KR20060090706A - 유체 스트림 재순환을 갖는 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

전력 발생 시스템은 배기 스트림을 재순환하기 위한 다중 제트 분사기 어셈블리를 갖는다. 시스템은 반응물 스트림 입구, 반응물 스트림 출구 및 적어도 하나의 연료 전지를 갖는 연료 전지 스택을 포함한다. 가압 반응물 공급원이 다중 제트 분사기 어셈블리에 반응물을 제공한다. 다중 제트 분사기 어셈블리는 연료 전지 스택으로부터 재순환 유동을 수용하도록 반응물 스트림 출구에 유동적으로 연결된 하나의 흡인 입구와, 연료 전지 스택에 유입 스트림을 제공하도록 반응물 스트림 입구에 유동적으로 연결된 하나의 배출 출구를 포함한다. 압력 조절기가 가압 반응물 공급원과 다중 제트 분사기 어셈블리의 두 개의 기동 유동 입구들 사이에 개재된다. 제 1 솔레노이드 밸브가 제 1 기동 유동 입구와 조절기 사이에 개재된다. 제 2 솔레노이드 밸브는 제 2 기동 유동 입구와 조절기 사이에 개재된다. 바이패스 라인이 가압 반응물 공급원을 제 2 기동 유동 입구에 연결한다. 바이패스 솔레노이드 밸브는 가압 반응물 공급원과 제 2 기동 유동 입구 사이에서 바이패스 라인에 개재된다. 저부하 작동 조건들 동안, 조절기에 의해 제어된 가압 반응물이 제 2 기동 유동 입구로 지향되도록 제 2 솔레노이드 밸브가 개방되고 제 1 및 바이패스 솔레노이드 밸브가 폐쇄된다. 고부하 작동 조건들 동안, 조절기에 의해 제어된 가압 반응물이 제 1 기동 유동 입구에 지향되고 조절기에 의해 제어되지 않은 가압 반응물이 제 2 기동 유동 입구에 지향되도록 제 2 솔레노이드 밸브가 폐쇄되고 제 1 및 바이패스 솔레노이드 밸브가 개방된다.

연료 전지, 전력 발생 시스템, 다중 제트 분사기, 솔레노이드 밸브

Description

유체 스트림 재순환을 갖는 연료 전지 시스템{Fuel cell system with fluid stream recirculation}

본 발명은 일반적으로 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 특히 유체 스트림의 재순환을 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

전기 화학적 연료 전지 어셈블리들은 전력 및 반응 생성물을 생성하도록 반응물들, 즉 연료 및 산화제를 변환한다. 전기 화학적 연료 전지 어셈블리들은 일반적으로 두 개의 전극들, 즉 캐소드 및 애노드 사이에 배치된 전해질을 이용한다. 전극들은 일반적으로 다공질의 전기 도전성 시트 재료 및 원하는 전기 화학 반응들을 유도하도록 전해질과 전극층들 사이의 계면에 배치된 전기 촉매를 각각 포함한다. 전기 촉매의 위치는 일반적으로 전기 화학적 활성 영역을 형성한다.

고체 폴리머 연료 전지 어셈블리들은 일반적으로 두 개의 전극층들 사이에 배치된 고체 폴리머 전해질 또는 이온 교환 멤브레인으로 이루어진 멤브레인 전극 어셈블리("MEA")를 이용한다. 멤브레인은, 이온 도전성(일반적으로 양자 도전성) 재료인 것에 부가하여, 또한 반응물(즉, 연료 및 산화제) 스트림들을 서로로부터 격리하기 위한 배리어로서 작용한다.

MEA는 일반적으로 연료 전지 어셈블리를 형성하도록 반응물 유체 스트림들에 실질적으로 불침투성인 두 개의 분리판들 사이에 개재된다. 판은 집전체들로서 작용하고, 인접 전극들에 대한 지지를 제공하고, 일반적으로 MEA로 반응물을 공급하기 위한 또는 냉각제를 순환시키기 위한 유동 필드 채널들(flow field channels)을 포함한다. 판은 일반적으로 유동 필드 판들로서 알려져 있다. 연료 전지 어셈블리는 일반적으로 판들과 전극들 사이의 양호한 전기 접촉뿐만 아니라 연료 전지 부품들 사이의 양호한 밀봉을 보장하도록 압축된다. 복수의 연료 전지 어셈블리들이 연료 전지 스택을 형성하도록 직렬 또는 병렬로 전기적으로 조합될 수 있다. 연료 전지 스택에서, 판은 두 개의 인접 연료 전지 어셈블리들 사이에 공유될 수 있으며, 이 경우 판은 또한 두 개의 인접 연료 전지 어셈블리들의 유체 스트림을 분리한다. 이러한 판들은 공통적으로 쌍극판이라 칭하고 각각의 주표면 상에 연료 및 산화제, 또는 반응물 및 냉각제를 각각 지향시키기 위한 유동 채널들을 가질 수 있다.

애노드에 공급된 연료 스트림은 일반적으로 수소를 포함한다. 예를 들면, 연료 스트림은 실질적으로 순수 수소 또는 수소를 포함하는 개질물 스트림과 같은 가스일 수 있다. 캐소드에 공급된 산화제 스트림은 일반적으로 실질적으로 순수 산소와 같은 산소 또는 공기와 같은 희석 산소 스트림을 포함한다.

스택을 구성하는 연료 전지들 각각은 일반적으로 원하는 압력에서 선택된 연료 및 산화제로 범람된다(flooded). 특정 시스템에서, 원하는 압력은 부하 요구에 무관하게 일정하게 유지되지만, 다른 시스템에서는 원하는 압력은 부하 요구에 따라 변화한다. 그러나, 모든 시스템에서, 원하는 압력은 일반적으로 반응물의 소스 에서 조절기에 의해 제어된다. 이러한 조절기는 다수의 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 가스압이 원하는 압력보다 높은 소스로부터 반응물이 기원하는 경우, 조절기는 원하는 압력을 유지하고/얻도록 필요에 따라 적거나 많은 유량으로 유입하는 가변 개구 밸브 시스템의 형태를 취할 수 있고, 이러한 조절기는 일반적으로 압력 조절기라 칭한다. 다른 예에서, 가스압이 원하는 압력보다 낮은 소스로부터 반응물이 기원하는 경우, 조절기는 압축기의 형태를 취할 수 있다. 또 다른 예에서, 가스압이 원하는 압력과 실질적으로 동일한 소스로부터 반응물이 기원하는 경우, 조절기는 송풍기의 형태를 취할 수 있다. 하나 이상의 형태의 조절기가 시스템에 존재할 수 있다. 예를 들면, 메리트(Merritt) 등의 미국 특허 제 5,441,821호는 연료가 고압 소스(가압 수소)로부터 기원하고 스택에 도달하기 전에 압력 조절기에 의해 제어되며, 산화제는 저압 소스(분위기)로부터 기원하고 공기 압축기에 의해 제어되는(즉, 공기가 스택에 도달하기 전에 압축됨) 시스템을 개시하고 있다.

압력 조절기는, 일정하거나(예를 들면 대기압보다 높게 원하는 압력을 유지하고/얻도록) 또는 가변적인(예를 들면, 시스템의 몇몇 다른 부분에서의 압력보다 높게 원하는 압력을 유지하고/얻고, 이러한 다른 압력은 가변적임) 다른 압력에 관하여 원하는 압력이 항상 설정될 때 차동 기반으로 작동한다. 예를 들면, 메리트 등의 미국 특허 제 5,441,821호에 개시된 시스템에서, 압축기는 일정 압력(대기압)에 관하여 원하는 산화제 압력을 설정하고, 밸브형 압력 조절기는 가변 압력에 따라, 더 구체적으로는 연료와 산화제 스트림 사이의 차동의 원하는 정상 상태 압력을 유지하고/얻도록 원하는 연료 스트림 압력을 설정한다.

연료 전지 스택에 존재하는 각각의 반응물 스트림은 연료 전지 시스템에 의해 사용될 수 있는 물 및 미소비된 연료 또는 산화제와 같은 유용한 반응 생성물을 일반적으로 포함한다. 이러한 유용한 반응 생성물의 사용을 위한 일 방법은 배기 반응물 스트림을 재순환하는 것이다. 따라서, 예를 들면 미소비 수소를 분위기로 환기시킬 수 있는 폐기물을 최소화하기 때문에 애노드 입구로 수소 배기 스트림을 재순환하는 것은 더 효율적인 시스템을 유도한다.

메리트 등의 미국 특허 제 5,441,821호에 개설된 바와 같이, 수소 재순환을 실행하기 위한 일 방법은 제트 분사기의 사용에 의한 것이며, 여기서 분사기의 기동 입구는 가압 수소 공급원에 유동적으로 연결되고, 분사기의 흡인 입구는 수소 배기 출구에 유동적으로 연결되며, 분사기의 배출 출구는 연료 전지 스택의 수소 스트림 입구에 유동적으로 연결된다. 그 결과, 제트 분사기의 알려진 작동에 따라, 수소 공급 스트림은, 두 개의 스트림이 연료 전지 스택의 애노드 입구에 진입하기 전에 혼합된 상태로 비교적 저압 수소 배기 스트림을 반출(entrain)(및 따라서 재순환)한다.

