JP2007120441A - 燃料電池システムおよびエゼクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複合的な絞り特性を有する新規な新規なエゼクタ装置をもつ燃料電池システム、エゼクタ装置を提供する。
【解決手段】システムは、燃料供給路２と酸化剤供給路３とエゼクタ装置６と帰還路７とをもつ。エゼクタ装置６は基部６０と軸状弁体６５と作動部６９とをもつ。軸状弁体６５は作動室６３に移動可能に挿入されている。基部６０および軸状弁体６５は、軸芯ＰＸに対して遠心方向に沿ったフランジ式絞り部９１と、軸芯ＰＸに対して斜め方向に配置されたニードル式絞り部９５とを、流体出口６２と流体入口６１との間において直列的に形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は吸引機能をもつエゼクタ装置を有する燃料電池システムおよびエゼクタ装置に関する。

従来、特許文献１は、エゼクタ装置を備える燃料電池システムを開示している。このものによれば、燃料電池と、燃料流体を燃料電池の燃料入口に供給する燃料供給路と、酸化剤流体を燃料電池の酸化剤入口に供給する酸化剤供給路と、燃料供給路に設けられたエゼクタ装置と、燃料電池から排出された発電反応後の燃料オフガスをエゼクタ装置の吸引口に吸引させて帰還させる帰還路とが設けられている。

このものによれば、燃料電池から排出された発電反応後の燃料オフガスを、エゼクタ装置の吸引口に吸引させて燃料供給路に帰還させる。帰還した燃料オフガスは、燃料供給路を流れる主流に合流して、燃料電池に供給される。この場合、燃料オフガスに含まれている未反応の燃料成分を有効利用でき、エネルギ効率を高めることができる。更に、エゼクタ装置が用いられているため、燃料オフガスを燃料供給路に帰還させるポンプ装置を使用する場合に比較して、省動力化を図り得る。

このシステムよれば、燃料供給路には、エゼクタ装置と、エゼクタ装置の上流に可変減圧弁とが設けられている。そして、燃料源からの燃料ガスの圧力を可変減圧弁により一定域の圧力まで減少させ、その燃料ガスをエゼクタ装置を介して燃料電池の燃料入口に供給する。
特開２００４−２１８５３１号公報

産業界では、更なるエゼクタ装置の開発が進められている。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、様相１の発明は、複合的な絞り特性を有する新規なエゼクタ装置を備える燃料電池システムを提供することを課題とする。様相２の発明は、複合的な絞り特性を有する新規なエゼクタ装置を提供することを課題とする。

本発明によれば、フランジ式絞り部およびニードル式絞り部が、流体出口と流体入口との間において形成されている。このためフランジ式絞り部による絞り特性と、ニードル式絞り部による絞り特性とを複合的に有するエゼクタ装置を提供することができる。そのエゼクタ装置を燃料電池システムに適用すれば、燃料電池に流体を供給する際に、フランジ式絞り部による絞り特性と、ニードル式絞り部による絞り特性とを複合的に発揮させることができる。

様相１に係る燃料電池システムは、燃料入口および酸化剤入口をもつ燃料電池と、燃料流体を前記燃料電池の前記燃料入口に供給する燃料供給路と、酸化剤流体を前記燃料電池の前記酸化剤入口に供給する酸化剤供給路と、燃料供給路および酸化剤供給路のうちの少なくとも一方に設けられ、当該一方を流れる流体を絞って吸引力を発生させるエゼクタ装置と、燃料電池から排出された発電反応後の流体をエゼクタ装置の前記吸引力により当該一方に帰還させる帰還路とを具備する燃料電池システムにおいて、
エゼクタ装置は、当該一方の流体が流入する流体入口と、流体入口に流入された流体が吐出される流体出口と、流体入口と流体出口との間に形成された作動室と、帰還路の流体を吸引する吸引口とを有する基部と、軸芯を有し基部の作動室に軸芯に沿って移動可能に挿入された軸状弁体と、軸状弁体を基部の作動室において軸芯に沿って移動させる作動部とを有しており、
エゼクタ装置の基部および軸状弁体は、軸芯に対して遠心方向に沿ったフランジ式絞り路をもつフランジ式絞り部と、軸芯に対して斜め方向に沿ったニードル式絞り路をもつニードル式絞り部とを、流体出口と流体入口との間において直列的に形成していることを特徴とする。

様相２に係るエゼクタ装置は、流体が供給される流体供給路に設けられ流体供給路を流れる流体を絞って吸引力を発生させるエゼクタ装置において、
エゼクタ装置は、流体供給路の流体が流入する流体入口と、流体入口に流入された流体が吐出される流体出口と、流体入口と流体出口との間に形成された作動室と、帰還路の流体を吸引する吸引口とを有する基部と、軸芯を有し基部の作動室に軸芯に沿って移動可能に挿入された軸状弁体と、軸状弁体を基部の作動室において軸芯に沿って移動させる作動部とを有しており、エゼクタ装置の基部および軸状弁体は、作動室の軸芯に対して遠心方向に沿ったフランジ式絞り路をもつフランジ式絞り部と、軸芯に対して斜め方向に沿ったニードル式絞りをもつニードル式絞り部とを、流体出口と流体入口との間において直列的に形成していることを特徴とする。

