JP4381890B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、ノズルから流出する第１の流体により発生する負圧で少なくとも１つの第２の流体を吸引しこれら二つ以上の流体を合流させて流出するエゼクタ及びこれを備える燃料電池システムに関するものである。

従来、例えば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）を備えている。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ると、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。

このような燃料電池において発電効率を高く維持するために、燃料電池から排出される反応ガス（例えば、アノード側における水素）を新たに燃料電池へ供給される反応ガスに混合して燃料電池へ再循環させるためのエゼクタを備えた反応ガス循環型の燃料電池システムが知られている。

例えば、特許文献１には、ノズルとニードルと第１及び第２ダイヤフラムとを備え、ノズル内部に燃料が供給される流体通路を設け、流体通路にノズルと同軸の軸線方向に延びるニードルを挿入して軸線方向に摺動可能に保持してなる可変流量エゼクタが提案されている。前記ノズルの開口部の中にニードルを挿入して中心軸方向に移動することで、ノズルから流出する流体の流量を可変制御できる。
特開２００２−２２７７９９号公報

しかしながら、従来の技術においては、ノズルの開口部の中にニードルを挿入して流量を制限した状態での循環性能が低下してしまうという問題がある。すなわち、ノズルの開口部の中にニードルを挿入した状態では、ノズルに流体を流入させる際にニードルが障害となって乱流が発生してしまい、この乱流の影響により副流の吸い込み量が減少して還流量が低下してしまう。従って、流量を制限した状態では循環性能が低下してしまう。また、燃料電池車両の反応ガス供給にエゼクタを用いた場合には、燃費向上の障害となってしまう。

従って、本発明は、流量が抑制された状態であっても循環性能を向上することができるエゼクタ及びこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、ノズル（例えば、実施の形態におけるノズル１１）から流出する第１の流体（例えば、実施の形態における水素ガス）により発生する負圧で少なくとも１つの第２の流体（例えば、実施の形態における水素オフガス）を吸引しこれら二つ以上の流体を合流させて流出させるエゼクタ（例えば、実施の形態におけるエゼクタ５）であって、前記ノズルは、前記第１の流体を流出させる第１開口部（例えば、実施の形態におけるノズル先端開口部１１ａ）を先端部に有するとともに、前記ノズル内部を介して前記第１開口部と連通する第２開口部（例えば、実施の形態におけるノズル基端開口部１１ｂ）を有してなり、前記ノズルの第１開口部に嵌合または離反するように前記ノズルの中心軸方向に移動可能なニードル部材（例えば、実施の形態におけるニードル部材２０、４０、５０）を備え、前記ニードル部材は、前記第１開口部に嵌合した状態で、前記第１開口部と前記第２開口部とを連通させる連通路（例えば、実施の形態における連通路２０ａ）を形成してなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ノズルに前記第２開口部から流入した第１の流体を前記第１開口部から流出させることで、負圧を発生させて第２の流体を吸引させる。そして、前記ニードル部材を前記ノズルの第１開口部に嵌合させたときに、前記第２開口部から流入する第１の流体は前記連通路を介して前記第１開口部に案内されるので、前記ニードル部材により第１の流体の流量を制限された状態であっても、第１の流体の流速を十分に確保できるうえに、流れがスムースになり乱流の発生を抑制することができる。これにより、第１の流体の流量の増減に関わらず、循環性能を向上することができる。

また、前記ニードル部材（例えば、実施の形態におけるニードル部材４０）は、その先端部（例えば、実施の形態における先端部４０ｂ）を縮径形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、ニードル部材またはノズルの寸法誤差に対して、適切な密着性を保てる。また、緩やかに第１の流速を変えることにより、各部材へのショックが減り、ニードル部材の移動制御が容易に行える。さらに、前記ニードル部材を前記ノズルの前記第１開口部に近接または離反させる際に、前記ノズルの第１開口部から流出する第１の流体の流量を段階的に制御することができるため、前記第１の流体の流量をきめ細かく制御することが可能となる。

