JP4325016B2 - 噴射ノズル式ミスト発生器および燃料電池用ミスト発生器取付装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、噴射ノズル式ミスト発生器に関し、さらに詳しくは、例えば高分子型燃料電池の電極に供給される反応ガスを加湿するために加湿用のミストを発生させる噴射ノズル式ミスト発生器、およびこれを燃料電池に適用した時の燃料電池用ミスト発生器取付装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のミスト発生器は、例えば、高分子型燃料電池の燃料極あるいは空気極に供給される反応ガス（燃料極の場合は燃料ガス、空気極の場合は酸化剤ガス）の加湿装置として用いられる。高分子型燃料電池は、燃料極面には燃料ガスを、また空気極面には酸化剤ガスを流し、燃料極で生じたプロトンが電解質膜を通じて空気極へ移動し水を生じさせるという電気化学反応によって起電力（電気エネルギー）を発生させるものである。
【０００３】
そしてこの高分子型料電池を正常に運転させるためには、電解質膜が適正な含水状態に保たれることが必要であり、そのために燃料極に供給される燃料ガスや空気極に供給される酸化剤ガスのような反応ガスに噴霧状のミストを添加し、反応ガスを加湿状態に保持することが一般的に行われている。
【０００４】
ところでこの種のミストによる加湿装置を備えた燃料電池としては、例えば、特開平５−５４９００号公報に、噴霧ノズル又は超音波振動子を備えたミスト発生器を用いて、燃料ガスあるいは酸化剤ガスに噴霧状のミストを添加する反応ガス加湿装置を備えた固体高分子型燃料電池が開示されている。
【０００５】
そしてこのようにミストによる加湿装置を燃料電池に適用することは、噴霧状のミストが、反応ガスをキャリアとしてそのまま電極に搬送されるので、加湿水分量を定量的に制御でき、またミストが水蒸気になる際、反応ガスから蒸発潜熱を奪うので、反応ガスの冷却効果が期待できるという利点がある。
【０００６】
一方、燃料電池には限られるものではないが、この種のミスト発生器の一形態として、例えば、図７に示したようなものが、特開昭５７−４２３６２号公報に開示されている。この公報に示されたミスト発生器７０は、ノズル本体７２の中心軸線Ｘ−Ｘの周りに複数個（この図では、２個）のノズル収納部７４ａ、７４ｂを等間隔に備え、各ノズル収納部７４ａ、７４ｂは圧搾空気導入のための導気路７６と、液体導入のための導液路７８を有すると共に、各ノズル収納部７４ａ、７４ｂの先端に空気噴出路８０と液孔８２とが２重管構造をした噴射ノズルをある交差角度で配置したものである。
【０００７】
そしてこの公報に示したものは、各ノズル収納部７４ａ、７４ｂの導気路７６より供給される圧搾空気が空気噴出路８０より噴射される際に、導液路７８より供給される液体が吸引されて液孔８２より噴出され、気液混合の微粒子状のミストとなり、さらに各ノズル収納部７４ａ、７４ｂより噴出されるミストは、中心軸線Ｘ−Ｘ上の交差点で衝突し、その時の噴流衝突により数ミクロン以下の微小粒子（ミスト）を発生させるというものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特開昭５７−４２３６２号公報に示されるミスト発生器によれば、二流体ノズルから噴出される気液混合流体をある交差角度で衝突させることにより微粒子のミストを効果的に発生させることができるが、この公報のものは、部屋・工場・病院などの広い空間スペースを均質に加湿することを意図し、その発生ミストを広範囲な空間スペースに向けて拡散・飛散させるのに有効なものである。
【０００９】
一方、前述の燃料電池システムの例では、電池の小型化（車載性確保）や高出力、高密度化のため電池内部におけるガス流路は非常に狭く、ガス流路内部は圧力調整を必要とする閉空間であり、他のガス供給源など構成要素間がパイプなどにより接続されているといったことから、ミストノズルからの噴霧（ミスト）が拡散するための十分な空間が取れない。そのために発生ミストが反応ガスに十分拡散できず、発電に利用する前に流路内壁面と衝突し液化してしまうという問題がある。
【００１０】
そしてこのような問題から、噴射ノズルの供給水の利用率が極端に小さく、供給水保持量が多くなると共に、流路内部に発生した液溜りが、ガス閉塞（フラッディング）などの要因として安定発電の大きな妨げとなるという障害が生じていた。
【００１１】
本発明の解決しようとする課題は、超微小粒径ミスト（約３０μｍ以下）を圧力調整場に対しても、安定、かつ連続して発生させ、かつ噴出させることのできる噴射ノズル式ミスト発生器を提供することにある。
【００１２】
また本発明が解決しようとする別の課題は、このような高性能の噴射ノズル式ミスト発生器を、高分子型燃料電池の電解質膜を適正な湿潤状態に保持させる加湿装置に適用することにより、燃料電池の安定した運転を達成しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の噴射ノズル式ミスト発生器は、請求項１に記載のように、小粒径ミストが噴射される複数の二流体ノズルが、その小粒径ミストがミスト加速用の２次ガスを導入する２次ガス導入路内で互いに衝突するよう稍々傾斜状に配置されると共に、前記２次ガス導入路内には前記二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突が前記ミスト加速用２次ガスにより妨げられることを阻止すると共にその２次ガスの流れを妨げることなく発生ミストと供給２次ガスとの混合を促進する流れ制御部材が前記二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突地点より稍々上流側に配置され、さらに小粒径ミストの衝突により発生する微小粒径ミストを前記２次ガスにより混合・加速した状態で絞り込んで噴出させる２次ノズルが前記二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突地点の下流側に設けられていることを特徴とすることを要旨とするものである。
【００１４】
上記構成を有する噴射ノズル式ミスト発生器によれば、各二流体ノズルより噴射された小粒径ミストが２次ガス導入路内の一点で衝突してさらに微小粒径のミストとなり、この微小粒径ミストは圧送されてくる２次ガスにより加速・ガス混合促進され、さらに２次ノズルにより絞り込まれて噴出される。そしてその時に２次ガス導入路内に配置される流れ制御部材によって、各二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突が圧送されてくる２次ガスによって妨げられることを阻止するとともに発生ミストと供給２次ガスとの混合が促進される。
【００１５】
