(57)【要約】【課題】排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル及びその流量制御ノズルを備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】流量制御ノズル７０は、弾性部材７７を備えている。供給水素が流量制御ノズル７０の第１ガス流入部７２に流入すると、弾性部材７７が変形して吹出口７６の開口面積が圧力差に応じた大きさとなる。すなわち、第１ガス流入部７２に流入する供給水素の圧力が小さい場合（流量が少ない場合）、吹出口７６の開口面積が小さくなる。これにより、供給水素はスロート部７４に勢いよく噴出することとなり、スロート部７４に発生する負圧を大きくすることができる。よって、未反応水素の引込量を大きくでき、ディフューザ部７５から排出される気体流量を大きくすることができる。【選択図】図３
2008047326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガスが流入する第１ガス流入部と、
第２のガスが流入する第２ガス流入部と、
前記第１ガス流入部に流入した第１のガスを導入することにより負圧が発生する領域を確保し、この負圧によって前記第２ガス流入部に流入した第２のガスを導入するスロート部と、
前記スロート部に導入されて混合された第１及び第２のガスを排出するディフューザ部と、
前記第１ガス流入部に流入する第１のガスの流量に応じて、第１ガス流入部から前記スロート部へのガスの通り道となる吹出口の開口面積を変化させる流量制御手段と、
を備えることを特徴とする流量制御ノズル。
【請求項２】
前記流量制御手段は、前記第１ガス流入部に流入する第１のガスの流量が小さくなるほど前記吹出口の開口面積を小さくする
ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御ノズル。
【請求項３】
前記流量制御手段は、第１のガスと第２のガスとの圧力差が小さくなるほど前記吹出口の開口面積を小さくする
ことを特徴とする請求項２に記載の流量制御ノズル。
【請求項４】
前記流量制御手段は、第１のガスと第２のガスとの圧力差が小さくなるほど前記吹出口の開口面積を小さくする弾性部材である
ことを特徴とする請求項３に記載の流量制御ノズル。
【請求項５】
前記弾性部材は、変形して前記吹出口の開口面積を調整する面積調整部にリブが形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の流量制御ノズル。
【請求項６】
前記リブは、第１ガスと接する側に設けられている
ことを特徴とする請求項５に記載の流量制御ノズル。
【請求項７】
前記リブは、第２ガスと接する側に設けられている
ことを特徴とする請求項５に記載の流量制御ノズル。
【請求項８】
前記弾性部材は、変形して前記吹出口の開口面積を調整する面積調整部に切り欠きが形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の流量制御ノズル。
【請求項９】
前記流量制御手段は、第２のガスの温度が低くなるほど前記吹出口の開口面積を小さくする
ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御ノズル。
【請求項１０】
前記流量制御手段は、第２のガスの温度が低くなるほど前記吹出口の開口面積を小さくするバイメタルである
ことを特徴とする請求項９に記載の流量制御ノズル。
【請求項１１】
前記流量制御手段は、前記吹出口を閉塞するバイメタルと、前記バイメタルを暖めることで前記バイメタルを変形させて閉塞された前記吹出口の開口面積を調整するヒータと、前記ヒータの温度を制御する制御手段とからなる
ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御ノズル。
【請求項１２】
前記流量制御手段は、前記吹出口を閉塞する圧電素子と、前記圧電素子に電圧を与えることで前記圧電素子を変形させて閉塞された前記吹出口の開口面積を調整する制御手段とからなる
ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御ノズル。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の流量制御ノズルと、
燃料ガスの供給を受ける燃料極、及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを前記第１ガス流入部に導く第１流路と、
前記ディフューザ部から排出された気体を前記燃料電池の燃料極側入口に導く第２流路と、