また、前記ニードル部材は、第３開口部（例えば、実施の形態におけるニードル先端開口部２０ｃ）と、前記第３開口部よりも後端側に位置して前記連通路を複数に分岐させる分岐部（例えば、実施の形態における分岐部２０ｄ）と、該分岐部よりも後端側に位置して分岐部と連通している複数の第４開口部（例えば、実施の形態におけるニードル基端開口部２０ｅ）と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、前記第２開口部から流入する第１の流体を、前記ニードル部材の複数の第４開口部を介してニードル部材内に案内して、前記分岐部を介して前記第３開口部から流出することができるので、前記ニードル部材の周方向から略均等に第１の流体をニードル部材内に案内することができ、第１の流体の流れをスムースにすることができる。

また、前記ノズルの第２開口部は、前記ニードル部材が前記第１開口部に嵌合した状態で、前記第４開口部よりも後端側に位置するように形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、前記ニードル部材が前記第１開口部に嵌合した状態で、前記第２開口部から流入する第１の流体を、前記第２開口部よりも先端側に位置する第４開口部に流入させて、そのまま先端側の前記第１開口部に案内することができる。従って、前記第１の流体の流れの方向を逆転させることなく前記第２開口部から前記第１開口部に案内することができるため、第１の流体の流れをさらにスムースにして乱流を抑制することができる。

また、前記ノズルの第２開口部は、前記ニードル部材が前記第１開口部に嵌合した状態で、前記第４開口部に向けて開口するように形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、前記ニードル部材が前記第１開口部に嵌合した状態で、前記ノズルの第２開口部から流入する前記第１の流体を、前記第４開口部に速やかに案内することができるので、前記ニードル部材内部に第１の流体を案内する際に流れをスムースにすることができ、乱流の発生を抑制することができる。

また、前記ニードル部材の先端は、前記ニードル部材が前記第１開口部に嵌合した状態で、前記第３開口部と軸方向において同一または先端側に位置するように形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、ニードル部材から流出した第１の流体が第１開口部にあたって乱流が発生し、流速が低下することを抑制することができる。

また、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス流路（例えば、実施の形態における水素供給流路２１）と、該燃料電池から排出される燃料オフガス流路（例えば、実施の形態における水素オフガス流路２２）と、該燃料オフガス流路から燃料ガス流路への還流路（例えば、実施の形態における水素循環流路２３）を設けた燃料電池システムであって、前記還流路には、上述したエゼクタを備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記エゼクタにより燃料ガスの流量が抑制された状態であっても、前記燃料オフガスの還流量の低下を防止することができるため、システムの燃費を向上させることができる。

本発明によれば、流体の流量を制限された状態であっても、第１の流体の流速を十分に確保できるうえに、第１の流体の流量の増減に関わらず、循環性能を向上することができる。
また、ニードル部材またはノズルの寸法誤差に対して、適切な密着性を保てる。また、緩やかに第１の流速を変えることにより、各部材へのショックが減り、ニードル部材の移動制御が容易に行える。さらに、前記第１の流体の流量をきめ細かく制御することが可能となる。

また、前記ニードル部材の周方向から略均等に第１の流体をニードル部材内に案内することができ、第１の流体の流れをスムースにすることができる。
また、第１の流体の流れをさらにスムースにして乱流を抑制することができる。

また、前記ニードル部材内部に第１の流体を案内する際に流れをスムースにすることができ、乱流の発生を抑制することができる。
また、ニードル部材から流出した第１の流体が第１開口部にあたって乱流が発生し、流速が低下することを抑制することができる。
また、燃費を向上させることができる。

以下、この発明の実施の形態におけるエゼクタ及びこれを備える燃料電池について図面と共に説明する。
図１は本発明が適用される燃料電池システムの全体構成図である。
燃料電池１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を複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、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し、水が生成される。

水素供給手段としての高圧水素タンク２に収容された水素は、遮断弁３、レギュレータ４、エゼクタ５を備えた水素供給流路２１を流通して、燃料電池１の各セルのアノードに供給される。遮断弁３は、水素供給流路２１に設けられ、遮断することで下流の流路に水素が供給されるのを遮断する。レギュレータ４は高圧水素タンク２の水素を減圧して所定圧力に調圧するものである。エゼクタ５は燃料電池１から排出される後述する水素オフガスを水素供給流路２１に戻すためのものである。このエゼクタ５の構造については、詳細を後述する。なお、エゼクタ５よりも下流の水素供給流路２１（２１ｂ）には水素圧力を検出する水素圧力センサ１２が設置されている。

