JP4176293B2 - 燃料電池の流体供給装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の燃料等供給系に使用される流体供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
ここで、固体分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池に供給される水素には加湿装置等によって過剰の水が混合されている。このため、燃料電池の電極内のガス流路に水が溜まって、このガス流路が塞がれることがないように、排出燃料には所定の排出流量が設定されている。
【０００４】
この際、排出燃料（以下、水素復流ということもある）を、新たに燃料電池に導入される燃料（すなわち水素）に混合して再循環させることで、燃料を有効に活用することができ、固体高分子膜型燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。
従来、上述したような燃料電池装置として、例えば特開平９−２１３３５３号公報に開示された燃料電池装置のように、エゼクタによって燃料を再循環させる燃料電池装置が知られている。
【０００５】
ここで、エゼクタについて説明すると、従来の一般的なエゼクタは、図９に示すように、ラッパ状をなすディフューザ１の基端開口に復流室２を連設し、この復流室２に復流通路３を連通し、ディフューザ１と軸線を同一にして配置したノズル４を復流室２内に突き出してその先端をディフューザ１の基端開口に臨ませて構成されている。このエゼクタでは、燃料電池に新たに導入される水素をノズル４からディフューザ１に向けて噴射すると、ディフューザ１のスロート部５に負圧が発生し、この負圧により復流室２に導入された水素復流がディフューザ１内に吸引され、ノズル４から噴射された水素と水素復流とが混合されてディフューザ１の出口から送出される。図１０は、この従来のエゼクタにおける圧力分布の概略を示している。
【０００６】
このエゼクタの吸引効率を示す指標にストイキがある。ここで、ストイキとは、前記例で言えば、ノズルから噴出される水素流量（すなわち、水素消費流量）Ｑａに対するディフューザから流出する水素流量（すなわち、燃料電池に供給される水素供給全流量）Ｑｔの比（Ｑｔ／Ｑａ）として定義される。また、復流室からディフューザに吸引される水素復流流量をＱｂとすると、Ｑｔ＝Ｑａ＋Ｑｂであるから、ストイキは（Ｑａ＋Ｑｂ）／Ｑａと定義される。このようにストイキを定義すると、ストイキ値が大きいほど吸引効率が大きいということができる。
【０００７】
ところで、従来のエゼクタでは、一つのエゼクタにおいてディフューザ径およびノズル径が固定されているため、使用流体の流量範囲内で各々最適な径を選定し使用するのが一般的である。この場合、エゼクタのストイキ値が最大になる流体流量（前記例で言えば水素消費流量Ｑａ）は一定の値に決定される。
図１１は、燃料電池の燃料供給用エゼクタにおいて、ストイキ値と水素消費流量Ｑａとの関係をノズル径をパラメータとして求めた実験結果の一例を示しており、ノズル径が小さくなるとストイキ値は上昇するが、水素消費流量Ｑａが少なくなり、一方、ノズル径が大きくなると水素消費流量Ｑａは大きくなるがストイキ値は小さくなる。
【０００８】
ここで、燃料電池の場合には、図１１において太い実線で示すように、燃料電池の運転状態によって要求されるストイキ値（以下、要求ストイキ値という）が決まっている上、燃料電池自動車の場合には、アイドリングから全開出力まで水素流量が１０〜２０倍も変化するため、一つのエゼクタで水素流量の全域に亘って要求ストイキ値を満足させることは困難であった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この問題を回避するために、小径ノズルと小径ディフューザを組み合わせた小流量用のエゼクタと、大径ノズルと大径ディフューザを組み合わせた大流量用のエゼクタを切り替えて使用する、バイパス通路付きの２連切り替えエゼクタシステムが本出願人により提案されている（特願２０００−８５２９１号）。
この方式では、小流量から大流量まで比較的に広い範囲に亘って満足できるストイキ性能を確保することができるが、２本のエゼクタと流路切替手段が必要になる上、更なるストイキ性能向上のためには３本、４本とエゼクタの数を増やし、この多数のエゼクタを切り替えることが必要になり、装置の大型化、重量増を招き、不利であった。
【００１０】
また、燃料電池における燃料供給用エゼクタではないが、特開平８−３３８３９８号公報や特開平９−２３６０１３号公報において可変流量エゼクタが提案されている。