本発明に係るエゼクタ装置によれば、フランジ式絞り部およびニードル式絞り部が、流体出口と流体入口との間において形成されている。フランジ式絞り部は、軸状弁体の軸芯に対して遠心方向に沿ったフランジ式絞り路をもつ。ニードル式絞り部は、軸状弁体の軸芯に対して斜め方向に沿ったニードル式絞り路をもつ。このためエゼクタ装置は複合的な絞り特性をもつことができる。本発明に係るエゼクタ装置は、燃料電池システムばかりか、コージェネシステム等の他のガス供給システムにも適用できる。

燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給路と、酸化剤供給路と、エゼクタ装置と、帰還路を備えている。燃料電池は、燃料入口および燃料入口をもち、更に、酸化剤入口および酸化剤出口をもつ。燃料供給路は、燃料源からの燃料流体を燃料電池の燃料入口に供給する。酸化剤供給路は、酸化剤流体を燃料電池の酸化剤入口に供給する。燃料流体としては燃料ガスが例示される。燃料ガスとしては、一般的には水素ガス、水素含有ガスが例示される。従って燃料源としては、水素タンク等の燃料タンクが例示される。酸化剤流体としては、空気等の酸素含有ガス、酸素ガスが例示される。

エゼクタ装置は、燃料供給路および酸化剤供給路のうちの少なくとも一方に設けられている。エゼクタ装置とは、流体を絞ることにより流速を高めて吸引力を発生させ、流体を吸引するものを意味する。エゼクタ装置が燃料供給路に設けられているときには、燃料電池から排出された燃料オフ流体を燃料供給路に帰還させることができる。この場合、帰還した燃料オフ流体と、燃料供給路を流れてエゼクタ装置の流体入口に流入する主流とを合流させることができる。

また、エゼクタ装置が酸化剤供給路に設けられているときには、燃料電池から排出された酸化剤オフ流体を酸化剤供給路に帰還させることができる。この場合、帰還した酸化剤オフ流体と、酸化剤供給路を流れてエゼクタ装置の流体入口に流入する主流とを合流させることができる。ここで、オフ流体は燃料電池から排出された流体を意味する。エゼクタ装置は燃料供給路に設けられていることが好ましい。この場合、発電反応を経た後の燃料オフ流体に含有されている燃料成分を再利用するのに有利である。

エゼクタ装置は、基部と軸状弁体と作動部とを備える。基部は、当該一方の流体が流入する流体入口と、流体入口に流入された流体が吐出される流体出口と、流体入口と流体出口との間に形成された作動室と、帰還路の流体を吸引する吸引口とを有する。軸状弁体とは、基部の作動室に軸芯に沿って移動可能に挿入された軸状の部材をいう。作動部は、軸状弁体を基部の作動室において移動させる機能をもち、モータ方式、電磁ソレノイド方式、圧力駆動式を例示でき、要するに、軸状弁体を移動させる手段であれば良い。

エゼクタ装置の基部および軸状弁体は、フランジ式絞り部およびニードル式絞り部を、流体出口と流体入口との間において直列的に形成している。フランジ式絞り部は、作動室の軸芯に対して遠心方向（直交する方向）に沿ったフランジ式絞り路をもつ。好ましい形態によれば、フランジ式絞り路は、軸状弁体の軸芯に対して遠心方向（直交する方向）に沿って延設されたフランジ部のフランジ状外壁面と、基部の作動室において軸状弁体の軸芯に対して遠心方向（直交する方向）に沿って形成されたフランジ状内壁面との間に設けられている。

また、ニードル式絞り部は、作動室の軸芯に対して傾斜する方向に沿ったニードル式絞り路をもつ。好ましい形態によれば、ニードル式絞り路は、軸芯に対して傾斜する方向に沿って延設されたニードル状外壁面と、基部の作動室において軸芯に対して傾斜する方向に沿って形成された傾斜内壁面との間に設けられている。

本発明によれば、軸状弁体の初期位置では、フランジ式絞り部が閉鎖されているものの、ニードル式絞り部は非閉鎖状態である形態が例示される。この場合、開弁方向への軸状弁体の移動量が小さいときには、ニードル式絞り部よりも、フランジ式絞り部が絞り効果を発揮する。開弁方向へ軸状弁体の移動量が増加すると、フランジ式絞り部の絞り効果が希薄化され、ニードル式絞り部がフランジ式絞り部よりも絞り効果を発揮する。

好ましい形態によれば、燃料電池の発電出力が相対的に小さい低出力発電領域では、開弁方向へ軸状弁体の移動量が小さいため、フランジ式絞り部による絞り効果が大きい。燃料電池の発電出力が相対的に高くなるにつれて、開弁方向へ軸状弁体の移動量が大きくなるため、ニードル式絞り部による絞り効果が大きくなる。

本発明によれば、燃料電池から排出された発電反応後の流体をエゼクタ装置の吸引口に帰還させる。この場合、燃料電池の発電出力が相対的に低い低出力運転領域における帰還流量を、高出力運転領域における帰還流量よりも少なくする形態が例示される。例えば、低出力運転領域における帰還流量を０とすることもでき、あるいは、０よりも多少大きい流量とすることもできる。ここで、燃料電池の定格運転の発電出力の最高値を１００％とするとき、帰還流量を０とする運転領域は、発電出力が４０％以下、３０％以下、２０％以下である形態が例示される。上記したように低出力運転領域においては、燃料電池から排出されたオフ流体をエゼクタ装置の吸引口に帰還させない形態が例示される。

