JP2007213906A - 増幅ノズル及びこれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失を低減させ、流体の昇圧を行うことができる増幅ノズルを提供する。
【解決手段】一方向から他方向へ第１の流体が流れる主流路５の流れ方向に略直交する方向から第２の流体を前記主流路５に繋がる副流路７よりオリフィス６を介して前記主流路５に供給し、その供給部の下流で混合する第１の流体と第２の流体の混合流体を、該第１の流体と第２の流体が混合する合流部８より下流に設けた絞り部９にて加速させると共に昇圧させる増幅ノズルであって、前記絞り部９は、前記主流路５の流路径Ｄ１を徐々に小さくし再び徐々に大きくして形成されており、且つ主流路５の流路径Ｄ１よりも小さな流路径Ｄ２とされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、増幅ノズル及びこれを用いた燃料電池システムに関し、詳細には、圧力損失低減と流体の昇圧を向上させる技術に関する。

エアージェットポンプとしては、例えば、特許文献１に記載されるような構造のものが提案されている。かかる特許文献１に記載のエアージェットポンプにおける増幅ノズルは、吸込管側と吐出管側の間に取付けるエアージェットポンプの内径を、吸込管の内径と同一に揃えて引掛り箇所をなくした構造となし、且つ円環状の所定隙間が確保される噴射口を有するジェットノズルを用いて、圧縮空気を吐出管側の外周から内周へ均等に噴射させ、更に圧縮空気が溜められる中空部をジェットノズルの外周及び吸込管側に形成した構造としていた。
特開２００１−５６０００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の増幅ノズルは、ノズル上流から下流へと物体を輸送することに用いられている。そのため、この増幅ノズルは、上流から下流への吸引力と吐出量を求めた設計となっており、増幅ノズル下流の流体の昇圧を目的とした設計ではない。

そこで本発明は、上記事情を考慮し、燃料電池システムのアノード循環系に適用可能な、圧力損失を低減させ、流体の昇圧を行うことができる増幅ノズル及びこれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、一方向から他方向へ第１の流体が流れる主流路の流れ方向に略直交する方向から第２の流体を前記主流路に繋がる副流路よりオリフィスを介して前記主流路に供給し、その供給部の下流で混合する第１の流体と第２の流体の混合流体を、該第１の流体と第２の流体が混合する合流部より下流に設けた絞り部にて加速させると共に昇圧させる増幅ノズルである。そして、本発明の増幅ノズルでは、前記絞り部を、前記主流路の流路径を徐々に小さくし再び徐々に大きくして形成されており、且つ主流路の流路径よりも小さな流路径としている。

本発明によれば、第１の流体と第２の流体が混合する混合部より下流に設けた絞り部を、主流路の流路径を徐々に小さくし再び徐々に大きくして形成し且つ主流路の流路径よりも小さな流路径としているので、内部を流れる流体の速度が増し、再び元の主流路の管径となることにより運動エネルギーが圧力エネルギーになることで内部流体の圧力回復が起こり、昇圧を行うことができるようになる。また、本発明によれば、この時、管径の変化を徐々に行うことによって流れの乱れを抑えることが可能となり、圧力損失を低減することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［実施の形態１］
実施の形態１の増幅ノズルは、図１に示すように、増幅ノズル筐体１内に吸込み管２と吐出管３が同軸上にストレートに配置され、それら吸込み管２と吐出管３の管周方向からの高圧ガス導入管４が垂直に連結されている。これら吸込み管２と吐出管３がストレートに配置されることにより、第１の流体が流れる主流路５が構成される。第１の流体は、主流路５を吸込み管２側（一方向）から吐出管３側（他方向）に向かって流れる。

前記吸込み管２と吐出管３の連結部分には、高圧ガス導入管４より供給された第２の流体を前記主流路５へと供給するためのオリフィス６が形成されている。前記高圧ガス導入管４から供給される第２の流体は、前記オリフィス６に繋がる副流路７を通り、前記主流路５へと供給される。オリフィス６は、増幅ノズル筐体１の周上に複数の孔を設けて形成されていても良いし、管周全てが孔として形成されていても良い。

