燃料電池用エゼクタ装置
【課題】ノズル孔とニードルとの間の開口面積が最大となる位置を安定して且つ精度良く保持すること。
【解決手段】インレットポート３２ａを介して供給された水素を吐出するノズル孔６２ａを有するノズル６２と、前記ノズル孔６２ａから吐出される水素と循環通路２４を介して燃料電池１２から排出されて戻された水素オフガスとを混合するディフューザ７８と、エゼクタ本体２２ａに固定されるステータ５６と、前記ステータ５６に固定されて前記ノズル６２の中空部内に軸方向に沿って延在するニードル５８と、ノズル６２と一体的に変位するホルダ４８に設けられて前記ステータ５６と当接することにより、前記ノズル孔６２ａと前記ニードル５８の先端部の外周面との間隙６８における開口面積を最大位置に保持する環状フランジ部４８ｄとを備える。
【解決手段】インレットポート３２ａを介して供給された水素を吐出するノズル孔６２ａを有するノズル６２と、前記ノズル孔６２ａから吐出される水素と循環通路２４を介して燃料電池１２から排出されて戻された水素オフガスとを混合するディフューザ７８と、エゼクタ本体２２ａに固定されるステータ５６と、前記ステータ５６に固定されて前記ノズル６２の中空部内に軸方向に沿って延在するニードル５８と、ノズル６２と一体的に変位するホルダ４８に設けられて前記ステータ５６と当接することにより、前記ノズル孔６２ａと前記ニードル５８の先端部の外周面との間隙６８における開口面積を最大位置に保持する環状フランジ部４８ｄとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに組み込まれ、燃料電池から排出される燃料オフガスを新たに供給される燃料ガスと混合させて再循環させる燃料電池用エゼクタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池システムでは、燃料電池の発電効率を向上させるために、燃料電池から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を新たに供給される燃料ガス（水素ガス）と混合させて再循環させるエゼクタが用いられている。
【０００３】
この種のエゼクタに関し、例えば、特許文献１には、ノズルのノズル孔に沿って変位可能に設けられたニードルと、前記ノズルの内部に設けられ燃料供給管を介して燃料ガスが供給される流体通路と、前記ニードルの基端部に固定され前記流体通路の上流端を閉塞する第１ダイヤフラムと、前記ニードルの基端部に固定され前記第１ダイヤフラムと対向配置された第２ダイヤフラムとを設け、前記流体通路に供給される燃料ガスの圧力と、前記第１ダイヤフラムと前記第２ダイヤフラムとの間の室に供給される第１流体圧力と、前記第２ダイヤフラムと筐体との間の室に供給される第２流体圧力とによって、ノズルから吐出される流体流量を機械的に制御する可変流量エゼクタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２２７７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１に開示された可変流量エゼクタでは、ニードルや第１ダイヤフラムが燃料供給管を介して供給される燃料ガスの供給圧力の影響を受け易く、ノズル孔とニードルの外周面との間隙における開口面積の最大位置にニードルを精度良く保持することが困難となるおそれがある。
【０００６】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ノズル孔とニードルとの間の開口面積が最大となる位置を安定して且つ精度よく保持することが可能な燃料電池用エゼクタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通する燃料ガス供給通路に接続されるアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートとが設けられたエゼクタ本体と、前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、前記エゼクタ本体に固定されるステータと、前記ステータに固定されて前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルと、前記ノズルを前記ニードルの軸方向に沿って変位させる変位機構と、前記ノズルのノズル孔と前記ニードルの先端部の外周面との間隙における開口面積を最大位置に保持する最大位置保持手段とを備え、前記最大位置保持手段は、前記ノズルと一体的に変位するホルダに設けられて前記ステータと当接するフランジ部からなることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、ホルダに設けられたフランジ部がエゼクタ本体に固定されたステータに当接（着座）することにより、ノズル孔とニードルとの間隙における開口面積が最大となる位置に安定して且つ精度よく保持することができる。この結果、本発明では、ノズルのノズル孔から吐出される燃料ガスの安定した流量制御特性を得ることができる。
【０００９】
換言すると、本発明では、ノズル及びホルダが一体的に変位した後に初期状態に復帰する際、前記ホルダのフランジ部がエゼクタ本体に固定されたステータに当接するだけで、燃料ガス（水素）が吐出される間隙を最大開口面積に容易に設定することができる。従って、本発明では、例えば、電磁弁等の電気的な制御によりノズルとニードルとを相対的に変位させて最大開口面積を設定することが不要となる。この結果、本発明では、電気的な制御を不要として消費電力を抑制することができると共に、簡素な機械的構造によって簡便に製造することができる。
【００１０】
また、本発明によれば、ホルダには、ステータの外径面に沿って摺動しホルダを軸方向に沿って案内するガイド部が設けられることにより、ノズルとニードルとの同芯度を確保しながらホルダ及びノズルを円滑に一体的に変位させることができる。
【００１１】
さらに、本発明によれば、ガイド部がフランジ部と略直交する方向に延在し且つフランジ部と一体的に近接して設けられることにより、部品点数を削減して製造コストを低減させることができると共に、ホルダのフランジ部がガイド部によって案内されながらステータに当接した際、当接時における振動がガイド部側に伝播して振動の発生が抑制される。従って、当接時に発生する振動が図示しない燃料電池自動車の車室内に伝達されることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、ノズル孔とニードルとの間の開口面積が最大となる位置を安定して且つ精度よく保持することが可能な燃料電池用エゼクタ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係るエゼクタが組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図である。
【図２】前記エゼクタの軸方向に沿った縦断面図である。
【図３】前記エゼクタを構成するノズル及びホルダの概略説明図である。
【図４】図２のエゼクタにおいて、ノズル及びホルダが一体的に変位してノズル孔の開口面積が変化した状態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るエゼクタが組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図である。
【００１５】
図１に示されるように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、内部に高圧の水素ガスが充填され、前記燃料電池１２に対し燃料ガスとして前記水素ガスを供給する水素タンク（燃料ガス供給手段）１４と、前記燃料電池１２に対して酸化剤ガス（酸素）を含む圧縮エアを供給するエアコンプレッサ１６と、前記燃料電池１２から排出された未反応の水素を気体（水素）と液体（水）とに分離すると共に、前記分離された水素を、前記燃料電池１２から排出される未反応のエアによって希釈する気液分離及び希釈部１８とを備えて構成される。
