WO2020071157A1 - エゼクタ及びそれを備えた燃料電池システム - Google Patents

エゼクタ及びそれを備えた燃料電池システム

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WO2020071157A1
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fluid
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gas
casing
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信貴 手嶋
真明 松末
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愛三工業株式会社
トヨタ自動車株式会社
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    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the technology disclosed in this specification relates to an ejector configured to generate a negative pressure by flowing a working fluid and to flow a target fluid by the action of the negative pressure, and to a fuel cell system including the ejector.
  • the ejector includes a nozzle unit that receives a supply of hydrogen gas as a working fluid, and a mixing channel unit that is arranged downstream of the nozzle unit with respect to the flow of the hydrogen gas.
  • This ejector sucks hydrogen off-gas as a target fluid by negative pressure generated by hydrogen gas injected from a nozzle portion, and flows a mixed gas of the injected hydrogen gas and the sucked hydrogen off-gas through a mixing channel portion. And send it out.
  • This ejector has a nozzle portion having two injection holes for injecting hydrogen gas, and these injection holes are open toward a throat portion (diffuser) of the mixing channel portion. Also, the axes of the two injection holes are respectively displaced from the axes of the diffusers, and their opening diameters are equal.
  • the disclosed technology has been made in view of the above circumstances, and has as its object the uniformity of a working fluid ejected from a plurality of nozzles into a negative pressure generating chamber and a target fluid sucked into the negative pressure generating chamber. It is an object of the present invention to provide an ejector which achieves good mixing, effectively discharges dew water from an injection hole of a nozzle, and suppresses disturbance of injection of a working fluid, and a fuel cell system including the ejector.
  • one embodiment of the present disclosure includes a tubular main body casing, a plurality of first supply ports for receiving a supply of a working fluid, and a supply of the target fluid in the main body casing.
  • Receiving port a negative pressure generating chamber for generating a negative pressure by the working fluid, and a corresponding one of the first supply ports.
  • a plurality of nozzles for injecting the fluid a diffuser communicating with the working fluid and the target fluid in communication with the negative pressure generating chamber, and a discharge port for discharging the working fluid and the target fluid flowing through the diffuser to the outside;
  • a negative pressure is generated in the negative pressure generating chamber by the working fluid supplied to each first supply port and ejected from each corresponding nozzle, and the negative pressure is used to generate a negative pressure from the second supply port to the negative pressure generating chamber.
  • An ejector configured to flow with a body to a diffuser and discharge from a discharge port, wherein the plurality of nozzles include an inner nozzle and at least one outer nozzle provided to include the inner nozzle, the inner nozzle and the outer nozzle Is arranged so as to include the diffuser axis which is the axis of the diffuser, is arranged such that the axis of the inner nozzle or the axis of the outer nozzle coincides with the diffuser axis, and the inner nozzle has an inner injection hole through which the working fluid flows.
  • An outer injection hole is formed between the inner nozzle and the outer nozzle and has an annular cross section through which the working fluid flows.
  • the outer injection hole is provided when the main body casing is horizontally arranged such that the diffuser axis is horizontal.
  • the hole is the upper hole located above the diffuser axis and the lower hole located below the diffuser axis. And a section, a lower hole portion and spirit that the inner and outer nozzles to be narrower than the upper holes are arranged eccentrically to one another.
  • the working fluid supplied to each first supply port flows to the inner nozzle and the outer nozzle, and is injected from the inner injection hole and the outer injection hole to the negative pressure generation chamber, and is diffused. Through the outlet.
  • a negative pressure is generated in the negative pressure generating chamber by the flow of the working fluid, and the target fluid supplied to the second supply port is sucked into the decompression chamber by the negative pressure, flows through the diffuser together with the working fluid, and mixes with the working fluid. Is released from the outlet.
  • the inner nozzle and the outer nozzle are arranged so as to include the diffuser axis, and are arranged such that the axis of the inner nozzle or the axis of the outer nozzle coincides with the diffuser axis.
  • the inner nozzle has an inner injection hole through which the working fluid flows, and an outer injection hole having a ring-shaped cross section through which the working fluid flows is provided between the inner nozzle and the outer nozzle.
  • the outer injection hole includes an upper hole and a lower hole, and the inner nozzle and the outer nozzle are eccentrically arranged so that the lower hole is narrower than the upper hole.
  • the flow of the working fluid in the narrow lower hole becomes relatively faster, and the dew water generated in the outer injection hole collects in the lower hole due to gravity, and flows into the decompression chamber together with the working fluid. It is easy to be blown off at high speed.
  • each of the first supply ports is arranged above the main body casing when the main body casing is arranged horizontally.
  • the working fluid supplied to each of the first supply ports is vertically downward from the upper side of the main body casing toward the inner nozzle and the outer nozzle. Flows. Therefore, particularly, the working fluid flowing to the outer injection hole of the outer nozzle is more likely to flow to the lower hole, and the condensed water collected in the lower hole is easily blown to the decompression chamber at a higher speed together with the working fluid.
  • the working fluid and the target fluid flow between the negative pressure generating chamber and the discharge port in the main body casing, and the diffuser is provided. It is preferable that a fluid channel including the fluid channel is provided, and a warm fluid channel for flowing a predetermined warm fluid is provided around the fluid channel.
  • the cross section of the warm fluid flow path in a direction orthogonal to the longitudinal direction has an annular shape, and the hot fluid flow path is provided in the main body casing.
  • a warm fluid inlet for introducing a warm fluid into the warm fluid flow path is provided at one longitudinal end, and a warm fluid outlet for drawing a warm fluid from the warm fluid flow path at the other longitudinal end of the warm fluid flow path.
  • the warm fluid introduced from the warm fluid inlet flows spirally through the warm fluid flow path and is derived from the warm fluid outlet, and the warm fluid inlet and the warm fluid outlet are formed in the warm fluid flow path.
  • the hot fluid inlet and the warm fluid outlet are arranged so as to face in a tangential direction of the annular cross section, and at least one of the warm fluid inlet and the warm fluid outlet opens upward.
  • the hot fluid flow path has a circular cross section
  • the main casing has a hot fluid flow path at one end in the longitudinal direction of the hot fluid flow path.
  • a warm fluid inlet for introducing a fluid is provided, and a warm fluid outlet for leading a warm fluid is provided at the other end in the longitudinal direction.
  • the warm fluid introduced from the warm fluid inlet spirally flows through the warm fluid channel and is drawn out from the warm fluid outlet. Accordingly, the entire fluid flow path extending along the diffuser axis is uniformly warmed by the warm fluid spirally flowing therearound.
  • the warm fluid inlet and the warm fluid outlet are arranged so as to face the tangential direction of the annular cross section of the warm fluid flow path. Therefore, the warm fluid can be easily introduced from the warm fluid inlet to the warm fluid channel, and the warm fluid can be easily derived from the warm fluid channel to the warm fluid outlet. Further, since at least one of the warm fluid inlet and the warm fluid outlet opens upward, the air that has entered the warm fluid channel can easily escape to the outside from at least one of the warm fluid inlet and the warm fluid outlet.
  • the main body casing is composed of an outer casing and an inner casing assembled inside the outer casing, and each of the first casings is provided in the outer casing.
  • the inner casing is provided with an inner nozzle, an outer nozzle, a negative pressure generating chamber, a fluid flow path, and a discharge port, and a fluid flow path is provided between the outer casing and the inner casing.
  • a hot fluid flow path for flowing a predetermined hot fluid is provided around the passage, and a plurality of hot fluid flow paths are provided between the outer casing and the inner casing and between the second supply port and the hot fluid flow path.
  • the seal member is provided adjacently with a gap therebetween, and the outer casing is provided with a discharge port for discharging the fluid to the outside corresponding to the gap between the plurality of seal members.
  • the main casing is formed by assembling the inner casing inside the outer casing. And a warm fluid flow path is provided around the fluid flow path.
  • a plurality of seal members are provided between the outer casing and the inner casing and between the second supply port and the hot fluid flow path with a gap therebetween.
  • the outer casing is provided with a discharge port corresponding to a gap between the plurality of seal members. Therefore, in the unlikely event that the working fluid attempts to leak through the seal member from the second supply port to the hot fluid flow path, or the hot fluid attempts to leak through the seal member from the hot fluid flow path to the second supply port. However, the working fluid or the warm fluid is discharged to the outside through the discharge port.
  • the main casing is provided with a decompression chamber (negative pressure generation chamber) on one end side in the longitudinal direction, and has an inner nozzle and an outer nozzle.
  • a hollow in which the nozzle is housed is formed, and the hollow includes a space in which the inner nozzle and the outer nozzle are not housed, and the space has a first supply port communicating therewith and a plug or a plug for reducing the volume of the space.
  • the projection is fitted.
  • a plug or a convex portion is fitted into a space in which each nozzle is not accommodated, and the volume of the space is reduced. Therefore, the pressure reduction of the hydrogen gas introduced into the space from the first supply port can be suppressed.
  • a fuel cell system including the ejector according to any one of (1) to (6), wherein a fuel gas and an oxidizing agent are provided.
  • a fuel cell that receives power supply of gas to generate power, a fuel supply passage for supplying fuel gas to the fuel cell, a fuel circulation passage for circulating fuel off-gas discharged from the fuel cell to the fuel supply passage,
  • the ejector is provided at a connection portion between the fuel supply passage and the fuel circulation passage.
  • the configuration (7) is particularly preferable.
  • a gas-liquid separator provided in a fuel circulation passage upstream of the ejector for separating gas and liquid is further provided.
  • the ejector is provided on the side where the first supply port and the second supply port of the ejector are provided, while being disposed vertically below the battery and vertically above the gas-liquid separator.
  • the ejector is inclined so as to be disposed vertically below the side, and the second supply port is disposed vertically below the ejector, and the fuel circulation passage extending from the gas-liquid separator is disposed below the ejector vertically. It is preferable to connect to the second supply port from the side.
  • the ejector in addition to the operation of any one of the configurations (1) to (5), in the fuel cell system, the ejector is disposed vertically below the fuel cell. It is arranged vertically above the gas-liquid separator. Then, the ejector is tilted such that the first end including the first supply port and the second supply port is disposed vertically lower than the second end including the discharge port. Further, the second supply port is disposed vertically below the ejector, and a fuel circulation passage extending from the gas-liquid separator is connected to the second supply port from below the ejector vertically.
  • the condensed water generated in the fuel cell flows into the ejector through the fuel supply passage, or the condensed water is generated in the ejector, the condensed water is supplied from the second pressure reducing chamber due to the inclination of the ejector. It flows to the mouth and then to the gas-liquid separator through the fuel circulation passage.
  • the working fluid injected from the inner nozzle or the outer nozzle to the decompression chamber and the target fluid sucked into the decompression chamber can be mixed uniformly and favorably.
  • Condensed water can be effectively discharged from the outer injection holes, and disturbance of the injection of the working fluid due to the condensed water can be suppressed.
  • the condensed water can be more effectively discharged from the outer injection hole of the outer nozzle, and the disturbance of the injection of the working fluid due to the condensed water. Can be suppressed more reliably.
  • the flow rate of the hot water in the hot water flow path can be increased, and the effect of warming the fluid flow path by the hot water can be enhanced. Further, it is possible to make it difficult for air to accumulate in the hot water flow path, and in this sense, it is possible to secure the effect of warming the fluid flow path by the hot water.
  • the hot water flow path can be relatively easily formed in the ejector, and the working fluid may be mixed into the hot water flowing through the hot water flow path. In addition, it is possible to prevent hot water from being mixed into the target fluid supplied to the second supply port.