また、吸込み管２と吐出管３の連結部分には、オリフィス６の下流で第１の流体と第２の流体が混合する混合部８よりも下流の位置で混合流体を加速させ且つ昇圧させるための絞り部９が形成されている。絞り部９は、主流路５の流路径Ｄ１を徐々に小さくし再び徐々に大きくして形成されており（断面形状で見ると円弧形状に形成されており）、前記主流路５の流路径Ｄ１よりも小さな流路径Ｄ２とされている。

このとき絞り部９の流路径Ｄ２は、図８に示すように、断面積比Ｄ２_２/Ｄ１_２が４０〜５０％程度のときに大きな昇圧量となるため、Ｄ２_２/Ｄ１_２が４０〜５０％程度になるような値とすることが好ましい。

このように構成された増幅ノズルにおいては、第１の流体が吸込み管２から主流路５を通して吐出管３へと流れる一方で、第２の流体（例えば高圧ガス）は高圧ガス導入管４より供給され、副流路７を通ってオリフィス６を介して前記主流路５に供給される。第２の流体は、オリフィス６にて流路が細くなるため加速され、主流路５と略直交する方向から噴出される。この時、高圧ガスの圧力エネルギーが急激に速度エネルギーになるため、負圧が発生し、吸込み管２より流入する第１の流体を引き込む。

吸込み管２より流入した第１の流体と高圧ガス導入管４より供給された第２の流体は、オリフィス６の下流（混合部８）で合流する。そして、これら第１の流体と第２の流体の混合流体は、混合部８より下流の絞り部９に到達し、ここで管径（流路径）が徐々に細められることにより加速され、再び管径が拡がるにつれて運動エネルギーが圧力エネルギーになることで圧力回復が起こり昇圧される。また、この時、管径の変化を徐々に行うことによって流れの乱れを抑えることが可能となり、圧力損失を低減することができる。そして、この絞り部９で昇圧された混合流体は、元の管径に戻った吐出管３より吐出される。

また、本実施の形態では、吸込み管２と吐出管３が同軸上にストレート配置され、その主流路５に曲げ部が存在しないことから、大きな圧力損失を伴わずに昇圧を行うことができる。

実施の形態１では、さらに図２（Ａ）に示すように、主流路５に向かってその開口部を次第に大きくし且つ混合流の流れ方向下流へと傾く傾斜部６Ａをオリフィス６に形成することで、さらにより一層の効果を得ることができる。

このような構成にしたことにより、主流路５のより下流の位置でエゼクタ効果が発生し、より効果的に内部流体を下流へと導くことができるようになる。また、噴出される第２の流体（高圧ガス）の流れの方向自体が下流を向き、内部流体（第１の流体）の流れの向きに近づくため、供給ガスの下流への流れがスムーズになり、圧力損失の低減につながる。

図２（Ｂ）では、オリフィス６に形成した傾斜部６Ａを、絞り部９に対して連続若しくは限りなく近接させて滑らかに絞り部９に繋げた構造としている。

このような構成とすることで、オリフィス６から噴出される第２の流体が管壁に沿って流れるコアンダ効果が促進され、流れの剥離が生じ難くなり、流れの乱れを抑制することが可能となり、圧力損失を低減させながらの昇圧が可能となる。

このとき、オリフィス６と絞り部９のつなぎ目には、角部が無い方が好ましい。図９に示すように、つなぎ目が二段の面取りである場合よりも、つなぎ目が緩いＲである場合の方が昇圧量が大きくなる。

図２（Ｃ）では、絞り部９の形状を、流れの剥離が生じない程度の緩やかさで徐々に細くし、図２（Ｂ）に対してより長い距離で且つより低い割合で管径を細くし、再び同様に管径を拡げる形状としている。

管径が細くなる或いは拡がるときに、角部や縮管のような流れが壁面に急な角度でぶつかり、急激な流れの変化が起きる形状があると、流れの剥離が生じ、渦が発生し流れが乱れることで圧力損失が大きくなる。これを避けるために、管径の変化点に角部がある場合でも角度の小さいテーパとし、混合流に剥離が生じない程度の曲率を持った緩やかさで徐々に細くなる形状となるように絞り部９を形成すれば、混合流体が管壁から剥離することによる流れの乱れが発生することが抑えられ、それにより主流路５で発生する圧力損失を極力、抑えることができる。

図２（Ｄ）及び（Ｅ）では、オリフィス６よりも上流の位置に、主流路５の流路径Ｄ１を徐々に小さくして前記絞り部９に繋がるような形状の小径部３０を設けている。小径部３０は、その断面の延長線が、絞り部９に対してそのまま繋がるような角度で管径が細くなるように形成することが好ましい。

