JP2007040193A - エジェクタおよびこれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 流体の供給先を考慮して吸引能力を高めることができ、燃料電池システムに好適に搭載することができるエジェクタを課題とする。
【解決手段】 第１流体の噴射により第２流体を吸引して、第１流体と第２流体とを合流させるエジェクタ２４であって、第１流体と第２流体との合流位置の前で第１流体の流れを遮断可能な遮断手段８１を備えたものである。燃料電池システム１に搭載した場合には、第１流体を新たな水素ガスとし、第２流体を水素オフガスとすることができる。燃料電池２の発電停止時などに、新たな水素ガスの流れを遮断手段８１で遮断すればよい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、第１流体の噴射により第２流体を吸引して、第１流体と第２流体とを合流させるエジェクタおよびこれを備えた燃料電池システムに関するものである。

反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出される反応オフガス中に、発電に寄与しなかった反応ガスが含まれ得る。従来の燃料電池システムでは、この未反応の反応ガスを再利用すべく、エジェクタにより燃料電池に循環供給させることがある（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載のエジェクタでは、ニードルが極間差圧（空気極と燃料極との間の差圧）に基づいてノズルの内部で進退することで、燃料ガスの流量を制御する。特許文献１によれば、燃料電池の発電量が低下した場合にも、ニードルとノズルとの間の間隙から燃料ガスを常に噴射し、これにより燃料オフガスを吸引する構成が示唆されている。
特開２００２−２２７７９９号公報（第６頁および第４図）

ところで、燃料オフガスを吸引するエジェクタの能力は、ノズルから噴射される燃料ガスの流速（噴射圧力）が大きいほど高まるものである。それゆえ、例えば燃料電池の発電量が多い場合に燃料オフガスを効率よく吸引するべく、噴射圧力を高めに設定された循環能力（吸引能力またはストイキ）の高いエジェクタを用いることが好ましい。しかし、従来のエジェクタの構成では、燃料電池システムに搭載可能なエジェクタの循環能力が制限されていた。その理由は以下の通りである。

燃料電池システムの稼動状態では、例えば燃料電池の発電停止時など、反応ガスの供給を続行しつつ燃料電池で反応ガスを消費しない場合がある。この場合、従来のエジェクタは燃料ガスを常に噴射するため、燃料電池内の圧力はエジェクタによる燃料ガスの噴射圧力にまで達し得る。ところが、構造上耐圧が小さい燃料電池に対しては、高い噴射圧力を作用させるのは好ましくない。それゆえ、燃料電池の耐圧を考慮すると、燃料電池システムに搭載可能なエジェクタの循環能力を制限する必要があった。

本発明は、流体の供給先の状態に着目してなされたものであり、その目的とするところは、流体の供給先を考慮して吸引能力を高めることができ、例えば燃料電池システムに好適に搭載することができるエジェクタを提供することである。
また、本発明は、循環能力の高いエジェクタを具備することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。

本発明のエジェクタは、第１流体の噴射により第２流体を吸引して、第１流体と第２流体とを合流させるエジェクタであって、第１流体と第２流体との合流位置の前に設けられ、第１流体の流れを遮断可能な遮断手段を備えたものである。

この構成によれば、噴射する第１流体の流れを遮断することができるため、第１流体および第２流体の供給先が第１流体を必要としない場合に、第１流体を供給しなくて済む。これにより、流体の供給先を考慮して第２流体の吸引能力を向上させることができ、供給先を例えば燃料電池とする燃料電池システムに好適に搭載することができる。

本発明のエジェクタの一態様によれば、第１流体を噴射し、第２流体を吸引するための負圧を発生するノズルと、ノズルの内部を進退移動可能に構成され、その進退位置に応じてノズルを通過する第１流体の流量を調整する流量調整部材とを備え、遮断手段は、流量調整部材の進退移動に連動して、第１流体の流れを遮断および許容することが、好ましい。

この構成によれば、ノズルの内部における流量調整部材の位置に関連して、遮断手段により第１流体の流れを遮断および許容することができる。例えば、流量調整部材がノズルの内部で進出するほど第１流体の流量を少なくする場合には、流量調整部材が最も進出した際に、遮断手段で第１流体の流れを遮断するようにし、その他の進出位置の場合には、遮断手段で第１流体の流れを許容するにしてもよい。

