JP4679701B2 - 燃料電池の流体供給装置と燃料供給システム - Google Patents
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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。
図８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（以下、ストイキ特性という）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８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、例えば、小流量用エゼクタと大流量用エゼクタを備え、小流量用エゼクタへの流体通路を常時開にして常に小流量用エゼクタを動作するようにし、小流量用エゼクタだけでは流量が足りない時に、大流量用エゼクタへの流体通路に設けておいた電磁弁を開き、小流量用エゼクタと大流量用エゼクタを両方動作させるようにしたエゼクタ構造が考えられる。
【００１０】
しかし、このようにした場合には、大流量用エゼクタへの流体通路が開となった時に、両エゼクタのノズルから噴射する流体の流量に対して、両エゼクタのディフューザの開口面積の和が大きくなり過ぎ、ノズルとディフューザの最適値のバランスが崩れるため、大流量時のストイキ性能が確保できないという不具合が生じる。
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る燃料電池の流体供給装置と燃料供給システムを提供するものである。
【００１１】
【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ユニット３０）は、第１流体（例えば、後述する実施の形態における水素）を供給され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４１またはノズル５１）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（例えば、後述する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通路４３またはディフューザ通路５３）と、を組み合わせてなるエゼクタ（例えば、後述する実施の形態における第１エゼクタ４０または第２エゼクタ５０）を複数備え、前記複数のエゼクタは互いにストイキ特性を異にしており、さらに前記第１流体が流通する前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つの前記ノズルへの流路に選択切り替え可能に形成した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切り替え弁６０）を備え、前記複数のエゼクタと前記エゼクタ切り替え手段とを内蔵する筐体（例えば、後述する実施の形態におけるユニット本体３３）を有することを特徴とする。
【００１２】
このように構成することで、エゼクタ切り替え手段により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、燃料の消費量に応じて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ているので、燃料供給装置を小型化することができる。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、前記請求項１に記載の燃料電池の流体供給装置において、前記複数のエゼクタのノズルを迂回して供給される第１流体が流通可能な第１流体通路（例えば、後述する実施の形態における合流通路３６およびバイパス水素入口３７）が前記筐体内に設けられ、前記複数のエゼクタは前記第１流体通路に流体を送出することを特徴とする。
このように構成することで、エゼクタから送出される第１流体と、エゼクタを迂回して供給される第１流体を第１流体通路で合流させてから下流に送出することができる。
【００１４】
請求項３に記載した発明は、前記請求項１または請求項２に記載の燃料電池の流体供給装置において、要求流量に関する入力信号（例えば、後述する実施の形態における燃料電池の出力電流）に応じて前記エゼクタ切り替え手段を制御する制御部（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ）を備えることを特徴とする。
このように構成することで、要求流量に応じたエゼクタを適正に選択して動作せることができる。
【００１５】
請求項４に記載した発明は、ノズル（例えば、後述する実施の形態におけるノズル４１またはノズル５１）からディフューザ（例えば、後述する実施の形態におけるディフューザ通路４３またはディフューザ通路５３）に向けて燃料を噴射した際に発生する負圧により、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）から排出される排出燃料をディフューザに吸い込み、前記燃料と前記排出燃料とを混合してディフューザから送出し燃料電池のアノードに供給するエゼクタを備える燃料電池の燃料供給システムにおいて、ストイキ特性を互いに異にする複数の前記エゼクタ（例えば、後述する実施の形態における第１エゼクタ４０または第２エゼクタ５０）と、前記燃料電池に供給する燃料量に応じて前記複数のエゼクタの中からいずれか１つのエゼクタに前記燃料および前記排出燃料を流通可能に切り替え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切り替え弁６０）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することで、エゼクタ切り替え手段により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、燃料電池の燃料の消費量に応じて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、ノズルから噴射される燃料量に対するディフューザから流出する燃料量の比をいう。
【００１６】
請求項５に記載した発明は、前記請求項４に記載の燃料電池の燃料供給システムにおいて、前記複数のエゼクタは互いにノズルの内径を異にすることを特徴とする。
このように構成することで、各エゼクタの適用流量を異にすることができる。
【００１７】
請求項６に記載した発明は、前記請求項４または請求項５に記載の燃料電池の燃料供給システムにおいて、前記複数のエゼクタを迂回するバイパス通路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス通路２２）と、前記複数のエゼクタのディフューザの出口の圧力に応じて前記バイパス通路を開閉するバイパス開閉手段（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス側圧力制御部１９）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することで、各エゼクタの単独使用だけでは不足する分の燃料をバイパス通路を介して燃料電池へ供給することができる。
【００１８】
【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６の図面を参照して説明する。
初めに、この発明の第１の実施の形態を図１から図５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システム構成図である。