特開平８−３３８３９８号公報に開示された可変流量エゼクタは、ノズル内部に軸線方向に移動可能なロッドが内蔵されていて、このロッドを軸線方向に移動させることによりノズル先端の開口面積を変更できるようにしたものである。この可変流量エゼクタでは、ノズル先端の開口面積を変えることによりストイキ値を変えることはできる一方で、ディフューザ径が固定であるため、ストイキ値と流量の対応関係が規制されている。この場合、燃料電池において要求される対応関係（図１１において太い実線で示す対応関係）をより詳細に設定し、ストイキ値の最適化を進めることが望まれる。
【００１１】
一方、特開平９−２３６０１３号公報に開示された可変流量エゼクタは、ノズルをディフューザに対して軸線方向に移動可能にしたり、径の異なるノズルを複数用意しノズルを交換可能にしたものである。この可変流量エゼクタでは、ノズルを交換しなければノズル径を変更することができないため、ストイキ値が連続的且つ短時間に変化する燃料電池自動車に搭載するエゼクタとしては適さない。そこで、この発明は、広範囲の流量域において所望のストイキ性能を設定することができる燃料電池の流体供給装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明に係る燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１１）の流体供給装置（例えば、実施の形態におけるエゼクタ３０）は、先端部（例えば、実施の形態におけるストレート部５０）および該先端部から伸長したテーパ部（例えば、実施の形態における第１テーパ部５１，第２テーパ部５２）を有するニードル（例えば、実施の形態における３３）と、先端に開口部（例えば、実施の形態における開口部４４）を有し該開口部に前記ニードルの先端部が軸線を同一にして挿入され内部に第１流体（例えば、実施の形態における水素）を供給されて前記開口部から噴射するノズル（例えば、実施の形態におけるノズル３２）と、前記ニードルおよび前記ノズルと軸線を同一にして設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体（例えば、実施の形態における水素復流）を吸引し前記第１流体に合流させて送出するディフューザ（例えば、実施の形態におけるディフューザ３１）と、前記ニードルを前記軸線方向に移動させて位置変更可能にするニードル位置調整手段（例えば、実施の形態における駆動部３４）とを備え、前記第１流体は前記ニードルと前記ノズルの開口部との間隙により形成される第１流体通路（例えば、実施の形態における第１流体通路５３）を通り第２流体と合流したのち前記テーパ部と前記ディフューザとの間隙により形成される第２流体通路（例えば、実施の形態における第２流体通路５４）を通じて送出され、前記ニードルは、流量に応じて設定されたストイキ値を満たす前記第１流体通路および前記第２流体通路を形成する所定の形状を備えることを特徴とする。ここで、ストイキ値とは、第１流体の流量に対する第１流体および第２流体の流量の和（すなわち、全流量）の比をいう。
【００１３】
このように構成することで、ニードル位置調整手段によりニードルを軸線方向に移動すると、第１流体通路の開口面積と第２流体通路の開口面積の両方が同時に連続的に変化する。その結果、ニードルを軸線方向に移動するだけで、第１流体と第２流体の流量比を連続的に変化させることができる。
【００１４】
しかも、第１流体と第２流体の流量比を所望する流量比に連続的に変化させることができ、したがって、ニードルの位置変更により所望するストイキ値を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の流体供給装置の実施の形態を図１から図８の図面を参照して説明する。図１は本発明に係る流体供給装置を備えた燃料電池の燃料供給系のシステム構成図である。
この燃料電池の燃料供給系システムは、例えば電気自動車等の車両に搭載されており、燃料電池１１と、加湿部１３と、酸化剤供給部１４と、熱交換部１５と、水分離部１６と、エゼクタ（流体供給装置）３０と、燃料供給側圧力制御部１８とを備えて構成されている。
【００１６】
燃料電池１１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタックからなり、燃料として例えば水素が供給される燃料極と、酸化剤として例えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えている。
【００１７】
空気極には、酸化剤供給部１４から空気が供給される空気供給口２０ａと、空気極内の空気等を外部に排出するための空気排出弁２１が設けられた空気排出口２０ｂが設けられている。一方、燃料極には、水素が供給される燃料供給口２０ｃと、燃料極内の水素等を外部に排出するための燃料排出口２０ｄが設けられている。
【００１８】
酸化剤供給部１４は、例えばエアーコンプレッサーからなり、燃料電池１１の負荷やアクセルペダル（図示略）からの入力信号等に応じて制御されており、熱交換部１５を介して、燃料電池１１の空気極に空気を供給するとともに、燃料供給側圧力制御部１８に空気を供給している。
