JP7255455B2 - エジェクタ用パイプモジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池から排出される燃料オフガスを循環させる燃料電池システムに用いられるエジェクタ用パイプモジュールに関するものである。

近年、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムにおいては、通常、燃料電池から排出される燃料オフガスに残る未反応の燃料ガス成分を再利用するため、燃料オフガスを再び燃料ガス供給流路に戻すための燃料オフガス循環流路を備えている。

そして、燃料ガス供給流路には、燃料オフガス循環流路との合流部においてエジェクタが設けられている。エジェクタは、燃料タンクから供給される燃料ガスをノズル部から噴出させることにより、燃料オフガス循環流路から燃料オフガスを吸引し、燃料ガスと混合して燃料電池に再供給させている。

しかしながら、燃料タンクから供給される燃料ガスは、エジェクタのノズル部より噴出される際に減圧膨張するため、周囲の熱を吸収し、流路内の温度が低下する。これにより、ノズル部の先端部近傍、並びにその下流域が冷却されることとなる。

一方、燃料電池から排出され、燃料オフガス循環流路から燃料ガス供給流路に合流する燃料オフガスには、発電の際に生成される水分等が含まれる。

その結果、燃料オフガスがノズル部の先端部近傍、並びにその下流域を通過する際に冷却されて、燃料オフガス中の水分が凍結し、流路を閉塞するおそれがある。

これに対し、エジェクタにおいて、燃料オフガスを合流させる吸引口の位置をノズル部から下流側に離して配置し、最も低温になるノズル部の先端部近傍を燃料オフガスが通過しないようにして、ノズル部の先端部近傍において燃料オフガス中の水分が凍結することを防止する技術や、ヒータや温熱流体を用いてノズル部の先端部近傍を加熱する技術など開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６－１６９９７７号公報

しかしながら、特許文献１に係る従来技術のように、吸引口の位置をノズル部から下流側に離したり、ノズル部の先端部近傍を加熱するだけでは、ノズル部の先端部近傍での凍結は防止されるものの、下流域の低温化を十分に抑制することができず、該下流域においては、依然として燃料オフガス中の水分が凍結する不具合が発生するおそれがある。

加えて、エジェクタにおいては、燃料ガスを高速で噴出する際に気流音が発生するため、かかる気流音が騒音の原因となるおそれがあった。

本発明は、上記事情等に鑑みてなされたものであり、エジェクタの凍結を防止する共に、遮音性の向上等を図ることのできるエジェクタ用パイプモジュールを提供することを主たる目的の一つとしている。

以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。

手段１．燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料オフガス循環流路を介して燃料ガス供給流路に合流させる燃料オフガス循環系に用いられるエジェクタ用のパイプモジュールであって、
ベース側構成部とカバー側構成部との間に形成され、前記燃料電池から導出される温調媒体が流入する流入口と、該温調媒体が流出する流出口とを備えた区画室と、
燃料ガス及び燃料オフガスが流通するガス流路が前記区画室を貫通するように設けられたパイプ部とを備え、
前記パイプ部は、
ガス流路上流側において、前記燃料ガス供給流路から供給される燃料ガスを噴出するエジェクタのノズル部が挿入される挿入口と、前記燃料オフガス循環流路から燃料オフガスが流入する吸引口とを分岐させる分岐部を備えると共に、
ガス流路下流側において、前記燃料電池へ燃料ガス及び燃料オフガスの混合ガスを吐出する吐出口を備え、
前記分岐部が前記区画室内に位置し、
前記燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う複数の単セルが積層されてなるセル積層体と、該セル積層体の積層方向端部位置に配置されるエンドプレートとを備え、
前記ベース側構成部が前記エンドプレートに一体に設けられていることを特徴とするエジェクタ用パイプモジュール。

上記手段１によれば、燃料電池の発電に伴う発熱によって温められた温調媒体（例えば冷却液）が流通する区画室を備えると共に、該区画室（温調媒体流路）内に、エジェクタのガス流路を構成するパイプ部が配設されている。

これにより、ノズル部の挿入口と燃料オフガスの吸引口との分岐部、すなわち燃料ガスと燃料オフガスの合流部を含むパイプ部（ガス流路）ほぼ全域を温調媒体により温めることが可能となる。結果として、パイプ部のほぼ全域において、燃料オフガス中の水分の凍結を防止することができる。

加えて、パイプ部が区画室で覆われると共に、該区画室内に温調媒体が存在することから、遮音性が向上する。結果として、エジェクタにおいて燃料ガスを高速で噴出する際に生じる気流音が外部に漏れにくくなり、該気流音に起因した騒音を低減することができる。

尚、気流音に起因した騒音を低減するために、エジェクタの周りに防音材を配設することも考えられるが、かかる場合、部品点数や生産コストの増加が懸念される。

また、上記手段１によれば、部品点数を削減し、エジェクタのコンパクト化や低コスト化を図ることができる。

尚、「前記ベース側構成部が前記エンドプレートに一体に設けられていること」には、例えばベース部材（ベース側構成部）がエンドプレートに対し接着や溶着等された構成や、ベース側構成部とエンドプレートとが樹脂材料等により一体形成された構成などが含まれる。

手段２．前記パイプ部は、前記ベース側構成部に一体形成されたベース側パイプ構成部と、前記カバー側構成部に一体形成されたカバー側パイプ構成部とを合わせることにより構成されていることを特徴とする手段１に記載のエジェクタ用パイプモジュール。

上記手段２によれば、部品点数を削減し、エジェクタのコンパクト化や低コスト化を図ることができる。

手段３．前記ベース側構成部と、前記カバー側構成部と、前記パイプ部とが別部材で構成されていることを特徴とする手段１に記載のエジェクタ用パイプモジュール。

上記手段３によれば、パイプ部と温調媒体との接触面積を増やし、加温効率を高めることができる。

手段４．前記区画室内において、前記パイプ部を支持する支持部材を前記ベース側構成部及び／又は前記カバー側構成部との間に介在させたことを特徴とする手段３に記載のエジェクタ用パイプモジュール。