この燃料電池の燃料供給システムは、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、バイパス側圧力制御部１９とを備えて構成されている。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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の構成については後で詳述するが、図１から図３に示すように燃料供給側圧力制御部１８はエゼクタユニット３０の水素入口管３１に接続され、加湿部１３はエゼクタユニット３０の水素出口管３２に接続されている。そして、エゼクタユニット３０の水素復流入口３５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。エゼクタユニット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。
【００２２】
また、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は、エゼクタユニット３０を迂回するバイパス通路２２が設けられており、このバイパス通路２２にはバイパス側圧力制御部１９が設けられている。
【００２３】
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およびバイパス側圧力制御部１９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。
【００２４】
燃料供給側圧力制御部１８及びバイパス側圧力制御部１９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、各圧力制御部１８，１９を通過した燃料が各圧力制御部１８，１９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。例えば、燃料供給側圧力制御部１８では、信号圧：供給圧＝１：３に設定され、バイパス側圧力制御部１９では、信号圧：供給圧＝１：１に設定されている。
【００２５】
次に、エゼクタユニット３０について図２および図３を参照して説明する。エゼクタユニット３０は、燃料供給側圧力制御部１８に接続されて水素を供給される水素入口管３１と加湿部１３に水素を送出する水素出口管３２とを備えたユニット本体（筐体）３３を有し、このユニット本体３３の内部に、第１エゼクタ４０と、第２エゼクタ５０と、これらエゼクタ４０，５０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切り替え弁（エゼクタ切り替え手段）６０を内蔵して構成されている。
【００２６】
ユニット本体３３には、水素入口管３１に連通する弁室６１と、弁室６１に連なる第１通路６２および第２通路６３が設けられている。また、弁室６１と第１通路６２とを連通する連通部には環状の第１弁座６４が設けられ、弁室６１と第２通路６３とを連通する連通部には環状の第２弁座６５が設けられている。第１弁座６４と第２弁座６５は互いに対向して配置されており、両弁座６４，６５の間に弁体６６が配置されている。弁体６６は、ユニット本体３３に固定された電磁アクチュエータ６７によって移動可能に支持されており、第１弁座６４および第２弁座６５に対して着座離間可能になっている。第１通路６２は第１エゼクタ４０のノズル４１に接続され、第２通路６３は第２エゼクタ５０のノズル５１に接続されている。
【００２７】
ここで、弁室６１と第１通路６２と第２通路６３と第１弁座６４と第２弁座６５と弁体６６と電磁アクチュエータ６７は切り替え弁６０を構成し、切り替え弁６０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制御される。切り替え弁６０はＯＦＦ状態で弁体６６が第２弁座６５に着座し、ＯＮ状態では弁体６６が第１弁座６４に着座するようにされている。そして、弁体６６が第２弁座６５に着座すると、弁室６１と第１通路６２が連通して弁室６１と第２通路６３とが遮断されるので、水素入口管３１から弁室６１に供給された水素はその全量が第１通路６２に流れるようになり、第２通路６３に流れることはない。一方、弁体６６が第１弁座６４に着座すると、弁室６１と第２通路６３が連通して弁室６１と第１通路６２とが遮断されるので、水素入口管３１から弁室６１に供給された水素はその全量が第２通路６３に流れるようになり、第１通路６２に流れることはない。
【００２８】
また、ユニット本体３３には復流室３４が設けられており、この復流室３４はユニット本体３３の外面で開口する水素復流入口３５に接続されている。第１エゼクタ４０のノズル４１と第２エゼクタ５０のノズル５１はそれぞれの先端部を復流室３４に突出させるようにしてユニット本体３３に固定されており、両ノズル４１，５１は軸線を互いに平行にして配置されている。ノズル４１，５１はそれぞれ軸線方向に貫通する流体通路４２，５２を有し、流体通路４２，５２は先端（下流）に進むにしたがって漸次縮径し、先端の開口部４２ａ，５２ａに連なっている。
【００２９】
また、ユニット本体３３には、復流室３４に連なる２つのディフューザ通路（ディフューザ）４３，５３が設けられている。ディフューザ通路４３はノズル４１と軸線を同一にしてノズル４１の下流側に設けられており、ディフューザ通路５３はノズル５１と軸線を同一にしてノズル５１の下流側に設けられている。ディフューザ通路４３は、その途中に内径が最小となるスロート部４４を有し、このスロート部４４よりも上流側（図２および図３において上方）には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４５が設けられ、スロート部４４よりも下流側（図２および図３において下方）には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４６が設けられている。拡径部４６の広がり角度は絞り部４５の広がり角度よりも小さい。ディフューザ通路５３もディフューザ通路４３と同様に、スロート部５４と、絞り部５５と、拡径部５６を有している。
【００３０】
各ディフューザ通路４３，５３は合流通路３６に接続され、合流通路３６は水素出口管３２に連通している。そして、各ディフューザ通路４３，５３の出口には、それぞれ逆流防止用のリードバルブ４７，５７とストッパ４８，５８が装着されており、流体がディフューザ通路４３を流通する際にはリードバルブ５７が閉じてディフューザ通路５３を閉塞し、流体がディフューザ通路５３を流通する際にはリードバルブ４７が閉じてディフューザ通路４３を閉塞するように構成されている。このように構成することにより、ディフューザ通路４３を通過した流体が合流通路３６からディフューザ通路５３に逆流して同一流体がディフューザ通路４３，５３間で循環してしまい、実質的な水素復流量が減少すること（つまりストイキが低下すること）を防止することができる。
【００３１】
ここで、ノズル４１とディフューザ通路４３と復流室３４は第１エゼクタ４０を構成し、ノズル４１の開口部４２ａからディフューザ通路４３に向けて水素を噴射すると、ディフューザ通路４３のスロート部４４の近傍に負圧が発生し、この負圧によって復流室３４内の水素復流がディフューザ通路４３に吸い込まれ、ノズル４１から噴射された水素と復流室３４から吸い込まれた水素復流がディフューザ通路４３で混合されることになる。
【００３２】
また、ノズル５１とディフューザ通路５３と復流室３４は第２エゼクタ５０を構成し、ノズル５１の開口部５２ａからディフューザ通路５３に向けて水素を噴射すると、ディフューザ通路５３のスロート部５４の近傍に負圧が発生し、この負圧によって復流室３４内の水素復流がディフューザ通路５３に吸い込まれ、ノズル５１から噴射された水素と復流室３４から吸い込まれた水素復流がディフューザ通路５３で混合されることになる。
【００３３】
なお、第１エゼクタ４０のノズル４１の内径およびディフューザ通路４３の内径はそれぞれ、第２エゼクタ５０のノズル５１の内径およびディフューザ通路５３の内径よりも小さく設定されていて、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。例えば、ノズル４１の開口部４２ａの内径を１．０ｍｍ、ディフューザ通路４３のスロート部４４の内径を４．０ｍｍとし、ノズル５１の開口部５２ａの内径を１．５ｍｍ、ディフューザ通路５３のスロート部５４の内径を４．５ｍｍに設定する。
