エゼクタ
【課題】主流の流量に関わらず圧力制御性を向上することができるエゼクタを提供するものである。
【解決手段】ノズル吐出部１２２を有するノズル１２０と、ノズルと同軸に配置されるディフューザ１１０と、主流の状態量を調整可能なニードル１３０と、ニードルを収容可能なボディ１５０と、ニードルの位置を移動させるアクチュエータ１４０と、を備え、副流を主流に合流させて混合流を生成し、混合流をディフューザから送出するエゼクタ５０において、ニードルは、先端部１３１と、先端部より径方向外側に膨出された胴部１３２と、を有し、ボディには、ノズル吐出部の開口面積と略同一の断面積で形成されるとともに、胴部の一部である圧力キャンセル部１３６を挿通可能な挿通孔１５３が形成され、ボディとアクチュエータとの間に背圧室１６０が形成され、ニードルには、背圧室とノズル吐出部の下流側との間を連通する連通孔１３７が形成されている。
【解決手段】ノズル吐出部１２２を有するノズル１２０と、ノズルと同軸に配置されるディフューザ１１０と、主流の状態量を調整可能なニードル１３０と、ニードルを収容可能なボディ１５０と、ニードルの位置を移動させるアクチュエータ１４０と、を備え、副流を主流に合流させて混合流を生成し、混合流をディフューザから送出するエゼクタ５０において、ニードルは、先端部１３１と、先端部より径方向外側に膨出された胴部１３２と、を有し、ボディには、ノズル吐出部の開口面積と略同一の断面積で形成されるとともに、胴部の一部である圧力キャンセル部１３６を挿通可能な挿通孔１５３が形成され、ボディとアクチュエータとの間に背圧室１６０が形成され、ニードルには、背圧室とノズル吐出部の下流側との間を連通する連通孔１３７が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エゼクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成された燃料電池スタックを備えた固体高分子膜型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
また、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池スタックに供給される水素や酸素には加湿装置などによって水分が混合されている。その際、燃料電池スタックの電極内のガス流路に水が溜まって、このガス流路が塞がれることがないように、排出燃料には所定の排出流量が設定されている。
【０００４】
ここで、エゼクタを用いて排出燃料を新たに燃料電池スタックに導入される燃料に混合して再循環させることで、燃料を有効に活用することができ、固体高分子膜型燃料電池のエネルギー効率を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
エゼクタは、外部からの動力を必要とせず、圧力エネルギーを利用して循環させるジェットポンプとしての機能を有する。このようなエゼクタは、テーパ状の内周面を有するディフューザと、ディフューザの基端開口に連接された副流室と、ディフューザと同軸に、副流室内に突き出すように配置されたノズルと、ノズルの軸中心に形成された開口部に挿通され軸方向に移動可能に構成されたニードルと、を備えている。エゼクタに供給される燃料は、ノズルからディフューザの基端開口に向かって噴射され、この高速の燃料流に引き込まれるようにして排出燃料が副流室内に導入される。そして、燃料と排出燃料とが混合流となってディフューザから送出されるように構成されている。このとき、ニードルが軸方向に移動することにより、燃料が通過する開口面積が可変するため、流量を調整することができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２０４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、従来のエゼクタにおいては、ニードルが例えばステッピングモータにより軸方向に移動可能に構成されている。ところが、ニードルを電気駆動方式で移動させる場合には、流体の圧力制御が課題となる。特に、エゼクタでは、ノズルの下流側圧力をフィードバック制御して、主流の流量（開口面積）を決定するが、主流の流量が小流量の場合には、圧力制御が困難になるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、主流の流量に関わらず圧力制御性を向上することができるエゼクタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、主流が通過可能なノズル吐出部（例えば、実施形態におけるノズル孔１２２）を有するノズル（例えば、実施形態におけるノズル１２０）と、前記ノズルの下流側に、該ノズルと同軸に配置されるディフューザ（例えば、実施形態におけるディフューザ１１０）と、前記ノズルと同軸に配置され、該ノズルに対して位置を移動することにより前記主流の状態量を調整可能なニードル（例えば、実施形態におけるニードル１３０）と、前記ニードルを収容可能なボディ（例えば、実施形態におけるボディ１５０）と、前記ニードルの位置を移動させるアクチュエータ（例えば、実施形態におけるアクチュエータ１４０）と、を備え、前記ノズルを通過した前記主流により吸引作用が働く位置において、副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタ（例えば、実施形態におけるエゼクタ５０）において、前記ニードルは、前記ノズル吐出部に挿通される先端部（例えば、実施形態における先端部１３１）と、前記ボディ内に収容され前記先端部より径方向外側に膨出された胴部（例えば、実施形態における胴部１３２）と、を有し、前記ボディには、前記ノズル吐出部の開口面積と略同一の断面積で形成されるとともに、前記胴部の一部である圧力キャンセル部（例えば、実施形態における圧力キャンセル部１３６）を挿通可能な挿通孔（例えば、実施形態における挿通孔１５３）が形成され、前記ボディと前記アクチュエータとの間に背圧室（例えば、実施形態における背圧室１６０）が形成され、前記ニードルには、前記背圧室と前記ノズル吐出部の下流側との間を連通する連通孔（例えば、実施形態における連通孔１３７）が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、前記圧力キャンセル部は、断面円形のピストン状に形成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、前記圧力キャンセル部は、軸方向に直交する断面積が前記ノズル吐出部の開口面積よりも大きく形成されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、前記ノズルは、軸に直交するように配された平板状のノズルボディ（例えば、実施形態におけるノズルボディ１２１）に前記ノズル吐出部が形成され、前記ノズル吐出部の周縁に前記ディフューザから離間する方向に突出した弁体（例えば、実施形態における弁体１２３）が設けられ、前記ニードルの前記胴部における前記弁体に対向する位置に、該弁体と当接離反可能に構成された弁座（例えば、実施形態におけるシート部材１３５）が配設されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項５に記載した発明は、前記主流が燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）に供給される燃料ガスであり、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載した発明によれば、背圧室の圧力とノズル吐出部の下流側の圧力とを略同一の圧力に釣り合わせることができ、主流の供給圧の影響をキャンセルすることができる。したがって、アクチュエータの作動にかかる力を極小化することができるため、アクチュエータの制御性を向上させることができ、圧力制御性を向上させることができる。その結果、主流の流量に関わらず圧力制御性を向上することができる。
