JP5128377B2 - 燃料電池用エゼクタ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに組み込まれる燃料電池用エゼクタに関する。

近年、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）等の燃料電池を搭載した燃料電池自動車の開発が盛んである。この燃料電池自動車は、燃料電池の発電電力によってモータを回転させ走行する。

燃料電池は、一般に、複数の単セルが積層されたスタックによって構成される。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を備えている。そして、ＭＥＡのアノードに燃料ガス（水素）が、カソードに酸化剤ガス（酸素を含む空気）がそれぞれ供給されると、各単セルにおいて電位差が発生し、次いで、燃料電池に接続されるモータ等の外部負荷と電気的に接続されることにより、燃料電池が発電する。

燃料電池を含む燃料電池システムでは、燃料電池から排出された燃料オフガス（水素オフガス）を、燃料電池に対して新たに供給される燃料ガス（水素）と混合して再循環させることにより、燃料ガスを有効活用すると共に、固体高分子型燃料電池のエネルギ効率を向上させることが提案されている。この場合、従来技術では、エゼクタを用いて燃料オフガスを再循環させる燃料電池システムが知られている。

ところで、このエゼクタを用いた燃料電池システムでは、１つのエゼクタを構成するノズルのノズル径及びディフューザ径がそれぞれ固定されているため、例えば、前記燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車の種々の運転状況（例えば、アイドル運転時から高速運転時までの種々の運転状況）に対応して燃料電池に対して燃料ガスを供給することが困難である、と指摘されている。

この点に関し、特許文献１には、ユニット本体内に、ノズル径がそれぞれ異なる３つのノズルを備えた第１〜第３エゼクタと、前記第１〜第３エゼクタに対して燃料ガスの供給通路を切り換える第１切換弁及び第２切換弁とを配設し、第１切換弁と第２切換弁とのオン・オフ動作の組み合わせによって、第１〜第３エゼクタ中から選択された所望のエゼクタに対して燃料ガスを切り換えて供給することが可能な燃料電池の流体供給装置が開示されている。
特開２００４−１７８８４３号公報

しかしながら、前記燃料電池の流体供給装置では、ノズル径がそれぞれ異なる３つのエゼクタと、前記エゼクタに対する燃料ガスの供給通路を切り換える電磁弁からなる２つの切換弁がユニット本体内に配設されているため、どうしても装置全体が大型化することが避けられず、装置全体を小型・軽量化したいという要請がある。

また、エゼクタのノズルから吐出される燃料ガスの吐出量を安定化させ、安定した流量の燃料ガスを燃料電池に対して供給することが要望されている。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、可変な流量域においてノズルからの燃料ガスの安定した吐出量を確保すると共に、小型・軽量化を達成することが可能な燃料電池用エゼクタを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通する燃料ガス供給通路に接続されるアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートとが設けられたエゼクタ本体と、前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルを有し、前記ノズル孔における吐出断面積を調整するノズル孔断面積調整機構と、コイルの励磁作用によって固定コアに吸引される可動コアを含み、前記可動コアと一体的に前記ニードルを軸方向に沿って変位させる電磁アクチュエータと、前記可動コアと前記ニードルとの間に設けられ、前記ノズル孔と反対側の前記ニードルの一端部を径方向に変位可能に保持するニードル締結機構とを備え、前記ニードルの一端面には部分球面が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、ニードル締結機構によってノズル孔と反対側のニードルの一端部を径方向に沿って変位可能に保持することにより、ニードルの一端部が径方向に沿って所定の自由度を有するように設けられる。従って、前記ニードル締結機構を介して前記ニードルの一端部と係合する可動コアの径方向のずれが、ニードルの一端部と反対側の他端部（ノズル孔側）に影響することがなく、ノズルのノズル孔の先端から吐出される燃料ガスの安定した流量特性を得ることができる。

換言すると、例えば、製造誤差等によってエゼクタ本体に対して可動コアに径方向の軸ずれが発生した場合であっても、前記可動コアの軸ずれがニードル締結機構によって吸収され、ニードルの他端部（ノズル孔側）である先端部分に影響することがない。この結果、ノズルの軸方向に沿って変位するニードルの先端部分と、ノズル孔の先端との同軸性を向上させ、ニードルの先端部分とノズル孔の内径部との間の離間ギャップが均一又は略均一に設定されることにより、ノズル孔から吐出される燃料ガスの良好な流量安定性を達成することができる。

仮に、前記ニードル締結機構を設けることがなく、ニードルと可動コアとを一体的に形成（一体成形）した場合、製造誤差等に起因してエゼクタ本体内において可動コアの軸ずれが発生し、この可動コアの軸ずれが、前記可動コアと一体的に形成されたニードルの先端部分に影響を及ぼすことになる。従って、ノズルのノズル孔に臨むニードルの先端部分とノズル孔の先端との同軸性を確保することが困難となる。この結果、最悪の場合、ノズル孔の内壁にニードルの先端部分が接触し、又はニードルの先端部分とノズル孔の内径部との離間ギャップが不均一となり、良好な流量安定性を得ることができない。

