(57)【要約】【課題】増幅ノズルより燃料電池スタックへ噴出させる水素循環流路中の未反応水素の量を可変自在とする増幅ノズルを提供する。【解決手段】第１の流体が流れる主流路１９の流れ方向に略直交する方向から第２の流体を主流路に繋がる副流路よりオリフィス２２を介して該主流路に供給してこれら第１及び第２の流体の混合流体を昇圧させる増幅ノズル４において、オリフィス２２の噴出し口２２Ａ、２３Ａの開口面積を、主流路の流路径よりも小さく且つ段階的に増加減自在とするオリフィス可変手段を備える。オリフィス可変手段は、開口面積が異なる少なくとも大小２つの噴出し口２２Ａ、２３Ａと、副流路２１に接続され、大きい方の噴出し口２２Ａに接続される第１流路２４と、副流路２１に接続され、小さい方の噴出し口２３Ａに接続される第２流路２５と、第２の流体を選択的に第１流路２４又は第２流路２５に供給する三方弁２６とからなる。【選択図】 図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向から他方向へ第１の流体が流れる主流路の流れ方向に略直交する方向から第２の流体を前記主流路に繋がる副流路よりオリフィスを介して前記主流路に供給してこれら第１及び第２の流体の混合流体を昇圧させる増幅ノズルにおいて、
前記オリフィスの噴出し口の開口面積を、前記主流路の流路径よりも小さく且つ段階的に増加減自在とするオリフィス可変手段を備えた
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項２】
請求項１に記載の増幅ノズルであって、
前記オリフィス可変手段は、
開口面積が異なる少なくとも大小２つの噴出し口と、
前記副流路に接続され、前記大きい方の噴出し口に接続される第１流路と、
前記副流路に接続され、前記小さい方の噴出し口に接続される第２流路と、
前記第２の流体を選択的に前記第１流路又は前記第２流路に供給する三方弁とからなる
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項３】
請求項１に記載の増幅ノズルであって、
前記オリフィス可変手段は、
前記主流路の外周囲において前記混合流体の流れ方向にスライド自在とされ、前記噴出し口を開閉してその開口面積を増加減させるスライド部材と、
前記スライド部材を、前記噴出し口の開口面積が減少する方向に常時付勢するバネと、
前記バネの付勢力に抗して前記スライド部材を、前記副流路から供給される第２の流体又は空気供給手段から供給される空気を受けることで前記噴出し口の開口面積が増加する方向にスライドさせる力を発生させる受圧部とからなる
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項４】
請求項１に記載の増幅ノズルであって、
前記オリフィス可変手段は、
前記主流路の外周囲において前記混合流体の流れ方向にスライド自在とされ、前記噴出し口を開閉してその開口面積を増加減させるスライド部材と、
前記スライド部材をスライド自在とする電動アクチュエータとからなる
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項５】
請求項３に記載の増幅ノズルであって、
前記副流路から分岐して前記混合流体が流れる前記主流路の下流に連通する分岐管と、
前記受圧部に前記第２の流体を供給する導入管と、
前記副流路からの前記第２の流体を選択的に前記分岐管又は前記導入管に供給する三方弁とを備えた
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項６】
請求項３または請求項５に記載の増幅ノズルであって、
前記受圧部は、一端部を前記スライド部材に固定し、他端部をノズル管壁に固定したダイアフラムである
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項７】
請求項３から請求項６の何れか一つに記載の増幅ノズルであって、
前記スライド部材は、円筒形状のスリーブからなる
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項８】
請求項７に記載の増幅ノズルであって、
前記スリーブの前記噴出し口と対応する位置に、該噴出し口よりも小さな開口面積とされた異なる大きさの孔が前記混合流体の流れ方向に沿って複数配列されている
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項９】
請求項７に記載の増幅ノズルであって、
前記スリーブの前記噴出し口と対応する位置に、該噴出し口よりも小さな開口面積とされると共に前記混合流体の流れ方向に沿って開口面積が次第に減少する孔が形成されている
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項１０】
請求項７に記載の増幅ノズルであって、
前記スリーブの前記噴出し口と対応する位置に、該噴出し口よりも小さな開口面積とされると共に前記混合流体の流れ方向に沿って長さの異なるスリットが複数配列されて形成されている
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項１１】
請求項１に記載の増幅ノズルであって、
前記オリフィス可変手段は、
ノズル管内部において該ノズル管の中心軸を回転中心として所定回転角度内で回転自在とされ、その周面の一部に該主流路と連通する前記オリフィスの噴出し口となる孔が形成された円筒状回転部材と、
前記円筒状回転部材を、前記ノズル管の壁面で塞がれることにより前記噴出し口となる孔の開口面積が減少する方向に常時付勢するバネと、
前記バネの付勢力に抗して前記円筒状回転部材を、前記副流路から供給される第２の流体を受けることで又は空気供給手段から供給される空気を受けることで前記噴出し口となる孔の開口面積が増加する方向に回転させる力を発生させる受圧部とからなる
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項１２】
請求項１に記載の増幅ノズルであって、
前記オリフィス可変手段は、
ノズル管内部において該ノズル管の中心軸を回転中心として所定回転角度内で回転自在とされ、その周面の一部に該主流路と連通する前記オリフィスの噴出し口となる孔が形成された円筒状回転部材と、
前記円筒状回転部材を回転させて前記ノズル管の壁面で前記噴出し口となる孔を塞いで該噴出し口の開口面積を増加減させる電動アクチュエータとからなる
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２に記載の増幅ノズルであって、
前記噴出し口となる孔は、前記円筒状回転部材の回転方向に沿ってその開口面積が次第に減少する孔として形成された
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項１４】
請求項１１または請求項１２に記載の増幅ノズルであって、
