专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明关于一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有将向燃料电池供给的新的气体与从该燃料电池排出的气体汇合而供给的喷射器。
背景技术：
以往，作为这种燃料电池系统，为了能够与燃料电池的负荷相对应地供给气体，已知有一种将喷射器构造成流量可变式的系统。例如，专利文献1所述的燃料电池系统，具有两个与氢气的规定流量相对应的喷射器，并根据燃料电池的输出电流利用驱动器来适当地切换两个喷射器。另外，特许文献2所述的燃料电池系统，根据配设于氢气供给系统的多个压力或者流量传感器所得到检测结果，适当地调整喷射器的燃料供给阀的开度。
〔专利文献1〕日本特开2002-56870号公报(第4页～第6页、第2图)〔专利文献2〕日本特开平9-213353号公报(第3页以及第1图)发明内容但是，像这样以往的燃料电池系统中，由于为了用喷射器来改变流量而设置有驱动器和传感器，所以容易使系统整体的控制复杂化。虽然鉴于该问题也可以提高驱动器等的控制性能(分辨率)，但是会提高成本。
本发明的目的是，提供一种可以利用简单的构造，根据燃料电池的负荷适当地供给气体的燃料电池系统。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统，具有配设在气体供给系统中的喷射器，并且该喷射器将向燃料电池供给的新气体与从燃料电池排出的气体汇合后供给。喷射器具有，喷射新气体、产生用于吸引从燃料电池排出的气体的负压的喷嘴，和用于控制通过喷嘴的新气体的流量的流量控制机构。在气体供给系统中，设置有第1流通路，该第1流通路用于将从燃料电池排出、汇合到喷射器之前的气体导入流量控制机构。流量控制机构，根据由第1流通路导入的气体的压力，来控制新气体的流量。
根据这种构造，虽然利用流量控制机构来控制通过喷嘴的新气体的流量，但是该控制，是根据从燃料电池排出的气体(以下主要称为排放气)来进行的。由此，可以机械地进行流量控制机构的控制，所以不必设置电气的驱动器和传感器等就可以完成。另外，因为有效地利用了排放气的压力，所以可以根据燃料电池的负荷，向其供给适量的气体。特别是，由于导入流量控制机构的气体是排放气，所以能够将对由燃料电池的气体消费量的变动引起的压力变化的应答性高的燃料电池的出口压力作用于喷射器。由此，在消费量变动的情况下，可以应答性良好地供给新气体。
在此，所谓“气体供给系统”，例如在气体是作为燃料的氢气的情况下，是指氢气所参与(流过)的一连串的部分。在“气体供给系统”中，还包括气体的供给源(例如氢气罐)和燃料电池内的气体流路。气体供给系统，既可以是氧气供给系统，也可以是氢气供给系统。
在这种情况下，优选在气体供给系统中，设置有将新气体导入流量控制机构的第2流通路，流量控制机构，根据来自于第1流通路的气体和来自于第2流通路的气体的差压，来控制新气体的流量。
同样地，优选在气体供给系统中，设置有将向燃料电池供给的汇合后的气体导入流量控制机构的第2流通路，流量控制机构，根据来自于第1流通路的气体和来自于第2流通路的气体的差压，来控制新气体的流量。
利用这些构造，可以根据新气体和排放气或汇合后的气体的差压，进行流量控制机构的控制。
在这些情况下，优选为，流量控制机构，具有前端部面对喷嘴的开口部的针，和连接于针的基端侧、表面侧被导入来自于第1流通路以及第2流通路中的一方的气体并且背面侧被导入来自于另一方的气体的活塞，和向针的前端侧对活塞的背面侧施力的加载部件；针，根据活塞中气体的差压和加载部件的加载力之间的平衡，在轴线方向进退，从而使喷嘴的开口面积可变。
利用该构造，例如，通过针在轴线方向的后退，针和喷嘴的开口部之间的间隙的面积变大，从而从该间隙喷出的新气体的流量变大。反之，通过针在轴线方向的前进，该间隙的开口面积变小，从而喷出的新气体的流量变小。这种可以改变喷嘴的开口面积的针的进退，是根据作用于活塞的差压以及加载力之间的平衡而实现的。所以，可以利用简单的构造，适当地控制通过喷嘴的新气体的流量。
在这些情况下，优选为，与新气体的流量相对应地设置有多个喷嘴，流量控制机构，通过根据差压来切换多个喷嘴，从而选择容许新气体通过的一个或者多个喷嘴，控制新气体的流量。
利用这种构造，将多个喷嘴设定为适用于新气体的各个流量区域，因此，仅根据差压来适当地切换引导新气体的喷嘴，就可以适当地控制通过喷嘴的新气体的流量。
