(57)【要約】【課題】小流量から大流量まで広範囲に亘って所定のストイキ特性を確保しつつ、必要流量の燃料を流せるようにする。【解決手段】ユニット本体３１に、第１エゼクタ４０と第２エゼクタ５０と第３エゼクタ６０と第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０を内蔵する。第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせにより、三つのエゼクタ４０，５０，６０のうちから一つを選択し、選択したエゼクタに流体を流すようにする。第１エゼクタ４０のディフューザ４１と第２エゼクタ５０のディフューザの軸線は同一垂直面上に平行に配置し、第３エゼクタ６０のディフューザ６１の軸線はディフューザ４１の軸線に対してねじれの位置に配置する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体を噴射する一つのノズルと、該ノズルの軸線方向に設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し前記第１流体に合流させて送出する一つのディフューザと、を組み合わせてなるエゼクタを複数備え、さらに前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つに選択切り替え可能に形成したエゼクタ切り替え手段と、前記複数のエゼクタと前記エゼクタ切り替え手段とを内蔵する匡体と、を備え、
互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置したことを特徴とする燃料電池の流体供給装置。
【請求項２】
第１流体を噴射する一つのノズルと、該ノズルの軸線方向に設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し前記第１流体に合流させて送出する一つのディフューザと、を組み合わせてなるエゼクタを複数備え、さらに前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つに選択切り替え可能に形成したエゼクタ切り替え手段と、前記複数のエゼクタと前記エゼクタ切り替え手段とを内蔵する匡体と、を備え、
前記エゼクタ切り替え手段が複数の前記エゼクタのノズルのうち第１流体が最も少ない流量とされるノズルへの流路を選択したときに、他のノズルへの流路を選択した場合よりも該エゼクタ切り替え手段のエネルギー消費が最も抑制されるように構成したことを特徴とする燃料電池の流体供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の燃料等供給系に使用される流体供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型燃料電池は、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スタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、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】
ここで、固体分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池に供給される水素には加湿装置等によって過剰の水が混合されている。このため、燃料電池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】
この際、排出燃料を、新たに燃料電池に導入される燃料（すなわち水素）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ことができる。
従来、上述したような燃料電池装置として、エゼクタによって燃料を再循環させる燃料電池装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
ここで、エゼクタについて説明すると、従来の一般的なエゼクタは、図７に示すように、ラッパ状をなすディフューザ１の基端開口に復流室２を連設し、この復流室２に復流通路３を連通し、ディフューザ１と軸線を同一にして配置したノズル４を復流室２内に突き出してその先端をディフューザ１の基端開口に臨ませて構成されている。このエゼクタでは、燃料電池に新たに導入される水素をノズル４からディフューザ１に向けて噴射すると、ディフューザ１のスロート部５に負圧が発生し、この負圧により復流室２に導入された水素復流（排出燃料）がディフューザ１内に吸引され、ノズル４から噴射された水素と水素復流とが混合されてディフューザ１の出口から送出される。
【０００６】