  • the working fluid with reduced pressure can be supplied to the inner nozzle, and the flow rate of the working fluid in the inner injection hole of the inner nozzle can be reduced. It is possible to further enhance the effect of discharging the condensed water at the inner injection holes.
  • the condensed water generated in the fuel cell or the ejector can be discharged to the gas-liquid separator, and separated by the gas-liquid separator. can do.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a fuel cell system according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a front sectional view showing the ejector according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the inner nozzle and the outer nozzle taken along line AA of FIG. 2 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a front cross-sectional view showing the main body casing exploded into an outer casing and an inner casing according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a front cross-sectional view of the ejector according to the first embodiment, showing a flow of a hydrogen gas supplied to one first supply port and a flow of a hydrogen off-gas supplied to a second supply port.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a fuel cell system according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a front sectional view showing the ejector according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the inner nozzle and the
  • FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing a portion of the ejector of FIG. 5 surrounded by a two-dot chain line according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a front cross-sectional view of the ejector according to the first embodiment, showing a flow of hydrogen gas supplied to the other first supply port and a flow of hydrogen off-gas supplied to the second supply port.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view showing a portion surrounded by a two-dot chain line of the ejector of FIG. 7 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a front cross-sectional view of the ejector showing a flow of hot water (indicated by a thick arrow) introduced into a hot water inlet according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the ejector according to the second embodiment, taken along a plane perpendicular to the diffuser axis in the middle of the gas flow path and the hot water flow path.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the ejector according to the second embodiment, taken along a plane perpendicular to the diffuser axis in the middle of the gas flow path and the hot water flow path.
  • FIG. 10 is an exemplary front sectional view of an ejector according to the third embodiment, which is similar to FIG. 2;
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a relationship between arrangement of a fuel cell, an ejector, and a gas-liquid separator in a fuel cell system according to a third embodiment.
  • FIG. 11 is an exemplary front sectional view of the ejector according to the fourth embodiment, which is similar to FIG. 2;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view according to another embodiment, showing an inner nozzle and an outer nozzle,
  • FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to this embodiment.
  • This fuel cell system is mounted on an electric vehicle and used to supply power to a drive motor (not shown).
  • the fuel cell system includes a fuel cell (FC) 1.
  • the fuel cell 1 receives power of hydrogen gas (as fuel gas) and air (as oxidant gas) to generate power.
  • the electric power generated by the fuel cell 1 is supplied to a drive motor via an inverter (not shown). This drive motor is controlled based on a separate command.
  • a hydrogen supply passage 2 (as a fuel supply passage) for supplying hydrogen gas to the fuel cell 1 and a hydrogen off-gas (as a fuel off-gas) derived from the fuel cell 1 are provided on the anode side of the fuel cell 1.
  • a hydrogen circulation passage 3 (as a fuel circulation passage) for circulating to the supply passage 2 and an ejector 4 provided at a connection between the hydrogen supply passage 2 and the hydrogen circulation passage 3 are provided.
  • Hydrogen gas flows from the hydrogen tank 5 into the hydrogen supply passage 2.
  • a first injector 6A and a second injector 6B each composed of an electromagnetic valve for injecting hydrogen gas from the hydrogen tank 5 are provided.
  • the inlet sides of the injectors 6A and 6B are connected in parallel to the hydrogen tank 5 via the hydrogen supply passages 2, respectively.
  • the outlet side of each injector 6A, 6B is connected to two different nozzles 37, 38 (see FIG. 2 and the like) provided in the ejector 4 via the hydrogen supply passage 2, respectively.
  • a gas-liquid separator 7 for separating gas and liquid is provided in the hydrogen circulation passage 3.
  • the gas-liquid separator 7 separates moisture from the hydrogen off-gas (as a gas), flows only the hydrogen off-gas toward the ejector 4, and discharges the water to the outside via the discharge passage 8.
  • the discharge passage 8 is provided with an exhaust / drain valve 9 composed of an electromagnetic valve.
  • a hydrogen pressure sensor 10 is provided in the hydrogen supply passage 2 between the ejector 4 and each of the injectors 6A and 6B. The hydrogen pressure sensor 10 detects the hydrogen pressure at the outlet of each of the injectors 6A and 6B.
  • an air supply passage 11 (as an oxidant gas supply passage) for supplying air to the fuel cell 1 and an air for discharging air-off gas derived from the fuel cell 1 are provided.
  • a discharge passage 12 is provided.
  • An air pump 13 for adjusting the amount of air supplied to the fuel cell 1 is provided in the air supply passage 11.
  • An air pressure sensor 14 is provided in the air supply passage 11 downstream of the air pump 13. The air pressure sensor 14 detects the pressure of air supplied to the fuel cell 1. Further, a switching valve 15 formed of an electromagnetic valve is provided in the air discharge passage 12.
  • the hydrogen gas in the hydrogen tank 5 flows through the hydrogen supply passage 2 and is supplied to the fuel cell 1 via each of the injectors 6A and 6B and the ejector 4.
  • the hydrogen gas is led out of the cell 1 to the hydrogen circulation passage 3 as hydrogen off-gas.
  • the derived hydrogen off-gas is separated from moisture in the gas-liquid separator 7 and then circulated to the hydrogen supply passage 2 via the ejector 4.
  • the hydrogen off-gas generates a negative pressure in the ejector 4 due to the hydrogen gas flowing through the ejector 4, and is drawn into the ejector 4 by the negative pressure, mixed with the hydrogen gas, and circulated to the hydrogen supply passage 2. Is done.
  • the fuel cell system further includes a controller 20.
  • the controller 20 controls the injectors 6A and 6B to adjust the flow rate (hydrogen amount) of the hydrogen gas flowing to the ejector 4 and the like.
  • the controller 20 controls the exhaust / drain valve 9 to adjust the exhaust / drain from the discharge passage 8.
  • the controller 20 controls the air pump 13 to adjust the flow rate of the air supplied to the fuel cell 1.
  • the controller 20 controls the switching valve 15 to adjust the discharge flow rate of the air-off gas from the air discharge passage 12.
  • the controller 20 inputs detection signals from the hydrogen pressure sensor 10 and the air pressure sensor 14, respectively. Further, the controller 20 takes in the voltage value and the current value related to the power generation of the fuel cell 1 respectively.
  • the controller 20 inputs an accelerator opening corresponding to an operation amount of an accelerator pedal 22 from an accelerator sensor 21 provided in a driver's seat as a command value related to a driving operation of the electric vehicle.
  • the controller 20 includes a central processing unit (CPU) and a memory, and controls each of the injectors 6A and 6B based on a predetermined control program stored in the memory to control the amount of hydrogen and the amount of air supplied to the fuel cell 1.
  • the air pump 13 and the like are controlled.
  • FIG. 2 shows the ejector 4 in a front sectional view.
  • the state shown in FIG. 2 shows the ejector 4 in a formal vertical arrangement.
  • the ejector 4 may be arranged in the fuel cell system at a slight angle with respect to the horizontal state shown in FIG.
  • the ejector 4 includes a tubular main body casing 30 for flowing a working fluid and a target fluid.
  • the hydrogen off-gas flowing through the hydrogen circulation passage 3 corresponds to a target fluid
  • the hydrogen gas flowing through the hydrogen supply passage 2 corresponds to a working fluid.
  • the main body casing 30 includes a first end 30a and a second end 30b.
  • the first end 30a corresponds to a substantially right half of the main body casing 30
  • the second end 30b corresponds to a substantially left half of the main body casing 30.
  • the first end 30a has two first supply ports 31 and 32 for receiving a supply of hydrogen gas, a second supply port 36 for receiving a supply of hydrogen off-gas, and a negative pressure for generating a negative pressure by the hydrogen gas.
  • a generation chamber 34 and two nozzles 37 and 38 which are provided corresponding to the two first supply ports 31 and 32, respectively, are disposed at the ends in the negative pressure generation chamber 34, and inject hydrogen gas.
  • the two nozzles 37 and 38 are provided so as to be substantially coaxial.
  • the second end 30b communicates with the negative pressure generating chamber 34 and has a diffuser 35 through which hydrogen gas and hydrogen off-gas flow, and one discharger for discharging the hydrogen gas and hydrogen off-gas flowing through the diffuser 35 to the outside.
  • An outlet 33 is provided.
  • one first supply port 31 is connected to the first injector 6A via the hydrogen supply passage 2
  • the other second supply port 36 is connected to the second injector 6B via the hydrogen supply passage 2.
  • the ejector 4 With the above basic configuration, the ejector 4 generates a negative pressure in the negative pressure generation chamber 34 by the hydrogen gas supplied to the first supply ports 31 and 32 and injected from the two nozzles 37 and 38, and the negative pressure 2 The hydrogen off-gas is sucked from the supply port 36 into the negative pressure generation chamber 34. Then, the ejector 4 flows the hydrogen off-gas together with the hydrogen gas to the diffuser 35 and discharges the hydrogen off-gas from the discharge port 33 toward the fuel cell 1.
  • the two nozzles 37 and 38 include an inner nozzle 37 and an outer nozzle 38 provided so as to include the inner nozzle 37.
  • the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 are arranged so as to include the diffuser axis L1 that is the axis of the diffuser 35.
  • FIG. 3 is an enlarged sectional view of the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 taken along the line AA in FIG.
  • the inner nozzle 37 is disposed such that the axis L2 of the inner nozzle 37 coincides with the diffuser axis L1.
  • an inner injection hole 37a through which hydrogen gas flows is formed at the center of the inner nozzle 37.
  • an outer injection hole 38a having a ring-shaped cross section through which hydrogen gas flows is provided between the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38.
  • the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 are eccentrically arranged so that the lower hole 38ab is narrower than the upper hole 38aa.
  • the axis L2 of the inner nozzle 37 is arranged so as to be coaxial with the diffuser axis L1, and the axis L3 of the outer nozzle 38 is arranged eccentrically upward with respect to the inner nozzle 37.
  • the lower hole 38ab is smaller than the upper hole 38aa.
  • the two first supply ports 31 and 32 are disposed above the main body casing 30 when the main body casing 30 is horizontally disposed, and are supplied to the first supply ports 31 and 32, respectively.
  • the hydrogen gas flows vertically downward toward the nozzles 37 and 38.
  • a hot water flow path 40 (as an example of a hot fluid flow path) for flowing hot water (as a hot fluid) is provided. That is, in this embodiment, the main casing 30 includes an outer casing 41 and an inner casing 42 assembled inside the outer casing 41. The hot water flow path 40 is provided between the outer casing 41 and the inner casing 42 and around the gas flow path 39.
  • FIG. 4 shows a front sectional view of the main casing 30 exploded into an outer casing 41 and an inner casing 42.
  • the outer casing 41 is provided with first supply ports 31 and 32 and a second supply port 36.
  • the inner casing 42 is provided with an inner nozzle 37, an outer nozzle 38, a negative pressure generating chamber 34, a gas flow path 39 including a diffuser 35, and a discharge port 33.
  • the hot water flow path 40 has an annular cross section in a direction orthogonal to the longitudinal direction.
  • the main casing 30 is provided with a hot water inlet 43 for introducing hot water into the hot water flow path 40 at one longitudinal end of the hot water flow path 40, and a hot water flow path at the other longitudinal end of the hot water flow path 40.
  • a hot water outlet 44 for drawing hot water from 40 is provided. Then, the hot water introduced from the hot water inlet 43 spirally flows through the hot water flow path 40 and is drawn out from the hot water outlet 44.
