燃料電池の水素循環装置
【課題】循環流体中の水分の凍結を防止して流路閉塞の問題を解消でき、消費電力の低減及び小型化を実現できる燃料電池の水素循環装置を提供することである。
【解決手段】水素循環装置１２は、水素ガス供給部１５から燃料電池スタック１１の水素ガス入口１６までを接続する主流路１７と、燃料電池スタック１１の水素ガス出口１９から主流路１７との合流点までを接続する循環流路２０と、ポンプ部２２を駆動するポンプ駆動部２３を含む水素ポンプ１３と、主流体を吐出する吐出口３１及び循環流体を吸入する吸入口３３を含むエゼクタ１４と、を備え、エゼクタ１４は、ポンプ駆動部２３に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部２３で発生した熱を享受する位置に設けられる。なお、エゼクタ１４及び水素ポンプ１３を一体化した一体型循環機２１とすることが好ましい。
【解決手段】水素循環装置１２は、水素ガス供給部１５から燃料電池スタック１１の水素ガス入口１６までを接続する主流路１７と、燃料電池スタック１１の水素ガス出口１９から主流路１７との合流点までを接続する循環流路２０と、ポンプ部２２を駆動するポンプ駆動部２３を含む水素ポンプ１３と、主流体を吐出する吐出口３１及び循環流体を吸入する吸入口３３を含むエゼクタ１４と、を備え、エゼクタ１４は、ポンプ駆動部２３に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部２３で発生した熱を享受する位置に設けられる。なお、エゼクタ１４及び水素ポンプ１３を一体化した一体型循環機２１とすることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の水素循環装置に係り、特に水素ポンプ及びエゼクタを備える燃料電池の水素循環装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率が高く、環境負荷の低減にも寄与することから、ノートパソコンや携帯電話等のモバイル機器、自動車や鉄道等の車両、及び発電所など多様な用途をカバーするエネルギ源として研究開発されている。燃料電池のセルは、電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極により狭持してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にセパレータと、を備えた構成であり、車両等に搭載される燃料電池は、このセルが複数積層された燃料電池スタックを有している。なお、燃料電池は、燃料電池のアノード側電極に燃料ガスである水素ガス、カソード側電極に酸化ガスである空気が供給され、アノード側電極で触媒反応により発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と結合させて水を生成すると共に、水素から放出された電子が、外部回路を通じてアノード側電極からカソード側電極へ電流として流れることにより電力を発生する。
【０００３】
従って、燃料電池には、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタックに供給するための水素循環装置が設けられる。水素循環装置は、水素ポンプや高圧水素タンク等である水素ガス供給部を含み、水素ガスは、水素ガス供給部から流路を通って燃料電池スタックに供給される。燃料電池のアノード側電極において消費されなかった未反応水素を含む水素含有ガス（以下、循環流体或いはオフガスと称する）は、水素ポンプにより圧送されて、水素供給部から新たに供給される水素ガス（以下、主流体と称する）と共に燃料電池スタックに再供給される。
【０００４】
上記の水素循環装置において、循環流体を循環させる水素ポンプの消費電力量を低減すること、また、水素ポンプ及び水素循環装置自体の小型化や軽量化も強く要求されている。このような状況に鑑みて、循環流体を流動させる機械式ポンプ、及び高圧水素ガス貯蔵器から排出される主流体を駆動流として利用し循環流体を流動させる運動量輸送式真空ポンプを備えた水素供給システムが提案されている（特許文献１）。即ち、特許文献１の水素供給システムは、機械式ポンプである水素ポンプに加えて、運動量輸送式真空ポンプであるエゼクタを備えることにより、水素ポンプの消費電力量を低減することが可能な水素循環装置である。
【０００５】
特許文献１の装置では、主流体がエゼクタの吐出口から噴出されるときに減圧膨張してその温度が急激に低下するため、吐出口の近傍及び吐出口の下流域が冷却されることになる。循環流体は、水素ガスの噴出によって発生する負圧を利用して、エゼクタの吸入口から吸入されるが、循環流体には水分が含まれているため、循環流体が吐出口の近傍や吐出口の下流域を通過する際に冷却されて、循環流体中の水分が凍結し、流路を閉塞させる問題が発生するおそれがある。
【０００６】
上記循環流体中の水分の凍結を防止して、流路閉塞の課題を解決することを目的としたエゼクタが特許文献２に開示されている。特許文献２に開示されたエゼクタは、循環流体の吸入口が、吐出口よりも主流体流れ下流側に開口していることを特徴とするものである。特許文献２には、循環流体は最も低温になる吐出部を通過しないため、循環流体中の水分の凍結を抑制できると述べられている。また、吐出口を加熱する加熱手段が設置された構成も開示されており、加熱手段としては、ＰＴＣヒータ及び温熱流体が流通する熱流体流路が使用されると述べられている。なお、特許文献２のエゼクタには、吐出口の上流側に近接して駆動ユニットが設けられるが、この駆動ユニットはニードルを軸方向に変位させるためのものであるため殆ど発熱せず、循環流体中の水分の凍結を抑制するためには、上記加熱手段を設置する等の対策が必要である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３３８３０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１６９９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に開示されたエゼクタでは、循環流体は、最も低温になる吐出口を通過しないものの、吐出口の下流域を通過する。従って、循環流体中の水分の凍結を防止するためには、上記加熱手段が必要になり、消費電力の低減や小型化の観点から大いに改良の余地がある。
【０００９】
本発明の目的は、簡便な方法によって、循環流体中の水分の凍結を防止して流路閉塞の問題を解消でき、消費電力の低減及び小型化を実現できる燃料電池の水素循環装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池の水素循環装置は、水素ガスを供給する水素ガス供給部から燃料電池本体の水素ガス入口までを接続する主流路と、燃料電池本体の水素ガス出口から主流路との合流点までを接続する循環流路と、水素ガスを圧縮するポンプ部、及びポンプ部を駆動するポンプ駆動部を含み、水素ガスを圧送する水素ポンプと、主流路中の水素ガスを吐出する吐出口、及び循環流路中の水素ガスを吸入する吸入口を含み、吐出口から水素ガスを吐出する際に発生する負圧を利用して、吸入口から水素ガスを吸入して主流路に合流させるエゼクタと、を備え、エゼクタは、ポンプ駆動部に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部で発生した熱を享受する位置に設けられることを特徴とする。
【００１１】
また、水素ポンプのポンプ部は、循環流路の中途部に設けられることが好ましい。
【００１２】
また、水素ポンプ及びエゼクタは、一体化されると共に、エゼクタが、ポンプ駆動部と隣接する部分に設置されることが好ましい。
【００１３】
