JP2006138277A - エジェクタポンプおよびそれを用いた燃料電池システム - Google Patents

エジェクタポンプおよびそれを用いた燃料電池システム Download PDF

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Abstract

【課題】 簡素な構造により堅牢かつ低コストを実現するとともに、低温環境での作動信頼性の高いエジェクタポンプおよびそれを用いた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 軸方向に変位してノズル部512の開口面積を調整するニードル52を備え、主流体をノズル部512から噴出する際のエネルギ交換作用によって吸引した副流体を吐出通路513、514に導くエジェクタポンプにおいて、ニードル52を板ばね55によって軸方向に変位可能に保持する。これによると、ニードル52と板ばね55は摺動しないため、従来のように軸受けを用いた場合の問題点、すなわち、低温時の氷結によるニードル52の作動不能や、摺動粉が周辺の機器に与える悪影響の問題点を解消することができる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、主流体をノズル部から噴出させる際のエネルギ交換作用によって副流体を吸引するエジェクタポンプおよびそれを用いた燃料電池システムに関するものある。
燃料電池の燃料利用率と発電効率の低下防止のため、燃料電池の燃料極から排出されるオフガスをポンプ装置により吸引し、そのオフガスを供給燃料に混合して燃料電池に再循環させる燃料電池システムが知られている。オフガスを再循環させるためのポンプ装置には、供給燃料の流体エネルギを利用して省動力化を図ることができるため、エジェクタノズルを備えるエジェクタポンプが主に用いられており、このエジェクタポンプのニードルは軸受けにより摺動保持されている(例えば、特許文献1参照)。
また、エジェクタポンプを用いたシステムでは、広範囲な作動領域を確保するため、多段エジェクタや多段ノズル方式などが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2002−227799号公報 特開2004−146098号公報
しかしながら、上記した従来の燃料電池システムでは、水素タンクより供給された水素はエジェクタのノズル部より噴出するときに減圧膨張するため、ノズル部下流での水素温度は低下し、低温時においてはノズル部下流での水素温度は極めて低くなる。
そして、オフガスは、エジェクタの吸引部より吸引され、水素タンクからの水素と混合されて再度燃料電池へ供給されるが、オフガスには水分が含まれていることから、オフガス中の水分がノズル部近傍、および、ノズル部下流域において凍結し、流路を閉塞することにより、燃料電池への水素供給が阻害されることが想定される。また、ノズル部自体の凍結により、水素自体が供給不能になる可能性がある。さらに、ニードルを摺動保持するための軸受が低温時に氷結し、作動不能になる可能性がある。また、ニードルと軸受との摺動により発生した摺動粉が燃料電池へ悪影響を与える可能性がある。
一方、多段エジェクタや多段ノズル部方式のシステムでは、エジェクタ構造の複雑化やシステム構成の複雑化を伴うという問題がある。
特に、エジェクタポンプを用いたシステムが車両に搭載されることを想定した場合、システムは簡素・堅牢・低コストが要求される。また、低温環境においては、作動信頼性が要求される。
本発明は上記点に鑑みて、簡素な構造により堅牢かつ低コストを実現するとともに、低温環境での作動信頼性の高いエジェクタポンプおよびそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、主流体が導入される主流口(515)、主流体を噴出させるノズル部(512)、主流口(515)とノズル部(512)との間を連通させる主流通路(511)、およびノズル部(512)から噴出された主流体を通過させる吐出通路(513、514)が形成されたノズルボディ(51)と、主流通路(511)内において主流通路(511)と同軸に配置され、軸方向に変位してノズル部(512)の開口面積を調整するニードル(52)とを備え、主流体をノズル部(512)から噴出する際のエネルギ交換作用によって吸引した副流体を吐出通路(513、514)に導くエジェクタポンプにおいて、ニードル(52)は、板ばね(55)によって軸方向に変位可能に保持されていることを特徴とする。
これによると、ニードルと板ばねは摺動しないため、従来のように軸受けを用いた場合の問題点、すなわち、低温時の氷結によるニードルの作動不能や、摺動粉が周辺の機器に与える悪影響の問題点を解消することができる。換言すると、簡素な構造により堅牢かつ低コストを実現するとともに、低温環境での作動信頼性の高いエジェクタポンプを提供することができる。
また、ニードルと板ばねは径方向の隙間ガタが無く、しかも板ばねは径方向への剛性が高いため、高精度にニードルとノズルの同軸度を維持できる(摺動軸受の場合、はめあい隙間が存在する)とともに、振動等の外乱にも強くなる。
