(57)【要約】  燃料を受け入れる入口および燃料ガスを含むアノード排ガスを排出する出口を有するアノード側と、酸化剤ガスを受け入れる入口および酸化剤ガスを排気する出口を有するカソード側とを有する燃料電池積層体を含み、さらに、アノード側の出口からのアノード排ガスと酸化剤供給ガスとを混合するために適合されていてアノード排ガスと酸化剤供給ガスとを混合し、かつアノード側の出口でアノード排ガスの圧力と前記カソード側の入口での酸化剤ガスの圧力との間の圧力差を低減するミキサー／エダクターを含む燃料電池システムである。ミキサー／エダクターは、混合を高め圧力損失を低減するために酸化剤供給ガスの分岐噴出または分岐流れを生成するために適合されている。特に、ミキサー／エダクターは、複数の酸化剤ガス流れを確立するように働く酸化剤供給ガスが入ってくる経路に対してある角度を持ってそれぞれ配置された要素を含んでいる。
2007519204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側とカソード側とを有する燃料電池積層体であって、前記アノード側が燃料を受け入れる入口と燃料ガスを含むアノード排ガスを排出する出口とを有し、前記カソード側が酸化剤ガスを受け入れる入口と酸化剤ガスを排気する出口とを有する燃料電池積層体と、
前記アノード排ガスと酸化剤供給ガスとを混合するミキサー／エダクターであって、前記アノード側の出口からのアノード排ガスと前記酸化剤供給ガスとを混合するように適合されていて、前記アノード側の出口での前記アノード排ガスの圧力と、前記カソード側の入口での酸化剤ガスの圧力との間の圧力差を低減するミキサー／エダクターと、
を有し、
前記ミキサー／エダクターは、更に、前記酸化剤供給ガスおよび前記アノード排ガスの混合と前記圧力差の低減とを促進するために、複数の酸化剤ガスの流れを生成するように適合されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記複数のガスの流れのうちの少なくとも第１および第２の流れは、互いに対して角度を持っていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ミキサー／エダクターは、前記複数のガスの流れの１つ以上を確立するために、前記酸化剤供給ガスの経路に対して角度を持っている要素を有するアセンブリを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ミキサー／エダクターは、
前記アノード排ガスを受け入れて、前記アノード排ガスを前記ミキサー／エダクターの領域に入れて通過するように運ぶためのアノード排ガス入口と、
前記酸化剤供給ガスを受け入れて、前記酸化剤供給ガスを前記ミキサー／エダクターの前記領域に入れて通過するように運ぶための酸化剤供給ガス入口と、
前記領域を通過するガスを受け入れるために、前記ミキサー／エダクターの前記領域に続く混合ダクトと、を有し、
前記アセンブリは前記領域に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記アセンブリは、
前記領域に配置され、かつ、前記酸化剤ガスの流れに対して角度を持って並べられ、前記酸化剤供給ガスの一部が通過する１つ以上のノズルであって、前記１つ以上の酸化剤ガスの流れの中の酸化剤供給ガスが前記領域で前記アノード排ガスと接触して前記混合ダクトに入るように、前記酸化剤供給ガスに対して前記１つ以上の酸化剤ガスの流れが確立される１つ以上のノズルを有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ミキサー／エダクターは、前記混合ダクト中の前記ガスの混合を促進するために、前記混合ダクト中に配置された１つ以上のバッフルを更に有することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記１つ以上のノズルは、
互いに対して第１の角度で配置されている、垂直方向に離れて対峙する第１及び第２ノズルと、
互いに対して第２の角度で配置されており、かつ、前記第１及び第２ノズルから水平方向に離れている、垂直方向に離れて対峙する第３及び第４ノズルと、
を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ミキサー／エダクターは、前記混合ダクトでガスの混合を促進するために、前記混合ダクト中に置かれた１つ以上のバッフルを更に有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１と第２の角度が等しいことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。  
【請求項１０】
前記ミキサー／エダクターは、更に、前記酸化剤供給ガスに対して前記酸化剤ガスの流れの１つを確立するために、前記酸化剤供給ガスの部分が通る前記酸化剤供給ガスの経路に沿って並べられた更なるノズルを有することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記１つ以上のノズルは、
前記更なるノズルの上方向と下方向に、かつ、前記更なるノズルに対して第１および第２の角度で並べられる、垂直方向に離れて対峙する第１及び第２ノズルと、
前記更なるノズルの右方向と左方向に、かつ、前記更なるノズルに対して第３および第４の角度で並べられる、水平方向に離れて対峙する第３及び第４ノズルと、
を含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記ミキサー／エダクターは、前記混合ダクト中で前記ガスの混合を促進するために前記混合ダクト中に置かれた１つ以上のバッフルを更に有することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第１、第２、第３および第４の角度が等しいことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記アセンブリは、前記領域に配置され、かつ、前記酸化剤供給ガスの流路に対して角度を持って配置されている表面を有する混合コーンを有し、
前記酸化剤供給ガスは、前記１つ以上の酸化剤ガスの流れの中の酸化剤供給ガスが前記領域で前記アノード排ガスと接触して前記混合ダクトに入るように、前記酸化剤供給ガスに対して前記１つ以上の酸化剤ガスの流れが確立されるように前記表面に衝突することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記ミキサー／エダクターは、前記酸化剤供給ガスの経路内で前記混合コーンの前に配置され、前記混合コーンの前記表面に衝突する前に前記酸化剤供給ガスが通過するノズルを更に有することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記ミキサー／エダクターは、通過するガスが時計回り方向および反時計回り方向のうちの１つの方向循環するための第１および第２混合スピナーを更に有し、