燃料電池１のアノードに供給された水素のうち発電に供されなかった水素、すなわち未反応の水素は、燃料電池１から水素オフガスとして排出される。そして、水素オフガス流路２２を通ってエゼクタ５に吸引され、高圧水素タンク２から供給される新鮮な水素と合流して再び燃料電池１のアノードに供給される。すなわち、燃料電池１から排出される水素（水素オフガス）は、水素オフガス流路２２を通ってエゼクタ５よりも下流の水素供給流路２１ｂに戻され、燃料電池１に循環させられる。ここで、エゼクタ５よりも下流に位置する水素供給流路２１ｂと水素オフガス流路２２は、水素循環流路２３を構成する。
なお、水素循環流路２３の一部を構成する水素オフガス流路２２は、水素排出弁（パージバルブ）６を備えた水素排出流路２４によって、希釈ボックス（図示せず）を介して外部に排出される。

一方、空気はコンプレッサ８により所定圧力に加圧され、空気供給流路３１を通って燃料電池１のカソードに供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１から空気オフガスとして空気オフガス流路３２に排出され、背圧弁９を介して排出される。なお、コンプレッサ８よりも下流の空気供給流路３１には空気圧力を検出する空気圧力センサ１３が設置されている。

また、水素供給流路２１と空気供給流路３１とは、合流流路３３を介して接続されている。合流流路３３にはアノード掃気用バルブ３４が設けられ、掃気用バルブ３４を開閉制御することにより、水素供給流路２１から空気を流入させて燃料電池１のアノードを空気により掃気させることができる。
燃料電池１は、モータやエアコンディショナ等の負荷３６に接続され、燃料電池１で発電した電力を負荷３６に供給する。また、燃料電池１には、発電電圧を測定する電圧センサ３５が設置されている。

圧力センサ１２、１３、電圧センサ３５の出力信号は電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０に入力され、ＥＣＵ１０はこれらセンサ１２、１３、３５の出力信号等に基づいて、遮断弁３、レギュレータ４、水素排出弁６および背圧弁９の開閉やエゼクタ５を制御する。

以下、エゼクタ５の構造について説明する。図２は、図１に示すエゼクタ５の断面図である。同図に示すように、エゼクタ５は、ラッパ状をなすディフューザ１４の基端開口に副流室１５を連設し、この副流室１５に副流通路１６を連通し、ディフューザ１４と軸線を同一にして配置したノズル１１を副流室１５内に突き出してその先端をディフューザ１４の基端開口に臨ませている。

ノズル１１は、その先端部に水素ガスを流出させるノズル先端開口部１１ａを有するとともに、ノズル１１内部を介して開口部１１ａと連通するノズル基端開口部１１ｂを有してなる。ノズル先端開口部１１ａは、副流通路１６に臨むように形成されている。また、ノズル基端開口部１１ｂは、高圧水素タンク２側（上流側）の水素供給流路２１ａに接続されてなり、高圧水素タンク２から供給される水素ガスをノズル基端開口部１１ｂからノズル１１内部に流入させる。
一方、エゼクタ５のディフューザ１４は、燃料電池１側の水素供給流路２１ｂが接続されており、ディフューザ１４から流出する前記混合された水素は総て燃料電池１のアノードに供給される。

そして、エゼクタ５は、ノズル１１の先端開口部１１ａに嵌合または離反するように前記ノズル１１の中心軸方向に移動可能なニードル部材２０を備えている。これについて、図３、図４を用いて説明する。図３は、ニードル部材２０をノズル１１に嵌合した状態を示す拡大断面図である。図４はニードル部材２０を示す概略斜視図である。