熱交換部１５は、酸化剤供給部１４からの空気を所定の温度に加温して、燃料電池１１へと供給している。
【００１９】
燃料としての水素は、燃料供給側圧力制御部１８、エゼクタ３０，加湿部１３を介して燃料供給口２０ｃから燃料電池１１の燃料極に供給される。
加湿部１３は、供給される水素に水蒸気を混合して水素を加湿してから燃料電池１１へと供給し、固体分子電解質膜のイオン導電性を確保している。
エゼクタ３０は燃料供給側圧力制御部１８と加湿部１３とを接続する流路に設けられている。エゼクタ３０の構成については後で詳述するが、図１および図２に示すように、燃料供給側圧力制御部１８はエゼクタ３０のノズル３２に接続され、加湿部１３はエゼクタ３０の水素出口３７に接続されている。そして、エゼクタ３０の水素復流入口３６に、燃料電池１１の燃料排出口２０ｄから排出された排出燃料が、水分離部１６で水分を除去され、逆止弁２３を通じて供給される。エゼクタ３０は、燃料供給側圧力制御部１８から供給された燃料と燃料電池１１から排出された排出燃料を混合して燃料電池１１に供給するものである。
【００２０】
燃料供給側圧力制御部１８は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、酸化剤供給部１４から供給される空気の圧力を信号圧として、燃料供給側圧力制御部１８を通過した燃料が燃料供給側圧力制御部１８の出口で有する圧力、つまり供給圧を所定値に設定している。
【００２１】
次に、エゼクタ３０について図２を参照して説明する。エゼクタ３０は、ディフューザ３１と、ノズル３２と、ニードル３３と、駆動部３４とを主要構成としている。
ディフューザ３１の内部には略コ字状に屈曲する流体通路３５が設けられており、この流体通路３５の一端は水素復流入口３６としてディフューザ３１の外面で開口し、他端は水素出口３７としてディフューザ３１の外面で開口している。水素復流入口３６に連なる第１通路３８と水素出口３７に連なる第２通路３９は互いに平行に配置されており、両通路３８，３９はこれらと直交する第３通路４０によって接続されている。
【００２２】
第３通路４０は、その途中に内径が最小となるスロート部４１を有し、このスロート部４１よりも上流側には下流に進むにしたがって漸次連続的に縮径する絞り部４２が設けられ、スロート部４１よりも下流側には下流に進むにしたがって漸次連続的に拡径する拡径部４３が設けられている。なお、拡径部４３の広がり角度は上流側の絞り部４２の広がり角度よりも小さい。
【００２３】
ノズル３２は両端を開口させた筒状をなし、ディフューザ３１の第３通路４０と軸線を同一にして配置されて、ディフューザ３１に貫通固定されており、ノズル３２の先端側の開口部４４を第３通路４０におけるスロート部４１よりも所定寸法だけ上流側に位置させている。
【００２４】
ニードル３３は、その軸線をディフューザ３１の第３通路４０およびノズル３２と軸線を同一にして配置されており、駆動部３４によって軸線方向へ移動可能に支持されている。駆動部３４はリニア駆動型ステップモータからなり、ディフューザ３１において第２通路３９に近い側の外端面に固定されており、駆動部３４の可動シャフト４５がディフューザ３１の前記外端面に固定された取付フランジ４６のシャフト軸受部４７を遊挿し、先端を第３通路４０内に突き出している。この可動シャフト４５の先端にニードル３３の基端が固定されている。なお、ディフューザ３１と取付フランジ４６との間はシール材４８によってシールされ、取付フランジ４６のシャフト軸受部４７は駆動部３４に内蔵されたダイヤフラム４９によって閉塞されシールされている。
【００２５】
ニードル３３は、先端部分がストレート部５０になっていて、ストレート部５０の基端側に第１テーパ部５１が連設され、第１テーパ部５１の基端側に第２テーパ部５２が連設されている。ストレート部５０では外径が一定であり、第１テーパ部５１および第２テーパ部５２ではいずれも、基端側に進むにしたがって漸次連続的に拡径している。このニードル３３のストレート部５０はノズル３２の開口部４４からノズル３２内に挿入されており、ノズル３２とストレート部５０との間に介装されたニードル軸受６０によって摺動可能に支持されている。図３の断面図に示すように、ニードル軸受６０はその外周に凸部６１と凹部６２を交互に有しており、凹部６２を水素が流通できるようになっている。そして、ニードル３３は、第１テーパ部５１をディフューザ３１の絞り部４２内に位置させるとともにノズル３２の開口部４４との間に隙間を有して位置させ、第２テーパ部５２をディフューザ３１の拡径部４３内に位置させている。そして、ニードル３３と開口部４４との間隙により第１流体通路５３が形成され、ニードル３３とディフューザ３１の拡径部４３との間隙により第２流体通路５４が形成されている。