例えば車両等に搭載される燃料電池システムにおいて、仮に別体のパイプ部が区画室内において何らの支えがなく、宙に浮いた状態となっている場合には、走行時の振動等によりガタツキが発生し、パイプ部が位置ずれ等を起こすおそれがある。

これに対し、上記手段４によれば、区画室内において、パイプ部を支持する支持部材を備えることにより、上記不具合の発生を抑制し、エジェクタの耐久性の向上を図ることができる。

手段５．前記区画室において、前記流入口と前記流出口とが前記パイプ部を挟んで両側に分かれて配置されていることを特徴とする手段３又は４に記載のエジェクタ用パイプモジュール。

仮にパイプ部の両側部のうちの一方側に流入口と流出口の両者が共に配置されている場合には、パイプの片側面が主として温められるような状態となる。

これに対し、上記手段５によれば、温調媒体の流通方向とパイプ部の軸線方向とが交差した状態となり、温調媒体がパイプ部とベース側構成部の間、及び、パイプ部とカバー側構成部の間を通り、パイプ部を跨ぐように通過していくこととなる。結果として、上記手段３の作用効果を高めることができる。

手段６．前記区画室において、前記流入口と前記流出口とが前記パイプ部の軸線方向に少なくとも所定区間離間して配置されていることを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載のエジェクタ用パイプモジュール。

上記手段６によれば、パイプ部の所定区間をより均等に温めることができ、加温効率を高めることができる。

燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係るエジェクタ組付体を示す平面図である。 第１実施形態に係るエジェクタ組付体の分解斜視図である。 図２のＡ－Ａ線断面図である。 図２のＢ－Ｂ線断面図である。 第２実施形態に係るエジェクタ組付体を示す平面図である。 第２実施形態に係るエジェクタ組付体の分解斜視図である。 図６のＣ－Ｃ線断面図である。 図６のＤ－Ｄ線断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るエジェクタ用パイプモジュールが用いられる燃料電池システム１０の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム１０は、例えば車両に搭載され、車両の動力源として使用される。

燃料電池システム１０は、燃料電池（ＦＣスタック）２０と、燃料ガスの供給及び排出を行う燃料ガス配管系３０と、酸化剤ガスの供給及び排出を行う酸化剤ガス配管系４０と、冷却系５０とを備え、図示しない制御装置により動作制御される。

燃料電池２０は、反応ガスとして燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて水素と酸素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。本実施形態では、燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして空気が用いられる。

燃料電池２０は、複数の単セル２１が積層されてなるセル積層体２２と、該セル積層体２２を積層方向に挟む一対のエンドプレート２３Ａ，２３Ｂとを備えている。

単セル２１は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒層とガス拡散層とからなるアノード（燃料極）及びカソード（空気極）を配設した膜電極複合体（ＭＥＡ）が一対のセパレータにより挟持されてなる。

セル積層体２２には、燃料ガスを各単セル２１へ導くための燃料ガス導入用流路２２ａと、各単セル２１から排出される燃料オフガス（アノードオフガス）を導出するための燃料ガス導出用流路２２ｂと、酸化剤ガスを各単セル２１へ導くための酸化剤ガス導入用流路２２ｃと、各単セル２１から排出される酸化剤オフガス（カソードオフガス）を導出するための酸化剤オフガス導出用流路２２ｄと、冷却液を各単セル２１へ導くための冷却液導入用流路２２ｅと、各単セル２１から排出される冷却液を導出するための冷却液導出用流路２２ｆとが形成されている。

尚、上記一対のエンドプレート２３Ａ，２３Ｂのうち、一方のエンドプレート２３Ａには、上記各種導入用流路２２ａ，２２ｃ，２２ｅと接続される各種導入ポートが形成されると共に、上記各種導出用流路２２ｂ，２２ｄ，２２ｆと接続される各種導出ポートが形成されている。これら各種ポートの詳細については後述する。これに対し、他方のエンドプレート２３Ｂには、このような各種ポートは形成されていない。

かかる構成の下、各単セル２１のアノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、これに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは電解質膜を通過して、カソードで空気に含まれる酸素と化学反応を起こす。この化学反応によって発電が行われる。同時に、発電に伴って水が生成されると共に、各単セル２１が発熱する。そして、燃料電池２０で発生した電気は、例えば電動モータや２次電池などの電気機器に供給される。

燃料ガス配管系３０は、燃料供給源としての燃料タンク３１（例えば高圧水素ガスが貯蔵された高圧水素タンク）と、該燃料タンク３１から燃料電池２０（燃料ガス導入用流路２２ａ）へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路３２と、燃料電池２０（燃料ガス導出用流路２２ｂ）から導出される燃料オフガスを燃料ガス供給流路３２へ還流させる燃料オフガス循環流路３３とを備えている。

燃料ガス供給流路３２には、燃料オフガス循環流路３３との合流部においてエジェクタ３４が設けられ、前記合流部よりも上流側においてインジェクタ３５が設けられている。

エジェクタ３４は、燃料タンク３１から供給される燃料ガスを高速で噴出させることにより、燃料オフガス循環流路３３から燃料オフガスを吸引し、燃料ガスと燃料オフガスとを混合して燃料電池２０に供給するためのものである。エジェクタ３４の構成については後述する。

インジェクタ３５は、燃料タンク３１からエジェクタ３４へ供給される燃料ガスの流量を調整するためのものである。

燃料オフガス循環流路３３には、燃料電池２０から導出される燃料オフガス中に含まれる水分の一部を分離除去するための気液分離器３６が設けられている。この気液分離器３６にて分離された燃料オフガス中の水分は、排水管３７を介して外部に排出される。

従って、燃料ガス供給流路３２や燃料オフガス循環流路３３、エジェクタ３４など、燃料オフガスを循環させる各種構成により、本実施形態における燃料オフガス循環系が構成される。