前記燃料電池の燃料極側出口から排出された気体を前記第２ガス流入部に導く第３流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量制御ノズルおよび燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のノズルは、円筒形状のバルブ本体を有し、このバルブ本体の上端部に外部の空気を取り込む取込口と、バルブ本体の下端部に空気を排出する排出口とが形成されていた。バルブ本体には、その側面に圧縮空気をバルブ本体内に導入するためのリング状の導入路が形成され、導入路の上縁部には、下方へ向けて吐出させる微小隙間の吹出口が形成されていた。このノズルの導入路に圧縮空気が供給されると、圧縮空気が高速度で吹出口からバルブ本体の内周面に沿って下方の排出口に向かって吹き出す。このとき、バルブ本体内において負圧の領域が形成され、負圧によってバルブ本体の上部の取込口から空気が引き込まれる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−７３４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のノズルは、吹出口が一定形状である。このため、従来のノズルは、吹出口を通じて供給される気体の流量が少なくなると、気体がバルブ本体に低速度で供給されることとなり、取込口から引き込む気体の流量も少なくなってしまう。故に、従来のノズルでは排出口から排出される気体流量を調整することができなくなってしまう。
【０００４】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル及びその流量制御ノズルを備えた燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の流量制御ノズルは、第１ガス流入部と、第２ガス流入部と、スロート部と、ディフューザ部と、流量制御手段とを備える。第１ガス流入部は第１のガスが流入する。第２ガス流入部は第２のガスが流入する。スロート部は第１ガス流入部に流入した第１のガスを導入することにより負圧が発生する領域を確保し、この負圧によって第２ガス流入部に流入した第２のガスを導入する。ディフューザ部はスロート部に導入されて混合された第１及び第２のガスを排出する。流量制御手段は、第１ガス流入部に流入する第１のガスの流量に応じて、第１ガス流入部からスロート部へのガスの通り道となる吹出口の開口面積を変化させる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、第１ガス流入部に流入する第１のガス供給水素の流量に応じて吹出口の開口面積を変化させる。このため、第１のガスの導入量が小さい場合に吹出口の開口面積を小さくしてスロート部に勢いよく第１のガスを噴出させて負圧を大きくすることが可能となる。これにより、第１のガスの導入量が小さい場合に第２のガスの引込量を大きくでき、排出される気体流量を大きくすることが可能となる。一方、第１のガスの導入量が大きい場合に吹出口の開口面積を大きくして負圧を小さくすることが可能となる。これにより、第１のガスの導入量が大きい場合に第２のガスの引込量を小さくでき、排出される気体流量を小さくすること可能となる。従って、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス循環系３０と、燃料ガス排出系（ガス排出手段）４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤ガス排出系６０と、流量制御ノズル７０とを備えている。
【０００９】
燃料電池１０は、燃料ガス（水素ガス）の供給を受ける燃料極１１と、酸化剤ガス（酸素）の供給を受ける酸化剤極１２とを有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。また、燃料極１１と酸化剤極１２とは電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成し、燃料電池１０は、発電セルが複数層積層されたスタック構造となっている。
【００１０】
燃料ガス供給系２０は、水素タンク２１と、第１配管（第１流路）２２と、第２配管（第２流路）２３と、第１圧力調整弁２４とからなっている。水素タンク２１は、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素ガスを蓄えておくものである。第１配管２２は水素タンク２１と流量制御ノズル７０とを接続し、水素タンク２１からの水素ガスを流量制御ノズル７０まで導くものである。第２配管２３は、流量制御ノズル７０と燃料電池１０の燃料極側入口とを接続し、流量制御ノズル７０から排出されるガスを燃料極側入口まで導くものである。第１圧力調整弁２４は、第１配管２２に設けられ、水素タンク２１から燃料電池１０の燃料極１１に供給される水素ガスの供給量を制御するものである。また、第１圧力調整弁２４は、水素ガスの供給量を制御することにより燃料電池１０の燃料極側の圧力を調整可能となっている。
【００１１】
燃料ガス循環系３０は、発電に寄与することなく排出された燃料ガスを再利用するためのものであって、第３配管（第３流路）３１と水素ポンプ３２とを備えている。第３配管３１は、一端が燃料電池１０の燃料極側出口に接続され、他端が流量制御ノズル７０に接続され、燃料電池１０の燃料極側から排出されたオフガスを循環させて再度燃料電池１０の燃料極側に送り込む流路となるものである。水素ポンプ３２は、第３配管３１上に設けられ、燃料電池１０の燃料極側から排出されたガスを循環させて再度燃料電池１０の燃料極側に送り込む動力源となるものである。
