JP2019096539A

JP2019096539A - 燃料ガス供給装置

Info

Publication number: JP2019096539A
Application number: JP2017226617A
Authority: JP
Inventors: 真明松末; Masaaki Matsusue
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2019-06-20
Anticipated expiration: 2037-11-27
Also published as: JP6926988B2

Abstract

【課題】燃料電池への燃料オフガスの循環流量の低下を抑制することができる燃料ガス供給装置を提供する。【解決手段】燃料ガス供給装置は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置において、前記燃料ガスを蓄圧する蓄圧部と、前記蓄圧部から流入した前記燃料ガスに、前記燃料電池に再循環される燃料オフガスを混合して前記燃料電池に導入するエジェクタとを有し、前記エジェクタは、前記燃料ガスが噴出するノズルと、前記ノズルを収容し、前記ノズルから噴出する前記燃料ガスにより生ずる負圧により前記燃料オフガスが前記ノズルの鉛直下方側の吸入口から吸入される吸入室と、前記ノズルと前記吸入口の間に前記ノズルに沿って延び、前記ノズルの先端側の端部が前記吸入室の内壁から離れている板部材とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガス供給装置に関する。

燃料電池システムには、燃料電池から排出された燃料オフガスを、燃料電池に供給される燃料ガスに混合するため、エジェクタが設けられることがある。エジェクタは、原理的には燃料ガスと燃料オフガスの間で運動量を交換することにより、燃料オフガスを燃料電池に再循環させる。

このため、燃料オフガスに液水が混入すると、その質量により交換後の運動量が減少することで燃料オフガスの循環流量が低下する。燃料電池に再循環される燃料オフガスから水分を除去する手段としては、例えば、燃料オフガスが流れる再循環路（還流路）に２つの気水分離器を設ける技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−４２３９４号公報

しかし、気水分離器内では、燃料オフガスの流路面積が広がることにより燃料オフガスの流れが乱れるため、再循環路内に圧力損失が生ずる。このため、気水分離器の数が増加すると、その分だけ圧力損失も増加し、結果的に燃料オフガスの循環流量が減少するという問題がある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池への燃料オフガスの循環流量の低下を抑制することができる燃料ガス供給装置を提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料ガス供給装置は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置において、前記燃料ガスを蓄圧する蓄圧部と、前記蓄圧部から流入した前記燃料ガスに、前記燃料電池に再循環される燃料オフガスを混合して前記燃料電池に導入するエジェクタとを有し、前記エジェクタは、前記燃料ガスが噴出するノズルと、前記ノズルを収容し、前記ノズルから噴出する前記燃料ガスにより生ずる負圧により前記燃料オフガスが前記ノズルの鉛直下方側の吸入口から吸入される吸入室と、前記ノズルと前記吸入口の間に前記ノズルに沿って延び、前記ノズルの先端側の端部が前記吸入室の内壁から離れている板部材とを備える。

本発明によれば、燃料電池への燃料オフガスの循環流量の低下を抑制することができる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。比較例のエジェクタを示す断面図である。実施例のエジェクタを示す断面図である。２本のノズルを備えるエジェクタの例を示す断面図である。３本のノズルを備えるエジェクタの例を示す断面図である。

図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、例えば燃料電池車に搭載されるが、これに限定されない。

燃料電池システムは、燃料電池１と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６と、燃料ガス供給装置９と、コンプレッサ８０と、加湿器８１と、カソード供給路Ｒ１０，Ｒ１１と、カソード排出路Ｒ１２，Ｒ１３とを有する。

燃料ガス供給装置９は、燃料電池１に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給装置９は、燃料タンク２と、調圧弁３と、インジェクタ４と、エジェクタ５と、主止弁７０と、気液分離器７１と、パージ弁７２と、アノード供給路Ｒ２０〜Ｒ２３と、アノード排出路Ｒ２４〜Ｒ２６と、再循環路Ｒ２７とを有する。

