(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体を駆動流として混合室に向かって噴射する複数のノズルと、各ノズルと同軸に互いに平行に配置された複数のディフューザと、第２の流体を前記混合室へ吸い込む一つの吸込口と、を備えたエゼクタであって、  前記吸込口の軸が前記ノズル及びディフューザの複数の組の軸の間にあることを特徴とするエゼクタ。
【請求項２】
第１の流体を駆動流として混合室に向かって噴射する複数のノズルと、各ノズルと同軸に互いに平行に配置された複数のディフューザと、第２の流体を前記混合室へ吸い込む一つの吸込口と、を備えたエゼクタであって、  前記吸込口の軸と交差する軸を有するノズルの数が１つ以下になるように配置したことを特徴とするエゼクタ。
【請求項３】
前記複数のノズルがそれぞれ径が異なり、
前記複数のノズル中で最大径のノズルが前記吸込口に最も近くなるように配置したことを特徴とする請求項１または請求項２記載のエゼクタ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のエゼクタを備えた燃料電池システムの燃料循環装置であって、
燃料電池に供給する燃料ガスを前記第１の流体として前記複数のノズルに供給し、燃料電池からの燃料排ガスを前記第２の流体として前記吸込口に供給することを特徴とする燃料電池システムの燃料循環装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の流体の駆動流により第２の流体を吸引して、第１及び第２の流体の混合流を吐出するエゼクタ、及び該エゼクタを用いた燃料電池システムの燃料循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素を含んだ燃料ガスを燃料極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られると共に、環境性に優れている。
【０００３】
また、近年、電解質として固体高分子イオン交換膜を使用することで、小型高出力化が可能であり、酸水溶液が不要な固体高分子型燃料電池が水素ガスを用いた燃料電池の方式として注目されている。
【０００４】
燃料電池において、固体高分子膜を挟んで対向する燃料極と空気極には、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気がそれぞれ供給される。この燃料電池における原燃料ガスの消費量を低減し、並びに水素ガスの利用率を低めて出力特性を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極からの排出ガスを再循環して、外部から新たに供給される水素の濃い燃料ガスと混合させ、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式のものが多く考案されている。
【０００５】
燃料電池の発電効率は、再循環させる排出燃料ガス量と、新たに外部から供給される燃料ガス量を、ある一定の比率以上に保つことで向上することが知られている。二つの流れを混合させる循環装置として、供給燃料ガスの流速による負圧と引きずり込みを利用するエゼクタが用いられる。
【０００６】
燃料電池システムの燃料ガスの循環装置として好適なエゼクタは、例えば、特開平７−１６７１００号公報に記載されたものがある。
【０００７】
このエゼクタは、第１の流体を噴出する複数個のノズル部と、該ノズル部と同軸上に同数のディフューザ部とを配置し、第２の流体を吸い込む吸込口及び第１第２流体を混合する混合室は複数のノズルで共用するエゼクタである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のエゼクタでは、２つのノズルから同時に噴流があると、吸込口から遠い側のノズル噴流により吸込む流量が、吸込口に近い側のノズル噴流に影響を受けるために減少し効率が悪化するという問題点があった。
【０００９】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、各ノズルからの噴流による吸込流の吸込みが相互に干渉することを防止して吸引性能の向上を図ることができるエゼクタを提供することである。
【００１０】