【００１５】
請求項２に記載した発明によれば、ニードルに対して軸方向に働く力をスムーズに釣り合わせることができる。したがって、アクチュエータの制御性を向上させることができる。
【００１６】
請求項３に記載した発明によれば、圧力キャンセル部の断面積をノズル吐出部の開口面積よりも大きくすることにより、ノズル下流側の圧力が何らかの外乱で上昇したときに、ニードルを下流側方向（主流の流れを閉塞する方向）に移動させる力が働き、釣り合うため、常に吐出が安定系となって圧力制御性を向上させることができる。
【００１７】
請求項４に記載した発明によれば、ニードルを軸方向に移動させることにより、ノズルボディとニードルの胴部との距離を可変することができる。つまり、主流が通過できる流路の大きさ（流路面積）を連続的に変化させることができ、主流の流量調整を容易に行うことができる。また、ニードルの胴部に弁座を設けて、締め切り構造として信頼性の高いフラットバルブとして機能する平板状のノズルボディに当接させることにより、上記効果に加え、流路を容易に締め切ることができる。
【００１８】
請求項５に記載した発明によれば、エゼクタを用いて燃料電池から排出された排出燃料ガスを新たに燃料電池に導入される燃料ガスに混合して再循環させることで、燃料ガスを有効に活用することができ、上記効果に加え、燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態におけるエゼクタの断面図である。
【図３】本発明の実施形態におけるエゼクタの作動原理を説明する部分拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態におけるエゼクタの圧力キャンセル部の外径とノズル孔の開口径との関係によって、ニードルにかかる力の変化を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態におけるエゼクタのニードルが上流側に位置した状態を示す部分拡大断面図である。
【図６】本発明の実施形態におけるエゼクタのニードルが下流側に位置した状態を示す部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池自動車における燃料電池システムの配管に取り付けたエゼクタについて説明をする。
【００２１】
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。
【００２２】
また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ５０を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。なお、本実施形態においては、エゼクタ５０の上流側に接続されたアノードガス供給配管２３を上流側アノードガス供給配管２３Ａとし、エゼクタ５０の下流側に接続されたアノードガス供給配管２３を下流側アノードガス供給配管２３Ｂとする。
【００２３】
また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ５０に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で２本の配管が分岐して設けられており、一方はドレイン排出配管３６であり、他方はパージガス排出配管３７である。ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられている。また、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。
【００２４】
次に、空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間には加湿器３９が架け渡して設けられている。加湿器３９によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。
【００２５】
また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、下流側アノードガス供給配管２３Ｂに他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。
【００２６】
また、制御装置（ＥＣＵ）４５は、各種電磁弁などが電気的に接続されており、図示しない温度センサや圧力センサなどの検出結果に基づいて、各種弁の開閉などを実行することができるように構成されている。
【００２７】
（エゼクタ）
次に、エゼクタ５０の構造について説明する。
図２に示すように、エゼクタ５０は、燃料電池１１の空気極側における空気の圧力と、燃料電池１１の燃料極側における燃料の圧力とに基づいて、燃料電池１１へ供給する燃料の流量を制御するものであって、例えば、ディフューザ１１０と、ノズル１２０と、ニードル１３０と、アクチュエータ１４０と、ニードル１３０を収容するボディ１５０と、を備えている。
【００２８】
ディフューザ１１０は、軸線方向に貫通する流体通路１１１が形成されており、該流体通路１１１は、その途中に内径が最小となるスロート部１１２を有し、このスロート部１１２よりも上流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に縮径する内周面を有する絞り部１１３が形成されている。また、スロート部１１２よりも下流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に拡径する内周面を有する拡径部１１４が形成されている。ここで、拡径部１１４の拡がり角度は上流側の絞り部１１３の拡がり角度よりも小さくなっている。また、流体通路１１１の下流側には、下流側アノードガス供給配管２３Ｂが接続されている。
【００２９】
また、ディフューザ１１０には軸線方向に沿って穴部１１５が形成されており、この穴部１１５の下流側が絞り部１１３に連通している。一方、穴部１１５の上流端には、ボディ１５０が連設されており、ディフューザ１１０とボディ１５０との間にノズル１２０が配されている。
【００３０】
なお、ノズル１２０よりも下流側であって、絞り部１１３と穴部１１５とによって構成される空間は副流室１１６とされており、該副流室１１６には燃料電池１１から排出されるアノードオフガスを導入するためのアノードオフガス排出配管３５が接続されている。
【００３１】
ノズル１２０は、金属製の平板状のノズルボディ１２１と、ノズルボディ１２１の略中央部に形成されたノズル孔１２２と、を有している。ノズル１２０は、ノズル孔１２２の軸中心と、ディフューザ１１０の軸中心とが略一致するように、後述するボディ１５０におけるディフューザ１１０との境界面に固定されている。さらに、ノズル孔１２２の周縁部には、後述するニードル１３０の胴部１３２に向かって突出した弁体１２３が形成されている。