【００２６】
そして、ノズル３２に燃料供給側圧力制御部１８を介して燃料としての水素が供給され、ディフューザ３１の第１通路３８に燃料電池１１から排出された排出燃料である水素復流が供給される。
このように構成されたエゼクタ３０では、ノズル３２に水素を供給し、ディフューザ３１の第１通路３８に水素復流を供給すると、第１流体通路５３から噴射された水素が第２流体通路５４を通って第２通路３９へと流れ、この時にスロート部４１およびそれよりも若干下流側の第２流体通路５４において負圧が発生し、この負圧によって第１通路３８内の水素復流が第２流体通路５４に吸い込まれて、第１流体通路５３から噴射された水素と混合して第２通路３９に流れる。図４はこの時の圧力分布の概略を示しており、スロート部４１およびそれよりも若干下流側において負圧が発生しているのを確認することができる。なお、混合された水素と水素復流はディフューザ３１の水素出口３７から送出され、加湿部１３を介して燃料電池１１に供給される。
【００２７】
また、このように構成されたエゼクタ３０では、ニードル３３の第１テーパ部５１と第２テーパ部５２とディフューザ３１の拡径部４３とを予め所定の形状に形成しておくと、ニードル３３を初期位置から下流方向（図２において右方向）に移動させることにより、第１流体通路５３の開口面積と第２流体通路５４の開口面積を連続的に変化させることができる。そこで、この実施の形態のエゼクタ３０では、次のようにして、ディフューザ３１の拡径部４３、ニードル３３の第１テーパ部５１および第２テーパ部５２の形状を所定形状に決定した。
【００２８】
まず、電気自動車に搭載される燃料電池の場合には、前述したように、燃料電池の運転状態によって要求されるストイキ値（要求ストイキ値）が図１１において太い実線で示すように決まっているので、各流量に応じた要求ストイキ値をほぼ満足できる第１流体通路５３の開口面積が得られるように第１テーパ部５１の形状を決定する必要がある。ここで、ストイキとは、第１流体通路５３から噴出される水素流量（すなわち、水素消費流量）Ｑａに対するディフューザ３１の水素出口３７から流出する水素流量（すなわち、燃料電池に供給される水素供給全流量）Ｑｔの比（Ｑｔ／Ｑａ）として定義される。また、第１通路３８から第２流体通路５４に吸引される水素復流流量をＱｂとすると、Ｑｔ＝Ｑａ＋Ｑｂであるから、ストイキは（Ｑａ＋Ｑｂ）／Ｑａと定義される。
【００２９】
また、本発明の発明者は、図１１の太線で示す要求ストイキ値と流量との特性に近付けるためには、図５に示すように、第１流体通路５３の開口面積を大きくするにしたがって第２流体通路５４の開口面積も大きくするのが好ましいことを実験により確認した。そこで、この実験結果に基づき、ニードル３３の軸線方向移動により、第１流体通路５３の開口面積の変化が図５に示す最適ノズル径に対応して変化し、第２流体通路５４の開口面積の変化が図５に示す最適ディフューザ径に対応して変化するように、ディフューザ３１の拡径部４３およびニードル３３の第２テーパ部５２の形状を決定した。
【００３０】
なお、第２流体通路５４の開口面積の変化のし方は、ディフューザ径およびノズル径が固定されているタイプのエゼクタ（すなわち、図９に対応するエゼクタ）におけるディフューザの最適広がり角度（８〜１０゜）の開口面積の変化のし方と同程度か、あるいは、壁面抵抗の増大分を考慮した分大きくするのが好ましい。
【００３１】
このように構成されたエゼクタ３０を有する燃料電池の燃料供給システムによれば、駆動部３４によりニードル３３を軸線方向に沿ってノズル３２に接近あるいは離間することにより、第１流体通路５３と第２流体通路５４を両方同時に連続的に変化させることができ、しかも、燃料流量が小流量の時には第１流体通路５３と第２流体通路５４の両方の開口面積を小さくでき、燃料流量が大流量の時には第１流体通路５３と第２流体通路５４の両方の開口面積を大きくできる。
【００３２】
そして、駆動部３４を燃料電池１の運転状態に応じて制御することにより、燃料流量の小流量から大流量の広範囲に亘って所定のストイキ特性を確保しつつ、必要な燃料流量を燃料電池１に送出することができる。図６は、縦軸にストイキ値、横軸に水素流量をとって示すストイキ特性図であり、このエゼクタ３０のストイキ特性が要求ストイキに近似して変化することを確認することができる。
また、ニードル３３を軸線方向に移動するだけで上記効果を得ることができるので、エゼクタの構造簡素化、小型化、軽量化を図ることができる。
【００３３】
なお、前述した実施の形態では、ノズル３２をディフューザ３１に固定しているが、ノズル３２とディフューザ３１とを螺合結合にして、ノズル３２をその軸線方向に沿って位置調整可能にすることができる。このようにすると、ノズル３２の位置調整を行うことにより、ノズル３２の開口部４４とディフューザ３１のスロート部４１との離間寸法の加工精度のばらつきを吸収させたり、実車毎の必要流量特性のばらつきを吸収させることができる。