このエゼクタの吸引効率を示す指標にストイキがある。ここで、ストイキとは、前記例で言えば、ノズルから噴出される水素流量（すなわち、水素消費流量）Ｑａに対するディフューザから流出する水素流量（すなわち、燃料電池に供給される水素供給全流量）Ｑｔの比（Ｑｔ／Ｑａ）として定義される。また、復流室からディフューザに吸引される水素復流流量をＱｂとすると、Ｑｔ＝Ｑａ＋Ｑｂであるから、ストイキは（Ｑａ＋Ｑｂ）／Ｑａと定義される。このようにストイキを定義すると、ストイキ値が大きいほど吸引効率が大きいということができる。
【０００７】
ところで、従来のエゼクタでは、一つのエゼクタにおいてディフューザ径およびノズル径が固定されているため、使用流体の流量範囲内で各々最適な径を選定し使用するのが一般的である。この場合、エゼクタのストイキ値が最大になる流体流量（前記例で言えば水素消費流量Ｑａ）は一定の値に決定される。
【０００８】
ところが、燃料電池の場合には、燃料電池の運転状態によって要求されるストイキ値（以下、要求ストイキ値という）が決まっている上、燃料電池自動車の場合には、アイドリングから全開出力まで水素流量が１０〜２０倍も変化するため、一つのエゼクタで水素流量の全域に亘って要求ストイキ値を満足させることは困難であった。
【０００９】
そこで、一つの匡体の中に、ディフューザ径およびノズル径の異なる複数のエゼクタと、前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つに選択切り替え可能に形成したエゼクタ切り替え手段とを内蔵した流体供給装置が開発されている（例えば、特許文献２参照）。この流体供給装置によれば、エゼクタ切り替え手段によりいずれか一つのノズルへの流路を選択することにより、燃料電池の運転状態に応じて複数あるエゼクタの中から最適なエゼクタを選択して水素を流通させ、これにより運転状態に応じた要求ストイキ値をほぼ満足させるようにしている。また、複数のエゼクタとエゼクタ切り替え手段を一つの匡体に内蔵させたことにより、ユニット化されて、小型・軽量化を図ることができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２１３３５３号公報
【特許文献２】
特開２００２−５６８７０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように小型・軽量化が可能になった流体供給装置であるが、燃料電池自動車などにおいては搭載スペースに限りがあるため、さらなる小型・軽量化が切望されている。特に、より高いストイキ値が要求される場合には、エゼクタの数を多くして、各エゼクタのストイキ値の高い流量域を切り替えて繋いでいく必要があり、小型・軽量化の要求がますます大きくなった。
また、燃料電池自動車の場合には、燃費向上のために流体供給装置におけるエネルギー消費の抑制が望まれている。
そこで、この発明は、広範囲の流量域において所定のストイキ性能を確保することができ、且つ、小型・軽量化が可能な燃料電池の流体供給装置、あるいは、エネルギー消費を抑制可能な燃料電池の流体供給装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、第１流体を噴射する一つのノズル（例えば、後述する実施の形態におけるノズル４５，５５，６５）と、該ノズルの軸線方向に設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し前記第１流体に合流させて送出する一つのディフューザ（例えば、後述する実施の形態におけるディフューザ４１，５１，６１）と、を組み合わせてなるエゼクタ（例えば、後述する実施の形態におけるエゼクタ４０，５０，６０）を複数備え、さらに前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つに選択切り替え可能に形成したエゼクタ切り替え手段（例えば、後述する実施の形態における第１切り替え弁７０，第２切り替え弁８０）と、前記複数のエゼクタと前記エゼクタ切り替え手段とを内蔵する匡体（例えば、後述する実施の形態におけるユニット本体３１）と、を備え、互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置したことを特徴とする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１１）の流体供給装置（例えば、後述する実施の形態におけるエゼクタユニット３０）である。
【００１３】
このように構成することで、エゼクタ切り替え手段による流路切り替えによっていずれか一つのエゼクタを単独で動作させることができ、したがって、エゼクタ毎にノズル径およびディフューザ径を異にしておくことによりストイキ特性を変えることができる。ここで、ストイキとは、第１流体の流量に対する第１流体および第２流体の流量の和（すなわち、全流量）の比をいう。また、筐体内に複数のエゼクタとエゼクタ切り替え手段を内蔵し、且つ、互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置したことにより、燃料供給装置を小型・軽量化することができる。
