JP2006294347A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エゼクタ内での水の凍結を抑制して安定した動作を得ることができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 燃料電池に供給する新たなガスを当該燃料電池から排出されたオフガスと合流させて供給するエゼクタ１をガス供給路に備えてなる燃料電池システムにおいて、前記エゼクタ１のガス流路内壁面に、エゼクタ基材よりも摩擦抵抗の小なる面を有する。この摩擦抵抗の小なる面は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂からなる皮膜１１でエゼクタ基材の表面を覆うことにより形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、燃料電池に供給する新たな反応ガスを当該燃料電池から排出されたオフガスと合流させて供給するエゼクタに関する。

反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出される反応オフガス中に発電に寄与しなかった反応ガスが含まれているため、かかる未反応の反応ガスを再利用すべく、燃料電池に再循環させることがある。

例えば下記特許文献１には、燃料電池に供給する新たな燃料ガスを当該燃料電池から排出された燃料オフガスと合流させて供給するエゼクタが燃料ガス循環系に設けられてなる燃料電池システムが開示されている。
特開２００２−２２７７９９号公報

周知のように、燃料電池のカソード側では、酸素,水素イオン，及び電子から水を生成する反応が行われる。この生成水の一部が燃料電池内で電解質膜を透過してアノード側に移動（拡散）すると、燃料オフガスに随伴されてエゼクタ内に侵入し、ガス流路内壁面に付着したまま残留することがある。燃料電池停止中に外気温が低下する等してエゼクタ内の残留水が凍ると、ガス流路が塞がれてしまうので、次の起動時にエゼクタが正常に動作しなくなる可能性があった。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、エゼクタ内での水の凍結を抑制して安定した動作を得ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、燃料電池に供給する新たなガスを当該燃料電池から排出されたオフガスと合流させて供給するエゼクタをガス供給路に備えてなる燃料電池システムにおいて、前記エゼクタのガス流路内壁面に、エゼクタ基材よりも摩擦抵抗の小なる面を有することを特徴とする。

本発明によれば、エゼクタ基材がそのまま露出した面にてガス流路内壁面の全部が構成されているのではなく、ガス流路内壁面の少なくとも一部がエゼクタ基材よりも摩擦抵抗の小さな面（以下、低摩擦面）から構成されているので、ガス流路内壁面に水が付着したまま残留することが抑制される。この低摩擦面は、撥水性を有していることが好ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂皮膜でエゼクタ基材の表面を覆うことにより形成することが可能である。ガス流路内壁面の全部が低摩擦面で覆われていてもよい。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタは、前記新たなガスと前記オフガスとの混合ガスを噴射するノズル部と、該ノズル部内を進退移動可能なニードルピンとを備え、該ニードルピンの進退方向位置によって当該エゼクタ内のガス流路断面が可変とされていることを特徴とする。

かかる構成のいわゆる可変流量式エゼクタにおいては、ニードルピンとノズル部との隙間に水滴が残留していると、その位置でニードルピンが凍結して固着してしまうことがあるところ、本発明によれば、ノズル部の内壁面（ガス流路壁面）に水滴が付着したまま残留することが抑制されるので、凍結による不具合が発生しやすい可変流量式エゼクタに特に有効である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタにおけるガス流路内壁面のうち前記オフガスが流動する部位のみが、エゼクタ基材よりも摩擦抵抗の小なる面とされていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池に供給する新たなガスよりも湿度の高いオフガス、つまり、燃料電池の発電による生成水を含むオフガスが流動する領域のみに選択的に低摩擦面が設けられているので、コスト上昇を抑えつつ、オフガス中に含まれる水分がエゼクタのガス流路内壁面に水滴として付着したまま残留することが抑制される。

