JP2011140906A - エゼクタ - Google Patents

Abstract

【課題】流路を締め切り状態から全開状態まで連続的に変化させることができるとともに、容易に製造することができるエゼクタを提供する。
【解決手段】主流が通過可能に構成されたノズル１２０と、ノズルと同軸に配置されたディフューザ１１０およびニードル１３０と、を備え、ニードルとノズルとを相対移動させることにより主流の流量を調整可能とし、ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を主流に合流させて混合流を生成し、混合流をディフューザから送出するエゼクタにおいて、ノズルは、軸に直交するように配された平板状のノズルボディ１２１と、ノズルボディに形成され、ニードルの先端部１３１を挿通可能なノズル孔１２２と、を有し、ニードルは、先端部と、先端部より径方向外側に膨出された胴体部１３２と、を有し、先端部と胴体部との間に形成された段差部１３３と、ノズルボディとの間を主流が通過可能に構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、エゼクタに関するものである。

従来から、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を複数積層して構成された燃料電池スタックを備えた固体高分子膜型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、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。

また、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池スタックに供給される水素や酸素には加湿装置などによって水分が混合されている。このため、燃料電池スタック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。

ここで、エゼクタを用いて排出燃料を新たに燃料電池スタックに導入される燃料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技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

エゼクタは、テーパ状の内周面を有するディフューザと、ディフューザの基端開口に連接された副流室と、ディフューザと同軸に、副流室内に突き出すように配置されたノズルと、ノズルの軸中心に形成された開口部に挿通され軸方向に移動可能に構成されたニードルと、を備えている。エゼクタに供給される燃料は、ノズルからディフューザの基端開口に向かって噴射され、この高速の燃料流に引き込まれるようにして排出燃料が副流室内に導入される。そして、燃料と排出燃料とが混合流となってディフューザから送出されるように構成されている。このとき、ニードルが軸方向に移動することにより、燃料が通過する開口面積が可変するため、流量を調整することができるようになっている。

具体的には、従来のノズルおよびニードルは図５に示すような形状で形成されている。なお、一般的にノズルおよびニードルは金属材料で形成されている。

特開２００６−１３８２７７号公報 特開２００６−２３３８０７号公報

しかしながら、図５に示すような構造を有する従来のエゼクタにおいては、ノズル２２０とニードル２３０との隙間（開口面積）を塞ごうとすると、金属同士が擦れ合ってしまい、それを繰り返すと摺動接触による摩耗が生じ、耐久性が低下するという問題がある。
したがって、開口面積をゼロにする機能を持たせるためには、ノズルおよびニードルの少なくとも一方にゴムなどの弾性体を設けて隙間をシールできる構造が必要となる。しかし、従来の構造に弾性体を設けると、開口面積（流路径）の連続的変化を実現させるのが困難になり、流量調整機能が悪化するという問題がある。また、構造も複雑化するという問題がある。
さらに、図５のような形状を有するノズル２２０およびニードル２３０を作るためには、高精度な加工が必要となる。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、流路を締め切り状態から全開状態まで連続的に変化させることができるとともに、容易に製造することができるエゼクタを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、主流が通過可能に構成されたノズル（例えば、実施形態におけるノズル１２０）と、前記ノズルの下流側に、該ノズルと同軸に配置されたディフューザ（例えば、実施形態におけるディフューザ１１０）と、前記ノズルと同軸に配置されたニードル（例えば、実施形態におけるニードル１３０）と、を備え、該ニードルと前記ノズルとを相対移動させることにより前記主流の流量を調整可能とし、前記ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタ（例えば、実施形態におけるエゼクタ５０）において、前記ノズルは、軸に直交するように配された平板状のノズルボディ（例えば、実施形態におけるノズルボディ１２１）と、該ノズルボディに形成され、前記ニードルの先端部（例えば、実施形態における先端部１３１）を挿通可能なノズル孔（例えば、実施形態におけるノズル孔１２２）と、を有し、前記ニードルは、前記先端部と、該先端部より径方向外側に膨出された胴体部（例えば、実施形態における胴体部１３２）と、を有し、前記先端部と前記胴体部との間に形成された段差部（例えば、実施形態における段差部１３３）と、前記ノズルボディとの間を前記主流が通過可能に構成されていることを特徴としている。

請求項２に記載した発明は、前記ニードルの先端部は、前記主流の流れ方向に沿って先細りするテーパ部（例えば、実施形態におけるテーパ部１３４）が形成されていることを特徴としている。