前記第１混合スピナーは前記酸化剤供給ガスの経路内で前記混合コーンの前に配置され、前記第２混合スピナーは前記混合コーンの後で前記混合コーンからのガスの経路内に配置されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記スピナーは、それぞれ複数の曲がったブレードを有することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記ミキサー／エダクターは、前記混合ダクト中の前記ガスの混合を促進するために前記混合ダクト中に置かれた１つ以上のバッフルを更に有することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記アセンブリは、
前記領域に配置され、かつ、前記酸化剤供給ガスの通路に対して角度を持って配置された表面を有する混合コーンであって、前記酸化剤供給ガスの第１部分が前記１つ以上の酸化剤ガスの流れの中にありかつ前記混合ダクト中に通過するように、前記酸化剤供給ガスの前記第１部分に対して前記１つ以上の酸化剤ガスの流れが確立されるために前記酸化剤供給ガスの第１部分が前記表面に衝突する混合コーンと、
前記混合コーンの前に前記酸化剤供給ガスの経路に配置され、前記混合コーンの前記表面に衝突する前に前記酸化剤供給ガスの前記第１部分が通るノズルと、
を有し、
前記ノズルおよび前記混合コーンの周囲を通過し、前記混合ダクト中のギャップを通る前記酸化剤供給ガスの第２部分があって、
前記アノード排ガス入口は、前記混合コーンが前記アノード排ガスを前記混合コーンまでおよび前記ノズルが広がっている前記混合コーンの中に運ぶために前記領域に広がるエルボ部を有し、
前記１つ以上の酸化剤ガスの流れの中の前記酸化剤供給ガスの前記第１部分と、前記酸化剤供給ガスの前記第２部分と、前記アノード排気ガスとが、前記混合ダクト中で接触することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記ギャップは、前記エルボが前記混合コーンの支持部の周辺の一部と係合している前記領域の外部の領域に形成されていることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記ミキサー／エダクターは、前記混合ダクト中の混合を促進するために前記混合ダクト中に置かれた１つ以上のバッフルを更に有することを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
アノード側とカソード側とを有する燃料電池積層体で使用するためのミキサー／エダクターであって、
前記アノード側が燃料を受け入れる入口と燃料ガスを含むアノード排ガスを排出する出口とを有し、前記カソード側が酸化剤ガスを受け入れる入口と酸化剤ガスを排気する出口とを有し、前記ミキサー／エダクターが前記アノード側の出口からのアノード排ガスと酸化剤供給ガスとを混合し、
前記ミキサー／エダクターは、前記アノード排ガスと酸化剤供給ガスとを混合するために適合されていて、かつ前記アノード側の出口での前記アノード排ガスの圧力と、前記カソード側の入口での前記酸化剤ガスの圧力との間の圧力差を低減し、
前記ミキサー／エダクターは、更に、前記酸化剤供給ガスおよび前記アノード排ガスの混合と前記圧力差の低減とを促進するために、前記酸化剤供給ガスに対して複数の酸化剤ガスの流れを生成するように適合されていることを特徴とするミキサー／エダクター。
【請求項２３】
前記複数の酸化剤ガスの流れのうちの少なくとも第１および第２の流れは、互いに対して角度を持っていることを特徴とする請求項２２に記載のミキサー／エダクター。
【請求項２４】
前記ミキサー／エダクターは、前記複数の酸化剤ガスの流れの１つ以上を確立するために、前記酸化剤供給ガスの経路に対して角度を持っている要素を有するアセンブリを含んでいることを特徴とする請求項２２に記載のミキサー／エダクター。
【請求項２５】
前記ミキサー／エダクターは、
前記アノード排ガスを受け入れて、前記アノード排ガスを前記ミキサー／エダクターの領域に入れて通過するように運ぶためのアノード排ガス入口と、
前記酸化剤供給ガスを受け入れて、前記酸化剤供給ガスを前記ミキサー／エダクターの前記領域に入れて通過するように運ぶための酸化剤供給ガス入口と、
前記領域を通過するガスを受け入れるために、前記ミキサー／エダクターの前記領域に続く混合ダクトと、を有し、
前記アセンブリは前記領域に配置されていることを特徴とする請求項２４に記載のミキサー／エダクター。
【請求項２６】
前記アセンブリは、
前記領域に配置され、かつ、前記酸化剤ガスの流れに対して角度を持って並べられ、前記酸化剤供給ガスの一部が通過する１つ以上のノズルであって、前記１つ以上の酸化剤ガスの流れの中の酸化剤供給ガスが前記領域で前記アノード排ガスと接触して前記混合ダクトに入るように、前記酸化剤供給ガスに対して前記１つ以上の酸化剤ガスの流れが確立される１つ以上のノズルを有することを特徴とする請求項２５に記載のミキサー／エダクター。
【請求項２７】
前記ミキサー／エダクターは、前記混合ダクト中の前記ガスの混合を促進するために、前記混合ダクト中に置かれた１つ以上のバッフルを更に有することを特徴とする請求項２６に記載のミキサー／エダクター。
【請求項２８】
前記１つ以上のノズルは、
互いに対して第１の角度で配置されている、垂直方向に離れて対峙する第１及び第２ノズルと、
互いに対して第２の角度で配置されており、かつ、前記第１及び第２ノズルから水平方向に離れている、垂直方向に離れて対峙する第３及び第４ノズルと、
を含むことを特徴とする請求項２６に記載のミキサー／エダクター。
【請求項２９】
前記ミキサー／エダクターは、前記混合ダクトでガスの混合を促進するために、前記混合ダクト中に置かれた１つ以上のバッフルを更に有することを特徴とする請求項２８に記載のミキサー／エダクター。
【請求項３０】
前記第１と前記第２の角度が等しいことを特徴とする請求項２８に記載のミキサー／エダクター。
【請求項３１】
前記ミキサー／エダクターは、更に、前記酸化剤供給ガスに対して前記酸化剤ガスの流れの１つを確立するために、前記酸化剤供給ガスの部分が通る前記酸化剤供給ガスの経路に沿って並べられた更なるノズルを有することを特徴とする請求項２６に記載のミキサー／エダクター。
【請求項３２】
前記１つ以上のノズルは、
前記更なるノズルの上方向と下方向に、かつ、前記更なるノズルに対して第１および第２の角度で並べられる、垂直方向に離れて対峙する第１及び第２ノズルと、
前記更なるノズルの右方向と左方向に、かつ、前記更なるノズルに対して第３および第４の角度で並べられる、水平方向に離れて対峙する第３及び第４ノズルと、
を含むことを特徴とする請求項３１に記載のミキサー／エダクター。
【請求項３３】
前記ミキサー／エダクターは、前記混合ダクト中で前記ガスの混合を促進するために前記混合ダクト中に置かれた１つ以上のバッフルを更に有することを特徴とする請求項３２に記載のミキサー／エダクター。
【請求項３４】
前記第１、第２、第３および第４の角度が等しいことを特徴とする請求項３２に記載のミキサー／エダクター。
【請求項３５】
前記アセンブリは、前記領域に配置され、かつ、前記酸化剤供給ガスの流路に対して角度を持って配置されている表面を有する混合コーンを有し、
前記酸化剤供給ガスは、前記１つ以上の酸化剤ガスの流れの中の酸化剤供給ガスが前記領域で前記アノード排ガスと接触して前記混合ダクトに入るように、前記酸化剤供給ガスに対して前記１つ以上の酸化剤ガスの流れが確立されるように前記表面に衝突することを特徴とする請求項２５に記載のミキサー／エダクター。
【請求項３６】
