CN110323468A - 燃料气体喷射装置和燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料气体喷射装置和燃料电池系统。燃料电池系统(11)的燃料气体喷射装置(10)具备引射器(85)，该引射器(85)具有喷嘴(98)，通过喷出从多个喷射器(86、88)分别喷射的燃料气体而产生负压来吸引从燃料电池堆(12)排出的燃料排气并与燃料气体混合。将多个喷射器(86、88)各自的喷射口(86a、88a)的孔口当量直径(SA1、SA2)进行合计得到的合计孔口当量直径(ST)与喷嘴(98)的喷射口(98a)的孔口当量直径(SE)被设定为SE<ST。

Description

燃料气体喷射装置和燃料电池系统
技术领域
本发明涉及设置于用于向燃料电池供给燃料气体的燃料气体供给路的燃料气体喷射装置和燃料电池系统。
背景技术
例如，在日本特开2014-154385号公报的图14中公开了一种燃料气体喷射装置，具备相互并列配设的两个喷射器以及设置于这些喷射器的下游侧的引射器。引射器具有喷嘴，通过喷出从各喷射器喷射的燃料气体而产生负压来吸引从燃料电池排出的燃料排气(日文：燃料排ガス)并与燃料气体混合。
发明内容
在这样的燃料气体喷射装置中，为了提高燃料排气的循环效率，需要适当地设定多个喷射器各自的喷射口的直径与引射器的喷嘴的喷射口的直径的关系。然而，在上述的现有技术中，没有提及各喷射器的喷射口的直径与喷嘴的喷射口的直径的关系。
本发明是考虑这样的问题而完成的，其目的在于提供一种能够实现燃料排气的循环效率的提高的燃料气体喷射装置和燃料电池系统。
为了实现上述目的，本发明所涉及的燃料气体喷射装置设置于用于向燃料电池供给燃料气体的燃料气体供给路，该燃料气体喷射装置的特征在于，具备：相互并列配设的多个喷射器；以及引射器，其具有喷嘴，通过喷出从所述多个喷射器分别喷射的燃料气体而产生负压来吸引从所述燃料电池排出的燃料排气并与所述燃料气体混合，其中，将所述多个喷射器各自的喷射口的孔口当量直径进行合计得到的合计孔口当量直径ST与所述喷嘴的喷射口的孔口当量直径SE被设定为SE<ST。
根据这样的结构，由于SE<ST，因此能够有效地使喷嘴的下游侧的燃料气体的压力低于喷嘴的上游侧的燃料气体的压力。由此，由于能够使通过喷嘴的气体流速为音速，因此能够实现燃料排气的循环效率的提高。
在上述的燃料气体喷射装置中，也可以为，具备喷射器控制部，该喷射器控制部对所述多个喷射器的动作进行控制以从所述多个喷射器的各个喷射器同时喷射燃料气体。
根据这样的结构，能够有效地对燃料电池供给需要量的燃料气体。
本发明所涉及的燃料气体喷射装置设置于用于向燃料电池供给燃料气体的燃料气体供给路，该燃料气体喷射装置的特征在于，具备：相互并列配设的多个喷射器；以及引射器，其具有喷嘴，通过喷出从所述多个喷射器分别喷射的燃料气体而产生负压来吸引从所述燃料电池排出的燃料排气并与燃料气体混合，其中，所述多个喷射器各自的喷射口的孔口当量直径SA与所述喷嘴的喷射口的孔口当量直径SE被设定为SE<SA。
根据这样的结构，由于SE<SA，因此能够有效地使喷嘴的下游侧的燃料气体的压力高于喷嘴的上游侧的燃料气体的压力。由此，由于能够使通过喷嘴的气体流速为音速，因此能够实现燃料排气的循环效率的提高。
在上述的燃料气体喷射装置中，也可以为，具备喷射器控制部，该喷射器控制部对所述多个喷射器各自的动作进行控制以从所述多个喷射器交替地间歇性地喷射燃料气体且每次交替间歇性地喷射燃料气体一次或者多次。
在上述的燃料气体喷射装置中，也可以为，从所述多个喷射器的各个喷射器到所述喷嘴为止的流路构成为长度和流路截面积彼此大致相同。