燃料電池１は、固体高分子型燃料電池であり、膜電極接合体をそれぞれ備えた複数の単セルが積層されることにより構成され、カソードには酸化剤ガスの一例として酸素を含む空気が供給され、アノードには、燃料ガスの一例として水素ガスが供給される。燃料電池１は、各単セルにおいて酸化剤ガスと燃料ガスが化学反応することにより発電する。

酸化剤ガスは、カソード供給路Ｒ１０，Ｒ１１を介して燃料電池１に供給される。酸化剤オフガスは、カソード排出路Ｒ１２，Ｒ１３を介して燃料電池１から外部に排出される。

コンプレッサ８０は、外気から酸化剤ガスを導入して圧縮する。コンプレッサ８０は、カソード供給路Ｒ１０を介して酸化剤ガスを加湿器８１に送出する。

加湿器８１は、酸化剤ガスを加湿して、カソード供給路Ｒ１１を介して燃料電池１のカソードに送出する。加湿器８１には、燃料電池１からカソード排出路Ｒ１２を介して燃料オフガスが導入される。加湿器８１は、燃料オフガスに含まれる水分により燃料ガスを加湿する。加湿器８１は、燃料オフガスをカソード排出路Ｒ１３から外部に排出する。

燃料タンク２は、蓄圧部の一例であり、燃料ガスを蓄圧して貯蔵する。燃料タンク２の出口には、主止弁７０が接続されている。主止弁７０は、ＥＣＵ６の制御に従って、燃料電池１の発電時、開放状態に維持されている。燃料ガスは、主止弁７０からアノード供給路Ｒ２０を流れて調圧弁３に入る。

調圧弁３は、燃料タンク２からインジェクタ４に流れ込む燃料ガスの圧力を、ＥＣＵ６からの制御信号に従って調整する。調圧弁３を通った燃料ガスは、アノード供給路Ｒ２１を介しインジェクタ４に流れ込む。インジェクタ４は、燃料タンク２から流れ込む燃料ガスを、ＥＣＵ６からの制御信号に従って噴射する。インジェクタ４から噴射された燃料ガスは、アノード供給路Ｒ２２を介しエジェクタ５に流れ込む。

エジェクタ５は、インジェクタ４から噴射された燃料ガスに、燃料電池１に再循環される燃料オフガスを混合して燃料電池１に導入する。エジェクタ５には、再循環路Ｒ２７から燃料オフガスが吸入される。燃料オフガスと混合された燃料ガスは、アノード供給路Ｒ２３から燃料電池１に供給される。

燃料オフガスは、燃料電池１からアノード排出路Ｒ２４を流れ気液分離器７１に入る。気液分離器７１は、燃料オフガスから液水を分離して貯留し、燃料オフガスを再循環路Ｒ２７に送出する。

パージ弁７２は、アノード排出路Ｒ２５を介して気液分離器７１と接続されている。パージ弁７２は、ＥＣＵ６の制御により開閉される。パージ弁７２が開放されると、気液分離器７１内の燃料オフガス及び液水はアノード排出路Ｒ２５，Ｒ２６から外部に排出される。

ＥＣＵ６は、燃料電池システムの動作を制御する。ＥＣＵ６は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリなどから構成され、ＣＰＵを駆動するプログラムに従って動作する。

図２は、比較例のエジェクタ５の一例を示す断面図である。エジェクタ５は、ノズル５０と、吸入室５１と、ディフューザ５２とを有する。ノズル５０の入口はアノード供給路Ｒ２２に接続され、燃料ガスは、符号Ｐ０で示されるように、ノズル５０から噴出する。ノズル５０は、一例として略円筒形状を有する。

