JP4860165B2

JP4860165B2 - エゼクタ

Info

Publication number: JP4860165B2
Application number: JP2005092325A
Authority: JP
Inventors: 一教福間; 満甲斐; 聡井上; 貢次宮野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP2006274854A; US20060216155A1; US20130095397A1

Description

本発明は、駆動流ガスに副流ガスを合流させて送出する構成を有するエゼクタに関するものである。

従来、燃料電池システムにおける水素循環用のポンプとして、エゼクタを用いる技術が提案されている。エゼクタは、高圧の流体をジェットノズルより噴出させることで発生する負圧を利用して、循環した水素を吸引して再供給する構造のものである。
このようなエゼクタを用いると、ジェットノズルの径によって循環能力が制限されてしまい、車両用燃料電池のような流量範囲が大きいシステムには適さない場合がある。

これに対して、例えば、特許文献１には、噴射ノズルの開口面積を、円筒形調節ロッド２０ａ（ニードル）を軸方向に移動させることにより調節する技術が提案されている。
特開平８−３３８３９８号公報

ところで、エゼクタを構成する、ニードルやそのガイド材、または、ニードルを移動させるアクチュエータ等の製造精度によっては、ノズルに設置されたニードルが軸線方向から微小なずれが生じてしまう。このようなエゼクタに対して、従来技術のように、単にニードルに副流ガスを当てる構成とすると、副流の吸引力や吸引量の制御に支障をきたしてしまう。

これについて、図４、図５を用いて説明する。図４、図５は、従来におけるエゼクタの問題点を示す要部説明図である。まず、ニードル３３の先端部が副流ガスの流れに対して離反する方向（すなわち図４の矢印Ａに沿う方向）に変位していると、ノズル３２の先端部において副流ガスの流れに近接する部位（すなわちノズル３２先端の下側の領域）の開口面積が増大してしまう。その結果、副流ガスに対して作用する駆動流ガスによる吸引力が増大することとなり、これにより、副流ガスの流量が過剰に増大してしまうこととなる（図４参照）。

一方、副流ガスの圧力によってニードル３３の先端部が副流ガスの流れに対して接近する方向（すなわち図５の矢印Ａに対して反対向きの方向）に変位していると、ノズル３２の先端部において副流ガスの流れに離反する部位（すなわちノズル３２先端の上側の領域）の開口面積が増大してしまう。その結果、副流ガスに対して作用する駆動流ガスによる吸引力が減少することとなり、これにより、副流ガスの流量が過剰に減少してしまうこととなる（図５参照）。

このように、副流ガスの吸引力や吸引量の制御を精度よく行うことが困難であるという問題がある。特に、未反応のオフガスを循環させる燃料電池システムにエゼクタを搭載する場合には、未反応のオフガスが副流となり、副流の流量や流速が発電条件にも影響し得ることから、所望の発電性能を確保するためにも、副流の流量や流速を制御することが重要である。この対策として、ニードルを軸線に完全に一致させるように構成することが考えられるが、製造に要求される精度が非常にシビアとなり、生産性が低下するため現実的ではないという問題がある。

