개시된 실시예는 또한 니들(720)을 가질 수 있다.
도 2의 몸체(400)와 유사하게, 몸체(700)는 제 1 관(730)에 배기 가스(220) 그리고 제 2 관(740)에 연료(120)의 유동을 수용할 수 있다. 두 유동은 도 1에 도시된 바와 같이 몸체(700)에서 혼합될 수 있고 제 3 관(750)으로부터 혼합된 연료(200)로서 배출될 수 있다.
몸체(700)는 피스톤(710)을 수납하도록 구성된 내부 캐비티(760)를 갖는 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몸체(700)는 제 1 몸체 부분(770) 및 제 2 몸체 부분(780)을 포함할 수 있다. 몸체 부분들(770, 780)은 상술된 바와 같이 다른 기구들을 사용하여 서로 연결될 수 있다.
피스톤(710)은 상술된 노즐(410)과 유사한 혼합 챔버(790) 내로 연료(120)의 유동을 진입하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 피스톤(710)은 연료가 피스톤(710)을 통해 유동하기 때문에 연료(120)를 가속화할 수 있다. 연료(120)는 혼합 챔버(790) 내의 혼합을 허용하기 위해 연료(120)와 배기 가스(220)를 유입하는데 필요한 속도에 도달할 수 있다. 피스톤(710)은 니들(720)로부터 혼합 챔버(790)로 연료(120)의 통과를 제공할 수 있다. 피스톤(710)은 또한 피스톤(710)에 대해 인가된 내부 캐비티(760) 내의 배기 가스(220) 압력에 기초하여 제 2 관(740)을 통해 연료(120)의 유동을 제어할 수 있다.
피스톤(710)은 몸체(700)에 형성된 내부 캐비티(760)에 활주 가능하게 위치될 수 있다. 피스톤(710)은 밀봉된 에지를 여전히 유지하면서 베어링 또는 동등한 기구에 의해 내부 캐비티(760)를 따라 활주할 수 있다. 몸체(700)는 피스톤(710)이 내부 캐비티(760)에서 활주할 수 있는 범위를 제한하도록 구성될 수 있다. 피스톤(710) 및 내부 캐비티(760) 표면 사이의 적절한 마찰은 배기 가스(220)의 압력 진동에 응답하여 피스톤(710)의 빠른 진동을 방지하기 위해 존재할 수 있다.
피스톤(710)은 일반적으로 상류에 위치된 제 1 단부(800) 및 일반적으로 하류에 위치된 제 2 단부(810)를 가질 수 있다. 피스톤(710)은 제 1 단부(800) 및 제 2 단부(810) 사이에 위치된 피스톤 캐비티(820)를 포함할 수 있고, 피스톤 캐비티(820)는 니들(720)을 수용하고 또한 피스톤(710)을 통해 연료(130)의 통과를 제공하도록 구성될 수 있다.
제 1 단부(800)는 니들(720)을 수용하도록 구성된 피스톤 헤드(830)를 포함할 수 있다. 피스톤 헤드(830)는 피스톤 헤드면(840)에서 배기 가스(220) 압력을 수용하도록 구성될 수 있다. 배기 가스(220)는 일반적으로 상류 방향으로 힘(850)을 생성하는 피스톤 헤드면(840)에 대해 압력을 인가할 수 있다.
피스톤 헤드(830)의 외부 에지는 배기 가스(220)가 피스톤 헤드면(840)을 우회하는 것을 방지하도록 내부 캐비티(760) 표면에 대해 꽉 밀봉되도록 구성될 수 있다.
피스톤(710)의 제 2 단부(810)는 유체 유동이 피스톤 캐비티(820)로부터 혼합 챔버(790)로 지나가도록 오리피스(870)를 포함할 수 있다. 오리피스(870)는 혼합 챔버(790)로의 연료(120)의 분무 또는 유동 분포를 제공하도록 형성될 수 있다. 오리피스(870)의 내면의 일부는 특히 오리피스(870)를 통해 니들(720)의 일부를 수용하도록 구성될 수 있다.