  • a spiral shape is formed on at least one of the inner peripheral surface of the outer casing 41 and the outer peripheral surface of the inner casing 42 within a range corresponding to the hot water flow path 40.
  • a groove (not shown) is formed.
  • annular sealing members 45 are provided between the outer casing 41 and the inner casing 42 at intervals along the diffuser axis L1.
  • a seal member 46 is also provided between the inner casing 42 and the outer nozzle 38.
  • Each of the seal members 45 and 46 is formed of rubber, and is assembled to the inner casing 42 and the outer nozzle 38 in a state where the seal members 45 and 46 are fitted into annular grooves formed on the outer periphery of the inner casing 42 and the outer periphery of the outer nozzle 38.
  • the spiral groove is formed, but the spiral groove is not necessarily formed.
  • the outer casing 41 has a bottomed cylindrical shape and has a hollow 41a extending with the same inner diameter in the longitudinal direction.
  • the outer casing 41 has a bottom on the side of the first end 30a and an opening on the side of the second end 30b.
  • the first supply ports 31, 32, the second supply port 36, and the hot water inlet 43 are formed on the upper side surface of the first end 30a so as to communicate with the hollow 41a.
  • a hot water outlet 44 communicating with the hollow 41a is formed on the upper side surface of the outer casing 41 on the second end 30b side.
  • the inner casing 42 has a bottomless cylindrical shape and has a hollow 42 a having a partially different inner diameter in the longitudinal direction.
  • the inner casing 42 has a nozzle housing portion 42aa having a large inner diameter on the side of the first end 30a.
  • the nozzle accommodating portion 42aa is provided with the negative pressure generating chamber 34 and accommodates the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38.
  • the hollow 42a includes a space 42ab in which the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 are not housed.
  • communication holes 42b, 42c, and 42d are formed at portions that intersect with the axes of the first supply ports 31, 32 and the second supply port 36, respectively.
  • Each of the nozzles 37 and 38 has a hollow extending in the longitudinal direction at the center.
  • the inner nozzle 37 is assembled in the hollow of the outer nozzle 38.
  • a communication hole 38b is formed on the outer periphery of the outer nozzle 38 at a portion that intersects with the axis of one of the first supply ports 32.
  • the communication hole 38b is aligned with the communication hole 42c of the inner casing 42.
  • the inner casing 42 has a smaller inner diameter than the nozzle accommodating portion 42aa on the side of the second end portion 30b, and a gas flow path 39 including the diffuser 35 is formed.
  • a seal member 45, an inner nozzle 37, and an outer nozzle 38 are previously assembled to the inner casing 42.
  • the inner casing 42 is fitted into the hollow 41 a of the outer casing 41.
  • FIG. 5 shows the flow of the hydrogen gas supplied to one of the first supply ports 31 (indicated by a solid line arrow) and the flow of the hydrogen off-gas supplied to the second supply port 36 (indicated by a broken line arrow). Is shown by a front sectional view of FIG.
  • FIG. 6 is an enlarged sectional view of a portion of the ejector 4 shown in FIG. FIG.
  • FIG. 7 shows the flow of the hydrogen gas supplied to the other first supply port 32 (indicated by a solid line arrow) and the flow of the hydrogen off-gas supplied to the second supply port 36 (indicated by a broken line arrow).
  • FIG. 8 is an enlarged sectional view of the portion of the ejector 4 shown in FIG.
  • the hydrogen gas injected from the first injector 6A and supplied to one of the first supply ports 31 flows to the inner nozzle 37 and flows into the inner injection hole 37a.
  • the gas is injected into the negative pressure generating chamber 34 through the gas flow path 39 (diffuser 35) and is discharged from the discharge port 33.
  • a negative pressure is generated in the negative pressure generating chamber 34 by the flow of the hydrogen gas, and the hydrogen off-gas supplied to the second supply port 36 is sucked into the negative pressure generating chamber 34 by the negative pressure, and the hydrogen gas is supplied to the gas flow path together with the hydrogen gas.
  • the gas flows through 39 and is mixed with hydrogen gas, and is discharged from the discharge port 33.
  • the hydrogen gas injected from the second injector 6B and supplied to the other first supply port 32 flows to the outer nozzle 38 and flows out to the outer injection hole 38a.
  • the gas is injected into the negative pressure generating chamber 34 through the gas flow path 39 (diffuser 35) and is discharged from the discharge port 33.
  • a negative pressure is generated in the negative pressure generating chamber 34 by the flow of the hydrogen gas, and the hydrogen off-gas supplied to the second supply port 36 is sucked into the negative pressure generating chamber 34 by the negative pressure, and the hydrogen gas is supplied to the gas flow path together with the hydrogen gas.
  • the gas flows through 39 and is mixed with hydrogen gas, and is discharged from the discharge port 33.
  • the outer nozzle 38 is provided so as to include the inner nozzle 37, and the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 are arranged so as to include the diffuser axis L1 of the main body casing 30, and the inner nozzle 37 and the negative pressure generating chamber are provided.
  • the diffuser 34 and the diffuser 35 are arranged around the diffuser axis L1. Therefore, the hydrogen gas injected from the inner nozzle 37 or the outer nozzle 38 flows to the diffuser 35 so as to include the diffuser axis L1, respectively, and the hydrogen off-gas drawn into the negative pressure generation chamber 34 includes the hydrogen gas. Flow to the diffuser 35 as described above.
  • the inner nozzle 37 has an inner injection hole 37a through which hydrogen gas flows, and an outer injection hole 38a having an annular cross section through which the hydrogen gas flows is provided between the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38.
  • the outer injection hole 38a includes an upper hole 38aa and a lower hole 38ab, and the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 are eccentrically arranged so that the lower hole 38ab is narrower than the upper hole 38aa.
  • the flow of the hydrogen gas becomes relatively faster in the narrow lower hole portion 38ab, and the dew water generated in the outer injection hole 38a collects in the lower hole portion 38ab due to gravity, and the hydrogen gas flows. At the same time, it is easily blown off to the negative pressure generating chamber 34 at high speed. For this reason, in particular, the dew condensation water can be effectively discharged from the outer injection hole 38a of the outer nozzle 38, and the disturbance of the hydrogen gas injection due to the dew condensation water can be suppressed.
  • each of the first supply ports 31 and 32 is disposed above the main body casing 30 when the main body casing 30 is disposed horizontally. Therefore, the hydrogen gas supplied to each of the first supply ports 31 and 32 flows vertically downward from the upper side of the main casing 30 toward the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38. Therefore, in particular, the hydrogen gas flowing to the outer injection hole 38a of the outer nozzle 38 is more likely to flow to the lower hole 38ab, and the condensed water collected in the lower hole 38ab is discharged to the negative pressure generating chamber 34 together with the hydrogen gas. It is easy to be blown off at high speed. For this reason, in particular, the dew condensation water can be more effectively discharged from the outer injection hole 38a of the outer nozzle 38, and the disturbance of the hydrogen gas injection due to the dew water can be more reliably suppressed.
  • FIG. 9 shows a flow of hot water (shown by a thick arrow) introduced into the hot water inlet 43 by a front sectional view of the ejector 4.
  • the hot water introduced from the hot water inlet 43 spirally flows through the hot water flow path 40 around the gas flow path 39 and is drawn out from the hot water outlet 44.
  • the main casing 30 is configured by assembling the inner casing 42 inside the outer casing 41. Simultaneously with this assembly, a hot water flow path 40 is provided between the outer casing 41 and the inner casing 42 and around the gas flow path 39. Therefore, the hot water flow path 40 can be formed relatively easily in the ejector 4.
  • FIG. 10 and FIG. 11 are cross-sectional views of the ejector 4 taken along a plane orthogonal to the diffuser axis L ⁇ b> 1 in the gas flow path 39 and the hot water flow path 40.
  • the flow of warm water in the warm water flow path 40 is indicated by arrows.
  • the direction of the tangential direction to the annular flow of the hot water in the hot water flow path 40 is indicated by an arrow.
  • a hot water inlet 43 is formed so as to extend in the horizontal direction below the outer casing 41, and a hot water outlet 44 is provided above the outer casing 41. And is formed to extend in the vertical direction.
  • the hot water inlet 43 and the hot water outlet 44 are arranged so as to face the tangential direction of the annular cross section of the hot water flow path 40. Further, the hot water outlet 44 is provided so as to open upward from the hot water inlet 43 and the hot water outlet 44.
  • the tangential directions of the annular cross section of the hot water flow path 40 can be indicated by arrows F1 to F6. Of these tangential directions, the hot water outlet 44 opens upward, for example, in the case of arrows F1 to F3 indicated by double circles.
  • the opening of the hot water outlet 44 is provided with the hot water outlet 44 at the position of the arrow F2 which is directed vertically upward.
  • the position where the hot water outlet 44 is provided is not limited to the positions of the arrows F1 to F3 as long as the position is located above the diffuser axis L1.
  • the hot water flow path 40 has a circular cross section
  • the main casing 30 is provided with a hot water inlet 43 for introducing hot water at one end in the longitudinal direction of the hot water flow path 40, and is provided with hot water at the other end in the longitudinal direction.
  • a hot water outlet 44 for leading out is provided. The hot water introduced from the hot water inlet 43 spirally flows through the hot water flow path 40 and is drawn out from the hot water outlet 44.
  • the entire gas flow path 39 extending along the diffuser axis L1 of the main casing 30 is uniformly heated by the hot water spirally flowing therearound.
  • the hot water inlet 43 and the hot water outlet 44 are arranged so as to face the tangential direction of the annular cross section of the hot water flow path 40. Therefore, it becomes easy to introduce hot water from the hot water inlet 43 to the hot water flow path 40, and it is easy to draw hot water from the hot water flow path 40 to the hot water outlet 44. Therefore, the flow velocity of the hot water in the hot water flow path 40 can be increased, and the effect of warming the gas flow path 39 by the hot water can be increased. Further, at least one of the hot water inlet 43 and the hot water outlet 44 opens upward.
  • the air that has entered the hot water flow path 40 easily escapes from at least one of the hot water inlet 43 and the hot water outlet 44 to the outside. For this reason, it is possible to make it difficult for air to accumulate in the hot water flow path 40, and in this sense, it is possible to secure the effect of warming the gas flow path 39 by the hot water.
  • FIG. 12 shows the ejector 4 in a front sectional view according to FIG.
  • This embodiment differs from the first embodiment in the configuration of the seal member 45 and the arrangement of the second supply port 36 and the like.
  • the second supply port 36 for the hydrogen off-gas is disposed below the outer casing 41 in the vertical direction.
  • Two seal members 45A and 45B are provided adjacent to each other between the outer casing 41 and the inner casing 42 and between the second supply port 36 and the hot water flow passage 40 with a gap therebetween.
  • the outer casing 41 is provided with a discharge port 47 for discharging moisture or hydrogen off-gas to the outside corresponding to a gap between the two seal members 45A and 45B.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the relationship between the arrangement of the fuel cell 1, the ejector 4, and the gas-liquid separator 7 in the fuel cell system.
  • the ejector 4 is disposed below the fuel cell 1 in the vertical direction, and is disposed above the gas-liquid separator 7 in the vertical direction.
  • the first end 30a of the ejector 4 including the first supply ports 31 and 32 and the second supply port 36 is disposed below the second end 30b including the discharge port 33 in the vertical direction. It is arranged to be inclined by a predetermined angle ⁇ 1 with respect to the horizontal direction.
  • the hydrogen circulation passage 3 extending from the gas-liquid separator 7 is connected to a second supply port 36 that opens downward from the vertically lower side of the ejector 4.