前記噴出し口となる孔は、前記円筒状回転部材の回転方向に沿って長さの異なるスリットが複数配列されて形成された
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項１５】
請求項１１、１３または１４の何れかに記載の増幅ノズルであって、
前記副流路から分岐して前記混合流体が流れる前記主流路の下流に連通する分岐管と、
前記副流路から前記第２の流体が前記噴出し口となる孔に供給される噴出し室とは独立して設けられた受圧室に供給されて前記受圧部に該第２の流体を受圧させる導入管と、
前記副流路からの前記第２の流体を選択的に前記分岐管又は前記導入管に供給する三方弁とを備えた
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項１６】
請求項３、５〜１１、１３〜１５の何れか一つに記載の増幅ノズルであって、
前記バネは、熱感度のある非線形バネからなる
ことを特徴とする増幅ノズル。
【請求項１７】
請求項１から請求項１６の何れか一つに記載される増幅ノズルと、
水素と酸素の反応で発電する燃料電池スタックと、
周囲の空気を吸込み加圧して前記燃料電池スタックに吐出供給する空気供給手段と、
前記燃料電池スタックに供給する水素を溜めておく水素貯蔵手段と、
前記水素貯蔵手段から前記燃料電池スタックへと水素を供給させる水素供給流路と、
前記燃料電池スタックから排出される未反応水素を、再度燃料電池スタックに戻す水素循環流路とを備え、
前記水素供給流路を、前記増幅ノズルの前記副流路に接続すると共に、前記水素循環流路を、前記増幅ノズルの前記主流路上流側に接続した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の燃料電池システムであって、
前記水素循環流路を流れる水素のガス密度から前記燃料電池スタックへ供給する必要水素流量を求め、その必要水素流量に応じて前記増幅ノズルの前記噴出し口の開口面積を増加減させる制御手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の燃料電池システムであって、
前記水素循環流路を流れる水素のガス密度を、前記燃料電池スタックから排出された未反応水素を前記増幅ノズルに供給させる水素循環ポンプの回転数と消費電力から求める
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１８に記載の燃料電池システムであって、
前記水素循環流路を流れる水素のガス密度を、前記水素循環流路に設けた温度センサと圧力センサから前記燃料電池スタックから排出される未反応水素の温度と圧力を元に求める
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１８に記載の燃料電池システムであって、
前記水素循環流路を流れる水素のガス密度を、前記水素循環流路に設けた温度センサ、圧力センサ及び濃度センサから前記燃料電池スタックから排出される未反応水素の温度、圧力及び濃度を元に求める
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、増幅ノズル及びこれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムのアノードガス（水素ガス）循環系において、燃料電池スタックから排出される未反応水素を水素タンクから該燃料電池スタックへと供給される水素供給流路に合流させる手段として、エゼクタ（増幅ノズル）が使用されている。
【０００３】
一般的に、エゼクタは、燃料電池スタックからの未反応水素の利用率を変化させることができず、定格点での流量にあわせた設計をしており、小流量では十分な水素循環流量が得られていなかった。
【０００４】
これを改善するために、特許文献１では、エゼクタのノズル内に、該ノズルと同軸にニードルを配置し、該ニードルを軸線方向に移動させることで、前記ノズルの開口面積を変化させ、当該エゼクタの流量を可変する技術を開示している。
【特許文献１】特開２００５−２４８７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、エゼクタは、その構造上、エゼクタ内の未反応水素の流路を広く取ることができないため、圧力損失が大きくなり、十分な水素循環流量を稼げないという問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、上記事情を考慮し、燃料電池スタックから排出される未反応水素と水素タンクから供給される水素とを合流させる際に、未反応水素流路の圧力損失を大きくすることなく、増幅ノズルより燃料電池スタックへ噴出させる水素循環流路中の未反応水素の量を可変自在とし、未反応水素の利用率を高めることのできる増幅ノズル及びこれを用いた燃料電池システム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】
本発明は、一方向から他方向へ第１の流体が流れる主流路の流れ方向に略直交する方向から第２の流体を前記主流路に繋がる副流路よりオリフィスを介して前記主流路に供給してこれら第１及び第２の流体の混合流体を昇圧させる増幅ノズルである。そして、本発明の増幅ノズルでは、前記オリフィスの噴出し口の開口面積を、前記主流路の流路径よりも小さく且つ段階的に増加減自在とするオリフィス可変手段を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１の流体が流れる主流路に、副流路を流れる第２の流体をオリフィスを介して供給する際に、該オリフィスの噴出し口の開口面積を段階的に増加減自在とするオリフィス可変手段を備えているため、増幅ノズルより燃料電池スタックへ噴出させる水素循環流路中の未反応水素の量を可変自在とすることができる。したがって、燃料電池スタックから排出される未反応水素の利用率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
［実施の形態１］
図１は、燃料電池システムを示す全体システム図である。本実施の形態の燃料電池システムにおいては、水素貯蔵手段を構成する水素タンク１内の水素は、水素調圧弁２、水素タンク１と増幅ノズル４を連結する水素供給流路３、増幅ノズル４、増幅ノズル４と燃料電池スタック６を連結する水素供給流路１７をこの順に通って燃料電池スタック６に供給される。増幅ノズル４と燃料電池スタック６を結ぶ水素供給流路１７には、この流路内の圧力を測定する水素圧力センサ５が設けられている。
【００１１】
水素タンク１は、タンク内に燃料ガスとして水素を貯蔵している。水素調圧弁２は、コントロールユニット１６の指令により制御され、燃料電池スタック６へ供給する水素の流量を制御し、これにより燃料電池スタック６の水素側における入口圧力を制御する。
【００１２】