前記ミキサー／エダクターは、前記酸化剤供給ガスの経路内で前記混合コーンの前に配置され、前記混合コーンの前記表面に衝突する前に前記酸化剤供給ガスが通過するノズルを更に有することを特徴とする請求項３５に記載のミキサー／エダクター。
【請求項３７】
前記ミキサー／エダクターは、通過するガスが時計回り方向および反時計回り方向のうちの１つの方向循環するための第１および第２混合スピナーを更に有し、
前記第１混合スピナーは前記酸化剤供給ガスの経路内で前記混合コーンの前に配置され、前記第２混合スピナーは前記混合コーンの後で前記混合コーンからのガスの経路内に配置されることを特徴とする請求項３６に記載のミキサー／エダクター。
【請求項３８】
前記スピナーは、それぞれ複数の曲がったブレードを有することを特徴とする請求項３７に記載のミキサー／エダクター。
【請求項３９】
前記ミキサー／エダクターは、前記混合ダクト中の前記ガスの混合を促進するために前記混合ダクト中に置かれた１つ以上のバッフルを更に有することを特徴とする請求項３７に記載のミキサー／エダクター。
【請求項４０】
前記アセンブリは、
前記領域に配置され、かつ、前記酸化剤供給ガスの通路に対して角度を持って配置された表面を有する混合コーンであって、前記酸化剤供給ガスの第１部分が前記１つ以上の酸化剤ガスの流れの中にありかつ前記混合ダクト中に通過するように、前記酸化剤供給ガスの前記第１部分に対して前記１つ以上の酸化剤ガスの流れが確立されるために前記酸化剤供給ガスの第１部分が前記表面に衝突する混合コーンと、
前記混合コーンの前に前記酸化剤供給ガスの経路に配置され、前記混合コーンの前記表面に衝突する前に前記酸化剤供給ガスの前記第１部分が通るノズルと、
を有し、
前記ノズルおよび前記混合コーンの周囲を通過し、前記混合ダクト中のギャップを通る前記酸化剤供給ガスの第２部分があって、
前記アノード排ガス入口は、前記混合コーンが前記アノード排ガスを前記混合コーンまでおよび前記ノズルが広がっている前記混合コーンの中に運ぶために前記領域に広がるエルボ部を有し、
前記１つ以上の酸化剤ガスの流れの中の前記酸化剤供給ガスの前記第１部分と、前記酸化剤供給ガスの前記第２部分と、前記アノード排気ガスとが、前記混合ダクト中で接触することを特徴とする請求項２５に記載のミキサー／エダクター。
【請求項４１】
前記ギャップは、前記エルボが前記混合コーンの支持部の周辺の一部と係合している前記領域の外部の領域に形成されていることを特徴とする請求項４０に記載のミキサー／エダクター。
【請求項４２】
前記ミキサー／エダクターは、前記混合ダクト中で前記ガスの混合を促進するために前記混合ダクト中に置かれた１つ以上のバッフルを更に有することを特徴とする請求項４０に記載のミキサー／エダクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池積層体のアノード側すなわち燃料側と、カソード側すなわち酸化剤側との間の圧力差の制御に関し、特に、アノード出口すなわち排ガスを積層体のカソード側に供給される入口空気すなわち酸化剤ガスと混合するときに圧力差を最小にすること関する。また特に、本発明は、燃料電池システムにおけるアノードテールガスの混合と圧力差の補償に関連する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素、メタンまたは天然ガスなどの燃料に含まれる水素中に蓄えられた化学エネルギーを電気化学の反応によって直接的に電気エネルギーに変換する装置である。この装置は、熱を生成するために最初に燃料を燃焼し、次に熱を機械的なエネルギーに変換し、最終的に電気に変換しなければならない伝統的な電力発電方法と異なる。燃料電池によってなされる直接変換プロセスは、伝統的な方法に対して、効率が増加することと汚染物質の放出が低減することの両方によりかなりの利点を持っている。
【０００３】
一般に、燃料電池はバッテリーと同様に、その間を電気的にチャージされたイオンで導通する電解質で分離された負極すなわちアノードと、正極すなわちカソード電極とを含む。しかしながら、燃料電池は、バッテリーと異なり燃料と酸化剤とがそれぞれアノードとカソードに供給される限り電力を発生させ続けるだろう。これを実現するために、ガス流れ場は燃料と酸化剤ガスとが供給されるアノードとカソードに隣接して供給される。役に立つ出力レベルを生成するために、各燃料電池と隣の燃料電池の間に電気伝導性の分離板をはさんで、多くの各燃料電池が直列に積層されなければならない。
【特許文献１】米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高温燃料電池積層体では、積層体の酸化剤すなわちカソード側に供給される新しい空気は、周囲温度から燃料電池積層体の温度まで加熱される必要がある。これを実現する１つの方法は、入ってくる空気中でアノード側排気ガスから未使用の燃料を燃やすことである。この「燃焼」は、ガス相燃焼器または触媒反応器中でなされ得るが、後者は、高温燃料電池のアプリケーションにおいて、より一般的である。燃料の完全な反応を確実にして触媒中の温度勾配を最小にするために、アノード側の排気ガスは空気と完全に混合されなければならない。
【０００５】
プロセス流れに関して、混合プロセスは、２つの流れの合流点でアノード側ガス圧とカソード側ガス圧とを合わせる。アノード側の出口圧力は、接続パイプおよびガスを燃やすために使用されるオキシダイザーと関連づけられる圧力損失を克服するために必要とされる量までカソード側の入口の圧力よりも高い。いかなる圧力差もアノードガスがカソード入口の空間に漏れる傾向を生みだすので、圧力差が高ければ高いほど、シールがより良くなければならない。燃料電池積層体のアノードとカソードの間のシールは、２つの表面の間の機械的な力によって通常形成され、いくつかの場合、マニフォールドシールは、「許容できる」漏れ速度を許容するように設計された多孔性のガスケット材料を含む。これらの例の両方の漏れ速度はカソード圧力差に対するアノードの関数である。したがって、圧力差を最小にするには、過度の漏出を防ぐことが重要である。結局、漏れは、システム効率を減少させ、汚染物質の放出を増加させ、積層体の寿命を縮めるために作用する。
【０００６】
圧力差を最小にすることは、過去のシステムにおいて積層体のカソード側の入口での酸化剤ガスの圧力を積層体のアノード側の出口での排気燃料ガスの圧力と等しくするのを試みることによって達成された。これは圧力を等しくさせない傾向がある他の操作条件の直前で実現しなければならない。
【０００７】
現在の燃料電池システムは混合と圧力差の問題の両方を解決するためにさまざまなアプローチが取られている。混合は、しばしば触媒まで運ぶ前の長い長さのパイプ中に２つの流れを流すことを許容することによって実現される。しかしながら、適切な混合のために必要であるパイプの長さは、商業システムで使用するのには長すぎ、その結果としてかなりの圧力差を生じる。また、長いパイプはガス流れから好ましくない熱損失を起こし得る。他の混合システムでは、商業的に利用可能な「静的な」混合プレートを使うが、混合物中にかなりの流体剪断を発生させて、非常に不均一な組成物を供給する。あいにく、これらの静的な混合物もまた大きい圧力損失を発生させ、燃料電池積層体のアノードからカソードへの圧力における不均衡を増加させる。
【０００８】