また、水素ポンプのポンプ部出口とエゼクタの吸入口とを接続する流路の少なくとも一部が、上方に突出して湾曲することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る燃料電池の水素循環装置によれば、水素ガスを圧縮するポンプ部及びポンプ部を駆動するポンプ駆動部を含み、水素ガスを圧送する水素ポンプと、吐出口から水素ガスを吐出する際に発生する負圧を利用して吸入口から水素ガスを吸入して主流路に合流させるエゼクタと、を備えるので、水素ポンプの負担を軽減して、水素ポンプの小型化や消費電力量の低減を実現できる。また、エゼクタは、ポンプ駆動部に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部で発生した熱を享受する位置に設けられるので、循環流体中の水分の凍結を防止して流路閉塞の問題を解消することが可能になる。即ち、モータ駆動部の駆動によって発生する熱を利用して循環流体の水分凍結を防止することができる。例えば、燃料電池の出力が上昇すると、水素ガス（主流体及び循環流体）の供給量が増加するので吐出口はより低温化し、一方、水素ポンプのポンプ駆動部はより高温化するため、さらに顕著な効果が現れる。なお、本発明の凍結防止手段は、エゼクタ及びポンプ駆動部が熱交換することにより、ポンプ駆動部を冷却する効果もあり、極めてエネルギ効率が高く、水分凍結防止の効果も高い手段である。
【００１５】
また、水素ポンプのポンプ部が、循環流路の中途部に設けられる構成とすれば、流体としてオフガス分（循環流体）のみ循環させれば良いので、水素循環装置を小型化することがさらに容易になる。
【００１６】
また、水素ポンプ及びエゼクタを一体化すると共に、エゼクタが、ポンプ駆動部と隣接する部分に設置される構成とすれば、水素循環装置の更なる小型化を実現できると共に、ポンク駆動部で発生する熱がエゼクタに伝わり易くなって凍結防止効果がさらに高まる。
【００１７】
また、水素ポンプのポンプ部出口とエゼクタの吸入口とを接続する流路の少なくとも一部が、上方に突出して湾曲する構成とすれば、循環流体中の水分がエゼクタから逆流してポンプ部で凍結することを防止でき、水素ポンプの起動不能を回避することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図面を用いて本発明に係る実施の形態につき以下詳細に説明する。図１は、燃料電池の水素循環装置の概略構成を示すブロック図であり、図２は、２本の循環流路を有する燃料電池の水素循環装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１９】
車両等に搭載される燃料電池１０は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック１１を有している。各燃料電池セルは、電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極により狭持してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にセパレータと、を備えた構成である。燃料電池１０は、燃料電池スタック１１のアノード側電極に燃料ガスである水素ガスを、カソード側電極に酸化ガスである空気が供給されることにより、電気化学反応が起こり水と電力を発生する。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池１０には、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１１に供給するための燃料電池の水素循環装置１２（以下、水素循環装置とする）が備えられる。水素循環装置１２は、水素ポンプ１３、エゼクタ１４、水素ガス供給部１５等を備え、それらと燃料電池スタック１１を接続する流路等から構成される。水素ガスは、水素ガス供給部１５から供給され、水素ガス供給部１５から燃料電池スタック１１の水素ガス入口１６までを接続する主流路１７を通って、燃料電池スタック１１に供給される。
【００２１】
主流路１７において、水素ガス供給部１５及びエゼクタ１４の間には、燃料制御弁１８が設置される。燃料制御弁１８は、制御ユニット３７からの制御信号に従って、開度を変更することが可能な電動弁や電磁弁であって、燃料電池スタック１１に供給する水素ガス量を調整する機能を有する。即ち、燃料電池１０の出力を上昇させる場合には、燃料制御弁１８の開度を高めて、水素供給部１５から供給する水素ガス量を増量する。なお、制御ユニット３７は、水素循環装置１２の作動状態を制御して水素ガスの循環量を調整するための装置であって、燃料電池１０に対する要求出力αに応じて、燃料制御弁１８や水素ポンプ１３等に制御信号を送信し、それらの作動状態を制御する。
【００２２】
水素ガスは、燃料電池スタック１１の図示しないアノード側電極側の燃料ガス流路に供給されて電気化学反応に供され、未反応の水素ガスは、燃料電池スタック１１の水素ガス出口１９から排出される。水素ガス出口１９から排出された水素ガス（以下、循環流体と称する）には、水分が含まれるため、水素循環装置１２は、その水分を除去するための図示しない気液分離機やパージ弁３８を設けることができる。気液分離機等によって水分を除去された循環流体は、水素ガス出口１９から主流路１７との合流点までを接続する循環流路２０を通り、水素ガス供給部１５から供給された水素ガス（以下、主流体と称する）と合流して、再び燃料電池スタック１１に供給される。
【００２３】
水素循環装置１２は、水素ポンプ１３及びエゼクタ１４を備え、循環流体及び主流体は、水素ポンプ１３で圧縮されることにより、また、エゼクタ１４の作用によって、循環流路２０及び主流路１７を流れ燃料電池スタック１１に供給される。図１に示す水素循環装置１２では、循環流路２０の中途部に水素ポンプ１３が設けられ、水素ポンプ１３の下流側であって、循環流路２０と主流路１７との合流点にエゼクタ１４が設けられている。一方、図２に示す水素循環装置１２には、水素ガス出口１９から延びる循環流路２０から分岐する２本の循環流路２０（第１循環流路２０Ａ、及び第２循環流路２０Ｂ）を有する。第１循環流路２０Ａは、その中途部に水素ポンプ１３が設けられ、主流路１７のエゼクタ１４の上流側に接続されている。第２循環流路２０Ｂは、エゼクタ１４の吸入口３３（図３等参照）に接続されている。以下では、図１に示す構成は、水素ポンプ１３を途中に有する循環流路２０がエゼクタ１４（吸入口３３）に接続された直列型、図２に示す構成は、水素ポンプ１３を途中に有する循環流路２０がエゼクタ１４ではなく、その上流の主流路１７に接続され、もう一本の循環流路２０がエゼクタ１４（吸入口３３）に接続された並列型と称する。
【００２４】
なお、水素供給部１５は、例えば、高圧水素ボンベであって、エゼクタ１４は、循環流体を吸入するための作動流体として高圧水素ボンベから供給される高圧水素ガス（高圧の主流体）を用いる。従って、主流体を後述する吐出口３１から噴出する際に、主流体を改めて昇圧する必要がなく、水素循環装置１２はエネルギ効率が高いシステムである。
【００２５】
このような燃料電池１０は、発電効率が高く、環境負荷の低減にも寄与することから、車両等のエネルギ源として研究開発が盛んに行われ、更なる小型化等が求められている。従って、水素循環装置１２についても小型化が要求されており、そのためには、水素ポンプ１３の小型化を図ることが有効である。また、水素ポンプ１３の消費電力量は、燃料電池１０の発電量と比較して無視できるものではなく、消費電力量を低減する（エネルギ効率を高める）ことも強く要求されている。
【００２６】
図１及び図２に示す水素循環装置１２は、水素ポンプ１３に加えて、エゼクタ１４を併用することにより、水素ポンプ１３の消費電力量を低減すると共に、小型化が可能な水素循環装置１２である。なお、上記のように、従来のエゼクタを利用する装置では、循環流体中の水分が凍結して流路を閉塞させるおそれがあった。水素循環装置１２は、簡便な手段によってこの流路閉塞の問題を解消できることを特徴とする装置である。
【００２７】
以下、図３〜図５を加えて、水素循環装置１２の主要構成要素である水素ポンプ１３及びエゼクタ１４について詳細に説明する。なお、図１に示す直列型では、主に後述するポンプ駆動部２２を小型化でき、図２に示す並列型では、第２循環流路２０Ｂによりポンプ部２１を通過する循環流体量が減少するため、ポンプ部２２及び後述するポンプ駆動部２３の両方を小型化することができる。以下では、第２循環流路２０Ｂを設ける必要がない図１に示す直列型を例に挙げて説明する。
【００２８】
