JP5559070B2 - 燃料電池用エゼクタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに組み込まれ、燃料電池から排出される燃料オフガスを新たに供給される燃料ガスと混合させて再循環させる燃料電池用エゼクタ装置に関する。

例えば、燃料電池システムでは、燃料電池の発電効率を向上させるために、燃料電池から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を新たに供給される燃料ガス（水素ガス）と混合させて再循環させるエゼクタが用いられている。

この種のエゼクタに関し、例えば、特許文献１には、水素ガスが供給される第１流体室と、棒状のニードルと、第１流体室に供給された水素ガスを吐出口（ノズル孔）から吐出するノズルと、水素オフガスが導入される第２流体室と、ノズルの吐出口側に設けられたディフューザと、エアが供給される第３流体室とを備えるエゼクタが開示されている。第１流体室は、第２流体室と第３流体室との間に設けられ、第１流体室と第２流体室とは、第１ダイヤフラムで仕切られ、第１流体室と第３流体室とは、第１ダイヤフラムと同一の受圧面積を有する第２ダイヤフラムで仕切られ、第３流体室に導入されたエアの圧力により、ニードルとノズルとを互いに離間させ、第２流体室に導入された水素オフガスの圧力により、ニードルとノズルとを互いに接近させるように構成されている。

特許文献１に開示されたエゼクタでは、第３流体室に供給されるエアと第２流体室に導入される水素オフガスによって、ニードルとノズルとを相対的に移動させる方向が逆方向となって互いに相殺されるため、第１流体室に供給される水素ガスの供給圧力が変動しても、ノズルの吐出口から吐出される水素ガス（混合ガス）の流量を一定にできるとしている。

特開２００９−１４４５５７号公報

ところで、前記特許文献１に開示されたエゼクタでは、第１流体室に供給される水素ガスの供給圧力が印加された場合、ノズルが開き側に向かって変位してしまう、という問題がある。これは、例えば、ノズルの基端面であるシート部の面積やノズル孔からのガス吐出圧力等に起因するものと推量される。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの供給圧力が印加されたとき、固定側のニードルに対して可動側のノズルが開き側へ変位することを阻止することが可能な燃料電池用エゼクタ装置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に、本発明は、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、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給ポートが設けられたエゼクタ本体と、前記エゼクタ本体内に設けられ、前記インレットポートに連通して燃料ガスが供給される第１室と、前記エゼクタ本体内に設けられ、前記吸引ポートに連通して燃料オフガスが導入される第２室と、前記エゼクタ本体内に設けられ、前記酸化剤ガス供給ポートに連通して酸化剤ガスが供給される第３室と、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前記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、前記エゼクタ本体側に固定され、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と、前記第１室を間にして相互に対向配置され、前記ノズルを前記ニードルの軸方向に沿って変位させて前記ノズルのノズル孔と前記ニードルの先端部の外周面との間隙における開口面積を変化させる第１ダイヤフラム及び第２ダイヤフラムとを備え、前記酸化剤ガス供給ポート側に配置された前記第１ダイヤフラムの受圧面積は、前記吸引ポート側に配置された前記第２ダイヤフラムの受圧面積よりも大きく設定されることを特徴とする。

例えば、第３室内に供給される酸化剤ガスの圧力よりも第２室内に導入される燃料オフガスの圧力が高いときに、ノズル位置が所定位置にあるとする。このとき、第１室内に供給される燃料ガスの供給圧力が印加された場合、ノズルを開き側の方向に向かって変位（移動）させる力が発生し、この力によってノズルが所定位置から開き側に向かって変位しようとする。

本発明によれば、第１室を間にして相互に対向配置された第１ダイヤフラムの受圧面積Ｓ１が第２ダイヤフラムの受圧面積Ｓ２よりも大きく設定されているため（Ｓ１＞Ｓ２）、ノズルを閉じ側の方向に向かって変位させる力が作用する。このノズルを閉じ側に向かって変位させる力は、第１ダイヤフラムの受圧面積Ｓ１と第２ダイヤフラムの受圧面積Ｓ２の受圧面積差（Ｓ１−Ｓ２）に対応する力からなる。