在这些情况下，优选第1流通路被分支连接于从燃料电池排出、汇合到喷射器之前的循环流路中，同时设定为小于循环流路的通路截面积。
利用该构造，可以将排放气适当地导入喷射器的流量控制机构，并且可以确保适当的由喷射器的喷嘴吸引的排放气的流量。
以上，利用本发明的燃料电池系统，根据从燃料电池排出的气体的压力进行利用喷射器的流量控制，从而该控制中不必有各种电气构造，所以可以利用简单的构造，根据燃料电池的负荷适当地供给气体。
图1是表示实施方式1中燃料电池系统的构造的构成图。
图2是表示实施方式1中燃料电池系统的要件的简略构成图。
图3是表示实施方式2中燃料电池系统的要件的简略构成图。
图4是表示实施方式3中燃料电池系统的要件的简略构成图。
图5是表示实施方式4中燃料电池系统的要件的简略构成图。
图6是表示实施方式5中燃料电池系统的要件的简略构成图。
图7是表示实施方式6中燃料电池系统的要件的简略构成图。
图8是表示实施方式7中燃料电池系统的要件的简略构成图。
具体实施例方式
以下，参照附图，说明本发明的最佳实施方式的燃料电池系统。该燃料电池系统，具有以流量可变的方式构成的喷射器，通过在机械构造上(自律地)进行该喷射器的气体的流量控制，从而进行与燃料电池的负荷相对应的气体的供给。以下，首先说明将喷射器配设在氢气的供给系统上的例子。另外，以代表了装载有燃料电池系统的机器的燃料电池车辆为例，来说明燃料电池系统。
〔实施方式1〕如图1所示，燃料电池系统1，具有固体分子电解质型的燃料电池2，其接受氧气(空气)以及氢气(燃料气体)的供给从而产生电力。燃料电池2，是作为层积了多个电池单元的层叠构造而构成的。燃料电池系统1，具有向燃料电池2供给氧气的氧气供给系统3、和向燃料电池2供给氢气的氢气供给系统4。
氧气供给系统3，具有向燃料电池2供给被加湿器11加湿的氧气的供给流路12，和将从燃料电池2排出的氧气排放气引导入加湿器11的循环流路13，和用于将氧气排放气从加湿器11引导入燃烧装置的排气流路14。在供给流路12上，设置有获取大气中的氧气并向加湿器11加压输送的压缩机15。
氢气供给系统4，具有作为蓄存高压氢气的氢气供给源的氢气罐21，和将氢气罐21的氢气供给到燃料电池2的供给流路22，以及用于将从燃料电池2排出的氢气排放气送回到供给流路22的循环流路23，和使循环流路23的氢气排放气回流到供给流路22的喷射器24。利用喷射器24，来自氢气罐21的新的氢气和氢气排放气汇合，该汇合后的混合气体被供给到燃料电池2。
供给流路22，由位于喷射器24的上游侧、作为将新的氢气引导入喷射器24的流路的主流流路22a，和位于喷射器24的下游侧、作为经由加湿器25将混合气体引导入燃料电池2的流路的混合流路22b构成。在主流流路22a中，自其上游侧开始顺序地介设有开闭主流流路22a的截止阀31，和调整氢气压力的调压阀32。
加湿器25，以跨设在混合流路22b和循环流路23上的方式被介设于该两者之间，在混合气体和氢气排放气之间进行水分交换。因此，可以向燃料电池2供给适度湿润的混合气体。在循环流路23中，在加湿器25的下游侧介设有止回阀34，并且在加湿器25的下游侧分支配设有排出流路35。循环流路23的氢气排放气，通过止回阀34被吸引到喷射器24。另外，也可以采用省略加湿器25以及止回阀34的构造。
喷射器24，被构成为可以改变向燃料电池2供给的氢气(混合气体)的流量的方式构成。如图2所示，喷射器24，具有构成其外壳的壳体41。在壳体41中，形成有连接于主流流路22a下游侧的1次侧的供给口42，和连接于混合流路22b上游侧的2次侧的排出口43，和连接于循环流路23下游侧的负压作用侧(3次侧)的吸入口44。
在壳体41的内部，构成有将新氢气向下游侧喷射的喷嘴46，和控制通过喷嘴46的新氢气的流量的流量控制机构47，和设置于喷嘴46的下游侧、使通过了喷嘴46后的新氢气和氢气排放气汇合的扩散室48。喷嘴46，由所谓的缩口喷嘴构成。也就是说，喷嘴46，朝着氢气的流动方向越来越细，前端部在扩散室48侧开口。喷嘴46的扩开的基端侧，连接于1次侧的供给口42。
扩散室48，与喷嘴46同轴地形成，它与喷嘴46之间的上游侧连接于3次侧的吸入口44。另外，扩散室48的下游侧，连接于2次侧的排出口43。当从喷嘴46向扩散室48喷射新氢气时，产生用于吸引氢气排放气的负压，从而循环流路23的氢气排放气被吸入到扩散室48。由此，在扩散室48中新氢气和氢气排放气汇合·混合，该混合气体，从扩散室48经由排出口43向混合流路22b排出。
