(57)【要約】発電システムは、排出ストリームを再循環するマルチジェットエジェクタを有する。本システムは、反応剤ストリーム入口、反応剤ストリーム出口、および、少なくとも１個の燃料電池を有する燃料電池スタックを含む。圧縮反応剤供給源が、マルチジェットエジェクタに反応剤を供給する。マルチジェットエジェクタアセンブリは、２つの駆動流入口、燃料電池スタックからの再循環フローを受け取る反応剤ストリーム出口に流動体的に接続された１つの吸引入口、および、燃料電池スタックに入口ストリームを供給する反応剤ストリーム出口に流動体的に接続された１つの排出口を含む。圧力調整器は、圧縮反応剤供給源とマルチジェットエジェクタアセンブリの２つの駆動流入口の間に置かれる。第一の電磁弁は、第一の駆動流入口と調整器の間に置かれる。第二の電磁弁は、第二の駆動流入口と調整器の間に置かれる。
2007506257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口ストリームと排出ストリームを有する燃料電池スタックを有する燃料電池システムの反応剤流動体ストリームを再循環する装置であって、
該燃料電池スタックの該排出ストリームから再循環フローを受け取るように構成された吸引入口に、流動体的に接続された共通吸引チャンバと、
該共通吸引チャンバの中に設置され、該燃料電池スタックの反応剤源から第一の駆動流を受け取るように構成された低フロー駆動入口に流動体的に接続された低フローノズルと、
該燃料電池スタックに該入口ストリームを供給するように構成された排出口に、流動体的に接続された低フローディフューザと、
該共通吸引チャンバの中に設置され、該反応剤ソースから該第一の駆動流を受け取るように構成された高フロー駆動入口に流動体的に接続された高フローノズルと、
該排出口に流動体的に接続された高フローディフューザと
を備える、装置。
【請求項２】
前記共通吸引チャンバが実質的に円筒形である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
フローが前記低フローディフューザを通じて逆流するのを防ぐための、低フロー１方向チェック弁と、
フローが前記高フローディフューザを通じて逆流するのを防ぐための、高フロー１方向チェック弁とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記低フローノズルと低フローディフューザは、前記再循環フローを運び去り、低負荷状態において前記入口ストリームを供給するように構成され、
前記高フローノズルと高フローディフューザは、前記再循環フローを運び運び去り、高負荷状態において前記入口ストリームを供給するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
フローが前記低フローディフューザを通じて逆流するのを防ぐための、低フロー１方向チェック弁と、
フローが前記高フローディフューザを通じて逆流するのを防ぐための、高フロー１方向チェック弁とをさらに備える、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記共通吸引チャンバの中に設置され、前記反応剤ソースから第二の駆動流を受け取るように構成された超低フロー駆動入口に流動体的に接続された超低フローノズルと、
前記排出口に流動体的に接続された超低フローディフューザとをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記共通吸引チャンバが実質的に円筒形である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
フローが前記低フローディフューザを通じて逆流するのを防ぐための、低フロー１方向チェック弁と、
フローが前記高フローディフューザを通じて逆流するのを防ぐための、高フロー１方向チェック弁とをさらに備える、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
フローが前記超低フローディフューザを通じて逆流するのを防ぐための、超低フロー１方向チェック弁をさらに備える、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記低フローノズルと低フローディフューザは、前記再循環フローを運び去り、低負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成され、
前記高フローノズルと高フローディフューザは、前記再循環フローを運び去り、高負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成され、
前記超低フローノズルと超低フローディフューザは、前記再循環フローの一部を運び去り、アイドリング負荷状態において、前記入口ストリームの一部を供給するように構成される、請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
フローが前記低フローディフューザを通じて逆流するのを防ぐための、低フロー１方向チェック弁と、
フローが前記高フローディフューザを通じて逆流するのを防ぐための、高フロー１方向チェック弁とをさらに備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
フローが前記超低フローディフューザを通じて逆流するのを防ぐための、超低フロー１方向チェック弁をさらに備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
反応剤ストリーム入口と、反応剤ストリーム出口と、少なくとも１個の燃料電池とを備える、燃料電池スタックと、
圧縮反応剤供給源と、
マルチジェットエジェクタアセンブリであって、
該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第一の駆動流入口と、
該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第二の駆動流入口と、
該燃料電池スタックから再循環フローを受け取る該反応剤ストリーム出口に流動体的に接続されている吸引入口と、
該燃料電池スタックに入口ストリームを供給する該反応剤ストリーム入口に流動体的に接続された排出口とを備える、マルチジェットエジェクタアセンブリと、
該マルチジェットエジェクタアセンブリへの第一の駆動流を調整するために、該圧縮反応剤供給源、該マルチジェットエジェクタアセンブリの該第一および第二の駆動流入口とに流動体的に接続され、該圧縮反応剤供給源と該第一および第二の駆動流入口との間に置かれた調整器と、
該第二の駆動流入口と該調整器とに流動体的に接続され、その間に置かれた、第一の電磁弁と
を備える、発電システム。
【請求項１４】
反応剤ストリーム入口と、反応剤ストリーム出口と、少なくとも１個の燃料電池とを備える、燃料電池スタックと、
圧縮反応剤供給源と、
マルチジェットエジェクタアセンブリであって、
該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第一の駆動流入口と、
該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第二の駆動流入口と、
該燃料電池スタックから、再循環フローを受け取る、該反応剤ストリーム出口に流動体的に接続されている吸引入口と、
該燃料電池スタックに、入口ストリームを供給する、該反応剤ストリーム入口に流動体的に接続された排出口とを備える、マルチジェットエジェクタアセンブリと、
該マルチジェットエジェクタアセンブリの第一の駆動流を調整するために、該圧縮反応剤供給源と該マルチジェットエジェクタアセンブリの該第一および第二の駆動流入口とに流動体的に接続され、該圧縮反応剤供給源と該第一および第二の駆動流入口との間に置かれた調整器と、
該第一の駆動流入口と該調整器とに流動体的に接続され、その間に置かれた第一の電磁弁と、
該第二の駆動流入口と該調整器とに流動体的に接続され、その間に置かれた第二の電磁弁と、
該マルチジェットエジェクタアセンブリに第二の駆動流を供給するために、該圧縮反応剤供給源を該第二の駆動流入口に流動体的に接続しているバイパス線と、
該圧縮反応剤供給源と該第二の駆動流入口との間において流動体的に接続され、該圧縮反応剤供給源と該第二の駆動流入口との間の該バイパス線に置かれたバイパス電磁弁と
を備える、発電システム。
【請求項１５】
前記第一の駆動流入口は、前記再循環フローを運び去り、高負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成された第一のノズルおよびディフューザに流動体的に接続され、