圧力バランスの問題を解決するために、１つのシステムでは、接続配管、ミキサーおよびオキシダイザーの圧力損失を克服するために、積層体のアノード側出口と混合ポイントの間に配置された高温ブースター送風機を利用する。このシステムは、独自に圧力バランスを制御する利点を持っているが、商業システムに対してかなりの費用と信頼性の問題とを追加する。別のシステムでは、混合デバイスとオキシダイザーを通るアノード排ガスと、新しい空気の酸化剤の両方を引き込むために、下流に高温リサイクル送風機を使用する。このシステム構成は、カソード側入口のガス圧をアノード側出口のガス圧よりも高く維持し、その差に対して何らかの制御を許容する。このシステムに対する不利な点もまたシステムのハードウェアの全体の複雑さとともにリサイクル送風機のコストと信頼性である。圧力差を解決するための更なるアプローチは、単純に燃料の圧力が酸化剤の圧力よりも高くなるのを許容することである。この場合には、経験的に、積層体温度の不均一さ、システム効率の低下および排気される汚染物質の放出増加など、多数の操業上の問題が発生し得る。
【０００９】
本願と同じ譲受人に譲渡される米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報において、新しい酸化剤すなわち空気およびアノード排ガスの所望の混合と、燃料電池積層体のカソード側の入口ガスおよび積層体のアノード側の出口ガスでの低減された圧力差とを提供するために、ミキサー／エダクターが採用されることが開示されている。このミキサー／エダクターは、混合ポイントでのアノード流れの圧力を低減するために入ってくる新しい空気の流れ(新しい空気送風機で供給される)からエネルギーを使用する。特に、ミキサー／エダクターは、速度を増加するためにデザインされており、アノード出口流れは、酸化剤ガス流れと合流して混合して酸化剤供給ガスの圧力を低減する。そして、高速度の混合物は混合物の速度を低減し、混合物の圧力を増加するディフューザの部分を通過する。混合物ガスの圧力増加は、積層体のアノード側の出口ガス圧が積層体のカソード側の入口ガス圧と実質的に等しくなるように制御される。
【００１０】
本発明の目的は、エダクターを通る酸化剤ガスの圧力損失がさらに低減され、酸化剤ガスの新しい空気をアノード排ガスと混合するレベルが最適であり、カソード側の入口ガスと積層体のアノード側の出口ガスとの間の圧力がシステム全体の操業範囲にわたって、上記の不利益を避ける方法でバランスされている、改良されたミキサー／エダクターを供給することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の原理によると、上記および他の目的は、上記タイプのミキサー／エダクターを有する燃料電池システムにおいて、酸化剤供給ガスに対して複数の噴射を生成することを更に採用することにより実現され、それにより必要な混合がミキサー／エダクター中で酸化剤供給ガスとアノード排ガスの間で実現され、そして、よりバランスのとれている圧力がシステムの燃料電池のアノード側出口のアノード排ガスとカソード側入口の酸化剤ガスとの間で実現される。特に、本発明と対応するミキサー／エダクターは、酸化剤供給ガスの経路に対してある角度を持って配置され、それにより、アノード出口ガスと効率的にふれて混合するカソードガスの噴射の分岐セットを生成する要素を含む。このミキサー／エダクターの構成は、操業ポイントの知られた範囲にわたる与えられたシステムデザインが実現されることを許容する。さらに、酸化剤入力ガスあるいは排気リサイクル送風機からの酸化剤排ガスの流れは、圧力のバランスをとるのを助けるために制御され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の上記および他の特徴および実施形態は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むとき、より明確になるであろう。
【００１３】
図１は、燃料電池システム１を概略的に示すブロックダイアグラムである。システム１は、アノード部２Ａとカソード部分２Ｂをそれぞれ有するる燃料電池２、オキシダイザー３およびリサイクル送風機４を含んでいる。燃料電池システム１はまた、本発明の原理と対応するミキサー／エダクター５を含んでいる。
【００１４】
図示されるように、新しい空気６とカソード側部２Ｂからリサイクル送風機４でリサクルされた排気酸化剤ガスは、酸化剤供給ガス６Ａを生成するために合流される。酸化剤供給ガス６Ａは入口５Ａでミキサー／エダクター５に供給される。ミキサー／エダクター５を通過する際に、酸化剤供給ガス６Ａは圧力を減少し、入口５Ｂでミキサー／エダクター５に入ってくるアノード排ガスを流入させる。酸化剤供給ガスとアノード排ガスの混合物は出口５Ｃでミキサー／エダクター５を出て、オキシダイザー３の入口３Ａに続いて入る。オキシダイザー３では、混合されたガスのアノード排ガス中に残っている燃料が燃焼され、それにより、ガス流れの温度が上昇する。オキシダイザーからの出口流れはカソード部分２Ｂのカソード入口８に運ばれる。
【００１５】
上記説明したように酸化剤排ガスがカソード出口９から排出されると、一部はリサイクル送風機４によって入って来る空気までリサイクルされる。燃料ガスは入口１１のアノード部分２Ａに運ばれる。
【００１６】
一般的な条件で、システム１のミキサー／エダクター５の目的の１つは、アノード部分２Ａの出口７のアノード排ガスと、カソード部分２Ｂの入口８の酸化剤ガスとの間の圧力差を低減する、または最小にするようにすることである。ミキサー／エダクター５の別の目的は、オキシダイザー３に供給するために、ミキサー／エダクターの入口５Ｂで受け取ったアノード排ガスをミキサー／エダクターの入口の５Ａで受け取った酸化剤供給ガスと必要な混合を達成することである。
【００１７】
本発明によると、ミキサー／エダクター５は、アノード出口ガスの流れが酸化剤供給ガスの流れと合流する場所で酸化剤供給ガスの速度を上昇し圧力を減少させるために用いられる。これはミキサー／エダクターの入口５Ｂでアノード排ガスの圧力を減少させる。アノード排ガスはミキサー／エダクターの入口５Ａで受け取った酸化剤供給ガスと混合する。混合したガスの圧力は、ミキサー／エダクター５を通過してオキシダイザー３まで通り抜けるときに増加する。
【００１８】
本発明によると、ミキサー／エダクター５は、それぞれが酸化剤供給ガス６Ａの軸すなわち経路に対してある角度を持って配置され、それによって酸化剤供給ガスに対して酸化剤供給ガスの分岐噴射を供給する、いくつかの要素（element）を含むようにさらに適合されている。この様に、混合されたガスの圧力増加とガスの混合は、混合を最適化してカソード部分２Ｂの入口８の酸化剤ガスとアノード部分２Ａの出口７のアノード排ガスとの圧力差を最小にするために、よりよく制御され得る。本発明のミキサー／エダクターの様々な実施例は以下に記載される。
【００１９】
［第１の実施例（図２Ａ−２Ｃ）５つのノズル］
図２Ａ-２Ｃに本発明のミキサー／エダクター１００の第１の実施例を示す。図２Ｂに関して、ミキサー／エダクター１００は酸化剤供給ガス用の酸化剤供給ガスの入口１２０と、Ｔ形の混合アセンブリ１２２を形成するアノード排ガスのためのアノード排ガスの入口１２１とを含む。別の構成では、破線で示されるように、混合アセンブリ１２２は、アノード排ガスに第２の入口１２１Ａを供給することによって十字形状のアセンブリを形成するように変更し得る。本発明の意図あるいは機能を変えない範囲で、別のアノード排ガスの入口を加えることができる。図２Ａに示される入口１２０，１２１の断面領域１０１、１０２は、入口で必要な全体の流れ速度に基づいて選択されていることに注目すべきである。