従って、本発明では、ノズルを開き側に向かって変位させる力と、第１及び第２ダイヤフラムの受圧面積差（Ｓ１−Ｓ２）に対応するノズルを閉じ側に向かって変位させる力とが相互に相殺され、ノズルは、所定位置に保持されたままとなる。

この結果、本発明では、第１室に供給される燃料ガスの供給圧力が印加された場合であっても、固定側のニードルに対する可動側のノズルの開き側への変位を好適に阻止することが可能となる。

また、本発明によれば、ノズルの開き側への変位が阻止されてノズルが所定位置に保持されることから、ノズルから吐出される吐出圧が過大となることが防止される。また、ノズルが所定位置に保持されることから、所定位置からのノズル制御が可能となるため、ノズルから吐出される吐出圧の制御の幅を拡大（吐出圧の制御領域を増大）させて制御安定性を向上させることができる。

また、本発明は、ノズル内に、ニードルを軸方向に沿って軸支すると共に、ノズルと共に一体的に変位する軸受部材が設けられ、前記軸受部材は、エゼクタ本体に設けられた弁座に着座するシート部を有することを特徴とする。

本発明によれば、ノズル内に配置される軸受部材にシート部を設けることにより、ノズルの端面にシート部を設けた場合と比較して、その直径が縮径されたシート部を得ることができる。また、シート部の直径を縮径することにより、従来と比較してシート面の面圧が増大しシート部のシート性を向上させることができる。

本発明では、燃料ガスの供給圧力が印加されたとき、固定側のニードルに対して可動側のノズルが開き側へ変位することを阻止することが可能な燃料電池用エゼクタ装置を得ることができる。

また、本発明では、ノズルの開き側への変位が阻止されてノズルが所定位置に保持されることから、ノズルから吐出される吐出圧が過大となることを防止することができる。また、ノズルが所定位置に保持されることから、所定位置からのノズル制御が可能となるため、ノズルから吐出される吐出圧の制御の幅を拡大（吐出圧の制御領域を増大）させて制御安定性を向上させることが可能な燃料電池用エゼクタ装置を得ることができる。

燃料電池システムに組み込まれた本発明の実施形態に係るエゼクタの軸方向に沿った縦断面図である。 エゼクタ本体内に配設された複数のダイヤフラムを太実線で示した説明図である。 （ａ）は、エゼクタの初期状態におけるノズル孔とニードルとの位置関係を示す部分縦断面図、（ｂ）は、（ａ）の状態からノズル及びホルダが一体的に変位して、ノズル孔の開口面積が変化した状態を示す部分縦断面図である。 本発明の他の実施形態に係るエゼクタの要部拡大縦断面図である。

次に、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について説明した後、前記エゼクタについて適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示されるように、燃料電池システムは、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（図示せず）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、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装置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（図１参照）、水素タンク１４から新たに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２６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。

また、前記エアコンプレッサ１６と前記加湿器２８との間には、エア供給通路２６から分岐する分岐通路３０が設けられる（図１参照）。前記分岐通路３０の下流側は、エゼクタ２２に接続され、前記分岐通路３０を介して供給されるエア（圧縮エア）は、前記エゼクタ２２に対してエア信号圧として導入される。なお、前記分岐通路３０には、エアコンプレッサ１６から供給された圧縮エアを所定流量に絞るオリフィス（図示せず）が設けられるとよい。

気液分離及び希釈部には、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。図１は、前記エゼクタの軸方向に沿った縦断面図、図２は、エゼクタ本体内に配設された複数のダイヤフラムを太実線で示した説明図である。

図１に示されるように、このエゼクタ２２は、エゼクタ本体２２ａを有し、前記エゼクタ本体２２ａは、後記するように複数のブロック体が一体的に結合されて構成される。

前記エゼクタ本体２２ａは、図示しないフィルタ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（燃料ガス）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とを有する。

また、エゼクタ本体２２ａは、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（燃料オフガス）が吸入される吸引ポート３２ｃと、分岐通路３０に接続され前記分岐通路３０を介してエアコンプレッサ１６から導出された圧縮エア（酸化剤ガス）が供給されるエア供給ポート（酸化剤ガス供給ポート）３２ｄと、大気に連通する呼吸ポート３２ｅとを有する。