請求項３に記載した発明は、前記ノズル孔の周縁部または前記胴体部のいずれか一方から他方に向かって突出した弁体（例えば、実施形態における弁体１２３）が形成され、前記ニードルと前記ノズルとが相対移動することで、前記突出した弁体と前記他方とが当接離反可能に構成されていることを特徴としている。

請求項４に記載した発明は、前記他方における前記弁体と当接する位置に、弾性体で形成されたシート部材（例えば、実施形態におけるシート部材１３５）が設けられていることを特徴としている。

請求項５に記載した発明は、前記主流が燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）に供給される燃料ガスであり、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスであることを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、ニードルとノズルとを軸方向に相対移動させることにより、ノズルボディと段差部との距離を可変することができる。つまり、主流が通過できる流路の大きさ（流路面積）を連続的に変化させることができ、主流の流量調整を容易に行うことができる。また、ニードルの段差部を、締め切り構造として信頼性の高いフラットバルブとして機能する平板状のノズルボディに当接させることにより、流路を容易に締め切ることができる。
また、ノズルを構成するノズルボディは平板状であり、そのノズルボディにノズル孔を形成しているだけであるため、ノズルを容易に製造することができる。
したがって、簡易な構成で、ノズルの上流側から取り込む主流を所定の大きさの流路で減圧して噴射することができ、ジェットポンプのポンプ機能を保持したまま、連続的に流路の大きさを変化させることができる。

請求項２に記載した発明によれば、テーパ部により主流の流れを整流することができるため、主流を効率よくディフューザ側へ送出することができる。

請求項３に記載した発明によれば、ノズルとニードルとを確実に当接させることができ、より確実に流路を締め切り状態から全開状態まで連続的に変化させることができる。

請求項４に記載した発明によれば、ノズルとニードルとが当接したときのシール性能を向上させることができる。

請求項５に記載した発明によれば、エゼクタを用いて燃料電池から排出された排出燃料ガスを新たに燃料電池に導入される燃料ガスに混合して再循環させることで、燃料ガスを有効に活用することができ、燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施形態におけるエゼクタの断面図である。 本発明の実施形態におけるエゼクタのニードルが上流側に位置した状態を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施形態におけるエゼクタのニードルが下流側に位置した状態を示す部分拡大断面図である。 従来のエゼクタにおけるノズルおよびニードルの形状を説明する部分拡大図である。

次に、本発明の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池自動車における燃料電池システムの配管に取り付けたエゼクタについて説明をする。

（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。

また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ５０を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。なお、本実施形態においては、エゼクタ５０の上流側に接続されたアノードガス供給配管２３を上流側アノードガス供給配管２３Ａとし、エゼクタ５０の下流側に接続されたアノードガス供給配管２３を下流側アノードガス供給配管２３Ｂとする。

また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ５０に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で２本の配管が分岐して設けられており、一方はドレイン排出配管３６であり、他方はパージガス排出配管３７である。ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられている。なお、パージガス排出配管３７は、ドレイン排出配管３６よりも配管径の大きいものが取り付けられている。また、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。

次に、空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間には加湿器３９が架け渡して設けられている。加湿器３９によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。

また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、下流側アノードガス供給配管２３Ｂに他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。

また、制御装置（ＥＣＵ）４５は、各種電磁弁などが電気的に接続されており、図示しない温度センサや圧力センサなどの検出結果に基づいて、各種弁の開閉などを実行することができるように構成されている。

（エゼクタ）
次に、エゼクタ５０の構造について説明する。
図２に示すように、エゼクタ５０は、燃料電池１１の空気極側における空気の圧力と、燃料電池１１の燃料極側における燃料の圧力とに基づいて、燃料電池１１へ供給する燃料の流量を制御するものであって、例えば、ディフューザ１１０と、ノズル１２０と、ニードル１３０と、アクチュエータ１４０と、ニードル１３０を収容するブロック体１５０と、を備えている。

ディフューザ１１０は、軸線方向に貫通する流体通路１１１が形成されており、該流体通路１１１は、その途中に内径が最小となるスロート部１１２を有し、このスロート部１１２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１１３が形成されている。また、スロート部１１２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１１４が形成されている。ここで、拡径部１１４の拡がり角度は上流側の絞り部１１３の拡がり角度よりも小さくなっている。また、流体通路１１１の下流側には、下流側アノードガス供給配管２３Ｂが接続されている。

また、ディフューザ１１０には軸線方向に沿って穴部１１５が形成されており、この穴部１１５の下流側が絞り部１１３に連通している。一方、穴部１１５の上流端には、ブロック体１５０が連設されており、ディフューザ１１０とブロック体１５０との間にノズル１２０が配されている。