したがってこのミスト発生器によれば、超微小粒径（約３０μｍ以下）のミストを圧力調整場に対しても安定して、かつ連続して発生させることができ、また、そのための圧力損失も低く、ミスト発生用供給ガス量も少なくて済む。また超微小粒径ミストは２次ノズルよりガスと十分混合されて噴出されるものであるから、この発生ミストを例えば、燃料電池などの狭い流路へ供給することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池用ミスト発生器取付装置は、請求項２に記載のように、上記した噴射ノズル式ミスト発生器を燃料電池の電解質膜の片方の面に設けられる燃料極もしくは反対側の面に設けられる空気極に供給される反応ガスの加湿装置に適用し、燃料電池取付部における粗い液滴・液水を分離すると共に燃料電池への供給ミストの粒径をそろえ、供給ガスに十分混合したミストのみを選択的に供給する機構を備えていることを要旨とするものである。
【００１７】
この燃料電池用ミスト発生器取付装置によれば、燃料電池内部でのミスト流れ挙動は、急激な拡大、縮小、曲りを伴う複雑な流路に良く沿ったものとなる。そのためミストを含むガス流れの壁面への衝突、付着を大幅に抑制でき、ミストの壁面上での液化を防止するとともに、各電池セルへの均等な分配を可能とする。そしてこれにより、燃料極あるいは空気極を通じて電解質膜を適正な湿潤状態に保つことができ、燃料電池の電池性能の安定状態が維持される。
【００１８】
さらに請求項３に記載のように、燃料電池への適用のための燃料電池取付部における回収水を前記二流体ノズルへの供給水として保持する保水タンクを備えると共に、サイフォン式二流体ノズルにおける保水タンク圧力調整機構を備えるようにすれば、燃料電池用ミスト発生器取付装置において回収された液水の再利用機能と、ミスト発生器への液水供給用タンク機能としての機能をあわせもつことにより、サイフォン式二流体ノズルにおける加湿で課題とされる圧力調整場への過渡ガス量変化に起因するノズル吹出し部での圧力変化に対応した液水の供給が可能となる。この圧力変化はノズル吹出し量・ミスト発生量の変動を引きおこし、安定加湿、電池作動の妨げとなるが、この保水タンクによれば、ノズル吹出し部での圧力変動を直接受け、サイフォン式ノズル液管における差圧を調整することでこの課題が大幅に改善される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１および図２は、本実施形態に係る噴射ノズル式ミスト発生器の概略構成を示したものである。このミスト発生器１０は、ブロック形状のノズル本体１２に、小粒径ミストの噴射を可能とする複数（この実施例では２本）の外部混合型サイフォン式の二流体ノズル１４ａ、１４ｂと、該各二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出された小粒径ミストどうしの衝突によりさらに微小粒子化されたミストに２次ガスを導入して加速・ガス混合促進するための２次ガス導入路１６とが設けられている。この場合二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出されるミスト用ガス、および２次ガス導入路１６内を流れる２次ガスには、Ａｉｒ、Ｏ２、Ｈ２、改質ガス等を利用することが可能である。
【００２０】
そして各二流体ノズル１４ａ、１４ｂは、中心に図示しない供給ポンプにより圧搾ガスが供給される給ガス路２０が設けられ、該給ガス路２０の軸心に水が供給される給液路１８が設けられた二重管構造をなし、さらに該給ガス路２０の先端部分は給液路１８の先端部分で小径に絞られた構成をなしている。そのために給ガス路２０より圧搾ガスが噴出されると、そのノズル孔付近に発生するうず効果により負圧となり、その負圧によって給液路１８内の水が吸引されて噴出され、気液混合ガスとして噴霧状の小粒径ミストが形成されるようになっている。
【００２１】
該各二流体ノズル１４ａ、１４ｂは、各二流体ノズルより噴出された小粒径ミストが前記２次ガス導入路１６の中心線上の一点で衝突するように、そのノズルの延長線上位置で交差するように稍々傾斜状に配設されている。この実施例では、２本の二流体ノズル１４ａ、１４ｂが前記２次ガス導入路１６の中心線を挟んで対称位置に配設されているが、３個あるいは４個以上の二流体ノズルを配設するものであってもよく、その場合には各二流体ノズルが等間隔で２次ガス導入路１６の周りに配設されるのがよい。
【００２２】
そして前記２次ガス導入路１６内には、前記二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出される小粒径ミストの衝突地点よりも稍々上流位置に、その小粒径ミストの衝突によって発生する超微小粒径ミスト（約３０μｍ以下）と、前記２次ガス導入路１６内を圧送される２次ガスとの干渉による乱れを防止し、発生ミストと供給２次ガスとの混合を促進するための流れ制御板２２が、丁度２次ガス導入路１６内の中央位置に設けられている。
【００２３】
またさらに、前記二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出される小粒径ミストの衝突によって生じる超微小粒径ミストの下流側には、その超微小粒子ミストを前記２次ガス導入路１６により圧送される２次ガスにより加速・ガス混合を促進した状態で噴出させる２次ノズル２４が設けられている。
【００２４】
このように構成されたミスト発生器１０によれば、二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出される小粒径ミストは、２次ガス導入路１６内の一点で激しく衝突し、約３０μｍ以下の超微小粒子のミストとされる。そしてこの超微小粒子ミストは、２次ガス導入路１６に圧送されてくる２次ガスにより加速・ガス混合を促進され、２次ノズル２４より噴出されるが、その時に２次ガス導入路１６内に配設される流れ制御板２２によって前記二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出される小粒径ミストの衝突が２次ガス導入路１６内に圧送される２次ガスによって邪魔されないようになっているので、その二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出される小粒径ミストはその衝突によって確実に超微小粒径とされるとともに発生ミストと２次ガスとの混合を促進するようになっている。
【００２５】
そしてその超微小粒子ミストは、２次ノズル２４より噴出される時にそのノズル管路で絞り込まれ、ガスと十分混合され噴出断面積を縮小した上で噴出されることとなる。そのためにこの２次ノズルより噴出される超微小粒子ミストは、狭い流路でも液化することなく供給されることとなる。
【００２６】