【００３４】
次に、このエゼクタユニット３０の作用を説明する。
エゼクタユニット３０の切り替え弁６０は燃料電池１１の出力電流に基づいて制御され、燃料電池１１の出力電流が所定値よりも小さい時には切り替え弁６０はＯＦＦ状態に制御され、燃料電池１１の出力電流が所定値以上の時には、切り替え弁６０はＯＮ状態に制御される。
【００３５】
切り替え弁６０をＯＦＦ状態にすると、図２に示すように弁体６６が第２弁座６５に着座するので、水素入口管３１から弁室６１に供給された水素は第１通路６２を通ってノズル４１の流体通路４２に流れ、ノズル４１の開口部４２ａからディフューザ通路４３に向かって噴射される。すると、ディフューザ通路４３のスロート部４４の近傍に発生する負圧により、水素復流入口３５から復流室３４に供給された水素復流がディフューザ通路４３内に吸い込まれる。その結果、ノズル４１から噴射された水素と復流室３４から吸い込まれた水素復流がディフューザ通路４３で混合されて、リードバルブ４７を通って合流通路３６に送出される。そして、合流通路３６から水素出口管３２を通り、加湿器１３を介して燃料電池１１に供給される。なお、この時には、弁体６６によって弁室６１と第２通路６３とが遮断されるので、弁室６１の水素が第２通路６３に流れることはなく、したがって、ノズル５１の開口部５２ａから水素が噴射されることはない。
【００３６】
すなわち、燃料電池１１の出力電流が所定値よりも小さく、水素消費量が少ないときには、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は機能しないこととなる。そして、第１エゼクタ４０によれば、小流量において要求ストイキ値よりも若干高い所定のストイキ値を得ることができる。
なお、ディフューザ通路５３の下流にリードバルブ５７が設けられているので、切り替え弁６０がＯＦＦ状態の時に、合流通路３６からディフューザ通路５３へ水素が逆流することはない。また、復流室３４内の圧力は合流通路３６内の圧力よりも低いので、復流室３４内の水素復流がディフューザ通路５３を通って合流通路３６に流出することもない。
【００３７】
一方、切り替え弁６０をＯＮ状態にすると、図３に示すように弁体６６が第１弁座６４に着座するので、水素入口管３１から弁室６１に供給された水素は第２通路６３を通ってノズル５１の流体通路５２に流れ、ノズル５１の開口部５２ａからディフューザ通路５３に向かって噴射される。すると、ディフューザ通路５３のスロート部５４の近傍に発生する負圧により、復流室３４の水素復流がディフューザ通路５３内に吸い込まれる。その結果、ノズル５１から噴射された水素と復流室３４から吸い込まれた水素復流がディフューザ通路５３で混合されて、リードバルブ５７を通って合流通路３６に送出される。そして、合流通路３６から水素出口管３２を通り、加湿器１３を介して燃料電池１１に供給される。なお、この時には、弁体６６によって弁室６１と第１通路６２とが遮断されるので、弁室６１の水素が第１通路６２に流れることはなく、したがって、ノズル４１の開口部４２ａから水素が噴射されることはない。
【００３８】
すなわち、燃料電池１１の出力電流が所定値以上になり、水素消費量が大きいときには、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は機能しないこととなる。そして、第２エゼクタ５０によれば、大流量において要求ストイキ値よりも若干高い所定のストイキ値を得ることができる。
なお、ディフューザ通路４３の下流にリードバルブ４７が設けられているので、切り替え弁６０がＯＮ状態の時に、合流通路３６からディフューザ通路４３へ水素が逆流することはない。また、復流室３４内の圧力は合流通路３６内の圧力よりも低いので、復流室３４内の水素復流がディフューザ通路４３を通って合流通路３６に流出することもない。
【００３９】
図４は、エゼクタ切り替え制御のフローチャートである。
まず、ＥＣＵは、ステップＳ１０１において、燃料電池１１の出力電流をモニターし、次に、ステップＳ１０２に進んで、出力電流が所定値以上か否か判定する。
ステップＳ１０２で否定判定した場合には、ステップＳ１０３に進んで切り替え弁６０をＯＦＦ状態にする。すると、ステップＳ１０４で第１通路６２（すなわち小流量側通路）が開き、第２通路６３（すなわち大流量側通路）が閉ざされる。その結果、エゼクタユニット３０は小流量用エゼクタとして機能することになる。
一方、ステップＳ１０２で肯定判定した場合には、ステップＳ１０５に進んで切り替え弁６０をＯＮ状態にする。すると、ステップＳ１０６で第２通路６３（すなわち大流量側通路）が開き、第１通路６２（すなわち小流量側通路）が閉ざされる。その結果、エゼクタユニット３０は大流量用エゼクタとして機能することになる。
【００４０】
次に、この実施の形態における燃料電池の燃料供給システムの作用を説明する。
まず、酸化剤供給部１４から、例えば燃料電池１１の負荷やアクセルペダルの操作量等に応じて設定される適宜の圧力（信号圧Ｐｔ）の空気が、燃料電池１１の空気極及び燃料供給側圧力制御部１８及びバイパス側圧力制御部１９に供給される。
すると、燃料供給側圧力制御部１８は、信号圧Ｐｔの３倍、つまり供給圧Ｐｓｅ＝３Ｐｔでエゼクタユニット３０の水素入口管３１及びバイパス通路２２に向けて水素を供給する。
一方、バイパス通路２２のバイパス側圧力制御部１９は、信号圧Ｐｔと同圧の供給圧Ｐｓｂ＝Ｐｔで水素を供給するように設定されており、したがって、この供給圧Ｐｓｂは燃料供給側圧力制御部１８から供給される水素の供給圧Ｐｓｅ以下に設定されている。
【００４１】
ここで、燃料電池１１の出力電流が所定値よりも小さく、燃料極に供給される水素の流量が少ない状態では、前述したように切り替え弁６０がＯＦＦ状態に制御されるため、燃料供給側圧力制御部１８から供給される水素は、切り替え弁６０を介して第１エゼクタ４０へと供給される。
そして、この状態で燃料電池１１に供給される燃料流量が微少の時には、ノズル４１における圧力損失が小さく、第１エゼクタ４０のディフューザ通路４３の出口における水素の出口圧は、燃料供給側圧力制御部１８から供給される水素の供給圧Ｐｓｅと大差なく、バイパス側圧力制御部１９で設定される水素の供給圧Ｐｓｂよりも大きくなっている。
このため、バイパス側圧力制御部１９は開弁されず、バイパス通路２２から燃料電池１１へ供給される水素の流量はゼロであり、ストイキ値は、第１エゼクタ４０のストイキ特性により決定される。
【００４２】
そして、第１エゼクタ４０のノズル４１を通過する水素の流量が増加するのに伴って、第１エゼクタ４０のノズル４１における水素の圧力損失が増大していき、第１エゼクタ４０のディフューザ通路４３の出口における水素の出口圧が、バイパス側圧力制御部１９で設定される供給圧Ｐｓｂ以下になると、バイパス側圧力制御部１９が開弁されて、バイパス通路２２から燃料電池１１に供給される水素の流量が徐々に増大し、バイパス通路２２からも燃料電池１１へ水素が供給されるようになる。
【００４３】
さらに、燃料電池１１で消費される水素の量が増大し、燃料電池１１の出力電流が前記所定値以上になると、前述したように切り替え弁６０がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替え制御されるため、燃料供給側圧力制御部１８から供給される水素は、切り替え弁６０を介して第２エゼクタ５０へと供給される。
【００４４】
そして、切り替え弁６０の切り替え後、燃料電池１１への水素供給量が中流量域では、ノズル５１における圧力損失が比較的に小さく、第２エゼクタ５０のディフューザ通路５３の出口における水素の出口圧は、バイパス側圧力制御部１９で設定される水素の供給圧Ｐｓｂよりも大きい。
このため、バイパス側圧力制御部１９は開弁されず、バイパス通路２２から燃料電池１１へ供給される水素の流量はゼロであり、ストイキ値は、第２エゼクタ５０のストイキ特性により決定される。
【００４５】
