JP4487533B2 - エジェクタ装置およびそれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、主流体をノズル部から噴出させる際のエネルギー交換作用によって副流体を吸引するエジェクタ装置に関するものであり、特に、燃料電池を有する燃料電池システムに用いるエジェクタ装置として好適なものである。

燃料電池の燃料利用率と発電効率の低下防止のため、燃料電池の燃料極から排出されるオフガスをポンプ装置により吸引し、供給燃料に混合して燃料電池に再循環させる燃料電池システムが知られている。オフガスを再循環させるためのポンプ装置には、例えば特許文献１に示されるように、供給燃料の流体エネルギーを利用して省動力化を図ることができるため、エジェクタノズルを備えるエジェクタポンプ（エジェクタ装置）が主に用いられている。

しかし、このような燃料電池システムにおいて、高圧水素タンクからの主供給水素は、高圧水素タンクから放出された時の気体膨張により温度が下がり、この低温の主供給水素がエジェクタポンプを通ることとなるため、エジェクタポンプ内の露点が上がらず、主供給水素に対する加湿量が低下して、その結果、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。

また、高温で水分を含むオフガスがエジェクタポンプに吸引されることとなり、主供給水素とオフガスとの温度差により、混合した部位でオフガスの水蒸気が凝縮して水滴になってしまい、低温時には水滴が凍結して水素供給流路を閉塞し、発電の妨げとなるおそれがある。あるいは、可動部の作動不良となり、必要な水素供給ができないといったおそれがある。

このような課題に対して特許文献１では、オフガスが通るオフガス通路に凝縮器を設け、その凝縮器の冷却手段として水素供給通路の一部を利用することにより、循環再利用するオフガス中の水分を凝縮させて除去すると同時に、高圧水素タンクから供給される主供給水素を暖めて保湿量を確保するというものである。
特開２００２−３１３３７６号公報

しかしながら、上記特許文献１の燃料電池システムにおいては、主供給水素とオフガスとを熱交換させる熱交換器（凝縮器）が必要となり、特に燃料電池を用いた車両などでは搭載性が損なわれるという問題点がある。本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、極力簡素な構造で主供給水素を暖めて保湿量を確保することのできるエジェクタ装置およびそれを用いた燃料電池システムを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、水素供給装置（３１）から燃料電池（１０）へ水素を供給する際のエネルギーによって、水分と未反応水素とを含んで燃料電池（１０）から排出されるオフガスを吸引し、該オフガスと水素とを混合した状態にて該混合ガスを燃料電池（１０）に供給するエジェクタ装置であって、
燃料電池（１０）における化学反応による熱が伝熱されるノズル部本体（５１１）と、ノズル部本体（５１１）に形成されて主流体である水素が導入される主流取り込み流路（５１１４）と、主流体を噴出させるノズル部（５１１３）と、主流取り込み流路（５１１４）とノズル部（５１１３）との間を連通させる主流通路（５１１２）と、ノズル部（５１１３）から噴出された主流体を通過させる吐出通路（５２１）と、主流体をノズル部（５１１３）から噴出する際のエネルギー交換作用によって副流体であるオフガスを内部に吸引して該オフガスを吐出通路（５２１）に導く吸引ポート（５２２）と、主流取り込み流路（５１１４）に配設され、主流体が流通する微細空間を有する金属焼結フィルタ（５５）とを備えたことを特徴としている。

エジェクタ装置（５０）は通常、燃料電池（１０）に密着させて配置される場合が多く、燃料電池（１０）は後述する化学反応にて電気エネルギーと熱を発生するため、エジェクタ装置（５０）のノズル部本体（５１１）も伝熱および高温雰囲気によって加熱されることとなる。

この請求項１に記載の発明によれば、その加熱されるノズル部本体（５１１）に形成された主流取り込み流路（５１１４）に金属焼結フィルタ（５５）を配設するという簡素な構造により、金属焼結フィルタ（５５）もノズル部本体（５１１）からの伝熱によって暖められ、その暖められた金属焼結フィルタ（５５）の微細空間を主供給水素が流通することにより、金属焼結フィルタ（５５）が外部の熱を主供給水素に伝熱する熱交換機能となって主供給水素が暖められ、保湿量が確保されることとなる。

