JP4387660B2 - 燃料電池の流体供給装置 - Google Patents
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Description
【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を複数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、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(例えば、特許文献1参照)。
【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7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(排出燃料)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。
【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。
【0008】
ところが、燃料電池の場合には、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】
そこで、一つの匡体の中に、ディフューザ径およびノズル径の異なる複数のエゼクタと、前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つに選択切り替え可能に形成したエゼクタ切り替え手段とを内蔵した流体供給装置が開発されている(例えば、特許文献2参照)。この流体供給装置によれば、エゼクタ切り替え手段によりいずれか一つのノズルへの流路を選択することにより、燃料電池の運転状態に応じて複数あるエゼクタの中から最適なエゼクタを選択して水素を流通させ、これにより運転状態に応じた要求ストイキ値をほぼ満足させるようにしている。また、複数のエゼクタとエゼクタ切り替え手段を一つの匡体に内蔵させたことにより、ユニット化されて、小型・軽量化を図ることができる。
【0010】
【特許文献1】
特開平9−213353号公報
【特許文献2】
特開2002−56870号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように小型・軽量化が可能になった流体供給装置であるが、燃料電池自動車などにおいては搭載スペースに限りがあるため、さらなる小型・軽量化が切望されている。特に、より高いストイキ値が要求される場合には、エゼクタの数を多くして、各エゼクタのストイキ値の高い流量域を切り替えて繋いでいく必要があり、小型・軽量化の要求がますます大きくなった。
また、燃料電池自動車の場合には、燃費向上のために流体供給装置におけるエネルギー消費の抑制が望まれている。
そこで、この発明は、広範囲の流量域において所定のストイキ性能を確保することができ、且つ、小型・軽量化が可能で、しかも、エネルギー消費を抑制可能な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に係る発明は、第1流体を噴射する一つのノズル(例えば、後述する実施の形態におけるノズル45,55,65)と、該ノズルの軸線方向に設けられ前記第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一つのディフューザ(例えば、後述する実施の形態におけるディフューザ41,51,61)と、を組み合わせてなる複数のエゼクタ(例えば、後述する実施の形態におけるエゼクタ40,50,60)と、アクチュエータ(例えば、後述する実施の形態における電磁アクチュエータ77,87)の駆動力により前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つに選択切り替え可能とするエゼクタ切り替え手段(例えば、後述する実施の形態における第1切り替え弁70,第2切り替え弁80)と、前記複数のエゼクタおよび前記エゼクタ切り替え手段を内蔵する匡体(例えば、後述する実施の形態におけるユニット本体31)と、前記アクチュエータの駆動力を制御する制御部と、を備え、互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置し、前記制御部は、前記エゼクタ切り替え手段が複数の前記エゼクタのノズルのうち第1流体が最も少ない流量とされるノズル(例えば、後述する実施の形態におけるノズル45)への流路を選択する場合には前記アクチュエータの駆動力をゼロとし、他のノズル(例えば、後述する実施の形態におけるノズル55,65)への流路を選択する場合には前記アクチュエータの駆動力をゼロより大きくすることを特徴とする燃料電池(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、後述する実施の形態におけるエゼクタユニット30)である。