そして、第２エゼクタ５０のノズル５１を通過する水素の流量が増加するのに伴って、第２エゼクタ５０のノズル５１における水素の圧力損失が増大していき、第２エゼクタ５０のディフューザ通路５３の出口における水素の出口圧が、バイパス側圧力制御部１９で設定される供給圧Ｐｓｂ以下になると、バイパス側圧力制御部１９が開弁されて、バイパス通路２２から燃料電池１１に供給される水素の流量が徐々に増大し、バイパス通路２２からも燃料電池１１へ水素が供給されるようになる。したがって、第２エゼクタ５０の単独使用では不足する分の水素をバイパス通路２２を介して燃料電池１１に供給することができ、大流量時に対応することができる。
【００４６】
図５は、この実施の形態における燃料供給システムのストイキ特性図であり、小流量から大流量に亘るほぼ全流量域において必要ストイキ値よりも大きなストイキ値を得られることが確認できる。なお、図５において破線はバイパス通路２２から燃料が補充されている時を示している。
【００４７】
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を備えた燃料電池の燃料供給システムによれば、切り替え弁６０の切り替えによって、第１エゼクタ４０と第２エゼクタ５０のいずれか一方のみを動作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。
【００４８】
また、ユニット本体３３内に二つエゼクタ４０，５０と切り替え弁６０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。
さらに、燃料電池１１の出力電流に応じて切り替え弁６０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。
なお、この実施の形態では、要求する水素流量に関する入力信号として燃料電池１１の実際の出力電流を用いたが、ほかに目標電流や測定／目標水素流量等を用いても構わない。
【００４９】
次に、本発明に係る燃料電池の流体供給装置における第２の実施の形態を図６を参照して説明する。図６は第２の実施の形態におけるエゼクタユニット３０の断面図である。
第２の実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、ユニット本体３３にバイパス水素入口を備えた点だけである。すなわち、この第２の実施の形態では、ユニット本体３３の合流通路３６の一端に水素出口管３２が設けられ、合流通路３６の他端にバイパス水素入口３７が設けられていて、このバイパス水素入口３７にバイパス通路２２の下流端が接続されるようになっている。
【００５０】
このように構成されたエゼクタユニット３０においては、前述した第１の実施の形態のエゼクタユニット３０の作用に加えて、次の作用がある。すなわち、第１エゼクタ４０または第２エゼクタ５０から送出される水素とバイパス通路２２から供給される水素をユニット本体３３内の合流通路３６で予め充分に混合した後に、燃料電池１１に供給することができる。そして、この水素の合流部分を含めてユニット化することができるので、燃料供給系をコンパクトに構成することができる利点もある。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００５１】
なお、前述した第１の実施の形態および第２の実施の形態では、バイパス通路２２とバイパス側圧力制御部１９を設けたが、これらはなくても構わない。また、ユニット本体３３に内蔵するエゼクタの数は二つに限るものではなく、三つあるいはそれ以上であっても構わない。その場合には、各エゼクタを単独で動作させることができるようにエゼクタ切り替え手段を構成する必要がある。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の燃料電池の燃料供給装置によれば、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、アイドル時の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、必要な燃料流量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ているので、燃料供給装置を小型化することができる。
【００５３】
また、請求項２に記載の燃料電池の燃料供給装置によれば、前記効果に加えて、エゼクタから送出される第１流体と、エゼクタを迂回して供給される第１流体を第１流体通路で合流させてから下流に送出することができるので、エゼクタを通過させた時に不足する分の水素流量を補充することができ、大流量の水素を燃料電池に送出することができる。また、バイパス通路を備えた燃料供給装置を小型化することができる。
さらに、請求項３に記載の燃料電池の燃料供給装置によれば、要求流量に応じたエゼクタを適正に選択して動作せることができるので、燃料電池に必要流量の燃料を最適なストイキ値で供給することができる。
【００５４】
請求項４に記載の燃料電池の燃料供給システムによれば、エゼクタ切り替え手段により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、燃料電池の燃料の消費量に応じてストイキ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、必要な燃料量を燃料電池に供給することができる。
請求項５に記載の燃料電池の燃料供給システムによれば、各エゼクタの適用流量を異にすることができる。
請求項６に記載の燃料電池の燃料供給システムによれば、各エゼクタの単独使用だけでは不足する分の燃料をバイパス通路を介して燃料電池へ供給することができる。
【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ユニットの第１の実施の形態における断面図であり、小流量用エゼクタとして機能させた時を示す図である。
【図３】 前記第１の実施の形態におけるエゼクタユニットの断面図であり、大流量用エゼクタとして機能させた時を示す図である。
【図４】 前記第１の実施の形態においてエゼクタ切り替え制御のフローチャートである。
【図５】 前記第１の実施の形態における燃料供給システムのストイキ特性図である。
【図６】 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第２の実施の形態における断面図である。
【図７】 従来の一般的なエゼクタの断面図である。
【図８】 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
１９・・・バイパス側圧力制御部（バイパス開閉手段）
２２・・・バイパス通路
３０・・・エゼクタユニット（流体供給装置）
３３・・・ユニット本体
３６・・・合流通路（第１流体通路）
３７・・・バイパス水素入口
４０・・・第１エゼクタ
４１・・・ノズル
４３・・・ディフューザ通路（ディフューザ）
５０・・・第２エゼクタ
５１・・・ノズル
５３・・・ディフューザ通路（ディフューザ）
６０・・・切り替え弁（エゼクタ切り替え手段）
【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。
図８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（以下、ストイキ特性という）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８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、例えば、小流量用エゼクタと大流量用エゼクタを備え、小流量用エゼクタへの流体通路を常時開にして常に小流量用エゼクタを動作するようにし、小流量用エゼクタだけでは流量が足りない時に、大流量用エゼクタへの流体通路に設けておいた電磁弁を開き、小流量用エゼクタと大流量用エゼクタを両方動作させるようにしたエゼクタ構造が考えられる。
【００１０】
しかし、このようにした場合には、大流量用エゼクタへの流体通路が開となった時に、両エゼクタのノズルから噴射する流体の流量に対して、両エゼクタのディフューザの開口面積の和が大きくなり過ぎ、ノズルとディフューザの最適値のバランスが崩れるため、大流量時のストイキ性能が確保できないという不具合が生じる。