ニードル部材２０は、その先端部に形成される先端開口部２０ｃと、先端開口部２０ｃよりも後端側に位置して前記連通路２０ａを複数に分岐させる分岐部２０ｄと、該分岐部２０ｄよりも後端側に位置して分岐部２０ｄと連通している複数の基端開口部２０ｅとを有する。

そして、ニードル部材２０には、先端開口部１１ａに嵌合した状態で、先端開口部１１ａと基端開口部１１ｂとを連通させる連通路２０ａが形成されている（図３参照）。また、前記ノズル１１の先端開口部１１ａは、ニードル部材２０が先端開口部１１ａに嵌合した状態で、前記先端開口部２０ｃよりも後端側に位置するように形成されている。

このように構成されたエゼクタ５では、水素ガスをノズル１１からディフューザ１４に向けて流出すると、ディフューザ１４のスロート部１８に負圧が発生し、この負圧により水素オフガスを副流通路１６から副流室１５を介してディフューザ１４内に吸引することができる。そして、吸引された水素オフガスはノズル１１から流出した水素ガスと混合されてディフューザ１４の出口から流出されて、下流側の水素供給流路２１を介して燃料電池１のアノードに供給される。

そして、ニードル部材２０をノズル１１の先端開口部１１ａに嵌合させたときには、基端開口部１１ｂから流入する水素ガスは前記連通路２０ａを介して前記先端開口部１１ａに案内される。従って、ニードル部材２０により水素ガスの流量を制限された状態であっても、流路を小さく設定し、第１の流体の流速を十分に確保できるうえに、流れがスムースになり乱流の発生を抑制することができる。これにより、水素ガスの流量の増減に関わらず、循環性能を向上することができる。

このときに、基端開口部１１ｂから流入する水素ガスを、前記ニードル部材２０の複数の基端開口部２０ｅを介してニードル部材２０内に案内して、前記分岐部２０ｄを介して先端開口部２０ｃから流出することができるので、ニードル部材２０の周方向から略均等に水素ガスをニードル部材２０内に案内することができ、水素ガスの流れをスムースにすることができる。

また、前記ニードル部材２０が先端開口部１１ａに嵌合した状態で、前記基端開口部１１ｂから流入する水素ガスを、基端開口部１１ｂよりも先端側に位置するニードル基端開口部２０ｃに流入させて、そのまま先端側の先端開口部１１ａに案内することができる。従って、水素ガスの流れの方向を逆転させることなく基端開口部１１ｂから先端開口部１１ａに案内することができるため、水素ガスの流れをさらにスムースにして乱流を抑制することができる。加えて、ニードル部材２０がノズル先端開口部１１ａに嵌合した状態で、ノズル１１の基端開口部１１ｂから流入する水素ガスを、前記先端開口部２０ｃに速やかに案内することができるので、前記ニードル部材２０内部に水素ガスを案内する際に流れをスムースにすることができ、乱流の発生を抑制することができる。

以上説明したように、本発明のエゼクタ５を備えた燃料電池システムにおいては、エゼクタ５により水素ガスの流量が抑制された状態であっても、前記水素オフガスの還流量の低下を防止することができるため、燃費を向上させることができる。

次に、ニードル部材２０の変形例について、図５、図６を用いて説明する。
図５に示したニードル部材４０は、その先端部４０ｂを縮径形成されている点が、上述したニードル部材２０と異なっている。このようにすると、ニードル部材４０またはノズル１１の寸法誤差に対して、適切な密着性を保てる。また、緩やかに第１の流速を変えることにより、各部材へのショックが減り、ニードル部材４０の移動制御が容易に行える。さらに、ノズル１１の先端開口部１１ａから流出する水素ガスの流量を段階的に制御することができる。

従って、前記水素ガスの流量をきめ細かく制御することが可能となる。また、ニードル部材４０の連通路４０ａは、先端開口部４０ｃから軸方向に貫通形成され、分岐部４０ｄを介して上下方向に分岐し、側面に基端開口部４０ｅを有している。このように、連通路４０ａを断面略Ｔ字状に形成しているため、連通路４０ａの形成工程を容易化することができる。

