(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムの改質器及び／又は燃料電池スタックのために改質可能燃料と酸素含有ガス及び／又は蒸気とを混合するための流体混合デバイスを備える燃料電池システムであって、前記流体混合デバイスが、
入口と、出口と、前記入口及び前記出口の間に配置されたスロートと、を有する管であって、
前記スロートが、前記出口の内径よりも小さい内径を含み、
前記管の、前記入口から前記出口までの長手方向の軸線が下流側方向を規定し、
前記管が、前記スロートの下流側に１つ以上の燃料入口を含む、管と、
前記管の外部表面にある前記１つ以上の燃料入口を取り囲むカラーであって、前記管とともに、前記１つ以上の燃料入口と流体連通する燃料注入チャンバを作製し、前記カラーは、燃料源入口を備え、及び、前記１つ以上の燃料入口を前記管の外部の周囲環境から分離し、改質器及び／又は燃料電池スタックは前記管の前記出口と流体連通する、カラーと、を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記スロートの下流側の前記管の内壁が螺旋混合構造を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記螺旋混合構造は、前記スロートと前記出口との間で前記管の前記内壁の少なくとも一部上に独立旋条チャネルを規定し、各燃料入口が独立旋条チャネルと対応する又は一致する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記スロートの上流側の前記管の前記内壁が螺旋混合構造を備える、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記１つ以上の燃料入口が一連の穴を備え、前記一連の穴が前記管の内部と前記管の外部との間に流体連通を提供する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記１つ以上の燃料入口が多孔質バリアによって規定される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記スロートの下流側の前記管の少なくとも一部がセラミックを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記スロートの下流側の前記管の内壁の少なくとも一部が改質触媒を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記管の前記内径が、前記長手方向の軸線に沿って測定した場合、前記スロートから前記下流側方向に直線的に又はほぼ直線的に約１０°以下の角度で増加する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記管の前記内壁が階段構造を備え、前記階段構造が、前記１つ以上の燃料入口の上流側から始端し、及び、前記出口に向かって終端し、かつ、１つ以上の燃料入口を含むくぼみ又は溝である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
第１の圧力タップ及び第２の圧力タップを備え、前記第１の圧力タップ及び前記第２の圧力タップのそれぞれが前記１つ以上の燃料入口の上流側に配置される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記管の前記入口と流体連通する、酸素含有ガス及び／又は蒸気の源と、前記１つ以上の燃料入口と流体連通する改質可能燃料の源と、任意選択的に、前記酸素含有ガス及び／又は蒸気を前記管の前記入口にかつ前記管内に送達するための正気体圧の源と、を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池システムの改質器及び／又は燃料電池スタックへの送達のために改質可能燃料と酸素含有ガス及び／又は蒸気とを混合する方法であって、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムの流体混合デバイス内に酸素含有ガス及び／又は蒸気を送達するステップであって、それにより、前記酸素含有ガス及び／又は蒸気に、前記スロート内における速度の増加及び圧力の減少、並びに前記スロートの下流側における圧力の増加及び速度の減少が生じる、ステップと、
改質可能燃料を、前記スロートの下流側の酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入するステップであって、それにより、前記改質可能燃料が前記酸素含有ガス及び／又は蒸気の前記流れと混合して、気体改質反応混合物を提供する、ステップと、を含む方法。
【請求項１４】
前記気体改質反応混合物が前記管の出口を出る前に前記気体改質反応混合物を改質する又は一部改質するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記改質可能燃料を前記酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入する前に、前記気体改質反応混合物を改質する又は一部改質するステップによって発生した熱を、前記改質可能燃料へと伝達するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記気体改質反応混合物を前記燃料電池システムの改質器及び／又は燃料電池スタックに送達するステップを含む、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
改質可能燃料を前記酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入するステップが、改質可能燃料を、多孔質バリアを介して、前記酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入するステップを含む、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記改質可能燃料が、液体改質可能燃料、蒸発液体改質可能燃料、及び気体改質可能燃料の少なくとも１つである、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本教示は、燃料電池ユニットの改質器及び／又は燃料電池スタックへの導入のため、改質可能燃料と酸素含有ガス及び／又は蒸気とを混合するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、気体改質可能燃料及び／又は液体改質可能燃料の、「合成ガス」又は「シンガス」と呼ばれる生成物である水素リッチな一酸化炭素含有混合ガスへの変換は、蒸気改質、乾式改質、オートサーマル改質、及び触媒部分酸化改質などの、周知の燃料改質操作のいずれかにより実施され得る。
【０００３】
改良された燃料改質器、燃料改質器構成要素及び改質プロセスの開発は、燃料電池システム、あるいは、単に「燃料電池」、すなわち、水素、水素と一酸化炭素との混合物、例えば、シンガス等の電気化学的に酸化可能な燃料を電気へと電気化学変換するためのデバイスの将来性により、継続的に重要な研究の対象となっており、主電源ユニット（ＭＰＵ）及び補助電源ユニット（ＡＰＵ）を含む一般的な用途において果たす役割が大きく拡大している。燃料電池は、また、例えば、電気自動車の車載発電デバイス、家庭使用デバイスのバックアップ電源及び一次電源、レジャー使用用主電源、屋外及び電源網に接続されていない場所（out-of-grid locations）にある他の電力消費デバイス、並びにポータブルバッテリパックの、より軽量で、より高い出力密度の、周囲温度に依存しない代替品として特殊用途に用いられ得る。
【０００４】
（特に、輸送用燃料としての）水素、その分配に必要なインフラ、及びその貯蔵のための現実的な手段の大規模で経済的な製造にはほど遠いと広く考えられているため、現在、研究及び開発の多くは、電気化学的に酸化可能な燃料、特に、水素と一酸化炭素との混合物の源としての燃料改質器と、そのような燃料の電気へのコンバータとして、一般に、燃料電池「スタック」と呼ばれる燃料電池アセンブリとの両方を向上させること、並びに電気エネルギーの生産のため、よりコンパクトな、信頼性が高くかつ効率的なデバイスに燃料改質器及び燃料電池を集積化することに向けられている。
【０００５】
これらの事項を考慮すると、改質可能燃料と酸素含有ガス及び／又は蒸気との混合物の、燃料改質器及び／又は燃料電池スタックへの効率的な送達は、開発が必要な更なる領域である。例えば、改質可能燃料は、通常、静止型ミキサーを用いて空気と混合される。この場合、改質可能燃料は、通常、静止型ミキサーの直前で空気流に添加され、得られた混合済みの改質可能燃料と空気流とは燃料改質器に送達される。しかしながら、このようなミキサーは、例えば、圧力低下のため、通常、改質器へと送達される前に成分を適切に混合することはできない。改質可能燃料と空気とを混合するためにインジェクタノズルシステムも使用することができるが、これらシステムは、通常、正確に測定され得る連続的な流体の流れをもたらさない。
【０００６】
加えて、気体改質可能燃料は幾分効率的に加圧され、空気と混合され得るが、液体改質可能燃料の蒸発、その後の空気との混合はより困難である。混合では、改質器に対し、改質可能燃料と空気との相当に均一な組成物、すなわち、同質な混合物を提供すべきである。このため、反応温度が適切に監視及び制御され得るとともに、改質触媒及び燃料電池スタックにとって有害となり得るコーキングを最小にしつつ効率的な改質プロセスを維持するために、空気流の流量及び改質可能燃料の添加が調整される。従って、改質可能燃料と酸素含有ガスとの混合流を燃料電池ユニットの改質器に送達するための装置及び方法を向上させる必要がある。
【発明の概要】
【０００７】
上記の観点から、本教示は、燃料電池ユニットの改質器及び／又は燃料電池スタックによる改質に好適な気体改質反応混合物を提供するために、改質可能燃料を酸素含有ガス及び／又は蒸気と混合するための装置及び方法を提供する。均質なガス及び空気の混合は、改質触媒が燃料電池スタックの燃料電極に組み込まれる「オンセル型（on-cell）」改質において更により重要となる。本教示の装置及び方法は、燃料電池ユニットのより効率的な運転のため、ほぼ均一に混合された又は均質な気体改質反応混合物を提供することができる。所望の酸素対燃料比を有する均質な気体改質反応混合物により、フィードバックループを用いた燃料電池ユニットの動作の監視及び制御を高めることができる。加えて、本教示の流体混合デバイス及び方法は、デバイス内における背圧が低い流体混合を提供することができ、デバイスを動作させるために、送風機などの商業的に実現可能かつ経済的な構成要素の使用が可能になる。
【０００８】
更に、本教示の装置及び方法は、気体改質可能燃料、蒸発液体改質可能燃料、又は液体改質可能燃料を、改質器に導入する前に、酸素含有ガスと混合することができる。デバイスの設計は、一部、デバイス内の乱流流体流路により、改質可能燃料と酸素含有ガスとの効率的かつ効果的な混合を実施することができる。本教示のデバイス及び方法による液体改質可能燃料の酸素含有ガスとの混合は、また、液体改質可能燃料がデバイスの燃料入口を通じて酸素含有ガス流に入る際の体積及び表面積の増加により実施され得る。デバイスの設計により、液体改質可能燃料、例えば、加熱液体改質可能燃料が噴霧及び／又は蒸発し、加熱酸素含有ガス流と混合され、燃料電池ユニットの改質器及び／又は燃料電池スタックに導入するのに好適な気体改質反応混合物を提供することが可能となり得る。
【０００９】
加えて、本教示の流体混合デバイス及び方法は、動作及び効率の向上のため、デバイスを通過する流体の流れの圧力及び流体流れ特性を監視及び制御することを可能とし得る。例えば、デバイスの戦略的位置における圧力タップの配置は、改質可能燃料の酸素含有ガス流への送達を含む、流体流れ特性の正確な測定を可能にし得る。
【００１０】
従って、一態様においては、本教示は、改質可能燃料と酸素含有ガス及び／又は蒸気とを混合するための流体混合デバイスを提供する。この場合、得られた混合物若しくは気体改質反応混合物は、燃料電池ユニット若しくはシステムの改質器及び／又は燃料電池スタックへと送達され得る。
【００１１】
例えば、本教示の流体混合デバイスは、入口と、出口と、入口と出口との間に配置されたスロートと、を有する管を含み得る。この場合、スロートは、出口の内径よりも小さい内径を含み、管の、入口から出口までの長手方向の軸線が下流側方向を規定し、スロートと出口との間の、管の内壁の少なくとも一部が螺旋混合構造を含み、及び管は、スロートの下流側に１つ以上の燃料入口を含む。入口の内径は、スロートの内径よりも大きくすることができる。
【００１２】
