JP2002056869A - 燃料電池の流体供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小流量から大流量まで広範囲において所定の
ストイキ特性を確保しつつ、必要流量を流せるようにす
る。 【解決手段】 エゼクタ３０は、先端に開口部６５を有
し開口部６５から第１流体を噴射可能な第１ノズル３２
と、先端に開口部５５を有し開口部５５に第１ノズル３
２が軸線を同一にして挿入され内部に第１流体を供給さ
れて開口部５５から噴射可能な第２ノズル３３と、前記
軸線と同方向に設けられ第１流体の噴射により発生する
負圧によって第２流体を吸引し第１流体に合流させて送
出するディフューザ３１と、第１ノズル３２を前記軸線
方向に移動させて位置変更可能にする駆動部３４とを備
え、第１ノズル３２と第２ノズル３３の開口部５５との
間隙から第１流体をディフューザ３１に供給可能にする
とともに、第１ノズル３２から第１流体をディフューザ
３１に供給可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池の燃料
等供給系に使用される流体供給装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、固体高分子膜型燃料電池は、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（以下において燃料電池と呼ぶ）を備
えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソ
ードに酸化剤として空気が供給されて、アノードで触媒
反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜
を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電
気化学反応を起こして発電するようになっている。

【０００３】ここで、固体分子電解質膜のイオン導電性
を保つために、燃料電池に供給される水素には加湿装置
等によって過剰の水が混合されている。このため、燃料
電池の電極内のガス流路に水が溜まって、このガス流路
が塞がれることがないように、排出燃料には所定の排出
流量が設定されている。

【０００４】この際、排出燃料（以下、水素復流という
こともある）を、新たに燃料電池に導入される燃料（す
なわち水素）に混合して再循環させることで、燃料を有
効に活用することができ、固体高分子膜型燃料電池のエ
ネルギー効率を向上させることができる。従来、上述し
たような燃料電池装置として、例えば特開平９−２１３
３５３号公報に開示された燃料電池装置のように、エゼ
クタによって燃料を再循環させる燃料電池装置が知られ
ている。

【０００５】ここで、エゼクタについて説明すると、従
来の一般的なエゼクタは、図１３に示すように、ラッパ
状をなすディフューザ１の基端開口に復流室２を連設
し、この復流室２に復流通路３を連通し、ディフューザ
１と同軸上に配置したノズル４を復流室２内に突き出し
てその先端をディフューザ１の基端開口に臨ませて構成
されている。このエゼクタでは、燃料電池に新たに導入
される水素をノズル４からディフューザ１に向けて噴射
すると、ディフューザ１のスロート部５に負圧が発生
し、この負圧により復流室２に導入された水素復流がデ
ィフューザ１内に吸引され、ノズル４から噴射された水
素と水素復流とが混合されてディフューザ１の出口から
送出される。

【０００６】このエゼクタの吸引効率を示す指標にスト
イキがある。ここで、ストイキとは、前記例で言えば、
ノズルから噴出される水素流量（すなわち、水素消費流
量）Ｑａに対するディフューザから流出する水素流量
（すなわち、燃料電池に供給される水素供給全流量）Ｑ
ｔの比（Ｑｔ／Ｑａ）として定義される。また、復流室
からディフューザに吸引される水素復流流量をＱｂとす
ると、Ｑｔ＝Ｑａ＋Ｑｂであるから、ストイキは（Ｑａ
＋Ｑｂ）／Ｑａと定義される。このようにストイキを定
義すると、ストイキ値が大きいほど吸引効率が大きいと
いうことができる。

【０００７】ところで、従来のエゼクタでは、一つのエ
ゼクタにおいてディフューザ径およびノズル径が固定さ
れているため、使用流体の流量範囲内で各々最適な径を
選定し使用するのが一般的である。この場合、エゼクタ
のストイキ値が最大になる流体流量（前記例で言えば水
素消費流量Ｑａ）は一定の値に決定される。図１４は、
燃料電池の燃料供給用エゼクタにおいて、ストイキ値と
水素消費流量Ｑａとの関係（以下、ストイキ特性とい
う）をノズル径をパラメータとして求めた実験結果の一
例を示しており、ノズル径が小さくなるとストイキ値は
上昇するが、水素消費流量Ｑａが少なくなり、一方、ノ
ズル径が大きくなると水素消費流量Ｑａは大きくなるが
ストイキ値は小さくなる。

【０００８】ここで、燃料電池の場合には、図１４にお
いて太い実線で示すように、燃料電池の運転状態によっ
て要求されるストイキ値（以下、要求ストイキ値とい
う）が決まっている上、燃料電池自動車の場合には、ア
イドリングから全開出力まで水素流量が１０〜２０倍も
変化するため、一つのエゼクタで水素流量の全域に亘っ
て要求ストイキ値を満足させることは困難であった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この問題を回避するた
めに、小径ノズルと小径ディフューザを組み合わせた小
流量用のエゼクタと、大径ノズルと大径ディフューザを
組み合わせた大流量用のエゼクタを切り替えて使用す
る、バイパス通路付きの２連切り替えエゼクタシステム
が本出願人により提案されている（特願２０００−８５
２９１号）。この方式では、小流量から大流量まで比較
的に広い範囲に亘って満足できるストイキ性能を確保す
ることができるが、２本のエゼクタと流路切替手段が必
要になる上、更なるストイキ性能向上のためには３本、
４本とエゼクタの数を増やし、この多数のエゼクタを切
り替えることが必要になり、装置の大型化、重量増を招
き、不利であった。

【００１０】また、燃料電池における燃料供給用エゼク
タではないが、特開平８−３３８３９８号公報や特開平
９−２３６０１３号公報において可変流量エゼクタが提
案されている。特開平８−３３８３９８号公報に開示さ
れた可変流量エゼクタは、ノズル内部に軸線方向に移動
可能なロッドが内蔵されていて、このロッドを軸線方向
に移動させることによりノズル先端の開口面積を変更で
きるようにしたものである。しかしながら、この可変流
量エゼクタでは、ノズル先端の開口面積を変えることに
よりストイキ値を変えることはできるものの、小流量の
ときに開口面積を小さくすると壁面抵抗が増大して所望
するストイキ性能を得ることができないという問題があ
った。

