(57)【要約】【課題】低流量域から高流量域まで安定して調圧できるエゼクタを提供すること。【解決手段】エゼクタは、ニードル７０の先端部７１とノズル８０の吐出口８４とを相対移動させることで、吐出口８４の開口面積を変化させて、ノズル８０から吐出される水素ガスの流量を調整する。ニードル７０の先端部７１には、吐出口８４に軸方向に沿って接近させることで開口面積を小さくする主テーパ部７７と、この主テーパ部７７の基端側に連続し、かつ、主テーパ部７７のテーパ角よりも小さいテーパ角を有する副テーパ部７６と、が形成される。また、バルブにより水素ガスの流れを遮断するようにニードル７０が起点Ａに位置するまでノズル８０を後退した状態において、吐出口８４の所定の基準点Ｐは、主テーパ部７７よりも基端側に位置しかつ副テーパ部７６に含まれる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ガスが導入される第１流体室と、
ニードルと、
当該ニードルを内部に収容し、前記第１流体室に導入された第１ガスを前記ニードルとの隙間に流通させて、吐出口から吐出するノズルと、
当該ノズルの先端側に設けられて第２ガスが導入される第２流体室と、
前記ノズルから吐出された第１ガスの負圧により前記第２流体室に導入される第２ガスを吸引して第１ガスに合流させるディフューザと、を備え、
前記ニードルの先端側と前記ノズルの吐出口とを相対移動させることで、当該吐出口の開口面積を変化させて、前記ノズルから吐出される第１ガスの流量を調整するエゼクタであって、
前記ニードルの先端側には、前記吐出口に接近させることで当該開口面積を小さくする主テーパ部と、当該主テーパ部の基端側に連続し、かつ、当該主テーパ部のテーパ角よりも小さいテーパ角を有する副テーパ部と、が形成され、
前記ニードルの基端側には、前記開口面積を小さくする方向へ前記ニードルの先端側と前記吐出口とを相対移動させると、前記ノズルの内壁面に接し、前記吐出口から吐出される第１ガスの流れを遮断するガス遮断手段が設けられ、
前記ガス遮断手段により第１ガスの流れを遮断した状態において、前記吐出口の所定の基準点は、前記主テーパ部よりも基端側に位置しかつ前記副テーパ部に含まれることを特徴とするエゼクタ。
【請求項２】
アノードガスおよびカソードガスを反応させて発電を行う燃料電池にアノードガスを供給するエゼクタであって、
前記エゼクタは、請求項１に記載のエゼクタであり、
前記ディフューザの送出口は、前記燃料電池に接続され、
前記第１流体室には、アノードガス供給源から第１ガスとしてアノードガスが導入され、
前記第２流体室には、第２ガスとして前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが導入され、
前記第３流体室には、前記第３ガスとしてのカソードガスが導入され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】
前記ノズルの基端側に設けられ、第３ガスが導入される第３流体室をさらに備え、
当該第３流体室に導入される第３ガスの圧力に基づいて、前記ニードルの先端側と前記ノズルの吐出口とを相対移動することにより、前記ノズルから吐出される第１ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載のエゼクタ。
【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。詳しくは、燃料電池システムに搭載されるエゼクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陰極）およびカソード電極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。このような燃料電池に対し、反応ガス供給装置によりアノード電極にアノードガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極にカソードガスとしてのエアを供給すると、電気化学反応により発電する。
【０００４】
燃料電池に供給する水素ガスには、例えば水素タンクに貯蔵しておいたものが用いられることが多いが、水素タンクから供給される水素ガスには発電に必要な量よりも多くの量の水素が含まれているため、燃料電池のアノード電極から排出されたガス（以下、「アノードオフガス」という）には、発電に供されず余剰となった水素が含まれている。そこで、燃料電池システムでは、循環装置を用いてアノードオフガスを回収するとともに、この回収したアノードオフガスを、水素タンクから供給された水素ガスに合流させて燃料電池に再び供給している。
【０００５】
以下、このような循環装置について、外部に動力源を必要とせず、ガスの圧力エネルギを利用して水素ガスとアノードオフガスとを合流する、いわゆる空圧駆動式のエゼクタを例に説明する（特許文献１参照）。
【０００６】
