(57)【要約】    【課題】  オフガスの循環流量を適切に確保しつつ、全体として耐久性を向上することができる燃料電池のガス供給システムを提供することを課題とする。    【解決手段】  燃料電池のガス供給システム４は、ガスを燃料電池２に供給する供給流路２２に配設され、燃料電池２から排出されたオフガスを循環流路２３を介して供給流路２２に還流させるエゼクタ２４と、循環流路２３に配設され、オフガスを吸気してエゼクタ２４に送り込むターボチャージャ２５と、を備えている。    【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを燃料電池に供給する供給流路に配設され、当該燃料電池から排出されたオフガスを循環流路を介して前記供給流路に還流させるエゼクタと、
コンプレッサ側が前記循環流路に配設され、前記オフガスを前記エゼクタに圧送するターボチャージャと、
を備えた燃料電池のガス供給システム。
【請求項２】
前記ターボチャージャのタービン側は、前記供給流路に配設されている請求項１に記載の燃料電池のガス供給システム。
【請求項３】
前記ターボチャージャのタービン側は、前記供給流路における前記エゼクタの上流側に配設されている請求項２に記載の燃料電池のガス供給システム。
【請求項４】
前記ターボチャージャは、容量可変式からなり、前記供給流路の前記ガスが小流量の時に、前記オフガスの吸気を促進傾向に移行させると共に、前記供給流路の前記ガスが大流量の時に、前記オフガスの吸気を減退傾向に移行させる請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池のガス供給システム。
【請求項５】
前記ガスおよび前記オフガスは、水素である請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池のガス供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から排出されたオフガスをエゼクタで供給流路に循環供給する燃料電池のガス供給システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素ガスを循環させるこの種のガス供給システムとして、水素ガスを燃料電池に供給する供給流路と、燃料電池から排出された水素オフガスを供給流路に戻すための循環流路と、循環流路の水素オフガスを供給流路に還流させるエゼクタと、循環流路に配設した水素ポンプと、を備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
一般に、エゼクタは、供給流路の水素ガスが小流量となると、循環流路の水素オフガスを十分に吸気しきれない。そこでこのガス供給システムでは、水素ガスが小流量の時には水素ポンプを一時的に駆動して、水素オフガスの循環流量を適切に確保するようにしている。
【特許文献１】特開２００３−１５１５８８号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、このような従来の水素ポンプは、水滴・氷塊などに起因して低温起動性や耐久性に支障を生じるおそれがあった。また、水素ポンプ自体が駆動電力や重量も大きいことも鑑みると、新たなガス供給システムが望まれる。
【０００４】
本発明は、オフガスの循環流量を適切に確保しつつ、全体として耐久性を向上することができる燃料電池のガス供給システムを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池のガス供給システムは、ガスを燃料電池に供給する供給流路に配設され、燃料電池から排出されたオフガスを循環流路を介して供給流路に還流させるエゼクタと、コンプレッサ側が循環流路に配設され、オフガスをエゼクタに圧送するターボチャージャと、を備えたものである。
【０００６】
この構成によれば、燃料電池へのガスの供給・循環をエゼクタで行うが、供給流路のガスが小流量になったときでも、コンプレッサ側を循環流路に設けたターボチャージャを活用することで、オフガスを吸気してエゼクタに強制的に送り込むことができる。これにより、オフガスの循環流量を増加させることと同様な結果を生むので、供給系全体で（広い流量域で）オフガスの所定の循環流量を適切に確保することができる。また、このようなエゼクタを補助するものとして、ターボチャージャを採用しているため、全体として耐久性やエネルギー効率を高めることができる。
【０００７】
この場合、ターボチャージャのタービン側は、供給流路に配設されていることが、好ましい。
【０００８】
この構成によれば、燃料電池に供給するガスを有効に利用して、ターボチャージャによる補助を行うことができる。
【０００９】
この場合、ターボチャージャのタービン側は、供給流路におけるエゼクタの上流側に配設されていることが、好ましい。
【００１０】
この構成によれば、エゼクタの下流側に設ける場合と異なり、エゼクタから噴出されるガスを利用しないため、所定の流量のガスを燃料電池に確実に供給することができる。特に、後述するようにガスが水素である場合には、高圧の水素を有効に利用して、ターボチャージャによる補助を行うことができる。
【００１１】
これらの場合、ターボチャージャは、容量可変式からなり、供給流路のガスが小流量の時に、オフガスの吸気を促進傾向に移行させると共に、供給流路のガスが大流量の時に、オフガスの吸気を減退傾向に移行させることが、好ましい。