また、ノズル３２をその軸線方向に沿って位置調整することにより、第２流体通路５４の初期開口面積を調整することができる。したがって、図７の開口面積比変化の図に示すように、第１流体通路５３の開口面積（ノズル３２の開口面積）と第２流体通路５４の開口面積（ディフューザ３１の開口面積）の開口面積比を微調整することができる。
【００３４】
図８は、前記エゼクタ３０の変形例を示す図である。前記実施の形態のエゼクタ３０では、ディフューザ３１の第１通路３８および第２通路３９を第３通路４０に直交するように設けているが、このように流体通路３５を構成すると流体の流れ方向が急変するため流路抵抗が大きくなってしまう。
そこで、この変形例では、第１通路３８および第２通路３９をいずれも第３通路に対して斜めに接続するとともに、第２通路３９を２つ設けることにより、流路抵抗を減少させている。その他の構成については前記実施の形態のエゼクタ３０と同様であるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。例えば、駆動部３４はリニア駆動型ステップモータに限られるものではなく、ニードル３３を軸線方向に位置調整することができるものであれば、他の駆動手段を用いることも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、第１流体と第２流体の流量比を連続的に変化させることができるので、小流量から大流量の広範囲に亘って所望のストイキ値を確保しつつ所望する全流量も確保できるという優れた効果が奏される。また、ニードルを軸線方向に移動するだけで、第１流体と第２流体の流量比を連続的に変化させることができるので、装置の簡素化、小型化、軽量化を達成することができる。また、ノズルを交換することがないので、要求されるストイキ値が連続的且つ短時間に変化する燃料電池自動車にも適用可能である。
【００３６】
しかも、第１流体と第２流体の流量比を所望する流量比に連続的に変化させることができ、ニードルの位置変更により所望するストイキ値を得ることができるので、要求されるストイキ値を確保することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る流体供給装置を備えた燃料電池の燃料供給系システム構成図である。
【図２】 この発明に係る燃料電池の流体供給装置であるエゼクタの断面図である。
【図３】 前記エゼクタのノズルとニードルとニードル軸受の縦断面図である。
【図４】 前記エゼクタにおいて負圧発生部を示す図である。
【図５】 前記エゼクタにおいて水素流量に対する最適ノズル径および最適ディフューザ径の関係を示す示す図である。
【図６】 前記エゼクタのストイキ特性図である。
【図７】 前記エゼクタにおいてノズルの位置調整による第１流体通路５３と第２流体通路５４の開口面積比の変化を示す図である。
【図８】 前記エゼクタの変形例の断面図である。
【図９】 従来の一般的なエゼクタの断面図である。
【図１０】 従来のエゼクタにおいて負圧発生部を示す図である。
【図１１】 従来のエゼクタのノズル径をパラメータとしてストイキ値と水素消費流量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１・・・燃料電池
３０・・・エゼクタ（流体供給装置）
３１・・・ディフューザ
３２・・・ノズル
３３・・・ニードル
３４・・・駆動部（ニードル位置調整手段）
４４・・・開口部
５０・・・ストレート部
５１・・・第１テーパ部（テーパ部）
５２・・・第２テーパ部（テーパ部）
５３・・・第１流体通路
５４・・・第２流体通路

Claims (1)

1. 先端部および該先端部から伸長したテーパ部を有するニードルと、
   先端に開口部を有し該開口部に前記ニードルの先端部が軸線を同一にして挿入され内部に第１流体を供給されて前記開口部から噴射するノズルと、
   前記ニードルおよび前記ノズルと軸線を同一にして設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し前記第１流体に合流させて送出するディフューザと、
   前記ニードルを前記軸線方向に移動させて位置変更可能にするニードル位置調整手段とを備え、
   前記第１流体は前記ニードルと前記ノズルの開口部との間隙により形成される第１流体通路を通り第２流体と合流したのち前記テーパ部と前記ディフューザとの間隙により形成される第２流体通路を通じて送出され、
   前記ニードルは、流量に応じて設定されたストイキ値を満たす前記第１流体通路および前記第２流体通路を形成する所定の形状を備えることを特徴とする燃料電池の流体供給装置。

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