従って、本発明は、副流ガスの流量や流速を精度よく制御することができるエゼクタを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム２０）に用いられ、燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池２１）への燃料ガスの流量制御を行うエゼクタ（例えば、実施の形態における可変流量エゼクタ１０）であって、先端と基端とに開口を設け駆動流ガスを噴射するノズル部（例えば、後述する実施の形態におけるノズル３２）と、該ノズル部の先端側に設けられ、該ノズル部から噴射される駆動流ガスの負圧により副流ガスを吸引し、前記駆動流ガスに合流させて送出するディフューザー部（例えば、後述する実施の形態におけるディフューザー３１）と、前記ノズル部の内部に軸方向に移動可能に挿入され、該挿入位置により前記ノズル部の開口面積を調節可能なニードル（例えば、後述する実施の形態におけるニードル３３）と、該ニードルを軸方向に移動する駆動装置（例えば、実施の形態におけるソレノイド１１）と、前記ディフューザー部に副流ガスを導入可能な複数の開口部（例えば、実施の形態における副流ガス導入用孔１２）を形成してなる副流導入部（例えば、実施の形態における副流ガス導入部１３）と、を備え、前記ニードルは、前記ニードルの先端部が前記ノズル部の先端開口部から突出する突出量を変更することにより前記ノズル部の開口面積を調節し、前記先端開口部から突出した前記ニードルの先端部が前記副流導入部から導入された副流ガスの圧力を直接受け、前記副流導入部の複数の開口部は、前記ノズル部の中心軸に対して対称に配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、前記副流導入部における前記複数の開口部から前記副流ガスが導入されるので、前記副流ガスが前記ニードルに対して複数方向より導入されることになり、その結果、前記ニードルが前記副流ガスから受ける圧力を軸線方向に対して分散させることができる。従って、前記ニードルの軸線方向からのずれによる吸引力や吸引量のずれを抑制することができ、これにより、前記ノズル部の開口面積および開口領域を本来予定している状態に維持することができるので、ニードルの軸線方向からのずれによらず副流ガスの吸引力や吸引量の制御を精度よく行うことができる。
また、前記ニードルの軸の位置によらず、副流ガスの吸引力および吸引量を精度よく制御することができるため、燃料電池システムガスの流れを容易かつきめ細かに制御することができる。これにより、燃料電池の発電安定性を高めることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記副流導入部の上流側に設けられ、前記複数の開口部に副流を導入可能なバッファ室をさらに備えることを特徴とする。
この発明によれば、各副流導入部に対して配管を個別に接続する構成としなくても、前記バッファ室を介して前記複数の開口部にそれぞれ副流ガスを分配することができるため、副流ガスを多方向から容易にディフューザー部に供給することができる。

請求項１に係る発明によれば、前記ノズル部の開口面積および開口領域を本来予定している状態に維持することができるので、副流ガスの吸引力や吸引量の制御を精度よく行うことができる。また、燃料電池の発電安定性を高めることができる。
請求項２に係る発明によれば、副流ガスを多方向から容易にディフューザー部に供給することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタについて添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタ１０を備えた燃料電池システム２０の構成図であり、図２は本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタ１０の側断面図である。本実施の形態による可変流量エゼクタ１０は、例えば電気自動車等の車両に搭載された燃料電池システム２０に備えられており、この燃料電池システム２０は、可変流量エゼクタ１０と、燃料電池２１と、燃料供給部２２と、酸化剤供給部２４と、熱交換部２５と、水分離部２６とを備えて構成されている。

燃料電池２１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタックからなり、燃料として例えば水素が供給される燃料極と、酸化剤として例えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えている。

空気極には、酸化剤供給部２４から空気が供給される空気供給口２１ａと、空気極内の空気等を外部に排出するための空気排出弁２８が設けられた空気排出口２１ｂが設けられている。一方、燃料極には、水素が供給される燃料供給口２１ｃと、燃料極内の水素等を外部に排出するための燃料排出口２１ｄが設けられている。

酸化剤供給部２４は、例えばエアーコンプレッサーからなり、燃料電池２１の負荷やアクセルペダル（図示略）からの入力信号等に応じて制御されており、熱交換部２５を介して、燃料電池２１の空気極に空気を供給する。熱交換部２５は、酸化剤供給部２４からの空気を所定の温度に冷却して、燃料電池２１へと供給している。

燃料としての水素は、可変流量エゼクタ１０を介して燃料供給口２１ｃから燃料電池２１の燃料極に供給される。さらに、燃料電池２１の燃料排出口２１ｄから排出された排出燃料は、水分離部２６で水分を除去され、逆止弁２９を通じて可変流量エゼクタ１０へと導入されており、後述するように、燃料と、燃料電池２１から排出された排出燃料とが混合されて燃料電池２１に供給されている。なお、水分離部２６で分離された水は、ドレン弁３０を開くことで外部に排出される。