ここで、流量調整部材の進退移動は、電気的に行ってもよいが、自立的に（機械的に）行うことが好ましい。例えば、差圧方式を用いて、流量調整部材の進退移動を自立的に行わせるようにしてもよい。このとき、差圧は、第１流体と第２流体との差圧であってもよい。

本発明のエジェクタの一態様によれば、遮断手段はエジェクタの内部に設けられたシール部材で構成され、シール部材は流量調整部材の進退移動により流量調整部材に離接されることが、好ましい。

この構成によれば、遮断手段（シール部材）を簡単に構成し、且つシール性良く第１の流体の流れを遮断することができる。

この場合、シール部材は、ノズルの出口よりも上流側に設けられていることが、好ましい。

この構成によれば、ノズルから第１流体を噴射する前に、第１流体の流れを遮断することができる。

また、本発明のエジェクタの別の一態様によれば、遮断手段は流量調整部材の外周に設けられたシール部材で構成され、シール部材は流量調整部材の進退移動によりエジェクタの内部に離接されることが、好ましい。

この構成によれば、遮断手段たるシール部材を流量調整部材の外周に設けているため、流量調整部材の進退移動に簡易に連動して、第１の流体の流れをシール性良く遮断することができる。

この場合、シール部材は、エジェクタの内部のうちノズルの内周壁に離接されることが、好ましい。

この構成によれば、ノズルの位置で第１流体の流れを遮断することができる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池に新たな反応ガスを供給する供給流路と、燃料電池から排出された反応オフガスを供給流路に循環させる循環流路と、供給流路と循環流路との接続部分に設けられた本発明のエジェクタと、を備えた燃料電池システムであって、エジェクタは、第１流体および第２流体の一方を新たな反応ガスとして噴射し、他方を反応オフガスとして吸引するものである。

この構成によれば、本発明の吸引能力（循環能力）の高いエジェクタを備えているため、反応オフガスを効率よく燃料電池に循環供給させることができる。
ここで、反応ガスは、水素ガスを含む燃料系ガスであってもよいし、酸素ガスを含むガスであってもよい。

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、第１流体は新たな反応ガスであり、第２流体は反応オフガスであることが、好ましい。

この構成によれば、燃料電池への新たな反応ガスの供給をエジェクタにより遮断することができるため、燃料電池内の圧力上昇を適切に抑制することができる。これを燃料電池側の観点からみれば、燃料電池の耐圧を大きく設定しないように設計することもでき、燃料電池の構造上、有用となる。

この場合、遮断手段は、燃料電池の発電停止時に、新たな反応ガスの流れを遮断することが、好ましい。

この構成によれば、燃料電池で反応ガスを消費しない発電停止時に、燃料電池への新たな反応ガスの供給を遮断でき、燃料電池内の圧力上昇を適切に抑制することができる。

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、遮断手段は、燃料電池の発電量が小さいときに、新たな反応ガスの流れの遮断と許容とを連続させることが、好ましい。

この構成によれば、燃料電池での反応ガスの消費量が少ない時に、新たな反応ガスの流れ断続させることができる。これにより、微小流量制御が可能となり、循環のための必要最低限の流量を適切に確保することができると共に、燃料電池内の圧力上昇を適切に抑制することができる。

以上説明した本発明のエジェクタによれば、流体の供給先を考慮して吸引能力を高めることができる。

また、以上説明した本発明の燃料電池システムによれば、循環能力の高いエジェクタを具備することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るエジェクタを、燃料電池システムに適用した例について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、燃料電池システムの主要部を示す図である。
燃料電池システム１は、酸素ガス（空気）および燃料ガス（水素）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２を備えている。燃料電池２は、例えば固体分子電解質型からなり、多数のセルを積層したスタック構造として構成されている。燃料電池システム１は、燃料電池２に反応ガスとしての酸素ガスを供給する酸素ガス配管系３と、燃料電池２に反応ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系４と、を具備している。