本発明によれば、エゼクタ装置においてフランジ式絞り部がニードル式絞り部の上流に設けられている形態が例示される。この場合、フランジ式絞り部は、流体の流量を絞る機能を有するため、エゼクタ装置に供給される前の流体の１次圧を低下させる可変式の減圧弁として機能することができる。このため、従来技術において、燃料源側の流体の圧力を低下させるためにエゼクタ装置の上流に装備されていた減圧弁を廃止することができる。あるいは、エゼクタ装置の上流に減圧弁を用いるときであっても、その減圧弁を簡素化できる利点が得られる。故にコスト低廉化、部品点数の低減に貢献できる。

基部は、ニードル式絞り部の外周側にニードル式絞り部の周りを１周する流体通路を有しており、流体通路は吸引口および流体出口に連通している形態が例示される。この場合、流体通路はニードル式絞り部の周りに設けられている。このため、帰還路から流体通路を介して流体を吸引する際に、吸引面積が確保される。故に、吸引口に吸引させる帰還流量が増加するときに良好に対処できる。流体通路は、円錐形状でも良いし、円筒形状でも良い。

以下、本発明の一実施例について図１〜図７を参照して説明する。図１は燃料電池システムを模式的に示す。燃料電池システムは車両搭載用または定置用に使用できる。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１（スタック）と、燃料源２０（燃料タンク）から吐出された燃料流体である燃料ガス（一般的には水素ガス、水素含有ガス）を燃料電池１の燃料入口１０に供給する燃料供給路２と、酸化剤ガス（一般的には空気等の酸素含有ガス）を燃料電池１の酸化剤入口１３に供給する酸化剤供給路３とをもつ。燃料源２０の燃料ガスは高圧とされている。

燃料電池１は、固体高分子電解質形であり、燃料極および酸化剤極をもつ複数のセルをガス配流板と共に厚み方向に積層して形成されている。更に、燃料電池１の燃料出口１１から排出される燃料オフガスを排出する燃料排出路４が設けられている。燃料排出路４には、気液分離部４０と、燃料排出路４を開閉するパージ弁４２とが設けられている。燃料オフガスに含まれている水分は、気液分離部４０により除去される。燃料電池１の酸化剤出口１４から排出される酸化剤オフガス（一般的には空気オフガス）を排出する酸化剤排出路５が設けられている。

更に、燃料電池システムは、燃料供給路２に設けられたエゼクタ装置６と、帰還路７と、燃料供給路２に設けられた制御弁要素８とを備えている。帰還路７は、燃料電池１の燃料出口１１から排出された燃料オフガスを燃料供給路４に帰還させる。制御弁要素８は、燃料供給路２においてエゼクタ装置６の上流で且つ燃料源２０の下流に設けられている。エゼクタ装置６は燃料供給路２において制御弁要素８の下流で且つ燃料電池１の上流に設けられており、制御弁要素８に対して直列とされている。

図１に示すように、エゼクタ装置６は、基部６０と、軸芯ＰＸをもつ軸状弁体６５と、作動部６９とをもつ。基部６０は、燃料供給路２を流れる燃料流体としての燃料ガスが流入する流体入口６１（ガス入口）と、流体入口６１に流入された燃料ガスが燃料電池１の燃料入口１０に向けて吐出される流体出口６２（ガス出口）と、流体入口６１と流体出口６２との間に形成された作動室６３と、帰還路７のオフガスを吸引する吸引口６４とを有する。ここで図１に示すように、エゼクタ装置６の流体入口６１側の圧力をＰ１とし、燃料電池１の燃料入口１０側の圧力をＰ２とし、燃料電池１の燃料出口１１側の圧力をＰ３として示す。

エゼクタ装置６において、流体入口６１は作動室６３の外周部に形成されている。流体出口６２は基部６０の先端部に形成されている。図２および図３はエゼクタ装置６を拡大して示す。図２および図３に示すように、軸芯ＰＸに沿った断面において、流体入口６１の軸芯Ｐｉ、吸引口６４の軸芯Ｐｕは、軸芯ＰＸに交差する方向（遠心方向（直交する方向））に沿って形成されている。流体入口６１は吸引口６４よりも上流に位置する。流体出口６２は軸芯ＰＸに沿って同軸的に形成されている。

作動部６９は、ステッピングモータ等のモータ方式でも良いし、図略のバネ部材に抗して軸状弁体６５を吸引させるソレノイド方式でも良く、要するに、軸状弁体６５を矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動させ得るものであれば良い。

図２および図３に示すように、エゼクタ装置６において、基部６０の作動室６３は、作動部６９に繋がる軸室６３ａと、軸室６３ａに連通する主室６３ｂと、主室６３ｂに連通する円錐室６３ｃと、円錐室６３ｃの径小側に設けられたデフューザ部６３ｄとを有する。デフューザ部６３ｄの先方には流体出口６２が配置されている。主室６３ｂの内径Ｄ１は、軸室６３ａの内径Ｄ２および円錐室６３ｃの最大内径よりも大きくされている。主たる理由としては、高出力運転領域において燃料ガスの供給流量を多くする必要があるためである。

