JP4708054B2 - エゼクタ - Google Patents

Description

本発明は、第２流体を吸引して、第１流体に合流させて送出する構成を有するエゼクタに関するものである。

従来、燃料電池システムにおける水素循環用のポンプとして、エゼクタを用いる技術が提案されている。エゼクタは、高圧の流体をジェットノズルより噴出させることで発生する負圧を利用して、循環した水素を吸引して再供給する構造のものである。
このようなエゼクタを用いると、ジェットノズルの径によって循環能力が制限されてしまい、車両用燃料電池のような流量範囲が大きいシステムには適さない場合がある。

これに対して、例えば、特許文献１には、ダイアフラムを用いた構造により下流圧を検知して機械的にノズル径を調整する空圧式可変エゼクタが提案されている。これによれば、ダイアフラムの後端側に形成された流体室にディフューザーから燃料ガスを分流し、この流体室の圧力によりダイアフラムに保持されたニードルの位置調整を行うことで、ノズル径を機械的に調整することができる。
特開２００２−２２７７９９号公報

ところで、従来の技術においては以下のような問題がある。
すなわち、従来の構造のエゼクタにおいては、運転状況（ディフューザーの圧力）によって、一義的にニードル位置が決まってしまう。その結果、例えばエゼクタ下流側の掃気を行う場合のように、運転状況を変えずにエゼクタから流出するガスの圧力を一時的に調整したい場合であっても、エゼクタのみでは対応できない。従って、エゼクタ上流側に第１流体の圧力制御手段を備える必要があり、装置構成が複雑になりコスト高になるという問題がある。
また、エゼクタにより供給されるガス中、特に特許文献１における燃料復流にあたる循環されるガス中に多量の水分が含まれていると、エゼクタ停止中に温度が低下するとガス中の水分が凍結してしまい、低温環境下での始動性が損なわれてしまう虞がある。

従って、本発明は、運転状況を変えずにエゼクタから流出するガスの圧力を調整することができ、低温環境下での始動性を良好に確保することができるエゼクタを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、先端と基端とに開口を設け第１流体を噴射するノズル部（例えば、後述する実施の形態におけるノズル３２）と、該ノズル部から噴射される第１流体の負圧により第２流体を吸引し、前記第１流体に合流させて送出するディフューザー部（例えば、後述する実施の形態におけるディフューザー３１）と、前記ノズル部の内部に挿入され、前記ノズル部の中心軸線に沿う方向に移動可能なニードル（例えば、後述する実施の形態におけるニードル３３）と、前記ニードルを基端側に付勢するスプリング（例えば、後述する実施の形態におけるスプリング５８）と、該ニードルに接続され、該ニードルの基端側に形成されたコントロール室（例えば、後述する実施の形態における燃料極圧導入室５６）の圧力により変位して、前記ニードルの位置を調節するダイアフラム（例えば、後述する実施の形態におけるダイアフラム３５）と、前記コントロール室に第１流体を導入する第１流体導入路（例えば、後述する実施の形態における燃料極圧導入管５７）と、前記コントロール室から第１流体を排出する第１流体排出路（例えば、後述する実施の形態における燃料排出管６４）と、該第１流体排出路に流れる第１流体の流量を調整する流量調整手段（例えば、実施の形態における電磁弁６０）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記ノズル部から送出される流体の流速を抑えたい場合には、前記流量調整手段により前記第１流体排出路から排出される第１流体の流量を抑制させつつ前記第１流体導入路から前記コントロール室に第１流体を導入することで、前記ノズル部の圧力に比べて前記コントロール室内の圧力が高められるため、ダイアフラムをディフューザー部側に変位させることができる。これにより、前記ダイアフラムに接続されたニードルが、スプリングにより基端側に付勢される力に抗してディフューザー部側に移動して、ノズル部の径を小さくできるので、前記ノズル部から噴射される第１流体の流速を抑制でき、さらに、ノズル部から送出される流体の流速を抑えることができる。

また、前記ノズル部から送出される流体の流速を増大させたい場合には、前記流量調整手段により前記第１流体排出路から排出される第１流体の流量を増大させることで前記コントロール室内の圧力が低くなり、さらにダイアフラムに接続されたニードルをスプリングが基端側に付勢しているので、ダイアフラムをディフューザー部と反対側に変位させることができる。これにより、前記ダイアフラムに接続されたニードルがディフューザー部と反対側に移動して、ノズル部の径を大きくできるので、前記ノズル部から噴射される第１流体の流速を増大でき、さらに、ノズル部から送出される流体の流速を増大させることができる。

