JP2005248712A

JP2005248712A - エゼクタおよびこれを備えた燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005248712A
Application number: JP2004056050A
Authority: JP
Inventors: Norio Yamagishi; 典生山岸; Takashi Mishima; 崇司三島; Munetoshi Azeyanagi; 宗利畔柳
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-09-15
Also published as: CN1918388A; WO2005083272A1; US20070163649A1; EP1722107A1; KR20060126575A

Abstract

【課題】噴出流量をニードルの移動量に対して線形的に制御することができ、全体として応用性を高めることができるエゼクタおよびこれを備えた燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】エゼクタ２４は、流体を噴射するノズル４６と、ノズル４６と同軸に配設され、先端部４８ａがノズル４６に臨むニードル４８と、ニードル４８を軸線方向に進退移動させるニードル移動手段４９と、を備える。そして、ニードル４８の先端部４８ａの形状は、ノズル４６との間の間隙の開口面積Ｙと、ニードル移動手段４９による移動量Ｚと、が比例関係を満たすように設定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、流量可変式のエゼクタおよびこれを備えた燃料電池システムに関するものである。

従来、この種のエゼクタとして、図６に示すように、先端部４８ａがノズル４６に臨んだニードル４８を軸線方向に移動させ、ニードル４８とノズル４６との間の間隙の開口面積Ｙ（以下、ノズルの開口面積という。）を可変することで、ノズル４６から噴出される流体の流量（以下、噴出流量という場合がある。）を調整するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。噴出流量は、ノズル４６の開口面積Ｙによって決まるが、この場合、ノズル４６の開口面積Ｙを画定するニードル４８の先端部４８ａの形状は、テーパ部分が直線（母線）に設定されている。
特開２００２−２２７７９９号公報（第５頁および第２図）

このような従来のエゼクタでは、ニードルのテーパ部分が直線であるため、その移動量に対して、ノズルの開口面積が二次曲線的に変化することになる。このため、図５の曲線Ｌ２に示すように、噴出流量もニードルの移動量に対して二次曲線的に変化することになり、ニードルの移動量に基づく噴出流量の制御をし難い問題があった。特に、バネ等の所定の比例定数を有する簡易な機構によりニードルを移動させようとする場合には、ニードルの移動によるノズルの開口面積の変化率が一定でないと対応が極めて難しくなる。

本発明は、噴出流量をニードルの移動量に対して線形的に制御することができ、全体として応用性を高めることができるエゼクタおよびこれを備えた燃料電池システムを提供することをその目的としている。

本発明のエゼクタは、流体を噴射するノズルと、ノズルと同軸に配設され、先端部がノズルに臨むニードルと、ニードルを軸線方向に進退移動させるニードル移動手段と、を備え、ニードルの先端部の形状は、ノズルとの間の間隙の開口面積と、ニードル移動手段による移動量とが比例関係を満たすように設定されているものである。

この構成によれば、ニードルの先端部の形状を上記のように設定するだけで、ニードルの移動量に対して、噴出流量が線形的に制御される。これにより、ニードルの移動量に基づく噴出流量の制御性を高めることができるため、例えば、ニードル移動手段をバネ等の所定の比例定数を有する簡易なもので構成することが可能となる。

本発明の他のエゼクタは、流体を噴射するノズルと、ノズルと同軸に配設され、放物面で形成された先端部がノズルに臨むニードルと、ニードルを軸線方向に進退移動させるニードル移動手段と、を備えたものである。

この構成によれば、実質的に、ニードルの移動量に対して噴出流量が線形的に制御されるため、上記した本発明と同様の作用および効果を奏することができる。
具体的には、ニードルの先端（頂点）を基準（原点）として、軸線方向の長さをＺとし且つ軸線方向に直交する長さ（半径）をＸとすると、先端部は放物面であるから、Ｘ²＝ＣＺ（但し、Ｃは定数。）となる。ニードルがノズルに対して長さＺだけ進出しているとし、ノズルの面積をＡとすると、ノズルとニードルとの間の間隙の開口面積Ｙは、Ｙ＝Ａ−πＸ²＝Ａ−ＣＺπとなる。
したがって、Ｚをニードルの移動量と考えると、ノズルの開口面積とニードルの移動量とが比例関係で規定されることになる。以上より、ニードル移動手段の構成に応用性・自由度を高めることが可能となる。