前記第二の駆動流入口は、前記再循環フローを運び去り、低負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成された第二のノズルおよびディフューザに流動体的に接続されている、請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１６】
前記調整器は、前記マルチジェットエジェクタアセンブリへの前記第一の駆動流の圧力を調整するための、圧力調整弁である、請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１７】
前記マルチジェットエジェクタアセンブリへの前記第一の駆動流の圧力を検知するため、および、前記第一の電磁弁、前記第二の電磁弁および前記バイパス電磁弁の動作をアシストするための圧力変換器をさらに備える、請求項１６に記載の発電システム。
【請求項１８】
前記マルチジェットエジェクタアセンブリが、前記圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第三の駆動流入口をさらに備える、請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１９】
前記第一の駆動流入口は、前記再循環フローを運び去り、高負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成された第一のノズルおよびディフューザに流動体的に接続され、
前記第二の駆動流入口は、前記再循環フローを運び去り、低負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成された第二のノズルおよびディフューザに流動体的に接続され、
前記第三の駆動流入口は、前記再循環フローの一部を運び去り、アイドリング負荷状態において、前記入口ストリームの一部を供給するように構成された第三のノズルおよびディフューザに流動体的に接続されている、請求項１４に記載の発電システム。
【請求項２０】
請求項１４に記載の発電システムを作動する方法であって、
低負荷動作状態の間、前記第二の電磁弁を開き、前記第一の電磁弁と前記バイパス電磁弁を閉じることであって、その結果、前記第一の駆動流が前記第二の駆動流入口に導かれる、ことと、
高負荷動作状態の間、前記第二の電磁弁を閉じ、前記第一の電磁弁と前記バイパス電磁弁を開くことであって、その結果、前記第一の駆動流が前記第一の駆動流入口に、前記第二の駆動流が前記第二の駆動流入口に導かれる、ことと、
を包含する、方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載の発電システムを作動する方法であって、
低負荷動作状態の間、前記第二の電磁弁を開き、前記第一の電磁弁と前記バイパス電磁弁を閉じることであって、その結果、前記第一の駆動流が前記第二の駆動流入口に導かれる、ことと、
高負荷動作状態の間、前記第二の電磁弁を閉じ、前記第一の電磁弁と前記バイパス電磁弁を開くことであって、その結果、前記第一の駆動流が前記第一の駆動流入口に、前記第二の駆動流が前記第二の駆動流入口に導かれるようにする、ことと、
全動作状態の間、第三の駆動流を前記圧縮反応剤供給源から、前記第三の駆動流入口に導く、ことと
を包含する、方法。
【請求項２２】
第一の入口ストリームを受け取るように構成された第一の反応剤ストリーム入口と、第二の入口ストリームを受け取るように構成された第二の反応剤ストリーム入口と、第一の反応剤ストリーム出口と、少なくとも１個の燃料電池とを備える、燃料電池スタックと、
圧縮反応剤供給源と、
マルチジェットエジェクタアセンブリであって、
再循環フローを受け取る、該第一の反応剤ストリーム出口に流動体的に接続された吸引入口と、
該第一の入口ストリームを供給する、該第一の反応剤ストリーム入口に流動体的に接続された排出口と、
該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第一の駆動流入口と、
該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第二の駆動流入口とを備える、マルチジェットエジェクタアセンブリと、
該圧縮反応剤供給源と該第一の駆動流入口とに流動体的に接続され、その間に置かれ、該第一の駆動流入口への第一の駆動流の圧力を調整する第一の圧力調整器であって、該第一の圧力調整器は、該第一の入口ストリームの圧力を、該第二の入口ストリームの圧力との関係で、本質的に一定な第一の差圧に維持するように構成された第一の圧力調整器と、
該圧縮反応剤供給源と該第二の駆動流入口とに流動体的に接続され、その間に置かれ、該第二の駆動流入口への第二の駆動流の圧力を調整する第二の圧力調整器であって、該第二の圧力調整器は、該第一の入口ストリームの圧力を、該第二の入口ストリームの圧力との関係で、本質的に一定な第二の差圧に維持するように構成された第二の圧力調整器と
を備える、発電システムであって、
該第一の差圧は、該第二の差圧と異なる、発電システム。
【請求項２３】
前記第一の駆動流入口は、前記再循環フローを運び去り、高負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成された第一のノズルおよびディフューザに流動体的に接続され、
前記第二の駆動流入口は、前記再循環フローを運び去り、低負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成された第二のノズルおよびディフューザに流動体的に接続され、
前記第一の差圧は、第二の差圧よりも小さい、請求項２２に記載の発電システム。
【請求項２４】
第一の流動体の基準フィードバックラインに、流動体的に接続されるように構成された第一の基準チャンバと、
第二の流動体の基準フィードバックラインに、流動体的に接続されるように構成された第二の基準チャンバと、
該第一の基準チャンバと該第二の基準チャンバを流動体的に分離し、該第一の流動体の圧力が、該第二の流動体の圧力との関係で、所望の差圧であるときは、いつも、平衡状態となるようにバイアスを掛けられる、柔軟性のある膜と、
圧縮反応剤供給源に流動体的に接続されるように構成された調整器入口と、
第一の調整器出口と、
第二の調整器出口と、
該調整器入口と該第一の調整器出口を流動体的に接続する第一の通路と、
該調整器入口と該第二の調整器出口を流動体的に接続する第二の通路と、
該柔軟性のある膜の動きに従うように構成された第一の可動幹であって、該第一の可動幹の位置に応じて、第一の通路を開閉するように構成された第一のプラグを備える、該第一の可動幹と、
該第一の可動幹が設定された距離だけ該柔軟性のある膜によって移動された後、該第一の可動幹の動きに従うように構成された第二の可動幹であって、該第二の可動幹の位置に応じて、第二の通路を開閉するように構成された第二のプラグを備える、該第二の可動幹と
を備える、圧力調整器。
【請求項２５】
前記第一の流動体の圧力が前記第二の流動体の圧力に比例して増加したとき、前記柔軟性のある膜は、前記第一の可動幹を押し下げ、その結果、前記第一の通路を開き、前記設定された距離だけ移動された後、前記該第一の可動幹は前記第二の可動幹を押し下げ、その結果、前記第二の通路を開くように、前記柔軟性のある膜、前記第一の可動幹および前記第二の可動幹が、配置されている、請求項２４に記載の圧力調整器。
【請求項２６】
前記第二の可動幹は、前記第一の可動幹が動くことを可能にし、前記調整器入口と前記第一の調整器出口を流動体的に接続するように構成された内軸通路を備え、
前記第一の可動幹は、前記第二の可動幹の該内軸通路の中を移動し、前記設定された距離だけ前記柔軟性のある膜によって移動させられた後、第二の可動幹と係合するように構成された、請求項２４に記載の圧力調整器。
【請求項２７】
反応剤ストリーム入口と、反応剤ストリーム出口と、少なくとも１個の燃料電池とを備える、燃料電池スタックと、
圧縮反応剤供給源と、
マルチジェットエジェクタアセンブリであって、
該燃料電池スタックから再循環フローを受け取る該反応剤ストリーム出口に、流動体的に接続されている吸引入口と、
該燃料電池スタックに入口ストリームを供給する該反応剤ストリーム入口に、流動体的に接続された排出口と
該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第一の入口と、
該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第二の入口とを備える、マルチジェットエジェクタアセンブリと、
該圧縮反応剤供給源と該マルチジェットエジェクタアセンブリとに流動体的に接続され、その間に置かれた、請求項２４に記載の圧力調整器と、