さらに、前記エゼクタの停止時には前記流量調整手段により前記第１流体排出路に流れる流量をゼロにする（換言すれば流通を遮断する）ことで、前記第２流体中に水分が含まれている場合であっても前記第２流体が前記コントロール室内に流入して凍結することを抑制できるので、低温環境下でも良好な始動を確保することができる。
このように、運転状況を変えずにエゼクタから流出するガスの圧力を調整することができ、低温環境下での始動性を良好に確保することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記第１流体排出路は、前記流量調整手段の下流側において前記ディフューザー部に接続されていることを特徴とする。
この発明によれば、前記第１流体排出路から排出された第１流体をディフューザー部から送出される流体に合流させて、エゼクタを備えるシステムの機器に供給することができるので、前記第１流体排出路から排出されるガスを有効利用することができ、コストを抑えることができる。特に、エゼクタを備えるシステムが燃料電池システムであり、第１流体が燃料ガスである場合には、燃料消費量を低減し、燃費の向上に寄与することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記第１流体は、燃料供給手段から燃料電池のアノードに向かい供給される燃料ガスであり、前記第２流体は、前記燃料電池から排出される排出燃料ガスであることを特徴とする。
この発明によれば、前記流量調整手段により前記第１流体排出路から排出される燃料ガスの流量を増大させることで、上述のように、ノズル部から送出される燃料ガスの量を増大させることができるので、エゼクタ下流側の掃気制御を容易に行うことができる。また、前記エゼクタ停止時には前記流量調整手段により前記第１流体排出路に流れる流量をゼロにする（換言すれば流通を遮断する）ことで、前記燃料排出ガス中に多量の水分が含まれている場合であっても、前記燃料排出ガスが前記コントロール室内に流入して前記燃料排出ガス中の水分が凍結することを抑制できるので、低温環境下でも良好な始動を確保することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のものであって、前記流量調整手段は弁であり、該弁の有する弁体の先端部が、段階的または連続的に先細り形状となっていることを特徴とする。
この発明によれば、前記弁体を前記弁の流通孔に対して接近離反させることで、容易に流量を調整することができるので、前記流量調整手段の構成を簡易化することができ、コスト低減に寄与することができる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載のものであって、前記第１流体排出路に流れる第１流体の流量を、前記弁の開閉弁時間の比により調整することを特徴とする。
この発明によれば、前記弁の開閉弁時間の比により調整することで、前記弁体をＯＮ・ＯＦＦ制御するので流量調整を行うことができるので、弁体の位置制御を簡易化することができ、コスト低減に寄与することができる。

請求項１に係る発明によれば、運転状況を変えずにエゼクタから流出するガスの圧力を調整することができ、低温環境下での始動性を良好に確保することができる。
請求項２に係る発明によれば、前記第１流体排出路から排出されるガスを有効利用することができ、コストを抑えることができる。

請求項３に係る発明によれば、エゼクタ下流側の掃気制御を容易に行うことができ、さらに、低温環境下でも良好な始動を確保することができる。

請求項４に係る発明によれば、前記流量調整手段の構成を簡易化することができ、コスト低減に寄与することができる。
請求項５に係る発明によれば、弁体の位置制御を簡易化することができ、コスト低減に寄与することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタについて添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタ１０を備えた燃料電池システム２０の構成図であり、図２は本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタ１０の側断面図である。本実施の形態による可変流量エゼクタ１０は、例えば電気自動車等の車両に搭載された燃料電池システム２０に備えられており、この燃料電池システム２０は、可変流量エゼクタ１０と、燃料電池２１と、燃料供給部２２と、酸化剤供給部２４と、熱交換部２５と、水分離部２６とを備えて構成されている。

燃料電池２１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に対し、複数のセルを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。

空気極には、酸化剤供給部２４から空気が供給される空気供給口２１ａ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２８が設けられた空気排出口２１ｂ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２１ｃ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２１ｄが設けられている。

酸化剤供給部２４は、例えばエアーコンプレッサーからなり、燃料電池２１の負荷やアクセルペダル（図示略）からの入力信号等に応じて制御されており、熱交換部２５を介して、燃料電池２１の空気極に空気を供給する。熱交換部２５は、酸化剤供給部２４からの空気を所定の温度に冷却して、燃料電池２１へと供給している。

燃料としての水素は、可変流量エゼクタ１０を介して燃料供給口２１ｃから燃料電池２１の燃料極に供給される。さらに、燃料電池２１の燃料排出口２１ｄから排出された排出燃料は、水分離部２６で水分を除去され、逆止弁２９を通じて可変流量エゼクタ１０へと導入されており、後述するように、燃料と、燃料電池２１から排出された排出燃料とが混合されて燃料電池２１に供給されている。なお、水分離部２６で分離された水は、ドレン弁３０を開くことで外部に排出される。