別の例では、本教示の流体混合デバイスは、入口と、出口と、入口と出口との間に配置されたスロートと、を有する管であって、スロートが、出口の内径よりも小さい内径を含み、入口から出口までの長手方向の軸線が下流側方向を規定し、管が、スロートの下流側に１つ以上の燃料入口を含む、管と、管の外部表面にある１つ以上の燃料入口を取り囲み、かつ、管とともに、１つ以上の燃料入口と流体連通する燃料注入チャンバを作製するカラーであって、燃料源入口を含み、及び１つ以上の燃料入口を管の外部の周囲環境から分離する、カラーと、を含み得る。入口の内径は、スロートの内径よりも大きくすることができる。燃料入口は、多孔質バリアによって規定され得るか、又は多孔質バリアを含み得る。
【００１３】
別の例では、本教示の流体混合デバイスは、入口と、出口と、入口と出口との間に配置されたスロートと、を有する管であって、スロートが、出口の内径よりも小さい内径を含み、入口から出口までの長手方向の軸線が下流側方向を規定し、管が、スロートの下流側に１つ以上の燃料入口を含む、管と、燃料入口の少なくとも上流側において、管の外部表面に対して同心であり、かつ出口に向かって延びている燃料源管であって、燃料源管が、１つ以上の燃料入口の上流側の位置において管に連結されるか、又は一体化され、及び燃料源管の内部表面と管の対応する外部表面とは間隔をあけて配置されて、燃料注入チャネルを規定し、燃料注入チャネルは燃料入口を介して管の内部と流体連通している、燃料源管と、を含み得る。入口の内径は、スロートの内径よりも大きくすることができる。燃料入口は、多孔質バリアによって規定され得るか、又は多孔質バリアを含み得る。
【００１４】
別の例では、本教示の流体混合デバイスは、入口と、出口と、入口と出口との間に配置されたスロートと、を有する管を含み得る。スロートは、出口の内径よりも小さい内径を含み、管の、入口から出口までの長手方向の軸線が下流側方向を規定し、管は、スロートの下流側に１つ以上の燃料入口を含み、管の内壁が、階段構造を含み、階段構造は、１つ以上の燃料入口の上流側から始端し、及び出口に向かって終端し、かつ１つ以上の燃料入口を含むくぼみ又は溝である。入口の内径は、スロートの内径よりも大きくすることができる。
【００１５】
本教示の流体混合デバイスの種々の実施形態においては、管は、全体又は一部がセラミックから作製され得る。例えば、スロートの下流側及び／又はスロートの一部を含む管は、セラミックとされ得る。多孔質バリアは多孔質セラミックとされ得る。加えて、スロートの下流側の管の内壁は、改質触媒を含み得る。
【００１６】
別の態様においては、本教示は、改質可能燃料と、酸素含有ガス及び／又は蒸気とを混合する方法を提供する。混合物は、燃料電池ユニット若しくはシステムの改質器及び／又は燃料電池スタックへと送達するのに好適である。方法は、本教示の流体混合デバイスを動作するステップを含み得る。
【００１７】
例えば、本教示の方法は、スロートを含む管内に酸素含有ガス及び／又は蒸気を送達するステップであって、それにより、酸素含有ガス及び／又は蒸気に対し、スロート内における速度の増加及び圧力の減少、並びにスロートの下流側における、圧力増加及び速度減少を伴う旋条又は捻回運動（rifling or twisting motion）が生じる、ステップと、改質可能燃料及び／又は蒸気を、スロートの下流側の酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入するステップであって、それにより、改質可能燃料及び／又は蒸気が酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れと混合して、気体改質反応混合物を提供する、ステップと、を含み得る。
【００１８】
別の例では、本教示の方法は、本教示の流体混合デバイスを動作する方法を含み得る。方法は、酸素含有ガス及び／又は蒸気を管の入口にかつ管内に送達するステップと、改質可能燃料を１つ以上の燃料入口を通じて送達するステップであって、それにより、酸素含有ガス及び／又は蒸気と改質可能燃料とを混合する、ステップと、を含み得る。
【００１９】
本教示の方法の種々の実施形態において、方法は、気体改質反応混合物が管の出口を出る前に気体改質反応混合物を改質する又は一部改質するステップを含み得る。方法は、また、改質可能燃料及び／又は蒸気を酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入する前に、気体改質反応混合物を改質する又は一部改質するステップによって発生した熱を、改質可能燃料及び／又は蒸気へと伝達するステップを含み得る。加えて、方法は、改質可能燃料及び／又は蒸気を、多孔質バリアを介して、酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入するステップを含む、改質可能燃料及び／又は蒸気を酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入するステップを含み得る。
【００２０】
本教示の上記及び他の特徴及び利点は、以下の図、記載、実施例及び特許請求の範囲からより詳細に理解されよう。
【００２１】
以下に説明する図面は単に説明のためであることを理解すべきである。同一符号は、一般に、同一部品を意味する。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、概して、本教示の原理を示すことに重点が置かれる。図面は本教示の範囲をいかようにも限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】単一燃料入口と、デバイスのスロート部分の下流側にある螺旋混合構造とを有する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面概略図である。
【図１Ｂ】複数の燃料入口を取り囲むカラーと、デバイスのスロート部分の上流側及び下流側にある螺旋混合構造とを有する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面概略図である。
【図１Ｃ】デバイスのスロート部分の下流側に、複数の燃料入口と、燃料源管と、燃料注入チャネルとを有する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面概略図である。
【図１Ｄ】複数の燃料入口と、燃料入口の下流側にある螺旋混合構造とを有する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面斜視概略図である。
【図１Ｅ】複数の燃料入口を取り囲むカラーを有し、カラーが２つのＯリング上にある、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の拡大断面概略図である。
【図１Ｆ】燃料入口を規定する多孔質バリアを取り囲むカラーを有し、カラーが２つのＯリング上にある、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の拡大断面概略図である。
【図１Ｇ】圧力タップ及び燃料入口が、スロートの出口の平坦面近傍に配置されているが、管の内壁上の螺旋混合構造（一点鎖線）によって形成された異なる独立旋条チャネル内にある、本教示の流体混合デバイスの一実施形態のスロート領域の外部拡大概略図である。
【図２Ａ】改質可能燃料を管内に導入するための第２の管を有し、第２の管が管のスロートに交差する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面概略図である。
【図２Ｂ】改質可能燃料を管内に導入するための第２の管を有し、第２の管は、管のスロートの下流側において管に交差する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面概略図である。
【図２Ｃ】改質可能燃料を管内に導入するための第２の管を有し、第２の管のスロートが管のスロートに交差する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面概略図である。
【図２Ｄ】改質可能燃料を管内に導入するための第２の管を有し、第２の管のスロートは、管のスロートの下流側において管に交差する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面概略図である。
【図２Ｅ】改質可能燃料を管内に導入するための第２の管を有し、第２の管は、管のスロートの下流側において管に交差し、第２の管の出口が管の内部にある、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面概略図である。
【図２Ｆ】改質可能燃料を管内に導入するための第２の管を有し、第２の管は、管のスロートの下流側において管に交差し、かつ閉端部を有し、第２の管の出口は、管の長手方向の軸線に沿う一連の穴によって規定される、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面概略図である。
【図３】燃料入口と対応する階段構造を有する、本教示の流体混合デバイスの管の内壁の一実施形態の拡大断面概略図である。
【図４】改質可能燃料が、気体改質可能燃料、液体改質可能燃料及び／又は蒸発液体改質可能燃料とされ得る、本教示の流体混合デバイスを組み込んだ例示的な燃料電池システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
今では、改質可能燃料が酸素含有ガス及び／又は蒸気と効率的に混合され、燃料電池ユニットの改質器及び／又は燃料電池スタックに送達され得る気体改質反応混合物を提供し得ることは判明している。つまり、本教示は、改質可能燃料などの流体と、空気などの酸素含有ガスとを混合する流体混合デバイス及び方法を提供する。ベンチュリ様管又はベンチュリ効果を用いて表され得る流体混合デバイス及び方法は、それぞれ、螺旋混合構造、管の複数の燃料入口と対応する流体注入チャンバを形成するカラー、管と同心の向流熱伝達燃料注入チャネルを提供することができる燃料源管、混合領域内におけるデバイスの内壁上の改質触媒、及び内壁の直線性を破壊することができ、かつ局所乱流を形成することができる、管の内壁の階段構造の１つ以上を含み得る。
【００２４】
簡略化のため、本明細書中の説明及び記載では、触媒部分酸化改質反応及び反応物（改質可能燃料及び酸素含有ガス）を含む部分酸化改質反応及び反応物に主に焦点を当てる。しかしながら、本明細書中に記載されるデバイス、システム及び方法は、蒸気改質及びオートサーマル改質並びにそれら各々の反応物（それぞれ、改質可能燃料及び蒸気、並びに改質可能燃料、蒸気及び酸素含有ガス）などの他の改質反応に等しく適用可能である。従って、酸素含有ガスが、本明細書中に、デバイス又は方法とともに言及される場合、文脈に明確に記載されない限り、本教示は、蒸気を、組み合わせにおいて又は単独で、すなわち、酸素含有ガス及び／又は蒸気を含むものとして考えられるべきである。加えて、改質可能燃料が、本明細書中に、デバイス又は方法とともに言及される場合、文脈に明確に記載されない限り、本教示は、蒸気を、組み合わせにおいて又は単独で、すなわち、改質可能燃料及び／又は蒸気を含むものとして考えられるべきである。
【００２５】
本出願全体にわたり、構成物（compositions）が、特定の構成要素を有する（having）、含む（including）、若しくは含んでいる（comprising）と記載される場合、又はプロセスが、特定のプロセスステップを有する、含む、若しくは含んでいると記載される場合、本教示の構成物が、また、列挙した構成要素から実質的になる（consist essentially of）、若しくは列挙した構成要素からなる（consist of）こと、及び本教示のプロセスが、また、列挙したプロセスステップから実質的になる、若しくは列挙したプロセスステップからなることが企図される。
【００２６】
本出願において、要素若しくは構成要素が、列挙した要素若しくは構成要素のリストに含まれる及び／又は列挙した要素若しくは構成要素のリストから選択されると記載される場合、要若しくは構成要素は、列挙した要素若しくは構成要素のいずれか１つとされ得るか、あるいは、要素若しくは構成要素は、列挙した要素若しくは構成要素の２つ以上からなる群から選択され得ることは理解すべきである。更に、本明細書中に記載される構成物、装置若しくは方法の要素及び／又は特徴は、本明細書中で明示されているか暗示されているかに関わらず、本教示の範囲及び趣旨から逸脱することなく種々の手法で組み合わせることができることは理解すべきである。例えば、特定の構造に言及する場合、文脈で明確に記載されない限り、その構造は、本教示の装置及び／又は本教示の方法の種々の実施形態において使用され得る。
【００２７】
「〜の少なくとも１つ（at least one of）」という表現は、文脈及び用途に明確に記載されない限り、同表現に続く、列挙した物体のそれぞれを個々に含むとともに、列挙した物体の２つ以上の種々の組み合わせを含むことを理解すべきである。
【００２８】