を備える、発電システムであって、
該第一の調整器出口は、該マルチジェットエジェクタアセンブリの該第一の入口に流動体的に接続され、
該第二の調整器出口は、該マルチジェットエジェクタアセンブリの該第二の入口に流動体的に接続されている、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（本発明の分野）
本発明は、一般的には、燃料電池システムに関するもので、より特定的には、流動体ストリームの再循環をともなうシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術の記述）
電気化学的燃料電池アセンブリは、電力と反応生成物を生成するために、反応剤（すなわち、燃料および酸化剤）を変換する。電気化学的燃料電池アセンブリには、一般的に、２つの電極（すなわち、アノードとカソード）の間に配置した電解質を用いる。電極は、一般的に、電解質と電極層の間の界面に配置された多孔性導電性シート材料および電極触媒を、それぞれ含む。これらは、所望の電気化学的反応を引き起こすためである。電極触媒の位置は、一般的に、電気化学的に活性な領域を決定する。
【０００３】
固体高分子燃料電池アセンブリは、典型的には、２つの電極層の間に配置された固体高分子電解質またはイオン交換膜からなる膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）を用いる。膜は、イオン伝導性（典型的には、プロトン伝導性）材料であるだけでなく、反応剤（すなわち、燃料および酸化剤）のストリームをお互いに遮断するためのバリアとしても、機能する。
【０００４】
ＭＥＡは、典型的には、燃料電池アセンブリを形成すべく、反応剤の流動体ストリームに実質的に不浸透性である２枚のセパレータ板の間に置かれている。セパレータ板は、集電板として機能し、隣接する電極のサポートとなり、典型的には、ＭＥＡに反応剤を供給するための、あるいは、クーラントを循環させるための、流路を含む。セパレータ板は、典型的には、フローフィールド板として、知られる。燃料電池アセンブリは、セパレータ板と電極との間で、良好な電気的接続および燃料電池構成要素間の良好な密閉性を確保するために、典型的には、圧縮されている。複数の燃料電池アセンブリが、燃料電池スタックを構成するために、電気的に直列または並列に組み合わされている。燃料電池スタックにおいて、１枚のセパレータ板は２つの隣接する燃料電池アセンブリで分かち合われることもある。この場合、そのセパレータ板は、さらに、２つの隣り合う燃料電池アセンブリの流動体ストリームを分離する。このようなセパレータ板は、一般に、バイポーラ板と言われ、そのそれぞれの主となる表面に、燃料と酸化剤、あるいは、反応剤とクーラントを導く流路を、それぞれ有しうる。
【０００５】
アノードに供給される燃料ストリームは、典型的には、水素を含む。例えば、燃料ストリームは、実質的に純粋な水素であるような気体のことも、または、水素を含む改質油ストリームのこともありうる。酸化剤ストリームは、カソードに供給されるが、典型的には、酸素を、実質的に純酸素、あるいは、空気のような希釈酸素ストリームを含む。
【０００６】
スタックを形成する燃料電池のそれぞれは、所望の圧力で、選ばれた燃料と酸化剤で、典型的には、溢れている。所望の圧力は、負荷要求に関わらず、一定で保たれるシステムもあれば、負荷要求に応じて、変化するシステムもある。しかしながら、どのシステムにおいても、所望の圧力は、反応剤のソースにある調整器によって、一般に制御される。このような調整器は、多用な形式を採りうる。例えば、ガス圧が所望の圧力より高いソースから、反応剤が発生する場合は、調整器は、可変開口バルブシステムの形式を採ることができ、所望の圧力を維持／達成に必要なだけ、少ないフロー、あるいは、多いフローを中に入れることができる。このような調整器は、典型的には、圧力調整器と言われる。また、別の例として、ガス圧が所望の圧力より低いソースから、反応剤が生じる場合は、調整器は、コンプレッサの形式を採りうる。さらに、別の例として、ガス圧が所望の圧力と実質的に同等なソースから、反応剤が生じる場合は、調整器は、ブロワ（ｂｌｏｗｅｒ）の形式を採りうる。一つのシステムに複数の調整器の形式が存在しうる。例えば、Ｍｅｒｒｉｔｔらの米国特許第５，４４１，８２１号で、開示しているシステムでは、燃料が高圧ソース（加圧水素）から生じ、スタックに到達するまでは、圧力調整器で制御される一方で、酸化剤は低圧ソース（環境）から生じ、エアコンプレッサ（つまり、空気がスタックに到達する前に圧縮される）によって、制御される。
【０００７】
圧力調整器は、差分方式で作動するが、これは、所望圧力が常に他の圧力との関係で設定されるからである。所望圧力は、一定（例えば、大気圧に対して、所望の圧力を維持／達成する）でも、可変（例えば、システムの別の場所に対して、その別の場所の圧力も可変である場合、所望の圧力を維持／達成する）でもありうる。例えば、Ｍｅｒｒｉｔｔらが、米国特許第５，４４１，８２１号で開示しているシステムでは、コンプレッサが一定の圧力（大気圧）との関係で、所望の酸化剤の圧力に設定する一方で、弁タイプの圧力調整器、所望の燃料ストリーム圧力を可変圧に従って、設定する。さらに具体的に言うと、燃料ストリームと酸化剤ストリームとの所望の定常状態の差圧を維持／達成するためである。
【０００８】
燃料電池スタックの排出するそれぞれの反応剤ストリームは、一般的に、有用な反応生成物（例えば、水、および、未消費の燃料または未消費の酸化剤など）を含み、これらは燃料電池システムによって、利用されうる。こうした有用な反応剤生成物を有効利用する方法の一つは、この排出された反応剤ストリームを再循環することである。したがって、例えば、水素排出ストリームをアノード入口に再循環すると、さらに効率的なシステムとなる。なぜなら、未消費の水素を大気に出すことによって生じる廃棄物を最小限とできるからである。
【０００９】
Ｍｅｒｒｉｔｔらが、米国特許第５，４４１，８２１号で概説したように、水素再循環を実施する方法の一つは、ジェットエジェクタを用いるものである。エジェクタの駆動入口は、圧縮水素供給源に、流動体的に接続されており、エジェクタの吸引入口は、水素排気口に流動体的に接続されており、エジェクタの排出口は、燃料電池スタックの水素ストリーム入口に流動体的に接続されている。その結果、ジェットエジェクタの周知の作動に従い、燃料電池スタックのアノード入口に入る前に、水素供給ストリームと比較的低圧の水素排出ストリームを運び去り（従って、再循環し）、こうして、２つのストリームは混合する。
【００１０】
燃料電池スタックの水素入口ストリーム流量（ｆｌｏｗ  ｒａｔｅ）の範囲が広く、この流量の範囲で、ジェットエジェクタが作動しなければならないことから、満足いくジェットエジェクタの設計は困難であることが分かってきている。最大負荷が必要なときに、燃料電池スタックに、必要とされる入口の流量を供給できるジェットエジェクタを設計すると、ノズル部および／またはディフューザのノド部が、あまりにも大きくなり、低い負荷が要求されるとき（例えば、アイドリング時）に、必要とされる水素を再循環できないからである。逆に、低い負荷が要求されるときに、必要とされる水素を再循環できるようにジェットエジェクタを設計すると、ノズル部および／またはディフューザのノド部が、あまりにも小さくなり、最大負荷が要求されるときに、燃料電池スタックに、必要とされる入口流量を供給できないからである。
【００１１】
前述の問題を解決するために、二段切替えエジェクタシステムが、菅原竜也らによって、菅原竜也らによる日本国特許公開第２００１−２６６９２２号で提案されている。このシステムでは、低フローエジェクタまたは高フローエジェクタの一方が、場合に応じた条件で使われる。しかしながら、２つの別々のエジェクタおよび関連する流体の回路を有することは、典型的な自動車部門での応用で、スペースが必要な点で問題となってくる。さらに、こうしたシステムの変化点において、より特定的に言えば、駆動流れのコースが、低フローエジェクタから高フローエジェクタに変わる場合、概して、必要とされる最低の運び去りレベル未満となり、再循環の急激な落ち込みが生じる。さらなるエジェクタの追加は、変化点での問題を緩和することになるが、それと引き換えに、必要とされるスペース問題を悪化させることになる。
【００１２】
したがって、燃料電池スタックの動作状態の全範囲にわたって、効率的に作動可能であり、かつ、典型的な車関連での応用で、スペース要求の問題にも何らか対応する、流動体ストリームを再循環させる燃料電池システムへのニーズが存在する。本発明は、こうしたニーズや他のニーズに応え、さらに、それに関連する利点も提供するものである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（発明の簡単な概要）