本実施の形態による可変流量エゼクタ１０は、燃料供給部２２から供給される燃料ガスの流れにより、燃料電池２１から循環されてくる排出燃料をあわせ、圧力センサ７で検出された燃料電池２１の空気極側における空気の圧力Ｐairと、圧力センサ６で検出された燃料電池２１の燃料極側における燃料の圧力Ｐfuelとに基づいて、ＥＣＵ５からの制御指令により、燃料電池２１へ供給する燃料の流量を制御するものであって、例えば図２に示すように、ディフューザー３１と、ノズル３２と、ニードル３３とを備えて構成されている。

ディフューザー３１には、その下流側で軸線方向に貫通する流体通路４３が形成されている。流体通路４３は、その途中に内径が最小となるスロート部４４を有し、このスロート部４４よりも上流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に縮径する内周面を有する絞り部４５が設けられ、スロート部４４よりも下流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に拡径する内周面を有する拡径部４６が設けられている。

ディフューザー３１内部には、ディフューザー３１と同軸に、ノズル３２が流体通路４３の上流側に突出するようにして配設されている。
ノズル３２の内部には軸線方向に沿って延びる流体通路５１が形成されている。流体通路５１の壁面をなすノズル３２の内周面３２Ａは、ノズル３２の先端部において、先端側（流体通路５１の下流側）に向かい漸次連続的に縮径するように形成されている。流体通路５１の下流端はノズル３２の先端面３２Ｂで開口する開口部５２に連なっており、流体通路５１の上流端はダイアフラム（図示せず）によって閉塞されている。流体通路５１には、燃料供給部２２から供給される燃料を導入するための燃料供給管（図示せず）が接続されている。

ノズル３２の内部には、ノズル３２と同軸にニードル３３が挿入されており、ニードル３３はニードル保持ガイド（図示せず）によってノズル３２と同軸の軸線方向に対して摺動可能に保持されている。ここで、ニードル３３の外周面は、ニードル３３の先端部において、先端側に向かい漸次連続的に縮径するように形成されている。すなわち、ノズル３２の内部にてニードル３３が軸線方向に摺動することで、ノズル３２の開口部５２から突出するニードル３３の先端部の突出量が変更させられる。これに伴い、ノズル３２の内周面とニードル３３の外周面との間隙の開口面積が変更させられ、ノズル３２の開口部５２から副流室４８内に噴射される燃料の流量が調整可能とされている。

なお、ニードル３３を軸線方向に対して摺動可能に保持するニードル保持ガイドは、例えば流体の流通が可能な適宜の貫通孔を有する円環板状に形成されており、軸線方向に貫通するニードル挿入孔にニードル３３が挿入されている。そして、ニードル３３は、ソレノイド１１に電気的かつ機械的に接続されており、ソレノイド１１のＯＮ／ＯＦＦに応じて、ニードル３３を軸心方向に対して進退移動させるように構成されている。

また、副流室４８には、ノズル３２の外周面に対向する部位に、複数の副流ガス導入用孔１２を有する副流ガス導入部１３が形成されている。この副流ガス導入部１３は、その外周側に形成されたバッファ室１４を介して、燃料オフガス排出路に連通する副流導入管４９に接続されている。

本実施の形態による可変流量エゼクタ１０を備えた燃料電池システム２０は上記の構成を備えている。次に、この可変流量エゼクタ１０の動作について説明する。図３は本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタの副流ガスの流れを示す説明図である。
この可変流量エゼクタ１０では、副流導入管４９からバッファ室１４を介して、副流ガス導入部１３の有する複数の副流ガス導入用孔１２から、燃料電池２１の排出燃料ガスを供給する。また、燃料供給管（図示せず）からノズル３２内部の流体通路５１に燃料を供給する。すると、ノズル３２の開口部５２つまりノズル３２とニードル３３との間隙から、ディフューザー３１の流体通路４３に向かって燃料が噴射される。このとき、高速の燃料流が流通するディフューザー３１のスロート部４４の近傍において負圧が発生し、この負圧によって副流室４８内の燃料副流ガスが流体通路３８に吸い込まれ、ノズル３２から噴射された燃料と混合してディフューザー３１の下流端から排出される。これにより、燃料電池２１から排出された排出燃料は可変流量エゼクタ１０を介して循環させられている。