그 상부에 제트 분사기가 작동해야 하는 연료 전지 스택 수소 유입 스트림 유량의 넓은 스펙트럼의 견지에서, 만족스러운 제트 분사기를 설계하는 것이 곤란한 것으로 판명되었다. 최대 부하 요구 기간 동안에 연료 전지 스택에 요구 유입 유량을 공급하도록 제트 분사기를 설계하는 것은 저부하 요구 기간(예를 들면, 공회전 기간) 동안에 요구 수소를 재순환하기에 너무 큰 확산기의 목부(throat portion) 및/또는 노즐을 초래한다. 역으로, 저부하 요구 기간 동안에 요구 수소 를 재순환하도록 제트 분사기를 설계하는 것은 최대 부하 요구 기간 동안에 연료 전시 스택에 요구 유입 유량을 공급하기에 너무 작은 확산기의 목부 및/또는 노즐을 초래한다.

상기 문제점에 접근하기 위해, 2단 전환 분사기 시스템이 다쯔야(Tatsuya) 등의 일본 특개 2001-266922호에 의해 제안되었고, 저유동 또는 고유동 분사기 중 하나가 시간에 지배적인 조건에 따라 사용된다. 그러나, 두 개의 개별 분사기 및 관련 유동 회로를 갖는 것은 통상의 자동차 적용에 공간 요구 문제점을 초래한다. 더욱이, 이러한 시스템의 전이점은, 더 구체적으로는 기동 유동 코스(motive flow course)가 저유동으로부터 고유동 분사기로 변경될 때, 일반적으로 요구 최소 반출 레벨의 이하로 종종 떨어지는 재순환시의 급격한 강하를 경험한다. 부가의 분사기의 추가는 전이점 문제를 완화할 수 있지만, 공간 요구 문제점을 가중시킨다.

따라서, 연료 전지 스택의 작동 조건의 전체 범위에 걸쳐 효율적으로 작동할 수 있고 차량 적용에 있어 일반적인 공간 요구 문제점의 일부를 해결하는 유체 스트림의 재순환을 갖는 연료 전지 시스템에 대한 요구가 존재한다. 본 발명은 이들 및 다른 요구를 해결하고 다른 관련 장점을 제공한다.

본 발명은 유입 스트림 및 배기 스트림을 갖는 연료 전지 스택을 구비한 연료 전지 시스템의 반응물 유체 스트림을 재순환하기 위한 장치를 제공한다. 상기 장치는:

- 연료 전지 스택의 배기 스트림으로부터 재순환 유동을 수용하도록 구성된 흡인 입구에 유동적으로 연결되고 실질적으로 원통형인 공통 흡인 챔버;

- 공통 흡인 챔버 내에 위치되고 연료 전지 스택의 반응물 소스로부터 제 1 기동 유동을 수용하도록 구성된 저유동 기동 입구에 유동적으로 연결된 저유동 노즐(low-flow nozzle);

- 연료 전지 스택에 유입 스트림을 제공하도록 구성된 배출 출구에 유동적으로 연결된 저유동 확산기;

- 공통 흡인 챔버 내에 위치되고 반응물 소스로부터 제 1 기동 유동을 수용하도록 구성된 고유동 기동 입구에 유동적으로 연결된 고유동 노즐(high-flow nozzle); 및

- 배출 출구에 유동적으로 연결된 고유동 확산기를 포함한다.

저유동 노즐 및 저유동 확산기는, 재순환 유동을 반출하고 저부하 조건들에서 유입 스트림을 제공하도록 구성되고, 고유동 노즐 및 고유동 확산기는, 재순환 유동을 반출하고 고부하 조건들에서 유입 스트림을 제공하도록 구성될 수 있다.

상기 장치는:

- 공통 흡인 챔버 내에 위치되고 반응물 소스로부터 제 2 기동 유동을 수용하도록 구성된 초저유동 기동 입구에 유동적으로 연결된 초저유동 노즐; 및

- 배출 출구에 유동적으로 연결된 초저유동 확산기를 더 포함할 수 있다.

초저유동 노즐 및 확산기는, 재순환 유동의 일부를 반출하고 공회전 부하 조건들에서 유입 스트림의 일부를 제공하도록 구성된다.

상기 장치는 각각의 확산기를 통한 유동 역행(flow regress)을 방지하기 위한 1방향 체크 밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 전력 발생 시스템을 제공한다. 상기 시스템은:

- 반응물 스트림 입구, 반응물 스트림 출구 및 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택;

- 가압 반응물 공급원;

- i) 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 1 기동 유동 입구, ii) 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 2 기동 유동 입구, iii) 연료 전지 스택으로부터 재순환 유동을 수용하도록 반응물 스트림 출구에 유동적으로 연결된 흡인 입구, 및 iv) 연료 전지 스택에 유입 스트림을 제공하도록 반응물 스트림 입구에 유동적으로 연결된 배출 출구를 포함하는 다중 분사기 어셈블리;

- 가압 반응물 공급원과 다중 제트 분사기 어셈블리의 제 1 및 제 2 기동 유동 입구들 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결되고, 다중 제트 분사기 어셈블리로의 제 1 기동 유동을 조절하기 위한 조절기로서, 압력 제어 밸브일 수 있는 조절기; 및

- 제 2 기동 유동 입구와 조절기 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결된 제 1 솔레노이드 밸브를 포함한다.

본 발명에 의해 제공된 전력 발생 시스템은:

- 제 2 기동 유동 입구와 조절기 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결된 제 2 솔레노이드 밸브;

- 제 2 기동 유동 입구에 가압 반응물 공급원을 유동적으로 연결하고, 다중 제트 분사기 어셈블리로 제 2 기동 유동을 공급하기 위한 바이패스 라인; 및

- 가압 반응물 공급원과 제 2 기동 유동 입구 사이에서 바이패스 라인에 개재되어 이에 유동적으로 연결된 바이패스 솔레노이드 밸브를 더 포함할 수 있다.

제 1 기동 유동 입구는, 재순환 유동을 반출하고 고부하 조건들에서 유입 스트림을 제공하도록 구성된 제 1 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결될 수 있고, 제 2 기동 유동 입구는, 재순환 유동을 반출하고 저부하 조건들에서 유입 스트림을 제공하도록 구성된 제 2 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결될 수 있다.

전력 발생 시스템은 다중 제트 분사기 어셈블리로의 제 1 기동 유동의 압력을 검출하고 제 1, 제 2 및 바이패스 솔레노이드 밸브들의 작동을 보조하기 위한 압력 변환기를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 이러한 전력 발생 시스템을 작동하는 방법을 제공하고,

- 저부하 작동 조건들 동안, 제 1 기동 유동이 제 2 기동 유동 입구로 지향되도록 제 2 솔레노이드 밸브가 개방되고 제 1 및 바이패스 솔레노이드 밸브가 폐쇄되고,

- 고부하 작동 조건들 동안, 제 1 기동 유동이 제 1 기동 유동 입구로 지향되고 제 2 기동 유동이 제 2 기동 유동 입구로 지향되도록 제 2 솔레노이드 밸브가 폐쇄되고 제 1 및 바이패스 솔레노이드 밸브가 개방된다.

전력 발생 시스템의 다중 제트 분사기 어셈블리는 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 3 기동 유동 입구를 더 포함할 수 있다. 제 3 기동 유동 입구는, 재순환 유동의 일부를 반출하고 공회전 부하 조건들에서 유입 스트림의 일부를 제공하도록 구성된 제 3 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결될 수 있다.

본 발명에 의해 제공된 이러한 전력 발생 시스템을 작동하는 방법은:

- 모든 작동 조건들 동안, 가압 반응물 공급원으로부터 제 3 기동 유동 입구로 제 3 기동 유동을 지향시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 또한,

- 제 1 유입 스트림을 수용하도록 구성된 제 1 반응물 스트림 입구, 제 2 유입 스트림을 수용하도록 구성된 제 2 반응물 스트림 입구, 제 1 반응물 스트림 출구 및 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택;

- 가압 반응물 공급원;

- i) 재순환 유동을 수용하도록 제 1 반응물 스트림 출구에 유동적으로 연결된 흡인 입구, ii) 제 1 유입 스트림을 제공하도록 제 1 반응물 스트림 입구에 유동적으로 연결된 배출 출구, iii) 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 1 기동 유동 입구, 및 iv) 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 2 기동 유동 입구를 포함하는 다중 제트 분사기 어셈블리;

- 가압 반응물 공급원과 제 1 기동 유동 입구 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결되고, 제 1 기동 유동 입구로의 제 1 기동 유동의 압력을 조절하기 위한 제 1 압력 조절기로서, 제 2 유입 스트림의 압력에 대해 제 1 유입 스트림의 압력을 실질적으로 일정한 제 1 압력차로 유지하도록 구성되는, 상기 제 1 압력 조절기; 및

- 가압 반응물 공급원과 제 2 기동 유동 입구 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결되고, 제 2 기동 유동 입구로의 제 2 기동 유동의 압력을 조절하기 위한 제 2 압력 조절기로서, 제 2 유입 스트림의 압력에 대해 제 1 유입 스트림의 압력을 실질적으로 일정한 제 2 압력차로 유지하도록 구성되는, 상기 제 2 압력 조절기를 포함하고, 제 2 압력차는 제 1 압력차와는 상이한, 전력 발생 시스템을 제공한다.

제 1 기동 유동 입구는, 재순환 유동을 반출하고 고부하 조건들에서 유입 스트림을 제공하도록 구성된 제 1 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결될 수 있고, 제 2 기동 유동 입구는, 재순환 유동을 반출하고 저부하 조건들에서 유입 스트림을 제공하도록 구성된 제 2 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결될 수 있고, 제 1 압력차는 제 2 압력차보다 작다.