本発明は、入口ストリームと排出ストリームとを備えた燃料電池スタックを有する燃料電池システムの、反応剤流動体ストリームを再循環するための機器を提供するものである。本装置は、
該燃料電池スタックの該排出ストリームから再循環フローを受け取るように構成された吸引入口に、流動体的に接続された実質的に円筒形でありうる、共通吸引チャンバと、
共通吸引チャンバの中に設置され、該燃料電池スタックの反応剤ソース（ｓｏｕｒｃｅ）から第一の駆動流を受け取るように構成された低フロー駆動入口に流動体的に接続された低フローノズルと、
該燃料電池スタックに該入口ストリームを供給するように構成された排出口に、流動体的に接続された低フローディフューザと、
該共通吸引チャンバの中に設置され、該反応剤ソースから該第一の駆動流を受け取るように構成された高フロー駆動入口に流動体的に接続された高フローノズルと、
該排出口に流動体的に接続された高フローディフューザと
を備える。
【００１４】
前記低フローノズルと低フローディフューザは、前記再循環フローを運び去り、低負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成され、一方、前記高フローノズルと高フローディフューザは、前記再循環フローを運び去り、高負荷状態において前記入口ストリームを供給するように構成されうる。
【００１５】
前記装置は、
前記共通吸引チャンバの中に設置され、前記反応剤ソースから第二の駆動流を受け取るように構成された超低フロー駆動入口に流動体的に接続された超低フローノズルと、
前記排出口に、流動体的に接続された超低フローディフューザと
をさらに備えうる。
【００１６】
前記超低フローノズルと前記超低フローディフューザは、前記再循環フローの一部を運び去るように構成されうる。
【００１７】
前記装置は、各ディフューザを通じてフローが逆流するのを防ぐための１方向チェック弁をさらに備えうる。
【００１８】
また、本発明は、発電システムを提供する。本システムは、
反応剤ストリーム入口と、反応剤ストリーム出口と、少なくとも１個の燃料電池とを備える、燃料電池スタックと、
圧縮反応剤供給源と、
マルチジェットエジェクタアセンブリであって、
ｉ）該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第一の駆動流入口と、
ｉｉ）該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第二の駆動流入口と、
ｉｉｉ）該燃料電池スタックから、再循環フローを受け取る、該反応剤ストリーム出口に流動体的に接続されている、吸引入口と、
ｉｖ）該燃料電池スタックに、入口ストリームを供給する、該反応剤ストリーム入口に流動体的に接続された、排出口と
を備える、マルチジェットエジェクタアセンブリと、
該マルチジェットエジェクタアセンブリへの第一の駆動流を調整するため、該圧縮反応剤供給源、該マルチジェットエジェクタアセンブリの該第一および第二の駆動流入口とに流動体的に接続され、該圧縮反応剤供給源と該第一および第二の駆動流入口との間に置かれた、圧力調整弁でありうる調整器と、
該第二の駆動流入口と該調整器とに流動体的に接続され、その間に置かれた、第一の電磁弁と
を備える。
【００１９】
本発明によって提供される発電システムは、
前記第二の駆動流入口と前記調整器とに流動体的に接続され、その間に置かれた、第二の電磁弁と、
前記マルチジェットエジェクタアセンブリに第二の駆動流を供給するために、前記第二の駆動流入口に、前記圧縮反応剤供給源を流動体的に接続する、バイパス線と、
前記圧縮反応剤供給源と前記第二の駆動流入口とに流動体的に接続され、前記圧縮反応剤供給源と前記第二の駆動流入口との間の該バイパス線に置かれたバイパス電磁弁と
をさらに備えうる。
【００２０】
前記第一の駆動流入口は、前記再循環フローを運び去り、高負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成された第一のノズルおよびディフューザに流動体的に接続されうる。一方、前記第二の駆動流入口は、前記再循環フローを運び去り、低負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成された第二のノズルおよびディフューザに流動体的に接続されうる。
【００２１】
前記発電システムは、前記マルチジェットエジェクタアセンブリへの、前記第一の駆動流の圧力を検知するため、および、第一の電磁弁、第二の電磁弁およびバイパス電磁弁の動作をアシストするための圧力変換器をさらに備えうる。
【００２２】
また、本発明は、このような発電システムを作動する方法も提供する。この方法では、
低負荷動作状態の間、前記第二の電磁弁が開かれ、前記第一の電磁弁と前記バイパス電磁弁が閉じられ、その結果、前記第一の駆動流が、前記第二の駆動流入口に導かれ、
高負荷動作状態の間、前記第二の電磁弁が閉じられ、前記第一の電磁弁と前記バイパス電磁弁が開かれ、その結果、前記第一の駆動流が、前記第一の駆動流入口に、前記第二の駆動流が、前記第二の駆動流入口に、導かれる。
【００２３】
前記発電システムの前記マルチジェットエジェクタアセンブリは、前記圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第三の駆動流入口をさらに備えうる。該第三の駆動流入口は、前記再循環フローの一部を運び去り、アイドリング負荷状態において、前記入口ストリームの一部を供給するように構成された第三のノズルおよびディフューザに流動体的に接続されうる。
【００２４】
本発明によって、提供されるこのような発電システムを作動する方法には、
全動作状態の間、前記第三の駆動流が、前記圧縮反応剤供給源から、前記第三の駆動流入口に、導かれることを包含する。
【００２５】
また、本発明は、発電システムを提供する。そのシステムは、
第一の入口ストリームを受け取るように構成された第一の反応剤ストリーム入口と、
第二の入口ストリームを受け取るように構成された第二の反応剤ストリーム入口と、
第一の反応剤ストリーム出口と、
少なくとも１個の燃料電池と
を備える、燃料電池スタックと、
圧縮反応剤供給源と、
マルチジェットエジェクタアセンブリであって、
ｉ）再循環フローを受け取る、該第一の反応剤ストリーム出口に流動体的に接続されている、吸引入口と、
ｉｉ）該第一の入口ストリームを供給する、該第一の反応剤ストリーム入口に流動体的に接続された排出口と
ｉｉｉ）該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第一の駆動流入口と、
ｉｖ）該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第二の駆動流入口と
を備える、マルチジェットエジェクタアセンブリと、
該圧縮反応剤供給源と該第一の駆動流入口とに流動体的に接続され、その間に置かれ、該第一の駆動流入口への第一の駆動流の圧力を調整する第一の圧力調整器であって、該第一の圧力調整器は、該第一の入口ストリームの圧力を、該第二の入口ストリームの圧力との関係で、本質的に一定な第一の差圧に、維持するように構成された第一の圧力調整器と、
該圧縮反応剤供給源と該第二の駆動流入口とに流動体的に接続され、その間に置かれ、該第二の駆動流入口への第二の駆動流の圧力を調整する第二の圧力調整器であって、該第二の圧力調整器は、該第一の入口ストリームの圧力を、該第二の入口ストリームの圧力との関係で、本質的に一定な第二の差圧に、維持するように構成された第二の圧力調整器と（ここで、該第一の差圧は、該第二の差圧と異なる）
を備える。
【００２６】
前記第一の駆動流入口は、前記再循環フローを運び去り、高負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成された第一のノズルおよびディフューザに流動体的に接続されうる。前記第二の駆動流入口は、前記再循環フローを運び去り、低負荷状態において、前記入口ストリームを供給するように構成された第二のノズルおよびディフューザに流動体的に接続されうる。ここで、前記第一の差圧は、第二の差圧よりも小さい。
【００２７】
また、本発明は、圧力調整器も提供する。その圧力調整器は、
第一の流動体の基準フィードバックラインに、流動体的に接続されるように構成された第一の基準チャンバと、
第二の流動体の基準フィードバックラインに、流動体的に接続されるように構成された第二の基準チャンバと、