図３等に示すように、水素循環装置１２は、水分凍結による流路閉塞の防止や小型化の促進等の観点から、水素ポンプ１３及びエゼクタ１４を一体化した一体型循環機２１を備えることができる。図３は、水素ポンプ及びエゼクタを一体化した循環器を示す模式図であって、エゼクタ部分のみを断面図としており、図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。図５は、他の実施形態に係る循環器の断面を示す模式図である。
【００２９】
一体型循環機２１を構成する水素ポンプ１３は、水素ガスを圧縮するポンプ部２２、及びポンプ部２２を駆動するポンプ駆動部２３から構成される。水素ガスポンプ１３とは、機械的エネルギを水素ガスに与え、水素ガスを圧縮して圧送する装置を意味し、送風機（ファン、ブロワ）や圧縮機と称されるものを広く含む。また、水素ポンプ１３の機構も特に限定されることなく、ターボ型（遠心式、軸流式、斜流式、横流式等）や容積型（回転式、往復式等）を含む。水素循環装置１２において、水素ポンプ１３は、エゼクタ１４よりも下流側の主流路１７に設けることもできるが、流体の循環効率の向上や小型化の観点から、図１等に示すように、循環流路２０に設けることが好ましい。
【００３０】
図５は、図３に示す構成とは別の実施形態に係る一体型循環機２１の断面を示しており、水素ポンプ１３のポンプ部２２及びポンプ駆動部２３の断面が示されている。ポンプ部２２とは、圧縮手段２４によって水素ガスを圧縮する部分である。水素ガスは、燃料電池スタック１１に繋がった循環流路２０を通って、ポンプ部入口２５からポンプ部２２の室内に導入され、室内で圧縮手段２４によって圧縮されることによりエネルギ的ポテンシャルが増大して、ポンプ部出口２６から導出される。ここで、圧縮手段２４としては、例えば、遠心式や軸流式の羽根車等を使用することができる。
【００３１】
上記のように、水素ポンプ１３は、種々の機構のポンプを使用することができる。図３及び図５は、いずれも後述するシャフト２８の回転によってポンプ部２２の圧縮手段２４である羽根車が連動回転する方式のポンプを示している。具体的に、図３は、ルーツ式と呼ばれる容積型ポンプを示しており、図５は、軸流式のターボ型ポンプを示している。図３に示すルーツ式の水素ポンプ１３とは、２つのマユ型ロータが互いに反対方向に同期回転するものであり、例えば、ポンプ部２２の側面から吸気して、側面から吐出する形態（側面吸気、側面吐出）とすることができる。一方、図５に示す軸流式の水素ポンプ１３は、後述するシャフト２８に沿った方向から吸気及び吐出を行う端面吸気、端面吐出形態とすることができる。
【００３２】
図５等に示すように、ポンプ駆動部２３とは、電動モータ２７、及び電動モータ２７の動力を圧縮手段２４に伝達するシャフト２８を有する部分である。電動モータ２７としては、所望量の水素ガスを圧送するために必要なトルクを発生できるものであれば、特に限定されず、公知のモータを使用することができる。なお、電動モータ２７は、水素ポンプ１３の小型化及び電力消費量の低減の観点から、永久磁石を使用した永久磁石型のモータであることが好ましく、小型であっても大きなトルクを発生するサマリウム系磁石やネオジウム系磁石等の希土類磁石を使用したモータであることがさらに好ましい。なお、電動モータ２７は、ステータ３０、及びシャフト２８に設置されたロータ２９から構成され、いずれかに希土類磁石を有することが好ましい。また、ポンプ駆動部２３等には、減速器３９を備えることもできる。
【００３３】
電動モータ２７の動力は、シャフト２８によってポンプ部２２の圧縮手段２４に伝達される。ポンプ部２２及びポンプ駆動部２３を仕切る壁には、シャフト２８が通る貫通孔が形成され、その貫通孔とシャフト２８との隙間には、図示しない軸シールや軸受け部材が設置される。軸シール部材等は、シャフト２８の回転運動を阻害することなく、ポンプ部２２からポンプ駆動部２３への水素ガスの浸入を防止する機能を有し、公知のシールリング等を使用することができる。
【００３４】
一体型循環機２１を構成するエゼクタ１４は、上記のように、作動流体として水素供給部１５から供給される高圧水素ガス（高圧の主流体）を用い、主流体の噴出によって発生する負圧を利用して循環流体を吸入する装置である。エゼクタ１４は、主に、吐出口３１を含むノズル部３２と、吸入口３３を含む吸入室３４と、ディフューザ部３５と、から構成される。ノズル部３２の先端に形成された吐出口３１から主流体が噴出され、噴出されるときに発生する負圧を利用して、吸入口３３から循環流体が吸入室３４に吸入される。そして、ディフューザ部３５の上流部分で主流体と循環流体とが混合され、流路が狭まった部分及びテーパ状に広がった部分（図５）ではさらに混合が促進されると共に、混合された流体が圧縮されて昇圧される。従って、エゼクタ１４を使用すれば、主流体の噴出エネルギを循環に利用できる、即ち、水素供給部１５に水素ガスを圧縮充填する際に費やされたエネルギを利用できるため、水素ポンプ１３の負荷を軽減して、水素ポンプ１３の消費エネルギ低減や小型化を図ることができる。
【００３５】
図３等に示すように、ノズル部３２は、水素ガス供給部１５に繋がる主流路１７と接続され、下流側先端部には、主流体を噴出するための開口である吐出口３１が形成されている。吐出口３１の近傍には、ノズル部３２の全外周方向に亘って形成された部屋（空間）である吸入室３４を備え、吸入室３４の一部に循環流体を吸入する吸入口３３が形成され、吸入口３３にはポンプ部出口２６に繋がった循環流路２０が接続されている。主流体及び循環流体の混合圧縮を行うディフューザ部３５の下流側端部には、燃料電池スタック１１の水素ガス入口１６に繋がった主流路１７が接続される。即ち、エゼクタ１４は、主流路１７と循環流路２０との合流点に設置される。
【００３６】
エゼクタ１４において、水素供給部１５から供給される主流体は、吐出口３１から噴出されるときに減圧膨張して温度が急激に低下するため、吐出口３１の近傍および吐出口３１の下流域であるディフューザ部３５が冷却されることになる。循環流体は、主流体の噴出によって発生する負圧を利用して、吸入口３３より吸入されるが、循環流体には気液分離機により水分が除去されてもなお水分が含まれているため、循環流体が吐出口３１の近傍やディフューザ部３５を通過する際に冷却されて、循環流体中の水分が凍結し、流路を閉塞させるおそれがある。
【００３７】
図３等に示すように、水素ポンプ１３及びエゼクタ１４を一体化した一体型循環機２１は、エゼクタ１４を、ポンプ駆動部２３に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部２３で発生する熱を享受できる位置に設置することを特徴とする。従って、循環流体中の水分の凍結を防止して流路閉塞の問題を解消することが可能になる。即ち、モータ駆動部２３の駆動によって発生する熱を利用して、循環流体に含まれる水分の凍結を防止することができる。ここで、近接とは、エゼクタ１４とポンプ駆動部２３との距離が近いことを意味し、隣接とは、近接よりもさらに両者の距離が近く隣り合っていることを意味し互いに接触する場合を含む。即ち、一体型循環機２１の場合、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３は、隣接した位置に設置されているといえる。
【００３８】
ポンプ駆動部２３には、上記のように、電動モータ２７が設置され、電動モータ２７はロータ２９が回転することによって、シャフト２８が回転し、それに接続された圧縮手段２４が駆動する。電動モータ２７は、銅損、鉄損、機械損により駆動時に発熱する。電動モータ２７は、水素ガスを循環させる圧縮手段２４を高速駆動させるモータであるため、その発熱量は大きく、電動モータ２７を有するポンプ駆動部２３の温度は上昇して、ポンプ駆動部２３からは多量の熱が放出されることになる。従って、電動モータ２７のケーシング（ポンプ駆動部２３）は、放熱性を向上させるために熱伝導性の高い金属材料から構成されることが好ましい。
【００３９】