因みに、請求項1に記載のエジェクタポンプを、請求項4に記載の発明のように燃料電池システムに適用した場合、軸受けを用いた場合の問題点、すなわち、低温時の氷結によるニードルの作動不能や、摺動粉が燃料電池に与える悪影響の問題点を解消することができる。また、高精度にニードルとノズルの同軸度を維持できるとともに、振動等の外乱にも強くなり、水素供給量の制御を安定してより正確に行うことができる。
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載のエジェクタポンプにおいて、板ばね(55)は、円盤状であり、外周部がノズルボディ(51)に固定され、中心側にニードル(52)が結合され、外周部と中心側との間に軸方向に貫通する開口部(559)が形成されていることを特徴とする。
これによると、主流体は開口部を介して流れるため、主流体の流れの妨げにならずにニードルを保持することが出来る。
請求項3に記載の発明では、請求項1に記載のエジェクタポンプにおいて、ニードル(52)を駆動するソレノイド式の駆動ユニット(54)を備え、駆動ユニット(54)の可動子(543)とニードル(52)とが一体化され、可動子(543)とニードル(52)は、板ばね(55)のみによって保持されていることを特徴とする。
これによると、ソレノイド式の駆動ユニットは、電動モータのように回転運動を往復動に変換するための変換機構を必要としないため、その変換機構の摩耗劣化の問題を排除可能となる。
また、可動子とニードルは板ばねのみによって保持されているため、請求項1の発明の効果をより確実に得ることができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態について図1、図2に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車(燃料電池車両)に適用したものである。図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。本実施形態の燃料電池システムは、図1に示すように、燃料電池10、空気供給装装置31、エジェクタポンプ(エジェクタポンプ)50、制御部40、41などを備えている。
燃料電池(FCスタック)10は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本実施形態では、燃料電池10として固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。そして、燃料電池10は、図示しない走行用電動モータや2次電池などの電気機器に電力を供給するように構成されている。また、燃料電池10には、その出力電圧を検出するための電圧センサ11が設けられている。
燃料電池10では、水素および空気(酸素)が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギーが発生する。
(水素極側)H→2H+2e+Q(発熱)
(酸素極側)1/2O+2H+2e→HO+Q(発熱)
この電気化学反応により生成水が発生する共に、燃料電池10には加湿された水素と空気が供給され、燃料電池10内部で凝縮水が発生する。
燃料電池システムには、燃料電池10の酸素極(正極)側に空気(酸素)を供給するための空気供給経路20と、燃料電池10の水素極(負極)側に水素を供給するための水素供給経路30が設けられている。
空気供給経路20の最上流部には空気供給装置21が設けられ、水素供給経路30の最上流部には水素供給装置31が設けられている。本実施形態では、空気供給装置21としてコンプレッサを用い、水素供給装置31として水素ガスが充填された高圧水素タンクを用いている。
水素供給経路30には、水素供給装置31からの水素供給量、および水素供給圧力を調整するためのレギュレータ(水素供給圧力制御手段)32が設けられている。また、空気供給経路20における燃料電池10入口付近には、空気供給圧を検出するための空気供給圧検出センサ22が設けられ、水素供給経路30における燃料電池10入口付近には、水素供給圧を検出するための水素供給圧検出センサ33が設けられている。尚、燃料電池10への水素供給圧は、エジェクタポンプ50の吐出圧(出口圧力)となっている。
燃料電池10から排出される未反応水素を含んだオフガスを、水素供給装置31からの主供給水素に合流させて燃料電池10に再供給するためのオフガス循環経路34が設けられている。オフガス循環経路34は、燃料電池10の水素極出口側と水素供給経路30におけるレギュレータ32の下流側とを接続している。
オフガス循環経路34には、オフガス中に含まれる水分を分離除去するための気液分離器35、オフガスを外部に排出するための排出バルブ36、オフガスの外部排出時にオフガスの逆流を防ぐための逆止弁37が設けられている。尚、気液分離器35にて分離された水は、下方に設けられたバルブを開放することにより排出される。
水素供給経路30におけるオフガス循環経路34の合流点には、オフガスを循環させるためのポンプ手段としてエジェクタポンプ50が設けられている。エジェクタポンプ50は、高速で噴出する作動流体のエネルギー交換作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであり、具体的には、水素供給装置31から供給される主供給水素の流体エネルギーを利用してオフガスを吸引して循環させるものである。エジエクタポンプ50の詳細については後述する。なお、水素供給装置31から供給される主供給水素は本発明の主流体に相当し、オフガスは本発明の副流体に相当する。