請求項2に係る発明は、第1流体を噴射する一つのノズル(例えば、後述する実施の形態におけるノズル45,55,65)と、該ノズルの軸線方向に設けられ前記第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一つのディフューザ(例えば、後述する実施の形態におけるディフューザ41,51,61)と、を組み合わせてなる複数のエゼクタ(例えば、後述する実施の形態におけるエゼクタ40,50,60)と、アクチュエータ(例えば、後述する実施の形態における電磁アクチュエータ77,87)の駆動力によって前記エゼクタを切り替え可能で、前記アクチュエータの駆動力がゼロのときは最も少ない流量のノズルを備えた前記エゼクタを選択し、アクチュエータの駆動力がゼロより大きいときは他の流量のノズルを備えた前記エゼクタを選択するエゼクタ切り替え手段(例えば、後述する実施の形態における第1切り替え弁70,第2切り替え弁80)と、前記複数のエゼクタおよび前記エゼクタ切り替え手段を内蔵する匡体(例えば、後述する実施の形態におけるユニット本体31)と、前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置し、前記制御部は、要求流量に応じて前記アクチュエータの駆動力を制御して前記エゼクタを切り替えることを特徴とする燃料電池(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、後述する実施の形態におけるエゼクタユニット30)である。
請求項3に係る発明は、前記要求流量は燃料電池の電流値に対応することを特徴とする。
【0013】
このように構成することで、エゼクタ切り替え手段による流路切り替えによっていずれか一つのエゼクタを単独で動作させることができ、したがって、エゼクタ毎にノズル径およびディフューザ径を異にしておくことによりストイキ特性を変えることができる。ここで、ストイキとは、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。また、筐体内に複数のエゼクタとエゼクタ切り替え手段を内蔵し、且つ、互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置したことにより、燃料供給装置を小型・軽量化することができる。
なお、「互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置した」には、「互いに隣接する前記エゼクタのディフューザについて、隣接方向に直交する面内で相互にディフューザの軸線の向きを変えて配置した」が含まれる。
【0014】
また、第1流体が最も少ない流量とされるノズルを選択したときに、エゼクタ切り替え手段のエネルギー消費を最も少なくすることができる。
【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一実施の形態を図1から図6の図面を参照して説明する。
初めに、図1を参照して、本発明に係る流体供給装置を備えた燃料電池システムを説明する。
この燃料電池システムは、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、エゼクタユニット(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を複数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】
燃料としての水素は、燃料供給側圧力制御部18、エゼクタユニット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水素を加湿して燃料電池11に供給する。これにより、固体分子電解質膜のイオン導電性を確保している。