酸素ガス配管系３は、加湿器１１により加湿された酸素ガスを燃料電池２に供給する供給流路１２と、燃料電池２から排出された酸素オフガスを加湿器１１に導く排出流路１３と、加湿器１１から燃焼器に酸素オフガスを導くための排気流路１４と、が設けられている。供給流路１２には、大気中の酸素ガスを取り込んで加湿器１１に圧送するコンプレッサ１５が設けられている。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源となる水素タンク２１と、水素タンク２１の水素ガスを燃料電池２に供給する供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを供給流路２２に戻すための循環流路２３と、供給流路２２と循環流路２３との接続部分に設けられ、循環流路２３の水素オフガスを供給流路２２に還流させるエジェクタ２４と、エジェクタ２４にパイロット圧として水素オフガスの圧力を導入する導入通路２５と、を具備している。

エジェクタ２４によって、水素タンク２１からの新たな水素ガス（新たな燃料ガス）に燃料電池２の燃料ガス出口からの水素オフガス（燃料オフガス）が合流され、この合流後の混合水素ガス（混合燃料ガス）が燃料電池２に供給される。

供給流路２２は、エジェクタ２４の上流側に位置し、新たな水素ガスをエジェクタ２４に導く流路である主流流路２２ａと、エジェクタ２４の下流側に位置し、混合水素ガスを燃料電池２に導く流路である混合流路２２ｂと、で構成されている。主流流路２２ａには、その上流側から順に、これを開閉するシャットバルブ３１と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３２と、が介設されている。

循環流路２３には、逆止弁３４が介設されていると共に、逆止弁３４の上流側において導入通路２５が分岐配管されている。循環流路２３の水素オフガスは、逆止弁３４を通じてエジェクタ２４に吸引される。循環流路２３の水素オフガスの圧力は、導入通路２５を経てエジェクタ２４にパイロット圧として導入される。

図２は、エジェクタ２４の構成を示す図である。
エジェクタ２４は、燃料電池２へ供給する水素ガス（混合水素ガス）の流量を可変可能に構成されている。エジェクタ２４は、その外郭を構成する筐体４１を有している。筐体４１には、主流流路２２ａの下流側に接続された１次側の供給口４２と、混合流路２２ｂの上流側に接続された２次側の排出口４３と、循環流路２３の下流側に接続された負圧作用側の吸込み口４４と、導入通路２５の下流側に接続された圧導入口４５と、が形成されている。

筐体４１の内部には、供給口４２からの新たな水素ガスを下流側に向かって噴射するノズル４６と、ノズル４６を通過する新たな水素ガス（主流）の流量を制御する流量制御機構４７と、ノズル４６の下流側に設けられ、ノズル４６を通過した新たな水素ガスと水素オフガス（副流）とを合流させるディフューザ４８と、が構成されている。

ノズル４６は、いわゆる先細ノズルからなり、水素ガスの流れ方向に向かって全体として先細りとなるように形成されている。ノズル４６は、ディフューザ４８側に開口している先端噴出部５１と、先端噴出部５１に連なり、先端噴出部５１に向かって漸次縮径された内周壁を有する絞り部５２と、で構成されている。

先端噴出部５１は、一定の径または略一定の径の内周壁を有している。先端噴出部５１のディフューザ４８側に開口した部分が、ノズル４６の出口となっており、先端噴出部５１からディフューザ４８に向かって新たな水素ガスが噴出される。絞り部５２は、その拡開した側が供給口４２に連なっている。なお、ノズル４６を筐体４１の構成材と一体に形成したが、もちろんこれらを別体としてもよい。

ディフューザ４８は、ノズル４６と同軸に形成されており、ノズル４６との間の上流側が吸込み口４４に連なっている。また、ディフューザ４８の下流側は、排出口４３に連なっている。ノズル４６からディフューザ４８に向けて新たな水素ガスが噴射されると、水素オフガスを吸引するための負圧が発生し、循環流路２３の水素オフガスがディフューザ４８に吸い込まれる。これにより、ディフューザ４８において新たな水素ガスと水素オフガスとが合流・混合され、この混合水素ガスが、排出口４３から混合流路２２ｂへと排出される。

流量制御機構４７は、圧導入口４５に連通する導圧室６０と、先端側がノズル４６の内部に臨むニードル６１と、ニードル６１の基端側を表面６２ａの中央部に接続したピストン６２と、導圧室６０の内部に収容されたバネ６３（付勢部材）と、ばね６３の一端が接続されたバネ抑え６４と、バネ抑え６４に接続されたアクチュエータ６５と、を有している。