본 발명은 또한,

- 제 1 유체의 기준 피드백 라인에 유동적으로 연결되도록 구성된 제 1 기준 챔버;

- 제 2 유체의 기준 피드백 라인에 유동적으로 연결되도록 구성된 제 2 기준 챔버;

- 제 2 유체의 압력과 관련하여 제 1 유체의 압력이 원하는 압력차에 있을 때마다 평형 상태에 있도록 바이어스되고, 제 1 및 제 2 기준 챔버들을 유동적으로 분리하는 가요성 멤브레인;

- 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결되도록 구성된 조절기 입구;

- 제 1 조절기 출구;

- 제 2 조절기 출구;

- 조절기 입구 및 제 1 조절기 출구를 유동적으로 연결하는 제 1 통로;

- 조절기 입구 및 제 2 조절기 출구를 유동적으로 연결하는 제 2 통로;

- 가요성 멤브레인의 운동을 따르도록 구성되는 제 1 가동 스템(stem)으로서, 제 1 가동 스템의 위치에 따라 제 1 통로를 개폐하도록 구성된 제 1 플러그를 포함하는, 상기 제 1 가동 스템; 및

- 제 1 가동 스템이 설정 거리만큼 가요성 멤브레인에 의해 변위된 후에 제 1 가동 스템의 운동을 따르도록 구성되는 제 2 가동 스템으로서, 제 2 가동 스템의 위치에 따라 제 2 통로를 개폐하도록 구성된 제 2 플러그를 포함하는, 상기 제 2 가동 스템을 포함하는 압력 조절기를 제공한다.

가요성 멤브레인, 제 1 가동 스템 및 제 2 가동 스템은, 제 1 유체의 압력이 제 2 유체의 압력에 대해 증가함에 따라 가요성 멤브레인이 제 1 가동 스템을 압박하여 제 1 통로를 개방하고, 설정 거리만큼 변위된 후에는 제 1 가동 스템이 제 2 가동 스템을 압박하여 제 2 통로를 개방하도록 배열될 수 있다.

제 2 가동 스템은, 제 1 가동 스템의 운동을 허용하고 조절기 입구와 제 1 조절기 출구를 유동적으로 연결하도록 구성된 내부 축방향 통로를 포함할 수 있고, 제 1 가동 스템은 제 2 가동 스템의 내부 축방향 통로 내부에서 이동하고 설정 거리만큼 가요성 멤브레인에 의해 변위된 후에 제 2 가동 스템을 결합하도록 구성될 수 있다.

본 발명은 또한,

- 반응물 스트림 입구, 반응물 스트림 출구 및 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택;

- 가압 반응물 공급원;

- i) 연료 전지 스택으로부터 재순환 유동을 수용하도록 반응물 스트림 출구에 유동적으로 연결된 흡인 입구, ii) 연료 전지 스택에 유입 스트림을 제공하도록 반응물 스트림 입구에 유동적으로 연결된 배출 출구, iii) 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 1 입구, 및 iv) 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 2 입구를 포함하는 다중 제트 분사기 어셈블리; 및

- 가압 반응물 공급원과 다중 제트 분사기 어셈블리 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결된 상술한 압력 조절기를 포함하고, 제 1 조절기 출구는 다중 제트 분사기 어셈블리의 제 1 입구에 유동적으로 연결되고, 제 2 조절기 출구는 다중 제트 분사기 어셈블리의 제 2 입구에 유동적으로 연결되는 전력 발생 시스템을 제공한다.

본 발명의 장치/방법의 특정 실시예(들)의 특정 상세가 이하의 상세한 설명에 설명되고 이러한 실시예(들)의 이해를 제공하기 위한 첨부 도면에 예시된다. 그러나, 당업자들은 본 발명의 장치/방법이 부가의 실시예를 갖고, 및/또는 이하의 바람직한 실시예(들)의 설명에 설명된 상세의 적어도 일부 없이 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 2중 제트 분사기의 실시예의 측단면도.

도 2는 유체 연료 스트림의 재순환을 위한 2중 제트 분사기, 조절기 및 온-오프 솔레노이드 밸브를 갖는 연료 전지 기반 전력 발생 시스템의 개략도.

도 3은 유체 연료 스트림의 재순환을 위한 2중 제트 분사기, 조절기 및 3개의 온-오프 솔레노이드 밸브를 갖는 연료 전지 기반 전력 발생 시스템의 개략도.

도 4는 유체 연료 스트림의 재순환을 위한 3중 제트 분사기, 조절기 및 3개의 온-오프 솔레노이드 밸브를 갖는 연료 전지 기반 전력 발생 시스템의 개략도.

도 5는 유체 연료 스트림의 재순환을 위한 2중 제트 분사기 및 두 개의 조절기를 갖는 연료 전지 기반 전력 발생 시스템의 개략도.

도 5a는 도 5의 연료 전지 시스템의 작동 중의 부하 요구에 대한 연료 전지 시스템의 차압의 이상적인 그래프.

도 6은 유체 연료 스트림의 재순환을 위한 2중 제트 분사기 및 2중 작용 조절기를 갖는 연료 전지 기반 전력 발생 시스템의 개략도.

도 7은 도 6에 개략적으로 도시된 2중 작용 압력 조절기의 일 실시예의 측단면도.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2중 제트 분사기(1)를 도시한다. 제트 분사기(1)는 공통 흡인 챔버(2), 저유동 노즐(3L) 및 저유동 확산기(4L)(단순화를 위해 이하에 집합적으로 저유동 분사기(L)라 칭함), 저유동 체크 밸브(5L), 고유동 노즐(3H) 및 고유동 확산기(4H)(단순화를 위해 이하에 집합적으로 고유동 분사기(H)라 칭함), 고유동 체크 밸브(5H), 공통 흡인 챔버(2)에 유동적으로 연결된 흡인 입구(6), 저유동 노즐(3L)에 유동적으로 연결된 저유동 기동 입구(7L), 고유동 노즐(3H)에 유동적으로 연결된 고유동 기동 입구(7H), 및 저유동 및 고유동 확산기(4L, 4H)에 유동적으로 연결된 배출 출구(8)를 포함한다. 흡인 입구(6)는 연료 전지 스택의 배기 스트림 출구로부터 재순환 유동(R)을 수용하도록 구성되고, 저유동 기동 입구(7L) 및 고유동 기동 입구(7H)는 공급 스트림 소스로부터 기동 유동(M)을 수용하도록 구성되고, 배출 출구(8)는 연료 전지 스택에 유입 스트림(S)을 제공하도록 구성된다. 따라서, 유입 스트림(S)은 재순환 유동(R) 및 기동 유동(M)의 병합에 의해 형성된다.

공통 흡인 챔버(2)를 갖는 것은 두 개(또는 그 이상)의 개별 제트 분사기를 갖는 시스템에 비교할 때 더 컴팩트한 설계를 허용한다. 공통의 흡인 챔버(2)는 일반적으로 원통형이지만, 이러한 기하학적 특징에 한정되는 것은 아니다.

저유동 분사기(L)는 연료 전지 스택의 작동 조건의 저부하 스펙트럼에서 효율적으로 작동하도록 설계된다. 구체적으로, 저유동 분사기(L)는, 공회전 작동 조건에서 충분한 흡인이 재순환 유동(R)을 반출하도록 공통 흡인 챔버(2)에 생성되어야 하고 충분한 유입 스트림(S)이 제공되어야 한다는 것을 명심하여 저유동 노즐(3L) 및 저유동 확산기(4L)가 가능한 한 크도록 설계된다.

고유동 분사기(H)는 연료 전지 스택의 작동 조건의 고부하 스펙트럼의 중간에서 효율적으로 작동하도록 설계된다. 구체적으로, 고유동 분사기(H)는, 공회전 작동 조건에서 충분한 흡인이 재순환 유동(R)을 반출하도록 공통 흡인 챔버(2)에 생성되어야 하고 충분한 유입 스트림(S)이 제공되어야 한다는 것을 명심하여 고유 동 노즐(3H) 및 고유동 확산기(4H)가 가능한 한 크도록 설계된다. 최대 유동 조건은 연료 전지 스택의 전체 부하 작동 조건 동안에 필요한 유동을 포함할 뿐만 아니라 퍼지 작동 중에 및 연료 전지 시스템 압력 증가 작동 중에 필요한 유동을 포함한다.

저유동 분사기(L) 또는 고유동 분사기(H) 중 하나에서 유출하는 유동이 다른 분사기를 거쳐 공통 흡인 챔버(2)로 복귀하는 것을 방지하기 위해, 1방향 밸브가 각각의 분사기의 출구에 배치된다. 본 실시예에서, 저유동 및 고유동 1방향 체크 밸브(5L, 5H)가 확산기(4L, 4H) 각각의 단부에 위치되고, 체크 밸브는 스트림(SL, SH)이 확산기(4L, 4H) 각각으로부터 유출되지만 아무것도 유입되지 않게 하는 간단한 플랩 밸브(flap valve)이다. 스트림(SL) 및/또는 스트림(SH)은 유입 스트림(S)을 생성한다.