エゼクタユニット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。エゼクタユニット30は、第1エゼクタ40と、第2エゼクタ50と、第3エゼクタ60と、これらエゼクタ40,50,60のいずれのエゼクタに水素を供給するかを選択的に切り替える第1切り替え弁70と第2切り替え弁80とを備えて構成されており、燃料供給側圧力制御部18から供給された水素と燃料電池11から排出された水素オフガスを混合して燃料電池11に供給するものである。なお、燃料電池11の燃料排出口20dから排出された水素オフガスは、水分離部16で水分を除去され、逆止弁23を通り、水素復流としてエゼクタユニット30に供給される。
この実施の形態において、第1切り替え弁70と第2切り替え弁80はエゼクタ切り替え手段を構成する。
【0019】
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(図示せず)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調整して、燃料電池11へと供給している。
【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を通過した燃料の圧力、つまり燃料電池11への燃料供給圧を所定値に設定している。
【0021】
次に、エゼクタユニット30について図2から図6の図面を参照して説明する。エゼクタユニット30はユニット本体(匡体)31を備え、このユニット本体31に、図3、図5に示すように、水素供給管33が接続される水素入口部34と、水素送出管35が接続される水素送出部36と、水素復流管37が接続される復流入口部38が設けられている。そして、燃料供給側圧力制御部18から送出された水素が水素供給管33を通って水素入口部34に供給されるとともに、逆止弁23を通ってきた水素オフガス(水素復流)が水素復流管37を通って復流入口部38に供給され、これら水素および水素復流が混合されて水素送出部36から水素送出管35に流出し、加湿部13に送出されるようになっている。前述した第1エゼクタ40と、第2エゼクタ50と、第3エゼクタ60と、第1切り替え弁70と、第2切り替え弁80はこのユニット本体31に内蔵されている。
【0022】
図2に示すように、第1切り替え弁70と第2切り替え弁80はそれぞれの軸線を垂直方向に向けて平行に並んで配置されており、これら切り替え弁70,80に対して水平方向の一方側(以下、図2に記載するように、この一方側の方向を「前方」、その反対側の方向を「後方」とする)に第1エゼクタ40と第2エゼクタ50と第3エゼクタ60が配置されている(図5、図6参照)。
【0023】
初めに、第1切り替え弁70と第2切り替え弁80について説明する。図4に示すように、ユニット本体31には、第1切り替え弁70の弁体71を移動可能に収納する弁室72と、弁室72に連なる第1ガス通路73と第2ガス通路74が設けられており、弁室72と第1ガス通路73、第2ガス通路74とを連通する連通部には環状の第1弁座75、第2弁座76が設けられている。第1弁座75と第2弁座76は互いに対向して配置されており、両弁座75,76の間に弁体71が配置されている。弁体71は、ユニット本体31に固定された電磁アクチュエータ77によって移動可能に支持されており、第1弁座75および第2弁座76に対して着座離間可能になっている。このようにして第1切り替え弁70が構成されている。
【0024】
第2切り替え弁80も第1切り替え弁70と同様に構成されており、第2切り替え弁80は、弁体81と、弁体81を移動可能に収納する弁室82と、弁室82に連なる第1ガス通路83および第2ガス通路84と、弁体81が着座離間可能な第1弁座85および第2弁座86と、弁体81を移動可能にする電磁アクチュエータ87を備えている。
そして、第1切り替え弁70の弁室72と前述した水素入口部34は連通孔39によって連通されている。第1切り替え弁70の第1ガス通路73と第2切り替え弁80の弁室81は連通孔78によって連通されている。なお、この連通孔78は第1切り替え弁70および第2切り替え弁80の一部を構成する。
また、第1切り替え弁70の第2ガス通路74は連通孔79によって後述する第3エゼクタ60のノズル65に接続されており、第2切り替え弁80の第1ガス通路83は連通孔88によって後述する第1エゼクタ40のノズル45に接続されており、第2切り替え弁80の第2ガス通路84は連通孔89によって後述する第2エゼクタ50のノズル55に接続されている。
【0025】