【００３２】
ディフューザ１１０（ノズル１２０）の下流側には、内部にガス流路１５１が形成されたボディ１５０が配されている。ボディ１５０はディフューザ１１０の上流側に連結されている。
【００３３】
ガス流路１５１の壁面をなす内周面１５１Ａは軸方向に沿って略円筒状に形成されている。ガス流路１５１の下流端には、ノズル１２０がそのノズルボディ１２１でガス流路１５１の一部を閉塞するように配されており、ガス流路１５１とノズル１２０に形成されたノズル孔１２２とが連通するように配されている。
【００３４】
また、ガス流路１５１内にはニードル１３０が配されており、ニードル１３０はアクチュエータ１４０によってディフューザ１１０の流体通路１１１と同軸の軸方向に対して移動可能に保持されている。また、ガス流路１５１には、水素タンク３０から供給されるアノードガスを導入するための上流側アノードガス供給配管２３Ａが接続されている。
【００３５】
ここで、ニードル１３０は、ノズル１２０のノズル孔１２２に対して軸方向に挿通可能に構成された先端部１３１と、先端部１３１よりも径方向に拡張されガス流路１５１内に配される胴部１３２と、を有している。なお、先端部１３１と胴部１３２との境界には段差部１３３が形成されている。また図３に示すように、胴部１３２におけるノズル１２０と対向する面には、ゴムなどの弾性体で形成されたシート部材１３５が設けられている。シート部材１３５は、正面視略リング状に形成されており、先端部１３１の外周を取り囲むように配されている。そして、シート部材１３５は、ノズル１２０の弁体１２３と当接離反することができる位置に設けられている。
【００３６】
また、ニードル１３０の先端部１３１には、軸方向先端側（下流側）に向かうにしたがって漸次連続的に縮径するテーパ部１３４が形成されている。このテーパ部１３４によりノズル孔１２２から噴射されるアノードガスを整流することができる。
【００３７】
また、ノズル１２０のノズル孔１２２において、ニードル１３０の先端部１３１が軸線方向に移動することで、ノズル１２０のノズル孔１２２から突出するニードル１３０の先端部１３１の突出量が変更させられる。これに伴い、ガス流路１５１におけるニードル１３０の段差部１３３とノズル１２０のノズルボディ１２１との間隙の距離が変更させられ、ノズル１２０のノズル孔１２２から副流室１１６内に噴射されるアノードガスの流量が調整可能とされている。
【００３８】
ここで、図２に示すようにニードル１３０における先端部１３１の軸方向反対側は、アクチュエータ１４０に連結されている。アクチュエータ１４０は、例えばソレノイドで構成されており、ニードル１３０を軸方向に移動できるように構成されている。ここで、アクチュエータ１４０とボディ１５０との間には、密閉された空間の背圧室１６０が形成されている。
また、ニードル１３０の先端部１３１におけるノズル孔１２２の下流側に対応する位置と、背圧室１６０とを連通する連通孔１３７が、ニードル１３０の内部に形成されている。
【００３９】
さらに、ボディ１５０におけるガス流路１５１が形成された部分の軸方向アクチュエータ１４０側には、ニードル１３０の胴部１３２を挿通可能な断面円形の挿通孔１５３が形成されている。この挿通孔１５３には、ニードル１３０の胴部１３２の一部である圧力キャンセル部１３６が挿通されている。挿通孔１５３の内径と圧力キャンセル部１３６の外径とは略同一に構成されており、圧力キャンセル部１３６は、挿通孔１５３内を軸方向にピストン状に移動できるようになっている。つまり、圧力キャンセル部１３６により、ガス流路１５１と背圧室１６０とが仕切られており、それぞれの圧力は、ガス流路１５１内がアノードガスの供給圧に保持され、背圧室１６０がノズル孔１２２の下流側の圧力に保持されている。
【００４０】
そして、挿通孔１５３の内径は、ノズル孔１２２の内径よりも若干大きくなるように形成されている。
【００４１】
次に、エゼクタ５０の作動原理について、図３を用いて具体的に説明する。
まず、図３に示すように、各パラメータを設定する。アクチュエータ１４０のスプリング力をＦｓ、アクチュエータ１４０にかかる力をＦａ、アノードガスの供給圧をＰｓ、ノズル孔１２２の下流側の圧力をＰｂ、ノズル孔１２２の開口径をＡｖ、圧力キャンセル部１３６の外径をＡｐと設定する。すると、力の釣り合い式は、下記の式（１）になる。
【００４２】
Ｆｓ−Ｆａ＋Ｐｂ（Ａｐ−Ａｖ）＋Ｐｓ（Ａｖ−Ａｐ）＝０ …（１）
【００４３】
なお、上記（１）式においては、ニードル１３０がノズル孔１２２を閉じる方向（先端側方向）を正としている。
【００４４】
したがって、Ａｐ＝Ａｖの場合は、Ｆｓ＝Ｆａとなる。つまり、ノズル孔１２２の開口径Ａｖと圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐとが同じ場合には、完全にアノードガスの供給圧Ｐｓおよびノズル孔１２２の下流側圧力Ｐｂ（背圧室１５０の圧力Ｐｂ）の影響がキャンセルされ、Ｆｓ＝Ｆａの位置で釣り合うこととなる。
【００４５】
仮に、背圧室１６０が無い場合は、Ａｐ＝０であるため、Ｆａ＝Ｆｓ＋Ａｖ（Ｐｓ−Ｐｂ）となり、アクチュエータ１４０には、アノードガスの供給圧Ｐｓによる力とアクチュエータ１４０のスプリング力Ｆｓに打ち勝つ力が常に必要となる。
【００４６】
次に、圧力制御について図４を用いて検証する。ここで、アノードガスの供給圧Ｐｓおよびアクチュエータ１４０のスプリング力Ｆｓは一定とする。また、Ｆａ−Ｆｓ＝Ｆとして、ノズル孔１２２の下流側圧力（背圧室１６０の圧力）Ｐｂの変化に伴い、ニードル１３０に働く力Ｆの変化を考察する。
【００４７】
上記（１）式を変形すると、Ｆａ−Ｆｓ＝Ｆ＝（Ｐｂ−Ｐｓ）（Ａｐ−Ａｖ）との式が導かれ、さらに、下記（２）式が導かれる。
【００４８】
【数１】
【００４９】
なお、ニードル１３０に働く力Ｆは、ノズル孔１２２を閉じる方向（先端側方向）を正としている。
【００５０】
まず、圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐ＞ノズル孔１２２の開口径Ａｖの場合（図４の線分（１）の場合）、ノズル孔１２２の下流側の圧力（背圧室１６０の圧力）Ｐｂが上昇すると、ニードル１３０を軸方向先端側（ディフューザ１１０側）に移動させる力が加わり、アノードガスの流量を少なくしようとする。つまり、自己安定系の制御をすることができる。
【００５１】
続いて、圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐ＝ノズル孔１２２の開口径Ａｖの場合（図４の線分（２）の場合）、ノズル孔１２２の下流側の圧力（背圧室１６０の圧力）Ｐｂが変動してもニードル１３０には力がかからないため、能動制御によりアノードガスの流量を変動させる必要がある。
【００５２】
続いて、圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐ＜ノズル孔１２２の開口径Ａｖの場合（図４の線分（３）の場合）、ノズル孔１２２の下流側の圧力（背圧室１６０の圧力）Ｐｂが上昇すると、ニードル１３０を軸方向後端側（アクチュエータ１４０側）に移動させる力が加わり、アノードガスの流量を多くしようとする。したがって、余計に圧力が上昇してしまい、自己発散系の制御になる。
【００５３】