用語「含む（include）」、「含む（includes）」、「含んでいる（including）」、「有する（have）」、「有する（has）」、「有している（having）」、「含む（contain）」、「含む（contains）」、又は「含んでいる（containing）」の、それらの文法的均等物を含む使用は、文脈に特に明示されない限り、一般に、オープンエンドであり、かつ非限定的である、例えば、追加の列挙されない要素又はステップを排除しないものと理解すべきである。
【００２９】
本明細書中における、例えば、「１つの（a）」、「１つの（an）」及び「その（the）」の単数形の使用は、特に明記されない限り、複数形を含む（逆もまた同様である）。
【００３０】
用語「約（about）」の使用が定量的数値の前である場合、本教示は、特に明記されない限り、特定の定量的数値自体も含む。本明細書で使用する場合、用語「約」は、特に指示又は暗示がない限り、公称値からの±１０％の変動を意味する。
【００３１】
本教示が依然として動作可能である限り、ステップの順序又は特定の動作を実施する順序は重要ではないことは理解すべきである。更に、２つ以上のステップ又は動作が同時に行われてもよい。
【００３２】
本明細書の種々の場所において、数値が群又は範囲にて開示される。特に、同記載には、そのような群及び範囲の要素のそれぞれの個々の部分的組み合わせ、並びにそのような群又は範囲の種々の終点の任意の組み合わせを含むことを意味する。例えば、０〜４０の範囲の整数は、具体的には、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９及び４０を個々に開示することを意図するものであり、１〜２０の範囲の整数は、具体的には、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９及び２０を個々に開示することを意図するものである。
【００３３】
本明細書中における、一切の例又は例示的な言語、例えば、「などの（such as）」、「含んでいる（including）」、又は「例えば（for example）」の使用は、本教示をより詳しく示すことを単に意図するものであり、特許請求されない限りは本発明の範囲に限定を課すものではない。本明細書中のいかなる言語も、任意の非特許請求要素が本教示の実施に必須であることを示すものと解釈すべきではない。
【００３４】
「上方」、「下方」、「上部」、「下部」、「水平」、「垂直」等の空間的配向又は高度を示す用語及び表現は、文脈に明示されない限りは、本明細書中において、構造的、機能的又は動作的な意味を有さず、添付の特定の図に示され得る本教示の装置、デバイス、構成要素及び／又は特徴の種々の図の自由裁量で選択された配向を単に反映するものとして理解すべきである。
【００３５】
本明細書で使用する場合、「液体改質可能燃料」は、標準温度及び圧力（ＳＴＰ）状態において液体であり、改質が行われると、水素リッチなリフォーメートへの変換が行われる、例えば、メタノール、エタノール、ナフサ、留出物、ガソリン、灯油、ジェット燃料、ディーゼル、バイオディーゼル等の、改質可能炭素及び水素含有燃料を意味し、かつ含む。表現「液体改質可能燃料」は、更に、液体状態又は気体状態であるような燃料、すなわち、蒸気を含むと理解される。
【００３６】
本明細書で使用する場合、「気体改質可能燃料」は、ＳＴＰ状態においてガスであり、改質が行われると、水素リッチなリフォーメートへの変換が行われる、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、エチレン、プロピレン、ブチレン、イソブチレン、ジメチルエーテル、主にメタンである天然ガス及び液化天然ガス（ＬＮＧ）などの、それらの混合物、並びに主にプロパン又はブタンであるが、プロパン及びブタンで主に構成されるすべての混合物を含む石油ガス及び液化石油ガス（ＬＰＧ）等の、改質可能炭素及び水素含有燃料を意味し、かつ含む。気体改質可能燃料は、また、他の気体改質可能燃料と同様に、液体として貯蔵され得るアンモニアを含む。
【００３７】
本明細書で使用する場合、「改質可能燃料」は、液体改質可能燃料及び／又は気体改質可能燃料を意味する。
【００３８】
本明細書で使用する場合、「気体改質反応混合物」は、気体液体改質可能燃料（例えば、蒸発液体改質可能燃料）、気体改質可能燃料、又はそれらの組み合わせ、並びに酸素含有ガス、例えば、蒸気の形態の、例えば、空気及び／又は水を含む混合物を意味する。気体改質反応混合物に改質反応を起こさせ、一酸化炭素も含有し得る水素リッチな生成物（「リフォーメート」）が生成され得る。触媒部分酸化（「ＣＰＯＸ」）改質反応が実施される場合、気体改質反応混合物は、改質可能燃料及び酸素含有ガスを含む「気体ＣＰＯＸ反応混合物（gaseous CPOX reaction mixture）」と呼ぶことができる。蒸気改質反応が実施される場合、気体改質反応混合物は、改質可能燃料及び蒸気を含む「気体蒸気改質反応混合物」と呼ぶことができる。オートサーマル（「ＡＴ」）改質反応が実施される場合、気体改質反応混合物は、改質可能燃料、酸素含有ガス及び蒸気を含む「気体ＡＴ改質反応混合物（gaseous AT reforming reaction mixture）」と呼ぶことができる。
【００３９】
本明細書で使用する場合、「燃料電池スタック」は、水素又は電気化学的に酸化可能な種を電気へと変換するための電気化学反応が起こる、燃料電池ユニット又は燃料電池システムの構成要素を意味する。燃料電池スタックは、多くの場合、層で形成される、アノード、カソード及び電解質を含む。動作時、例えば、本教示の改質器及び／又は流体混合デバイスから燃料電池スタックに入るリフォーメートの水素及び任意の他の電気化学的に酸化可能な成分は、燃料電池スタックのアノード層内の酸素アニオンと結合して水並びに／又は二酸化炭素及び電子を生成する。アノード層内で発生した電子は外部負荷内を移動してカソード層へと戻り、そこで、酸素が電子と結合し、電解質層及びアノード層を選択的に通過する酸素アニオンを生成する。
【００４０】
本明細書で使用する場合、「動作可能な流体連通状態にある（in operable fluid communication with）」は、構成要素及び／又は構造が動作若しくは作動状態又は位置にある場合の、種々の構成要素及び／又は構造間（between）又はそれらの間（among）における流体連通を意味する。しかしながら、流体連通は、構成要素及び／又は構造が不動作若しくは不作動状態又は位置にある場合は遮断され得る。動作可能な流体連通は、構成要素及び／又は構造間又はそれらの間に配置されたバルブアセンブリによって制御され得る。例えば、Ａがバルブアセンブリを介してＢと動作可能な流体連通状態にある場合、バルブアセンブリが「開いている」ときには、流体はＡからＢへと流れる又は送達されることが可能であり、それによって、ＡとＢとの間の流体連通が可能になる。しかしながら、バルブアセンブリが「閉じられている」ときには、ＡとＢとの間の流体連通を遮断する又は停止することが可能である。換言すると、バルブアセンブリはＡとＢとの間に流体連通を提供するように作動可能である。流体連通には、種々の程度及び量の流体の流れ並びに関連特性を含み得ることは理解すべきである。例えば、完全に開いたバルブアセンブリは、構成要素及び／又は構造間又はそれらの間において、部分的に閉じられているときのバルブアセンブリが提供することができるほどの流体連通を提供することができる。しかしながら、流量などの流体流れ特性は、バルブアセンブリの位置の異なりによって影響される可能性がある。本明細書で使用する場合、特に明記されない限り、「動作可能な流体連通状態にある」及び「流体連通状態にある」は、区別なく使用され得る。
【００４１】
本明細書で使用する場合、文法的均等物並びに均等な表現及び文言を含む、流体の「流れを制御すること」、「送達を制御すること」、「流れを調節すること」及び「送達を調節すること」は、流体の流れ若しくは送達を増加すること、流体の流れ若しくは送達を減少すること、流体のほぼ一定の流れ若しくは送達を維持すること、及び／又は流体の流れ若しくは送達を遮断若しくは停止すること、とされ得る。
【００４２】
同様に、文法的均等物並びに均等な表現及び文言を含む、「圧力を制御すること」及び「圧力を調節すること」は、圧力を増加すること、圧力を減少すること、ほぼ一定の圧力を維持すること、及び／又は圧力を遮断若しくは停止すること、とされ得る。多くの状況において、「流れを制御すること」及び「流れを調節すること」は、「圧力を制御すること」及び「圧力を調節すること」とすることができ、逆の場合も同様であることは理解すべきである。加えて、送達システム、燃料電池ユニット又は燃料電池システム（文法的均等物並びに均等な表現及び文言を含む）の構成要素、例えば、バルブアセンブリ又は正気体圧の源の「制御」、「調節」及び「操作」は、上述のように、同じ変化及び／又は定常動作を生じさせることができる。
【００４３】
本明細書で使用する場合、「バルブアセンブリ」は、構成要素及び／又は構造間若しくはそれらの間の流体連通及び流体流れ特性、例えば、プロパンの源から改質器へのプロパンの送達をともに監視及び／又は制御し得る１つ又は複数の構造を意味する。バルブアセンブリは、単一バルブとすることも、複数のバルブ及び関連構造を含むこともでき、特定の構造は直列とされ得る。バルブアセンブリは、圧力測定アセンブリとされ得る又は圧力測定アセンブリを含み得る。例えば、バルブアセンブリは、メータリングバルブとされ得る又はメータリングバルブを含み得る。それによって、流体の流れ及び送達のデジタル制御を可能とする。バルブアセンブリは、例えば、一連のオリフィスがそれぞれ比例弁と対応するピッコロ（piccolo）配置のバルブとされ得る又は同バルブを含み得る。バルブアセンブリは、比例電磁弁などの比例弁、又は一連の比例電磁弁などの一連の比例弁を含み得る。バルブアセンブリは、電磁弁などのオン／オフ弁、又は一連のオン／オフ弁、例えば、一連のオン／オフ電磁弁を含み得る。バルブアセンブリは、３方弁、一連の３方弁、逆止弁、一連の逆止弁、オリフィス、一連のオリフィス、並びにそれらの組み合わせ及び本明細書中に記載される他の弁とバルブアセンブリとの組み合わせを含み得る。特定の弁及びバルブアセンブリは直列とされ得る。構造又は構成要素が直列で示される場合、構成要素は、並列直列又は連続的直列（sequential series）（例えば、同一線上にある）のいずれかとされ得る。
【００４４】
本明細書で使用する場合、「センサアセンブリ」は、監視、測定及び／若しくは決定される動作パラメータのための任意の適切なセンサ若しくはセンシングデバイス、又はセンサ若しくはセンシングデバイスの組み合わせを意味する。例えば、燃料流量は任意の適切なフローメータで監視され得る。圧力は任意の適切な圧力センシング若しくは圧力調整デバイスで監視され得る。温度は任意の適切な温度センサで監視され得る。従って、センサデバイスの例としては、フローメータ、圧力計、熱電対、サーミスタ及び測温抵抗体が挙げられる。センサアセンブリは、流体流差圧センサ若しくはゲージ、又は単に、差圧測定アセンブリとされ得る。差圧測定アセンブリは、通常、２つの圧力タップを含む。バルブ又はバルブアセンブリに入る前の流体の圧力が測定されるとともに、流体がバルブ若しくはバルブアセンブリを出た後の圧力が測定され、差が決定されるように、差圧測定アセンブリは、バルブアセンブリそのようなオリフィス若しくは比例弁（アセンブリ）を含み得る又はこれと対応し得る。センサ若しくはセンシングデバイスは、はかり、ばねばかりなどの計量器、又は物体の重量を計測する、決定する及び／若しくは監視するための他のデバイスを含み得る。センサアセンブリは、任意選択的に、制御部と通信する変換器を含み得る。
【００４５】
本明細書で使用する場合、「正気体圧の源」又は「正ガス圧の源」は、正気体若しくはガス圧を生成し得る、又はガスの移動を生じさせ得るデバイス若しくは装置を意味する。正ガス圧の源は、容積式送風機、ポンプ若しくは圧縮機、又は動的送風機、ポンプ若しくは圧縮機とされ得る。正気体又はガス圧の源の例としては、ファン、複数の若しくは一連のファン、ロータリーポンプ、例えば、ロータリーベーンポンプ、複数の若しくは一連のロータリーポンプ、送風機、例えば、遠心送風機、複数若しくは一連の送風機、例えば、複数若しくは一連の遠心送風機、空気ポンプ、圧縮ガスの容器、例えば、空気若しくは不活性ガスのタンク、並びにそれらの組み合わせが挙げられる。「正気体圧」又は「正ガス圧」は、これら正ガス圧の源のいずれか及び当業者に公知の他の源により実施され得る。「酸素含有ガスの源」は、正ガス圧の源、例えば、燃料電池ユニット及び／若しくはシステムの１つ以上の構成要素からの流体の流れとされ得る並びに／又は正ガス圧の源によって送達され得る。
【００４６】