【００１６】
燃料電池１２は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）からなり、図示しない燃料電池自動車等の車両に搭載される。この燃料電池１２は、複数の単セル（図示せず）が積層して構成された図示しないスタック本体を有し、燃料ガスとして水素が供給されるアノードと、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含むエアが供給されるカソードとを備える。
【００１７】
前記水素タンク１４と前記燃料電池１２との間には、水素供給通路（燃料ガス供給通路）２０が設けられ、前記水素供給通路２０中には、燃料電池用エゼクタ装置として機能するエゼクタ２２が配設される。このエゼクタ２２は、燃料電池１２から排出された燃料オフガスである未反応の水素（以下、水素オフガスという）をフィードバックさせる循環通路２４に接続され、水素タンク１４から新たに供給される水素と燃料電池１２からフィードバックされる水素オフガスとを混合させて燃料電池１２に対して再供給（再循環）するものである。
【００１８】
なお、前記水素タンク１４と前記エゼクタ２２との間には、エアコンプレッサ１６からのエアをパイロット圧信号として導入し、燃料電池１２に対して供給される水素の圧力を所定圧力に調圧するレギュレータ等を含む水素圧力調圧部（図示せず）が設けられる。
【００１９】
前記エアコンプレッサ１６と前記燃料電池１２との間には、エア供給通路２６が設けられ、前記エア供給通路２６には、前記エアコンプレッサ１６から供給された乾燥エアを加湿する加湿器２８が配設される。前記加湿器２８によって加湿されたエアは、エア供給通路２６を介して燃料電池１２のカソード側に導入される。
【００２０】
また、前記エアコンプレッサ１６と前記加湿器２８との間には、エア供給通路２６から分岐する分岐通路３０が設けられる。前記分岐通路３０の下流側は、エゼクタ２２に接続され、前記分岐通路３０を介して供給されるエア（圧縮エア）は、前記エゼクタ２２に対してエア信号圧として導入される。
【００２１】
前記気液分離及び希釈部１８には、例えば、燃料電池１２のアノードに溜まった水やカソードから電解質膜を透過してアノードに混入した窒素ガスを含む燃料ガスを図示しない希釈器側にパージする図示しない水素パージ弁や、燃料電池１２から排出される水分を含んだ水素ガスを、水素と水とに分離する図示しないキャッチタンクや、前記キャッチタンクに溜まったドレンを排出する管路を開閉する図示しないドレン弁等が設けられる。
【００２２】
次に、エゼクタ２２について説明する。図２は、前記エゼクタの軸方向に沿った縦断面図、図３は、前記エゼクタを構成するノズル及びホルダの概略説明図である。
図２に示されるように、このエゼクタ２２は、エゼクタ本体２２ａを有し、前記エゼクタ本体２２ａは、後記するように複数のブロック体が一体的に結合されて構成される。
【００２３】
前記エゼクタ本体２２ａは、図示しないフィルタを介して水素供給通路２０に接続され水素タンク１４から比較的高圧な水素が供給されるインレットポート３２ａと、燃料電池１２に連通する水素供給通路２０に接続され前記水素タンク１４から供給された水素と水素オフガスとが混合された混合ガスが排出されるアウトレットポート３２ｂとを有する。
【００２４】
また、エゼクタ本体２２ａは、循環通路２４に接続され前記循環通路２４を介して水素オフガスが吸入される吸引ポート３２ｃと、分岐通路３０に接続され前記分岐通路３０を介してエアコンプレッサ１６から導出されたエアが供給されるエア供給ポート３２ｄと、大気に連通する呼吸ポート３２ｅとを有する。
【００２５】
前記エゼクタ本体２２ａは、エア供給ポート３２ｄが設けられた第１ブロック体３４ａと、呼吸ポート３２ｅが設けられた第２ブロック体３４ｂと、第３ブロック体３４ｃと、インレットポート３２ａが設けられた第４ブロック体３４ｄと、アウトレットポート３２ｂ及び吸引ポート３２ｃが設けられた第５ブロック体３４ｅとを有する。前記第１〜第３ブロック体３４ａ〜３４ｃは、周方向に沿って所定角度離間する複数の第１固定用ボルト３６によって一体的に締結され、また、第３〜第５ブロック体３４ｃ〜３４ｅは、周方向に沿って所定角度離間する複数の第２固定用ボルト３８によって一体的に締結される。
【００２６】
第１ブロック体３４ａと第２ブロック体３４ｂとの間には、比較的大径な第１ダイヤフラム４０が配設され、前記第１ダイヤフラム４０の外周縁部が第１ブロック体３４ａと第２ブロック体３４ｂによって挟持される。また、第３ブロック体３４ｃと第４ブロック体３４ｄとの間には、比較的小径な第２ダイヤフラム４２が第１ダイヤフラム４０と対向して配設され、前記第２ダイヤフラム４２の外周縁部が第３ブロック体３４ｃと第４ブロック体３４ｄによって挟持される。さらに、第４ブロック体３４ｄと第５ブロック体３４ｅとの間には、比較的小径な第３ダイヤフラム４４が第２ダイヤフラム４２と対向して配設され、前記第３ダイヤフラム４４の外周縁部が第４ブロック体３４ｄと第５ブロック体３４ｅとの間で挟持される。この場合、第２ダイヤフラム４２と第３ダイヤフラム４４の受圧面積は、略同一に設定される。
【００２７】
また、エゼクタ本体２２ａの内部には、第１ダイヤフラム４０を表裏両面で挟持する円板部５５ａが設けられた第１保持部材４６ａ及び第２保持部材４６ｂと、第２ダイヤフラム４２を表裏両面で挟持する円板部５５ａが設けられた第２保持部材４６ｂ及び第３保持部材４６ｃと、前記第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃの中心部を貫通し前記第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃを一体的に保持するホルダ４８と、ワッシャを介して前記ホルダ４８のねじ部に締結されるナット部材５０と、複数のボルト５２によってエゼクタ本体２２ａの第４ブロック体３４ｄに固定され、ホルダ４８の一端部が臨む環状凹部５４が形成されたステータ５６とがそれぞれ設けられる。
【００２８】
さらに、エゼクタ本体２２ａの内部には、前記ステータ５６の孔部に基端部が固定され、後記するノズル６２の中空部内に軸方向に沿って延在するニードル５８と、前記ステータ５６の貫通孔６０に挿通されてホルダ４８とノズル６２とを連結する連結用ボルト６４と、前記連結用ボルト６４を介してホルダ４８と連結され、ニードル５８の先端部５８ａが臨むノズル孔６２ａが形成されたノズル６２と、ノズル６２の内壁に固定されて前記ノズル６２と一体的に変位し、前記ニードル５８に沿って摺動する摺動孔６６ａ及び流体が流通する流通孔６６ｂを有する軸受部材６６とがそれぞれ設けられる。この場合、第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃは、ホルダ４８の段部４８ｂとナット部材５０との間で一体的に締結される。
【００２９】
本実施形態では、エゼクタ本体２２ａに固定されたステータ５６によってニードル５８が保持されて固定側とし、連結用ボルト６４を介してホルダ４８にノズル６２が連結されて前記ホルダ４８及びノズル６２が一体的に変位する可動側としているが、前記とは反対に、ノズル６２が固定側でニードル５８を可動側としてノズル６２とニードル５８とが相対的に変位するように設けられるようにしてもよい。
【００３０】
なお、第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４、第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃ、ホルダ４８及び連結用ボルト６４は、ノズル６２をニードル５８の軸方向に沿って変位させる変位機構として機能するものである。