【００１１】一方、特開平９−２３６０１３号公報に開
示された可変流量エゼクタは、ノズルをディフューザに
対して軸線方向に移動可能にしたり、径の異なるノズル
を複数用意しノズルを交換可能にしたものである。この
可変流量エゼクタでは、ノズルを交換しなければノズル
径を変更することができないため、要求されるストイキ
値が連続的且つ短時間に変化する燃料電池自動車に搭載
するエゼクタとしては適さない。そこで、この発明は、
広範囲の流量域において所定のストイキ性能を確保する
ことができる燃料電池の流体供給装置を提供するもので
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した発明に係る燃料電池（例えば、
第１の実施の形態における燃料電池１１）の流体供給装
置（例えば、第１の実施の形態におけるエゼクタ３０）
は、先端に開口部（例えば、第１の実施の形態における
開口部６５）を有し該開口部から第１流体（例えば、第
１の実施の形態における水素）を噴射可能な第１ノズル
（例えば、第１の実施の形態における第１ノズル３２）
と、先端に開口部（例えば、第１の実施の形態における
開口部５５）を有し該開口部に前記第１ノズルが軸線を
同一にして挿入され内部に第１流体を供給されて前記開
口部から噴射可能な第２ノズル（例えば、第１の実施の
形態における第２ノズル３３）と、前記軸線と同方向に
設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によっ
て第２流体（例えば、第１の実施の形態における水素復
流）を吸引し前記第１流体に合流させて送出するディフ
ューザ（例えば、第１の実施の形態におけるディフュー
ザ３１）と、前記第１ノズルを前記軸線方向に移動させ
て位置変更可能にする第１ノズル位置調整手段（例え
ば、第１の実施の形態における駆動部３４）とを備え、
前記第１ノズルと前記第２ノズルの開口部との間隙から
前記第１流体を前記ディフューザに供給可能にするとと
もに、前記第１ノズルから前記第１流体を前記ディフュ
ーザに供給可能にしたことを特徴とする。

【００１３】このように構成することで、ディフューザ
に小流量の第１流体を供給する時には第１ノズルからの
み第１流体をディフューザに供給することができ、ディ
フューザに大流量の第１流体を供給する時には第１ノズ
ルと第２ノズルの開口部との間隙から第１流体をディフ
ューザに供給することができる。しかも、第１ノズルと
第２ノズルの開口部との間隙から第１流体をディフュー
ザに供給する時には、第１ノズル位置調整手段によって
第１ノズルを軸線方向に移動し位置変更することにより
第１ノズルと第２ノズルの開口部との間隙の開口面積を
連続的に変えることができる。したがって、ディフュー
ザに供給する第１流体を小流量から大流量まで連続的に
調整することができる。特に、小流量の第１流体をディ
フューザに供給する時には第１ノズルからのみ供給する
ことができるので、この時に第１流体が受ける壁面抵抗
を小さくすることができる。

【００１４】請求項２に記載した発明は、前記請求項１
に記載の燃料電池の流体供給装置において、前記第１ノ
ズルは、前記第１ノズルからのみ前記第１流体を前記デ
ィフューザに供給する時に前記第２ノズルへの前記第１
流体の供給を遮断する流体供給遮断機能を備えることを
特徴とする。このように構成することで、前記第１ノズ
ル位置調整手段で第１ノズルを軸線方向に移動すること
により、第１流体のディフューザへの供給流路の切り替
えと、第１ノズルと第２ノズルの開口部との間隙の開口
面積の連続的な変更を行うことができる。したがって、
一つのアクチュエータで流体供給装置を動作させること
ができる。

【００１５】請求項３に記載した発明に係る燃料電池
（例えば、第３の実施の形態における燃料電池１１）の
流体供給装置（例えば、第３の実施の形態におけるエゼ
クタ２００）は、先端にテーパ部（例えば、第３の実施
の形態におけるテーパ部２２１）を有するニードル（例
えば、第３の実施の形態におけるニードル２０３）と、
先端に開口部（例えば、第３の実施の形態における開口
部２１４）を有し該開口部に前記ニードルのテーパ部が
軸線を同一にして挿入され内部に第１流体（例えば、第
３の実施の形態における水素）を供給されて前記開口部
から噴射可能な第１ノズル（例えば、第３の実施の形態
における第１ノズル部２０２）と、先端に開口部（例え
ば、第３の実施の形態における開口部２３１）を有し該
開口部を前記第１ノズルの開口部近傍に配置し前記開口
部から第１流体を噴射可能な第２ノズル（例えば、第３
の実施の形態における第２ノズル部２０４）と、前記ニ
ードルおよび前記第１ノズルと軸線を同一にして設けら
れ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２
流体（例えば、第３の実施の形態における水素復流）を
吸引し前記第１流体に合流させて送出するディフューザ
（例えば、第３の実施の形態におけるディフューザ部２
０１）と、前記ニードルを前記軸線方向に移動させて位
置変更可能にするニードル位置調整手段（例えば、第３
の実施の形態における駆動部）とを備え、前記ニードル
と前記第１ノズルの開口部との間隙から前記第１流体を
前記ディフューザに供給可能にするとともに、前記第２
ノズルから前記第１流体を前記ディフューザに供給可能
にしたことを特徴とする。