第1切り替え弁70および第2切り替え弁80の電磁アクチュエータ77,87は図示しない中央電子制御装置(以下、ECUと略す)によってON/OFF制御され、第1切り替え弁70はOFF状態で弁体71が第2弁座76に着座し、ON状態では弁体71が第1弁座75に着座するようにされており、第2切り替え弁80はOFF状態で弁体81が第2弁座86に着座し、ON状態では弁体81が第1弁座85に着座するようにされている。図2は、第1切り替え弁70と第2切り替え弁80が共にOFFにされている状態を示している。
なお、以下の説明においては、第1切り替え弁70の「OFF」とは電磁アクチュエータ77の「OFF」状態をいい、第2切り替え弁80の「OFF」とは電磁アクチュエータ87の「OFF」状態をいう。
【0026】
したがって、第1切り替え弁70と第2切り替え弁80が共にOFFのときには、第1切り替え弁70の弁室72と第1ガス通路73が連通して第2ガス通路74が遮断され、第2切り替え弁80の弁室82と第1ガス通路83が連通して第2ガス通路84が遮断されるので、水素入口部34から連通孔39を介して第1切り替え弁70の弁室72に流入した水素は、弁室72→第1ガス通路73→連通孔78→第2切り替え弁80の弁室82→第1ガス通路83→連通孔88の流路を通って第1エゼクタ40のノズル45だけに供給され、第2エゼクタ50のノズル55および第3エゼクタ60のノズル65に水素が供給されることはない。このときには、第1切り替え弁70と第2切り替え弁80の電磁アクチュエータ77,87はOFFであるので、電力を消費しない。
【0027】
また、第1切り替え弁70がOFFで、第2切り替え弁80がONのときには、第1切り替え弁70の弁室72と第1ガス通路73が連通して第2ガス通路74が遮断され、第2切り替え弁80の弁室82と第2ガス通路84が連通して第1ガス通路83が遮断されるので、水素入口部34から連通孔39を介して第1切り替え弁70の弁室72に流入した水素は、弁室72→第1ガス通路73→連通孔78→第2切り替え弁80の弁室82→第2ガス通路84→連通孔89の流路を通って第2エゼクタ50のノズル55だけに供給され、第1エゼクタ40のノズル45および第3エゼクタ60のノズル65に水素が供給されることはない。このときには、第1切り替え弁70の電磁アクチュエータ77はOFFであるので電力を消費しないが、第2切り替え弁80の電磁アクチュエータ87はONであるので電力を消費する。
【0028】
さらに、第1切り替え弁70がONで、第2切り替え弁80がOFFのときには、第1切り替え弁70の弁室72と第2ガス通路74が連通して第1ガス通路73が遮断されるので、水素入口部34から連通孔39を介して第1切り替え弁70の弁室72に流入した水素は、弁室72→第2ガス通路74→連通孔79の流路を通って第3エゼクタ60のノズル65だけに供給され、第1エゼクタ40のノズル45および第2エゼクタ50のノズル55に水素が供給されることはない。このときには、第1切り替え弁70の電磁アクチュエータ77はONであるので電力を消費するが、第2切り替え弁80の電磁アクチュエータ87はOFFであるので電力を消費しない。
なお、両電磁アクチュエータ77,87を共にONにしても、前記流路に水素を流すことは可能であるが、消費電力が多くなるだけである。
【0029】
次に、第1エゼクタ40、第2エゼクタ50、第3エゼクタ60について説明する。図5、図6に示すように、ユニット本体31には、第1切り替え弁70および第2切り替え弁80よりも前方側に、復流室90が設けられており、この復流室90は復流入口部38に接続されている。さらに、この復流室90よりも前方側に第1エゼクタ40のディフューザ41と第2エゼクタ50のディフューザ51と第3エゼクタ60のディフューザ61が形成されている。
【0030】
これら三つディフューザ41,51,61はいずれもその軸線を水平に配置されていて、上から、第1エゼクタ40のディフューザ41、第3エゼクタ60のディフューザ61、第2エゼクタ50のディフューザ51の順に、隣接するもの同士上下方向に所定の間隔を開けて配置されている。
第1エゼクタ40のディフューザ41と第2エゼクタ50のディフューザ51の軸線は同一垂直面上に位置しているが、第3エゼクタ60のディフューザ61の軸線はディフューザ41,51の軸線に対してねじれの位置に配置されている。つまり、互いに隣接する二つのエゼクタ(すなわち、第1エゼクタ40と第3エゼクタ60、あるいは、第3エゼクタ60と第2エゼクタ50)のディフューザ同士(すなわち、ディフューザ41とディフューザ61、あるいは、ディフューザ61とディフューザ51)はその軸線をねじれの位置に配置されていて、互いにぶつかることなく立体交差のように配置されている。