根据这样的结构，能够减小从多个喷射器的各个喷射器到喷嘴为止的燃料气体的压损(日文：圧損)的偏差。
在上述的燃料气体喷射装置中，也可以为，所述引射器具有：扩散器，其配置于所述喷嘴的下游侧；以及吸入部，其用于向所述喷嘴与所述扩散器之间引导所述燃料排气。
根据这样的结构，能够将燃料气体和燃料排气有效地供给至燃料电池。
本发明所涉及的燃料电池系统的特征在于，具备：燃料电池；燃料气体供给路，其用于向所述燃料电池供给燃料气体；以及上述的燃料气体喷射装置，其设置于所述燃料气体供给路。
根据这样的结构，能够获得起到与上述的燃料气体喷射装置相同的效果的燃料电池系统。
根据本发明，能够使喷嘴的下游侧的燃料气体的压力有效地高于喷嘴的上游侧的燃料气体的压力，由此能够使通过喷嘴的气体流速为音速，因此能够实现燃料排气的循环效率的提高。
根据参照附图所作的对以下的实施方式进行的说明，容易理解所述目的、特征以及优点。
附图说明
图1是具备本发明的一个实施方式所涉及的燃料气体喷射装置的燃料电池系统的概要结构说明图。
图2是燃料气体喷射装置的概要结构说明图。
图3是变形例所涉及的燃料气体喷射装置的概要结构说明图。
图4A是用于对第一阈值进行说明的曲线图，图4B是用于对第二阈值进行说明的曲线图。
具体实施方式
下面，列举优选的实施方式且参照附图对本发明所涉及的燃料气体喷射装置和燃料电池系统进行说明。
如图1所示，本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统11例如被搭载于燃料电池电动汽车等燃料电池车辆(未图示)。
燃料电池系统11具备燃料电池堆12(燃料电池)。在燃料电池堆12中设置有：燃料气体供给装置14，其供给作为燃料气体的例如氢气；氧化剂气体供给装置16，其供给作为氧化剂气体的例如空气；以及冷却介质供给装置18，其供给冷却介质。燃料电池系统11还具备作为能量贮藏装置的蓄电池20和控制部22。
燃料电池堆12将多个发电单电池24沿水平方向或者铅垂方向层叠。发电单电池24是通过第一隔板28和第二隔板30夹持电解质膜-电极结构体26而构成的。第一隔板28和第二隔板30由金属隔板或者碳隔板构成。
电解质膜-电极构造体26例如具备：固体高分子电解质膜32，其是含有水分的全氟磺酸(パ一フルオロスルホン酸)的薄膜；以及夹持固体高分子电解质膜32的阳极电极34及阴极电极36。固体高分子电解质膜32除了使用氟系电解质以外，还可以使用HC(碳化氢)系电解质。
在第一隔板28与电解质膜-电极结构体26之间设置有用于向阳极电极34引导燃料气体的燃料气体流路38。在第二隔板30与电解质膜-电极结构体26之间设置有用于向阴极电极36供给氧化剂气体的氧化剂气体流路40。在彼此相邻的第一隔板28与第二隔板30之间设置有用于使冷却介质(制冷剂)流通的冷却介质流路42。
在燃料电池堆12中设置燃料气体入口44a、燃料气体出口44b、氧化剂气体入口46a、氧化剂气体出口46b、冷却介质入口48a以及冷却介质出口48b。燃料气体入口44a在各发电单电池24的层叠方向上贯通，并且与燃料气体流路38的供给侧连通。燃料气体出口44b在各发电单电池24的层叠方向上贯通，并且与燃料气体流路38的排出侧连通。通过燃料气体流路38、燃料气体入口44a以及燃料气体出口44b构成阳极流路。
氧化剂气体入口46a在各发电单电池24的层叠方向上贯通，并且与氧化剂气体流路40的供给侧连通。氧化剂气体出口46b在各发电单电池24的层叠方向上贯通，并且与氧化剂气体流路40的排出侧连通。通过氧化剂气体流路40、氧化剂气体入口46a以及氧化剂气体出口46b构成阴极流路。