また本発明の目的は、上記エゼクタを利用して循環性能向上を図ることができる燃料電池システムの燃料循環装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、第１の流体を駆動流として混合室に向かって噴射する複数のノズルと、各ノズルと同軸に互いに平行に配置された複数のディフューザと、第２の流体を前記混合室へ吸い込む一つの吸込口と、を備えたエゼクタであって、前記吸込口の軸が前記ノズル及びディフューザの複数の組の軸の間にあることを要旨とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、第１の流体を駆動流として混合室に向かって噴射する複数のノズルと、各ノズルと同軸に互いに平行に配置された複数のディフューザと、第２の流体を前記混合室へ吸い込む一つの吸込口と、を備えたエゼクタであって、前記吸込口の軸と交差する軸を有するノズルの数が１つ以下になるように配置したことを要旨とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１または請求項２記載のエゼクタにおいて、前記複数のノズルがそれぞれ径が異なり、前記複数のノズル中で最大径のノズルが前記吸込口に最も近くなるように配置したことを要旨とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のエゼクタを備えた燃料電池システムの燃料循環装置であって、燃料電池に供給する燃料ガスを前記第１の流体として前記複数のノズルに供給し、燃料電池からの燃料排ガスを前記第２の流体として前記吸込口に供給することを要旨とする。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、第１の流体を駆動流として混合室に向かって噴射する複数のノズルと、各ノズルと同軸に互いに平行に配置された複数のディフューザと、第２の流体を前記混合室へ吸い込む一つの吸込口と、を備えたエゼクタであって、前記吸込口の軸が前記ノズル及びディフューザの複数の組の軸の間にあることにより、各ノズル間が相互に干渉することが無くなりエゼクタの吸引性能を向上することができる。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、第１の流体を駆動流として混合室に向かって噴射する複数のノズルと、各ノズルと同軸に互いに平行に配置された複数のディフューザと、第２の流体を前記混合室へ吸い込む一つの吸込口と、を備えたエゼクタであって、前記吸込口の軸と交差する軸を有するノズルの数が１つ以下になるように配置したことにより、各ノズル間が相互に干渉することが無くなりエゼクタの吸引性能を向上することができる。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載のエゼクタにおいて、前記複数のノズルがそれぞれ径が異なり、前記複数のノズル中で最大径のノズルが前記吸込口に最も近くなるように配置したことにより、大流量時に小径ノズルからの噴流により大径ディフューザの吸込流が乱されることが無くなりエゼクタの吸引性能を向上することができる。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のエゼクタを備えた燃料電池システムの燃料循環装置であって、燃料電池に供給する燃料ガスを前記第１の流体として前記複数のノズルに供給し、燃料電池からの燃料排ガスを前記第２の流体として前記吸込口に供給することにより、燃料電池からの燃料排ガスの循環性能を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係るエゼクタの第１実施形態を燃料循環装置として備えた燃料電池システムの構成図である。図１には、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料系統について示し、酸化剤ガスを供給する酸化剤系統や冷却系統などについては説明を省略する。図１中のエゼクタ６の断面Ａ−Ａを図２に示す。
【００２２】
図１において、燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素ガスを高圧で貯蔵する水素ボンベ１と、水素ボンベ１から供給される高圧水素ガスを分岐してそれぞれ圧力調整する第１圧力調整弁２、第２圧力調整弁３と、水素ガスと図示しない酸化剤系統から空気が供給されて発電する燃料電池スタック５と、第１ノズル１４及び第２ノズル１５へ圧力調整弁２、３で圧力調整された水素ガスが駆動流として供給され、燃料電池スタック５から排出された排燃料ガスが吸込口１３へ供給されるエゼクタ６と、燃料電池スタックの排燃料ガスをエゼクタ６の吸込口１３へ供給する循環路７と、燃料電池スタック５の燃料ガス入口の圧力を検出する圧力センサ８と、圧力調整弁２及び３を制御する圧力調整弁制御装置９と、燃料電池スタック５からの排燃料ガスを外部へ放出するパージ弁１０と、燃料電池システム全体を制御する燃料電池制御装置１１と、エゼクタ６のディフューザ１７，１８に対応する出口をそれぞれ開閉する第１逆止弁２０，第２逆止弁２１とを備えている。
【００２３】
エゼクタ６は、低出力用のノズル径が小さい第１ノズル１４と、高出力用のノズル径が大きい第２ノズル１５を有し、それぞれのノズルと同軸に第１ディフューザ１７、第２ディフューザ１８を備え、高出力用の第２ノズル１５と第２ディフューザ１８は、低出力用の第１ノズル１４と第１ディフューザ１７よりも吸込口１３に近い側に配置されている。