これにより、水分を含んだオフガスと混合されても水が凝縮しないようになるため、低温時に水滴が凍結して水素供給流路を閉塞して発電の妨げとなったり、可動部の作動不良となって必要な水素供給ができなかったりという不具合を防ぐことができるうえ、主供給水素の保湿量が向上することから燃料電池の発電性能を向上させることができる。また、金属焼結フィルタ（５５）は、主供給水素と一緒に流入する配管系などからの異物をトラップするフィルタ機能ともなる。

また、請求項２に記載の発明では、金属焼結フィルタ（５５）を保持するノズル部本体（５１１）に、金属焼結フィルタ（５５）に伝熱する加熱手段（５４）を配設したことを特徴としている。この請求項２に記載の発明によれば、積極的にノズル部本体（５１１）から主流取り込み流路（５１１４）および金属焼結フィルタ（５５）を加熱して、主供給水素を暖めることができる。

また、請求項３に記載の発明では、加熱手段（５４）は、ＰＴＣヒータであることを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、ＰＴＣヒータに用いられるＰＴＣ素子は、自己温度制御機能を有するため、温度制御のための通電制御装置を不要にすることができ、シンプルな構成にすることができる。

また、請求項４に記載の発明では、金属焼結フィルタ（５５）を保持するノズル部本体（５１１）に、金属焼結フィルタ（５５）に伝熱する加熱流体流路（５６）を配設したことを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、加熱流体流路（５６）に加熱流体を流通させることにより、積極的にノズル部本体（５１１）から主流取り込み流路（５１１４）および金属焼結フィルタ（５５）を加熱して、主供給水素を暖めることができる。

また、請求項５に記載の発明では、加熱手段（５４）もしくは加熱流体流路（５６）は、ノズル部本体（５１１）において主流取り込み流路（５１１４）が形成された位置の周上の一部に配設されていることを特徴としている。この請求項５に記載の発明によれば、主流取り込み流路（５１１４）から主流体が導入された時点で、加熱手段（５４）もしくは加熱流体流路（５６）から主流体に確実に熱エネルギーを与えることができる。

また、請求項６に記載の発明では、ノズル部本体（５１１）と、吐出通路（５２１）を形成する配管ユニット（５２）とは別体に形成されていることを特徴としている。この請求項６に記載の発明によれば、ノズル部本体（５１１）と配管ユニット（５２）との問には伝熱境界面が存在するため、加熱手段（５４）もしくは加熱流体流路（５６）から配管ユニット（５２）ヘの熱エネルギーの伝達は抑制され、加熱手段（５４）もしくは加熱流体流路（５６）からの熱エネルギーはノズル部本体（５１１）と金属焼結フィルタ（５５）とを介して主流体に効率的に伝達される。

また、請求項７に記載の発明では、軸方向に変位してノズル部（５１１３）の開口面積を調整するニ一ドル（５１２）と、ニ一ドル（５１２）を駆動する駆動ユニット（５３）とを備え、ノズル部本体（５１１）と駆動ユニット（５３）とは別体に形成されていることを特徴としている。この請求項７に記載の発明によれば、ノズル部本体（５１１）と駆動ユニット（５３）との間には伝熱境界面が存在するため、加熱手段（５４）もしくは加熱流体流路（５６）から駆動ユニット（５３）ヘの熱エネルギーの伝達は抑制され、加熱手段（５４）もしくは加熱流体流路（５６）からの熱エネルギーはノズル部本体（５１１）と金属焼結フィルタ（５５）とを介して主流体に効率的に伝達される。

また、請求項８に記載の発明では、請求項４ないし請求項７のいずれか１つに記載のエジェクタ装置を用い、加熱流体流路（５６）に燃料電池（１０）通過後の冷却水を流通させることを特徴としている。この請求項８に記載の発明によれば、主供給水素を暖めるための加熱流体として、燃料電池（１０）通過後の冷却水を利用することができる。これにより、ほぼ配管経路の取り回しを変更するだけの簡素な構造で主供給水素の加熱機構が構成でき、燃料電池を用いた車両などに適用しても搭載性を損なうことがない。

また、請求項９に記載の発明では、請求項４ないし請求項７のいずれか１つに記載のエジェクタ装置を用い、加熱流体流路（５６）に燃料電池（１０）通過後のオフ水素を流通させることを特徴としている。この請求項９に記載の発明によれば、主供給水素を暖めるための加熱流体として、燃料電池（１０）通過後のオフ水素を利用することができる。これにより、ほぼ配管経路の取り回しを変更するだけの簡素な構造で主供給水素の加熱機構が構成でき、燃料電池を用いた車両などに適用しても搭載性を損なうことがない。

