JP4814963B2

JP4814963B2 - エゼクタおよびこのエゼクタを用いた燃料電池システム

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Publication number: JP4814963B2
Application number: JP2009030674A
Authority: JP
Inventors: 一教福間; 聡井上
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: JP2010185391A; EP2237353B1; CA2693017A1; CA2693017C; EP2237353A1; US20100209818A1; US8323852B2

Description

本発明は、エゼクタおよびこのエゼクタを用いた燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード（陽極）およびカソード（陰極）の２つの電極と、これらの電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
そして、燃料電池のアノードに燃料としての水素ガスが供給され、カソードに酸化剤としての酸素を含む空気が供給されると、燃料電池は化学反応により発電する。

このような燃料電池を用いた燃料電子システムでは、水素タンクから燃料電池に水素を供給し、燃料電池からは、アノードオフガスが排出される。ここで、水素タンクから供給される水素には、発電に必要が水素量よりも多くの水素が含まれているため、燃料電池から排出されるアノードオフガスには、余剰な水素が含まれる。そこで、循環装置を用いて、このアノードオフガスを循環させ、これを水素タンクからの水素に混合させて、燃料電池に供給している。

従来、この循環装置としては、外部に動力源を必要とせず、圧力エネルギを利用するエゼクタが用いられることが多い。
エゼクタを用いた燃料電池システムでは、燃料電池に供給される水素の圧力を発電電力に応じて制御するレギュレータや発電電力に応じた循環能力を引き出すためにエゼクタに構成されるノズルの開口径を切り替える装置等が必要となる。
従来、レギュレータやエゼクタのノズルの開口径（開口面積）を切り替える装置等として、種々の技術が開示されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

特開２００２−２２７７９９号公報特開２００２−５６８６８号公報特開２００４−０９５５２８号公報特開２００５−１８３３５７号公報

ところで、従来のエゼクタでは、小流量域における流量制御の向上を図りたいという要望があった。
そこで、本発明は、小流量域の流量制御の更なる向上に寄与するエゼクタおよびこのエゼクタを用いた燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記目的を達成するために、本発明は、ボディと、ニードルと、第１流体が供給され、前記ニードルと同軸に配置されて当該ニードルを収容するノズルと、前記ノズルの噴出口を囲うように配置され、前記ノズルから噴出された第１流体によって発生する負圧で第２流体を吸引し、これらの流体を混合させて流出するディフューザと、を含むエゼクタであって、前記ニードルは、支持部を介して前記ボディに固定された基部と、前記基部の他端側に備わり前記ノズルの前記噴出口に挿入される先部と、を有し、前記ノズルは、前記ニードルの前記基部の一端側を摺動可能に収容する基端部と、前記基端部の他端側に連結配置され、前記ニードルの前記先部を収容する先端部と、を有しており、前記ボディに周囲を固定されるとともに、前記ノズルの前記基端部に固定され、前記ニードルに対して前記ノズルを軸方向に変位可能とする第１のダイヤフラムと、前記ボディに周囲を固定されるとともに、前記ノズルの前記先端部に固定され、前記ニードルに対して前記ノズルを軸方向に変位可能とする第２のダイヤフラムと、前記第１のダイヤフラム、前記第２のダイヤフラム、前記ボディ、前記ノズル、および前記ニードルで囲まれて構成され、第１流体が供給される第１流体室と、前記第２のダイヤフラム、前記ボディ、前記ディフューザ、前記ノズルの前記先端部、および前記ニードルの前記先部で囲まれて構成され、第２流体が供給される第２流体室と、前記第１のダイヤフラム、前記ボディ、および前記ノズルの前記基端部で囲まれて構成され、第３流体が供給される第３流体室と、を備え、前記第１流体室における前記ノズルの前記基端部と前記先端部との間において、前記ノズルの前記先端部の一端部に対向するように前記ニードルの前記基部に対向部を設け、前記先端部の一端部および前記対向部の一方に突条の弁体を設けるとともに、他方に弁座を設け、前記ノズルの変位によって前記弁体が前記弁座に着座あるいは離座するバルブを構成し、前記ノズルの前記基端部と前記ニードルの前記基部の一端部との間に背圧室を設け、前記バルブを介して当該バルブよりも上流側の前記第１流体室と前記背圧室とを連通する通路を前記ニードルに設け、前記第１のダイヤフラムと、前記第２のダイヤフラムとを同一の有効面積としたことを特徴とする。

本発明のエゼクタによれば、第１流体室におけるノズルの基端部と先端部との間において、ノズルの先端部の一端部に対向するようにニードルの基部に対向部を設け、先端部の一端部および対向部の一方に突条の弁体を設けるとともに、他方に弁座を設け、ノズルの変位によって弁体が弁座に着座あるいは離座するバルブを構成してあるので、このバルブを利用してノズルから噴出される第１流体の流量を制御することができる。
また、ノズルの基端部とニードルの基部の一端部との間に背圧室が設けられ、バルブを介してバルブよりも上流側の第１流体室と背圧室とを連通する通路がニードルに設けられているので、第１流体室からバルブを介してノズルに付与される第１流体の圧力の少なくとも一部を、背圧室で相殺することができる。

