(57)【要約】【課題】システム性能の向上と、低温始動性の向上が図れる多段直列カートリッジ排気装置を提供する。【解決手段】  本発明は、燃料電池システムの水素タンクと燃料電池スタックとの間に各段で吸入流量を連続的に増加させる増幅構造を有する多段直列カートリッジ排気装置を連結設置すると同時に、水素再循環ラインを多段直列カートリッジ排気装置に連結設置し、多段直列カートリッジ排気装置を経て燃料電池スタックに供給される高圧の水素の流れを利用して、水素再循環ライン側からの吸入流量を増加させることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムの水素タンクと燃料電池スタックとの間に各段で吸入流量を連続的に増加させる増幅構造を有する多段直列カートリッジ排気装置を連結設置すると同時に、水素再循環ラインを多段直列カートリッジ排気装置に連結設置し、多段直列カートリッジ排気装置を経て燃料電池スタックに供給される高圧の水素の流れを利用して、水素再循環ライン側からの吸入流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの多段直列カートリッジ排気装置。
【請求項２】
前記多段直列カートリッジ排気装置は、再循環水素の流入のためにメイン吸入口を有し、多数個のエジェクター本体を収容するハウジングと、少なくとも３個のノズルが一定のギャップを置いて一列に順次配置される形態であり、各ノズルの直径はエジェクター本体の入口側から出口側への配置順序に沿って相対的に大きい直径からなり、外面にはノズル間のギャップ空間と通じる少なくとも３個の補助吸入口が形成されている水素供給のためのエジェクター本体を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの多段直列カートリッジ排気装置。
【請求項３】
前記多段直列カートリッジ排気装置のエジェクター本体は、ハウジング内に１個以上が並列に配置されることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システムの多段直列カートリッジ排気装置。
【請求項４】
前記多段直列カートリッジ排気装置のエジェクター本体に形成されている補助吸入口は、ノズル間のギャップ位置より前方に位置することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システムの多段直列カートリッジ排気装置。
【請求項５】
前記エジェクター本体の補助吸入口には水素再循環ラインの逆流を防止するための逆止弁（ｃｈｅｃｋ  ｖａｌｖｅ）が設置されることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システムの多段直列カートリッジ排気装置。
【請求項６】
前記ハウジングには低温始動性向上のためにヒーターが設置されることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システムの多段直列カートリッジ排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムの多段直列カートリッジ排気装置に係り、更に詳しくは、燃料電池システムの燃料供給系統で再循環水素ブロワーの役割を行い、水素再循環量を増加させることで、システム性能を向上させることができる多段直列カートリッジ排気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池とは燃料（水素）の化学エネルギーが電気エネルギーに直接変換され、直流電流を生産する能力を有する電池（Ｃｅｌｌ）と定義され、従来の電池とは異なり、外部から燃料と空気を供給し、連続的に電気を生産する特徴を有する。
燃料電池の燃料である水素は純粋水素を利用するか、メタンやメタノールのような炭化水素を利用して改質という過程を通して生産された水素を利用する。
【０００３】
最近は燃料電池を自動車に応用するための多くの研究開発が行われている。
燃料電池自動車は電気自動車とほぼ特性が同一であり、駆動機構の上で、根本的な差はないが、燃料電池自動車は、環境親和的な側面で非常に有利であり、その駆動源のためのエネルギー源として純粋水素もしくは改質水素を使用して生産する電力を使用する点に差がある。
【０００４】
普通水素を使用する燃料電池システムは、水素タンクから提供される水素が燃料電池スタックに供給され、燃料電池スタックに供給される水素ガスの量は制御部で調節される。
一方、燃料電池に必要な空気は圧縮機から提供されて燃料電池スタックに供給される。
燃料電池スタックに空気と水素を供給する際には、燃料電池スタックの性能確保及び寿命増大のために電池反応に必要な量より更に多くの空気と水素を供給する。
【０００５】