なお、「互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置した」には、「互いに隣接する前記エゼクタのディフューザについて、隣接方向に直交する面内で相互にディフューザの軸線の向きを変えて配置した」が含まれる。
【００１４】
請求項２に係る発明は、第１流体を噴射する一つのノズル（例えば、後述する実施の形態におけるノズル４５，５５，６５）と、該ノズルの軸線方向に設けられ前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し前記第１流体に合流させて送出する一つのディフューザ（例えば、後述する実施の形態におけるディフューザ４１，５１，６１）と、を組み合わせてなるエゼクタ（例えば、後述する実施の形態におけるエゼクタ４０，５０，６０）を複数備え、さらに前記複数のエゼクタのノズルへの流路をいずれか一つに選択切り替え可能に形成したエゼクタ切り替え手段（例えば、後述する実施の形態における第１切り替え弁７０，第２切り替え弁８０）と、前記複数のエゼクタと前記エゼクタ切り替え手段とを内蔵する匡体（例えば、後述する実施の形態におけるユニット本体３１）と、を備え、前記エゼクタ切り替え手段が複数の前記エゼクタのノズルのうち第１流体が最も少ない流量とされるノズル（例えば、後述する実施の形態におけるノズル４５）への流路を選択したときに、他のノズル（例えば、後述する実施の形態におけるノズル５５，６５）への流路を選択した場合よりも該エゼクタ切り替え手段のエネルギー消費が最も抑制されるように構成したことを特徴とする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１１）の流体供給装置（例えば、後述する実施の形態におけるエゼクタユニット３０）である。
このように構成することで、第１流体が最も少ない流量とされるノズルを選択したときに、エゼクタ切り替え手段のエネルギー消費を最も少なくすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の流体供給装置の一実施の形態を図１から図６の図面を参照して説明する。
初めに、図１を参照して、本発明に係る流体供給装置を備えた燃料電池システムを説明する。
この燃料電池システムは、例えば電気自動車等の車両に搭載されており、燃料電池１１と、加湿部１３と、酸化剤供給部１４と、熱交換部１５と、水分離部１６と、エゼクタユニット（流体供給装置）３０と、燃料供給側圧力制御部１８とを備えて構成されている。
【００１６】
燃料電池１１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる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スタックからなり、燃料として例えば水素が供給される燃料極と、酸化剤として例えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えている。
【００１７】
空気極には、酸化剤供給部１４から空気が供給される空気供給口２０ａと、空気極内の空気等を外部に排出するための空気排出弁２１が設けられた空気排出口２０ｂが設けられている。一方、燃料極には、水素が供給される燃料供給口２０ｃと、燃料極内の水素等を外部に排出するための燃料排出口２０ｄが設けられている。
【００１８】
燃料としての水素は、燃料供給側圧力制御部１８、エゼクタユニット３０、加湿部１３を介して燃料供給口２０ｃから燃料電池１１の燃料極に供給される。
加湿部１３は、供給される水素に水蒸気を混合し水素を加湿して燃料電池１１に供給する。これにより、固体分子電解質膜のイオン導電性を確保している。
エゼクタユニット３０は燃料供給側圧力制御部１８と加湿部１３とを接続する流路に設けられている。エゼクタユニット３０は、第１エゼクタ４０と、第２エゼクタ５０と、第３エゼクタ６０と、これらエゼクタ４０，５０，６０のいずれのエゼクタに水素を供給するかを選択的に切り替える第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０とを備えて構成されており、燃料供給側圧力制御部１８から供給された水素と燃料電池１１から排出された水素オフガスを混合して燃料電池１１に供給するものである。なお、燃料電池１１の燃料排出口２０ｄから排出された水素オフガスは、水分離部１６で水分を除去され、逆止弁２３を通り、水素復流としてエゼクタユニット３０に供給される。
この実施の形態において、第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０はエゼクタ切り替え手段を構成する。
【００１９】
酸化剤供給部１４は、例えばエアーコンプレッサーからなり、燃料電池１１の負荷やアクセルペダル（図示せず）からの入力信号等に応じて制御されており、熱交換部１５を介して、燃料電池１１の空気極に空気を供給するとともに、燃料供給側圧力制御部１８に空気を供給している。