酸化剤ガス配管系４０には、燃料電池２０（酸化剤ガス導入用流路２２ｃ）へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路４１と、燃料電池２０（酸化剤オフガス導出用流路２２ｄ）から導出される酸化剤オフガスを大気中に放出する酸化剤ガス排出流路４２とが設けられている。

酸化剤ガス供給流路４１には、大気中の酸化剤ガスを取り込んで燃料電池２０へ圧送するコンプレッサ４３と、該コンプレッサ４３により圧送される酸化剤ガスを加湿する加湿器４４とが設けられている。

冷却系５０は、燃料電池２０を冷却するための温調媒体（温度調節媒体）としての冷却液を循環させるためのものである。本実施形態では、冷却液として水にエチレングリコール（不凍液）を含有させたＬＬＣ（ロングライフクーラント）が用いられている。

冷却系５０は、冷却液を冷却するためのラジエータ５１と、該ラジエータ５１から燃料電池２０（冷却液導入用流路２２ｅ）へ冷却液を供給する冷却液供給流路５２と、燃料電池２０（冷却液導出用流路２２ｆ）から導出される冷却液をラジエータ５１へ還流させる冷却液排出流路５３と、冷却液を循環させるためのポンプ５４とが設けられている。

かかる構成の下、ポンプ５４の駆動により、冷却液が冷却液供給流路５２を介して燃料電池２０内へ供給され、各単セル２１を冷却する。その後、各単セル２１において熱交換され、温められた冷却液が、冷却液排出流路５３を介してラジエータ５１へと案内され、該ラジエータ５１において冷却された後、再度、燃料電池２０に供給される。このような冷却液の循環により燃料電池２０が適切な温度に維持される。

燃料電池システム１０の概略は以上のとおりであるが、以下において本発明の特徴部分であるエジェクタ３４及びその関連構成について説明する。

本実施形態におけるエジェクタ３４は、エンドプレート２３Ａに組付けられている。より具体的には、本実施形態のエンドプレート２３Ａには、セル積層体２２の冷却液導出用流路２２ｆと、冷却系５０の冷却液排出流路５３とを流通可能に接続する冷却液流路構成部６０（図２等参照）が一体に設けられており、この冷却液流路構成部６０内にエジェクタ３４が配設される構成となっている。

以下、かかる構成について図面を参照して詳しく説明する。図２は、エンドプレート２３Ａに対しエジェクタ３４を組付けたエジェクタ組付体を示す平面図である。図３は、エジェクタ組付体の分解斜視図である。図４は、図２のエジェクタ組付体のＡ－Ａ線断面図であり、図５は、図２のエジェクタ組付体のＢ－Ｂ線断面図である。

エジェクタ３４は、燃料ガス供給流路３２から供給される燃料ガスを高速で噴出させるノズル部６１と、燃料ガス及び燃料オフガスが流通するガス流路を構成するパイプ部材６２とから構成されている。

パイプ部材６２が本実施形態におけるパイプ部に相当し、これを冷却液流路構成部６０（後述する区画室１３０）内に組付けたエンドプレート２３Ａが本実施形態におけるエジェクタ用パイプモジュールを構成する。

ノズル部６１は、高耐食ステンレス鋼材により構成されており、その基端側において燃料ガス供給流路３２と接続され、その先細りした先端部から燃料ガスを噴出する。

パイプ部材６２は、例えばポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）樹脂等の樹脂材料により形成されている。

より具体的に、パイプ部材６２は、所定の軸線Ｃ１方向に沿って延びる略円筒状の主管部８１と、該主管部８１の上流端側に形成された挿入管部（挿入口）８２と、該挿入管部８２の近傍において主管部８１から分岐し、軸線Ｃ１と直交する方向に沿って延びる吸引管部（吸引口）８３と、主管部８１の下流端側を屈曲するように形成され、軸線Ｃ１と直交する方向に沿って延びる吐出管部（吐出口）８４とを備えている。

主管部８１は、自身と吸引管部８３との分岐部８６（吸引管部８３の開口位置）よりも下流側において、ガス流路が、下流側に向かって徐々に縮径していく縮径部８１ａと、該縮径部８１ａの下流側において、軸線Ｃ１方向に沿って略直線状に形成された直管部８１ｂと、該直管部８１ｂの下流側において、下流側に向かって徐々に拡径していく拡径部８１ｃとを備えている。

ここで、主に縮径部８１ａ及び直管部８１ｂが、ノズル部６１から噴出される燃料ガスと、吸引管部８３から吸引された燃料オフガスとを混合するための混合部として機能し、拡径部８１ｃが、混合された混合ガスの圧力を昇圧させるディフューザ部として機能する。

挿入管部８２には、ノズル部６１が挿入されている。ノズル部６１の外周部にはＯリング８７が装着されており、該Ｏリング８７が挿入管部８２の内周面に圧接した状態となっている。これにより、ノズル部６１がパイプ部材６２に対し位置決め固定されると共に、ガス流路内の気密性が確保されている。

吸引管部８３の先端側には、燃料オフガス循環流路３３が接続されている。一方、吸引管部８３の基端側の分岐部８６は、上記のように固定されたノズル部６１の先端部の位置よりも下流側に位置しており、ここで吸引管部８３と主管部８１とが連通している。

吐出管部８４は、後述する燃料ガス導入ポート１０５に接続される。そして、ここからセル積層体２２（燃料ガス導入用流路２２ａ）に対し、燃料ガスと燃料オフガスの混合ガスが吐出される。

次に、エジェクタ３４（パイプ部材６２）が組付けられるエンドプレート２３Ａの構成について説明する。

エンドプレート２３Ａの本体部（以下、「エンドプレート本体部１００」という。）は、金属製のインサート部材１００ａと、該インサート部材１００ａの所定部位を被覆する被覆部１００ｂとにより構成されている。被覆部１００ｂは、例えばＰＰＳ樹脂等、パイプ部材６２と同一樹脂材料により形成されている。