燃料電池システムには、2つの制御部(ECU)40、41が設けられている。第1制御部40は、アクセル開度センサ43にて検出したアクセル42の開度などが入力されると共に、アクセル開度などに基づいて燃料電池10の要求発電量を演算する。さらに第1制御部40は、燃料電池10が要求発電量を発電するために必要な水素供給量、必要なオフガス循環量、必要な水素供給圧力(エジェクタポンプ吐出圧)を演算し、第2制御部41に指令を与える。
第1制御部40は、燃料電池10が要求発電量を発電するために必要な空気供給量を演算し、コンプレッサ21の回転数制御を行う。このとき第1制御部40は、空気供給圧検出センサ22からのセンサ信号に基づいてコンプレッサ21の回転数のフィードバック制御を行う。尚、第1制御部40は、電圧センサ11からのセンサ信号に基づいて燃料電池10の発電状態を管理する。
また、第2制御部41には、第1制御部40からの制御信号と水素供給圧検出センサ33からのセンサ信号が入力される。第2制御部41は、必要水素供給量に基づいてレギュレータ32のバルブ開度を演算し、必要オフガス循環量に基づいてエジェクタポンプ50のノズル部開度を演算すると共に、レギュレータ32およびエジェクタポンプ50に制御信号を出力する。さらに、第2制御部41は、気液分離器35に設けられたバルブ、および排出バルブ36に制御信号を出力する。
次に、エジェクタポンプ50の構成について図2に基づいて説明する。
エジェクタポンプ50は、主に、ノズルボディ51、ニードル52、ベローズ53、駆動ユニット54、および板ばね55から構成されており、それらは別体に形成された後、適宜の締結手段により結合されている。
ノズルボディ51は、後述する主流口とノズル部との間を連通させる円柱状の主流通路511と、水素供給装置31から供給される主供給水素を高速にて噴出させ、主供給水素の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して主供給水素を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部512と、後述する吸引口より吸引されたオフガスとノズル部512より噴出された主供給水素を混合するための概ねストレートの円柱形状を有する混合部513と、混合部513にて混合された混合ガスの速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して混合ガスの圧力を昇圧するための、テーパ状(もしくはラッパ状)に拡管した形状を有するディフューザ部514が、ノズルボディ51の軸方向に沿って順に形成されている。なお、混合部513およびディフューザ部514は、本発明の吐出通路に相当する。
ノズルボディ51には、主流通路511と連通する主流口515が形成されている。主流口515には水素供給経路30が接続され、水素供給装置31からの主供給水素が主流口515を介して主流通路511に導入されるようになっている。
ノズルボディ51には、ノズル部512の直下(下流)にて混合部513と連通する吸引口516が形成されている。吸引口516にはオフガス循環経路34が接続され、主供給水素をノズル部512から噴出する際のエネルギ交換作用によって、オフガスが吸引口516を介して混合部513に吸引されるようになっている。
ニードル52は、主流通路511内において主流通路511と同軸に配置されている。ニードル52は、先細ノズルであって、円筒形状のニードル本体部521を有し、ニードル本体部521の一端側には、先端部に向かって径が小さくなるテーパ状のシート部522が形成されており、このシート部522によりノズル部512の開口面積を調整するようになっている。また、ニードル本体部521の他端側には雌ねじ523が形成されている。
なお、ノズルボディ51、ニードル52は、耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼によって構成される。このため、オーステナイト系ステンレスの強度向上が必要な場合においては、パイオナイト処理、もしくは、軟窒化処理を行うことが可能である。さらに、ニードル52のシート部522により強度を与えるためにDLC(ダイヤモンドライクカーボン)処理を行っても良い。
ニードル本体部521の外周部にはベローズ53が装着されており、ベローズ53により、ノズルボディ51における駆動ユニット54装着側の開口部が閉塞されている。
駆動ユニット54は、電動モータであって、駆動軸に雄ねじ541が形成されている。雄ねじ541はニードル52の雌ねじ523と螺合されており、雄ねじ541と雌ねじ523とのねじ機構により駆動ユニット54の回転運動が軸方向運動に変換される。したがって、駆動ユニット54により、ニードル52を軸方向に変位させることができる。
なお、駆動ユニット54の電動モータとしては、作動角の制御が可能かつ安価なステップモータが本構成に適している。雄ねじ541と雌ねじ523の螺合部には、仕様条件に合わせて潤滑剤が塗布、もしくは、注入されている。
ニードル52は、駆動ユニット54の駆動軸と、板ばね55とによって、軸方向に変位可能に保持されている。このため、ニードル52は、軸方向への摺動部を持つことがない。