熱交換部１５は、酸化剤供給部１４からの空気を所定の温度に調整して、燃料電池１１へと供給している。
【００２０】
燃料供給側圧力制御部１８は例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、酸化剤供給部１４から供給される空気の圧力を信号圧として、燃料供給側圧力制御部１８を通過した燃料の圧力、つまり燃料電池１１への燃料供給圧を所定値に設定している。
【００２１】
次に、エゼクタユニット３０について図２から図６の図面を参照して説明する。エゼクタユニット３０はユニット本体（匡体）３１を備え、このユニット本体３１に、図３、図５に示すように、水素供給管３３が接続される水素入口部３４と、水素送出管３５が接続される水素送出部３６と、水素復流管３７が接続される復流入口部３８が設けられている。そして、燃料供給側圧力制御部１８から送出された水素が水素供給管３３を通って水素入口部３４に供給されるとともに、逆止弁２３を通ってきた水素オフガス（水素復流）が水素復流管３７を通って復流入口部３８に供給され、これら水素および水素復流が混合されて水素送出部３６から水素送出管３５に流出し、加湿部１３に送出されるようになっている。前述した第１エゼクタ４０と、第２エゼクタ５０と、第３エゼクタ６０と、第１切り替え弁７０と、第２切り替え弁８０はこのユニット本体３１に内蔵されている。
【００２２】
図２に示すように、第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０はそれぞれの軸線を垂直方向に向けて平行に並んで配置されており、これら切り替え弁７０，８０に対して水平方向の一方側（以下、図２に記載するように、この一方側の方向を「前方」、その反対側の方向を「後方」とする）に第１エゼクタ４０と第２エゼクタ５０と第３エゼクタ６０が配置されている（図５、図６参照）。
【００２３】
初めに、第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０について説明する。図４に示すように、ユニット本体３１には、第１切り替え弁７０の弁体７１を移動可能に収納する弁室７２と、弁室７２に連なる第１ガス通路７３と第２ガス通路７４が設けられており、弁室７２と第１ガス通路７３、第２ガス通路７４とを連通する連通部には環状の第１弁座７５、第２弁座７６が設けられている。第１弁座７５と第２弁座７６は互いに対向して配置されており、両弁座７５，７６の間に弁体７１が配置されている。弁体７１は、ユニット本体３１に固定された電磁アクチュエータ７７によって移動可能に支持されており、第１弁座７５および第２弁座７６に対して着座離間可能になっている。このようにして第１切り替え弁７０が構成されている。
【００２４】
第２切り替え弁８０も第１切り替え弁７０と同様に構成されており、第２切り替え弁８０は、弁体８１と、弁体８１を移動可能に収納する弁室８２と、弁室８２に連なる第１ガス通路８３および第２ガス通路８４と、弁体８１が着座離間可能な第１弁座８５および第２弁座８６と、弁体８１を移動可能にする電磁アクチュエータ８７を備えている。
そして、第１切り替え弁７０の弁室７２と前述した水素入口部３４は連通孔３９によって連通されている。第１切り替え弁７０の第１ガス通路７３と第２切り替え弁８０の弁室８１は連通孔７８によって連通されている。なお、この連通孔７８は第１切り替え弁７０および第２切り替え弁８０の一部を構成する。
また、第１切り替え弁７０の第２ガス通路７４は連通孔７９によって後述する第３エゼクタ６０のノズル６５に接続されており、第２切り替え弁８０の第１ガス通路８３は連通孔８８によって後述する第１エゼクタ４０のノズル４５に接続されており、第２切り替え弁８０の第２ガス通路８４は連通孔８９によって後述する第２エゼクタ５０のノズル５５に接続されている。
【００２５】
第１切り替え弁７０および第２切り替え弁８０の電磁アクチュエータ７７，８７は図示しない中央電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）によってＯＮ／ＯＦＦ制御され、第１切り替え弁７０はＯＦＦ状態で弁体７１が第２弁座７６に着座し、ＯＮ状態では弁体７１が第１弁座７５に着座するようにされており、第２切り替え弁８０はＯＦＦ状態で弁体８１が第２弁座８６に着座し、ＯＮ状態では弁体８１が第１弁座８５に着座するようにされている。図２は、第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０が共にＯＦＦにされている状態を示している。
なお、以下の説明においては、第１切り替え弁７０の「ＯＦＦ」とは電磁アクチュエータ７７の「ＯＦＦ」状態をいい、第２切り替え弁８０の「ＯＦＦ」とは電磁アクチュエータ８７の「ＯＦＦ」状態をいう。
【００２６】