一体型循環機２１によれば、ポンプ駆動部２３から放出される熱をエゼクタ１４の温調（加熱）に利用することができる。なお、水素循環装置１２は、エゼクタ１４をポンプ駆動部２３に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部２３で発生する熱を享受できる位置に設置すれば、独立した水素ポンプ１３及びエゼクタ１４を備えることもできる。但し、ポンプ駆動部２３により発生する熱をエゼクタ１４に効率良く伝達して利用するためには、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３の距離は、できるだけ近いことが好ましく、両者が接触していることが特に好ましい。従って、熱伝導性の向上やコンパクト化の観点から、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３が接触配置された一体型循環機２１とすることが好ましい。なお、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３が接触配置された一体型循環機２１としては、別個に製造されたエゼクタ１４及びポンプ駆動部２３一体接合する形態、及びエゼクタ１４及びポンプ駆動部２３を一体成形する形態が挙げられる。
【００４０】
一体型循環機２１において、最も低温化する部分は、ノズル部３２の吐出口３１であり、循環流体中の水分が凍結するおそれが最も高い部分は、吸入室３４の吐出口３１近傍、及び冷却された主流体と循環流体とが混合されるディフューザ部３５である。即ち、水分凍結により閉塞するおそれが最も高い流路は、吸入室３４、ディフューザ部３５、及びエゼクタ１４の下流側の主流路１７である。一方、一体型循環機２１において、最も高温化する部分は、上記のように、電動モータ２７を格納したポンプ駆動部２３である。従って、エゼクタ１４のうち、特に、吸入室３４の吐出口３１の近傍及びディフューザ部３５と、ポンプ駆動部２３と、が接触するように配置することが好ましい。
【００４１】
図３に示す循環機２１は、ポンプ駆動部２３の上部にエゼクタ１４が設置されている。図４に示すように、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３は、同一の金属材料によって一体成形されており、電動モータ２７で発生した熱がエゼクタ１４に効率良く伝達される。図５に示す循環機２１においても、ポンプ駆動部２３の電動モータ２７が設置される部分の上部にエゼクタ１４が設置されており、同一の金属材料によって一体成形されており、電動モータ２７で発生した熱がエゼクタ１４に効率良く伝達される。即ち、エゼクタ１４の吸入室３４やディフューザ部３５を構成する部材と、ポンプ駆動部２３を構成する部材と、が接触するように配置されることが好ましく、図４及び図５に示すように、熱伝導性の高い材料で一体成形することもより好ましい。
【００４２】
なお、エゼクタ１４よりも上流側の主流路１７や循環流路２０をポンプ駆動部２３に接触するように配置して、冷却される前の主流体や循環流体を予め加熱することもできる。例えば、主流路１７を数箇所折り返した形状とし、主流路１７とポンプ駆動部２３とが接触する部分を増加させることもできる。
【００４３】
また、図３及び図５に示すように、水素ポンプ１３のポンプ部出口２６とエゼクタ１４の吸入口３３とを接続する循環流路２０の少なくとも一部が、上方に突出して湾曲している上方湾曲部３６を有することが好ましい。このような上方湾曲部３６を設けることにより循環流体中の水分がエゼクタ１４から逆流してポンプ部２２で凍結することを防止でき、水素ポンプ１３の起動不能を回避することが可能になる。即ち、水素ポンプ１３の停止時等に、万一循環流体中の水分がエゼクタ１４から逆流した場合であっても、発生した氷が上部湾曲部３６にトラップされてポンプ部２２に侵入することを防止できる。
【００４４】
以上のように、水素循環装置１２は、循環流体を圧縮するポンプ部２２及びポンプ部２２を駆動するポンプ駆動部２３を含む水素ポンプ１３と、吐出口３１から主流体を吐出する際に発生する負圧を利用して吸入口３３から循環流体を吸入して主流路１７に合流させるエゼクタ１４と、を備えるので、水素ポンプ１３の負担を軽減して、水素ポンプ１３の小型化や消費電力量の低減を実現できる。また、エゼクタ１４は、ポンプ駆動部２３に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部２３で発生した熱を享受する位置に設けられるので、モータ駆動部２３の駆動によって発生する熱を利用して循環流体に含まれる水分凍結を防止することができる。特に、熱伝導性の向上や更なる小型化等の観点から、エゼクタ１４の吸入室３４やディフューザ部３５を構成する部材と、ポンプ駆動部２３を構成する部材と、が接触した或いは両者が同一部材により一体成形された一体型循環機２１とすることが好ましい。
【００４５】
例えば、燃料電池１０の出力を上昇させる要求信号αが制御ユニット３７に入力された場合、制御ユニット３７は、水素ガス（主流体及び循環流体）の供給量が増加させるために、燃料制御弁１８の開度を高め、水素ポンプ１３の出力を増加させる制御を行うので、エゼクタ１４の吐出口３１はより低温化し、一方、水素ポンプ１３のポンプ駆動部２３はより高温化して多量の熱が放出されることになる。従って、ポンプ駆動部２３から発生する熱を利用して循環流体に含まれる水分の凍結を防止する一体型循環機２１の効果がより顕著に現れる。ポンプ駆動部２３の電動モータ２７から発生した熱は、図４及び図５に示すように、ポンプ駆動部２３及びエゼクタ１４の吸入室３４やディフューザ部３５を構成する金属材料を介して、エゼクタ１４の内部を流れる循環流体或いは循環流体と主流体とが混合された混合流体に効率良く伝達される。
【００４６】
なお、燃料電池１０の要求出力が低いときは、要求出力が高い場合に比べて吐出口３１の温度は低温化せず、ポンプ駆動部２３の温度も高温化しない。従って、一体型循環機２１によれば、エゼクタ１４の冷却状態に応じた適切な温度管理を行うことができる。また、一体型循環機２１は、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３が熱交換することにより、ポンプ駆動部２３を冷却する効果もあり、極めてエネルギ効率が高く、水分凍結防止の効果も高い装置である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】燃料電池の水素循環装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】２本の循環流路を有する燃料電池の水素循環装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】水素ポンプ及びエゼクタを一体化した循環器を示す模式図であり、エゼクタ部分のみを断面図としている。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】他の実施形態に係る循環器の断面を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０ 燃料電池、１１ 燃料電池スタック、１２ 燃料電池の水素循環装置、１３ 水素ポンプ、１４ エゼクタ、１５ 水素供給部、１６ 水素ガス入口、１７ 主流路、１８ 燃料制御弁、１９ 水素ガス出口、２０ 循環流路、２１ 一体型循環機、２２ ポンプ部、２３ ポンプ駆動部、２４ 圧縮手段、２５ ポンプ部入口、２６ ポンプ部出口、２７ 電動モータ、２８ シャフト、２９ ロータ、３０ ステータ、３１ 吐出口、３２ ノズル部、３３ 吸入口、３４ 吸入室、３５ ディフューザ部、３６ 上方湾曲部、３７ 制御ユニット、３８ パージ弁、３９ 減速機。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の水素循環装置に係り、特に水素ポンプ及びエゼクタを備える燃料電池の水素循環装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率が高く、環境負荷の低減にも寄与することから、ノートパソコンや携帯電話等のモバイル機器、自動車や鉄道等の車両、及び発電所など多様な用途をカバーするエネルギ源として研究開発されている。燃料電池のセルは、電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極により狭持してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にセパレータと、を備えた構成であり、車両等に搭載される燃料電池は、このセルが複数積層された燃料電池スタックを有している。なお、燃料電池は、燃料電池のアノード側電極に燃料ガスである水素ガス、カソード側電極に酸化ガスである空気が供給され、アノード側電極で触媒反応により発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と結合させて水を生成すると共に、水素から放出された電子が、外部回路を通じてアノード側電極からカソード側電極へ電流として流れることにより電力を発生する。