【００１２】
燃料ガス排出系４０は、第４配管４１と、パージ弁４２とからなっている。第４配管４１は、第３配管３１から分岐され、燃料電池１０の燃料極側から排出されたオフガスを外部に導く流路となるものである。パージ弁４２は、開閉自在に制御されるものであり、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりしてガスの外部への排出を制御するものである。
【００１３】
酸化剤ガス供給系５０は、コンプレッサ５１と、第５配管５２とからなっている。コンプレッサ５１は、外気を取り込み圧縮して燃料電池１０の酸化剤極１２に送り込むものである。第５配管５２は、コンプレッサ５１と燃料電池１０の酸化剤極側入口とを接続するものであり、コンプレッサ５１により圧送される空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に導くものである。
【００１４】
酸化剤ガス排出系６０は、第６配管６１と、第２圧力調整弁６２とを備えている。第６配管６１は、燃料電池１０の酸化剤極側出口と外部とを接続し、燃料電池１０の酸化剤極側から排出されたガスを外部に導くものである。第２圧力調整弁６２は、第６配管６１上に設けられ、外部に排出するガス量を制御するものである。また、第２圧力調整弁６２は、ガスの排出量を制御することにより燃料電池１０の酸化剤極側の圧力を調整可能となっている。
【００１５】
流量制御ノズル７０は、第１配管２２を通じて流入してきたガスによって内部に負圧を発生させて第３配管３１側から気体を引き込み、第１配管２２からのガスと第３配管３１側からのガスとを混合して第２配管２３側へ排出するものである。
【００１６】
図２は、図１の流量制御ノズル７０の断面図であり、一部構成を除いて図示している。流量制御ノズル７０は、略円筒形状の本体７１を有している。本体７１の側面には第１配管２２からの供給水素（第１のガス）が流入する第１ガス流入部７２が設けられている。また、本体７１の一端には、第３配管からの未反応水素（第２のガス）が流入する第２ガス流入部７３が形成されている。
【００１７】
本体７１の中心部には、第１ガス流入部７２に流入した供給水素を導入することにより負圧が発生する領域を確保し、この負圧によって第２ガス流入部７３に流入した未反応水素を導入するスロート部７４が形成されている。さらに、本体７１の他端には、スロート部７４に導入されて混合された供給水素と未反応水素との混合ガスを排出するディフューザ部７５が設けられている。
【００１８】
図３は、図１の流量制御ノズル７０の詳細構成図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）のIII矢視図である。図３（ａ）に示すように、流量制御ノズル７０には弾性部材（流量制御手段）７７が設けられている。この弾性部材７７は、略円筒形状の部材であって、流量制御ノズル７０の外径方向に付勢され、第１ガス流入部７２からスロート部７４へのガスを遮断するように設けられている。
【００１９】
図４は、供給水素が流入したときの流量制御ノズル７０の様子を示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）のIV矢視図である。図４（ａ）に示すように、ある程度の供給水素が第１ガス流入部７２に流入してくると、弾性部材７７のうち一部（以下、面積調整部７７ａという）が流量制御ノズル７０の内径方向に変形して供給水素がスロート部７４に導入される。このように、弾性部材７７は、第１ガス流入部７２に流入する供給水素の流量に応じて、第１ガス流入部７２からスロート部７４へのガスの通り道となる吹出口７６の開口面積を変化させる構成となっている。
【００２０】
より詳しく説明すると、弾性部材７７（面積調整部７７ａ）は、第１ガス流入部７２に流入するガスの流量が小さくなるほど、吹出口７６の開口面積を小さくする。言い換えれば、弾性部材７７は、供給水素と未反応水素との圧力差（供給水素の圧力−未反応水素の圧力）が小さくなるほど、吹出口７６の開口面積を小さくする。
【００２１】
図５は、供給水素と未反応水素との圧力差と吹出口７６の開口面積との相関を示す図である。弾性部材７７の面積調整部７７ａは、その弾性力と圧力差による力がバランスした状態で停止する。すなわち、吹出口７６の開口面積は、弾性部材７７の弾性力と圧力差によって一義的に決定する。具体的には図５に示すように、圧力差がＰ１に達すると（図５の点Ａ参照）、面積調整部７７ａが内径方向に変形し始める。また、圧力差がＰ２に達すると（図５の点Ｂ参照）、面積調整部７７ａが内径方向に最大に変形し開口面積が最大となる。なお、面積調整部７７ａは線形性の弾性力を有しておらず、圧力差Ｐ３付近において開口面積の増加割合が減少するようになっている。
【００２２】
このような流量制御ノズル７０では、供給水素が流量制御ノズル７０の第１ガス流入部７２に流入すると、吹出口７６の開口面積が圧力差に応じた大きさとなる。すなわち、第１ガス流入部７２に流入する供給水素の圧力が小さい場合（流量が少ない場合）、吹出口７６の開口面積が小さくなる。これにより、供給水素はスロート部７４に勢いよく噴出することとなり、スロート部７４に発生する負圧を大きくすることができる。よって、未反応水素の引込量を大きくでき、ディフューザ部７５から排出される気体流量を大きくすることができる。