また、請求項１０に記載の発明では、請求項４ないし請求項７のいずれか１つに記載のエジェクタ装置を用い、加熱流体流路（５６）に燃料電池（１０）通過後のオフ空気を流通させることを特徴としている。この請求項１０に記載の発明によれば、主供給水素を暖めるための加熱流体として、燃料電池（１０）通過後のオフ空気を利用することができる。これにより、ほぼ配管経路の取り回しを変更するだけの簡素な構造で主供給水素の加熱機構が構成でき、燃料電池を用いた車両などに適用しても搭載性を損なうことがない。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について図１・図２に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０、空気供給装置２１、燃料（水素）供給装置３１、エジェクタポンプ（エジェクタ装置）５０、制御部４０・４１などを備えている。

燃料電池（FCスタック）１０は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本実施形態では燃料電池１０として、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。そして、燃料電池１０は、図示しない走行用モータや２次電池などの電気機器に電力を供給するように構成されている。また、燃料電池１０には、その出力電圧を検出するための電圧センサ１１が設けられている。

燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギーが発生する。
（水素極側）H_２→２H⁺+２e⁻+Ｑ（発熱）
（酸素極側）１／２Ｏ_２+２H⁺+２e⁻→H_２O＋Ｑ（発熱）
この電気化学反応により水および熱が発生する。反応を促進させるため、燃料電池１０には加湿された水素と空気が供給される。燃料電池１０内部で生成された水は、通常、酸素極（正極）のみに発生するが、拡散して反対極の水素極（負極）側にも発生する。反応により生成された水は、燃料電池１0の発電条件や周囲の環境条件によって水蒸気および凝縮した水の状態で生じる。

燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気供給経路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素供給経路３０と、燃料電池１０を冷却するための冷却経路６０が設けられている。空気供給経路２０の最上流部には空気供給装置２１が設けられ、水素供給経路３０の最上流部には水素供給装置３１が設けられている。本実施形態では、空気供給装置２１としてコンプレッサを用い、水素供給装置３１として水素ガスが充填された高圧水素タンクを用いている。

水素供給経路３０には、水素供給装置３１からの水素供給量、および水素供給圧力を調整するためのレギュレータ（水素供給圧力制御手段）３２が設けられている。また、空気供給経路２０における燃料電池１０入口付近には、空気供給圧を検出するための空気供給圧検出センサ２２が設けられ、水素供給経路３０における燃料電池１０入口付近には、水素供給圧を検出するための水素供給圧検出センサ３３が設けられている。尚、燃料電池１０への水素供給圧は、エジェクタポンプ５０の吐出圧（出口圧力）となっている。

燃料電池１０から排出される未反応水素を含んだオフガスを、水素供給装置３１からの主供給水素に合流させて燃料電池１０に再供給するためのオフガス循環経路３４が設けられている。オフガス循環経路３４は、燃料電池１０の水素極出口側と水素供給経路３０におけるレギュレータ３２の下流側とを接続している。

オフガス循環経路３４には、オフガス中に含まれる水分を分離除去するための気液分離器３５、オフガスを外部に排出するための排出バルブ３６、オフガスの外部排出時にオフガスの逆流を防ぐための逆止弁３７が設けられている。尚、気液分離器３５にて分離された水は、下方に設けられたバルブを開放することにより排出される。

水素供給経路３０におけるオフガス循環経路３４の合流点には、オフガスを循環させるためのポンプ手段としてエジェクタポンプ５０が設けられている。エジェクタポンプ５０は、高速で噴出する作動流体のエネルギー交換作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであり、具体的には、水素供給装置３１から供給される主供給水素の流体エネルギーを利用してオフガスを吸引して循環させるものである。尚、エジェクタポンプ５０については後述する。

冷却経路６０には冷却水が循環されており、燃料電池１０を流通して燃料電池１０を冷却することによって暖められた冷却水は、冷却水循環装置（本実施形態ではウォータポンプ）６１によって図示しない放熱器（ラジエータ）に流通して冷却され、再度燃料電池１０へ供給される循環経路となっている。

燃料電池システムには、２つの制御部（ＥＣＵ）４０・４１が設けられている。第１制御部４０には、アクセル開度センサ４３にて検出したアクセル４２の開度などが入力されると共に、アクセル開度などに基づいて燃料電池１０の要求発電量を演算する。さらに第１制御部４０は、燃料電池１０が要求発電量を発電するために必要な水素供給量、必要なオフガス循環量、必要な水素供給圧力（エジェクタポンプ吐出圧）を演算し、第２制御部４１に指令を与える。