ニードル６１、ピストン６２およびバネ６３は、ノズル４６と同軸に配設されている。ニードル６１およびピストン６２は、新たな水素ガスの流量を調整する流量調整部材として機能する。なお、ニードル６１およびピストン６２は、一体に形成されているが、もちろん別体で形成されてもよい。また、ピストン６２に代えて、ダイアフラムを用いてもよい。

導圧室６０は、筐体４１の内壁面、ピストン６２の裏面６２ｂ、およびバネ抑え６４の表面６４ａによって画成されている。導圧室６０には、循環流路２３の水素オフガスが導入通路２５および圧導入口４５を介して信号圧として導かれる。バネ６３は、所定のばね定数を有し、ピストン６２の裏面６２ｂをニードル６１の先端側に向かって付勢する。バネ抑え６４は、例えば円板上からなり、その外周面を筐体４１の内壁面に沿って摺動可能に構成されている。

アクチュエータ６５は、例えばモータやシリンダ装置からなり、その出力部６５ａがバネ抑え６４の裏面６４ｂに接続されている。アクチュエータ６５の駆動により、バネ抑え６４を筐体４１の内部で進退させることができる。バネ抑え６４が進退することにより、バネ６３およびピストン６２を介してニードル６１が軸方向に進退する。

ピストン６２は、その外周面を筐体４１の内壁面に沿って摺動可能に構成されており、その軸線方向に摺動する。ピストン６２の表面６２ａには、主流流路２２ａからの新たな水素ガスの圧力Ｐ１が作用する。一方、ピストン６２の裏面６２ｂには、バネ６３からの付勢力が作用すると共に、循環流路２３からの水素オフガスの圧力Ｐ２が作用する。

この圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差圧を作動源として、ピストン６２およびニードル６１が軸線方向に進退する。すなわち、ピストン６２の表裏両面６２ａ，６２ｂにおける水素ガスの差圧とバネ６３の付勢力とのバランスに基づいて、ニードル６１がピストン６２と共に軸線方向に進退する。

なお、燃料電池システム１の稼動中においては、ニードル６１は主としてピストン６２における差圧を作動源として進退するため、ニードル６１を進退させるための構成としては、アクチュエータ６５は必ずしも必要ではない。しかし、燃料電池２の出力要求に応答性良く対応するためには、アクチュエータ６５の電気的作動源と、差圧の自立的または機械的作動源とを併用することが好ましい。

例えば、燃料電池システム１を搭載した燃料電池車両において、アクセルの開度が急激に変化する場合には、差圧のみを作動源とするのでは、ニードル６１の進退位置を急激に変更し難い。図示省略したＥＣＵ（制御装置）により、アクセルの開度状態に基づいてあるいは燃料電池２の発電指令に基づいて、アクチュエータ６５を駆動することで、ニードル６１の進退位置を応答性良く変更することができる。この電気的作動源との併用により、燃料電池２に適量の水素ガスを応答性良く供給することができる。

ニードル６１は、先端側に向かって先細りの先端調整部７１と、先端調整部７１に一体に連なってピストン６２に接続された接続部７２と、で構成されている。先端調整部７１は、円錐または角錐の錐体からなり、例えば先端部が放物面で形成されている。先端調整部７１は、ノズル４６の内部に臨み、その位置に応じてノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量を調整する。

接続部７２は、一定の径または略一定の径からなり、棒状に形成されている。接続部７２の外周面には、シール部材８１が設けられており、シール部材８１は、ニードル６１が先端側に進出した際に、ニードル６１とノズル４６との間をシールする。

図３は、シール部材８１でシールした状態の拡大断面図である。
シール部材８１は、ガスケット、または例えばＯリングなどのパッキンで構成されている。シール材８１は、例えばＥＰＤＭやＰＴＦＥなどの材料で形成されている。ニードル６１の接続部７２の外周面には、シール部材８１を装着するための環状の取付け溝９１が形成されている。シール部材８１は、ニードル６１の進退移動により、ノズル４６の先端噴出部５１の内周壁に離接される。すなわち、シール部材８１は、ノズル４６の下流側への新たな水素ガスの流れを遮断および許容する遮断手段として機能する。