【００１６】このように構成することで、ディフューザ
に小流量の第１流体を供給する時には第２ノズルからの
み第１流体をディフューザに供給することができ、ディ
フューザに大流量の第１流体を供給する時には、第１ノ
ズルの開口部とニードルとの間隙および第２ノズルから
第１流体をディフューザに供給することができる。しか
も、第１ノズル位置調整手段によって第１ノズルを軸線
方向に移動し位置変更することにより第１ノズルの開口
部とニードルとの間隙の開口面積を連続的に変えること
ができる。したがって、ディフューザに供給する第１流
体を小流量から大流量まで連続的に調整することができ
る。特に、小流量の第１流体をディフューザに供給する
時には第２ノズルからのみ供給することができるので、
この時に第１流体が受ける壁面抵抗を小さくすることが
できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る燃料電池の
流体供給装置の実施の形態を図１から図１２の図面を参
照して説明する。 〔第１の実施の形態〕図１は本発明に係る流体供給装置
を備えた燃料電池の燃料供給系のシステム構成図であ
る。この燃料電池の燃料供給系システムは、例えば電気
自動車等の車両に搭載されており、燃料電池１１と、加
湿部１３と、酸化剤供給部１４と、熱交換部１５と、水
分離部１６と、エゼクタ（流体供給装置）３０と、燃料
供給側圧力制御部１８とを備えて構成されている。

【００１８】燃料電池１１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。

【００１９】空気極には、酸化剤供給部１４から空気が
供給される空気供給口２０ａ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２１が設けられた空気排
出口２０ｂ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２０ｃ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２０ｄが設けられてい
る。

【００２０】酸化剤供給部１４は、例えばエアーコンプ
レッサーからなり、燃料電池１１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１５を介して、燃料電池１１の空気極に空
気を供給するとともに、燃料供給側圧力制御部１８に空
気を供給している。熱交換部１５は、酸化剤供給部１４
からの空気を所定の温度に加温して、燃料電池１１へと
供給している。

【００２１】燃料としての水素は、燃料供給側圧力制御
部１８、エゼクタ３０，加湿部１３を介して燃料供給口
２０ｃから燃料電池１１の燃料極に供給される。加湿部
１３は、供給される水素に水蒸気を混合して水素を加湿
してから燃料電池１１へと供給し、固体分子電解質膜の
イオン導電性を確保している。

【００２２】エゼクタ３０は燃料供給側圧力制御部１８
と加湿部１３とを接続する流路に設けられている。エゼ
クタ３０の構成については後で詳述するが、図１および
図２に示すように、燃料供給側圧力制御部１８はエゼク
タ３０の水素入口８０に接続され、加湿部１３はエゼク
タ３０の水素出口管４２に接続されている。そして、エ
ゼクタ３０の水素復流入口管４５に、燃料電池１１の燃
料排出口２０ｄから排出された排出燃料が、水分離部１
６で水分を除去され、逆止弁２３を通じて供給される。
エゼクタ３０は、燃料供給側圧力制御部１８から供給さ
れた燃料と燃料電池１１から排出された排出燃料を混合
して燃料電池１１に供給するものである。

【００２３】燃料供給側圧力制御部１８は、例えば空気
式の比例圧力制御弁からなり、酸化剤供給部１４から供
給される空気の圧力を信号圧として、燃料供給側圧力制
御部１８を通過した燃料が燃料供給側圧力制御部１８の
出口で有する圧力、つまり供給圧を所定値に設定してい
る。

【００２４】次に、エゼクタ３０について図２および図
３を参照して説明する。図２はエゼクタ３０の全体断面
図であり、図３は要部を拡大して示す断面図である。エ
ゼクタ３０は、ディフューザ３１と、第１ノズル３２
と、第２ノズル３３と、駆動部３４と、切り替え弁３５
を主要構成としている。

【００２５】ディフューザ３１は、下流側に位置する第
１ブロック３６と上流側に位置する第２ブロック３７を
同一軸線上に連結してなり、第１ブロック３６には軸線
方向に貫通する流体通路３８が形成されている。流体通
路３８は、その途中に内径が最小となるスロート部３９
を有し、このスロート部３９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絞り部４０が
設けられ、スロート部３９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拡径部４１が設
けられている。拡径部４１の広がり角度は上流側の絞り
部４０の広がり角度よりも小さい。なお、図２および図
３において左方向が下流であり、右方向が上流となる。
第１ブロック３６の下流側端部には水素出口管４２が接
続されている。

【００２６】第２ブロック３７には軸線方向に貫通する
貫通孔４３が設けられており、この貫通孔４３の下流端
が第１ブロック３６の絞り部４０に連通している。第２
ブロック３７の貫通孔４３には、その上流側開口から第
２ノズル３３が挿入固定されている。

【００２７】第２ノズル３３は、第２ブロック３７の上
流側端部にシール状態に固定されるフランジ部５０と、
このフランジ部５０から下流方向に連設されて第２ブロ
ック３７の貫通孔４３に嵌入する大径部５１と、この大
径部５１から下流方向に連設された小径部５２とを有し
ている。また、第２ノズル３３は、フランジ部５０に開
口する大径孔５３と、この大径孔５３に連通して下流側
に延びる小径孔５４とを備え、小径孔５４は第２ノズル
３３の下流側端面で開口する開口部５５に連なってい
る。そして、第２ブロック３７の貫通孔４３において第
２ノズル３３よりも下流側の空間は復流室４４となって
いて、第２ブロック３７には復流室４４に水素復流を供
給する水素復流入口管４５が接続されている。

【００２８】第２ノズル３３の内部に第１ノズル３２が
挿入されている。第１ノズル３２には、第２ノズル３３
の大径孔５３を軸線方向にシール状態に摺動可能な大径
部６０と、この大径部６０から軸線方向に沿って下流側
に連設された下流小径部６１と、大径部６０から軸線方
向に沿って上流側に連設された上流小径部６２とを有し
ている。下流側小径部６２の先端部には、下流に進むに
したがって外径が連続的に漸次縮径するテーパ部６３が
形成されており、このテーパ部６３が第２ノズル３３の
開口部５５に挿入されている。

【００２９】また、第１ノズル３２の内部には軸線方向
に沿って延びる流体通路６４が形成されており、流体通
路６４の下流端は、第１ノズル３２の先端面、すなわち
テーパ部６３の先端面で開口する開口部６５に連なって
おり、流体通路６４の上流端は、第１ノズル３２の下流
端に連結固定された可動シャフト６６によって閉塞され
ている。そして、第１ノズル３２の大径部６０は、第２
ノズル３３の大径孔５３を、上流側の第１通路５６と下
流側の第２通路５７に区画している。また、第１ノズル
３２には流体通路６４と第１通路５６とを連通する流体
通路６７が設けられている。