これらの場合、ニードル移動手段は、ニードルの基端部に接続され、表面側および裏面側の各面に流体が導かれるピストンと、ピストンの裏面側をニードルの先端部に向かって付勢する付勢部材と、を有し、ニードルは、ピストンにおける流体の差圧と付勢部材の付勢力とのバランスに基づいて進退移動することが、好ましい。

この構成によれば、ピストンの表面側の圧力が、ピストンの裏面側の流体の圧力および付勢部材の付勢力よりも大きくなる場合には、ニードルは軸線方向に退避してノズルの開口面積が大きくなり、噴出流量が大きくなる。一方、ピストンの表面側の圧力が、ピストンの裏面側の流体の圧力および付勢部材の付勢力よりも小さくなる場合には、ニードルは軸線方向に進出して開口面積が小さくなり、噴出流量が小さくなる。
このように、流体の差圧を有効に利用してピストンを介してニードルを適切に移動させることができる。また、上記のように、ニードルの移動量と噴出流量とが比例制御されるようになっているため、ニードル移動手段としてバネ等の付勢部材による簡易な機構で構成することができ、各種のアクチュエータを用いないで済む。なお、ピストンに導く流体は、ノズルから噴出する流体と同一でもよいし、異なっていてもよい。

本発明の燃料電池システムは、配管管路に組み込まれた上記した本発明のエゼクタを有し、エゼクタは、燃料電池に供給する新たな流体を燃料電池から排出された流体と合流させて供給するものである。

この構成によれば、制御性のよい流量可変式のエゼクタを備えているため、燃料電池の負荷に対応して、これに適量の流体を好適に供給し得る。ここで、燃料電池に供給される流体としては水素ガスまたは酸素ガスが考えられるため、エゼクタが組み込まれる配管管路には、水素ガス供給系のものまたは酸素ガス供給系のものが考えられる。また、燃料電池システムとしては、これを搭載した機器として燃料電池車両が代表される。

本発明のエゼクタおよびこれを備えた燃料電池システムによれば、ニードルの形状を所定の形状に設定することで、ノズルから噴出される流体の流量をニードルの移動量に対して線形的に制御することが可能となる。したがって、ニードル移動手段の構成を簡易とすることができるなど全体として応用性を高めることに供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るエゼクタおよびこれを備えた燃料電池システムについて説明する。このエゼクタは、所定の形状に設定されたニードルの先端部を有し、ニードルの移動量に対してノズルから噴出される流体の流量を線形的に可変することができるものである。以下では、燃料電池システムの水素ガス供給系の配管管路にエゼクタを組み込んだ例について説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、酸素ガス（空気）および水素ガスの供給を受けて電力を発生する固体分子電解質型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、多数のセルを積層したスタック構造として構成されている。燃料電池システム１は、燃料電池２に酸素ガスを供給する酸素ガス供給系３と、燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給系４と、を具備している。

酸素ガス供給系３は、加湿器１１により加湿された酸素ガスを燃料電池２に供給する供給流路１２と、燃料電池２から排出された酸素オフガスを加湿器１１に導く循環流路１３と、加湿器１１から燃焼器に酸素オフガスを導くための排気流路１４と、が設けられている。供給流路１２には、大気中の酸素ガスを取り込んで加湿器１１に圧送するコンプレッサ１５が設けられている。

水素ガス供給系４は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源となる水素タンク２１と、水素タンク２１の水素ガスを燃料電池２に供給する供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを供給流路２２に戻すための循環流路２３と、循環流路２３の水素オフガスを供給流路２２に還流させるエゼクタ２４と、を具備している。エゼクタ２４によって、水素タンク２１からの新たな水素ガスと水素オフガスとが合流され、この合流後の混合ガスが燃料電池２に供給される。

供給流路２２は、エゼクタ２４の上流側に位置し、新たな水素ガスをエゼクタ２４に導く流路となる主流流路２２ａと、エゼクタ２４の下流側に位置し、混合ガスを燃料電池２に導く流路となる混合流路２２ｂと、で構成されている。主流流路２２ａには、その上流側から順に、これを開閉するシャットバルブ２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、が介設されている。循環流路２３には、加湿器２５の下流側に逆止弁２８が介設されていると共に、排出流路２９が分岐配管されている。循環流路２３の水素オフガスは、逆止弁２８を通じてエゼクタ２４に吸引される。