特許文献１に示されたエゼクタは、筐体と、この筐体内部に進退可能に設けられたニードルと、筐体内部に設けられニードルを収容する略筒状のノズルと、を備える。このようなエゼクタに対し、水素タンクからの水素ガスはノズル内部に導入され、ノズル内部のニードルとの隙間を流通して、ノズルの先端側の吐出口から吐出される。ここで、吐出口から吐出される水素ガスの流量や吐出圧は、ニードルの変位量に応じて調整することができる。一方アノードオフガスは、吐出口から吐出された水素ガスの負圧によりノズル外部の吐出口の近傍に導入され、吐出された水素ガスに合流されるようになっている。
【０００７】
一方、ニードルを変位させる機構として、ニードルの基端側には信号圧が導入される空気極圧導入室が設けられ、さらにこの空気極圧導入室に隣接して燃料極圧導入室が設けられ、この燃料極圧導入室にはアノードオフガスが配管を通して背圧として導入される。また、空気極圧導入室とノズル内部とは第１ダイアフラムで仕切られており、空気極圧導入室と燃料極導入室とは第２ダイアフラムで仕切られている。
【０００８】
このエゼクタによれば、空気極圧導入室と燃料極圧導入室との差圧に応じてノズル内部でニードルが進退され、これにより、ノズルの吐出口から吐出される水素ガスの流量および吐出圧が調整される。
【０００９】
図８は、従来のエゼクタ１００におけるノズル１１０の吐出口１１１とニードル１２０の先端部１２１との構造を示す断面図である。
ニードル１２０の進退に応じて吐出口１１１から吐出される水素ガスの流量を調整するため、ニードル１２０の先端部１２１のうち、吐出口１１１に重複する部分には、先端側へ向かうに従い縮径するテーパ部１２２が形成されている。このようなテーパ部１２２を設けることにより、ニードル１２０の進退に応じて吐出口１１１の開口面積を変化させて、吐出口１１１から吐出される水素ガスの流量を調整することができる。
【００１０】
また、図８において、点Ｘから点Ｙで示される区間は、ニードル１２０のストローク幅を示す。すなわち、この区間ＸＹは、吐出口１１１の所定の基準点Ｏを基準とした、ニードル１２０の軸方向に沿った可動範囲を示す。
【００１１】
ニードル１２０を起点Ｘまで前進させた状態では、ニードル１２０の先端部１２１と吐出口１１１との隙間、すなわち吐出口１１１の開口面積は最も小さくなる。なお、この状態では、ニードルの基端側に設けられた図示しないバルブにより水素ガスの流れが遮断させるようになっている。一方、ニードル１２０を終点Ｙまで後退させた状態では、吐出口１１１の開口面積は最も大きくなり、水素ガスの流量も最大となる。
【００１２】
また、従来のエゼクタ１００では、ニードル１２０やノズル１１０のものばらつきを考慮して、ニードル１２０の起点Ｘ側は、直線状に形成されている。ストローク幅内の起点Ｘ側にこのような直線状の区間ＸＺを形成することにより、起点Ｘの位置にばらつきが生じたとしても、最小の隙間を確実に確保することができるので、極低流量域における水素ガスの流量に、ばらつきが生じるのを防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【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】
【００１４】
ところで、ニードル１２０の起点Ｘからこのような直線状の区間を設けた場合、水素ガスの流れを遮断した状態から、ニードル１２０を後退させて、ニードル１２０のテーパ部１２２により水素ガスの流量の制御を開始するまでの間に、ニードル１２０を変位させても開口面積が最小のまま変化しない空走区間が発生することとなる。しかしながらこの場合、空走区間を経た後、吐出口１１１にテーパ部１２２が差し掛かり吐出口１１１の開口面積が変化し始める際に、水素ガスの吐出圧が不連続に変化する場合がある。
【００１５】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、低流量域から高流量域まで安定して調圧できるエゼクタ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】
【００１６】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、第１ガス（例えば、後述の水素ガス）が導入される第１流体室（例えば、後述の第１流体室６３）と、ニードル（例えば、後述のニードル７０）と、当該ニードルを内部に収容し、前記第１流体室に導入された第１ガスを前記ニードルとの隙間に流通させて、吐出口（例えば、後述の吐出口８４）から吐出するノズル（例えば、後述のノズル８０）と、当該ノズルの先端側に設けられて第２ガス（例えば、後述のアノードオフガス）が導入される第２流体室（例えば、後述の第２流体室６２）と、前記ノズルから吐出された第１ガスの負圧により前記第２流体室に導入される第２ガスを吸引して第１ガスに合流させるディフューザ（例えば、後述のディフューザ９３）と、を備え、前記ニードルの先端側と前記ノズルの吐出口とを相対移動させることで、当該吐出口の開口面積を変化させて、前記ノズルから吐出される第１ガスの流量を調整するエゼクタ（例えば、後述のエゼクタ５０）を提供する。