請求項４に記載の発明は、燃料電池に供給する新たなガスを当該燃料電池から排出されたオフガスと合流させて供給するエゼクタを備えた燃料電池システムにおいて、前記エゼクタを加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、加熱手段によりエゼクタが加熱されることで、エゼクタ内における水滴の凍結抑制や氷片の溶解が可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段により検出された温度が所定の条件を満たす場合に前記加熱手段を作動させる制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、必要なときのみ加熱手段によるエゼクタの加熱が行われるので、無駄なエネルギー消費が抑制される。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタは、前記新たなガスと前記オフガスとの混合ガスを噴射するノズル部が重力方向下方を向いた状態で配置されることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池システムの停止中は、エゼクタのガス流路内壁面に付着した水滴が重力に従ってエゼクタ外に自然排出される。

本発明によれば、エゼクタのガス流路内壁面に、エゼクタ基材よりも摩擦抵抗の小なる低摩擦面を有するので、当該ガス流路内壁面に水滴が付着したまま残留することを抑制することができる。したがって、エゼクタ内に残留する水滴が凍結することによる動作不良や誤動作を抑制し、安定した動作を得ることができる。特に、エゼクタが可変流量式エゼクタであるときにその効果は顕著となる。

また、エゼクタに加熱手段を設けることにより、水滴の凍結抑制、凍結した氷片の溶解が可能となる。さらに、制御部により加熱手段を制御することで、無駄なエネルギー消費が抑制されるので、燃料電池システム全体のエネルギー効率の低下を抑制することができる。

さらに、ノズル部が重力方向下方を向くようにエゼクタを配置することにより、燃料電池システムの停止中は、エゼクタのガス流路内壁面に付着した水滴を重力に従ってエゼクタ外に自然排出させることができる。

＜第１実施形態＞
まず、図１乃至図２を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態について説明する。以下では、燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明に係る燃料電池システムは、車載発電システムの他に、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。

図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示しており、酸化ガスとしての空気（外気）は空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。

燃料ガスとしての水素は水素供給源（例えば、高圧水素タンク）３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁（主止弁）Ｈ１００、水素供給源３０からの水素の供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素の供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素圧力を検出する圧力センサＰ９、エゼクタ１、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁（ＦＣ入口弁）Ｈ２１、及び水素の燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。

燃料電池２０で消費されなかった水素は水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と循環路７５を連通／遮断する遮断弁（ＦＣ出口弁）Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁（逆止弁）Ｈ５２が設けられている。水素循環路７５は排出制御弁（パージ弁）Ｈ５１を介してパージ流路７６によって排気路７２に接続される。

更に、燃料電池２０の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路７３が設けられる。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２にはモータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は燃料電池セル（単位セル）を所要数積層した燃料電池スタックとして構成され、水素供給源３０から供給される水素を燃料として発電を行う。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

燃料供給路７４と水素循環路７５との合流部には、図１に示したエゼクタ１が介装されている。このエゼクタ１は、燃料電池２０へ供給する水素流量を制御することが可能な可変流量式エゼクタであり、図１に示したように、例えばステンレス，アルミニウム，及びチタン等からなるハウジング２と、燃料供給路７４に接続されて水素供給源３０からの新たな水素（新たなガス）が流入する主流口３と、水素循環路７５に接続されて燃料電池２０から排出された水素オフガス（オフガス）が吸引される吸引部４と、燃料供給路７４に接続されて前記新たな水素と水素オフガスの混合ガスを燃料電池２０側へ吐出する吐出部５とを備える。

ハウジング２の内部には、ノズル部６と、ノズル部６から噴射される水素の負圧によって吸引部４から吸引された水素オフガスが混合される混合部７と、これら新たな水素と水素オフガスの混合ガスの動圧を静圧に変換して吐出するディフューザ部８と、吐出圧（吐出流量）を制御するニードルピン９と、ニードルピン９を支持するピストン１０とを有する。

ノズル部６には、上流側が主流口３と連通し下流側が混合部７と連通する流路が軸線方向に沿って貫通形成されている。この流路を画成するノズル部６の内壁面は、軸線方向下流側に向かうに従い流路断面積が漸次縮小する縮径面６ａと、軸線方向下流側に向かうに従い流路断面積が漸次拡大する拡径面６ｂとが、流路断面積が最小となるスロート部を介して軸線方向に連なってなる。