流量控制机构47，具有前端侧正对着喷嘴46的开口部的针61，和连接于针61的基端侧的活塞62，和配置于活塞62的背面侧62b的弹簧63(加载部件)。这些针61、活塞62以及弹簧63，与喷嘴46同轴地配设。
针61，由圆锥或者角锥这样的锥体构成，朝着前端侧越来越细，例如前端部以抛物面形成。弹簧63，具有规定的弹簧特性系数，被介设在活塞62的背面侧62b和壳体41的内部之间。弹簧63，对活塞62的背面侧62b向针61的前端侧施力。
活塞62，其外周部被壳体41的内部支持，并且可以在其轴线方向上滑动。活塞62的表面侧62a，在其中央部连接着针61，并且，向除此之外的其他周边部经由供给口42导引来自于主流路22a的新氢气。另一方面，活塞62的背面侧62b，在其中央部连接着弹簧63，并且，向除此之外的其他周边部作为信号压通过形成在壳体41上的压力导入口70导引来自于循环流路23的氢气排放气。
具体地是，在氢气供给系统4，设置有分别向活塞62的表背各面引导新氢气以及氢气排放气的两条流通路(第1流通路以及第2流通路)。第1流通路，由分支连接于循环流路23并且比循环流路23的流路横截面积小的分流流路81构成。第2流通路，由主流通路22a兼任。分流流路81，经由压力导入口70，与在活塞62的背面侧62b和壳体41的内部之间所划分成的压力室72相通。并且，分流流路81，既可以如图所示相对于喷射器24设为外部管道，也可以是形成在喷射器24的壳体41中的内部管道。
因此，主流流路22a的新氢气的压力P1作用于活塞62的表面侧62a，分流流路81的氢气排放气的压力P2以及弹簧63的加载力作用于活塞62的背面侧62b。利用此构造，根据活塞62中氢气的差压和弹簧63的加载力之间的平衡，针61在轴线方向上进退。通过针61的进退，针61和喷嘴46的前端部之间的间隙的开口面积(以下，称为喷嘴46的开口面积)可变，从而来控制通过喷嘴46的新氢气的流量。
为了方便详细叙述，将活塞62的表面侧62a的氢气的压力设为P4，将活塞62的背面侧62b的压力室72的氢气的压力设为P5，以便进行说明。当P4大于P5加上弹簧63的加载力得到的值时，针61后退从而喷嘴46的开口面积变大，从而通过喷嘴46的新氢气的流量变大。反之，当P4小于P5加上弹簧63的加载力得到的值时，针61前进从而喷嘴46的开口面积变小，从而通过喷嘴46的新氢气的流量变小。
并且，针61的进退的终端位置被限制在规定位置上，在前进到最前端的情况下，针61的外周面接触在喷嘴46的内周面上从而喷嘴46的前端部堵塞。另外，在针61后退到最后端的情况下，活塞62的背面侧62b接触在设置于压力室72的图未示的挡块上，从而规定了后退的针61的终端位置。另外，主要利用活塞62、弹簧63、以及两个用于将两处的氢气引导向活塞62的流通路(22a、81)，构成了使针61在轴线方向上进退的针移动装置。
关于本实施方式的燃料电池系统1的作用，以与燃料电池2的负荷之间的关系为中心来说明。一般地，在燃料电池车辆加速等时燃料电池2的发电量增加的情况下，燃料电池2所消费的氢气的消费量增加。当该消费量增加从而混合流路22b的流量增加时，在燃料电池2中的压力损失变大，从而循环流路23的氢气排放气的压力P2降低(混合流路22b的混合气体的压力P3也降低)。此时，通过分流流路81从而压力室72的压力P5降低。于是，活塞62以及针61，通过P4、P5以及弹簧63的加载力之间的平衡，从平衡状态抵抗弹簧63向后退。
由此，喷嘴46的开口面积变大，所以通过喷嘴46的新氢气的流量增加。因此，在燃料电池2的负荷变大的情况下，喷射器24会自律地适当地对应。并且，由于新氢气的流量增加，混合气体的压力P3上升，所以向燃料电池2供给的混合气体的压力(即，燃料电池入口压)确保为适当的值。另外此时，氢气排放气的流量增加，从而氢气排放气的流量在与新氢气的流量之间的关系中确保为适当的值。
另一方面，在燃料电池车辆起动时、空载时、以及减速时等燃料电池2的发电量减少的情况下，燃料电池2消费的氢气的消费量减少。当该消费量减少从而混合流路22b的流量减少时，在燃料电池2的压力损失变小，从而循环流路23的氢气排放气的压力P2上升(混合流路22b的混合气体的压力P3也上升)。此时，经过分流流路81压力室72的压力P5上升。由此，活塞62以及针61，根据P4、P5以及弹簧63的加载力之间的平衡，从平衡状态向前进。
由此，喷嘴46的开口面积变小，所以通过喷嘴46的新氢气的流量减少。所以，在燃料电池2的负荷变小的情况下，喷射器24会自律地适当地对应。并且，由于新氢气的流量减少，混合气体的压力P3降低，所以向燃料电池2供给的混合气体的压力确保在适当的值。另外此时，氢气排放气的流量减少，从而氢气排放气的流量在与新氢气的流量之间的关系中确保为适当的值。