冷却介质入口48a在各发电单电池24的层叠方向上贯通，并且与冷却介质流路42的供给侧连通。冷却介质出口48b在各发电单电池24的层叠方向上贯通，并且与冷却介质流路42的排出侧连通。
燃料气体供给装置14具备贮存高压的燃料气体(高压氢)的燃料气体罐50。燃料气体罐50内的燃料气体经由燃料气体供给路52和燃料气体喷射装置10被供给到燃料电池堆12的燃料气体入口44a。在后面记述燃料气体喷射装置10的具体结构。
燃料气体排出路54与燃料电池堆12的燃料气体出口44b连通。燃料气体排出路54将阳极电极34中使用了至少一部分后的燃料气体即燃料排气(燃料排气(日文：燃料オフガス))从燃料电池堆12导出。在燃料气体排出路54设置气液分离器56。
循环流路58和吹扫流路60与燃料气体排出路54的下游侧的端部连结。循环流路58将燃料排气引导至燃料气体喷射装置10。在循环流路58设置循环泵62。循环泵62特别是在燃料电池堆12启动时，使排出到燃料气体排出路54的燃料排气通过循环流路58循环至燃料气体供给路52。
在吹扫流路60设置有吹扫阀64。用于排出主要含有液体成份的流体的排水流路66的一端连结于气液分离器56的底部。在排水流路66设置有排水阀68。
氧化剂气体供给装置16具备与燃料电池堆12的氧化剂气体入口46a连通的氧化剂气体供给路70和与燃料电池堆12的氧化剂气体出口46b连通的氧化剂气体排出路72。
在氧化剂气体供给路70设置有将氧化剂气体(来自大气的空气)压缩来进行供给的氧化剂气体泵74。氧化剂气体供给路70向燃料电池堆12导入氧化剂气体，氧化剂气体排出路72将阴极电极36中使用了至少一部分后的氧化剂气体即排出氧化剂气体从燃料电池堆12中排出。
冷却介质供给装置18具备与燃料电池堆12的冷却介质入口48a连结的冷却介质供给路76。在冷却介质供给路76设置有制冷剂泵78。冷却介质供给路76与散热器80连结，并且同冷却介质出口48b连通的冷却介质排出路82与散热器80连结。
燃料气体喷射装置10设置于燃料气体供给路52。如图2所示，燃料气体喷射装置10具备喷射器装置83和引射器85。喷射器装置83具有导入部84、第一喷射器86、第二喷射器88以及导出部90。
导入部84包括分支部84a、第一导入路84b以及第二导入路84c。分支部84a流入从燃料气体供给路52引导来的燃料气体。第一导入路84b将分支部84a与第一喷射器86相互连结，将分支部84a的燃料气体引导至第一喷射器86。第二导入路84c将分支部84a与第二喷射器88相互连结，将分支部84a的燃料气体引导至第二喷射器88。
导出部90包括第一导出路90a、第二导出路90b以及合流部90c。第一导出路90a将第一喷射器86与合流部90c相互连结，将从第一喷射器86喷射出的燃料气体引导至合流部90c。第二导出路90b将第二喷射器88与合流部90c相互连结，将从第二喷射器88喷射出的燃料气体引导至合流部90c。
第一喷射器86与第二喷射器88相互并列地设置。第一喷射器86向第一导出路90a喷射从第一导入路84b引导来的燃料气体。在第一喷射器86形成有用于喷射燃料气体的第一喷射口86a。
虽然省略详细的图示，但是第一喷射器86具有将喷射器主体中形成的流路进行开闭的针阀和用于使针阀工作的线圈(螺线管)。第一喷射器86通过对线圈通电而进行开阀，通过切断向线圈的通电而进行闭阀。
第二喷射器88向第二导出路90b喷射从第二导入路84c引导来的燃料气体。在第二喷射器88形成有用于喷射燃料气体的第二喷射口88a。第二喷射器88与第一喷射器86同样地构成。
引射器85具有中空的躯体92、入口部94、吸入部96、喷嘴98、扩散器100。入口部94与合流部90c连结，将合流部90c的燃料气体向喷嘴98引导。吸入部96与循环流路58连结，将循环流路58的燃料排气向躯体92的内孔92a引导。