本教示の流体混合デバイスを含む燃料電池システムは、種々の導管を含み得る。流体混合デバイス及びその周辺構成要素は、流体混合デバイスの構成要素と、改質可能燃料の源と、酸素含有ガスの源と、燃料電池システムと、その構成要素との間又はそれらの間に動作可能な流体連通を設けるために配置された、複数の導管、例えば、２つ以上の導管を含み得る。例えば、複数の導管は、流体混合デバイスを、燃料電池ユニット及び／又はシステムの構成要素に結合することができるとともに、燃料電池システムの構成要素自体を結合することができる。つまり、周辺構成要素及びデバイスを含む、本教示の流体混合デバイスの構成要素及び方法は、構成要素、例えば、液体改質可能燃料の源、気体改質可能燃料の源、正ガス圧の源、改質器、蒸発器、酸素含有ガスの源、バルブアセンブリ、センサアセンブリ、及び液体ポンプなどの関連機器を接続する又は連結する導管を含み得る。各これら構成要素及びその他は、構成要素間又はそれらの間に、流体連通、例えば、動作可能な流体連通を設けることを可能にするために、入口、出口及びポートの１つ以上を含み得る。導管は、それと組み合わされる他の構成要素及びデバイス、例えば、バルブアセンブリ、ポンプ、正気体圧の源、及びセンサアセンブリを含み得ることも理解すべきである。
【００４７】
導管又は導管システムは、多くの要素、例えば、特定の用途、改質可能燃料、並びに全体的な送達システム及び／又は燃料電池システムの底面積サイズに応じて多くの特定の設計、構成、配置及び連結を有し得る。従って、本明細書中に記載される及び／又は示される導管システムは、単に説明のためであり、本教示をいかようにも限定するものではない。更に、２つ以上の導管が、１つ又は複数の構成要素、例えば、バルブアセンブリ及び気体改質可能燃料の源に連結される、結合される、又はそうでなければ接合すると記載され得る場合、バルブアセンブリなどの構成要素が単一の導管「と並んでいる」、「内に配置されている」又は「と対応している」と記載され得る場合は、単一の導管もまた、同じ設計及び／若しくは目的を達成すると想定され得る。加えて、２つ以上の構成要素若しくは構造に「結合される」、「連結される」又はそうでなければ接合するとは、１つの構成要素若しくは構造が別の構成要素若しくは構造に直接的若しくは間接的に結合される、連結される又は接合されることを意味し得る。
【００４８】
導管は、流体を搬送するための、ダクト、例えば、チャネル、管又は通路とされ得る。例えば、正気体圧の源の導管は、ガス、例えば、空気を、流体混合デバイスの入口に搬送若しくは送達するため、及び／又は流体混合デバイスの燃料入口に改質可能燃料を送達するために使用され得る。導管は、流体を回収又は分配するために使用される、いくつかの入口又は出口を備えた、マニホールド、例えば、チャンバ、パイプ又はダクトとされ得る。本明細書で使用する場合、「共通導管（common conduit）」は、一般に、特定位置への及び／又は特定位置からの流体送達用の複数のポートを備えた導管（multi−ported conduit）を意味する。
【００４９】
燃料電池ユニット及び／又は燃料電池システムは、流体混合デバイス及び／又は燃料電池と対応するユニット及び／又はシステムの動作を自動化するための制御システムを含み得る。制御システムは、制御部と通信する複数のセンサを含み得る。センサからの入力信号、ユーザ入力デバイスからのユーザコマンド並びに／又はプログラムされたサブルーチン及びコマンドシーケンスに応答して、制御部は、流体混合デバイスの動作、例えば、流体混合デバイス及び／又は燃料電池システムへの酸素含有ガス及び改質可能燃料の流れ特性管理することができる。
【００５０】
本教示の流体混合デバイス、燃料電池ユニット及び燃料電池システムは、例えば、起動、定常状態及び／若しくは停止モードにある、デバイス、個々の燃料電池ユニット、その構成要素、並びに／又は、その構成要素を含む燃料電池システムの動作を個々に自動化するための制御システムを含み得る。制御システムは、流体混合デバイスの動作、例えば、流体混合デバイス、バルブアセンブリ、正ガス圧の源、気体改質可能燃料の源、液体改質可能燃料の源、ヒータなどのその個々の構成要素、個々の燃料電池ユニット、その１つ以上の構成要素及び／若しくは燃料電池システムへの酸素含有ガス及び改質可能燃料の流れ特性を個々に監視、制御並びに／又は調整するための、制御構成要素、例えば、制御電子機器、アクチュエータ、バルブアセンブリ、センサアセンブリ並びに他の構造及びデバイスを含み得る。
【００５１】
制御システムは、種々の制御構成要素、並びに流体混合デバイス及び／又は各燃料電池ユニットの構成要素と通信し得る制御部を含み得る。制御システム及び／又は制御部は、流体混合デバイス、個々の燃料電池ユニット及び燃料電池システムを通る流体の流路を監視し、かつ論理的に制御することができる。換言すると、制御システムを用いて、流体混合デバイス、燃料電池ユニット及び／又は燃料電池システム内における特別仕様の流体回路を実現することができる。
【００５２】
制御システムは、制御部と通信する１つ以上のセンサ又はセンサアセンブリを含み得る。センサからの入力信号、ユーザ入力デバイスからのユーザコマンド並びに／又はプログラムされたサブルーチン及びコマンドシーケンスに応答して、制御部は、流体混合デバイス及び／又は１つ以上の燃料電池ユニットの動作を個々に管理することができる。制御部は、プロセッサ上で動作するソフトウェアとされ得る。しかしながら、１つ以上のデジタル回路若しくはアナログ回路又はそれらの組み合わせに実装された制御部を用いることも本教示の範囲内である。センサからの入力信号、ユーザ入力デバイスからのユーザコマンド並びに／又はプログラムされたサブルーチン及びコマンドシーケンスに応答して、制御部は、流体混合デバイス及び／又は１つ以上の燃料電池ユニット及び／又は燃料電池システムの動作を管理することができる。
【００５３】
センサアセンブリは、制御部と通信する変換器を含むことができるが、必ずしも含む必要はない。通信経路は、通常、有線電気信号であるが、任意の他の適切な通信経路形態もまた用いることができる。つまり、本明細書中のセンサアセンブリ、制御信号受信デバイス及び通信経路は、当技術分野において周知のものなどの、任意の適切な構造のものとすることができる。
【００５４】
一態様においては、本教示は、燃料電池システムの改質器へと送達するために、改質可能燃料と、空気などの酸素含有ガスとを混合するための流体混合デバイスを提供する。流体混合デバイスは、一般に、入口と、出口と、入口と出口との間に配置されたスロートと、を有する管を含む。スロートは、出口の内径よりも小さい内径を含む。スロートは、管の入口よりも小さい内径を含み得る。管の、入口から出口までの長手方向の軸線は下流側方向を規定する。スロートと出口との間の、管の内壁の少なくとも一部は、螺旋混合構造を含み得る。螺旋混合構造は、管の壁の溝若しくはくぼみのうち少なくとも１つと、フィン若しくは管の壁から突出した他の構造、例えば、押出された三角形のブレードとされ得る、又はこれらを含み得る。螺旋混合構造は、１つ以上の旋条チャネルを作製し得る又は規定し得る。複数の旋条チャネル（rifling channel）が存在する場合、旋条チャネルは、例えば、各独立旋条チャネル内の内壁が、螺旋混合構造を通過又は横断することなく別の独立旋条チャネルにアクセスし得ないように、独立旋条チャネルとされ得る。管は、また、スロートの下流側に、１つ以上の（改質可能）燃料入口を含む。
【００５５】
スロートは、管の狭くなっている若しくはくびれたセクションによって規定され得る、又は管の狭くなっている若しくはくびれたセクションである。スロートは、管の入口よりも小さい内径を有し得る。スロートは、通常、管の出口よりも小さい内径を有する。スロートは、管の長手方向の軸線に沿う長さを有し得る。この長さは、スロートの内径、入口の内径、管の、入口からスロートまでの内径の減少の角度（又はテーパ）及び長さ、管の出口の内径、並びに管の、スロートから出口までの内径の増加の角度（又は広がりの程度）及び長さなどの、種々のパラメータに依存し得る。スロートは、管の長手方向の軸線に垂直な面によって規定される長さを有し得る。つまり、入口からの壁の内径はスロートに向かって減少することができ、スロートからの壁の内径は出口に向かって増加することができる。内径の増加は、スロートに向かう内径の減少が終了した後に開始する。
【００５６】
スロートの上流側、すなわち管の入口からスロートまでの管の内径は、スロートよりも大きい直径のものとされ得る。管の入口からスロートまでの内径は、管の長さのあらゆる部分において一定又はほぼ一定とされ得る。管の、入口からスロートまでの部分の内径は、スロートに向かう下流側方向において内径が漸減又は減少し得る。内径の減少は、直線的な減少、指数関数的な減少、又は一定直径部分を含む、それらの１つ若しくは両方の組み合わせとされ得る。例えば、入口からの管の内径は、ある長さの間はほぼ一定、ある長さの間は指数関数的に減少する、ある長さの間は管の長手方向の軸線に対して第１の角度で直線的に減少する、及びある長さの間はスロートに対し第２の角度で直線的に減少する、とされ得る。同様に、しかし逆の意味で、スロートの下流側の管の内径は、スロートの上流側における管の内径が漸減又は減少し得るのと同じように、より大きい直径を有し得るとともに、長手方向の軸線に沿って広がり得る。
【００５７】
種々の実施形態においては、入口とスロートとの間の、管の内壁の少なくとも一部は、螺旋混合構造を含む。入口とスロートとの間の螺旋混合構造は、スロートと出口との間の螺旋混合構造と同じ回転方向とされ得る。入口とスロートとの間の螺旋混合構造は、スロートと出口との間の螺旋混合構造とは反対の回転方向とされ得る。特定の実施形態においては、螺旋混合構造は、管の内壁の、スロートの長さ全体に存在し得る。例えば、螺旋構造は、螺旋混合構造によって作製されたチャネルが連続的でありかつスロート内に広がるように、入口から出口まで連続とされ得る。特定の実施形態では、螺旋構造は、スロートの内壁に、並びにその上流側及び下流側（しかし、管の入口から出口までの内壁の長さ全体ではない）に存在し得る及び。
【００５８】
加えて、螺旋構造のねじれの程度は、その長さ全体にわたり一定とすることも、変化させることもできる。例えば、螺旋混合構造の各ねじれ間の距離は、管の下流側方向に増加し得る及び／又は減少し得るとともに、それらの組み合わせとされ得る。特定の実施形態においては、１つ又は複数の直線チャネルは、管の内壁の、流体混合デバイスの入口近傍に存在し得る。直線チャネルは螺旋混合構造の形成を開始することができる。これら実施形態の螺旋混合構造及び螺旋混合構造を含む他の実施形態は、スロートに向かって増加するねじれ（すなわち、連続する螺旋のねじれ間の距離が短くなる）を有し得る。増加するねじれは、螺旋混合構造が存在する場合、スロート全体に、及びスロートの下流側、例えば、管の出口まで続き得る。
【００５９】
種々の実施形態においては、管の内壁は、例えば、ゴルフボールのディンプルなどの、複数のディンプルを含み得る。そのような設計では、例えば、境界層を内壁に沿って生じさせる及び低減又は破壊することによって、デバイスに伴う圧力低下を低減することができる。そのようなディンプルは本明細書中に記載される階段構造とは区別され得るが、その理由は、階段構造が、流体の局所的混合、例えば、流れる流体の局所的渦動又は渦を形成し得るためである。
【００６０】
いくつかの実施形態では、１つ以上の燃料入口は、管の周縁に一連の穴を含み、一連の穴は、管の内部と管の外部との間に流体連通を提供する。一連の穴は、管の長手方向の軸線に垂直又は実質的に垂直とされ得る。一連の穴は、管の周縁の螺旋パターンとされ得る。螺旋パターンは、スロートと出口との間の螺旋混合構造と同じ又は反対の回転方向を有し得る。燃料入口、すなわち一連の穴は、管を部分的に又は完全に取り囲む種々のパターンとされ得る。例えば、２つ以上の一連の穴は、管の周縁又は管の半円において互いに隣接し得る。
【００６１】
種々の実施形態においては、特に、デバイスの設計において、カラー及び／又は燃料源管が存在する場合、多孔質バリアが燃料入口を規定し得る。つまり、多孔質バリアは、例えば、スロートの出口の、管の壁の一部、及び／又は燃料入口が通常配置される、スロートの下流側の管の一部を形成し得る。多孔質バリアは拡散バリア（diffusion barrier）とされ得る。多孔質バリアは、多孔質膜、多孔質ポリマー及び／若しくは多孔質セラミック、又は改質可能燃料及び／若しくは蒸気のための拡散バリアを作製することができ、かつ流体混合デバイスに実施される動作条件下で安定のままとされ得る他の多孔質材料とすることができる。多孔質バリアが、例えば、燃料注入チャンバ若しくは燃料注入チャネルの面若しくは表面に沿って、又は燃料注入チャンバ若しくは燃料注入チャネルの面若しくは表面として（多孔質バリアのない）流体密領域内にある場合、改質可能燃料は、多孔質バリア内において拡散し得るか、そうでなければ多孔質バリアを通過して管の内部に達し得る。燃料注入チャンバ及びチャネルは、燃料入口（ここに多孔質バリアがある）を通じた改質可能燃料の加圧送達のために流体密とすることができ、かつ燃料入口の位置における、燃料注入チャンバ及びチャネルに抗する圧力を比較的低くすることができるため、改質可能燃料電池側におけるより高い圧力によって、改質可能燃料を、多孔質バリアを通じて、管内を移動する高速の酸素含有ガス流へと移動させることができる。そのような設計及び動作は、液体改質可能燃料が、デバイスからの熱伝達によって、管に入る前に加熱され得る液体改質可能燃料にとって有利となり得る。