したがって、第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０が共にＯＦＦのときには、第１切り替え弁７０の弁室７２と第１ガス通路７３が連通して第２ガス通路７４が遮断され、第２切り替え弁８０の弁室８２と第１ガス通路８３が連通して第２ガス通路８４が遮断されるので、水素入口部３４から連通孔３９を介して第１切り替え弁７０の弁室７２に流入した水素は、弁室７２→第１ガス通路７３→連通孔７８→第２切り替え弁８０の弁室８２→第１ガス通路８３→連通孔８８の流路を通って第１エゼクタ４０のノズル４５だけに供給され、第２エゼクタ５０のノズル５５および第３エゼクタ６０のノズル６５に水素が供給されることはない。このときには、第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０の電磁アクチュエータ７７，８７はＯＦＦであるので、電力を消費しない。
【００２７】
また、第１切り替え弁７０がＯＦＦで、第２切り替え弁８０がＯＮのときには、第１切り替え弁７０の弁室７２と第１ガス通路７３が連通して第２ガス通路７４が遮断され、第２切り替え弁８０の弁室８２と第２ガス通路８４が連通して第１ガス通路８３が遮断されるので、水素入口部３４から連通孔３９を介して第１切り替え弁７０の弁室７２に流入した水素は、弁室７２→第１ガス通路７３→連通孔７８→第２切り替え弁８０の弁室８２→第２ガス通路８４→連通孔８９の流路を通って第２エゼクタ５０のノズル５５だけに供給され、第１エゼクタ４０のノズル４５および第３エゼクタ６０のノズル６５に水素が供給されることはない。このときには、第１切り替え弁７０の電磁アクチュエータ７７はＯＦＦであるので電力を消費しないが、第２切り替え弁８０の電磁アクチュエータ８７はＯＮであるので電力を消費する。
【００２８】
さらに、第１切り替え弁７０がＯＮで、第２切り替え弁８０がＯＦＦのときには、第１切り替え弁７０の弁室７２と第２ガス通路７４が連通して第１ガス通路７３が遮断されるので、水素入口部３４から連通孔３９を介して第１切り替え弁７０の弁室７２に流入した水素は、弁室７２→第２ガス通路７４→連通孔７９の流路を通って第３エゼクタ６０のノズル６５だけに供給され、第１エゼクタ４０のノズル４５および第２エゼクタ５０のノズル５５に水素が供給されることはない。このときには、第１切り替え弁７０の電磁アクチュエータ７７はＯＮであるので電力を消費するが、第２切り替え弁８０の電磁アクチュエータ８７はＯＦＦであるので電力を消費しない。
なお、両電磁アクチュエータ７７，８７を共にＯＮにしても、前記流路に水素を流すことは可能であるが、消費電力が多くなるだけである。
【００２９】
次に、第１エゼクタ４０、第２エゼクタ５０、第３エゼクタ６０について説明する。図５、図６に示すように、ユニット本体３１には、第１切り替え弁７０および第２切り替え弁８０よりも前方側に、復流室９０が設けられており、この復流室９０は復流入口部３８に接続されている。さらに、この復流室９０よりも前方側に第１エゼクタ４０のディフューザ４１と第２エゼクタ５０のディフューザ５１と第３エゼクタ６０のディフューザ６１が形成されている。
【００３０】
これら三つディフューザ４１，５１，６１はいずれもその軸線を水平に配置されていて、上から、第１エゼクタ４０のディフューザ４１、第３エゼクタ６０のディフューザ６１、第２エゼクタ５０のディフューザ５１の順に、隣接するもの同士上下方向に所定の間隔を開けて配置されている。
第１エゼクタ４０のディフューザ４１と第２エゼクタ５０のディフューザ５１の軸線は同一垂直面上に位置しているが、第３エゼクタ６０のディフューザ６１の軸線はディフューザ４１，５１の軸線に対してねじれの位置に配置されている。つまり、互いに隣接する二つのエゼクタ（すなわち、第１エゼクタ４０と第３エゼクタ６０、あるいは、第３エゼクタ６０と第２エゼクタ５０）のディフューザ同士（すなわち、ディフューザ４１とディフューザ６１、あるいは、ディフューザ６１とディフューザ５１）はその軸線をねじれの位置に配置されていて、互いにぶつかることなく立体交差のように配置されている。
換言すると、互いに隣接する二つのエゼクタ（すなわち、第１エゼクタ４０と第３エゼクタ６０、あるいは、第３エゼクタ６０と第２エゼクタ５０）のディフューザ同士（すなわち、ディフューザ４１とディフューザ６１、あるいは、ディフューザ６１とディフューザ５１）について、これらエゼクタ４０，５０，６０が隣接する方向（すなわち、図６において上下方向）に直交する面内（すなわち、水平面内）で相互にディフューザの軸線の向きを変えて配置されている。
【００３１】