【００２０】
入口１２０に接続されたノズルアレンジメント１２６は、２つの流れの混合を高めてかつ圧力損失を最小にするのを助けるところの分岐した酸化剤ガス噴射を生成するように、入って来る酸化剤供給ガス空気の経路に対して分岐してある角度を持っている要素を含む。さらに、図２Ａ-２Ｃで示されるように、５つのノズルチューブ１２６Ａ-１２６Ｅはノズルアレンジメントに含まれ、そのうちの４つである１２６Ｂ−１２６Ｅは、酸化剤の経路１２９に対してある角度を持って配置され、そのうちの１つである１２６Ａはこの経路に沿って配置される。図に示された場合では、ノズルチューブ１２６Ａは水平に配置され、対峙するチューブの第１の組である１２６Ｂ-１２６Ｃは、１２６Ａの上方と下方にある角度を持って配置されており、対峙するチューブの第２の組である１２６Ｄ-１２６Ｅ（図示せず）は、チューブ１２６Ａの右側と左側にある角度を持って配置されている。ノズルチューブ１２６Ａ-１２６Ｅのそれぞれは、滑らかに面取りされた引き込み１３９(図２Ｂ参照)を有する。
【００２１】
ノズルチューブ１２６Ａ-１２６Ｅは、ノズルチューブ１２６Ａ-１２６Ｃの速度ベクトル１４０，１４１，１４２によって図２Ｃで記述されたように酸化剤供給ガスを高速に加速する。ノズルチューブ１２６Ａ-１２６Ｅの数と直径１０６(図２Ａ参照)は、必要なレベルの圧力に対して要求される必要な速度を供給するために選択される。この点に関して、ノズルチューブ１２６Ａ-１２６Ｅのそれぞれは、アプリケーションの特別な条件に依存して、異なった直径を持ち得る。さらに、ノズルチューブ１２６Ａ-１２６Ｅの配列は図示されたものと異なる場合がある。一般にチューブは、１本以上の軸に対称に配置されるが、与えられたアプリケーションの特別な性能の要求に合わせてあえて非対称に配置され得る。そのうえ、ノズルチューブの長さ１０７は、チューブ自体における過度の摩擦による圧力損失を防ぎながら、流れが所望の角度１０８に向けられるのを確実にするために十分となるように選択される。
【００２２】
酸化剤供給ガスがノズルチューブ１２６Ａ-１２６Ｅを出ると、混合アセンブリ１２２中でアノード排ガスと混合を始める。この目的のために、入って来る酸化剤ガスの経路１２９に対して４つのノズルチューブ１２６Ｂ-１２６Ｅが角度１０８で配向されるなどのノズルアレンジメント１２６の構成は、アノード排ガス(図２Ｃでベクトル１５０、１５１で表示される)の流入と混合アセンブリ１２２での酸化剤ガスとアノード排ガスとの混合とを最大にし、個々の噴射が１つの大きい噴射に合体するのを遅らせる。さらに、ノズルチューブ１２６Ｂ−１２６Ｅの回転の位置１２８(図２Ｂ)は、ガスの２つの流れの混合を最大にするように選択される。さらに、入口１２１の中心線(図２Ａ)に対してノズルチューブ１２６Ａ-１２６Ｅの端部の位置１０９は、必要な圧力分布を達成するために選択される。
【００２３】
酸化剤ガスの高速度が混合アセンブリ１２２内にアノード排ガスを流入させ、混合物は混合ダクト１２３中に移動する。混合ダクト１２３は、必要な混合を促進するために全て選択されたマウス開口１０３、長さ１０４、フレアすなわち分岐角度１０５を有する。その結果、２つの流れの間の混合は混合ダクトに続き、混合物中の乱れと再循環を引き起こすように作用するバッフルプレート１２４によって更に支援される。図２Ａに示されるように、バッフルプレート１２４の位置１１２、角度１１１および長さ１１０は、過度の圧力の損失を防ぎながら混合を最大にするように選択される。ガス混合物は、続いて混合ダクトの下側に流れ、触媒マニフォールド１９８に入り、ガス混合物は方向を変えて(矢１５９で示される)、触媒ベッド１９９を通過して流れる。
【００２４】
図２Ａ-２Ｃのミキサー／エダクターの様々な部品を実現するために使用可能なパラメタは以下の通りである。０〜４５度のノズルチューブ分岐角度１０８、アノードガスパイプ直径１０２の−１から＋１倍までの範囲のノズルチューブ位置１０９、−９０から＋９０度までの範囲のノズルチューブの回転クロッキング１２８，ノズルチューブ直径１０６の１から１０倍の範囲のノズルチューブ長さ１０７、０から３０度の範囲の混合ダクトフレア角度１０５、０から９０度の範囲の触媒表面との配向角度１５９、５個のノズルチューブ１２６の使用、バッフルプレート１２４の使用。
【００２５】
［第２の実施例（図３Ａ−３Ｃ）４つのノズル］
図３Ａ-３Ｃに本発明のミキサー／エダクター２００の第２の実施例を示す。図３Ｂに関して、ミキサー／エダクター２００は酸化剤供給ガス用の酸化剤供給ガスの入口２２０と、Ｔ形の混合アセンブリ２２２を形成するアノード排ガスのためのアノード排ガスの入口２２１とを含む。ミキサー／エダクターの第１の実施例に関して上記説明したように、別の構成では、混合アセンブリ２２２は、アノード排ガス用の追加の入口を供給することによって、あるいは、更に種々の角度の配置で別の入口を加えて精巧に作られた十字形状のアセンブリとして形成され得る。図３Ａに示される入口２２０，２２１の断面領域１０１、１０２は、特別のアプリケーションで期待される全体の流れ速度に基づいて選択される。
【００２６】
入口２２０に接続されたノズルアレンジメント２２６は、２つの流れの混合を高めてかつ圧力損失を最小にするところの分岐した噴射を生成するように、入って来る酸化剤ガスの経路に対してある角度を持ってセットされている要素を含む。特に、４個のノズルチューブ２２６Ａ-２２６Ｄは、このノズルアレンジメントに含まれていて、入って来る酸化剤の経路２２９に対してある角度を持って配置される。図３Ａ-３Ｃでは、入口２２０と境をなす仕切の右側に接続されている、垂直方向に対峙するノズルチューブ２２６Ａ-２２６Ｂだけが示される。垂直方向に対峙して配置されたノズルチューブ２２６Ｃ-２２６Ｄ(図示されていない)の同様の組は、仕切の左側に接続される。それぞれのノズルチューブ２２６Ａ-２２６Ｄは、滑らかに面取りされた引き込み１３９(図３Ｂ参照)を有する。
【００２７】
ノズルチューブ２２６Ａ-１２６Ｄは、図３Ｃにノズルチューブ２２６Ａ-２２６Ｂの速度ベクトル２４０と２４１によって記述されたように、酸化剤供給ガスを高速に加速する。ノズルチューブ２２６Ａ-２２６Ｄの直径２０６(図３Ａ参照)は、必要な真空レベルに要求される必要な速度を供給するために選択される。ノズル２２６のそれぞれは、アプリケーションの特別な要求に依存して、異なる直径を持ち得る。さらに、ノズルチューブ２２６Ａ-２２６Ｄは、１つ以上の軸対称により一般に構成されるが、アプリケーションの特別な真空と混合の条件に合うように非対称的に構成され得る。ノズルチューブ２２６Ａ−２２６Ｄの長さ２０７は、流れがチューブ自身における過度の摩擦による圧力損失を防ぎながら必要な角度２０８に向けられるのを確実にするために選択される。
【００２８】
酸化剤供給ガスはノズルチューブ２２６Ａ-２２６Ｄを出ると、混合アセンブリ２２２中でアノード排ガスと混合を始める。ノズルチューブ２２６Ａ−２２６Ｄが向けられている角度２０８などのノズルアレンジメント２２６の構成は、アノード排ガス(図３Ｃでベクトル２５０と２５１で表示)の流入と混合アセンブリ２２２中での酸化剤ガスとアノード排ガスとの混合を最大にし、個々のガス流れの経路が一つの大きい経路に合体するのを遅らせる。さらに、ノズルチューブ２２６Ａ-２２６Ｄの回転の位置２２８(図３Ｂ)は、ガスの２つの流れの混合を最大にするために選択される。さらに、入口２２１の中心線(図３Ａ)に対してノズルチューブの端の位置２０９は、必要な圧力分布を達成するために選択される。