【００２３】
図６は、供給水素量と未反応水素の引き込み流量との相関を示す図である。図６に示すように、開口面積が一定の場合、供給水素量が大きくなると引き込み流量が大きくなる。すなわち、供給水素量が小さいときには引き込み流量は大きくならず、ディフューザ部７５から排出される気体流量は小さくなってしまう。
【００２４】
図７は、開口面積と未反応水素の引き込み流量との相関を示す図である。図７に示すように、供給水素量が一定の場合、吹出口７６の開口面積が小さくなると引き込み流量が大きくなる。このため、供給水素量が小さい場合、吹出口７６の開口面積を小さくすれば、ディフューザ部７５から排出される気体流量を大きくすることができる。特に、本実施形態では、供給水素量が小さい場合に圧力差に応じて弾性部材７７は変形するため、開口面積が自動的に小さくなる。よって、流量制御ノズル７０は、未反応水素の引込量を大きくでき、ディフューザ部７５から排出される気体流量を大きくすることができることとなる。
【００２５】
逆に、第１ガス流入部７２に流入する供給水素の圧力が大きい場合（流量が大きい場合）、吹出口７６の開口面積が大きくなる。これにより、供給水素はスロート部７４にゆっくりと噴出することとなり、スロート部７４に発生する負圧を小さくすることができる。よって、未反応水素の引込量を小さくでき、ディフューザ部７５から排出される気体流量を小さくすることができる。このように、流量制御ノズル７０は、弾性部材７７によって、排出される気体流量を調整することが可能となる。
【００２６】
なお、図７に示すように、開口面積は面積Ｓより小さくしても、未反応水素の引き込み流量は増大しないようになっている。これは、供給水素の噴出速度が音速に達し、これ以上開口面積を小さくしても噴出速度が大きくならないためである。よって、流量制御ノズル７０は開口面積がＳ未満とならないように（供給水素が音速に達するときの開口面積よりも小さくならないように）、構成されることが望ましい。
【００２７】
このようにして、第１実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、第１ガス流入部７２に流入する供給水素の流量に応じて吹出口７６の開口面積を変化させる。このため、供給水素の導入量が小さい場合に吹出口７６の開口面積を小さくしてスロート部７４に勢いよく供給水素を噴出させて負圧を大きくすることが可能となる。これにより、供給水素の導入量が小さい場合に未反応水素の引込量を大きくでき、排出される気体流量を大きくすることが可能となる。一方、供給水素の導入量が大きい場合に吹出口７６の開口面積を大きくして負圧を小さくすることが可能となる。これにより、供給水素の導入量が大きい場合に未反応水素の引込量を小さくでき、排出される気体流量を小さくすることが可能となる。従って、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を提供することができる。
【００２８】
また、第１ガス流入部に流入する供給水素の流量が小さくなるほど吹出口７６の開口面積を小さくする。このため、供給水素の流量が小さくなっても負圧を大きくして排出される気体流量を大きくすることができる。
【００２９】
また、供給水素と未反応水素との圧力差が小さくなるほど吹出口７６の開口面積が小さくされる。ここで、供給水素の流量が小さくなると供給水素の圧力が小さくなり、供給水素と未反応水素との圧力差が小さくなる。これにより、吹出口７６の開口面積が小さくなる。従って、供給水素の流量が小さくなっても負圧を大きくして排出される気体流量を大きくすることができる。
【００３０】
また、供給水素と未反応水素との圧力差が小さくなるほど吹出口７６の開口面積を小さくする弾性部材７７を有する。このため、弾性部材７７の弾性特性によって開口面積を調整でき、外部からの制御の必要なく、簡易な構成で気体流量を大きくすることができる。
【００３１】
また、弾性部材７７は、供給水素を導入しない場合、吹出口７６を塞いでいる。このため、燃料電池１０において発生した水が流量制御ノズル７０の第１ガス流入部７２に入り凍結して吹出口７６を常時塞いでしまう事態を防止することができる。
【００３２】
また、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を備えるので、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素量を適切に調整することができる。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム２は、弾性部材７７の構成が第１実施形態のものと異なっている。以下、第１実施形態との相違点について説明する。
【００３４】
図８は、第２実施形態に係る弾性部材７７の詳細構成図である。図８に示すように、第２実施形態の弾性部材７７は、面積調整部７７ａに切り欠き７７ｂが形成されている。これにより、面積調整部７７ａが変形するときに該調整部７７ａの円周方向へ応力が発生しないようにすることができる。
【００３５】