エンドプレート本体部１００は、上記単セル２１の積層方向を法線方向とする略平板状で平面視長方形状をなす底壁部１０１と、該底壁部１０１の周縁部全域から該底壁部１０１の表面側に向け突出形成された周壁部１０２と、該周壁部１０２の先端縁部から外方へ延出形成され、前記インサート部材１００ａが一部露出したフランジ部１０３とを備えている。

底壁部１０１には、セル積層体２２（燃料ガス導入用流路２２ａ）へ燃料ガスを導入するための燃料ガス導入ポート１０５と、セル積層体２２（燃料ガス導出用流路２２ｂ）から燃料オフガスを導出するための燃料オフガス導出ポート１０６と、セル積層体２２（酸化剤ガス導入用流路２２ｃ）へ酸化剤ガスを導入するための酸化剤ガス導入ポート１０７と、セル積層体２２（酸化剤オフガス導出用流路２２ｄ）から酸化剤オフガスを導出するための酸化剤オフガス導出ポート１０８と、セル積層体２２（冷却液導入用流路２２ｅ）へ冷却液を導入するための冷却液導入ポート１０９と、セル積層体２２（冷却液導出用流路２２ｆ）から冷却液を導出するための冷却液導出ポート１１０とが形成されている。

さらに、底壁部１０１には、冷却液流路構成部６０のベース部１１５が区画形成されている。ベース部１１５は、底壁部１０１からリブ状に突出形成されたベース側区画壁部１１６によって、その範囲が画定されている。そして、このベース部１１５にパイプ部材６２が配設される。ベース部１１５及びベース側区画壁部１１６により、本実施形態における区画室（冷却液流路）１３０のベース側構成部が構成される。

ベース部１１５内において、パイプ部材６２は、その軸線Ｃ１方向が底壁部１０１の所定の対角線方向に沿うように配設されている。また、ベース部１１５には、パイプ部材６２を支持するための支持部材１１７が取付けられている。

尚、上記各種ポート１０５～１１０のうち、燃料ガス導入ポート１０５及び冷却液導出ポート１１０は、ベース部１１５内に開口形成されている。これにより、冷却液導出ポート１１０を介して、セル積層体２２（冷却液導出用流路２２ｆ）から導出される冷却液が冷却液流路構成部６０（区画室１３０）内へ流入可能となる。従って、冷却液導出ポート１１０が本実施形態における流入口に相当する。

また、燃料ガス導入ポート１０５には、パイプ部材６２の吐出管部８４が挿し込まれる。尚、吐出管部８４と燃料ガス導入ポート１０５との間の隙間は、溶着等により接合され塞がれている。これにより、吐出管部８４が燃料ガス導入ポート１０５に対し位置決め固定されると共に、区画室１３０内の気密性が確保されている。

一方、その他のポート１０６～１０９に関しては、ベース部１１５外に設けられている。そして、燃料オフガス導出ポート１０６には、燃料オフガス循環流路３３が接続される。酸化剤ガス導入ポート１０７には、酸化剤ガス供給流路４１が接続される。酸化剤オフガス導出ポート１０８には、酸化剤ガス排出流路４２が接続される。冷却液導入ポート１０９には、冷却液供給流路５２が接続される。

また、ベース部１１５は、冷却液導出ポート１１０が開口形成され冷却液流路の上流側となる上流側部位１１５ａが、平面視長方形状の底壁部１０１の長辺方向に沿って形成されると共に、冷却液導出ポート１１０から流入した冷却液が流れて排出されていく冷却液流路の下流側となる下流側部位１１５ｂが、パイプ部材６２の軸線Ｃ１方向となる、底壁部１０１の対角線方向に沿って形成されており、全体として平面視略へ字状に屈曲している。

さらに、エンドプレート本体部１００には、パイプ部材６２が配設されたベース部１１５を覆うように、冷却液流路構成部６０を構成するカバー部１２０が取付けられている。カバー部１２０は、本実施形態における区画室１３０のカバー側構成部を構成するものであり、例えばＰＰＳ樹脂等、エンドプレート本体部１００の被覆部１００ｂと同一樹脂材料により形成されている。

カバー部１２０は、ベース部１１５と相対向するように配設される平面視略へ字状の表壁部１２１と、該表壁部１２１の周縁部全域から裏面側に突出形成されたカバー側区画壁部１２２とを備えている。

カバー部１２０は、カバー側区画壁部１２２の先端縁部と、ベース側区画壁部１１６の先端縁部とが溶着等により接合されることにより、エンドプレート本体部１００と一体となるように固定されている。これにより、冷却液流路構成部６０内（ベース部１１５とカバー部１２０との間）に、冷却液導出ポート１１０から流入する冷却液が流れる区画室１３０が形成される。

カバー部１２０の表壁部１２１には、冷却液流路の下流側端部近傍において、区画室１３０内から冷却液を流出させるための平面視円形状の流出口１２３が形成されると共に、パイプ部材６２の吸引管部８３を挿通させるための挿通孔１２４が形成されている。尚、吸引管部８３と挿通孔１２４との間の隙間は、溶着等により接合され塞がれている。これにより、吸引管部８３がカバー部１２０に対し位置決め固定されると共に、区画室１３０内の気密性が確保されている。

そして、ベース部１１５に対しカバー部１２０が取付けられた状態においては、カバー部１２０の流出口１２３と、ベース部１１５の冷却液導出ポート１１０とが、平面視で底壁部１０１の長辺方向に並ぶように配置された状態となる。これにより、冷却液の流れ方向Ｒ１とパイプ部材６２の軸線Ｃ１方向とが交差した状態となり、冷却液がパイプ部材６２の表側及び裏側を通り、パイプ部材６２を跨ぐように通過していくこととなる。流出口１２３は、冷却液排出流路５３と接続される。