また、図６に示したニードル部材５０は、外形を略円柱状に形成されて、連通路５０ａを断面略Ｔ字状に形成されている。すなわち、ニードル部材５０の連通路５０ａは、先端開口部５０ｃから軸方向に貫通形成され、分岐部５０ｄを介して上下方向に分岐し、側面に基端開口部５０ｅを有している。このように構成すると、循環性能の点ではニードル部材４０に比べて多少低下するものの、製造工程を簡略化することができ、低コストかつ短時間で製造することができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、エゼクタのノズル１１から水素ガスを流出させて水素オフガスを吸引する場合について説明したが、適用されるガスとしてはこれらの限らず、例えば、エアやエアオフガスに用いてもよい。また、ニードル部材としては、従来型のニードル部材に孔を形成してもよいし、従来とは形状の異なる可動型のノズルをニードル部材として用いてもよい。また、上述の実施の形態では、ニードル部材２０はＯＮ、ＯＦＦ制御され、ＯＮの時には嵌合し、ＯＦＦの時に離間するようにしているが、これに限らず、可変的にニードル部材の位置を設定してもよい。
また、ノズル１１とニードル部材２０とを嵌合させているが、ノズル１１とニードル部材２０との間を第１の流体が流れることにより発生する乱流による第１の流体の流速の低下がない程度であれば、ノズル１１とニードル部材２０との間は気密でなくてもよい。

本発明の実施の形態におけるエゼクタを有する燃料電池システムの全体構成図である。 ニードル部材をノズルから離間した状態を示すエゼクタの断面図である。 ニードル部材をノズルに嵌合した状態を示すエゼクタの拡大断面図である。 ニードル部材を示す概略斜視図である。 ニードル部材の変形例を示す説明図である。 ニードル部材の他の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１…燃料電池
５…エゼクタ
１１…ノズル
１１ａ…ノズル先端開口部（第１開口部）
１１ｂ…ノズル基端開口部（第２開口部）
２０、４０、５０…ニードル部材
２０ａ、４０ａ、５０ａ…連通路
４０ｂ…先端部
２０ｃ、４０ｃ、５０ｃ…ニードル先端開口部（第３開口部）
２０ｄ、４０ｄ、５０ｄ…分岐部
２０ｅ、４０ｅ、５０ｅ…ニードル基端開口部（第４開口部）
２１…水素供給流路（燃料ガス流路）
２２…水素オフガス流路（燃料オフガス流路）
２３…水素循環流路（還流路）

Claims (3)

1. 燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガス流路と、該燃料オフガス流路から前記燃料ガス流路への還流路を設けた燃料電池システムであって、
   前記還流路には、ノズルから流出する前記燃料ガスにより発生する負圧で前記燃料オフガスを吸引しこれら二つ以上の流体を合流させて流出させるエゼクタを備え、
   前記ノズルは、前記燃料ガスを流出させる第１開口部を先端部に有するとともに、前記ノズル内部を介して前記第１開口部と連通する第２開口部を有してなり、
   前記ノズルの先端には縮径部が形成され、前記第１開口部は前記縮径部の先端に配置されるとともに、前記第２開口部は前記縮径部の基端側に隣接して配置され、
   前記ノズルの第１開口部に嵌合または離反するように前記ノズルの中心軸方向に移動可能なニードル部材を備え、
   前記ニードル部材は、その先端部を縮径形成され、
   前記ニードル部材は、前記第１開口部に嵌合した状態で、前記第１開口部と前記第２開口部とを連通させる連通路を形成してなり、
   前記ニードル部材は、第３開口部と、前記第３開口部よりも後端側に位置して前記連通路を複数に分岐させる分岐部と、該分岐部よりも後端側に位置して前記分岐部と連通している複数の第４開口部と、を有し、
   前記ノズルの第２開口部は、前記ニードル部材が前記第１開口部に嵌合した状態で、前記第４開口部よりも後端側に位置するように形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ノズルの第２開口部は、前記ニードル部材が前記第１開口部に嵌合した状態で、前記第４開口部に向けて開口するように形成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. 前記ニードル部材の先端は、前記ニードル部材が前記第１開口部に嵌合した状態で、前記第１開口部と軸方向において同一または先端側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

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