ノズル部６内の流路には、下流端側に円錐状の尖端部を備えるニードルピン９が軸線方向に沿って進退自在に挿入されており、その軸線方向位置に応じて尖端部−スロート部間の隙間が変化することにより、言い換えれば、主流口３から流入した水素供給源３０からの新たな水素が流通することのできる流路断面積が変化することにより、ノズル部６からの吐出圧ひいてはエゼクタ１からの吐出量が制御される。

ニードルピン９はピストン１０により支持されており、ピストン１０はハウジング２に形成された摺動穴２ａに摺動自在に支持されている。なお、ピストン１０は不図示の駆動手段により軸方向に摺動される構成となっている。

混合部７は、ノズル部６内の流路および吸引部４と連通していると共に、下流側ではディフューザ部８と連通している。ディフューザ部８は、下流側の吐出部５に向かって流路断面積が徐々に拡大する形状となっている。

吸引部４，混合部６，及びディフューザ部８の内壁面、つまり、ガス流路内壁面のうち水素オフガスが流動する部位には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂からなる皮膜１１が、いわゆるテフロン（登録商標）加工により形成されている。この皮膜１１は、ハウジング２の基材（エゼクタ基材）表面よりも摩擦抵抗が小さく、撥水性を有している。

また、エゼクタ１は、図１に示したようにノズル部６および吐出部５を重力方向下方に向けた状態で、図２に示した燃料供給路７４と水素循環路７５との合流部に設置されている。

このように構成されたエゼクタ１では、主流口３から流入した水素供給源３０からの新たな水素は、ノズル部６を通って混合部７側に噴射される。このとき、混合部７に負圧が発生し、この負圧によって吸引部４から水素循環路７５からの水素オフガスが吸引され、ノズル部６から噴射された新たな水素と混合してディフューザ部８に流入する。これら水素と水素オフガスの混合ガスは、ディフューザ部８で昇圧されつつ吐出部５から吐出される。

このとき、湿度の高い水素オフガスが流動するエゼクタ１の内部領域、つまり、吸引部４，混合部６，及びディフューザ部８の内壁面に皮膜１１が形成されていることで、ハウジング２の内壁面に対する水滴の付着が抑制される。

さらに、ノズル部６が重力方向下向きとなるように燃料供給路７４に設置されていることにより、ハウジング２の内壁面に付着した水滴が燃料電池システム停止後においてもエゼクタ１内に残留している場合であっても、水滴は重力に従って速やかにエゼクタ１外に自然排出させることができる。

よって、本実施形態の燃料電池システムによれば、エゼクタ１内に残留している水滴が凍結することによる誤動作を抑制し、安定した動作を得ることができる。

＜第２実施形態＞
次に、図３を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略するものとし、上記第１実施形態に係る燃料電池システムとの相違点を中心に説明する。

図３に示した本実施形態に係るエゼクタ１５は、上記に示したエゼクタ１と同様に燃料電池２０へ供給する水素流量を制御する可変流量式エゼクタであるが、第１実施形態に係るエゼクタ１が備える皮膜１１をガス流路内壁面（ハウジング２の内壁面）に備える代わりに、エゼクタ１５を加熱するヒータ（加熱手段）１２がハウジング２の外側に設けられていると共に、エゼクタ１５の温度を検出する温度検出手段１３が設けられてなる。

温度検出手段１３の検出出力は制御部５０に与えられ、制御部５０は、検出された温度に基づき、ヒータ１２の作動を制御する。なお、本燃料電池システムを車両に搭載する場合には、この温度検出手段１３をエゼクタ１５に設置する代わりに、車両に通常設けられている外気温センサを用いて、ヒータ１２の作動を制御してもよい。すなわち、制御部５０は外気温センサによって測定された外気温に基づいて、ヒータ１２をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