前記エゼクタ本体２２ａは、エア供給ポート３２ｄが設けられた第１ブロック体３４ａと、呼吸ポート３２ｅが設けられた第２ブロック体３４ｂと、インレットポート３２ａが設けられた第３ブロック体３４ｃと、アウトレットポート３２ｂ及び吸引ポート３２ｃが設けられた第４ブロック体３４ｄとを有する。前記第１〜第３ブロック体３４ａ〜３４ｃは、周方向に沿って所定角度離間する複数の第１固定用ボルト３６によって一体的に締結され、また、第２〜第４ブロック体３４ｂ〜３４ｄは、周方向に沿って所定角度離間する複数の第２固定用ボルト３８によって一体的に締結される。

第１ブロック体３４ａと第２ブロック体３４ｂとの間には、比較的大径な第３ダイヤフラム４４が配設され、前記第３ダイヤフラム４４の外周縁部が第１ブロック体３４ａと第２ブロック体３４ｂによって挟持される。また、第２ブロック体３４ｂと第３ブロック体３４ｃとの間には、比較的中径な第１ダイヤフラム４０が前記第３ダイヤフラム４４と対向して配設され、第１ダイヤフラム４０の外周縁部が第２ブロック体３４ｂと第３ブロック体３４ｃによって挟持される。さらに、第３ブロック体３４ｃと第４ブロック体３４ｄとの間には、比較的小径な第２ダイヤフラム４２が第１ダイヤフラム４０と対向して配設され、前記第２ダイヤフラム４２の外周縁部が第３ブロック体３４ｃと第４ブロック体３４ｄとの間で挟持される。

エゼクタ本体２２ａ内には、第１ブロック体３４ａの内壁と第３ダイヤフラム４４とによって仕切られた第３室７０ｃが形成され、前記第３室７０ｃは、エア供給ポート３２ｄと連通してエア信号圧が供給される。また、エゼクタ本体２２ａ内には、第３ダイヤフラム４４と第１ダイヤフラム４０とによって仕切られた大気圧室７０ｄが形成され、前記大気圧室７０ｄは、呼吸ポート３２ｅを介して大気と連通するように設けられる。さらに、エゼクタ本体２２ａ内には、第１ダイヤフラム４０と第２ダイヤフラム４２とによって仕切られた第１室７０ａが形成され、前記第１室７０ａは、インレットポート３２ａと連通して水素（供給圧）が供給される。さらにまた、エゼクタ本体２２ａ内には、第３ブロック体３４ｃの内壁と第２ダイヤフラム４２とによって仕切られた第２室７０ｂが形成され、前記第２室７０ｂは、吸引ポート３２ｃと連通して水素オフガスが導入される。

この場合、図２に示されるように、相互に対向配置され第１室７０ａ内に供給される水素の供給圧力がそれぞれ付与される第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１と第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２とは同一ではなく、第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１は、第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２よりも大きく設定されている（Ｓ１＞Ｓ２）。

すなわち、水素が供給される第１室７０ａを間にして相互に対向配置された第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１と第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２とを同一としないで、エア供給ポート（酸化剤ガス供給ポート）３２ｄ側（エア信号圧側）に近接配置された第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１を、吸引ポート３２ｃ側（水素オフガス側）に近接配置された第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２よりも大きく設定することにより、第１ダイヤフラム４０と第２ダイヤフラム４２との受圧面積差（Ｓ１−Ｓ２）に対応し、ノズル６２を閉じ側（矢印Ｘ１方向）に向かって変位させる力が発生する。後記するように、このノズル６２を閉じ側（矢印Ｘ１方向）に向かって変位させる力と、水素の供給圧力が印加されたときに発生するノズル６２を開き側（矢印Ｘ２方向）に向かって変位させる力とが相互に相殺される。

なお、本実施形態では、水素が供給される第１室７０ａと圧縮エアが供給される第３室７０ｃとの間に大気圧室７０ｄを介在させて第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４からなる３枚のダイヤフラムを配置しているが、受圧面積差（Ｓ１−Ｓ２）で前記ノズル６２を閉じ側（矢印Ｘ１方向）に向かって変位させる力は、基本的に、第１ダイヤフラム４０及び第２ダイヤフラム４２からなる２枚のダイヤフラムによって発生させることが可能であり、第３ダイヤフラム４４を省略することができる。