【００３１】
ホルダ４８は、図３に示されるように、軸方向に沿って所定長だけ延在するロッド部４８ａと、前記ロッド部４８ａに連続し前記ロッド部４８ａの外周面から半径外方向に僅かに拡径する環状の段部４８ｂと、前記段部４８ｂに連続しスリーブ状に形成されたガイド部４８ｃと、前記ガイド部４８ｃの外周面から半径外方向に向かって所定長だけ突出する環状フランジ部４８ｄとを有する。
【００３２】
この場合、ホルダ４８の環状フランジ部４８ｄは、最大位置保持手段（フランジ部）として機能するものであり、前記環状フランジ部４８ｄがステータ５６の円板部５６ａに当接してその変位が規制されることにより、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積を最大位置に保持（設定）することができる。なお、ステータ５６の円板部５６ａに当接するホルダ４８の部位は、環状フランジ部４８ｄに限定されるものではなく、非環状のフランジ部であってもよい。
【００３３】
また、ホルダ４８のガイド部４８ｃは、前記ホルダ４８がノズル６２と一体的に変位する際、ステータ５６の外径面５６ｂに沿って摺動することにより、前記ホルダ４８を軸方向に沿って案内する機能を営む。また、前記ガイド部４８ｃは、環状フランジ部４８ｄと略直交する方向に延在し前記環状フランジ部４８ｄと一体的に近接して設けられる。
【００３４】
図２に戻り、第１ブロック体３４ａの内壁と第１ダイヤフラム４０とに仕切られて第１室７０ａが形成され、前記第１室７０ａはエア供給ポート３２ｄと連通するように設けられる。また、第１ダイヤフラム４０と第２ダイヤフラム４２とに仕切られて第２室７０ｂが形成され、前記第２室７０ｂは、呼吸ポート３２ｅと連通するように設けられる。さらに、第２ダイヤフラム４２と第３ダイヤフラム４４とに仕切られて第３室７０ｃが形成され、前記第３室７０ｃは、インレットポート３２ａと連通するように設けられる。さらにまた、第４ブロック体３４ｄの内壁と第３ダイヤフラム４４に仕切られて第４室７０ｄが形成され、前記第４室７０ｄは、吸引ポート３２ｃと連通するように設けられる。
【００３５】
第１室７０ａには、一端部がエンドキャップ７１に係着され他端部が第１保持部材４６ａに係着される第１ばね部材７２ａが設けられ、前記第１ばね部材７２ａは、ばね力によって第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃ及びホルダ４８をノズル６２側に向かって押圧（付勢）するように設けられる。また、第４室７０ｄには、一端部がリテーナ７４に係着され他端部が第４ブロック体３４ｄの内壁の受座面７６に係着される第２ばね部材７２ｂが設けられる。前記第２ばね部材７２ｂは、ばね力によってノズル６２をホルダ４８側に向かって押圧（付勢）するように設けられる。
【００３６】
この場合、第１ばね部材７２ａのばね力は、第２ばね部材７２ｂのばね力よりも大きく設定され、第１室７０ａ及び第４室７０ｄ内に圧力流体が供給されていない場合、第１ばね部材７２ａと第２ばね部材７２ｂとのばね力の差によってホルダ４８の環状フランジ部４８ｄがステータ５６の円板部５６ａに当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された初期状態にある。
【００３７】
さらに前記エゼクタ本体２２ａの第４ブロック体３４ｄの内部には、前記ノズル６２の軸方向に沿った一端部側に配設され、前記ノズル６２と同軸状に設けられたディフューザ７８を有する。
【００３８】
前記ニードル５８は、図３に示されるように、ノズル孔６２ａに臨み、鋭く尖った頂点を含む先端部５８ａと、前記先端部５８ａから延在する小径部５８ｂと、前記小径部５８ｂから延在し徐々に拡径するテーパ部５８ｃと、前記テーパ部５８ｃから延在し軸方向に沿って外径が略一定に設定される外径部５８ｄとを有する。
【００３９】
図２に戻り、ディフューザ７８は、ノズル孔６２ａを有するノズル６２の一部を囲繞するラッパ状の拡径部７８ａと、前記拡径部７８ａに連続する円筒体からなり内部にアウトレットポート３２ｂに向かって徐々に拡径する直線状の通路を有するスロート部７８ｂとから構成される。
【００４０】
この場合、ノズル６２、ニードル５８及びディフューザ７８は、それぞれ同軸（３者の軸線が一致する）となるように配設される。前記ノズル６２と前記ディフューザ７８との間には、吸入室８０が形成され、前記吸入室８０は、吸引ポート３２ｃと連通するように設けられる。
【００４１】
第１室７０ａ内に導入されるエア信号圧と第４室７０ｄ内に導入される水素オフガスの圧力との関係で、第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４が撓曲することによりホルダ４８及びノズル６２が一体的に矢印Ｘ１方向に変位し、ディフューザ４８に向かって水素が噴射されるノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａとの間隙６８における開口面積を変化させることができる。
【００４２】
本実施形態に係るエゼクタ２２が組み込まれた燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００４３】
先ず、燃料電池１２の発電停止時には、図示しない遮断弁によって水素タンク１４から水素の供給が遮断され、エゼクタ２２のインレットポート３２ａに対する水素の供給が停止された状態にある。同時に、エアコンプレッサ１６の駆動が停止された状態にあり、エゼクタ２２のエア供給ポート３２ｄに対する圧縮エアの供給が停止された状態にある。
【００４４】
この場合、第１ばね部材７２ａのばね力は、第２ばね部材７２ｂのばね力よりも大きく設定されているため、第１ばね部材７２ａと第２ばね部材７２ｂとのばね力の差によってホルダ４８の環状フランジ部４８ｄがステータ５６の円板部５６ａに当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された初期状態にある（図２参照）。
【００４５】
この初期状態では、図３の実線で示されるように、ニードル５８の先端部５８ａがノズル孔６２ａから外部に向かって僅かに突出する。従って、水素が吐出されるノズル孔６２ａの開口面積（間隙６８）は、ノズル孔６２ａの内径面積からニードル５８の先端部５８ａの外径面積が減算されたものとなる。
【００４６】
一方、燃料電池１２の発電時では、図示しない遮断弁が開弁状態となって、水素タンク１４から水素供給通路２０を介して燃料電池１２のアノードに対して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ１６が駆動され、加湿器２８で加湿されたエアがエア供給通路２６を介して燃料電池１２のカソードに供給される。
【００４７】
エゼクタ２２では、水素タンク１４からの比較的高圧な水素がインレットポート３２ａを通じて供給され、エゼクタ本体２２ａ内で第２ダイヤフラム４２と第３ダイヤフラム４４で仕切られた第３室７０ｃに供給される。同時に、エアコンプレッサ１６からの圧縮エアが分岐通路３０及びエア供給ポート３２ｄを通じて第１ダイヤフラム４０で仕切られた第１室７０ａ内に供給される。
【００４８】
その際、第４室７０ｄ内に導入される水素オフガスの圧力が第１室７０ａ内の圧縮エアの圧力（エア信号圧）以下であるとき、初期状態と同様に、ホルダ４８の環状フランジ部４８ｄがステータ５６の円板部５６ａに当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された状態に継続される。
【００４９】