該第一の基準チャンバと該第二の基準チャンバを流動体的に分離し、該第一の流動体の圧力が、該第二の流動体の圧力との関係で、所望の差圧であるときは、いつも、平衡状態となるようにバイアスを掛けられる、柔軟性のある膜と、
圧縮反応剤供給源に流動体的に接続されるように構成された調整器入口と、
第一の調整器出口と、
第二の調整器出口と、
該調整器入口と該第一の調整器出口を流動体的に接続する第一の通路と、
該調整器入口と該第二の調整器出口を流動体的に接続する第二の通路と、
該柔軟性のある膜の動きに従うように構成された第一の可動幹であって、該第一の可動幹の位置に応じて、第一の通路を開閉するように構成された第一のプラグを備える、該第一の可動幹と、
該第一の可動幹が、設定された距離だけ、該柔軟性のある膜によって移動された後、該第一の可動幹の動きに従うように構成された第二の可動幹であって、該第二の可動幹の位置に応じて、第二の通路を開閉するように構成された第二のプラグを備える、該第二の可動幹と
を備える。
【００２８】
前記第一の流動体の圧力が、前記第二の流動体の圧力に比例して（ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｔｏ）増加したとき、前記柔軟性のある膜は、前記第一の可動幹を押し下げ、その結果、前記第一の通路を開き、前記設定された距離だけ、移動された後、前記該第一の可動幹は、前記第二の可動幹を押し下げ、その結果、前記第二の通路を開くように、前記柔軟性のある膜、前記第一の可動幹および前記第二の可動幹が、配置されうる。
【００２９】
前記第二の可動幹は、前記第一の可動幹が動くことを可能にし、前記調整器入口と前記第一の調整器出口を流動体的に接続するように構成された内軸通路を備えうる。一方、前記第一の可動幹は、前記第二の可動幹の該内軸通路の中を移動し、前記設定された距離だけ、前記柔軟性のある膜によって移動させられた後、第二の可動幹と係合するように構成されうる。
【００３０】
また、本発明は、発電システムを提供しうる。その発電システムは、
反応剤ストリーム入口と、反応剤ストリーム出口と、少なくとも１個の燃料電池と
を備える、燃料電池スタックと、
圧縮反応剤供給源と、
マルチジェットエジェクタアセンブリであって、
ｉ）該燃料電池スタックから、再循環フローを受け取る、該反応剤ストリーム出口に流動体的に接続されている、吸引入口と、
ｉｉ）該燃料電池スタックに、入口ストリームを供給する、該反応剤ストリーム入口に、流動体的に接続された排出口と、
ｉｉｉ）該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第一の入口と、
ｉｖ）該圧縮反応剤供給源に流動体的に接続された第二の入口と
を備える、マルチジェットエジェクタアセンブリと、
該圧縮反応剤供給源と該マルチジェットエジェクタアセンブリとに流動体的に接続され、その間に置かれた、上述の圧力調整器と
を備え、
ここで、該第一の調整器出口は、該マルチジェットエジェクタアセンブリの該第一の入口に流動体的に接続され、該第二の調整器出口は、該マルチジェットエジェクタアセンブリの該第二の入口に流動体的に接続されている。
【００３１】
本装置／方法の一部の実施形態の特定な詳細は、以下の詳細な記述に開示され、このような実施形態の理解を助けるために、添付図面に図解される。しかしながら、当業者なら、本装置／方法には、更なる実施形態もあり、以下の好ましい実施形態の記述で開示される詳細の少なくとも一部をともなわずに、実行されうるということは、理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（発明の詳細な説明）
図１は、本発明の実施形態によるダブルジェットエジェクタ１を示す。ジェットエジェクタ１は、共通吸引チャンバ２、低フローノズル３Ｌおよび低フローディフューザ４Ｌ（単純化のため、以下、これらをまとめて低フローエジェクタＬとする）、低フローチェック弁５Ｌ、高フローノズル３Ｈおよび高フローディフューザ４Ｈ（単純化のため、以下、これらをまとめて高フローエジェクタＨとする）、高フローチェック弁５Ｈ、共通吸引チャンバ２に流動体的に接続している吸引口６、低フローノズル３Ｌに流動体的に接続している低フロー駆動入口７Ｌ、高フローノズル３Ｈに流動体的に接続している高フロー駆動入口７Ｈ、および、低フローディフューザ４Ｌと高フローディフューザ４Ｈとに流動体的に接続している排出口８を含む。吸引口６は、燃料電池スタックの排出ストリーム出口から再循環フローＲを受け取るように構成され、低フロー駆動入口７Ｌと高フロー駆動入口７Ｈは、供給ストリームソースから駆動流（ｍｏｔｉｖｅ  ｆｌｏｗ）Ｍを受け取るように構成され、排出口８は、燃料電池スタックに入口ストリームＳを提供するように構成されている。したがって、入口ストリームＳは、再循環フローＲと駆動流Ｍとが融合することによって、形成される。
【００３３】
共通吸引チャンバ２を有することで、２つ（あるいは、３つ以上）の個別ジェットエジェクタを備えたシステムよりも、コンパクトな設計が可能になる。共通吸引チャンバ２は、典型的には、円筒形であるが、このような幾何学的特徴に限定されない。
【００３４】
低フローエジェクタＬは、燃料電池スタックの動作状態が、低負荷の範囲にある場合に、効率的に動作するように設計されている。具体的には、低フローエジェクタＬは、低フローノズル３Ｌと低フローディフューザ４Ｌが、できるだけ大きくなるように設計されている。これは、アイドリングでの動作状態において、再循環フローＲを運び去るために、十分な吸引が共通吸引チャンバ２で形成されねばならないことと、十分な入口ストリームＳが提供されなければならないこととを、考慮に入れるからである。
【００３５】
高フローエジェクタＨは、燃料電池スタックの動作状態が、高負荷の範囲にある場合に、効率的に動作するように設計されている。具体的には、高フローエジェクタＨは、高フローノズル３Ｈと高フローディフューザ４Ｈが、できるだけ小さくなるように設計されている。これは、最大フロー状態において、再循環フローＲを運び去るために、十分な吸引が共通吸引チャンバ２で形成されなければならないことと、十分な入口ストリームＳが提供されなければならないこととを、考慮に入れるからである。最大フロー条件には、燃料電池スタックのフル負荷での動作状態中に必要なフローのみならず、パージ動作中および燃料電池システムの圧力増加動作中に必要なフローも含む。
【００３６】
低フローエジェクタＬ、あるいは、高フローエジェクタＨのいずれかのエジェクタから排出されるフローが、他方のエジェクタを経由し、共通吸引チャンバ２に戻るフローを避けるために、１方向チェック弁が、それぞれのエジェクタ出口に設置された。本実施形態では、低フロー１方向チェック弁５Ｌと高フロー１方向チェック弁５Ｈが、ディフューザ４Ｌと４Ｈの端に、それぞれ設置された。チェック弁は簡便なフラップ弁で、ストリームＳＬとＳＨが、ディフューザ４Ｌと４Ｈにそれぞれ流れ出すことを可能とするが、ディフューザに何も流れ込まないことを可能とする。ストリームＳＬおよび／またはＳＨは、入口ストリームＳを形成する。
【００３７】
チェック弁を避けるために、低フローノズル３Ｌと高フローノズル３Ｈの下流に、単一ディフューザが設置されること、すなわち、共通吸引チャンバ２が、単一ディフューザに流体学的に接続され、それと引き換えに、入口ストリームＳを生成することもありうる。しかしながら、単一ディフューザに２個以上のノズルを並べることは、問題となりうる。つまり、ノズルから排出され、ディフューザに入るフローは、いずれもディフューザの中心軸から外れたフローとなるので、フローの最適化を阻害する要因となりうる。さらに、各ノズルは、ある特定のディフューザの構成で、最適に機能する。したがって、両方のノズルに対して、単一ディフューザを有することは、これもまた、フロー最適化を阻害する原因となる。
【００３８】
何よりもまず、製造を単純化するために、低フローノズル３Ｌと高フローノズル３Ｈは、典型的には、亜音速である（すなわち、低フローノズル３Ｌと高フローノズル３Ｈは超音速フローを生成しない）。しかしながら、超音速ノズルも、本発明に準拠して可能であることは、理解されるべきである。したがって、本発明の一実施形態（亜音速ノズル）においては、低フローエジェクタＬは、チョーキング点（ｃｈｏｋｉｎｇ  ｐｏｉｎｔ）を有する。これは、低フローエジェクタＬに駆動流Ｍをこれ以上増やしても、低フローエジェクタＬの吸引力の増加率と入口ストリームＳのフローの増加率とが低下するような点である。その結果、駆動流Ｍのコースが、低フローエジェクタＬから高フローエジェクタＨに切り替わる変化点Ｔで、典型的に、低フローエジェクタＬは駆動流Ｍをふさぐ（ｃｈｏｋｅ）ようにさせ始める。しかしながら、変化点Ｔは、他の点でも起こりうることは、理解されるべきである。