【００２４】
エゼクタ６の上流には、水素ボンベ１からの燃料ガスの圧力と流量を制御する第１圧力調整弁２，第２圧力調整弁３を、第１ノズル１４、第２ノズル１５の上流にそれぞれ配置する。
【００２５】
第１ディフューザ１７，第２ディフューザ１８の下流には、それぞれ第１逆止弁２０，第２逆止弁２１が設置され、第１逆止弁２０，第２逆止弁２１の下流で合流して燃料電池スタック５へ燃料ガスが流入するようになっている。
【００２６】
第１逆止弁２０，第２逆止弁２１は、使用しないディフューザから燃料ガスが吸込口１３へ逆流することを防止している。
【００２７】
図３は、第１実施形態のエゼクタを備えた燃料電池システムにおける燃料供給制御を説明するフローチャートである。
まずステップＳ１０において、車両負荷から決定される燃料電池の要求出力が所定出力より小さいかどうか判定する。要求出力が所定出力より小さい場合、Ｓ１２へ移り、第１圧力調整弁２はアイドル開度に設定し、第１逆止弁２０は開に設定し、第２圧力調整弁３は全閉を維持して、第２逆止弁２１は閉に設定する。これにより、第１圧力調整弁２が開き燃料ガスが第１ノズル１４に供給される。第１ノズル１４からの燃料ガス噴流により、燃料電池スタック５からの燃料排ガスを循環路７を経由してエゼクタ６内に流入させる。第１ノズル１４からの噴流と循環流が合流し第１ノズル１４と対となっている第１ディフューザ１７に流れ込み、第１逆止弁２０を通過し燃料電池スタック５に燃料を供給する。
【００２８】
次いでＳ１４では、要求出力から予め燃料電池制御装置１１に記憶した制御マップを参照して、燃料電池入口の燃料ガス圧力の指令値を算出する。次いでＳ１６で、この燃料電池入口圧の指令値が圧力センサ８の検出値より大きいか否かを判定する。
【００２９】
Ｓ１６の判定で、指令値の方が大きい場合は、Ｓ１８へ移り、第１圧力調整弁２の開度を増加させてリターンする。Ｓ１６の判定で、指令値が検出値以下の場合はＳ２０へ移り、第１圧力調整弁２の開度を減少させてリターンする。即ち、要求出力が所定出力未満であるときには、第２圧力調整弁３及び第２逆止弁２１を閉とし、第１逆止弁２０を開いて、燃料電池入口の燃料ガス圧力の指令値と検出値との差が小さくなるように第１圧力調整弁２の開度を制御する。
【００３０】
Ｓ１０の判定で、燃料電池の要求出力が所定出力以上の場合、Ｓ２２へ移り、第２圧力調整弁３をアイドル開度とするとともに、第２逆止弁２１を開く。これにより第２ノズル１５にも燃料ガスが供給され、第２ノズル１５からの燃料ガス噴流により、燃料電池スタック５からの燃料排ガスを循環路７を経由してエゼクタ６内に流入させる。第２ノズル１５からの噴流と循環流が合流し第２ノズル１５と対となっている第２ディフューザ１８に流れ込み、第２逆止弁２１を通過し燃料電池スタック５に燃料を供給する。
【００３１】
ここで、第２ノズル１５は、第１ノズル１４に対して吸込口１３に近い方に設置されているので、多くの循環流を吸込むことが可能である。第１ノズル１４側はもともと低出力用なので少ない循環流で良いので、第２ノズル１５の噴流の外周を通過した循環流で十分である。
【００３２】
次いでＳ２３で、要求出力から予め燃料電池制御装置１１に記憶した制御マップを参照して、燃料電池入口の燃料ガス圧力の指令値を算出する。Ｓ２４で燃料電池入口圧力の指令値が圧力センサ８の検出値より大きいか否かを判定する。
【００３３】
Ｓ２４の判定で、指令値の方が大きい場合は、Ｓ２６へ移り、第２圧力調整弁３の開度を増加させてリターンする。Ｓ２４の判定で、指令値が検出値以下の場合はＳ２８へ移り、第２圧力調整弁３の開度を減少させてリターンする。即ち、要求出力が所定出力以上であるときには、燃料電池入口の燃料ガス圧力の指令値と検出値との差が小さくなるように第２圧力調整弁３の開度を制御する。
【００３４】
〔第２の実施形態〕
図４は、本発明に係るエゼクタの第２実施形態を説明する断面図であり、図１の断面Ａ−Ａを示す。
【００３５】
本実施形態のエゼクタ６は、エゼクタ内部のノズルとディフューザと吸込口の配置のみが第１実施形態と異なる。その他の構成は、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００３６】
図４において、吸込口１３の軸が２つのノズル１４，１５の軸の中間に位置し、各ノズル１４，１５と同軸にディフューザ１７，１８が配置されている。そして、２組のノズル・ディフューザの軸により形成される平面に、循環路７が接続される吸込口１３の軸がほぼ垂直に位置している。
【００３７】
この構成により、吸込流（燃料電池に適用した場合には循環流）が一方のノズル噴流をまたいで他方のノズル噴流に流れ込むことがないので、各噴流が吸込流の引込みを妨げることがなくなり、各ノズル、ディフューザの能力を十分に発揮させ吸引性能、循環性能を向上させることができる。
【００３８】
〔第３の実施形態〕