これに対して、本発明では、可動コアに軸ずれ（芯ずれ）が発生した場合であっても、このような可動コア側の軸ずれがニードル締結機構によって吸収されて、ノズル孔に臨むニードルの他端部側へ伝達されることが好適に阻止される。

また、本発明では、前記ニードル締結機構を、可動コアに形成された凹部と、前記凹部に装着されるカラー部材と、前記ニードルと前記カラー部材との間に介装されるばね部材からなる簡素な機構によって構成することにより、装置全体の小型・軽量化を図ることができる。

さらに、本発明では、ニードルの一端面に部分球面を形成することで、部分球面によりニードルが所定角度だけ傾動可能に保持され、可動コアに対するニードルの当接角度の自由度を向上させることができる。この場合、前記ニードルが前記部分球面によってニードルの一端面と可動コアとが点接触するように設けられることにより、接触点を基点としてニードルが所定角度だけ傾動可能に保持され、可動コアに対するニードルの当接角度の自由度をより一層向上させることができる。

さらにまた、本発明では、可動コアの凹部の内壁面とニードルの一端部の外径面との間に径方向に沿った第１クリアランスを設定し、一方、カラー部材に形成された挿通孔の内径面と前記挿通孔を挿通するニードルの外径面との間に径方向に沿った第２クリアランスを設定することにより、ニードルの径方向に沿った自由度を確保することができると共に、当接角度の自由度を確保することができる。

換言すると、本発明では、可動コアとニードルとの間で第１クリアランスを設定すると共に、ニードルとカラー部材との間で第２クリアランスを設定し、ニードルの外周面がカラー部材及び可動コアと非接触状態に設けられることにより、可動コア（及びカラー部材）の重量がニードルに付与されることがなく、ニードルは自重のみとすることができる。この結果、ニードルの自由状態を容易に確保することができる。

可変な流量域においてノズルからの燃料ガスの安定した吐出量を確保すると共に、小型・軽量化を達成することが可能な燃料電池用エゼクタを得ることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るエゼクタが組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図、図２は、前記エゼクタの軸方向に沿った縦断面図、図３は、図２のエゼクタにおいてノズル孔の縦断面積が変化した状態を示す縦断面図である。

図１に示されるように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、内部に高圧の水素ガスが充填され、前記燃料電池１２に対し燃料ガスとして前記水素ガスを供給する水素タンク（燃料ガス供給手段）１４と、前記燃料電池１２に対して酸化剤ガス（酸素）を含む圧縮エアを供給するエアコンプレッサ１６と、前記燃料電池１２から排出された未反応の水素を気体（水素）と液体（水）とに分離すると共に、前記分離された水素を、前記燃料電池１２から排出される未反応のエアによって希釈する気液分離及び希釈部１８とを備えて構成される。

燃料電池１２は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）からなり、図示しない燃料電池自動車等の車両に搭載される。この燃料電池１２は、複数の単セル（図示せず）が積層して構成された図示しないスタック本体を有し、燃料ガスとして水素が供給されるアノードと、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含むエアが供給されるカソードとを備える。

前記水素タンク１４と前記燃料電池１２との間には、水素供給通路（燃料ガス供給通路）２０が設けられ、前記水素供給通路２０中には、燃料電池用エゼクタとして機能するエゼクタ２２が配設される。このエゼクタ２２は、燃料電池１２から排出された燃料オフガスである未反応の水素（以下、水素オフガスという）をフィードバックさせる循環通路２４に接続され、水素タンク１４から供給される水素と燃料電池１２からフィードバックされる水素オフガスとを混合させて燃料電池１２に対して再供給（再循環）するものである。

なお、前記水素タンク１４と前記エゼクタ２２との間には、エアコンプレッサ１６からのエアをパイロット圧信号として導入し、燃料電池１２に対して供給される水素の圧力を所定圧力に調圧するレギュレータ等を含む水素圧力調圧部（図示せず）が設けられる。

前記エアコンプレッサ１６と前記燃料電池１２との間には、エア供給通路２６が設けられ、前記エア供給通路２６には、前記エアコンプレッサ１６から供給された乾燥エアを加湿する加湿器２８が配設される。前記加湿器２８によって加湿されたエアは、エア供給通路２６を介して燃料電池１２のカソード側に導入される。