燃料電池スタックで使用されて残った水素は燃料の浪費を防ぎ、システムの効率を高めるために再流入される。
特に、燃料電池スタックを通過した未反応水素を再循環する技術は、燃料電池システムの燃費向上のために非常に重要であり、燃料電池用スタックから出てくる未反応水素ガスをスタック入口に再循環するための手段としてブロワー方式が適用されている。
しかし、ブロワー方式は構造が複雑であり、潤滑を必要とし、騒音及び振動に対して不利な点があるなど、様々な問題点がある関係で、最近はエジェクター方式で水素を再循環させる技術が多く提示されている。
【０００６】
一方、水素再循環のためのエジェクター方式の場合、ブロワー方式に比べて構造が簡単であり回転体がないため、潤滑が不必要であり、騒音及び振動に強いという長所を有するが、作動範囲が広くないため負荷が激変する燃料電池自動車には適合しないという問題がある。
ホンダ、日産自動車などの場合、作動領域に合せて多数個のエジェクターを利用する技術を提示している。
【０００７】
このような方式は、多数個のエジェクターが必要であるため多くの車体内部空間を占め、数量増加による費用上昇を伴う短所があり、油圧式でニードルを駆動するため、ニードルの制御が容易ではなく、エジェクターの流量制御が精密に行えないという短所がある。
更に、２〜３個のエジェクターを転換して使用するため、転換器具及び逆流防止器具などの設置が要求され、構造の複雑化を招いている。
エジェクター方式の別の例として、モーターなどの電動手段としてニードルの位置を制御し、圧力と水素の量を調節するノズル可変方式があるが、このような方式は高価であり、漏水問題や圧力損失などの様々な問題点を有している。
【特許文献１】特開平０８−３１５８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような点を勘案してなされてものであり、本発明の目的は、燃料電池システムの燃料供給系統に、吸入流量を連続的に増幅させることができる構造の多段直列カートリッジ排気装置を適用し、水素再循環量の増加によるシステム性能の向上を図ることにある。
また、カートリッジ排気装置の吸入位置に逆止弁（ｃｈｅｃｋ  ｖａｌｖｅ）を設置し、再循環水素ガスの逆流を効果的に防止し、カートリッジ排気装置の周辺にヒーターを設置して低温始動性の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池システムの水素タンクと燃料電池スタックとの間に各段で吸入流量を連続的に増加させる増幅構造を有する多段直列カートリッジ排気装置を連結設置すると同時に、水素再循環ラインを多段直列カートリッジ排気装置に連結設置し、多段直列カートリッジ排気装置を経て燃料電池スタックに供給される高圧の水素の流れを利用して、水素再循環ライン側からの吸入流量を増加させることを特徴とする。
【００１０】
前記多段直列カートリッジ排気装置は、再循環水素の流入のためにメイン吸入口を有し、多数個のエジェクター本体を収容するハウジングと、少なくとも３個のノズルが一定のギャップを置いて一列に順次配置される形態であり、各ノズルの直径はエジェクター本体の入口側から出口側への配置順序に沿って相対的に大きい直径からなり、外面にはノズル間のギャップ空間と通じる少なくとも３個の補助吸入口が形成されている水素供給のためのエジェクター本体を含むことを特徴とする。
【００１１】
前記多段直列カートリッジ排気装置のエジェクター本体は、ハウジング内に１個以上が並列に配置され、前記多段直列カートリッジ排気装置のエジェクター本体に形成されている補助吸入口は、ノズル間のギャップ位置より前方に位置し、前記エジェクター本体の補助吸入口には水素再循環ラインの逆流を防止するための逆止弁（ｃｈｅｃｋ  ｖａｌｖｅ）が設置されることを特徴とする。
【００１２】
前記ハウジングには低温始動性向上のためにヒーターが設置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明で提供する多段直列カートリッジ排気装置は、燃料電池システムの燃料供給系統に適用され、水素再循環量を増加させることで、システムの全体的な性能を向上させることができる。
また、既存のブロワー方式に比べ、部品数の縮小及び原価の節減が可能となり、更に、既存のエジェクター方式に比べ、高価なモーター／制御装置が不必要であり、故障、修理の可能性が少なく、騒音を減らすことができる。
また、エジェクターの組立と維持補修が簡単であり、低温始動のためにシステムを単純化させ、時間を短縮させる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照にし、本発明を詳しく説明する。
【実施例】
【００１５】
図１は本発明の一実施例による多段直列カートリッジ排気装置が設置された燃料供給システムを表す概略図である。