図５は、本発明に係るエゼクタの第３実施形態を説明する断面図であり、図１の断面Ａ−Ａを示す。
【００３９】
本実施形態のエゼクタ６は、エゼクタ内部のノズルとディフューザと吸込口の配置のみが第１実施形態と異なる。その他の構成は、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００４０】
本実施形態では、第２の実施形態に対して、相対的に大きい径の第２ノズル１５が相対的に小さい径の第１ノズル１４よりも吸込口１３に近く配置されていることが異なる。この構成により、より多くの吸込流（燃料電池に適用したときには循環流）を要する第２ノズル１５側に多くの吸込流が流れ込み易くなっている。
【００４１】
したがって径の大きなノズル、ディフューザに循環流を十分に流して高出力に対応することが出来る。
【００４２】
〔第４の実施形態〕
図６は、本発明に係るエゼクタの第４実施形態を燃料循環装置として備えた燃料電池システムの構成図である。図６には、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料系統について示し、酸化剤ガスを供給する酸化剤系統や冷却系統などについては説明を省略する。図６中のエゼクタ６の断面Ｃ−Ｃを図７に示す。
【００４３】
本実施形態では、エゼクタ６内に第１ノズル１４の径と第２ノズル１５の径の中間の径を有する中負荷用の第３ノズル１６と、第３ノズルと同軸に第３ディフューザ１９を追加して、ノズル、ディフューザが３組ある。さらに第３ノズル１６へ駆動流である燃料ガス（水素）を供給する第３圧力調整弁４，第３ディフューザ１９の出口を開閉する第３逆止弁２２が設けられている。その他の構成は、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００４４】
図７において、吸込口１３の軸と交差する軸を有するノズルは、低負荷用の第１ノズル１４のみであり、第２ノズル１５，第３ノズル１６は、吸込口１３の軸線上の両脇に配置される。
【００４５】
さらに、最大径のノズルである第２ノズル１５が最小径のノズルである第１ノズル１４よりも吸込口１３に近く配置されている。
【００４６】
図８は、第４実施形態のエゼクタを備えた燃料電池システムにおける燃料供給制御を説明するフローチャートである。
【００４７】
まずステップＳ３０において、車両負荷から決定される燃料電池の要求出力が所定出力１より小さいかどうか判定する。要求出力が所定出力１より小さい場合、Ｓ３２へ移り、第１圧力調整弁２はアイドル開度に設定し、第１逆止弁２０は開に設定し、第２圧力調整弁３、第３圧力調整弁４は全閉を維持して、第２逆止弁２１、第３逆止弁２２は閉に設定する。
【００４８】
これにより、第１圧力調整弁２が開き燃料ガスが第１ノズル１４に供給される。第１ノズル１４からの燃料ガス噴流により、燃料電池スタック５からの燃料排ガスを循環路７を経由してエゼクタ６内に流入させる。第１ノズル１４からの噴流と循環流が合流し第１ノズル１４と対となっている第１ディフューザ１７に流れ込み、第１逆止弁２０を通過し燃料電池スタック５に燃料を供給する。
【００４９】
次いでＳ３４では、要求出力から予め燃料電池制御装置１１に記憶した制御マップを参照して、燃料電池入口の燃料ガス圧力の指令値を算出する。次いでＳ３６で、この燃料電池入口圧の指令値が圧力センサ８の検出値より大きいか否かを判定する。
【００５０】
Ｓ３６の判定で、指令値の方が大きい場合は、Ｓ３８へ移り、第１圧力調整弁２の開度を増加させてリターンする。Ｓ３６の判定で、指令値が検出値以下の場合はＳ４０へ移り、第１圧力調整弁２の開度を減少させてリターンする。即ち、要求出力が所定出力１未満であるときには、第２圧力調整弁３、第３圧力調整弁４、第２逆止弁２１、第３逆止弁２２を閉とし、第１逆止弁２０を開いて、燃料電池入口の燃料ガス圧力の指令値と検出値との差が小さくなるように第１圧力調整弁２の開度を制御する。
【００５１】
Ｓ３０の判定で、燃料電池の要求出力が所定出力１以上の場合、Ｓ４１へ移り、要求出力から予め燃料電池制御装置１１に記憶した制御マップを参照して、燃料電池入口の燃料ガス圧力の指令値を算出する。
【００５２】
次いで、Ｓ４２へ移り、燃料電池の要求出力が所定出力２（所定出力１＜所定出力２）より小さいかどうか判定する。
【００５３】
燃料電池の要求出力が所定出力２より小さい場合、Ｓ４４へ移り、第１圧力調整弁２を全開に設定し、第３圧力調整弁４をアイドル開度に設定し、第２圧力調整弁３は全閉を維持するとともに、第３逆止弁２２を開く。
【００５４】
これにより中負荷用の第３ノズル１６にも燃料ガスが供給され、第１ノズル１４，第３ノズル１６からの燃料ガス噴流により、燃料電池スタック５からの燃料排ガスを循環路７を経由してエゼクタ６内に流入させる。第１ノズル１４，第３ノズル１６からの噴流と、循環流が合流し、第１ノズル１４と対となっている第１ディフューザ１７，第３ノズル１６と対となっている第３ディフューザ１９に流れ込み、第１逆止弁２０、第３逆止弁２２を通過し燃料電池スタック５に燃料を供給する。