【００２９】
酸化剤ガスの速い速度が、混合アセンブリ２２２の内側にアノード排ガスを流入させ、混合物は混合ダクト２２３中に移動する。混合ダクト２２３は、必要な混合を促進するためにすべて選択されたマウス開口２０３、長さ２０４およびフレア角度２０５を有する。その結果、２つの流れの間の混合は混合ダクトに続き、混合物中の乱れと再循環を引き起こすように作用するバッフルプレート(図示しない)によってさらに支援される。ガス混合物は、続いて混合ダクトの下側に流れ触媒マニフォールド２９８に入り、方向変換して(矢２５９で示される)、触媒ベッド２９９に入る。
【００３０】
図３Ａ-３Ｃのミキサー／エダクターの様々な部品を実現するために使用可能なパラメタは以下の通りである。０〜９０度のノズルチューブ分岐角度２０８、アノードガスパイプ直径２０２の−１から＋１倍までの範囲のノズルチューブ位置２０９、−４５から＋４５度までの範囲のノズルチューブの回転クロッキング２２８，ノズルチューブ直径２０６の１から１０倍の範囲のノズルチューブ長さ２０７、０から３０度の範囲の混合ダクトのフレア角度２０５、０から９０度の範囲の触媒表面との配向角度２５９、４個のノズルチューブ２２６の使用、バッフルプレート１２４の使用。
【００３１】
［第３の実施例（図４Ａ−４Ｃ）１つのノズル、空気スピナー、混合コーン、混合スピナー］
図４Ａ-４Ｃに本発明のミキサー／エダクターの第３の実施例３００を示す。図４Ｃに関して、ミキサー／エダクター３００は、酸化剤供給ガス用の酸化剤ガス入口３２０と、アノード排ガス用のアノード排ガス入口３２１を含み、Ｔ形状の混合アセンブリ３２２を形成している。別の構成(図４Ａ-４Ｃに示さない)では、混合アセンブリ３２２は、アノード排ガス用の追加の入口を供給することによって、または、さらに様々な角度の位置で追加の入口を加えることによって精巧に作られた十字形状のアセンブリを形成するように変更され得る。図４Ａに示される入口３２０，３２１の断面の領域３０１，３０２は特別のアプリケーションで期待される全体の流れ速度に基づいて選択される。
【００３２】
入口３２０に接続された混合アレンジメント３２６は、２つの流れの混合を高めてかつ圧力損失を最小にするところの分岐した流れを生成するために、入って来る酸化剤供給ガスの経路に対してある角度を持っている要素を含む。特に、図４Ｂに示されるように、混合アレンジメントは入って来る酸化剤供給ガスの経路３２９に沿って、および好ましくは、ノズルの入口で空気スピナー３３０にも沿って配置されたノズル３２６Ａを含む。空気スピナー３３０は迎え角３３８を定義する曲がったブレード３３０Ａを有し、入って来る酸化剤ガスに対して時計回りあるいは反時計回りの渦巻を引き起こす。
【００３３】
酸化剤ガスがノズル３２６Ａを通って流れるときに、酸化剤ガスはノズルを入ってくる開口の直径よりも小さい直径３０６(図４Ａ参照)を有する開口を通って圧縮されて出ていく。ノズルによるガス流れの圧縮は、図４Ｃに速度ベクトル３４０、３４１で記述されるように、入口の酸化剤ガスを高速に加速する。ノズル開口の直径３０６は、必要な圧力のために要求される必要な速度までガスを加速するために選択される。さらに、ノズルの長さ３０７は、過度の摩擦による圧力損失を防ぐために十分となるように選択される。
【００３４】
速度が増加した酸化剤ガスの流れがノズル３２６Ａを出ると、図４Ｃに示されるように、混合アセンブリ３２２でアノード排ガスと混合し始める。また、ガス混合を改良するためにいくつかの分岐の流れの中に酸化剤ガスを分けるために酸化剤ガスの経路３２９に対してある角度を持つ表面３２７Ａを有する混合コーン３２７が、混合アレンジメント３２６に含まれている。また、迎え角３３９を定義する曲がったブレード３３１Ａを有する第２のスピナー３３１は、混合コーン３２７に続いてスリーブ３３２中に供給される。スピナー３３１もまた、混合コーン３２７から分岐経路中のガス混合物に対して時計回りあるいは反時計回りの渦巻を引き起こし、それによりさらに混合を高める。
【００３５】
混合コーン３２７の寸法３１０、３１１などの混合アレンジメント３２６の構成は、アノード排ガス(図４Ｃでベクトル３５０、３５１によって示される)の流入と混合アセンブリ３２２中の酸化剤ガスとアノード排ガスとの混合とを最大にして、個々の流れがただ一つの大きい流れに合体するのを防ぐ。従って、例えば、ノズル３２６Ａの端と混合コーン３２７のベースの間の距離３１９は、ガスの２つの流れの混合を最大にするように選択される。さらに、入口３２１の中心線(図４Ａ)に対してノズルチューブ３２６の端の位置３０９は、必要な圧力分布を達成するために選択される。
【００３６】
高速の酸化剤ガスは混合アセンブリ３２２内に流入し、その後、混合コーン３２７および第２のスピナー３３１を通過して流れ、ガス混合物は、混合ダクト３２３中を移動する。混合ダクト３２３は、必要な混合を促進するために全て選択されたマウス開口３０３、長さ３０４およびフレア角度３０５を有する。また、本実施例は、図２Ａに示されたバッフルプレート１２４のようなバッフルプレートを含み得る。ガス混合物は、混合ダクト３２３を通って流れ続けて、方向変換して触媒マニフォールド３９８に入り(矢３５９で示される)、触媒ベッド３９９を通って流れる。
【００３７】
図４Ａ-４Ｃのミキサー／エダクターの様々な部品を実現するために使用可能なパラメタは以下の通りである。−６０から＋６０度の範囲の空気スピナー３３０の迎え角３３８、−６０から＋６０度の範囲の混合スピナー３３１の迎え角３３９、アノードガスパイプ直径３０２の−１倍から＋１倍の範囲のノズル位置３０９、ノズルチューブ直径３０６の１から１０倍の範囲の混合コーンの位置３１９、０から３０度までの範囲の混合ダクトフレア角度３０５、０から９０度の範囲の触媒表面との配向角度３５９、バッフルプレート１２４の使用。
【００３８】
［第４の実施例（図５Ａ−５Ｃ）１つのノズル、輪状ギャップと混合コーン］
図５Ａ-５Ｃに本発明のミキサー／エダクターの第４の実施例４００を示す。図５Ｂに関して、ミキサー／エダクター４００は、酸化剤供給ガス用の酸化剤供給ガス入口４２０と、アノード排ガス用のアノード排ガス入口４２１とを含んでいる。図５Ａに示される入口４２０、４２１の横断面の領域４０１と４０２は、特別のアプリケーションで期待される全体の流れ速度に基づいて選択される。
【００３９】
入口４２０に接続された混合アレンジメント４２６は、入って来る酸化剤供給ガスの経路に対してある角度を持っていて、２つの異なった流れに酸化剤ガスの流れを分割して、アノード出口流れと酸化剤供給ガスの混合を高めてかつ圧力損失を最小にする要素を含む。特に、図５Ａ-５Ｃに示されるように、混合アレンジメント４２６は、入って来る酸化剤ガスの経路４２９に沿って配置され、混合エルボー４３１に突き出ているノズル４２６Ａを含む。ノズル４２６Ａは、直径４１２を有するベルマウスと、ノズルチューブ直径４０６と、ベルマウス直径４１２およびノズルチューブ直径４０６よりも小さい直径４１３を有するベルマウスに反対側の開口とを有する。入って来る酸化剤供給ガスは、図５Ｃに示されるように、ベルマウスを通ってノズル４２６Ａに入り、ノズルチューブを通って流れて、エルボ４３１中の開口を通ってノズルを出るときに圧縮される。ノズル４２６Ａによる空気流れの圧縮は、図５Ｃで速度ベクトル４４０と４４２によって示されるように、酸化剤供給ガスを高速に加速する。