この場合、バルブより下流側において第１流体の圧力が作用するノズルの有効径（弁体のシール面積）と、背圧室の有効径（受圧面積）との比を変更することで、その面積差から生じるノズルの推力、つまり、ノズルの可動力（可動方向に作用する力）を変更することができる。これにより、バルブを絞った小流量域の流量制御において、ノズルをうまく可動させることができ、ノズルから噴出される第１流体の流量制御の向上が図れる。すなわち、例えば、弁体のシール面積を背圧室の受圧面積よりも大きくすることで、噴出される第１流体の流量が大きくなるように設定することが可能であり、また、これとは逆に、弁体のシール面積を背圧室の受圧面積よりも小さくすることで、噴出される第１流体の流量が小さくなるように設定することも可能である。

また、弁体のシール面積と背圧室の受圧面積とを等しくすることにより、その面積差をゼロにして、ノズルの推力を打ち消して、ノズルの可動力が生じないように設定することも可能である。この場合には、例えば、供給されるエア等の流体の圧力に比例して噴出される第１流体の流量を制御することができる。したがって、第１流体の流量制御の向上に寄与するエゼクタが得られる。

また、本発明のエゼクタを用いた燃料電池システムは、前記エゼクタが、燃料電池から排出される排出燃料を、燃料供給源からの燃料と混合して燃料電池に再供給する燃料循環路に設けられることを特徴とする。

この燃料電池システムによれば、エゼクタを用いて、燃料電池から排出される排出燃料を、新たに燃料電池に供給される燃料に混合して再循環させる際に、燃料電池に供給する燃料および排出燃料の混合流体の流量を、バルブを利用して制御することができる。これにより、例えば電気的なアクチュエータ等を用いて流量制御を行う場合に比べて、より単純な構成でありながら、所望の信頼性の高い流量制御を行うことができる。これによって、燃料電池システムの制御が複雑化することを防いで、コスト抑制を図ることができる。

本発明によれば、小流量域の流量制御の更なる向上に寄与するエゼクタおよびこのエゼクタを用いた燃料電池システムが得られる。

本実施形態のエゼクタが適用される燃料電池システムの構成を示す図である。エゼクタの構成を示す断面図である。エゼクタに作用する圧力の関係について説明する図である。流体の流れを示す説明図である。バルブが閉じる側にノズルが変位したときの状態を示す断面図である。変形例に係るエゼクタを示す断面図である。その他の燃料電池システムの構成を示す図である。

以下、本発明に係るエゼクタの実施の形態を、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
ここで、本実施の形態によるエゼクタ５０は、例えば電気自動車等の車両に搭載された燃料電池システムに備えられており、この燃料電池システムは、エゼクタ５０と、燃料電池スタック１と、燃料供給手段（水素供給源）としての水素タンク２０と、酸化剤供給手段としてのコンプレッサ３０と、これらを制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）１０とを備えて構成されている。

燃料電池スタック１は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路２およびカソード流路３が形成されている。

このような燃料電池スタック１は、アノード流路２を介してアノード側に水素タンク２０から水素が供給され、カソード流路３を介してカソード側にコンプレッサ３０から酸素を含む空気が供給されると、アノードおよびカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電極反応が起こり、発電可能な状態となる。

そして、このように発電可能な状態の燃料電池スタック１と、外部負荷（例えば図示しない走行用のモータ）とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１が発電するようになっている。

＜アノード系＞
アノード系は、燃料電池スタック１よりも上流側に備えられる、水素タンク２０、常閉型の遮断弁２１、エゼクタ５０、および燃料電池スタック１よりも下流側に備えられる、常閉型のパージ弁２２を備えている。

水素タンク２０は、配管２１ａ、遮断弁２１、配管２１ｂ、エゼクタ５０、および配管２１ｃを介して、アノード流路２の入口側に接続されている。
そして、燃料電池自動車のイグニッションがオンされ、燃料電池スタック１の起動が要求されてＥＣＵ１０により遮断弁２１が開かれると、水素タンク２０の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路２に供給されるようになっている。

アノード流路２の出口は、配管２２ａ、配管２２ｂを介して、エゼクタ５０の後記する第２流体室４２に通じる吸込口に接続されている。そして、アノード流路（アノード）２から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、図示しない気液分離器において、これに同伴する液状の水分が分離された後、燃料電池スタック１の上流側のエゼクタ５０に戻されるようになっている。
そして、エゼクタ５０に戻されたアノードオフガスは、水素タンク２０からの水素と混合された後、アノード流路２に再供給されるようになっている。つまり、本実施形態では、配管２２ａおよび配管２２ｂによって、水素を循環させて再利用する水素循環ラインが構成されている。