像以上那样，根据本实施方式的燃料电池系统1，由于根据氢气供给系统4的差压，利用喷射器24来进行氢气的流量控制，所以不必采用以往那样的各种电气构造来完成该流量控制，从而能够使系统整体简化。另外，能够根据燃料电池2的负荷向其供给适量的氢气。特别是，由于将压力引入到流量控制机构47的气体设为氢气排放气，所以与燃料电池2的负荷相对应地变动的压力变化应答性高的压力(即燃料电池出口压)作用于喷射器24。由此，在氢气的消费量变动时，新的氢气的供给量的应答性提高。
〔实施方式2〕接下来，参照图3，以与实施方式1的不同点为中心来说明燃料电池系统1的实施方式2。在本实施方式中，不是将氢气排放气而是将混合气体导入流量控制机构47。具体地是，在循环流路23，分支连接有流路横截面积比其小的分流流路71，该分流流路71经由压力导入口70与压力室72连通。所以，分流流路71的混合气体的压力P3以及弹簧63的加载力作用于活塞62的背面侧62b。
像上述那样，当燃料电池的发电量增加从而混合气体的压力P3降低时，经过分流流路71压力室72的压力P5降低。因此，和实施方式1一样，根据P4、P5以及弹簧63的加载力之间的平衡，可以使针61后退。反之，当燃料电池2的发电量减少从而混合气体的压力P3上升时，经过分流流路71压力室72的压力P5上升。由此，根据P4、P5以及弹簧63的加载力之间的平衡，可以使针61前进。
这样，由于可以根据混合气体的压力使流量控制机构47工作，所以与上述实施方式一样，可以利用喷射器24根据燃料电池2的负荷向其供给适量的氢气。并且，分流流路71，和实施方式1一样，既可以相对于喷射器24设为外部管道，也可以设为制作在喷射器24的壳体41中的内部管道。
〔实施方式3〕接下来，参照图4，以与实施方式1的不同点为中心来说明燃料电池系统1的实施方式3。本实施方式的导入到流量控制结构47的氢气的压力是，紧挨着喷嘴46的上游的新氢气的压力，和与此不同的更靠近上游位置的新氢气的压力。因此，与实施方式1相比，不仅分流流路的构造不同，并且喷嘴46和针61的构造也不同。
喷嘴46，由所谓的扩口喷嘴构成，通过针61的进退，可以改变喷嘴46的喉部91和针61之间的间隙的开口面积(以下，和上述一样，称为喷嘴46的开口面积)。针61的前端部101，朝向前端侧呈放射状(ロ一ト状)扩开，从喷嘴46的下游侧正对着喷嘴46的开口部92以及喉部91。
在本实施方式中，通过针61后退，其前端部101接近喷嘴46的喉部91，所以喷嘴46的开口面积变小。另一方面，通过针61前进，其前端部101离开喷嘴46的喉部91，所以喷嘴46的开口面积变大。但是，喷嘴46的开口面积的最大值是，喉部91的横截面积减去与喷嘴46的前端部101相连的轴状的本体部102的横截面积所得的值。
在主流流路22a的下游侧，在壳体41的内部设置有用于对新氢气的流量进行节流的节流部111。通过节流部111后的新氢气，向喷嘴46以及活塞62的表面侧62a供给。所以，通过节流部111后的新氢气的压力P4作用于活塞62的表面侧62a。
在节流部111的上游侧的主流流路22a上，分支连接有比其流路横截面积小的分流流路112，该分流流路112经由压力导入口70与压力室72连通。所以，分流流路112的新氢气的压力P1以及弹簧63的加载力作用于活塞62的背面侧62b。在节流部111的前后在新氢气的压力P1、P4上存在压力差。在本实施方式中，着眼于该差压与新氢气的流量相对应地改变，从而根据该差压，借助活塞62使针61进退。
具体地是，当燃料电池2的发电量增加时，P1和P4的差压变大，此时，经过分流流路112，压力室72的压力P5和P4的差压也变大。当P4的压力小于P5加上弹簧63的加载力所得的值时，根据它们之间的平衡，针61前进。由此，喷嘴46的开口面积变大，从而通过喷嘴46的新氢气的流量增加。
另一方面，当燃料电池2的发电量减少时，P1和P4的差压变小，此时，经过分流流路112压力室72的压力P5和P4的差压也变小。当P4的压力大于P5加上弹簧63的加载力所得的值时，根据它们之间的平衡，针61后退。由此，喷嘴46的开口面积变小，从而通过喷嘴46的新氢气的流量减少。
这样，在本实施方式中同样，可以根据氢气供给系统4的差压，自动地进行由喷射器24实现的流量控制，从而可以根据燃料电池2的负荷向其适当地供给适量的氢气。并且，分流流路112，与实施方式1一样，也可以相对于喷射器24设为外部管道。