このミスト発生器１０は、例えば、燃料電池に供給される反応ガスの加湿装置に適用することができる。燃料電池取付部における粗粒な液滴・液水を分離、回収すると共に、燃料電池への供給ミストの粒径をそろえ、供給ガスに十分混合したミストのみを選択的に燃料電池内へ供給することを可能とする。このミスト発生器を燃料電池に適用することで、燃料電池内部でのミストの流れ挙動は、急激な拡大、縮小、曲りをともなう複雑な流路に良く沿ったものとなる。そのためミストを含むガス流れの壁面への衝突、付着を大幅に抑制でき、ミストの壁面上での液化を防止するとともに、各電池セルへの均等な分配を可能とする。そしてこれにより各電池セルの燃料極および空気極を通じて電解質膜が適正な湿潤状態に保たれ、燃料電池の電池性能は安定状態に保たれる。
【００２７】
また、このミスト発生器を燃料電池に適用し、その取付部において回収された液水をミスト発生器の二流体ノズル１４ａ、１４ｂに戻して再利用できるようにすれば、サイフォン式ノズルにおける加湿で課題とされる圧力調整場への過渡ガス量変化に起因するノズル吹出し部での圧力変化に対応したミストの供給が可能となる。この圧力変化はノズル吹出し量・ミスト発生量の変動を引きおこし、安定加湿、電池作動の妨げとなるが、この保水タンクによれば、ノズル吹出し部での圧力変動を直接受け、サイフォン式ノズル液管における圧力が調整されることになる。
【００２８】
図３〜図６は、上記実施形態のミスト発生器１０を燃料電池に適用した例を示したものである。初めに図３は、第一の実施形態に係る燃料電池への搭載イメージを示している。この図３では、燃料電池３０の多数積層される電池セル３２の端部に設けられるエンドプレート３４にミスト発生器１０が取り付けられた状態を示している。
【００２９】
この場合、例えば、燃料電池３０の燃料極に燃料ガスを供給する場合にその燃料ガス中に上記ミスト発生器１０により発生させた超微小粒子ミストを導入するか、あるいは燃料電池の空気極に酸化剤ガスを供給する場合にその酸化剤ガス中に上記ミスト発生器１０により発生させたミストを導入するかのいずれか一方もしくは両方であってもよい。これから述べる実施例では、燃料ガスに超微小粒子ミストを導入する場合と、酸化剤ガスに超微小粒子ミストを導入する場合のいずれにも適用できるものである。
【００３０】
しかしてこの図３に示した実施例では、燃料電池３０のエンドプレート３４に、本実施形態のミスト発生器１０が取り付けられ、該ミスト発生器１０により発生されたミストがそのミスト発生器１０の２次ノズル２４を介して燃料電池３０の電池セル３２へ導入されるように構成されている。このときこの実施例では、燃料電池３０のエンドプレート３４に、前記ミスト発生器１０で発生したミストが２次ノズル２４を介して燃料電池３０内に導入される時に一部粗粒な液滴・液水を分離、回収する回収槽３６が設けられている。
【００３１】
しかしてこの図３に示した実施例では、ミスト発生器１０で発生した超微小粒子ミストは燃料電池３０に導入されるが、そのミスト発生器１０で発生したミストは、ミスト発生器１０内の２次ノズル２４で絞り込まれて燃料電池３０内に導入されることにより、狭い燃料電池の流路内へ効果的に超微小粒子ミストを供給することが可能となる。
【００３２】
しかもそのミストは、ミスト発生器１０内で二流体ノズル１４ａ、１４ｂから噴射される小粒径ミストの衝突によりミストの超微粒子化を図ったものであり、しかも流れ制御板２２によりその二流体ノズル１４ａ、１４ｂからの噴射ミストの衝突を確保するとともに２次ガスとの混合を促進しつつ、２次ノズル２４において噴射ミスト形状が効果的に縮小されることにより、ミストの超微粒子化が図れると同時に小領域内でのガスとの均一な混合が可能となるものである。ミストおよびガスの流れに十分追従可能な微小粒径約３０μｍ以下での安定した、かつ連続したミストの発生が可能となるものである。
【００３３】
そして一部のミストが燃料電池へ導入される前に液化した場合にはそれをミストから分離・回収することにより、電池内部での液水の滞留を阻止抑制することができ、粗い液滴や、液水の分離は電池内部での供給ミストの液化を大幅に軽減できるとともに、ミスト中のガスへの混合性の高いもののみを選択的に供給できることから、電池内部での複雑な流路へのミスト流れ供給を可能とする。これにより内部滞留水による電極部のフラッディングを防止することができると同時に、各電池セルへの均等なガス・ミスト供給を可能とし、電池の安定作動を確保することができるものである。液水および大粒径のミストの回収により電池内に供給されるミストの小粒径化も可能となる。
【００３４】
図４は、燃料電池への適用例の別の実施例について示したものである。この実施例では、回収槽（供給水タンク）３６内に回収された液水をミスト発生器１０へ循環利用するものである。この図４に示した実施例では、燃料電池３０のエンドプレート３４に設けられる供給水タンク３６とミスト発生器１０とが循環パイプ３８を介して連通されている。またこの図４では、２次ガス導入路１６へ圧搾ガスを導入するメインガス管路４０と、該メインガス管路４０と分岐して二流体ノズル１４ａ、１４ｂへ圧搾ガスを供給する分岐ガス管路４２とが設けられ、該分岐ガス管路４２にはミスト発生用ガス流量調整のための供給ポンプ４４と電磁切替え弁４６とが備えられた状態が示されている。
【００３５】
この図４に示した実施例では、メインガス管路４０を介して圧搾ガスがミスト発生器１０の２次ガス導入路１６に導入されるほか、分岐ガス管路４２を介して各二流体ノズル１４ａ、１４ｂへ圧搾ガスが導入されるが、その時に電磁切替え弁４６の制御により二流体ノズル１４ａ、１４ｂより圧搾ガスが噴出されたり、噴出されなかったりする。これにより、燃料電池３０内の反応ガス中のミスト濃度を制御することができ、電解質膜が適正な含水状態に保たれて安定した電池性能が発揮される。またミスト発生にガスを利用しない場合には、供給ガスをメインガス管路４０に戻すことで、燃料電池発電に供するガス流量は常に一定状態に保つことができる。また発電に寄与する供給ガス量に対し、十分少ないガス供給量でミスト発生が可能であり、ポンプ４４の動力負荷は非常に小さい。
【００３６】
また、供給水タンク３６に回収された液水をミスト発生器１０へ戻して循環利用することにより、熱損失の低減が可能となる。すなわち、回収水は電池内部に滞在している時、電池内部発熱（発熱損失分）により温度上昇する傾向を示すが、この高温液水を循環利用し、ミストとして再噴射することで熱ロスを抑制することが可能となる。
【００３７】
さらに高温水（例えば、８０℃）のミスト化は、発生ミストの気化（蒸発）を促進することから供給ミストの利用率がさらに向上し、水管理がより容易となるし、これによりミストと蒸気併用による加湿制御が可能となる。
【００３８】
図５は、さらに別の実施形態を示したもので、この実施例では、ミスト発生器１０そのものを燃料電池３０のエンドプレート３４に組み込んでいる。この場合には、二流体バルブ１４ａ、１４ｂへ圧搾空気を導入する分岐ガス管路４２をエンドプレート３４に直接設け、また、ミスト発生器１０から発生するミストが液水化したものを回収し、ミスト発生用供給水として補給するための液水回収用の供給水タンク３６とミスト発生器１０との間の循環路３６もエンドプレート３４内に設けている。