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る燃料電池の流体供給装置と燃料供給システムを提供するものである。
【００１１】
【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ユニット３０）は、第１流体（例えば、後述する実施の形態における水素）を供給され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４１またはノズル５１）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（例えば、後述する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通路４３またはディフューザ通路５３）と、を組み合わせてなるエゼクタ（例えば、後述する実施の形態における第１エゼクタ４０または第２エゼクタ５０）を複数備え、前記複数のエゼクタは互いにストイキ特性を異にしており、さらに前記第１流体が流通する前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つの前記ノズルへの流路に選択切り替え可能に形成した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切り替え弁６０）を備え、前記複数のエゼクタと前記エゼクタ切り替え手段とを内蔵する筐体（例えば、後述する実施の形態におけるユニット本体３３）を有することを特徴とする。
【００１２】
このように構成することで、エゼクタ切り替え手段により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、燃料の消費量に応じて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ているので、燃料供給装置を小型化することができる。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、前記請求項１に記載の燃料電池の流体供給装置において、前記複数のエゼクタのノズルを迂回して供給される第１流体が流通可能な第１流体通路（例えば、後述する実施の形態における合流通路３６およびバイパス水素入口３７）が前記筐体内に設けられ、前記複数のエゼクタは前記第１流体通路に流体を送出することを特徴とする。
このように構成することで、エゼクタから送出される第１流体と、エゼクタを迂回して供給される第１流体を第１流体通路で合流させてから下流に送出することができる。
【００１４】
請求項３に記載した発明は、前記請求項１または請求項２に記載の燃料電池の流体供給装置において、要求流量に関する入力信号（例えば、後述する実施の形態における燃料電池の出力電流）に応じて前記エゼクタ切り替え手段を制御する制御部（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ）を備えることを特徴とする。
このように構成することで、要求流量に応じたエゼクタを適正に選択して動作せることができる。
【００１５】
請求項４に記載した発明は、ノズル（例えば、後述する実施の形態におけるノズル４１またはノズル５１）からディフューザ（例えば、後述する実施の形態におけるディフューザ通路４３またはディフューザ通路５３）に向けて燃料を噴射した際に発生する負圧により、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）から排出される排出燃料をディフューザに吸い込み、前記燃料と前記排出燃料とを混合してディフューザから送出し燃料電池のアノードに供給するエゼクタを備える燃料電池の燃料供給システムにおいて、ストイキ特性を互いに異にする複数の前記エゼクタ（例えば、後述する実施の形態における第１エゼクタ４０または第２エゼクタ５０）と、前記燃料電池に供給する燃料量に応じて前記複数のエゼクタの中からいずれか１つのエゼクタに前記燃料および前記排出燃料を流通可能に切り替え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切り替え弁６０）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することで、エゼクタ切り替え手段により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、燃料電池の燃料の消費量に応じて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、ノズルから噴射される燃料量に対するディフューザから流出する燃料量の比をいう。
【００１６】
請求項５に記載した発明は、前記請求項４に記載の燃料電池の燃料供給システムにおいて、前記複数のエゼクタは互いにノズルの内径を異にすることを特徴とする。
このように構成することで、各エゼクタの適用流量を異にすることができる。
【００１７】
請求項６に記載した発明は、前記請求項４または請求項５に記載の燃料電池の燃料供給システムにおいて、前記複数のエゼクタを迂回するバイパス通路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス通路２２）と、前記複数のエゼクタのディフューザの出口の圧力に応じて前記バイパス通路を開閉するバイパス開閉手段（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス側圧力制御部１９）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することで、各エゼクタの単独使用だけでは不足する分の燃料をバイパス通路を介して燃料電池へ供給することができる。
【００１８】
【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６の図面を参照して説明する。
初めに、この発明の第１の実施の形態を図１から図５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システム構成図である。
この燃料電池の燃料供給システムは、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、バイパス側圧力制御部１９とを備えて構成されている。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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の構成については後で詳述するが、図１から図３に示すように燃料供給側圧力制御部１８はエゼクタユニット３０の水素入口管３１に接続され、加湿部１３はエゼクタユニット３０の水素出口管３２に接続されている。そして、エゼクタユニット３０の水素復流入口３５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。エゼクタユニット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。
【００２２】
また、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は、エゼクタユニット３０を迂回するバイパス通路２２が設けられており、このバイパス通路２２にはバイパス側圧力制御部１９が設けられている。
【００２３】
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およびバイパス側圧力制御部１９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。
【００２４】