【００３９】
駆動流Ｍが低フローエジェクタＬから高フローエジェクタＨに切り替わるとき、駆動流Ｍの圧力は減少する。なぜなら、同じ入口ストリームＳを生成するために、高フローエジェクタＨは、低フローエジェクタＬより、低圧の駆動流Ｍを必要とするからである。変化点Ｔ以降、駆動流Ｍの圧力（今では、高フローエジェクタＨに導かれた）は、こうして、フル負荷状態まで、増加し始める。変化点Ｔに達したときに、駆動流Ｍの圧力が減少したことにともなう問題は、共通吸引チャンバ２の吸引（今では、高フローエジェクタＨによって生成される）が、一時的に不適切な吸引レベルまで下がる事態を生じることである（「変化点Ｔ問題」）。つまり、駆動流Ｍの圧力が再び上がり始めるときのみ、共通吸引チャンバ２の必要な吸引が、高フローエジェクタＨによって、生成することになる。
【００４０】
変化点Ｔ以降、低フローエジェクタＬと高フローエジェクタＨとの双方に、駆動流Ｍがフィードすること（駆動流Ｍを低フローエジェクタＬから、高フローエジェクタＨに切り換えることとは、反対に）は、変化点Ｔ問題の満足いく解決策を出すのに、役立たない可能性がある。これについては、図２を参照しながら、以下に述べる。
【００４１】
図２は、燃料電池スタックシステムのアノード側で動作しているダブルジェットエジェクタ１を示す。ここで、所望の燃料ストリーム圧は、酸化剤ストリームと所望の定常状態の差圧である。この差圧は、ゼロまたは負の値にもなりうるが、概して、正の値である（つまり、燃料ストリーム圧が、酸化剤ストリーム圧より高い）。なぜなら、ＭＥＡ破損によって、燃料がリークして酸化剤ストリームに入り込むよりも、酸化剤がリークして、燃料ストリームに入り込むほうが好ましいからである。
【００４２】
図２に示す実施形態では、燃料は高圧ソース（圧縮水素）から発生し、圧力調整器９によって、制御される。圧力調整器９は、アノード入口ストリームＡＩＳおよびカソード入口ストリームＣＩＳ（単純化するために、カソード入口ストリームＣＩＳのソースは、図２に図示せず）との間の差圧を所望の定常状態に保つように構成されている。圧力調整器９は、ダブルジェットエジェクタ１に導かれた駆動流Ｍを制御し、開閉電磁弁８Ｈは、駆動流Ｍを高フローエジェクタＨにフィードするのを制御する。図２に示すシステムは、以下のように動作する。アイドリング状態以降、調整器９は、低フローエジェクタＬに導かれた駆動流Ｍを制御する。変化点Ｔに到達したとき、電磁弁８Ｈが開く。本実施形態では、変化点Ｔは、駆動流Ｍの圧力との関係で決定される。したがって、駆動流Ｍの圧力を測定する圧力変換器Ｐは、電磁弁８Ｈを制御する。しかしながら、変化点Ｔは、例えば、調整器９の状態、あるいは、アノード入口ストリームＡＩＳの圧力の増加速度など他の要因とも絡んで決定されうる。このような場合、圧力変換器Ｐ以外の機器も電磁弁８Ｈの開閉を制御することになる。
【００４３】
変化点Ｔに到達し、電磁弁８Ｈが開くと、調整器９は自動的に駆動流Ｍの圧力を減少させる（実際、変化点Ｔに到達したときに生じたのと同じ入口ストリームＳを生成するため、低圧の駆動流Ｍは、低フローエジェクタＬにフィードされる必要があった以上に、今は高フローエジェクタＨにフィードさせる必要がある。）調整器９は、再び、駆動流Ｍの圧力を増加させ始め、これはフル負荷状態に達するまで続く。しかしながら、これは変化点Ｔ問題に満足いく解決策には至らないこともある。なぜなら、低フローエジェクタＬが低圧の駆動流Ｍをフィードした結果による、共通吸引チャンバ２の吸引の低下が、高フローエジェクタＨの吸引がこのように低圧の駆動流Ｍをともなって発生できることによっては、典型的には補償されないからである（その結果、共通吸引チャンバ２で、許容できない吸引の落ち込みが生じる）。
【００４４】
低フローエジェクタＬと高フローエジェクタＨとの間に、さらなるエジェクタを追加し、これら全てが共通の吸引チャンバを分かち合うこと（すなわち、トリプルジェットエジェクタまたはカドルプルジェットエジェクタを有すること）は、この変化点Ｔ問題を解決する一つの選択肢である。しかしながら、この選択肢にも、製造やスペース配置の面での懸念を生じうる。また、別の選択肢として、図３に示すように、調整器１９、および、３つの開閉電磁弁（１８Ｈ、１８Ｌおよび１８Ｂ）を用いることである。本実施形態に従うダブルジェットエジェクタ１の動作は以下のとおりである。
【００４５】
アイドリングフロー動作時（低負荷状態）から始めるとき、バイパス電磁弁１８Ｂと高フロー電磁弁１８Ｈは閉じられており、低フロー電磁弁１８Ｌは開かれている。その結果、調整器１９によって制御された第一の駆動流Ｍ１は、全て低フローエジェクタＬにのみ（低フロー駆動入口１７Ｌ経由で）導かれる。変化点Ｔに到達すると、低フロー電磁弁１８Ｌが閉じ、高フロー電磁弁１８Ｈが開いて、調整器１９によって制御された第一の駆動流Ｍ１は高フローエジェクタＨに（高フロー駆動入口１７Ｈ経由で）導かれる。上述した理由で、第一の駆動流Ｍ１は、低フローエジェクタＬから高フローエジェクタＨに切り替わり（すなわち、変化点Ｔに到達したとき）、調整器１９は、第一の駆動流Ｍ１の圧力を再び減らし、その後、再び、それを増やし始める。しかしながら、共通吸引チャンバ２で典型的に見られる吸引の落ち込みは、以下に記す理由によって、生じない。
【００４６】
変化点Ｔに達すると、実質的に同時に、バイパス電磁弁１８Ｂが開き、第二の駆動流Ｍ２が低フローエジェクタＬに（バイパス線２０経由で）導かれる。本実施形態では、変化点Ｔは、その他の要因との関係にもよって決定されるが、圧力変換器Ｐ経由の第一の駆動流Ｍ１との関係で決定される。より具体的に言えば、変化点Ｔは、調整器１９で制御されている第一の駆動流Ｍ１の圧力が、圧縮水素供給源の圧力と実質的に同じになったときに到達する。その結果、変化点Ｔに到達したとき、低フロー電磁弁１８Ｌが閉じ、バイパス電磁弁１８Ｂが開くことによって、低フローエジェクタＬへのフィードの変化は実質的に起こらない。なぜなら、圧縮水素供給源の圧力と実質的に同じである第一の駆動流Ｍ１が、これもまた圧縮水素供給の圧力と実質的に同じである第二の駆動流Ｍ２に置き換わったからである。その結果、変化点Ｔが来ても、調整器１９の動作による第一の駆動流Ｍ１の圧力減少は、共通吸引チャンバ２の吸引力の不満足な低下を招くことはない。変化点Ｔを過ぎると、調整器１９は第一の駆動流Ｍ１の圧力を上げ始め、こうして、高フローエジェクタＨは、アノード入口ストリームＡＩＳおよび共通吸引チャンバ２に必要とされる吸引に、ますます寄与し始める。
【００４７】
上記に概略し、図３に示したシステムの裏にある基本的な原理は、マルチジェットエジェクタ（例えば、トリプルジェットエジェクタやカドルプルジェットエジェクタ）でも用いることができる。確かに、高フローエジェクタが使われている間に、低フローエジェクタを全開流量でフィードする原理は、ダブルジェットエジェクタに、本質的に限定されるものでない。しかしながら、ジェットエジェクタの数が増えるにつれて、調整器および電磁弁の数も増え、その結果、スペース配置の問題が生じてくる。
【００４８】
上述した実施形態は、典型的な自動車でのアプリケーションにおいて、上方への過渡状態には適応するが、下方への過渡状態において、深刻な問題が生じる。確かに、図３を参照して述べると、早い負荷減少は、高フロー電磁弁１８Ｈとバイパス電磁弁１８Ｂが閉じられ、低フロー電磁弁１８Ｌが開かれたときのみならず、調整器１９が一時的に閉じられたときも生じうる。これは、アノード入口ストリームＡＩＳへの供給を急減させる要求には対応するが、再循環フローＲを、望みに反して止める結果になりうる。図４に示すように、この問題は、超低フローエジェクタＵＬを追加することで解決されうる。超低フローエジェクタＵＬは、第三の駆動流Ｍ３によって、絶えずフィードされ、この第三の駆動流Ｍ３は、圧縮水素供給源の圧力と実質的に同じで、動作状態とは無関係である（だから、トリプルジェットエジェクタ１０を設置）。一つの実施形態では、超低フローエジェクタＵＬのノズルは、低フローエジェクタＬと高フローエジェクタＨとともに、共通吸引チャンバ２の中に設置されている。なぜなら、省スペースの観点から、最適な位置であるからである。しかしながら、超低フローエジェクタＵＬのノズルは、本発明に従えば、他の吸引チャンバの中に設置することも可能である。超低フローエジェクタＵＬは、アイドリング負荷に必要な割合を供給し、それにも関わらず、最低限の再循環フローＲを維持するのに必要な共通吸引チャンバ２の吸引を提供するように設計されている。
【００４９】