【０００３】
従って、燃料電池には、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタックに供給するための水素循環装置が設けられる。水素循環装置は、水素ポンプや高圧水素タンク等である水素ガス供給部を含み、水素ガスは、水素ガス供給部から流路を通って燃料電池スタックに供給される。燃料電池のアノード側電極において消費されなかった未反応水素を含む水素含有ガス（以下、循環流体或いはオフガスと称する）は、水素ポンプにより圧送されて、水素供給部から新たに供給される水素ガス（以下、主流体と称する）と共に燃料電池スタックに再供給される。
【０００４】
上記の水素循環装置において、循環流体を循環させる水素ポンプの消費電力量を低減すること、また、水素ポンプ及び水素循環装置自体の小型化や軽量化も強く要求されている。このような状況に鑑みて、循環流体を流動させる機械式ポンプ、及び高圧水素ガス貯蔵器から排出される主流体を駆動流として利用し循環流体を流動させる運動量輸送式真空ポンプを備えた水素供給システムが提案されている（特許文献１）。即ち、特許文献１の水素供給システムは、機械式ポンプである水素ポンプに加えて、運動量輸送式真空ポンプであるエゼクタを備えることにより、水素ポンプの消費電力量を低減することが可能な水素循環装置である。
【０００５】
特許文献１の装置では、主流体がエゼクタの吐出口から噴出されるときに減圧膨張してその温度が急激に低下するため、吐出口の近傍及び吐出口の下流域が冷却されることになる。循環流体は、水素ガスの噴出によって発生する負圧を利用して、エゼクタの吸入口から吸入されるが、循環流体には水分が含まれているため、循環流体が吐出口の近傍や吐出口の下流域を通過する際に冷却されて、循環流体中の水分が凍結し、流路を閉塞させる問題が発生するおそれがある。
【０００６】
上記循環流体中の水分の凍結を防止して、流路閉塞の課題を解決することを目的としたエゼクタが特許文献２に開示されている。特許文献２に開示されたエゼクタは、循環流体の吸入口が、吐出口よりも主流体流れ下流側に開口していることを特徴とするものである。特許文献２には、循環流体は最も低温になる吐出部を通過しないため、循環流体中の水分の凍結を抑制できると述べられている。また、吐出口を加熱する加熱手段が設置された構成も開示されており、加熱手段としては、ＰＴＣヒータ及び温熱流体が流通する熱流体流路が使用されると述べられている。なお、特許文献２のエゼクタには、吐出口の上流側に近接して駆動ユニットが設けられるが、この駆動ユニットはニードルを軸方向に変位させるためのものであるため殆ど発熱せず、循環流体中の水分の凍結を抑制するためには、上記加熱手段を設置する等の対策が必要である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３３８３０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１６９９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に開示されたエゼクタでは、循環流体は、最も低温になる吐出口を通過しないものの、吐出口の下流域を通過する。従って、循環流体中の水分の凍結を防止するためには、上記加熱手段が必要になり、消費電力の低減や小型化の観点から大いに改良の余地がある。
【０００９】
本発明の目的は、簡便な方法によって、循環流体中の水分の凍結を防止して流路閉塞の問題を解消でき、消費電力の低減及び小型化を実現できる燃料電池の水素循環装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池の水素循環装置は、水素ガスを供給する水素ガス供給部から燃料電池本体の水素ガス入口までを接続する主流路と、燃料電池本体の水素ガス出口から主流路との合流点までを接続する循環流路と、水素ガスを圧縮するポンプ部、及びポンプ部を駆動するポンプ駆動部を含み、水素ガスを圧送する水素ポンプと、主流路中の水素ガスを吐出する吐出口、及び循環流路中の水素ガスを吸入する吸入口を含み、吐出口から水素ガスを吐出する際に発生する負圧を利用して、吸入口から水素ガスを吸入して主流路に合流させるエゼクタと、を備え、エゼクタは、ポンプ駆動部に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部で発生した熱を享受する位置に設けられることを特徴とする。
【００１１】
また、水素ポンプのポンプ部は、循環流路の中途部に設けられることが好ましい。
【００１２】
また、水素ポンプ及びエゼクタは、一体化されると共に、エゼクタが、ポンプ駆動部と隣接する部分に設置されることが好ましい。
【００１３】
また、水素ポンプのポンプ部出口とエゼクタの吸入口とを接続する流路の少なくとも一部が、上方に突出して湾曲することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る燃料電池の水素循環装置によれば、水素ガスを圧縮するポンプ部及びポンプ部を駆動するポンプ駆動部を含み、水素ガスを圧送する水素ポンプと、吐出口から水素ガスを吐出する際に発生する負圧を利用して吸入口から水素ガスを吸入して主流路に合流させるエゼクタと、を備えるので、水素ポンプの負担を軽減して、水素ポンプの小型化や消費電力量の低減を実現できる。また、エゼクタは、ポンプ駆動部に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部で発生した熱を享受する位置に設けられるので、循環流体中の水分の凍結を防止して流路閉塞の問題を解消することが可能になる。即ち、モータ駆動部の駆動によって発生する熱を利用して循環流体の水分凍結を防止することができる。例えば、燃料電池の出力が上昇すると、水素ガス（主流体及び循環流体）の供給量が増加するので吐出口はより低温化し、一方、水素ポンプのポンプ駆動部はより高温化するため、さらに顕著な効果が現れる。なお、本発明の凍結防止手段は、エゼクタ及びポンプ駆動部が熱交換することにより、ポンプ駆動部を冷却する効果もあり、極めてエネルギ効率が高く、水分凍結防止の効果も高い手段である。
【００１５】
また、水素ポンプのポンプ部が、循環流路の中途部に設けられる構成とすれば、流体としてオフガス分（循環流体）のみ循環させれば良いので、水素循環装置を小型化することがさらに容易になる。
【００１６】
また、水素ポンプ及びエゼクタを一体化すると共に、エゼクタが、ポンプ駆動部と隣接する部分に設置される構成とすれば、水素循環装置の更なる小型化を実現できると共に、ポンク駆動部で発生する熱がエゼクタに伝わり易くなって凍結防止効果がさらに高まる。
【００１７】
また、水素ポンプのポンプ部出口とエゼクタの吸入口とを接続する流路の少なくとも一部が、上方に突出して湾曲する構成とすれば、循環流体中の水分がエゼクタから逆流してポンプ部で凍結することを防止でき、水素ポンプの起動不能を回避することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図面を用いて本発明に係る実施の形態につき以下詳細に説明する。図１は、燃料電池の水素循環装置の概略構成を示すブロック図であり、図２は、２本の循環流路を有する燃料電池の水素循環装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１９】