燃料供給側圧力制御部１８及びバイパス側圧力制御部１９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、各圧力制御部１８，１９を通過した燃料が各圧力制御部１８，１９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。例えば、燃料供給側圧力制御部１８では、信号圧：供給圧＝１：３に設定され、バイパス側圧力制御部１９では、信号圧：供給圧＝１：１に設定されている。
【００２５】
次に、エゼクタユニット３０について図２および図３を参照して説明する。エゼクタユニット３０は、燃料供給側圧力制御部１８に接続されて水素を供給される水素入口管３１と加湿部１３に水素を送出する水素出口管３２とを備えたユニット本体（筐体）３３を有し、このユニット本体３３の内部に、第１エゼクタ４０と、第２エゼクタ５０と、これらエゼクタ４０，５０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切り替え弁（エゼクタ切り替え手段）６０を内蔵して構成されている。
【００２６】
ユニット本体３３には、水素入口管３１に連通する弁室６１と、弁室６１に連なる第１通路６２および第２通路６３が設けられている。また、弁室６１と第１通路６２とを連通する連通部には環状の第１弁座６４が設けられ、弁室６１と第２通路６３とを連通する連通部には環状の第２弁座６５が設けられている。第１弁座６４と第２弁座６５は互いに対向して配置されており、両弁座６４，６５の間に弁体６６が配置されている。弁体６６は、ユニット本体３３に固定された電磁アクチュエータ６７によって移動可能に支持されており、第１弁座６４および第２弁座６５に対して着座離間可能になっている。第１通路６２は第１エゼクタ４０のノズル４１に接続され、第２通路６３は第２エゼクタ５０のノズル５１に接続されている。
【００２７】
ここで、弁室６１と第１通路６２と第２通路６３と第１弁座６４と第２弁座６５と弁体６６と電磁アクチュエータ６７は切り替え弁６０を構成し、切り替え弁６０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制御される。切り替え弁６０はＯＦＦ状態で弁体６６が第２弁座６５に着座し、ＯＮ状態では弁体６６が第１弁座６４に着座するようにされている。そして、弁体６６が第２弁座６５に着座すると、弁室６１と第１通路６２が連通して弁室６１と第２通路６３とが遮断されるので、水素入口管３１から弁室６１に供給された水素はその全量が第１通路６２に流れるようになり、第２通路６３に流れることはない。一方、弁体６６が第１弁座６４に着座すると、弁室６１と第２通路６３が連通して弁室６１と第１通路６２とが遮断されるので、水素入口管３１から弁室６１に供給された水素はその全量が第２通路６３に流れるようになり、第１通路６２に流れることはない。
【００２８】
また、ユニット本体３３には復流室３４が設けられており、この復流室３４はユニット本体３３の外面で開口する水素復流入口３５に接続されている。第１エゼクタ４０のノズル４１と第２エゼクタ５０のノズル５１はそれぞれの先端部を復流室３４に突出させるようにしてユニット本体３３に固定されており、両ノズル４１，５１は軸線を互いに平行にして配置されている。ノズル４１，５１はそれぞれ軸線方向に貫通する流体通路４２，５２を有し、流体通路４２，５２は先端（下流）に進むにしたがって漸次縮径し、先端の開口部４２ａ，５２ａに連なっている。
【００２９】
また、ユニット本体３３には、復流室３４に連なる２つのディフューザ通路（ディフューザ）４３，５３が設けられている。ディフューザ通路４３はノズル４１と軸線を同一にしてノズル４１の下流側に設けられており、ディフューザ通路５３はノズル５１と軸線を同一にしてノズル５１の下流側に設けられている。ディフューザ通路４３は、その途中に内径が最小となるスロート部４４を有し、このスロート部４４よりも上流側（図２および図３において上方）には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４５が設けられ、スロート部４４よりも下流側（図２および図３において下方）には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４６が設けられている。拡径部４６の広がり角度は絞り部４５の広がり角度よりも小さい。ディフューザ通路５３もディフューザ通路４３と同様に、スロート部５４と、絞り部５５と、拡径部５６を有している。
【００３０】
各ディフューザ通路４３，５３は合流通路３６に接続され、合流通路３６は水素出口管３２に連通している。そして、各ディフューザ通路４３，５３の出口には、それぞれ逆流防止用のリードバルブ４７，５７とストッパ４８，５８が装着されており、流体がディフューザ通路４３を流通する際にはリードバルブ５７が閉じてディフューザ通路５３を閉塞し、流体がディフューザ通路５３を流通する際にはリードバルブ４７が閉じてディフューザ通路４３を閉塞するように構成されている。このように構成することにより、ディフューザ通路４３を通過した流体が合流通路３６からディフューザ通路５３に逆流して同一流体がディフューザ通路４３，５３間で循環してしまい、実質的な水素復流量が減少すること（つまりストイキが低下すること）を防止することができる。
【００３１】
ここで、ノズル４１とディフューザ通路４３と復流室３４は第１エゼクタ４０を構成し、ノズル４１の開口部４２ａからディフューザ通路４３に向けて水素を噴射すると、ディフューザ通路４３のスロート部４４の近傍に負圧が発生し、この負圧によって復流室３４内の水素復流がディフューザ通路４３に吸い込まれ、ノズル４１から噴射された水素と復流室３４から吸い込まれた水素復流がディフューザ通路４３で混合されることになる。
【００３２】
また、ノズル５１とディフューザ通路５３と復流室３４は第２エゼクタ５０を構成し、ノズル５１の開口部５２ａからディフューザ通路５３に向けて水素を噴射すると、ディフューザ通路５３のスロート部５４の近傍に負圧が発生し、この負圧によって復流室３４内の水素復流がディフューザ通路５３に吸い込まれ、ノズル５１から噴射された水素と復流室３４から吸い込まれた水素復流がディフューザ通路５３で混合されることになる。
【００３３】
なお、第１エゼクタ４０のノズル４１の内径およびディフューザ通路４３の内径はそれぞれ、第２エゼクタ５０のノズル５１の内径およびディフューザ通路５３の内径よりも小さく設定されていて、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。例えば、ノズル４１の開口部４２ａの内径を１．０ｍｍ、ディフューザ通路４３のスロート部４４の内径を４．０ｍｍとし、ノズル５１の開口部５２ａの内径を１．５ｍｍ、ディフューザ通路５３のスロート部５４の内径を４．５ｍｍに設定する。
【００３４】
次に、このエゼクタユニット３０の作用を説明する。
エゼクタユニット３０の切り替え弁６０は燃料電池１１の出力電流に基づいて制御され、燃料電池１１の出力電流が所定値よりも小さい時には切り替え弁６０はＯＦＦ状態に制御され、燃料電池１１の出力電流が所定値以上の時には、切り替え弁６０はＯＮ状態に制御される。
【００３５】
切り替え弁６０をＯＦＦ状態にすると、図２に示すように弁体６６が第２弁座６５に着座するので、水素入口管３１から弁室６１に供給された水素は第１通路６２を通ってノズル４１の流体通路４２に流れ、ノズル４１の開口部４２ａからディフューザ通路４３に向かって噴射される。すると、ディフューザ通路４３のスロート部４４の近傍に発生する負圧により、水素復流入口３５から復流室３４に供給された水素復流がディフューザ通路４３内に吸い込まれる。その結果、ノズル４１から噴射された水素と復流室３４から吸い込まれた水素復流がディフューザ通路４３で混合されて、リードバルブ４７を通って合流通路３６に送出される。そして、合流通路３６から水素出口管３２を通り、加湿器１３を介して燃料電池１１に供給される。なお、この時には、弁体６６によって弁室６１と第２通路６３とが遮断されるので、弁室６１の水素が第２通路６３に流れることはなく、したがって、ノズル５１の開口部５２ａから水素が噴射されることはない。