換言すると、互いに隣接する二つのエゼクタ(すなわち、第1エゼクタ40と第3エゼクタ60、あるいは、第3エゼクタ60と第2エゼクタ50)のディフューザ同士(すなわち、ディフューザ41とディフューザ61、あるいは、ディフューザ61とディフューザ51)について、これらエゼクタ40,50,60が隣接する方向(すなわち、図6において上下方向)に直交する面内(すなわち、水平面内)で相互にディフューザの軸線の向きを変えて配置されている。
【0031】
三つのディフューザ41,51,61は、その途中に内径が最小となるスロート部42,52,62を有し、このスロート部42,52,62よりも後方側(上流側)には前方(下流方向)に進むにしたがって漸次連続的に縮径する絞り部43,53,63が設けられ、スロート部42,52,62よりも前方側(下流側)には前方(下流方向)に進むにしたがって漸次連続的に拡径する拡径部44,54,64が設けられている。拡径部44,54,64の広がり角度は絞り部43,53,63の広がり角度よりも小さい。そして、これらディフューザ41,51,61の絞り部43,53,63の後端は復流室90に連通しており、拡径部44,54,64の先端は水素送出部36の側面に設けられた送出口44a,54a、64aに連通している。水素送出部36は、水平断面が略三角形をなし、その頂点部分を前方に突出させた形態をなしており、一方の側面36aに第1エゼクタ40の送出口44aと第2エゼクタ50の送出口54aが上下に離間して開口し、他方の側面36bに第3エゼクタ60の送出口64aが開口している。
なお、ディフューザ41,51,61は拡径部44,54,64におけるスロート部42,52,62に近い部位が、前述したねじれの中心に位置している。
【0032】
また、ディフューザ41の後方には第1エゼクタ40のノズル45がその先端を復流室90に突出させた状態でディフューザ41と同軸上にユニット本体31に固定されている。ノズル45は軸線方向に貫通するノズル孔46を有し、ノズル孔46は前方(下流方向)に進むにしたがって漸次縮径している。
同様に、ディフューザ51,61の後方にも第2エゼクタ50のノズル55、第3エゼクタ60のノズル65がその各先端を復流室90に突出させた状態でディフューザ51,61と同軸上にユニット本体31に固定されていて、これらノズル55,65にも同様にノズル孔56,66が形成されている。
前述した第2切り替え弁80の第1ガス通路83に連なる連通孔88はノズル45のノズル孔46に接続されており、第2切り替え弁80の第2ガス通路84に連なる連通孔89はノズル55のノズル孔56に接続されており、第1切り替え弁70の第2ガス通路74に連なる連通孔79はノズル65のノズル孔66に接続されている。
【0033】
また、水素送出部36の側面36a,36bに設けられた送出口44a,54a,64aには、それぞれ逆流防止用のリードバルブ47,57,67とストッパ48,58,68が装着されており、送出口から流体が流出しているときには該送出口のリードバルブが開き、送出口から流体が流出していないときには該送出口のリードバルブが閉じるようになっている。これにより、流体が一つの送出口(例えば送出口44a)から水素送出管35に流出しているときに、その流体が水素送出管35から他の送出口(例えば送出口54a,64a)に流入しディフューザを通って復流室90に逆流して実質的な水素復流量が減少する(つまりストイキが低下する)のを防止している。
【0034】
ここで、ディフューザ41とノズル45と復流室90は第1エゼクタ40を構成し、ディフューザ51とノズル55と復流室90は第2エゼクタ50を構成し、ディフューザ61とノズル65と復流室90は第3エゼクタ60を構成する。
第1エゼクタ40において、ノズル45のノズル孔46の先端からディフューザ41に向けて水素を噴射すると、ディフューザ41のスロート部42の近傍に負圧が発生し、この負圧によって復流室90内の水素復流がディフューザ41に吸い込まれ、ノズル45から噴射された水素と復流室90から吸い込まれた水素復流がディフューザ41で混合されて、送出口44aから水素送出管35に流出する。
【0035】
第2エゼクタ50および第3エゼクタ60の作用も第1エゼクタ40と同様である。すなわち、第2エゼクタ50において、ノズル55から水素を噴射すると復流室90の水素復流がディフューザ51に吸い込まれ、水素と水素復流はディフューザ51で混合されて、送出口54aから水素送出管35に流出する。また、第3エゼクタ60において、ノズル65から水素を噴射すると復流室90の水素復流がディフューザ61に吸い込まれ、水素と水素復流はディフューザ61で混合されて、送出口64aから水素送出管35に流出する。
