JP2012188981A

JP2012188981A - Ejector device for fuel cell

Info

Publication number: JP2012188981A
Application number: JP2011052421A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Ishikawa; 和記石川; Kazunori Fukuma; 一教福間
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Keihin Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-10-04

Abstract

【課題】ノズルから吐出される圧力流体の流量特性をより一層向上させること。
【解決手段】ノズル６２と、ノズル孔６２ａから吐出される水素と循環通路２４を介して燃料電池１２から排出されて戻された水素オフガスとを混合するディフューザ７８と、エゼクタ本体２２ａ側に固定されるニードル５８とを備え、ニードル５８の内部には、ノズル６２の中空部６３内の水素を導入する導入通路５９が形成され、導入通路５９の一端部は、背圧室５７に連通し、導入通路５９の他端部には、ノズル孔６２ａに向かって内径が徐々に縮径するテーパ部６２ｂと対向する開口部５８ｃが設けられる。
【選択図】図１A flow rate characteristic of a pressure fluid discharged from a nozzle is further improved.
SOLUTION: A nozzle 62, a diffuser 78 for mixing hydrogen discharged from a nozzle hole 62a and hydrogen off-gas discharged and returned from the fuel cell 12 through a circulation passage 24, and an ejector body 22a are fixed. The needle 58 is provided with an introduction passage 59 for introducing hydrogen in the hollow portion 63 of the nozzle 62. One end of the introduction passage 59 communicates with the back pressure chamber 57 for introduction. The other end of the passage 59 is provided with an opening 58c facing the tapered portion 62b whose inner diameter gradually decreases toward the nozzle hole 62a.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムに組み込まれ、燃料電池から排出される燃料オフガスを新たに供給される燃料ガスと混合させて再循環させる燃料電池用エゼクタ装置に関する。 The present invention relates to an ejector device for a fuel cell that is incorporated in a fuel cell system and mixes and recirculates a fuel off-gas discharged from the fuel cell with a newly supplied fuel gas.

例えば、燃料電池システムでは、燃料電池の発電効率を向上させるために、燃料電池から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を新たに供給される燃料ガス（水素ガス）と混合させて再循環させるエゼクタが用いられている。 For example, in a fuel cell system, in order to improve the power generation efficiency of the fuel cell, the fuel off gas (hydrogen off gas) discharged from the fuel cell is mixed with the newly supplied fuel gas (hydrogen gas) and recirculated. Is used.

この種のエゼクタに関し、例えば、特許文献１には、水素ガスが供給される第１流体室と、棒状のニードルと、第１流体室に供給された水素ガスを吐出口（ノズル孔）から吐出するノズルと、水素オフガスが導入される第２流体室と、ノズルの吐出口側に設けられたディフューザと、エアが供給される第３流体室とを備えるエゼクタが開示されている。 Regarding this type of ejector, for example, Patent Document 1 discloses that a first fluid chamber to which hydrogen gas is supplied, a rod-shaped needle, and a hydrogen gas supplied to the first fluid chamber are discharged from a discharge port (nozzle hole). An ejector is disclosed that includes a nozzle that performs the operation, a second fluid chamber into which hydrogen off-gas is introduced, a diffuser provided on the discharge port side of the nozzle, and a third fluid chamber to which air is supplied.

特許文献１に開示されたエゼクタでは、ノズルの胴部とニードルの基部との間に第１流体室に連通する背圧室を設け、前記第１流体室から前記背圧室への圧力流体の導入を、ニードルに設けられた弁座に対してノズルに設けられた弁体が着座するシート位置近傍で行っている。 In the ejector disclosed in Patent Document 1, a back pressure chamber communicating with the first fluid chamber is provided between the body of the nozzle and the base of the needle, and the pressure fluid from the first fluid chamber to the back pressure chamber is provided. The introduction is performed in the vicinity of the seat position where the valve body provided on the nozzle is seated with respect to the valve seat provided on the needle.