  • the hydrogen circulation passage 3 between the gas-liquid separator 7 and the ejector 4 is also inclined downward from the ejector 4 toward the gas-liquid separator 7.
  • a drain passage 48 extending downward is connected to a discharge port 47 provided below the ejector 4.
  • the lower end of the drain passage 48 is connected to the hydrogen circulation passage 3 between the gas-liquid separator 7 and the ejector 4.
  • a hot water circulation passage 50 for circulating hot water is connected to the hot water inlet 43 and the hot water outlet 44 provided in the ejector 4.
  • the hydrogen off-gas or hot water is discharged to the outside via the discharge port 47. For this reason, it is possible to prevent the hydrogen off-gas from mixing into the hot water flowing through the hot water flow path 40 and the hot water from mixing into the hydrogen off-gas flowing through the second supply port 36.
  • the ejector 4 is disposed below the fuel cell 1 in the vertical direction, and is disposed above the gas-liquid separator 7 in the vertical direction.
  • the ejector 4 is arranged such that the first end 30a including the first supply ports 31 and 32 and the second supply port 36 is disposed vertically below the second end 30b including the discharge port 33. Can be tilted.
  • the second supply port 36 is disposed below the ejector 4 in the vertical direction, and the hydrogen circulation passage 3 extending from the gas-liquid separator 7 is connected to the second supply port 36 from below the ejector 4 in the vertical direction.
  • the condensed water generated in the fuel cell 1 flows into the ejector 4 through the hydrogen supply passage 2, or the condensed water is generated in the ejector 4, the condensed water becomes negative due to the inclination of the ejector 4.
  • the gas flows from the pressure generating chamber 34 to the second supply port 36, and further flows to the gas-liquid separator 7 via the hydrogen circulation passage 3. For this reason, the dew water generated in the fuel cell 1 and the ejector 4 can be discharged to the gas-liquid separator 7 and can be separated by the gas-liquid separator 7.
  • the lower end of the drain passage 48 connected to the discharge port 47 and extending downward is connected to the hydrogen circulation passage 3 between the gas-liquid separator 7 and the ejector 4. Therefore, the hydrogen off-gas or hot water flowing from the discharge port 47 to the drain passage 48 can be separated by the gas-liquid separator 7.
  • the main casing 30 of the ejector 4 is constituted by the outer casing 41 and the inner casing 42, and the hot water flow path 40 is provided between the casings 41 and 42.
  • the main body casing 30 of the ejector 4 can be formed as a single unit in which the hot water flow path is omitted. In this case, although there is no cooling effect by the hot water, the same operation and effect as in the first embodiment can be obtained, and the configuration of the ejector 4 can be simplified.
  • the main body casing 30 has a bottomless cylindrical shape, and a hollow 51 having a large inner diameter is formed on one end side in the longitudinal direction.
  • the negative pressure generating chamber 34 is provided, and the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 are accommodated.
  • the hollow 51 includes a space 51a in which the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 are not housed in almost the other half.
  • the space 51a has an inner diameter into which the nozzles 37 and 38 can be inserted.
  • the first supply port 31 communicates with the space 51a.
  • the space 51a is located between the first supply port 31 and each of the nozzles 37 and 38, the hydrogen gas supplied to the first supply port 31 is decompressed in the space 51a in the state as it is. . Therefore, a plug 52 for reducing the volume of the space 51a and closing the one end opening 30c of the main casing 30 is fitted into the space 51a.
  • the plug 52 is fitted into the space 51a in which the nozzles 37 and 38 are not housed, and the volume of the space 51a is reduced. Therefore, the pressure reduction of the hydrogen gas introduced from the first supply port 31 into the space 51a can be suppressed. For this reason, hydrogen gas with reduced pressure can be supplied to the inner nozzle 37, the flow rate of the hydrogen gas in the inner injection hole 37a of the inner nozzle 37 can be increased, and the dew condensation water discharge effect in the inner injection hole 37a can be achieved. Can be further improved.
  • the main body casing 30 of the ejector 4 has a single structure in which the hot water flow path is omitted, and the plug 52 is fitted into a space 51a in which the nozzles 37 and 38 are not housed, and the space 51a is inserted.
  • the space 51a was reduced in volume.
  • the space 42ab in which the nozzles 37 and 38 of the inner casing 42 are not accommodated see FIG. 2
  • a convex portion 53 shown by a two-dot chain line in FIG. 2 and a plug (not shown) provided on the outer casing 41 can be fitted to reduce the volume of the space.
  • the inner nozzle 37 and the diffuser 35 are arranged around the diffuser axis L1, and the lower hole 38ab of the outer injection hole 38a is narrower than the upper hole 38aa.
  • the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 are eccentrically arranged.
  • the outer nozzle 38 and the diffuser 35 are arranged around the diffuser axis L1, and the lower hole 38ab of the outer injection hole 38a is positioned higher than the upper hole 38aa.
  • the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 can also be arranged eccentric to each other so as to be narrow.
  • the inner nozzle 37 and the outer nozzle 38 are provided as a plurality of nozzles, but another nozzle provided so as to include the inner nozzle and the outer nozzle may be provided.
  • hot water is supplied to the hot water flow path 40 as a hot fluid flow path.