また、本実施形態では、第３ダイヤフラム４４の受圧面積Ｓ３が、第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１よりも大きく設定されている（Ｓ３＞Ｓ１）。この結果、各ダイヤフラムの受圧面積の大小関係は、第３ダイヤフラム４４の受圧面積Ｓ３が最も大きく設定され、続いて、第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１、第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２の順序で大きく設定されている（Ｓ３＞Ｓ１＞Ｓ２）。なお、図２中では、各ダイヤフラムの受圧面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を、ダイヤフラムの受圧面の直径に対応させて、便宜的に示している。

図１に戻って、エゼクタ本体２２ａの内部には、第３ダイヤフラム４４を表裏両面で挟持する第１保持部材４６ａ及び第２保持部材４６ｂと、第１ダイヤフラム４０を表裏両面で挟持する第２保持部材４６ｂ及び第３保持部材４６ｃと、前記第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃの中心部を貫通し前記第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃを一体的に保持するホルダ４８と、ワッシャを介して前記ホルダ４８のねじ部に締結されるナット部材５０と、複数のボルト５２によってエゼクタ本体２２ａの第３ブロック体３４ｃに固定され、ホルダ４８の一端部が当接する当接面（ストッパ面）が形成されたステータ５６とがそれぞれ設けられる。

さらに、エゼクタ本体２２ａの内部には、前記ステータ５６の孔部に基端部が固定され、後記するノズル６２の中空部内に軸方向に沿って延在するニードル５８と、前記ステータ５６の貫通孔６０に挿通されてホルダ４８とノズル６２とを締結する連結用ボルト６４ａ及び連結用ナット６４ｂと、前記連結用ボルト６４ａ及び連結用ナット６４ｂを介してホルダ４８と連結され、ニードル５８の先端部５８ａが臨むノズル孔６２ａを有するノズル６２と、ノズル６２の内壁に固定されて前記ノズル６２と一体的に変位し、前記ニードル５８に沿って摺動する摺動孔及び流体が流通する流通孔を有する軸受部材６６とがそれぞれ設けられる。この場合、第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃは、ホルダ４８の拡径段部とナット部材５０との間で一体的に締結される。

なお、ノズル６２は、その軸方向に沿った一端部に形成されたノズル孔６２ａと反対側の他端部の周縁に形成されたシート部６２ｂを有し、前記シート部６２ｂは、エゼクタ本体２２ａに形成された弁座６７に対して着座可能に設けられる。

第３室７０ｃには、一端部がエンドキャップ７１に係着され他端部が第１保持部材４６ａに係着される第１ばね部材７２ａが設けられ、前記第１ばね部材７２ａは、ばね力によって第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃ及びホルダ４８をノズル６２側に向かって押圧（付勢）するように設けられる。また、第２室７０ｂには、一端部がリテーナ７４に係着され他端部が第４ブロック体３４ｄの内壁の受座面に係着される第２ばね部材７２ｂが設けられる。前記第２ばね部材７２ｂは、ばね力によってノズル６２をホルダ４８側に向かって押圧（付勢）するように設けられる。

この場合、第１ばね部材７２ａのばね力は、第２ばね部材７２ｂのばね力よりも大きく設定され、第３室７０ｃ及び第２室７０ｂ内に圧力流体が供給されていない場合、第１ばね部材７２ａと第２ばね部材７２ｂとのばね力の差によってホルダ４８の環状フランジ部がステータ５６に当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された初期状態にある。

さらに前記エゼクタ本体２２ａの第４ブロック体３４ｄの内部には、前記ノズル６２の軸方向に沿った一端部側に配設され、前記ノズル６２と同軸状に設けられたディフューザ７８を有する。前記ニードル５８は、ノズル孔６２ａに臨み、鋭く尖った頂点を含む先端部５８ａを有する。

ディフューザ７８は、ノズル孔６２ａを有するノズル６２の一部を囲繞するラッパ状の拡径部７８ａと、前記拡径部７８ａ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７８ｂとから構成される。