特開２０１０−１８５３９１号公報JP 2010-185391 A

ところで、この種のエゼクタでは、背圧室を設けることによってノズルから吐出される圧力流体の流量特性を良好とすることができるが、さらに、より一層流量特性を向上させたいという要請がある。 By the way, in this type of ejector, although the flow characteristic of the pressure fluid discharged from the nozzle can be improved by providing the back pressure chamber, there is a demand for further improving the flow characteristic.

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ノズルから吐出される圧力流体の流量特性をより一層向上させることが可能な燃料電池用エゼクタ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a fuel cell ejector device capable of further improving the flow rate characteristics of a pressure fluid discharged from a nozzle.

前記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通するアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートと、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給ポートが設けられたエゼクタ本体と、前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して前記燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、前記エゼクタ本体側に固定され、前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルと、を備え、前記ニードルの内部には、前記ノズルの中空部内の燃料ガスを導入する導入通路が形成され、前記導入通路の一端部は、背圧室に連通し、前記導入通路の他端部には、前記ノズル孔に向かって内径が徐々に縮径するテーパ部と対向する開口部が設けられることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention is directed to an inlet port to which fuel gas is supplied, an outlet port communicating with the fuel cell, and a fuel off-gas exhausted from the fuel cell and returned to the fuel cell connected to the circulation passage. A suction port, an ejector body provided with an oxidant gas supply port to which an oxidant gas is supplied, a nozzle having a nozzle hole for discharging fuel gas supplied through the inlet port, and the nozzle hole A diffuser that mixes the fuel gas discharged from the fuel gas and the fuel off-gas discharged from the fuel cell through the circulation passage, and is fixed to the ejector body side, and extends in the axial direction in the hollow portion of the nozzle An introduction passage for introducing the fuel gas in the hollow portion of the nozzle is formed inside the needle. One end of the introduction passage communicates with a back pressure chamber, and the other end of the introduction passage is provided with an opening facing a tapered portion whose inner diameter gradually decreases toward the nozzle hole. And

本発明によれば、ノズルのノズル孔からディフューザに向かって燃料ガスが吐出される際、ノズル孔に向かって流入する燃料ガスの流速が速くなり、ノズル内壁のテーパ部と対向するニードルの開口部において前記燃料ガスの流速に対応した負圧が発生する。この負圧の発生により、導入通路を通じて背圧室が減圧され、前記背圧室の減圧作用によって、ノズルを開き側の方向へ変位させることができる。この結果、ニードルの先端部とノズルのノズル孔との間隙が大きくなって、より多くの流量を吐出することが可能となり、流量特性を向上させることができる。 According to the present invention, when the fuel gas is discharged from the nozzle hole of the nozzle toward the diffuser, the flow rate of the fuel gas flowing toward the nozzle hole is increased, and the needle opening facing the tapered portion of the nozzle inner wall. A negative pressure corresponding to the flow rate of the fuel gas is generated. Due to the generation of the negative pressure, the back pressure chamber is depressurized through the introduction passage, and the nozzle can be displaced toward the opening side by the depressurizing action of the back pressure chamber. As a result, the gap between the tip of the needle and the nozzle hole of the nozzle is increased, so that a larger flow rate can be discharged and the flow rate characteristics can be improved.

また、本発明は、ノズル内に、ニードルを軸方向に沿って軸支すると共に、ノズルと共に一体的に変位する軸受部材が設けられ、前記軸受部材は、エゼクタ本体に設けられた弁座に着座するシート部を有することを特徴とする。 Further, according to the present invention, a bearing member that pivotally supports the needle along the axial direction and is integrally displaced with the nozzle is provided in the nozzle, and the bearing member is seated on a valve seat provided in the ejector body. It has the sheet part to perform.

本発明によれば、ノズル内に配置される軸受部材にシート部を設けることにより、ノズルの端面にシート部を設けた場合と比較して、その直径が縮径されたシート部を得ることができる。また、シート部の直径を縮径することにより、従来と比較してシート面の面圧が増大しシート部のシート性を向上させることができる。 According to the present invention, by providing a sheet portion on the bearing member disposed in the nozzle, it is possible to obtain a sheet portion whose diameter is reduced compared to the case where the sheet portion is provided on the end face of the nozzle. it can. Further, by reducing the diameter of the seat portion, the surface pressure of the seat surface is increased as compared with the conventional case, and the sheet property of the seat portion can be improved.