したがって、上記検証より、圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐ＞ノズル孔１２２の開口径Ａｖとなるように、つまり、圧力キャンセル部１３６の外径をノズル孔１２２の開口径Ａｖよりも若干大きく設定することにより、ノズル孔１２２の下流側の圧力（背圧室１６０の圧力）Ｐｂの変動時に、安定方向に調圧しやすくすることが可能である。
【００５４】
次に、アノードガスの流量調整方法について、図５、図６を用いて具体的に説明する。
図５に示すように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０が上流側に移動した状態では、アノードガスがガス流路１５１を通過してディフューザ１１０に送出される。具体的には、上流側アノードガス供給配管２３Ａからボディ１５０のガス流路１５１に供給されたアノードガスは、ガス流路１５１の内周面１５１Ａとニードル１３０の胴部１３２の外周面との隙間を通過し、その後、ノズル１２０のノズルボディ１２１とニードル１３０の段差部１３３との隙間を通過する。そして、アノードガスは、ノズル１２０のノズル孔１２２とニードル１３０の先端部１３１との隙間を通過して、ディフューザ１１０側へ噴射される。ここで、噴射されたアノードガスは、ニードル１３０のテーパ部１３４により整流される。このとき、高速のアノードガスが流通するディフューザ１１０のスロート部１１２の近傍において負圧が発生し、この負圧により副流室１１６内にアノードオフガスが引き込まれ、ノズル１２０から噴射されたアノードガスと混合してディフューザ１１０の下流端から下流側アノードガス供給配管２３Ｂに送出される。このように、燃料電池１１から排出されたアノードオフガスは、可変流量エゼクタ５０を介して循環させられている。また、このとき、ニードル１３０に形成した連通孔１３７により、背圧室１６０の圧力とノズル孔１２２の下流側の圧力とが略同一の圧力に釣り合っている。
【００５５】
一方、図６に示すように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０が最も下流側に移動した状態では、ノズル１２０の弁体１２３とニードル１３０の胴部１３２に設けられたシート部材１３５とが当接される。この状態においては、アノードガスが流通する流路が閉塞されるため、アノードガスがノズル１２０のノズル孔１２２から噴射されることはない。また、このとき、ニードル１３０に形成した連通孔１３７により、背圧室１６０の圧力とノズル孔１２２の下流側の圧力とが略同一の圧力に釣り合っている。
【００５６】
このように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０を軸方向に移動させることで、アノードガスの流量を調整するのみならず、完全に締め切ることもできる。また、ニードル１３０を軸方向に移動させることで、アノードガスが流通する流路の面積（ノズル１２０のノズルボディ１２１とニードル１３０の段差部１３３との隙間）を連続的に調整することができるため、アノードガスの流量を連続的に調整することができる。
【００５７】
本実施形態のエゼクタ５０によれば、ニードル１３０に連通孔１３７を形成したため、背圧室１６０の圧力とノズル孔１２２の下流側の圧力とを略同一の圧力に釣り合わせることができ、ニードル１３０をアクチュエータ１４０で軸方向に移動させる際に、アノードガスの供給圧Ｐｓの影響をキャンセルすることができる。したがって、アクチュエータ１４０の作動にかかる力を極小化することができるため、アクチュエータ１４０の制御性を向上させることができる。その結果、アノードガスの流量に関わらず圧力制御性を向上することができる。
【００５８】
また、ニードル１３０の胴部１３２に形成した圧力キャンセル部１３６を断面円形のピストン状に構成したため、ニードル１３０に対して軸方向に働く力をスムーズに釣り合わせることができる。したがって、アクチュエータ１４０の制御性を向上させることができる。
【００５９】
また、圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐをノズル孔１２２の開口径Ａｖよりも大きくすることにより、ノズル１２２の下流側の圧力Ｐｂが何らかの外乱で上昇したときに、ニードル１３０を下流側方向（アノードガスの流れを閉塞する方向）に移動させる力が働き、釣り合うため、常に吐出が安定系となって圧力制御性を向上させることができる。
【００６０】
さらに、ノズル１２０に弁体１２３を形成したため、ノズル１２０とニードル１３０とを確実に当接させることができ、より確実に流路径を締め切り状態から全開状態まで連続的に変化させることができる。さらに、ニードル１３０にシート部材１３５を設けたため、ノズル１２０とニードル１３０とが当接したときのシール性能を向上させることができる。つまり、流路の締め切り性能を向上させることができる。
【００６１】
そして、エゼクタ５０を用いて燃料電池１１から排出された副流となるアノードオフガス（排出燃料ガス）を新たに燃料電池１１に導入されるアノードガス（燃料ガス）に混合して再循環させることで、燃料ガスを有効に活用することができ、燃料電池１１のエネルギー効率を向上させることができる。
【００６２】
なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１１…燃料電池 ５０…エゼクタ １１０…ディフューザ １２０…ノズル １２１…ノズルボディ １２２…ノズル孔（ノズル吐出部） １２３…弁体 １３０…ニードル １３１…先端部 １３２…胴部 １３３…段差部 １３４…テーパ部 １３５…シート部材（弁座） １３６…圧力キャンセル部 １３７…連通孔 １４０…アクチュエータ １５０…ボディ １５３…挿通孔 １６０…背圧室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エゼクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成された燃料電池スタックを備えた固体高分子膜型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
また、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池スタックに供給される水素や酸素には加湿装置などによって水分が混合されている。その際、燃料電池スタックの電極内のガス流路に水が溜まって、このガス流路が塞がれることがないように、排出燃料には所定の排出流量が設定されている。
【０００４】
ここで、エゼクタを用いて排出燃料を新たに燃料電池スタックに導入される燃料に混合して再循環させることで、燃料を有効に活用することができ、固体高分子膜型燃料電池のエネルギー効率を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