【００３０】ディフューザ３１の流体通路３８と、第１
ノズル３２の流体通路６４および開口部６５と、第２ノ
ズル３３の小径孔５４および開口部５５は、同一軸線上
に配置されいる。また、第１ノズル３２はその軸線方向
に移動可能になっており、第１ノズル３２の軸線方向移
動により、第２ノズル３３の開口部５５を第１ノズル３
２のテーパ部６３によって開閉することができるととも
に、第２ノズル３３の開口部５５と第１ノズル３２のテ
ーパ部６３との間隙の開口面積を変えることができるよ
うになっている。

【００３１】第１ノズル３２に連結されている可動シャ
フト６６は、カップリング７０を介して駆動部３４の出
力シャフト７１に連結されており、この駆動部３４によ
り第１ノズル３２が軸線方向に移動せしめられる。ま
た、駆動部３４は例えばリニア駆動型ステップモータで
構成され、燃料電池１１の出力電流に基づいて所定に制
御される。第１ノズル３２と可動シャフト６６との間
は、金属ベローズを備えたシール部材７２によってシー
ルされている。

【００３２】また、ディフューザ３１の第２ブロック３
７と第２ノズル３３には、第１通路５６あるいは第２通
路５７に連通する流体通路４６，４７が設けられてお
り、流体通路４６，４７は切り替え弁３５に接続されて
いる。第１ノズル３２の移動範囲は、第１通路５６と流
体通路４６、および、第２通路５７と流体通路４７が常
時連通する範囲に規制されている。

【００３３】切り替え弁３５は、流体通路４６に連通す
る第１室８１と、流体通路４７に連通する第２室８２
と、第１室８１と第２室８２の間に設けられ水素入口８
０に連なる弁室８３とを備え、第１室８１と弁室８３と
を連通する開口部には環状の第１弁座８４が設けられ、
第２室８２と弁室８３とを連通する開口部には環状の第
２弁座８５が設けられている。第１弁座８４と第２弁座
８５は対向して配置されており、両弁座８４，８５の間
に弁体８６が設けられている。弁体８６は電磁アクチュ
エータ８７によって移動可能にされており、第１弁座８
４および第２弁座８５に着座離間可能になっている。そ
して、弁体８６が第１弁座８４に着座すると、弁室８３
と第２室８２が連通するとともに弁室８３と第１室８１
とが遮断され、弁体８６が第２弁座８５に着座すると、
弁室８３と第１室８１が連通するとともに弁室８３と第
２室８２とが遮断される。

【００３４】このように構成されたエゼクタ３０では、
水素復流入口管４５からディフューザ３１の復流室４４
に水素復流を供給し、切り替え弁３５の水素入口８０に
水素を供給して、第１ノズル３２の開口部６５から、あ
るいは第２ノズル３３の開口部５５と第１ノズル３２の
テーパ部６３との間隙から水素を噴射すると、噴射され
た水素がディフューザ３１の流体通路３８に流れ、この
ときにスロート部３９の近傍において負圧が発生し、こ
の負圧によって復流室４４内の水素復流が流体通路３８
に吸い込まれ、第１ノズル３２あるいは第２ノズル３３
から噴射された水素と混合して、水素出口管４２へと流
れる。なお、混合された水素と水素復流は水素出口管４
２から加湿部１３を介して燃料電池１１に供給される。

【００３５】次に、このエゼクタ３０の作用について図
２から図７の図面を参照して説明する。まず、燃料電池
１１に供給すべき水素流量が小流量である場合には、図
２および図３に示すように、切り替え弁３５の弁体８６
を第２弁座８５に着座させるとともに、駆動部３４によ
って第１ノズル３２を下流側に前進させてテーパ部６３
で第２ノズル３３の開口部５５を閉塞する（以下、この
時の第１ノズル３２の位置を初期位置という）。

【００３６】すると、切り替え弁３５の水素入口８０か
ら弁室８３に供給された水素は、弁室８３から第１室８
１へと流れ、さらに流体通路４６を通って第２ノズル３
３の第１通路５６に流れ、第１通路５６から流体通路６
７を通って第１ノズル３２の流体通路６４に流れ、そし
て、第１ノズル３２の開口部６５からディフューザ３１
の流体通路３８に噴射される。これにより、ディフュー
ザ３１のスロート部３９の近傍に負圧が発生し、この負
圧によって復流室４４内の水素復流が流体通路３８に吸
い込まれ、水素と水素復流の混合流が水素出口管４２か
ら送出されて燃料電池１１に供給される。この場合、第
１ノズル３２の開口部６５の内径は小さいので（例えば
内径０．７ｍｍ）、図８に示すように少ない水素流量に
対して高いストイキ値を得ることができる。なお、この
時には、切り替え弁３５の第２室８２は弁体８６によっ
て弁室８３から遮断されているので、第２室８２に水素
が供給されることはない。

【００３７】ここで、ストイキとは、第１ノズル３２の
開口部６５から噴出される水素流量あるいは第２ノズル
３３の開口部５５と第１ノズル３２のテーパ部６３との
間隙から噴射される水素流量（すなわち、水素消費流
量）Ｑａに対する水素出口管４２から送出する水素流量
（すなわち、燃料電池に供給される水素供給全流量）Ｑ
ｔの比（Ｑｔ／Ｑａ）として定義される。また、復流室
４４から流体通路３８に吸引される水素復流流量をＱｂ
とすると、Ｑｔ＝Ｑａ＋Ｑｂであるから、ストイキは
（Ｑａ＋Ｑｂ）／Ｑａと定義される。