エゼクタ２２の第３室７０ｃ内に導入された水素は、さらに、ノズル６２に内嵌された軸受部材６６の流通孔６６ｂを介してノズル６２の中空部内に導入された後、ノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの間隙６８（最大開口面積）を通じてディフューザ７８側に向かって吐出される。このノズル孔６２ａによって流量が絞られて加速された水素は、ディフューザ７８のスロート部７８ｂに沿って流通し、アウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０に沿って燃料電池１２に供給される。
【００５０】
同時に、ノズル６２のノズル孔６２ａの先端からディフューザ７８に向かって水素が噴射（吐出）される際、ノズル６２とディフューザ７８の拡径部７８ａとの間の部位において、いわゆるジェットポンプ効果によって負圧作用が発生する。この負圧作用によって吸入室８０内の水素オフガスが吸い込まれ、ノズル６２から吐出された水素と吸引ポート３２ｃを通じて吸引された水素オフガスとがディフューザ７８で混合され、アウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０に導出される。
【００５１】
図４は、図２のエゼクタにおいて、ノズル及びホルダが一体的に変位してノズル孔の開口面積が変化した状態を示す縦断面図である。
燃料電池１２の運転状態において、分岐通路３０及びエア供給ポート３２ｄを介して第１室７０ａ内に導入された圧縮エアの圧力（エア信号圧）に対して、吸引ポート３２ｃを介して導入された第４室７０ｄ内の水素オフガスの圧力が高くなった場合、水素オフガスによる押圧力が第１ばね部材７２ａのばね力に打ち勝って第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４を撓曲させ、ホルダ４８のガイド部４８ｃの案内作用下に、ホルダ４８及びノズル６２が矢印Ｘ１方向に沿って一体的に変位する（図４参照）。
【００５２】
従って、図３の二点鎖線で示されるように、ニードル５８の先端部５８ａ、小径部５８ｂ及びテーパ部５８ｃは、ノズル６２のノズル孔６２ａの先端から外部に突出して露呈した状態となる。この結果、ノズル６２の中空部内に導入された水素は、ノズル孔６２ａの微小な間隙６８を通じてディフューザ７８に向かって吐出されるため、比較的小流量の水素を燃料電池１２に対して供給することができる。このように、ホルダ４８及びノズル６２の変位によって、比較的大流量の水素の供給から比較的小流量の水素の供給へ切り換えることができる。
【００５３】
本実施形態では、ステータ５６の円板部５６ａに当接してホルダ４８の変位を規制する環状フランジ部４８ｄを、ホルダ４８の半径外方向に向かって突出して形成された部位に設けている。本実施形態では、ホルダ４８に環状フランジ部４８ｄを設けることにより、第１室７０ａと第４室７０ｄとの圧力関係によってホルダ４８及びノズル６２が一体的に矢印Ｘ１方向に向かって変位した後、第１ばね部材７２ａのばね力によって矢印Ｘ２方向に向かって変位して再び初期状態に復帰する際、ホルダ４８に設けられた環状フランジ部４８ｄがステータ５６の円板部５６ａに当接（着座）することにより、ノズル孔６２ａとニードル５８との間隙６８における開口面積が最大となる位置に安定して且つ精度よく保持することができる。この結果、本実施形態では、ノズル６２のノズル孔６２ａから吐出される水素の安定した流量制御特性を得ることができる。
【００５４】
換言すると、本実施形態では、ノズル６２と共に変位するホルダ４８の環状フランジ部４８ｄが初期状態に復帰する際、ホルダ４８の環状フランジ部４８ｄをエゼクタ本体２２ａに固定されたステータ５６の円板部５６ａに当接させるだけで、水素が吐出される間隙６８を最大開口面積に容易に設定することができ、例えば、電磁弁等の電気的な制御によりノズル６２とニードル５８とを相対的に変位させて最大開口面積を設定することが不要となる。この結果、本実施形態では、電気的な制御を不要として消費電力を抑制することができると共に、簡素な機械的構造によって簡便に製造することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、分岐通路３０及びエア供給ポート３２ｄを介して供給される圧縮エアによって第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４を撓曲させ前記第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４に連動してホルダ４８及びノズル６２を変位させることにより、電気的な制御を不要として消費電力をより一層抑制することができる。
【００５６】
さらに、本実施形態では、ステータ５６の外径面５６ｂに沿って摺動し前記ホルダ４８を軸方向に沿って案内するガイド部４８ｃがホルダ４８に設けられることにより、ノズル６２とニードル５８との同芯度を確保しながらホルダ４８及びノズル６２を円滑に変位させることができる。この場合、ホルダ４８のガイド部４８ｃがステータ５６の環状凹部５４内に進入可能に設けられることにより、ステータ５６の外径面５６ｂを摺動するガイド部４８ｃの長さを延長させてガイド機能を増大させることができる。
【００５７】
さらにまた、本実施形態では、ガイド部４８ｃが環状フランジ部４８ｄと略直交する方向に延在し且つ環状フランジ部４８ｄと一体的に近接して設けられることにより、部品点数を削減して製造コストを低減させることができると共に、ホルダ４８の環状フランジ部４８ｄがガイド部４８ｃによって案内されながらステータ５６の円板部５６ａに当接した際、当接時における振動がガイド部４８ｃ側に伝播して振動の発生が抑制される。従って、当接時に発生する振動が図示しない燃料電池自動車の車室内に伝達されることを抑制することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 燃料電池システム １２ 燃料電池
１４ 水素タンク（燃料ガス供給手段）
２０ 水素供給通路（燃料ガス供給通路
２２ エゼクタ（燃料電池用エゼクタ装置） ２２ａ エゼクタ本体
２４ 循環通路 ３２ａ インレットポート
３２ｂ アウトレットポート ３２ｃ 吸引ポート
４０、４２、４４ ダイヤフラム（変位機構）
４８ ホルダ ４８ｃ ガイド部
４８ｄ 環状フランジ部（最大位置保持手段） ５６ ステータ
５６ｂ 外径面 ５８ ニードル
５８ａ 先端部 ６２ ノズル
６２ａ ノズル孔 ６８ 間隙
７８ ディフューザ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに組み込まれ、燃料電池から排出される燃料オフガスを新たに供給される燃料ガスと混合させて再循環させる燃料電池用エゼクタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池システムでは、燃料電池の発電効率を向上させるために、燃料電池から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を新たに供給される燃料ガス（水素ガス）と混合させて再循環させるエゼクタが用いられている。
【０００３】
この種のエゼクタに関し、例えば、特許文献１には、ノズルのノズル孔に沿って変位可能に設けられたニードルと、前記ノズルの内部に設けられ燃料供給管を介して燃料ガスが供給される流体通路と、前記ニードルの基端部に固定され前記流体通路の上流端を閉塞する第１ダイヤフラムと、前記ニードルの基端部に固定され前記第１ダイヤフラムと対向配置された第２ダイヤフラムとを設け、前記流体通路に供給される燃料ガスの圧力と、前記第１ダイヤフラムと前記第２ダイヤフラムとの間の室に供給される第１流体圧力と、前記第２ダイヤフラムと筐体との間の室に供給される第２流体圧力とによって、ノズルから吐出される流体流量を機械的に制御する可変流量エゼクタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２２７７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１に開示された可変流量エゼクタでは、ニードルや第１ダイヤフラムが燃料供給管を介して供給される燃料ガスの供給圧力の影響を受け易く、ノズル孔とニードルの外周面との間隙における開口面積の最大位置にニードルを精度良く保持することが困難となるおそれがある。