【００６２】
多孔質バリアの使用により、スロート内における圧力測定を妨げることなく又は妨げを最小限にして、管のスロートに差圧測定用の圧力タップを配置することを可能にし得るが、これは、改質可能燃料が、穴である燃料入口のように流れに「噴霧される」のではなく、酸素含有ガスの流れに多孔質バリアから拡散するからである。多孔質バリアは、燃料注入チャンバによって規定される管の表面又は壁の全体若しくは実質的に全体（又は燃料注入チャネルの部分表面若しくは壁）に配置され得るが、多孔質バリアは、管の（長手方向の軸線の方向の）より狭い帯又はセクションとすることができる。改質可能燃料を酸素含有ガスの流れに拡散又は移動するための表面積がより小さいにもかかわらず、多孔質バリアは、より大きい表面積の多孔質バリアに使用されるものよりも高い気孔率のものとすることができ、それによって、背圧の問題を最小にしつつ、酸素含有ガスの流れに同じ量若しくは体積の改質可能燃料を拡散又は移動することを可能にする。
【００６３】
特定の実施形態においては、流体混合デバイスは、第２の管を含み、第２の管は、入口及び出口を含み、第２の管の出口は燃料入口を介して管の内部と流体連通している。第２の管は、第２の管の入口と出口との間に配置されたスロートを含み得る。第２の管のスロートは、第２の管の出口及び入口の直径よりも小さい直径を含む。例えば、管及び第２の管はベンチュリ形の管とすることができ、管及び第２の管を流れる流体の流量を測定するための圧力タップをそれぞれ有する。特定の実施形態においては、第２の管はスロートを含み得る。第２の管のスロートは、第２の管の入口の直径よりも小さい直径を含み、第２の管の出口は第２の管のスロートを含む、すなわち、第２の管のスロートは管に交差する。
【００６４】
種々の実施形態においては、管の内壁上又は内に螺旋混合構造を有しないものを含むことによって、流体混合デバイスは、管の外部表面にある１つ以上の燃料入口を取り囲むカラーを含む。カラーは、管とともに、１つ以上の燃料入口と流体連通状態にある、例えば、動作可能な流体連通状態にある燃料注入チャンバを形成する。カラーは、燃料源入口を含み得る。カラーは、１つ以上の燃料入口を管の外部の周囲環境から分離することができる。燃料入口は多孔質バリアとされ得る。
【００６５】
いくつかの実施形態では、流体混合デバイスは、流体入口の少なくとも上流側にあり、かつ出口に向かって延びている、管の外部表面に対して同心の燃料源管を含む。燃料源管は、１つ以上の燃料入口の上流側の位置において管に連結又は一体化され得る。燃料源管は、本明細書中に記載されるカラーに連結又は一体化され得る。燃料源管の内部表面と管の対応する外部表面とは間隔をあけて配置されて、燃料注入チャネルを規定する。燃料注入チャネルは、燃料入口を介して管の内部と流体連通している。燃料入口は多孔質バリアとされ得る。燃料注入チャネルは入口を含み得る。燃料注入チャネルの入口は、改質可能燃料の源と流体連通状態、例えば、動作可能な流体連通状態にあり得る。
【００６６】
種々の実施形態においては、改質可能燃料と酸素含有ガスとを混合するための流体混合デバイスは、一般に、入口と、出口と、入口と出口との間に配置されたスロートと、を有する管であって、スロートが出口の内径よりも小さい内径を有することができ、入口から出口までの長手方向の軸線が下流側方向を規定し、管が、スロートの下流側に１つ以上の燃料入口を含む、管と、管の外部表面にある１つ以上の燃料入口を取り囲み、かつ管とともに、１つ以上の燃料入口と流体連通する燃料注入チャンバを作製するカラーであって、カラーが燃料源入口を含み、及び１つ以上の燃料入口を管の外部の周囲環境から分離する、カラーと、を含む。入口の内径はスロートの内径よりも大きくすることができる。
【００６７】
いくつかの実施形態では、流体混合デバイスは、一般に、入口と、出口と、入口と出口との間に配置されたスロートと、を有する管であって、スロートが、出口の内径よりも小さい内径を含み、入口から出口までの長手方向の軸線が下流側方向を規定し、管が、スロートの下流側に１つ以上の燃料入口を含む、管と、流体入口の少なくとも上流側にあり、かつ出口に向かって延びている、管の外部表面に対して同心の燃料源管であって、燃料源管が、１つ以上の燃料入口の上流側の位置において管に連結又は一体化することができ、燃料源管の内部表面と管の対応する外部表面とが間隔をあけて配置されて、燃料注入チャネルを規定し、燃料注入チャネルが、燃料入口を介して管の内部と流体連通しており、かつ燃料注入チャネルに対応する管の内部と熱連通している、燃料源管と、を含む。入口の内径はスロートの内径よりも大きくすることができる。
【００６８】
流体混合デバイスの種々の実施形態においては、管の内径は、一般に、スロートから下流側方向に直線的に又はほぼ直線的に増加する。管の内径は、管の長手方向の軸線に沿って測定した場合、約１２°、約１０°、約８°、約６°又はそれを下回る角度でスロートから下流側方向に直線的に若しくはほぼ直線的に増加し得る。流体混合デバイスのいくつかの実施形態では、管の内径は、一般に、入口からスロートまで、下流側方向に直線的に又はほぼ直線的に減少し得る。スロート、及び管の非スロートセクション又は部分のセクション若しくは部分は、一定の内径を有し得る。管の非スロートセクション若しくは部分は、一定の内径と、内径の増加又は減少との組み合わせを含み得る。
【００６９】
いくつかの実施形態では、管の、スロートの下流側の部分は、セラミック製とされ得る。実際、流体混合デバイスの管全体がセラミック製とされ得る。しかしながら、出口又は出口近傍からスロートに向かう、管の少なくとも一部がセラミックである特定の実施形態では、セラミック管セクションの内壁の少なくとも一部に改質触媒をコーティングすることができる及び／又は改質触媒を含浸させることができる。そのような実施形態においては、改質反応は、改質器及び／又は燃料電池スタックに入る前に、流体混合デバイス内において開始され得る。従って、流体混合デバイス内における改質反応によって発生した熱は、例えば、燃料注入チャネルを通じてデバイスに入る、液体改質可能燃料及び／若しくは水（蒸気）などの改質可能燃料を加熱する及び／又は蒸発させるための熱源となり得る。特定の実施形態においては、出口からスロートまでの、管の内壁の長さの約１０％、約２０％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％又はそれを超える長さが改質触媒を含み得る。
【００７０】
流体混合デバイスの特定の実施形態においては、管の内壁は、階段構造を含み、階段構造は、１つ以上の燃料入口の上流側から始端し、及び出口に向かって終端する、くぼみ又は溝であり、階段構造は、１つ以上の燃料入口を含む。階段構造は、通常、管の内壁における流体の流れを妨げるような形状であり、縁端を含み得る。例えば、階段構造の上流側端部は、管の長手方向の軸線に垂直な若しくは実質的に垂直なくぼみ又は溝を含み得る。階段構造の長手方向の断面形状は、管の内壁の直線軸線（linear axis）に沿って考慮される場合、三角形又はほぼ三角形とされ得る。階段構造の長手方向の断面形状は、管の内壁の直線軸線に沿って考慮される場合、丸みのある形状とされ得る。階段構造は、鋭利な若しくは角度を成したコーナ又は縁端と、丸みのある又は丸いコーナとの組み合わせとされ得る。
【００７１】
本教示の流体混合デバイスは、センサアセンブリ、例えば、第１の圧力タップ及び第２の圧力タップ、並びに／又は例えば、２つの圧力タップと対応する差圧測定アセンブリなどの、１つ以上のセンサアセンブリを含み得る。管のスロート又はバルブアセンブリに入る前の流体の圧力を測定することができ、スロート内の、又はスロート若しくはバルブアセンブリを出た後の流体の圧力を測定することができ、かつその差が決定されるように、このような差圧測定アセンブリは、管若しくはそのようなオリフィス又は比例弁（アセンブリ）バルブアセンブリを含み得る、又は管若しくはそのようなオリフィス又は比例弁（アセンブリ）バルブアセンブリと組み合わされ得る。流体の流れの圧力に関する知識により、流体の流量の計算を可能とすることができる。センサアセンブリは、１つ以上の燃料入口の上流側に、管及び／又は第２の管のスロートの上流側に配置することができ、例えば、管及び／又は第２の管のスロート上、管及び／又は第２の管のスロートの下流側、１つ以上の燃料入口の下流側、並びにそれらの組み合わせと対応させることができる。第１の圧力タップ及び第２の圧力タップのそれぞれは、１つ以上の燃料入口の上流側に配置され得る。圧力タップ又は差圧測定アセンブリは、管の最大有効内径に、及びスロート内などの管の最小有効径に位置し得る又は配置され得る。
【００７２】
本教示の別の態様は、全般的に、本教示の流体混合デバイスと、改質器及び／又は燃料電池スタックと、を含む、燃料電池システムを提供する。改質器及び／又は燃料電池スタックは、管の出口と流体連通状態、例えば、動作可能な流体連通状態にあり得る。改質器は、燃料電池スタックと流体連通状態、例えば、動作可能な流体連通状態にあり得る。燃料電池システムは、本教示の流体混合デバイス及び／又は改質器と流体連通状態、例えば、動作可能な流体連通状態にある蒸発器を含み得る。燃料電池システムはアフターバーナを含み得る。アフターバーナは、燃料電池スタックと流体連通状態、例えば、動作可能な流体連通状態にある。燃料電池システムは、管の入口と流体連通状態、例えば、動作可能な流体連通状態にある酸素含有ガスの源を含み得る。燃料電池システムは、１つ以上の燃料入口と流体連通状態、例えば、動作可能な流体連通状態にある改質可能燃料の源を含み得る。燃料電池システムは、改質可能燃料、例えば、気体改質可能燃料、蒸発液体改質可能燃料及び／又は液体改質可能燃料を、１つ以上の燃料入口に送達するための正気体圧の源を含み得る。燃料電池システムは、液体改質可能燃料を、蒸発器及び／又は１つ以上の燃料入口に送達するための液体ポンプを含み得る。
【００７３】
本教示の流体混合デバイスは熱伝導性材料で作製され得る。従って、流体混合デバイスへの及び／又は流体混合デバイスからの熱伝達は、燃料電池システムの熱管理を補助し得る。例えば、流体混合デバイスは、改質可能燃料の蒸発及び／又は加熱を補助するために、燃料電池スタック及び／又はアフターバーナの排気口内に配置され得る。加えて、流体混合デバイスがその下流側部分に改質触媒を含む場合、特に、設計に燃料源管及び燃料注入チャネルを含む場合、改質反応によって発生した熱は、改質可能燃料の蒸発及び／又は加熱を補助し得る。流体混合デバイスは、燃料電池ユニット（例えば、改質器、燃料電池スタック及びアフターバーナ、並びに任意選択的に、蒸発器）を収容するチャンバ内に形成され得る又は配置され得る。チャンバ内及びその構成要素内における対流性熱伝達は、燃料電池ユニット及びその構成要素の熱管理を容易にし得る。そのような設計は、効率的な液体改質可能燃料の改質のための一体型のパッケージを形成し得る。
【００７４】
別の態様においては、本教示は、本教示の流体混合デバイスを動作する方法を提供する。そのような方法は、全般的に、酸素含有ガス及び／又は蒸気を、本教示の流体混合デバイスの管の入口及びその管内に送達するステップと、改質可能燃料及び／又は蒸気を、１つ以上の燃料入口を通じて送達し、それにより、酸素含有ガス及び／又は蒸気と改質可能燃料及び／又は流れとを混合する、ステップと、を含む。改質可能燃料は、液体改質可能燃料、蒸発液体改質可能燃料、気体改質可能燃料、及びそれらの組み合わせとされ得る。
【００７５】
種々の実施形態においては、本教示の方法は、酸素含有ガス及び／又は蒸気と、改質可能燃料及び／又は蒸気との混合物を、管の出口から送達するステップを含む。方法は、気体改質反応混合物などの、酸素含有ガス及び／又は蒸気と、改質可能燃料及び／又は蒸気との混合物を、改質器及び／又は燃料電池スタックに送達するステップを含み得る。酸素含有ガスは、空気と、燃料電池スタックからのアノード排出流（anode exhaust stream）とのうち少なくとも１つを含み得る。
【００７６】
いくつかの実施形態では、本明細書中に列挙したある特定の構造とは別に、本教示の方法は、スロートを含む管内に酸素含有ガス及び／又は蒸気を送達するステップであって、それにより、酸素含有ガス及び／又は蒸気に、スロート内における速度の増加及び圧力の減少、並びにスロートの下流側における、圧力増加及び速度減少を伴う旋条又は捻回運動が生じる、ステップと、改質可能燃料及び／又は蒸気を、スロートの下流側の酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入するステップであって、それにより、改質可能燃料及び／又は蒸気を酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れと混合して、気体改質反応混合物を提供する、ステップと、を含む。
【００７７】