前記気液分離及び希釈部１８には、例えば、燃料電池１２のアノードに溜まった水やカソードから電解質膜を透過してアノードに混入した窒素ガスを含む燃料ガスを図示しない希釈器側にパージする図示しない水素パージ弁や、燃料電池１２から排出される水分を含んだ水素ガスを、水素と水とに分離する図示しないキャッチタンクや、前記キャッチタンクに溜まったドレンを排出する管路を開閉する図示しないドレン弁等が設けられる。

次に、エゼクタ２２について説明する。
このエゼクタ２２は、エゼクタ本体を有し、図２及び図３に示されるように、前記エゼクタ本体には、フィルタ３０を介して水素供給通路２０に接続され水素タンク１４から比較的高圧な水素が供給されるインレットポート３２ａと、燃料電池１２に連通する水素供給通路２０に接続され前記水素タンク１４から供給された水素と水素オフガスとが混合された混合ガスが排出されるアウトレットポート３２ｂと、循環通路２４に接続され前記循環通路２４を介して水素オフガスが吸入される吸引ポート３２ｃとが設けられる。

前記エゼクタ本体は、インレットポート３２ａ及び吸引ポート３２ｃに連通し水平方向に沿って貫通する第１空間部３４ａが形成された第１ブロック体３６ａと、前記第１ブロック体３６ａの一方の側面に第１シール部材３８ａを介して連結され、前記第１空間部３４ａ及びアウトレットポート３２ｂに連通し水平方向に沿って延在する第２空間部３４ｂが形成された第２ブロック体３６ｂと、前記第２ブロック体３６ｂと反対側である前記第１ブロック体３６ａの他方の側面に第２シール部材３８ｂを介して連結されるカバープレート４０と、前記カバープレート４０に対して一体的に締結されるハウジング４２とを有する。この場合、前記第１ブロック体３６ａ及び第２ブロック体３６ｂは、ねじ部材４１ａを介して一体的に連結され、また、前記第１ブロック体３６ａ、カバープレート４０及びハウジング４２は、それぞれ、ねじ部材４１ｂ、４１ｃを介して一体的に連結される。

なお、前記第１シール部材３８ａ及び第２シール部材３８ｂは、エゼクタ本体内に形成された第１空間部３４ａ及び第２空間部３４ｂを、気密乃至液密に保持するものである。

さらに前記エゼクタ本体の内部には、水平方向に沿って延在し内部に中空部４４が形成された略円筒状のノズル４６を有するノズル部と、前記ノズル４６の軸方向に沿った一端部側に配設され、前記ノズル４６と同軸状に設けられたディフューザ４８を有するディフューザ部と、前記ノズル４６の軸方向に沿った他端部側に配設され、後記するニードル５０を所定角度だけ傾動可能に締結するニードル締結機構５２と、前記ニードル５０を前記ノズル４６の軸方向に沿って進退動作させる電磁アクチュエータ部（電磁アクチュエータ）とがそれぞれ設けられる。

ノズル部は、図４（ａ）に示されるように、軸方向に沿って貫通しディフューザ４８側に向かって徐々に縮径するノズル孔４６ａが一端部に形成されたノズル４６を有する。前記ノズル４６は、ディフューザ４８側に突出して形成された鍔状のノズル保持部５４によって第１ブロック体３６ａに保持されると共に（図２参照）、前記ノズル保持部５４の内壁に形成された雌ねじ部に対し外周面の雄ねじ部４６ｂが螺合して固定される。

さらに、ノズル部は、図２及び図３に示されるように、前記ノズル４６の中空部４４内に配設され前記ノズル孔４６ａに沿って変位自在に設けられたニードル５０と、前記ノズル４６の他端部側の中空部４４内に装着され貫通孔５６によって前記ニードル５０を摺動可能に軸支する略円筒状の軸受部材５８と、前記ノズル４６の半径外方向に向かって突出する環状フランジ部４６ｃと前記ノズル４６の外周面に形成された雄ねじ部４６ｂとの間に介装されたシールリング６０とを有する。

前記ノズル４６の略中央部には、図４（ｂ）に示されるように、複数の水素導入孔６２が周方向に沿って約９０度ずつ離間して形成され（本実施形態では４個の水素導入孔６２を例示）、前記水素導入孔６２を通じてインレットポート３２ａから供給された水素がノズル４６の中空部４４内に導入される。

前記ニードル５０は、図２及び図３に示されるように、鋭く尖った頂点からなる先端部５０ａを有しノズル孔４６ａに臨む小径部５０ｂと、前記小径部５０ｂに連続し徐々に拡径するテーパ部５０ｃと、前記テーパ部５０ｃに連続し前記小径部５０ｂよりも直径が大きく軸方向に沿って略一定の外径に形成された中径部５０ｄと、前記中径部５０ｄに連続し前記中径部５０ｄよりも直径が大きく形成され部分球面９２からなる端面を有する大径部５０ｅとから構成される。