パージ弁２２は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック１の発電時において、配管２２ａおよび配管２２ｂを循環するアノードオフガス（水素）に含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合に、ＥＣＵ１０によって開かれる弁である。
パージ弁２２が開かれると、配管２２ａ内の水素ガスは、希釈器３２に流入し、希釈器３２内において後記するカソード系の配管３１ａ等を通じて供給されたエアで希釈されて車外に排出される。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３０と、希釈器３２（ガス処理装置）とを備えている。
コンプレッサ３０は、配管３０ａを介して、カソード流路３の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ１０から送られる指令回転速度にしたがって作動すると、コンプレッサ３０は、酸素を含む空気を取り込み、空気をカソード流路３に供給するようになっている。コンプレッサ３０の回転速度は、通常、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を大流量・高圧で供給すべく、高められる設定となっている。
なお、コンプレッサ３０は、燃料電池スタック１および／又は燃料電池スタック１の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。

配管３０ａは途中で分岐されており、この分岐した部分は、エア分岐路３３ａとなり、後記するエゼクタ５０の第３流体室４３に通じる導入口に接続されている。つまり、エア分岐路３３ａを通じて、コンプレッサ３０からのエアがエゼクタ５０の第３流体室４３に（パイロット圧として）直接供給されるようになっている。

カソード流路３の出口は、配管３１ａ、背圧弁３１、配管３１ｂを介して、希釈器３２に接続されている。そして、カソード流路３（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３１ａ等を介して希釈器３２に供給されるようになっている。背圧弁３１は、カソード流路３における空気の圧力を制御するようになっており、バタフライ弁等からなる。

希釈器３２は、パージ弁２２から導入されるアノードオフガスと、配管３１ｂから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する役割をなす。

〔エゼクタ〕
次に、エゼクタ５０について図２を参照して説明する。なお、以下の説明では、図２に示すように、ニードル７０を構成するニードル本体７２の基部７３が配置される側を「一端側」と称し、また、ニードル本体７２の先部７４が配置される側を「他端側」と称する。
エゼクタ５０は、ボディ６０と、このボディ６０の内部に固定されたニードル７０と、このニードル７０を収容する略筒状のノズル８０と、ノズル８０の噴出口８２ａ側に設けられたディフューザ９０と、を備え、これらのニードル７０とノズル８０とがボディ６０に内包され、ニードル７０とノズル８０とディフューザ９０とが同軸に配置されている。

本実施形態のエゼクタ５０では、ボディ６０に対してニードル７０が固定されており、この固定されたニードル７０に対してノズル８０が後記するように軸方向に変位可能に構成されている。
また、ノズル８０の一端側および他端側において、ノズル８０とボディ６０との間には、ノズル８０の変位動作に追従して撓む弾性部材（例えば、合成ゴム等の材料）からなる第１，第２のダイヤフラム１００、１１０が固定されており、この第１，第２のダイヤフラム１００，１１０によってボディ６０内が３つの流体室（第１流体室４１、第２流体室４２、第３流体室４３）に仕切られた構造となっている。

ニードル７０は、円環状の支持部７１と、この支持部７１に支持されてボディ６０の延出方向に沿って他端側へ延びるニードル本体７２と、を備える。支持部７１は、ボディ６０の内壁面に設けられた突部６１に複数個のボルト６２（図では１個のみ図示）で固定されており、その中心部に形成された挿通孔７１ａに、ニードル本体７２の後記する基部７３が挿通されて固定されている。
なお、支持部７１には、軸方向に図示しない複数の透孔が形成されており、この透孔を通じて後記する第１流体としての水素が通流可能である。

以下、エゼクタ５０の各部について詳細に説明する。
ボディ６０は、略筒状であり、ニードル７０およびノズル８０を内包している。ボディ６０の他端側には、ディフューザ９０が配置されており、このディフューザ９０の送出口９１は、図１に示した配管２１ｃを介して燃料電池スタック１のアノード流路２に接続されている。
また、ボディ６０内には、ノズル８０を付勢してノズル８０とニードル７０との相対位置を保持する第１のばね６３と、第２のばね６４が保持されている。本実施形態では、ノズル８０の初期位置を、ノズル８０が全開となる状態、つまり、ノズル８０が他端側に付勢された図２に示す状態となるように、供給される第１流体としての水素の圧力を考慮して第１，第２のばね６３，６４の付勢力の強弱を設定している。

ニードル本体７２は、筒状の基部７３と、この基部７３の他端側に設けられ、ノズル８０の噴出口８２ａに挿入される先部７４とを有する。基部７３は、大径部７５と小径部７６とを有しており、その内側に形成される中空を利用して後記する第１流体としての水素が通流する通路７３ａが形成されている。大径部７５の他端側には、フランジ部（対向部）７３ｂが形成されており、このフランジ部７３ｂに、後記するバルブ７７を構成する円環状のシール部材（弾性部材）からなる弁座７７ａが設けられている。
また、大径部７５の一端側には、シール材７５ａを介して後記するノズル８０の胴部としての基端部８１が装着される。