本発明では、ノズルから吐出される圧力流体の流量特性をより一層向上させることが可能な燃料電池用エゼクタ装置を得ることができる。 In the present invention, it is possible to obtain a fuel cell ejector device capable of further improving the flow rate characteristics of the pressure fluid discharged from the nozzle.

燃料電池システムに組み込まれた本発明の実施形態に係るエゼクタの軸方向に沿った縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view along the axial direction of the ejector which concerns on embodiment of this invention integrated in the fuel cell system. エゼクタの初期状態におけるノズル孔とニードルとの位置関係を示す部分拡大縦断面図である。It is a partial expanded longitudinal cross-sectional view which shows the positional relationship of the nozzle hole and needle in the initial state of an ejector. 図２の初期状態からノズル及びホルダが一体的に変位して、ノズル孔の開口面積が変化した状態を示す部分拡大縦断面図である。FIG. 3 is a partially enlarged longitudinal sectional view showing a state in which the nozzle and the holder are integrally displaced from the initial state of FIG. 2 and the opening area of the nozzle hole is changed. エゼクタ本体内に配設された複数のダイヤフラムを太実線で示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the some diaphragm arrange | positioned in the ejector main body with the thick continuous line.

次に、本発明の実施形態に係るエゼクタが組み込まれた燃料電池システムについて説明した後、前記エゼクタについて適宜図面を参照しながら詳細に説明する。 Next, after describing a fuel cell system incorporating an ejector according to an embodiment of the present invention, the ejector will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

図１に示されるように、燃料電池システムは、燃料電池１２と、内部に高圧の水素ガスが充填され、前記燃料電池１２に対し燃料ガスとして前記水素ガスを供給する水素タンク１４と、前記燃料電池１２に対して酸化剤ガス（酸素）を含む圧縮エアを供給するエアコンプレッサ１６と、前記燃料電池１２から排出された未反応の水素を気体（水素）と液体（水）とに分離すると共に、前記分離された水素を、前記燃料電池１２から排出される未反応のエアによって希釈する気液分離及び希釈部（図示せず）とを備えて構成される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell 12, a hydrogen tank 14 that is filled with high-pressure hydrogen gas and supplies the hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell 12, and the fuel An air compressor 16 that supplies compressed air containing oxidant gas (oxygen) to the battery 12 and unreacted hydrogen discharged from the fuel cell 12 are separated into gas (hydrogen) and liquid (water). And a gas-liquid separation and dilution unit (not shown) for diluting the separated hydrogen with unreacted air discharged from the fuel cell 12.

燃料電池１２は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）からなり、燃料電池自動車等の車両に搭載される。この燃料電池１２は、複数の単セル（図示せず）が積層して構成された図示しないスタック本体を有し、燃料ガスとして水素が供給されるアノードと、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含むエアが供給されるカソードとを備える。 The fuel cell 12 is composed of, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and is mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle. The fuel cell 12 has a stack body (not shown) formed by stacking a plurality of single cells (not shown), an anode to which hydrogen is supplied as a fuel gas, and oxygen as an oxidant gas, for example. And a cathode supplied with air.

前記水素タンク１４と前記燃料電池１２との間には、水素供給通路２０が設けられ、前記水素供給通路２０中には、燃料電池用エゼクタ装置として機能するエゼクタ２２が配設される。このエゼクタ２２は、燃料電池１２から排出された燃料オフガスである未反応の水素（以下、水素オフガスという）をフィードバックさせる循環通路２４に接続され（図１参照）、水素タンク１４から新たに供給される水素と燃料電池１２からフィードバックされる水素オフガスとを混合させて燃料電池１２に対して再供給（再循環）するものである。 A hydrogen supply passage 20 is provided between the hydrogen tank 14 and the fuel cell 12, and an ejector 22 that functions as an ejector device for a fuel cell is disposed in the hydrogen supply passage 20. The ejector 22 is connected to a circulation passage 24 that feeds back unreacted hydrogen (hereinafter referred to as hydrogen offgas) that is fuel offgas discharged from the fuel cell 12 (see FIG. 1), and is newly supplied from the hydrogen tank 14. And hydrogen off-gas fed back from the fuel cell 12 are mixed and re-supplied (recirculated) to the fuel cell 12.