本実施の形態による可変流量エゼクタ１０は、燃料供給部２２から供給される燃料ガスの流れにより、燃料電池２１から循環されてくる排出燃料をあわせ、圧力センサ７で検出された燃料電池２１の空気極側における空気の圧力Ｐairと、圧力センサ６で検出された燃料電池２１の燃料極側における燃料の圧力Ｐfuelとに基づいて、ＥＣＵ５からの制御指令により、燃料電池２１へ供給する燃料の流量を制御するものであって、例えば図２に示すように、ディフューザー３１と、ノズル３２と、ニードル３３と、ニードル保持ガイド３４と、ダイアフラム３５とを備えて構成されている。

ディフューザー３１は、下流側（図２におけるＸ方向側）に位置する第１ブロック４１と上流側（図２におけるＸ方向の逆方向側）に位置する第２ブロック４２とを同一軸線上に連結してなり、第１ブロック４１には軸線方向に貫通する流体通路４３が形成されている。流体通路４３は、その途中に内径が最小となるスロート部４４を有し、このスロート部４４よりも上流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に縮径する内周面を有する絞り部４５が設けられ、スロート部４４よりも下流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に拡径する内周面を有する拡径部４６が設けられている。

第２ブロック４２には軸線方向に設けられた穴部４７が設けられており、この穴部４７の下流端が第１ブロック４１の絞り部４５に連通している。一方、穴部４７の上流端には、上流側端面４７Ａからディフューザー３１と同軸に突出するようにしてノズル３２が固定されている。なお、ノズル３２よりも下流側であって、第１ブロック４１の絞り部４５と第２ブロック４２の穴部４７とによって構成される空間は復流室４８とされており、第２ブロック４２には復流室４８に燃料電池２１から排出される排出燃料を導入するための復流導入管４９が接続されている。

ノズル３２の内部には軸線方向に沿って延びる流体通路５１が形成されている。流体通路５１の壁面をなすノズル３２の内周面３２Ａは、ノズル３２の先端部において、先端側（流体通路５１の下流側）に向かい漸次連続的に縮径するように形成されている。流体通路５１の下流端はノズル３２の先端面３２Ｂで開口する開口部５２に連なっており、流体通路５１の上流端はダイアフラム３５によって閉塞されている。流体通路５１には、燃料供給部２２から供給される燃料を導入するための燃料供給管５３が接続されている。

ノズル３２の内部には、ノズル３２と同軸にニードル３３が挿入されており、ニードル３３はニードル保持ガイド３４によってノズル３２と同軸の軸線方向に対して摺動可能に保持されている。ここで、ニードル３３の外周面３３Ａは、ニードル３３の先端部において、先端側に向かい漸次連続的に縮径するように形成されている。すなわち、ノズル３２の内部にてニードル３３が軸線方向に摺動することで、ノズル３２の開口部５２から突出するニードル３３の先端部の突出量が変更させられる。これに伴い、ノズル３２の内周面３２Ａとニードル３３の外周面３３Ａとの間隙の開口面積が変更させられ、ノズル３２の開口部５２から復流室４８内に噴射される燃料の流量が調整可能とされている。

なお、ニードル３３を軸線方向に対して摺動可能に保持するニードル保持ガイド３４は、例えば流体の流通が可能な適宜の貫通孔を有する円環板状に形成されており、軸線方向に貫通するニードル挿入孔３４ａにニードル３３が挿入されている。ニードル保持ガイド３４には、軸線方向に対して平行となる連通路６６が形成されている。ここで、ニードル３３がニードル挿入孔３４ａに挿入された状態で固定されて、ニードル保持ガイド３４の外周面がノズル３２の内周面３２Ａに当接した状態で摺動可能とされても良いし、あるいは、ニードル保持ガイド３４の外周面がノズル３２の内周面３２Ａに当接した状態で固定されて、ニードル挿入孔３４ａに対してニードル３３が摺動可能とされても良い。

ニードル３３の基端部には、ノズル３２内部の流体通路５１の上流端を閉塞するダイアフラム３５が接続固定されている。さらに、ダイアフラム３５は可変流量エゼクタ１０の筐体１０ａによってその周囲を固定されていると共に、ダイアフラム３５の略中央部分が、図２に示す軸線方向に移動することを可能とし、ダイアフラム３５の移動によって、ニードル３３が軸線方向に変位するようにされている。
また、ニードル３３には、ダイアフラム３５とニードル保持ガイド３４との間の部位に、ストッパ６５が装着されている。このストッパ６５がニードル保持ガイド３４に当接すると、ニードル３３の軸心方向先端への変位が規制され、ノズル３２に対してニードル３３が過度に突出することを防止できる。