なお、ノズル１２０よりも下流側であって、絞り部１１３と穴部１１５とによって構成される空間は副流室１１６とされており、該副流室１１６には燃料電池１１から排出されるアノードオフガスを導入するためのアノードオフガス排出配管３５が接続されている。

ノズル１２０は、金属製の平板状のノズルボディ１２１と、ノズルボディ１２１の略中央部に形成されたノズル孔１２２と、を有している。ノズル１２０は、ノズル孔１２２の軸中心と、ディフューザ１１０の軸中心とが略一致するように、後述するブロック体１５０におけるディフューザ１１０との境界面に固定されている。さらに、ノズル孔１２２の周縁部には、後述するニードル１３０の胴体部１３２に向かって突出した弁体１２３が形成されている。

ディフューザ１１０（ノズル１２０）の下流側には、内部にガス流路１５１が形成されたブロック体１５０が配されている。ブロック体１５０はディフューザ１１０の上流側に連結されている。

ガス流路１５１の壁面をなす内周面１５１Ａは軸方向に沿って略円筒状に形成されている。ガス流路１５１の下流端には、ノズル１２０がそのノズルボディ１２１でガス流路１５１の一部を閉塞するように配されており、ガス流路１５１とノズル１２０に形成されたノズル孔１２２とが連通するように配されている。

また、ガス流路１５１内にはニードル１３０が配されており、ニードル１３０はアクチュエータ１４０によってディフューザ１１０の流体通路１１１と同軸の軸方向に対して移動可能に保持されている。また、ガス流路１５１には、水素タンク３０から供給されるアノードガスを導入するための上流側アノードガス供給配管２３Ａが接続されている。

ここで、ニードル１３０は、ノズル１２０のノズル孔１２２に対して軸方向に挿通可能に構成された先端部１３１と、先端部１３１よりも径方向に拡張されガス流路１５１内に配される胴体部１３２と、を有している。なお、先端部１３１と胴体部１３２との境界には段差部１３３が形成されている。また、胴体部１３２におけるノズル１２０と対向する面には、ゴムなどの弾性体で形成されたシート部材１３５が設けられている。シート部材１３５は、正面視略リング状に形成されており、先端部１３１の外周を取り囲むように配されている。そして、シート部材１３５は、ノズル１２０の弁体１２３と当接離反することができる位置に設けられている。

さらに、ニードル１３０の先端部１３１には、軸方向先端側（下流側）に向かうにしたがって漸次連続的に縮径するテーパ部１３４が形成されている。このテーパ部１３４によりノズル孔１２２から噴射されるアノードガスを整流することができる。

また、ノズル１２０のノズル孔１２２において、ニードル１３０の先端部１３１が軸線方向に移動することで、ノズル１２０のノズル孔１２２から突出するニードル１３０の先端部１３１の突出量が変更させられる。これに伴い、ガス流路１５１におけるニードル１３０の段差部１３３とノズル１２０のノズルボディ１２１との間隙の距離が変更させられ、ノズル１２０のノズル孔１２２から副流室１１６内に噴射されるアノードガスの流量が調整可能とされている。

次に、アノードガスの流量調整方法について、図３、図４を用いて具体的に説明する。
図３に示すように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０が上流側に移動した状態では、アノードガスがガス流路１５１を通過してディフューザ１１０に送出される。具体的には、上流側アノードガス供給配管２３Ａからブロック体１５０のガス流路１５１に供給されたアノードガスは、ガス流路１５１の内周面１５１Ａとニードル１３０の胴体部１３２の外周面との隙間を通過し、その後、ノズル１２０のノズルボディ１２１とニードル１３０の段差部１３３との隙間を通過する。そして、アノードガスは、ノズル１２０のノズル孔１２２とニードル１３０の先端部１３１との隙間を通過して、ディフューザ１１０側へ噴射される。ここで、噴射されたアノードガスは、ニードル１３０のテーパ部１３４により整流される。このとき、高速のアノードガスが流通するディフューザ１１０のスロート部１１２の近傍において負圧が発生し、この負圧により副流室１１６内にアノードオフガスが引き込まれ、ノズル１２０から噴射されたアノードガスと混合してディフューザ１１０の下流端から下流側アノードガス供給配管２３Ｂに送出される。このように、燃料電池１１から排出されたアノードオフガスは、可変流量エゼクタ５０を介して循環させられている。

一方、図４に示すように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０が最も下流側に移動した状態では、ノズル１２０の弁体１２３とニードル１３０の胴体部１３２に設けられたシート部材１３５とが当接される。この状態においては、アノードガスが流通する流路が閉塞されるため、アノードガスがノズル１２０のノズル孔１２２から噴射されることはない。