空気供給手段を構成するコンプレッサ９により吸い込まれた空気は、圧縮された後、空気供給流路１０を通って燃料電池スタック６に供給される。この空気供給流路１０には、この流路内を流れる空気の圧力を測定する空気圧力センサ８が設けられている。かかるコンプレッサ９は、コントロールユニット１６の指令により回転数制御され、燃料電池スタック６へ供給する空気の流量を制御し、該燃料電池スタック６の空気側における入口圧力を制御する。
【００１３】
燃料電池スタック６は、供給される水素と空気とが電解質膜に供給されることで発電する。燃料電池スタック６から排出された空気は、空気調圧弁７により圧力調整された後にシステム外へと排出される。燃料電池スタック６から排出されたアノードオフガス（未反応水素）は、水素循環流路１１を通って水素循環ポンプ１５により吸引され、増幅ノズル４で加圧され、水素タンク１から供給される水素と混合されて再び燃料電池スタック６に戻る。
【００１４】
水素循環流路１１には、この流路内の温度を測定する温度センサ１４が設けられている。水素循環ポンプ１５は、燃料電池スタック６から排出された未反応ガスのうち水素のみを吸い込み、再度水素を燃料電池スタック６へ供給させる。かかるアノードオフガスは、２重コイル電磁弁（常時閉）１２を開くことで排出流路１３を通して外部に排出されることもできる。
【００１５】
コントロールユニット１６は、各センサ５、８、１４からの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに従い、各構成品４、７、１２へ指令を送り、燃料電池システムの制御を行う。温度センサ１４は、水素循環流路１１内の温度を検出し、その検出値をコントロールユニット１６に入力する。水素圧力センサ５は、燃料電池スタック６の水素側における圧力を検出し、その検出値をコントロールユニット１６に入力する。また、コントロールユニット１６は、水素圧力センサ５の検出値に基づき、前記水素調圧弁２を制御する。空気圧力センサ８は、燃料電池スタック６の空気側における圧力を検出し、その検出値をコントロールユニット１６に入力する。また、コントロールユニット１６は、空気圧力センサ８の検出値に基づき、前記空気調圧弁７を制御する。
【００１６】
図２は増幅ノズル４を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は横断面図である。増幅ノズル４は、ストレート形状とされる増幅ノズル管（増幅ノズル筐体）１８の一方向から他方向へ第１の流体（水素循環流路１１に流れる未反応水素）が流れる主流路１９を有している。かかる主流路１９は、上流側を水素循環流路１１に接続し、下流側を増幅ノズル４と燃料電池スタック６とを結ぶ水素供給流路１７に接続させている。
【００１７】
主流路１９には、流体を加速させ且つ昇圧させるための絞り部２０が形成されている。絞り部２０は、主流路１９の流路径（管内径）を徐々に狭めた後に再び元の内径となるように流路を拡げることで形成されている。この絞り部２０では、流路径が徐々に細められることにより流体が加速され、再び流路径が拡がるにつれて運動エネルギーが圧力エネルギーになることで圧力回復が起こり昇圧される。また、この時、流路径の変化を徐々に行うことによって流れの乱れを抑えることが可能となり、圧力損失を低減することができる。
【００１８】
そして、この絞り部２０には、主流路１９の流れ方向に略直交する方向から第２の流体（水素タンク１から供給される水素）を前記主流路１９に供給するための副流路２１が接続されている。この副流路２１には、水素タンク１と増幅ノズル４とを結ぶ水素供給流路３が接続され、その内部に水素タンク１からの水素が供給されるようになている。
【００１９】
副流路２１に供給された第２の流体は、前記絞り部２０に形成された開口面積の異なる大小２つの噴出し口２２Ａ、２３Ａを備えたオリフィス２２、２３を介して前記主流路１９に供給される。２つのうちで一方よりもその開口面積が大きい噴出し口２２Ａを有するオリフィス２２は、前記副流路２１と接続される第１流路２４に接続されている。また、他方の開口面積が小さい噴出し口２３Ａを有するオリフィス２３は、前記副流路２１と接続される第２流路２５に接続されている。なお、これらオリフィス２２、２３には、主流路１９に向かってその開口部を次第に大きくし且つ混合流体の流れ方向下流へと傾く傾斜部２２ａ、２３ａが形成されている。
【００２０】
大小２つの噴出し口２２Ａ、２３Ａは、同一断面位置において、前記増幅ノズル管１８を略４等分する位置にそれぞれ形成されている。一方に比べて開口面積が大きい２つの噴出し口２２Ａ、２２Ａは、第１流路２４に共に接続されている。他方の開口面積が小さい噴出し口２３Ａ、２３Ａは、第１流路２４とは別の第２流路２５に接続されている。
【００２１】
また、この増幅ノズル４においては、第２の流体を選択的に第１流路２４又は第２流路２５に供給する三方弁２６が前記副流路２１に設けられている。この三方弁２６と、大小２つの噴出し口２２Ａ、２３Ａを有したそれぞれのオリフィス２２、２３と、第１流路２４及び第２流路２５とで構成されるオリフィス可変手段により、前記燃料電池スタック６へ供給する水素循環流路１１に含まれる未反応水素の供給量を、二段階にて供給可能となす。
【００２２】
具体的には、水素タンク１から水素供給量路３を通して水素調圧弁２で圧力調整された水素が、前記増幅ノズル４の副流路２１に流入する。そして、この副流路２１に接続された三方弁２６を通過し、第１流路２４または第２流路２５から各噴出し口２２Ａ、２３Ａへと到達し、主流路１９内に噴出される。このとき、水素ガスは、圧力エネルギーが速度エネルギーへと変換されるため、減圧される。この減圧効果によって、水素循環流路１１から未反応水素を引き込み、燃料電池スタック６のアノード入口へと続く流路（主流路）へと水素は加圧されながら流れる。このとき、燃料電池スタック６から排出された未反応ガスの通過する流路（主流路の上流）と、アノード入口へと続く流路（主流路の下流）は一直線となっており、大きな圧力損失は生じない。
【００２３】
この際に、噴出し口２２Ａの方が２３Ａよりも大きい。噴出し口の開口面積の大きさによって、水素ガスが閉塞する流量が異なり、高流量で閉塞するような噴出し口２２Ａの開口面積であると、低流量では十分な減圧がなされず、水素循環流路１１を流れる前記主流路１９上流の未反応ガスを十分に吸い込めない。
【００２４】
燃料電池スタック６の必要水素循環流量（発電に必要な水素流量）が多いときは、水素調圧弁２の開度が上がり、増幅ノズル４へ流入する水素量は多く、逆に必要水素循環流量が少ないときは、増幅ノズル４へと流入する水素量は少なくなる。このことから、必要水素循環流量が多いときは、三方弁２６を、開口面積が大きい噴出し口２２Ａへと通じる第１流路２４へ流入するように開き、必要水素循環流量が少ないときは、三方弁２６を、開口面積が小さい噴出し口２３Ａへと通じる第２流路２５へ流入するように開くことで、必要流量に応じて増幅ノズル４からの水素噴出し量（水素供給量）を調整することができる。この動作は、水素調圧弁２の動きに合わせて、前記三方弁２６を開く方向を変えることで対応が可能となる。
【００２５】