また、ベース側区画壁部１１６及びカバー側区画壁部１２２には、それぞれ冷却液流路の下流側端部において、半円状の切欠き凹部１１６ａ，１２２ａが形成されており、これらが合わさることで、パイプ部材６２の挿入管部８２が挿通される挿通孔が形成されている。尚、挿入管部８２と切欠き凹部１１６ａ，１２２ａとの間の隙間は、溶着等により接合され塞がれている。これにより、挿入管部８２が区画壁部１１６，１２２に対し位置決め固定されると共に、区画室１３０内の気密性が確保されている。

次に、本実施形態に係るエジェクタ組付体（エジェクタ用パイプモジュール）の作用について、燃料ガス配管系３０及び冷却系５０の動作と共に説明する。

燃料ガス配管系３０においては、燃料タンク３１に貯蔵された燃料ガスが、インジェクタ３５により流量を調整されながら、燃料ガス供給流路３２を介してエジェクタ３４へ導かれ、該エジェクタ３４を介して燃料電池２０に供給される。

この際、エジェクタ３４においては、ノズル部６１から高速で噴出された燃料ガスが主管部８１へ流れる。この結果、主管部８１内には負圧が発生し、燃料オフガス循環流路３３によって還流された燃料オフガスが吸引管部８３から吸引されて、主管部８１内へ流れる。同時に、ノズル部６１から噴出される燃料ガスは減圧膨張して周囲の熱を吸収するため、ガス流路内の温度は低下する。

続いて、主管部８１内において、ノズル部６１から噴出される燃料ガスと、吸引管部８３から吸引された燃料オフガスとが混合されると共に、混合された混合ガスが吐出管部８４を介して、セル積層体２２（燃料ガス導入用流路２２ａ）へ吐出される。

そして、混合ガスが燃料ガス導入用流路２２ａを介して、セル積層体２２内の各単セル２１のアノードに供給され、電気化学反応に供される。その後、各単セル２１のアノードから排出される燃料オフガスは、燃料ガス導出用流路２２ｂを介して、エンドプレート２３Ａの燃料オフガス導出ポート１０６から導出され、燃料オフガス循環流路３３へ導かれる。かかる燃料オフガスは、燃料オフガス循環流路３３を介してエジェクタ３４（吸引管部８３）へ還流する。

一方、冷却系５０においては、冷却液がラジエータ５１から冷却液供給流路５２を介して燃料電池２０（冷却液導入用流路２２ｅ）内へ供給され、各単セル２１を冷却する。その後、各単セル２１において熱交換され、温められた冷却液（例えば７０℃～１００℃）が冷却液導出用流路２２ｆを介して、エンドプレート２３Ａの冷却液導出ポート１１０（流入口）から区画室１３０内に流入する。

そして、区画室１３０内に流入した冷却液は、該区画室１３０内をカバー部１２０の流出口１２３側に向けて流れ、該流出口１２３を介して冷却液排出流路５３へ排出される。

この際、区画室１３０内においては、冷却液が、パイプ部材６２の表側とカバー部１２０の表壁部１２１との間、及び、パイプ部材６２の裏側とベース部１１５との間を通り、パイプ部材６２を跨ぐように通過していき、パイプ部材６２を温める。

その後、冷却液は、冷却液排出流路５３を介してラジエータ５１へと案内され、該ラジエータ５１において冷却された後、再度、燃料電池２０に供給される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、燃料電池２０の発電に伴う発熱によって温められた冷却液が流通する区画室１３０（冷却液流路構成部６０）を備えると共に、該区画室（冷却液流路）１３０内に、エジェクタ３４のガス流路を構成するパイプ部材６２が配設されている。

これにより、主管部８１と吸引管部８３との分岐部８６、すなわち燃料ガスと燃料オフガスの合流部を含むパイプ部材６２（ガス流路）ほぼ全域を冷却液により温めることが可能となる。結果として、パイプ部材６２のほぼ全域において、燃料オフガス中の水分の凍結を防止することができる。

加えて、本実施形態では、パイプ部材６２が区画室１３０で覆われると共に、該区画室１３０内に冷却液が存在することから、遮音性が向上する。結果として、エジェクタ３４において燃料ガスを高速で噴出する際に生じる気流音が外部に漏れにくくなり、該気流音に起因した騒音を低減することができる。

さらに、本実施形態では、区画室１３０（冷却液流路構成部６０）のベース部１１５がエンドプレート本体部１００と一体に形成されている。これにより、部品点数を削減し、エジェクタ３４のコンパクト化や低コスト化を図ることができる。

また、本実施形態では、ベース部１１５と、カバー部１２０と、パイプ部材６２とが別部材で構成されている。これにより、パイプ部材６２と冷却液との接触面積を増やし、加温効率を高めることができる。

また、本実施形態では、区画室１３０において、カバー部１２０に設けられた流出口１２３と、ベース部１１５に設けられた冷却液導出ポート１１０とが、パイプ部材６２の軸線Ｃ１を挟んで両側に分かれて配置されている。これにより、冷却液の流れ方向Ｒ１とパイプ部材６２の軸線Ｃ１方向とが交差した状態となり、冷却液がパイプ部材６２の表側及び裏側を通り、パイプ部材６２を跨ぐように通過していくこととなる。結果として、パイプ部材６２と冷却液との接触面積を増やし、加温効率を高めることができる。

また、本実施形態では、区画室１３０内において、パイプ部材６２を支持する支持部材１１７が設けられている。これにより、振動等によるガタツキの発生を抑制し、パイプ部材６２の位置ずれ等を抑制することができる。結果として、エジェクタ３４の耐久性の向上を図ることができる。

〔第２実施形態〕
次に第２実施形態について詳しく説明する。但し、上述した第１実施形態と重複する部分については、同一の部材名称、同一の符号を用いる等してその詳細な説明を省略するとともに、以下には第１実施形態と相違する部分を中心として説明することとする。

第１実施形態においては、エンドプレート２３Ａの冷却液流路構成部６０（区画室１３０）内に、これとは別体で設けられたパイプ部材６２が配設されることにより、エジェクタ３４がエンドプレート２３Ａに一体に組付けられた構成となっている。

