JP2008196401A - エジェクタを備えたシステム - Google Patents

Abstract

【課題】エジェクタの吸引能力を高めることができるシステム。
【解決手段】本発明のシステム１のエジェクタ２４は、第１流体を噴射して第２流体を吸引するための負圧を発生する第１ノズル５１と、第２流体が吸引される吸引流路６２と、を有する。インジェクタ２５は、第１ノズル５１の上流側に第２ノズル８１を有する。そして、エジェクタ２４とインジェクタ２５とは、吸引流路６２の一端６３が第２ノズル８１からの第１流体の流線上に位置するように配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、エジェクタを備えたシステムに関し、特に燃料電池システムに適用可能なシステムに関するものである。

燃料電池システムは、燃料ガス及び酸素ガス（以下、総称して「反応ガス」という。）の供給を受けて発電する燃料電池を備える。燃料電池から排出される燃料オフガス及び酸化オフガス（以下、総称して「反応オフガス」という。）中には、燃料電池の発電に寄与しなかった反応ガスが含まれ得る。この未反応の反応ガスを発電に再利用すべく、エジェクタにより燃料オフガスを燃料電池に循環させる燃料電池システムもある。

特許文献１に記載の燃料電池システムは、流量可変式のエジェクタを利用して、燃料オフガスの循環を行うものである。このエジェクタは、ノズルから燃料ガスを噴射することにより、吸引流路から燃料オフガス吸引し、この燃料ガスと燃料オフガスとを合流させて、燃料電池に供給する。
特開２００４−９５５２８号公報

エジェクタの吸引原理は、ノズルの周辺に発生した負圧を吸引流路に作用させることにより、吸引流路にある燃料オフガスを吸い込むということである。したがって、エジェクタの上流側に何らかの部材又は機器を設置した場合には、その部材又は機器をも考慮して、負圧が吸引流路に好適に作用することが望まれる。

本発明は、エジェクタの吸引能力を高めることができる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の本発明のシステムは、第１流体を噴射して第２流体を吸引するための負圧を発生する第１ノズルと、第２流体が吸引される吸引流路と、を有するエジェクタを、備える。また、システムは、第１ノズルの上流側に第２ノズルを有するインジェクタを備える。そして、吸引流路の一端が第２ノズルからの第１流体の流線上に位置するように、エジェクタとインジェクタとが配置される。

このように、エジェクタに対しインジェクタを配置しているので、インジェクタの第２ノズルが第１流体を噴射する際に発生する負圧も、吸引流路に好適に作用する。これにより、吸引流路には第１ノズル及び第２ノズルによる負圧が作用するので、第１ノズルのだけの構成や第２ノズルの位置を考慮しない構成に比べて、エジェクタの吸引能力を高めることができる。

本発明の好ましい一態様によれば、吸引流路の一端は、第２ノズルの出口側内壁の延長線上に位置するとよい。

本発明の好ましい一態様によれば、第１ノズルと第２ノズルとは、同軸上に位置するとよい。

これにより、第１ノズル及び第２ノズルによる負圧をより一層好適に吸引流路に作用させることができる。

本発明の好ましい一態様によれば、システムは、燃料電池に新たな反応ガスを供給する供給流路と、燃料電池から排出された反応オフガスを供給流路に循環させる循環流路と、を備える。インジェクタは供給路上に位置し、エジェクタは供給流路と循環流路との接続部分に位置する。そして、第１流体は新たな反応ガスであり、第２流体は反応オフガスである。

この構成によれば、反応オフガスを好適に吸引しながら、燃料電池への反応ガスの供給量がインジェクタで微調整することが可能な燃料電池システムを提供できる。

好ましくは、新たな反応ガス及び反応オフガスは、水素を含有する燃料ガスであるとよい。

以上説明した本発明のシステムによれば、エジェクタの吸引能力を向上できる。

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システムについて、燃料電池システムを例に説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸素ガス配管系３、燃料ガス配管系４、及び制御装置５を備える。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数のセルを積層したスタック構造を有する。燃料電池２は、酸素ガス及び燃料ガスの供給を受けて電力を発生する。燃料電池２への酸素ガス及び燃料ガスの供給及び排出は、酸素ガス配管系３及び燃料ガス配管系４によりなされる。

酸素ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称されるものである。特に、燃料電池２から排出される酸素ガス及び燃料ガスは、それぞれ酸素オフガス及び燃料オフガスと称され、これらは反応オフガスと総称されるものである。以下では、酸素ガスとして空気を例に、また、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。

酸素ガス配管系３は、加湿器１１、供給流路１２、排出流路１３、排気流路１４、及びコンプレッサ１５を有する。コンプレッサ１５は、供給流路１２の上流端に設けられる。コンプレッサ１５により取り込まれた大気中の空気（酸素ガス）が、供給流路１２を流れて加湿器１１に圧送され、加湿器１１により加湿されて燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出される酸素オフガスは、排出流路１３を流れて加湿器１１に導入された後、排気流路１４を流れて外部に排出される。

燃料ガス配管系４は、水素タンク２１、供給流路２２、循環流路２３、エジェクタ２４及びインジェクタ２５を有する。水素タンク２１は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源である。供給流路２２は、水素タンク２１内の水素ガスを燃料電池２に供給する。