오리피스(870)는 제 2 단부(810) 끝 표면에 위치될 수 있거나 또는 일반적으로 제 2 단부 구역에 위치될 수 있다. 제 2 단부(810) 구역에서 피스톤 캐비티(820)는 직경을 감소시킬 수 있고, 좁은 내부 캐비티(880)를 생성하는 제 2 단부(810)를 향해 확장하면서 좁힌다. 좁은 내부 캐비티(880)는 니들(720)을 수용하고 니들 외부면과 결합하도록 구성될 수 있다.
니들(720)은 제 2 관(740)으로부터 피스톤(710)의 좁은 내부 캐비티(880)로 연료(120)의 통과를 허용할 수 있다. 니들(720)은 일반적으로 상류에 위치된 제 1 단부(890) 및 일반적으로 하류에 위치된 제 2 단부(900)를 가질 수 있다. 니들(720)은 제 1 단부(890)로부터 제 2 단부(900)의 일반적인 구역을 향해 관을 제공하는 제 1 단부(890) 및 제 2 단부(900) 사이에 위치된 니들 중앙 캐비티(910)를 가질 수 있다. 니들(720)은 길이 방향 축(860)과 일반적으로 평행한 하류에 있는 제 2 몸체 부분(780)으로부터 혼합 챔버(790)의 일반적인 구역으로 확장할 수 있다.
니들(720)은 제 2 관(740)으로부터 연료(120)를 수용할 수 있고 니들 중앙 캐비티(910)로 유동할 수 있다. 니들(720)은 좁은 내부 캐비티(880)의 일반적인 구역에 도달할 때까지 피스톤 캐비티(820)에 활주 가능하게 삽입되도록 구성될 수 있다.
다른 실시예들에서, 니들(720)은 제 1 몸체 부분(770) 또는 몸체(700)에 연결될 수 있는 분리된 구조체일 수 있다.
제 2 단부(900)의 상류에, 니들(720)은 니들 중앙 캐비티(910)로부터 니들(720)의 벽을 통해 피스톤 캐비티(820) 및 좁은 내부 캐비티(880)로의 통과를 허용하는 출구 관(920)을 가질 수 있다. 제 2 단부(900) 부근의 니들(720)의 일부는 테이퍼질 수 있고, 니들(720)의 단면적의 직경을 감소시킬 수 있다. 니들(720)의 최단부의 하류는 지점을 포함할 수 있다. 니들(720)의 테이퍼진 부분은 좁은 내부 캐비티(880)의 표면 및 오리피스(870)와 결합하도록 구성될 수 있다.
재순환 장치(1010)는 다음과 같이 작동할 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 힘(850)은 피스톤 헤드면(840)에 인가될 수 있다. 이는 일반적으로 피스톤(710)이 상류로 활주하도록 야기할 수 있다. 이 방향은 길이 방향 축(860)과 일반적으로 평행할 수 있다. 이동은 피스톤(710)이 상류로 활주하기 때문에 제 2 단부(900)가 좁은 내부 캐비티(880)로부터 오리피스(870)를 통해 돌출하도록 야기할 수 있다. 피스톤(710)은 니들(720)의 제 2 단부(900)가 오리피스(870)를 통해 돌출할 때까지 상류에서 활주할 수 있다. 이 이동은 오리피스(870)를 충전할 수 있고, 추가의 활주 및 오리피스(870)를 통한 유동의 차단을 방지하거나 또는 제한한다. 따라서, 피스톤(710)의 좁은 내부 캐비티(880) 및 니들 제 2 단부(900) 사이의 개구의 영역은 변경될 수 있다. 개구 영역을 변경하는 것은 오리피스(870)를 통과하는 연료(120)의 유량을 제어할 수 있다. 오리피스(870)를 통하는 연료(120)의 유동을 제어하는 것은 제 2 관(740)을 통과하는 유체(120)의 유동을 제어할 수 있다.