具体的には、ニードル６１がノズル４６の先端噴出部５１へと最も進出した場合には、シール部材８１が先端噴出部５１の内周壁に気密に接触する。これにより、ニードル６１とノズル４６との間がシールされ、新たな水素ガスのノズル４６の下流側への流れが遮断される。このシール位置は、水素ガスと水素オフガスとの合流位置（ノズル４６の下流側であって主としてディフューザ４８）よりも上流側に設定されている。

一方、このシール位置のニードル６１が絞り部５２側へと退避すると、シール部材８１が先端噴出部５１から離間し、新たな水素ガスのノズル４６の下流側への流れが許容される。この離間状態の先端調整部７１の軸方向の進退位置に応じて、先端調整部７１と先端噴出部５１との間の間隙の開口面積（以下、ノズル４６の開口面積という。）が可変され、これによりノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が制御される。すなわち、燃料電池２への水素ガスの供給流量が制御される。

ここで、エジェクタ２４による供給流量の制御について、燃料電池２の負荷との関係で説明する。
一般に、燃料電池車両の加速時等で燃料電池２の発電量が増加すると、燃料電池２で消費される水素ガスの消費量が増加する。この消費量が増えて混合流路２２ｂの流量が増加すると、燃料電池２での圧力損失が大きくなり、水素オフガスの圧力Ｐ２が低下する（混合流路２２ｂの混合水素ガスの圧力Ｐ３も低下する。）。すると、ピストン６２およびニードル６１が、Ｐ１、Ｐ２およびバネ６３の付勢力のバランスによって、平衡状態からバネ６３に抗して退避する。

これにより、ノズル４６の開口面積が大きくなるため、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が増加する。したがって、燃料電池２の負荷が大きくなった場合に、エジェクタ２４は自律的に適切に対応することになる。そして、新たな水素ガスの流量の増加によって混合水素ガスの圧力Ｐ３が上昇するため、燃料電池２に供給される混合水素ガスの圧力（すなわち、燃料電池入口圧）が適正な値に確保されると共に、水素オフガスの流量が増加し、新たな水素ガスの流量との関係において水素オフガスの流量が適正な値に確保されることになる。

一方、燃料電池車両の減速時等で燃料電池２の発電量が減少すると、燃料電池２で消費される水素ガスの消費量が減少する。この消費量が減って混合流路２２ｂの流量が減少すると、燃料電池２での圧力損失が小さくなり、水素オフガスの圧力Ｐ２が上昇する（混合水素ガスの圧力Ｐ３も上昇する。）。すると、ピストン６２およびニードル６１が、Ｐ１、Ｐ２およびバネ６３の付勢力のバランスによって、平衡状態から進出する。

これにより、ノズル４６の開口面積が小さくなるため、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が減少する。したがって、燃料電池２の負荷が小さくなった場合に、エジェクタ２４は自律的に適切に対応することになる。そして、新たな水素ガスの流量の減少によって混合水素ガスの圧力Ｐ３が低下するため、燃料電池２に供給される混合水素ガスの圧力が適正な値に確保されると共に、水素オフガスの流量が減少し、新たな水素ガスの流量との関係において水素オフガスの流量が適正な値に確保されることになる。

本実施形態では、エジェクタ２４にシール部材８１を設けていることによって、燃料電池２の発電量が小さい低負荷のときに、新たな水素ガスの流れの遮断と許容とを連続させるようになっている。

具体的には、低負荷で燃料電池２での水素ガスの消費量が少ないとき、上述の原理によってニードル６１がシール部材８１と共に進出するが、このときシール部材８１は最終的に図３に示すシール位置に移動するようになる。これにより、新たな水素ガスのノズル４６の下流側への流れが遮断される。そして、この遮断によって燃料電池２内の水素ガス圧が低下すると、圧力Ｐ２およびＰ３も低下する。