上記構成の増幅ノズル４を燃料電池システムのアノード循環系に用いた場合、燃料電池スタック６からの未反応水素と水素タンク１からの供給水素を合流させる際に、水素循環流路１１の圧力損失を大きくすることなく、増幅ノズル４より燃料電池スタック６へ噴出させる前記水素循環流路１１中の未反応水素の量を可変自在とすることができる。図３には、燃料電池負荷と増幅ノズル昇圧量の関係を示す特性図を示す。この特性図から判るように、増幅ノズル４より燃料電池スタック６へ噴出させる水素循環流路１１中の未反応水素量を可変させた場合（実線Ａで示す）は、可変させずに定格固定とした場合（破線Ｂで示す）に比べて増幅ノズル４における昇圧量の大幅な向上が得られる。
【００２６】
この他、増幅ノズル４上流の水素調圧弁２の開度を変化させることによっても、前記増幅ノズル４からの噴出し量を変化させることができる。水素調圧弁２の開度を上げると、増幅ノズル４への水素流入量が増加することから、噴出し口２２Ａ、２３Ａからの噴出し量は増加し、逆に水素調圧弁２の開度を下げると、増幅ノズル４への水素流入量は減少することから、噴出し口２２Ａ、２３Ａからの噴出し量も減少する。
【００２７】
なお、図２では、大小２つの噴出し口２２Ａ、２３Ａの数を４つとしたが、その数を増加減するようにしてもよい。また、噴出し口２２Ａ、２３Ａは、絞り部２０に形成されていてもよいし、或いは、絞り部２０の近傍に形成されていてもどちらでも構わない。
【００２８】
また、図４に示すように、主流路５の流れ方向に沿って開口面積が小さい方の噴出し口２３Ａを絞り部２０に形成し、その近傍部下流にそれよりも開口面積が大きい方の噴出し口２２Ａを形成するような増幅ノズル４としても同様の作用効果が得られる。
【００２９】
［実施の形態２］
実施の形態２では、増幅ノズル４の構成を実施の形態１の構成とは異なるものとして、増幅ノズルより燃料電池スタックへ噴出させる水素循環流路中の未反応水素の量を可変自在としたものである。ここでは、実施の形態１と同一構成部分についてはその説明は省略すると共に同一構成部分については同一の符号を付すものとする。
【００３０】
実施の形態２における増幅ノズル４は、図５に示すように、実施の形態１の増幅ノズルに対してオリフィス可変手段の構成を異にする。この例のオリフィス可変手段は、主流路１９の外周囲において混合流体の流れ方向にスライド自在とされ、副流路２１からオリフィス２２を介して供給される噴出し口２２Ａを開閉自在としてその開口面積を増加減させるスライド部材であるスリーブ２７と、該スリーブ２７を、前記噴出し口２２Ａの開口面積が減少する方向に常時付勢するバネ２８と、該バネ２８の付勢力に抗してスリーブ２７を、前記副流路２１から供給される第２の流体を受けることで前記噴出し口２２Ａの開口面積が増加する方向にスライドさせる力を発生させる受圧部２９とからなる。
【００３１】
スリーブ２７は、円筒体として形成されており、絞り部２０に形成された円環形状の摺動孔３０内に前記混合流体の流れ方向にスライド自在とされている。このスリーブ２７には、その周面に環状凸条部とされた受圧部２９が突設されている。バネ２８は、一端がノズル管壁に固定され、他端が受圧部２９に固定されており、前記スリーブ２７を噴出し口２２Ａの開口面積が減少する方向に常時付勢している。かかるバネ２８には、例えば熱感度のある非線形バネを使用することが望ましく、高温時に自然長が短いもの、若しくは低温時に自然長が長いものを使用する。
【００３２】
このように構成された増幅ノズル４では、水素調圧弁２にて圧力調整された水素タンク１からの水素が副流路２１へ流れ込み、オリフィス２２を通り噴出し口２２Ａを介して主流路１９内に噴出される。このとき、水素ガスは、圧力エネルギーが速度エネルギーへと変換されるため、減圧される。この減圧効果によって、水素循環流路１１から未反応水素を引き込み、燃料電池スタック６のアノード入口へと続く流路（主流路）へと水素は加圧されながら流れる。このとき、燃料電池スタック６から排出された未反応ガスの通過する流路（主流路の上流）と、アノード入口へと続く流路（主流路の下流）は一直線となっており、大きな圧力損失は生じない。
【００３３】
そして、この増幅ノズル４では、燃料電池スタック６の必要水素循環量が増えた場合には、水素調圧弁２の開度が変更され、前記副流路２１へ流入する水素流量及び圧力ともに増加する。すると、スリーブ２７に設けられた受圧部２９に加わる圧力が増加し、該受圧部２９を保持しているバネ２８が縮み、前記スリーブ２７が図５中右方向へ移動する。その結果、スリーブ２７により塞がれていた噴出し口２２Ａの開口面積が増加し、主流路１９へ噴出される水素量が増える。
【００３４】
逆に、必要水素循環量が減少する場合には、水素調圧弁２の開度が変更され、前記副流路２１へ流入する水素流量及び圧力ともに減少する。すると、受圧部２９に加わる圧力が減少し、該受圧部２９を保持しているバネ２８が伸び、前記スリーブ２７が図５中左方向へ移動する。その結果、スリーブ２７によって噴出し口２２Ａが塞がれて当該噴出し口２２Ａの開口面積が減少し、主流路１９へ噴出される水素量が減る。
【００３５】
このように、図５のような構成を持つ増幅ノズル４を用いることで、燃料電池スタック６の必要水素循環量に応じた水素調圧弁２の操作に前記噴出し口２２Ａの開度も追従可能なる。したがって、これにより、大きな圧力損失を伴わずに、燃料電池スタック６に必要な水素流量に応じて、増幅ノズル４より該燃料電池スタック６へ噴出させる水素循環流路１１中の未反応水素の量を可変することができる。
【００３６】
また、本実施の形態では、増幅ノズル４の中を通過するガス温度は、流量によって変化する。このことを利用し、熱感度のある非線形バネを用いることで、ガス温度に応じて異なるバネ係数が得られることから、スリーブ２７の摺動応答性を良くすることができる。すなわち、水素循環流路１１を流れるガス温度は、高流量時には高く低流量時には低くなるから、ガス流量が多いときにはガス温度が高くなることでバネ２８が縮み易くなり、逆に低流量時にはガス温度が低くなることでバネ２８が延び易くなる。その結果、ガス流量に対するスリーブ２７の摺動応答性が良くなる。
【００３７】
また、本実施の形態では、スリーブ２７に穴の空いていないスリーブを用い、該スリーブ２７を主流路１９の流れ方向に摺動させることで、この主流路１９に噴出する噴出し口２２Ａの大きさを連続的に変化させることができる。
【００３８】
図６では、スリーブ２７の前記噴出し口２２Ａと対応する位置に、該噴出し口２２Ａよりも小さな開口面積とされた異なる大きさの孔３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）を前記混合流体の流れ方向に沿って複数配列させ、該噴出し口２２Ａに各孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃを合わせることにより、前記噴出し口２２Ａの開口面積を段階的に増加減可能としたものである。
【００３９】