なお、前記水素タンク１４と前記エゼクタ２２との間には、エアコンプレッサ１６からのエアをパイロット圧信号として導入し、燃料電池１２に対して供給される水素の圧力を所定圧力に調圧するレギュレータ等を含む水素圧力調圧部（図示せず）が設けられる。 A regulator or the like that introduces air from the air compressor 16 as a pilot pressure signal between the hydrogen tank 14 and the ejector 22 to regulate the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 12 to a predetermined pressure. A hydrogen pressure regulating unit (not shown) including is provided.

前記エアコンプレッサ１６と前記燃料電池１２との間には、エア供給通路２６が設けられ、前記エア供給通路２６には、前記エアコンプレッサ２６から供給された乾燥エアを加湿する加湿器２８が配設される。前記加湿器２８によって加湿されたエアは、エア供給通路２６を介して燃料電池１２のカソード側に導入される。 An air supply passage 26 is provided between the air compressor 16 and the fuel cell 12, and a humidifier 28 that humidifies the dry air supplied from the air compressor 26 is disposed in the air supply passage 26. Is done. The air humidified by the humidifier 28 is introduced to the cathode side of the fuel cell 12 through the air supply passage 26.

また、前記エアコンプレッサ１６と前記加湿器２８との間には、エア供給通路２６から分岐する分岐通路３０が設けられる（図１参照）。前記分岐通路３０の下流側は、エゼクタ２２に接続され、前記分岐通路３０を介して供給されるエア（圧縮エア）は、前記エゼクタ２２に対してエア信号圧として導入される。なお、前記分岐通路３０には、エアコンプレッサ１６から供給された圧縮エアを所定流量に絞るオリフィス（図示せず）が設けられるとよい。 Further, a branch passage 30 branched from the air supply passage 26 is provided between the air compressor 16 and the humidifier 28 (see FIG. 1). A downstream side of the branch passage 30 is connected to an ejector 22, and air (compressed air) supplied via the branch passage 30 is introduced to the ejector 22 as an air signal pressure. The branch passage 30 may be provided with an orifice (not shown) for restricting the compressed air supplied from the air compressor 16 to a predetermined flow rate.

気液分離及び希釈部には、例えば、燃料電池１２のアノードに溜まった水やカソードから電解質膜を透過してアノードに混入した窒素ガスを含む燃料ガスを図示しない希釈器側にパージする図示しない水素パージ弁や、燃料電池１２から排出される水分を含んだ水素ガスを、水素と水とに分離する図示しないキャッチタンクや、前記キャッチタンクに溜まったドレンを排出する管路を開閉する図示しないドレン弁等が設けられる。 In the gas-liquid separation and dilution section, for example, water accumulated in the anode of the fuel cell 12 or fuel gas containing nitrogen gas that has permeated the electrolyte membrane from the cathode and mixed into the anode is purged to a diluter (not shown). A hydrogen purge valve, a catch tank (not shown) that separates hydrogen gas containing water discharged from the fuel cell 12 into hydrogen and water, and a pipe (not shown) that opens and closes a conduit for discharging drain accumulated in the catch tank are not shown. A drain valve or the like is provided.

次に、エゼクタ２２について説明する。
図１に示されるように、このエゼクタ２２は、エゼクタ本体２２ａを有し、前記エゼクタ本体２２ａは、後記するように複数のブロック体が一体的に結合されて構成される。 Next, the ejector 22 will be described.
As shown in FIG. 1, the ejector 22 has an ejector body 22a, and the ejector body 22a is configured by integrally connecting a plurality of block bodies as will be described later.