【００３８】次に、燃料電池１１に供給すべき水素流量
が中流量である場合には、図４に示すように、切り替え
弁３５の弁体８６を第１弁座８４に着座させるととも
に、駆動部３４によって第１ノズル３２を上流側に若干
後退させてテーパ部６３を第２ノズル３３の開口部５５
から離間し、開口部５５とテーパ部６３との間に間隙を
生じさせる。

【００３９】すると、切り替え弁３５の水素入口８０か
ら弁室８３に供給された水素は、弁室８３から第２室８
２へと流れ、さらに流体通路４７を通って第２ノズル３
３の第２通路５７に流れ、第２通路５７から小径孔５４
に流れて、そして、第２ノズル３３の開口部５５と第１
ノズル３２のテーパ部６３との間隙からディフューザ３
１の流体通路３８に噴射される。これにより、ディフュ
ーザ３１のスロート部３９の近傍に負圧が発生し、この
負圧によって復流室４４内の水素復流が流体通路３８に
吸い込まれ、水素と水素復流の混合流が水素出口管４２
から送出されて燃料電池１１に供給される。この場合、
開口部５５とテーパ部６３との間隙の開口面積を第１ノ
ズル３２の開口部６５の開口面積よりも大きく設定する
ことにより、中流量で所定のストイキ値を得ることがで
きる。なお、この時には、切り替え弁３５の第１室８１
は弁体８６によって弁室８３から遮断されているので、
第１室８１に水素が供給されることはない。したがっ
て、第１ノズル３２の開口部６５から水素が噴射される
ことはない。

【００４０】次に、燃料電池１１に供給すべき水素流量
が大流量である場合には、図５に示すように、切り替え
弁３５の弁体８６を第１弁座８４に着座させた状態を維
持しつつ、駆動部３４によって第１ノズル３２をさらに
上流側に後退させる。すると、第２ノズル３３の開口部
５５と第１ノズル３２のテーパ部６３との間隙の開口面
積がさらに大きくなって、この間隙から噴射される水素
流量を増大することができる。これにより、大流量で所
定のストイキ値を得ることができる。

【００４１】なお、水素流量が中流量および大流量の時
に、第１ノズル３２を初期位置から上流方向へどこまで
移動させるかは、図１４において必要ストイキ値を満足
できるノズル径に対応する開口面積を、第２ノズル３３
の開口部５５と第１ノズル３２のテーパ部６３との間隙
において得られるように設定すればよく、また、これに
対応して水素流量に応じて駆動部３４を制御すればよ
い。一方、切り替え弁３５は水素流量に応じて切り替え
制御すればよい。

【００４２】ところで、このエゼクタ３０では、小流量
の時には、第２ノズル３３の開口部５５と第１ノズル３
２のテーパ部６３との間隙から水素を噴射せず、第１ノ
ズル３２の開口部６５のみから噴射するようにしている
が、これは次の理由による。図６は、第１ノズル３２の
開口部６５のみから水素を噴射した場合（図中、破線）
と、第２ノズル３３の開口部５５と第１ノズル３２のテ
ーパ部６３との間隙のみから水素を噴射した場合（図
中、実線）において開口面積をパラメータとしたストイ
キ特性図である。

【００４３】このストイキ特性図から、開口面積が小さ
い場合（φ０．７）には、開口部５５とテーパ部６３と
の間隙のみから噴射した時のストイキ値が、第１ノズル
３２の開口部６５のみから噴射した時のストイキ値より
も大幅に低下し、必要ストイキ値よりも低下することが
わかる。これは開口部の壁面抵抗が大きく影響してい
る。図７（Ａ）は第１ノズル３２の開口部６５の断面を
示し、図７（Ｂ）は開口部５５とテーパ部６３との間隙
Ｓの断面を示しており、開口面積が同じであれば、図７
（Ａ）の方が壁面抵抗が小さく、図７（Ｂ）の方が壁面
抵抗が大きくなることは明らかである。この壁面抵抗の
差は開口面積が小さいときに特に顕著に現れる。そこ
で、このエゼクタ３０では、水素流量が小流量で開口面
積を小さくする時には、第１ノズル３２の開口部６５の
みから水素を噴射するようにして、小流量時にも必要ス
トイキ値を確保することができるようにしたのである。

【００４４】このように構成されたエゼクタ３０を有す
る燃料電池の燃料供給システムによれば、切り替え弁３
５により水素の流路を切り替えるとともに、駆動部３４
により第１ノズル３２の軸線方向位置を調整することに
より、小流量から大流量の広範囲に亘って所定のストイ
キ特性確保しつつ、必要な燃料流量を燃料電池１１に送
出することができる。図８は、このエゼクタ３０のスト
イキ特性図であり、エゼクタ３０のストイキ特性が要求
ストイキに近似して変化することを確認することができ
る。また、小流量時にもストイキ性能を十分に満足する
ことを確認することができる。

【００４５】〔第２の実施の形態〕次に、本発明に係る
燃料電池の流体供給装置の第２の実施の形態を図９およ
び図１０を参照して説明する。前記第１の実施の形態の
エゼクタ３０は、ディフューザ３１の外側に切り替え弁
３５を備えていたが、この第２の実施の形態のエゼクタ
３０には切り替え弁３５がなく、第１ノズル３２が切り
替え弁３５の機能を兼ね備えており、この点が第１の実
施の形態と大きく相違している。以下、第１の実施の形
態のものと同一態様部分には図中同一符号を付して説明
を省略し、相違点を中心に第２の実施の形態のエゼクタ
３０について説明する。

【００４６】ディフューザ３１の第２ブロック３７に固
定された第２ノズル３３の内部には、先端の開口部５５
に連なる小径孔５４と、小径孔５４の上流端に連なる大
径孔１０１と、大径孔１０１の上流端に連なる中径孔１
０２が設けられており、これらの内径は、小径孔５４、
中径孔１０２、大径孔１０１の順に大きい。第２ノズル
３３には、第２ブロック３７に設けられた水素入口１２
０に連なり大径孔１０１の内面で開口する流体通路１０
４が設けられている。