特定の実施形態においては、スロートを通過する前に、すなわち、スロートの上流側で、酸素含有ガス及び／又は蒸気に旋条又は捻回運動が発生し得る。特定の実施形態では、スロートの上流側、スロート内及びスロートの下流側で、酸素含有ガス及び／又は蒸気に旋条又は捻回運動が発生する。一例として、流体又は流体の流れの旋条又は捻回運動は、流体が螺旋混合構造を含む管を通過するときに実現され得る。
【００７８】
本教示の方法の種々の実施形態においては、酸素含有ガスの流れに改質可能燃料及び／又は蒸気を導入するステップは、管の周縁にある複数の若しくは一連の燃料入口を通じて改質可能燃料及び／又は蒸気を導入するステップを含み得る。燃料入口が多孔質バリアによって規定される場合、本教示の方法は、改質可能燃料及び／又は蒸気を、多孔質バリアを通じて、酸素含有ガスの流れに導入するステップを含み得る。
【００７９】
改質可能燃料及び／又は蒸気を酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入するステップは、管における差圧測定の効果に影響することなく又は効果を最小にすることなく、酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れの最大速度点若しくはその近傍に改質可能燃料及び／又は蒸気を導入するステップを含み得る。いくつかの実施形態では、改質可能燃料及び／又は蒸気を酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入するステップは、改質可能燃料及び／又は蒸気を、スロートの出口から管の出口までの、管の長手方向の軸線に沿った長さの約１％、約２％、約３％、約５％、約７％、約１０％、約１２％、約１５％、約１７％、約２０％又は約２５％の範囲内などの、スロートの出口の近傍に導入するステップを含み得る。
【００８０】
特定の実施形態においては、改質可能燃料及び／又は蒸気を酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに導入するステップは、改質可能燃料及び／又は蒸気を、スロートの出口に、又はスロートの出口の（平坦面の）すぐ下流側に導入するステップを含み得る。このような場合、及び管の長さ全体に広がる独立旋条チャネルを提供する螺旋混合構造が存在する場合、燃料入口、例えば、管壁内の穴が、対応する圧力タップを有しない独立旋条チャネル内に配置され得る。つまり、圧力タップは、スロート領域内（例えば、スロートの出口の平坦面の近傍に）に配置することができ、燃料入口と対応しない、スロート領域を通るチャネルと同一空間を占める。差圧測定用の別の圧力タップは、スロート領域内の圧力タップと同じチャネル内の、スロートの上流側の、管のより広い直径のセクションに配置され得る。螺旋混合構造の高さは、そのような設計の、差圧測定に対する効果、並びに圧力タップ及び燃料入口がスロートの出口の平坦面にどれほど接近し得るかに影響し得る。
【００８１】
方法は、例えば、改質可能燃料が管の下流側方向とは逆に流れ、かつ酸素含有ガスと熱連通している場合、酸素含有ガスの流れに改質可能燃料を導入する前に、酸素含有ガスから改質可能燃料に熱を伝達するステップを含み得る。本教示の方法は、気体改質反応混合物などの、改質可能燃料と酸素含有ガスとの混合物を、燃料電池ユニット又は燃料電池システムの改質器に導入するステップを含み得る。
【００８２】
以下の例示的実施形態は、本教示を更に説明するため、及び本教示の理解を容易にするために提供されるものであり、本発明をいかようにも限定することを意図するものではない。
【００８３】
同じく、簡略化のため前に述べたように、本明細書中の説明及び記載では、触媒部分酸化改質反応及び反応物（改質可能燃料及び酸素含有ガス）を含む、部分酸化改質反応及び反応物に焦点を当てる。しかしながら、本明細書中に記載されるデバイス、システム及び方法は、蒸気改質及びオートサーマル改質などの他の改質反応並びにそれら各々の反応物に等しく適用することができる。例えば、蒸気改質では、本明細書中の記載における酸素含有ガスの代わりに蒸気を用いることができる。オートサーマル改質では、本明細書中の記載における酸素含有ガス及び／又は改質可能燃料とともに、蒸気が導入され得る。
【００８４】
加えて、図の類似する構成要素は、同じ又は異なるものとすることができ、それに対応する、例えば、構造材料、センサアセンブリ、バルブ構成、導管の接続及び配置等の種々の変更形態を有する。
【００８５】
図１Ａは、単一燃料入口と、デバイスのスロート部分の下流側にある螺旋混合構造と、を有する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面概略図である。
【００８６】
図１Ａを参照すると、流体混合デバイス１０は、入口１４及び出口１６を有する管１２を含む。流体混合デバイス１０は、入口１４と出口１６との間に配置されたスロート１８を有する。流体混合デバイスは、螺旋混合構造２０及び燃料入口２２を含む。示される流体混合デバイスは、また、第１の圧力タップ２４及び第２の圧力タップ２６を含む。
【００８７】
示されるデバイスの動作時、例えば、正ガス圧の源の使用によって、空気などの酸素含有ガスが、その入口を通じて管内に導入され、管を通過し得る。酸素含有ガスが管内を通過するとき、ガス流が、スロートの上流側の、管のテーパ状セクション、すなわち、管の内径がスロートの内径へと減少する場所を通過する際にガス流の速度は増加し、その圧力は減少する。酸素含有ガスがスロート内を通過するとき、ガス流の速度はその最大値に達し、その圧力は最低値に達する。その後、ガス流がスロートから出て、スロートの下流側の、管の拡大セクション、すなわち、管の内径が出口に向かって増加する場所に入る際、ガス流は、構造の幾何学的形状によって生じた乱流を受ける。この場所は、流体の効率的かつ効果的な混合の位置となり得る。流体の流れが出口に向かって送られると、流体の流れの速度は減少し、圧力は回復する。従って、デバイス内における全体的な圧力流損失（pressure flow loss）を最小にすることができる。
【００８８】
更に、スロートの下流側にある螺旋混合構造は、ガス流に旋条又は捻回効果を付加し、その乱流を促進する。燃料入口を通じて、改質可能燃料を管の内部に及びスロートの下流側の酸素含有ガス流に導入することができ、高乱流の領域において、改質可能燃料を酸素含有ガスの流れと混合することができる。改質可能燃料と酸素含有ガスは、それらが管内を下流側に流れる際に更に混合され得る。ここで、混合物、すなわち、気体改質反応混合物にも、旋条又は捻回効果が発生し得る。その後、改質可能燃料と酸素含有ガスとの混合物は、管からその出口にて出ることができる。
【００８９】
スロートの下流側における管の内径の拡大は、そのセクションにおける管の内径（及び／又は容積）、管の、スロートの下流側セクションの長さ、使用されることになる改質可能燃料、並びに種々の他の要因を含む、多くの要因によって大幅に異なり得る。（例えば、差圧測定アセンブリの一部としての）圧力タップなどのセンサアセンブリが管のこのセクション（不図示）に配置される場合、圧力測定（又は測定される他の特性）のための良好な信号を維持するために、流体の流れの層流が望まれる。つまり、流体が管内を流れる際、境界層が存在し得る管の内壁における流れの剥離などの局所的作用によって層流が破壊され得る。そのような作用及び他の作用によって、ランダム信号ノイズが測定される場合があり、それにより、測定されるパラメータ又は特性の真の値が不明瞭になる。特に、適切な二次的較正と併用される場合、そのような作用を最小にするために信号加算平均（signal averaging）を用いることができる。
【００９０】
しかしながら、酸素含有ガス流、及び酸素含有ガス流の改質可能燃料との混合物の層又は実質的な層流を維持するためには、管の長手方向の軸線から測定した場合の、スロートの下流側における管の内径の拡大又は増加を、約１５°以下の角度とすべきである。種々の実施形態においては、管の長手方向の軸線から測定した場合の、スロートの下流側における管の内径の拡大又は増加は、約１４°以下、約１３°以下、約１２°以下、約１１°以下、約１０°以下、約９°以下、約８°以下、約７°以下、約６°以下、約５°又はそれ未満の角度とすべきである。
【００９１】
スロートの上流側における管の内部直径のテーパ又は狭小化は、管の下流側部分に関して上記したもの、及び管のこのセクション又は部分の、管の内壁に、螺旋混合構造が存在するかどうかを含む、多くの要因によって大幅に異なり得る。しかしながら、入口からスロートまでの、流体混合デバイスの上流側部分の管の内径のテーパは、全般的に、スロートの下流側における拡大に比べてあまり影響を受けにくく、上述の角度よりも大きい角度のものとすることができる。
【００９２】
図１Ａに示すように、流体混合デバイスは、２つの圧力タップを含む。酸素含有ガス流への改質可能燃料の導入前に、差圧をより正確に算定するために、圧力タップは、管を通る酸素含有ガス流の圧力が、そのスロートの前の最も高いバルブにて、及びそのスロート内における最も低いバルブにて測定され得るように配置される。圧力タップ及び／又は他のセンサアセンブリは、管の別の場所に、又は圧力タップの示される位置に加えて配置され得ることを理解すべきである。例えば、差圧測定用の第２の圧力タップの位置は、スロートの上流側にあり得る、又はスロートの出口のすぐ上流側などの、スロートの出口の平坦面に直に隣接し得る。
【００９３】
本明細書中に記載されるように、管及び酸素含有ガス流に導入される改質可能燃料は、気体改質可能燃料又は液体改質可能燃料とされ得る。気体改質可能燃料は、加圧容器若しくは装置及び／又は圧縮気体改質可能燃料の容器、例えば、プロパン又はブタンのタンクから導入され得る。本教示の種々の実施形態においては、正気体圧の源は、管の燃料入口並びに／又は酸素含有ガス流への改質可能燃料の送達を補助し得る。気体改質可能燃料は、また、酸素含有ガス流への導入前に加熱され得る。
【００９４】
液体改質可能燃料は、蒸発液体改質可能燃料が、気体改質可能燃料と同様に、酸素含有ガス流に導入され得るように、酸素含有ガス流への導入前に蒸発させることができる。蒸発液体改質可能燃料は、蒸発後、その蒸発状態を維持するために、酸素含有ガス流への送達まで加熱され得る。
【００９５】
液体改質可能燃料は、管内の酸素含有ガス流に直接導入され得る。そのような場合では、液体改質可能燃料を加圧するため、並びに／又は管の燃料入口及び酸素含有ガス流に液体改質可能燃料を送達するために、液体ポンプが使用され得る。管のスロートの下流側の乱流混合領域における液体改質可能燃料の蒸発を促進するために、液体改質可能燃料は、その、酸素含有ガス流への導入前に加熱され得る。スロートの下流側の管の内部に入る液体改質可能燃料に対して生じる体積及び表面積の増加は、蒸気を含む液体改質可能燃料の生成を補助し得る。従って、管の乱流セクションに入り、体積及び表面積の増加を生じ、任意選択的に、螺旋混合構造に入る、加熱された液体改質可能燃料は、燃料電池ユニット又は燃料電池システムの改質器に送達するのに好適な気体改質反応混合物に対し酸素含有ガス流を提供するために十分に蒸発させることができる。
【００９６】
図１Ｂは、図１Ａの流体混合デバイスに類似するが、複数の燃料入口及びそれに対応するカラーを含む、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の概略図である。図１Ｂは、また、スロートの上流側の管の内壁に対応する螺旋混合構造を含む。
【００９７】
ここで図１Ｂを参照すると、流体混合デバイス１０’は、入口１４’及び出口１６’を有する管１２’を含む。流体混合デバイス１０’は、入口１４’と出口１６’との間に配置されたスロート１８’を有する。流体混合デバイスは、スロート１８’の上流側及び下流側の両方の、管の内壁に螺旋混合構造２０’を含む。流体混合デバイスは、管１２’の周縁に一連の穴として示される複数の燃料入口２２’を含む。流体混合デバイスは、複数の燃料入口を取り囲むカラー２８を含む。カラーは、管とともに、燃料源入口３２と流体連通する燃料注入チャンバ３０を作製する。示される流体混合デバイスは、また、第１の圧力タップ２４’及び第２の圧力タップ２６’を含む。
【００９８】
図１Ｂの流体混合デバイスの動作は、図１Ａの流体混合デバイスの動作、例えば、そこを通る流体の全般的な流れ及び混合、並びに改質可能燃料の種類及び／又は源に類似し得る。しかしながら、改質可能燃料は、異なる手法で酸素含有ガス流に導入される。つまり、単一燃料入口よりもむしろ、一連の穴が管の周縁に存在する。この穴は、管の外部と内部との間に流体連通を提供する。穴の数及びサイズは、特定の用途、使用されることが予想される改質可能燃料、内壁のサイズ及び設計、並びに管の直径、並びに種々の他のパラメータに応じて異なり得る。加えて、燃料入口は、周縁の周りの、又は管を一部のみ取り囲み得る１つより多い一連の穴を含み得る。
【００９９】