체크 밸브를 회피하기 위해, 단일의 확산기가 저유동 노즐(3L) 및 고유동 노즐(3H)의 하류에 위치될 수 있는데, 즉 공통 흡인 챔버(2)는 유입 스트림(S)을 생성할 수 있는 단일 확산기에 유동적으로 연결될 수 있다. 그러나, 하나 이상의 노즐을 단일 확산기와 정렬하는 것은 문제점이 있는데, 노즐에서 유출하여 이러한 확산기의 중심축에 편심되어 확산기에 유입하는 임의의 유동이 유동 최적화의 감소를 유도할 수 있다. 더욱이, 각각의 노즐은 특정 확산기 구성과 최적으로 작용할 수 있는데, 양 노즐을 위한 단일 확산기를 갖는 것은 유동 최적화의 감소를 또한 유도할 수 있다.

무엇보다도 제조 단순성의 이유로, 저유동 노즐(3L) 및 고유동 노즐(3H)은 일반적으로 아음속이다(즉, 저유동 노즐(3L) 및 고유동 노즐(3H)은 초음속 유동을 생성할 수 없음). 그러나, 초음속 노즐이 본 발명에 따라 가능한 것으로 이해된다. 따라서, 일 실시예(아음속 노즐)에서, 저유동 분사기(L)는 초킹점(choking point)을 갖고, 이 초킹점을 지나 저유동 분사기(L)로의 기동 유동(M)의 증가는 저유동 분사기(L)의 흡인력 및 유입 스트림(S)의 유동의 증가의 더 낮은 비율을 초래한다. 따라서, 기동 유동(M)의 코스가 저유동 분사기(L)로부터 고유동 분사기(H)로 전환되는 전이점(T)이 일반적으로 저유동 분사기(L)가 초킹 기동 유동(M)을 시작하는 지점 주위에서 발생한다. 그러나, 전이점(T)은 다른 지점에서 발생할 수 있는 것으로 이해된다.

기동 유동(M)이 저유동 분사기(L)로부터 고유동 분사기(H)로 전환될 때, 기동 유동(M)의 압력은 고유동 분사기(H)가 동일 유입 스트림(S)을 생성하기 위해 저유동 분사기(L)에 필요한 것보다 저압 기동 유동(M)을 필요로 하기 때문에 감소된다. 전이점(T)으로부터 전방으로, 기동 유동(M)의 압력(이제, 고유동 분사기(H)에 지향됨)은 이어서 최대 부하 조건까지 재차 증가하기 시작한다. 전이점(T)에 도달할 때 감소되는 기동 유동(M)의 압력에 의한 결과적인 문제점은 공통 흡인 챔버(2) 내의 흡인력(이제 고유동 분사기(H)에 의해 생성됨)이 일시적인 부적절한 흡인 레벨("전이점(T) 문제점")을 유도하는 강하를 경험하고, 단지 기동 유동(M)의 압력이 재차 증가하기 시작함에 따라 공통 흡인 챔버(2) 내의 요구 흡인력이 고유동 분사기(H)에 의해 생성될 수 있다.

전이점(T)으로부터 전방으로 저유동 분사기(L) 및 고유동 분사기(H) 모두로 기동 유동(M)을 공급하는 것(저유동 분사기(L)로부터 고유동 분사기(H)로 기동 유동(M)을 전환하는 것과는 반대로)은 도 2를 참조하여 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 전이점(T) 문제점에 만족스럽게 대처하는 것을 보조하지 않을 것이다.

도 2는 원하는 연료 스트림 압력이 산화제 스트림과 차동의 원하는 정상 상태 압력에서 유지되어야 하는 연료 전지 스택 시스템의 애노드측 상에서 작동하는 2중 제트 분사기(1)를 도시한다. 이러한 차동은 0 또는 네거티브일 수 있지만, MEA 고장에 따른 산화제 스트림 내로의 연료의 누출이 연료 스트림 내로의 산화제의 누출보다는 바람직하기 때문에 일반적으로는 포지티브이다(즉, 연료 스트림 압력이 산화제 스트림 압력보다 높음).

도 2에 도시된 실시예에서, 연료는 고압 소스(가압 수소)로부터 기원하고 압력 조절기(9)에 의해 제어된다. 압력 조절기(9)는 애노드 유입 스트림(AIS)과 캐소드 유입 스트림(CIS)(단순화를 위해, 캐소드 유입 스트림(CIS)의 소스는 도 2에 도시하지 않음) 사이에 차동의 원하는 정상 상태 압력을 유지하도록 구성된다. 압력 조절기(9)는 2중 제트 분사기(1)에 지향되는 기동 유동(M)을 제어하고 온-오프 솔레노이드 밸브(8H)는 고유동 분사기(H)로의 기동 유동(M)의 공급을 제어한다. 도 2에 도시된 시스템은 이하와 같이 작동하는데, 공회전 조건으로부터 상향으로, 조절기(9)가 저유동 분사기(L)로 지향된 기동 유동(M)을 제어한다. 전이점(T)에 도달할 때, 솔레노이드 밸브(8H)가 개방된다. 본 실시예에서, 전이점(T)은 기동 유동(M)의 압력에 관하여 결정된다. 따라서, 기동 유동(M)의 압력을 측정하는 압력 변환기(P)가 솔레노이드 밸브(8H)를 제어한다. 그러나, 전이점(T)은 조절기(9) 의 상태 또는 애노드 유입 스트림(AIS)의 압력의 증가의 비율과 같은 다른 팩터와 관련하여 결정될 수 있고, 이 경우 압력 변환기(P) 이외의 다른 장치가 솔레노이드 밸브(8H)의 개폐를 제어할 수 있다.

전이점(T)에 도달하고 솔레노이드 밸브(8H)가 개방됨에 따라, 조절기(9)는 기동 유동(M)의 압력을 자동으로 감소시킨다(실제로, 저압 기동 유동(M)은 이제 전이점(T)에 도달됨에 따라 발생하는 동일한 유입 스트림(S)을 생성하기 위해 저유동 분사기(L)에 공급될 필요는 없고 고유동 분사기(H)에 공급될 필요가 있음). 다음, 조절기(9)는 최대 부하 조건에 도달할 때까지 기동 유동(M)의 압력을 재차 증가시킨다. 그러나, 이는 저압 기동 유동(M)으로 공급되는 저유동 분사기(L)에 따른 공통 흡인 챔버(2) 내의 흡인력의 감소가 일반적으로 이러한 저압 기동 유동(M)으로 생성할 수 있는 흡인 고유동 분사기(H)에 의해 보상되지 않기 때문에(따라서 허용 불가능한 흡인 강하가 공통 흡인 챔버(2) 내에 발생함) 전이점(T) 문제점에 만족스럽게 접근할 수 없다.

공통 흡인 챔버를 모두 공유하는 저유동 분사기(L)와 고유동 분사기(H) 사이에 부가의 분사기를 추가하는 것(즉, 3중 또는 4중 제트 분사기를 가짐)은 전이점(T) 문제에 접근하기 위한 하나의 선택이다. 그러나, 이 선택은 제조 및 공간 배열 문제점을 발생할 수 있다. 다른 선택은 도 3에 도시된 바와 같이 조절기(19) 및 3개의 온-오프 솔레노이드 밸브(18H, 18L, 18B)의 사용에 의한 것이다. 본 실시예에 따른 2중 제트 분사기(1)의 작동은 이하와 같다.

공회전 유동 조건(저부하 조건)에서 시작하여, 바이패스 솔레노이드 밸브 (18B) 및 고유동 솔레노이드 밸브(18H)가 폐쇄되고, 저유동 솔레노이드 밸브(18L)가 개방된다. 그 결과, 조절기(19)에 의해 제어되는 제 1 기동 유동(M1)이 저유동 분사기(L)(저유동 기동 입구(17L)를 거쳐)로만 지향된다. 전이점(T)에 도달할 때, 저유동 솔레노이드 밸브(18L)가 폐쇄되고 고유동 솔레노이드 밸브(18H)가 개방되어, 조절기(19)에 의해 제어되는 제 1 기동 유동(M1)이 고유동 분사기(H)(고유동 기동 입구(17H)를 거쳐)로 지향되는데, 상술한 이유로 제 1 기동 유동(M1)이 저유동 분사기(L)로부터 고유동 분사기(H)로 전환될 때(즉, 전이점(T)에 도달할 때), 조절기(19)는 제 1 기동 유동(M1)의 압력에 도달하고 이어서 이를 재차 증가시키기 시작한다. 그러나, 공통 흡인 챔버(2)의 일반적인 결과적인 흡인 강하는 이하의 이유로 발생하지 않는다.

전이점(T)이 도달될 때와 실질적으로 동시에, 바이패스 솔레노이드 밸브(18B)가 개방되고, 그래서, 제 2 기동 유동(M2)이 저유동 분사기(L)로 향한다(바이패스 라인(20) 경유). 비록, 다른 팩터들에 관련하여 결정될 수 있지만, 본 실시예에서, 전이점(T)은 압력 변환기(P)를 경유한 제 1 기동 유동(M1)의 압력에 관련하여 결정된다. 보다 구체적으로, 전이점(T)은 조절기(19)에 의해 제어된, 제 1 기동 유동(M1)의 압력이 가압된 수소 공급원의 압력과 실질적으로 동일할 때 발생한다. 결과적으로, 전이점(T)이 발생할 때, 저유동 솔레노이드 밸브(18L)의 폐쇄 및 바이패스 솔레노이드 밸브(18B)의 개방은 저유동 분사기(L)에 대한 실질적으로 어떠한 공급 변화도 초래하지 않으며, 그 이유는 가압된 수소 공급원의 압력과 실질적으로 동일한 제 1 기동 유동(M1)이 역시 가압된 수소 공급원의 압력과 실질적 으로 동일한 제 2 기동 유동(M2)으로 대체되기 때문이다. 결론적으로, 저유동 분사기(L)는 필요한 애노드 유입 스트림(AIS) 및 공통 흡인 챔버(2)내의 필요한 흡인을 계속 제공한다. 결과적으로, 전이점(T)이 발생할 때, 조절기(19)의 작용에 의한 제 1 기동 유동(M1)의 압력의 감소는 공통 흡인 챔버(2)내의 불만족스러운 흡인 강하를 초래하지 않는다. 전이점(T)을 지나서, 그 후, 조절기(19)는 제 1 기동 유동(M1)의 압력을 증가시키기 시작하며, 그래서, 고유동 분사기(H)는 공통 흡인 챔버(2)내의 필요한 흡인 및 애노드 유입 스트림(AIS)에 점증적으로 기여하기 시작한다.