この場合、ノズル６２、ニードル５８及びディフューザ７８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６２と前記ディフューザ７８との間には、吸入室８０が形成され、前記吸入室８０は、吸引ポート３２ｃと連通するように設けられる。

第３室７０ｃ内に導入されるエア信号圧と第２室７０ｂ内に導入される水素オフガスの圧力との関係で、第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４が撓曲することによりホルダ４８及びノズル６２が一体的に矢印Ｘ１方向（閉じ側）に変位し、ディフューザ７８に向かって水素が噴射されるノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａとの間隙６８における開口面積を変化させることができる。

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

図３（ａ）は、エゼクタの初期状態におけるノズル孔とニードルとの位置関係を示す部分縦断面図である。
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。同時に、エアコンプレッサ１６の駆動が停止された状態にあり、エゼクタ２２のエア供給ポート３２ｄに対する圧縮エアの供給が停止された状態にある。

この場合、第１ばね部材７２ａのばね力は、第２ばね部材７２ｂのばね力よりも大きく設定されているため、第１ばね部材７２ａと第２ばね部材７２ｂとのばね力の差によってホルダ４８の環状フランジ部がステータ５６に当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された初期状態にある（図３（ａ）参照）。

この初期状態では、図３（ａ）に示されるように、ニードル５８の先端部５８ａがノズル孔６２ａから外部に向かって僅かに突出する。従って、水素が吐出されるノズル孔６２ａの開口面積（間隙６８）は、ノズル孔６２ａの内径面積からニードル５８の先端部５８ａ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、エゼクタ本体２２ａ内で第１ダイヤフラム４０と第２ダイヤフラム４２で仕切られた第１室７０ａに供給される。同時に、エアコンプレッサ１６からの圧縮エアが分岐通路３０及びエア供給ポート３２ｄを通じて第３ダイヤフラム４４で仕切られた第３室７０ｃ内に供給される。

その際、第２室７０ｂ内に導入される水素オフガスの圧力が第３室７０ｃ内の圧縮エアの圧力（エア信号圧）以下であるとき、初期状態と同様に、ホルダ４８の環状フランジ部がステータ５６に当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された状態に継続される。

エゼクタ２２の第１室７０ａ内に導入された水素は、さらに、ノズル６２に内嵌された軸受部材６６の流通孔を介してノズル６２の中空部内に導入された後、ノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの間隙６８を通じてディフューザ７８側に向かって吐出される。このノズル孔６２ａ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７８のスロート部７８ｂ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。

同時に、ノズル６２のノズル孔６２ａの先端からディフューザ７８に向かって水素が噴射（吐出）される際、ノズル６２とディフューザ７８の拡径部７８ａ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８０内の水素オフガスが吸い込まれ、ノズル６２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７８で混合され、この混合された水素ガスがアウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０を介して燃料電池１２に導出される。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態からノズル及びホルダが一体的に変位して、ノズル孔の開口面積が変化した状態を示す部分縦断面図である。
燃料電池１２の運転状態において、分岐通路３０及びエア供給ポート３２ｄを介して第３室７０ｃ内に導入された圧縮エアの圧力（エア信号圧）に対して、吸引ポート３２ｃを介して導入された第２室７０ｂ内の水素オフガスの圧力が高くなった場合、水素オフガスによる押圧力が第１ばね部材７２ａのばね力に打ち勝って第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４を撓曲させ、ホルダ４８の円筒部の案内作用下に、ホルダ４８及びノズル６２が矢印Ｘ１方向（閉じ側）に向かって一体的に変位する。

従って、ニードル５８の先端部５８ａを含む一部は、ノズル６２のノズル孔６２ａの先端から外部に突出して露呈した状態となる。この結果、ノズル６２の中空部内に導入された水素は、ノズル孔６２ａの微小な間隙６８を通じてディフューザ７８に向かって吐出されるため、比較的小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、ホルダ４８及びノズル６２の変位によって、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。

ここで、ホルダ４８及びノズル６２の閉じ側（矢印Ｘ１方向）への変位がさらに進んだ場合、ノズル６２に形成されたシート部６２ｂが、エゼクタ本体２２ａに形成された弁座６７に着座し、ノズル６２の位置がノズルシート位置（締切位置）となる（図３（ｂ）参照）。この場合、ノズル６２のノズル孔６２ａから吐出される水素流量をゼロとすることができる。