車両等に搭載される燃料電池１０は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック１１を有している。各燃料電池セルは、電解質膜をアノード側電極及びカソード側電極により狭持してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にセパレータと、を備えた構成である。燃料電池１０は、燃料電池スタック１１のアノード側電極に燃料ガスである水素ガスを、カソード側電極に酸化ガスである空気が供給されることにより、電気化学反応が起こり水と電力を発生する。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池１０には、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１１に供給するための燃料電池の水素循環装置１２（以下、水素循環装置とする）が備えられる。水素循環装置１２は、水素ポンプ１３、エゼクタ１４、水素ガス供給部１５等を備え、それらと燃料電池スタック１１を接続する流路等から構成される。水素ガスは、水素ガス供給部１５から供給され、水素ガス供給部１５から燃料電池スタック１１の水素ガス入口１６までを接続する主流路１７を通って、燃料電池スタック１１に供給される。
【００２１】
主流路１７において、水素ガス供給部１５及びエゼクタ１４の間には、燃料制御弁１８が設置される。燃料制御弁１８は、制御ユニット３７からの制御信号に従って、開度を変更することが可能な電動弁や電磁弁であって、燃料電池スタック１１に供給する水素ガス量を調整する機能を有する。即ち、燃料電池１０の出力を上昇させる場合には、燃料制御弁１８の開度を高めて、水素供給部１５から供給する水素ガス量を増量する。なお、制御ユニット３７は、水素循環装置１２の作動状態を制御して水素ガスの循環量を調整するための装置であって、燃料電池１０に対する要求出力αに応じて、燃料制御弁１８や水素ポンプ１３等に制御信号を送信し、それらの作動状態を制御する。
【００２２】
水素ガスは、燃料電池スタック１１の図示しないアノード側電極側の燃料ガス流路に供給されて電気化学反応に供され、未反応の水素ガスは、燃料電池スタック１１の水素ガス出口１９から排出される。水素ガス出口１９から排出された水素ガス（以下、循環流体と称する）には、水分が含まれるため、水素循環装置１２は、その水分を除去するための図示しない気液分離機やパージ弁３８を設けることができる。気液分離機等によって水分を除去された循環流体は、水素ガス出口１９から主流路１７との合流点までを接続する循環流路２０を通り、水素ガス供給部１５から供給された水素ガス（以下、主流体と称する）と合流して、再び燃料電池スタック１１に供給される。
【００２３】
水素循環装置１２は、水素ポンプ１３及びエゼクタ１４を備え、循環流体及び主流体は、水素ポンプ１３で圧縮されることにより、また、エゼクタ１４の作用によって、循環流路２０及び主流路１７を流れ燃料電池スタック１１に供給される。図１に示す水素循環装置１２では、循環流路２０の中途部に水素ポンプ１３が設けられ、水素ポンプ１３の下流側であって、循環流路２０と主流路１７との合流点にエゼクタ１４が設けられている。一方、図２に示す水素循環装置１２には、水素ガス出口１９から延びる循環流路２０から分岐する２本の循環流路２０（第１循環流路２０Ａ、及び第２循環流路２０Ｂ）を有する。第１循環流路２０Ａは、その中途部に水素ポンプ１３が設けられ、主流路１７のエゼクタ１４の上流側に接続されている。第２循環流路２０Ｂは、エゼクタ１４の吸入口３３（図３等参照）に接続されている。以下では、図１に示す構成は、水素ポンプ１３を途中に有する循環流路２０がエゼクタ１４（吸入口３３）に接続された直列型、図２に示す構成は、水素ポンプ１３を途中に有する循環流路２０がエゼクタ１４ではなく、その上流の主流路１７に接続され、もう一本の循環流路２０がエゼクタ１４（吸入口３３）に接続された並列型と称する。
【００２４】
なお、水素供給部１５は、例えば、高圧水素ボンベであって、エゼクタ１４は、循環流体を吸入するための作動流体として高圧水素ボンベから供給される高圧水素ガス（高圧の主流体）を用いる。従って、主流体を後述する吐出口３１から噴出する際に、主流体を改めて昇圧する必要がなく、水素循環装置１２はエネルギ効率が高いシステムである。
【００２５】
このような燃料電池１０は、発電効率が高く、環境負荷の低減にも寄与することから、車両等のエネルギ源として研究開発が盛んに行われ、更なる小型化等が求められている。従って、水素循環装置１２についても小型化が要求されており、そのためには、水素ポンプ１３の小型化を図ることが有効である。また、水素ポンプ１３の消費電力量は、燃料電池１０の発電量と比較して無視できるものではなく、消費電力量を低減する（エネルギ効率を高める）ことも強く要求されている。
【００２６】
図１及び図２に示す水素循環装置１２は、水素ポンプ１３に加えて、エゼクタ１４を併用することにより、水素ポンプ１３の消費電力量を低減すると共に、小型化が可能な水素循環装置１２である。なお、上記のように、従来のエゼクタを利用する装置では、循環流体中の水分が凍結して流路を閉塞させるおそれがあった。水素循環装置１２は、簡便な手段によってこの流路閉塞の問題を解消できることを特徴とする装置である。
【００２７】
以下、図３〜図５を加えて、水素循環装置１２の主要構成要素である水素ポンプ１３及びエゼクタ１４について詳細に説明する。なお、図１に示す直列型では、主に後述するポンプ駆動部２２を小型化でき、図２に示す並列型では、第２循環流路２０Ｂによりポンプ部２１を通過する循環流体量が減少するため、ポンプ部２２及び後述するポンプ駆動部２３の両方を小型化することができる。以下では、第２循環流路２０Ｂを設ける必要がない図１に示す直列型を例に挙げて説明する。
【００２８】
図３等に示すように、水素循環装置１２は、水分凍結による流路閉塞の防止や小型化の促進等の観点から、水素ポンプ１３及びエゼクタ１４を一体化した一体型循環機２１を備えることができる。図３は、水素ポンプ及びエゼクタを一体化した循環器を示す模式図であって、エゼクタ部分のみを断面図としており、図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。図５は、他の実施形態に係る循環器の断面を示す模式図である。
【００２９】
一体型循環機２１を構成する水素ポンプ１３は、水素ガスを圧縮するポンプ部２２、及びポンプ部２２を駆動するポンプ駆動部２３から構成される。水素ガスポンプ１３とは、機械的エネルギを水素ガスに与え、水素ガスを圧縮して圧送する装置を意味し、送風機（ファン、ブロワ）や圧縮機と称されるものを広く含む。また、水素ポンプ１３の機構も特に限定されることなく、ターボ型（遠心式、軸流式、斜流式、横流式等）や容積型（回転式、往復式等）を含む。水素循環装置１２において、水素ポンプ１３は、エゼクタ１４よりも下流側の主流路１７に設けることもできるが、流体の循環効率の向上や小型化の観点から、図１等に示すように、循環流路２０に設けることが好ましい。
【００３０】
図５は、図３に示す構成とは別の実施形態に係る一体型循環機２１の断面を示しており、水素ポンプ１３のポンプ部２２及びポンプ駆動部２３の断面が示されている。ポンプ部２２とは、圧縮手段２４によって水素ガスを圧縮する部分である。水素ガスは、燃料電池スタック１１に繋がった循環流路２０を通って、ポンプ部入口２５からポンプ部２２の室内に導入され、室内で圧縮手段２４によって圧縮されることによりエネルギ的ポテンシャルが増大して、ポンプ部出口２６から導出される。ここで、圧縮手段２４としては、例えば、遠心式や軸流式の羽根車等を使用することができる。
【００３１】
上記のように、水素ポンプ１３は、種々の機構のポンプを使用することができる。図３及び図５は、いずれも後述するシャフト２８の回転によってポンプ部２２の圧縮手段２４である羽根車が連動回転する方式のポンプを示している。具体的に、図３は、ルーツ式と呼ばれる容積型ポンプを示しており、図５は、軸流式のターボ型ポンプを示している。図３に示すルーツ式の水素ポンプ１３とは、２つのマユ型ロータが互いに反対方向に同期回転するものであり、例えば、ポンプ部２２の側面から吸気して、側面から吐出する形態（側面吸気、側面吐出）とすることができる。一方、図５に示す軸流式の水素ポンプ１３は、後述するシャフト２８に沿った方向から吸気及び吐出を行う端面吸気、端面吐出形態とすることができる。
【００３２】