小径部７６の一端側には、通路７３ａの流入口となる４個の開口部７６ａが形成されている。また、小径部７６の他端側には、通路７３ａの流出口となるスロット状の連通孔７６ｂが計４個形成されている。つまり、通路７３ａは、一方が開口部７６ａを通じて後記する第１流体室４１に連通するとともに、他方が先部７４側のスロット状の連通孔７６ｂを通じてノズル８０内に連通するようになっている。連通孔７６ｂは、細長溝状として形成しても、長孔状に形成してもよい。

小径部７６の外周面には、図２に示すように、ノズル８０の後記する先端部８２の内周面に係止された軸受８５の内面が接しており、小径部７６（ニードル本体７２）に対して先端部８２が軸方向に変位可能となっている。

先部７４は、ノズル８０の噴出口８２ａに挿入されるようになっており、先端７４ａが、先細りとされたテーパ状とされている。

ノズル８０は、ニードル７０の基端側（一端側）に設けられた基端部８１と、ニードル７０の先端側（他端側）に設けられた先端部８２と、これらの基端部８１と先端部８２とを連結する連結部材８３とからなる。
基端部８１は、断面略ハット形状とされた有底円筒状とされており、その中空部に、ニードル本体７２の基部７３の一端側が軸方向に摺動可能に収容される。本実施形態では、中空部の底部８１ａが断面三角凹状とされており、この底部８１ａと、底部８１ａに対向するニードル本体７２の基部７３の一端面との間に背圧室８１ｂを形成している。この背圧室８１ｂには、ニードル本体７２の通路７３ａの一端側が連通している。つまり、背圧室８１ｂは、通路７３ａ、開口部７６ａ、および後記するバルブ７７を介して第１流体室４１に連通している。したがって、これらを介して背圧室８１ｂには、第１流体室４１の第１流体が流入するようになっており、これによって、ノズル８０の可動方向（他端側に変位する方向）に作用する力を打ち消すようになっている。

基端部８１の他端側には、フランジ部８１ｃが形成されており、このフランジ部８１ｃがニードル７０の支持部７１の一端面７１ｂに当接するようになっており、当接した状態でノズル８０の他端側への変位が規制されるようになっている。本実施形態では、フランジ部８１ｃが一端面７１ｂに当接した状態で、先端部８２の噴出口８２ａの開口が最大開口となるように設定されている。つまり、噴出口８２ａにおける開口（ニードル７０の先部７４との間に形成される円環状の隙間）が最大開口面積となるように設定されている。
また、フランジ部８１ｃには、貫通孔が形成され、この貫通孔に連結部材８３を構成するボルト８３ａが挿通されるようになっている。

また、基端部８１には、第１のダイヤフラム１００が固定されている。第１のダイヤフラム１００は、基端部８１を取り囲むように基端部８１に固定された円環状の部材であり、基端部８１側に装着される内周縁部１０１と、内周縁部１０１から半径外方向へと延在する薄肉状のスカート部１０２と、このスカート部１０２の外周部に形成されてボディ６０に固定される外周縁部１０３とからなる。

内周縁部１０１は、基端部８１に装着される円環状の保持部材８４と、この保持部材８４に被せられる円環状の押え部材８６と、の間に挟持されることで基端部８１に固定される。スカート部１０２は、ノズル８０の変位動作に追従して撓曲自在である。また、外周縁部１０３は、ボディ６０を構成するブロック間に挟持されて固定されている。

このような第１のダイヤフラム１００を設けることによって、第１のダイヤフラム１００で仕切られる第３流体室４３の内部の気密が好適に保持されるようになる。
なお、押え部材８６と第３流体室４３の側壁との間には、前記した第１のばね６３が縮設されている。

先端部８２は、ボディ６０の延出方向に沿って延びる円筒状の噴出部８２ｂを有しており、この噴出部８２ｂの先端に、噴出口８２ａが形成されている。噴出部８２ｂは、噴出口８２ａに向かい漸次連続的に縮径するテーパ状に形成されている。

先端部８２は、ニードル７０の基部７３の小径部７６および先部７４の略全体を覆う状態に配置されており、ニードル７０に対して軸方向に摺動可能である。先端部８２の基端部８２ｃには、その一端面に、バルブ７７を構成する円環突条の弁体７７ｂが形成されている。
弁体７７ｂは、ニードル７０の基部７３における大径部７５に設けられた円環状の弁座７７ａに対向して設けられており、後記するように一端側へノズル８０が変位した際に（図５参照）、弁座７７ａに着座可能である。
本実施形態では、背圧室８１ｂの有効径（受圧面積）と、バルブ７７の弁体７７ｂの有効径（シール面積）とが同一の大きさとなるように設定されている。
また、先端部８２の基端部８２ｃには、連結部材８３を構成するボルト８３ａがカラー８３ｂを介して螺合されている。カラー８３ｂは、基端部８１と先端部８２との間隔を所定の間隔に一体的に保持するスペーサの役割をなす。