さらに、筐体１０ａとダイアフラム３５とによって燃料極圧導入室５６が形成されている。この燃料極圧導入室５６内には、ニードル３３の基端側に接続されたスプリング５８が設けられ、該スプリング５８によりニードル３３を軸心方向の基端側（図２のＸ方向と逆方向側）に付勢している。
また、この燃料極圧導入室５６には、燃料電池２１の燃料極側に供給される燃料を分岐して導入するための燃料極圧導入管５７が接続されている。なお、燃料極圧導入管５７の一端は燃料極圧導入室５６に接続され、他端は燃料供給管５３の下流端近傍にオリフィス５９を介して接続されている。

そして、燃料極圧導入室５６には、該室５６内の燃料を排出するための燃料排出管６４が接続されている。燃料排出管６４の一端は燃料極圧導入室５６に接続され、燃料排出管６４の他端はディフューザー３１の流体通路４３に接続されている。また、燃料排出管６４には電磁弁６０（６０ａ、６０ｂ）が設けられ、該電磁弁６０の制御を行うことで燃料排出管６４の流量を調整することができる。

本実施の形態による可変流量エゼクタ１０を備えた燃料電池システム２０は上記の構成を備えている。次に、この可変流量エゼクタ１０の動作について説明する。この可変流量エゼクタ１０では、復流導入管４９から燃料電池２１の排出燃料を供給し、燃料供給管５３からノズル３２内部の流体通路５１に燃料を供給する。すると、ノズル３２の開口部５２つまりノズル３２とニードル３３との間隙から、ディフューザー３１の流体通路４３に向かって燃料が噴射される。このとき、高速の燃料流が流通するディフューザー３１のスロート部４４の近傍において負圧が発生し、この負圧によって復流室４８内の燃料復流が流体通路３８に吸い込まれ、ノズル３２から噴射された燃料と混合してディフューザー３１の下流端から排出される。これにより、燃料電池１１から排出された排出燃料は可変流量エゼクタ１０を介して循環させられている。

電磁弁６０が閉じている状態においては、ニードル３３は、スプリング５８により基端側に付勢される力と、燃料極圧導入室５６内の圧力およびディフューザー３１側の負圧により発生する力とが釣り合う位置に保持されるので、燃料電池２１の燃料極側における燃料の圧力Ｐfuelは略一定に保持される。

しかしながら、図３に示すように、燃料電池２１に対する要求発電量が変動すると（ラインＬ２）、それに応じて燃料電池２１に供給する燃料の圧力を調整する必要がある。本実施の形態では、電磁弁６０の開度（ラインＬ１）を調整することで、燃料の圧力を調整している。以下、燃料の圧力を調整する制御内容について説明する。

まず、ノズル３２から送出される燃料の流速を低めたい場合には、電磁弁６０により燃料排出管６４から排出される燃料の流量を抑制させる。すると、ノズル３２内部の圧力に比べて前記燃料極圧導入室５６内の圧力が高められるため、前記燃料極圧導入室５６を区画するダイアフラム３５をディフューザー３１側に変位させることができる。これにより、前記ダイアフラム３５に接続されたニードル３３が、スプリング５８により基端側に付勢される力に抗してディフューザー３１側に移動して、ノズル３２の径を小さくできるので、前記ノズル３２の開口面積を減少でき、さらに、ノズル３２から送出される燃料の流速を低くすることができる。

また、前記ディフューザー３１から送出される燃料の流速を高めたい場合には、前記電磁弁６０により前記燃料極圧導入室５６から排出される燃料の流量を増大させる。すると、前記燃料極圧導入室５６内の圧力が低くなり、さらにダイアフラム３５に接続されたニードル３３をスプリング５８が基端側に付勢しているので、ダイアフラム３５をディフューザー３１と反対側に変位させることができる。これにより、前記ダイアフラム３５に接続されたニードル３３がディフューザー３１と反対側に移動して、ノズル３２の径を大きくできるので、前記ノズル３２の開口面積を増大でき、さらに、ノズル３２から送出される燃料の流速を高めることができる。
さらに、前記エゼクタ１０の停止時には前記電磁弁６０を閉じることで、水分を多量に含む排出燃料が前記燃料極圧導入室５６内に流入して凍結することを抑制できるので、低温環境下でも良好な始動を確保することができる。