【００５５】
次いで、Ｓ４６で、燃料電池入口圧の指令値が圧力センサ８の検出値より大きいか否かを判定する。
【００５６】
Ｓ４６の判定で、指令値の方が大きい場合は、Ｓ４８へ移り、第３圧力調整弁４の開度を増加させてリターンする。Ｓ４６の判定で、指令値が検出値以下の場合はＳ５０へ移り、第３圧力調整弁４の開度を減少させてリターンする。即ち、要求出力が所定出力１以上、所定出力２未満であるときには、第１圧力調整弁２を全開、第２圧力調整弁３を全閉、第２逆止弁２１を閉、第１逆止弁２０を開、第３逆止弁２２を開として、燃料電池入口の燃料ガス圧力の指令値と検出値との差が小さくなるように第３圧力調整弁４の開度を制御する。
【００５７】
Ｓ４２の判定で、燃料電池の要求出力が所定出力２以上の場合、Ｓ５２へ移り、第１圧力調整弁２を全開に設定し、第３圧力調整弁４を全開に設定し、第２圧力調整弁３をアイドル開度に設定するとともに、第２逆止弁２１も開く。
【００５８】
これにより高負荷用の第２ノズル１５にも燃料ガスが供給され、第１ノズル１４，第２ノズル１５、第３ノズル１６からの燃料ガス噴流により、燃料電池スタック５からの燃料排ガスを循環路７を経由してエゼクタ６内に流入させる。第１ノズル１４，第２ノズル１５、第３ノズル１６からの噴流と、循環流が合流し、第１ノズル１４と対となっている第１ディフューザ１７，第２ノズル１５と対となっている第２ディフューザ１８、第３ノズル１６と対となっている第３ディフューザ１９に流れ込み、第１逆止弁２０、第２逆止弁２１、第３逆止弁２２を通過し燃料電池スタック５に燃料を供給する。
【００５９】
次いで、Ｓ５４で燃料電池入口圧の指令値が圧力センサ８の検出値より大きいか否かを判定する。
【００６０】
Ｓ５４の判定で、指令値の方が大きい場合は、Ｓ５６へ移り、第２圧力調整弁３の開度を増加させてリターンする。Ｓ５４の判定で、指令値が検出値以下の場合はＳ５８へ移り、第２圧力調整弁３の開度を減少させてリターンする。即ち、要求出力が所定出力２以上であるときには、第１圧力調整弁２を全開、第３圧力調整弁３を全開、第１逆止弁２０を開、第２逆止弁２１を開、第３逆止弁２２を開として、燃料電池入口の燃料ガス圧力の指令値と検出値との差が小さくなるように第２圧力調整弁４の開度を制御する。
【００６１】
本実施形態では全てのノズルと吸込口（循環路）との間には流れを妨げるノズルがないので、各ディフューザは、流れを乱されることなく効率的に循環流を吸い込むことが可能である。
【００６２】
以上、好ましい実施形態を説明したが、本発明のエゼクタの用途は、燃料電池システムの燃料循環装置に限らず、水流ポンプや二流体サイクルガスタービン等、高圧の第１の流体と低圧の第２の流体とを混合する各種装置に適用可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエゼクタの第１実施形態を燃料循環装置として備えた燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態のエゼクタの図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１実施形態のエゼクタを備えた燃料電池システムにおける燃料供給制御を説明するフローチャートである。
【図４】第２実施形態のエゼクタの図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図５】第３実施形態のエゼクタの図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図６】本発明に係るエゼクタの第４実施形態を燃料循環装置として備えた燃料電池システムの構成図である。
【図７】第４実施形態のエゼクタの図６におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図８】第４実施形態のエゼクタを備えた燃料電池システムにおける燃料供給制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…水素ボンベ
２…第１圧力調整弁
３…第２圧力調整弁
４…第３圧力調整弁
５…燃料電池スタック
６…エゼクタ
７…循環路
８…圧力センサ
９…圧力調整弁制御装置
１０…パージ弁
１１…燃料電池制御装置
１２…混合室
１３…吸込口
１４…第１ノズル
１５…第２ノズル
１６…第３ノズル
１７…第１ディフューザ
１８…第２ディフューザ
１９…第３ディフューザ
２０…第１逆止弁
２１…第２逆止弁
２２…第３逆止弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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