  • the present invention is not limited to hot water, and compressed water flowing from the air pump 13 to the fuel cell 1 may be used.
  • a hot air flow path configured to flow hot air may be used.
  • the warm fluid flowing through the warm fluid channel may be a heated liquid or gas, a heated liquid or gas, or a warm liquid or gas.
  • the disclosed technology can be applied to, for example, a fuel cell system mounted on a vehicle such as a hydrogen vehicle.

Abstract

水素ガス(作動流体)を噴射するノズルは、内側ノズル(37)と外側ノズル(38)を含み、両ノズル(37,38)がディフューザ(35)の軸線(L1)を内包するように配置され、内側ノズル(37)の軸線(L2)又は外側ノズル(38)の軸線(L3)が軸線(L1)と一致するように配置され、内側ノズル(37)には、水素ガスが流れる内側噴射孔(37a)が形成され、内側ノズル(37)と外側ノズル(38)との間には、水素ガスが流れる断面が環状の外側噴射孔(38a)が設けられ、本体ケーシング(30)が水平に配置されたときの外側噴射孔(38a)は、軸線(L1)より上側の上側孔部(38aa)と軸線(L1)より下側の下側孔部(38ab)とを含み、下側孔部(38ab)が上側孔部(38aa)より狭くなるように内側ノズル(37)と外側ノズル(38)が互いに偏心して配置される、エゼクタ。

Description

エゼクタ及びそれを備えた燃料電池システム
 この明細書に開示される技術は、作動流体を流すことにより負圧を発生させ、その負圧の作用により目的流体を流すように構成したエゼクタ及びそれを備えた燃料電池システムに関する。
 従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献1に記載される燃料電池システムと、それに使用されるエゼクタが知られている。このエゼクタは、作動流体としての水素ガスの供給を受けるノズル部と、水素ガスの流れに関してノズル部の下流側に配置された混合流路部とを備える。このエゼクタは、ノズル部から噴射される水素ガスにより生じる負圧により目的流体としての水素オフガスを吸入し、噴射された水素ガスと吸入された水素オフガスとの混合ガスを、混合流路部を介して送出するようになっている。このエゼクタは、そのノズル部が、水素ガスを噴射する二つの噴射孔を有し、それら噴射孔が混合流路部のスロート部(ディフューザ)へ向けて開口している。また、二つの噴射孔の軸線は、それぞれディフューザの軸線からずれて配置され、それぞれの開口径が等しくなっている。
特開2018-60757号公報
 ところで、特許文献1に記載されるエゼクタでは、二つの噴射孔がそれぞれディフューザの軸線からずれて配置されるので、ディフューザにおいて水素ガスの流れが理想的な流れにならず、流れの損失が発生し、水素オフガスの吸入効率が低下するおそれがある。また、このエゼクタでは、噴射孔から噴射される冷たい水素ガスと吸入される温かい水素オフガスとが合流するときに、水素オフガスに含まれる水分が結露して噴射孔の中に入り込み、その噴射孔の中に留まるおそれがある。この場合、結露水が噴射孔からの水素ガスの噴射を乱すおそれがある。また、低温環境下では、噴射孔の中で結露水が凍結し、噴射孔からの水素ガスの噴射が阻害されるおそれがある。
 この開示技術は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数のノズルから負圧発生室へ噴射される作動流体と負圧発生室に吸入される目的流体との均一で良好な混合を図り、ノズルの噴射孔から結露水を効果的に排出して作動流体の噴射の乱れを抑えることを可能としたエゼクタ及びそれを備えた燃料電池システムを提供することにある。
 (1)上記目的を達成するために、本開示技術の一態様は、管状をなす本体ケーシングを備え、本体ケーシングには、作動流体の供給を受ける複数の第1供給口と、目的流体の供給を受ける第2供給口と、作動流体により負圧を発生させるための負圧発生室と、各第1供給口のそれぞれに対応して設けられ、先端部が負圧発生室に配置され、作動流体を噴射するための複数のノズルと、負圧発生室に連通し、作動流体と目的流体が流れるディフューザと、ディフューザを流れた作動流体と目的流体を外部へ放出するための一つの放出口とが設けられ、各第1供給口へ供給されて対応する各ノズルから噴射される作動流体により負圧発生室に負圧を発生させ、その負圧により第2供給口から負圧発生室へ目的流体を吸入させ、目的流体を作動流体と共にディフューザへ流して放出口から放出させるように構成したエゼクタにおいて、複数のノズルは、内側ノズルと、内側ノズルを内包するように設けられる少なくとも一つの外側ノズルとを含み、内側ノズルと外側ノズルは、ディフューザの軸線であるディフューザ軸線を内包するように配置され、内側ノズルの軸線又は外側ノズルの軸線がディフューザ軸線と一致するように配置され、内側ノズルには、作動流体が流れる内側噴射孔が形成され、内側ノズルと外側ノズルとの間には、作動流体が流れる断面が環状をなす外側噴射孔が設けられ、ディフューザ軸線が水平となるように本体ケーシングが水平に配置されたときの外側噴射孔は、ディフューザ軸線より上側に位置する上側孔部とディフューザ軸線より下側に位置する下側孔部とを含み、下側孔部が上側孔部より狭くなるように内側ノズルと外側ノズルが互いに偏心して配置されることを趣旨とする。
 上記(1)の構成によれば、各第1供給口へ供給される作動流体は、内側ノズルと外側ノズルへ流れてそれらの内側噴射孔と外側噴射孔から負圧発生室へ噴射され、ディフューザを流れて放出口から放出される。この作動流体の流れにより負圧発生室では負圧が発生し、第2供給口に供給される目的流体が、その負圧により減圧室に吸引され、作動流体と共にディフューザを流れて作動流体と混合され、放出口から放出される。ここで、内側ノズルと外側ノズルは、ディフューザ軸線を内包するように配置され、内側ノズルの軸線又は外側ノズルの軸線がディフューザ軸線と一致するように配置される。従って、内側ノズル又は外側ノズルから噴射される作動流体は、それぞれディフューザ軸線と一致するようにディフューザへ流れ、負圧発生室に吸入される目的流体は、その作動流体を内包するようにディフューザへ流れる。また、内側ノズルには、作動流体が流れる内側噴射孔が形成され、内側ノズルと外側ノズルとの間には、作動流体が流れる断面が環状をなす外側噴射孔が設けられる。そして、外側噴射孔は、上側孔部と下側孔部とを含み、下側孔部が上側孔部より狭くなるように内側ノズルと外側ノズルが互いに偏心して配置される。従って、外側噴射孔では、狭い下側孔部にて作動流体の流れが相対的に速くなり、外側噴射孔で発生する結露水は、重力により下側孔部に集まり、作動流体と共に減圧室へ高速で吹き飛ばされ易くなる。
 (2)上記目的を達成するために、上記(1)の構成において、各第1供給口は、本体ケーシングが水平に配置されたときの本体ケーシングの上側に配置されることが好ましい。
 上記(2)の構成によれば、上記(1)の構成の作用に加え、各第1供給口に供給される作動流体が、本体ケーシングの上側から内側ノズル及び外側ノズルへ向けて鉛直下方へ流れる。従って、特に外側ノズルの外側噴射孔へ流れる作動流体は、その下側孔部へ多く流れ易くなり、その下側孔部に集まる結露水が作動流体と共に減圧室へより高速で吹き飛ばされ易くなる。
 (3)上記目的を達成するために、上記(1)又は(2)の構成において、本体ケーシングには、負圧発生室と放出口との間に、作動流体と目的流体が流れ、ディフューザを含む流体流路が設けられ、流体流路の周囲には、所定の温流体を流すための温流体流路が設けられることが好ましい。
 上記(3)の構成によれば、上記(1)又は(2)の構成の作用に加え、温流体流路に温流体を流すことにより、流体流路が暖められ、流体流路の内壁が露点温度へ下がり難くなる。
 (4)上記目的を達成するために、上記(3)の構成において、温流体流路は、その長手方向と直交する方向の断面が円環状をなし、本体ケーシングには、温流体流路の長手方向一端側に温流体流路に温流体を導入するための温流体入口が設けられ、温流体流路の長手方向他端側に温流体流路から温流体を導出するための温流体出口が設けられ、温流体入口から導入される温流体が温流体流路を螺旋状に流れて温流体出口から導出されるように構成され、温流体入口と温流体出口が、温流体流路の円環状断面の接線方向を向くように配置され、温流体入口と温流体出口の少なくとも一方が上方へ開口することが好ましい。
 上記(4)の構成によれば、上記(3)の構成の作用に加え、温流体流路は、断面が円環状をなし、本体ケーシングには、温流体流路の長手方向一端側に温流体を導入する温流体入口が設けられ、長手方向他端側に温流体を導出する温流体出口が設けられる。また、温流体入口から導入される温流体が温流体流路を螺旋状に流れて温流体出口から導出される。従って、ディフューザ軸線に沿って伸びる流体流路の全体が、その周りを螺旋状に流れる温流体により均一に暖められる。また、温流体入口と温流体出口が、温流体流路の円環状断面の接線方向を向くように配置される。従って、温流体入口から温流体流路へ温流体が導入し易くなり、温流体流路から温流体出口へ温流体が導出し易くなる。更に、温流体入口と温流体出口の少なくとも一方が上方へ開口するので、温流体流路に入った空気が温流体入り口と温流体出口の少なくとも一方から外部へ抜け易くなる。
 (5)上記目的を達成するために、上記(3)の構成において、本体ケーシングは、外側ケーシングと、外側ケーシングの内側に組み付けられる内側ケーシングとから構成され、外側ケーシングには、各第1供給口と第2供給口が設けられ、内側ケーシングには、内側ノズル、外側ノズル、負圧発生室、流体流路及び放出口が設けられ、外側ケーシングと内側ケーシングとの間であって、流体流路の周囲には、所定の温流体を流すための温流体流路が設けられ、外側ケーシングと内側ケーシングとの間であって、第2供給口と温流体流路との間には、複数のシール部材が隙間を介して隣接して設けられ、外側ケーシングには、複数のシール部材の間の隙間に対応して、流体を外部へ排出するための排出口が設けられることが好ましい。
 上記(5)の構成によれば、上記(3)の構成の作用に加え、外側ケーシングの内側に内側ケーシングを組み付けることにより本体ケーシングが構成され、この組付けと同時に、外側ケーシングと内側ケーシングとの間であって流体流路の周囲に温流体流路が設けられる。また、外側ケーシングと内側ケーシングとの間であって第2供給口と温流体流路との間に複数のシール部材が隙間を介して隣接して設けられる。また、外側ケーシングには、複数のシール部材の間の隙間に対応して排出口が設けられる。従って、万が一、第2供給口から温流体流路へ作動流体がシール部材を抜けて漏れようとしたり、温流体流路から第2供給口へ温流体がシール部材を抜けて漏れようとしたりしても、それら作動流体又は温流体が排出口を介して外部へ排出される。
 (6)上記目的を達成するために、上記(1)の構成において、本体ケーシングには、その長手方向における一端部の側に、減圧室(負圧発生室)が設けられると共に内側ノズルと外側ノズルが収容される中空が形成され、中空は、内側ノズルと外側ノズルが収容されていない空間を含み、空間には、第1供給口が連通すると共に、空間の容積を縮小するためにプラグ又は凸部がはめ込まれることが好ましい。
 上記(6)の構成によれば、上記(1)の構成の作用に加え、各ノズルが収容されていない空間に、プラグ又は凸部が嵌め込まれ、その空間の容積が縮小される。従って、第1供給口から空間に導入された水素ガスの減圧が抑えられる。
 (7)上記目的を達成するために、本開示技術の別の態様は、上記(1)乃至(6)のいずれかに記載のエゼクタを備えた燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給通路と、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料供給通路へ循環させるための燃料循環通路と、エゼクタが、燃料供給通路と燃料循環通路との接続部に設けられることとを備えたことを趣旨とする。
 燃料電池システムではその特性上、結露水がエゼクタ内に形成された噴射孔内に付着する可能性が高いため、上記(7)の構成とすることが特に好適である。
 (8)上記目的を達成するために、上記(7)の構成において、エゼクタより上流の燃料循環通路に設けられ、気体と液体を分離するための気液分離器を更に備え、エゼクタは、燃料電池よりも鉛直方向下側に配置されると共に、気液分離器よりも鉛直方向上側に配置され、エゼクタの各第1供給口及び第2供給口が設けられる側が、エゼクタの放出口が設けられる側よりも鉛直方向下側に配置されるようにエゼクタが傾けられ、第2供給口は、エゼクタの鉛直方向下側に配置され、気液分離器から伸びる燃料循環通路が、エゼクタの鉛直方向下側から第2供給口に接続されることが好ましい。