図２に示すように、軸状弁体６５は、軸芯ＰＸの延びる方向に沿って移動可能に基部６０の作動室６３にリング状のシール部材６５ｒを介して配置されている。作動部６９は、軸状弁体６５を基部６０の作動室６３において閉弁方向（矢印Ｘ１方向）および開弁方向（矢印Ｘ２方向）に移動させる。

軸状弁体６５は、互いに同軸的に形成された第１軸６６、フランジ部６７、円錐部６８を備えている。円錐部６８は、作動室６３の円錐室６３ｃに移動可能に配置されている。第１軸６６は作動室６３の軸室６３ａにシール部材６５ｒを介して移動可能に嵌合されている。フランジ部６７は軸芯ＰＸに対して軸直角方向に沿って延設されている。フランジ部６７の外径Ｄ４は、円錐部６８の最大外径Ｄ３、第１軸６６の外径よりも大きい。フランジ部６７の外径Ｄ４が大きい主たる理由としては、主室６３ｂの内径Ｄ１が大きい場合と基本的には同様であり、高出力運転領域において燃料ガスの供給流量を多くする必要がある。

図２および図３に示すように、円錐部６８はニードル状外壁面６８ａ（円錐面）をもつ。ニードル状外壁面６８ａは、円錐部６８の先方つまり流体出口６２に向かうにつれて外径が次第に小さくなる傾斜円錐面である。円錐部６８の最大外径Ｄ３は、フランジ部６７の外径Ｄ４よりも小さくされている。軸状弁体６５が移動すると、フランジ部６７は、作動室６３の主室６３ｂに閉弁方向（矢印Ｘ１方向）および開弁方向（矢印Ｘ２方向）に移動可能とされている。

図３に示すように、エゼクタ装置６の基部６０および軸状弁体６５は、軸芯ＰＸに対して遠心方向（直交する方向）に沿ったフランジ式絞り路９２を形成するフランジ式絞り部９１と、軸芯ＰＸに対して斜め方向に沿ったニードル式絞り路９６を形成するニードル式絞り部９５とを備えている。ここで、フランジ式絞り部９１は後述するように、燃料電池１の発電出力が低い低出力運転領域において、エゼクタ装置６の流体入口６１に供給される燃料ガスの主流に対して絞り効果を示す絞りとして機能する。これに対して、ニードル式絞り部９５は後述するように、燃料電池１の発電出力が高い高出力運転領域において、エゼクタ装置６の流体入口６１に供給される燃料ガスの主流に対して絞り効果を示す主流絞りとして機能する。

図３に示すように、フランジ式絞り部９１およびニードル式絞り部９５は、流体出口６２と流体入口６１との間において直列的に形成されている。ここで、フランジ式絞り部９１は、ニードル式絞り部９５よりも上流に設けられている。フランジ式絞り部９１よりも、ニードル式絞り部９５は吸引口６４に近い側に設けられている。

図３に示すように、フランジ式絞り路９２は、軸状弁体６５の軸芯ＰＸに対して遠心方向（直交する方向）に沿って延設されたフランジ部６７のフランジ状外壁面６７ａと、基部６０の作動室６３において軸状弁体６５の軸芯ＰＸに対して遠心方向（直交する方向）に沿って形成されたフランジ状内壁面６３ａとの間に設けられている。ここで、フランジ状内壁面６３ａは、軸芯ＰＸの周りを１周するリング状のシール凸部６３ｃを有する。

フランジ状外壁面６７ａは、リング形状のシール凸部６３ｃに対面するリング形状のシール部６７ｃを有する。軸状弁体６５が閉弁方向（矢印Ｘ１方向）に移動してフランジ部６７のシール部６７ｃがシール凸部６３ｃに当接すれば、フランジ式絞り部９１は閉鎖される。この位置が、軸状弁体６５の移動量が０である初期位置とされる。これに対して、軸状弁体６５が開弁方向（矢印Ｘ２方向）に移動して移動量が増加すれば、シール部６７ｃがシート凸部６３ｃから離間し、フランジ式絞り部９１の有効断面積（開度）は増加する。

図３に示すように、ニードル式絞り部９５は、軸状弁体６５の軸芯ＰＸに対して傾斜する方向に沿って延設されたニードル状外壁面６８ａと、基部６０の作動室６３において軸状弁体６５の軸芯ＰＸに対して傾斜する方向に沿って形成された傾斜内壁面６３ｍとの間に設けられている。傾斜内壁面６３ｍの傾斜角は、ニードル状外壁面６８ａの傾斜角よりも大きくされている。更に図３に示すように、基部６０には、ニードル式絞り部９５の外周側には、流体通路６００が形成されている。流体通路６００は、ニードル式絞り部９５の周りを１周する円錐リング形状をなしており、吸引口６４を介して帰還路７に連通すると共に流体出口６２に連通する。なお、流体通路６００とニードル式絞り路９６との間には、円錐状の壁部６０２が形成されている。壁部６０２は下流に向かうにつれて径が小さなる。なお、流体通路６００、ニードル式絞り路９６、円錐状の壁部６０２は、同軸的に配置されている。