第１制御部４０は、燃料電池１０が要求発電量を発電するために必要な空気供給量を演算し、コンプレッサ２１の回転数制御を行う。このとき第１制御部４０は、空気供給圧検出センサ２２からのセンサ信号に基づいてコンプレッサ２１の回転数のフィードバック制御を行う。尚、第1制御部４０は、電圧センサ１１からのセンサ信号に基づいて燃料電池１０の発電状態を管理する。

また、第２制御部４１には、第１制御部４０からの制御信号と水素供給圧検出センサ３３からのセンサ信号が入力される。第２制御部４１は、必要水素供給量に基づいてレギュレータ３２のバルブ開度を演算し、必要オフガス循環量に基づいてエジェクタポンプ５０のノズル開度を演算すると共に、レギュレータ３２およびエジェクタポンプ５０に制御信号を出力する。さらに、第２制御部４１は、冷却水循環装置６１の運転制御信号、および気液分離器３５に設けられたバルブや排出バルブ３６に制御信号を出力する。

次に、エジェクタポンプ５０について図２に基づいて説明する。図２は、本発明の第１実施形態におけるエジェクタポンプ５０の構成を示す断面図である。エジェクタポンプ５０は、ノズルユニット５１、配管ユニット５２、および駆動ユニット５３から構成されており、各ユニット５１・５２・５３は別体に形成された後、適宜の締結手段により結合されている。

ノズルユニット５１は、ノズルボディ（ノズル部本体）５１１と、ニ一ドル５１２とを有する。ノズルボディ５１１およびニ一ドル５１２は、耐食性に富む金属、例えばＳＵＳ３１６ＬまたはＳＵＳ３０４Ｌからなり、さらにニ一ドル５１２は、滑り特性と耐摩耗性を向上させるためにＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理が施されている。

ノズルボディ５１１は、略円筒状であり、ニ一ドル５１２を摺動自在に保持する円柱状のガイド穴５１１１と、ガイド穴５１１１よりも小径で、後述する主流ポートとノズル部との間を連通させる円柱状の主流通路５１１２と、先端部に向かって径が小さくなるテーパ状のノズル部５１１３が、ノズルボディ５１１の軸方向に沿って順に形成されている。

ノズルボディ５１１の軸方向中間部には、主流通路５１１２と連通する主流ポート（主流取り込み流路）５１１４が形成されており、主流ポート５１１４には、水素供給経路３０が接続され、水素供給装置３１からの水素が導入されるようになっている。尚、本発明の要部として、主流ポート５１１４内に金属焼結フィルタ（金属焼結部材）５５を配設している。具体的にはステンレスなどの粉体粒子を固めたものである。これにより、主供給水素は金属焼結フィルタ５５の微細空間を流通してノズル内部に導入されるようになっている。

主流通路５１１２は、段付き形状としてノズルボディ側シール面５１１５が形成されており、このノズルボディ側シール面５１１５は、主流通路５１１２における主流ポート５１１４側の端部に主流通路５１１２を囲むようにして形成されている。ニ一ドル５１２は、段付き円筒形状になっており、その軸方向中問部に形成された大径円柱部５１２１がガイド穴５１１１に摺動自在に保持されている。

大径円柱部５１２１からノズル部５１１３側に内かって、大径円柱部５１２１よりも小径の第１小径円柱部５１２２が延びている。この第１小径円柱部５１２２の端部には、先端部に向かって径が小さくなるテーパ部５１２３が形成されており、このテーパ部５１２３によりノズル部５１１３の開口面積を調整するようになっている。

大径円柱部５１２１から反ノズル部５１１３側に向かって、大径円柱部５１２１よりも小径の第２小径円柱部５１２４が延びている。大径部５１２１におけるノズル部５１１３側の端面には、ノズルボディ側シール面５１１５との当接により主流通路５１１２を閉じるニ一ドル側シール面５１２５が形成されている。ここで、ニ一ドル側シール面５１２５がノズルボディ側シール面５１１５に当接した状態において、ノズル部５１１３とテーパ部５１２３は当たらないように、各部の寸法関係などが設定されている。