【００１２】
この構成によれば、供給流路のガスが小流量の時にはターボチャージャでエゼクタを積極的に補助させつつ、供給流路のガスが大流量の時にはターボチャージャがオフガスをエゼクタに過剰に送り込むことを抑制することができる。これにより、特に供給流路のガスが大流量の時に、このガスをターボチャージャのタービン側を迂回してバイパスさせる必要がなくなる。
【００１３】
これらの場合、ガスおよびオフガスは、水素であることが、好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池のガス供給システムによれば、エゼクタとターボジャージャとを併用することによって、オフガスの循環流量を適切に確保することが出来ると共に、耐久性を全体として高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池のガス供給システムについて、燃料電池システムの水素ガスの供給系に適用した例を説明する。なお、燃料電池システムとしては、これを搭載した機器として代表される燃料電池車両を例に説明する。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池システム１は、酸素ガス（空気）および水素ガスの供給を受けて電力を発生する固体分子電解質型の燃料電池２を備え、燃料電池２は多数のセルを積層したスタック構造として構成されている。燃料電池システム１は、燃料電池２に酸素ガスを供給する酸素ガス供給システム３と、燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給システム４と、を具備している。
【００１７】
酸素ガス供給システム３は、加湿器１１により加湿された酸素ガスを燃料電池２に供給する酸素側供給流路１２と、燃料電池２から排出された酸素オフガスを加湿器１１に導く酸素側循環流路１３と、加湿器１１から燃焼器に酸素オフガスを導くための酸素側排気流路１４と、が設けられている。酸素側供給流路１２には、大気中の酸素ガスを取り込んで加湿器１１に圧送する圧縮機１５が設けられている。
【００１８】
水素ガス供給システム４は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源となる水素タンク２１と、水素タンク２１の水素ガスを燃料電池２に供給する水素側供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素側供給流路２２に戻すための水素側循環流路２３と、水素側循環流路２３の水素オフガスを水素側供給流路２２に還流させるエゼクタ２４と、水素オフガスを吸気してエゼクタ２４に送り込むためのターボチャージャ２５と、を具備している。
【００１９】
水素側供給流路２２には、その上流側から順に、これを開閉するシャットバルブ２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、水素ガスの流量を調整する流量制御弁２８と、が介設されている。また、水素側供給流路２２には、流量制御弁２８とエゼクタ２４との間にターボチャージャ２５のタービン５１側が配設されている。一方、水素側循環流路２３には、気液分離器２９が介設されており、その下流側にターボチャージャ２５のコンプレッサ５２側が配設されている。
【００２０】
エゼクタ２４は、流量を可変可能にニードル型で構成されており、水素側供給流路２２に介設されるようにして配設されている。エゼクタ２４は、水素側供給流路２２の上流側に接続された１次側の供給口４１と、水素側供給流路２２の下流側に接続された２次側の排出口４２と、水素側循環流路２３の下流側に接続された３次側（負圧作用側）の吸込み口４３と、を有している。エゼクタ２４によって、水素オフガスが、水素側循環流路２３を介して水素側供給流路２２に還流される。その結果、エゼクタ２４内のノズルの下流側（すなわち、ディフューザ側）において、１次側からの水素ガスと３次側からの水素オフガスとが合流して、燃料電池２に供給される。
【００２１】
ターボチャージャ２５は、エゼクタ２４の近傍に配設されており、水素側供給流路２２に配設されたタービン５１と、水素側循環流路２３に配設されたコンプレッサ５２と、タービン５１およびコンプレッサ５２を同軸上で連結するシャフトを有する動力伝達機構５３と、を具備している。
【００２２】
タービン５１は、シャフトに連結されたブレード付きのタービンホイールと、タービンホイールを収容するタービンハウジングと、を有している。タービン５１は、水素側供給流路２２を流れる水素ガスの圧力エネルギーを機械エネルギーに変換して、シャフトを回転させる。この場合、タービンホイールは、ブレードの角度を可変可能に構成されている。
【００２３】
すなわち、ターボチャージャ２５は、容量可変式のものであり、いわゆる可変ターボで構成されている。ターボチャージャ２５を可変ターボで構成しているため、水素側供給流路２２における水素ガスの流量（以下、水素ガスの主流流量という。）に基づいて、シャフトの回転量を調整することでコンプレッサ５２の過給率を調整することができるようになっている（後述する）。
【００２４】