また、吸入室５１は、ノズル５０を収容し、符号Ｐ１で示されるように、ノズル５０から噴出する燃料ガスにより生ずる負圧により燃料オフガスが吸入される。吸入室５１は略直方体形状を有し、ノズル５０の鉛直下方（符号ｇ参照）側には、燃料オフガスを吸入するための吸入口５１ａが設けられている。吸入口５１ａは再循環路Ｒ２７に接続されており、燃料オフガスは、再循環路Ｒ２７から吸入口５１ａを通り吸入室５１に吸入され、ノズル５０から噴出した燃料ガスと混合される。

ディフューザ５２には、符号Ｐ２で示されるように、吸入室５１から燃料電池１に向かう燃料ガス及び燃料オフガスが流れる。ディフューザ５２は、先細り部５２ａと、平行部５２ｂと、末広部５２ｃとを含む。先細り部５２ａは、吸入室５１から平行部５２ｂに向かって断面積が狭くなる流路である。平行部５２ｂは、先細り部５２ａと末広部５２ｃを結ぶ一定の断面積の流路である。平行部５２ｂは略円筒形状を有する。末広部５２ｃは、平行部５２ｂからアノード供給路Ｒ２２に向かって断面積が広がる流路である。

上記の構造により、燃料ガスはノズル５０から吸入室５１に導入され、燃料オフガスは燃料ガスの噴射による負圧により吸入口５１ａから吸入室５１に吸入される。燃料ガス及び燃料オフガスは混合されディフューザ５２からアノード供給路Ｒ２３を介して燃料電池１のアノードに供給される。つまり、エジェクタ５は、ノズル５０から噴出する燃料ガスを駆動源として、燃料オフガスを燃料電池１に再循環させる。

エジェクタ５は、原理的には燃料ガスと燃料オフガスの間で運動量を交換することにより、燃料オフガスを燃料電池に再循環させる。このため、燃料オフガスに液水が混入すると、その質量により交換後の運動量が減少することで燃料オフガスの循環流量が低下する。

そこで、実施例のエジェクタ５には、簡易な気液分離手段が設けられている。

図３は、実施例のエジェクタ５を示す断面図である。符号Ｇ１は図２と同様の断面を示し、符号Ｇ２は、符号Ｇ１の断面図のＡ−Ａ線に沿った断面を示す。また、符号Ｇ３は、符号Ｇ２の断面図のＢ−Ｂ線に沿った断面を示し、符号Ｇ４の断面図のＣ−Ｃ線に沿った断面を示す。なお、図３において、図２と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

比較例と比べると、エジェクタ５の構成には、邪魔板５３が追加されている。邪魔板５３は、ノズル５０と吸入口５１ａの間にノズル５０に沿って延びる矩形状の板部材である。邪魔板５３は、ノズル５０の先端５０ａ側の端部５３ａ、及びノズル５０の延びる向きに沿った両側面の端部５３ｃ，５３ｄが吸入室５１の内壁５１ｂから離れている。また、邪魔板５３は、ノズル５０の根本側の端部５３ｂが吸入室５１の内壁５１ｂに固定されている。邪魔板５３は、吸入室５１と一体成型されてもよいし、吸入室５１とは別に成型されて接着剤などにより吸入室５１の内壁５１ｂに接着されてもよい。

燃料オフガスは、上述したように、再循環路Ｒ２７内から吸入口５１ａを通って吸入室５１に入る。このとき、各端部５３ａ，５３ｃ，５３ｄと内壁５１ｂの間の隙間の総面積は、鉛直下方ｇから見ると、吸入口５１ａの面積より大きい（符号Ｇ３，Ｇ４参照）。このため、燃料オフガスの通過可能な面積は、再循環路Ｒ２７より吸入室５１内のほうが広くなる。また、邪魔板５３の板面の面積は、吸入口５１ａの面積より広い。

吸入口５１ａは邪魔板５３の鉛直下方ｇに位置するため、吸入室５１内の燃料オフガスは、邪魔板５３に当たって邪魔板５３の端部５３ａ，５３ｃ，５３ｄと内壁５１ｂの間を抜けてディフューザ５２に導入される。このとき、エジェクタ５を側面視すると（符号Ｇ１参照）、燃料オフガスは、符号ｄで示されるように、吸入口５１ａからノズル５０の先端５０ａに向かうように、邪魔板５３の端部５３ａと内壁５１ｂの間を流れる。