供給流路２２は、主流流路２２ａ及び混合流路２２ｂからなる。主流流路２２ａは、エジェクタ２４の上流側に位置しており、インジェクタ２５のほか、シャットバルブ３１及びレギュレータ３２が設けられる。シャットバルブ３１は、水素タンク２１の元弁として機能する。レギュレータ３２は、水素ガスを減圧する。混合流路２２ｂは、エジェクタ２４から排出された混合水素ガスを燃料電池２に導く。混合流路２２ｂは、エジェクタ２４の下流側に位置する。

循環流路２３は、燃料電池２の水素ガス出口から排出された水素オフガスを供給流路２２に戻す。循環流路２３には、逆止弁３４及び気液分離器３５が介設される。逆止弁３４は、エジェクタ２４から気液分離器３５への流体の流れを阻止する。気液分離器３５は、水素オフガスを液体と気体とに分離する。分離された液体は、燃料電池２の電気化学反応によって生じた水であり、排水弁３６を開放することで排水路３７を流れて外部に排出される。分離された水素オフガス中の気体は、逆止弁３４を通ってエジェクタ２４に吸引される。また、分離された水素オフガス中の気体は、パージ弁３８が定期的に開放されることで、パージ路３８の下流へと排気され得る。これにより、燃料電池２に循環供給される水素ガスの水素濃度の低下を抑制できるようになっている。

エジェクタ２４は、供給流路２２と循環流路２３との接続部分に設けられる。エジェクタ２４は、水素タンク２１からの新たな水素ガスを噴射して水素オフガスを吸引する。そして、エジェクタ２４は、新たな水素ガスと水素オフガスとを合流させ、この合流後の混合水素ガスを燃料電池２に供給する。

以下の説明では、水素タンク２１から供給される新たな水素ガスを「主流ガス」と称し、吸引される水素オフガスを「循環ガス」と称し、それぞれの流量を「主流流量」及び「循環流量」と称する場合がある。ここでは、主流ガスは本発明の「第１流体」に相当し、循環ガスは本発明の「第２流体」に相当する。

図２に示すように、エジェクタ２４は、筐体４１を有する。筐体４１は、一次側の主流入口４２、二次側の排出口４３及び吸込み口４４を有する。主流入口４２は、筐体４１に取り付けられたインジェクタ５０と連通する。排出口４３は、混合流路２２ｂの上流側に接続される。吸込み口４４は、循環流路２３の下流側に接続される。吸込み口４４は、筐体４１に形成された吸引流路６２の上流端である。吸引流路６２の下流端６３は、筐体４１の内部で開口する。

筐体４１は、ノズル５１及びディフューザ５２が内部に形成される。ノズル５１は、主流ガスを下流側に向かって噴射する。ノズル５１は、例えば先細ノズルからなる。ノズル５１は、新たな水素ガスがディフューザ５１側に開口した先端噴出部６１で最大流速となるように構成される。ノズル５１からの主流ガスの噴射により、ノズル５１の下流側周辺において水素オフガスを吸引するための負圧が発生し、吸込み口４４を介して循環ガスが吸引流路６２に吸い込まれる。吸い込まれた循環ガスは、下流端６３からディフューザ４８へと送られる。

ディフューザ５２は、ノズル５１の下流側において、ノズル５１と同軸に形成される。ディフューザ５２とノズル５１との間の空間が、下流端６３に連通している。ディフューザ５２では、吸い込まれた循環ガスとノズル５１から噴射された主流ガスとが合流し、両者が混合される。この混合水素ガスが、ディフューザ５２の下流へと流れ、排出口４３から混合流路２２ｂへと排出される。ただし、インジェクタ２５により主流ガスの流れが遮断された場合には、循環ガスのみがディフューザ５２を流れる。

インジェクタ２５は、ノズル５１の上流側に位置し、主流流路２２ａの下流側に接続される。インジェクタ２５は、ノズル５１に向けて主流ガスを噴射するノズル８１を備える。ノズル８１は、例えば末広ノズルからなり、ノズル５１と同軸上に位置する。ここで、同軸上に位置するとは、ノズル８１の開口中心とノズル５１の開口中心とが同一直線上にあるこという。

また、ノズル８１の出口側内壁の延長線Ｌ１上には、下流端６３が位置する。より詳細には、延長線Ｌ１上に下流端６３の開口面が位置する。さらに、この延長線Ｌ１は、ノズル８１から噴射される主流ガスの流線の一つである。したがって、下流端６３の開口面は、ノズル８１からの主流ガスの流線上に位置する。

なお、図２に示すように、延長線Ｌ１の内側にはノズル５１の内壁が位置せず、延長線Ｌ１の外側にノズル５１の内壁が位置することが好ましい。また、エノズル８１からの主流ガスの流線上に下流端６３が位置する程度にエジェクタ２４とインジェクタ２５とは近接して配置されるが、その際、図２に示すように、ノズル８１の出口と主流入口４２とが配管要素を介することなく直接的に連通することが好ましい。