本実施の形態では、スリーブ２７に形成される円形状の孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃを、その混合流体の流れ方向に沿って直線上に順にその開口径が小さくなるように３つ形成している。これら３つの孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、１８０度反対側の位置にも同様に形成されている。
【００４０】
図７では、スリーブ２７の前記噴出し口２２Ａと対応する位置に、該噴出し口２２Ａよりも小さな開口面積とされると共に前記混合流体の流れ方向に沿って開口面積が次第に減少する孔３２を形成し、該噴出し口２２Ａにその孔３２を合わせることにより、前記噴出し口２２Ａの開口面積を段階的に増加減可能としたものである。
【００４１】
本実施の形態では、スリーブ２７に形成される孔３２を、その混合流体の流れ方向に沿ってその開口面積が減少するような略三角形状をなす孔として形成している。かかる孔３２は、１８０度反対側の位置にも同様に形成されている。
【００４２】
図８では、スリーブ２７の前記噴出し口２２Ａと対応する位置に、該噴出し口２２Ａよりも小さな開口面積とされると共に前記混合流体の流れ方向に沿って長さの異なるスリット３３を周方向に複数配列して形成することにより、前記噴出し口２２Ａの開口面積を段階的に増加減可能としたものである。
【００４３】
本実施の形態では、スリーブ２７に形成されるスリット３３を、混合流体の流れ方向に沿って長さの異なる３つの細長い孔３３ａ、３３ｂ、３３ｃを周方向に所定間隔を置いて形成している。長さの一番長い孔３３ｃを中央に配置し、その両脇にそれよりも長さの短い孔３３ｂを一端を揃えて配置し、さらにその脇に一番長さの短い孔３３ａを一端を揃えて配置した。
【００４４】
このように、図６から図８に示す  スリーブ２７をスライドさせれば、孔の形成されていないスリーブ２７を使用した場合の例と同様、何れも水素調圧弁２の開度に応じて増幅ノズル４の噴出し口２２Ａの開口面積を段階的に可変させることができる。
【００４５】
［実施の形態３］
実施の形態３では、増幅ノズル４の構成を図５で示す実施の形態２の構成とは異なるものとして、増幅ノズルより燃料電池スタックへ噴出させる水素循環流路中の未反応水素の量を可変自在としたものである。ここでは、図５の増幅ノズルと同一構成部分についてはその説明は省略すると共に同一構成部分については同一の符号を付すものとする。
【００４６】
実施の形態３における増幅ノズル４は、図９に示すように、副流路２１から分岐して前記混合流体が流れる主流路１９の下流に連通する分岐管３４と、受圧部２９に第２の流体を供給する導入管３５と、副流路２１から第２の流体を選択的に前記分岐管３４又は前記導入管３５に供給する三方弁３６とを備えている。三方弁３６は、副流路２１から分岐する分岐管３４と、受圧部２９を独立した部屋とする導入管３５との連結部分に設けられている。
【００４７】
この実施の形態の増幅ノズル４では、燃料電池スタック６の必要水素循環量を増やす場合には、三方弁３６を、前記副流路２１と前記導入管３５とを接続するようにする。すると、副流路２１を流れる水素が導入管３５へ流れ込み、受圧部２９に加わる圧力が増し、該受圧部２９を保持しているバネ２８が縮むことで前記スリーブ２７が図９中右方向へ移動する。その結果、スリーブ２７により塞がれていた噴出し口２２Ａの開口面積が増加し、主流路１９へ噴出される水素量が増える。
【００４８】
逆に、必要水素循環量を減少させる場合には、三方弁３６を、副流路２１との接続を遮断し、導入管３５と分岐管３４とを接続するようにする。すると、副流路２１からの水素が導入管３５及び分岐管３４に流れなくなり、受圧部２９に対する圧力が減圧され、前記バネ２８の付勢力によって前記スリーブ２７が図９中左方向へ移動する。その結果、スリーブ２７によって噴出し口２２Ａが次第に塞がれてその開口面積が減少し、主流路１９へ噴出される水素量が減る。その後、再び三方弁３６を、副流路２１と導入管３５とを接続するようにすることで、前記スリーブ２７の位置が必要水素循環量に応じた位置となる。この動作によって、流量減少時のスリーブ２７の摺動の応答が良くなる。
【００４９】
以上のような三方弁３６の操作を水素調圧弁２の動作と同期させることで、噴出し口２２Ａの開度を燃料電池スタック６の必要水素循環量に応じて自由に可変させることができる。
【００５０】
さらに、この実施の形態の増幅ノズル４では、受圧部２９に水素調圧弁２下流の高圧の水素ガス、主流路１９下流の低圧水素ガスを導入することができるようになるので、必要水素循環量に応じて三方弁３６を開閉することで、スリーブ２７の摺動を応答よく行うことが可能となる。すなわち、受圧部２９に副流路２１からの高圧ガス、主流路１９の低圧ガスを導入可能となるので、流量増加時には三方弁３６を副流路２１と導入管３５をつなげる方向に開くことでスリーブ２７を開く方向に受圧させ、逆に流量減少時には導入管３５と分岐管３４をつなぐことでスリーブ２７の受圧部２９の圧抜きを行ない、素早くスリーブ２７を閉め方向に動かすことが可能となる。
【００５１】
なお、本実施の形態は、前記した図６から図８に示した各形状の孔３１、３２、３３を有したスリーブ２７構造を持つ増幅ノズル４にも適用することができる。
【００５２】
［実施の形態４］
実施の形態４では、増幅ノズル４の構成を図５で示す実施の形態２の構成とは異なるものとして、増幅ノズルより燃料電池スタックへ噴出させる水素循環流路中の未反応水素の量を可変自在としたものである。ここでは、図５の増幅ノズルと同一構成部分についてはその説明は省略すると共に同一構成部分については同一の符号を付すものとする。
【００５３】
実施の形態４における増幅ノズル４は、図１０に示すように、図５で示す実施形態２の増幅ノズル４に対して、受圧部２９をダイヤフラム３７とし、バネ２８の位置を変更した点が異なる。すなわち、本実施の形態では、受圧部２９に変えてダイヤフラム３７を使用し、そのダイヤフラム３７の一端部をスリーブ２７に固定すると共に他端部をノズル管壁に固定し、さらに、バネ２８の一端部をスリーブ２７の後端面に固定すると共に摺動孔３０の底部に固定している。
【００５４】
このように、受圧部２９の代わりにダイヤフラム３７を使用すれば、スリーブ２７を摺動させるための高圧水素ガスを受圧する受圧面積が前記した図５の受圧部２９に比べて増加することから、実施の形態２のときよりも流量増加時のスリーブ摺動の応答性が増し、噴出し口２２Ａの大きさが変化する応答性も増す。
【００５５】
なお、本実施の形態は、前記した図６から図８に示した各形状の孔３１、３２、３３を有したスリーブ２７構造を持つ増幅ノズル４にも適用することができる。
【００５６】
［実施の形態５］
実施の形態５では、増幅ノズル４の構成を図９で示す実施の形態３の構成とは異なるものとして、増幅ノズルより燃料電池スタックへ噴出させる水素循環流路中の未反応水素の量を可変自在としたものである。ここでは、図９の増幅ノズルと同一構成部分についてはその説明は省略すると共に同一構成部分については同一の符号を付すものとする。