〔实施方式4〕接下来，参照图5，以与实施方式1的不同点为中心来说明本发明的燃料电池系统1的实施形态4。本实施方式的喷射器24，为了与新氢气的流量区域相对应，被以多级式构成。具体地是，喷射器24构成为，具有3个对应于新氢气的流量而设置的喷嘴46，和3个设置于各个喷嘴46的下游侧并且与各个喷嘴46同轴的扩散室48，3个喷嘴46以及3个扩散室48上下并列地排列。
也就是说，在本实施方式的喷射器24中，由位于该图上侧的喷嘴46以及扩散室48，构成对应于氢气的大流量区域的第1喷射器部121。同样地，由位于中间的喷嘴46以及扩散室48，构成对应于氢气的中流量区域的第2喷射器部122；由位于该图下侧的喷嘴46以及扩散室48，构成对应于氢气的小流量区域的第3喷射器部123。
例如，第1喷射器部121的喷嘴46以及扩散室48，与其他的喷射器部122、123相比，以最大的内径形成，从而通过喷嘴46的新氢气的流量也最大。
第1、第2以及第3喷射器部121、122、123，组装入一个壳体41，在壳体41内，3个喷嘴46的上游侧，分别连通于从1个主流流路22a分支出的3个分支流路131。另外，在壳体41内，3个扩散室48的下游侧汇合于1个流路，该汇合部连通于混合流路22b。并且第3喷射器部123中的喷嘴46和扩散室48之间，连接于3次侧的吸入口44。并且，如图5所示，第3喷射器部123以及第2喷射器部122中的喷嘴46和扩散室48之间连通，并且第2喷射器部122以及第1喷射器部121中的喷嘴46和扩散室48之间连通。
流量控制机构47，通过根据氢气的差压来切换3个喷嘴46(3个喷射器部121、122、123)，选择容许氢气通过的1个喷嘴46(一个喷射器部)，从而控制新氢气的流量。具体地是，流量控制机构47，由切换阀141以及弹簧142构成，切换阀141具有3个可以堵塞分支流路131的阀本体151，和2个在上下方向上连接3个阀本体151并且不会堵塞各个分支流路131的连接部152。
各个阀本体151，可以滑动地设置在壳体41的内部。来自于主流流路22a的新氢气，通过流通路162(第2流通路)被导入由最上侧的阀本体151和壳体41的内壁划分成的主流压力室161。另一方面，来自于混合流路22b的混合气体或者来自于循环流路23的氢气排放气，通过第1流通路172(分流流路)被导入由最下侧的阀本体151和壳体41的内壁划分成的分流压力室171。弹簧142，设置在分流压力室171中，经由最下侧的阀本体151对切换阀141整体向上方向施力。
关于本实施方式的燃料电池系统1的作用，以与燃料电池2的负荷的关系为中心来说明。在燃料电池2的发电量比较少时，如图5所示，上侧的2个阀本体151堵塞上侧的2个分支流路131，只有第3喷射器部123工作。在该状态下当燃料电池2的发电量增加时，氢气排放气的压力P2降低，此时，通过分流流路172分流压力室171的压力P5降低。
由此，根据P4、P5以及弹簧142的加载力之间的平衡，切换阀141向下方向移动。在此，在新氢气在中流量下能够满足的情况下，下降的上侧的2个阀本体151分别堵塞上下2个分支流路131，成为只有第2喷射器部122工作。另外，在需要大流量的新氢气的情况下，切换阀141继续下降，上侧的2个阀本体151堵塞下侧的2个分支流路131，成为只有第1喷射器部121工作。
另一方面，在大流量的状态即只有第1喷射器部121工作的状态下，当燃料电池2的发电量减少时，氢气排放气的压力P2上升，此时，经过分流流路172分流压力室171的压力P5上升。由此，根据P4、P5以及弹簧142的加载力之间的平衡，切换阀141向上方向移动。并且同样地，当新氢气满足中流量的情况下，成为只有第2喷射器部122工作，当需要小流量的新氢气的情况下，成为只有第3喷射器部123工作。
这样根据本实施方式，预先将各个喷射器部121、122、123设为适用于新氢气的各个流量区域的形式，通过根据差压适当地切换到规定的喷射器部，从而进行新氢气的流量的控制。所以，在本实施方式中同样，可以根据氢气供给系统4的差压进行由喷射器24实现的流量控制，从而可以根据燃料电池2的负荷适当地向其供给适量的氢气。