【0036】
なお、第1エゼクタ40は、小流量時に必要ストイキ値を満足させる小流量用のエゼクタとして機能し、第2エゼクタ50は、中流量時に必要ストイキ値を満足させる中流量用のエゼクタとして機能し、第3エゼクタ60は大流量時に必要ストイキ値を満足させる大流量用のエゼクタとして機能するように設定されている。そのために、第1エゼクタ40のノズル45の内径およびディフューザ41の内径はそれぞれ第2エゼクタ50のノズル55の内径およびディフューザ51の内径よりも小さく設定されており、第3エゼクタ60のノズル65の内径およびディフューザ61の内径はそれぞれ第2エゼクタ50のノズル55の内径およびディフューザ51の内径よりも大きく設定されている。
【0037】
次に、この燃料電池システムの作用をエゼクタユニット30を中心にして説明する。
エゼクタユニット30の第1切り替え弁70と第2切り替え弁80は、燃料電池11の出力電流に基づいてECUにより制御される。
すなわち、燃料電池11の出力電流が第1の所定値C1よりも小さいときには燃料極に供給する水素の流量は小流量でよいので、ECUは第1切り替え弁70と第2切り替え弁80を共にOFF状態に制御する。
第1切り替え弁70および第2切り替え弁80を共にOFF状態にすると、前述したように、水素入口部34から連通孔39を介して第1切り替え弁70の弁室72に流入した水素は、弁室72→第1ガス通路73→連通孔78→第2切り替え弁80の弁室82→第1ガス通路83→連通孔88の流路を通って第1エゼクタ40のノズル45だけに供給され、第2エゼクタ50のノズル55および第3エゼクタ60のノズル65には水素が供給されない。
【0038】
その結果、小流量用の第1エゼクタ40のノズル45からディフューザ41に向けて水素が噴射され、復流室90の水素復流がディフューザ41に吸い込まれ、これら水素と水素復流がディフューザ41で混合されて、送出口44aから水素送出管35に流出し、加湿器13を介して燃料電池11の燃料極に供給される。
また、このときには、中流量用の第2エゼクタ50と大流量用の第3エゼクタ60のノズル55,65から水素が噴射されることはなく、ディフューザ51,61に水素復流が吸い込まれることはない。
すなわち、燃料電池11の出力電流が第1の所定値C1よりも小さく、水素消費量が少量のときには、このエゼクタユニット30は第1エゼクタ40だけが機能し、第2エゼクタ50と第3エゼクタ60は機能しない。そして、このときには、ストイキ値は小流量用の第1エゼクタ40のストイキ特性により決定される。
【0039】
次に、燃料電池11の出力電流が第1の所定値C1以上であるが第2の所定値C2よりも小さいときには燃料極に供給する水素の流量は中流量でよいので、ECUは第1切り替え弁70をOFF状態に制御し、第2切り替え弁80をON状態に制御する。
第1切り替え弁70をOFF状態、第2切り替え弁80をON状態に制御すると、前述したように、水素入口部34から連通孔39を介して第1切り替え弁70の弁室72に流入した水素は、弁室72→第1ガス通路73→連通孔78→第2切り替え弁80の弁室82→第2ガス通路84→連通孔89の流路を通って第2エゼクタ50のノズル55だけに供給され、第1エゼクタ40のノズル45および第3エゼクタ60のノズル65には水素が供給されない。
【0040】
その結果、中流量用の第2エゼクタ50のノズル55からディフューザ51に向けて水素が噴射され、復流室90の水素復流がディフューザ51に吸い込まれ、これら水素と水素復流がディフューザ51で混合されて、送出口54aから水素送出管35に流出し、加湿器13を介して燃料電池11の燃料極に供給される。
また、このときには、小流量用の第1エゼクタ40と大流量用の第3エゼクタ60のノズル45,65から水素が噴射されることはなく、ディフューザ41,61に水素復流が吸い込まれることはない。
すなわち、燃料電池11の出力電流が第1の所定値C1以上であるが第2の所定値C2よりも小さく、水素消費量が中量のときには、このエゼクタユニット30は第2エゼクタ50だけが機能し、第1エゼクタ40と第3エゼクタ60は機能しない。そして、このときには、ストイキ値は中流量用の第2エゼクタ50のストイキ特性により決定される。
【0041】