エゼクタ２４は、燃料電池２へ供給する水素ガス（混合ガス）の流量を可変可能に構成されている。図２に示すように、エゼクタ２４は、その外郭を構成する筐体４１を有している。筐体４１には、主流流路２２ａの下流側に接続された１次側の供給口４２と、混合流路２２ｂの上流側に接続された２次側の排出口４３と、循環流路２３の下流側に接続された３次側（負圧作用側）の吸込み口４４と、が形成されている。

筐体４１の内部には、新たな水素ガスを下流側に向かって噴射するノズル４６と、ノズル４６の下流側に設けられ、ノズル４６を通過した新たな水素ガスに水素オフガスを合流させるディフューザ４７と、ノズル４６と同軸に配設され、先端部４８ａがノズル４６に臨むニードル４８と、ニードル４８を軸線方向に進退移動させるニードル移動手段４９と、が構成されている。

ノズル４６は、いわゆる末広ノズルからなり、先端側に向かって拡開する出口開口部５１と、出口開口部５１に連なる最小断面ののど部５２と、のど部５２に連なり、基端側に向かって拡開する入口開口部５３と、で構成されている。ノズル４６は、出口開口部５１がディフューザ４７側に開口し、入口開口部５３が供給口４２に連なる筐体４１内の流体室５６に開口している。

ディフューザ４７は、ノズル４６と同軸に形成されており、ノズル４６の出口開口部５１との間の上流側が吸込み口４４に連なっている。ノズル４６からディフューザ４７に向けて新たな水素ガスが噴射されると、水素オフガスを吸引するための負圧が発生し、循環流路２３の水素オフガスが吸込み口４４を介してディフューザ４７に吸い込まれる。これにより、ディフューザ４７において新たな水素ガスと水素オフガスとが合流・混合され、この混合ガスが、ディフューザ４７から排出口４３を介して混合流路２２ｂに排出される。

ニードル４８は、円錐または角錐の錐体で構成されるが、本実施形態では円錐体で構成されている。ニードル４８は、水素ガスの流れ方向に沿って先細りの先端部４８ａと、先端部４８ａに一体に連なり、基部側をニードル移動手段４９に連結された本体軸部４８ｂと、で構成されている。

ニードル４８の先端部４８ａは、ノズル４６に対しその入口開口部側５３から挿入している。ニードル４８がニードル移動手段４９により進退することで、先端部４８ａとのど部５２との間の間隙の開口面積（以下、ノズル４６の開口面積Ｙという。）が可変する。ノズル４６の開口面積Ｙが可変されることで、ノズル４６から噴出される新たな水素ガスの流量が可変する。

本実施形態では、ニードル移動手段４９によるニードル４８の移動量（Ｚ）に対し、ノズル４６の開口面積Ｙが比例するように、ニードル４８の先端部４８ａの形状が設定されている。図３を参照して、具体的に説明する。

図３（ａ）に示すように、ニードル４８が進出して、先端部４８ａでノズル４６ののど部５２を閉塞した状態をデフォルトとし、同図（ｂ）に示すように、このデフォルト状態からニードル４８が移動量Ｚだけのど部５２から退避した状態を考える。ノズル４６の開口面積Ｙを移動量Ｚに対して比例するように設定することから、Ｙ＝ＫＺ・・・式（１）の関係式を満たすことになる。ここで、比例定数Ｋの値は、後述するニードル移動手段４９のバネ６２を考慮して設定される。

また、のど部５２の直径をＤとし、のど部５２の直下に位置するニードル４８の先端部４８ａの半径をＸとすると、ノズル４６の開口面積Ｙは次のように表すことができる。すなわち、Ｙ＝π｛（Ｄ／２）²−Ｘ²｝・・・式（２）と表すことができる。そして、式（１）および式（２）より、Ｘ²＝｛（Ｄ／２）²−ＫＺ／π｝・・・式（３）と表すことができる。

すなわち、本実施形態のニードル４８の先端部４８ａの形状は、半径Ｘについて式（３）が成立するように設定される。そしてこれは、実質的に、ニードル４８の先端部４８ａの形状が放物面で形成されていることを意味している。図４を参照して、具体的に説明する。