【００３９】
このような構成とすれば、燃料電池のエンドプレートを製作する時に上述した各管路４２、３６を一体的に設けておくことにより、ミスト発生器１０のブロック体そのものがエンドプレート３４と兼用できることとなり、ミスト発生器１０の製作コストの低廉化および燃料電池システムとしての小型化が図れるため、車載性の向上等多くの利点が発生する。
【００４０】
さらに図６は、ミスト発生器１０で発生した液水を回収する供給水タンク３６を燃料電池３０の外部に設け、燃料電池３０のエンドプレート３４部で回収された液水は回収管４８を介して供給水タンク３６へ回収され、供給水タンク３６内の液水は給液管５０を介してミスト発生器１０へ導入されるようになっている。このように構成されたものでは、燃料電池３０のエンドプレート３４内に供給水タンク３６を設ける必要がない。
【００４１】
以上各種の実施形態について説明したが、これらの実施形態における噴射ノズル式ミスト発生器によれば、外部混合型サイフォン式二流体ノズルを使用して低い供給ガス量により小粒径ミストの噴射を可能とし、二流体ノズルから発生した噴流ミストの衝突によりさらなるミストの微粒子化の促進とノズル噴射口からの微粒子化距離の短縮化を図り、さらにその発生ミストに２次ガスを混合し、その際流れ制御部材により発生ミストの微粒化と２次ガスとの混合促進とを図った上で２次ノズルにより効果的な断面絞り込みを行うことで噴射ミストの形状を効果的に縮小することができるものである。
【００４２】
またこの噴射ノズル式ミスト発生器を燃料電池の加湿装置に適用することにより、燃料電池取付部における粗い液滴や液水が分離・回収され、粒径のそろった微小粒径のミストが２次ガスに十分に混合させた状態で燃料電池内へ供給されることとなる。そして燃料電池内でのミストの流れ挙動は、急激な拡大、縮小、曲がりを伴う複雑なガス流路に良く沿ったものとなり、ミストを含むガス流れの壁面への衝突、付着が大幅に抑制されることにより、ミストの壁面上での液化が防止されると同時に各電池セルへのミストの分配が均等に行なわれることとなる。したがって各電池セルの電解質膜は適正な湿潤状態に保たれ、燃料電池の電池性能は安定した状態に保たれるものである。
【００４３】
そしてこの場合に、燃料電池取付部においてミストより回収分離した液水を一旦保水タンクに貯留し、ミスト発生器における二流体ノズルの吸引力によって吸引して再利用されるようにすることにより、ノズル吹出し部での供給ガスの圧力変化に対応した液水量の循環が行なわれ、常に適正な量のミストの供給がなされることになる。したがって燃料電池の運転状況に応じてミスト供給ガス量のＯＮ／ＯＦＦ制御を行なうことにより常に計算された量のミストの供給が可能となり、また安定したミストの湿潤状態が得られ、燃料電池の電池性能の一層の安定化が図られることになる。
【００４４】
本発明は、上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記した各種の実施形態はいずれも燃料電池に適用した例を示したが、その他の用途にも適用できることは言うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の噴射ノズル式ミスト発生器によれば、外部混合型サイフォン式二流体ノズルを使用して低い供給ガス量により小粒径ミストの噴射を可能とし、二流体ノズルから発生した噴流ミストの衝突によりさらなるミストの微粒子化の促進とノズル噴射口からの微粒子化距離の短縮化を図り、さらにその発生ミストに２次ガスを混合し、その際２次ガス導入路内に設けられる流れ制御部材によりミストの流れを制御した上で２次ノズルにより効果的な断面絞り込みを行うことで噴射ミストの形状を効果的に縮小することができるという利点を有する。
【００４６】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池用ミスト発生器取付装置によれば、この請求項１に記載のミスト発生器を燃料電池の燃料極や空気極へ供給される反応ガスにミストを導入する加湿装置として適用し、その際に燃料電池取付部における粗い液滴や液水を回収すると共に微小粒径のそろったミストを十分に供給ガスに混合した状態で選択的に供給するようにしたものであるから、電池内のガス流路壁面でのミストの液化等もなく各電池セルへの均等に分配されることにより電解質膜へのミストの供給が確実に行われ、電解質膜の安定した湿潤状態が保たれることにより電池性能が安定した運転状態が得られるものである。
【００４７】
さらに請求項３に記載の発明のように、燃料電池取付部において回収分離した液水を一旦保水タンクに貯留し、ミスト発生器へ循環させることにより再利用するに当たり、そのミスト発生器の二流体ノズルにサイフォン式吸引力によって供給されるようにすることにより、燃料電池へのミストの供給量およびその含湿状態を制御でき、燃料電池の運転の一層の安定化が図られるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る噴射ノズル式ミスト発生器の概略構成図である。
【図２】図１に示したミスト発生器のＡ−Ａ線方向の矢示図である。
【図３】図１および図２に示したミスト発生器を燃料電池に適用した例を示した概略構成図である。
【図４】このミスト発生器を燃料電池に適用した他の実施形態の概略構成図である。
【図５】さらにこのミスト発生器を燃料電池に適用した他の実施形態の概略構成図である。
【図６】同じくこのミスト発生器を燃料電池に適用した他の実施形態の概略構成図である。
【図７】従来知られているミスト発生器の一実施形態図である。
【符号の説明】
１０ 噴射ノズル式ミスト発生器
１２ ノズル本体
１４ａ、１４ｂ 二流体ノズル
１６ ２次ガス導入路
１８ 給液路
２０ 給ガス路
２２ 流れ制御部材
２４ ２次ノズル
３０ 燃料電池
３２ 電池セル
３４ エンドプレート
３６ 回収槽(供給水タンク)
３８ 給液路
４０ メインガス管路
４２ 分岐ガス管路
４６ 電磁切替え弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、噴射ノズル式ミスト発生器に関し、さらに詳しくは、例えば高分子型燃料電池の電極に供給される反応ガスを加湿するために加湿用のミストを発生させる噴射ノズル式ミスト発生器、およびこれを燃料電池に適用した時の燃料電池用ミスト発生器取付装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のミスト発生器は、例えば、高分子型燃料電池の燃料極あるいは空気極に供給される反応ガス（燃料極の場合は燃料ガス、空気極の場合は酸化剤ガス）の加湿装置として用いられる。高分子型燃料電池は、燃料極面には燃料ガスを、また空気極面には酸化剤ガスを流し、燃料極で生じたプロトンが電解質膜を通じて空気極へ移動し水を生じさせるという電気化学反応によって起電力（電気エネルギー）を発生させるものである。