前記ニードルの先端側には、前記吐出口に接近させることで当該開口面積を小さくする主テーパ部（例えば、後述の主テーパ部７７）と、当該主テーパ部の基端側に連続し、かつ、当該主テーパ部のテーパ角よりも小さいテーパ角を有する副テーパ部（例えば、後述の副テーパ部７６）と、が形成される。前記ニードルの基端側には、前記開口面積を小さくする方向へ前記ニードルの先端側と前記吐出口とを相対移動させると、前記ノズルの内壁面に接し、前記吐出口から吐出される第１ガスの流れを遮断するガス遮断手段（例えば、後述のバルブ７３）が設けられる。前記ガス遮断手段により第１ガスの流れを遮断した状態において、前記吐出口の所定の基準点（例えば、後述の基準点Ｐ）は、前記主テーパ部よりも基端側に位置しかつ前記副テーパ部に含まれる。
【００１７】
本発明によれば、ニードルの先端側に、吐出口に接近させることでこの吐出口の開口面積を小さくする主テーパ部と、この主テーパ部の基端側に連続し、かつ、主テーパ部よりも小さいテーパ角を有する副テーパ部と、を形成した。さらに、ガス遮断手段により第１ガスの流れを遮断した状態、すなわち、吐出口の開口面積が最も小さくなるようにニードルの先端側と吐出口とを相対移動させた状態において、吐出口の所定の基準点が主テーパ部よりも基端側に位置しかつ副テーパ部に含まれるようにした。
したがって、第１ガスの流れを遮断した状態から前記ニードルの先端側と吐出口とを離隔させると、吐出口は、小さなテーパ角を有する副テーパ部上を主テーパ部へ向かって移動するので、開口面積を徐々に大きくすることができる。このように、上述の空走区間を経ることなく副テーパ部で吐出口の開口面積を徐々に大きくすることにより、第１ガスの流量を制御する部分を、ガス遮断手段側からニードルの先端側のテーパ部へ滑らかに移行することができる。これにより、ノズルから吐出される第１ガスの吐出圧を滑らかに変化させることができる。したがって、第１ガスの低流量域から高流量域まで安定して調圧することができる。
また、副テーパ部と、この副テーパ部よりもテーパ角の大きい主テーパ部とを連続して設けることにより、ニードルの全長を短くすることができる。すなわち、短いストローク幅で第１ガスの流量や吐出圧を調整することができる。また、ストローク幅を短くすることにより、エゼクタの作動耐久性を向上することもできる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のエゼクタにおいて、前記エゼクタは、アノードガス（例えば、後述の水素ガス）およびカソードガス（例えば、後述のエア）を反応させて発電を行う燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）にアノードガスを供給する。前記ディフューザの送出口は、前記燃料電池に接続され、前記第１流体室には、アノードガス供給源（例えば、後述の水素タンク２２）から第１ガスとしてアノードガスが導入され、前記第２流体室には、第２ガスとして前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが導入され、前記第３流体室には、前記第３ガスとしてのカソードガスが導入される。
【００１９】
従来では、配管を用いて、アノードオフガスをニードルの基端側に背圧として導入するが、アノードオフガスには燃料電池で生成された水分が含まれるため、アノードオフガス内に含まれる水分が配管内で凍結し、エゼクタの性能が低下するおそれがある。しかしながら、本発明によれば、ノズルの先端側の第２流体室に導入されるアノードオフガスをノズルの基端側に導入しないので、アノードオフガスに含まれる水分が凍結しても、エゼクタの性能が低下するのを防止できる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のエゼクタにおいて、前記エゼクタは、前記ノズルの基端側に設けられ、第３ガス（例えば、後述のエア）が導入される第３流体室（例えば、後述の第３流体室６４）をさらに備える。前記エゼクタは、当該第３流体室に導入される第３ガスの圧力（例えば、後述のエア信号圧）に基づいて、前記ニードルの先端側と前記ノズルの吐出口とを相対移動することにより、前記ノズルから吐出される第１ガスの流量を調整する。
【００２１】
本発明によれば、第３流体室に導入される第３ガスの圧力に基づいて、ニードルの先端側とノズルの吐出口とを相対移動する。これにより、外部の動力源を用いずにノズルから吐出される第１ガスの流量を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るエゼクタが適用された燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】上記実施形態に係るエゼクタの構造を示す断面図である。
【図３】上記実施形態に係るノズルの吐出口とニードルの先端部とが互いに離隔する方向に相対移動した状態におけるエゼクタの断面図である。