これに対し、本実施形態においては、第１実施形態のパイプ部材６２に相当するパイプ部が、エンドプレート２３Ａの冷却液流路構成部１６０に一体に設けられた構成となっており、かかる構成が第１実施形態とは異なる。

以下、かかる構成について図面を参照して詳しく説明する。図６は、第２実施形態に係るエジェクタ組付体を示す平面図である。図７は、エジェクタ組付体の分解斜視図である。図８は、図６のエジェクタ組付体のＣ－Ｃ線断面図である。図９は、図６のエジェクタ組付体のＤ－Ｄ線断面図である。

本実施形態に係るエンドプレート２３Ａの本体部（エンドプレート本体部１００）の底壁部１０１には、冷却液流路構成部１６０のベース部２１５が区画形成されている。ベース部２１５は、底壁部１０１からリブ状に突出形成されたベース側区画壁部２１６によって、その範囲が画定されている。ベース部２１５及びベース側区画壁部２１６により、本実施形態における冷却液流路（後述する区画室２５０）のベース側構成部が構成される。

ベース部２１５内には、冷却液導出ポート１１０が開口形成されている。これにより、冷却液導出ポート１１０を介して、セル積層体２２（冷却液導出用流路２２ｆ）から導出される冷却液が冷却液流路構成部１６０（区画室２５０）内へ流入可能となる。

また、ベース部２１５内には、ベース側パイプ構成部２１７が形成されている。ベース側パイプ構成部２１７は、その軸線Ｃ２方向が底壁部１０１の所定の対角線方向に沿うように形成されている。

本実施形態では、ベース部２１５、ベース側区画壁部２１６、及び、ベース側パイプ構成部２１７が、例えばＰＰＳ樹脂等の樹脂材料により、底壁部１０１の被覆部１００ｂと一体に形成されている。

ベース側パイプ構成部２１７には、軸線Ｃ２と直交する断面が半円弧状となるベース側溝部２１８が軸線Ｃ２方向に沿って形成されている。ベース側パイプ構成部２１７のガス流路下流側端部には、燃料ガス導入ポート１０５と連通するように、軸線Ｃ２と直交する方向に沿って延びる吐出管部（吐出口）２１９が貫通形成されている。

さらに、エンドプレート本体部１００には、ベース部２１５を覆うように、冷却液流路構成部１６０を構成するカバー部２２０が取付けられている。カバー部２２０は、例えばＰＰＳ樹脂等、エンドプレート本体部１００の被覆部１００ｂと同一樹脂材料により形成されている。

カバー部２２０は、ベース部２１５と相対向するように配設される表壁部２２１と、該表壁部２２１の周縁部全域から裏面側に突出するように形成されたカバー側区画壁部２２２とを備えている。

表壁部２２１の裏面には、ベース側パイプ構成部２１７に対応するように、カバー側パイプ構成部２２５が表壁部２２１と一体に成形されている。カバー側パイプ構成部２２５には、ベース側溝部２１８に対応して、軸線Ｃ２と直交する断面が半円弧状となるカバー側溝部２２６が軸線Ｃ２方向に沿って形成されている。但し、本実施形態では、表壁部２２１の厚肉化を防止するため、表壁部２２１のカバー側溝部２２６に対応する部分が肉抜き形成されている。

また、カバー側パイプ構成部２２５のガス流路上流端側には、カバー側溝部２２６に連続するように、軸線Ｃ２に沿って形成された円筒状の上流管部２２７が設けられている。

上流管部２２７は、軸線Ｃ２に沿って、カバー側区画壁部２２２の外側まで貫通し開口している。この上流管部２２７の上流側部分がノズル部６１を挿入可能な挿入管部（挿入口）となる。

ノズル部６１の外周部にはＯリング８７が装着されており、該Ｏリング８７が上流管部２２７の内周面に圧接した状態となっている。これにより、ノズル部６１が上流管部２２７に対し位置決め固定されると共に、ガス流路内の気密性が確保されている。

また、カバー側パイプ構成部２２５には、上流管部２２７から分岐し、軸線Ｃ２と直交する方向に沿って延びる吸引管部（吸引口）２２８が形成されている。

吸引管部２２８の先端側には、燃料オフガス循環流路３３が接続される。一方、吸引管部２２８の基端側の分岐部２２９は、上記のように固定されたノズル部６１の先端部の位置よりも下流側に位置しており、ここで吸引管部２２８と上流管部２２７とが連通している。

カバー部２２０には、冷却液流路の下流側端部において、後述する区画室２５０内から冷却液を流出させるための平面視略半円形状の流出口２３０が形成されている。また、これに合わせて、冷却液流路の下流側端部位置におけるカバー側区画壁部２２２は、コーナー部が大きく面取りされるように円弧状に湾曲形成されている。流出口２３０は、冷却液排出流路５３と接続される。

カバー部２２０は、カバー側区画壁部２２２の先端縁部と、ベース側区画壁部２１６の先端縁部とが溶着等により接合されることにより、エンドプレート本体部１００と一体となるように固定されている。これにより、冷却液流路構成部１６０内（ベース部２１５とカバー部２２０との間）に、冷却液導出ポート１１０から流入する冷却液が流れる区画室２５０が形成される。

そして、ベース部２１５に対しカバー部２２０が取付けられた状態においては、ベース側パイプ構成部２１７（ベース側溝部２１８）とカバー側パイプ構成部２２５（カバー側溝部２２６）が合わさることにより、軸線Ｃ２方向に沿って延びる略円筒状の下流管部２３５が形成されると共に、該下流管部２３５と上記上流管部２２７とが軸線Ｃ２に沿って１つに繋がった１本のパイプ（主管部）となる。