配管ユニット５２は、ノズルユニット５１のノズルボディ５１１におけるノズル部５１１３側の端部に配置されている。配管ユニット５２は、略円筒状であり ノズル部５１１３から噴出される水素などを通過させる吐出通路５２１が、軸方向に延びるように形成されている。この吐出通路５２１の一端側にノズル部５１１３が挿入され、吐出通路５２１の他端は水素供給経路３０を介して燃料電池１０に接続されている。配管ユニット５２の軸方向中間部には、吐出通路５２１と連通する吸引ポート５２２が形成されており、吸引ポート５２２にはオフガス循環経路３４が接続されている。

駆動ユニット５３は、ノズルユニット５１のニ一ドル５１２を駆動するもので、ノズルボディ５１１における反ノズル部５１１３側の端部に配置されている。駆動ユニット５３は、具体的にはステップモータであり、ロータ５３１・ステー'タ５３２・シールド５３３およびニ一ドルガイド５３４からなる。

ニ一ドルガイド５３４は、ノズルボディ５１１に固定され、ニ一ドル５１２の第２小径円柱部５１２４を摺動自在に保持する。また、ニ一ドル５１２の第２小径円柱部５１２４は、その先端部にてロータ５３１に固定されている。ロータ５３１に形成した雌ネジ５３２１とニ一ドルガイド５３４に形成した雄ネジ５３４１とが螺合しており、これにより、ロータ５３１が回転されるとロータ５３１およびニ一ドル５１２が軸方向に移動するようになっている。

次に、上記構成の燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池１０にて水素が消費されている状況では、水素供給装置３１から水素供給経路３０、およびエジェクタポンプ５０を介して燃料電池１０に水素が供給される。この主供給水素がエジェクタポンプ５０内を通過する際、主供給水素はノズル部５１１３から高速のガス流として流出する。

この時、主供給水素の流体エネルギーがオフガス循環の運動エネルギーとしてエネルギー交換が成される。このため、高速ガス流となった主供給水素は、ノズル部５１１３外周部に存在するオフガスを引き込むようにして吐出通路５２１に流れる。この結果、ノズル部５１１３外周部には負圧が発生することとなり、オフガス循環経路３４を流れるオフガスが吸引ポート５２２から吸引されて吐出通路５２１に導かれる。

このようにエジェクタポンプ５０は、流入する高圧水素の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して主供給水素を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部５１１３と、そのノズル部５１１３から噴射する高い速度の駆動流の巻き込み作用によりオフガス循環経路３４からオフガスを吸引する吸引部５２ａと、ノズル部５１１３から噴射する駆動流とオフガスの吸引流とを混合する混合部５２ｂと、ノズル部５１１３から噴射する主供給水素とオフガス循環経路３４から吸引したオフガスとを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して混合流体の圧力を昇圧させるディフューザ部５２ｃとからなる。

この時、混合部５２ｂにおいては、駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部５２ｂにおいても混合流体の圧力（静圧）が上昇する。一方、ディフューザ部５２ｃにおいては、通路断面積を徐々に拡大することにより混合流体の速度エネルギー（動圧）を圧力エネルギー（静圧）に変換するので、エジェクタポンプ５０においては、混合部５２ｂおよびディフューザ部５２ｃの両者にて混合流体圧力を昇圧する。そこで、混合部５２ｂとディフューザ部５２ｃとを総称して昇圧部と呼ぶ。

ちなみに、本実施形態では、先細ノズルを採用しているが、ノズル部５１１３から噴出する主供給水素の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラハールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しても良いことは言うまでもない。吐出通路５２１にて混合された主供給水素とオフガスは、水素供給経路３０を介して燃料電池１０に供給される。

駆動ユニット５３にてニ一ドル５１２を軸方向に移動させることにより、ノズル部５１１３の開口面積（開度）を調整して、主流水素量を制御する。燃料電池１０にて水素が消費されない状況になった場合は、ニ一ドル側シール面５１２５がノズルボディ側シール面５１１５に当接する位置まで、駆動ユニット５３にてニ一ドル５１２を軸方向に移動させることにより、主流通路５１１２を閉じる。

次に、本実施形態での特徴を説明する。ノズルボディ５１１に形成されて主流体が導入される主流ポート５１１４と、主流体を噴出させるノズル部５１１３と、主流ポート５１１４とノズル部５１１３との間を連通させる主流通路５１１２と、ノズル部５１１３から噴出された主流体を通過させる吐出通路５２１とを備え、主流体をノズル部５１１３から噴出する際のエネルギー交換作用によって吸引した副流体を吐出通路５２１に導くエジェクタ装置において、主流ポート５１１４に金属焼結フィルタ５５を配設している。