ところで、第３室７０ｃ内に供給されるエア信号圧よりも第２室７０ｂ内に導入される水素オフガスの圧力が高いときに、ノズル６２の位置が所定位置、例えば、ノズルシート位置（図３（ｂ）参照）にあるとする。このとき、第１室７０ａに供給される水素の供給圧力が印加された場合、ノズル６２を開き側の方向（矢印Ｘ２方向）に向かって変位（移動）させる力が発生し、この力によってノズル６２がノズルシート位置から開き側（矢印Ｘ２方向）に向かって変位しようとする。水素の供給圧力の印加によって発生するこの力は、前記したように、例えば、ノズル６２の基端面であるシート部６２ｂの面積やノズル孔６２ａからのガス吐出圧力等に起因するものと推量される。

これに対して、本実施形態では、第１室７０ａを間にして相互に対向配置されたエア信号圧側の第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１が水素オフガス側の第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２よりも大きく設定されているため（Ｓ１＞Ｓ２）、ノズル６２を閉じ側の方向（矢印Ｘ１方向）に向かって変位させる力が作用する。このノズル６２を閉じ側に向かって変位させる力は、第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１と第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２の受圧面積差（Ｓ１−Ｓ２）に対応する力からなる。

従って、本実施形態では、第１室７０ａに供給される水素の供給圧力が印加されることによって発生するノズル６２を開き側（矢印Ｘ２方向）に向かって変位させる力と、第１及び第２ダイヤフラム４０、４２の受圧面積差（Ｓ１−Ｓ２）に対応するノズル６２を閉じ側（矢印Ｘ１方向）に向かって変位させる力とが相互に相殺され、ノズル６２は、ノズルシート位置（図３（ｂ）参照）に保持されたままとなる。これにより、固定側のニードル５８に対して可動側のノズル６２が開き側（矢印Ｘ２方向）へ変位することを防止することができる。

この結果、本実施形態では、第１室７０ａに供給される水素の供給圧力が印加された場合であっても、固定側のニードル５８に対する可動側のノズル６２の開き側への変位を好適に阻止することが可能となる。

また、本実施形態では、ノズル６２の開き側への変位が阻止されてノズル６２がノズルシート位置に保持されることから、ノズル６２のノズル孔６２ａから吐出される吐出圧が過大となることが防止される。

さらに、本実施形態では、ノズル６２がノズルシート位置に保持されることから、ノズルシート位置からのノズル制御が可能となるため、ノズル孔６２ａから吐出される吐出圧の制御の幅を拡大（吐出圧の制御領域を増大）させて制御安定性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、ノズル６２における所定位置の一例をノズルシート位置として説明しているが、これに限定されるものではなく、ノズル移動可能範囲において、シート位置の近傍位置、低開度位置、又は中間開度位置等の任意の位置としてもよい。この場合、任意の位置は、第３室７０ｃ内に供給されるエア信号圧よりも第２室７０ｂ内に導入される水素オフガスの圧力が高いときに、エア信号圧を低下方向に変化させる（エア減圧制御）ことで行われる。また、本実施形態では、本発明を、ノズル６２がシート部６２ｂを備えるエゼクタ２２に適用しているが、ノズルがシート部を備えていないエゼクタ（シート部が設けられていないノズルを有するエゼクタ）に適用するようにしてもよい。

さらにまた、本実施形態では、第３ダイヤフラム４４の受圧面積Ｓ３が、他の第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１及び第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２よりも大きく設定されている（Ｓ３＞Ｓ１＞Ｓ２）。従って、第３室７０ｃに供給されるエア信号圧を増大させて第３ダイヤフラム４４を撓曲させ、この第３ダイヤフラム４４の撓曲動作を第１ダイヤフラム４０及び第２ダイヤフラム４２に作用させることにより、ノズル６２を閉じ側の位置から開き側に向かって変位させ、水素が吐出されるノズル孔６２ａの開口面積（間隙６８）を増大させることができる。