 上記(8)の構成によれば、上記(1)乃至(5)のいずれかの構成の作用に加え、燃料電池システムにおいて、エゼクタは、燃料電池よりも鉛直方向下側に配置されると共に、気液分離器よりも鉛直方向上側に配置される。そして、各第1供給口及び第2供給口を含む第1端部が、放出口を含む第2端部よりも鉛直方向下側に配置されるようにエゼクタが傾けられる。また、第2供給口が、エゼクタの鉛直方向下側に配置され、気液分離器から伸びる燃料循環通路が、エゼクタの鉛直方向下側から第2供給口に接続される。従って、燃料電池で発生した結露水が燃料供給通路を介してエゼクタへ流入したり、エゼクタの中で結露水が発生したりしても、その結露水がエゼクタの傾きにより減圧室から第2供給口へ流れ、更に燃料循環通路を介して気液分離器へ流れる。
 上記(1)の構成によれば、内側ノズル又は外側ノズルから減圧室へ噴射される作動流体と減圧室に吸入される目的流体とを均一で良好に混合させることができ、特に、外側ノズルの外側噴射孔から結露水を効果的に排出することができ、結露水による作動流体の噴射の乱れを抑えることができる。
 上記(2)の構成によれば、上記(1)の構成の効果に対し、外側ノズルの外側噴射孔から結露水をより効果的に排出することができ、結露水による作動流体の噴射の乱れをより確実に抑えることができる。
 上記(3)の構成によれば、上記(1)又は(2)の構成の効果に加え、流体流路での結露水の発生や結露水の凍結を抑えることができる。
 上記(4)の構成によれば、上記(3)の構成の効果に加え、温水流路における温水の流速を高めることができ、温水による流体流路の暖め効果を高めることができる。また、温水流路に空気が溜まり難くすることができ、この意味で温水による流体流路の暖め効果を確保することができる。
 上記(5)の構成によれば、上記(3)の構成の効果に加え、エゼクタにおいて温水流路を比較的容易に形成することができ、温水流路を流れる温水に作動流体が混入したり、第2供給口に供給される目的流体に温水が混入したりすることを防止することができる。
 上記(6)の構成によれば、上記(1)の構成の効果に加え、内側ノズルへ、減圧を抑えた作動流体を供給することができ、内側ノズルの内側噴射孔における作動流体の流速を高めることができ、内側噴射孔における結露水の排出効果を更に向上させることができる。
 上記(7)の構成によれば、燃料電池システムにおいて、上記(1)乃至(6)のいずれかの構成と同等の効果を得ることができる。
 上記(8)の構成によれば、上記(7)の構成の効果に加え、燃料電池やエゼクタで発生した結露水を気液分離器へ排出することができ、気液分離器にて分離処理することができる。
第1実施形態に係り、燃料電池システムを示す概略構成図。 第1実施形態に係り、エゼクタを示す正断面図。 第1実施形態に係り、内側ノズルと外側ノズルを示す図2のA-A線に沿った拡大断面図。 第1実施形態に係り、本体ケーシングを外側ケーシングと内側ケーシングに分解して示す正断面図。 第1実施形態に係り、一方の第1供給口に供給される水素ガスの流れと、第2供給口に供給される水素オフガスの流れを示すエゼクタの正断面図。 第1実施形態に係り、図5のエゼクタの二点鎖線で囲った部分を示す拡大断面図。 第1実施形態に係り、他方の第1供給口に供給される水素ガスの流れと、第2供給口に供給される水素オフガスの流れを示すエゼクタの正断面図。 第1実施形態に係り、図7のエゼクタの二点鎖線で囲った部分を示す拡大断面図。 第1実施形態に係り、温水入口に導入される温水の流れ(太線矢印で示す)を示すエゼクタの正断面図。 第2実施形態に係り、エゼクタを、ガス流路と温水流路の途中にてディフューザ軸線と直交する平面で切断して示す断面図。 第2実施形態に係り、エゼクタを、ガス流路と温水流路の途中にてディフューザ軸線と直交する平面で切断して示す断面図。 第3実施形態に係り、エゼクタを示す図2に準ずる正断面図。 第3実施形態に係り、燃料電池システムにおける燃料電池とエゼクタと気液分離器との配置の関係を示す概略図。 第4実施形態に係り、エゼクタを示す図2に準ずる正断面図。 別の実施形態に係り、内側ノズルと外側ノズルを示す図3に準ずる断面図。
<第1実施形態>
 以下、エゼクタ及びそれを備えた燃料電池システムを具体化した第1実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
[燃料電池システムの概要について]
 図1に、この実施形態における燃料電池システムを概略構成図により示す。この燃料電池システムは、電動自動車に搭載され、その駆動用モータ(図示略)に電力を供給するために使用される。燃料電池システムは、燃料電池(FC)1を備える。燃料電池1は、水素ガス(燃料ガスとしての)とエア(酸化剤ガスとしての)の供給を受けて発電を行うようになっている。燃料電池1で発電した電力は、インバータ(図示略)を介して駆動用モータに供給されるようになっている。この駆動用モータは、別途の指令に基づいて制御されるようになっている。
 燃料電池1のアノード側には、燃料電池1に水素ガスを供給するための水素供給通路2(燃料供給通路としての)と、燃料電池1から導出される水素オフガス(燃料オフガスとしての)を水素供給通路2へ循環させるための水素循環通路3(燃料循環通路としての)と、水素供給通路2と水素循環通路3との接続部に設けられるエゼクタ4とが設けられる。水素供給通路2には、水素タンク5から水素ガスが流れるようになっている。エゼクタ4より上流の水素供給通路2には、水素タンク5からの水素ガスを噴射するための電磁弁よりなる第1インジェクタ6Aと第2インジェクタ6Bが設けられる。各インジェクタ6A,6Bの入口側は、それぞれ水素供給通路2を介して水素タンク5に並列に接続される。各インジェクタ6A,6Bの出口側は、それぞれ水素供給通路2を介してエゼクタ4に設けられる異なる二つのノズル37,38(図2等参照)に接続される。水素循環通路3には、気体と液体を分離するための気液分離器7が設けられる。気液分離器7は、水素オフガス(気体としての)から水分を分離し、水素オフガスのみをエゼクタ4へ向けて流し、水分を排出通路8を介して外部へ排出するようになっている。排出通路8には、電磁弁よりなる排気排水弁9が設けられる。エゼクタ4と各インジェクタ6A,6Bとの間の水素供給通路2には、水素圧力センサ10が設けられる。水素圧力センサ10は、各インジェクタ6A,6Bの出口側における水素圧力を検出するようになっている。
 一方、燃料電池1のカソード側には、燃料電池1にエアを供給するためのエア供給通路11(酸化剤ガス供給通路としての)と、燃料電池1から導出されるエアオフガスを排出するためのエア排出通路12とが設けられる。エア供給通路11には、燃料電池1に対するエアの供給量を調節するためのエアポンプ13が設けられる。エアポンプ13より下流のエア供給通路11には、エア圧力センサ14が設けられる。エア圧力センサ14は、燃料電池1へ供給されるエアの圧力を検出するようになっている。また、エア排出通路12には、電磁弁よりなる切換弁15が設けられる。
 上記構成において、水素タンク5の水素ガスは、水素供給通路2を流れ、各インジェクタ6A,6B及びエゼクタ4を介して燃料電池1に供給される。燃料電池1に供給された水素ガスは、同電池1にて発電に使用された後、同電池1から水素オフガスとして水素循環通路3へ導出される。導出された水素オフガスは、気液分離器7にて水分と分離された後、エゼクタ4を介して水素供給通路2へ循環される。このとき、水素オフガスは、エゼクタ4を流れる水素ガスによりエゼクタ4に負圧が発生することで、その負圧に引かれてエゼクタ4に吸入され、水素ガスと混合されて水素供給通路2へ循環される。
 図1に示すように、この燃料電池システムは、コントローラ20を更に備える。コントローラ20は、エゼクタ4へ流れる水素ガスの流量(水素量)等を調節するために各インジェクタ6A,6Bを制御するようになっている。コントローラ20は、排出通路8からの排気排水を調節するために排気排水弁9を制御するようになっている。一方、コントローラ20は、燃料電池1へ供給されるエアの流量を調節するためにエアポンプ13を制御するようになっている。また、コントローラ20は、エア排出通路12からのエアオフガスの排出流量を調節するために切換弁15を制御するようになっている。コントローラ20は、水素圧力センサ10とエア圧力センサ14からの検出信号をそれぞれ入力する。また、コントローラ20は、燃料電池1の発電に係る電圧値及び電流値をそれぞれ取り込む。また、コントローラ20は、電気自動車の運転操作に係る指令値として、運転席に設けられたアクセルセンサ21からアクセルペダル22の操作量に相当するアクセル開度を入力する。コントローラ20は、中央処理装置(CPU)及びメモリを備え、燃料電池1へ供給する水素量及びエア量を制御するために、メモリに記憶された所定の制御プログラムに基づいて各インジェクタ6A,6B及びエアポンプ13等を制御するようになっている。
[エゼクタについて]
 次に、エゼクタ4の構成について詳しく説明する。図2に、エゼクタ4を正断面図により示す。エゼクタ4は、図2に示す状態が、正式な上下配置を示す。ただし、後述するように、エゼクタ4は、燃料電池システムにおいて、図2に示す水平状態に対し若干傾けて配置されてもよい。図2に示すように、エゼクタ4は 作動流体と目的流体を流すために管状をなす本体ケーシング30を備える。この実施形態で、水素循環通路3を流れる水素オフガスは目的流体に相当し、水素供給通路2を流れる水素ガスは作動流体に相当する。本体ケーシング30は、第1端部30aと第2端部30bとを含む。この実施形態では、図2において、第1端部30aは本体ケーシング30の略右側半分に相当し、第2端部30bは本体ケーシング30の略左側半分に相当する。
 第1端部30aには、水素ガスの供給を受ける二つの第1供給口31,32と、水素オフガスの供給を受ける第2供給口36と、水素ガスにより負圧を発生させるための負圧発生室34と、二つの第1供給口31,32のそれぞれに対応して設けられ、先端部が負圧発生室34に配置され、水素ガスを噴射するための二つのノズル37,38とが設けられる。二つのノズル37,38は、ほぼ同軸をなすように設けられる。また、第2端部30bには、負圧発生室34に連通し、水素ガスと水素オフガスが流れるディフューザ35と、ディフューザ35を流れた水素ガスと水素オフガスを外部へ放出するための一つの放出口33が設けられる。この実施形態では、一方の第1供給口31が水素供給通路2を介して第1インジェクタ6Aに接続され、他方の第2供給口36が水素供給通路2を介して第2インジェクタ6Bに接続される。
 エゼクタ4は、上記基本構成により、第1供給口31,32へ供給されて二つのノズル37,38から噴射される水素ガスにより負圧発生室34に負圧を発生させ、その負圧により第2供給口36から負圧発生室34へ水素オフガスを吸入させる。そして、エゼクタ4は、水素オフガスを水素ガスと共にディフューザ35へ流して放出口33から燃料電池1へ向けて放出させるようになっている。
 この実施形態では、二つのノズル37,38は、内側ノズル37と、内側ノズル37を内包するように設けられる外側ノズル38とを含む。内側ノズル37と外側ノズル38は、ディフューザ35の軸線であるディフューザ軸線L1を内包するように配置される。図3に、内側ノズル37と外側ノズル38を、図2のA-A線に沿った拡大断面図により示す。図3に示すように、この実施形態では、内側ノズル37の軸線L2がディフューザ軸線L1と一致するように配置される。
 図2、図3に示すように、内側ノズル37の中心には、水素ガスが流れる内側噴射孔37aが形成される。内側ノズル37と外側ノズル38との間には、同じく水素ガスが流れる断面が環状をなす外側噴射孔38aが設けられる。ここで、ディフューザ軸線L1が水平となるように本体ケーシング30が水平に配置されたときの外側噴射孔38aは、図3に示すように、ディフューザ軸線L1より上側に位置する上側孔部38aaとディフューザ軸線L1より下側に位置する下側孔部38abとを含む。そして、下側孔部38abが上側孔部38aaより狭くなるように内側ノズル37と外側ノズル38が互いに偏心して配置される。この実施形態では、図3に示すように、内側ノズル37の軸線L2がディフューザ軸線L1と同軸をなすように配置され、外側ノズル38の軸線L3が内側ノズル37に対し上方へ偏心して配置される。これにより、下側孔部38abが上側孔部38aaより狭くなっている。また、この実施形態で、二つの第1供給口31,32は、本体ケーシング30が水平に配置されたときの本体ケーシング30の上側に配置され、各第1供給口31,32に供給される水素ガスが各ノズル37,38へ向けて鉛直下方へ流れるようになっている。
 図2に示すように、本体ケーシング30には、負圧発生室34と放出口33との間に、水素ガスと水素オフガスが流れ、ディフューザ35を含むガス流路39(流体流路としての)が設けられる。このガス流路39の周囲には、温水(温流体としての)を流すための温水流路40(温流体流路の一例としての)が設けられる。すなわち、この実施形態で、本体ケーシング30は、外側ケーシング41と、外側ケーシング41の内側に組み付けられる内側ケーシング42とから構成される。温水流路40は、外側ケーシング41と内側ケーシング42との間であって、ガス流路39の周囲に設けられる。