図９は、第２実施形態に係る弾性部材７７について供給水素と未反応水素との圧力差と吹出口７６の開口面積との相関を示す図である。第２実施形態の弾性部材７７は切り欠き７７ｂを有する。このため、図９に示すように、弾性部材７７は、圧力差が「０」であっても一定の開口面積を有する（図９の点Ａ参照）。また、弾性部材７７は、圧力差がＰ２１に達するまで、面積調整部７７ａが内径方向に変形せず一定の開口面積を保つ（図９の点Ｂ参照）。ところが、圧力差がＰ２１を超えると面積調整部７７ａが内径方向に変形し、開口面積が大きくなる。このとき、面積調整部７７ａには切り欠き７７ｂが形成されているため、開口面積は線形的に変化することとなる。これにより、第２実施形態では、ディフューザ部７５から排出される気体流量の調整が容易となっている。
【００３６】
このようにして、第２実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、第１実施形態と同様に、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を提供することができる。また、供給水素の流量が小さくなっても負圧を大きくして排出される気体流量を大きくすることができる。また、外部からの制御の必要なく、簡易な構成で気体流量を大きくすることができる。
【００３７】
また、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を備えるので、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素量を適切に調整することができる。
【００３８】
さらに、第２実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、面積調整部７７ａに切り欠き７７ｂが形成されているため、吹出口７６の開口面積が線形的に変化し、ディフューザ部７５から排出される気体流量の調整を容易とすることができる。
【００３９】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システム３は、弾性部材７７の構成が第１実施形態のものと異なっている。以下、第１実施形態との相違点について説明する。
【００４０】
図１０は、第３実施形態に係る弾性部材７７の詳細構成図である。図１０に示すように、第３実施形態の弾性部材７７は、面積調整部７７ａの外径側にリブ７７ｃが形成されている。すなわち、弾性部材７７は供給水素と接する側にリブ７７ｃを有している。これにより、面積調整部７７ａの剛性を高めることができる。
【００４１】
図１１は、第３実施形態に係る弾性部材７７について供給水素と未反応水素との圧力差と吹出口７６の開口面積との相関を示す図である。第３実施形態の弾性部材７７はリブ７７ｃを有する。このため、図１１に示すように、弾性部材７７は、開口面積の変化量が小さくなっている（図１１の点Ａ及び点Ｂ参照）。なお、剛性を高めるためには、面積調整部７７ａにリブ７７ｃを設けず、面積調整部７７ａを全体的に径方向に大きくしてもよい。しかし、この場合、流量制御ノズル７０の流路面積が小さくなり圧力損失が大きくなってしまう。ところが、第３実施形態ではリブ７７ｃを設けることにより、面積調整部７７ａを全体的に大きくする必要がなく、圧力損失を少なくすることができる。
【００４２】
図１２は、第３実施形態に係る弾性部材７７の変形例の詳細構成図である。図１２に示すように、変形例の弾性部材７７では、リブ７７ｄが斜め方向に形成されている。すなわち、リブ７７ｄの長手方向が流量制御ノズル７０の長手方向と平行でない方向に向いている。これにより、供給水素の流れ方向を制御することができる。
【００４３】
このようにして、第３実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、第１実施形態と同様に、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を提供することができる。また、供給水素の流量が小さくなっても負圧を大きくして排出される気体流量を大きくすることができる。また、外部からの制御の必要なく、簡易な構成で気体流量を大きくすることができる。
【００４４】
また、第３実施形態に係る燃料電池システム３によれば、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を備えるので、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素量を適切に調整することができる。
【００４５】
さらに、第３実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、面積調整部７７ａにリブ７７ｃ，７７ｄが形成されているため、面積調整部７７ａを径方向に大きくするよりも流量制御ノズル７０の流路面積の減少を抑え、圧力損失の増加を抑制することができる。
【００４６】
また、リブ７７ｃは供給水素と接する側に設けられている。このため、リブによって供給水素の流れ方向を調整することができる。
【００４７】