【図４】上記実施形態に係るノズルの吐出口とニードルの先端部とが互いに接近する方向に相対移動した状態におけるエゼクタの断面図である。
【図５】上記実施形態に係るニードルの先端部およびノズルの先端部の構造を示す断面図である。
【図６】ストローク量と吐出口から吐出される水素ガスの流量との関係を示す図である。
【図７】吐出口から吐出される水素ガスの流量と吐出圧との関係を示す図である。
【図８】従来のエゼクタにおけるノズルの吐出口とニードルの先端部との構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエゼクタが適用された燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１は、車両に搭載され、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスやエア（空気）を供給する供給装置２０と、これらを制御する制御装置３０と、を有する。
【００２４】
このような燃料電池１０は、アノード電極（陰極）側にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陽極）側にカソードガスとしての酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。
【００２５】
供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給するエアポンプ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給するアノードガス供給源としての水素タンク２２およびエゼクタ５０と、燃料電池１０から排出されるガスを処理する希釈器２３と、を含んで構成される。
【００２６】
エアポンプ２１は、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。エア供給路４１は途中で分岐されており、この分岐した部分は、エア分岐路４１１となり、後述のエゼクタ５０に接続される。エア分岐路４１１には、オリフィス４１３と、エア分岐路４１１を流通するエアの流量を調整する流量調整バルブ４１２とが、上流側から下流側へ向かってこの順で設けられている。なお、この流量調整バルブ４１２には、例えば、エア分岐路４１１内のエアの排出するインジェクタが用いられる。燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路４２が接続され、このエア排出路４２の途中には、上述の希釈器２３が設けられる。
【００２７】
水素タンク２２は、水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。水素供給路４３には、上流側から順に、レギュレータ４３１、遮断弁４３２、およびエゼクタ５０が設けられる。燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路４４が接続され、この水素排出路４４は、希釈器２３に接続される。この水素排出路４４には、パージ弁４４１が設けられている。また、水素排出路４４のうちパージ弁４４１よりも燃料電池１０側では、水素排出路４４が分岐されて水素還流路４５となり、この水素還流路４５は、上述のエゼクタ５０に接続されている。また、水素還流路４５には、水素ガスの逆流を防止する逆止弁４５１が設けられている。このパージ弁４４１を開くことにより、水素排出路４４内の水素ガスは、希釈器２３に流入し、エア排出路４２内のエアで希釈されて排出される。
【００２８】
なお以下では、エア供給路４１と、エア分岐路４１１と、エア排出路４２とで構成されるエアの流路を総称してカソード系という。また、水素供給路４３と、水素排出路４４と、水素還流路４５とで構成される水素の循環流路を総称してアノード系という。
【００２９】
エゼクタ５０は、燃料電池１０から水素排出路４４に排出された水素オフガスを、水素還流路４５を通して回収し、水素供給路２５に還流する。ここで、エゼクタ５０は、エア分岐路４１１から導入するエアの圧力に基づいて、水素還流路４５から回収する水素ガス流量を調整する。
【００３０】
制御装置３０は、供給装置２０を制御して、燃料電池１０を発電させる。このとき、制御装置３０は、流量調整バルブ４１２を駆動することでアノード系内の圧力を調整する。具体的には、制御装置３０は、アノード系内の圧力を上昇させる場合には、流量調整バルブ４１２を駆動して、エゼクタ５０に導入するエア圧力を上昇させる。一方、アノード系内の圧力を低下させる場合には、流量調整バルブ４１２を駆動して、エゼクタ５０の導入するエア圧力を低下させる。
【００３１】
具体的には、制御装置３０は、以下の手順で燃料電池１０を発電させる。
すなわち、パージ弁４４１を閉じるとともに、遮断弁４３２を開く。そして、エアポンプ２１を駆動することにより、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。同時に、水素タンク２２から、水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。