스프링(도시되지 않음)은 내부 캐비티(760) 내에 위치될 수 있고 힘(850)에 저항하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 스프링은 하류 방향에서 피스톤(830)에 대해 스프링 힘(930)을 인가하도록 구성될 수 있다. 이 방향은 길이 방향 축(860)과 일반적으로 평행할 수 있다. 힘(850) 및 스프링 힘(930)의 합은 피스톤(850)의 위치를 결정할 수 있다. 피스톤(850)의 위치는 오리피스(870)를 통해 혼합 챔버(790)로 연료(120)의 유량을 제어할 수 있다. 스프링은 피스톤(850)이 작동되는 애노드 압력을 설정하도록 선택될 수 있다.
다른 실시예들에서, 스프링 힘(930)은 피스톤(830)의 상류에서 내부 캐비티(760)를 가압하여 생성된 유압식 힘에 의해 보충되거나 또는 대체될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 여기에 개시된 본 발명의 상세 설명 및 실행의 고려로부터 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 상세 설명 및 예들은 다음의 청구항들에 의해 나타낸 본 발명의 참된 범위 및 정신을 갖고 오직 예시적인 것으로서 고려된다고 의도된다.

Claims (16)

  1. 재순환 장치로서,
    배기 가스를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 관, 연료를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 2 관, 배기 가스 및 연료의 혼합물을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 3 관, 및 상기 제 2 관으로부터 상기 제 3 관으로 연장하는 길이 방향 축을 포함하는 몸체와;
    내부 캐비티의 가장 작은 단면적에 위치된, 오리피스를 향해 연료를 지향하기 위한 상기 내부 캐비티를 포함하는 노즐과;
    연료를 수용하도록 구성된 제 1 단부 및 상기 노즐 캐비티로 연료를 유입하도록 구성된 제 2 단부를 포함하는 상기 몸체 내에 활주 가능하게 위치된 피스톤으로서, 상기 피스톤은 배기 가스에 의해 상기 몸체의 상기 길이 방향 축을 따라 작동되어 상기 오리피스를 통과하는 연료의 유동을 제어하는, 상기 피스톤; 및
    배기 가스를 수용하도록 구성되고 상기 오리피스로부터 연료를 수용하도록 구성된 상기 몸체 내에 위치된 혼합 챔버를 포함하는 재순환 장치.
  2. 제 1 항에 청구된 바와 같은 재순환 장치를 포함하는 연료 전지 시스템으로서,
    연료원과;
    애노드 격실, 캐소드 격실, 및 전해질을 포함하는 연료 전지와;
    추가의 연료가 상기 오리피스를 통해 유동하도록 구성된 상기 재순환 장치 내의 피스톤과;
    상기 재순환 장치의 제 2 관에 연료원을 유체 연결하는 제 1 도관과;
    애노드 격실 입구에 상기 재순환 장치의 제 3 관을 유체 연결하는 제 2 도관; 및
    상기 몸체의 제 1 관에 애노드 격실 출구를 유체 연결하는 제 3 도관을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 연료 전지 시스템 내에서 작동하도록 구성되는 재순환 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 오리피스로부터 배출된 연료 및 배기 가스가 상기 혼합 챔버 내에서 유입되고 혼합되는 재순환 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 가스는 연료 전지의 애노드 격실로부터 배출되고, 연료는 수소 함유 유체인 재순환 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 재순환 장치의 제 1 관에 공급되는 배기 가스 입구 압력은 3 내지 60psig 사이의 범위에 있고, 상기 재순환 장치의 제 2 관에 공급되는 연료 압력은 30 내지 500psig 사이의 범위에 있는 재순환 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 연료 및 혼합물 유속 중 적어도 하나는 초음속으로 작동되도록 구성되는 재순환 장치.