 図4に、本体ケーシング30を外側ケーシング41と内側ケーシング42に分解した正断面図により示す。図2、図4に示すように、外側ケーシング41には、第1供給口31,32と第2供給口36が設けられる。内側ケーシング42には、内側ノズル37、外側ノズル38、負圧発生室34、ディフューザ35を含むガス流路39及び放出口33が設けられる。温水流路40は、その長手方向と直交する方向の断面が円環状をなす。本体ケーシング30には、温水流路40の長手方向一端にて、温水流路40に温水を導入するための温水入口43が設けられ、温水流路40の長手方向他端にて、温水流路40から温水を導出するための温水出口44が設けられる。そして、温水入口43から導入される温水が温水流路40を螺旋状に流れて温水出口44から導出されるように構成される。この実施形態では、温水流路40に温水を螺旋状に流すために、温水流路40に対応する範囲で、外側ケーシング41の内周面及び内側ケーシング42の外周面の少なくとも一方に螺旋状の溝(図示略)が形成される。ここで、外側ケーシング41と内側ケーシング42との間には、円環状をなす複数のシール部材45がディフューザ軸線L1に沿って間隔を置いて設けられる。内側ケーシング42と外側ノズル38との間にもシール部材46が設けられる。各シール部材45,46は、ゴムより形成され、内側ケーシング42の外周と外側ノズル38の外周に形成された環状溝に嵌め合わされた状態で内側ケーシング42と外側ノズル38に組み付けられる。なお、本実施例では螺旋状の溝を形成しているが、螺旋状の溝は必ずしも形成されていなくてもよい。
 図2、図4に示すように、外側ケーシング41は、有底筒状をなし、その長手方向に同じ内径で伸びる中空41aを有する。外側ケーシング41は、第1端部30aの側が有底をなし、第2端部30bの側が開口する。また、第1端部30aの側の上側面には、中空41aに連通するように第1供給口31,32、第2供給口36及び温水入口43が形成される。また、外側ケーシング41の第2端部30bの側の上側面には、中空41aに連通する温水出口44が形成される。
 図2、図4に示すように、内側ケーシング42は、無底筒状をなし、その長手方向において部分的に内径が異なる中空42aを有する。内側ケーシング42は、第1端部30aの側に内径の大きいノズル収容部42aaが形成される。このノズル収容部42aaには、負圧発生室34が設けられると共に、内側ノズル37と外側ノズル38が収容される。また、中空42aは、内側ノズル37と外側ノズル38が収容されていない空間42abを含む。内側ケーシング42のノズル収容部42aaを形成する部分には、各第1供給口31,32と第2供給口36の軸線と交差する部位にそれぞれ連通孔42b,42c,42dが形成される。各ノズル37,38は、それぞれ中心に長手方向に延びる中空を有する。内側ノズル37は、外側ノズル38の中空に組み付けられる。この組付け状態で、外側ノズル38の外周には、一方の第1供給口32の軸線と交差する部位に連通孔38bが形成される。この連通孔38bは、内側ケーシング42の連通孔42cと位置的に整合する。また、内側ケーシング42は、第2端部30bの側に、ノズル収容部42aaより内径が小さく、ディフューザ35を含むガス流路39が形成される。
 この実施形態で、エゼクタ4を製造するには、図4に矢印で示すように、予め内側ケーシング42にシール部材45と、内側ノズル37と外側ノズル38(シール部材46を組み付けた)を組み付けておき、その内側ケーシング42を外側ケーシング41の中空41aに嵌め入れるようになっている。
[エゼクタの作用及び効果について]
 以上説明したこの実施形態のエゼクタ4の構成によれば、次のような作用及び効果が得られる。図5に、一方の第1供給口31に供給される水素ガスの流れ(実線矢印で示す)と、第2供給口36に供給される水素オフガスの流れ(破線矢印で示す)を、エゼクタ4の正断面図により示す。図6に、図5のエゼクタ4の二点鎖線で囲った部分を拡大断面図により示す。図7に、他方の第1供給口32に供給される水素ガスの流れ(実線矢印で示す)と、第2供給口36に供給される水素オフガスの流れ(破線矢印で示す)を、エゼクタ4の正断面図により示す。図8に、図7のエゼクタ4の二点鎖線で囲った部分を拡大断面図により示す。
 図5、図6に実線(太線)矢印で示すように、第1インジェクタ6Aから噴射されて一方の第1供給口31に供給される水素ガスは、内側ノズル37へ流れてその内側噴射孔37aから負圧発生室34へ噴射され、ガス流路39(ディフューザ35)を流れて放出口33から放出される。この水素ガスの流れにより負圧発生室34では負圧が発生し、第2供給口36に供給される水素オフガスが、その負圧により負圧発生室34に吸引され、水素ガスと共にガス流路39を流れて水素ガスと混合され、放出口33から放出される。
 図7、図8に実線(太線)矢印で示すように、第2インジェクタ6Bから噴射されて他方の第1供給口32に供給される水素ガスは、外側ノズル38へ流れてその外側噴射孔38aから負圧発生室34へ噴射され、ガス流路39(ディフューザ35)を流れて放出口33から放出される。この水素ガスの流れにより負圧発生室34では負圧が発生し、第2供給口36に供給される水素オフガスが、その負圧により負圧発生室34に吸引され、水素ガスと共にガス流路39を流れて水素ガスと混合され、放出口33から放出される。
 ここで、外側ノズル38は内側ノズル37を内包するように設けられ、内側ノズル37と外側ノズル38は、本体ケーシング30のディフューザ軸線L1を内包するように配置され、内側ノズル37と負圧発生室34とディフューザ35とがディフューザ軸線L1を中心に配置される。従って、内側ノズル37又は外側ノズル38から噴射される水素ガスは、それぞれディフューザ軸線L1を内包するようにディフューザ35へ流れ、負圧発生室34に吸入される水素オフガスは、その水素ガスを内包するようにディフューザ35へ流れることになる。このため、内側ノズル37又は外側ノズル38から負圧発生室34へ噴射される水素ガスと負圧発生室34に吸入される水素オフガスとを均一で良好に混合させることができる。また、内側ノズル37には、水素ガスが流れる内側噴射孔37aが形成され、内側ノズル37と外側ノズル38との間には、水素ガスが流れる断面が環状をなす外側噴射孔38aが設けられる。そして、外側噴射孔38aは、上側孔部38aaと下側孔部38abとを含み、下側孔部38abが上側孔部38aaより狭くなるように内側ノズル37と外側ノズル38が互いに偏心して配置される。従って、外側噴射孔38aでは、狭い下側孔部38abにて水素ガスの流れが相対的に速くなり、外側噴射孔38aで発生する結露水は、重力により下側孔部38abに集まり、水素ガスと共に負圧発生室34へ高速で吹き飛ばされ易くなる。このため、特に、外側ノズル38の外側噴射孔38aから結露水を効果的に排出することができ、結露水による水素ガスの噴射の乱れを抑えることができる。
 この実施形態の構成によれば、各第1供給口31,32が、本体ケーシング30が水平に配置されたときの本体ケーシング30の上側に配置される。従って、各第1供給口31,32に供給される水素ガスが、本体ケーシング30の上側から内側ノズル37及び外側ノズル38へ向けて鉛直下方へ流れる。従って、特に外側ノズル38の外側噴射孔38aへ流れる水素ガスは、その下側孔部38abへ多く流れ易くなり、その下側孔部38abに集まる結露水が水素ガスと共に負圧発生室34へより高速で吹き飛ばされ易くなる。このため、特に、外側ノズル38の外側噴射孔38aから結露水をより効果的に排出することができ、結露水による水素ガスの噴射の乱れをより確実に抑えることができる。
 図9に、温水入口43に導入される温水の流れ(太線矢印で示す)を、エゼクタ4の正断面図により示す。図9に示すように、この実施形態の構成によれば、温水入口43から導入される温水は、温水流路40をガス流路39の周囲にて螺旋状に流れて温水出口44から導出される。従って、温水流路40に温水を流すことにより、ガス流路39が暖められ、そのガス流路39の内壁が露点温度へ下がり難くなる。このため、ガス流路39での結露水の発生や結露水の凍結を抑えることができる。この結果、無用な結露水が、エゼクタ4から燃料電池1へ流入することを抑えることができる。
 この実施形態の構成によれば、外側ケーシング41の内側に内側ケーシング42を組み付けることにより本体ケーシング30が構成される。この組付けと同時に外側ケーシング41と内側ケーシング42との間であって、ガス流路39の周囲に温水流路40が設けられる。このため、エゼクタ4において温水流路40を比較的容易に形成することができる。
<第2実施形態>
 次に、エゼクタ及びそれを備えた燃料電池システムを具体化した第2実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
 なお、以下の説明において、第1実施形態と同等の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。
 この実施形態では、エゼクタ4における温水流路40の温水入口43と温水出口44の構成の点で第1実施形態と構成が異なる。図10、図11に、エゼクタ4を、ガス流路39と温水流路40の途中にてディフューザ軸線L1と直交する平面で切断した断面図により示す。図10には、温水流路40における温水の流れを矢印により示す。図11には、温水流路40における温水の円環状の流れに対する接線方向の向きを矢印により示す。図10に示すように、この実施形態では、温水の温水入口43が、外側ケーシング41の下側にて、水平方向へ伸びるように形成され、温水の温水出口44が、外側ケーシング41の上側にて、鉛直方向へ伸びるように形成される。
 すなわち、図11に示すように、この実施形態では、温水入口43と温水出口44が、温水流路40の円環状断面の接線方向を向くように配置される。また、温水入口43と温水出口44のうち温水出口44が上方へ開口するように設けられる。図11に示すように、温水流路40の円環状断面の接線方向は、矢印F1~F6に示すことができる。そして、これらの接線方向のうち、温水出口44が上方へ開口するのは、例えば、二重丸を付して示す矢印F1~F3の場合となる。この実施形態では、矢印F1~F3のうち、温水出口44の開口は鉛直上方を向く矢印F2の位置に温水出口44を設けている。なお、温水出口44が設けられる位置は、ディフューザ軸線L1より上側を向く位置であれば、矢印F1~F3の位置には限られない。
[エゼクタの作用及び効果について]
 この実施形態のエゼクタ4の構成によれば、第1実施形態の作用及び効果に加え、次のような作用及び効果が得られる。すなわち、温水流路40は、断面が円環状をなし、本体ケーシング30には、温水流路40の長手方向一端側に温水を導入する温水入口43が設けられ、長手方向他端側に温水を導出する温水出口44が設けられる。また、温水入口43から導入される温水が温水流路40を螺旋状に流れて温水出口44から導出される。従って、本体ケーシング30のディフューザ軸線L1に沿って伸びるガス流路39の全体が、その周りを螺旋状に流れる温水により均一に暖められることになる。また、温水入口43と温水出口44が、温水流路40の円環状断面の接線方向を向くように配置される。従って、温水入口43から温水流路40へ温水が導入し易くなり、温水流路40から温水出口44へ温水が導出し易くなる。このため、温水流路40における温水の流速を高めることができ、温水によるガス流路39の暖め効果を高めることができる。更に、温水入口43と温水出口44の少なくとも一方が上方へ開口する。従って、温水流路40に入った空気が温水入口43と温水出口44の少なくとも一方から外部へ抜け易くなる。このため、温水流路40に空気が溜まり難くすることができ、この意味で温水によるガス流路39の暖め効果を確保することができる。
<第3実施形態>
 次に、エゼクタ及びそれを備えた燃料電池システムを具体化した第3実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
 この実施形態では、エゼクタ4の構成が第1実施形態と異なる。図12に、エゼクタ4を図2に準ずる正断面図により示す。この実施形態では、シール部材45の構成と、第2供給口36の配置等の点で第1実施形態と構成が異なる。図12に示すように、この実施形態で、水素オフガスのための第2供給口36は、外側ケーシング41の鉛直方向下側に配置される。また、外側ケーシング41と内側ケーシング42との間であって、第2供給口36と温水流路40との間には、二つのシール部材45A,45Bが隙間を介して隣接して設けられる。そして、外側ケーシング41には、二つのシール部材45A,45Bの間の隙間に対応して、水分あるいは水素オフガスを外部へ排出するための排出口47が設けられる。
[燃料電池システムにおけるエゼクタ等の配置について]
 次に、燃料電池システムにおけるエゼクタ4等の配置について詳しく説明する。図13には、燃料電池システムにおける燃料電池1とエゼクタ4と気液分離器7との配置の関係を概略図により示す。図13に示すように、エゼクタ4は、燃料電池1よりも鉛直方向下側に配置されると共に、気液分離器7よりも鉛直方向上側に配置される。エゼクタ4の第1供給口31,32及び第2供給口36を含む第1端部30aは、放出口33を含む第2端部30bよりも鉛直方向下側に配置されるようにエゼクタ4が水平方向に対し所定の角度θ1だけ傾けられて配置される。そして、気液分離器7から伸びる水素循環通路3が、エゼクタ4の鉛直方向下側から、下方へ向いて開口する第2供給口36に接続される。気液分離器7とエゼクタ4との間の水素循環通路3も、エゼクタ4から気液分離器7へ向けて下方へ傾斜している。また、エゼクタ4の下側に設けられた排出口47には、下方へ伸びる排水通路48が接続される。この排水通路48の下端は、気液分離器7とエゼクタ4との間の水素循環通路3に接続される。更に、エゼクタ4に設けられた温水入口43と温水出口44には、温水を循環させるための温水循環通路50が接続される。
[エゼクタの作用及び効果について]