なお、本実施形態では、ノズル４６の外周面に形成される複数の水素導入孔６２が、周方向に９０度ずつ離間して４つ形成されているが（図４（ｂ）参照）、これに限定されるものではなく、複数個形成されていればよい。また、前記水素導入孔６２を平面視した形状は、円形状に限定されるものではなく、例えば、矩形状や楕円形状等であってもよい。

前記大径部５０ｅの外周面には、図２及び図３に示されるように、半径外方向に僅かに突出する環状のフランジからなり、後記するばね部材１００が係着されるばね受け部６６が設けられる。

軸受部材５８は、所定の内径を有する貫通孔５６が軸方向に沿って形成された円筒体からなる。この場合、ニードル５０（小径部５０ｂ、先端部５０ａ）がノズル４６のノズル孔４６ａの内径部に対して非接触状態とするためには、下記の式を充足するように、軸受部材５８の貫通孔５６の内径が設定されるとよい。
（Ｄ１−Ｄ２）Ｌ２／Ｌ１＜（Ｄ４−Ｄ３）／２・・・・（式）
但し、
Ｄ１；軸受部材５８の貫通孔５６の内径
Ｄ２；ニードル５０の中径部５０ｄの外径
Ｄ３；ニードル５０の小径部５０ｂの外径
Ｄ４；ノズル４６のノズル孔４６ａの内径
Ｌ１；軸受部材５８の軸方向に沿った長さ
Ｌ２；軸受部材５８とノズル孔４６ａとの軸方向に沿った離間距離
とする（図６（ａ）〜（ｃ）参照）。

図６（ｄ）の破線で示される直角三角形の一辺を構成する（Ｄ１−Ｄ２）Ｌ２／Ｌ１の長さは、ノズル孔４６ａの内径Ｄ４とニードル５０の小径部５０ｂの外径Ｄ３との差の半分の長さからなる（Ｄ４−Ｄ３）／２よりも小さく設定されることにより、ニードル５０（小径部５０ｂ、先端部５０ａ）がノズル４６のノズル孔４６ａの内径部に対して接触することが好適に回避される。

また、軸受部材５８は、ニードル５０の中径部５０ｄの略中央部を支持するようにノズル４６の他端部側の中空部４４内に装着され、ノズル４６の端面から軸受部材５８の外周面の一部が露呈するように設けられる（図２及び図３参照）。換言すると、摺動変位するニードル５０の重心（図示せず）は、軸受部材５８の軸方向に沿った一端部から他端部までの範囲内に位置するように設定されなくても、前記ニードル５０は軸受部材５８によって安定して軸支される。

ディフューザ４８は、ノズル孔４６ａを有するノズル４６の一部を囲繞するラッパ状の拡径部４８ａと、前記拡径部４８ａに連続する円筒体からなり内部にアウトレットポート３２ｂに向かって徐々に拡径する直線状の通路を有するスロート部４８ｂとから構成される。

この場合、ノズル４６、ニードル５０及びディフューザ４８は、それぞれ同軸（３者の軸線が一致する）となるように配設される。前記ノズル４６と前記ディフューザ４８との間には、吸入室６８が形成され、前記吸入室６８は、ディフューザ４８に形成された円形状の複数の吸入孔７０を通じて吸引ポート３２ｃと連通するように設けられる。

電磁アクチュエータ部は、樹脂封止体７２を介してハウジング４２内に収容されるソレノイド７４を含む。このソレノイド７４は、樹脂製材料のコイルボビン（図示せず）に巻回されるコイル７６を含むコイル組立体と、ハウジング４２の内壁に形成された凹部７７によって保持される固定コア７８と、前記固定コア７８と接近乃至離間可能に設けられた可動コア８０とを有する。コイル７６がモールドされた樹脂封止体７２とカバープレート４０との間には、中間プレート７９が介装される。前記樹脂封止体７２の径方向には、前記樹脂封止体７２の外径面とハウジング４２の内径面との間で所定の間隙８１が形成される。ハウジング４２の凹部７７の底壁と前記底壁と対向する固定コア７８の端面との間には、所定の間隙８３が形成される。

なお、可動コア８０の外周面には、軸方向に沿って延在する長溝８２が形成され（図４（ａ）参照）、可動コア８０と固定コア７８との間に形成される室８４と第１空間部３４ａとが前記長溝８２を通じて連通することにより、可動コア８０が変位する際、前記室８４内のガスが円滑に給排される。

この場合、カバープレート４０には、固定コア７８側に向かって略水平方向に突出し可動コア８０の外周面を囲繞する薄肉の円筒部８６が、前記カバープレート４０と一体的に設けられる。前記可動コア８０が変位する際、前記円筒部８６に沿って摺動することにより直線方向に沿ってガイドされる。なお、前記円筒部８６は、その突出方向の一端部が固定コア７８の環状段部に固定（溶接）されることにより気密性が保持され、第１空間部３４ａ内に導入された水素がコイル７６側へ進入することを防止する機能を有する。