エジェクタポンプ５０は通常、燃料電池１０に密着させて配置される場合が多く、燃料電池１０は後述する化学反応にて電気エネルギーと熱を発生するため、エジェクタポンプ５０のノズルボディ５１１も伝熱および高温雰囲気によって加熱されることとなる。

これによれば、その加熱されるノズルボディ５１１に形成された主流ポート５１１４に金属焼結フィルタ５５を配設するという簡素な構造により、金属焼結フィルタ５５もノズルボディ５１１からの伝熱によって暖められ、その暖められた金属焼結フィルタ５５の微細空間を主供給水素が流通することにより、金属焼結フィルタ５５が外部の熱を主供給水素に伝熱する熱交換機能となって主供給水素が暖められ、保湿量が確保されることとなる。

これにより、水分を含んだオフガスと混合されても水が凝縮しないようになるため、低温時に水滴が凍結して水素供給流路を閉塞して発電の妨げとなったり、可動部の作動不良となって必要な水素供給ができなかったりという不具合を防ぐことができるうえ、主供給水素の保湿量が向上することから燃料電池の発電性能を向上させることができる。また、金属焼結フィルタ５５は、主供給水素と一緒に流入する配管系などからの異物をトラップするフィルタ機能ともなる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態におけるエジェクタポンプ５０の構成を示す断面図である。上述した第１実施形態と異なる本実施形態での特徴は、金属焼結フィルタ５５を保持するノズルボディ５１１に、金属焼結フィルタ５５に伝熱する加熱手段５４を配設している。これによれば、積極的にノズルボディ５１１から主流ポート５１１４および金属焼結フィルタ５５を加熱して、主供給水素を暖めることができる。

また、加熱手段５４は、具体的にＰＴＣヒータを用いている。これによれば、ＰＴＣヒータに用いられるＰＴＣ素子は、自己温度制御機能を有するため、温度制御のための通電制御装置を不要にすることができ、シンプルな構成にすることができる。また、ＰＴＣヒータ５４は、ノズルボディ５１１において主流ポート５１１４が形成された位置の周上の一部に配設されている。これによれば、主流ポート５１１４から主流体が導入された時点で、ＰＴＣヒータ５４から主流体に確実に熱エネルギーを与えることができる。

また、ノズルボディ５１１と、吐出通路５２１を形成する配管ユニット５２とは別体に形成されている。これによれば、ノズルボディ５１１と配管ユニット５２との問には伝熱境界面が存在するため、ＰＴＣヒータ５４から配管ユニット５２ヘの熱エネルギーの伝達は抑制され、ＰＴＣヒータ５４からの熱エネルギーはノズルボディ５１１と金属焼結フィルタ５５とを介して主流体に効率的に伝達される。

また、軸方向に変位してノズル部５１１３の開口面積を調整するニ一ドル５１２と、ニ一ドル５１２を駆動する駆動ユニット５３とを備え、ノズルボディ５１１と駆動ユニット５３とは別体に形成されている。これによれば、ノズルボディ５１１と駆動ユニット５３との間には伝熱境界面が存在するため、ＰＴＣヒータ５４から駆動ユニット５３ヘの熱エネルギーの伝達は抑制され、ＰＴＣヒータ５４からの熱エネルギーはノズルボディ５１１と金属焼結フィルタ５５とを介して主流体に効率的に伝達される。

また、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池１０を有する燃料電池システムであって、水素供給装置３１から燃料電池１０に水素を供給するための水素供給経路３０と、燃料電池１０に供給された水素のうち化学反応に用いられなかった未反応水素を含んで燃料電池１０から排出されるオフガスを水素供給経路３０に合流させ、燃料電池１０に再循環させるオフガス循環経路３４と、上述したエジェクタポンプ５０とを備え、エジェクタポンプ５０は水素供給経路３０とオフガス循環経路３４との合流都に設置され、水素供給装置３１からの水素を主流ポート５１１４から導入し、ノズル部５１１３から噴出させてオフガスを吸引し、吸引したオフガスをノズル部５１１３から噴出される水素に混合させている。