このように、複数の副流ガス導入用孔１２から副流ガス（この場合は排出燃料ガス）がそれぞれ導入されるので、この副流ガスが前記ニードル３３に対して複数方向より導入されることになる。その結果、前記ニードル３３が前記副流ガスから受ける圧力を軸線方向に対して分散させることができる。従って、前記ニードル３３の軸線方向からのずれによる副流の吸引力および吸引量のずれを抑制することができ、これにより、前記ノズル３２の開口面積および開口領域を本来予定している状態に維持することができるので、ニードル３３が軸線方向に対して若干ずれている場合であっても、副流ガスの吸引力や吸引量の制御を精度よく行うことができる。

また、前記バッファ室１４を介して前記複数の副流ガス導入用孔１２にそれぞれ副流ガスを分配することができるため、副流ガスを多方向から容易にディフューザー３１に供給することができる。なお、本実施の形態においては、副流ガス導入用孔１２をノズル３２の中心軸に対して、点対称に配置した。これにより、副流ガスが分散されてニードル３３に当たるだけでなく、略同量ずつニードル３３に当たるためニードル３３の位置ずれを抑制できるという効果が得られる。

また、エゼクタ１０を燃料電池システムに適用することで、燃料電池システムガスの流れを容易かつきめ細かに制御することができる。これにより、燃料電池の発電安定性を高めることができる。なお、エゼクタ１０の上流側には水分離部２６などの空間が確保されているため、バッファ室１４をエゼクタ１０に設ける構成としても吸い込み量の減少による影響を抑制することができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態のエゼクタによれば、副流ガスの吸引力や吸引量の制御を精度よく行うことができる。
なお、本発明の内容は実施の形態のみに限定されるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池システムにエゼクタを適用した場合について説明したが、他のシステムについても適用可能である。

本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタを備えた燃料電池システムの構成図である。本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタの側断面図である。本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタの副流ガスの流れを示す説明図である。従来におけるエゼクタの問題点を示す要部説明図である。従来におけるエゼクタの問題点を示す要部説明図である。

符号の説明

１０…可変流量エゼクタ
２０…燃料電池システム
３１…ディフューザー
３２…ノズル
３３…ニードル

Claims

燃料電池システムに用いられ、燃料電池への燃料ガスの流量制御を行うエゼクタであって、
先端と基端とに開口を設け駆動流ガスを噴射するノズル部と、
該ノズル部の先端側に設けられ、該ノズル部から噴射される駆動流ガスの負圧により副流ガスを吸引し、前記駆動流ガスに合流させて送出するディフューザー部と、
前記ノズル部の内部に軸方向に移動可能に挿入され、該挿入位置により前記ノズル部の開口面積を調節可能なニードルと、
該ニードルを軸方向に移動する駆動装置と、
前記ディフューザー部に副流ガスを導入可能な複数の開口部を形成してなる副流導入部と、を備え、
前記ニードルは、前記ニードルの先端部が前記ノズル部の先端開口部から突出する突出量を変更することにより前記ノズル部の開口面積を調節し、前記先端開口部から突出した前記ニードルの先端部が前記副流導入部から導入された副流ガスの圧力を直接受け、
前記副流導入部の複数の開口部は、前記ノズル部の中心軸に対して対称に配置されていることを特徴とするエゼクタ。
前記副流導入部の上流側に設けられ、前記複数の開口部に副流ガスを導入可能なバッファ室をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のエゼクタ。