三つのディフューザ４１，５１，６１は、その途中に内径が最小となるスロート部４２，５２，６２を有し、このスロート部４２，５２，６２よりも後方側（上流側）には前方（下流方向）に進むにしたがって漸次連続的に縮径する絞り部４３，５３，６３が設けられ、スロート部４２，５２，６２よりも前方側（下流側）には前方（下流方向）に進むにしたがって漸次連続的に拡径する拡径部４４，５４，６４が設けられている。拡径部４４，５４，６４の広がり角度は絞り部４３，５３，６３の広がり角度よりも小さい。そして、これらディフューザ４１，５１，６１の絞り部４３，５３，６３の後端は復流室９０に連通しており、拡径部４４，５４，６４の先端は水素送出部３６の側面に設けられた送出口４４ａ，５４ａ、６４ａに連通している。水素送出部３６は、水平断面が略三角形をなし、その頂点部分を前方に突出させた形態をなしており、一方の側面３６ａに第１エゼクタ４０の送出口４４ａと第２エゼクタ５０の送出口５４ａが上下に離間して開口し、他方の側面３６ｂに第３エゼクタ６０の送出口６４ａが開口している。
なお、ディフューザ４１，５１，６１は拡径部４４，５４，６４におけるスロート部４２，５２，６２に近い部位が、前述したねじれの中心に位置している。
【００３２】
また、ディフューザ４１の後方には第１エゼクタ４０のノズル４５がその先端を復流室９０に突出させた状態でディフューザ４１と同軸上にユニット本体３１に固定されている。ノズル４５は軸線方向に貫通するノズル孔４６を有し、ノズル孔４６は前方（下流方向）に進むにしたがって漸次縮径している。
同様に、ディフューザ５１，６１の後方にも第２エゼクタ５０のノズル５５、第３エゼクタ６０のノズル６５がその各先端を復流室９０に突出させた状態でディフューザ５１，６１と同軸上にユニット本体３１に固定されていて、これらノズル５５，６５にも同様にノズル孔５６，６６が形成されている。
前述した第２切り替え弁８０の第１ガス通路８３に連なる連通孔８８はノズル４５のノズル孔４６に接続されており、第２切り替え弁８０の第２ガス通路８４に連なる連通孔８９はノズル５５のノズル孔５６に接続されており、第１切り替え弁７０の第２ガス通路７４に連なる連通孔７９はノズル６５のノズル孔６６に接続されている。
【００３３】
また、水素送出部３６の側面３６ａ，３６ｂに設けられた送出口４４ａ，５４ａ，６４ａには、それぞれ逆流防止用のリードバルブ４７，５７，６７とストッパ４８，５８，６８が装着されており、送出口から流体が流出しているときには該送出口のリードバルブが開き、送出口から流体が流出していないときには該送出口のリードバルブが閉じるようになっている。これにより、流体が一つの送出口（例えば送出口４４ａ）から水素送出管３５に流出しているときに、その流体が水素送出管３５から他の送出口（例えば送出口５４ａ，６４ａ）に流入しディフューザを通って復流室９０に逆流して実質的な水素復流量が減少する（つまりストイキが低下する）のを防止している。
【００３４】
ここで、ディフューザ４１とノズル４５と復流室９０は第１エゼクタ４０を構成し、ディフューザ５１とノズル５５と復流室９０は第２エゼクタ５０を構成し、ディフューザ６１とノズル６５と復流室９０は第３エゼクタ６０を構成する。
第１エゼクタ４０において、ノズル４５のノズル孔４６の先端からディフューザ４１に向けて水素を噴射すると、ディフューザ４１のスロート部４２の近傍に負圧が発生し、この負圧によって復流室９０内の水素復流がディフューザ４１に吸い込まれ、ノズル４５から噴射された水素と復流室９０から吸い込まれた水素復流がディフューザ４１で混合されて、送出口４４ａから水素送出管３５に流出する。
【００３５】
第２エゼクタ５０および第３エゼクタ６０の作用も第１エゼクタ４０と同様である。すなわち、第２エゼクタ５０において、ノズル５５から水素を噴射すると復流室９０の水素復流がディフューザ５１に吸い込まれ、水素と水素復流はディフューザ５１で混合されて、送出口５４ａから水素送出管３５に流出する。また、第３エゼクタ６０において、ノズル６５から水素を噴射すると復流室９０の水素復流がディフューザ６１に吸い込まれ、水素と水素復流はディフューザ６１で混合されて、送出口６４ａから水素送出管３５に流出する。
【００３６】
なお、第１エゼクタ４０は、小流量時に必要ストイキ値を満足させる小流量用のエゼクタとして機能し、第２エゼクタ５０は、中流量時に必要ストイキ値を満足させる中流量用のエゼクタとして機能し、第３エゼクタ６０は大流量時に必要ストイキ値を満足させる大流量用のエゼクタとして機能するように設定されている。そのために、第１エゼクタ４０のノズル４５の内径およびディフューザ４１の内径はそれぞれ第２エゼクタ５０のノズル５５の内径およびディフューザ５１の内径よりも小さく設定されており、第３エゼクタ６０のノズル６５の内径およびディフューザ６１の内径はそれぞれ第２エゼクタ５０のノズル５５の内径およびディフューザ５１の内径よりも大きく設定されている。
【００３７】
次に、この燃料電池システムの作用をエゼクタユニット３０を中心にして説明する。
エゼクタユニット３０の第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０は、燃料電池１１の出力電流に基づいてＥＣＵにより制御される。
すなわち、燃料電池１１の出力電流が第１の所定値Ｃ１よりも小さいときには燃料極に供給する水素の流量は小流量でよいので、ＥＣＵは第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０を共にＯＦＦ状態に制御する。