【００３２】
燃料電池１０に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水とともに、水素排出路４４およびエア排出路４２に流入する。パージ弁４４１は閉じているので、水素排出路４４に流れた水素ガスは、水素還流路４５を通って水素供給路４３に還流されて、再利用される。
【００３３】
ここで、エアポンプ２１から供給されたエアの一部は、エア分岐路４１１にも流入する。流量調整バルブ４１２を駆動し、エア分岐路４１１を通ってエゼクタ５０に流入するエアの圧力を変化させることにより、アノード系内の圧力を調整する。
【００３４】
その後、パージ弁４４１を適当な開度で開くことにより、水素排出路４４に排出された水素ガスは、希釈器２３に流入する。この希釈器２３に流入した水素ガスは、希釈器２３において、エア排出路４２を流通するエアで希釈されて、外部に排出される。
【００３５】
図２は、エゼクタ５０の構造を示す断面図である。
エゼクタ５０は、筐体６０と、この筐体６０内部に固定されたニードル７０と、このニードル７０を収容する略筒状のノズル８０と、を備える。
【００３６】
ニードル７０は略棒状であり、その先端部７１は先端へ向かうに従い縮径するようにテーパ状に形成されている。なお、このニードル７０の先端部７１の詳細な構成については、後に図５を参照して説明する。
【００３７】
また、ニードル７０の略中央には、軸方向に対し垂直に延びる円盤状のバルブ７３が設けられており、このバルブ７３は、固定ねじ７４により、ニードル７０とともに筐体６０の内壁面に固定される。また、このバルブ７３には、挿通孔７５が形成されている。
【００３８】
ノズル８０は、ニードル７０の基端側に設けられた基端部８１と、ニードル７０の先端側に設けられた先端部８２と、これら基端部８１と先端部８２とを連結する連結ピン８８と、を備える。連結ピン８８は、カラーとともにバルブ７３に形成された挿通孔７５に挿通されている。
【００３９】
ノズル８０の先端部８２には、筐体６０の延出方向に沿って延びる貫通孔としてのノズル流路８３が形成されている。このノズル流路８３は、ニードル７０のバルブ７３よりも先端側を収容するとともに、その先端面は、吐出口８４となっている。このノズル流路８３の基端側には、円筒状の軸受８５が設けられている。また、ノズル８０の内壁面、すなわち先端部８２のうちバルブ７３に対向する面には、環状のゴムシール８６が設けられている。
一方、ノズル８０の基端部８１には、ニードル７０のバルブ７３よりも基端側を収容する凹部８７が形成されている。
【００４０】
ニードル７０のバルブ７３よりも先端側は、ノズル８０の先端部８２のノズル流路８３に挿入されて、軸受８５に支持される。一方、ニードル７０のバルブ７３よりも基端側は、ノズル８０の基端部８１の凹部８７に嵌合されて支持される。これにより、ニードル７０はノズル８０の内部に収容され、またノズル８０はニードル７０により同軸方向に進退可能に保持される。すなわち、ニードル７０の先端部７１とノズル８０の吐出口８４とは相対移動可能となる。
【００４１】
また、ノズル８０の前進する方向への移動は、ノズル８０の基端部８１がバルブ７３の基端側に接することにより規制される（後述の図３参照）。この状態で、ニードル７０の先端部７１とノズル８０の吐出口８４とは最も離隔した状態となる。
一方、ノズル８０の後退する方向への移動は、ニードル７０のバルブ７３がゴムシール８６に接することにより規制される（後述の図４参照）。この状態で、ノズル８０の吐出口８４とニードル７０の先端部７１とは最も接近した状態となる。
なお以下の説明では、ニードル７０のバルブ７３がノズル８０のゴムシール８６に接した状態から、ノズル８０が前進する方向へ変位した量をストローク量という。
【００４２】
以上のニードル７０およびノズル８０によれば、ノズル８０の基端部８１と先端部８２との間に導入された水素ガスは、ノズル流路８３内のニードル７０との隙間を流通して、ノズル８０の吐出口８４から吐出される。
【００４３】
筐体６０は、略筒状であり、この筐体６０の先端面には、送出口６１が形成される。この送出口６１には、水素供給路４３を介して燃料電池１０が接続される。
【００４４】
また、筐体６０には、ノズル８０を付勢してノズル８０とニードル７０との相対位置を保持する２つのばね９５，９６と、筐体６０の基端面に螺合されて、これらばね９５，９６の付勢力を調整する調整ねじ９２と、が設けられている。ばね９５は、ノズル８０を先端部８２側から基端部８１側へ向かって付勢する。一方ばね９６は、ばね９５とは逆に、ノズル８０を基端部８１側から先端部８２側へ向かって付勢する。
【００４５】
ノズル８０の外壁面と筐体６０の内壁面との間の空間は、ノズル８０の先端側に位置する第２流体室６２、ノズル８０の中央部側に位置する第１流体室６３、ノズル８０の基端側に位置する第３流体室６４の３つに仕切られている。つまり、第１流体室６３は、第２流体室６２と第３流体室６４との間に設けられている。