 この実施形態のエゼクタ4の構成によれば、第1実施形態の作用及び効果に加え、次のような作用及び効果が得られる。すなわち、外側ケーシング41と内側ケーシング42との間であって第2供給口36と温水流路40との間に二つのシール部材45A,45Bが隙間を介して隣接して設けられる。また、外側ケーシング41には、二つのシール部材45A,45Bの間の隙間に対応して排出口47が設けられる。従って、万が一、第2供給口36から温水流路40へ水素オフガスがシール部材45Bを抜けて漏れようとしたり、温水流路40から第2供給口36へ温水がシール部材45Aを抜けて漏れようとしたりしても、それら水素オフガス又は温水が排出口47を介して外部へ排出されることになる。このため、温水流路40を流れる温水に水素オフガスが混入したり、第2供給口36を流れる水素オフガスに温水が混入したりすることを防止することができる。
[燃料電池システムの作用及び効果について]
 この実施形態の燃料電池システムの構成によれば、燃料電池システムにおいて、エゼクタ4は、燃料電池1よりも鉛直方向下側に配置されると共に、気液分離器7よりも鉛直方向上側に配置される。そして、各第1供給口31,32及び第2供給口36を含む第1端部30aが、放出口33を含む第2端部30bよりも鉛直方向下側に配置されるようにエゼクタ4が傾けられる。また、第2供給口36が、エゼクタ4の鉛直方向下側に配置され、気液分離器7から伸びる水素循環通路3が、エゼクタ4の鉛直方向下側から第2供給口36に接続される。従って、燃料電池1で発生した結露水が水素供給通路2を介してエゼクタ4へ流入したり、エゼクタ4の中で結露水が発生したりしても、それら結露水がエゼクタ4の傾きにより負圧発生室34から第2供給口36へ流れ、更に水素循環通路3を介して気液分離器7へ流れる。このため、燃料電池1やエゼクタ4で発生した結露水を気液分離器7へ排出することができ、気液分離器7にて分離処理することができる。
 また、この実施形態の構成によれば、排出口47に接続されて下方へ伸びる排水通路48の下端が、気液分離器7とエゼクタ4との間の水素循環通路3に接続される。このため、排出口47から排水通路48へ流れた水素オフガス又は温水を、気液分離器7にて分離処理することができる。
<第4実施形態>
 次に、エゼクタ及びそれを備えた燃料電池システムを具体化した第4実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
 前記各実施形態では、エゼクタ4の本体ケーシング30を、外側ケーシング41と内側ケーシング42とにより構成し、両ケーシング41,42の間に温水流路40を設けた。これに対し、図14に図2に準ずる断面図で示すように、エゼクタ4の本体ケーシング30を、温水流路を省略した単体構成とすることができる。この場合、温水による冷却効果はないものの、第1実施形態と同等の作用及び効果を得ることができると共に、エゼクタ4の構成を簡略化することができる。
 図14に示すように、この実施形態で、本体ケーシング30は、無底筒状をなし、その長手方向における一端部の側には、内径が大きい中空51が形成される。この中空51のほぼ半分には、負圧発生室34が設けられると共に内側ノズル37と外側ノズル38が収容される。また、この中空51は、残りのほぼ半分に、内側ノズル37と外側ノズル38が収容されていない空間51aを含む。この空間51aは、各ノズル37,38を挿入できる内径を有する。この空間51aには、第1供給口31が連通する。この空間51aは、第1供給口31と各ノズル37,38との間に位置することから、そのままの状態では、第1供給口31に供給される水素ガスがこの空間51aで減圧されてしまう。そこで、この空間51aには、空間51aの容積を縮小すると共に本体ケーシング30の一端開口30cを塞ぐためのプラグ52が嵌め込まれる。
 この実施形態の構成によれば、各ノズル37,38が収容されていない空間51aに、プラグ52が嵌め込まれ、その空間51aの容積が縮小される。従って、第1供給口31から空間51aに導入された水素ガスの減圧が抑えられる。このため、内側ノズル37へ、減圧を抑えた水素ガスを供給することができ、内側ノズル37の内側噴射孔37aにおける水素ガスの流速を高めることができ、内側噴射孔37aにおける結露水の排出効果を更に向上させることができる。
 なお、この開示技術は前記各実施形態に限定されるものではなく、開示技術の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。
 (1)前記第4実施形態では、エゼクタ4の本体ケーシング30を、温水流路を省略した単体構成とし、各ノズル37,38が収容されていない空間51aにプラグ52を嵌め込んでその空間51aの容積を縮小した。これに対し、本体ケーシング30を外側ケーシング41と内側ケーシング42により二体構造とした第1~第3の実施形態においても、内側ケーシング42の各ノズル37,38が収容されていない空間42ab(図2等参照)に、外側ケーシング41に設けた凸部53(図2に二点鎖線で示す。)やプラグ(図示略)を嵌め込むことで、その空間の容積を縮小することもできる。
 (2)前記各実施形態では、図3に示すように、内側ノズル37とディフューザ35をディフューザ軸線L1を中心に配置し、外側噴射孔38aの下側孔部38abが上側孔部38aaより狭くなるように、内側ノズル37と外側ノズル38を互いに偏心して配置した。これに対し、図15に図3に準ずる断面図で示すように、外側ノズル38とディフューザ35をディフューザ軸線L1を中心に配置し、外側噴射孔38aの下側孔部38abが上側孔部38aaより狭くなるように、内側ノズル37と外側ノズル38を互いに偏心して配置することもできる。
 (3)前記各実施形態では、複数のノズルとして内側ノズル37と外側ノズル38を設けたが、更に内側ノズルと外側ノズルを内包するように設けられる別のノズルを設けることもできる。
 (4)前記第1~第3の実施形態では、温流体流路として温水流路40に温水を流すように構成したが、温水に限らず、エアポンプ13から燃料電池1へ向けて流れる圧縮された温空気を流すように構成した温空気流路であってもよい。また、温流体流路に流れる温流体としては、加熱された液体又はガス、加温された液体又はガス、あるいは保温された液体又はガスであってもよい。
 この開示技術は、例えば、水素自動車等の車両に搭載される燃料電池システムに適用することができる。
1 燃料電池
2 水素供給通路(燃料供給通路)
3 水素循環通路(燃料循環通路)
4 エゼクタ
7 気液分離器
30 本体ケーシング
30a 第1端部
30b 第2端部
31 第1供給口
32 第1供給口
33 放出口
34 負圧発生室
35 ディフューザ
36 第2供給口
37 内側ノズル
37a 内側噴射孔
38 外側ノズル
38a 外側噴射孔
38aa 上側孔部
38ab 下側孔部
39 ガス流路(流体流路)
40 温水流路(温流体流路)
41 外側ケーシング
42 内側ケーシング
42a 中空
42ab 空間
43 温水入口(温流体入口)
44 温水出口(温流体出口)
45A シール部材
45B シール部材
47 排出口
51 中空
51a 空間
52 プラグ
L1 ディフューザ軸線
L2 内側ノズルの軸線
L3 外側ノズルの軸線

Claims (8)

  1.  管状をなす本体ケーシングを備え、
     前記本体ケーシングには、
      作動流体の供給を受ける複数の第1供給口と、
      目的流体の供給を受ける第2供給口と、
      前記作動流体により負圧を発生させるための負圧発生室と、
      前記各第1供給口のそれぞれに対応して設けられ、先端部が前記負圧発生室に配置さ れ、前記作動流体を噴射するための複数のノズルと、
      前記負圧発生室に連通し、前記作動流体と前記目的流体が流れるディフューザと、
      前記ディフューザを流れた前記作動流体と前記目的流体を外部へ放出するための一つ の放出口と
    が設けられ、
     前記各第1供給口へ供給されて対応する各ノズルから噴射される前記作動流体により前記負圧発生室に負圧を発生させ、その負圧により前記第2供給口から前記負圧発生室へ前記目的流体を吸入させ、前記目的流体を前記作動流体と共に前記ディフューザへ流して前記放出口から放出させる
    ように構成したエゼクタにおいて、
     前記複数のノズルは、内側ノズルと、前記内側ノズルを内包するように設けられる少なくとも一つの外側ノズルとを含み、前記内側ノズルと前記外側ノズルは、前記ディフューザの軸線であるディフューザ軸線を内包するように配置され、前記内側ノズルの軸線又は前記外側ノズルの軸線が前記ディフューザ軸線と一致するように配置され、
     前記内側ノズルには、前記作動流体が流れる内側噴射孔が形成され、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの間には、前記作動流体が流れる断面が環状をなす外側噴射孔が設けられ、前記ディフューザ軸線が水平となるように前記本体ケーシングが水平に配置されたときの前記外側噴射孔は、前記ディフューザ軸線より上側に位置する上側孔部と前記ディフューザ軸線より下側に位置する下側孔部とを含み、前記下側孔部が前記上側孔部より狭くなるように前記内側ノズルと前記外側ノズルが互いに偏心して配置される
    ことを特徴とするエゼクタ。
  2.  請求項1に記載のエゼクタにおいて、
     前記各第1供給口は、前記本体ケーシングが前記水平に配置されたときの前記本体ケーシングの上側に配置される
    ことを特徴とするエゼクタ。
  3.  請求項1又は2に記載のエゼクタにおいて、
     前記本体ケーシングには、前記負圧発生室と前記放出口との間に、前記作動流体と前記目的流体が流れ、前記ディフューザを含む流体流路が設けられ、
     前記流体流路の周囲には、所定の温流体を流すための温流体流路が設けられる
    ことを特徴とするエゼクタ。
  4.  請求項3に記載のエゼクタにおいて、
     前記温流体流路は、その長手方向と直交する方向の断面が円環状をなし、
     前記本体ケーシングには、前記温流体流路の長手方向一端側に前記温流体流路に前記温流体を導入するための温流体入口が設けられ、前記温流体流路の長手方向他端側に前記温流体流路から前記温流体を導出するための温流体出口が設けられ、前記温流体入口から導入される前記温流体が前記温流体流路を螺旋状に流れて前記温流体出口から導出されるように構成され、
     前記温流体入口と前記温流体出口が、前記温流体流路の円環状断面の接線方向を向くように配置され、前記温流体入口と前記温流体出口の少なくとも一方が上方へ開口する
    ことを特徴とするエゼクタ。
  5.  請求項3に記載のエゼクタにおいて、
     前記本体ケーシングは、外側ケーシングと、前記外側ケーシングの内側に組み付けられる内側ケーシングとから構成され、
     前記外側ケーシングには、前記各第1供給口と前記第2供給口が設けられ、前記内側ケーシングには、前記内側ノズル、前記外側ノズル、前記負圧発生室、前記流体流路及び前記放出口が設けられ、
     前記外側ケーシングと前記内側ケーシングとの間であって、前記流体流路の周囲には、所定の温流体を流すための温流体流路が設けられ、
     前記外側ケーシングと前記内側ケーシングとの間であって、前記第2供給口と前記温流体流路との間には、複数のシール部材が隙間を介して隣接して設けられ、
     前記外側ケーシングには、複数の前記シール部材の間の前記隙間に対応して、流体を外部へ排出するための排出口が設けられる
    ことを特徴とするエゼクタ。
  6.  請求項1に記載のエゼクタにおいて、
     前記本体ケーシングには、その長手方向における一端部の側に、前記負圧発生室が設けられると共に前記内側ノズルと前記外側ノズルが収容される中空が形成され、
     前記中空は、前記内側ノズルと前記外側ノズルが収容されていない空間を含み、前記空間には、前記第1供給口が連通すると共に、前記空間の容積を縮小するためにプラグ又は凸部がはめ込まれる
    ことを特徴とするエゼクタ。
  7.  請求項1乃至6のいずれかに記載のエゼクタを備えた燃料電池システムであって、
     燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
     前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給通路と、
     前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給通路へ循環させるための燃料循環通路と、
     前記エゼクタが、前記燃料供給通路と前記燃料循環通路との接続部に設けられることと
    を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  8.  請求項7に記載の燃料電池システムにおいて、
     前記エゼクタより上流の前記燃料循環通路に設けられ、気体と液体を分離するための気液分離器を更に備え、
     前記エゼクタは、前記燃料電池よりも鉛直方向下側に配置されると共に、前記気液分離器よりも鉛直方向上側に配置され、
     前記エゼクタの前記各第1供給口及び前記第2供給口が設けられる側が、前記エゼクタの前記放出口が設けられる側よりも鉛直方向下側に配置されるように前記エゼクタが傾けられ、
     前記第2供給口は、前記エゼクタの鉛直方向下側に配置され、
     前記気液分離器から伸びる前記燃料循環通路が、前記エゼクタの鉛直方向下側から前記第2供給口に接続される
    ことを特徴とする燃料電池システム。
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