【００４７】第２ノズル３３の内部に挿入されている第
１ノズル３２は、テーパ部６３と、下流小径部６１と、
下流小径部６１から上流方向に連設された弁体部１１１
と、弁体部１１１から上流方向に連設された上流小径部
１１２と、上流小径部１１２から上流方向に連設された
大径部１１３とを備えている。大径部１１３は常に第２
ノズル３３の中径孔１０２内に収容されていて、中径孔
１０２を軸線方向に摺動可能に取り付けられている。第
１ノズル３２の内部には先端の開口部６５に連通する流
体通路６４が設けられており、流体通路６４の上流端は
可動シャフト６６によって閉塞されている。また、第１
ノズル３２には、流体通路６４に連通して上流小径部１
１２の外周面で開口する流体通路１１４が設けられてい
る。

【００４８】第１ノズル３２の弁体部１１１の下流側端
面には環状のシール材１１５が取り付けられており、弁
体部１１１は、シール材１１５が第２ノズル３３におけ
る大径孔１０１の上流側端面１０１ａに当接することに
より、下流方向への移動を規制される（以下、この時の
第１ノズル３２の位置を初期位置という）。そして、第
１ノズル３２が初期位置に位置している時には、シール
材１１５によって第２ノズル３３の小径孔５４と大径孔
１０１とが遮断され、下流小径部６１が第２ノズル３３
の開口部５５を挿通し、テーパ部６３が開口部５５より
も下流側に突出する。また、第１ノズル３２が初期位置
に位置している時には、第１ノズル３２の弁体部１１１
は第２ノズル３３の中径孔１０２よりも下流側に離間し
て位置しており、第２ノズル３３の大径孔１０１と中径
孔１０２とが連通している。

【００４９】したがって、第１ノズル３２が初期位置に
位置している時には、水素入口１２０に供給された水素
は、流体通路１０４を介して第２ノズル３３の大径孔１
０１内に流入し、第１ノズル３２の上流小径部１１２と
第２ノズル３３の中径孔１０２の間を通って流体通路１
１４から流体通路６４内に流入する。その結果、水素は
第１ノズル３２の開口部６５からディフューザ３１の流
体通路３８に噴射されることになる。これが、第２の実
施の形態のエゼクタ３０における小流量時の作動状態で
ある。

【００５０】そして、第１ノズル３２を初期位置から上
流方向に後退させると、図１０に示すように、弁体部１
１１が第２ノズル３３の中径孔１０２内に略シール状態
に進入するようになっていて、弁体部１１１が中径孔１
０２内に進入すると、第２ノズル３３の大径孔１０１と
中径孔１０２が弁体部１１１によって遮断される。その
結果、水素入口１２０から供給された水素は第１ノズル
３２の流体通路６４に流れなくなる。すなわち、第１ノ
ズル３２の開口部６５からは水素が噴射されなくなる。
また、弁体部１１１のシール材１１５が第２ノズル３３
の大径孔１０１の上流側端面１０１ａから離間すること
により、第２ノズル３３の大径孔１０１と小径孔５４と
が連通する。

【００５１】そして、第１ノズル３２が所定位置まで後
退すると、第１ノズル３２のテーパ部６３が第２ノズル
３３の開口部５５に位置するようになり、第１ノズル３
２の位置に応じて、開口部５５とテーパ部６との間隙の
開口面積が変化するようになる。したがって、この時に
は、水素入口１２０に供給された水素は、流体通路１０
４を介して第２ノズル３３の大径孔１０１内に流入し、
さらに小径孔５４を通って、開口部５５とテーパ部６３
との間隙からその開口面積に応じた流量でディフューザ
３１の流体通路３８に噴射されることになる。これが、
第２の実施の形態のエゼクタ３０における中流量および
大流量の時の作動状態である。

【００５２】したがって、この第２の実施の形態のエゼ
クタ３０によれば、駆動部３４により第１ノズル３２の
位置を調整することにより、第１の実施の形態のエゼク
タ３０と同様に、小流量から大流量の広範囲に亘って所
定のストイキ特性確保しつつ、必要な燃料流量を燃料電
池１１に送出することができる。

【００５３】特に、この第２の実施の形態のエゼクタ３
０では、第１ノズル３２を軸線方向に移動することによ
り、第２ノズル３３の開口部５５と第１ノズル３２のテ
ーパ部６３との間隙の開口面積を変えることができるだ
けでなく、水素入口１２０に供給された水素の流路を切
り替えることができる。つまり、第１ノズル３２は、第
１ノズル３２の開口部６５のみから水素を流体通路３８
に噴射する時に、第２ノズル３３の小径孔５４への水素
の供給を遮断する流体供給遮断機能（第１の実施の形態
における切り替え弁３５の機能）を備えている。その結
果、この第２の実施の形態のエゼクタ３０の場合には、
切り替え弁３５が不要になり、第１ノズル３２の駆動部
３４だけでエゼクタ３０を作動することができるのでア
クチュエータを一つ減らすことができ、したがって、構
造が簡単になり、小型にすることができる。

【００５４】〔第３の実施の形態〕次に、本発明に係る
燃料電池の流体供給装置の第３の実施の形態を図１１お
よび図１２を参照して説明する。図１１および図１２
は、燃料電池の流体供給装置としてのエゼクタ２００の
要部構成を示す断面図である。

【００５５】エゼクタ２００は、ディフューザ部２０１
と、第１ノズル部２０２と、ニードル２０３と、第２ノ
ズル部２０４とを備えている。ディフューザ部２０１に
は、第１の実施の形態のエゼクタ３０と同様に、スロー
ト部２１１と、スロート部２１１より上流側に形成され
た絞り部２１２と、スロート部２１１よりも下流側に形
成された拡径部２１３が設けられており、この拡径部２
１３が加湿部１３を介して燃料電池１１に接続されてい
る。