インジェクタ２５は、ノズル８１の上流側に開閉駆動部８２を有する。開閉駆動部８２は、制御装置５に電気的に接続され、制御装置５からの出力信号により流路の開閉を制御される。開閉駆動部８２は、例えば、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることで、二次側であるノズル８１への主流ガスの流量や圧力を調整可能な電磁駆動式の開閉弁の構成を有する。開閉駆動部８２を制御することにより、ノズル８１への主流ガスの供給を遮断できると共に、ノズル８１に主流ガスを間欠的に供給できる。

詳細は図示しないが、開閉駆動部８２は、例えば、弁体及び弁座からなる主弁部分と、コイル、鉄心、及びプランジャを有するソレノイド部分と、で構成される。開閉駆動部８２は、コイルに給電する電流のオン・オフにより、基本的に「開」及び「閉」の２位置で用いられる。つまり、インジェクタ２５は、開閉駆動部８２での開時間及び開閉タイミングを変えることで、ノズル８１への主流ガスの供給流量を制御する。この制御方法としては、開閉駆動部８２のコイルに給電するパルス状励磁電流のデューティ比を変化させるデューティ制御を用いると好適である。ここで、デューティ比とは、パルス状励磁電流のＯＮ時間を、パルス状励磁電流のＯＮ時間とＯＦＦ時間とを加算したスイッチング周期で除したものである。なお、開閉駆動部８２の開度（弁座の開度）又は開時間を、多段階、連続的（無段階）、又はリニアに切替え可能に構成してもよい。

制御装置５は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ２５の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置５は、ガス系統（３，４）における圧力センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１によれば、インジェクタ２５のノズル８１からの主流ガスの流線上に吸引流路６２の他端６３が位置する。これにより、ノズル８１が主流ガスを噴射する際に発生する負圧が、吸引流路６２に好適に作用する。したがって、エジェクタ２４が本来持つノズル５１による吸引効果が吸引流路６２に作用するのみならず、上記のようにインジェクタ２５のノズル８１による吸引効果が吸引流路６２に作用する。よって、エジェクタ２４の吸引能力を高めることができる。そして、この吸引能力が高いことによって、燃料電池２の発電反応によって生じる水の排水性の向上など、システム効率も向上し得る。

また、エジェクタ２４の上流側にインジェクタ２５を配置したことで、燃料電池２での水素ガスの消費量がゼロのとき、インジェクタ２５を閉じることで燃料電池２への新たな水素ガスの流入を阻止できる。これにより、燃料電池２内の圧力上昇を抑制することもできる。ここで、燃料電池システム１の稼動中において燃料電池２が水素ガスを消費しない場合とは、例えば燃料電池２の発電停止時やアイドル時をいう。

＜変形例＞
エジェクタ２４の主流ガスを新たな水素ガスとし、副流ガスを水素オフガスとしたが、この逆の構成であってもよい。すなわち、エジェクタ２４は、ノズル５１から水素オフガスを第１流体として噴射する際に、水素タンク２１からの新たな水素ガスを第２流体として吸引するようにしてもよい。

また、エジェクタ２４を酸素ガス配管系３に配設してもよい。例えば、エジェクタ２４によって、コンプレッサ１５からの新たな酸素ガスに、排出流路１３の酸素オフガスを合流させ、この合流後の混合酸素ガスを燃料電池２に供給してもよい。

上記した本発明の燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、自走式ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。

また、本発明のシステムは、燃料電池システム１のみならず、流体を合流して供給する必要がある他のシステムにも適用できる。

実施形態に係る燃料電池システムの主要部を示す構成図である。 実施形態に係るエジェクタとインジェクタとの位置関係を示す図であり、エジェクタ及びインジェクタの一部を断面図とした図である。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、２２：供給流路、２３：循環流路、２４：エジェクタ、２５：インジェクタ、５１：ノズル（第１ノズル）、６２：吸引流路、６３：下流端（一端）、８１：ノズル（第２ノズル）、Ｌ１：延長線（流線）

Claims (5)

1. 第１流体を噴射して第２流体を吸引するための負圧を発生する第１ノズルと、前記第２流体が吸引される吸引流路と、を有するエジェクタ、
   を備えたシステムにおいて、
   前記第１ノズルの上流側に第２ノズルを有するインジェクタを更に備え、
   前記吸引流路の一端が前記第２ノズルからの前記第１流体の流線上に位置するように、前記エジェクタと前記インジェクタとが配置された、システム。
2. 前記吸引流路の一端は、前記第２ノズルの出口側内壁の延長線上に位置する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１ノズルと前記第２ノズルとは、同軸上に位置する、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 燃料電池に新たな反応ガスを供給する供給流路と、
   前記燃料電池から排出された反応オフガスを前記供給流路に循環させる循環流路と、を備え、
   前記インジェクタは、前記供給路上に位置し、
   前記エジェクタは、前記供給流路と前記循環流路との接続部分に位置し、
   前記第１流体は、前記新たな反応ガスであり、
   前記第２流体は、前記反応オフガスである、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記新たな反応ガス及び前記反応オフガスは、水素を含有する燃料ガスである、請求項４に記載のシステム。

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