このような構成とすることで、吸込み管２から流入した第１の流体が、オリフィス６の位置を通過後に、管壁面での急激な流れの変化を起こすことを抑制することができることから、内部流体の流れが管壁から剥離することによる流の乱れを抑制でき、圧力損失を抑えることができる。

［実施の形態２］
実施の形態２は、実施の形態１の図２（Ｅ）で示した増幅ノズル構造に対して高圧ガスの噴出口を新たに設けたものである。その他の構成は、図２（Ｅ）と同一構成であるため、同一構成部品については同一の符号を付すと共にその説明は省略するものとする。

実施の形態２では、図３に示すように、オリフィス６よりも上流の位置に、第２の流体を噴出する分岐管３１を設け、その分岐管３１の出口３２を、前記主流路５内の中央付近に配置している。

このような構成とすることで、増幅ノズル内部にも第２の流体（高圧ガス）の噴出口（分岐管３１の出口３２）が増えることから、より大きな負圧の発生量を生じさせることができるようになり、上流の流入流体を下流へ引く力を強くすることが可能となる。したがって、実施の形態２の増幅ノズルによれば、増幅ノズル下流のガス圧力をより一層昇圧させることができる。

［実施の形態３］
実施の形態３は、実施の形態１、２で説明した増幅ノズルを、燃料電池システムの水素供給部に適用した例である。

図４は、燃料電池システムを示す全体システム図である。本実施の形態の燃料電池システムにおいては、水素タンク１０内の水素は、水素調圧弁１１、水素供給流路１２、増幅ノズル１３及び水素供給流路１４を通って燃料電池スタック１５に供給される。水素タンク１０は、タンク内に燃料ガスとして水素を貯蔵している。水素調圧弁１１は、燃料電池スタック１５へ供給する水素の流量を制御し、これにより燃料電池スタック１５の水素側の入口圧力を制御する。

コンプレッサ１６により吸い込まれた空気は、圧縮された後、空気供給流路１７を通って燃料電池スタック１５に供給される。かかるコンプレッサ１６は、回転数制御され、燃料電池スタック１５へ供給する空気の流量を制御し、該燃料電池スタック１５の空気側の入口圧力を制御する。燃料電池スタック１５は、供給される水素と空気とが電解質膜に供給されることで発電する。

燃料電池スタック１５から排出されたアノードオフガスは、循環流路１８を通って増幅ノズル１３で加圧され、供給水素と混合されて再び燃料電池スタック１５に戻る。かかるアノードオフガスは、弁２０を開くことで排出流路１９を通して外部に排出されることもできる。

以上の構成の中で、増幅ノズル１３は、前述した実施の形態１、２の何れかの増幅ノズルであり、水素供給流路１２を高圧ガス導入管４に接続し、燃料電池スタック１５への燃料供給流路１４を吐出管３に接続し、循環流路１８を吸込み管２にそれぞれ接続している。

このような構成とすることで、増幅ノズル１３によって循環流路１８中のアノードオフガスを、水素タンク１０からの供給水素を用いて昇圧し、燃料電池スタック１５へと再び供給することが可能となる。その際に、前記構成の増幅ノズル１３を用いたことによって、循環流路１８の圧力損失を最小限に抑えることができ、また、増幅ノズル１３の大きさが小さいことからレイアウト性に優れたシステムとすることが可能となる。さらに、増幅ノズル１３内の主流路５がストレートであることから、排水性にも優れる。したがって、実施の形態３によれば、燃料電池システムのアノード循環系の昇圧を行うことができ、その際に大きな圧力損失を伴わず、高排水性を備え、レイアウト性に優れたシステムの構築が可能となる。

また、この燃料電池システムの構成に加えて、前記循環流路１８に、増幅ノズル１３の上流位置又は下流位置に水素循環ポンプ（循環ポンプ）２１を配置する。図４では、増幅ノズル１３の上流位置に水素循環ポンプ２１を配置している。

このように増幅ノズル１３の上流位置に水素循環ポンプ２１を配置すれば、燃料電池スタック１５の必要水素量に応じて水素循環ポンプ２１の回転数を変化させることで、燃料電池の要求に合わせて水素の循環量及び圧力を変化（対応）させることが可能となる。また、増幅ノズル１３に昇圧能力があるため、水素循環ポンプ２１を高回転にする必要がなく、低い消費電力とすることができる。