示されるデバイスでは、燃料入口を取り囲み、かつそれらを管の外部の周囲環境から遮断するカラーが管の周囲にある。カラーは、２つの構造間に流体密シールを形成するために、管の外部に連結され得る、例えば、結合又は溶接される。カラーは、また、加圧された改質可能燃料がそこを通る際のより高い圧力に耐えることができる。カラーは、後に図１Ｅ及び図１Ｆに示されるような、Ｏリングなどのシーリング部材を用いて、管及び／又はデバイスとの流体密シールを形成し得る。あるいは、カラーは管と一体化され得る。例えば、管は、一体型の設計として製造され得る。カラー及び管は、ともに、燃料注入チャンバを形成し得る。燃料注入チャンバは、燃料源入口（及び改質可能燃料の源）及び管の内部と流体連通する。示される流体混合デバイスでは、流体連通は、燃料源入口と、燃料注入チャンバと、燃料入口と、管の内部との間に存在するが、これら構造の１つ以上は、バルブアセンブリ又は他の適切な流体流制御デバイス若しくは構造の使用によって、他の構造と動作可能な流体連通状態にあり得る。
【０１００】
動作時、加圧及び／又は加熱改質可能燃料などの改質可能燃料は、燃料源入口を通じて燃料注入チャンバ内に導入することができ、その後、燃料入口を通じて、管内を下流側に移動する酸素含有ガス流中に導入することができる。管の周縁の一連の穴はスロートの下流側に配置されているため、改質可能燃料は、酸素含有ガス流との混合を促進し、得られる組成物の均一性、例えば、同質の気体改質反応混合物が達成され得るように、流体混合デバイスの乱流領域にて導入され得る。スロートの下流側において管の内径が増加するため、乱流も減少し得る。従って、改質可能燃料をその最大速度で酸素含有ガス流中に導入するために、スロートの下流側端部から燃料入口までの距離は最小にすべきである。
【０１０１】
加えて、多くの小さい直径の穴及び／又は種々のパターンの穴を燃料入口として使用すると、そのようなデバイス内において送達される液体改質可能燃料の噴霧及び／又は蒸発を補助し得る。例えば、多くの小さい直径の穴は、体積及び表面積が増加する位置において、加熱液体改質可能燃料の微細な霧の、乱流酸素含有ガス流への噴霧を実施し得る。混合物は、その後、流体成分の混合を更に強化するため、螺旋混合構造に接触し得る。
【０１０２】
本教示の流体混合デバイスの種々の実施形態においては、図１Ｂに示すように、スロートの上流側における管の内壁が螺旋混合構造を含み得る。デバイスのこのセクション又は部分の螺旋混合構造は、酸素含有ガス流をスロートに導入する前に酸素含有ガス流の乱流を形成するのを補助し得る。つまり、酸素含有ガスは、スロートに到達する前かつ改質可能燃料の導入前に、旋条、捻回又は回転し得る。デバイスの入口と、そのスロートとの間に配置された螺旋混合構造は、管のスロートと出口との間に配置された螺旋混合構造と同じ又は反対の回転方向を有するとされ得る。回転方向が同じであっても反対であっても、各螺旋混合構造は、同じ又は異なる程度のねじれ、すなわち、螺旋混合構造の各ねじれ間の距離を有し得る。実際、螺旋混合構造のねじれの程度は、その長手方向の軸線に沿って、例えば、スロートから出口に向かって変化し得る。
【０１０３】
スロートの内壁は螺旋混合構造を含み得ることは理解すべきである。特定の実施形態においては、スロートの長さは、スロート内に螺旋混合構造を有することが非実用的となるよう最小にすることができる。それでもなお、スロートの長さに関わらず、そのような螺旋混合構造が所望され得る。
【０１０４】
管の内壁の１つ以上のセクション又は部分が螺旋混合構造及び圧力タップを含むか、あるいは、そのようなセクション又は部分に差圧測定アセンブリが存在する場合、圧力タップは、そこからの測定の精度を向上するために、螺旋混合構造の同じチャネル内、例えば、同じ旋条のチャネル内に配置され得る。
【０１０５】
図１Ｃは、図１Ａ及び図１Ｂの流体混合デバイスに類似するが、螺旋混合構造及びカラーがなく、管と同心の燃料源管を含む、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の概略図である。
【０１０６】
ここで図１Ｃを参照すると、流体混合デバイス１０”は、入口１４”及び出口１６”を有する管１２”を含む。流体混合デバイス１０”は、入口１４”と出口１６”との間に配置されたスロート１８”を有する。流体混合デバイスは、管の長手方向の軸線に実質的に垂直な、管１２”の周縁にある、一連の穴として示される複数の燃料入口２２”を含む。流体混合デバイスは、スロート１８”の下流側にある、管１２”の外部表面に対して同心の燃料源管３４を含む。燃料源管と管は間隔をあけて配置され、燃料注入チャネル３６を形成する。燃料注入チャネル３６は、燃料入口２２”、及び燃料源入口（図示せず）を通じて改質可能燃料の源（図示せず）と流体連通する。示される流体混合デバイスは、また、第１の圧力タップ２４”及び第２の圧力タップ２６”を含む。
【０１０７】
燃料源管の内部表面と、管の対応する外部表面は、間隔をあけて配置され、その間に燃料源チャネルが形成される。このような設計は、カラー及び管によって形成される燃料注入チャンバと類似の目的、すなわち、燃料入口を通じて、改質可能燃料の源と管の内部との間に流体連通、例えば、動作可能な流体連通を形成するという目的を有する。そのようなデバイスの製造は、また、燃料源管が管に連結され得る若しくは固定され得る、又は管と一体となるように作製され得る、例えば、同じ製造プロセスの一部として形成されるという点で、カラーを備えた管の製造に類似し得る。燃料源管を用いた設計は、本明細書中に記載されるカラーを含み得るが、燃料源管の使用により、カラーの必要を排除できる。
【０１０８】
燃料入口と流体連通する燃料注入チャネルを形成するために、燃料源管は、流体入口の少なくとも上流側において、管の外部表面に同心とされ得る。同心の燃料源管は管の出口に向かって続いており、管の内部に改質可能燃料を導入するための燃料注入チャネルを形成する。そのような設計においては、（種々の形態の及び種々の源からの）改質可能燃料は燃料入口に送達され、管の外部の近傍を、酸素含有ガス流及び管の内部の改質可能燃料を含む混合物の流れの反対方向に流れ得る。つまり、改質可能燃料は、管に巻かれていると考えることができ、そこで、改質可能燃料は、加熱酸素含有ガス流及び気体改質反応混合物を含む管の内部と熱連通し得る。従って、この設計は、改質可能燃料が酸素含有ガス流に入る前に改質可能燃料の温度を維持する又は上昇させるための向流型熱交換器として機能し得る。
【０１０９】
図１Ｄは、図１Ｂの流体混合デバイスに類似するが、カラー、圧力タップ、あるいはスロートの上流側の螺旋混合構造のない、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の断面斜視概略図である。
【０１１０】
ここで図１Ｄを参照すると、流体混合デバイス１０’’’は、入口１４’’’及び出口１６’’’を有する管１２’’’を含む。流体混合デバイス１０’’’は、入口１４’’’と出口１６’’’との間に配置されたスロート１８’’’を有する。流体混合デバイスは、管の長手方向の軸線に実質的に垂直な、管１２’’’の周縁にある一連の穴として示される、複数の燃料入口２２’’’を含む。流体混合デバイスは、管の内壁から内部への三角形の突起として示される螺旋混合構造２０”を含む。
【０１１１】
図１Ｄに見られ得るように、管のスロート部分は、最小限とすることも、その直径と比べて短い長さを有することもできる。加えて、燃料入口を通じた、管の内部と外部との間の流体連通は、螺旋混合構造の、管の内部への突起とともに、容易に見ることができる。図１Ｄに示されるデバイスには、カラー又は燃料源管が備えられ得る。
【０１１２】
図１Ｅは、カラーが２つのＯリング上にあり、管とともに、複数の燃料入口を取り囲む燃料注入チャンバを形成する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の拡大断面概略図である。
【０１１３】
ここで図１Ｅを参照すると、流体混合デバイス１０ｉｖは、入口１４ｉｖ及び出口１６ｉｖを有する管１２ｉｖを含む。流体混合デバイス１０ｉｖは、入口１４ｉｖと、出口１６ｉｖとの間に配置されたスロート１８ｉｖを有する。流体混合デバイスは、管１２ｉｖの周縁の一連の穴として示される複数の燃料入口２２ｉｖを含む。流体混合デバイスは、複数の燃料入口２２ｉｖを取り囲むカラー２８’を含む。カラー２８’は、２つのＯリング３１上にあり、流体密シールを形成する。カラー２８’は、管１２ｉｖの外部とともに、燃料源入口３２’と流体連通する燃料注入チャンバ３０’を形成する。示される流体混合デバイスは、また、第１の圧力タップ２４’’’及び第２の圧力タップ２６’’’を含む。
【０１１４】
図１Ｅの流体混合デバイスの動作は、図１Ｂの流体混合デバイスの動作、例えば、そこを通る流体の全般的な流れ及び混合並びに改質可能燃料の種類及び／又は源に類似し得る。しかしながら、図１Ｅに示される流体混合デバイスは、管を形成する構造上を、燃料入口と流体連通する燃料注入チャンバを形成する位置へと摺動することができるカラーを有する。流体混合デバイスのカラーと構造との間に流体密シールを形成するために、Ｏリング又は他のシーリング部材が使用され得る。示される例では、管の、スロートの上流側の部分は、材料ブロック、例えば、円筒状の金属片内に形成され、それにより、ブロックはその位置に管を規定し得る。従って、シーリング部材が流体密シールを形成した状態で、円筒状カラーが両セクションの周りに緊密に嵌合し得るように、材料ブロックの直径は、管の、スロートの下流側の部分の直径と同じとされ得る。
【０１１５】
図１Ｆは、カラーが２つのＯリング上にあり、管とともに、燃料注入チャンバを形成する、本教示の流体混合デバイスの一実施形態の拡大断面概略図である。このデバイスの燃料入口は、燃料注入チャンバの領域内の、管の壁である多孔質バリアによって規定される。
【０１１６】
ここで図１Ｆを参照すると、流体混合デバイス１０ｖは、入口１４ｖ及び出口１６ｖを有する管１２ｖを含む。流体混合デバイス１０ｖは、入口１４ｖと出口１６ｖとの間に配置されたスロート１８ｖを有する。流体混合デバイスは、燃料注入チャンバ３０”の表面を形成する管１２ｖの壁である多孔質バリア２２ｖとして示される複数の燃料入口を含む。流体混合デバイスは、多孔質バリア２２ｖを取り囲むカラー２８”を含み、カラー２８”は、２つのＯリング３１’上にあり、流体密シールを形成する。カラー２８”は、管１２ｖの外部とともに、燃料源入口３２”と流体連通する燃料注入チャンバ３０”を形成する。管１２ｖの内壁は、スロートの下流側かつ多孔質バリア（燃料入口）２２ｖの後に配置された改質触媒３３を含む。示される流体混合デバイスは、また、第１の圧力タップ２４ｉｖ及び第２の圧力タップ２６ｉｖを含む。
【０１１７】
カラーの構造及び管配置は、図１Ｅと図１Ｆとで類似し得る。しかしながら、図１Ｆでは、多孔質バリアは、管の壁に又は管の壁によって、例えば、少なくとも管の壁が燃料注入チャンバに対応する位置に形成される。多孔質バリアは、デバイスの燃料入口であり、改質可能燃料及び／又は蒸気が燃料源入口を通じて燃料注入チャンバ内に導入され得る。燃料注入チャンバと管の内部の対応するセクションとの間の差圧が、改質可能燃料及び／又は蒸気を、多孔質バリアを通じて、酸素含有ガスの高速流及び／又は管を通過する流れへと移動させるための駆動力を提供するように、改質可能燃料及び／又は蒸気は、通常、送達中に加圧される。
【０１１８】
多孔質バリアを作製するためにセラミックが使用される場合、任意選択的にスロートを含む、管のスロートの下流側部分全体を、セラミックを用いて作製すると効率的であり得る。種々の製造技術において、適切なセラミック構造は、図に示すように、管の、スロートの上流側部分を規定する材料ブロックから延在する、スロート又はその一部上の鋳造物とされ得る。セラミックは、適切な位置に多孔質バリア（又は壁）と、更に下流側（及び多孔質バリア（燃料入口）の設計及び長さによっては上流側）の流体密壁と、を設けるために鋳造され得る。回転するスピンドルにセラミックスラリーを噴霧するなどの他の製造技術も使用することができる。多孔質壁セクション及び非多孔質（流体密）壁セクションを作製するために、セラミックスラリーの配合を、製造中に変更することができる。
【０１１９】
管の少なくとも下流側部分を作製するためにセラミックを使用することには他の利点があり得る。例えば、図１Ｆに示すように、そのような位置の管の壁に改質触媒をコーティングすることができる及び／又は含浸させることができる。従って、流体混合デバイス内において、改質器及び／又は燃料電池スタックへの送達前に気体改質反応混合物の改質を開始し、改質プロセスの効率及び／又は有効性を向上することができる。改質反応では熱を生成することができ、この熱は、改質可能燃料及び／又は水若しくは蒸気を管の内部に導入する前に加熱するために使用され得る（例えば、図１Ｆに示すように、燃料注入チャネルが、内壁の、それに対応する改質触媒を有するセクションに一致し得る、図１Ｃのデバイスを参照のこと）。
【０１２０】
図１Ｇは、圧力タップ及び燃料入口がスロートの出口近傍に配置されているが、異なる独立旋条チャネル内にある、流体混合デバイスの一実施形態のスロート領域の外部拡大概略図である。独立旋条チャネルは、管の内壁の螺旋混合構造（一点鎖線）によって形成される。
【０１２１】