喷嘴98设置于躯体92，来将入口部94的燃料气体向躯体92的内孔92a喷出。在喷嘴98处形成有用于喷射燃料气体的第三喷射口98a。扩散器100以其上游侧的开口部与喷嘴98的第三喷射口98a相向的方式进行配设。在扩散器100与喷嘴98之间形成有规定的间隙S。从扩散器100导出的燃料气体和燃料排气被引导至燃料气体入口44a(参照图1)。
将第一喷射口86a的孔口当量直径SA1与第二喷射口88a的孔口当量直径SA2进行合计得到的合计孔口当量直径ST和第三喷射口98a的孔口当量直径SE1被设定为SE1<ST。此外，孔口当量直径SA1是将第一喷射口86a的开口面积乘以第一喷射器86的流量系数得到的。孔口当量直径SA2是将第二喷射口88a的开口面积乘以第二喷射器88的流量系数得到的。孔口当量直径SE1是将第三喷射口98a的开口面积乘以喷嘴98的流量系数得到的。
孔口当量直径SA1和孔口当量直径SA2分别大于孔口当量直径SE1。但是，孔口当量直径SA1和孔口当量直径SA2中的至少一个也可以小于孔口当量直径SE1。另外，孔口当量直径SA1和孔口当量直径SA2可以彼此相同，也可以彼此不同。
在这样的燃料气体喷射装置10中，第一导出路90a的流路长度与第二导出路90b的流路长度大致相同。第一导出路90a的流路截面积与第二导出路90b的流路截面积大致相同。即，流通于第一导出路90a的燃料气体的压损与流通于第二导出路90b的燃料气体的压损大致相同。另外，从第一喷射器86喷射出的燃料气体和从第二喷射器88喷射出的燃料气体在合流部90c中混合后经由入口部94导入到喷嘴98。因此，从第一喷射器86到喷嘴98的流路的长度和流路截面积与从第二喷射器88到喷嘴98的流路的长度和流路截面积大致相同。
在图1中，控制部22是包括微型计算机的计算机，具有CPU(中央处理装置)、作为存储器的ROM、RAM等，通过CPU读出并执行ROM中存储的程序，来作为各种功能实现部(功能实现单元)发挥功能。此外，各种功能实现部也能够由作为硬件的功能实现器构成。
控制部22基于负载所需要的电力来控制燃料电池堆12的发电量。控制部22具有喷射器控制部104，该喷射器控制部104对第一喷射器86和第二喷射器88的动作进行控制以从第一喷射器86和第二喷射器88各自同时地喷射燃料气体。
下面对像这样构成的燃料电池系统11的动作进行说明。
在燃料气体供给装置14中，从燃料气体罐50向燃料气体供给路52供给燃料气体。此时，喷射器控制部104对第一喷射器86和第二喷射器88两方进行开阀控制。从第一喷射器86喷射到第一导出路90a的燃料气体与从第二喷射器88喷射到第二导出路90b的燃料气体在合流部90c处合流。
而且，合流部90c的燃料气体经由入口部94流入喷嘴98，并从喷嘴98朝向扩散器100喷出。喷出到扩散器100的燃料气体从燃料气体入口44a被导入到燃料气体流路38，沿着燃料气体流路38移动，由此被供给到电解质膜-电极结构体26的阳极电极34。
在氧化剂气体供给装置16中，在氧化剂气体泵74的旋转作用下向氧化剂气体供给路70发送氧化剂气体。该氧化剂气体从氧化剂气体入口46a被导入到氧化剂气体流路40，通过沿着氧化剂气体流路40移动，被供给到电解质膜-电极结构体26的阴极电极36。
因而，在各电解质膜-电极结构体26中，供给到阳极电极34的燃料气体与供给到阴极电极36的氧化剂气体中的氧在电极催化剂层内通过电化学反应而消耗，从而进行发电。
另外，在冷却介质供给装置18中，在制冷剂泵78的作用下，从冷却介质供给路76向燃料电池堆12的冷却介质入口48a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。冷却介质沿着冷却介质流路42流动，在对发电单电池24进行冷却之后，从冷却介质出口48b排出到冷却介质排出路82。