上述したエジェクタポンプ５０は、主流体に熱エネルギーを与えることとなり、主流体のエネルギーの増大により副流体の吸引量が増加するため、主流体の流量が少ないときでも副流体の吸引量を十分確保することが可能になる。このエジェクタポンプ５０を、本実施形態のように燃料電池システムに適用した場合、特に燃料電池への水素供給量が少ない領域でオフガス循環量を増加させることができる。

（第３実施形態）
図４の（ａ）は、本発明の第３実施形態におけるエジェクタポンプ５０の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ断面である。上述した第１・第２実施形態と異なる本実施形態での特徴は、金属焼結フィルタ５５を保持するノズルボディ５１１に、金属焼結フィルタ５５に伝熱する加熱流体流路５６を配設している。加熱流体流路５６は、ノズルボディ５１１に中空空間と一方の流入出口５６ａを形成し、その開口側に、他方の流入出口を持つ蓋部材５６ｂを接合して構成されている。

これによれば、加熱流体流路５６に加熱流体を流通させることにより、積極的にノズルボディ５１１から主流ポート５１１４および金属焼結フィルタ５５を加熱して、主供給水素を暖めることができる。また、加熱流体流路５６は、ノズルボディ５１１において主流ポート５１１４が形成された位置の周上の一部に配設されている。これによれば、主流ポート５１１４から主流体が導入された時点で、加熱流体流路５６から主流体に確実に熱エネルギーを与えることができる。

また、上述したエジェクタポンプ５０を用い、加熱流体流路５６に燃料電池１０通過後の冷却水を流通させている。これは、冷却経路６０を一部変更し、燃料電池１０通過後の冷却水をこのエジェクタポンプ５０に設けた冷却水流路（加熱流体流路）５６を流通させてからラジエータへ送るようにしたものである。このように、主供給水素を暖めるための加熱流体として、燃料電池１０通過後の冷却水を利用することができる。これにより、ほぼ配管経路の取り回しを変更するだけの簡素な構造で主供給水素の加熱機構が構成でき、燃料電池を用いた車両などに適用しても搭載性を損なうことがない。

また、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池１０を有する燃料電池システムであって、水素供給装置３１から燃料電池１０に水素を供給するための水素供給経路３０と、燃料電池１０に供給された水素のうち化学反応に用いられなかった未反応水素を含んで燃料電池１０から排出されるオフガスを水素供給経路３０に合流させ、燃料電池１０に再循環させるオフガス循環経路３４と、上述したエジェクタポンプ５０とを備え、エジェクタポンプ５０は水素供給経路３０とオフガス循環経路３４との合流都に設置され、水素供給装置３１からの水素を主流ポート５１１４から導入し、ノズル部５１１３から噴出させてオフガスを吸引し、吸引したオフガスをノズル部５１１３から噴出される水素に混合させている。

上述したエジェクタポンプ５０は、主流体に熱エネルギーを与えることとなり、主流体のエネルギーの増大により副流体の吸引量が増加するため、主流体の流量が少ないときでも副流体の吸引量を十分確保することが可能になる。このエジェクタポンプ５０を、本実施形態のように燃料電池システムに適用した場合、特に燃料電池への水素供給量が少ない領域でオフガス循環量を増加させることができる。

（第４実施形態）
また、図示はしないが、上述した第３実施形態のエジェクタポンプ５０を用い、加熱流体流路５６に燃料電池１０通過後のオフガスを流通させている。このように、主供給水素を暖めるための加熱流体として、燃料電池１０通過後のオフガスを利用することができる。これにより、ほぼ配管経路の取り回しを変更するだけの簡素な構造で主供給水素の加熱機構が構成でき、燃料電池を用いた車両などに適用しても搭載性を損なうことがない。