超低フローエジェクタＵＬは、絶えず、高圧ストリームをフィードされているので、低フローエジェクタＬまたは高フローエジェクタＨのいずれかから出て、超低フローエジェクタＵＬ経由で共通吸引チャンバ２に戻るフローを有する可能性は、典型的にはない。その結果、超低フローエジェクタＵＬの下流端に、１方向チェック弁を設置する必要は、典型的にはない。しかしながら、燃料電池システムの特殊性から、超低フローエジェクタＵＬの下流端に、１方向チェック弁が設置される必要が生じうることは、理解されるべきである。
【００５０】
本発明に従えば、弁タイプの調整器および下流の開閉電磁弁によってなされる機能は、燃料エジェクタのようなパルス幅変調弁と組み合わされることも可能である。例えば、図４を参照して述べると、開閉電磁弁（つまり、１８Ｈおよび１８Ｌ）の代わりに、パルス幅変調弁を置くと、調整器１９は除去することもできる。低フローエジェクタＬ／高フローエジェクタＨに届く駆動流Ｍの圧力が、変調弁によって（パルス幅を変えることで）制御されるのみならず、駆動流Ｍが低フローエジェクタＬおよび／または高フローエジェクタＨに届くかどうかも（変調バルブを閉じたまま、あるいは、動作したままで）制御される。
【００５１】
変化点Ｔ問題を解決するまた別の方法は、図３および図４に示す３つの開閉電磁弁（１８Ｈ、１８Ｌおよび１８Ｂ）を、第二の調整器で置換することである。各調整器は、異なる所望の定常状態におけるアノード入口ストリームＡＩＳとカソード入口ストリームＣＩＳ間の差圧を維持するように構成されている。図５は、この変化が、図３に示すシステムにおいて、どのように適用しているかを示している（しかし、図４に示すシステムも同様に改変されうることは理解されるべきである。）
図５を参照して述べると、高フロー調整器２９Ｈは、流動体的に高フロー駆動入口１７Ｈに接続されており、高フローエジェクタＨに導かれる駆動流ＭＨを制御している。一方で、低フロー調整器２９Ｌは、流動体的に低フロー駆動入口１７Ｌに接続されており、低フローエジェクタＬに導かれる駆動流ＭＬを制御している。高フロー調整器２９Ｈは所望の定常状態差圧ＰＤＨを維持するように構成され、低フロー調整器２９Ｌは所望の定常状態差圧ＰＤＬを維持するように構成されている。ここで、定常状態差圧ＰＤＨは、定常状態差圧ＰＤＬよりも低い（ＰＤＨ＜ＰＤＬ）。例えば、高フロー調整器２９Ｈは、アノード入口ストリームＡＩＳの圧力が、カソード入口ストリームＣＩＳの所望の定常状態圧力よりも、１ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）高い圧力で維持される（つまり、所望の定常状態の差圧ＰＤＨは、＋１ｐｓｉである）ように構成され、そして、低フロー調整器２９Ｌは、アノード入口ストリームＡＩＳの圧力が、カソード入口ストリームＣＩＳの所望の定常状態の圧力よりも、４ｐｓｉ高い圧力で維持される（つまり、所望の定常状態の差圧ＰＤＬは、＋４ｐｓｉである）ように構成されることもある。
【００５２】
図５と図５Ａを参照して述べると、図５Ａは、図５の燃料電池システムの動作中において、燃料電池システムの差圧と必要負荷との関係の理想的なグラフである。燃料電池システムは、後述のように、動作する。図５Ａ中の線Ａについて言えば、負荷の要求が低いときは、システムは、より高い定常状態の差圧ＰＤＬで動作している（上述した例を参照すれば、システムは＋４ｐｓｉの差圧で動作している）。負荷の要求が高くなるにつれ、このような高い定常状態の差圧を維持するために、低フロー調整器２９Ｌが開く。つまり、低フロー調整器２９Ｌが、駆動流ＭＬを変化させる。その間、高フロー調整器２９Ｈは、閉じたままであり、高フロー調整器２９Ｈは、自身が維持しようとする圧力（ＰＤＨ）より高い差圧（ＰＤＬ）を検知しようとして、閉じたままとなる。つまり、高フロー調整器２９Ｈは、高フローエジェクタＨに、一切、駆動流ＭＨを導かない。低フロー調整器２９Ｌが全開すると、負荷の要求が更に増え、システムの差圧が落ちる結果となる。（なぜなら、アノード入口ストリームＡＩＳの圧力が、カソード入口ストリームＣＩＳの圧力の増加に対し、もはや十分対応できないからである。）このような差圧が、低い定常状態の差圧ＰＤＨより低くなろうとするとすぐに、高フロー調整器２９Ｈが、このような低い定常状態の差圧ＰＤＨを維持する（つまり、高フロー調整器２９Ｈが駆動流ＭＨを変化させる）ために開き始める。その間、低フロー調整器２９Ｌは全開のままで、より高い定常状態の差圧ＰＤＬに戻ろうとするが、成功に至らない。（つまり、上述で述べた例を参照すると、低フロー調整器２９Ｌは、アノード入口ストリームＡＩＳの圧力を増加させ、カソード入口ストリームＣＩＳの圧力より４ｐｓｉ高くしようと試みるが、成功に至らない。駆動流ＭＬの更なる圧力増が、アノード入口ストリームＡＩＳの不適切な圧力増を招くときに、変化点Ｔが来る場合、本実施形態は有利である。図３や図４に示すような実施形態では、必要な回路を要求しない点で、有利である。しかしながら、駆動流ＭＬの更なる圧力増が、アノード入口ストリームＡＩＳの不適切な圧力増を招く前に、変化点Ｔが来る場合、本実施形態は有利ではない。さらに、本実施形態は、燃料電池システムにとって、有利とならないこともありうる。それは、所望の定常状態の差圧が異なる場合の動作が、望ましからぬ不安定性を招きうる場合である。
【００５３】
本発明に従うと、所望の定常状態の差圧をマイナスとすることも、可能であることは理解されるべきである。例えば、高フロー調整器２９Ｈは、アノード入口ストリームＡＩＳの圧力をカソード入口ストリームＣＩＳの所望の定常状態の圧力より、４ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）低い状態で維持できるように（つまり、所望の定常状態差圧ＰＤＨが−４ｐｓｉである）、構成されうる。低フロー調整器２９Ｌは、アノード入口ストリームＡＩＳの圧力をカソード入口ストリームＣＩＳの所望の定常状態の圧力より、１ｐｓｉ低い状態で維持できるように（つまり、所望の定常状態差圧ＰＤＬが−１ｐｓｉである）、構成されうる。こうして、定常状態の差圧ＰＤＨは、定常状態の差圧ＰＤＬ（ＰＤＨ＜ＰＤＬ）より低いままになる。この代替的な実施形態は、図５Ａ中、線Ｂで表されている。
【００５４】
また、この変化点Ｔ問題を解決する別の方法は、図３と図４に示されている３つの開閉電磁弁（１８Ｈ、１８Ｌおよび１８Ｂ）と調整器（９または１９）に代わって、以下に詳細を述べるダブルアクション圧力調整器を置き換えることである。図６は、この変化が図３に示すシステムがどのように適用されたかを示す。（しかし、図４に示すシステムも同様に変更されうることは、理解されるべきである）。図６に関して言えば、ダブルアクション圧力調整器８００は、高圧ソース（圧縮水素）に流動体的に接続する１つの入口８０１、および、高フロー出口８０２と低フロー出口８０３の２つの出口を有する。高フロー出口８０２は、高フロー駆動入口１７Ｈに流動体的に接続されており、駆動流ＭＨを高フローエジェクタＨにフィードする。一方、低フロー出口８０３は、低フロー駆動入口１７Ｌに流動体的に接続しており、駆動流ＭＬを低フローエジェクタＬにフィードする。さらに詳細を以下に記すが、ダブルアクション圧力調整器８００は、駆動流ＭＨと駆動流ＭＬとの双方を調整する。これは、アノード入口ストリームＡＩＳとカソード入口ストリームＣＩＳとの間で、所望の圧力差を維持するためである。
【００５５】
図７は、図６に模式的に描かれたダブルアクション圧力調整器８００の実施形態の側面図である。上述したように、圧力調整器８００は、高圧ソースに流動体的に接続する１つの調整器入口８０１、および、図６の高フローエジェクタＨに流動体的に接続している高フロー出口８０２と、図６の低フローエジェクタＬに流動体的に接続している低フロー出口８０３の２つの出口を有する。圧力調整器８００は、調整器入口８０１と低フロー出口８０３を流動体的に接続する第一の通路８０５と、調整器入口８０１と高フロー出口８０３を流動体的に接続する第二の通路８０４とを有する。さらに、圧力調整器８００は、アノード入口ストリームＡＩＳから、基準燃料フィードバックライン８３０に、カソード入口ストリームＣＩＳから、基準酸化剤フィードバックライン８５０に、流動体的に接続している。
【００５６】
動作時には、基準燃料フィードバックライン８３０は、燃料基準チャンバ８３１にフィードされ、基準酸化剤フィードバックライン８５０は、酸化剤基準チャンバ８５１にフィードされる。燃料基準チャンバ８３１と酸化剤基準チャンバ８５１とは、柔軟性のある膜８４０で分離されており、この膜は、２つのチャンバ（８３１および８５１）の差圧が、アノード入口ストリームＡＩＳとカソード入口ストリームＣＩＳの所望の定常状態の差圧と、実質的に同じ場合はいつも、平衡状態となるようにバイアスを掛けられる（明確にするために、バイアス手段は、図７に図示していない）。
【００５７】