エゼクタは、外部からの動力を必要とせず、圧力エネルギーを利用して循環させるジェットポンプとしての機能を有する。このようなエゼクタは、テーパ状の内周面を有するディフューザと、ディフューザの基端開口に連接された副流室と、ディフューザと同軸に、副流室内に突き出すように配置されたノズルと、ノズルの軸中心に形成された開口部に挿通され軸方向に移動可能に構成されたニードルと、を備えている。エゼクタに供給される燃料は、ノズルからディフューザの基端開口に向かって噴射され、この高速の燃料流に引き込まれるようにして排出燃料が副流室内に導入される。そして、燃料と排出燃料とが混合流となってディフューザから送出されるように構成されている。このとき、ニードルが軸方向に移動することにより、燃料が通過する開口面積が可変するため、流量を調整することができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２０４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、従来のエゼクタにおいては、ニードルが例えばステッピングモータにより軸方向に移動可能に構成されている。ところが、ニードルを電気駆動方式で移動させる場合には、流体の圧力制御が課題となる。特に、エゼクタでは、ノズルの下流側圧力をフィードバック制御して、主流の流量（開口面積）を決定するが、主流の流量が小流量の場合には、圧力制御が困難になるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、主流の流量に関わらず圧力制御性を向上することができるエゼクタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、主流が通過可能なノズル吐出部（例えば、実施形態におけるノズル孔１２２）を有するノズル（例えば、実施形態におけるノズル１２０）と、前記ノズルの下流側に、該ノズルと同軸に配置されるディフューザ（例えば、実施形態におけるディフューザ１１０）と、前記ノズルと同軸に配置され、該ノズルに対して位置を移動することにより前記主流の状態量を調整可能なニードル（例えば、実施形態におけるニードル１３０）と、前記ニードルを収容可能なボディ（例えば、実施形態におけるボディ１５０）と、前記ニードルの位置を移動させるアクチュエータ（例えば、実施形態におけるアクチュエータ１４０）と、を備え、前記ノズルを通過した前記主流により吸引作用が働く位置において、副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタ（例えば、実施形態におけるエゼクタ５０）において、前記ニードルは、前記ノズル吐出部に挿通される先端部（例えば、実施形態における先端部１３１）と、前記ボディ内に収容され前記先端部より径方向外側に膨出された胴部（例えば、実施形態における胴部１３２）と、を有し、前記ボディには、前記ノズル吐出部の開口面積と略同一の断面積で形成されるとともに、前記胴部の一部である圧力キャンセル部（例えば、実施形態における圧力キャンセル部１３６）を挿通可能な挿通孔（例えば、実施形態における挿通孔１５３）が形成され、前記ボディと前記アクチュエータとの間に背圧室（例えば、実施形態における背圧室１６０）が形成され、前記ニードルには、前記背圧室と前記ノズル吐出部の下流側との間を連通する連通孔（例えば、実施形態における連通孔１３７）が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、前記圧力キャンセル部は、断面円形のピストン状に形成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、前記圧力キャンセル部は、軸方向に直交する断面積が前記ノズル吐出部の開口面積よりも大きく形成されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、前記ノズルは、軸に直交するように配された平板状のノズルボディ（例えば、実施形態におけるノズルボディ１２１）に前記ノズル吐出部が形成され、前記ノズル吐出部の周縁に前記ディフューザから離間する方向に突出した弁体（例えば、実施形態における弁体１２３）が設けられ、前記ニードルの前記胴部における前記弁体に対向する位置に、該弁体と当接離反可能に構成された弁座（例えば、実施形態におけるシート部材１３５）が配設されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項５に記載した発明は、前記主流が燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）に供給される燃料ガスであり、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載した発明によれば、背圧室の圧力とノズル吐出部の下流側の圧力とを略同一の圧力に釣り合わせることができ、主流の供給圧の影響をキャンセルすることができる。したがって、アクチュエータの作動にかかる力を極小化することができるため、アクチュエータの制御性を向上させることができ、圧力制御性を向上させることができる。その結果、主流の流量に関わらず圧力制御性を向上することができる。
【００１５】
請求項２に記載した発明によれば、ニードルに対して軸方向に働く力をスムーズに釣り合わせることができる。したがって、アクチュエータの制御性を向上させることができる。
【００１６】
請求項３に記載した発明によれば、圧力キャンセル部の断面積をノズル吐出部の開口面積よりも大きくすることにより、ノズル下流側の圧力が何らかの外乱で上昇したときに、ニードルを下流側方向（主流の流れを閉塞する方向）に移動させる力が働き、釣り合うため、常に吐出が安定系となって圧力制御性を向上させることができる。
【００１７】
請求項４に記載した発明によれば、ニードルを軸方向に移動させることにより、ノズルボディとニードルの胴部との距離を可変することができる。つまり、主流が通過できる流路の大きさ（流路面積）を連続的に変化させることができ、主流の流量調整を容易に行うことができる。また、ニードルの胴部に弁座を設けて、締め切り構造として信頼性の高いフラットバルブとして機能する平板状のノズルボディに当接させることにより、上記効果に加え、流路を容易に締め切ることができる。
【００１８】
請求項５に記載した発明によれば、エゼクタを用いて燃料電池から排出された排出燃料ガスを新たに燃料電池に導入される燃料ガスに混合して再循環させることで、燃料ガスを有効に活用することができ、上記効果に加え、燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態におけるエゼクタの断面図である。
【図３】本発明の実施形態におけるエゼクタの作動原理を説明する部分拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態におけるエゼクタの圧力キャンセル部の外径とノズル孔の開口径との関係によって、ニードルにかかる力の変化を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態におけるエゼクタのニードルが上流側に位置した状態を示す部分拡大断面図である。
【図６】本発明の実施形態におけるエゼクタのニードルが下流側に位置した状態を示す部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池自動車における燃料電池システムの配管に取り付けたエゼクタについて説明をする。
【００２１】
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。
【００２２】
また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ５０を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。なお、本実施形態においては、エゼクタ５０の上流側に接続されたアノードガス供給配管２３を上流側アノードガス供給配管２３Ａとし、エゼクタ５０の下流側に接続されたアノードガス供給配管２３を下流側アノードガス供給配管２３Ｂとする。