また、先端部８２には、第２のダイヤフラム１１０が固定されている。第２のダイヤフラム１１０は、先端部８２を取り囲むように先端部８２に固定された円環状の部材であり、先端部８２に固定される内周縁部１１１と、内周縁部１１１から半径外方向へと延在する薄肉状のスカート部１１２と、このスカート部１１２の外周部に形成されてボディ６０に固定される外周縁部１１３とからなる。

内周縁部１１１は、先端部８２に設けられたフランジ部８２ｅと、このフランジ部８２ｅに被せられる円環状の押え部材８７と、の間に挟持されることで先端部８２に固定される。スカート部１１２は、ノズル８０の変位動作に追従して撓曲自在である。外周縁部１１３は、ボディ６０とディフューザ９０との間に挟持されて固定されている。

このような第２のダイヤフラム１１０を設けることによって、第２のダイヤフラム１１０で仕切られる第２流体室４２の内部の気密が好適に保持されるようになる。また、前記した第１のダイヤフラム１００と第２のダイヤフラム１１０で仕切られる第１流体室４１の内部の気密が好適に保持されるようになる。
なお、押え部材８７と第２流体室４２の対向壁との間には、前記した第２のばね６４が縮設されている。
また、第１のダイヤフラム１００と第２のダイヤフラム１１０とは、同一のものが用いられている。

このように、少なくとも第１，第２のダイヤフラム１００，１１０とボディ６０で囲われて構成される第１流体室４１には、配管２１ｂを介して水素が供給されるようになっている。また、少なくとも第２のダイヤフラム１１０とボディ６０で囲われて構成される第２流体室４２には、配管２２ｂを介してアノード流路（アノード）２から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが供給されるようになっている。さらに、少なくとも第１のダイヤフラム１００とボディ６０で囲われて構成される第３流体室４３には、エア分岐路３３ａを介してコンプレッサ３０からのエアが供給されるようになっている。

このようなエゼクタ５０は、第１流体室４１に供給された水素を、第１流体室４１からニードル本体７２の内部に形成された通路７３ａを通じてノズル８０の噴出口８２ａから噴出する。

そして、エゼクタ５０は、ノズル８０の噴出口８２ａから噴出される水素の負圧で、配管２２ｂを通じて第２流体室４２に供給されるアノードオフガスを吸引して、これらの流体をディフューザ９０で混合させて流出する。流出された混合流体は、配管２１ｃを通じて燃料電池スタック１のアノード流路２に供給される。
一方、エゼクタ５０には、前記したようにコンプレッサ３０からのエアが第３流体室４３に供給されており、この第３流体室４３に供給されたエアの圧力に基づいてノズル８０が他端側に変位し、ノズル８０の噴出口８２ａから噴出される水素の噴出量が調整される。

ここで、エゼクタ５０に作用する圧力の関係について図３を参照して説明する。以下では、ノズル８０の可動方向（ここでは一端側に向かう方向）に作用する力をプラス、これとは逆向きに作用する力をマイナスとして説明する。なお、第１，第２のダイヤフラム１００，１１０の有効面積は同一とする。
まず、バルブ７７よりも上流側において第１流体室４１に作用する力Ｆ１は、
第１流体室４１に供給される水素の圧力をＰ_１、第１のダイヤフラム１００の有効面積をＳａ、第２のダイヤフラム１１０の有効面積をＳｈ、バルブ７７の弁体７７ｂのシール面積をＳｖ、背圧室８１ｂの有効径（受圧面積）をＳｂとすると、次式（１）で表される。
Ｆ１＝Ｐ_１（Ｓｈ−Ｓｖ−（Ｓａ−Ｓｂ））・・・（１）

また、バルブ７７より下流側においてノズル８０に作用する力Ｆ２は、
バルブ７７より下流側においてノズル８０に作用する圧力をＰ_２、ノズル８０の噴出口８２ａにおける開口面積をＳｎとすると、次式（２）で表される。
Ｆ２＝Ｐ_２（Ｓｖ−Ｓｎ−Ｓｂ）・・・（２）

また、第２流体室４２において作用する力Ｆ３は、
第２流体室４２に作用する圧力（噴出圧）をＰ_３とすると、次式（３）で表される。
Ｆ３＝Ｐ_３（Ｓｈ−Ｓｎ）・・・（３）

さらに、第３流体室４３において作用する力Ｆ４は、
第３流体室４３に供給されるエアの圧力をＰａとすると、次式（４）で表される。
Ｆ４＝Ｐａ・Ｓａ・・・（４）

これらの式（１）から（４）により、エゼクタに作用する力の関係を示すと、次式（５）（６）で表される関係が成り立つ。
Ｆ１＋Ｆ２−Ｆ３＋Ｆ４＝０・・・（５）
つまり、
Ｐ_１（Ｓｈ−Ｓｖ−Ｓａ＋Ｓｂ）＋Ｐ_２（Ｓｖ−Ｓｎ−Ｓｂ）−Ｐ_３（Ｓｈ−Ｓｎ）＋Ｐａ・Ｓａ＝０・・・（６）
となる。