【０００３】
そしてこの高分子型料電池を正常に運転させるためには、電解質膜が適正な含水状態に保たれることが必要であり、そのために燃料極に供給される燃料ガスや空気極に供給される酸化剤ガスのような反応ガスに噴霧状のミストを添加し、反応ガスを加湿状態に保持することが一般的に行われている。
【０００４】
ところでこの種のミストによる加湿装置を備えた燃料電池としては、例えば、特開平５−５４９００号公報に、噴霧ノズル又は超音波振動子を備えたミスト発生器を用いて、燃料ガスあるいは酸化剤ガスに噴霧状のミストを添加する反応ガス加湿装置を備えた固体高分子型燃料電池が開示されている。
【０００５】
そしてこのようにミストによる加湿装置を燃料電池に適用することは、噴霧状のミストが、反応ガスをキャリアとしてそのまま電極に搬送されるので、加湿水分量を定量的に制御でき、またミストが水蒸気になる際、反応ガスから蒸発潜熱を奪うので、反応ガスの冷却効果が期待できるという利点がある。
【０００６】
一方、燃料電池には限られるものではないが、この種のミスト発生器の一形態として、例えば、図７に示したようなものが、特開昭５７−４２３６２号公報に開示されている。この公報に示されたミスト発生器７０は、ノズル本体７２の中心軸線Ｘ−Ｘの周りに複数個（この図では、２個）のノズル収納部７４ａ、７４ｂを等間隔に備え、各ノズル収納部７４ａ、７４ｂは圧搾空気導入のための導気路７６と、液体導入のための導液路７８を有すると共に、各ノズル収納部７４ａ、７４ｂの先端に空気噴出路８０と液孔８２とが２重管構造をした噴射ノズルをある交差角度で配置したものである。
【０００７】
そしてこの公報に示したものは、各ノズル収納部７４ａ、７４ｂの導気路７６より供給される圧搾空気が空気噴出路８０より噴射される際に、導液路７８より供給される液体が吸引されて液孔８２より噴出され、気液混合の微粒子状のミストとなり、さらに各ノズル収納部７４ａ、７４ｂより噴出されるミストは、中心軸線Ｘ−Ｘ上の交差点で衝突し、その時の噴流衝突により数ミクロン以下の微小粒子（ミスト）を発生させるというものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特開昭５７−４２３６２号公報に示されるミスト発生器によれば、二流体ノズルから噴出される気液混合流体をある交差角度で衝突させることにより微粒子のミストを効果的に発生させることができるが、この公報のものは、部屋・工場・病院などの広い空間スペースを均質に加湿することを意図し、その発生ミストを広範囲な空間スペースに向けて拡散・飛散させるのに有効なものである。
【０００９】
一方、前述の燃料電池システムの例では、電池の小型化（車載性確保）や高出力、高密度化のため電池内部におけるガス流路は非常に狭く、ガス流路内部は圧力調整を必要とする閉空間であり、他のガス供給源など構成要素間がパイプなどにより接続されているといったことから、ミストノズルからの噴霧（ミスト）が拡散するための十分な空間が取れない。そのために発生ミストが反応ガスに十分拡散できず、発電に利用する前に流路内壁面と衝突し液化してしまうという問題がある。
【００１０】
そしてこのような問題から、噴射ノズルの供給水の利用率が極端に小さく、供給水保持量が多くなると共に、流路内部に発生した液溜りが、ガス閉塞（フラッディング）などの要因として安定発電の大きな妨げとなるという障害が生じていた。
【００１１】
本発明の解決しようとする課題は、超微小粒径ミスト（約３０μｍ以下）を圧力調整場に対しても、安定、かつ連続して発生させ、かつ噴出させることのできる噴射ノズル式ミスト発生器を提供することにある。
【００１２】
また本発明が解決しようとする別の課題は、このような高性能の噴射ノズル式ミスト発生器を、高分子型燃料電池の電解質膜を適正な湿潤状態に保持させる加湿装置に適用することにより、燃料電池の安定した運転を達成しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の噴射ノズル式ミスト発生器は、請求項１に記載のように、小粒径ミストが噴射される複数の二流体ノズルが、その小粒径ミストがミスト加速用の２次ガスを導入する２次ガス導入路内で互いに衝突するよう稍々傾斜状に配置されると共に、前記２次ガス導入路内には前記二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突が前記ミスト加速用２次ガスにより妨げられることを阻止すると共にその２次ガスの流れを妨げることなく発生ミストと供給２次ガスとの混合を促進する流れ制御部材が前記二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突地点より稍々上流側に配置され、さらに小粒径ミストの衝突により発生する微小粒径ミストを前記２次ガスにより混合・加速した状態で絞り込んで噴出させる２次ノズルが前記二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突地点の下流側に設けられていることを特徴とすることを要旨とするものである。
【００１４】
上記構成を有する噴射ノズル式ミスト発生器によれば、各二流体ノズルより噴射された小粒径ミストが２次ガス導入路内の一点で衝突してさらに微小粒径のミストとなり、この微小粒径ミストは圧送されてくる２次ガスにより加速・ガス混合促進され、さらに２次ノズルにより絞り込まれて噴出される。そしてその時に２次ガス導入路内に配置される流れ制御部材によって、各二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突が圧送されてくる２次ガスによって妨げられることを阻止するとともに発生ミストと供給２次ガスとの混合が促進される。
【００１５】
したがってこのミスト発生器によれば、超微小粒径（約３０μｍ以下）のミストを圧力調整場に対しても安定して、かつ連続して発生させることができ、また、そのための圧力損失も低く、ミスト発生用供給ガス量も少なくて済む。また超微小粒径ミストは２次ノズルよりガスと十分混合されて噴出されるものであるから、この発生ミストを例えば、燃料電池などの狭い流路へ供給することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池用ミスト発生器取付装置は、請求項２に記載のように、上記した噴射ノズル式ミスト発生器を燃料電池の電解質膜の片方の面に設けられる燃料極もしくは反対側の面に設けられる空気極に供給される反応ガスの加湿装置に適用し、燃料電池取付部における粗い液滴・液水を分離すると共に燃料電池への供給ミストの粒径をそろえ、供給ガスに十分混合したミストのみを選択的に供給する機構を備えていることを要旨とするものである。
【００１７】