【０００６】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ノズル孔とニードルとの間の開口面積が最大となる位置を安定して且つ精度よく保持することが可能な燃料電池用エゼクタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通する燃料ガス供給通路に接続されるアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートとが設けられたエゼクタ本体と、前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、前記エゼクタ本体に固定されるステータと、前記ステータに固定されて前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルと、前記ノズルを前記ニードルの軸方向に沿って変位させる変位機構と、前記ノズルのノズル孔と前記ニードルの先端部の外周面との間隙における開口面積を最大位置に保持する最大位置保持手段とを備え、前記最大位置保持手段は、前記ノズルと一体的に変位するホルダに設けられて前記ステータと当接するフランジ部からなることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、ホルダに設けられたフランジ部がエゼクタ本体に固定されたステータに当接（着座）することにより、ノズル孔とニードルとの間隙における開口面積が最大となる位置に安定して且つ精度よく保持することができる。この結果、本発明では、ノズルのノズル孔から吐出される燃料ガスの安定した流量制御特性を得ることができる。
【０００９】
換言すると、本発明では、ノズル及びホルダが一体的に変位した後に初期状態に復帰する際、前記ホルダのフランジ部がエゼクタ本体に固定されたステータに当接するだけで、燃料ガス（水素）が吐出される間隙を最大開口面積に容易に設定することができる。従って、本発明では、例えば、電磁弁等の電気的な制御によりノズルとニードルとを相対的に変位させて最大開口面積を設定することが不要となる。この結果、本発明では、電気的な制御を不要として消費電力を抑制することができると共に、簡素な機械的構造によって簡便に製造することができる。
【００１０】
また、本発明によれば、ホルダには、ステータの外径面に沿って摺動しホルダを軸方向に沿って案内するガイド部が設けられることにより、ノズルとニードルとの同芯度を確保しながらホルダ及びノズルを円滑に一体的に変位させることができる。
【００１１】
さらに、本発明によれば、ガイド部がフランジ部と略直交する方向に延在し且つフランジ部と一体的に近接して設けられることにより、部品点数を削減して製造コストを低減させることができると共に、ホルダのフランジ部がガイド部によって案内されながらステータに当接した際、当接時における振動がガイド部側に伝播して振動の発生が抑制される。従って、当接時に発生する振動が図示しない燃料電池自動車の車室内に伝達されることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、ノズル孔とニードルとの間の開口面積が最大となる位置を安定して且つ精度よく保持することが可能な燃料電池用エゼクタ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係るエゼクタが組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図である。
【図２】前記エゼクタの軸方向に沿った縦断面図である。
【図３】前記エゼクタを構成するノズル及びホルダの概略説明図である。
【図４】図２のエゼクタにおいて、ノズル及びホルダが一体的に変位してノズル孔の開口面積が変化した状態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るエゼクタが組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図である。
【００１５】
図１に示されるように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、内部に高圧の水素ガスが充填され、前記燃料電池１２に対し燃料ガスとして前記水素ガスを供給する水素タンク（燃料ガス供給手段）１４と、前記燃料電池１２に対して酸化剤ガス（酸素）を含む圧縮エアを供給するエアコンプレッサ１６と、前記燃料電池１２から排出された未反応の水素を気体（水素）と液体（水）とに分離すると共に、前記分離された水素を、前記燃料電池１２から排出される未反応のエアによって希釈する気液分離及び希釈部１８とを備えて構成される。
【００１６】
燃料電池１２は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）からなり、図示しない燃料電池自動車等の車両に搭載される。この燃料電池１２は、複数の単セル（図示せず）が積層して構成された図示しないスタック本体を有し、燃料ガスとして水素が供給されるアノードと、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含むエアが供給されるカソードとを備える。
【００１７】
前記水素タンク１４と前記燃料電池１２との間には、水素供給通路（燃料ガス供給通路）２０が設けられ、前記水素供給通路２０中には、燃料電池用エゼクタ装置として機能するエゼクタ２２が配設される。このエゼクタ２２は、燃料電池１２から排出された燃料オフガスである未反応の水素（以下、水素オフガスという）をフィードバックさせる循環通路２４に接続され、水素タンク１４から新たに供給される水素と燃料電池１２からフィードバックされる水素オフガスとを混合させて燃料電池１２に対して再供給（再循環）するものである。
【００１８】
なお、前記水素タンク１４と前記エゼクタ２２との間には、エアコンプレッサ１６からのエアをパイロット圧信号として導入し、燃料電池１２に対して供給される水素の圧力を所定圧力に調圧するレギュレータ等を含む水素圧力調圧部（図示せず）が設けられる。
【００１９】
前記エアコンプレッサ１６と前記燃料電池１２との間には、エア供給通路２６が設けられ、前記エア供給通路２６には、前記エアコンプレッサ１６から供給された乾燥エアを加湿する加湿器２８が配設される。前記加湿器２８によって加湿されたエアは、エア供給通路２６を介して燃料電池１２のカソード側に導入される。
【００２０】
また、前記エアコンプレッサ１６と前記加湿器２８との間には、エア供給通路２６から分岐する分岐通路３０が設けられる。前記分岐通路３０の下流側は、エゼクタ２２に接続され、前記分岐通路３０を介して供給されるエア（圧縮エア）は、前記エゼクタ２２に対してエア信号圧として導入される。
【００２１】
前記気液分離及び希釈部１８には、例えば、燃料電池１２のアノードに溜まった水やカソードから電解質膜を透過してアノードに混入した窒素ガスを含む燃料ガスを図示しない希釈器側にパージする図示しない水素パージ弁や、燃料電池１２から排出される水分を含んだ水素ガスを、水素と水とに分離する図示しないキャッチタンクや、前記キャッチタンクに溜まったドレンを排出する管路を開閉する図示しないドレン弁等が設けられる。
【００２２】
次に、エゼクタ２２について説明する。図２は、前記エゼクタの軸方向に沿った縦断面図、図３は、前記エゼクタを構成するノズル及びホルダの概略説明図である。