（第５実施形態）
また、図示はしないが、上述した第３実施形態のエジェクタポンプ５０を用い、加熱流体流路５６に燃料電池１０通過後のオフ空気を流通させている。このように、主供給水素を暖めるための加熱流体として、燃料電池１０通過後のオフ空気を利用することができる。これにより、ほぼ配管経路の取り回しを変更するだけの簡素な構造で主供給水素の加熱機構が構成でき、燃料電池を用いた車両などに適用しても搭載性を損なうことがない。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１０において、供給する水素ガスを駆動流として、燃料電池１０を通過した水素オフガスを吸引し、主流の水素ガスに混合させて再利用するための循環ポンプとしてのエジェクタポンプ（エジェクタ装置）５０について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、冷凍サイクルにおいて冷媒凝縮器で凝縮された冷媒の減圧手段になると共に、その冷媒流を駆動流として、冷媒蒸発器で蒸発した冷媒ガスを吸引し、主流の冷媒流に混合させるための循環ポンプとしてのエジェクタポンプ（エジェクタ装置）に本発明を適用しても良い。また、上述の第２実施形態では、加熱手段としてＰＴＣヒータ５４を用いたが、本発明はこれに限るものではなく、他の形式のヒータを用いても良い。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。 本発明の第１実施形態におけるエジェクタポンプ５０の構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態におけるエジェクタポンプ５０の構成を示す断面図である。 本発明の第３〜５実施形態におけるエジェクタポンプ５０の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０…ＦＣスタック（燃料電池）
３０…水素供給経路
３１…高圧水素タンク（水素供給装置）
３４…オフガス循環経路
５２…配管ユニット
５３…駆動ユニット
５４…ＰＴＣヒータ（加熱手段）
５５…金属焼結フィルタ（金属焼結部材）
５６…冷却水流路、オフガス流路、オフ空気流路（加熱流体流路）
５１１…ノズルボディ（ノズル部本体）
５１２…ニ一ドル
５２１…吐出通路
５１１２…主流通路
５１１３…ノズル部
５１１４…主流ポート（主流取り込み流路）

Claims (10)

1. 水素供給装置（３１）から燃料電池（１０）へ水素を供給する際のエネルギーによって、水分と未反応水素とを含んで前記燃料電池（１０）から排出されるオフガスを吸引し、該オフガスと前記水素とを混合した状態にて該混合ガスを前記燃料電池（１０）に供給するエジェクタ装置であって、
   前記燃料電池（１０）における化学反応による熱が伝熱されるノズル部本体（５１１）と、
   前記ノズル部本体（５１１）に形成されて主流体である前記水素が導入される主流取り込み流路（５１１４）と、
   前記主流体を噴出させるノズル部（５１１３）と、
   前記主流取り込み流路（５１１４）と前記ノズル部（５１１３）との間を連通させる主流通路（５１１２）と、
   前記ノズル部（５１１３）から噴出された前記主流体を通過させる吐出通路（５２１）と、
   前記主流体を前記ノズル部（５１１３）から噴出する際のエネルギー交換作用によって副流体である前記オフガスを内部に吸引して該オフガスを前記吐出通路（５２１）に導く吸引ポート（５２２）と、
   前記主流取り込み流路（５１１４）に配設され、前記主流体が流通する微細空間を有する金属焼結フィルタ（５５）とを備えたことを特徴とするエジェクタ装置。
2. 前記金属焼結フィルタ（５５）を保持する前記ノズル部本体（５１１）に、前記金属焼結フィルタ（５５）に伝熱する加熱手段（５４）を配設したことを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ装置。
3. 前記加熱手段（５４）は、ＰＴＣヒータであることを特徴とする請求項２に記載のエジェクタ装置。
4. 前記金属焼結フィルタ（５５）を保持する前記ノズル部本体（５１１）に、前記金属焼結フィルタ（５５）に伝熱する加熱流体流路（５６）を配設したことを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ装置。
5. 前記加熱手段（５４）もしくは前記加熱流体流路（５６）は、前記ノズル部本体（５１１）において前記主流取り込み流路（５１１４）が形成された位置の周上の一部に配設されていることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載のエジェクタ装置。
6. 前記ノズル部本体（５１１）と、前記吐出通路（５２１）を形成する配管ユニット（５２）とは別体に形成されていることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１つに記載のエジェクタ装置。
7. 軸方向に変位して前記ノズル部（５１１３）の開口面積を調整するニ一ドル（５１２）と、前記ニ一ドル（５１２）を駆動する駆動ユニット（５３）とを備え、
   前記ノズル部本体（５１１）と前記駆動ユニット（５３）とは別体に形成されていることを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか１つに記載のエジェクタ装置。
8. 請求項４ないし請求項７のいずれか１つに記載のエジェクタ装置を用い、前記加熱流体流路（５６）に燃料電池（１０）通過後の冷却水を流通させることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項４ないし請求項７のいずれか１つに記載のエジェクタ装置を用い、前記加熱流体流路（５６）に燃料電池（１０）通過後のオフ水素を流通させることを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項４ないし請求項７のいずれか１つに記載のエジェクタ装置を用い、前記加熱流体流路（５６）に燃料電池（１０）通過後のオフ空気を流通させることを特徴とする燃料電池システム。

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