또한, 도 3에 도시되고 상기에 개략 설명된 시스템 배후의 기초 원리는 다중 제트 분사기(3중 및 4중 제트 분사기)와 함께 사용될 수도 있다. 사실, 고유동 분사기가 사용될 때, 보다 저유동의 분사기에 전체 유동을 공급하는 원리는 본질적으로 2중 제트 분사기에 한정되지 않는다. 그러나, 제트 분사기의 수가 증가할 때, 조절기 및 솔레노이드 밸브의 수도 증가하며, 결론적으로, 공간적 배열 문제점이 발생한다.

상술한 실시예가 전형적인 자동차 분야에서 상향-전이(up-transient) 상태를 적절히 취급할 수 있지만, 가혹한 하향 전이 상태에서 문제가 발생할 수 있다. 사실, 도 3을 참조하면, 급속한 부하 감소는 고유동 솔레노이드 밸브(18H) 및 바이패스 솔레노이드 밸브(18B)가 폐쇄되고, 저유동 솔레노이드 밸브(18L)가 개방되게 할 뿐만 아니라, 조절기(19)가 일시적으로 폐쇄되게 한다. 비록, 이는 애노드 유입 스트림(AIS)의 공급원을 급속히 감소시키기 위한 요구를 해결하지만, 이는 재순환 유동(R)의 바람직하지 못한 중단을 초래할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이 문제점은 동작 상태에 무관하게, 가압된 수소 공급원과 실질적으로 동일한 제 3 기동 유동(M3)을 일정하게 공급받는 초저유동 분사기(UL)를 추가함으로써(그에 의해, 3중 제트 분사기(10)를 생성) 해결될 수 있다. 일 실시예에서, 초저유동 분사기(UL)의 노즐은 고유동 분사기(H) 및 저유동 분사기(L)와 함께, 공간 절약의 견지에서 가장 효율적인 위치인 공통 흡인 챔버(2)내에 배치되지만, 본 발명에 따른 다른 흡인 챔버내에 초저유동 분사기(UL)의 노즐이 위치될 수 있다. 초저유동 분사기(UL)는 공회전 부하 요구의 백분율을 공급하고, 또한, 공통 흡인 챔버(2) 내의 필요한 흡인을 제공하여 최소 재순환 유동(R)을 유지하도록 설계된다.

초저유동 분사기(UL)가 고압 스트림을 일정하게 공급받기 때문에, 통상적으로, 저유동 분사기(L) 또는 고유동 분사기(H) 중 어느 하나를 벗어나, 초저유동 분사기(UL)를 경유하여 공통 흡인 챔버(2)로 복귀하는 유동을 가질 가능성은 존재하지 않는다. 결론적으로, 통상, 초저유동 분사기(UL)의 하류 단부에 1방향 체크 밸브를 배치하여야할 필요가 없다. 그러나, 연료 전지 시스템의 특이성에 따라 초저유동 분사기(UL)의 하류 단부에 배치된 1방향 체크 밸브를 필요로 할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

본 발명에 따라서, 밸브형 조절기 및 하류측 온-오프 솔레노이드 밸브에 의해 수행되는 기능은 연료 분사기 같은 펄스폭 변조 밸브에 조합될 수 있다는 것을 주의하여야 한다. 예를 들면, 도 4를 참조하면, 온-오프 솔레노이드 밸브(즉, 18H 및 18L)를 펄스폭 변조 밸브로 대체함으로써, 조절기(19)가 제거될 수 있다. 변조 밸브에 의해(펄스폭을 변경함으로써) 저유동 분사기(L)/고유동 분사기(H)에 도달하는 기동 유동(M)의 압력이 제어될 수 있을 뿐만 아니라, 기동 유동(M)이 저유동 분사기(L) 및/또는 고유동 분사기(H) 중 어느 쪽에 도달하는지 여부도 제어될 수 있다(변조 밸브를 폐쇄 또는 동작 상태로 남겨둠으로써).

전이점(T) 문제를 해결하는 다른 방식은 도 3 및 도 4에 도시된 3개 온-오프 솔레노이드 밸브(18H, 18L 및 18B)를 제 2 조절기로 대체하고, 각 조절기를 애노드 유입 스트림(AIS)과 캐소드 유입 스트림(CIS) 사이에서 서로 다른 원하는 정상 상태 압력차를 유지하도록 구성하는 것이다. 도 5는 이 변화가 도 3에 도시된 시스템에 적용되는 방식을 도시한다(그러나, 도 4에 도시된 시스템이 유사하게 변경될 수 있다는 것을 이해하여야 한다).

도 5를 참조하면, 고유동 조절기(19H)는 고유동 기동 입구(17H)에 유동적으로 연결되고, 고유동 분사기(H)로 향하는 기동 유동(MH)을 제어하는 반면, 저유동 조절기(29L)는 저유동 기동 입구(17L)에 유동적으로 연결되고, 저유동 분사기(L)로 향하는 기동 유동(ML)을 제어한다. 고유동 조절기(29H)는 원하는 정상 상태 압력차(PDH)를 유지하도록 구성되고, 저유동 조절기(29L)는 원하는 정상 상태 압력차(PDL)를 유지하도록 구성되며, 정상 상태 압력차(PDH)는 정상 상태 압력차(PDL)보다 낮다(PDH<PDL). 예를 들면, 고유동 조절기(29H)는 캐소드 유입 스트림(CIS)의 원하는 정상 상태 압력보다 1psi 높게 애노드 유입 스트림(AIS)의 압력을 유지하도록 구성되며(즉, 원하는 정상 상태 압력차 PDH는 +1psi임), 저유동 조절기(29L)는 캐소드 입구 스트림(CIS)의 원하는 정상 상태 압력보다 4psi 높게 애노드 유입 스 트림(AIS)의 압력을 유지하도록 구성될 수 있다(즉, 원하는 정상 상태 압력차 PDL은 +4psi임).

도 5 및 도 5a를 참조하면, 도 5a는 도 5의 연료 전지 시스템의 동작 동안 연료 전지 시스템의 부하에 대한 압력차 요구의 이상적 그래프이며, 연료 전지 시스템은 이하와 같이 동작한다. 도 5a의 라인 A를 참조하면, 저부하 요구에서, 시스템은 보다 높은 정상 상태 압력차(PDL)에서 동작한다(즉, 상술한 예를 참조하면, 시스템은 +4psi 압력차에서 동작한다). 부하 요구가 증가할 때, 저유동 조절기(29L)는 이러한 보다 높은 정상 상태 압력차(PDL)를 유지하도록 개방, 즉, 저유동 조절기(29L)는 기동 유동(ML)을 변화시킨다. 한편, 고유동 조절기(29H)는 폐쇄된 상태로 남아 있으며, 그 이유는 유지하기를 원하는 바(PDH) 보다 높은 압력차(PDL)를 검출하였기 때문, 즉, 고유동 조절기(29H)가 고유동 분사기(H)에 어떠한 기동 유동(MH)도 보내지 않기 때문이다. 저유동 조절기(29L)가 완전히 개방될 때, 추가 부하 요구 증가는 시스템의 압력차의 강하를 초래한다(애노드 유입 스트림(AIS)의 압력이 캐소드 유입 스트림(CIS)의 압력 증가에 대해 더 이상 만족스럽게 증가되지 않기 때문에). 이러한 압력차가 보다 낮은 정상 상태 압력차(PDH) 미만으로의 강하를 시도하자마자(즉, 상술한 예를 참조하면, 시스템의 압력차가 +1psi 압력차 미만으로 강하를 시도하자마자), 고유동 조절기(29H)는 이러한 보다 낮은 정상 상태 압력차(PDH)를 유지하기 위해 개방되기 시작한다(즉, 고유동 조절기(29H)는 기동 유동(MH)을 변화시킨다). 한편, 저유동 조절기(29L)는 완전히 개방된 상태로 남아있으며, 그 이유는 보다 높은 정상 상태 압력차(PDL)로 압력차를 복귀시키기를 시 도하지만, 성공하지 못하기 때문이다(즉, 상술한 예를 참조하면, 저유동 조절기(29L)는 캐소드 유입 스트림(CIS)의 압력보다 4psi 높도록 애노드 유입 스트림(AIS)의 압력을 증가시키기를 시도하지만, 성공하지 못한다). 본 실시예는 기동 유동(ML)의 압력의 추가 증가가 애노드 유입 스트림(AIS)의 부적절한 증가를 초래할 때, 전이점(T)이 발생하는 경우에 유리하다. 이는 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 필수적인 회로를 필요로 하지 않는 장점을 갖는다. 그러나, 기동 유동(ML)의 압력의 추가 증가가 애노드 유입 스트림(AIS)의 압력의 부적절한 증가를 초래하기 이전에 전이점(T)이 발생하는 경우, 본 실시예는 유리하지 않다. 또한, 본 실시예는 변하는 원하는 정상 상태 압력차에서의 동작이 바람직하지 못한 불안정성을 초래하는 연료 전지 시스템에는 바람직하지 않을 수 있다.