図２に示されるように、このエゼクタ２２は、エゼクタ本体２２ａを有し、前記エゼクタ本体２２ａは、後記するように複数のブロック体が一体的に結合されて構成される。
【００２３】
前記エゼクタ本体２２ａは、図示しないフィルタを介して水素供給通路２０に接続され水素タンク１４から比較的高圧な水素が供給されるインレットポート３２ａと、燃料電池１２に連通する水素供給通路２０に接続され前記水素タンク１４から供給された水素と水素オフガスとが混合された混合ガスが排出されるアウトレットポート３２ｂとを有する。
【００２４】
また、エゼクタ本体２２ａは、循環通路２４に接続され前記循環通路２４を介して水素オフガスが吸入される吸引ポート３２ｃと、分岐通路３０に接続され前記分岐通路３０を介してエアコンプレッサ１６から導出されたエアが供給されるエア供給ポート３２ｄと、大気に連通する呼吸ポート３２ｅとを有する。
【００２５】
前記エゼクタ本体２２ａは、エア供給ポート３２ｄが設けられた第１ブロック体３４ａと、呼吸ポート３２ｅが設けられた第２ブロック体３４ｂと、第３ブロック体３４ｃと、インレットポート３２ａが設けられた第４ブロック体３４ｄと、アウトレットポート３２ｂ及び吸引ポート３２ｃが設けられた第５ブロック体３４ｅとを有する。前記第１〜第３ブロック体３４ａ〜３４ｃは、周方向に沿って所定角度離間する複数の第１固定用ボルト３６によって一体的に締結され、また、第３〜第５ブロック体３４ｃ〜３４ｅは、周方向に沿って所定角度離間する複数の第２固定用ボルト３８によって一体的に締結される。
【００２６】
第１ブロック体３４ａと第２ブロック体３４ｂとの間には、比較的大径な第１ダイヤフラム４０が配設され、前記第１ダイヤフラム４０の外周縁部が第１ブロック体３４ａと第２ブロック体３４ｂによって挟持される。また、第３ブロック体３４ｃと第４ブロック体３４ｄとの間には、比較的小径な第２ダイヤフラム４２が第１ダイヤフラム４０と対向して配設され、前記第２ダイヤフラム４２の外周縁部が第３ブロック体３４ｃと第４ブロック体３４ｄによって挟持される。さらに、第４ブロック体３４ｄと第５ブロック体３４ｅとの間には、比較的小径な第３ダイヤフラム４４が第２ダイヤフラム４２と対向して配設され、前記第３ダイヤフラム４４の外周縁部が第４ブロック体３４ｄと第５ブロック体３４ｅとの間で挟持される。この場合、第２ダイヤフラム４２と第３ダイヤフラム４４の受圧面積は、略同一に設定される。
【００２７】
また、エゼクタ本体２２ａの内部には、第１ダイヤフラム４０を表裏両面で挟持する円板部５５ａが設けられた第１保持部材４６ａ及び第２保持部材４６ｂと、第２ダイヤフラム４２を表裏両面で挟持する円板部５５ａが設けられた第２保持部材４６ｂ及び第３保持部材４６ｃと、前記第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃの中心部を貫通し前記第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃを一体的に保持するホルダ４８と、ワッシャを介して前記ホルダ４８のねじ部に締結されるナット部材５０と、複数のボルト５２によってエゼクタ本体２２ａの第４ブロック体３４ｄに固定され、ホルダ４８の一端部が臨む環状凹部５４が形成されたステータ５６とがそれぞれ設けられる。
【００２８】
さらに、エゼクタ本体２２ａの内部には、前記ステータ５６の孔部に基端部が固定され、後記するノズル６２の中空部内に軸方向に沿って延在するニードル５８と、前記ステータ５６の貫通孔６０に挿通されてホルダ４８とノズル６２とを連結する連結用ボルト６４と、前記連結用ボルト６４を介してホルダ４８と連結され、ニードル５８の先端部５８ａが臨むノズル孔６２ａが形成されたノズル６２と、ノズル６２の内壁に固定されて前記ノズル６２と一体的に変位し、前記ニードル５８に沿って摺動する摺動孔６６ａ及び流体が流通する流通孔６６ｂを有する軸受部材６６とがそれぞれ設けられる。この場合、第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃは、ホルダ４８の段部４８ｂとナット部材５０との間で一体的に締結される。
【００２９】
本実施形態では、エゼクタ本体２２ａに固定されたステータ５６によってニードル５８が保持されて固定側とし、連結用ボルト６４を介してホルダ４８にノズル６２が連結されて前記ホルダ４８及びノズル６２が一体的に変位する可動側としているが、前記とは反対に、ノズル６２が固定側でニードル５８を可動側としてノズル６２とニードル５８とが相対的に変位するように設けられるようにしてもよい。
【００３０】
なお、第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４、第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃ、ホルダ４８及び連結用ボルト６４は、ノズル６２をニードル５８の軸方向に沿って変位させる変位機構として機能するものである。
【００３１】
ホルダ４８は、図３に示されるように、軸方向に沿って所定長だけ延在するロッド部４８ａと、前記ロッド部４８ａに連続し前記ロッド部４８ａの外周面から半径外方向に僅かに拡径する環状の段部４８ｂと、前記段部４８ｂに連続しスリーブ状に形成されたガイド部４８ｃと、前記ガイド部４８ｃの外周面から半径外方向に向かって所定長だけ突出する環状フランジ部４８ｄとを有する。
【００３２】
この場合、ホルダ４８の環状フランジ部４８ｄは、最大位置保持手段（フランジ部）として機能するものであり、前記環状フランジ部４８ｄがステータ５６の円板部５６ａに当接してその変位が規制されることにより、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積を最大位置に保持（設定）することができる。なお、ステータ５６の円板部５６ａに当接するホルダ４８の部位は、環状フランジ部４８ｄに限定されるものではなく、非環状のフランジ部であってもよい。
【００３３】
また、ホルダ４８のガイド部４８ｃは、前記ホルダ４８がノズル６２と一体的に変位する際、ステータ５６の外径面５６ｂに沿って摺動することにより、前記ホルダ４８を軸方向に沿って案内する機能を営む。また、前記ガイド部４８ｃは、環状フランジ部４８ｄと略直交する方向に延在し前記環状フランジ部４８ｄと一体的に近接して設けられる。
【００３４】
図２に戻り、第１ブロック体３４ａの内壁と第１ダイヤフラム４０とに仕切られて第１室７０ａが形成され、前記第１室７０ａはエア供給ポート３２ｄと連通するように設けられる。また、第１ダイヤフラム４０と第２ダイヤフラム４２とに仕切られて第２室７０ｂが形成され、前記第２室７０ｂは、呼吸ポート３２ｅと連通するように設けられる。さらに、第２ダイヤフラム４２と第３ダイヤフラム４４とに仕切られて第３室７０ｃが形成され、前記第３室７０ｃは、インレットポート３２ａと連通するように設けられる。さらにまた、第４ブロック体３４ｄの内壁と第３ダイヤフラム４４に仕切られて第４室７０ｄが形成され、前記第４室７０ｄは、吸引ポート３２ｃと連通するように設けられる。
【００３５】
第１室７０ａには、一端部がエンドキャップ７１に係着され他端部が第１保持部材４６ａに係着される第１ばね部材７２ａが設けられ、前記第１ばね部材７２ａは、ばね力によって第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃ及びホルダ４８をノズル６２側に向かって押圧（付勢）するように設けられる。また、第４室７０ｄには、一端部がリテーナ７４に係着され他端部が第４ブロック体３４ｄの内壁の受座面７６に係着される第２ばね部材７２ｂが設けられる。前記第２ばね部材７２ｂは、ばね力によってノズル６２をホルダ４８側に向かって押圧（付勢）するように設けられる。
【００３６】