接着，供给到阳极电极34而被消耗一部分后的燃料气体作为燃料排气从燃料气体出口44b被排出到燃料气体排出路54。燃料排气从燃料气体排出路54经由循环流路58被导入到引射器85的吸入部96。导入到吸入部96的燃料排气在由于从喷嘴98向扩散器100喷出燃料气体而产生的负压的作用下被吸引到扩散器100与喷嘴98之间的间隙S而与燃料气体混合。
排出到燃料气体排出路54的燃料排气根据需要在吹扫阀64的打开作用下被排出(吹扫)到外部。同样地，供给到阴极电极36而被消耗一部分后的氧化剂气体从氧化剂气体出口46b被排出到氧化剂气体排出路72。
本实施方式所涉及的燃料气体喷射装置10和燃料电池系统11起到下面的效果。
将第一喷射器86的第一喷射口86a的孔口当量直径SA1与第二喷射器88的第二喷射口88a的孔口当量直径SA2进行合计得到的合计孔口当量直径ST和引射器85的喷嘴98的第三喷射口98a的孔口当量直径SE1被设定为SE1<ST。
由此，能够有效地使喷嘴98的下游侧(间隙S)的燃料气体的压力低于喷嘴98的上游侧(入口部94)的燃料气体的压力。因此，由于能够使通过喷嘴98的气体流速为音速，因此能够实现燃料排气的循环效率的提高。
喷射器控制部104对第一喷射器86和第二喷射器88各自的动作进行控制以从第一喷射器86和第二喷射器88各自同时地喷射燃料气体。由此，能够有效地对燃料电池堆12供给需要量的燃料气体。
从第一喷射器86到喷嘴98的流路的长度和流路截面积与从第二喷射器88到喷嘴98的流路的长度和流路截面积大致相同。由此，能够减小从第一喷射器86和第二喷射器88各自到喷嘴98的燃料气体的压损的偏差。
引射器85具有配置于喷嘴98的下游侧的扩散器100和用于向喷嘴98与扩散器100的间隙S引导燃料排气的吸入部96。由此，能够将燃料气体和燃料排气有效地供给到燃料电池堆12。
本发明不限定于上述的结构。燃料电池系统11也可以具备图3所示的燃料气体喷射装置10a。此外，在变形例所涉及的燃料气体喷射装置10a中，对与上述的燃料气体喷射装置10相同的结构标注相同的附图标记，并省略其详细说明。
在燃料气体喷射装置10a中，第一喷射器86的第一喷射口86b的孔口当量直径SA3与喷嘴98的第三喷射口98b的孔口当量直径SE2被设定为SE2<SA3。孔口当量直径SA3是将第一喷射口86b的开口面积乘以第一喷射器86的流量系数得到的。孔口当量直径SE2将第三喷射口98b的开口面积乘以喷嘴98的流量系数得到的。
另外，第二喷射器88的第二喷射口88b的孔口当量直径SA4与喷嘴98的第三喷射口98b的孔口当量直径SE2被设定为SE2<SA4。孔口当量直径SA4是将第二喷射口88b的开口面积乘以第二喷射器88的流量系数得到的。此外，孔口当量直径SA3与孔口当量直径SA4可以彼此相同，也可以彼此不同。
在这样的燃料气体喷射装置10a中，喷射器控制部104对第一喷射器86和第二喷射器88各自的动作进行控制以从第一喷射器86和第二喷射器88交替地间歇性地喷射燃料气体且每次交替间歇性地喷射燃料气体一次或者多次。
在孔口当量直径SE2近似于孔口当量直径SA3或者孔口当量直径SE4的情况下，从引射器85导入到燃料电池堆12的燃料气体的最大供给流量(喷嘴98的最大喷出流量)与第一喷射器86或者第二喷射器88的燃料气体的喷射流量大致相等。因此，在这样的情况下，优选的是，基于从引射器85导入到燃料电池堆12的燃料气体的最大供给量和引射器85的燃料排气的循环效率来设定孔口当量直径SE2。