次に、本発明の他の実施形態に係るエゼクタを図４に示す。なお、図１に示すエゼクタと同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図４は、本発明の他の実施形態に係るエゼクタの要部拡大縦断面図である。
この他の実施形態に係るエゼクタ１００では、ノズル１０２内に配置される軸受部材１０４の軸方向に沿った一端側にゴム製のシート部１０６が設けられている点に特徴がある。

すなわち、ノズル１０２内に配置される軸受部材１０４の軸方向に沿った一端面に環状溝１１０を形成し、前記環状溝１１０に対してゴム製のシート部１０６を装着（接着）することにより、ノズル６２の端面にシート部６２ｂを設けた図１の場合と比較して、その直径が縮径されたシート部１０６を得ることができる。また、シート部１０６の直径を縮径することにより、従来と比較してシート面の面圧が増大しシート部１０６のシート性を向上させることができる。なお、ノズル１０２の内径面と軸受部材１０４の外径面との間には、ノズル１０２と軸受部材１０４との結合部位をシールするＯリング１０８が設けられる。

この場合、可動側（弁体側）である軸受部材１０４の環状溝１１０内に装着されるシート部１０６を、例えば、ゴム等の弾性材料で形成し、且つ、前記軸受部材１０４のシート部１０６が着座するステータ５６側（エゼクタ本体）の弁座を、前記軸受部材１０４側に向かって突出する断面山形状の環状突起部１１２からなる金属製材料で形成することにより、軸受部材１０４を軽量化することができ、エゼクタ１００全体の重量における軽量化を達成することができる。

また、固定側であるステータ５６の円筒部５６ａの内周面には、ニードル１１４の外径面に形成された雄ねじと嵌合するねじ部１１６と、ニードル１１４の外径面が嵌挿される円筒状のインロー部１１８とが連接して設けられている。このねじ部１１６とインロー部１１８とをニードル１１４の軸方向に沿って連接して配置することにより、固定側のステータ５６に対してニードル１１４の軸心を高精度に芯出しした状態で組み付けることができる。

さらに、ニードル１１４の先端部１１４ａと反対側の端部には、他の部位と比較して拡径するフランジ部１１４ｂが設けられる。このフランジ部１１４ｂの内側側壁１１９は、Ｏリング１２０が装着される環状溝１２２の一部を形成している。

１２ 燃料電池
２２、１００ エゼクタ（燃料電池用エゼクタ装置） ２２ａ エゼクタ本体
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
３２ｄ エア供給ポート（酸化剤ガス供給ポート） ４０ 第１ダイヤフラム
４２ 第２ダイヤフラム ４４ 第３ダイヤフラム
５８、１１４ ニードル ６２、１０２ ノズル
６２ａ ノズル孔 ６８ 間隙
７０ａ 第１室 ７０ｂ 第２室
７０ｃ 第３室 ７８ ディフューザ
１０２ 軸受部材 １０６ シート部
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 受圧面積

Claims (2)

1. 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、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給ポートが設けられたエゼクタ本体と、
   前記エゼクタ本体内に設けられ、前記インレットポートに連通して燃料ガスが供給される第１室と、
   前記エゼクタ本体内に設けられ、前記吸引ポートに連通して燃料オフガスが導入される第２室と、
   前記エゼクタ本体内に設けられ、前記酸化剤ガス供給ポートに連通して酸化剤ガスが供給される第３室と、
   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前記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、
   前記エゼクタ本体側に固定され、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と、
   前記第１室を間にして相互に対向配置され、前記ノズルを前記ニードルの軸方向に沿って変位させて前記ノズルのノズル孔と前記ニードルの先端部の外周面との間隙における開口面積を変化させる第１ダイヤフラム及び第２ダイヤフラムと、
   を備え、
   前記酸化剤ガス供給ポート側に配置された前記第１ダイヤフラムの受圧面積は、前記吸引ポート側に配置された前記第２ダイヤフラムの受圧面積よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池用エゼクタ装置。
2. 請求項１記載の燃料電池用エゼクタ装置において、
   前記ノズル内には、前記ニードルを軸方向に沿って軸支すると共に、前記ノズルと共に一体的に変位する軸受部材が設けられ、前記軸受部材は、前記エゼクタ本体に設けられた弁座に着座するシート部を有することを特徴とする燃料電池用エゼクタ装置。

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