次に、板ばね55について、図3を用いて説明する。板ばね55は、ばね鋼よりなり、薄板円盤状で、同心円状に配置された4つのリング形状の第1〜第4リング部551〜554を有する。最内の第1リング部551とその外周側の第2リング部552は2つの第1連結部555にて連結されている。第2リング部552とその外周側の第3リング部553も2つの第2連結部556にて連結されており、さらに、第3リング部553とその外周側の第4リング部554も2つの第3連結部557にて連結されている。第2連結部556は、第1連結部555および第3連結部557に対して、周方向に90°ずれた位置にある。
第1リング部551内には円形の貫通した穴558が形成されており、穴558にニードル52のシート部522近傍を嵌合して、板ばね55とニードル52が結合されている。第4リング部554の外周部は、ノズルボディ51に圧入されるリング56と、ノズルボディ51とに狭持されて、ノズルボディ51に固定されている。
第1〜第4リング部551〜554と第1〜第3連結部555〜557とによって、略円弧状の貫通した多数の開口部559が形成されている。ノズルボディ51の主流口515から主流通路511に流入した主供給水素は、この開口部559を介してノズル部512に流れるようになっている。なお、主供給水素の流れの妨げにならないように、開口部559はノズル部512の開口面積に比較して十分に広い開口面積が確保されている。
この板ばね55は、最内の第1リング部551と最外の第4リング部554とを除く部分が変形してばねの機能を発揮する。なお、この板ばね55のばね定数は、板厚および変形部の大きさ等より設定可能となる。また、同一形状の板ばね55を数枚重ねて使用しても、ばね定数の調整が可能なのは言うまでもない。
また、本形状の板ばね55は剛性比(径方向たわみ/軸方向たわみ)が非常に高いため、振動によるニードル51のノズル部512に対する軸ズレによる流量変動を起こしにくい。
次に、上記構成の燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池10にて水素が消費されている状況では、水素供給装置31から水素供給経路30、およびエジェクタポンプ50を介して燃料電池10に水素が供給される。この主供給水素がエジェクタポンプ50内を通過する際、主供給水素はノズル部512から高速のガス流として流出する。
この時、主供給水素の流体エネルギーがオフガス循環の運動エネルギーとしてエネルギー交換が成される。このため、高速ガス流となった主供給水素は、ノズル部512近傍に存在するオフガスを引き込むようにして混合部513からディフューザ部514へと流れる。この結果、ノズル部512には負圧が発生することとなり、オフガス循環経路34を流れるオフガスが吸引口516から吸引されて混合部513からディフューザ部514へと導かれる。混合された主供給水素とオフガスは、水素供給経路30を介して燃料電池10に供給される。
この時、混合部513においては、駆動流(主供給水素)の運動量と吸引流(オフガス)の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部513においても混合流体の圧力(静圧)が上昇する。一方、ディフューザ部514においては、通路断面積を徐々に拡大することにより混合流体の速度エネルギー(動圧)を圧力エネルギー(静圧)に変換するので、エジェクタポンプ50においては、混合部513およびディフューザ部514の両者にて混合流体圧力を昇圧する。
そして、第2制御部41からの制御信号に基づいて駆動ユニット54を作動させてニードル52を軸方向に変位させることにより、ノズル部512の開口面積(開度)を調整して、燃料電池10に供給される主供給水素量を制御する。
次に、本実施形態の特徴を説明する。
本実施形態では、エジェクタポンプ50内部の可動部、すなわち、ニードル52は、駆動ユニット54の駆動軸と板ばね55とによって保持されていることから、摺動部を有しない。このため、摺動による固着、凝着、摩耗、および、凍結による固着が発生しない。さらに、保持機構である板ばね55は、径方向への剛性が高いため、車両走行にともなう振動等の外乱にも強い。このため、ニードル52の軸ズレが発生し難いため安定した主供給水素量の流量制御が実現できる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。図4は第2実施形態に係るエジェクタポンプの断面図である。第1実施形態では、エジェクタポンプにおける駆動ユニットとして電動モータを用いたが、本実施形態は、駆動ユニットとしてソレノイドタイプを用いている。なお、第1実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図4に示すように、本実施形態のエジェクタポンプ50における駆動ユニット54はソレノイド式であり、通電時に電磁力を発生する電磁コイル542、およびその電磁力により駆動される可動子543を備えている。
可動子543はニードル52と連結結合されており、この結合された可動子543とニードル52は、3つの板ばね55のみによって、互いに同軸上に保持されている。