この燃料電池用ミスト発生器取付装置によれば、燃料電池内部でのミスト流れ挙動は、急激な拡大、縮小、曲りを伴う複雑な流路に良く沿ったものとなる。そのためミストを含むガス流れの壁面への衝突、付着を大幅に抑制でき、ミストの壁面上での液化を防止するとともに、各電池セルへの均等な分配を可能とする。そしてこれにより、燃料極あるいは空気極を通じて電解質膜を適正な湿潤状態に保つことができ、燃料電池の電池性能の安定状態が維持される。
【００１８】
さらに請求項３に記載のように、燃料電池への適用のための燃料電池取付部における回収水を前記二流体ノズルへの供給水として保持する保水タンクを備えると共に、サイフォン式二流体ノズルにおける保水タンク圧力調整機構を備えるようにすれば、燃料電池用ミスト発生器取付装置において回収された液水の再利用機能と、ミスト発生器への液水供給用タンク機能としての機能をあわせもつことにより、サイフォン式二流体ノズルにおける加湿で課題とされる圧力調整場への過渡ガス量変化に起因するノズル吹出し部での圧力変化に対応した液水の供給が可能となる。この圧力変化はノズル吹出し量・ミスト発生量の変動を引きおこし、安定加湿、電池作動の妨げとなるが、この保水タンクによれば、ノズル吹出し部での圧力変動を直接受け、サイフォン式ノズル液管における差圧を調整することでこの課題が大幅に改善される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１および図２は、本実施形態に係る噴射ノズル式ミスト発生器の概略構成を示したものである。このミスト発生器１０は、ブロック形状のノズル本体１２に、小粒径ミストの噴射を可能とする複数（この実施例では２本）の外部混合型サイフォン式の二流体ノズル１４ａ、１４ｂと、該各二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出された小粒径ミストどうしの衝突によりさらに微小粒子化されたミストに２次ガスを導入して加速・ガス混合促進するための２次ガス導入路１６とが設けられている。この場合二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出されるミスト用ガス、および２次ガス導入路１６内を流れる２次ガスには、Ａｉｒ、Ｏ２、Ｈ２、改質ガス等を利用することが可能である。
【００２０】
そして各二流体ノズル１４ａ、１４ｂは、中心に図示しない供給ポンプにより圧搾ガスが供給される給ガス路２０が設けられ、該給ガス路２０の軸心に水が供給される給液路１８が設けられた二重管構造をなし、さらに該給ガス路２０の先端部分は給液路１８の先端部分で小径に絞られた構成をなしている。そのために給ガス路２０より圧搾ガスが噴出されると、そのノズル孔付近に発生するうず効果により負圧となり、その負圧によって給液路１８内の水が吸引されて噴出され、気液混合ガスとして噴霧状の小粒径ミストが形成されるようになっている。
【００２１】
該各二流体ノズル１４ａ、１４ｂは、各二流体ノズルより噴出された小粒径ミストが前記２次ガス導入路１６の中心線上の一点で衝突するように、そのノズルの延長線上位置で交差するように稍々傾斜状に配設されている。この実施例では、２本の二流体ノズル１４ａ、１４ｂが前記２次ガス導入路１６の中心線を挟んで対称位置に配設されているが、３個あるいは４個以上の二流体ノズルを配設するものであってもよく、その場合には各二流体ノズルが等間隔で２次ガス導入路１６の周りに配設されるのがよい。
【００２２】
そして前記２次ガス導入路１６内には、前記二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出される小粒径ミストの衝突地点よりも稍々上流位置に、その小粒径ミストの衝突によって発生する超微小粒径ミスト（約３０μｍ以下）と、前記２次ガス導入路１６内を圧送される２次ガスとの干渉による乱れを防止し、発生ミストと供給２次ガスとの混合を促進するための流れ制御板２２が、丁度２次ガス導入路１６内の中央位置に設けられている。
【００２３】
またさらに、前記二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出される小粒径ミストの衝突によって生じる超微小粒径ミストの下流側には、その超微小粒子ミストを前記２次ガス導入路１６により圧送される２次ガスにより加速・ガス混合を促進した状態で噴出させる２次ノズル２４が設けられている。
【００２４】
このように構成されたミスト発生器１０によれば、二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出される小粒径ミストは、２次ガス導入路１６内の一点で激しく衝突し、約３０μｍ以下の超微小粒子のミストとされる。そしてこの超微小粒子ミストは、２次ガス導入路１６に圧送されてくる２次ガスにより加速・ガス混合を促進され、２次ノズル２４より噴出されるが、その時に２次ガス導入路１６内に配設される流れ制御板２２によって前記二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出される小粒径ミストの衝突が２次ガス導入路１６内に圧送される２次ガスによって邪魔されないようになっているので、その二流体ノズル１４ａ、１４ｂより噴出される小粒径ミストはその衝突によって確実に超微小粒径とされるとともに発生ミストと２次ガスとの混合を促進するようになっている。
【００２５】
そしてその超微小粒子ミストは、２次ノズル２４より噴出される時にそのノズル管路で絞り込まれ、ガスと十分混合され噴出断面積を縮小した上で噴出されることとなる。そのためにこの２次ノズルより噴出される超微小粒子ミストは、狭い流路でも液化することなく供給されることとなる。
【００２６】
このミスト発生器１０は、例えば、燃料電池に供給される反応ガスの加湿装置に適用することができる。燃料電池取付部における粗粒な液滴・液水を分離、回収すると共に、燃料電池への供給ミストの粒径をそろえ、供給ガスに十分混合したミストのみを選択的に燃料電池内へ供給することを可能とする。このミスト発生器を燃料電池に適用することで、燃料電池内部でのミストの流れ挙動は、急激な拡大、縮小、曲りをともなう複雑な流路に良く沿ったものとなる。そのためミストを含むガス流れの壁面への衝突、付着を大幅に抑制でき、ミストの壁面上での液化を防止するとともに、各電池セルへの均等な分配を可能とする。そしてこれにより各電池セルの燃料極および空気極を通じて電解質膜が適正な湿潤状態に保たれ、燃料電池の電池性能は安定状態に保たれる。
【００２７】
また、このミスト発生器を燃料電池に適用し、その取付部において回収された液水をミスト発生器の二流体ノズル１４ａ、１４ｂに戻して再利用できるようにすれば、サイフォン式ノズルにおける加湿で課題とされる圧力調整場への過渡ガス量変化に起因するノズル吹出し部での圧力変化に対応したミストの供給が可能となる。この圧力変化はノズル吹出し量・ミスト発生量の変動を引きおこし、安定加湿、電池作動の妨げとなるが、この保水タンクによれば、ノズル吹出し部での圧力変動を直接受け、サイフォン式ノズル液管における圧力が調整されることになる。