【００４０】
入って来る酸化剤ガスのうちノズル４２６Ａのベルマウスに入らないものは、ノズルの周りを流れ、入口に形成された輪状ギャップ４２４によって混合ダクト４２３まで圧縮される。また、輪状ギャップ４２４による酸化剤ガスの圧縮もまた、図５Ｃのに４４１と４４３で示されるように、ギャップを通過する酸化剤ガスを高速に加速する。ノズル４２６Ａ(ノズル開口の直径４１３で測定される)と輪状ギャップ４２４の合体された流れの領域は、必要な圧力に要求される速度まで酸化剤ガスを加速するために選択される。さらに、ノズル４２６Ａの長さ４０７は、ノズル中での過度の摩擦による圧力損失を防ぐために十分であるように選択される。
【００４１】
図５Ｂで示されるように、アノード排ガス入口４２１は、圧縮される通路４３０にアノード排ガスを導き、この通路は、アノード排ガスが混合エルボ４３１中を流れるときにアノード排ガスを加速し、ノズル４２６Ａを離れる加速された速度の酸化剤ガスの流れが流入する。加速された速度の酸化剤ガスの流れがノズル４２６Ａを出るとき、混合エルボ４３１中に配置された混合コーン４２７に衝突する。混合コーン４２７は、酸化剤ガスがいくつかの異なる流れに分けられるように酸化剤ガスの経路４２９対してある角度を持っている表面４２７Ａを有する。これらの分岐ガス流れが接触すると、図５Ｃに示されるように、アノード排ガスが流入するとき、酸化剤排ガスとアノード排ガスの混合を改良する。
【００４２】
混合コーン４２７の寸法４１０、４１１などの混合アレンジメント４２６の構成は、アノード排ガス(図５Ｃでベクトル４５０，４５１で示される)の流入と混合エルボ４３１中への酸化剤ガスへのアノード排ガスの混合とを最大にし、個々のガス流れがただ一つの流れに合体するのを防ぐようにする。それゆえ、例えば、ノズル４２６Ａの端と混合コーン４２７のベースとの間の距離４１９は、ガスの２つの流れの混合を最大にするように選択される。さらに、入口４２１の中心線(図５Ａ)に対してノズルチューブ４２６Ａの端の位置４０９は、必要な圧力分布を達成するように選択される。
【００４３】
高速の酸化剤ガスは、混合エルボ４３１の中でアノード排ガスを流入し、混合物は混合コーン４２７を移動して混合ダクト４２３中に入り、ここで、輪状ギャップ４２４を通って流れる酸化剤ガスもまた導入される。混合ダクト４２３は、必要な混合を促進するためにすべて選択されたマウス開口４０３，長さ４０４およびフレア角度４０５を有する。本実施例は、図２Ａで示されるバッフルプレート１２４などのバッフルプレートもまた含み得る。ガス混合物は、混合ダクト４２３を通って流れ続けて触媒マニフォールド４９８に入り、そこで、方向変換して(矢４５９で示される)、 触媒ベッド４９９を通って流れる。
【００４４】
図５Ａ-５Ｃのミキサー／エダクターの様々な部品を実現するために使用可能なパラメタは以下の通りである。アノード排ガスパイプ直径４０２の−１から＋１倍までの範囲のノズルチューブ位置４０９、ノズルチューブ直径４０６の１から１０倍までの範囲のノズルチューブ長さ４０７、ノズルチューブ直径４０６の１から１０倍までの範囲の混合コーンの位置４１９、０から３０度の範囲の混合ダクトフレア角度４０５、０から９０度の範囲の触媒表面配向角度４５９、１つ以上のバッフルプレート１２４の可能な使用。
【００４５】
［米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報の図６Ａ、６Ｂ］
図６Ａと６Ｂは、米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報で開示されたタイプのミキサー／エダクター５００を示す。図６Ａによれば、ミキサー／エダクターは、酸化剤ガス用の酸化剤ガス入口５２０と、アノード排ガス用のアノード排ガス入口５２１とを含む。入口５２０，５２１の断面領域５００，５０２は、特別のアプリケーションで期待される全体の流れ速度に基づいて選択される。
【００４６】
酸化剤供給ガスが入口５２０を通って流れるときに、酸化剤供給ガスは、入口５２１のエルボ部５２１の円状の開口と混合ダクト５２３への入口との間の輪状ギャップ５２４を通って圧縮される、または、「挟んで締め付けられる（pinched）」。後者のダクトは、直径５０３、長さ５０４およびフレア角度５０５を有する。輪状ギャップ５２４を通っる空気流れの圧縮または「締め付け（pinching）」は、図６Ｂの速度ベクトル５４０、５４１で表示されるように、入口の酸化剤供給ガスを混合ダクト５２３中で速い速度まで加速する。輪状ギャップ５２４の領域は、必要な圧力に要求される必要な速度を供給するために選択される。さらに、混合ダクト５２３の長さ５０４と幅５０５は、ダクト中の過度の圧力損失を防ぐために十分であるように選択される。
【００４７】
高速の酸化剤供給ガスは、入口５２１のエルボ部分５２１Ａの開口を通って混合ダクト５２３に入るアノード排ガスを巻き込む。図６Ｂに示されるように、混合ダクト５２３へのアノード排ガスの流れは、ベクトル５５０によって表される。ガス混合物は混合ダクト５２３を通って流れ続けて、触媒マニフォールド５９８に入り、方向変換して(矢５５９で示される)、 触媒ベッド５９９を通って流れる。
【００４８】
図７は、米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターを使用するシステムと比較したときの上記議論した４つの実施例のそれぞれに対する図１のポイント６からポイント８までカソード側ガスの圧力損失を示すグラフである。特に、本発明のミキサー／エダクターの実施例および米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターを使用するカソード側ガス入口の相対圧力は、いくつかのレベルの酸化剤供給ガス流れ速度で比較される。図のデータポイントは、上記説明された種々の実施例および米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報に対応する異なる流れ速度での酸化剤ガス供給圧力の損失を示している。
【００４９】
米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターの酸化剤供給ガスの圧力損失に関するデータポイントと、本発明の第１、第２、第３実施例の酸化剤供給ガスの圧力損失に関するデータポイントの間の距離７１０は、酸化剤ガスの圧力損失における約４０％の低減を示している。また、米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターの酸化剤供給ガスの圧力損失に関するデータポイントと、本発明の第４実施例の酸化剤供給ガスの圧力損失に関するデータポイントの間の距離７１１は、酸化剤供給ガスの圧力損失における約１５％の低減を示している。
【００５０】
図８は、本発明の４つの実施例のそれぞれに対するミキサー／エダクターおよび米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターのアノード排気で利用可能な吸気（suction）を示すグラフである。ミキサー／エダクターのアノード排気での利用可能な吸気は、本発明の４つの実施例のそれぞれおよび米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターに対する酸化剤供給ガスの流速のいくつかのレベルで示される。