ところで、小流量域において、バルブ７７の開閉によって流量を制御している場合には、Ｐ_２＝Ｐ_３となる。つまり、ノズル８０の噴出口８２ａの前後でノズル８０内と第２流体室４２との間に差圧は発生しないようになっている。
また、エゼクタ５０には、背圧室８１ｂが設けられており、本実施形態では、前記したように背圧室８１ｂの受圧面積Ｓｂと、バルブ７７の弁体７７ｂのシール面積をＳｖとが同一の大きさとされているので、Ｓｂ＝Ｓｖの関係が成立している。
したがって、このような関係を踏まえた上で、前記式（６）により第２流体室４２に作用する噴出圧Ｐ_３を求めると、次式（７）で表されることとなる。
Ｐ_３＝Ｐａ・・・（７）

つまり、噴出圧Ｐ_３は、第３流体室４３に供給されるエアの圧力Ｐａに対応したものとなる。したがって、エアの圧力Ｐａを制御することで、これに応じた噴出圧Ｐ_３を得ることができる。

仮に、本実施形態のエゼクタ５０において、前記した背圧室８１ｂが設けられていない、つまり、背圧室８１ｂの有効径（受圧面積）Ｓｂが０（ゼロ）であるとすると、前記式（６）は、次式（８）で表されるように、
Ｐ_１（Ｓｈ−Ｓｖ−Ｓａ）＋Ｐ_２（Ｓｖ−Ｓｎ）−Ｐ_３（Ｓｈ−Ｓｎ）＋Ｐａ・Ｓａ＝０・・・（８）
となる。したがって、式（８）は、次式（９）で表されるようになり、
−Ｐ_１Ｓｖ＋Ｐ_３（Ｓｖ−Ｓｈ）＋ＰａＳｈ＝０・・・（９）

この式（９）から、噴出圧Ｐ_３は、次式（１０）で表されるようになる。

つまり、噴出圧Ｐ_３は、バルブ７７のシール面積Ｓｖを第２のダイヤフラム１１０の有効面積Ｓｈで除算したものの関数で表されることとなり、前記式（７）で示した関係を得ることができない。

これに対して、本実施形態のエゼクタ５０では、前記式（７）に示したように、噴出圧Ｐ_３は、第３流体室４３に供給されるエアの圧力Ｐａに対応したものとなり、エアの圧力Ｐａを制御することで、これに応じた噴出圧Ｐ_３を直接的に得ることができる。

一方、主として大流量域において、ノズル８０を変位させることにより噴出口８２ａの開口面積を調節して流量を制御している場合には、Ｐ_１＝Ｐ_２となる。つまり、バルブ７７の前後で、第１流体室４１とノズル８０内との間に差圧は発生しないようになっている。
したがって、このような関係を踏まえると、前記式（６）は、次式（１１）で表されることとなり、
−Ｐ_１Ｓｎ−Ｐ_３（Ｓｈ−Ｓｎ）＋ＰａＳｈ＝０・・・（１１）
したがって、第２流体室４２に作用する噴出圧Ｐ_３を求めると、次式（１２）で表されることとなる。

つまり、噴出圧Ｐ_３は、ノズル８０の開口面積Ｓｎを第２のダイヤフラム１１０の有効面積Ｓｈで除算したものの関数として得ることができる。

次に、燃料電池システムにおけるエゼクタ５０の作動について説明する。
このようなエゼクタ５０を有する燃料電池システムにおいて、エゼクタ５０は、図２に示すように、燃料電池システムが作動していない初期状態で、前記した第１，第２のばね６３，６４の設定による付勢力によって、ノズル８０が他端側に付勢されて変位された状態にある。

その後、図示しないイグニッションがオンされ、燃料電池スタック１の起動が要求されてＥＣＵ１０により遮断弁２１が開かれると、水素タンク２０の水素が配管２１ａ等を介してエゼクタ５０の第１流体室４１に供給される（図４参照）。第１流体室４１に供給された水素は、ニードル７０の通路７３ａを通じてノズル８０の噴出口８２ａから第２流体室４２に流入する。
ここで、供給される水素の圧力が所定の圧力、つまり、第１，第２のばね６４，６５の差圧に相当する圧力が第２流体室４２に作用するように水素が供給されると、第１のばね６３の付勢力と第２のばね６４の付勢力とが同等状態となり、ノズル８０が一端側に変位し始める。
そして、さらに水素の圧力が所定の圧力に上昇することで、ノズル８０が一端側にさらに変位して、弁体７７ｂが弁座７７ａに着座することでバルブ７７が一旦閉じられる（図５参照）。