  8. 재순환 장치로서,
    배기 가스를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 관, 연료를 수용하도록 구성된 밸브 시트를 포함하는 적어도 하나의 제 2 관, 배기 가스 및 연료의 혼합물을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 제 3 관, 및 상기 제 2 관으로부터 상기 제 3 관으로 연장하는 길이 방향 축을 포함하는 몸체와;
    내부 캐비티의 가장 작은 단면적에 위치된, 오리피스를 향해 연료를 지향하기 위한 상기 내부 캐비티를 포함하고, 또한 상기 몸체에 고정적으로 결합되는 노즐과;
    연료를 수용하도록 구성된 제 1 단부 및 상기 노즐 캐비티로 연료를 유입하도록 구성된 제 2 단부를 포함하는 상기 몸체 내에 활주 가능하게 위치된 피스톤으로서, 상기 피스톤 표면은 배기 가스를 수용하도록 구성되어 상기 피스톤이 배기 가스에 의해 상기 몸체의 상기 길이 방향 축을 따라 작동되어 상기 오리피스를 통과하는 연료의 유동을 제어하는, 상기 피스톤과;
    배기 가스를 수용하도록 구성되고 상기 오리피스로부터 연료를 수용하도록 구성된 상기 몸체 내에 위치된 혼합 챔버; 및
    상기 피스톤의 상기 제 1 단부에 고정적으로 결합되는 테이퍼진 단부를 포함하는 밸브 스템으로서, 상기 길이 방향 축을 따라 상기 작동되는 피스톤은 상기 밸브 스템 제 1 단부 및 밸브 시트 사이의 거리를 제어하는, 상기 밸브 스템을 포함하는 재순환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 피스톤은 피스톤 헤드 및 실린더에 고정적으로 결합된 밸브 스템을 포함하는 조립체이고, 상기 피스톤 조립체의 제 1 단부는 제 1 단부로부터 제 2 단부로 상기 피스톤의 길이로 이어지는 중앙 캐비티에 연료가 들어가도록 허용하여 연료가 통과하는 것을 허용하는 상기 실린더의 측벽 상의 적어도 하나의 관을 갖는 재순환 장치.
  10. 제 8 항에 청구된 바와 같은 재순환 장치를 포함하는 연료 전지 시스템으로서,
    연료원과;
    애노드 격실, 캐소드 격실, 및 전해질을 포함하는 연료 전지와;
    추가의 연료가 상기 오리피스를 통해 유동하도록 구성된 상기 재순환 장치 내의 피스톤 및 밸브 스템 조립체와;
    상기 재순환 장치의 제 2 관에 연료원을 유체 연결하는 제 1 도관과;
    애노드 격실 입구에 상기 재순환 장치의 제 3 관을 유체 연결하는 제 2 도관; 및
    상기 몸체의 제 1 관에 애노드 격실 출구를 유체 연결하는 제 3 도관을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 장치는 연료 전지 시스템 내에서 작동하도록 구성되는 재순환 장치.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 오리피스로부터 배출된 연료 및 배기 가스가 상기 혼합 챔버 내에서 유입되고 혼합되는 재순환 장치.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 배기 가스는 연료 전지의 애노드 격실로부터 배출되고, 연료는 수소 함유 유체인 재순환 장치.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 재순환 장치의 제 1 관에 공급되는 배기 가스 입구 압력은 3 내지 60psig 사이의 범위에 있고, 상기 재순환 장치의 제 2 관에 공급되는 연료 압력은 30 내지 500psig 사이의 범위에 있는 재순환 장치.
  15. 제 8 항에 있어서, 상기 연료 및 혼합물 유속 중 적어도 하나는 초음속으로 작동되도록 구성되는 재순환 장치.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 밸브 스템이 상기 밸브 시트에 접근함에 따라, 상기 연료의 유동을 위해 개방된 상기 단면적은 상기 연료의 유동을 제한하도록 감소되는 재순환 장치.
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