ここで、図４に示すように、フランジ式絞り部９１のフランジ式絞り路９２は、所定の絞り開度であれば、ボトルネックを形成し、燃料供給路２を流れる燃料ガスの流量を絞って所定の圧力に減圧する。図５に示すように、ニードル式絞り部９５のニードル式絞り路９６は、所定の絞り開度であれば、ボトルネックを形成し、燃料供給路２を流れる燃料ガスの流量を絞って流速を高め、吸引口６４からの吸引力を発生させる。上記したように吸引力が作用すると、帰還路７のオフガスが吸引口６４から流体通路６００に吸引され、更にデフューザ部６３ｄに吸引される。デフューザ部６３ｄに吸引されたオフガスは、燃料源２０からエゼクタ装置６を介して燃料供給路２に流れる主流と合流する。

図６の横軸は、軸状弁体６５の移動量（シール状態を０とする）を示す。図６の縦軸は、フランジ式絞り部９１およびニードル式絞り部９５の有効断面積（絞り開度に相当する）を示す。図６の特性線Ｍ１は、フランジ式絞り部９１の絞り特性を示す。これに対して図６の特性線Ｍ２は、ニードル式絞り部９５の絞り特性を示す。特性線Ｍ１に示すように、軸状弁体６５の移動開始前の初期位置（軸状弁体６５の移動量＝０）においては、フランジ式絞り部９１が閉鎖されており、有効断面積が０である。これに対して、軸状弁体６５の初期位置（軸状弁体６５の移動量＝０）においては、特性線Ｍ２に示すように、ニードル式絞り部９５は開度θαをもち、非閉鎖状態である。図６に示すように、特性線Ｍ１の傾きは特性線Ｍ２よりも急である。故に、軸状弁体６５の移動量の増加につれて、フランジ式絞り部９１の有効断面積（絞り開度）は急に増加する。特性線Ｍ２の傾きは特性線Ｍ１よりも緩やかである。故に、開弁方向（矢印Ｘ２方向）への軸状弁体６５の移動量の増加につれて、ニードル式絞り部９５の有効断面積（絞り開度）は緩やかに増加する。

ここで、軸状弁体６５の開弁方向（矢印Ｘ２方向）への移動量が少ない開弁初期領域では、特性線Ｍ１に従い、フランジ式絞り部９１の有効断面積（絞り開度に相当）は増加するもののまだ小さいため、フランジ式絞り部９１は、ニードル式絞り部９５よりも大きな絞り効果を発揮する。これに対して軸状弁体６５が開弁方向（矢印Ｘ２方向）に更に移動して移動量が増加すると、フランジ式絞り部９１の有効断面積（絞り開度に相当）が過剰に大きくなるため、フランジ式絞り部９１の絞り効果が希薄化される。このように軸状弁体６５が開弁方向（矢印Ｘ２方向）に移動する移動量が増加して主流の流量が増加すると、フランジ式絞り部９１よりもニードル式絞り部９５の絞り効果の影響が増加する。

そして、開弁方向（矢印Ｘ２方向）への軸状弁体６５の移動量が更に増加して主流の流量が増加すると、フランジ式絞り部９１の絞り効果が更に希薄となるため、ニードル式絞り部９５の絞り効果がフランジ式絞り部９１よりも有効となる。即ち、特性線Ｍ１と特性線Ｍ２との交点Ｍｃのときにおける軸状弁体６５の移動量α２よりも、開弁方向（矢印Ｘ２方向）への軸状弁体６５の移動量が増加すると、フランジ式絞り部９１よりもニードル式絞り部９５の絞り効果が有効となる。

燃料電池システムによれば、図１から理解できるように、燃料源２０（燃料タンク）から吐出された燃料ガスは、制御弁要素８で減圧され、その後、エゼクタ装置６の流体入口６１に流入し、フランジ式絞り部９１およびニードル式絞り部９５を順に経てデフューザ部６３ｄを至り、エゼクタ装置６の流体出口６２から吐出され、燃料電池１の燃料入口１０に向かう。

燃料電池の運転が停止されているときには、一般的には、軸状弁体６５の移動量は０であり、前述したように、フランジ式絞り部９１が閉鎖されてシール部６７ｃによりシールされているものの、ニードル式絞り部９５は非閉鎖状態である。

燃料電池１の発電出力が低い低出力発電領域においては、軸状弁体６５の開弁方向（矢印Ｘ２方向）への移動量が少ない。このため、フランジ式絞り部９１の有効断面積（開度）は小さいため、フランジ式絞り部９１の絞り効果は、ニードル式絞り部９５よりも大きい。これに対して、燃料電池１の発電出力が相対的に高くなると、軸状弁体６５が開弁方向（矢印Ｘ２方向）に移動する移動量が大きくなるため、フランジ式絞り部９１の有効断面積（開度）が大きくなり、フランジ式絞り部９１の絞り効果が低減され、この結果、フランジ式絞り部９１よりもニードル式絞り部９５の絞り効果の影響が増加する。

更に、燃料電池１の発電出力が相対的に高い高出力発電領域においては、開弁方向（矢印Ｘ２方向）への軸状弁体６５の移動量が更に増加するため、フランジ式絞り部９１の絞り効果は更に希薄となる。このため、ニードル式絞り部９５の絞り効果がフランジ式絞り部９１よりも大きくなる。