并且，虽然将切换阀141安装入喷射器24的壳体41中，但是当然也可以将转换阀141的构造设置在喷射器24的壳体41外。另外，虽然在一个壳体41中设置了多个的喷射器部121、122、123，但是也可以将各个喷射器部设为独立的构造。进而，在本实施方式中，对于每个氢气的流量区域分别用1个喷射器部，但是当然也可以有选择地组合多个喷射器部。也就是说，也可以根据差压选择多个喷嘴46。在此情况下例如，既可以以完全相同能力(吸引能力)构成多个喷射器部，也可以像上述那样以不同能力构成多个喷射器部。另外，在本实施方式中，作为导入流量控制机构47的气体，设为新氢气和氢气排放气的组合、或者新氢气和混合气体的组合，但是也可以用例如氢气排放气和混合气体的组合来代替这种构成。
〔实施方式5〕接下来，参照图6，以与上述实施方式的不同点为中心来说明燃料电池系统1的实施方式5。在上述各个实施方式中，喷射器24的构造是具有单个的流量控制机构47，根据氢气供给系统4中的一个差压来控制流量。在本实施方式中，喷射器24，为了达到大幅度的控制性而根据多个(两个)差压来控制流量，因此具有多个流量控制机构。
喷射器24，除了具有由第1流量控制机构181以及第2流量控制机构182构成的两个流量控制机构以外，与实施方式1同样地，还具有壳体41、1次侧的供给口42、2次侧的排出43、3次侧的吸入口44、单个的缩口喷嘴46、以及单个的扩散室48。
第1·第2流量控制机构181、182，以部分共用针61等各种部件的方式构成。第1流量控制机构181主要具有，连接于针61的基端侧的第1活塞191，和向针61的前端侧对第1活塞191的背面侧施力的第1弹簧192。第2流量控制机构182主要具有，经由连接部件183连接于第1活塞191的第2活塞201，和向针61的前端侧对第2活塞201施力的第2弹簧202。构成第1·第2流量控制机构181、182的主要的这些部件(191、192、183、201、202)，与喷嘴46同轴地配设。
连接部件183，例如由中空的阶梯圆杆构成。连接部件183，由可以滑动地支持第1活塞191的周缘部的粗径部211，和一个端部被固定在第2活塞201的表面侧的细径部212，和将细径部212的另一端部与粗径部211连接为一体的环状阶梯部213构成。并且，第2活塞201的周缘部可以滑动地被壳体41的内壁支持。
粗径部211的外周面，可以滑动地被固定在壳体41的内壁的环状的导向部221支持。粗径部211的内部，被第1活塞191划分为左右两部分。图示右侧的第1主流气体室222，主要由第1活塞191的表面侧、与其相对配置并且具有容许针61进退的气体导入开口部223的隔壁224、和粗径部211的内壁划分而成。另外，图示左侧的第1分流气体室226，主要由第1活塞191的背面侧、与其相对的环状阶梯部213、和粗径部211的内壁划分而成。在第1分流气体室226中设置着上述第1弹簧192。
来自于主流流路22a的新氢气，经由气体导入开口部223被导入第1主流气体室222。来自分支连接于循环流路23的第1分流流路227的氢气排放气，经过由细径部212构成的内部流路被导入第1分流气体室226。更具体地是，第1分流气体室226，与细径部212的内部流路连通，细径部212的内部流路，经由形成于第2活塞201的中央部的贯通孔231，与由流路形成部件232构成的内部流路连通。并且，流路形成部件232的内部流路与第1分流流路227连通。
流路形成部件232，由具有挠性的大致筒状的部件构成，一个端部固定于壳体41的内壁，另一端部固定于第2活塞201的背面侧。流路形成部件232，以随着第2活塞201的进退在其进退的方向上伸缩的方式构成。并且，流路形成部件232被插入第2弹簧202的内部。
利用这样的构造，第1流量控制机构181，根据第1主流气体室222的压力P41、第1分流气体室226的压力P51以及第1弹簧192的加载力之间的平衡，通过第1活塞191使针61进退。也就是说，第1流量控制机构181，根据新氢气的压力和氢气排放气的压力之间的差压，来控制通过喷嘴46的新氢气的流量。
另外，将新氢气导入第1流量控制机构181(的第1主流气体室222)的流通路(第2流通路)，主要由主流流路22a构成。另外，将氢气排放气导入第1流量控制机构181(的第1分流气体室226)的第1流通路，主要由第1分流流路227、流路形成部件232以及细径部212构成。
在壳体41的内部，与第2流量控制机构182相关联地，利用第2活塞201左右划分设置有第2主流气体室234和第2分流气体室235。第2主流气体室234，主要由第2活塞201的表面侧、与其相对的环状阶梯部213以及导向部221的侧面、壳体41的内壁划分而成。来自于主流流路22a的新氢气，经由贯通形成于导向部221的贯通流路236导入第2主流气体室234。也就是说，将新氢气导入第2主流气体室234的流通路，主要由主流流路22a以及贯通流路236构成。