【００５１】
図のｙ軸に沿ったより大きな負の値は、与えられた流速におけるより大きな吸気を示しており、相互接続するパイプとオキシダイザにおける流れの規制を克服するための能力を示している。この図で示されるように、データは、アノード排ガス吸気が米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターと第１と第２の実施例のミキサー／エダクターに対してほとんど同じであることを示している。これは、これらの実施例で達成される真空度と、米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターによって達成された真空度との間の違いがわずかであることを示す矢８１０によって指摘される。吸気の差がわずかであるが、それにもかかわらず本発明の実施例は、米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターと比較すると酸化剤供給ガスの圧力損失における４０％の減少を供給するという利点を示している。矢８１１は本発明の第４の実施例で達成される真空度を示している。矢８１０で示されるように、このことは、米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターによって達成される真空度に関して、第４の実施例は吸気における５００％の改良を供給することを示している。また、同時に、第４の実施例は、米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報に関して酸化剤ガスの圧力損失における１５％の改良を供給する。
【００５２】
図９と１０は、それぞれ本発明の第１実施例のミキサー／エダクターと米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターを使用する触媒ベッド表面での混合の均一性を示している。図９に示される値は、アノード排ガスの流れにヘリウムを加えオキシダイザー表面での濃度を測定するためにヘリウム検出器を用いて実験室内での測定で得られた。逸脱したデータは、平均の混合値から離れたパーセンテージとして示される。図９で見ることができるように、第１実施例における混合の均一性の変動は±２％である。
【００５３】
図１０の値はオキシダイザーの操業温度分布の場での測定で得られた。続いて温度分布がオキシダイザー中の発熱の分布を得るために測定されたオキシダイザー出口温度から測定されたオキシダイザー入口温度を引くことによって、算出されたアノード出口混合物分布に変換された。発熱は、オキシダイザーを通るアノード排ガス分布に比例している。また、図１０の逸脱データは平均混合値から逸脱するパーセンテージとして示される。図１０で示されるように、混合の均一性の変動は±７〜１２％である。従って、本発明のミキサー／エダクターは、米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターと比較されたときに、ガス混合における顕著な改良が提供される。
【００５４】
すべての場合において、上記説明された配置は本発明の応用を表す多くの可能な特定の実施例の単なる例示であると理解される。本発明の精神と範囲から逸脱しない範囲で、本発明の原理に基づいて、多くのおよび変更された他の構成は容易に考案されることができる。したがって、例えば、本発明の第１および第２の実施例では、４と５個のノズルチューブがそれぞれ使用されたが、チューブの数がより多いものもより少ないものも使用することができる。チューブの数の代表的な範囲は２〜１６個のチューブである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の原理に対応するミキサー／エダクターを含む燃料電池システムを示すブロックダイアグラムの図である。
【図２Ａ】図１のミキサー／エダクターの第１の実施例の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａのミキサー／エダクターの一部の同じ大きさの断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｂで示されるミキサー／エダクターの一部の断面図であり、ガス流れの経路を示す図である。
【図３Ａ】図１のミキサー／エダクターの第２の実施例の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａのミキサー／エダクターの一部の同じ大きさの断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｂで示されるミキサー／エダクターの一部の断面図であり、ガス流れの経路を示す図である。
【図４Ａ】図１のミキサー／エダクターの第３の実施例の断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａのミキサー／エダクターの一部の同じ大きさの断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｂで示されるミキサー／エダクターの一部の断面図であり、ガス流れの経路を示す図である。
【図５Ａ】図１のミキサー／エダクターの第４の実施例の断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａのミキサー／エダクターの一部の同じ大きさの断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｂで示されるミキサー／エダクターの一部の断面図であり、ガス流れの経路を示す図である。
【図６Ａ】上記の米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターの断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａのミキサー／エダクターの一部の断面図であり、ガス流れ経路を示す図である。
【図７】米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターと比較したときの本発明のミキサー／エダクターの測定された空気側の圧力損失の改善を示す図である。
【図８】米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターと比較して時の本発明のミキサー／エダクターの測定されたアノード側の吸気の改良を示すグラフである。
【図９】本発明のミキサー／エダクターを使用して達成される測定された混合の均一性を示すダイヤグラムである。
【図１０】米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報のミキサー／エダクターを使用して達成される測定された混合の均一性を示すダイヤグラムである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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