すると、上述の原理で、ニードル６１がシール部材８１と共に退避し、新たな水素ガスのノズル４６の下流側への流れが許容されるようになる。この新たな水素ガスの流れの許容（噴射）によって、エジェクタ２４は、循環流路２３の水素オフガスを吸引して、混合水素ガスとして燃料電池２に供給する。そして、水素ガスの供給量に比べて燃料電池２での水素ガスの消費量が少なくなると、再びニードル６１が進出して、新たな水素ガスのノズル４６の下流側への流れが遮断されるようになる。

このように、燃料電池２での水素ガスの消費量が少ないときであっても、一連のニードル６１の進退移動を自立的に行うことができ、燃料電池２に対する水素ガスの微小流量の制御ができる。これにより、燃料電池２での水素ガスの消費量が少ないときであっても、エジェクタ２４は、燃料電池２への水素ガスの必要循環量の確保と圧力の調整と適切に行うことができ、燃料電池２内の圧力上昇を抑制することができる。

また一方、燃料電池２での水素ガスの消費量がゼロのとき、燃料電池２内の水素ガス圧が上昇し、圧力Ｐ２およびＰ３が上昇する。すると、上述の原理で、ニードル６１がシール部材８１と共に進出し、シール部材８１が新たな水素ガスのノズル４６の下流側への流れを遮断するようになる。これにより、燃料電池２への新たな水素ガスの流入を阻止することができる。したがって、燃料電池２での水素ガスの消費量がゼロのとき、エジェクタ２４は、自立的に新たな水素ガスの流れを遮断して、燃料電池２内の圧力上昇を抑制することができる。

ここで、燃料電池システム１の稼動中において燃料電池２が水素ガスを消費しない場合とは、例えば燃料電池２の発電停止時やアイドル時をいい、燃料電池車両の観点からみれば、燃料電池車両のアイドリング時や回生ブレーキ時をいう。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１は、シール部材８１によって締切り性を高めたエジェクタ２４を搭載しているため、エジェクタ２４の構造のみによって、燃料電池２での水素ガスの消費量が少ない場合には微小流量制御を可能とし、また消費量がゼロの場合には燃料電池２への新たな水素ガスの流入を阻止することができる。

この効果によって、吸引能力の高いエジェクタ２４を燃料電池システム１に搭載することができるようになる。すなわち、ノズル４６から噴射される新たな水素ガスの流速（噴射圧力）が大きいエジェクタ２４を燃料電池システム１に搭載しても、燃料電池２内の圧力上昇を適切に抑制することができる。このことは、燃料電池システム１に搭載可能なエジェクタ２４の循環能力が制限されない意義を有する。また、吸引能力の高いエジェクタ２４を用いることで、発電反応によって生じる水の排水性の向上など、システム効率も向上し得る。

また、主流となる新たな水素ガスの遮断機能（シール部材８１）をエジェクタ２４に設けたことで、エジェクタ２４自体が減圧弁の機能を兼ね得るので、システム全体として部品点数を削減することが可能となる。

なお、シール部材８１をニードル６１の先端調整部７１に設けることもできる。また、シール部材８１が離接する部位をノズル４６の絞り部５２に設定することもできる。つまり、シール部材８１をニードル６１の一部に設け、シール部材８１が離接する部位をノズル４６の一部に設定してもよい。

＜第２実施形態＞
次に、図４を参照して、第２実施形態に係るエジェクタ２４の構成について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、シール部材８１をノズル４６側に設けた点と、それに伴ってニードル６１の形状を一部変更した点である。

シール部材８１は、ノズル４６の絞り部５２の内周壁に固定されている。一方、ニードル６１は、先端調整部７１と接続部７２との間に、これらよりも径方向に突出した当接部１１１を有している。当接部１１１は、シール部材８１に対応して環状に形成されている。当接部１１１の先端調整部７１側の端面は、ニードル６１の進退移動によって、シール部材８１に離接するように構成されている。

このように、本実施形態の構成によっても、エジェクタ２４の締切り性を高めることができ、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお、変形例として、シール部材８１を先端噴出部５１の内周壁に設けてもよい。この場合、シール部材８１に当接部１１１を離接させてもよいし、先端調整部７１を離接させてもよい。すなわち、シール部材８１をノズル４６の一部またはノズル４６とは異なるエジェクタ２４の内部に設け、そのシール部材８１に流量調整部材の一部（ニードル６１の一部またはピストン６２の一部）を離接させる構成であってもよい。