본 발명에 따라서, 네거티브의, 원하는 정상 상태 압력차가 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 고유동 조절기(29H)는 캐소드 유입 스트림(CIS)의 원하는 정상 상태 압력보다 4psi 낮게 애노드 유입 스트림(AIS)의 압력을 유지하도록 구성될 수 있다(즉, 원하는 정상 상태 압력차(PDH)는 -4psi이다). 이때, 저유동 조절기(29L)는 정상 상태 압력차(PDH)가 정상 상태 압력차(PDL)보다 낮도록(PDH<PDL), 캐소드 유입 스트림(CIS)의 원하는 정상 상태 압력보다 1psi 낮게 애노드 유입 스트림(AIS)의 압력을 유지하도록 구성될 수 있다. 이 대안 실시예는 도 5A에 라인 B로 표시되어 있다.

전이점(T) 문제를 해결하는 다른 방식은 도 3 및 도 4에 도시된 3개 온-오프 솔레노이드 밸브(18H, 18L 및 18B)와 조절기(9 또는 19)를 추가로 상세히 후술될 2 중 작용 압력 조절기로 대체하는 것이다. 도 6은 이 변경이 도 3에 도시된 시스템에 적용되는 방식을 도시한다(그러나, 도 4에 도시된 시스템은 유사하게 변형될 수 있다는 것을 이해하여야 한다). 도 6을 참조하면, 2중 작용 압력 조절기(800)는 고압 소스(가압 수소)에 유동적으로 연결된 하나의 입구(801)와, 두 개의 출구, 즉, 고유동 출구(802) 및 저유동 출구(803)를 갖는다. 고유동 출구(802)는 고유동 기동 입구(17H)에 유동적으로 연결되고, 고유동 분사기(H)에 기동 유동(MH)을 공급하는 반면, 저유동 출구(803)는 저유동 기동 입구(17L)에 유동적으로 연결되며, 기동 유동(ML)을 저유동 분사기(L)에 공급한다. 보다 상세히 후술될 바와 같이, 2중 작용 압력 조절기(800)는 애노드 유입 스트림(AIS)과 캐소드 유입 스트림(CIS) 사이의 원하는 정상 상태 압력차를 유지하도록 기동 유동(MH) 및 기동 유동(ML) 양자 모두를 규제한다.

도 7은 도 6에 개략적으로 예시된 2중 작용 압력 조절기(800)의 일 실시예의 측단면도이다. 상술된 바와 같이, 압력 조절기(800)는 고압 소스에 유동적으로 연결된 하나의 조절기 입구(801)와, 각각 도 6의 고유동 분사기(M)와 저유동 분사기(L)에 유동적으로 연결된 고 및 저유동 출구(802, 803)를 갖는다. 또한, 압력 조절기(800)는 조절기 입구(801) 및 저유동 출구(803)를 유동적으로 연결하는 제 1 통로(805) 및 조절기 입구(801) 및 고유동 출구(802)를 유동적으로 연결하는 제 2 통로(804)를 갖는다. 또한, 압력 조절기(800)는 애노드 유입 스트림(AIS)으로부터의 기준 연료 피드백 라인(830) 및 캐소드 유입 스트림(CIS)으로부터의 기준 산화제 피드백 라인(850)에 유동적으로 연결된다.

동작시, 기준 연료 피드백 라인(830)은 연료 기준 챔버(830)내로 공급되고, 기준 산화제 피드백 라인(850)은 산화제 기준 챔버(851)내로 공급된다. 연료 및 산화제 기준 챔버(831 및 851)는 가요성 멤브레인(840)에 의해 유동적으로 분리되며, 가요성 멤브레인은 두 개의 챔버(831, 851) 사이의 압력차가 애노드 유입 스트림(AIS) 및 캐소드 유입 스트림(CIS) 사이의 원하는 정상 상태 압력차와 실질적으로 동일할 때마다 평형 상태가 되도록 바이어스된다(명료성을 위해, 바이어스 수단은 도 7에 도시되어 있지 않음).

압력 조절기(800)는 제 1 스트림의 원하는 압력이 부하 요구에 따라 설정되고, 제 2 스트림의 원하는 압력이 제 1 및 제 2 스트림 사이의 원하는 정상 상태 압력차를 유지하기 위해 변화되는 시스템에 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들면, 원하는 산화제 압력이 부하 요구에 따라 설정되는 시스템에서, 원하는 연료 스트림 압력은 연료와 산화제 스트림 사이의 원하는 정상 상태 압력차를 유지하도록 압력 조절기(800)에 의해 규제될 수 있다.

이러한 시스템에서, 부하 증가는 기준 산화제 스트림의 압력에 대한 기준 연료 스트림의 압력의 감소를 초래하는 산화제 압력의 증가를 초래한다. 결과적으로, 가요성 멤브레인(840)은 연료 기준 챔버(831)를 향해 이동한다. 가요성 멤브레인(840)은 제 1 가동 스템(810)의 제 1 단부(811)와 접촉하고, 제 1 가동 스템(810)을, 그리고, 결과적으로, 제 1 플러그(815)를 압박한다. 제 1 플러그(815)는 제 1 통로(805) 내부에서의 그 이동이 그 점진적 개방(또는 폐쇄)을 초래하도록 원추형으로 성형될 수 있다. 따라서, 가요성 멤브레인(840)의 이동은 제 1 통로 (805)를 점진적으로 개방하며, 저유동 출구(803)를 통해 저유동 분사기(L)로 가압된 연료 스트림을 안내한다.

제 1 가동 스템(810)은 조절기 입구(801)와 저유동 출구(803) 사이의 유동적으로 연결이 제 1 가동 스템(810)에 의해 점유되지 않은 제 2 가동 스템(820)내의 통로의 체적을 경유하여 이루어지도록 제 2 가동 스템(820)의 내부 축방향 통로 내측에 배치된다. 제 1 가동 스템(810)에 의해 점유되지 않는 제 2 가동 스템(820)내의 통로의 체적은 조절기 입구(801)로부터 저유동 출구(803)로의 충분한 유동을 가능하게 하기에 충분히 커야만 한다.

제 1 플러그(815)는 연료 및 산화제 스트림 사이에 원하는 정상 상태 압력차가 복원될 때까지, 제 1 통로(805) 개방을 지속하며, 이 시점에서, 가요성 멤브레인(840)은 새로운 평형점으로의 이동이 정지되고, 정착한다.

그러나, 특정 부하 증가에 대해, 제 1 통로(805)의 개방은 연료와 산화제 스트림 사이의 원하는 정상 상태 압력차를 완전히 복원하지 못한다(즉, 저압 분사기(L)는 원하는 정상 상태 압력차를 더 이상 복원할 수 없다). 결과적으로, 가요성 멤브레인(840)은 연료 기준 챔버(831)를 향한 그 이동을 계속한다. 설정 거리(X)를 이동한 이후, 제 1 가동 스템(810)의 돌출부(813)는 제 2 가동 스템(820)의 제 1 단부(821)와 접촉한다. 도 7에 도시된 실시예에서, 돌출부(813)는 제 1 단부(821)와 만족스럽게 접촉하도록 성형된 평탄한 하부 단부를 갖는다. 그러나, 다양한 형상의 조합이 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 도 7에 도시된 실시예에서, 거리(X)는 돌출부(813)가 제 1 단부(821)와 접촉할 때, 제 1 통로(805)가 완 전히 개방되도록 설정된다. 그러나, 거리(X)는 상술된 바와 같이, 다양한 지점에서 발생할 수 있는, 전이점(T)이 도달될 때, 돌출부(813)가 제 1 단부(821)와 접촉하도록 설정된다는 것을 이해하여야 한다.

도 7에 도시된 실시예에서, 제 1 가동 스템(810)의 돌출부(813)가 제 2 가동 스템(820)의 제 1 단부(821)와 접촉할 때, 조절기 입구(801)와 저유동 출구(803) 사이의 유동적으로 연결이 방해받는다. 결론적으로, 개구(860)는 제 2 가동 스템(820)의 제 1 단부에 존재한다. 그러나, 본 발명에 따라, 조절기 입구(801) 및 저유동 출구(803) 사이의 유동적으로 연결과 간섭하지 않는 돌출부가 가능할 수 있으며, 따라서 개구(860)를 갖지 않는 제 2 가동 스템(820)의 제 1 단부(821)가 가능하다는 것을 이해하여야 한다.

돌출부(813)가 제 2 가동 스템(820)의 제 1 단부(821)와 접촉한 이후, 연료 기준 챔버(831)를 향한 가요성 멤브레인(840)의 추가 이동은 제 2 가동 스템(820)을 누르고, 결과적으로, 제 2 플러그(825)를 압박한다. 제 2 플러그(825)는 제 2 통로(804) 내측에서의 그 이동이 그 점진적 개방(또는 폐쇄)을 초래하도록 원추형으로 성형된다. 따라서, 돌출부(813)가 제 2 가동 스템(820)의 제 1 단부(821)와 접촉한 이후 가요성 멤브레인(840)의 이동은 제 2 통로(804)를 점진적으로 개방시키며, 가압된 연료 스트림을 고유동 출구(802)를 통해 고유동 분사기(H)로 안내한다. 제 2 플러그(825)는 연료와 산화제 스트림 사이의 원하는 정상 상태 압력차가 복원될 때까지 제 2 통로(804)를 계속 개방하며, 이 지점에서, 가요성 멤브레인(840)은 새로운 평형 지점으로의 이동을 정지하고, 정착한다.