【００２８】
図３〜図６は、上記実施形態のミスト発生器１０を燃料電池に適用した例を示したものである。初めに図３は、第一の実施形態に係る燃料電池への搭載イメージを示している。この図３では、燃料電池３０の多数積層される電池セル３２の端部に設けられるエンドプレート３４にミスト発生器１０が取り付けられた状態を示している。
【００２９】
この場合、例えば、燃料電池３０の燃料極に燃料ガスを供給する場合にその燃料ガス中に上記ミスト発生器１０により発生させた超微小粒子ミストを導入するか、あるいは燃料電池の空気極に酸化剤ガスを供給する場合にその酸化剤ガス中に上記ミスト発生器１０により発生させたミストを導入するかのいずれか一方もしくは両方であってもよい。これから述べる実施例では、燃料ガスに超微小粒子ミストを導入する場合と、酸化剤ガスに超微小粒子ミストを導入する場合のいずれにも適用できるものである。
【００３０】
しかしてこの図３に示した実施例では、燃料電池３０のエンドプレート３４に、本実施形態のミスト発生器１０が取り付けられ、該ミスト発生器１０により発生されたミストがそのミスト発生器１０の２次ノズル２４を介して燃料電池３０の電池セル３２へ導入されるように構成されている。このときこの実施例では、燃料電池３０のエンドプレート３４に、前記ミスト発生器１０で発生したミストが２次ノズル２４を介して燃料電池３０内に導入される時に一部粗粒な液滴・液水を分離、回収する回収槽３６が設けられている。
【００３１】
しかしてこの図３に示した実施例では、ミスト発生器１０で発生した超微小粒子ミストは燃料電池３０に導入されるが、そのミスト発生器１０で発生したミストは、ミスト発生器１０内の２次ノズル２４で絞り込まれて燃料電池３０内に導入されることにより、狭い燃料電池の流路内へ効果的に超微小粒子ミストを供給することが可能となる。
【００３２】
しかもそのミストは、ミスト発生器１０内で二流体ノズル１４ａ、１４ｂから噴射される小粒径ミストの衝突によりミストの超微粒子化を図ったものであり、しかも流れ制御板２２によりその二流体ノズル１４ａ、１４ｂからの噴射ミストの衝突を確保するとともに２次ガスとの混合を促進しつつ、２次ノズル２４において噴射ミスト形状が効果的に縮小されることにより、ミストの超微粒子化が図れると同時に小領域内でのガスとの均一な混合が可能となるものである。ミストおよびガスの流れに十分追従可能な微小粒径約３０μｍ以下での安定した、かつ連続したミストの発生が可能となるものである。
【００３３】
そして一部のミストが燃料電池へ導入される前に液化した場合にはそれをミストから分離・回収することにより、電池内部での液水の滞留を阻止抑制することができ、粗い液滴や、液水の分離は電池内部での供給ミストの液化を大幅に軽減できるとともに、ミスト中のガスへの混合性の高いもののみを選択的に供給できることから、電池内部での複雑な流路へのミスト流れ供給を可能とする。これにより内部滞留水による電極部のフラッディングを防止することができると同時に、各電池セルへの均等なガス・ミスト供給を可能とし、電池の安定作動を確保することができるものである。液水および大粒径のミストの回収により電池内に供給されるミストの小粒径化も可能となる。
【００３４】
図４は、燃料電池への適用例の別の実施例について示したものである。この実施例では、回収槽（供給水タンク）３６内に回収された液水をミスト発生器１０へ循環利用するものである。この図４に示した実施例では、燃料電池３０のエンドプレート３４に設けられる供給水タンク３６とミスト発生器１０とが循環パイプ３８を介して連通されている。またこの図４では、２次ガス導入路１６へ圧搾ガスを導入するメインガス管路４０と、該メインガス管路４０と分岐して二流体ノズル１４ａ、１４ｂへ圧搾ガスを供給する分岐ガス管路４２とが設けられ、該分岐ガス管路４２にはミスト発生用ガス流量調整のための供給ポンプ４４と電磁切替え弁４６とが備えられた状態が示されている。
【００３５】
この図４に示した実施例では、メインガス管路４０を介して圧搾ガスがミスト発生器１０の２次ガス導入路１６に導入されるほか、分岐ガス管路４２を介して各二流体ノズル１４ａ、１４ｂへ圧搾ガスが導入されるが、その時に電磁切替え弁４６の制御により二流体ノズル１４ａ、１４ｂより圧搾ガスが噴出されたり、噴出されなかったりする。これにより、燃料電池３０内の反応ガス中のミスト濃度を制御することができ、電解質膜が適正な含水状態に保たれて安定した電池性能が発揮される。またミスト発生にガスを利用しない場合には、供給ガスをメインガス管路４０に戻すことで、燃料電池発電に供するガス流量は常に一定状態に保つことができる。また発電に寄与する供給ガス量に対し、十分少ないガス供給量でミスト発生が可能であり、ポンプ４４の動力負荷は非常に小さい。
【００３６】
また、供給水タンク３６に回収された液水をミスト発生器１０へ戻して循環利用することにより、熱損失の低減が可能となる。すなわち、回収水は電池内部に滞在している時、電池内部発熱（発熱損失分）により温度上昇する傾向を示すが、この高温液水を循環利用し、ミストとして再噴射することで熱ロスを抑制することが可能となる。
【００３７】
さらに高温水（例えば、８０℃）のミスト化は、発生ミストの気化（蒸発）を促進することから供給ミストの利用率がさらに向上し、水管理がより容易となるし、これによりミストと蒸気併用による加湿制御が可能となる。
【００３８】
図５は、さらに別の実施形態を示したもので、この実施例では、ミスト発生器１０そのものを燃料電池３０のエンドプレート３４に組み込んでいる。この場合には、二流体バルブ１４ａ、１４ｂへ圧搾空気を導入する分岐ガス管路４２をエンドプレート３４に直接設け、また、ミスト発生器１０から発生するミストが液水化したものを回収し、ミスト発生用供給水として補給するための液水回収用の供給水タンク３６とミスト発生器１０との間の循環路３６もエンドプレート３４内に設けている。
【００３９】
このような構成とすれば、燃料電池のエンドプレートを製作する時に上述した各管路４２、３６を一体的に設けておくことにより、ミスト発生器１０のブロック体そのものがエンドプレート３４と兼用できることとなり、ミスト発生器１０の製作コストの低廉化および燃料電池システムとしての小型化が図れるため、車載性の向上等多くの利点が発生する。
【００４０】
さらに図６は、ミスト発生器１０で発生した液水を回収する供給水タンク３６を燃料電池３０の外部に設け、燃料電池３０のエンドプレート３４部で回収された液水は回収管４８を介して供給水タンク３６へ回収され、供給水タンク３６内の液水は給液管５０を介してミスト発生器１０へ導入されるようになっている。このように構成されたものでは、燃料電池３０のエンドプレート３４内に供給水タンク３６を設ける必要がない。
【００４１】