ここで図１Ｇを参照すると、流体混合デバイス１０ｖｉは、入口端部１４ｖｉと、出口端部１６ｖｉとの間に配置されたスロート１８ｖｉを有する管１２ｖｉを含む。管１２ｖｉの内部の螺旋混合構造２０’’’（一点鎖線で示される）は、管１２ｖｉ内に広がる独立旋条チャネル２１、２３、２５を形成する。管１２ｖｉは、また、燃料入口２２ｖｉ及び圧力タップ２６ｖを含む。示されるように、燃料入口２２ｖｉは、圧力タップ２６ｖと対応する又は一致する独立旋条チャネル２１とは異なる又は独立した独立旋条チャネル２３、２５と対応する又は一致する。
【０１２２】
下流側圧力タップと燃料入口との間の距離を最小化することへの要求のため、そのような設計により、差圧測定アセンブリの下流側圧力タップがスロートの出口の上流側に接近するか、直に隣接すること、及び燃料入口がスロートの出口の下流側に接近するか、直に隣接することを可能にし得る。螺旋混合構造の高さは、そのような設計の、差圧測定に対する効果、並びに下流側圧力タップ及び燃料入口が互いに及び／又はスロートの出口の平坦面にどれほど接近するかに影響し得る。
【０１２３】
換言すると、上流側圧力タップ（管の入口により接近して配置される）と、下流側圧力タップとの間の差圧を最大化するために、下流側圧力タップはスロートの近傍に又はスロートに沿って配置され得る。管内の酸素含有ガスの流れの最大速度点に、又はその近傍に改質可能燃料を導入するために、燃料入口は、下流側圧力タップにおける圧力測定を妨げることなく、又は下流側圧力タップにおける圧力測定の妨げを最小限にして、スロートの出口にできるだけ接近させて配置すべきである。燃料入口を有さず、圧力タップが独立旋条チャネル内にあることを可能にする（すなわち、燃料入口が異なる独立旋条チャネルに対応し得る又は異なる独立旋条チャネルにあり得る）螺旋混合構造は、下流側圧力タップと燃料入口との間の（管の長手方向の軸線に沿う）距離を最小化することを可能にし得る。螺旋混合構造の高さ及び他の流体流れ特性に応じて、燃料入口が流体混合デバイスの流体流れ領域の最大速度であり得るように、燃料入口は、等しい距離に又は下流側圧力タップの上流側に設けることができる。
【０１２４】
図２Ａは、本教示の例示的な流体混合デバイス２２０を示す。デバイスは、第１の流体２０９の流れを受けるための第１の管Ａと、第２の流体２１０の流れを受けるための第２の管Ｂと、を含む。第１の管は、入口２００と、スロート部分Ｃと、出口２０１と、を有する。第２の管Ｂは、入口２０２と、スロート部分Ｄと、出口２０３（第１の管Ａの燃料入口に一致する）と、を有する。
【０１２５】
第２の管は第２の流体２１０の流れを管Ａのスロート部分Ｃに排出する一方で、第１の流体２０９の流れはスロート部分Ｃを通過する。そのような実施形態においては、第１の流体２０９の流れは、圧力タップ２０４と圧力タップ２０５との間の圧力差を測定することによって決定され得る。加えて、第２の流体２１０の流れは、圧力タップ２０６と圧力タップ２０７との間の圧力差を測定することによって決定され得る。そのような実施形態においては、第１の管と第２の管はスロートＣにおいて交差する。流体の流れは、第１の流体２０９の流れの最大速度及び最低圧力並びに第２の流体２１０の流れのより低い速度及びより高い圧力の点において合流し、かつ混合し得る。混合された流体２１１は出口２０１を通過して流れる。従って、デバイスは改質可能燃料と酸素含有ガスとを混合することができる一方で、両流体の流れの流れ特性を、測定を妨げることなく同時にかつ独立して測定する。
【０１２６】
図２Ｂは、本教示の流体混合デバイス３２０の別の実施形態を示す。図２Ｂの実施形態は、図２Ａに示される実施形態に類似し、同一部品には同一参照符号が付される。図２Ａの実施形態と図２Ｂの実施形態との間の違いは、第１の管Ａと第２の管Ｂとの間の交差の位置である。図２Ｂに示すように、第２の管Ｂは、第１の管のスロートＣの下流側（又は先端側）の位置において第１の管Ａに交差する。
【０１２７】
図２Ａと図２Ｂとの比較では、管Ａと管Ｂとの交差の位置を第１の管（すなわち、水平管）の長手方向のどこにでも移動できることを示す。従って、第１の管内の流量が測定され得ることを前提として、第２の管の出口は第１の管の長手方向のどこにでも配置できる。例えば、第２の管の出口は、タップ２０５の先端側の、第１の管の出口に向かう任意の位置にあり得る。しかしながら、混合時に乱流を最大化するため、第１の管のスロートの下流側端部と第２の管の出口との間の距離は最小にすべきである。
【０１２８】
図２Ｃは、本教示の流体混合デバイス４２０の別の実施形態を示す。図２Ｃの実施形態は、図２Ａに示される実施形態に類似し、同一部品には同一の参照符号が付される。図２Ａの実施形態と図２Ｃ実施形態との間の違いは、図２Ｃでは、第２の管Ｂの出口２０３が第２の管ＢのスロートＤを含むように、第２の管Ｂのスロート部分Ｄが第１の管Ａと交差することである。これにより、両流体がその最大流れ速度にある位置にて流体の混合が可能となり、それによって、流体の完全な混合が可能になる。
【０１２９】
図２Ｄは、本教示の流体混合デバイス５２０の別の実施形態を示し、同一部品には同一の参照符号が付される。図２Ｄに示される実施形態は、第２の管Ｂが、スロートＣの下流側の、第１の管の増加する内径の拡大部分にある位置にて第１の管Ａに交差すること以外は図２Ｃに類似する。この領域においては、第１の流体の流れは、スロートＣのすぐ下流側かつ近傍の速度と、出口２０１の速度との間の速度を有する。
【０１３０】
図２Ａ及び図２Ｂと、図２Ｃ及び図２Ｄの比較では、第２の管の出口の交差の位置を第２の管Ｂの長手方向に移動することができ、それによって、第１の管Ａが、第２の管のスロートＤと、又はそのスロートＤの下流側の、第２の管の出口と交差することを示す。従って、本教示の流体混合デバイスにおいては、スロート及び／又は管の、スロートの下流側の部分の長さを変えることができる。更に、第２の管の出口の直径を変えることができる。
【０１３１】
図２Ｅは、本教示の流体混合デバイス６２０の別の実施形態を示す。図２Ｅの実施形態は、図２Ｂに示される実施形態に類似し、同一部品には同一の参照符号が付される。図２Ｅの実施形態と図２Ｂの実施形態との間の違いは、第２の管Ｂの出口の位置である。図２Ｅに示すように、第２の管Ｂの出口２０３は第１の管Ａの内部にある。このような設計は、所望の混合を強化し得るか、そうでなければ所望の混合を提供し得る。
【０１３２】
図２Ａ〜図２Ｅのそれぞれにおいて、第２の管Ｂの長手方向の軸線は、第１の管Ａの長手方向の軸線に対して非垂直とされ得る。つまり、入ってくる改質可能燃料と、第１の管Ａを通過する流体の流れとの混合を増加するため、第２の管の長手方向の軸線は、（例えば、スロートに向かう）第１の管Ａの長手方向の軸線に対して９０°超又は９０°未満の角度を成すことができる。
【０１３３】
図２Ｆは、本教示の流体混合デバイス７２０の別の実施形態を示す。図２Ｆの実施形態は図２Ｂ及び図２Ｅに示される実施形態に類似し、同一部品には同一の参照符号が付される。図２Ｆの実施形態と、図２Ｂ及び図２Ｅの実施形態との間の違いは、第２の管Ｂが閉端部を有することであり、閉端部は、ここでは、管の内部の直径を横切り、管Ａの内壁に接触して終端するものとして示される。図２Ｆに示すように、第２の管Ｂは、第１の管Ａの下流側部分の周縁の、第１の管Ａの中心長手方向の軸線近傍の位置にある一連の穴である、出口２０３を含む。従って、改質可能燃料及び／又は蒸気などの流体が、穴を通じて、第１の管Ａを流れる酸素含有ガス及び／又は蒸気の高速流に送達され得る。
【０１３４】
そのような設計は、所望の混合を強化し得るか、そうでなければ所望の混合を提供し得る。例えば、出口又は一連の穴は、本明細書中に記載されるものと異なるサイズ及び／又はパターンを有し得る。第１の管の内壁の触媒に接触する前、並びに／又は改質器及び／若しくは燃料電池スタックへの送達前に、流体の混合を増加するために、流体を、第２の管Ｂから、第１の管Ａを流れる酸素含有ガス及び／又は蒸気の流れに対し反対の又は実質的に反対の方向にのみ送達が望ましい場合があるため、出口又は一連の穴は、また、第２の管Ｂの周縁全体を取り囲む必要はない。
【０１３５】
図３は、燃料入口と対応する階段構造を有する、本教示の流体混合デバイスの管の内壁の一実施形態の拡大断面概略図である。図３を参照すると、階段構造３８が示される。階段構造は、燃料入口２２ｉｖの上流側から始端し、及び燃料入口２２ｉｖの下流側で終端する、管４０の内壁のくぼみ又は溝である。階段構造４２の上流側端部は、線Ｚ−Ｚによって示される管の長手方向の軸線に垂直又は実質的に垂直である。管４０の内壁によって形成された直線に沿って考えた場合、示される階段構造の長手方向の断面形状は、三角形であるか、ほぼ三角形である。つまり、そのような三角形の頂点は、図３に、Ｍ、Ｎ及びＯとして示される。当然、階段構造の他の設計、形状、及び位置も本教示に含まれるが、数が多すぎるため記載しない。
【０１３６】
本教示の流体混合デバイスの階段構造の１つの機能は、内壁の直線性を破壊することとされ得る。階段構造は、燃料入口を通過して入る改質可能燃料を、同様に乱流になり得る及び／又は捻回し得る大量の酸素含有ガス流へと導入する前に、直ちに酸素含有ガスと混合することができる初期局所乱流領域を形成し得る。従って、階段構造は、渦発生器又は渦発生の促進器と考えることができる。
【０１３７】
図３を参照すると、酸素含有ガス流の経路が一点鎖線Ｓによって示される。管の内壁に沿う流れの一部が階段構造の上流側端部を通ると、階段構造を通過する際に、このような部分に、太い一点鎖線Ｐによって示されるような乱流及び／又は捻回が生じる。燃料入口２２ｉｖを通じて導入される改質可能燃料（点線Ｒによって示される）は、その後、螺旋混合構造が存在する場合は捻回又は旋条化され得る、酸素含有ガスと改質可能燃料の混合物の流れにおいて運ばれる前に、階段構造又はその近傍の領域において酸素含有ガスと混合される。従って、この手法での改質可能燃料と酸素含有ガスとの混合は、均質な気体改質反応混合物の提供を補助し得る。
【０１３８】
図４は、改質可能燃料が、気体改質可能燃料、液体改質可能燃料及び／又は蒸発液体改質可能燃料とされ得る、本教示の流体混合デバイスを組み込んだ例示的な燃料電池システムの概略図である。図４を参照すると、入口１４ｉｖと、出口１６ｉｖと、燃料入口２２ｖと、を有する、本教示の全般的な流体混合デバイス１０ｉｖが示される。燃料電池システムは、改質器４４と、改質器４４と流体連通する燃料電池スタック４６と、燃料電池スタック４６と流体連通するアフターバーナ４８と、を含む。酸素含有ガス５０の源は、入口１４ｉｖと流体連通する。
【０１３９】
図４は、また、流体混合デバイス１０ｉｖに、その入口２２ｖを通じて導入され得る改質可能燃料の３つの異なる源を示す。異なる源のそれぞれは、燃料電池システムの特定の用途及び設計に応じて、単独で又は組み合わせて使用され得る。より具体的には、圧縮プロパンのタンクなどの、気体改質可能燃料の源５２は、改質可能燃料の源の１つ以上の、流体混合デバイスへの送達を制御及び管理し得るバリューアセンブリ５４を介して、流体混合デバイス１０ｉｖの入口２２ｖと動作可能な流体連通状態にあり得る。液体改質可能燃料の源５６は、バリューアセンブリ５４を介して、流体混合デバイス１０ｉｖの入口２２ｖと動作可能な流体連通状態にあり得る。液体改質可能を流体混合デバイスに直接送達するために、液体ポンプ又は加圧デバイス（図示せず）が使用され得る。液体改質可能燃料の源５６は、蒸発器５８と流体連通し得る。蒸発器５８は、正ガス（気体）圧の源６０が流体混合デバイス１０ｉｖへの蒸発液体改質可能燃料の送達を補助し得る場合、バリューアセンブリ５４を介して、流体混合デバイス１０ｉｖの入口２２ｖと動作可能な流体連通状態にあり得る。
【０１４０】
本教示は、その趣旨又は必須の特性から逸脱することなく、他の特定の形態の実施形態を包含する。前述の実施形態は、従って、本明細書中に記載される本教示を限定するのではなくむしろ、あらゆる点において例証的であるとみなされる。本発明の範囲は、従って、前述の記載よりもむしろ、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等な意味及び範囲内のあらゆる変更形態は、本発明に包含されるものとする。
【図１Ａ】
0006355732.tif 000002
【図１Ｂ】
0006355732.tif 000003
【図１Ｃ】
0006355732.tif 000004
【図１Ｄ】
0006355732.tif 000005
【図１Ｅ】
0006355732.tif 000006
【図１Ｆ】
0006355732.tif 000007
【図１Ｇ】
0006355732.tif 000008
【図２Ａ】
0006355732.tif 000009
【図２Ｂ】
0006355732.tif 000010
【図２Ｃ】
0006355732.tif 000011
【図２Ｄ】
0006355732.tif 000012
【図２Ｅ】
0006355732.tif 000013
【図２Ｆ】
0006355732.tif 000014
【図３】
0006355732.tif 000015
【図４】
0006355732.tif 000016