【００５７】
実施の形態５における増幅ノズル４は、図１１に示すように、図９で示す実施形態３の増幅ノズル４に対して、受圧部２９をダイヤフラム３７とし、バネ２８の位置を変更した点が異なる。すなわち、本実施の形態では、受圧部２９に変えてダイヤフラム３７を使用し、そのダイヤフラム３７の一端部をスリーブ２７に固定すると共に他端部をノズル管壁に固定し、さらに、バネ２８の一端部をスリーブ２７の後端面に固定すると共に摺動孔３０の底部に固定している。
【００５８】
このように、受圧部２９の代わりにダイヤフラム３７を使用すれば、導入管３５から供給されるスリーブ２７を摺動させるための高圧水素ガスを受圧する受圧面積が前記した図９の受圧部２９に比べて増加することから、実施の形態３のときよりも流量増加時のスリーブ摺動の応答性が増し、噴出し口２２Ａの大きさが変化する応答性も増す。
【００５９】
なお、本実施の形態は、前記した図６から図８に示した各形状の孔３１、３２、３３を有したスリーブ２７構造を持つ増幅ノズル４にも適用することができる。
【００６０】
［実施の形態６］
実施の形態６の増幅ノズルは、図５に示した実施の形態２の増幅ノズルに対してオリフィス可変手段の構成を異にする。この実施の形態のオリフィス可変手段は、図１２に示すように、増幅ノズル管１８内部において該増幅ノズル管１８の中心軸を回転中心として所定回転角度内で回転自在とされ、その周面の一部に主流路１９と連通する前記オリフィス２２の噴出し口２２Ａとなる孔３８が形成された円筒状回転部材である回転スリーブ３９と、該回転スリーブ３９を、前記増幅ノズル管１８の壁面で塞がれることにより前記噴出し口２２Ａとなる孔３８の開口面積が減少する方向に常時付勢するバネ２８と、前記バネ２８の付勢力に抗して前記回転スリーブ３９を、前記副流路２１から供給される第２の流体を受けることで前記噴出し口２２Ａとなる孔３８の開口面積が増加する方向に回転させる力を発生させる受圧部２９とからなる。
【００６１】
回転スリーブ３９は、図１２及び図１３（Ａ）に示すように円筒体として形成されており、絞り部２０に形成された円環状の凹部４０に嵌め込まれることにより回転可能とされている。かかる回転スリーブ３９は、その中心孔を、前記主流路１９と連通する絞り部２０の流路の一部としている。この回転スリーブ３９には、オリフィス２２の噴出し口２２Ａとなる孔３８が形成されている。かかる孔３８は、回転スリーブ３９の回転方向（一方向）に沿ってその開口面積が次第に減少する略三角形状をなす孔として形成されている。
【００６２】
また、回転スリーブ３９には、その周面に扇形状の凸条部として形成される受圧部２９が突設されている。そして、この受圧部２９は、増幅ノズル管１８の管壁内部に形成された扇形穴部４１に収容され、その扇形穴部４１を前記副流路２１と接続される噴出し室４２とバネ収容室４３とに区画している。なお、噴出し室４２は、前記受圧部２９に副流路２１から供給される水素を受圧させる受圧室としても機能する。
【００６３】
バネ２８は、バネ収容室４３に収容され、一端がバネ収容室の壁面に固定され、他端が受圧部２９に固定されており、前記回転スリーブ３９を前記孔３８の開口面積が減少する方向（図１２（Ｂ）時計回り方向）に常時付勢している。かかるバネ２８には、実施の形態２と同様、感熱度のある非線形バネを使用することが望ましい。
【００６４】
このように構成された増幅ノズル４では、副流路２１から噴出し室４２に流入する水素の圧力が大きくなる場合には、受圧部２９が受ける圧力が増加しバネ２８が縮むことで、前記回転スリーブ３９が図１２（Ｂ）反時計回り方向に回転する。このとき、増幅ノズル管１８の壁面で塞がれていた回転スリーブ３９の孔３８の開口面積が大きくなり、噴出し口２２Ａの開度が大きくなる。その結果、主流路１９へ噴出される水素量が増えることになる。
【００６５】
逆に、副流路２１から噴出し室４２に流入する水素の圧力が小さくなる場合には、受圧部２９が受ける圧力も減少することから、バネ２８が伸びることで、前記スリーブ２７が図１２（Ｂ）時計回り方向に回転する。このとき、回転スリーブ３９の孔３８が増幅ノズル管１８の壁面で塞がれてその開口面積が減少し、噴出し口２２Ａの開度が小さくなる。その結果、主流路１９へ噴出される水素量が減ることになる。
【００６６】
このように、図１２及び図１３のような構成を持つ増幅ノズル４を用いることで、燃料電池スタック６の必要水素循環量に応じた水素調圧弁２の操作に前記噴出し口２２Ａの開度も追従可能となる。したがって、これにより、大きな圧力損失を伴わずに、燃料電池スタック６に必要な水素流量に応じて、増幅ノズル４より該燃料電池スタック６へ噴出させる水素循環流路１１中の未反応水素の量を可変することができる。
【００６７】
なお、回転スリーブ３９に形成した噴出し口２２Ａとなる孔３８は、図８で示した長さの異なるスリット３３と同様な構成の孔とすることもできる。すなわち、図１３（Ｂ）に示すように、回転スリーブ３９の回転方向に沿って長さの異なるスリット４４（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ）を周方向に複数配列して形成した孔４４としている。本実施の形態では、回転スリーブ３９に形成される孔４４を、長さの一番長い孔４４ｃを中央に配置し、その両脇にそれよりも長さの短い孔４４ｂを一端を揃えて配置し、さらにその脇に一番長さの短い孔４４ａを一端を揃えて配置した。かかる孔４４が形成された回転スリーブ３９を使用した場合には、やはり図１３（Ａ）の回転スリーブ３９を使用した増幅ノズル４と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
図１４及び図１５に示す増幅ノズル４は、図１２に示した増幅ノズル４に対して、副流路２１から分岐して前記混合流体が流れる主流路１９の下流に連通する分岐管４５と、副流路２１から水素が前記噴出し口２２Ａとなる孔３８に供給される噴出し室４２とは独立して設けられた受圧室４６に供給して前記受圧部２９に該水素を受圧させる導入管４７と、副流路２１からの水素を選択的に前記分岐管４５又は前記導入管４７に供給する三方弁４８とを備えた点が異なる。ここでは、図１２の増幅ノズルと同一構成部分についてはその説明は省略すると共に同一構成部分については同一の符号を付すものとする。
【００６９】
この増幅ノズル４では、燃料電池スタック６の必要水素循環量を増やす場合には、三方弁４８を、前記副流路２１と前記導入管４７とを接続するようにする。すると、副流路２１を流れる水素が導入管４７を介して受圧室４６へ流れ込み、受圧部２９に加わる圧力が増し、該受圧部２９を保持しているバネ２８が縮むことで前記回転スリーブ３９が図１４反時計回り方向へ移動する。その結果、増幅ノズル管１８の管壁により塞がれていた孔３８の開口面積が増加し、主流路１９へ噴出される水素量が増える。
【００７０】