なお、水素循環ポンプ２１を増幅ノズル１３の下流に配置した場合は、燃料電池スタック１５の必要水素量に応じて水素循環ポンプ２１の回転数を変化させることで、水素循環量を対応させることが可能となる。その際に、水素循環ポンプ２１の上流に増幅ノズル１３が配置されていることから、水素循環ポンプ２１に流入する水素密度は、増幅ノズル１３の上流位置に水素循環ポンプ２１を配置した場合よりも高くなるので、水素循環ポンプ２１の効率が高まることで消費電力が著しく抑えられる、若しくは小型のものでよくなる。

図５に示す燃料電池システムは、水素循環ポンプ２１を、燃料電池スタック１５への水素供給流路１４（循環流路１８も含む）の曲げ部分に配置した例である。

このような構成とすることで、水素循環系の流路中の曲げ部の数を減らすことができる。通常、水素循環の流路中の曲げ部の数は最小でも２つであり、流体流路中に曲げ部が存在すると、そこで圧力損失が生じる。従って、図５に示すように、曲げ部分に水素循環ポンプ２１を配置し、水素供給流路１４と水素循環ポンプ２１とを繋げることで、曲げ部での圧力損失を無くすことができる。なお、増幅ノズル１３の上流側の曲げ部分に水素循環ポンプ２１を設けても同様の効果を得ることができる。

［実施の形態４］
実施の形態４は、水素循環ポンプ２１を増幅ノズル１３に対して並列配置した例である。具体的には、図６に示すように、循環流路１８に水素供給流路１４と接続する分岐流路２２を設け、その分岐流路２２に水素循環ポンプ２１を配置し、当該水素循環ポンプ２１を前記増幅ノズル１３に対して並列に配置している。

このような構成とすれば、燃料電池スタック１５の必要水素量に応じて水素循環ポンプ２１の回転数を変化させることで、燃料電池の要求に合わせて水素の循環量及び圧力を変化（対応）させることが可能となる。

［実施の形態５］
実施の形態５は、増幅ノズル１３の主流路５を、循環流路１８（分岐流路を含む）と同じく方向とすると共に鉛直方向に向くように配置した例である。具体的には、図７に示すように、増幅ノズル１３の主流路５を、循環流路１８の分岐流路２２と同じ向きとし、さらにその向きを鉛直方向に向くように配置している。

このような構成とすることで、燃料電池スタック１５より水蒸気を含んだアノードオフガスが循環流路１８（分岐流路２２）を経て増幅ノズル１３に流入し、内部で凝縮することがあっても、増幅ノズル１３の主流路５が鉛直方向に向いており水分の溜まる部分が無くストレートであるため、水分は増幅ノズル１３の上流へと落ちる。従って、増幅ノズル１３の排水性がよくなり、さらに燃料電池スタック１５へと余分な凝縮水が流入するのを防止することもできる。

また、図７に示す増幅ノズル１３では、オリフィス６に、前記傾斜部６Ａと反対向きに形成する別の傾斜部６Ｂを設けている。この形状は、図２（Ａ）から（Ｅ）に示すどのタイプの増幅ノズルにも適用することができる。

このような構成にすれば、万が一、増幅ノズル１３内の主流路５中に凝縮水が発生してオリフィス６内に凝縮水が進入し燃料電池システム１５が停止等した場合でも、水分は自重によって増幅ノズル１３外へ排出されるようになる。このようにすることにより、燃料電池システムが低温下に長時間放置されるようなことがあっても、オリフィス６が氷によって塞がれ、機能が停止するようなことが発生しなくなる。

実施の形態１の増幅ノズルを示す断面図である。 実施の形態１の増幅ノズルにおける変形例をそれぞれ示す要部断面図である。 実施の形態２の増幅ノズルを示す断面図である。 実施の形態３の燃料電池システムを示す全体システム図である。 実施の形態３の燃料電池システムを示し、水素供給流路の曲げ部分に水素循環ポンプを配置した例を示す図である。 実施の形態４の燃料電池システムを示し、循環流路から分岐させた分岐流路に水素循環ポンプを増幅ノズルに対して並列配置した例を示す図である。 実施の形態５を示し、増幅ノズルの主流路を鉛直方向に向くように配置した例を示す増幅ノズルの断面図である。 昇圧量を大にできる絞り部の流路径を求めるための特性図である。 オリフィスと絞り部のつなぎ目に角部を無くしたことで昇圧量を大きくできることを示す特性図である。