図５等に示すように、ポンプ駆動部２３とは、電動モータ２７、及び電動モータ２７の動力を圧縮手段２４に伝達するシャフト２８を有する部分である。電動モータ２７としては、所望量の水素ガスを圧送するために必要なトルクを発生できるものであれば、特に限定されず、公知のモータを使用することができる。なお、電動モータ２７は、水素ポンプ１３の小型化及び電力消費量の低減の観点から、永久磁石を使用した永久磁石型のモータであることが好ましく、小型であっても大きなトルクを発生するサマリウム系磁石やネオジウム系磁石等の希土類磁石を使用したモータであることがさらに好ましい。なお、電動モータ２７は、ステータ３０、及びシャフト２８に設置されたロータ２９から構成され、いずれかに希土類磁石を有することが好ましい。また、ポンプ駆動部２３等には、減速器３９を備えることもできる。
【００３３】
電動モータ２７の動力は、シャフト２８によってポンプ部２２の圧縮手段２４に伝達される。ポンプ部２２及びポンプ駆動部２３を仕切る壁には、シャフト２８が通る貫通孔が形成され、その貫通孔とシャフト２８との隙間には、図示しない軸シールや軸受け部材が設置される。軸シール部材等は、シャフト２８の回転運動を阻害することなく、ポンプ部２２からポンプ駆動部２３への水素ガスの浸入を防止する機能を有し、公知のシールリング等を使用することができる。
【００３４】
一体型循環機２１を構成するエゼクタ１４は、上記のように、作動流体として水素供給部１５から供給される高圧水素ガス（高圧の主流体）を用い、主流体の噴出によって発生する負圧を利用して循環流体を吸入する装置である。エゼクタ１４は、主に、吐出口３１を含むノズル部３２と、吸入口３３を含む吸入室３４と、ディフューザ部３５と、から構成される。ノズル部３２の先端に形成された吐出口３１から主流体が噴出され、噴出されるときに発生する負圧を利用して、吸入口３３から循環流体が吸入室３４に吸入される。そして、ディフューザ部３５の上流部分で主流体と循環流体とが混合され、流路が狭まった部分及びテーパ状に広がった部分（図５）ではさらに混合が促進されると共に、混合された流体が圧縮されて昇圧される。従って、エゼクタ１４を使用すれば、主流体の噴出エネルギを循環に利用できる、即ち、水素供給部１５に水素ガスを圧縮充填する際に費やされたエネルギを利用できるため、水素ポンプ１３の負荷を軽減して、水素ポンプ１３の消費エネルギ低減や小型化を図ることができる。
【００３５】
図３等に示すように、ノズル部３２は、水素ガス供給部１５に繋がる主流路１７と接続され、下流側先端部には、主流体を噴出するための開口である吐出口３１が形成されている。吐出口３１の近傍には、ノズル部３２の全外周方向に亘って形成された部屋（空間）である吸入室３４を備え、吸入室３４の一部に循環流体を吸入する吸入口３３が形成され、吸入口３３にはポンプ部出口２６に繋がった循環流路２０が接続されている。主流体及び循環流体の混合圧縮を行うディフューザ部３５の下流側端部には、燃料電池スタック１１の水素ガス入口１６に繋がった主流路１７が接続される。即ち、エゼクタ１４は、主流路１７と循環流路２０との合流点に設置される。
【００３６】
エゼクタ１４において、水素供給部１５から供給される主流体は、吐出口３１から噴出されるときに減圧膨張して温度が急激に低下するため、吐出口３１の近傍および吐出口３１の下流域であるディフューザ部３５が冷却されることになる。循環流体は、主流体の噴出によって発生する負圧を利用して、吸入口３３より吸入されるが、循環流体には気液分離機により水分が除去されてもなお水分が含まれているため、循環流体が吐出口３１の近傍やディフューザ部３５を通過する際に冷却されて、循環流体中の水分が凍結し、流路を閉塞させるおそれがある。
【００３７】
図３等に示すように、水素ポンプ１３及びエゼクタ１４を一体化した一体型循環機２１は、エゼクタ１４を、ポンプ駆動部２３に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部２３で発生する熱を享受できる位置に設置することを特徴とする。従って、循環流体中の水分の凍結を防止して流路閉塞の問題を解消することが可能になる。即ち、モータ駆動部２３の駆動によって発生する熱を利用して、循環流体に含まれる水分の凍結を防止することができる。ここで、近接とは、エゼクタ１４とポンプ駆動部２３との距離が近いことを意味し、隣接とは、近接よりもさらに両者の距離が近く隣り合っていることを意味し互いに接触する場合を含む。即ち、一体型循環機２１の場合、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３は、隣接した位置に設置されているといえる。
【００３８】
ポンプ駆動部２３には、上記のように、電動モータ２７が設置され、電動モータ２７はロータ２９が回転することによって、シャフト２８が回転し、それに接続された圧縮手段２４が駆動する。電動モータ２７は、銅損、鉄損、機械損により駆動時に発熱する。電動モータ２７は、水素ガスを循環させる圧縮手段２４を高速駆動させるモータであるため、その発熱量は大きく、電動モータ２７を有するポンプ駆動部２３の温度は上昇して、ポンプ駆動部２３からは多量の熱が放出されることになる。従って、電動モータ２７のケーシング（ポンプ駆動部２３）は、放熱性を向上させるために熱伝導性の高い金属材料から構成されることが好ましい。
【００３９】
一体型循環機２１によれば、ポンプ駆動部２３から放出される熱をエゼクタ１４の温調（加熱）に利用することができる。なお、水素循環装置１２は、エゼクタ１４をポンプ駆動部２３に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部２３で発生する熱を享受できる位置に設置すれば、独立した水素ポンプ１３及びエゼクタ１４を備えることもできる。但し、ポンプ駆動部２３により発生する熱をエゼクタ１４に効率良く伝達して利用するためには、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３の距離は、できるだけ近いことが好ましく、両者が接触していることが特に好ましい。従って、熱伝導性の向上やコンパクト化の観点から、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３が接触配置された一体型循環機２１とすることが好ましい。なお、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３が接触配置された一体型循環機２１としては、別個に製造されたエゼクタ１４及びポンプ駆動部２３一体接合する形態、及びエゼクタ１４及びポンプ駆動部２３を一体成形する形態が挙げられる。
【００４０】
一体型循環機２１において、最も低温化する部分は、ノズル部３２の吐出口３１であり、循環流体中の水分が凍結するおそれが最も高い部分は、吸入室３４の吐出口３１近傍、及び冷却された主流体と循環流体とが混合されるディフューザ部３５である。即ち、水分凍結により閉塞するおそれが最も高い流路は、吸入室３４、ディフューザ部３５、及びエゼクタ１４の下流側の主流路１７である。一方、一体型循環機２１において、最も高温化する部分は、上記のように、電動モータ２７を格納したポンプ駆動部２３である。従って、エゼクタ１４のうち、特に、吸入室３４の吐出口３１の近傍及びディフューザ部３５と、ポンプ駆動部２３と、が接触するように配置することが好ましい。
【００４１】
図３に示す循環機２１は、ポンプ駆動部２３の上部にエゼクタ１４が設置されている。図４に示すように、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３は、同一の金属材料によって一体成形されており、電動モータ２７で発生した熱がエゼクタ１４に効率良く伝達される。図５に示す循環機２１においても、ポンプ駆動部２３の電動モータ２７が設置される部分の上部にエゼクタ１４が設置されており、同一の金属材料によって一体成形されており、電動モータ２７で発生した熱がエゼクタ１４に効率良く伝達される。即ち、エゼクタ１４の吸入室３４やディフューザ部３５を構成する部材と、ポンプ駆動部２３を構成する部材と、が接触するように配置されることが好ましく、図４及び図５に示すように、熱伝導性の高い材料で一体成形することもより好ましい。
【００４２】
なお、エゼクタ１４よりも上流側の主流路１７や循環流路２０をポンプ駆動部２３に接触するように配置して、冷却される前の主流体や循環流体を予め加熱することもできる。例えば、主流路１７を数箇所折り返した形状とし、主流路１７とポンプ駆動部２３とが接触する部分を増加させることもできる。
【００４３】