具体来讲，孔口当量直径SE2优选设定为第一阈值Sα以上且第二阈值Sβ以下(Sα≤SE2≤Sβ)。在此，第一阈值Sα是引射器85的燃料排气的循环效率成为要求循环效率的下限值α那样的喷嘴98的孔口当量直径(参照图4A)。第二阈值Sβ是从引射器85导入到燃料电池堆12的燃料气体的最大供给流量成为要求最大供给流量的下限值β那样的喷嘴98的孔口当量直径(参照图4B)。
根据燃料气体喷射装置10a，由于SE2<SA3并且SE2<SA4，因此能够有效地使喷嘴98的下游侧的燃料气体的压力高于喷嘴98的上游侧的燃料气体的压力。由此，由于能够使通过喷嘴98的气体流速为音速，因此能够实现燃料排气的循环效率的提高。
本发明所涉及的燃料气体喷射装置和燃料电池堆并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够采用各种结构，这是不言而喻的。

Claims (10)

1.一种燃料气体喷射装置，设置于用于向燃料电池供给燃料气体的燃料气体供给路，该燃料气体喷射装置的特征在于，具备：
相互并列配设的多个喷射器；以及
引射器，其具有喷嘴，通过喷出从所述多个喷射器分别喷射的燃料气体而产生负压来吸引从所述燃料电池排出的燃料排气并与所述燃料气体混合，
其中，将所述多个喷射器各自的喷射口的孔口当量直径进行合计得到的合计孔口当量直径ST与所述喷嘴的喷射口的孔口当量直径SE被设定为SE<ST。
2.根据权利要求1所述的燃料气体喷射装置，其特征在于，
具备喷射器控制部，该喷射器控制部对所述多个喷射器的动作进行控制以从所述多个喷射器的各个喷射器同时喷射燃料气体。
3.根据权利要求1所述的燃料气体喷射装置，其特征在于，
从所述多个喷射器的各个喷射器到所述喷嘴为止的流路构成为长度和流路截面积彼此大致相同。
4.根据权利要求1所述的燃料气体喷射装置，其特征在于，
所述引射器具有：
扩散器，其配置于所述喷嘴的下游侧；以及
吸入部，其用于向所述喷嘴与所述扩散器之间引导所述燃料排气。
5.根据权利要求1所述的燃料气体喷射装置，其特征在于，具备：
多个导出路，该多个导出路与所述多个喷射器分别连结；以及
合流部，其是所述多个导出路进行合流，并且将从所述多个喷射器喷出的燃料气体引导至所述引射器的合流部。
6.一种燃料气体喷射装置，设置于用于向燃燃料电池供给料气体的燃料气体供给路，该燃料气体喷射装置的特征在于，具备：
相互并列配设的多个喷射器；以及
引射器，其具有喷嘴，通过喷出从所述多个喷射器分别喷射的燃料气体而产生负压来吸引从所述燃料电池排出的燃料排气并与燃料气体混合，
所述多个喷射器各自的喷射口的孔口当量直径SA与所述喷嘴的喷射口的孔口当量直径SE被设定为SE<SA。
7.根据权利要求6所述的燃料气体喷射装置，其特征在于，
具备喷射器控制部，该喷射器控制部对所述多个喷射器各自的动作进行控制以从所述多个喷射器交替地间歇性地喷射燃料气体且每次交替间歇性地喷射燃料气体一次或者多次。
8.根据权利要求6所述的燃料气体喷射装置，其特征在于，
从所述多个喷射器的各个喷射器到所述喷嘴为止的流路构成为长度和流路截面积彼此大致相同。
9.根据权利要求6所述的燃料气体喷射装置，其特征在于，
所述引射器具有：
扩散器，其配置于所述喷嘴的下游侧；以及
吸入部，其用于向所述喷嘴与所述扩散器之间引导所述燃料排气。
10.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池；
燃料气体供给路，其用于向所述燃料电池供给燃料气体；以及
权利要求1～9中的任一项所述的燃料气体喷射装置，其设置于所述燃料气体供给路。
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