符号の説明

１…増幅ノズル筐体
２…吸込み管
３…吐出管
４…高圧ガス導入管
５…主流路
６…オリフィス
７…副流路
８…合流部
９…絞り部
１０…水素タンク（水素貯蔵手段）
１１…水素調圧弁
１２…水素供給流路
１３…増幅ノズル
１４…水素供給流路
１５…燃料電池スタック
１６…コンプレッサ（空気供給手段）
１７…空気供給流路
１８…循環流路
１９…排出流路
２０…弁
２１…水素循環ポンプ
２２…分岐流路
３０…小径部
３１…分岐管
３２…分岐管の出口

Claims (12)

1. 一方向から他方向へ第１の流体が流れる主流路の流れ方向に略直交する方向から第２の流体を前記主流路に繋がる副流路よりオリフィスを介して前記主流路に供給し、その供給部の下流で混合する第１の流体と第２の流体の混合流体を、該第１の流体と第２の流体が混合する合流部より下流に設けた絞り部にて加速させると共に昇圧させる増幅ノズルであって、
   前記絞り部は、前記主流路の流路径を徐々に小さくし再び徐々に大きくして形成されており、且つ主流路の流路径よりも小さな流路径とされている
   ことを特徴とする増幅ノズル。
2. 請求項１に記載の増幅ノズルであって、
   前記オリフィスは、前記主流路に向かってその開口部を次第に大きくし且つ前記混合流の流れ方向下流へと傾く傾斜部を有している
   ことを特徴とする増幅ノズル。
3. 請求項２に記載の増幅ノズルであって、
   前記傾斜部は、前記オリフィスより下流の前記絞り部に対して連続しているか、若しくは限りなく近接している
   ことを特徴とする増幅ノズル。
4. 請求項２または請求項３に記載の増幅ノズルであって、
   前記絞り部は、この部位を流れる混合流に剥離が生じない程度の曲率を持って形成されている
   ことを特徴とする増幅ノズル。
5. 請求項２から請求項４の何れか一つに記載の増幅ノズルであって、
   前記オリフィスの上流に、前記主流路の流路径を徐々に小さくて前記絞り部に繋がるような形状の小径部を設けた
   ことを特徴とする増幅ノズル。
6. 請求項１から請求項５の何れか一つに記載の増幅ノズルであって、
   前記オリフィスよりも上流の位置に、前記第２の流体を噴出する分岐管を設け、その分岐管の出口を、前記主流路内の中央付近に配置した
   ことを特徴とする増幅ノズル。
7. 請求項１から請求項６の何れか一つに記載される増幅ノズルと、
   水素と酸素の反応で発電する燃料電池スタックと、
   周囲の空気を吸込み加圧して前記燃料電池スタックに吐出供給する空気供給手段と、
   前記燃料電池スタックに供給する水素を溜めておく水素貯蔵手段と、
   前記水素貯蔵手段から前記燃料電池スタックへと水素を供給させる水素供給流路と、
   前記燃料電池スタックから排出される反応ガスを、再度燃料電池スタックに戻す循環流路とを備え、
   前記水素供給流路を、前記増幅ノズルの前記副流路に接続すると共に、前記循環流路を、前記増幅ノズルの前記主流路上流側に接続した
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
   前記循環流路に、前記増幅ノズルの上流位置又は下流位置に循環ポンプを設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項８に記載の燃料電池システムであって、
   前記循環流路の曲げ部分に、前記循環ポンプを配置した
   ことを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記循環流路に分岐流路を設け、その分岐流路に循環ポンプを配置し、該循環ポンプを前記該増幅ノズルに対して並列配置した
    ことを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項７から請求項１０の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
    前記増幅ノズルの前記主流路を、前記循環流路と同じ方向とすると共に鉛直方向を向くように配置した
    ことを特徴とする燃料電池システム。
12. 請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
    前記増幅ノズルの前記オリフィスに、前記傾斜部と反対向きに傾斜する別の傾斜部を設けた
    ことを特徴とする燃料電池システム。

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