さらに、前記電磁アクチュエータ部は、一端部が前記可動コア８０のフランジ部８０ａに係着され他端部がカバープレート４０の環状段部４０ａに係着される復帰スプリング８８を有する。前記復帰スプリング８８は、そのばね力によって前記可動コア８０をノズル４６側に向かって押圧する作用を有し、可動コア８０が固定コア７８から離間して初期位置に復帰するように設けられる。なお、コイル７６は、樹脂封止体７２によって支持される端子部９０を介して、図示しない電源と電気的に接続される。

この場合、ニードル５０及び前記ニードル５０を変位させる電磁アクチュエータ部は、ノズル孔断面積調整機構として機能するものであり、図示しない電源をオンにしてコイル７６に電流を流すことにより励磁作用が発生し、前記励磁作用によって可動コア８０及びニードル５０が固定コア７８側に向かって一体的に変位することにより、ディフューザ４８に向かって水素が噴射されるノズル孔４６ａの縦断面積を変化させることができる。なお、前記ノズル孔４６ａの縦断面積については、後記で詳細に説明する。

軸受部材５８に近接する可動コア８０の一端部には、前記可動コア８０と部分球面９２との接触点を基点Ｓ（図７及び図８（ｂ）参照）として、ニードル５０を所定角度だけ傾動可能に保持するニードル締結機構５２が設けられる。

このニードル締結機構５２は、図７に示されるように、可動コア８０の一端部側に軸方向に沿って所定長だけ窪んで形成され大径部５０ｅを含むニードル５０の一端部が挿入される凹部９４と、前記凹部９４の開口部に装着され中心部にニードル５０が挿通する挿通孔９６が形成されたカラー部材９８と、一端部がニードル５０のばね受け部６６に係着され他端部が前記カラー部材９８の内壁に係着され前記可動コア８０の凹部９４内に収納される小径なばね部材１００とを有する。

前記凹部９４には、可動コア８０の軸線と直交する平面からなる底壁９４ａが形成される。ニードル５０の一端面には、部分球面９２が形成され、前記部分球面９２は、前記底壁９４ａと点接触するように設けられる。従って、ニードル５０は、前記底壁９４ａと点接触する部分球面９２を基点Ｓとして所定角度だけ傾動可能で、且つラジアル方向に自由度を有するように締結される。

図７に示されるように、可動コア８０の凹部９４を構成する内周壁９４ｂとニードル５０の端縁部であるばね受け部６６の外径面との間で、径方向に沿った所定のクリアランス（第１クリアランス）Ｃ１が設定されると共に、ニードル５０の中径部５０ｄの外周面とカラー部材９８の挿通孔９６の内径面との間で、径方向に沿った所定のクリアランス（第２クリアランス）Ｃ２が設定されることにより、ニードル５０のラジアル方向の自由度が確保される。

この場合、ニードル５０の一端部は、図８（ａ）の二点鎖線で示されるように、底壁９４ａと部分球面９２とが点接触した状態で前記クリアランスＣ１、Ｃ２だけ径方向（矢印Ａ方向）に沿って変位可能（スライド可能）に設けられると共に、図８（ｂ）の二点鎖線で示されるように、前記底壁９４ａと点接触する部分球面９２を基点Ｓとして、ディフューザ４８に近接するニードル５０の他端部が矢印Ｂ方向に所定角度だけ傾動可能に設けられる。なお、所定角度だけ傾動したニードル５０は、ばね部材１００のばね力によって初期位置に復帰するように設けられる。

可動コア８０の凹部９４の底壁９４ａと点接触するニードル５０の一端面を、部分球面形状とすることにより、矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向へのニードル５０の変位を容易とし、可動コア８０に対するニードル５０の当接角度の自由度を向上させることができる。

本実施形態に係るエゼクタ２２が組み込まれた燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。

先ず、燃料電池１２の発電停止時には、図示しない遮断弁によって水素タンク１４から水素の供給が遮断され、エゼクタ２２のインレットポート３２ａに対する水素の供給が停止された状態にある。この場合、図示しない制御部の制御によってエゼクタ２２の電磁アクチュエータ部を構成するソレノイド７４（コイル７６）に対して電流が流されていない非励磁状態となり、図２に示されるように、復帰スプリング８８のばね力によって可動コア８０が固定コア７８から軸方向に沿って所定距離だけ離間した状態にある。