次に、燃料電池11の出力電流が第2の所定値C2以上のときには燃料極に供給する水素の流量は大流量が必要であるので、ECUは第1切り替え弁70をON状態に制御し、第2切り替え弁80をOFF状態に制御する。
第1切り替え弁70をON状態、第2切り替え弁80をOFF状態に制御すると、前述したように、水素入口部34から連通孔39を介して第1切り替え弁70の弁室72に流入した水素は、弁室72→第2ガス通路74→連通孔79の流路を通って第3エゼクタ60のノズル65だけに供給され、第1エゼクタ40のノズル45および第2エゼクタ50のノズル55には水素が供給されない。
【0042】
その結果、大流量用の第3エゼクタ60のノズル65からディフューザ61に向けて水素が噴射され、復流室90の水素復流がディフューザ61に吸い込まれ、これら水素と水素復流がディフューザ61で混合されて、送出口64aから水素送出管35に流出し、加湿器13を介して燃料電池11の燃料極に供給される。
また、このときには、小流量用の第1エゼクタ40と中流量用の第2エゼクタ50のノズル45,55から水素が噴射されることはなく、ディフューザ41,51に水素復流が吸い込まれることはない。
すなわち、燃料電池11の出力電流が第2の所定値C2以上で、水素消費量が大量のときには、このエゼクタユニット30は第3エゼクタ60だけが機能し、第1エゼクタ40と第2エゼクタ50は機能しない。そして、このときには、ストイキ値は大流量用の第3エゼクタ60のストイキ特性により決定される。
【0043】
このように、この実施の形態におけるエゼクタユニット30を備えた燃料電池システムによれば、第1切り替え弁70と第2切り替え弁80による流路切り替え制御によって、第1エゼクタ40と第2エゼクタ50と第3エゼクタ60のいずれか一つだけを機能させて水素復流を燃料電池11に再循環させることができる。しかも、第1エゼクタ40は小流量用エゼクタとしてのストイキ特性を有し、第2エゼクタ50は中流量用エゼクタとしてのストイキ特性を有し、第3エゼクタ60は大流量用エゼクタとしてのストイキ特性を有しているので、アイドル時の小流量から高負荷時の大流量まで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11に送出することができる。
また、燃料電池11の出力電流に応じて二つの切り替え弁70,80を切り替えるようにしているので、エゼクタの選択が適正に行われ、燃料電池11で必要とされる水素流量(要求流量)を確実に送出することができる。
【0044】
さらに、ユニット本体31内に三つのエゼクタ40,50,60と二つの切り替え弁70,80を内蔵しているので、燃料供給システムを小型化することができる。特に、第1エゼクタ40のディフューザ41と第2エゼクタ50のディフューザ51の間に配置される第3エゼクタ60のディフューザ61を、ディフューザ41,51に対してねじれの位置に配置しているので、これら三つのディフューザ41,51,61を同一垂直面上に平行に配置した場合に比べてユニット本体31の高さを低くすることができ、より小型・軽量化を図ることができる。
【0045】
また、燃料電池11の出力電流が第1の所定値C1よりも小さく、燃料極に供給する水素の流量が小流量のときには、第1切り替え弁70と第2切り替え弁80を共にOFF状態に制御するので、このときの電磁アクチュエータ77,87の消費電力をゼロにすることができ、燃料電池1が小出力時の寄生電力を増やすことがない。よって、エネルギーマネージメント上、極めて有利であり、燃料電池自動車の燃費が向上する。
【0046】
[他の実施の形態]
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、前述した実施の形態では、要求する水素流量に関する入力信号として燃料電池の実際の出力電流を用いたが、これに代えて目標電流等を用いても構わない。
また、前述した実施の形態では、第1エゼクタ40のディフューザ41と第2エゼクタ50のディフューザ51の軸線を同一垂直面上に配置し、第3エゼクタ60のディフューザ61の軸線をディフューザ41,51の軸線に対してねじれの位置に配置したが、三つのディフューザ41,51,61の軸線の総てを互いにねじれの位置に配置することも可能である。