第2分流气体室235，主要由第2活塞201的背面侧、包括与与相对的壁面在内的壳体41的内壁划分而成。在第2分流气体室235中，设置有上述第2弹簧202以及流路形成部件232。来自分支连接于混合流路22b的第2分流流路237的混合气体，被导入第2分流气体室235。也就是说，将混合气体导入第2分流气体室235的流通路，主要由第2分流流路237构成。
利用这样的构造，第2流量控制机构182，根据第2主流气体室234的压力P42、第2分流气体室235的压力P52以及第2弹簧202的加载力之间的平衡，顺次经由第2活塞201、连接部件183以及第1活塞191使针61进退。也就是说，第2流量控制机构182，根据新氢气的压力和混合气体的压力之间的差压，来控制通过喷嘴46的新氢气的流量。
关于本实施方式的燃料电池系统1的作用，分别根据每个流量控制机构，来说明燃料电池2的负荷与第1·第2流量控制机构181、182之间的关系。燃料电池2的发电量增加从而氢气排放气的压力P2降低时，经过第1分流流路227等第1分流气体室226的压力P51降低。由此，第1流量控制机构181，根据P41、P51以及第1弹簧192的加载力之间的平衡，使针61后退。所以，喷嘴46的开口面积变大，通过喷嘴46的新氢气的流量增加。
另外，在燃料电池2的发电量增加的情况下，如上所述，混合气体的压力P3降低，但此时，经过第2分流流路237第2分流气体室235的压力P52降低。由此，第2流量控制机构182，通过P42、P52以及第2弹簧202的加载力之间的平衡，使针61后退。所以，喷嘴46的开口面积变大，通过喷嘴46的新氢气的流量增加。
另一方面，当燃料电池2的发电量减少从而氢气排放气的压力P2上升时，经过第1分流流路227等第1分流气体室226的压力P51上升。由此，第1流量控制机构181，通过P41、P51以及第1弹簧192的加载力之间的平衡，使针61前进。所以，喷嘴46的开口面积变小，从而通过喷嘴46的新氢气的流量减少。
另外同样地，在燃料电池2的发电量减少的情况下，混合气体的压力P3上升，但此时，经过第2分流流路237第2分流气体室235的压力P52上升。由此，第2流量控制机构182，通过P42、P52以及第2弹簧202的加载力之间的平衡，使针61前进。所以，喷嘴46的开口面积变小，从而通过喷嘴46的新氢气的流量减少。
这样，在本实施方式中同样，可以根据氢气供给系统4的差压，进行由喷射器24执行的流量控制，从而可以根据燃料电池2的负荷适当地向其供给适量的氢气。特别是，由于根据两组的差压来控制流量，所以可以达到宽幅度的控制性。并且，在本实施方式中，作为构成差压的压力组合，设定为新氢气和氢气排放气、以及新氢气和混合气体，但是当然不限定于此，其组数也可以是两组或其以上。例如，也可以将新氢气和混合气体的组合设定为氢气排放气和混合气体的组合。
〔实施方式6〕接下来，参照图7，以与实施方式1的不同点为中心来说明燃料电池系统1的实施方式6。本实施方式的流量控制机构47，代替实施方式1中的利用氢气的差压来使针61进退的构造，具有利用燃料电池车辆的加速踏板241的开度(踏入量)来使针61进退的构造。
具体地是，流量控制机构47，除了加速踏板241以及针61以外，还具有固定着针61的基端侧的活塞62，和包括使活塞62连接于加速踏板241的金属杆242等的动力传动机构。动力传动机构，根据加速踏板241的踏入量，经由活塞62可使针61的进退量改变。
在燃料电池车辆加速时(燃料电池2的发电量增加时)，当加速踏板241的踏入量增加时，动力传动机构使活塞62后退，从而针61后退。由此，喷嘴46的开口面积变大，从而通过喷嘴46的新氢气的流量增加。
另一方面，在燃料电池车辆减速时(燃料电池2的发电量降低时)，当加速踏板241的踏入量减少时，动力传动机构使活塞62前进，从而针61前进。由此，喷嘴46的开口面积变小，从而通过喷嘴46的新氢气的流量减少。
这样在本实施方式中，流量控制机构47根据加速踏板241的踏入量可使喷嘴46的开口面积改变，所以即使不设置电气的驱动器和传感器等，也可以根据燃料电池2的负荷，向其供给适量的气体。
〔实施方式7〕接下来，参照图8，说明燃料电池系统1的实施方式7。本实施方式，将喷射器24配设在氧气供给系统3中。如该图所示，喷射器24，配设在加湿器11的上游侧的供给流路12中，1次侧连接于由压缩机15加压输送的主流流路12a，2次侧连接于与加湿器11连通的混合流路12b，3次侧连接于循环流路13。