【００５６】また、エゼクタ２００は、絞り部２１２に
連なる復流室２０５を備え、この復流室２０５には水素
復流入口２０８から水素復流が供給可能になっている。
第１ノズル部２０２は、ディフューザ部２０１のスロー
ト部２１１と軸線を同一に設けられており、第１ノズル
部２０２の先端は開口部２１４を介して復流室２０５に
連なっている。第１ノズル部２０２の上流端は第１ノズ
ル部２０２よりも大径のニードル収納孔２０６に連なっ
ている。ニードル収納孔２０６は水素入口２０７に連通
しており、水素入口２０７を介して水素が供給される。

【００５７】そして、第１ノズル部２０２およびニード
ル収納孔２０６内にニードル２０３が軸線方向に移動可
能に設けられている。ニードル２０３は、先端が下流側
に進むにしたがって漸次縮径するテーパ部２２１になっ
ていて、このテーパ部２２１から上流方向に小径部２２
２が連設され、小径部２２２の上流端に弁体部２２３が
連設され、弁体部２２３の上流端から上流方向に中径部
２２４が連設され、中径部２２４の上流端に大径部２２
５が連設され、大径部２２５の上流端から上流方向にシ
ャフト部２２６が連設され、シャフト部２２６にニード
ル２０３を軸線方向に移動させる駆動部（図示せず）が
連結されている。

【００５８】大径部２２５はニードル収納孔２０６を軸
方向に沿って摺動可能であり、弁体部２２３は径方向に
隙間を有してニードル収納孔２０６に収納されている。
小径部２２２は第１ノズル部２０２内に径方向に隙間を
有して挿入されており、テーパ部２２１は第１ノズル部
２０２の開口部２１４から突没可能に位置している。ま
た、弁体部２２３の下流側端面にはシール材２２７が取
り付けられており、このシール材２２７がニードル収納
孔２０６の下流側端面２０６ａに当接離間可能になって
いる。また、シール材２２７がニードル収納孔２０６の
下流側端面２０６ａに当接することによって、第１ノズ
ル部２０２とニードル収納孔２０６とが遮断されるとと
もに、ニードル２０３の下流方向への移動を規制され
る。

【００５９】また、このエゼクタ２００には、水素入口
２０７と復流室２０５とを接続する流体通路２３０が設
けられており、この流体通路２３０の先端が小径の第２
ノズル部２０４になっていて、この第２ノズル部２０４
の先端の開口部２３１がその軸線をスロート部２１１に
向けて開口している。

【００６０】このエゼクタ２００においては、燃料電池
１１に小流量の水素を供給する時には、ニードル２０３
を下流側に前進させて、図１１に示すようにシール材２
２７をニードル収納孔２０６の下流側端面２０６ａに当
接させる。これにより、水素入口２０７から供給された
水素は第１ノズル部２０２には流れなくなり、流体通路
２３０を通って第２ノズル部２０４の開口部２３１のみ
からスロート部２１１に向けて噴射され、拡径部２１３
へと流れることになる。これによって、スロート部２１
１の近傍に負圧が発生し、この負圧により復流室２０５
内の水素復流が拡径部２１３へと吸い込まれる。その結
果、水素と水素復流が拡径部２１３で混合されて燃料電
池１１に送出されることになる。

【００６１】そして、燃料電池１１に中流量あるいは大
流量の水素を供給する時には、ニードル２０３を上流側
に後退させて、図１２に示すようにシール材２２７をニ
ードル収納孔２０６の下流側端面２０６ａから離間させ
る。これにより、水素入口２０７から供給された水素は
流体通路２３０に流れるだけでなく第１ノズル部２０２
にも流れるようになる。その結果、第２ノズル部２０４
の開口部２３１からスロート部２１１に向けて水素が噴
射されるとともに、第１ノズル部２０２の開口部２１４
とニードル２０３との間隙からスロート部２１１に向け
て水素が噴射され、これら水素が合流してスロート部２
１１を通り拡径部２１３へと流れることになる。これに
よって、スロート部２１１の近傍に負圧が発生し、この
負圧により復流室２０５内の水素復流が拡径部２１３へ
と吸い込まれる。その結果、水素と水素復流が拡径部２
１３で混合されて燃料電池１１に送出されることにな
る。

【００６２】そして、ニードル２０３の位置を調整する
ことによって、第１ノズル部２０２の開口部２１４とニ
ードル２０３のテーパ部２２１との間隙の開口面積を変
えることができるので、この間隙から噴射される水素の
流量をニードル２０３の位置調整によって変えることが
できる。したがって、このエゼクタ２００の場合にも、
ニードル２０３の位置調整によって、前記第１の実施の
形態や第２の実施の形態のエゼクタ３０と同様に、小流
量から大流量の広範囲に亘って所定のストイキ特性確保
しつつ、必要な燃料流量を燃料電池１１に送出すること
ができる。また、小流量時のストイキ性能の悪化を回避
することができる。

【００６３】また、このエゼクタ２００では、前述した
第１の実施の形態や第２の実施の形態のエゼクタ３０よ
うに第１ノズル３２（第３の実施の形態におけるニード
ル２０３に対応）の内部に流体通路６４を設けていない
ので、ニードル２０３の外径寸法を小さくすることがで
き、それに伴って、開口部２１４や第１ノズル部２０２
の内径を小さくすることができる。

【００６４】また、このエゼクタ２００では、シール材
２２７をニードル収納孔２０６の下流側端面２０６ａに
当接させることにより、第１ノズル部２０２への水素の
供給を遮断するようにしているので、ニードル２０３が
初期位置に位置しているときにおける第１ノズル部２０
２の開口部２１４とニードル２０３とのクリアランスを
大きくすることができ、その結果、ニードル２０３の開
口部２１４への食い付きを防止することができる。

【００６５】尚、この発明は前述した実施の形態に限ら
れるものではない。例えば、駆動部３４はリニア駆動型
ステップモータに限られるものではなく、第１ノズル３
２やニードル２０３を軸線方向に位置調整することがで
きるものであれば、他の駆動手段を用いることも可能で
ある。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、ディフューザに供給する第１流体を小流
量から大流量まで連続的に調整することができるので、
小流量から大流量まで所定のストイキ性能を確保しつつ
必要な流体流量を送出することができるという効果があ
る。また、小流量時に第１ノズルのみから第１流体をデ
ィフューザに供給することができるので、小流量時のス
トイキ性能の悪化を回避することができる。また、ノズ
ルを交換することがないので、要求されるストイキ値が
連続的且つ短時間に変化する燃料電池自動車にも適用可
能である。