【００４６】
第１流体室６３と第２流体室６２とは、第１ダイアフラム６５で仕切られている。この第１ダイアフラム６５は、ノズル８０の先端部８２と筐体６０の内壁面との間に形成されている。第１流体室６３と第３流体室６４とは、第２ダイアフラム６６で仕切られている。この第２ダイアフラム６６は、ノズル８０の基端部８１と筐体６０の内壁面との間に形成されている。
【００４７】
すなわち、第１流体室６３は、第１ダイアフラム６５および第２ダイアフラム６６で仕切られて、ノズル８０の基端部８１と先端部８２との間に設けられることになる。また、これら第１ダイアフラム６５および第２ダイアフラム６６の面積は略同一となっている。
【００４８】
筐体６０には、第１流体室６３に連通する第１連通孔６７、第２流体室６２に連通する第２連通孔６８、および、第３流体室６４に連通する第３連通孔６９が形成されている。第１連通孔６７には、水素供給路４３を介して水素タンク２２が接続され、この第１連通孔６７を通して、水素タンク２２から第１ガスとしての水素ガスが第１流体室６３に導入される。そして、この第１流体室６３に導入された水素ガスは、ノズル８０に導入されて、ノズル８０の吐出口８４から吐出される。
【００４９】
第２連通孔６８には、水素還流路４５が接続され、この第２連通孔６８を通して、燃料電池１０から排出された第２ガスとしてのアノードオフガスが第２流体室６２に導入される。第３連通孔６９には、エア分岐路４１１が接続され、この第３連通孔６９を通して、第３ガスとしてのエアが第３流体室６４にエア信号圧として導入される。
【００５０】
筐体６０の先端側の形状は、ディフューザ９３となっており、ノズル８０の吐出口８４に接続されている。このディフューザ９３は、具体的には、筐体６０の内径が送出口６１に向かうに従い急激に狭くなり、その後、緩やかに拡がることにより形成される。ディフューザ９３は、ノズル８０の吐出口８４から吐出された水素ガスの流速を上昇させて送出口６１から送出し、この送出される水素ガスの負圧により、第２流体室６２に導入されるアノードオフガスを吸引して、吐出口８４から吐出される水素ガスに合流させる。
【００５１】
第３流体室６４がノズル８０の基端側に設けられているため、ニードル７０とノズル８０とは、第３流体室６４に導入されたエア信号圧により、それぞれの先端部７１と吐出口８４が互いに離隔する方向に相対移動される。一方、第２流体室６２がノズル８０の先端側に設けられているため、ニードル７０とノズル８０とは、第２流体室６２に導入されたアノードオフガスの圧力により、それぞれの先端部７１と吐出口８４が互いに接近する方向に相対移動される。すなわち、第３流体室６４に作用するエア信号圧をＰａｉｒとし、第２流体室に作用する水素ガスの吐出圧（アノード系内の圧力）をＰｏｕｔとし、第１ダイアフラム６５および第２ダイアフラム６６の面積をＳとし、ノズル８０を第３流体室６４側へ後退させる２つのばね９５，９６による付勢力をＦとすると、下記式が成立する。
Ｆ＝（Ｐａｉｒ−Ｐｏｕｔ）×Ｓ
【００５２】
したがって、第１ダイアフラム６５および第２ダイアフラム６６の面積を同一のものとすると、第３流体室６４と第２流体室６２との差圧（Ｐａｉｒ−Ｐｏｕｔ）は、ばね９５，９６による付勢力Ｆのみにより規定されることとなる。一方、ばね９５，９６による付勢力Ｆは、ノズル８０のストローク量、すなわちノズル８０とニードル７０との相対位置に応じて変化する。したがって、第３流体室６４と第２流体室６２との差圧（Ｐａｉｒ−Ｐｏｕｔ）に応じて、ニードル７０の先端部７１とノズル８０の吐出口８４との相対位置が変化し、その結果、後に詳述するように吐出口８４から吐出される水素ガスの流量や吐出圧が調整される。
【００５３】
次に、以上のように構成されたエゼクタ５０の動作について、図３および図４を参照して説明する。
図３および図４は、それぞれエゼクタ５０の動作を説明するための断面図である。より具体的には、図３は、ノズル８０の吐出口８４とニードル７０の先端部７１とが互いに離隔する方向に相対移動した状態におけるエゼクタ５０の断面図である。図４は、ノズル８０の吐出口８４とニードル７０の先端部７１とが互いに接近する方向に相対移動した状態におけるエゼクタ５０の断面図である。
【００５４】
第３流体室６４に導入されたエア信号圧が、所定値ここでは第２流体室６２に導入されたアノードオフガスの圧力よりも高い場合、図３に示すように、ノズル８０が前進する。そして、第１流体室６３に導入された水素ガスは、ノズル流路８３内のニードル７０との隙間、およびニードル７０の先端部７１と吐出口８４との隙間を流通して、ノズル８０から吐出される。ノズル８０から吐出された水素ガスは、ディフューザ９３により流速が上昇して送出口６１から送出される。第２流体室６２に導入されたアノードオフガスは、このように水素ガスを送出することで発生した負圧により吸引され、吐出口８４から吐出される水素ガスに合流する。
【００５５】