第１切り替え弁７０および第２切り替え弁８０を共にＯＦＦ状態にすると、前述したように、水素入口部３４から連通孔３９を介して第１切り替え弁７０の弁室７２に流入した水素は、弁室７２→第１ガス通路７３→連通孔７８→第２切り替え弁８０の弁室８２→第１ガス通路８３→連通孔８８の流路を通って第１エゼクタ４０のノズル４５だけに供給され、第２エゼクタ５０のノズル５５および第３エゼクタ６０のノズル６５には水素が供給されない。
【００３８】
その結果、小流量用の第１エゼクタ４０のノズル４５からディフューザ４１に向けて水素が噴射され、復流室９０の水素復流がディフューザ４１に吸い込まれ、これら水素と水素復流がディフューザ４１で混合されて、送出口４４ａから水素送出管３５に流出し、加湿器１３を介して燃料電池１１の燃料極に供給される。
また、このときには、中流量用の第２エゼクタ５０と大流量用の第３エゼクタ６０のノズル５５，６５から水素が噴射されることはなく、ディフューザ５１，６１に水素復流が吸い込まれることはない。
すなわち、燃料電池１１の出力電流が第１の所定値Ｃ１よりも小さく、水素消費量が少量のときには、このエゼクタユニット３０は第１エゼクタ４０だけが機能し、第２エゼクタ５０と第３エゼクタ６０は機能しない。そして、このときには、ストイキ値は小流量用の第１エゼクタ４０のストイキ特性により決定される。
【００３９】
次に、燃料電池１１の出力電流が第１の所定値Ｃ１以上であるが第２の所定値Ｃ２よりも小さいときには燃料極に供給する水素の流量は中流量でよいので、ＥＣＵは第１切り替え弁７０をＯＦＦ状態に制御し、第２切り替え弁８０をＯＮ状態に制御する。
第１切り替え弁７０をＯＦＦ状態、第２切り替え弁８０をＯＮ状態に制御すると、前述したように、水素入口部３４から連通孔３９を介して第１切り替え弁７０の弁室７２に流入した水素は、弁室７２→第１ガス通路７３→連通孔７８→第２切り替え弁８０の弁室８２→第２ガス通路８４→連通孔８９の流路を通って第２エゼクタ５０のノズル５５だけに供給され、第１エゼクタ４０のノズル４５および第３エゼクタ６０のノズル６５には水素が供給されない。
【００４０】
その結果、中流量用の第２エゼクタ５０のノズル５５からディフューザ５１に向けて水素が噴射され、復流室９０の水素復流がディフューザ５１に吸い込まれ、これら水素と水素復流がディフューザ５１で混合されて、送出口５４ａから水素送出管３５に流出し、加湿器１３を介して燃料電池１１の燃料極に供給される。
また、このときには、小流量用の第１エゼクタ４０と大流量用の第３エゼクタ６０のノズル４５，６５から水素が噴射されることはなく、ディフューザ４１，６１に水素復流が吸い込まれることはない。
すなわち、燃料電池１１の出力電流が第１の所定値Ｃ１以上であるが第２の所定値Ｃ２よりも小さく、水素消費量が中量のときには、このエゼクタユニット３０は第２エゼクタ５０だけが機能し、第１エゼクタ４０と第３エゼクタ６０は機能しない。そして、このときには、ストイキ値は中流量用の第２エゼクタ５０のストイキ特性により決定される。
【００４１】
次に、燃料電池１１の出力電流が第２の所定値Ｃ２以上のときには燃料極に供給する水素の流量は大流量が必要であるので、ＥＣＵは第１切り替え弁７０をＯＮ状態に制御し、第２切り替え弁８０をＯＦＦ状態に制御する。
第１切り替え弁７０をＯＮ状態、第２切り替え弁８０をＯＦＦ状態に制御すると、前述したように、水素入口部３４から連通孔３９を介して第１切り替え弁７０の弁室７２に流入した水素は、弁室７２→第２ガス通路７４→連通孔７９の流路を通って第３エゼクタ６０のノズル６５だけに供給され、第１エゼクタ４０のノズル４５および第２エゼクタ５０のノズル５５には水素が供給されない。
【００４２】
その結果、大流量用の第３エゼクタ６０のノズル６５からディフューザ６１に向けて水素が噴射され、復流室９０の水素復流がディフューザ６１に吸い込まれ、これら水素と水素復流がディフューザ６１で混合されて、送出口６４ａから水素送出管３５に流出し、加湿器１３を介して燃料電池１１の燃料極に供給される。
また、このときには、小流量用の第１エゼクタ４０と中流量用の第２エゼクタ５０のノズル４５，５５から水素が噴射されることはなく、ディフューザ４１，５１に水素復流が吸い込まれることはない。
すなわち、燃料電池１１の出力電流が第２の所定値Ｃ２以上で、水素消費量が大量のときには、このエゼクタユニット３０は第３エゼクタ６０だけが機能し、第１エゼクタ４０と第２エゼクタ５０は機能しない。そして、このときには、ストイキ値は大流量用の第３エゼクタ６０のストイキ特性により決定される。
【００４３】