利用喷射器24，来自于压缩机15的新氧气和氧气排放气汇合，并且该汇合后的混合气体经过加湿器11向燃料电池2供给。并且，在循环流路13中，在加湿器11的下游侧介设有止回阀251，氧气排放气通过止回阀251被吸引到喷射器24中。另外，当然喷射器24的配置部位不限定于此，例如也可以是加湿器11的下游侧。
作为本实施方式的喷射器24，可以使用上述各个实施方式的构造。另外同样地，在本实施方式的氧气供给系统3中，可以设置向喷射器24的流量控制机构47引导的两个流通路(分流流路71、81、112、227、237等)。这样，通过将喷射器24配设在氧气供给系统3中，并采用与上述各个实施方式相同的构造，从而可以适当地进行与燃料电池2的负荷相适应的氧气的供给，同时能够不使用电气而以机械结构自律地进行此时的由喷射器24实现的流量控制。
权利要求
1.一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有被配设在气体供给系统上的喷射器，该喷射器使向燃料电池供给的新的气体与从该燃料电池排出的气体汇合而供给，其特征在于，上述喷射器具有喷射上述新的气体、产生用于吸引从上述燃料电池排出的气体的负压的喷嘴；和控制通过上述喷嘴的上述新的气体的流量的流量控制机构；在上述气体供给系统中，设置有将从上述燃料电池排出、汇合到上述喷射器之前的期间的气体导入上述流量控制机构的第1流通路；上述流量控制机构，根据从上述第1流通路导入的气体的压力，控制上述新的气体的流量。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在上述气体供给系统中，设置有将上述新的气体导入上述流量控制机构的第2流通路；上述流量控制机构，根据来自于上述第1流通路的气体和来自于上述第2流通路的气体之间的差压，控制上述新的气体的流量。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在上述气体供给系统中，设置有将向上述燃料电池供给的汇合后的气体导入上述流量控制机构的第2流通路；上述流量控制机构，根据来自于上述第1流通路的气体和来自于上述第2流通路的气体之间的差压，控制上述新的气体的流量。
4.如权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于，上述流量控制机构具有前端侧对着上述喷嘴的开口部的针；连接于上述针的基端侧，在表面侧被导入来自于上述第1流通路以及上述第2流通路中的一方的气体并且在背面侧被导入来自于另一方的气体的活塞；以及朝向上述针的前端侧对上述活塞的背面侧进行加载的加载部件；上述针，根据上述活塞上的气体的差压和上述加载部件的加载力之间的平衡在轴线方向上进退，从而使上述喷嘴的开口面积可变。
5.如权利要求2至4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，上述喷嘴，与上述新的气体的流量相对应地设置有多个；上述流量控制机构，通过根据上述差压切换上述多个喷嘴从而选择容许上述新的气体通过的一个或多个喷嘴，控制该新的气体的流量。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，上述第1流通路，被分支连接在从上述燃料电池排出且汇合到上述喷射器之前的期间的循环流路上，同时将流路截面积设定为比该循环流路小。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，上述气体供给系统是氢气供给系统。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种可以利用简单的构造，根据燃料电池的负荷，用喷射器适当地供给气体的燃料电池系统。燃料电池系统(1)，利用配置在气体供给系统(4)中的喷射器(24)，将向燃料电池(2)供给的新气体与从燃料电池(2)排出的排放气汇合供给。喷射器(24)，具有喷射新气体从而产生用于吸引排放气的负压的喷嘴(46)，和控制通过喷嘴(46)的新气体流量的流量控制机构(47)。在气体供给系统(4)中，设置有将排放气导入流量控制机构(47)的第1流通路(81)，流量控制机构(47)，根据从第1流通路(81)导入的排放气的压力来控制新气体的流量。
文档编号H01M8/04GK1954454SQ20058001592
公开日2007年4月25日 申请日期2005年5月26日 优先权日2004年5月28日
发明者小林朋能, 山岸典生, 三岛崇司, 畔柳宗利 申请人:丰田自动车株式会社