このソレノイド７４の非励磁状態では、図９（ａ）に示されるように、ニードル５０の他端部がノズル４６のノズル孔４６ａ内に挿入され、前記ニードル５０の先端部５０ａがノズル孔４６ａから外部に突出している。従って、水素が吐出されるノズル孔４６ａの縦断面積は、ノズル孔４６ａの内径面積からニードル５０の小径部５０ｂの外径面積が減算されたものとなる。

一方、燃料電池１２の発電時では、図示しない遮断弁が開弁状態となって、水素タンク１４から水素供給通路２０を介して燃料電池１２のアノードに対して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ１６が駆動され、加湿器２８で加湿されたエアがエア供給通路２６を介して燃料電池１２のカソードに供給される。

エゼクタ２２では、水素タンク１４からの比較的高圧な水素がインレットポート３２ａを通じて供給され、フィルタ３０で塵埃等が除去された後、エゼクタ本体内の第１空間部３４ａに導入される。さらに、前記水素は、ノズル４６の外周面に形成された複数の水素導入孔６２を介してノズル４６の中空部４４内に導入された後、ノズル孔４６ａとニードル５０の他端部とのギャップＧ（図９（ａ）参照）を通じてディフューザ４８側に向かって吐出される。

このノズル孔４６ａによって流量が絞られて加速された水素は、ディフューザ４８のスロート部４８ｂに沿って流通し、アウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０に沿って燃料電池１２に供給される。ソレノイド７４の非励磁状態では、図９（ａ）に示されるように、ノズル孔４６ａの縦断面積が、ノズル孔４６ａの内径面積からニードル５０の他端部の小径部５０ｂの外径面積を減算したものとなり、比較的小流量の水素が燃料電池１２に対して供給される。

同時に、ノズル４６のノズル孔４６ａの先端からディフューザ４８に向かって水素が噴射（吐出）される際、ノズル４６とディフューザ４８の拡径部４８ａとの間の部位において、いわゆるジェットポンプ効果によって負圧作用が発生する。この負圧作用によって吸入室６８内の水素オフガスが吸い込まれ、ノズル４６から吐出された水素と吸引ポート３２ｃを通じて吸引された水素オフガスとがディフューザ４８で混合され、アウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０に導出される。

ところで、燃料電池１２の運転状態において、小流量の水素の供給では不足して比較的大流量の水素が要求される場合、図示しない制御部の制御によってエゼクタ２２のソレノイド７４に電流を流して励磁状態とする。前記ソレノイド７６が励磁されることにより、可動コア８０が固定コア７８側に向かって吸引される（図３参照）。この場合、ニードル５０の一端部は、ニードル締結機構５２を介して可動コア８０に締結されているため、可動コア８０と一体的に固定コア７８側に向かって変位する。

従って、ニードル５０の他端部は、図９（ｂ）に示されるように、ノズル４６のノズル孔４６ａの先端から軸方向に所定距離だけ離間して非挿通状態となる。この結果、ノズル４６の中空部４４内に導入された水素は、ノズル孔４６ａの先端の内径面積全体を通じてディフューザ４８に向かって吐出されるため、比較的大流量の水素を燃料電池１２に対して供給することができる。このように、ソレノイド７４を非励磁状態から励磁状態へと切り換えることにより、ノズル孔４６ａの縦断面積が変化して小流量の水素の供給から比較的大流量の水素の供給へと切り換えることができる。なお、前記とは反対に、ソレノイド７４を励磁状態から非励磁状態とすることにより、比較的大流量の水素の供給から比較的小流量の水素の供給へ切り換えることができる。

本実施形態では、ニードル締結機構５２によってノズル孔４６ａと反対側のニードル５０の一端部を径方向に沿って変位可能に保持することにより、ニードル５０の一端部が径方向に沿って所定の自由度を有するように設けられる（図８（ａ）、（ｂ）参照）。従って、前記ニードル締結機構５２を介して前記ニードル５０の一端部と係合する可動コア８０の径方向のずれが、ニードル５０の一端部と反対側の他端部（ノズル孔４６ａ側）に影響することがなく、ノズル４６のノズル孔４６ａの先端から吐出される水素の安定した流量特性を得ることができる。

換言すると、本実施形態では、例えば、製造誤差等によってエゼクタ本体に対して可動コア８０に径方向の軸ずれや傾斜が発生した場合であっても、前記可動コア８０の軸ずれ（傾斜）がニードル締結機構５２によって吸収され、ニードル５０の他端部（ノズル孔４６ａ側）である先端部分に影響することがない（図１０参照）。この結果、ノズル４６の軸方向に沿って変位するニードル５０の先端部分と、ノズル孔４６ａの先端との同軸性を向上させ、ニードル５０の先端部分とノズル孔４６ａの内径部との間の離間ギャップＧ（図９（ａ）参照）が均一又は略均一に設定されることにより、ノズル孔４６ａから吐出される水素の良好な流量安定性を達成することができる。