図１に示す通り、燃料供給システム、即ち、水素供給システムは圧縮水素タンク１０から供給される水素を燃料電池スタック１１に供給し、燃料電池システム運転を維持及び制御するシステムであり、低圧レギュレーター、多段直列カートリッジ排気装置１２、各種センサなどで構成される。
【００１６】
多段直列カートリッジ排気装置１２は、水素タンク１０と燃料電池スタック１１との間に連結して設置されると同時に、水素再循環ライン１３とも連結され、高圧タンクから供給された圧縮水をノズルを通して噴射して真空を発生させ、これを利用して燃料電池の燃料極のガスを再循環させる役割を有する。
従って、多段直列カートリッジ排気装置１２を経て燃料電池スタック１１に供給される高圧の水素の流れにより、水素再循環ライン１３側からの吸入流量が増加する。
燃料電池スタック１１は、燃料電池の発電モジュールにて空気と水素の電気化学的反応を通して電気を発生させる役割を有し、空気極、燃料極、ＭＥＡ、冷却流路などを構成要素とする。
【００１７】
ここで、燃料極再循環ライン、即ち、水素再循環ライン１３は燃料電池システムでスタックの水排出を円滑に行い、供給される水素に加湿を行うことで、全体システムの安定性と効率に非常に大きな影響を及ぼす。
この時、再循環量は多いほどシステムに有利である。
更に、燃料極の排出側には空気抜き弁（ｐｕｒｇｅ  ｖａｌｖｅ）が具備される。この空気抜き弁はＦＰＳ配管内の水素濃度を管理するために、システム制御装置の命令により開閉を行う弁である。
このような空気抜き弁の後端に穴（ｏｒｉｆｉｃｅ）をつける場合もあり、排気されるガスは希釈装置を通して水素濃度５％以下に管理することができる。
【００１８】
図２は本発明の一実施例による多段直列カートリッジ排気装置の構成部品と周辺部品を表す斜視図である。
図２に示す通り、多段直列カートリッジ排気装置１２は、エジェクター本体１５とこれを収容するハウジング１６などを含む。
従って、エジェクター本体１５がハウジング１６の内部に組立てられた状態で燃料電池スタック側のスタックブロック２１と結合される構造により、圧縮水素ガスがエジェクター本体１５を通過した後、スタックブロック２１を通して燃料電池スタック側に供給される。
【００１９】
ここで、前記エジェクター本体１５は、ハウジング１６内に少なくとも２個が並列に配置される形態で組立てられ得る。
更に、ハウジング１６の場合、再循環される水素の流入のためのメイン吸入口１４を有しており、金属材質からなり、外側には低温始動時間を短縮するためのヒーター２０が設置される。
この時のヒーター２０はシリコンゴムヒーターなどを適用することができる。
【００２０】
図３は本発明の一実施例による多段直列カートリッジ排気装置の構造を表す断面図である。
図３に示す通り、エジェクター本体１５は１段以上の多段ノズルを通して高速のゼット気流を造成し、これを利用して真空を発生させ、高温高湿の再循環水素混合ガスを吸入する役割を行う。
エジェクター本体１５の内部には、少なくとも３個のノズル１７ａ，１７ｂ，１７ｃが互いに一定ギャップを置き、一列に順次配列されながら円筒形のエジェクター本体１５に対して同心円をなす形態で設置される。
【００２１】
このような各ノズル１７ａ，１７ｂ，１７ｃの直径は、水素タンク１０側に連結される入口側から燃料電池スタック１１側に連結される出口側への配置順序に沿って相対的に大きい直径からなる。
例えば、１段ノズル１７ａの直径より２段ノズル１７ｂの直径が大きく、２段ノズル１７ｂの直径より３段ノズル１７ｃの直径が大きい。
更に、エジェクター本体１５の外面にはノズル１７ａ，１７ｂ，１７ｃ間のギャップ空間と通じる少なくとも３個の補助吸入口１８ａ，１８ｂ，１８ｃが形成されており、これによってノズル軸線に沿って流れる気流により補助吸入口側を通して吸入された水素がギャップ空間まで誘導されながら吸入される。
【００２２】
この時、各補助吸入口１８ａ，１８ｂ，１８ｃの位置はノズル１７ａ，１７ｂ，１７ｃ間の各ギャップ位置より前方に位置されることで、吸入される水素がギャップ空間側に進行する経路が自然に確保される。
特に、補助吸入口１８ａ，１８ｂ，１８ｃには逆止め弁１９ａ，１９ｂ，１９ｃが設置されているため、水素再循環ライン１３の逆流を防止することができる。
例えば、燃料供給系統に設置される空気抜き弁はＯＮ／ＯＦＦ弁であり、スタック出口から排気されるガスに窒素やその他の副産物を大気中に排出し、再循環されるガスの物性を最適化されるようにする機能を有するが、パージの際には、窒素、水素、水蒸気、水などが排出され、負荷によってＯＮ／ＯＦＦの回数と開放時間が調節される。
【００２３】
再循環ガスを循環させるエジェクターが諸機能を行えなくなれば、空気抜き弁を開放する際、燃料供給水素がスタックに供給されず、再循環ラインに逆流して空気抜き弁を通して大気に直接排気される。