このように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０を軸方向に移動させることで、アノードガスの流量を調整するのみならず、完全に締め切ることもできる。また、ニードル１３０を軸方向に移動させることで、アノードガスが流通する流路の面積（ノズル１２０のノズルボディ１２１とニードル１３０の段差部１３３との隙間）を連続的に調整することができるため、アノードガスの流量を連続的に調整することができる。

本実施形態のエゼクタ５０によれば、ニードル１３０を軸方向に移動させることにより、ノズルボディ１２１と段差部１３３との距離を可変することができる。つまり、主流となるアノードガスが通過できる流路径を連続的に変化させることができ、アノードガスの流量調整を容易に行うことができる。また、ニードル１３０の段差部１３３を、締め切り構造として信頼性の高いフラットバルブとして機能する平板状のノズル１２０のノズルボディ１２１に当接させることにより、流路を容易に締め切ることができる。
また、ノズル１２０を構成するノズルボディ１２１は平板状であり、そのノズルボディ１２１にノズル孔１２２を形成しているだけであるため、ノズル１２０を容易に製造することができる。
したがって、エゼクタ５０は、簡易な構成で、ノズル１２０の上流側から取り込むアノードガスを所定の流路径で減圧して噴射することができ、ジェットポンプのポンプ機能を保持したまま、連続的に流路径を変化させることができる。

また、ニードル１３０のテーパ部１３４によりアノードガスの流れを整流することができるため、アノードガスを効率よくディフューザ１１０側へ送出することができる。

また、ノズル１２０に弁体１２３を形成したため、ノズル１２０とニードル１３０とを確実に当接させることができ、より確実に流路径を締め切り状態から全開状態まで連続的に変化させることができる。

さらに、ニードル１３０にシート部材１３５を設けたため、ノズル１２０とニードル１３０とが当接したときのシール性能を向上させることができる。つまり、流路の締め切り性能を向上させることができる。

そして、エゼクタ５０を用いて燃料電池１１から排出された副流となるアノードオフガス（排出燃料ガス）を新たに燃料電池１１に導入されるアノードガス（燃料ガス）に混合して再循環させることで、燃料ガスを有効に活用することができ、燃料電池１１のエネルギー効率を向上させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

例えば、本発明の実施形態では、ニードル１３０がアクチュエータ１４０により軸方向に移動可能として、固定されたノズル１２０と相対移動できるように構成したが、逆に、ニードルを固定とし、ノズルを軸方向に移動可能となるように構成してもよい。

また、本発明の実施形態では、ノズル孔１２２の周縁部からニードル１３０側に突出して設けられた弁体１２３に関し、この弁体１２３が、ニードル１３０とノズル１２０とが相対移動することにより、胴体部１３２におけるシート部材１３５と当接離反する構成が開示されているが、弁体を胴体部からノズル側に突出するように胴体部側に形成し、シート部材をノズル側に設けて当接離反可能に構成してもよい。つまり、いずれの構成にしても、フラットバルブとして締切り機能を実現することができる。

１１…燃料電池 ５０…エゼクタ １１０…ディフューザ １２０…ノズル １２１…ノズルボディ １２２…ノズル孔 １２３…弁体 １３０…ニードル １３１…先端部 １３２…胴体部 １３３…段差部 １３４…テーパ部 １３５…シート部材

Claims (5)

1. 主流が通過可能に構成されたノズルと、
   前記ノズルの下流側に、該ノズルと同軸に配置されたディフューザと、
   前記ノズルと同軸に配置されたニードルと、を備え、
   該ニードルと前記ノズルとを相対移動させることにより前記主流の流量を調整可能とし、
   前記ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、
   該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタにおいて、
   前記ノズルは、軸に直交するように配された平板状のノズルボディと、該ノズルボディに形成され、前記ニードルの先端部を挿通可能なノズル孔と、を有し、
   前記ニードルは、前記先端部と、該先端部より径方向外側に膨出された胴体部と、を有し、
   前記先端部と前記胴体部との間に形成された段差部と、前記ノズルボディとの間を前記主流が通過可能に構成されていることを特徴とするエゼクタ。
2. 前記ニードルの先端部は、前記主流の流れ方向に沿って先細りするテーパ部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエゼクタ。
3. 前記ノズル孔の周縁部または前記胴体部のいずれか一方から他方に向かって突出した弁体が形成され、
   前記ニードルと前記ノズルとが相対移動することで、前記突出した弁体と前記他方とが当接離反可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエゼクタ。
4. 前記他方における前記弁体と当接する位置に、弾性体で形成されたシート部材が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のエゼクタ。
5. 前記主流が燃料電池に供給される燃料ガスであり、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエゼクタ。

Images