仮に、前記ニードル締結機構５２を設けることがなく、ニードル５０と可動コア８０とを一体的に形成（一体成形）した場合、製造誤差等に起因してエゼクタ本体内において可動コア８０の軸ずれが発生し、この可動コア８０の軸ずれが、前記可動コア８０と一体的に形成されたニードル５０の先端部分に影響を及ぼすことになる。従って、ノズル４６のノズル孔４６ａに臨むニードル５０の先端部分とノズル孔４６ａの先端との同軸性を確保することが困難となる。この結果、最悪の場合、ノズル孔４６ａの内壁にニードル５０の先端部分が接触し、又はニードル５０の先端部分とノズル孔４６ａの内径部との離間ギャップＧが不均一となり、良好な流量安定性を得ることができない。

これに対して、本実施形態では、可動コア８０にずれが発生した場合であっても、このような可動コア８０側の軸ずれがニードル締結機構５２によって吸収されて、ノズル孔４６ａに臨むニードル５０の他端部側へ伝達されることが好適に阻止される。

また、本実施形態では、前記ニードル締結機構５２を、可動コア８０の端面に形成された凹部９４と、前記凹部９４に装着されるカラー部材９８と、前記ニードル５０と前記カラー部材９８との間に介装されるばね部材１００からなる簡素な機構によって構成することにより、装置全体の小型・軽量化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、ニードル５０の一端面に部分球面９２を形成し、前記ニードル５０の部分球面９２と可動コア８０の凹部９４の底壁９４ａとが点接触するように設けられることにより、接触点を基点Ｓとしてニードル５０が所定角度だけ傾動可能に保持され（図８（ｂ）参照）、可動コア８０に対するニードル５０の当接角度の自由度を向上させることができる。

さらにまた、本実施形態では、可動コア８０の凹部９４の内周壁９４ｂとニードル５０の一端部であるばね受け部６６の外径面との間に径方向に沿った第１のクリアランスＣ１を設定し、一方、カラー部材９８に形成された挿通孔９６の内径面と前記挿通孔９６を挿通するニードル５０の中径部５０ｄの外径面との間に径方向に沿った第２のクリアランスＣ２を設定することにより、ニードル５０の径方向に沿った自由度を確保することができると共に、当接角度の自由度を確保することができる。

換言すると、本実施形態では、可動コア８０とニードル５０との間で第１のクリアランスＣ１を設定すると共に、ニードル５０とカラー部材９８との間で第２のクリアランスＣ２を設定し、ニードル５０の外周面がカラー部材９８及び可動コア８０と非接触状態に設けられることにより、可動コア８０及びカラー部材９８の重量（荷重）がニードルに付与されることがなく、ニードル５０には自重のみが作用する構成とすることができる。この結果、ニードル５０の自由状態を容易に確保することができる。

なお、本実施形態では、単一のディフューザ４８を用いてエゼクタ２２を構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ノズル４６の軸方向に沿って所定間隔離間して複数個の分割ディフューザを配置した図示しない多段ディフューザによって構成してもよい。この多段ディフューザ構造とすることにより、ノズル４６と最も近接する第１段目の分割ディフューザとの間だけでなく、複数段の隣接する分割ディフューザ同士の離間部位からも吸い込み作用が発生するため、吸入室６８からの水素オフガスの吸い込み流量を増大させることができる。

また、本実施形態では、軸受部材５８として、ニードル５０が円筒体の貫通孔５６に沿って摺動するすべり軸受を用いて説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図１１（ａ）に示されるように、軸受部材５８ａの貫通孔５６の内壁に軸方向に沿って延在する複数条のボール転動溝１０２を形成し、前記ボール転動溝１０２内に転動自在に配設された複数のボールベアリング１０４によってニードル５０を保持するようにしてもよい。

さらに、ニードル５０の外周面に断面Ｖ字形の図示しない溝部を軸方向に沿って形成すると共に、軸受部材５８ｂの貫通孔５６の内壁に前記溝部に対向する断面Ｖ字形の溝部１０６を形成し、前記２つの溝部に対して円柱形状の複数のころベアリング１０８（図１１（ｂ）及び（ｃ）参照）を交互に９０度ずつ傾いた状態で配設し、前記複数のころベアリング１０８が転動することによってニードル５０を軸支するようにしてもよい。前記ころベアリング構造とすることにより、ニードル５０を安定して支持することができる。