そして、第2制御部41からの制御信号に基づいて電磁コイル542の電磁力を制御して、ニードル52の軸方向位置を制御することにより、ノズル部512の開口面積(開度)を調整して、燃料電池10に供給される主供給水素量を制御する。
本実施形態のように、駆動ユニット54としてソレノイドタイプを用いた場合、電動モータのように回転運動を往復動に変換するための機構、すなわち、先述の実施形態におけるねじ機構を必要としない。このため、ねじ部の摩耗劣化の発生は排除可能となる。
また、一般にソレノイドタイプのような直動機構の場合、可動子543を保持するための軸受機構が必要となるが、本実施形態では、板ばね55のみによって可動子543を保持する構成としているため、軸摺動による固着、凝着、摩耗劣化、および、凍結の心配がない。
(他の実施形態)
上記実施形態では、図3に示す形状の板ばね55を用いたが、板ばね形状はこの限りではなく、仕様条件、すなわち、設計条件に合わせて、例えば、オックスフォードタイプ、渦巻きタイプを選定しても良い。
また、上述の実施形態では、固体高分子型燃料電池(PEFC)10において、供給する水素ガスを駆動流として、燃料電池10を通過したオフガスを吸引し、主流の水素ガスに混合させて再利用するための循環ポンプとしてのエジェクタポンプ50について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、冷凍サイクルにおいて冷媒凝縮器で凝縮された冷媒の減圧手段になるとともに、その冷媒流を駆動流として、冷媒蒸発器で蒸発した冷媒ガスを吸引し、主流の冷媒流に混合させるための循環ポンプとしてのエジェクタポンプに本発明を適用しても良い。
また、上述の実施形態では、先細ノズルのノズル部512を採用しているが、ノズル部512から噴出する主供給水素の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラハールノズル(流体工学(東京大学出版会)参照)を採用しても良いことは言うまでもない。
本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。 図1のエジェクタポンプを一部断面で示す正面図である。 図2の板ばねの側面図である。 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムにおけるエジェクタポンプを一部断面で示す正面図である。
符号の説明
51…ノズルボディ、52…ニードル、55…板ばね、511…主流通路、512…ノズル部、513…混合部(吐出通路)、514…ディフューザ部(吐出通路)、515…主流口。

Claims (4)

  1. 主流体が導入される主流口(515)、前記主流体を噴出させるノズル部(512)、前記主流口(515)と前記ノズル部(512)との間を連通させる主流通路(511)、および前記ノズル部(512)から噴出された前記主流体を通過させる吐出通路(513、514)が形成されたノズルボディ(51)と、
    前記主流通路(511)内において前記主流通路(511)と同軸に配置され、軸方向に変位して前記ノズル部(512)の開口面積を調整するニードル(52)とを備え、
    前記主流体を前記ノズル部(512)から噴出する際のエネルギ交換作用によって吸引した副流体を前記吐出通路(513、514)に導くエジェクタポンプにおいて、
    前記ニードル(52)は、板ばね(55)によって軸方向に変位可能に保持されていることを特徴とするエジェクタポンプ。
  2. 前記板ばね(55)は、円盤状であり、外周部が前記ノズルボディ(51)に固定され、中心側に前記ニードル(52)が結合され、前記外周部と前記中心側との間に軸方向に貫通する開口部(559)が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のエジェクタポンプ。
  3. 前記ニードル(52)を駆動するソレノイド式の駆動ユニット(54)を備え、前記駆動ユニット(54)の可動子(543)と前記ニードル(52)とが一体化され、前記可動子(543)と前記ニードル(52)は、前記板ばね(55)のみによって保持されていることを特徴とする請求項1に記載のエジェクタポンプ。
  4. 水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(10)を有する燃料電池システムであって、
    水素供給装置(31)から前記燃料電池(10)に水素を供給するための水素供給経路(30)と、
    前記燃料電池(10)に供給された前記水素のうち前記化学反応に用いられなかった未反応水素を含んで前記燃料電池(10)から排出されるオフガスを前記水素供給経路(30)に合流させ、前記燃料電池(10)に再循環させるオフガス循環経路(34)と、
    請求項1ないし3のいずれか1つに記載のエジェクタポンプ(50)とを備え、
    前記エジェクタポンプ(50)は、前記水素供給経路(30)と前記オフガス循環経路(34)との合流部に設置され、前記水素供給装置(31)からの水素を前記主流口(515)から導入し、前記ノズル部(512)から噴出させて前記オフガスを吸引し、吸引した前記オフガスを前記ノズル部(512)から噴出される水素に混合させることを特徴とする燃料電池システム。
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