また、図３及び図５に示すように、水素ポンプ１３のポンプ部出口２６とエゼクタ１４の吸入口３３とを接続する循環流路２０の少なくとも一部が、上方に突出して湾曲している上方湾曲部３６を有することが好ましい。このような上方湾曲部３６を設けることにより循環流体中の水分がエゼクタ１４から逆流してポンプ部２２で凍結することを防止でき、水素ポンプ１３の起動不能を回避することが可能になる。即ち、水素ポンプ１３の停止時等に、万一循環流体中の水分がエゼクタ１４から逆流した場合であっても、発生した氷が上部湾曲部３６にトラップされてポンプ部２２に侵入することを防止できる。
【００４４】
以上のように、水素循環装置１２は、循環流体を圧縮するポンプ部２２及びポンプ部２２を駆動するポンプ駆動部２３を含む水素ポンプ１３と、吐出口３１から主流体を吐出する際に発生する負圧を利用して吸入口３３から循環流体を吸入して主流路１７に合流させるエゼクタ１４と、を備えるので、水素ポンプ１３の負担を軽減して、水素ポンプ１３の小型化や消費電力量の低減を実現できる。また、エゼクタ１４は、ポンプ駆動部２３に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部２３で発生した熱を享受する位置に設けられるので、モータ駆動部２３の駆動によって発生する熱を利用して循環流体に含まれる水分凍結を防止することができる。特に、熱伝導性の向上や更なる小型化等の観点から、エゼクタ１４の吸入室３４やディフューザ部３５を構成する部材と、ポンプ駆動部２３を構成する部材と、が接触した或いは両者が同一部材により一体成形された一体型循環機２１とすることが好ましい。
【００４５】
例えば、燃料電池１０の出力を上昇させる要求信号αが制御ユニット３７に入力された場合、制御ユニット３７は、水素ガス（主流体及び循環流体）の供給量が増加させるために、燃料制御弁１８の開度を高め、水素ポンプ１３の出力を増加させる制御を行うので、エゼクタ１４の吐出口３１はより低温化し、一方、水素ポンプ１３のポンプ駆動部２３はより高温化して多量の熱が放出されることになる。従って、ポンプ駆動部２３から発生する熱を利用して循環流体に含まれる水分の凍結を防止する一体型循環機２１の効果がより顕著に現れる。ポンプ駆動部２３の電動モータ２７から発生した熱は、図４及び図５に示すように、ポンプ駆動部２３及びエゼクタ１４の吸入室３４やディフューザ部３５を構成する金属材料を介して、エゼクタ１４の内部を流れる循環流体或いは循環流体と主流体とが混合された混合流体に効率良く伝達される。
【００４６】
なお、燃料電池１０の要求出力が低いときは、要求出力が高い場合に比べて吐出口３１の温度は低温化せず、ポンプ駆動部２３の温度も高温化しない。従って、一体型循環機２１によれば、エゼクタ１４の冷却状態に応じた適切な温度管理を行うことができる。また、一体型循環機２１は、エゼクタ１４及びポンプ駆動部２３が熱交換することにより、ポンプ駆動部２３を冷却する効果もあり、極めてエネルギ効率が高く、水分凍結防止の効果も高い装置である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】燃料電池の水素循環装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】２本の循環流路を有する燃料電池の水素循環装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】水素ポンプ及びエゼクタを一体化した循環器を示す模式図であり、エゼクタ部分のみを断面図としている。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】他の実施形態に係る循環器の断面を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０ 燃料電池、１１ 燃料電池スタック、１２ 燃料電池の水素循環装置、１３ 水素ポンプ、１４ エゼクタ、１５ 水素供給部、１６ 水素ガス入口、１７ 主流路、１８ 燃料制御弁、１９ 水素ガス出口、２０ 循環流路、２１ 一体型循環機、２２ ポンプ部、２３ ポンプ駆動部、２４ 圧縮手段、２５ ポンプ部入口、２６ ポンプ部出口、２７ 電動モータ、２８ シャフト、２９ ロータ、３０ ステータ、３１ 吐出口、３２ ノズル部、３３ 吸入口、３４ 吸入室、３５ ディフューザ部、３６ 上方湾曲部、３７ 制御ユニット、３８ パージ弁、３９ 減速機。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを供給する水素ガス供給部から燃料電池本体の水素ガス入口までを接続する主流路と、
燃料電池本体の水素ガス出口から主流路との合流点までを接続する循環流路と、
水素ガスを圧縮するポンプ部、及びポンプ部を駆動するポンプ駆動部を含み、水素ガスを圧送する水素ポンプと、
主流路中の水素ガスを吐出する吐出口、及び循環流路中の水素ガスを吸入する吸入口を含み、吐出口から水素ガスを吐出する際に発生する負圧を利用して、吸入口から水素ガスを吸入して主流路に合流させるエゼクタと、
を備え、
エゼクタは、ポンプ駆動部に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部で発生した熱を享受する位置に設けられることを特徴とする燃料電池の水素循環装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の水素循環装置において、
水素ポンプのポンプ部は、
循環流路の中途部に設けられることを特徴とする燃料電池の水素循環装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池の水素循環装置において、
水素ポンプ及びエゼクタは、一体化されると共に、
エゼクタが、ポンプ駆動部と隣接する部分に設置されることを特徴とする燃料電池の水素循環装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料電池の水素循環装置において、
水素ポンプのポンプ部出口とエゼクタの吸入口とを接続する流路の少なくとも一部が、上方に突出して湾曲することを特徴とする燃料電池の水素循環装置。
【請求項１】
水素ガスを供給する水素ガス供給部から燃料電池本体の水素ガス入口までを接続する主流路と、
燃料電池本体の水素ガス出口から主流路との合流点までを接続する循環流路と、
水素ガスを圧縮するポンプ部、及びポンプ部を駆動するポンプ駆動部を含み、水素ガスを圧送する水素ポンプと、
主流路中の水素ガスを吐出する吐出口、及び循環流路中の水素ガスを吸入する吸入口を含み、吐出口から水素ガスを吐出する際に発生する負圧を利用して、吸入口から水素ガスを吸入して主流路に合流させるエゼクタと、
を備え、
エゼクタは、ポンプ駆動部に近接又は隣接した位置であって、ポンプ駆動部で発生した熱を享受する位置に設けられることを特徴とする燃料電池の水素循環装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の水素循環装置において、
水素ポンプのポンプ部は、
循環流路の中途部に設けられることを特徴とする燃料電池の水素循環装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池の水素循環装置において、
水素ポンプ及びエゼクタは、一体化されると共に、
エゼクタが、ポンプ駆動部と隣接する部分に設置されることを特徴とする燃料電池の水素循環装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料電池の水素循環装置において、
水素ポンプのポンプ部出口とエゼクタの吸入口とを接続する流路の少なくとも一部が、上方に突出して湾曲することを特徴とする燃料電池の水素循環装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−４９９１４（Ｐ２０１０−４９９１４Ａ）
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１２６８７（Ｐ２００８−２１２６８７）
【出願日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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