上記したようにエゼクタ装置６の絞り効果により吸引作用が得られると、燃料電池１の燃料出口１１から排出された燃料排出路４のオフガス（発電反応後の燃料オフガス）は、帰還路７を経てエゼクタ装置６の吸引口６４に吸引され、燃料供給路２に帰還される。オフガスの帰還流量をＱＲとする。帰還流量ＱＲは、燃料供給路２からエゼクタ装置６の流体入口６１に流入する主流と合流する。

図７は、燃料電池１の発電出力と帰還流量ＱＲとの関係を示す。本実施例によれば、図７の特性線ＳＡに示すように、燃料電池１の発電出力が相対的に低い低出力運転領域ＭＡにおいては、帰還流量ＱＲを０としている。そして燃料電池１の発電出力が増加するにつれて、帰還流量ＱＲを増加させている、その主たる理由としては、低出力運転領域ＭＡにおいては、生成水の量が少なく、燃料電池１でのフラッディングの頻度が少ないためである。高出力運転領域においては、生成水の量が多くなり、燃料電池１でのフラッディングの頻度が増加する。ここで、フラッディングは、燃料電池１の酸化剤極における発電反応で発生した水により、燃料電池１の内部の流路が狭くなることをいう。酸化剤極における発電反応で水が発生するが、水は燃料極にも移行するため、フラッディングは燃料電池１の酸化剤極でも燃料極でも生じる。本実施例は、主流に帰還流量ＱＲを合流させることにより、燃料電池１に供給される供給流量を増加させ、燃料極におけるフラッディングを解消することを主眼とする。

従って、燃料電池１の発電出力が低出力運転領域ＭＡの境界域ＸＡ（図７参照）を超えて相対的に高くなると、図７の特性線ＳＡに示すように、帰還流量ＱＲを次第に増加させている。その理由としては、発電出力が高い高出力運転領域においては、燃料電池１でのフラッディングの頻度が高くなるため、燃料電池１の燃料入口１０に供給する流量を増加させ、フラッディングの要因となる水を燃料電池１の内部の流路から押し出す力を増加させるためである。燃料電池１の定格出力（１００％）では、帰還流量ＱＲが最大となっている。

上記したように高出力運転領域においては帰還流量ＱＲを増加させる必要がある。本実施例によれば、図３に示すように、エゼクタ装置６の内部構造において、フランジ式絞り部９１と吸引口６４との距離よりも、ニードル式絞り部９５と吸引口６４との距離は短くされている。この場合、高出力運転領域においては前述したようにフランジ式絞り部９１よりもニードル式絞り部９５が絞り機能を発揮するため、ニードル式絞り部９５の絞り機能を効果的に発揮させ、吸引口６４から吸入する帰還流量ＱＲを増加させ易くすることができる。

図１に示す特性線βは、エゼクタ装置６を経て燃料電池１の燃料入口１０に供給される流量Ｖ２（ＦＣ供給流量＝主流の流量＋帰還流量）と、燃料電池１の発電出力との関係を示す。特性線βから理解できるうように、燃料電池１の発電出力が増加すると、燃料電池１の燃料入口１０に供給される流量Ｖ２は増加する。境界域ＸＡよりも高い発電出力の領域では、帰還流量ＱＲの影響により流量Ｖ２が急激に増加している。本実施例においては、ニードル式絞り部９５の絞り特性およびフランジ式絞り部９１の絞り特性を調整することにより、燃料電池１の発電出力が相対的に低い低出力運転領域ＭＡにおいては、帰還流量ＱＲを０に設定している。

本実施例によれば、フランジ式絞り部９１はニードル式絞り部９５の上流に位置しており、ニードル式絞り部９５に供給される主流のガス流量を絞る機能を果たすことができる。従って、フランジ式絞り部９１は可変式の減圧弁として機能することができる。このためエゼクタ装置６の上流に設ける減圧弁の廃止または簡素化を図り得る。

本実施例によれば、図２および図３に示すように、エゼクタ装置６の基部６０においては、ニードル式絞り部９５の外周側において、ニードル式絞り部９５の周りを１周するリング形状の流体通路６００が形成されている。吸引口６４は流体通路６００に開口している。このため、リング形状の流体通路６００の周方向にわたり、オフガスを吸引して帰還させることができ、オフガスを吸引する吸引可能領域が確保される。従って、燃料電池１の発電出力が増加して帰還流量ＱＲがかなり増加するときであっても、燃料源２０から燃料供給路２に供給された燃料ガスの主流に、帰還流量を合流させることができる。従って高出力運転領域に対処し易い。

更に本実施例によれば、帰還したオフガスが流れる流体通路６００は、下流つまり流体出口６２に向かうにつれて径小となる円錐リング形状とされている。このため、帰還したオフガスを主流と共に流体出口６２から円滑に吐出させるのに有利となる。また、フランジ式絞り部９１はニードル式絞り部９５の双方が共通の基部６０に組み込まれているため、コンパクト化を図り得る。

図８は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。但し、本実施例においては、ニードル式絞り部９５およびフランジ式絞り部９１の絞り効果を調整することにより、燃料電池１の発電出力が相対的に低い低出力運転領域ＭＡにおいても、帰還流量ＱＲをある程度設定している。そして、発電出力が増加するにつれて帰還流量ＱＲを増加させている（図８の特性線ＳＢ）。