以上各種の実施形態について説明したが、これらの実施形態における噴射ノズル式ミスト発生器によれば、外部混合型サイフォン式二流体ノズルを使用して低い供給ガス量により小粒径ミストの噴射を可能とし、二流体ノズルから発生した噴流ミストの衝突によりさらなるミストの微粒子化の促進とノズル噴射口からの微粒子化距離の短縮化を図り、さらにその発生ミストに２次ガスを混合し、その際流れ制御部材により発生ミストの微粒化と２次ガスとの混合促進とを図った上で２次ノズルにより効果的な断面絞り込みを行うことで噴射ミストの形状を効果的に縮小することができるものである。
【００４２】
またこの噴射ノズル式ミスト発生器を燃料電池の加湿装置に適用することにより、燃料電池取付部における粗い液滴や液水が分離・回収され、粒径のそろった微小粒径のミストが２次ガスに十分に混合させた状態で燃料電池内へ供給されることとなる。そして燃料電池内でのミストの流れ挙動は、急激な拡大、縮小、曲がりを伴う複雑なガス流路に良く沿ったものとなり、ミストを含むガス流れの壁面への衝突、付着が大幅に抑制されることにより、ミストの壁面上での液化が防止されると同時に各電池セルへのミストの分配が均等に行なわれることとなる。したがって各電池セルの電解質膜は適正な湿潤状態に保たれ、燃料電池の電池性能は安定した状態に保たれるものである。
【００４３】
そしてこの場合に、燃料電池取付部においてミストより回収分離した液水を一旦保水タンクに貯留し、ミスト発生器における二流体ノズルの吸引力によって吸引して再利用されるようにすることにより、ノズル吹出し部での供給ガスの圧力変化に対応した液水量の循環が行なわれ、常に適正な量のミストの供給がなされることになる。したがって燃料電池の運転状況に応じてミスト供給ガス量のＯＮ／ＯＦＦ制御を行なうことにより常に計算された量のミストの供給が可能となり、また安定したミストの湿潤状態が得られ、燃料電池の電池性能の一層の安定化が図られることになる。
【００４４】
本発明は、上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記した各種の実施形態はいずれも燃料電池に適用した例を示したが、その他の用途にも適用できることは言うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の噴射ノズル式ミスト発生器によれば、外部混合型サイフォン式二流体ノズルを使用して低い供給ガス量により小粒径ミストの噴射を可能とし、二流体ノズルから発生した噴流ミストの衝突によりさらなるミストの微粒子化の促進とノズル噴射口からの微粒子化距離の短縮化を図り、さらにその発生ミストに２次ガスを混合し、その際２次ガス導入路内に設けられる流れ制御部材によりミストの流れを制御した上で２次ノズルにより効果的な断面絞り込みを行うことで噴射ミストの形状を効果的に縮小することができるという利点を有する。
【００４６】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池用ミスト発生器取付装置によれば、この請求項１に記載のミスト発生器を燃料電池の燃料極や空気極へ供給される反応ガスにミストを導入する加湿装置として適用し、その際に燃料電池取付部における粗い液滴や液水を回収すると共に微小粒径のそろったミストを十分に供給ガスに混合した状態で選択的に供給するようにしたものであるから、電池内のガス流路壁面でのミストの液化等もなく各電池セルへの均等に分配されることにより電解質膜へのミストの供給が確実に行われ、電解質膜の安定した湿潤状態が保たれることにより電池性能が安定した運転状態が得られるものである。
【００４７】
さらに請求項３に記載の発明のように、燃料電池取付部において回収分離した液水を一旦保水タンクに貯留し、ミスト発生器へ循環させることにより再利用するに当たり、そのミスト発生器の二流体ノズルにサイフォン式吸引力によって供給されるようにすることにより、燃料電池へのミストの供給量およびその含湿状態を制御でき、燃料電池の運転の一層の安定化が図られるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る噴射ノズル式ミスト発生器の概略構成図である。
【図２】図１に示したミスト発生器のＡ−Ａ線方向の矢示図である。
【図３】図１および図２に示したミスト発生器を燃料電池に適用した例を示した概略構成図である。
【図４】このミスト発生器を燃料電池に適用した他の実施形態の概略構成図である。
【図５】さらにこのミスト発生器を燃料電池に適用した他の実施形態の概略構成図である。
【図６】同じくこのミスト発生器を燃料電池に適用した他の実施形態の概略構成図である。
【図７】従来知られているミスト発生器の一実施形態図である。
【符号の説明】
１０ 噴射ノズル式ミスト発生器
１２ ノズル本体
１４ａ、１４ｂ 二流体ノズル
１６ ２次ガス導入路
１８ 給液路
２０ 給ガス路
２２ 流れ制御部材
２４ ２次ノズル
３０ 燃料電池
３２ 電池セル
３４ エンドプレート
３６ 回収槽(供給水タンク)
３８ 給液路
４０ メインガス管路
４２ 分岐ガス管路
４６ 電磁切替え弁
Claims (3)
- 小粒径ミストが噴射される複数の二流体ノズルが、その小粒径ミストがミスト加速用の２次ガスを導入する２次ガス導入路内で互いに衝突するよう稍々傾斜状に配置されると共に、前記２次ガス導入路内には前記二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突が前記ミスト加速用２次ガスにより妨げられることを阻止すると共にその２次ガスの流れを妨げることなく発生ミストと供給２次ガスとの混合を促進する流れ制御部材が前記二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突地点より稍々上流側に配置され、さらに小粒径ミストの衝突により発生する微小粒径ミストを前記２次ガスにより混合・加速した状態で絞り込んで噴出させる２次ノズルが前記二流体ノズルより噴出される小粒径ミストの衝突地点の下流側に設けられていることを特徴とする噴射ノズル式ミスト発生器。
- 請求項１に記載のミスト発生器を、燃料電池の電解質膜の片方の面に設けられる燃料極もしくは反対側の面に設けられる空気極に供給される反応ガスの加湿装置に適用し、燃料電池取付部における粗い液滴・液水を分離すると共に、燃料電池への供給ミストの粒径をそろえ、供給ガスに十分混合したミストのみを選択的に供給する機構を備えたことを特徴とする燃料電池用ミスト発生器取付装置。
- 燃料電池への適用のための燃料電池取付部における回収水を前記二流体ノズルへの供給水として保持する保水タンクを備えると共に、サイフォン式二流体ノズルにおける保水タンク圧力調整機構を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用ミスト発生器取付装置。
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