＜第３実施形態＞
次に、図５を参照して、第２実施形態に係るエジェクタ２４の構成について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、シール部材８１をノズル４６から外れた位置に設けた点である。

シール部材８１は、ノズル４６よりも上流側の筒状部１２１の端部１２２に固定されている。筒状部１２１は、絞り部５２の拡径した部位から先端噴出部５１とは反対側に延在しており、その延在端部１２２にシール部材８１が固定されている。筒状部１２１は、筐体４１の内壁とは間隙を存して、ノズル４６やニードル６１と同心に設けられている。

流量調整部材は、上述のように、ニードル６１およびピストン６２からなるものであるが、このニードル６１の主要部は、筒状部１２１の内部に位置している。また、ピストン６２は、筒状部１２１の端部１２２の上流側に位置しており、表面６２ａがシール部材８１に離接するように構成されている。したがって、本実施形態の構成によっても、エジェクタ２４の締切り性を高めることができ、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

次に、燃料電池システム１やエジェクタ２４の各種の変形例について述べる。

＜変形例：信号圧のガス＞
上記では、エジェクタ２４の導圧室６０に信号圧として導くガスを水素オフガスとしたが、もちろんこれに限るものではない。例えば、混合水素ガスの圧力Ｐ３を導圧室６０に導入してもよい。また、酸素ガス配管系３の酸素ガスの圧力を導圧室６０に導入してもよく、その場合には供給流路１２内の新たな酸素ガスであってよいし、排出流路１３内や排気流路１４内の酸素オフガスであってもよい。さらに、導圧室６０に導くガスは、燃料電池システム１のガス配管系（３，４）に関与しないガスであってもよく、導圧室６０に導く専用のガスであってもよい。

また、上記では、エジェクタ２４の主流ガス（噴射ガス）を新たな水素ガスとし、副流ガス（吸引ガス）を水素オフガスとしたが、この逆の構成であってもよい。すなわち、エジェクタ２４は、ノズル４６から水素オフガスを噴射する際に、水素タンク２１からの新たな水素ガスを吸引するようにしてもよい。この場合には、エジェクタ２４の導圧室６０には、新たな水素ガスの圧力、混合水素ガスの圧力、または酸素ガス配管系３の酸素ガスの圧力などを導入するようにすればよい。

また、エジェクタ２４を酸素ガス配管系３に配設してもよい。例えば、エジェクタ２４によって、コンプレッサ１５からの新たな酸素ガスに、排出流路１３の酸素オフガスを合流させ、この合流後の混合酸素ガスを燃料電池２に供給してもよい。この場合、エジェクタ２４の導圧室６０には、酸素ガス配管系３または水素ガス配管系４を流れるガスや、これらのガス配管系（３，４）に関与しない専用のガスを導入すればよい。

＜変形例：ニードルの駆動＞
ニードル６１の駆動について、所定のガスを信号圧としてニードル２４に導く差圧式で行うのではなく、上記したアクチュエータ６５の電気式のみで行ってもよい。この場合、圧力信号をフィードバックして、アクチュエータ６５を駆動するようにしてもよい。例えば、酸素ガス配管系３または水素ガス配管系４の任意の位置の圧力、すなわち例えば水素ガスに関するＰ２あるいはＰ３，燃料電池２への酸素ガスの供給圧、又は、燃料電池２からの酸素オフガスの排出圧を圧力センサで検出し、その検出結果に基づいてアクチュエータ６５を駆動してもよい。あるいは、燃料電池２の発電指令や必電力に基づいて、アクチュエータ６５を駆動してもよい。

また、ニードル６１の駆動について、上記とは異なる差圧式を用いてもよい。この場合、水素ガスに関するＰ１，Ｐ２およびＰ３、並びに酸素ガスに関する燃料電池２への供給圧および排出圧の任意の二つの圧力の組み合わせであればよい。