コンプレッサ５２は、シャフトに連結されたコンプレッサホイールと、コンプレッサホイールを収容するコンプレッサハウジングと、を有している。コンプレッサ５２は、シャフトから駆動力を入力されたコンプレッサホイールが回転することで、水素側循環流路２３を流れる水素オフガスをエゼクタ２４に圧送する。これにより、水素側供給流路２２の水素ガスが小流量の時でも、水素側循環流路２３における水素オフガスの流量（以下、水素オフガスの循環流量という。）を適切に確保できるようになっている。
【００２５】
ここで、図２を参照して、水素ガスの主流流量と水素オフガスの循環流量との関係について説明する。一般に、燃料電池２の起動時やアイドリング時などでは、水素ガスの主流流量は小流量に設定される一方、燃料電池車両の加速時等で燃料電池２の出力を増加させる時では、水素ガスの主流流量は大流量に設定される。また、水素オフガスの循環流量は、発電効率等の観点から、水素ガスの主流流量と相関関係をもって設定される。図２に示す直線Ｌ１は、燃料電池２に要求される仕様を示したものである。
【００２６】
図２に示す曲線Ｌ２は、上記の水素ガス供給システム４において、ターボチャージャ２５を組み込まないでシステムを駆動した場合の特性を示している。曲線Ｌ２から自明なように、一般にエゼクタ２４によって、水素オフガスの循環流量を十分な量とするためには水素ガスの主流流量は大流量を必要とする。このため、水素ガスの主流流量が小流量（特に２００ＮＬ/ｍｉｎ）である時には、エゼクタ２４のみでは水素オフガスの循環流量の要求値を満たすことができない。
【００２７】
実施形態に係る水素ガス供給システム４では、水素ガスの主流流量が小流量の時に、ターボチャージャ２５によって水素オフガスをエゼクタ２４に強制的に送り込むことができるため、水素オフガスの循環流量を増加させることと同様な結果をもたらすことができる。これにより、水素ガスの主流流量が小流量の時にも、水素オフガスの循環流量を適切に確保することができるようになり、燃料電池２の要求仕様を満たすことができる。
【００２８】
したがって、実施形態に係る水素ガス供給システム４は、水素ガスの主流流量の全域に亘って、所定の水素オフガスの循環流量を確保することができるため、燃料電池２の要求仕様を満たすことが可能となる。そして特に、水素ガスの主流流量が大流量の時に過剰とならないように、ターボチャージャ２５が駆動されるようになっている。
【００２９】
すなわち、ターボチャージャ２５は、水素ガスの主流流量が小流量の時には、水素オフガスの吸気を促進傾向に移行させると共に、水素ガスの主流流量が大流量の時には、水素オフガスの吸気を減退傾向に移行させる。これにより、上記したコンプレッサ５２の過給率が調整されるため、ターボチャージャ２５を水素ガス供給システム４に組み込んだ場合であっても、燃料電池２の要求仕様を適切に満たすことが可能となる。そして本実施形態に係る水素ガス供給システム４の更なる効果としては、エゼクタ２４とターボチャージャ２５とを併用する構成であるため、システム全体として耐久性やエネルギー効率を高めることがある。
【００３０】
なお、ターボチャージャ２５を可変ターボとしないでも、水素ガスの主流流量の小流量の時にのみターボチャージャ２５でエゼクタ２４を補助するように機能させることもできる。例えば、水素側供給流路２２においてタービン５１を迂回するバイパス流路等を設けることで、水素ガスの主流流量が大流量の時には、水素ガスをバイパスさせてタービン５１に流れ込まないようさせると共に、水素ガスの主流流量が小流量の時には、水素ガスをバイパスさせることなくタービン５１に流れ込むようにさせてもよい。
【００３１】
なおまた、本実施形態では、ターボチャージャ２５のタービン５１側を水素側供給流路２２におけるエゼクタ２４の上流側に配設したが、例えば水素側供給流路２２におけるエゼクタ２４の下流側に配設してもよい。あるいは、水素側でなくてもよく、例えば酸素ガス供給系の酸素側供給流路１２、酸素側循環流路１３または酸素側排気流路１４に、ターボチャージャ２５のタービン５１側を配設してもよい。
【００３２】
また、以上の説明では、本発明の燃料電池のガス供給システムについて水素ガス供給システム４を例としたが、もちろん酸素ガス供給システム３にも適用できることはいうまでもない。この場合には例えば、エゼクタ２４を加湿器１１の下流側の酸素側供給流路１２に配設すると共に、ターボチャージャ２５のタービン５１側を加湿器１１の上流側の酸素側供給流路１２に配設し、ターボチャージャ２５のコンプレッサ５２側を酸素側循環流路１３に配設する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態に係る燃料電池のガス供給システムの主要部を模式的に示す構成図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池のガス供給システムにおける主流流量と循環流量との相関関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  燃料電池システム、２  燃料電池、３  酸素ガス供給システム、４  水素ガス供給システム、２２  水素側供給流路、２３  水素側循環流路、２４  エゼクタ、２５  ターボチャージャ、５１  タービン、５２  コンプレッサ
【図１】
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【図２】
2005228635.tif 000004