その後、コンプレッサ３０がＥＣＵ１０の制御により所定の回転速度で運転され、エア分岐路３３ａを介してエアが第３流体室４３に供給されると、第３流体室４３のエアの圧力が高まり、ノズル８０を他端側に変位させる方向の力が作用し始める。これと同時に燃料電池スタック１のアノード流路２では水素が消費され、アノード流路２に配管２１ｃを通じて連通する第２流体室４２の水素の圧力が低下し始める。これによって、バルブ７７の上流側と下流側とでは差圧が生じた状態となり、前記したエアの供給によりノズル８０が他端側へ変位し始めてバルブ７７が開き始めると、水素が第１流体室４１からバルブ７７を通ってニードル７０の通路７３ａに流入し、その後、ノズル８０の噴出口８２ａから第２流体室４２に噴出する。

そして、第３流体室４３のエアの圧力がさらに高められると、ノズル８０が他端側にさらに変位し、バルブ７７がさらに開いて、第３流体室４３に供給されたエアの圧力に対応した水素が噴出口８２ａから噴出される（図４参照）。

ここで、前記したように、小流量域において、バルブ７７の開閉によって流量を制御している場合には、Ｐ_２＝Ｐ_３となり、ノズル８０の噴出口８２ａの前後でノズル８０内と第２流体室４２との間に差圧は発生しないようになっているとともに、背圧室８１ｂが設けられて、前記したように背圧室８１ｂの受圧面積Ｓｂと、バルブ７７の弁体７７ｂのシール面積Ｓｖとが同一の大きさとされているので、Ｓｂ＝Ｓｖの関係が成立し、前記式（７）により、第２流体室４２に作用する噴出圧Ｐ_３は、第３流体室４３に供給されるエアの圧力Ｐａに対応したものとなる。したがって、エアの圧力Ｐａを制御することで、これに応じた噴出圧Ｐ_３を得ることができる。

一方、主として大流量域において、ノズル８０を変位させることにより噴出口８２ａの開口面積を調節して流量を制御している場合には、Ｐ_１＝Ｐ_２となり、バルブ７７の前後で、第１流体室４１とノズル８０内との間に差圧は発生しない。したがって、前記式（１２）に示したように、噴出圧Ｐ_３は、ノズル８０の開口面積Ｓｎを第２のダイヤフラム１１０の有効面積Ｓｈで除算したものの関数として得ることができる。

なお、前記したように、第２流体室４２には、配管２２ｂを通じてアノードオフガスが還流されているので、ノズル８０の噴出口８２ａから噴出される水素の負圧で、第２流体室４２に供給されるアノードオフガスが吸引され、これらの流体がディフューザ９０で混合されて燃料電池スタック１のアノード流路２に向けて供給される。

以上説明した本実施形態のエゼクタ５０によれば、第１流体室４１において、ノズル８０およびニードル７０の一方に弁体７７ｂを設けるとともに、他方に弁座７７ａを設け、ノズル８０の変位によって弁体７７ｂが弁座７７ａに着座あるいは離座するバルブ７７を構成してあるので、このバルブ７７を利用してノズル８０から噴出される水素の流量を制御することができる。
また、ノズル８０の基端部８１とニードル７０の基部７３との間に、バルブ７７を介して第１流体室４１と連通する背圧室８１ｂが設けられているので、第１流体室４１からバルブ７７を介してノズル８０に付与される水素の圧力を、背圧室８１ｂで相殺することができる。

この場合、弁体７７ｂのシール面積と背圧室８１ｂの受圧面積とが等しくされているので、ノズル８０の推力を打ち消すことができ、供給される水素によってノズル８０の可動力が生じないようにすることができる。したがって、第３流体室４３に供給されるエアの圧力に比例して噴出される水素の流量を制御することができる。したがって、水素の流量制御の向上に寄与するエゼクタ５０が得られる。

また、バルブ７７より下流側において水素の圧力が作用するノズル８０の有効径（弁体７７ｂのシール面積）と、背圧室８１ｂの有効径（受圧面積）との比を変更することで、その面積差から生じるノズル８０の推力、つまり、ノズル８０の可動力（可動方向に作用する力）を変更することができる。これにより、バルブ７７を絞った小流量域の流量制御において、ノズル８０をうまく可動させることができ、ノズル８０から噴出される水素の流量制御の向上が図れる。すなわち、例えば、弁体７７ｂのシール面積を背圧室８１ｂの受圧面積よりも大きくすることで、噴出される水素の流量が大きくなるように設定することが可能であり、また、これとは逆に、弁体７７ｂのシール面積を背圧室８１ｂの受圧面積よりも小さくすることで、噴出される水素の流量が小さくなるように設定することも可能である。

また、本実施形態のエゼクタ５０を用いた燃料電池システムによれば、エゼクタ５０を用いて、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、新たに燃料電池スタック１に供給される水素に混合して再循環させる際に、燃料電池スタック１に供給する水素およびアノードオフガスの混合流体の流量を、バルブ７７を利用して制御することができる。これにより、例えば電気的なアクチュエータ等を用いて流量制御を行う場合に比べて、より単純な構成でありながら、所望の信頼性の高い流量制御を行うことができる。これによって、燃料電池システムの制御が複雑化することを防いで、コスト抑制を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。