ここで、第３流体室６４に導入されたエア信号圧を上昇させると、ノズル８０がさらに前進する。そして、ノズル８０の吐出口８４とニードル７０のテーパ形状部７７との隙間、すなわち吐出口８４の開口面積が大きくなる。その結果、ノズル８０から吐出される水素ガス流量が増加し、アノード系内の圧力が上昇する。一方、第３流体室６４に導入されたエア信号圧を低下させると、吐出口８４の開口面積が小さくなる。その結果、ノズル８０から吐出される水素ガス流量が減少し、アノード系内の圧力が低下する。
【００５６】
また、第３流体室６４に導入されたエア信号圧が、所定値ここでは第２流体室６２に導入されるアノードオフガスの圧力以下である場合、図４に示すように、ノズル８０が後退する。そして、ニードル７０のバルブ７３がノズル８０の先端部８２のゴムシール８６に接し、第１流体室６３に導入された水素ガスの流れを遮断する。これにより、ノズル８０から吐出される水素ガスの流量はゼロになる。
【００５７】
次に、ニードル７０の先端部７１の構造について、図５を参照して詳細に説明する。
【００５８】
図５は、ニードル７０の先端部７１およびノズル８０の先端部８２の構造を示す断面図である。
ニードル７０の先端部７１には、基端側から先端側へ向かうに従い縮径するように、副テーパ部７６と主テーパ部７７とが形成されている。これにより、ニードル７０の先端部７１と吐出口８４とが接近する方向へニードル７０とノズル８０を相対移動させることで、吐出口８４の開口面積を小さくすることができる。また、ニードル７０の先端部７１と吐出口８４とを離隔する方向へニードル７０とノズル８０を相対移動させることで、吐出口８４の開口面積を大きくすることができる。
【００５９】
副テーパ部７６は、主テーパ部７７の基端側に連続して形成され、かつ、主テーパ部７７のテーパ角よりも小さなテーパ角を有する。副テーパ部７６は、主に、水素ガスの極低流量域における吐出口８４の開口面積を変化させる。この副テーパ部７６のテーパ角は、例えば５°に設定される。
【００６０】
主テーパ部７７は、主に、水素ガスの低流量域から高流量域における吐出口の開口面積を変化させる。この主テーパ部７７のテーパ角は、例えば４５°に設定される。また、これら主テーパ部７７と副テーパ部７６との接続部７８には、Ｒ面取りが施されている。これにより、ストローク量に応じて吐出口の開口面積をなだらかに変化させることができる。
【００６１】
図５において、点Ａから点Ｂで示される区間は、ニードル７０の軸方向に沿ったストローク幅、すなわち、ノズル８０の吐出口８４の所定の基準点Ｐを基準とした、ニードル７０の軸方向に沿った可動範囲を示す。つまり、点Ａはニードル７０の起点を示し、点Ｂはニードル７０の終点を示す。また、副テーパ部７６のテーパ面は点Ｃから点Ｄで示される区間に形成され、主テーパ部７７のテーパ面は点Ｅから点Ｆで示される区間に形成されている。なお、この吐出口８４の基準点Ｐは、吐出口８４の開口面積を定義する断面内に含まれる。
【００６２】
図５に示すように、ニードル７０の起点Ａは副テーパ部７６に含まれており、終点Ｂは主テーパ部７７に含まれている。つまり、ニードル７０が起点Ａに位置するまで（基準点Ｐと起点Ａが一致するまで）ノズル８０を後退させて、水素ガスの流れを遮断した状態では、吐出口８４の基準点Ｐは、主テーパ部７７よりも基端側に位置し、かつ、副テーパ部７６に含まれる。また、ニードル７０が終点Ｂに位置するまで（基準点Ｐが終点Ｂに一致するまで）ノズル８０を前進させた状態では、吐出口８４の基準点Ｐは、主テーパ部７７に含まれる。
【００６３】
次に、水素ガスの流量制御性および吐出圧制御性について、図６〜図８を参照して、本実施形態のエゼクタ５０と、従来のエゼクタ１００とを比較する。
【００６４】
図６は、ストローク量と吐出口から吐出される水素ガスの流量との関係を示す図である。図６において、破線は、従来のニードル１２０（上述の図８参照）を用いた場合における上記関係を示し、実線は、本実施形態のニードル７０を用いた場合における上記関係を示す。また、一点鎖線は、ニードルの基端側に設けられたバルブを用いた場合における上記関係を示す。
【００６５】
上述のようにストローク量がゼロのとき、水素ガスの流れはバルブにより遮断されているので、水素ガスの流量はゼロとなる。この状態からストローク量を増加すると、バルブがゴムシートから離れ、水素ガスの流量が増加する。水素ガスの流量が切替点に達すると、バルブとゴムシートとの隙間がニードルの先端部と吐出口との隙間よりも大きくなるため、水素ガスの流量を制御する部分は、バルブ側からニードルの先端部側に移行する。
【００６６】
ここで、従来のニードル１２０を用いた場合、流量を制御する部分がバルブ側からニードルの先端部側に移行した後、ストローク量を増加しても流量が変化しない空走区間が発生する。これに対して本実施形態のニードル７０を用いた場合、上述のような副テーパ部を形成することにより、吐出口の開口面積を徐々に大きくしながら流量を制御する部分をバルブ側からニードルの先端部側に移行できるので、移行した直後の極低流量域から、ストローク量の増加に応じて緩やかに流量を変化させることができる。