この場合、第１ばね部材７２ａのばね力は、第２ばね部材７２ｂのばね力よりも大きく設定され、第１室７０ａ及び第４室７０ｄ内に圧力流体が供給されていない場合、第１ばね部材７２ａと第２ばね部材７２ｂとのばね力の差によってホルダ４８の環状フランジ部４８ｄがステータ５６の円板部５６ａに当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された初期状態にある。
【００３７】
さらに前記エゼクタ本体２２ａの第４ブロック体３４ｄの内部には、前記ノズル６２の軸方向に沿った一端部側に配設され、前記ノズル６２と同軸状に設けられたディフューザ７８を有する。
【００３８】
前記ニードル５８は、図３に示されるように、ノズル孔６２ａに臨み、鋭く尖った頂点を含む先端部５８ａと、前記先端部５８ａから延在する小径部５８ｂと、前記小径部５８ｂから延在し徐々に拡径するテーパ部５８ｃと、前記テーパ部５８ｃから延在し軸方向に沿って外径が略一定に設定される外径部５８ｄとを有する。
【００３９】
図２に戻り、ディフューザ７８は、ノズル孔６２ａを有するノズル６２の一部を囲繞するラッパ状の拡径部７８ａと、前記拡径部７８ａに連続する円筒体からなり内部にアウトレットポート３２ｂに向かって徐々に拡径する直線状の通路を有するスロート部７８ｂとから構成される。
【００４０】
この場合、ノズル６２、ニードル５８及びディフューザ７８は、それぞれ同軸（３者の軸線が一致する）となるように配設される。前記ノズル６２と前記ディフューザ７８との間には、吸入室８０が形成され、前記吸入室８０は、吸引ポート３２ｃと連通するように設けられる。
【００４１】
第１室７０ａ内に導入されるエア信号圧と第４室７０ｄ内に導入される水素オフガスの圧力との関係で、第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４が撓曲することによりホルダ４８及びノズル６２が一体的に矢印Ｘ１方向に変位し、ディフューザ４８に向かって水素が噴射されるノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａとの間隙６８における開口面積を変化させることができる。
【００４２】
本実施形態に係るエゼクタ２２が組み込まれた燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００４３】
先ず、燃料電池１２の発電停止時には、図示しない遮断弁によって水素タンク１４から水素の供給が遮断され、エゼクタ２２のインレットポート３２ａに対する水素の供給が停止された状態にある。同時に、エアコンプレッサ１６の駆動が停止された状態にあり、エゼクタ２２のエア供給ポート３２ｄに対する圧縮エアの供給が停止された状態にある。
【００４４】
この場合、第１ばね部材７２ａのばね力は、第２ばね部材７２ｂのばね力よりも大きく設定されているため、第１ばね部材７２ａと第２ばね部材７２ｂとのばね力の差によってホルダ４８の環状フランジ部４８ｄがステータ５６の円板部５６ａに当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された初期状態にある（図２参照）。
【００４５】
この初期状態では、図３の実線で示されるように、ニードル５８の先端部５８ａがノズル孔６２ａから外部に向かって僅かに突出する。従って、水素が吐出されるノズル孔６２ａの開口面積（間隙６８）は、ノズル孔６２ａの内径面積からニードル５８の先端部５８ａの外径面積が減算されたものとなる。
【００４６】
一方、燃料電池１２の発電時では、図示しない遮断弁が開弁状態となって、水素タンク１４から水素供給通路２０を介して燃料電池１２のアノードに対して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ１６が駆動され、加湿器２８で加湿されたエアがエア供給通路２６を介して燃料電池１２のカソードに供給される。
【００４７】
エゼクタ２２では、水素タンク１４からの比較的高圧な水素がインレットポート３２ａを通じて供給され、エゼクタ本体２２ａ内で第２ダイヤフラム４２と第３ダイヤフラム４４で仕切られた第３室７０ｃに供給される。同時に、エアコンプレッサ１６からの圧縮エアが分岐通路３０及びエア供給ポート３２ｄを通じて第１ダイヤフラム４０で仕切られた第１室７０ａ内に供給される。
【００４８】
その際、第４室７０ｄ内に導入される水素オフガスの圧力が第１室７０ａ内の圧縮エアの圧力（エア信号圧）以下であるとき、初期状態と同様に、ホルダ４８の環状フランジ部４８ｄがステータ５６の円板部５６ａに当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された状態に継続される。
【００４９】
エゼクタ２２の第３室７０ｃ内に導入された水素は、さらに、ノズル６２に内嵌された軸受部材６６の流通孔６６ｂを介してノズル６２の中空部内に導入された後、ノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの間隙６８（最大開口面積）を通じてディフューザ７８側に向かって吐出される。このノズル孔６２ａによって流量が絞られて加速された水素は、ディフューザ７８のスロート部７８ｂに沿って流通し、アウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０に沿って燃料電池１２に供給される。
【００５０】
同時に、ノズル６２のノズル孔６２ａの先端からディフューザ７８に向かって水素が噴射（吐出）される際、ノズル６２とディフューザ７８の拡径部７８ａとの間の部位において、いわゆるジェットポンプ効果によって負圧作用が発生する。この負圧作用によって吸入室８０内の水素オフガスが吸い込まれ、ノズル６２から吐出された水素と吸引ポート３２ｃを通じて吸引された水素オフガスとがディフューザ７８で混合され、アウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０に導出される。
【００５１】
図４は、図２のエゼクタにおいて、ノズル及びホルダが一体的に変位してノズル孔の開口面積が変化した状態を示す縦断面図である。
燃料電池１２の運転状態において、分岐通路３０及びエア供給ポート３２ｄを介して第１室７０ａ内に導入された圧縮エアの圧力（エア信号圧）に対して、吸引ポート３２ｃを介して導入された第４室７０ｄ内の水素オフガスの圧力が高くなった場合、水素オフガスによる押圧力が第１ばね部材７２ａのばね力に打ち勝って第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４を撓曲させ、ホルダ４８のガイド部４８ｃの案内作用下に、ホルダ４８及びノズル６２が矢印Ｘ１方向に沿って一体的に変位する（図４参照）。
【００５２】
従って、図３の二点鎖線で示されるように、ニードル５８の先端部５８ａ、小径部５８ｂ及びテーパ部５８ｃは、ノズル６２のノズル孔６２ａの先端から外部に突出して露呈した状態となる。この結果、ノズル６２の中空部内に導入された水素は、ノズル孔６２ａの微小な間隙６８を通じてディフューザ７８に向かって吐出されるため、比較的小流量の水素を燃料電池１２に対して供給することができる。このように、ホルダ４８及びノズル６２の変位によって、比較的大流量の水素の供給から比較的小流量の水素の供給へ切り換えることができる。
【００５３】
本実施形態では、ステータ５６の円板部５６ａに当接してホルダ４８の変位を規制する環状フランジ部４８ｄを、ホルダ４８の半径外方向に向かって突出して形成された部位に設けている。本実施形態では、ホルダ４８に環状フランジ部４８ｄを設けることにより、第１室７０ａと第４室７０ｄとの圧力関係によってホルダ４８及びノズル６２が一体的に矢印Ｘ１方向に向かって変位した後、第１ばね部材７２ａのばね力によって矢印Ｘ２方向に向かって変位して再び初期状態に復帰する際、ホルダ４８に設けられた環状フランジ部４８ｄがステータ５６の円板部５６ａに当接（着座）することにより、ノズル孔６２ａとニードル５８との間隙６８における開口面積が最大となる位置に安定して且つ精度よく保持することができる。この結果、本実施形態では、ノズル６２のノズル孔６２ａから吐出される水素の安定した流量制御特性を得ることができる。