【００２３】
また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ５０に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で２本の配管が分岐して設けられており、一方はドレイン排出配管３６であり、他方はパージガス排出配管３７である。ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられている。また、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。
【００２４】
次に、空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間には加湿器３９が架け渡して設けられている。加湿器３９によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。
【００２５】
また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、下流側アノードガス供給配管２３Ｂに他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。
【００２６】
また、制御装置（ＥＣＵ）４５は、各種電磁弁などが電気的に接続されており、図示しない温度センサや圧力センサなどの検出結果に基づいて、各種弁の開閉などを実行することができるように構成されている。
【００２７】
（エゼクタ）
次に、エゼクタ５０の構造について説明する。
図２に示すように、エゼクタ５０は、燃料電池１１の空気極側における空気の圧力と、燃料電池１１の燃料極側における燃料の圧力とに基づいて、燃料電池１１へ供給する燃料の流量を制御するものであって、例えば、ディフューザ１１０と、ノズル１２０と、ニードル１３０と、アクチュエータ１４０と、ニードル１３０を収容するボディ１５０と、を備えている。
【００２８】
ディフューザ１１０は、軸線方向に貫通する流体通路１１１が形成されており、該流体通路１１１は、その途中に内径が最小となるスロート部１１２を有し、このスロート部１１２よりも上流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に縮径する内周面を有する絞り部１１３が形成されている。また、スロート部１１２よりも下流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に拡径する内周面を有する拡径部１１４が形成されている。ここで、拡径部１１４の拡がり角度は上流側の絞り部１１３の拡がり角度よりも小さくなっている。また、流体通路１１１の下流側には、下流側アノードガス供給配管２３Ｂが接続されている。
【００２９】
また、ディフューザ１１０には軸線方向に沿って穴部１１５が形成されており、この穴部１１５の下流側が絞り部１１３に連通している。一方、穴部１１５の上流端には、ボディ１５０が連設されており、ディフューザ１１０とボディ１５０との間にノズル１２０が配されている。
【００３０】
なお、ノズル１２０よりも下流側であって、絞り部１１３と穴部１１５とによって構成される空間は副流室１１６とされており、該副流室１１６には燃料電池１１から排出されるアノードオフガスを導入するためのアノードオフガス排出配管３５が接続されている。
【００３１】
ノズル１２０は、金属製の平板状のノズルボディ１２１と、ノズルボディ１２１の略中央部に形成されたノズル孔１２２と、を有している。ノズル１２０は、ノズル孔１２２の軸中心と、ディフューザ１１０の軸中心とが略一致するように、後述するボディ１５０におけるディフューザ１１０との境界面に固定されている。さらに、ノズル孔１２２の周縁部には、後述するニードル１３０の胴部１３２に向かって突出した弁体１２３が形成されている。
【００３２】
ディフューザ１１０（ノズル１２０）の下流側には、内部にガス流路１５１が形成されたボディ１５０が配されている。ボディ１５０はディフューザ１１０の上流側に連結されている。
【００３３】
ガス流路１５１の壁面をなす内周面１５１Ａは軸方向に沿って略円筒状に形成されている。ガス流路１５１の下流端には、ノズル１２０がそのノズルボディ１２１でガス流路１５１の一部を閉塞するように配されており、ガス流路１５１とノズル１２０に形成されたノズル孔１２２とが連通するように配されている。
【００３４】
また、ガス流路１５１内にはニードル１３０が配されており、ニードル１３０はアクチュエータ１４０によってディフューザ１１０の流体通路１１１と同軸の軸方向に対して移動可能に保持されている。また、ガス流路１５１には、水素タンク３０から供給されるアノードガスを導入するための上流側アノードガス供給配管２３Ａが接続されている。
【００３５】
ここで、ニードル１３０は、ノズル１２０のノズル孔１２２に対して軸方向に挿通可能に構成された先端部１３１と、先端部１３１よりも径方向に拡張されガス流路１５１内に配される胴部１３２と、を有している。なお、先端部１３１と胴部１３２との境界には段差部１３３が形成されている。また図３に示すように、胴部１３２におけるノズル１２０と対向する面には、ゴムなどの弾性体で形成されたシート部材１３５が設けられている。シート部材１３５は、正面視略リング状に形成されており、先端部１３１の外周を取り囲むように配されている。そして、シート部材１３５は、ノズル１２０の弁体１２３と当接離反することができる位置に設けられている。
【００３６】
また、ニードル１３０の先端部１３１には、軸方向先端側（下流側）に向かうにしたがって漸次連続的に縮径するテーパ部１３４が形成されている。このテーパ部１３４によりノズル孔１２２から噴射されるアノードガスを整流することができる。
【００３７】
また、ノズル１２０のノズル孔１２２において、ニードル１３０の先端部１３１が軸線方向に移動することで、ノズル１２０のノズル孔１２２から突出するニードル１３０の先端部１３１の突出量が変更させられる。これに伴い、ガス流路１５１におけるニードル１３０の段差部１３３とノズル１２０のノズルボディ１２１との間隙の距離が変更させられ、ノズル１２０のノズル孔１２２から副流室１１６内に噴射されるアノードガスの流量が調整可能とされている。
【００３８】
ここで、図２に示すようにニードル１３０における先端部１３１の軸方向反対側は、アクチュエータ１４０に連結されている。アクチュエータ１４０は、例えばソレノイドで構成されており、ニードル１３０を軸方向に移動できるように構成されている。ここで、アクチュエータ１４０とボディ１５０との間には、密閉された空間の背圧室１６０が形成されている。
また、ニードル１３０の先端部１３１におけるノズル孔１２２の下流側に対応する位置と、背圧室１６０とを連通する連通孔１３７が、ニードル１３０の内部に形成されている。
【００３９】
さらに、ボディ１５０におけるガス流路１５１が形成された部分の軸方向アクチュエータ１４０側には、ニードル１３０の胴部１３２を挿通可能な断面円形の挿通孔１５３が形成されている。この挿通孔１５３には、ニードル１３０の胴部１３２の一部である圧力キャンセル部１３６が挿通されている。挿通孔１５３の内径と圧力キャンセル部１３６の外径とは略同一に構成されており、圧力キャンセル部１３６は、挿通孔１５３内を軸方向にピストン状に移動できるようになっている。つまり、圧力キャンセル部１３６により、ガス流路１５１と背圧室１６０とが仕切られており、それぞれの圧力は、ガス流路１５１内がアノードガスの供給圧に保持され、背圧室１６０がノズル孔１２２の下流側の圧力に保持されている。