従って、吐出管部２１９、上流管部２２７、吸引管部２２８及び下流管部２３５により本実施形態におけるパイプ部が構成されると共に、該パイプ部とノズル部６１とにより、本実施形態におけるエジェクタ２３４が構成される。また、前記パイプ部を冷却液流路構成部１６０（区画室２５０）内に備えたエンドプレート２３Ａが本実施形態におけるエジェクタ用パイプモジュールを構成する。

また、ベース側パイプ構成部２１７の先端縁部と、カバー側パイプ構成部２２５の先端縁部とが溶着等により接合されており、ガス流路の気密性が確保されている。

下流管部２３５には、上記第１実施形態の主管部８１と同様に、ガス流路の上流側より順に縮径部、直管部及び拡径部が形成されている（符号略）。これにより、下流管部２３５は、燃料ガスと燃料オフガスとを混合する混合部として機能すると共に、混合ガスの圧力を昇圧させるディフューザ部として機能する。

また、ベース側区画壁部２１６の冷却流路下流側の端部には、半円状の切欠き凹部２１６ａが形成されている。これにより、ベース部２１５に対しカバー部２２０が取付けられた状態においては、切欠き凹部２１６ａに対し上流管部２２７が嵌め込まれる。尚、上流管部２２７と切欠き凹部２１６ａとの間の隙間は、溶着等により接合され塞がれている。これにより、上流管部２２７がベース側区画壁部２１６に対し位置決め固定されると共に、区画室２５０内の気密性が確保されている。

さらに、本実施形態では、ベース部２１５に対しカバー部２２０が取付けられた状態において、下流管部２３５によって区画室２５０の内部空間が仕切られた状態となり、軸線Ｃ２方向に平行して延びる２本の冷却液流路２５０ａ，２５０ｂが形成される。これにより、冷却液導出ポート１１０から区画室２５０内へ流入した冷却液は、その流れ方向Ｒ２が２方向に分岐することとなる。

但し、本実施形態では、両冷却液流路２５０ａ，２５０ｂにおける冷却液の流れを均一にするため、冷却液導出ポート１１０から離れた外側の冷却液流路２５０ａの入口部を、内側の冷却液流路２５０ｂの入口部よりも狭め、流路面積を小さく絞っている。

加えて、冷却液流路２５０ａ、２５０ｂの下流側端部位置には、それぞれ整流手段としての整流部２４５がベース部２１５に突出形成されている。整流部２４５は、軸線Ｃ２方向に平行して延びると共に、該軸線Ｃ２と直交する断面が流出口２３０の開口側に向け先細りした形状となっている。

次に、本実施形態に係るエジェクタ組付体（エジェクタ用パイプモジュール）の作用について、燃料ガス配管系３０及び冷却系５０の動作と共に説明する。尚、ここでも第１実施形態と説明が重複する部分については、その説明を省略する。

エジェクタ２３４においては、ノズル部６１から高速で噴出された燃料ガスが上流管部２２７から下流管部２３５へ向け流れる。この結果、燃料オフガス循環流路３３によって還流された燃料オフガスが吸引管部２２８から吸引されて、上流管部２２７から下流管部２３５へ向け流れる。同時に、ノズル部６１から噴出される燃料ガスは減圧膨張して周囲の熱を吸収するため、ガス流路内の温度は低下する。

続いて、下流管部２３５内において、ノズル部６１から噴出される燃料ガスと、吸引管部２２８から吸引された燃料オフガスとが混合されると共に、混合された混合ガスが吐出管部２１９を介して、セル積層体２２（燃料ガス導入用流路２２ａ）へ吐出される。

一方、冷却系５０においては、各単セル２１にて温められた冷却液（例えば７０℃～１００℃）が冷却液導出用流路２２ｆを介して、エンドプレート２３Ａの冷却液導出ポート１１０（流入口）から区画室２５０内に流入する。

区画室２５０内へ流入した冷却液は、その流れ方向Ｒ２が２方向に分岐し、下流管部２３５及び上流管部２２７の両側の冷却液流路２５０ａ，２５０ｂを通って、流出口２３０に向けて流れる。この際、下流管部２３５、上流管部２２７、吸引管部２２８及び分岐部２２９など両側面が冷却液と接触し、両側方から温められる。

そして、冷却液流路２５０ａ、２５０ｂをそれぞれ通過した冷却液は、冷却液流路構成部１６０（区画室２５０）の下流側端部において合流し、流出口２３０の開口側に向け流れる。その後、冷却液は流出口２３０を介して冷却液排出流路５３へ排出される。

尚、冷却液流路構成部１６０の下流側端部においては、上述したカバー側区画壁部２２２の湾曲形状や整流部２４５の作用によって、冷却液流路２５０ａ、２５０ｂから導かれる冷却液が流出口２３０の開口側に向けスムーズに流れるように構成されている。

以上詳述したように、本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の作用効果が奏される。

特に本実施形態では、ベース部２１５に一体形成されたベース側パイプ構成部２１７と、カバー部２２０に一体形成されたカバー側パイプ構成部２２５とを合わせることにより、エジェクタ２３４のパイプ部が形成される構成となっている。これにより、部品点数を削減し、エジェクタ２３４のコンパクト化や低コスト化を図ることができる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記各実施形態では、本発明を、車両等に搭載される燃料電池システムに用いられるエジェクタ組付体（エジェクタ用パイプモジュール）として具体化したが、これに限らず、例えば工場や一般家庭の発電用の燃料電池システムに用いられるものとして具体化してもよい。

（ｂ）上記各実施形態では、エジェクタ用パイプモジュールの区画室を構成するベース側構成部及びカバー側構成部のうち、ベース側構成部がエンドプレート２３Ａの被覆部１００ｂと一体に樹脂形成された構成となっている。

これに限らず、別体で設けられたベース側構成部をエンドプレート２３Ａに対し接着や溶着、ネジ止めする等して一体とする構成としてもよい。つまり、ベース側構成部、カバー側構成部及びパイプ部からなるエジェクタ用パイプモジュールが、エンドプレート２３Ａとは別体で設けられた構成としてもよい。