逆に、必要水素循環量を減少させる場合には、三方弁４８を、副流路２１と分岐管４５とを接続し且つ副流路２１と導入管４７との接続を止める。すると、副流路２１からの水素が導入管４７に流れなくなり受圧室４６の圧力が下がり、受圧部２９に対する圧力が減圧され、前記バネ２８の付勢力によって前記回転スリーブ３９が図１４時計回り方向へ移動する。その結果、回転スリーブ３９に形成された孔３８が管壁により次第に塞がれてその開口面積が減少し、主流路１９へ噴出される水素量が減る。以上のような三方弁４８の操作を水素調圧弁２の動作と同期させることで、噴出し口２２Ａの開度を燃料電池スタック６の必要水素循環量に応じて自由に可変させることができる。
【００７１】
［実施の形態７］
実施の形態７の増幅ノズル４は、図１及び図５に示す実施の形態１の増幅ノズル４に対して、受圧部２９に供給してスリーブ２７をスライドさせるためのガスとして水素ではなく、空気供給手段から供給される空気を利用した点を異にする。
【００７２】
具体的には、図１６及び図１７に示すように、空気供給手段を構成するコンプレッサ９で圧縮した空気を独立の部屋として設けられた受圧室４９に分岐管５０を接続し、その分岐管５０に、コンプレッサ９で圧縮した空気を送り込むことで、前記受圧部２９に加圧を加えてスリーブ２７をスライドさせる。
【００７３】
本実施の形態の増幅ノズル４では、コンプレッサ９の下流における圧力挙動と水素調圧弁２の下流での圧力挙動はほぼ同じであることから、スリーブ２７を付勢するバネ２８に適当なバネ定数のものを用いることで、図１及び図５に示す実施の形態１と同様な効果を得ることができる。この場合、コンプレッサ９の圧縮比を適宜調整することで、前記受圧室４９に供給する空気圧の調整が容易に行え、前記スリーブ２７の摺動特性を向上させることができる。
【００７４】
なお、本実施の形態は、前記した図６から図８に示した各形状の孔３１、３２、３３を有したスリーブ２７構造を持つ増幅ノズル４にも適用することができる。
【００７５】
図１８及び図１９は、図１２に示す実施の形態６の増幅ノズル４に対して、コンプレッサ９で圧縮した空気を噴出し室４２とは独立の部屋として設けられた受圧室４６に分岐管５０を接続し、その分岐管５０に、コンプレッサ９で圧縮した空気を送り込むことで、前記受圧部２９に加圧を加えて回転スリーブ３９を回転させる。このように構成された増幅ノズル４は、前記した図１６及び図１７に示す増幅ノズル４と同様の効果がある。
【００７６】
［実施の形態８］
実施の形態８の増幅ノズルは、図５で示した実施の形態２の増幅ノズルに対してオリフィス可変手段の構成を異にする。この実施の形態のオリフィス可変手段は、図２０に示すように、摺動孔３０内でスライド自在とされたスリーブ２７に電動アクチュエータ５２を取り付け、その電動アクチュエータ５２によって前記スリーブ２７をスライド自在とした構成としている。なお、この実施の形態では、スリーブ２７には、水素タンク１からの水素又はコンプレッサ９からの空気を受圧部２９に供給する必要が無いため、当該受圧部２９とバネ２８は不要である。
【００７７】
このように構成された増幅ノズル４では、電動アクチュエータ５２によってスリーブ２７をスライドさせてオリフィス２２の噴出し口２２Ａの開口面積を自由に可変することができるため、図５に示す実施の形態２と同様の作用効果を得ることができる。特に、電動アクチュエータ５２によってスリーブ２７をスライド自在としたことで、該電動アクチュエータ５２への電流値の制御により細かなスライド制御を実現することができる。
【００７８】
なお、本実施の形態は、前記した図６から図８に示した各形状の孔３１、３２、３３を有したスリーブ２７構造を持つ増幅ノズル４にも適用することができる。
【００７９】
図２１は、図１２で示した実施の形態６の増幅ノズルに対してオリフィス可変手段の構成を異にした増幅ノズル４である。この実施の形態のオリフィス可変手段は、回転スリーブ３９に電動アクチュエータ５２を取り付け、その電動アクチュエータ５２によって前記回転スリーブ３９を回転自在とした構成としている。なお、この実施の形態では、先の実施の形態と同様、受圧部２９とバネ２８は不要である。
【００８０】
このように構成された増幅ノズル４では、電動アクチュエータ５２によって回転スリーブ３９を回転させて噴出し口２２Ａの開口面積を自由に可変することができるため、図１２に示す実施の形態６と同様の作用効果を得ることができる。
【００８１】
なお、本実施の形態では、図１３（Ｂ）で示した回転スリーブ３９を使用することもできる。
【００８２】
［実施の形態９］
実施の形態９は、水素循環流路を流れる水素のガス密度から前記燃料電池スタックへ供給する必要水素量を求め、その必要水素流量に応じて前記増幅ノズルの噴出し口の開口面積を増加減させる制御手段を備えた燃料電池システムの例である。
【００８３】
本実施の形態の燃料電池システムでは、図２２に示すように、図１に示した実施の形態１の燃料電池システムに対して、水素循環流路１１に圧力センサ５３と水素濃度センサ５４とを設けている点で相違する。先ず、水素循環流路１１を流れる水素のガス密度から燃料電池スタック６へ供給する必要水素流量を求め、その必要水素流量に応じて前記増幅ノズル４の噴出し口２２Ａの開口面積を増加減させる制御について説明する。
【００８４】
図２２において水素の流れは、水素タンク１からの水素が水素調圧弁２により調圧された後、増幅ノズル４へと流入し、水素供給流路１７を通過して燃料電池スタック６に入り消費される。一方、燃料電池スタック６での反応に使用されなかった未反応水素が水素循環流路１１へと排出され、水素循環ポンプ１５で昇圧された後、増幅ノズル４で昇圧されながら水素タンク１からの供給水素と合流する（混合される）。
【００８５】
このとき、燃料電池スタック６に必要な水素流量は、発電に費やされる水素量よりも若干多く、水素供給流路１７には水素タンク１からの供給水素と水素循環流路１１からの未反応水素の両方が流れている。水素供給流路３と水素循環流路１１を流れる水素のすべてが、前記燃料電池スタック６への水素供給流路１７に流れ込むわけではなく、当該水素供給流路１７に流れ込む量は、前記水素供給流路３から増幅ノズル４に入る隙間の大きさによって閉塞（チョーク）する流量が変化し、また、その隙間からの負圧発生量によって水素循環流路１１の水素を吸い込む量も変化するため、増幅ノズル４の水素噴出し量によって左右される。
【００８６】
そして、燃料電池スタック６に必要な水素量は、消費電力から計算可能であることから、水素循環流路１１を流れる水素流量が判れば、燃料電池スタック６での水素消費量に対する供給水素の過不足状態が把握でき、前記水素供給流路１７に流す適切な水素流量が判る。また、この流量は、増幅ノズル管１８の管径が既知であることから、密度を計測することで計算できる。
【００８７】
増幅ノズル４と燃料電池スタック６とを結ぶ水素供給流路１７の流量を決定するのは、増幅ノズル４からの噴出し量であるから、水素循環流路１１の流量に応じて、前記増幅ノズル４からの噴出し量を適切に制御することで、アノード循環系の水素流量を適切な量に保つことができる。
【００８８】