図４（ａ）に示すように、ニードル４８が退避して、先端部４８ａの頂点がのど部５２の直下に位置している状態をデフォルトとして考える。この状態では、（Ｘ，Ｚ）＝（０，０）となっている。同図（ｂ）に示すように、このデフォルト状態からニードル４８が移動量Ｚだけのど部５２へと進出したとすると、先端部４８ａは放物面であるから、Ｘ²＝ＣＺ・・・式（４）を満たすことになる。ただし、Ｃは定数である。ノズル４６の開口面積Ｙについては、式（２）および式（４）より、Ｙ＝π｛（Ｄ／２）²−ＣＺ｝・・・式（５）と表すことができる。この式（５）は、ニードル４８の移動量Ｚに対しノズル４６の開口面積Ｙが比例関係で規定されることを意味している。すなわち、ニードル４８の先端部４８ａの形状を放物面とすることで、ニードル４８の移動量Ｚに対し、ノズル４６の開口面積Ｙが比例するように設定することができる。

図５は、ニードル４８の移動量Ｚと、ノズル４６から噴出される新たな水素ガスの流量（以下、噴出流量という。）との関係について、従来との比較を示したものである。なお、移動量Ｚについては、図３の状態を基準にしている。同図の直線Ｌ１に示すように、本実施形態では、ニードル４８の先端部４８ａを上記のような形状に設定しているため、ニードル４８の移動量に対する噴出流量の変化率が一定になることがわかる。これにより、ニードル移動手段４９の構成について、所定のばね定数を有するバネ６２を好適に利用することが可能となる。

ニードル移動手段４９は、図２に示すように、ニードル４８の基端部に接続されたピストン６１と、ピストン６１の裏面側６１ｂに配設され、所定のばね定数を有するバネ（付勢部材）６２と、を有している。これらピストン６１およびバネ６２は、ノズル４６やニードル４８と同軸に配設されている。バネ６２は、ピストン６１の裏面側６１ｂと筐体４１の内部との間に介設されており、ピストン６１の裏面側６１ｂをニードル４８の先端部４８ａに向かって付勢する。

ピストン６１は、その外周部を筐体４１の内部に支持されており、その軸線方向に摺動可能に構成されている。ピストン６１の表面側６１ａは、流体室５６に面している。ピストン６１の表面側６１ａは、その中央部にはニードル４８の本体軸部４８ｂを接続していると共に、これを除く他の周辺部には供給口４２を介して主流流路２２ａからの新たな水素ガスが導かれるようになっている。

ピストン６１の裏面側６１ｂは、その中央部にはバネ６２が接続されていると共に、これを除く他の周辺部には筐体４１に形成された圧力導入口７０を介して循環流路２３からの水素オフガスが導かれるようになっている。具体的には、循環流路２３には、これよりも流路断面積の小さい分流流路７１が分岐接続されており、この分流流路７１が、ピストン６１の裏面側６１ｂと筐体４１の内部との間で画定される圧力室７２に圧力導入口７０を介して通じている。

したがって、ピストン６１の表面側６１ａには、主流流路２２ａの新たな水素ガスの圧力が作用し、ピストン６１の裏面側６１ｂには、分流流路７１の水素オフガスの圧力およびバネ６２の付勢力が作用する。このような構成により、ニードル４８は、ピストン６１における水素ガスの差圧とバネ６２の付勢力とのバランスに基づいて、軸線方向に進退移動するようになっている。

なお、ニードル４８は、その進退の終端位置が所定位置で規制されるようになっており、最も進出した場合には、図３（ａ）に示すように、ニードル４８の先端部４８ａの外周面がノズル４６に当接する。この状態では、のど部５２は閉塞される。また、ニードル４８が最も退避した場合には、圧力室７２に設けられた図外のストッパにピストン６１の裏面側６１ｂが当接し、退避するニードル４８の終端位置が規制されるようになっている。もっとも、終端位置に退避した状態のニードル４８は、その先端部４８ａをのど部５２から完全に退避させてもよいし、一部をのど部５２に位置させるようにしてもよい。

ここで、ニードル移動手段４９の作用について、燃料電池２の負荷との関係において簡単に説明する。燃料電池２の発電量が増加し、燃料電池２で消費される水素ガスの消費量が増加すると、燃料電池２での圧損が大きくなり、循環流路２３の水素オフガスの圧力が低下する。このとき、分流流路７１を通じて圧力室７２の圧力が低下するため、圧力室７２の圧力、流体室５６の圧力およびバネ６２の付勢力のバランスが変化する。

これにより、ピストン６１およびこれに連結されたニードル４８は、ピストン６１における水素ガスの差圧およびバネ６２の付勢力のバランスに基づいて、平衡状態からバネ６２に抗して退避する。したがって、ノズル４６の開口面積が大きくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が増加する。