【００６７】
図７は、吐出口から吐出される水素ガスの流量と吐出圧との関係を示す図である。図７において、破線は、従来のニードル１２０を用いた場合における上記関係を示し、実線は、本実施形態のニードル７０を用いた場合における上記関係を示す。
【００６８】
従来のニードル１２０を用いた場合、上述のように水素ガスの流量が切替点に達し、流量を制御する部分がバルブ側からニードルの先端部側に移行する際に空走区間が発生する。このため、従来のニードル１２０を用いると、流量が切替点を超えるときに、吐出圧が不連続に低下する調圧落差が発生する場合がある。
【００６９】
これに対して本実施形態のニードル７０を用いた場合、上述のように空走区間を経ることなく流量を緩やかに増加させながら、流量を制御する部分をバルブ側からニードルの先端部側に移行できるので、吐出圧を連続的に変化させながら切替点を超えることができる。
【００７０】
以上のように、主テーパ部７７よりも小さなテーパ角を有する副テーパ部７６を形成することにより、流量制御性および吐出圧制御性を向上することができる。しかしながら、ニードル７０やノズル８０の上述のようなものばらつきを考慮すると、副テーパ角は、例えば５°以下に設定することが好ましい。これにより、公差最悪状態でのエゼクタ５０の循環性能を保つことができる。また、主テーパ部７７のテーパ角は、低流量域および高流量域の流量制御性を維持するためには、４５°以上に設定することが好ましい。
【００７１】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）水素ガスの流れをバルブ７３により遮断した状態からニードル７０の先端部７１と吐出口８４とを離隔させると、吐出口８４は、小さなテーパ角を有する副テーパ部７６上を主テーパ部７７へ向かって移動するので、開口面積を徐々に大きくすることができる。このように、空走区間を経ることなく副テーパ部７６で吐出口８４の開口面積を徐々に大きくすることにより、水素ガスの流量を制御する部分を、バルブ７３側から先端部７１のテーパ部７６，７７へ滑らかに移行することができる。これにより、ノズル８０から吐出される水素ガスの吐出圧を滑らかに変化させることができる。したがって、水素ガスの低流量域から高流量域まで安定して調圧することができる。
また、副テーパ部７６と、この副テーパ部７６よりもテーパ角の大きい主テーパ部７７とを連続して設けることにより、ニードル７０の全長を短くすることができる。すなわち、短いストローク幅で水素ガスの流量や吐出圧を調整することができる。また、ストローク幅を短くすることにより、エゼクタ５０の作動耐久性を向上することもできる。
【００７２】
（２）第２流体室６２に導入されるアノードオフガスをノズル８０の基端側に導入しないので、アノードオフガスに含まれる水分が凍結しても、エゼクタ５０の性能が低下するのを防止できる。
【００７３】
（３）第３流体室６４に導入されるエア信号圧に基づいて、ニードル７０の先端部７１とノズル８０の吐出口８４とを相対移動する。これにより、外部の動力源を用いずにノズル８０から吐出される水素ガスの流量を調整することができる。
【００７４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、複数のダイアフラム６５，６６やばね９５，９６などを用い、エアの圧力に応じてノズル８０とニードル７０とを相対移動させるように構成したが、これに限るものではない。例えば、モータやソレノイドなどの電磁式の駆動源を用い、エアの圧力に応じてノズルとニードルとを相対移動させるように構成してもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、主テーパ部７７と副テーパ部７６との接続部７８に、Ｒ面取りを施したが、これに限らず、Ｃ面取りや、Ｒ面取りおよびＣ面取りの組み合わせなど、その他の面取りを施してもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０    燃料電池
２２    水素タンク（アノードガス供給源）
５０    エゼクタ
６０    筐体
６２    第２流体室
６３    第１流体室
６４    第３流体室
６５    第１ダイアフラム
６６    第２ダイアフラム
７０    ニードル
７１    先端部
７３    バルブ（ガス遮断手段）
７６    副テーパ部
７７    主テーパ部
７８    接続部
８０    ノズル
８３    ノズル流路
８４    吐出口
８６    ゴムシール
９３    ディフューザ
【図１】
2011012636.tif 000003
【図２】
2011012636.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011012636.tif 000009
【図８】
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