図９は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。軸状弁体６５を移動させる作動部６９は、ステッピングモータ方式でも、ソレノイド方式でも良い。作動部６９は駆動ステム２５１を矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動させる。基部６０の内部において、作動室６３と作動部６９との間には調圧室１００が形成されている。調圧室１００には、弾性変形可能なダイヤフラム１０８が配置されている。ダイヤフラム１０８により、調圧室１００は第１調圧室１０１および第２調圧室１０２に仕切られている。第１調圧室１０１は大気圧パイロット口１０３に連通するため、大気圧に維持される。第２調圧室１０２は圧力パイロット口１０４に連通する。圧力パイロット口１０４は、調圧したい部位（Ｐ２，燃料電池入口）の圧力を第２調圧室１０２に導入する。

調圧室１００にはバネ座２００が配置されている。バネ座２００は、第１調圧室１０１に位置する第１バネ座２０１と、第２調圧室１０２に位置する第２バネ座２０２とを備えている。第２調圧室１０２には押圧体２５０が設けられている。押圧体２５０は、駆動ステム２５１により押圧される押圧部２５２と、第３バネ座２０３とをもつ。第１調圧室１０１にはコイル状の第１バネ部材３０１が配置されている。第１バネ部材３０１は、第１調圧室１０１の底面１０１ｕと第１バネ座２０１との間に介装されている。第２調圧室１０２には、コイル状の第２バネ部材３０２が配置されている。第２バネ部材３０２は第２バネ部２０２と第３バネ座２０３との間に配置されている。

ここで、第１調圧室１０１のガスの圧力荷重と第１バネ部材３０１のバネ加重との合計荷重をＦＡとする。第２調圧室１０２のガスの圧力荷重と第２バネ部材３０２のバネ加重との合計荷重をＦＢとする。第１調圧室１０１側の荷重ＦＡと、第２調圧室１０２側の荷重ＦＢとが均衡すると、軸芯ＰＸ方向に沿った軸状弁体６５の位置が決定される。このため第２調圧室１０２側の荷重ＦＢを調整すれば、軸芯ＰＸ方向に沿って軸状弁体６５が矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する。ここで、圧力パイロット口１０４のパイロット圧力（圧力パイロット口１０４に連通する調圧したい部分の圧力）が減少すると、第２調圧室１０２側の荷重ＦＢが低下し、軸状弁体６５が開弁方向（矢印Ｘ２方向）に移動する。また、調圧したい部分のパイロット圧力が増加すると、第２調圧室１０２側の荷重ＦＢが増加し、軸状弁体６５が閉弁方向（矢印Ｘ１方向）に移動する。

また、作動部６９により駆動ステム２５１を矢印Ｘ１，Ｘ２方向に適宜移動させることができる。この場合、第２調圧室１０２の第２バネ部材３０２の軸長寸法ＬＡの長さを調整できるため、第２バネ部材３０２のバネ荷重が適宜調整される。これにより第２調圧室１０２側の荷重ＦＢを適宜調整できる。

上記したように本実施例によれば、調圧したい部位の圧力をパイロット圧力として圧力パイロット口１０４を介して第２調圧室１０２に導入する。そして、調圧したい部位の圧力に応じて、第２調圧室１０２側の荷重ＦＢを調整し、軸状弁体６５の移動量を調整できる。

図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、エゼクタ装置６に用いられている軸状弁体の各形態を示す。図１０（Ａ）に示す形態によれば、軸状弁体６５Ａは、軸長方向にわたり外径が同径の本体部６５０と、本体部６５０に連接された第１円錐軸部６５１と、第１円錐軸部６５１に連接された第２円錐軸部６５２とを有する。第１円錐軸部６５１の外周面、第２円錐軸部６５２の外周面は断面で直線状とされている。第２円錐軸部６５２の傾斜角は第１円錐軸部６５１の傾斜角よりも小さくされている。

図１０（Ｂ）に示す形態によれば、軸状弁体６５Ｂは、軸長方向にわたり外径が同径の本体部６５０と、本体部６５０に連接された第１円錐軸部６５１とを有する。第１円錐軸部６５１の外周面は断面で直線状とされている。

図１０（Ｃ）に示す形態によれば、軸状弁体６５Ｃは、軸長方向にわたり外径が次第に小さくなる円錐軸部６５４を有する。このように軸状弁体は各形態を採用できる。

図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、エゼクタ装置６に用いられている軸状弁体の各断面図を示す。図１１（Ａ）に示す形態によれば、軸状弁体６５Ｄは、軸長方向にわたり外径が同径の本体部６５０と、本体部６５０に連接された第１円錐軸部６５１と、第１円錐軸部６５１に連接された第２円錐軸部６５２とを有する。第１円錐軸部６５１の外周面は断面で円弧凸状とされている。第２円錐軸部６５２の傾斜角は第１円錐軸部６５１の傾斜角よりも小さくされている。

図１１（Ｂ）に示す形態によれば、軸状弁体６５Ｅは、軸長方向にわたり外径が同径の本体部６５０と、本体部６５０に連接された第１円錐軸部６５１とを有する。第１円錐軸部６５１の外周面は断面で円弧凸状とされており、その先端部は丸みをもつ。

図１１（Ｃ）に示す形態によれば、軸状弁体６５Ｆは、軸長方向にわたり外径が次第に小さくなる円錐軸部６５４を有する。円錐軸部６５４の外周面は断面で円弧凸状とされており、その先端部は丸みをもつ。このように軸状弁体は各形態を採用できる。