圧力調整器８００は、第一のストリームの所望の圧力は、負荷要求に従って設定され、第二のストリームの所望の圧力は、第一のストリームと第二のストリームの所望の定常状態の差圧を維持しようと、変化するシステムにおいて、優位性がある。例えば、所望の酸化剤圧力が、負荷要求に従って、設定されるシステムにおいては、所望の燃料ストリーム圧力は、燃料ストリームと酸化剤ストリームとの間を所望の定常状態の差圧に維持するため、圧力調整器８００によって、調整される。
【００５８】
このようなシステムにおいて、負荷が増加すると、その結果として、酸化剤圧力も増加し、酸化剤ストリームの圧力に比例する基準燃料ストリームの圧力の減少を招く。その結果、柔軟性のある膜８４０は、燃料基準チャンバ８３１に向けて動く。柔軟性のある膜８４０は、第一の可動幹８１０の第一の端８１１に接し、第一の可動幹８１０を押し下げ、その結果、第一のプラグ（ｐｌｕｇ）８１５を押し下げる。第一のプラグ８１５は、プラグ自身が第一の通路８０５の中へ入っていくときに、徐々に開く（または閉じる）ように、円錐形の形をしうる。したがって、柔軟性のある膜８４０が動くと、第一の通路８０５は徐々に開き、圧縮された燃料ストリームを、低フロー出口８０３を経由して、低フローエジェクタＬに導く。
【００５９】
第一の可動幹８１０は、第二の可動幹８２０の内軸通路の中に設置されている。調整器入口８０１と低フロー出口８０３との間の流動体的な接続は、第二の可動幹８２０内の通路内の容積で、第一の可動幹８１０によって占められていない部分で、行われている。第二の可動幹８２０内の通路内の容積で、第一の可動幹８１０によって占められていない部分は、調整器入口８０１から、低フロー出口８０３に、十分なフローを可能とするのに十分大きくなければならない。
【００６０】
第一のプラグ８１５は、燃料ストリームと酸化剤ストリームの間で所望の定常状態の差圧が回復されるまで、第一の通路８０５を開き続ける。その時点で、柔軟性のある膜８４０は、動くのを止め、新たな平衡点に落ち着く。
【００６１】
しかしながら、負荷が増えた場合に、第一の通路８０５が完全に開くと、燃料ストリームと酸化剤ストリームとの所望の定常状態の差圧を回復しないことがある（つまり、低フローエジェクタＬが、所望の定常状態の差圧を、もはや回復できない）。その結果、柔軟性のある膜８４０は、燃料基準チャンバ８３１に向けて、動き続ける。設定した距離Ｘを動いた後、第一の可動幹８１０の突起部８１３が、第二の可動幹８２０の第一の端８２１に接触する。図７に示す実施形態では、突起部８１３は、第一の端８２１に十分に接触するように、下部は平坦である。しかしながら、形状を様々に組み合わせることも可能であることは、理解されるべきである。さらに、図７に示す実施形態では、突起部８１３が第一の端８２１に接触したとき、第一の通路８０５が完全に開くように、距離Ｘは設定されている。しかしながら、距離Ｘは、上述のように様々な点で起こりうる変化点Ｔに達したとき、突起部８１３が第一の端８２１に接触するように、設定できることも、理解されるべきである。
【００６２】
図７に示す実施形態では、第一の可動幹８１０の突起部８１３が、第二の可動幹８２０の第一の端８２１に接触するとき、調整器入口８０１と低フロー出口８０３との間の流動体的接続は、妨げられている。それゆえに、第二の可動幹８２０の第一の端８２１に、開口部８６０が存在する。しかしながら、調整器入口８０１と低フロー出口８０３との間の流動体的接続が妨げられないような突起部も、本発明によって可能であり、第二の可動幹８２０の第一の端８２１に、開口部８６０が存在可能であることは、理解されるべきである。
【００６３】
突起部８１３が、第二の可動幹８２０の第一の端８２１に、接触した後、柔軟性のある膜８４０が燃料基準チャンバ８３１に向けて、さらに動くと、第二の可動幹８２０を押し下げ、その結果、第二のプラグ８２５も押し下げる。第二のプラグ８２５は、それが第二の通路８０４の内側に動くと、徐々に開く（閉じる）ように、円錐状の形状をしうる。したがって、突起部８１３が、第二の可動幹８２０の第一の端８２１に、接触した後、柔軟性のある膜８４０が動くと、徐々に、第二の通路８０４が開き、高フロー出口８０２経由で、圧縮燃料ストリームは高フローエジェクタＨに導かれる。第二のプラグ８２５は、燃料ストリームと酸化剤ストリームの間で所望の定常状態の差圧が回復されるまで、第二の通路８０４を開き続ける。その時点で、柔軟性のある膜８４０は、動くのを止め、新たな平衡点に落ち着く。
【００６４】
さらに、図７で示すように、第一のプラグ８１５と第二のプラグ８２５の双方とも、それぞれ、第一のバネ機構８１８、第二のバネ機構８２８に関与している。第一と第二のバネ機構８１８と８２８は、前述したプロセスを、逆向きに繰り返すことが可能である（すなわち、負荷減少状況）。第一と第二のバネ機構８１８と８２８は、関連する可動幹（すなわち、第一と第二の可動幹８１０と８２０）が、押し下げられていないとき、その関連するプラグ（すなわち、第一と第二のプラグ８１５と８２５）に、燃料が漏れないようにアシストする。しかしながら、これが達成されるのは、主として、高圧ソースが、第一のプラグ８１５および第二のプラグ８２５（調整器入口８０１経由で）とに、流動体的に接続されているためであるということは、注目されるべきである。
【００６５】
付勢手段は、２つのチャンバ（８３１と８５１）の差圧が、アノード入口ストリームＡＩＳおよびカソード入口ストリームＣＩＳとの間の所望の定常状態の差圧と実質的に同じ場合は常に、平衡状態を確保するためのものであるが、この付勢手段による干渉を不当に受けないため、第一のバネ機構８１８および第二のバネ機構８２８は、こうした付勢手段より、かなり弱い力を生成する。
【００６６】
図７に示す実施形態は、ダブルエジェクタのフローに構成されているが、本発明は、このような実施形態に限られないことは理解されるべきである。確かに、このような実施形態は、可動幹、関連プラグなどを追加することにより、マルチジェットエジェクタ（例えば、トリプルまたはカドルプルのジェットエジェクタ）を調整するように変更されうる。これら追加の可動幹、関連プラグなどは、更なる通路を徐々に開き更なる出口を通じて、更なるエジェクタに、圧縮燃料ストリームを導く。
【００６７】
さらに、上述した実施例は、流動体燃料ストリームが、再循環される発電システムと関連しているが、燃料電池ベースの発電システムに、ジェットエジェクタが組み込まれうるということは、理解されるべきである。ここで、この発電システムでは、酸化剤ストリームとして、高圧ソースから生成するな実質的な純酸素を用い、ジェットエジェクタは、排出酸化剤ストリームを再循環するために用いられる。この点において、流動体燃料ストリームのジェットエジェクタ再循環に関して上記に開示した原理と、実質的に同じ原理を、流動体酸化剤ストリームのジェットエジェクタ再循環においても適用できうる。
【００６８】
上記の記述より、本発明の特定の実施形態が、例示のために、ここに記載されたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な変更もされうることは、理解されるべきである。したがって、本発明は、添付した請求項による以外は、限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、ダブルジェットエジェクタの実施形態の側断面図である。
【図２】図２は、流動体燃料電池再循環のため、ダブルジェットエジェクタ、調整器、および、開閉電磁弁を備えた燃料電池ベースの発電システムの模式図である。
【図３】図３は、流動体燃料電池再循環のため、ダブルジェットエジェクタ、調整器、および、３つの開閉電磁弁を備えた燃料電池ベースの発電システムの模式図である。
【図４】図４は、流動体燃料電池再循環のため、トリプルジェットエジェクタ、調整器、および、３つの開閉電磁弁を備えた燃料電池ベースの発電システムの模式図である。
【図５】図５は、流動体燃料電池再循環のため、ダブルジェットエジェクタ、および、２つの調整器を備えた燃料電池ベースの発電システムの模式図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図５の燃料電池システムの動作中において、燃料電池システムの差分圧力と必要負荷との関係の理想的なグラフである。
【図６】図６は、流動体燃料電池再循環のため、ダブルジェットエジェクタ、および、ダブルアクション調整器を備えた燃料電池ベースの発電システムの模式図である。
【図７】図７は、図６に示すダブルアクション圧力調整器の一実施形態の側断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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