【００５４】
換言すると、本実施形態では、ノズル６２と共に変位するホルダ４８の環状フランジ部４８ｄが初期状態に復帰する際、ホルダ４８の環状フランジ部４８ｄをエゼクタ本体２２ａに固定されたステータ５６の円板部５６ａに当接させるだけで、水素が吐出される間隙６８を最大開口面積に容易に設定することができ、例えば、電磁弁等の電気的な制御によりノズル６２とニードル５８とを相対的に変位させて最大開口面積を設定することが不要となる。この結果、本実施形態では、電気的な制御を不要として消費電力を抑制することができると共に、簡素な機械的構造によって簡便に製造することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、分岐通路３０及びエア供給ポート３２ｄを介して供給される圧縮エアによって第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４を撓曲させ前記第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４に連動してホルダ４８及びノズル６２を変位させることにより、電気的な制御を不要として消費電力をより一層抑制することができる。
【００５６】
さらに、本実施形態では、ステータ５６の外径面５６ｂに沿って摺動し前記ホルダ４８を軸方向に沿って案内するガイド部４８ｃがホルダ４８に設けられることにより、ノズル６２とニードル５８との同芯度を確保しながらホルダ４８及びノズル６２を円滑に変位させることができる。この場合、ホルダ４８のガイド部４８ｃがステータ５６の環状凹部５４内に進入可能に設けられることにより、ステータ５６の外径面５６ｂを摺動するガイド部４８ｃの長さを延長させてガイド機能を増大させることができる。
【００５７】
さらにまた、本実施形態では、ガイド部４８ｃが環状フランジ部４８ｄと略直交する方向に延在し且つ環状フランジ部４８ｄと一体的に近接して設けられることにより、部品点数を削減して製造コストを低減させることができると共に、ホルダ４８の環状フランジ部４８ｄがガイド部４８ｃによって案内されながらステータ５６の円板部５６ａに当接した際、当接時における振動がガイド部４８ｃ側に伝播して振動の発生が抑制される。従って、当接時に発生する振動が図示しない燃料電池自動車の車室内に伝達されることを抑制することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 燃料電池システム １２ 燃料電池
１４ 水素タンク（燃料ガス供給手段）
２０ 水素供給通路（燃料ガス供給通路
２２ エゼクタ（燃料電池用エゼクタ装置） ２２ａ エゼクタ本体
２４ 循環通路 ３２ａ インレットポート
３２ｂ アウトレットポート ３２ｃ 吸引ポート
４０、４２、４４ ダイヤフラム（変位機構）
４８ ホルダ ４８ｃ ガイド部
４８ｄ 環状フランジ部（最大位置保持手段） ５６ ステータ
５６ｂ 外径面 ５８ ニードル
５８ａ 先端部 ６２ ノズル
６２ａ ノズル孔 ６８ 間隙
７８ ディフューザ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通する燃料ガス供給通路に接続されるアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートとが設けられたエゼクタ本体と、
前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、
前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、
前記エゼクタ本体に固定されるステータと、
前記ステータに固定されて前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルと、
前記ノズルを前記ニードルの軸方向に沿って変位させる変位機構と、
前記ノズルのノズル孔と前記ニードルの先端部の外周面との間隙における開口面積を最大位置に保持する最大位置保持手段と、
を備え、
前記最大位置保持手段は、前記ノズルと一体的に変位するホルダに設けられて前記ステータと当接するフランジ部からなることを特徴とする燃料電池用エゼクタ装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用エゼクタ装置において、
前記ホルダには、前記ステータの外径面に沿って摺動し前記ホルダを軸方向に沿って案内するガイド部が設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池用エゼクタ装置において、
前記ガイド部は、前記フランジ部と略直交する方向に延在し前記フランジ部と一体的に設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ装置。
【請求項１】
燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通する燃料ガス供給通路に接続されるアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートとが設けられたエゼクタ本体と、
前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、
前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、
前記エゼクタ本体に固定されるステータと、
前記ステータに固定されて前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルと、
前記ノズルを前記ニードルの軸方向に沿って変位させる変位機構と、
前記ノズルのノズル孔と前記ニードルの先端部の外周面との間隙における開口面積を最大位置に保持する最大位置保持手段と、
を備え、
前記最大位置保持手段は、前記ノズルと一体的に変位するホルダに設けられて前記ステータと当接するフランジ部からなることを特徴とする燃料電池用エゼクタ装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用エゼクタ装置において、
前記ホルダには、前記ステータの外径面に沿って摺動し前記ホルダを軸方向に沿って案内するガイド部が設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池用エゼクタ装置において、
前記ガイド部は、前記フランジ部と略直交する方向に延在し前記フランジ部と一体的に設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−６９３１０（Ｐ２０１１−６９３１０Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２１８７８（Ｐ２００９−２２１８７８）
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（０００１４１９０１）株式会社ケーヒン (1,140)
【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４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（０００１４１９０１）株式会社ケーヒン (1,140)
【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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