【００３６】
すなわち、燃料電池１１の出力電流が所定値よりも小さく、水素消費量が少ないときには、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は機能しないこととなる。そして、第１エゼクタ４０によれば、小流量において要求ストイキ値よりも若干高い所定のストイキ値を得ることができる。
なお、ディフューザ通路５３の下流にリードバルブ５７が設けられているので、切り替え弁６０がＯＦＦ状態の時に、合流通路３６からディフューザ通路５３へ水素が逆流することはない。また、復流室３４内の圧力は合流通路３６内の圧力よりも低いので、復流室３４内の水素復流がディフューザ通路５３を通って合流通路３６に流出することもない。
【００３７】
一方、切り替え弁６０をＯＮ状態にすると、図３に示すように弁体６６が第１弁座６４に着座するので、水素入口管３１から弁室６１に供給された水素は第２通路６３を通ってノズル５１の流体通路５２に流れ、ノズル５１の開口部５２ａからディフューザ通路５３に向かって噴射される。すると、ディフューザ通路５３のスロート部５４の近傍に発生する負圧により、復流室３４の水素復流がディフューザ通路５３内に吸い込まれる。その結果、ノズル５１から噴射された水素と復流室３４から吸い込まれた水素復流がディフューザ通路５３で混合されて、リードバルブ５７を通って合流通路３６に送出される。そして、合流通路３６から水素出口管３２を通り、加湿器１３を介して燃料電池１１に供給される。なお、この時には、弁体６６によって弁室６１と第１通路６２とが遮断されるので、弁室６１の水素が第１通路６２に流れることはなく、したがって、ノズル４１の開口部４２ａから水素が噴射されることはない。
【００３８】
すなわち、燃料電池１１の出力電流が所定値以上になり、水素消費量が大きいときには、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は機能しないこととなる。そして、第２エゼクタ５０によれば、大流量において要求ストイキ値よりも若干高い所定のストイキ値を得ることができる。
なお、ディフューザ通路４３の下流にリードバルブ４７が設けられているので、切り替え弁６０がＯＮ状態の時に、合流通路３６からディフューザ通路４３へ水素が逆流することはない。また、復流室３４内の圧力は合流通路３６内の圧力よりも低いので、復流室３４内の水素復流がディフューザ通路４３を通って合流通路３６に流出することもない。
【００３９】
図４は、エゼクタ切り替え制御のフローチャートである。
まず、ＥＣＵは、ステップＳ１０１において、燃料電池１１の出力電流をモニターし、次に、ステップＳ１０２に進んで、出力電流が所定値以上か否か判定する。
ステップＳ１０２で否定判定した場合には、ステップＳ１０３に進んで切り替え弁６０をＯＦＦ状態にする。すると、ステップＳ１０４で第１通路６２（すなわち小流量側通路）が開き、第２通路６３（すなわち大流量側通路）が閉ざされる。その結果、エゼクタユニット３０は小流量用エゼクタとして機能することになる。
一方、ステップＳ１０２で肯定判定した場合には、ステップＳ１０５に進んで切り替え弁６０をＯＮ状態にする。すると、ステップＳ１０６で第２通路６３（すなわち大流量側通路）が開き、第１通路６２（すなわち小流量側通路）が閉ざされる。その結果、エゼクタユニット３０は大流量用エゼクタとして機能することになる。
【００４０】
次に、この実施の形態における燃料電池の燃料供給システムの作用を説明する。
まず、酸化剤供給部１４から、例えば燃料電池１１の負荷やアクセルペダルの操作量等に応じて設定される適宜の圧力（信号圧Ｐｔ）の空気が、燃料電池１１の空気極及び燃料供給側圧力制御部１８及びバイパス側圧力制御部１９に供給される。
すると、燃料供給側圧力制御部１８は、信号圧Ｐｔの３倍、つまり供給圧Ｐｓｅ＝３Ｐｔでエゼクタユニット３０の水素入口管３１及びバイパス通路２２に向けて水素を供給する。
一方、バイパス通路２２のバイパス側圧力制御部１９は、信号圧Ｐｔと同圧の供給圧Ｐｓｂ＝Ｐｔで水素を供給するように設定されており、したがって、この供給圧Ｐｓｂは燃料供給側圧力制御部１８から供給される水素の供給圧Ｐｓｅ以下に設定されている。
【００４１】
ここで、燃料電池１１の出力電流が所定値よりも小さく、燃料極に供給される水素の流量が少ない状態では、前述したように切り替え弁６０がＯＦＦ状態に制御されるため、燃料供給側圧力制御部１８から供給される水素は、切り替え弁６０を介して第１エゼクタ４０へと供給される。
そして、この状態で燃料電池１１に供給される燃料流量が微少の時には、ノズル４１における圧力損失が小さく、第１エゼクタ４０のディフューザ通路４３の出口における水素の出口圧は、燃料供給側圧力制御部１８から供給される水素の供給圧Ｐｓｅと大差なく、バイパス側圧力制御部１９で設定される水素の供給圧Ｐｓｂよりも大きくなっている。
このため、バイパス側圧力制御部１９は開弁されず、バイパス通路２２から燃料電池１１へ供給される水素の流量はゼロであり、ストイキ値は、第１エゼクタ４０のストイキ特性により決定される。
【００４２】
そして、第１エゼクタ４０のノズル４１を通過する水素の流量が増加するのに伴って、第１エゼクタ４０のノズル４１における水素の圧力損失が増大していき、第１エゼクタ４０のディフューザ通路４３の出口における水素の出口圧が、バイパス側圧力制御部１９で設定される供給圧Ｐｓｂ以下になると、バイパス側圧力制御部１９が開弁されて、バイパス通路２２から燃料電池１１に供給される水素の流量が徐々に増大し、バイパス通路２２からも燃料電池１１へ水素が供給されるようになる。
【００４３】
さらに、燃料電池１１で消費される水素の量が増大し、燃料電池１１の出力電流が前記所定値以上になると、前述したように切り替え弁６０がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替え制御されるため、燃料供給側圧力制御部１８から供給される水素は、切り替え弁６０を介して第２エゼクタ５０へと供給される。
【００４４】
そして、切り替え弁６０の切り替え後、燃料電池１１への水素供給量が中流量域では、ノズル５１における圧力損失が比較的に小さく、第２エゼクタ５０のディフューザ通路５３の出口における水素の出口圧は、バイパス側圧力制御部１９で設定される水素の供給圧Ｐｓｂよりも大きい。
このため、バイパス側圧力制御部１９は開弁されず、バイパス通路２２から燃料電池１１へ供給される水素の流量はゼロであり、ストイキ値は、第２エゼクタ５０のストイキ特性により決定される。
【００４５】
そして、第２エゼクタ５０のノズル５１を通過する水素の流量が増加するのに伴って、第２エゼクタ５０のノズル５１における水素の圧力損失が増大していき、第２エゼクタ５０のディフューザ通路５３の出口における水素の出口圧が、バイパス側圧力制御部１９で設定される供給圧Ｐｓｂ以下になると、バイパス側圧力制御部１９が開弁されて、バイパス通路２２から燃料電池１１に供給される水素の流量が徐々に増大し、バイパス通路２２からも燃料電池１１へ水素が供給されるようになる。したがって、第２エゼクタ５０の単独使用では不足する分の水素をバイパス通路２２を介して燃料電池１１に供給することができ、大流量時に対応することができる。
【００４６】
図５は、この実施の形態における燃料供給システムのストイキ特性図であり、小流量から大流量に亘るほぼ全流量域において必要ストイキ値よりも大きなストイキ値を得られることが確認できる。なお、図５において破線はバイパス通路２２から燃料が補充されている時を示している。
【００４７】
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を備えた燃料電池の燃料供給システムによれば、切り替え弁６０の切り替えによって、第１エゼクタ４０と第２エゼクタ５０のいずれか一方のみを動作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。
【００４８】
また、ユニット本体３３内に二つエゼクタ４０，５０と切り替え弁６０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。