図４は電磁弁の構成を示す概略断面図である。同図に示すように、電磁弁６０ａのバルブシート６８には流通孔７３が形成され、該流通孔７３に対向するように、バルブ６３ａが配置される。さらに、このバルブ６３ａの後端にプランジャ６２が形成されていて、このプランジャ６２の外側前方にソレノイドコイル６１が配設されている。プランジャ６２は図示しないスプリングにより、前記バルブ６３ａが流通孔７３を閉塞する方向に付勢されている。また、ソレノイドコイル６１は、前記電磁弁６０ａを開弁させるときに通電されるように制御される。

従って、ソレノイドコイル６１に通電のない状態では、前記リターンスプリングの弾性力によってバルブ６３ａが流通孔７３に接するため、電磁弁６０ａでの水素の流通が遮断される。また、ソレノイドコイル６１に通電があると、前記リターンスプリングの弾性力に抗してプランジャ６２がソレノイドコイル６１側に変位してバルブ６３ａの先端部が流通孔７３から離間するため、電磁弁６０ａでの水素の流通が許容される。
この電磁弁６０ａは、図５に示すように、所定間隔でＯＮ、ＯＦＦ制御される。このＯＮ、ＯＦＦ制御のデューティー比は、ＥＣＵ５により燃料電池２１上流側のアノード極圧や信号圧、または両者の圧を監視することで制御される。これにより、電磁弁６０ａの開弁時間が設定される。このようにすると、簡易な制御構成で、信号圧をコントロールすることが可能となる。

また、図６は他の電磁弁の断面図である。同図に示す電磁弁６０ｂは、上述の電磁弁６０ｂに対して、ニードル６３ｂが流通孔７３の閉方向に縮径してなる形状である点で異なっている。このようにすると、ニードル６３ｂを流通孔７３の閉方向に移動させて流通孔７３を閉塞させる際の発生音を低減することができる。また、ニードル６３ｂを流通孔７３の開方向または閉方向に移動させることにより、ニードル６３ｂと流通孔７３との間隔を一義的に設定することができるため、圧力調整を一義的に調整することができ、圧力調整を高い精度で行うことができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態のエゼクタによれば、運転状況を変えずにエゼクタから流出するガスの圧力を調整することができ、低温環境下での始動性を良好に確保することができる。
なお、本発明の内容は実施の形態のみに限定されるものでないことはもちろんである。例えば、図７に示すように、ニードル保持ガイド３４とダイアフラム３５との間にスプリング６７を介装して、該スプリング６７によりダイアフラム３５を基端方向（矢印Ａ参照）に付勢する構造のエゼクタを用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタを備えた燃料電池システムの構成図である。 本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタの側断面図である。 要求出力と電磁弁開度との関係を示すグラフ図である。 電磁弁の構成を示す概略断面図である。 電磁弁の有する弁体の開閉状態を示すグラフ図である。 電磁弁の他の構成を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る可変流量エゼクタの変形例を示す要部（図２の範囲Ｂに相当）の側断面図である。

符号の説明

１０…可変流量エゼクタ
２０…燃料電池システム
３１…ディフューザー
３２…ノズル
３３…ニードル
３５…ダイアフラム
５６…燃料極圧導入室
５７…燃料極圧導入管
５９…オリフィス
６０…電磁弁
６４…燃料排出管

Claims (5)

1. 先端と基端とに開口を設け第１流体を噴射するノズル部と、
   該ノズル部から噴射される第１流体の負圧により第２流体を吸引し、前記第１流体に合流させて送出するディフューザー部と、
   前記ノズル部の内部に挿入され、前記ノズル部の中心軸線に沿う方向に移動可能なニードルと、
   前記ニードルを基端側に付勢するスプリングと、
   前記ニードルに接続され、該ニードルの基端側に形成されたコントロール室の圧力により変位して前記ニードルの位置を調節するダイアフラムと、
   前記コントロール室に第１流体を導入する第１流体導入路と、
   前記コントロール室から第１流体を排出する第１流体排出路と、
   該第１流体排出路に流れる第１流体の流量を調整する流量調整手段と、を備えることを特徴とするエゼクタ。
2. 前記第１流体排出路は、前記流量調整手段の下流側において前記ディフューザー部に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のエゼクタ。
3. 前記第１流体は、燃料供給手段から燃料電池のアノードに向かい供給される燃料ガスであり、
   前記第２流体は、前記燃料電池から排出される排出燃料ガスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエゼクタ。
4. 前記流量調整手段は弁であり、該弁の有する弁体の先端部が、段階的または連続的に先細り形状となっていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のエゼクタ。
5. 前記第１流体排出路に流れる第１流体の流量を、前記弁の開閉弁時間の比により調整することを特徴とする請求項４に記載のエゼクタ。

Images