勿論、エジェクタ用パイプモジュールが別体で設けられた構成においては、該エジェクタ用パイプモジュールをエンドプレート２３Ａとは離間して配設する構成としてもよい。

（ｃ）ベース側構成部、カバー側構成部及びパイプ部の配置構成など、エジェクタ用パイプモジュールに係る構成は、上記各実施形態に限定されるものではない。

例えばベース側構成部及びカバー側構成部によって形成される区画室の内壁面に沿ってパイプ部が配設され、該パイプ部の片側面のみが冷却液に接するような構成としてもよい。

また、上記各実施形態では、区画室において、冷却液の流入口と流出口とが、パイプ部の軸線方向に少なくとも所定区間離間して配置されている。これに限らず、例えば第１実施形態のように、冷却液がパイプ部材６２の表側及び裏側を通り、パイプ部材６２を跨ぐように通過していく構成の下、冷却液の流入口と流出口とが、パイプ部材６２の軸線Ｃ１方向同一位置に配置され、冷却液の流れ方向Ｒ１とパイプ部材６２の軸線Ｃ１方向とが直交する構成としてもよい。かかる場合、冷却液の流れ方向Ｒ１と交わる部位が、例えばノズル部６１の先端部に対応する位置など、パイプ部材６２において最も加温したい部位であることが好ましい。

（ｄ）また、パイプ部の形状は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば上記第１実施形態において、パイプ部材６２の挿入管部（挿入口）８２と吸引管部（吸引口）８３の分岐部８６が、ノズル部６１の先端部の位置よりも下流側に位置した構成となっている。これに限らず、分岐部８６が、ノズル部６１の先端部の位置よりも上流側に配置される構成としてもよい。

上記各本実施形態では、吸引管部（吸引口）を、ノズル部６１の先端部の位置よりも下流側に配置することで、最も低温になるノズル部６１の先端部を燃料オフガスが通過しないようにしているが、かかる構成では、燃料オフガスの吸引性が低下するおそれもある。

これに対し、本発明に係る構成の下では、燃料オフガス中の水分が凍結するなどの不具合が発生しにくくなるため、吸引管部を、ノズル部６１の先端部の位置よりも上流側に配置し、燃料オフガスの吸引性の低下抑制を図ることができる。

（ｅ）上記第１実施形態では、ベース部１１５に対しパイプ部材６２を支持するための支持部材１１７が取付けられている。これに限らず、支持部材１１７がベース部１１５に一体形成された構成としてもよいし、パイプ部材６２に取付けられる又は一体形成される構成としてもよい。

これに代えて又は加えて、パイプ部材６２を支持するための支持部材が、カバー部１２０の表壁部１２１の裏面に取付けられる又は一体形成される構成としてもよい。

１０…燃料電池システム、２０…燃料電池、２１…単セル、２２…セル積層体、２２ａ…燃料ガス導入用流路、２２ｂ…燃料ガス導出用流路、２２ｅ…冷却液導入用流路、２２ｆ…冷却液導出用流路、２３Ａ，２３Ｂ…エンドプレート、３０…燃料ガス配管系、３２…燃料ガス供給流路、３３…燃料オフガス循環流路、３４…エジェクタ、３５…インジェクタ、５０…冷却系、５２…冷却液供給流路、５３…冷却液排出流路、６０…冷却液流路構成部、６１…ノズル部、６２…パイプ部材、８１…主管部、８２…挿入管部（挿入口）、８３…吸引管部（吸引口）、８４…吐出管部（吐出口）、８６…分岐部、１００…エンドプレート本体部、１０５…燃料ガス導入ポート、１０６…燃料オフガス導出ポート、１０９…冷却液導入ポート、１１０…冷却液導出ポート、１１５…ベース部、１１６……ベース側区画壁部、１１７…支持部材、１２０…カバー部、１２３…流出口、１３０…区画室。

Claims (6)

1. 燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料オフガス循環流路を介して燃料ガス供給流路に合流させる燃料オフガス循環系に用いられるエジェクタ用のパイプモジュールであって、
   ベース側構成部とカバー側構成部との間に形成され、前記燃料電池から導出される温調媒体が流入する流入口と、該温調媒体が流出する流出口とを備えた区画室と、
   燃料ガス及び燃料オフガスが流通するガス流路が前記区画室を貫通するように設けられたパイプ部とを備え、
   前記パイプ部は、
   ガス流路上流側において、前記燃料ガス供給流路から供給される燃料ガスを噴出するエジェクタのノズル部が挿入される挿入口と、前記燃料オフガス循環流路から燃料オフガスが流入する吸引口とを分岐させる分岐部を備えると共に、
   ガス流路下流側において、前記燃料電池へ燃料ガス及び燃料オフガスの混合ガスを吐出する吐出口を備え、
   前記分岐部が前記区画室内に位置し、
   前記燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う複数の単セルが積層されてなるセル積層体と、該セル積層体の積層方向端部位置に配置されるエンドプレートとを備え、
   前記ベース側構成部が前記エンドプレートに一体に設けられていることを特徴とするエジェクタ用パイプモジュール。
2. 前記パイプ部は、前記ベース側構成部に一体形成されたベース側パイプ構成部と、前記カバー側構成部に一体形成されたカバー側パイプ構成部とを合わせることにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ用パイプモジュール。
3. 前記ベース側構成部と、前記カバー側構成部と、前記パイプ部とが別部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ用パイプモジュール。
4. 前記区画室内において、前記パイプ部を支持する支持部材を前記ベース側構成部及び／又は前記カバー側構成部との間に介在させたことを特徴とする請求項３に記載のエジェクタ用パイプモジュール。
5. 前記区画室において、前記流入口と前記流出口とが前記パイプ部を挟んで両側に分かれて配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のエジェクタ用パイプモジュール。
6. 前記区画室において、前記流入口と前記流出口とが前記パイプ部の軸線方向に少なくとも所定区間離間して配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のエジェクタ用パイプモジュール。

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