本発明の実施形態に係るエゼクタが組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図である。 図１に示されるエゼクタの軸方向に沿った縦断面図である。 図２のエゼクタにおいてノズル孔の縦断面積が変化した状態を示す縦断面図である。 （ａ）は、エゼクタを構成するノズル部の一部切り欠き分解斜視図、（ｂ）は、（ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ線に沿った縦断面図である。 前記エゼクタを構成するハウジングとカバープレートと第１ブロック体との締結状態を示す縦断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、軸受部材とニードルとノズル孔との関係式に係るパラメータを示す模式図である。 前記エゼクタを構成するニードル締結機構におけるクリアランスを示す部分拡大縦断面図である。 （ａ）は、前記クリアランスによってラジアル方向の変位が可能な状態を示す部分拡大縦断面図、（ｂ）は、前記クリアランスによって所定角度だけ傾動が可能な状態を示す部分拡大縦断面図である。 （ａ）は、ニードルがノズル孔に挿通して吐出断面積が小さい状態を示す部分拡大縦断面図、（ｂ）は、ニードルがノズル孔から離間して吐出断面積が大きい状態を示す部分拡大縦断面図である。 可動コアに発生した軸ずれがニードル締結機構によって吸収され、ニードルとノズルとが同軸に保持された状態を示す模試図である。 （ａ）は、複数のボールベアリングによってニードルが軸支された状態を示す部分拡大縦断面図、（ｂ）は、複数のころベアリングによってニードルが軸支された状態を示す部分拡大縦断面図、（ｃ）は、前記複数のころベアリングの斜視図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１４ 水素タンク（燃料ガス供給手段）
２０ 水素供給通路（燃料ガス供給通路）
２２ エゼクタ（燃料電池用エゼクタ）
２４ 循環通路
３２ａ インレットポート
３２ｂ アウトレットポート
３２ｃ 吸引ポート
４４ 中空部
４６ ノズル
４６ａ ノズル孔
４８ ディフューザ
５０ ニードル
５２ ニードル締結機構
７４ ソレノイド
７６ コイル
７８ 固定コア
８０ 可動コア
９２ 部分球面
９４ 凹部
９４ａ 底壁
９６ 挿通孔
９８ カラー部材
１００ ばね部材
Ｓ 基点
Ｃ１ クリアランス（第１クリアランス）
Ｃ２ クリアランス（第２クリアランス）

Claims (5)

1. 燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通する燃料ガス供給通路に接続されるアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートとが設けられたエゼクタ本体と、
   前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、
   前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、
   前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルを有し、前記ノズル孔における吐出断面積を調整するノズル孔断面積調整機構と、
   コイルの励磁作用によって固定コアに吸引される可動コアを含み、前記可動コアと一体的に前記ニードルを軸方向に沿って変位させる電磁アクチュエータと、
   前記可動コアと前記ニードルとの間に設けられ、前記ノズル孔と反対側の前記ニードルの一端部を径方向に変位可能に保持するニードル締結機構と、
   を備え、
   前記ニードルの一端面には部分球面が形成されることを特徴とする燃料電池用エゼクタ。
2. 請求項１記載の燃料電池用エゼクタにおいて、
   前記ニードル締結機構は、前記可動コアに設けられ前記ニードルの一端部が挿入される凹部と、前記凹部の開口部に装着され前記ニードルが挿通する挿通孔が形成されたカラー部材と、前記凹部内に収容され一端部が前記ニードルに係着されると共に、他端部が前記カラー部材に係着されるばね部材とを有することを特徴とする燃料電池用エゼクタ。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池用エゼクタにおいて、
   前記ニードルは、前記部分球面によって前記可動コアと点接触するように設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ。
4. 請求項２記載の燃料電池用エゼクタにおいて、
   前記可動コアの凹部の内壁面と前記ニードルの一端部の外径面との間には、径方向に沿った第１クリアランスが設けられ、また、前記カラー部材に形成された挿通孔の内径面と前記挿通孔を挿通する前記ニードルの外径面との間には、径方向に沿った第２クリアランスが設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ。
5. 燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通する燃料ガス供給通路に接続されるアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートとが設けられたエゼクタ本体と、
   前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、
   前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、
   前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルを有し、前記ノズル孔における吐出断面積を調整するノズル孔断面積調整機構と、
   コイルの励磁作用によって固定コアに吸引される可動コアを含み、前記可動コアと一体的に前記ニードルを軸方向に沿って変位させる電磁アクチュエータと、
   前記可動コアと前記ニードルとの間に設けられ、前記ノズル孔と反対側の前記ニードルの一端部を径方向に変位可能に保持するニードル締結機構と、
   を備え、
   前記ニードル締結機構は、前記可動コアに設けられ前記ニードルの一端部が挿入される凹部と、前記凹部の開口部に装着され前記ニードルが挿通する挿通孔が形成されたカラー部材と、前記凹部内に収容され一端部が前記ニードルに係着されると共に、他端部が前記カラー部材に係着されるばね部材とを有することを特徴とする燃料電池用エゼクタ。

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