このように、燃料オフガスは、吸入口５１ａから吸入されると、ノズル５０の先端５０ａから噴出する燃料ガスの流れと同じ方向に流れてディフューザ５２に導入されるので、吸入室５１内の邪魔板５３により生ずる燃料オフガスの圧力損失が抑制される。

また、邪魔板５３には、燃料オフガス中に含まれる液水（発電反応の生成水）が、水滴として付着する。つまり、邪魔板５３が簡易な気液分離手段として機能する。このため、燃料オフガスが、ノズル５０から噴出した燃料ガスと混合される前に、燃料オフガスから水分が除去される。これにより、吸入室５１内で燃料ガスと混合される燃料オフガスの質量が低減されるため、燃料オフガスの循環流量の低下が抑制される。ここで、邪魔板５３は、液水がノズル５０に付着しないようにノズル５０と吸入口５１ａの間に延び、ノズル５０全体を覆うものではないため、邪魔板５３により生ずる燃料オフガスの圧力損失が抑制される。

ここで、仮に液水がノズル５０の噴射部に付着すると、燃料電池１の温度が氷点下に低下した場合、噴出部が凍結し閉塞するおそれがある。しかし、本実施例によると、液水がノズル５０に付着することが邪魔板５３により抑制されるため、ノズル５０の噴出部の閉塞を抑制することが可能となる。

邪魔板５３に付着した液水は、例えば重力や振動などにより鉛直下方ｇに落下する。落下した液水は、再循環路Ｒ２７を通って気液分離器７１に入り、例えば気液分離器７１からアノード排出路Ｒ２５，Ｒ２６により外部へ排出される。したがって、液水は、符号Ｄで示されるように、再循環路Ｒ２７から吸入口５１ａを通り邪魔板５３に到達した後、再び吸入口５１ａを通り再循環路Ｒ２７に入ることにより排出される。

このように、エジェクタ５は、燃料オフガスの圧力損失が低減されるように構成され、燃料オフガスから液水を除去することができる。このため、燃料オフガスの圧力損失は、再循環路Ｒ２７にもう１つの気液分離器７１を追加した場合より低減される。これは、仮にもう１つの気液分離器７１を追加した場合、気液分離器７１の入口及び出口で流路の断面積が変化することで圧力損失が増加することがあるが、本実施例によると、気液分離器７１の入口及び出口における圧力損失が生じないためである。したがって、本実施例の燃料ガス供給装置９によると、燃料電池１への燃料オフガスの循環流量の低下を抑制することができる。

本例のエジェクタ５は、ノズル５０を１個だけ備えるが、以下に述べるように、２個以上のノズルを備えてもよい。

図４は、２本のノズル５４，５５を備えるエジェクタ５の例を示す断面図である。符号Ｇ１１は図２と同様の断面を示し、符号Ｇ１２は、符号Ｇ１１の断面図のＬ−Ｌ線に沿った断面を示す。なお、図４において、図３と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

本例のエジェクタ５には、２つのノズル５４，５５が設けられている。ノズル５４，５５には、例えばアノード供給路Ｒ２２から三方弁などを介して分岐した燃料ガスが導入される。例えばＥＣＵ６は、燃料電池１の状態に応じ、ノズル５４，５５の一方または両方が燃料ガスを噴出するように三方弁を制御する。

ノズル５４，５５の間には邪魔板５３が設けられている。ノズル５４は邪魔板５３の上方に位置し、ノズル５５は邪魔板５３の下方に位置する。つまり、邪魔板５３は、上方側のノズル５４と吸入口５１ａの間に延びている。このため、ノズル５４から噴出する燃料ガスに燃料オフガス中の液水が混入することが抑制される。