【００４０】
そして、挿通孔１５３の内径は、ノズル孔１２２の内径よりも若干大きくなるように形成されている。
【００４１】
次に、エゼクタ５０の作動原理について、図３を用いて具体的に説明する。
まず、図３に示すように、各パラメータを設定する。アクチュエータ１４０のスプリング力をＦｓ、アクチュエータ１４０にかかる力をＦａ、アノードガスの供給圧をＰｓ、ノズル孔１２２の下流側の圧力をＰｂ、ノズル孔１２２の開口径をＡｖ、圧力キャンセル部１３６の外径をＡｐと設定する。すると、力の釣り合い式は、下記の式（１）になる。
【００４２】
Ｆｓ−Ｆａ＋Ｐｂ（Ａｐ−Ａｖ）＋Ｐｓ（Ａｖ−Ａｐ）＝０ …（１）
【００４３】
なお、上記（１）式においては、ニードル１３０がノズル孔１２２を閉じる方向（先端側方向）を正としている。
【００４４】
したがって、Ａｐ＝Ａｖの場合は、Ｆｓ＝Ｆａとなる。つまり、ノズル孔１２２の開口径Ａｖと圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐとが同じ場合には、完全にアノードガスの供給圧Ｐｓおよびノズル孔１２２の下流側圧力Ｐｂ（背圧室１５０の圧力Ｐｂ）の影響がキャンセルされ、Ｆｓ＝Ｆａの位置で釣り合うこととなる。
【００４５】
仮に、背圧室１６０が無い場合は、Ａｐ＝０であるため、Ｆａ＝Ｆｓ＋Ａｖ（Ｐｓ−Ｐｂ）となり、アクチュエータ１４０には、アノードガスの供給圧Ｐｓによる力とアクチュエータ１４０のスプリング力Ｆｓに打ち勝つ力が常に必要となる。
【００４６】
次に、圧力制御について図４を用いて検証する。ここで、アノードガスの供給圧Ｐｓおよびアクチュエータ１４０のスプリング力Ｆｓは一定とする。また、Ｆａ−Ｆｓ＝Ｆとして、ノズル孔１２２の下流側圧力（背圧室１６０の圧力）Ｐｂの変化に伴い、ニードル１３０に働く力Ｆの変化を考察する。
【００４７】
上記（１）式を変形すると、Ｆａ−Ｆｓ＝Ｆ＝（Ｐｂ−Ｐｓ）（Ａｐ−Ａｖ）との式が導かれ、さらに、下記（２）式が導かれる。
【００４８】
【数１】
【００４９】
なお、ニードル１３０に働く力Ｆは、ノズル孔１２２を閉じる方向（先端側方向）を正としている。
【００５０】
まず、圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐ＞ノズル孔１２２の開口径Ａｖの場合（図４の線分（１）の場合）、ノズル孔１２２の下流側の圧力（背圧室１６０の圧力）Ｐｂが上昇すると、ニードル１３０を軸方向先端側（ディフューザ１１０側）に移動させる力が加わり、アノードガスの流量を少なくしようとする。つまり、自己安定系の制御をすることができる。
【００５１】
続いて、圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐ＝ノズル孔１２２の開口径Ａｖの場合（図４の線分（２）の場合）、ノズル孔１２２の下流側の圧力（背圧室１６０の圧力）Ｐｂが変動してもニードル１３０には力がかからないため、能動制御によりアノードガスの流量を変動させる必要がある。
【００５２】
続いて、圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐ＜ノズル孔１２２の開口径Ａｖの場合（図４の線分（３）の場合）、ノズル孔１２２の下流側の圧力（背圧室１６０の圧力）Ｐｂが上昇すると、ニードル１３０を軸方向後端側（アクチュエータ１４０側）に移動させる力が加わり、アノードガスの流量を多くしようとする。したがって、余計に圧力が上昇してしまい、自己発散系の制御になる。
【００５３】
したがって、上記検証より、圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐ＞ノズル孔１２２の開口径Ａｖとなるように、つまり、圧力キャンセル部１３６の外径をノズル孔１２２の開口径Ａｖよりも若干大きく設定することにより、ノズル孔１２２の下流側の圧力（背圧室１６０の圧力）Ｐｂの変動時に、安定方向に調圧しやすくすることが可能である。
【００５４】
次に、アノードガスの流量調整方法について、図５、図６を用いて具体的に説明する。
図５に示すように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０が上流側に移動した状態では、アノードガスがガス流路１５１を通過してディフューザ１１０に送出される。具体的には、上流側アノードガス供給配管２３Ａからボディ１５０のガス流路１５１に供給されたアノードガスは、ガス流路１５１の内周面１５１Ａとニードル１３０の胴部１３２の外周面との隙間を通過し、その後、ノズル１２０のノズルボディ１２１とニードル１３０の段差部１３３との隙間を通過する。そして、アノードガスは、ノズル１２０のノズル孔１２２とニードル１３０の先端部１３１との隙間を通過して、ディフューザ１１０側へ噴射される。ここで、噴射されたアノードガスは、ニードル１３０のテーパ部１３４により整流される。このとき、高速のアノードガスが流通するディフューザ１１０のスロート部１１２の近傍において負圧が発生し、この負圧により副流室１１６内にアノードオフガスが引き込まれ、ノズル１２０から噴射されたアノードガスと混合してディフューザ１１０の下流端から下流側アノードガス供給配管２３Ｂに送出される。このように、燃料電池１１から排出されたアノードオフガスは、可変流量エゼクタ５０を介して循環させられている。また、このとき、ニードル１３０に形成した連通孔１３７により、背圧室１６０の圧力とノズル孔１２２の下流側の圧力とが略同一の圧力に釣り合っている。
【００５５】
一方、図６に示すように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０が最も下流側に移動した状態では、ノズル１２０の弁体１２３とニードル１３０の胴部１３２に設けられたシート部材１３５とが当接される。この状態においては、アノードガスが流通する流路が閉塞されるため、アノードガスがノズル１２０のノズル孔１２２から噴射されることはない。また、このとき、ニードル１３０に形成した連通孔１３７により、背圧室１６０の圧力とノズル孔１２２の下流側の圧力とが略同一の圧力に釣り合っている。
【００５６】
このように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０を軸方向に移動させることで、アノードガスの流量を調整するのみならず、完全に締め切ることもできる。また、ニードル１３０を軸方向に移動させることで、アノードガスが流通する流路の面積（ノズル１２０のノズルボディ１２１とニードル１３０の段差部１３３との隙間）を連続的に調整することができるため、アノードガスの流量を連続的に調整することができる。
【００５７】
本実施形態のエゼクタ５０によれば、ニードル１３０に連通孔１３７を形成したため、背圧室１６０の圧力とノズル孔１２２の下流側の圧力とを略同一の圧力に釣り合わせることができ、ニードル１３０をアクチュエータ１４０で軸方向に移動させる際に、アノードガスの供給圧Ｐｓの影響をキャンセルすることができる。したがって、アクチュエータ１４０の作動にかかる力を極小化することができるため、アクチュエータ１４０の制御性を向上させることができる。その結果、アノードガスの流量に関わらず圧力制御性を向上することができる。