【００６７】請求項２に記載した発明によれば、前記効
果に加えて、一つのアクチュエータで流体供給装置を動
作させることができるので、構造を簡単にでき、小型化
することができる。

【００６８】請求項３に記載の発明によれば、ディフュ
ーザに供給する第１流体を小流量から大流量まで連続的
に調整することができるので、小流量から大流量まで所
定のストイキ性能を確保しつつ必要な流体流量を送出す
ることができるという効果がある。また、小流量時に第
２ノズルのみから第１流体をディフューザに供給するこ
とができるので、小流量時のストイキ性能の悪化を回避
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る流体供給装置を備えた燃料電
池の燃料供給系システム構成図である。

【図２】 この発明に係る燃料電池の流体供給装置であ
るエゼクタの第１の実施の形態における断面図である。

【図３】 第１の実施の形態におけるエゼクタの要部の
拡大断面図である。

【図４】 第１の実施の形態におけるエゼクタの中流量
作動時の断面図である。

【図５】 第１の実施の形態におけるエゼクタの大流量
作動時の断面図である。

【図６】 非可変流量エゼクタと可変流量エゼクタのス
トイキ特性の比較図である。

【図７】 （Ａ）は第１の実施の形態におけるエゼクタ
の第１ノズルの開口部の断面図であり、（Ｂ）は第１の
実施の形態におけるエゼクタの第２ノズルの開口部の断
面図である。

【図８】 第１の実施の形態におけるエゼクタのストイ
キ特性図である。

【図９】 この発明に係る燃料電池の流体供給装置であ
るエゼクタの第２の実施の形態における断面図であり、
小流量作動時を示す断面図である。

【図１０】 この発明に係る燃料電池の流体供給装置で
あるエゼクタの第２の実施の形態における断面図であ
り、中・大流量作動時を示す断面図である。

【図１１】 この発明に係る燃料電池の流体供給装置で
あるエゼクタの第３の実施の形態における断面図であ
り、小流量作動時を示す断面図である。

【図１２】 この発明に係る燃料電池の流体供給装置で
あるエゼクタの第３の実施の形態における断面図であ
り、中・大流量作動時を示す断面図である。

【図１３】 従来の一般的なエゼクタの断面図である。

【図１４】 従来のエゼクタのストイキ特性図である。

【符号の説明】 １１・・・燃料電池 ３０・・・エゼクタ（流体供給装置） ３１・・・ディフューザ ３２・・・第１ノズル ３３・・・第２ノズル ３４・・・駆動部（第１ノズル位置調整手段） ５５・・・開口部（第２ノズルの開口部） ６５・・・開口部（第１ノズルの開口部） ２００・・・エゼクタ（流体供給装置） ２０１・・・ディフューザ部（ディフューザ） ２０２・・・第１ノズル部（第１ノズル） ２０３・・・ニードル ２０４・・・第２ノズル部（第２ノズル） ２１４・・・開口部（第１ノズルの開口部） ２２１・・・テーパ部 ２３１・・・開口部（第２ノズルの開口部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０４Ｆ 5/48 Ｆ０４Ｆ 5/48 Ｃ Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｆターム(参考） 3H079 AA18 AA23 BB05 CC03 CC19 CC21 DD03 DD16 DD52 4F033 AA13 BA03 EA02 GA01 PA18 PB31 PC05 QA07 QD02 QE06 4F035 AA04 BA02 BA22 BB35 CA01 5H026 AA06 5H027 AA06 BA19 KK02 MM04 MM09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端に開口部を有し該開口部から第１流
   体を噴射可能な第１ノズルと、 先端に開口部を有し該開口部に前記第１ノズルが軸線を
   同一にして挿入され内部に第１流体を供給されて前記開
   口部から噴射可能な第２ノズルと、 前記軸線と同方向に設けられ前記第１流体の噴射により
   発生する負圧によって第２流体を吸引し前記第１流体に
   合流させて送出するディフューザと、 前記第１ノズルを前記軸線方向に移動させて位置変更可
   能にする第１ノズル位置調整手段とを備え、 前記第１ノズルと前記第２ノズルの開口部との間隙から
   前記第１流体を前記ディフューザに供給可能にするとと
   もに、前記第１ノズルから前記第１流体を前記ディフュ
   ーザに供給可能にしたことを特徴とする燃料電池の流体
   供給装置。
2. 【請求項２】 前記第１ノズルは、前記第１ノズルから
   のみ前記第１流体を前記ディフューザに供給する時に前
   記第２ノズルへの前記第１流体の供給を遮断する流体供
   給遮断機能を備えることを特徴とする請求項１に記載の
   燃料電池の流体供給装置。
3. 【請求項３】 先端にテーパ部を有するニードルと、 先端に開口部を有し該開口部に前記ニードルのテーパ部
   が軸線を同一にして挿入され内部に第１流体を供給され
   て前記開口部から噴射可能な第１ノズルと、 先端に開口部を有し該開口部を前記第１ノズルの開口部
   近傍に配置し前記開口部から第１流体を噴射可能な第２
   ノズルと、 前記ニードルおよび前記第１ノズルと軸線を同一にして
   設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によっ
   て第２流体を吸引し前記第１流体に合流させて送出する
   ディフューザと、 前記ニードルを前記軸線方向に移動させて位置変更可能
   にするニードル位置調整手段とを備え、 前記ニードルと前記第１ノズルの開口部との間隙から前
   記第１流体を前記ディフューザに供給可能にするととも
   に、前記第２ノズルから前記第１流体を前記ディフュー
   ザに供給可能にしたことを特徴とする燃料電池の流体供
   給装置。