図２３は、上述した制御のフローチャートである。このフローチャートは、制御手段であるコントロールユニット１６の指令によってスタートし、ステップＳ１の処理で、水素循環流路１１のガス密度を計算する。ガス密度の計算は、圧力センサ５３と水素濃度センサ５４からの出力値をコントロールユニット１６が検出し、それを基に計算を行う。次に、ステップＳ２の処理では、一定ステップでのガス密度の変化割合を監視し、その変化割合に対してある閾値を設定し、その閾値以上か否かを判断する。閾値以上であれば、ステップＳ３の処理に進み、スリーブ２７或いは回転スリーブ３９を摺動させる。ガス密度変化が前記閾値未満であれば、ステップＳ１の処理を繰り返す。
【００８９】
次に、水素循環流路を流れるガス密度の計算方法について説明する。ガス密度を計算するには、燃料電池スタック６から排出された未反応水素を増幅ノズル４に供給させる水素循環ポンプ１５の回転数と消費電力から求める。かかる方法は、コントロールユニット１６で、水素循環ポンプ１５の消費電力と回転数を計測する。消費電力から、ポンプ回転トルクが求まることから、トルクと回転数の関係より水素循環流路１１を流れるガス密度が予想できる。
【００９０】
この他、水素循環流路１１に設けた温度センサ１４と圧力センサ５３から燃料電池スタック６から排出される未反応水素の温度と圧力を元に、ガス密度を求める方法もある。この方法では、水素循環流路１１に設けた温度センサ１４と圧力センサ５３からの検出値をコントロールユニット１６で読み込み、この値より、水素循環流路１１のガス密度を計算する。
【００９１】
また、この他、水素循環流路１１に設けた温度センサ１４、圧力センサ５３及び水素濃度センサ５４からガス密度を求める方法もある。水素循環流路１１を流れる流体は、水素のみではなく、燃料電池スタック６のカソードで生成し、逆拡散によってアノードから排出される水蒸気と、カソードからアノードへ通過してくる窒素も存在する。
【００９２】
そこで、水素循環流路１１に水素濃度センサ５４を追加し、当該水素循環流路１１を流れる水素濃度を検出し、コントロールユニット１６で監視する。さらに、水素循環流路１１を流れる水蒸気圧を飽和水蒸気圧と仮定すると、温度センサ１４及び圧力センサ５３の検出値から、水素循環流路１１の混合ガスの圧力と温度が計測されていることから、圧力バランスによって、水素分圧が計算でき、管径から水素の密度を求めることができる。この計算をコントロールユニット１６によって行うことで、温度及び圧力からのガス密度を求める方法よりも精度良く水素密度を求めることができる。
【００９３】
このように、本実施の形態によれば、水素循環流路１１のガス密度を求めることで、ある運転条件における該水素循環流路１１に必要な循環流量を計算し、必要な循環流量になるように、増幅ノズル４の噴出し口２２Ａの大きさを制御することで、常に最適な循環流量を保つことができる。
【００９４】
また、本実施の形態によれば、水素循環流路１１のガス密度を、循環ポンプ１５の消費電力からトルクを求め、これとポンプ回転数の関係からガス密度を求めることができる。
【００９５】
また、本実施の形態によれば、水素循環流路１１の温度と圧力とを計測することで、水素循環流路１１中のガスの密度を見積もることができる。
【００９６】
また、本実施の形態によれば、水素循環流路の温度、圧力の計測に加え、水素濃度を計測し、さらに水蒸気を相対湿度１００％と仮定することで、水素循環流路１１中の水素のガス密度を見積もることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】実施の形態１における燃料電池システムを示す全体システム図である。
【図２】実施の形態１における増幅ノズルを示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は横断面図である。
【図３】燃料電池負荷と増幅ノズル昇圧量の関係を示す特性図を示す。
【図４】実施の形態１における増幅ノズルの他の例を示す縦断面図である。
【図５】実施の形態２における増幅ノズルの縦断面図である。
【図６】実施の形態２における他の例の増幅ノズルを示し、（Ａ）は増幅ノズルの縦断面図、（Ｂ）はスリーブの斜視図である。
【図７】実施の形態２におけるさらに他の例の増幅ノズルを示し、（Ａ）は増幅ノズルの縦断面図、（Ｂ）はスリーブの斜視図である。
【図８】実施の形態２におけるさらに他の例の増幅ノズルのスリーブの斜視図である。
【図９】実施の形態３における増幅ノズルの縦断面図である。
【図１０】実施の形態４における増幅ノズルの縦断面図である。
【図１１】実施の形態５における増幅ノズルの縦断面図である。
【図１２】実施の形態６における増幅ノズルを示し、（Ａ）は増幅ノズルの縦断面図、（Ｂ）は横断面図である。
【図１３】実施の形態６における増幅ノズルのスリーブの他の例を示す斜視図である。
【図１４】実施の形態６における他の例の増幅ノズルを示す横断面図である。
【図１５】図１４の増幅ノズルの任意断面を示す縦断面図である。
【図１６】実施の形態７における燃料電池システムを示す全体システム図である。
【図１７】実施の形態７における増幅ノズルの縦断面図である。
【図１８】実施の形態７における他の例の増幅ノズルを示す横断面図である。
【図１９】図１８の増幅ノズルの任意断面を示す縦断面図である。
【図２０】実施の形態８における増幅ノズルの縦断面図である。
【図２１】実施の形態８における他の例の増幅ノズルを示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は横断面図である。
【図２２】実施の形態９における燃料電池システムを示す全体システム図である。
【図２３】実施の形態９における燃料電池システムにおいて、増幅ノズルからの噴出し量を制御するフローチャートである。
【符号の説明】
【００９８】
１  水素タンク
２  水素調圧弁
３，１７  水素供給流路
４  増幅ノズル
５  水素圧力センサ
６  燃料電池スタック
７  空気調圧弁
８  空気圧力センサ
９  コンプレッサ
１０  空気供給流路
１１  水素循環流路
１２  ２重コイル電磁弁
１３  排出流路
１４  温度センサ
１５  循環ポンプ
１６  コントロールユニット（制御手段）
１８  増幅ノズル管
１９  主流路
２０  絞り部
２１  副流路
２２，２３  オリフィス
２２Ａ、２３Ａ  噴出し口
２４  第１流路
２５  第２流路
２６，３６，４８  三方弁
２７  スリーブ（スライド部材）
２８  バネ
２９  受圧部
３１，３２，３３  孔
３４，５０，５１  分岐管
３５，４７  導入管
３７  ダイアフラム
３９  回転スリーブ（円筒状回転部材）
４２  噴出し室
４３  バネ収容室
４６，４９  受圧室
５２  電動アクチュエータ
５３  圧力センサ
５４  水素濃度センサ
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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