図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す形態によれば、上記した円弧凸状については、円弧が放物線状であることが好ましい。この場合、図６の特性線Ｍ２を直線状または疑似直線状にすることができる。

（他の実施例）
その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

本発明は車載用、定置用等の燃料電池システムに利用することができる。更には他のガス供給装置にも利用することができる。

燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 エゼクタ装置を模式的に示す断面図である。 エゼクタ装置の要部を模式的に拡大して示す断面図である。 エゼクタ装置のフランジ式絞り部の絞り効果が大きい場合を示す構成図である。 エゼクタ装置のニードル式絞り部の絞り効果が大きい場合を示す構成図である。 フランジ式絞り部およびニードル式絞り部の有効断面積と燃料電池の発電出力との関係を模式的に示すグラフである。 燃料電池の発電出力と帰還流量との関係を模式的に示すグラフである。 実施例２に係り、燃料電池の発電出力と帰還流量との関係を模式的に示すグラフである。 実施例３に係り、エゼクタ装置を模式的に示す断面図である。 実施例４に係り、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は軸状弁体の各形態を示す断面図である。 実施例５に係り、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は軸状弁体各形態を示す断面図である。

符号の説明

１０は燃料入口、１３は酸化剤入口、１は燃料電池、２０は燃料源、２は燃料供給路、３は酸化剤供給路、６はエゼクタ装置、６０は基部、６１は流体入口、６２は流体出口、６３は作動室、６４は吸引口、６５は軸状弁体、６７はフランジ部、６８は円錐部、６９は作動部、７は帰還路、９１はフランジ式絞り部、９２はフランジ式絞り路、９５はニードル式絞り部、９６はニードル式絞り路を示す。

Claims (6)

1. 燃料入口および酸化剤入口をもつ燃料電池と、
   燃料流体を前記燃料電池の前記燃料入口に供給する燃料供給路と、
   酸化剤流体を前記燃料電池の前記酸化剤入口に供給する酸化剤供給路と、
   前記燃料供給路および前記酸化剤供給路のうちの少なくとも一方に設けられ、当該一方を流れる流体を絞って吸引力を発生させるエゼクタ装置と、
   前記燃料電池から排出された発電反応後の流体を前記エゼクタ装置の前記吸引力により当該一方に帰還させる帰還路とを具備する燃料電池システムにおいて、
   前記エゼクタ装置は、
   当該一方の流体が流入する流体入口と、前記流体入口に流入された流体が吐出される流体出口と、前記流体入口と前記流体出口との間に形成された作動室と、前記帰還路の流体を吸引する吸引口とを有する基部と、
   軸芯を有し前記基部の前記作動室に前記軸芯に沿って移動可能に挿入された軸状弁体と、
   前記軸状弁体を前記基部の前記作動室において前記軸芯に沿って移動させる作動部とを有しており、
   前記エゼクタ装置の前記基部および前記軸状弁体は、
   前記軸芯に対して遠心方向に沿ったフランジ式絞り路をもつフランジ式絞り部と、前記軸芯に対して斜め方向に沿ったニードル式絞り路をもつニードル式絞り部とを、前記流体出口と前記流体入口との間において直列的に形成していることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記フランジ式絞り部は前記ニードル式絞り部の上流に配置されていることを特徴とするは燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記軸状弁体の移動する前の初期位置では、前記フランジ式絞り部が閉鎖されており、前記ニードル式絞り部は非閉鎖状態であり、
   前記軸状弁体の移動量が増加するにつれて、前記フランジ式絞り部が前記ニードル式絞り部よりも絞り効果を発揮し、前記軸状弁体の移動量が更に増加するにつれて、前記ニードル式絞り部が前記フランジ式絞り部よりも絞り効果を発揮することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記燃料電池の発電出力が相対的に高い高出力運転領域よりも相対的に低い低出力運転領域においては、前記燃料電池から排出された発電反応後の前記流体を前記エゼクタ装置の前記吸引口に帰還させる帰還流量を、前記高出力運転領域における帰還流量よりも少なくすることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記基部は、前記ニードル式絞り部の外周側に前記ニードル式絞り部の周りを１周する流体通路を有しており、前記流体通路は前記吸引口および前記流体出口に連通していることを特徴とする燃料電池システム。
6. 流体が供給される流体供給路に設けられ前記流体供給路を流れる流体を絞って吸引力を発生させるエゼクタ装置において、
   前記エゼクタ装置は、
   前記流体供給路の流体が流入する流体入口と、前記流体入口に流入された流体が吐出される流体出口と、前記流体入口と前記流体出口との間に形成された作動室と、前記帰還路の流体を吸引する吸引口とを有する基部と、
   前記基部の前記作動室に前記軸芯に沿って移動可能に挿入された軸状弁体と、
   前記軸状弁体を前記基部の前記作動室において前記軸芯に沿って移動させる作動部とを有しており、
   前記エゼクタ装置の前記基部および前記軸状弁体は、
   前記作動室の軸芯に対して遠心方向に沿ったフランジ式絞り路をもつフランジ式絞り部と、前記軸芯に対して斜め方向に沿ったニードル式絞り路をもつニードル式絞り部とを、前記流体出口と前記流体入口との間において直列的に形成していることを特徴とするエゼクタ装置。

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