また、リブ７７ｄは面積調整部７７ａの外径側で斜め方向に伸びて形成されているため、供給水素の流れに変化を持たせることができる。
【００４８】
次に、本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態に係る燃料電池システム４は、弾性部材７７の構成が第３実施形態のものと異なっている。以下、第３実施形態との相違点について説明する。
【００４９】
図１３は、第４実施形態に係る流量制御ノズル７０の詳細構成図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸIII矢視図である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、第４実施形態の弾性部材７７は、面積調整部７７ａの内径側にリブ７７ｅを有している。すなわち、弾性部材７７は未反応水素と接する側にリブ７７ｅを有している。これにより、第３実施形態と同様に、面積調整部７７ａの剛性を高めることができる。なお、リブ７７ｅは、第３実施形態と同様に斜め方向に伸びて形成されていてもよい。
【００５０】
図１４は、第４実施形態に係る弾性部材７７について供給水素と未反応水素との圧力差と吹出口７６の開口面積との相関を示す図である。第４実施形態の弾性部材７７はリブ７７ｅを有する。このため、図１４に示すように、弾性部材７７は、開口面積の変化量が小さくなっている（図１４の点Ａ及び点Ｂ参照）。弾性部材７７は未反応水素と接する側にリブ７７ｅを有するため、圧力差が「０」付近の場合、吹出口７６の開口面積を「０」とすることができ、第１ガス流入部７２への水の侵入を防止することができる。また、圧力差が「０」付近で開口面積を「０」とでき、しかも開口面積の変化量が小さいため、全体的に開口面積を小さい状態とすることができ、どのような流量領域においてもディフューザ部７５から排出される気体流量を大きくすることができる。
【００５１】
このようにして、第４実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、第３実施形態と同様に、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を提供することができる。また、供給水素の流量が小さくなっても負圧を大きくして排出される気体流量を大きくすることができる。また、外部からの制御の必要なく、簡易な構成で気体流量を大きくすることができる。また、圧力損失の増加を抑制することができる。
【００５２】
また、第４実施形態に係る燃料電池システム４によれば、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を備えるので、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素量を適切に調整することができる。
【００５３】
さらに、第４実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、リブ７７ｅは未反応水素と接する側に設けられている。このため、リブによって未反応水素の流れ方向を調整することができる。また、第１ガス流入部７２への水の侵入を防止することができ、且つ、圧力差が「０」付近で開口面積を「０」とでき、しかも開口面積の変化量が小さいため、全体的に開口面積を小さい状態とすることができ、どのような流量領域においてもディフューザ部７５から排出される気体流量を大きくすることができる。
【００５４】
また、リブ７７ｅを面積調整部７７ａの外径側で斜め方向に伸びて形成することにより、未反応水素の流れに変化を持たせることができる。
【００５５】
次に、本発明の第５実施形態を説明する。第５実施形態に係る燃料電池システム５は、流量制御ノズル７０の構成が第１実施形態のものと異なっている。以下、第１実施形態との相違点について説明する。
【００５６】
図１５は、第５実施形態に係る流量制御ノズル７０の断面図である。図１５に示すように、流量制御ノズル７０にはバイメタル７８が設けられている。バイメタル７８は、吹出口７６を閉塞するように設けられ（厳密には後述の切り欠き７８ａが無い状態で吹出口７６を閉塞するように設けられている）、第１ガス流入部７２からスロート部７４へのガスを遮断するように設けられている。このバイメタル７８は、例えば膨張率が異なる２枚の金属板を張り合わせたものであり、流量制御ノズル７０内を流れる未反応水素の温度に応じて変形するようになっている。
【００５７】
図１６は、第５実施形態に係るバイメタル７８の詳細構成図である。図１６に示すバイメタル７８は、一部に切り欠き７８ａを有し、変形しやすいようになっている。このバイメタル７８は、未反応水素の温度が高くなるほど大きく変形する。このため、バイメタル７８は、未反応水素の温度が低くなるほど吹出口７６の開口面積を小さくし、未反応水素の温度が高くなるほど吹出口７６の開口面積を大きくする。
【００５８】
図１７は、未反応水素の温度と吹出口７６の開口面積との相関を示す図である。図１７に示すように、弾性部材７７は、未反応水素の温度が高くなるほど開口面積を大きくし、未反応水素の温度がＴ１で開口面積が最小となり、未反応水素の温度がＴ２で開口面積が最大となる。なお、未反応水素の温度は定格運転時に最大となるため、定格運転時に開口面積が最大となる。