一方、燃料電池２の発電量が減少し、燃料電池２で消費される水素ガスの消費量が減少すると、上記とは逆に、循環流路２３の水素オフガスの圧力が上昇する。このとき、分流流路７１を通じて圧力室７２の圧力が上昇するため、圧力室７２の圧力、流体室５６の圧力およびバネ６２の付勢力のバランスが変化する。

これにより、ピストン６１およびこれに連結されたニードル４８は、ピストン６１における水素ガスの差圧およびバネ６２の付勢力のバランスに基づいて、平衡状態からバネ６２に抗して進出する。したがって、ノズル４６の開口面積が小さくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が減少する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、エゼクタ２４による流量制御を水素ガス供給系４の差圧に基づいて自立的に行うことができ、燃料電池２の負荷に応じてこれに適量の水素ガスを適切に供給することができる。また、エゼクタ２４におけるニードル４８の先端部４８ａの形状を上記のように設定しているため、特殊なアクチュエータを用いなくとも、ニードル移動手段４９を上記のような簡易な機構とすることで、容易に流量を制御することが可能となる。

もっとも、本実施形態と異なり、ニードル移動手段４９の構成に、バネ等に限らず、例えば電磁式のものなど各種のアクチュエータを適用することもできる。この場合には、アクチュエータの単純な制御により、エゼクタ２４による流量制御を行うことができる。すなわち、ニードル４８の先端部４８ａを上記の所定形状に設定しているため、噴出流量の流量域ごとに、ニードル４８の移動量を適宜設定しておく必要がないので、例えば印加電圧の単純な増減のみでアクチュエータを制御することができると共に、アクチュエータ自体を高分解能にしなくて済む。

なお、本実施形態では圧力室７２に水素オフガスを導くようにしているが、もちろん混合ガスなど、流体室５６に存在する水素ガスの圧力とは異なる圧力のガスを導くこともできる。また、例えば上記のレギュレータ２７をパイロット式レギュレータで構成し、混合ガスをパイロット圧としてこれに導いて、エゼクタ２４に供給される新たな水素ガスについて、適宜調圧するようにしてもよい。さらに、ノズル４６として末広ノズルを例に説明したが、もちろんいわゆる先細ノズルとしてもよい。この場合、ノズル４６の開口面積Ｙは、先細りの出口開口部とニードルの先端部との間の間隙の開口面積となる。

実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。実施形態に係るエゼクタを模式的に示す図である。実施形態に係るエゼクタのニードルの形状について説明するための説明図である。実施形態に係るエゼクタのニードルの形状について説明するための説明図である。ニードルの移動量とノズルから噴出される流体の噴出流量との関係について、実施形態と従来との比較を示した図である。従来のエゼクタの要部を模式的に示す図である。

符号の説明

１燃料電池システム、２燃料電池、３酸素ガス供給システム、４水素ガス供給システム、２２供給流路（配管管路）、２２ａ主流流路、２２ｂ混合流路、２３循環流路（配管管路）、２４エゼクタ、４６ノズル、４７ディフューザ、４８ニードル、４８ａ先端部、４９ニードル移動手段、５２のど部、６１ピストン、６２バネ（付勢部材）、Ｄのど部の直径、Ｘニードル半径、Ｙ開口面積、Ｚ移動量、Ｋ定数、Ｃ定数

Claims

流体を噴射するノズルと、
前記ノズルと同軸に配設され、先端部が当該ノズルに臨むニードルと、
前記ニードルを軸線方向に進退移動させるニードル移動手段と、を備え、
前記ニードルの先端部の形状は、前記ノズルとの間の間隙の開口面積と、前記ニードル移動手段による移動量とが比例関係を満たすように設定されているエゼクタ。
流体を噴射するノズルと、
前記ノズルと同軸に配設され、放物面で形成された先端部が当該ノズルに臨むニードルと、
前記ニードルを軸線方向に進退移動させるニードル移動手段と、
を備えたエゼクタ。
前記ニードル移動手段は、
前記ニードルの基端部に接続され、表面側および裏面側の各面に流体が導かれるピストンと、
前記ピストンの裏面側を前記ニードルの先端部に向かって付勢する付勢部材と、を有し、
前記ニードルは、前記ピストンにおける流体の差圧と前記付勢部材の付勢力とのバランスに基づいて進退移動する請求項１または２に記載のエゼクタ。
配管管路に組み込まれた請求項１ないし３のいずれか一項に記載のエゼクタを有し、
前記エゼクタは、燃料電池に供給する新たな流体を当該燃料電池から排出された流体と合流させて供給する燃料電池システム。