例えば、ノズル８０を構成する弁体７７ｂを、ニードル７０の基部７３における大径部７５に設けて、弁座７７ａを、ノズル８０の先端部８２の基端部８２ｃに設けてもよい。
なお、弁体７７ｂは、円環状としたものに限定されず、種々の形状、例えば、楕円環状、長円環状、多辺で構成される環状としてもよい。

また、図６に示すように、中実状のニードル７０’を用いて、このニードル７０’を、水素の流路８５ａを有する軸受部材８５’で支持するように構成してもよい。この場合にも、ニードル７０’とノズル８０の基端部８１との間に形成された背圧室８１ｂ’で、第１流体室４１からバルブ７７を介してノズル８０に付与される水素の圧力を、相殺することができ、小流量域の流量制御の更なる向上に寄与するエゼクタ５０’が得られる。

また、エゼクタ５０の第３流体室４３に通じるエア分岐路３３ａに、図７に示すように、オリフィス３３ｂを設けるとともに、エア分岐路３３ａ内のエアの圧力を調整するインジェクタ３３を接続して、第３流体室４３に供給されるエアの圧力をＥＣＵ１０の制御により調整するようにしてもよい。ここで、インジェクタ３３は、エア分岐路３３ａ内のエアを排出する機能を有しており、エアを排出することで、エア分岐路３３ａ内のエアの圧力を調整する機能を有している。

１燃料電池スタック
４１第１流体室
４２第２流体室
４３第３流体室
５０エゼクタ
６０ボディ
７０ニードル
７２ニードル本体
７３基部
７４先部
７６ａ開口部
７６ｂ連通孔
７７バルブ
７７ａ弁座
７７ｂ弁部
８０ノズル
８１ｂ背圧室
８２先端部
８２ａ噴出口
８５軸受
９０ディフューザ
１００第１のダイヤフラム
１１０第２のダイヤフラム

Claims

ボディと、ニードルと、第１流体が供給され、前記ニードルと同軸に配置されて当該ニードルを収容するノズルと、前記ノズルの噴出口を囲うように配置され、前記ノズルから噴出された第１流体によって発生する負圧で第２流体を吸引し、これらの流体を混合させて流出するディフューザと、を含むエゼクタであって、
前記ニードルは、支持部を介して前記ボディに固定された基部と、前記基部の他端側に備わり前記ノズルの前記噴出口に挿入される先部と、を有し、
前記ノズルは、前記ニードルの前記基部の一端側を摺動可能に収容する基端部と、前記基端部の他端側に連結配置され、前記ニードルの前記先部を収容する先端部と、を有しており、
前記ボディに周囲を固定されるとともに、前記ノズルの前記基端部に固定され、前記ニードルに対して前記ノズルを軸方向に変位可能とする第１のダイヤフラムと、
前記ボディに周囲を固定されるとともに、前記ノズルの前記先端部に固定され、前記ニードルに対して前記ノズルを軸方向に変位可能とする第２のダイヤフラムと、
前記第１のダイヤフラム、前記第２のダイヤフラム、前記ボディ、前記ノズル、および前記ニードルで囲まれて構成され、第１流体が供給される第１流体室と、
前記第２のダイヤフラム、前記ボディ、前記ディフューザ、前記ノズルの前記先端部、および前記ニードルの前記先部で囲まれて構成され、第２流体が供給される第２流体室と、
前記第１のダイヤフラム、前記ボディ、および前記ノズルの前記基端部で囲まれて構成され、第３流体が供給される第３流体室と、を備え、
前記第１流体室における前記ノズルの前記基端部と前記先端部との間において、前記ノズルの前記先端部の一端部に対向するように前記ニードルの前記基部に対向部を設け、
前記先端部の一端部および前記対向部の一方に突条の弁体を設けるとともに、他方に弁座を設け、前記ノズルの変位によって前記弁体が前記弁座に着座あるいは離座するバルブを構成し、
前記ノズルの前記基端部と前記ニードルの前記基部の一端部との間に背圧室を設け、
前記バルブを介して当該バルブよりも上流側の前記第１流体室と前記背圧室とを連通する通路を前記ニードルに設け、
前記第１のダイヤフラムと、前記第２のダイヤフラムとを同一の有効面積としたことを特徴とするエゼクタ。
前記弁体のシール面積は、前記背圧室の有効面積と等しいことを特徴とする請求項１に記載のエゼクタ。
請求項１または請求項２に記載のエゼクタを用いた燃料電池システムであって、
前記エゼクタは、燃料電池から排出される排出燃料を、燃料供給源からの燃料と混合して燃料電池に再供給する燃料循環路に設けられることを特徴とする燃料電池システム。