【００５９】
このようにして、第５実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、第１実施形態と同様に、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を提供することができる。
【００６０】
また、第５実施形態に係る燃料電池システム５によれば、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を備えるので、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素量を適切に調整することができる。
【００６１】
さらに、第５実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、未反応水素の温度が低くなるほど吹出口７６の開口面積が小さくされる。ここで、流量制御ノズル７０を燃料電池システムに用い、水素タンク２１から供給される水素を第１ガス流入部７２から導入し、燃料電池１０において反応に用いられずに循環する未反応水素を第２ガス流入部７３から導入したとする。この場合、燃料電池システムの低出力時には未反応水素の温度が低く、開口面積は小さくなる。よって、低出力時には供給される水素量が少なくなるが、開口面積が小さくなるため、負圧を大きくして低出力時においても排出される気体流量を大きくすることができる。
【００６２】
また、未反応水素の温度が低くなるほど吹出口の開口面積を小さくするバイメタル７８を有する。このため、バイメタル７８の変形特性によって開口面積を調整でき、外部からの制御の必要なく、簡易な構成で気体流量を大きくすることができる。
【００６３】
次に、本発明の第６実施形態を説明する。第６実施形態に係る燃料電池システム６は、流量制御ノズル７０の構成が第１実施形態のものと異なっている。以下、第１実施形態との相違点について説明する。
【００６４】
図１８は、第６実施形態に係る流量制御ノズル７０の断面図である。図１８に示すように、流量制御ノズル７０には第５実施形態と同様に、バイメタル７８が設けられている。バイメタル７８は、吹出口７６を閉塞するように設けられ（厳密には切り欠き７８ａが無い状態で吹出口７６を閉塞するように設けられている）、第１ガス流入部７２からスロート部７４へのガスを遮断するように設けられている。
【００６５】
また、流量制御ノズル７０にはヒータ７９と断熱部材８０とが設けられている。ヒータ７９は、バイメタル７８を暖めることでバイメタル７８を変形させて閉塞された吹出口７６の開口面積を調整するものである。断熱部材８０は、ヒータ７９からの熱が効率よくバイメタル７８に伝えるためのものである。
【００６６】
さらに、第６実施形態では制御部８１を備えている。制御部８１は、燃料電池システム６の運転圧力や流体温度に応じて、ヒータ７９の温度を制御する構成となっている。この制御部８１によるヒータ７９の温度制御によって、流量制御ノズル７０は、吹出口７６の開口面積を自在に変化させ、ディフューザ部７５からの排出流量を自在に制御することとなる。以上から明らかなように、第６実施形態では、バイメタル７８、ヒータ７９、および制御部８１が流量制御手段を構成する。
【００６７】
このようにして、第６実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、第１実施形態と同様に、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を提供することができる。
【００６８】
また、第６実施形態に係る燃料電池システム６によれば、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を備えるので、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素量を適切に調整することができる。
【００６９】
さらに、第６実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、吹出口７６を閉塞するバイメタル７８と、バイメタル７８を暖めることでバイメタル７８を変形させて閉塞された吹出口７６の開口面積を調整するヒータ７９と、ヒータ７９の温度を制御する制御部８１とを有する。これにより、制御部８１によってヒータ７９の温度を調整して吹出口７６の開口面積を自在に調整することができる。従って、流量制御ノズル７０からの排出流量を自在に制御することができる。
【００７０】
次に、本発明の第７実施形態を説明する。第７実施形態に係る燃料電池システム７は、流量制御ノズル７０の構成が第１実施形態のものと異なっている。以下、第１実施形態との相違点について説明する。
【００７１】
図１９は、第７実施形態に係る流量制御ノズル７０の断面図である。図１９に示すように、流量制御ノズル７０には圧電素子８２が設けられている。圧電素子８２は、吹出口７６を閉塞するように設けられ（厳密には切り欠きなどが無い状態で吹出口７６を閉塞するように設けられている）、第１ガス流入部７２からスロート部７４へのガスを遮断するように設けられている。