【００５８】
また、ニードル１３０の胴部１３２に形成した圧力キャンセル部１３６を断面円形のピストン状に構成したため、ニードル１３０に対して軸方向に働く力をスムーズに釣り合わせることができる。したがって、アクチュエータ１４０の制御性を向上させることができる。
【００５９】
また、圧力キャンセル部１３６の外径Ａｐをノズル孔１２２の開口径Ａｖよりも大きくすることにより、ノズル１２２の下流側の圧力Ｐｂが何らかの外乱で上昇したときに、ニードル１３０を下流側方向（アノードガスの流れを閉塞する方向）に移動させる力が働き、釣り合うため、常に吐出が安定系となって圧力制御性を向上させることができる。
【００６０】
さらに、ノズル１２０に弁体１２３を形成したため、ノズル１２０とニードル１３０とを確実に当接させることができ、より確実に流路径を締め切り状態から全開状態まで連続的に変化させることができる。さらに、ニードル１３０にシート部材１３５を設けたため、ノズル１２０とニードル１３０とが当接したときのシール性能を向上させることができる。つまり、流路の締め切り性能を向上させることができる。
【００６１】
そして、エゼクタ５０を用いて燃料電池１１から排出された副流となるアノードオフガス（排出燃料ガス）を新たに燃料電池１１に導入されるアノードガス（燃料ガス）に混合して再循環させることで、燃料ガスを有効に活用することができ、燃料電池１１のエネルギー効率を向上させることができる。
【００６２】
なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１１…燃料電池 ５０…エゼクタ １１０…ディフューザ １２０…ノズル １２１…ノズルボディ １２２…ノズル孔（ノズル吐出部） １２３…弁体 １３０…ニードル １３１…先端部 １３２…胴部 １３３…段差部 １３４…テーパ部 １３５…シート部材（弁座） １３６…圧力キャンセル部 １３７…連通孔 １４０…アクチュエータ １５０…ボディ １５３…挿通孔 １６０…背圧室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流が通過可能なノズル吐出部を有するノズルと、
前記ノズルの下流側に、該ノズルと同軸に配置されるディフューザと、
前記ノズルと同軸に配置され、該ノズルに対して位置を移動することにより前記主流の状態量を調整可能なニードルと、
前記ニードルを収容可能なボディと、
前記ニードルの位置を移動させるアクチュエータと、を備え、
前記ノズルを通過した前記主流により吸引作用が働く位置において、副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、
該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタにおいて、
前記ニードルは、前記ノズル吐出部に挿通される先端部と、前記ボディ内に収容され前記先端部より径方向外側に膨出された胴部と、を有し、
前記ボディには、前記ノズル吐出部の開口面積と略同一の断面積で形成されるとともに、前記胴部の一部である圧力キャンセル部を挿通可能な挿通孔が形成され、
前記ボディと前記アクチュエータとの間に背圧室が形成され、
前記ニードルには、前記背圧室と前記ノズル吐出部の下流側との間を連通する連通孔が形成されていることを特徴とするエゼクタ。
【請求項２】
前記圧力キャンセル部は、断面円形のピストン状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエゼクタ。
【請求項３】
前記圧力キャンセル部は、軸方向に直交する断面積が前記ノズル吐出部の開口面積よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエゼクタ。
【請求項４】
前記ノズルは、軸に直交するように配された平板状のノズルボディに前記ノズル吐出部が形成され、
前記ノズル吐出部の周縁に前記ディフューザから離間する方向に突出した弁体が設けられ、
前記ニードルの前記胴部における前記弁体に対向する位置に、該弁体と当接離反可能に構成された弁座が配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエゼクタ。
【請求項５】
前記主流が燃料電池に供給される燃料ガスであり、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエゼクタ。
【請求項１】
主流が通過可能なノズル吐出部を有するノズルと、
前記ノズルの下流側に、該ノズルと同軸に配置されるディフューザと、
前記ノズルと同軸に配置され、該ノズルに対して位置を移動することにより前記主流の状態量を調整可能なニードルと、
前記ニードルを収容可能なボディと、
前記ニードルの位置を移動させるアクチュエータと、を備え、
前記ノズルを通過した前記主流により吸引作用が働く位置において、副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、
該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタにおいて、
前記ニードルは、前記ノズル吐出部に挿通される先端部と、前記ボディ内に収容され前記先端部より径方向外側に膨出された胴部と、を有し、
前記ボディには、前記ノズル吐出部の開口面積と略同一の断面積で形成されるとともに、前記胴部の一部である圧力キャンセル部を挿通可能な挿通孔が形成され、
前記ボディと前記アクチュエータとの間に背圧室が形成され、
前記ニードルには、前記背圧室と前記ノズル吐出部の下流側との間を連通する連通孔が形成されていることを特徴とするエゼクタ。
【請求項２】
前記圧力キャンセル部は、断面円形のピストン状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエゼクタ。
【請求項３】
前記圧力キャンセル部は、軸方向に直交する断面積が前記ノズル吐出部の開口面積よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエゼクタ。
【請求項４】
前記ノズルは、軸に直交するように配された平板状のノズルボディに前記ノズル吐出部が形成され、
前記ノズル吐出部の周縁に前記ディフューザから離間する方向に突出した弁体が設けられ、
前記ニードルの前記胴部における前記弁体に対向する位置に、該弁体と当接離反可能に構成された弁座が配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエゼクタ。
【請求項５】
前記主流が燃料電池に供給される燃料ガスであり、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエゼクタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１４０９０７（Ｐ２０１１−１４０９０７Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０２０（Ｐ２０１０−２０２０）
【出願日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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