＜変形例：遮断手段＞
上記では、エジェクタ２４が噴射する主流（新たな水素ガス）の流れの遮断について、エジェクタ２４の流量可変時に可動する流量調整部材（ニードル６１およびピストン６２）に関連して設けたシール部材８１で行うこととした。このシール部材８１でなくとも、例えば、ニードル６１の一部またはピストン６２の一部が、その進退移動に連動して、ノズル４６の一部またはノズル４６とは異なるエジェクタ２４の内部の一部に離接する構成としてもよい。すなわち、本発明の遮断手段はシール部材８１に限定されるものでなはい。

＜変形例＞
シール部材８１を用いずに、燃料電池システム１においてエジェクタ２４の循環性能を上げるには、次のようなシステム構成としてもよい。例えば、エジェクタ２４の上流側の供給流路２２ａであって、レギュレータ３２の下流側の位置に遮断弁を設け、且つ遮断弁とノズル４６との間の流路容積を小さくする。そして、燃料電池２内の水素ガス圧が高くなったときに遮断弁を閉弁制御するようにしてもよい。

上記した本発明のエジェクタ２４は、燃料電池システム１のみならず、流体を合流して供給する必要がある他のシステムにも適用することができる。特に、エジェクタ２４による流体の供給先となる供給先装置が、流体を消費する流体消費装置（ガスであればガス消費装置）であり、流体消費装置での流体の消費量が変化するシステムに好適である。さらに好適のシステムは、流体消費装置の排出した流体がエジェクタ２４によって再び流体消費装置に循環させられるシステムである。

また、上記した本発明の燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、自走式ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。

実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 実施形態に係るエジェクタの断面図である。 図２のエジェクタのノズルのまわりを拡大して示す断面図であり、シールした状態を示す図である。 第２実施形態に係るエジェクタのノズルのまわりを拡大して示す断面図である。 第３実施形態に係るエジェクタのノズルのまわりを拡大して示す断面図である。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：酸素ガス配管系、４：水素ガス配管系、２２：供給流路、２３：循環流路、２４：エジェクタ、２５：導入通路、４６：ノズル、６１：ニードル（流量調整部材）、６２：ピストン（流量調整部材）、８１：シール部材（遮断手段）

Claims (10)

1. 第１流体の噴射により第２流体を吸引して、第１流体と第２流体とを合流させるエジェクタであって、
   前記第１流体と前記第２流体との合流位置の前に設けられ、当該第１流体の流れを遮断可能な遮断手段を備えたエジェクタ。
2. 前記第１流体を噴射し、前記第２流体を吸引するための負圧を発生するノズルと、
   前記ノズルの内部を進退移動可能に構成され、その進退位置に応じて当該ノズルを通過する前記第１流体の流量を調整する流量調整部材と、を備え、
   前記遮断手段は、前記流量調整部材の進退移動に連動して、前記第１流体の流れを遮断および許容する請求項１に記載のエジェクタ。
3. 前記遮断手段は、当該エジェクタの内部に設けられたシール部材で構成され、
   前記シール部材は、前記流量調整部材の進退移動により当該流量調整部材に離接される請求項２に記載のエジェクタ。
4. 前記シール部材は、前記ノズルの出口よりも上流側に設けられている請求項３に記載のエジェクタ。
5. 前記遮断手段は、前記流量調整部材の外周に設けられたシール部材で構成され、
   前記シール部材は、前記流量調整部材の進退移動により前記エジェクタの内部に離接される請求項２に記載のエジェクタ。
6. 前記シール部材は、前記エジェクタの内部のうち前記ノズルの内周壁に離接される請求項５に記載のエジェクタ。
7. 燃料電池に新たな反応ガスを供給する供給流路と、
   前記燃料電池から排出された反応オフガスを前記供給流路に循環させる循環流路と、
   前記供給流路と前記循環流路との接続部分に設けられた請求項１ないし６のいずれか一項に記載のエジェクタと、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記エジェクタは、前記第１流体および前記第２流体の一方を前記新たな反応ガスとして噴射し、他方を前記反応オフガスとして吸引する燃料電池システム。
8. 前記第１流体は前記新たな反応ガスであり、前記第２流体は前記反応オフガスである請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記遮断手段は、前記燃料電池の発電停止時に、前記新たな反応ガスの流れを遮断する請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記遮断手段は、前記燃料電池の発電量が小さいときに、前記新たな反応ガスの流れの遮断と許容とを連続させる請求項８または９に記載の燃料電池システム。
    
    

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