ノズル５４は、エジェクタ５の駆動源である燃料ガスの流量に対する燃料オフガスの循環流量の比が他方のノズル５５より大きく、噴出する燃料ガスの流量が大きいときに用いられることが好ましい。このため、ノズル５４の径はノズル５５の径より大きいほうがよい。

ノズル５４は、燃料電池１の負荷が大きい場合に用いられる。このような場合としては、例えば、燃料電池１の始動時に多量の燃料ガスを燃料電池１に供給する場合、または氷点下の環境下での燃料電池１の始動時に高濃度の燃料ガスを燃料電池１に供給する場合が挙げられる。後者の場合、再循環路Ｒ２７には、液水だけでなく、氷も存在することがあるため、邪魔板５３の作用により燃料電池１の始動性能が向上する。

また、符号Ｇ１３は、符号Ｇ１２の断面に対応する他の実施例のエジェクタ５の断面を示す。本例のエジェクタ５は、符号Ｇ１２のエジェクタ５と比較すると、邪魔板５３が２つの邪魔板５３ｒ，５３ｓに分かれている。各邪魔板５３ｒ，５３ｓは、上方側のノズル５４と吸入口５１ａの間に延びている。各邪魔板５３ｒ，５３ｓは、その一方の側面において吸入室５１の内壁５１ｂに固定されているが、ノズル５４，５５の先端側の端部が内壁５１ｂから離れている。このため、各邪魔板５３ｒ，５３ｓは、邪魔板５３と同様の作用効果を奏する。

図５は、３本のノズル５４〜５６を備えるエジェクタ５の例を示す断面図である。符号Ｇ２１，Ｇ２２は、それぞれ、図４の符号Ｇ１２の断面に対応する。図５において、図４と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

本例のエジェクタ５は、図４の符号Ｇ１２に示されるエジェクタ５のノズル５４，５５の下方に新たなノズル５６を追加したものである。ＥＣＵ６は、ノズル５４〜５６の少なくとも１つから燃料ガスが噴出するように三方弁などを制御する。

邪魔板５３はノズル５４〜５６に沿って延びている。邪魔板５３は、符号Ｇ２１で示されるように、ノズル５４，５５の間に設けられてもよいし、符号Ｇ２２で示されるように、ノズル５５，５６の間に設けられてもよい。

符号Ｇ２１の例において、邪魔板５３はノズル５４と吸入口５１ａの間に延びているため、ノズル５４から噴出する燃料ガスに燃料オフガス中の液水が混入することが抑制される。また、符号Ｇ２２例において、邪魔板５３はノズル５４，５５と吸入口５１ａの間に延びているため、ノズル５４，５５から噴出する燃料ガスに燃料オフガス中の液水が混入することが抑制される。

このように、エジェクタ５に３つのノズル５４〜５６が設けられている場合も、上述した作用効果が得られる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１燃料電池
２燃料タンク（蓄圧部）
５エジェクタ
９燃料ガス供給装置
５０，５４〜５６ノズル
５１吸入室
５１ａ吸入口
５１ｂ内壁
５３邪魔板（板部材）
５３ａ〜５３ｄ端部

Claims

燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置において、
前記燃料ガスを蓄圧する蓄圧部と、
前記蓄圧部から流入した前記燃料ガスに、前記燃料電池に再循環される燃料オフガスを混合して前記燃料電池に導入するエジェクタとを有し、
前記エジェクタは、
前記燃料ガスが噴出するノズルと、
前記ノズルを収容し、前記ノズルから噴出する前記燃料ガスにより生ずる負圧により前記燃料オフガスが前記ノズルの鉛直下方側の吸入口から吸入される吸入室と、
前記ノズルと前記吸入口の間に前記ノズルに沿って延び、前記ノズルの先端側の端部が前記吸入室の内壁から離れている板部材とを備える、
燃料ガス供給装置。