さらに、燃料電池１１の出力電流に応じて切り替え弁６０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。
なお、この実施の形態では、要求する水素流量に関する入力信号として燃料電池１１の実際の出力電流を用いたが、ほかに目標電流や測定／目標水素流量等を用いても構わない。
【００４９】
次に、本発明に係る燃料電池の流体供給装置における第２の実施の形態を図６を参照して説明する。図６は第２の実施の形態におけるエゼクタユニット３０の断面図である。
第２の実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、ユニット本体３３にバイパス水素入口を備えた点だけである。すなわち、この第２の実施の形態では、ユニット本体３３の合流通路３６の一端に水素出口管３２が設けられ、合流通路３６の他端にバイパス水素入口３７が設けられていて、このバイパス水素入口３７にバイパス通路２２の下流端が接続されるようになっている。
【００５０】
このように構成されたエゼクタユニット３０においては、前述した第１の実施の形態のエゼクタユニット３０の作用に加えて、次の作用がある。すなわち、第１エゼクタ４０または第２エゼクタ５０から送出される水素とバイパス通路２２から供給される水素をユニット本体３３内の合流通路３６で予め充分に混合した後に、燃料電池１１に供給することができる。そして、この水素の合流部分を含めてユニット化することができるので、燃料供給系をコンパクトに構成することができる利点もある。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００５１】
なお、前述した第１の実施の形態および第２の実施の形態では、バイパス通路２２とバイパス側圧力制御部１９を設けたが、これらはなくても構わない。また、ユニット本体３３に内蔵するエゼクタの数は二つに限るものではなく、三つあるいはそれ以上であっても構わない。その場合には、各エゼクタを単独で動作させることができるようにエゼクタ切り替え手段を構成する必要がある。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の燃料電池の燃料供給装置によれば、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、アイドル時の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、必要な燃料流量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ているので、燃料供給装置を小型化することができる。
【００５３】
また、請求項２に記載の燃料電池の燃料供給装置によれば、前記効果に加えて、エゼクタから送出される第１流体と、エゼクタを迂回して供給される第１流体を第１流体通路で合流させてから下流に送出することができるので、エゼクタを通過させた時に不足する分の水素流量を補充することができ、大流量の水素を燃料電池に送出することができる。また、バイパス通路を備えた燃料供給装置を小型化することができる。
さらに、請求項３に記載の燃料電池の燃料供給装置によれば、要求流量に応じたエゼクタを適正に選択して動作せることができるので、燃料電池に必要流量の燃料を最適なストイキ値で供給することができる。
【００５４】
請求項４に記載の燃料電池の燃料供給システムによれば、エゼクタ切り替え手段により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、燃料電池の燃料の消費量に応じてストイキ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、必要な燃料量を燃料電池に供給することができる。
請求項５に記載の燃料電池の燃料供給システムによれば、各エゼクタの適用流量を異にすることができる。
請求項６に記載の燃料電池の燃料供給システムによれば、各エゼクタの単独使用だけでは不足する分の燃料をバイパス通路を介して燃料電池へ供給することができる。
【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ユニットの第１の実施の形態における断面図であり、小流量用エゼクタとして機能させた時を示す図である。
【図３】 前記第１の実施の形態におけるエゼクタユニットの断面図であり、大流量用エゼクタとして機能させた時を示す図である。
【図４】 前記第１の実施の形態においてエゼクタ切り替え制御のフローチャートである。
【図５】 前記第１の実施の形態における燃料供給システムのストイキ特性図である。
【図６】 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第２の実施の形態における断面図である。
【図７】 従来の一般的なエゼクタの断面図である。
【図８】 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
１９・・・バイパス側圧力制御部（バイパス開閉手段）
２２・・・バイパス通路
３０・・・エゼクタユニット（流体供給装置）
３３・・・ユニット本体
３６・・・合流通路（第１流体通路）
３７・・・バイパス水素入口
４０・・・第１エゼクタ
４１・・・ノズル
４３・・・ディフューザ通路（ディフューザ）
５０・・・第２エゼクタ
５１・・・ノズル
５３・・・ディフューザ通路（ディフューザ）
６０・・・切り替え弁（エゼクタ切り替え手段）
Claims (6)
- 第１流体を供給され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エゼクタを複数備え、前記複数のエゼクタは互いにストイキ特性を異にしており、さらに前記第１流体が流通する前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つの前記ノズルへの流路に選択切り替え可能に形成したエゼクタ切り替え手段を備え、前記複数のエゼクタと前記エゼクタ切り替え手段とを内蔵する筐体を有することを特徴とする燃料電池の流体供給装置。
- 前記複数のエゼクタのノズルを迂回して供給される第１流体が流通可能な第１流体通路が前記筐体内に設けられ、前記複数のエゼクタは前記第１流体通路に流体を送出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の流体供給装置。
- 要求流量に関する入力信号に応じて前記エゼクタ切り替え手段を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の流体供給装置。
- ノズルからディフューザに向けて燃料を噴射した際に発生する負圧により、燃料電池から排出される排出燃料をディフューザに吸い込み、前記燃料と前記排出燃料とを混合してディフューザから送出し燃料電池のアノードに供給するエゼクタを備える燃料電池の燃料供給システムにおいて、
ストイキ特性を互いに異にする複数の前記エゼクタと、前記燃料電池に供給する燃料量に応じて前記複数のエゼクタの中からいずれか１つのエゼクタに前記燃料および前記排出燃料を流通可能に切り替えるエゼクタ切り替え手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の燃料供給システム。 - 前記複数のエゼクタは互いにノズルの内径を異にすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の燃料供給システム。
- 前記複数のエゼクタを迂回するバイパス通路と、前記複数のエゼクタのディフューザの出口の圧力に応じて前記バイパス通路を開閉するバイパス開閉手段と、を備えることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池の燃料供給システム。
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