【００７２】
さらに、第７実施形態では制御部８１を備えている。制御部８１は、第６実施形態と同様に、燃料電池システム７の運転圧力や流体温度に応じて、圧電素子８２に与える電圧を制御する構成となっている。この制御部８１による電圧制御によって、流量制御ノズル７０は、吹出口７６の開口面積を自在に変化させ、流量制御ノズル７０からの排出流量を自在に制御することとなる。以上から明らかなように、第７実施形態では、圧電素子８２および制御部８１が流量制御手段を構成する。
【００７３】
このようにして、第７実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、第１実施形態と同様に、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を提供することができる。
【００７４】
また、第７実施形態に係る燃料電池システム７によれば、排出される気体流量を調整することが可能な流量制御ノズル７０を備えるので、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素量を適切に調整することができる。
【００７５】
さらに、第７実施形態に係る流量制御ノズル７０によれば、吹出口７６を閉塞する圧電素子８２と、圧電素子８２に電圧を与えることで圧電素子８２を変形させて閉塞された吹出口７６の開口面積を調整する制御部８１とを有する。これにより、制御部８１によって電圧の値を調整して吹出口７６の開口面積を自在に調整することができる。従って、流量制御ノズル７０からの排出流量を自在に制御することができる。
【００７６】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記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で、変更を加えてもよいし、各実施形態を組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１の流量制御ノズルの断面図であり、一部構成を除いて図示している。
【図３】図１の流量制御ノズルの詳細構成図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）のIII矢視図である。
【図４】供給水素が流入したときの流量制御ノズルの様子を示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）のIV矢視図である。
【図５】供給水素と未反応水素との圧力差と吹出口の開口面積との相関を示す図である。
【図６】供給水素量と未反応水素の引き込み流量との相関を示す図である。
【図７】開口面積と未反応水素の引き込み流量との相関を示す図である。
【図８】第２実施形態に係る弾性部材の詳細構成図である。
【図９】第２実施形態に係る弾性部材について供給水素と未反応水素との圧力差と吹出口の開口面積との相関を示す図である。
【図１０】第３実施形態に係る弾性部材の詳細構成図である。
【図１１】第３実施形態に係る弾性部材について供給水素と未反応水素との圧力差と吹出口の開口面積との相関を示す図である。
【図１２】第３実施形態に係る弾性部材の変形例の詳細構成図である。
【図１３】第４実施形態に係る流量制御ノズルの詳細構成図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸIII矢視図である。
【図１４】第４実施形態に係る弾性部材について供給水素と未反応水素との圧力差と吹出口の開口面積との相関を示す図である。
【図１５】第５実施形態に係る流量制御ノズルの断面図である。
【図１６】第５実施形態に係るバイメタルの詳細構成図である。
【図１７】未反応水素の温度と吹出口の開口面積との相関を示す図である。
【図１８】第６実施形態に係る流量制御ノズルの断面図である。
【図１９】第７実施形態に係る流量制御ノズルの断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１〜７…燃料電池システム
１０…燃料電池
１１…燃料極
１２…酸化剤極
２０…燃料ガス供給系
２１…水素タンク
２２…第１配管
２３…第２配管
２４…第１圧力調整弁
３０…燃料ガス循環系
３１…第３配管
３２…水素ポンプ
４０…燃料ガス排出系
４１…第４配管
４２…パージ弁
５０…酸化剤ガス供給系
５１…コンプレッサ
５２…第５配管
６０…酸化剤ガス排出系
６１…第６配管
６２…第２圧力調整弁
７０…流量制御ノズル
７１…本体
７２…第１ガス流入部
７３…第２ガス流入部
７４…スロート部
７５…ディフューザ部
７６…吹出口
７７…弾性部材（流量制御手段）
７７ａ…面積調整部
７７ｂ…切り欠き
７７ｃ〜７７ｅ…リブ
７８…バイメタル（流量制御手段）
７９…ヒータ（流量制御手段）
８０…断熱部材
８１…制御部（制御手段、流量制御手段）
８２…圧電素子
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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