さらに、エゼクタは三つに限るものではなく、二つでもよいし、あるいは、四つ以上であってもよい。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1から請求項3に係る発明によれば、エゼクタ切り替え手段による流路切り替えによっていずれか一つのエゼクタを単独で動作させることができ、したがって、エゼクタ毎にノズル径およびディフューザ径を異にしておくことにより、流量特性を変えることができるので、小流量から大流量まで広範囲に亘って所定のストイキ特性を確保しつつ、必要な流量で流体を燃料電池に送出することができる。しかも、筐体内に複数のエゼクタとエゼクタ切り替え手段を内蔵し、且つ、互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置したことにより、燃料供給装置を小型・軽量化することができる。
【0048】
しかも、第1流体が最も少ない流量とされるノズルを選択したときに、エゼクタ切り替え手段のエネルギー消費を最も少なくすることができるので、エネルギーマネージメント上、極めて有利になる。特に、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムに適用した場合には、燃料電池自動車の燃費が向上す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システムの構成図である。
【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ユニットの一実施の形態における外観斜視図である。
【図3】 前記実施の形態におけるエゼクタユニットの水素送出部側から見た正面図である。
【図4】 前記実施の形態におけるエゼクタユニットの切り替え弁部分の縦断面図である。
【図5】 前記実施の形態におけるエゼクタユニットの横断面図である。
【図6】 図5のX−X断面図である。
【図7】 従来の一般的なエゼクタの断面図である。
【符号の説明】
11 燃料電池
30 エゼクタユニット(流体供給装置)
31 ユニット本体(匡体)
40 第1エゼクタ
50 第2エゼクタ
60 第3エゼクタ
41,51,61 ディフューザ
45,55.65 ノズル
70 第1切り替え弁(エゼクタ切り替え手段)
80 第2切り替え弁(エゼクタ切り替え手段)
Claims (3)
- 第1流体を噴射する一つのノズルと、該ノズルの軸線方向に設けられ前記第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一つのディフューザと、を組み合わせてなる複数のエゼクタと、
アクチュエータの駆動力により前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つに選択切り替え可能とするエゼクタ切り替え手段と、
前記複数のエゼクタおよび前記エゼクタ切り替え手段を内蔵する匡体と、
前記アクチュエータの駆動力を制御する制御部と、を備え、
互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置し、
前記制御部は、前記エゼクタ切り替え手段が複数の前記エゼクタのノズルのうち第1流体が最も少ない流量とされるノズルへの流路を選択する場合には前記アクチュエータの駆動力をゼロとし、他のノズルへの流路を選択する場合には前記アクチュエータの駆動力をゼロより大きくすることを特徴とする燃料電池の流体供給装置。 - 第1流体を噴射する一つのノズルと、該ノズルの軸線方向に設けられ前記第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一つのディフューザと、を組み合わせてなる複数のエゼクタと、
アクチュエータの駆動力によって前記エゼクタを切り替え可能で、前記アクチュエータの駆動力がゼロのときは最も少ない流量のノズルを備えた前記エゼクタを選択し、アクチュエータの駆動力がゼロより大きいときは他の流量のノズルを備えた前記エゼクタを選択するエゼクタ切り替え手段と、
前記複数のエゼクタおよび前記エゼクタ切り替え手段を内蔵する匡体と、
前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、
互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置し、
前記制御部は、要求流量に応じて前記アクチュエータの駆動力を制御して前記エゼクタを切り替えることを特徴とする燃料電池の流体供給装置。 - 前記要求流量は燃料電池の電流値に対応することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池の流体供給装置。
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