도 7에 추가로 도시된 바와 같이, 제 1 플러그(815) 및 제 2 플러그(825) 양자 모두는 각각 제 1 및 제 2 스프링 메커니즘(818, 828)과 결합한다. 제 1 및 제 2 스프링 메커니즘(818, 829)은 상기 프로세스가 역순으로 반복될 수 있게 한다(즉, 부하 감소 상황에서). 제 1 및 제 2 스프링 메커니즘(818, 828)은 또한 관련 가동 스템(즉, 제 1 및 제 2 가동 스템(810, 820))이 압박되지 않을 때, 연료가 관련 플러그(즉, 제 1 및 제 2 플러그(815, 825))를 지나 스며나오지 않게 하는 것을 보조하는데; 그러나, 이는 주로 제 1 및 제 2 플러그(815, 825)에 유동적으로 연결된(조절기 입구(801)를 경유하여) 고압 소스의 효과에 의해 달성된다는 것을 주의하여야 한다.

두 챔버(831, 851) 사이의 압력차가 캐소드 유입 스트림(CIS)과 애노드 유입 스트림(AIS) 사이의 원하는 정상 상태 압력차와 실질적으로 동일할 때마다 평형 상태가 존재하는 것을 보증하는 바이어스 수단과 불합리하게 간섭하지 않게 하도록, 제 1 및 제 2 스프링 메커니즘(818, 828)은 이러한 바이어스 수단보다 현저히 작은 힘을 생성한다.

비록, 도 7에 도시된 실시예가 2중 분사기로의 유동을 규제하도록 구성되어 있지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 사실, 이러한 실시예는 추가 통로를 점진적으로 개방하고, 가압된 연료 스트림을 추가 출구를 통해 추가 분사기로 안내하는 추가 가동 스템 및 연계된 플러그를 부가함으로써, 다중 제트 분사기(예를 들면, 3중 또는 4중 제트 분사기)를 규제하도록 변형될 수 있다.

또한, 비록, 상기 실시예가 유동 연료 스트림이 재순환되는 파워 생성 시스템에 관련하지만, 제트 분사기는 또한 산화제 스트림으로서 고압 소스로부터 나오는 실질적으로 순수한 산소를 사용하는 전력 생성 시스템에 기초한 연료 전지에 통합될 수도 있으며, 제트 분사기는 배기 산화제 스트림을 재순환시키기 위해 사용된다. 이에 관하여 유체 연료 스트림의 제트 분사기 재순환에 관하여 상술된 바와 동일한 원리가 유체 산화제 스트림의 제트 분사기 재순환에 적용될 수 있다.

상술한 바로부터, 예시의 목적으로 본 발명의 특정 실시예를 여기에서 설명하였지만, 본 발명의 개념 및 범주로부터 벗어나지 않고, 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것은 명백하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의한 바를 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims (27)

1. 유입 스트림 및 배기 스트림을 갖는 연료 전지 스택을 구비한 연료 전지 시스템의 반응물 유체 스트림을 재순환하기 위한 장치로서,

   상기 연료 전지 스택의 배기 스트림으로부터 재순환 유동을 수용하도록 구성된 흡인 입구에 유동적으로 연결된 공통 흡인 챔버;

   상기 공통 흡인 챔버 내에 위치되고 상기 연료 전지 스택의 반응물 소스로부터 제 1 기동 유동(motive flow)을 수용하도록 구성된 저유동 기동 입구에 유동적으로 연결된 저유동 노즐(low-flow nozzle);

   상기 연료 전지 스택에 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성된 배출 출구에 유동적으로 연결된 저유동 확산기;

   상기 공통 흡인 챔버 내에 위치되고 상기 반응물 소스로부터 상기 제 1 기동 유동을 수용하도록 구성된 고유동 기동 입구에 유동적으로 연결된 고유동 노즐(high-flow nozzle); 및

   상기 배출 출구에 유동적으로 연결된 고유동 확산기를 포함하는 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 공통 흡인 챔버는 실질적으로 원통형인, 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 저유동 확산기를 통한 유동 역행(flow regress)을 방지하기 위한 저유동 1방향 체크 밸브; 및

   상기 고유동 확산기를 통한 유동 역행을 방지하기 위한 고유동 1방향 체크 밸브를 더 포함하는 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 저유동 노즐 및 저유동 확산기는, 상기 재순환 유동을 반출(entrain)하고 저부하 조건들에서 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성되고,

   상기 고유동 노즐 및 고유동 확산기는, 상기 재순환 유동을 반출하고 고부하 조건들에서 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성되는, 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 저유동 확산기를 통한 유동 역행을 방지하기 위한 저유동 1방향 체크 밸브; 및

   상기 고유동 확산기를 통한 유동 역행을 방지하기 위한 고유동 1방향 체크 밸브를 더 포함하는 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 공통 흡인 챔버 내에 위치되고 상기 반응물 소스로부터 제 2 기동 유동을 수용하도록 구성된 초저유동 기동 입구에 유동적으로 연결된 초저유동 노즐; 및

   상기 배출 출구에 유동적으로 연결된 초저유동 확산기를 더 포함하는 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 공통 흡인 챔버는 실질적으로 원통형인, 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 저유동 확산기를 통한 유동 역행을 방지하기 위한 저유동 1방향 체크 밸브; 및

   상기 고유동 확산기를 통한 유동 역행을 방지하기 위한 고유동 1방향 체크 밸브를 더 포함하는 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 초저유동 확산기를 통한 유동 역행을 방지하기 위한 초저유동 1방향 체크 밸브를 더 포함하는 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 저유동 노즐 및 저유동 확산기는, 상기 재순환 유동을 반출하고 저부하 조건들에서 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성되고,

    상기 고유동 노즐 및 고유동 확산기는, 상기 재순환 유동을 반출하고 고부하 조건들에서 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성되고,

    상기 초저유동 노즐 및 초저유동 확산기는, 상기 재순환 유동의 일부를 반출하고 공회전 부하 조건들에서 상기 유입 스트림의 일부를 제공하도록 구성되는, 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 저유동 확산기를 통한 유동 역행을 방지하기 위한 저유동 1방향 체크 밸브; 및

    상기 고유동 확산기를 통한 유동 역행을 방지하기 위한 고유동 1방향 체크 밸브를 더 포함하는 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 초저유동 확산기를 통한 유동 역행을 방지하기 위한 초저유동 1방향 체크 밸브를 더 포함하는 반응물 유체 스트림 재순환 장치.
13. 전력 발생 시스템으로서,

    반응물 스트림 입구, 반응물 스트림 출구 및 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택;

    가압 반응물 공급원;

    상기 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 1 기동 유동 입구, 상기 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 2 기동 유동 입구, 상기 연료 전지 스택으로부터 재순환 유동을 수용하도록 상기 반응물 스트림 출구에 유동적으로 연결된 흡인 입구, 및 상기 연료 전지 스택에 유입 스트림을 제공하도록 상기 반응물 스트림 입구에 유동적으로 연결된 배출 출구를 포함하는 다중 분사기 어셈블리;

    상기 가압 반응물 공급원과 상기 다중 제트 분사기 어셈블리의 제 1 및 제 2 기동 유동 입구들 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결되고, 상기 다중 제트 분사기 어셈블리로의 제 1 기동 유동을 조절하기 위한 조절기; 및

    상기 제 2 기동 유동 입구와 상기 조절기 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결된 제 1 솔레노이드 밸브를 포함하는 전력 발생 시스템.
14. 전력 발생 시스템으로서,

    반응물 스트림 입구, 반응물 스트림 출구 및 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택;

    가압 반응물 공급원;

    상기 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 1 기동 유동 입구, 상기 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 2 기동 유동 입구, 상기 연료 전지 스택으로부터 재순환 유동을 수용하도록 상기 반응물 스트림 출구에 유동적으로 연결된 흡인 입구, 및 상기 연료 전지 스택에 유입 스트림을 제공하도록 상기 반응물 스트림 입구에 유동적으로 연결된 배출 출구를 포함하는 다중 제트 분사기 어셈블리;

    상기 가압 반응물 공급원과 상기 다중 제트 분사기 어셈블리의 제 1 및 제 2 기동 유동 입구들 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결되고, 상기 다중 제트 분사기 어셈블리로의 제 1 기동 유동을 조절하기 위한 조절기;

    상기 제 1 기동 유동 입구와 상기 조절기 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결된 제 1 솔레노이드 밸브;

    상기 제 2 기동 유동 입구와 상기 조절기 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결된 제 2 솔레노이드 밸브;

    상기 제 2 기동 유동 입구에 상기 가압 반응물 공급원을 유동적으로 연결하고, 상기 다중 제트 분사기 어셈블리로 제 2 기동 유동을 공급하기 위한 바이패스 라인; 및

    상기 가압 반응물 공급원과 상기 제 2 기동 유동 입구 사이에서 상기 바이패스 라인에 개재되어 이에 유동적으로 연결된 바이패스 솔레노이드 밸브를 포함하는 전력 발생 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 제 1 기동 유동 입구는, 상기 재순환 유동을 반출하고 고부하 조건들에서 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성된 제 1 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결되고,