このように、この実施の形態におけるエゼクタユニット３０を備えた燃料電池システムによれば、第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０による流路切り替え制御によって、第１エゼクタ４０と第２エゼクタ５０と第３エゼクタ６０のいずれか一つだけを機能させて水素復流を燃料電池１１に再循環させることができる。しかも、第１エゼクタ４０は小流量用エゼクタとしてのストイキ特性を有し、第２エゼクタ５０は中流量用エゼクタとしてのストイキ特性を有し、第３エゼクタ６０は大流量用エゼクタとしてのストイキ特性を有しているので、アイドル時の小流量から高負荷時の大流量まで広範囲に亘って所定のストイキ特性を確保しつつ、必要な燃料流量を燃料電池１１に送出することができる。
また、燃料電池１１の出力電流に応じて二つの切り替え弁７０，８０を切り替えるようにしているので、エゼクタの選択が適正に行われ、燃料電池１１で必要とされる水素流量（要求流量）を確実に送出することができる。
【００４４】
さらに、ユニット本体３１内に三つのエゼクタ４０，５０，６０と二つの切り替え弁７０，８０を内蔵しているので、燃料供給システムを小型化することができる。特に、第１エゼクタ４０のディフューザ４１と第２エゼクタ５０のディフューザ５１の間に配置される第３エゼクタ６０のディフューザ６１を、ディフューザ４１，５１に対してねじれの位置に配置しているので、これら三つのディフューザ４１，５１，６１を同一垂直面上に平行に配置した場合に比べてユニット本体３１の高さを低くすることができ、より小型・軽量化を図ることができる。
【００４５】
また、燃料電池１１の出力電流が第１の所定値Ｃ１よりも小さく、燃料極に供給する水素の流量が小流量のときには、第１切り替え弁７０と第２切り替え弁８０を共にＯＦＦ状態に制御するので、このときの電磁アクチュエータ７７，８７の消費電力をゼロにすることができ、燃料電池１が小出力時の寄生電力を増やすことがない。よって、エネルギーマネージメント上、極めて有利であり、燃料電池自動車の燃費が向上する。
【００４６】
［他の実施の形態］
この発明は、前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では、要求する水素流量に関する入力信号として燃料電池の実際の出力電流を用いたが、これに代えて目標電流等を用いても構わない。
また、前述した実施の形態では、第１エゼクタ４０のディフューザ４１と第２エゼクタ５０のディフューザ５１の軸線を同一垂直面上に配置し、第３エゼクタ６０のディフューザ６１の軸線をディフューザ４１，５１の軸線に対してねじれの位置に配置したが、三つのディフューザ４１，５１，６１の軸線の総てを互いにねじれの位置に配置することも可能である。
さらに、エゼクタは三つに限るものではなく、二つでもよいし、あるいは、四つ以上であってもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、エゼクタ切り替え手段による流路切り替えによっていずれか一つのエゼクタを単独で動作させることができ、したがって、エゼクタ毎にノズル径およびディフューザ径を異にしておくことにより、流量特性を変えることができるので、小流量から大流量まで広範囲に亘って所定のストイキ特性を確保しつつ、必要な流量で流体を燃料電池に送出することができる。しかも、筐体内に複数のエゼクタとエゼクタ切り替え手段を内蔵し、且つ、互いに隣接する前記エゼクタのディフューザの軸線をねじれの位置に配置したことにより、燃料供給装置を小型・軽量化することができる。
【００４８】
また、請求項２に係る発明によれば、第１流体が最も少ない流量とされるノズルを選択したときに、エゼクタ切り替え手段のエネルギー消費を最も少なくすることができるので、エネルギーマネージメント上、極めて有利になる。特に、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムに適用した場合には、燃料電池自動車の燃費が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る流体供給装置を備えた燃料電池システムの構成図である。
【図２】この発明に係る燃料電池の流体供給装置であるエゼクタユニットの一実施の形態における外観斜視図である。
【図３】前記実施の形態におけるエゼクタユニットの水素送出部側から見た正面図である。
【図４】前記実施の形態におけるエゼクタユニットの切り替え弁部分の縦断面図である。
【図５】前記実施の形態におけるエゼクタユニットの横断面図である。
【図６】図５のＸ−Ｘ断面図である。
【図７】従来の一般的なエゼクタの断面図である。
【符号の説明】
１１  燃料電池
３０  エゼクタユニット（流体供給装置）
３１  ユニット本体（匡体）
４０  第１エゼクタ
５０  第２エゼクタ
６０  第３エゼクタ
４１，５１，６１  ディフューザ
４５，５５．６５  ノズル
７０  第１切り替え弁（エゼクタ切り替え手段）
８０  第２切り替え弁（エゼクタ切り替え手段）
【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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