このように構成されたエゼクタ１５では、主流口３から流入した水素供給源３０からの新たな水素は、ノズル部６を通って混合部７側に噴射される。このとき、混合部７に負圧が発生し、この負圧によって吸引部４から水素循環路７５の水素オフガスが吸引され、ノズル部６から噴射された新たな水素と混合してディフューザ部８に流入する。これら水素と水素オフガスの混合ガスは、ディフューザ部８で昇圧されつつ吐出部５から吐出される。

本実施形態においては、燃料電池システム停止後、あるいは燃料電池システムの起動時（間欠運転からの再起動時を含む）に、エゼクタ１５の温度が所定値以下となると、制御部５０がヒータ１２をオンとする。これにより、ハウジング２の内壁面に付着した水滴がエゼクタ１５内に残留している場合であっても、当該水滴の凍結が抑制される。仮に凍結した場合でも、氷片はヒータ１２の熱により溶解される。

しかも、ヒータ１２は、所定の条件を満たす場合にのみ作動するので、無駄なエネルギー消費を抑制して燃料電池システム全体のエネルギー効率の低下を抑制することができる。

さらに、上記第１実施形態と同様に、ノズル部６が鉛直方向下向きとなるよう設置されていることにより、燃料電池システムの停止中においても、ハウジング２の内壁面に付着した水滴は、重力に従って速やかにエゼクタ１５外に自然排出させることができる。

よって、本実施形態の燃料電池システムによっても、エゼクタ１５内の残留水が凍結することによる誤動作を抑制し、安定した動作を得ることができる。

＜他の実施形態＞
なお、上記の各実施形態においては水素供給系にエゼクタ１，１５を設けた例について示したが、燃料電池２０に酸化ガスを供給する供給系（空気供給路７１）、あるいは燃料電池２０から排出される酸化ガスを循環させる循環系を有する場合には該循環系に対して適用してもよい。

また、上記各実施形態においては、エゼクタ１，１５の主流口３側に水素供給源３０からの新たなガスが導入され、吸引部４側に燃料電池スタック２０からのオフガスが導入される構成であったが、主流口３側がオフガスで、吸引部４側が新たなガスであってもよい。

また、図３に示したヒータ１２及び温度検出手段１３の構成を図１に示した実施形態に対して組み合わせて用いてもよい。

さらに、本発明はニードルピン９とノズル部６とが凍結しやすい可変流量式エゼクタに適用することで特に高い効果を得られるが、可変流量式でないエゼクタに適用してよいのは言うまでもない。

本発明の第１実施形態として示した燃料電池システムに用いられるエゼクタの構成について示した断面図である。 同燃料電池システムの概略構成について説明した図である。 本発明の第２実施形態として示した燃料電池システムに用いられるエゼクタの構成について示した断面図である。

符号の説明

１，１５…エゼクタ、２…ハウジング、６…ノズル部、９…ニードルピン、１１…皮膜、１２…ヒータ（加熱手段）、１３…温度検出手段、２０…燃料電池、５０…制御部、７４…燃料供給路（ガス供給路）、７５…水素循環路

Claims (6)

1. 燃料電池に供給する新たなガスを当該燃料電池から排出されたオフガスと合流させて供給するエゼクタをガス供給路に備えてなる燃料電池システムにおいて、
   前記エゼクタのガス流路内壁面に、エゼクタ基材よりも摩擦抵抗の小なる面を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記エゼクタは、前記新たなガスと前記オフガスとの混合ガスを噴射するノズル部と、該ノズル部内を進退移動可能なニードルピンとを備え、該ニードルピンの進退方向位置によって当該エゼクタ内のガス流路断面が可変とされていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記エゼクタにおけるガス流路内壁面のうち前記オフガスが流動する部位のみが、エゼクタ基材よりも摩擦抵抗の小なる面とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料電池に供給する新たなガスを当該燃料電池から排出されたオフガスと合流させて供給するエゼクタを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記エゼクタを加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記エゼクタの温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段により検出された温度が所定の条件を満たす場合に前記加熱手段を作動させる制御部と、を備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記エゼクタは、前記新たなガスと前記オフガスとの混合ガスを噴射するノズル部が重力方向下方を向いた状態で配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。

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