エジェクターは属性上大きい流量がノズルに供給された時、性能が優れ、流量が少ない場合（例えば、負荷が小さいアイドリング時など）には、再循環ラインに吸入作用がほぼないと見られる。
この時には再循環ラインの逆流が発生しないようにする手段、例えば、逆止め弁が必要である。
【００２４】
本発明では、補助吸入口１８ａ，１８ｂ，１８ｃの内部に丸い（Ｓｈｅｌｌ  ｔｙｐｅ）プレート形態の逆止め弁１９ａ，１９ｂ，１９ｃを装着して吸入機能がない時は、供給水素が再循環ラインに逆流することを防止することができる。
ここで、常用化された逆止め弁や一般弁は体積が大きく、圧力降下が大きく、配管連結などの多くの設置上の問題点を有するが、本発明で提供する逆止め弁の場合は、各吸入口に直接装着され、ノズル部の圧力によって直接的に反応する。
ノズルにより真空が発生すると、シェルタイプのプレートがエジェクター中心部に押されて隙間が発生して吸入口を開放し、ノズルに真空が発生しなければ、シェルタイプのプレートは吸入口を遮断してガスの逆流を遮断する。
【００２５】
図４は本発明の一実施例による多段直列カートリッジ排気装置の作動状態を示す断面図である。
図４には、直列方式を通して各段で吸入流量を連結的に増加させる増幅構造の多段直列カートリッジ排気装置の作動過程を表す。
１）高圧（約１．５〜１０ｂａｒｇ）の乾燥水素は１段ノズル１７ａで高速噴射される。
２）１段ノズル１７ａで噴射された水素は１段ノズル部分に真空（低圧）を作り、１段補助吸入口１８ａに混合ガス（水素、窒素、水蒸気など）を吸入する。
３）吸入された窒素と水蒸気により１段階ガス密度が増加し、これにより２段ノズル１７ｂ側で更に大きい真空圧を誘導することができる。
４）高い圧力を有する１段階を通過したガスは、２段階で２段ノズル１７ｂで再噴射されて低圧を作り、２段補助吸入口１８ｂに再循環ガスを吸入する。
５）上のような原理で３段ノズル１７ｃによる３段階では、更に大きい真空圧を誘導しながら３段補助吸入口１８ｃに再循環ガスを吸入する。
６）１）〜５）の過程は各段階で反復され、段が多いほど吸入流量は増加する。
【００２６】
一般的に、吸入性能はノズルでの流速と密度に比例するため、吸入ガスのノズル噴射の再活用（他段階噴射及び吸入）は各段階で供給ガスの密度が連続的に増加することによりエジェクターの吸入性能を大きく増幅する効果を得ることができる。
このように、本発明において燃料電池システムでの多段直列カートリッジ排気装置の適用は高圧水素を利用して真空を発生させ、スタック入口に燃料を供給し、スタックで残った燃料をエジェクター吸入口に吸入する閉ループ（ｃｌｏｓｅｄ  ｌｏｏｐ）からなる特徴を有する。
【００２７】
特に、作動ガスとして作用する水素は分子量が小さく、１段エジェクターは真空発生効率が十分でないため、直列多段ノズルを利用して燃料電池システムの再循環に必要な十分な真空圧と大きい流量を容易に得ることができる。
更に、１個以上のカートリッジ排気装置を並列に装着し、マルチ形態のエジェクターとして適用することができる。
これはシステムの必要負荷を充足させるために一つのエジェクターハイジングに数個のカートリッジ排気装置を追加して使用することを可能にし、これを通して小さい体積で大きい真空圧と吸入流量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施例による多段直列カートリッジ排気装置が設置された燃料供給システムを表す概略図である。
【図２】本発明の一実施例による多段直列カートリッジ排気装置の構成部品と周辺部品を表す斜視図である。
【図３】本発明の一実施例による多段直列カートリッジ排気装置の構造を表す断面図である。
【図４】本発明の一実施例による多段直列カートリッジ排気装置の作動状態を表す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  水素タンク
１１  燃料電池スタック
１２  多段直列カートリッジ排気装置
１３  水素再循環ライン
１４  メイン吸入口
１５  エジェクター本体
１６  ハウジング
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ  ノズル
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ  補助吸入口
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ  逆止め弁
２０  ヒーター
２１  スタックブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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