    상기 제 2 기동 유동 입구는, 상기 재순환 유동을 반출하고 저부하 조건들에서 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성된 제 2 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결 되는, 전력 발생 시스템.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 조절기는 상기 다중 제트 분사기 어셈블리로의 제 1 기동 유동의 압력을 조절하기 위한 압력 제어 밸브인, 전력 발생 시스템.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 다중 제트 분사기 어셈블리로의 제 1 기동 유동의 압력을 검출하고 상기 제 1, 제 2 및 바이패스 솔레노이드 밸브들의 작동을 보조하기 위한 압력 변환기를 더 포함하는 전력 발생 시스템.
18. 제 14 항에 있어서, 상기 다중 제트 분사기 어셈블리는 상기 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 3 기동 유동 입구를 더 포함하는, 전력 발생 시스템.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 제 1 기동 유동 입구는, 상기 재순환 유동을 반출하고 고부하 조건들에서 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성된 제 1 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결되고,

    상기 제 2 기동 유동 입구는, 상기 재순환 유동을 반출하고 저부하 조건들에서 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성된 제 2 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결되고,

    상기 제 3 기동 유동 입구는, 상기 재순환 유동의 일부를 반출하고 공회전 부하 조건들에서 상기 유입 스트림의 일부를 제공하도록 구성된 제 3 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결되는, 전력 발생 시스템.
20. 제 14 항에 따른 전력 발생 시스템을 작동하는 방법으로서,

    저부하 작동 조건들 동안, 상기 제 1 기동 유동이 상기 제 2 기동 유동 입구로 지향되도록 상기 제 2 솔레노이드 밸브를 개방하고 상기 제 1 및 바이패스 솔레노이드 밸브들을 폐쇄하는 단계; 및

    고부하 작동 조건들 동안, 상기 제 1 기동 유동이 상기 제 1 기동 유동 입구로 지향되고 상기 제 2 기동 유동이 상기 제 2 기동 유동 입구로 지향되도록 상기 제 2 솔레노이드 밸브를 폐쇄하고 상기 제 1 및 바이패스 솔레노이드 밸브들을 개방하는 단계를 포함하는 전력 발생 시스템 작동 방법.
21. 제 18 항에 따른 전력 발생 시스템을 작동하는 방법으로서,

    저부하 작동 조건들 동안, 상기 제 1 기동 유동이 상기 제 2 기동 유동 입구로 지향되도록 상기 제 2 솔레노이드 밸브를 개방하고 상기 제 1 및 바이패스 솔레노이드 밸브들을 폐쇄하는 단계;

    고부하 작동 조건들 동안, 상기 제 1 기동 유동이 상기 제 1 기동 유동 입구로 지향되고 상기 제 2 기동 유동이 상기 제 2 기동 유동 입구로 지향되도록 상기 제 2 솔레노이드 밸브를 폐쇄하고 상기 제 1 및 바이패스 솔레노이드 밸브들을 개방하는 단계; 및

    모든 작동 조건들 동안, 상기 가압 반응물 공급원으로부터 상기 제 3 기동 유동 입구로 제 3 기동 유동을 지향시키는 단계를 포함하는 전력 발생 시스템 작동 방법.
22. 전력 발생 시스템으로서,

    제 1 유입 스트림을 수용하도록 구성된 제 1 반응물 스트림 입구, 제 2 유입 스트림을 수용하도록 구성된 제 2 반응물 스트림 입구, 제 1 반응물 스트림 출구 및 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택;

    가압 반응물 공급원;

    재순환 유동을 수용하도록 상기 제 1 반응물 스트림 출구에 유동적으로 연결된 흡인 입구, 상기 제 1 유입 스트림을 제공하도록 상기 제 1 반응물 스트림 입구에 유동적으로 연결된 배출 출구, 상기 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 1 기동 유동 입구, 및 상기 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 2 기동 유동 입구를 포함하는 다중 제트 분사기 어셈블리;

    상기 가압 반응물 공급원과 상기 제 1 기동 유동 입구 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결되고, 상기 제 1 기동 유동 입구로의 제 1 기동 유동의 압력을 조절하기 위한 제 1 압력 조절기로서, 상기 제 2 유입 스트림의 압력에 대해 상기 제 1 유입 스트림의 압력을 실질적으로 일정한 제 1 압력차로 유지하도록 구성되는, 상기 제 1 압력 조절기; 및

    상기 가압 반응물 공급원과 상기 제 2 기동 유동 입구 사이에 개재되어 이에 유동적으로 연결되고, 상기 제 2 기동 유동 입구로의 제 2 기동 유동의 압력을 조절하기 위한 제 2 압력 조절기로서, 상기 제 2 유입 스트림의 압력에 대해 상기 제 1 유입 스트림의 압력을 실질적으로 일정한 제 2 압력차로 유지하도록 구성되는, 상기 제 2 압력 조절기를 포함하며,

    상기 제 1 압력차는 상기 제 2 압력차와는 상이한, 전력 발생 시스템.
23. 제 22 항에 있어서,

    상기 제 1 기동 유동 입구는, 상기 재순환 유동을 반출하고 고부하 조건들에서 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성된 제 1 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결되고,

    상기 제 2 기동 유동 입구는, 상기 재순환 유동을 반출하고 저부하 조건들에서 상기 유입 스트림을 제공하도록 구성된 제 2 노즐 및 확산기에 유동적으로 연결되고,

    상기 제 1 압력차는 상기 제 2 압력차보다 작은, 전력 발생 시스템.
24. 압력 조절기로서,

    제 1 유체의 기준 피드백 라인에 유동적으로 연결되도록 구성된 제 1 기준 챔버;

    제 2 유체의 기준 피드백 라인에 유동적으로 연결되도록 구성된 제 2 기준 챔버;

    상기 제 2 유체의 압력과 관련하여 상기 제 1 유체의 압력이 원하는 압력차에 있을 때마다 평형 상태에 있도록 바이어스되고, 상기 제 1 및 제 2 기준 챔버들을 유동적으로 분리하는 가요성 멤브레인;

    가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결되도록 구성된 조절기 입구;

    제 1 조절기 출구;

    제 2 조절기 출구;

    상기 조절기 입구 및 제 1 조절기 출구를 유동적으로 연결하는 제 1 통로;

    상기 조절기 입구 및 제 2 조절기 출구를 유동적으로 연결하는 제 2 통로;

    상기 가요성 멤브레인의 운동을 따르도록 구성되는 제 1 가동 스템(movable stem)으로서, 상기 제 1 가동 스템의 위치에 따라 상기 제 1 통로를 개폐하도록 구성된 제 1 플러그를 포함하는, 상기 제 1 가동 스템; 및

    상기 제 1 가동 스템이 설정 거리만큼 상기 가요성 멤브레인에 의해 변위된 후에 상기 제 1 가동 스템의 운동을 따르도록 구성되는 제 2 가동 스템으로서, 상기 제 2 가동 스템의 위치에 따라 상기 제 2 통로를 개폐하도록 구성된 제 2 플러그를 포함하는, 상기 제 2 가동 스템을 포함하는 압력 조절기.
25. 제 24 항에 있어서, 상기 가요성 멤브레인, 상기 제 1 가동 스템 및 상기 제 2 가동 스템은, 상기 제 1 유체의 압력이 상기 제 2 유체의 압력에 대해 증가함에 따라 상기 가요성 멤브레인이 상기 제 1 가동 스템을 압박하여 상기 제 1 통로를 개방하고, 상기 설정 거리만큼 변위된 후에는 상기 제 1 가동 스템이 상기 제 2 가 동 스템을 압박하여 상기 제 2 통로를 개방하도록 배열되는, 압력 조절기.
26. 제 24 항에 있어서,

    상기 제 2 가동 스템은, 상기 제 1 가동 스템의 운동을 허용하고 상기 조절기 입구와 상기 제 1 조절기 출구를 유동적으로 연결하도록 구성된 내부 축방향 통로를 포함하고,

    상기 제 1 가동 스템은 상기 제 2 가동 스템의 내부 축방향 통로 내부에서 이동하고 상기 설정 거리만큼 상기 가요성 멤브레인에 의해 변위된 후에 상기 제 2 가동 스템을 결합하도록 구성되는, 압력 조절기.
27. 전력 발생 시스템으로서,

    반응물 스트림 입구, 반응물 스트림 출구 및 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택;

    가압 반응물 공급원;

    상기 연료 전지 스택으로부터 재순환 유동을 수용하도록 상기 반응물 스트림 출구에 유동적으로 연결된 흡인 입구, 상기 연료 전지 스택에 유입 스트림을 제공하도록 상기 반응물 스트림 입구에 유동적으로 연결된 배출 출구, 상기 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 1 입구, 및 상기 가압 반응물 공급원에 유동적으로 연결된 제 2 입구를 포함하는 다중 제트 분사기 어셈블리; 및

    상기 가압 반응물 공급원과 상기 다중 제트 분사기 어셈블리 사이에 개재되 어 이에 유동적으로 연결된 제 24 항에 따른 상기 압력 조절기를 포함하고,

    상기 제 1 조절기 출구는 상기 다중 제트 분사기 어셈블리의 제 1 입구에 유동적으로 연결되고, 상기 제 2 조절기 출구는 상기 다중 제트 분사기 어셈블리의 제 2 입구에 유동적으로 연결되는, 전력 발생 시스템.

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