前記エゼクタ本体２２ａは、図示しないフィルタを介して水素供給通路２０に接続され水素タンク１４から比較的高圧な水素（燃料ガス）が供給されるインレットポート３２ａと、燃料電池１２に連通する水素供給通路２０に接続され前記水素タンク１４から供給された水素と水素オフガスとが混合された混合ガスが排出されるアウトレットポート３２ｂとを有する。 The ejector body 22a is connected to the hydrogen supply passage 20 via a filter (not shown), and an inlet port 32a to which relatively high-pressure hydrogen (fuel gas) is supplied from the hydrogen tank 14, and a hydrogen supply passage that communicates with the fuel cell 12. And an outlet port 32b through which a mixed gas in which hydrogen supplied from the hydrogen tank 14 and hydrogen off-gas are mixed is discharged.

また、エゼクタ本体２２ａは、循環通路２４に接続され前記循環通路２４を介して水素オフガス（燃料オフガス）が吸入される吸引ポート３２ｃと、分岐通路３０に接続され前記分岐通路３０を介してエアコンプレッサ１６から導出された圧縮エア（酸化剤ガス）が供給されるエア供給ポート（酸化剤ガス供給ポート）３２ｄとを有する。 The ejector body 22a is connected to the circulation passage 24 and is connected to the branch passage 30 through the suction passage 32c through which the hydrogen off-gas (fuel off-gas) is sucked through the circulation passage 24. And an air supply port (oxidant gas supply port) 32d to which compressed air (oxidant gas) derived from 16 is supplied.

前記エゼクタ本体２２ａは、エア供給ポート３２ｄが設けられた第１ブロック体３４ａと、後記する通気路４５が設けられた第２ブロック体３４ｂと、インレットポート３２ａが設けられた第３ブロック体３４ｃと、アウトレットポート３２ｂ及び吸引ポート３２ｃが設けられた第４ブロック体３４ｄとを有する。前記第１〜第３ブロック体３４ａ〜３４ｃは、周方向に沿って所定角度離間する複数の第１固定用ボルト３６によって一体的に締結され、また、第２〜第４ブロック体３４ｂ〜３４ｄは、周方向に沿って所定角度離間する複数の第２固定用ボルト３８によって一体的に締結される。 The ejector body 22a includes a first block body 34a provided with an air supply port 32d, a second block body 34b provided with an air passage 45 described later, and a third block body 34c provided with an inlet port 32a. And a fourth block body 34d provided with an outlet port 32b and a suction port 32c. The first to third block bodies 34a to 34c are integrally fastened by a plurality of first fixing bolts 36 separated by a predetermined angle along the circumferential direction, and the second to fourth block bodies 34b to 34d are The bolts are fastened together by a plurality of second fixing bolts 38 spaced apart by a predetermined angle along the circumferential direction.

第１ブロック体３４ａと第２ブロック体３４ｂとの間には、比較的大径な第３ダイヤフラム４４が配設され、前記第３ダイヤフラム４４の外周縁部が第１ブロック体３４ａと第２ブロック体３４ｂによって挟持される。また、第２ブロック体３４ｂと第３ブロック体３４ｃとの間には、比較的中径な第１ダイヤフラム４０が前記第３ダイヤフラム４４と対向して配設され、第１ダイヤフラム４０の外周縁部が第２ブロック体３４ｂと第３ブロック体３４ｃによって挟持される。さらに、第３ブロック体３４ｃと第４ブロック体３４ｄとの間には、比較的小径な第２ダイヤフラム４２が第１ダイヤフラム４０と対向して配設され、前記第２ダイヤフラム４２の外周縁部が第３ブロック体３４ｃと第４ブロック体３４ｄとの間で挟持される。 A third diaphragm 44 having a relatively large diameter is disposed between the first block body 34a and the second block body 34b, and an outer peripheral edge portion of the third diaphragm 44 is disposed between the first block body 34a and the second block body 34a. It is clamped by the body 34b. A first diaphragm 40 having a relatively medium diameter is disposed between the second block body 34b and the third block body 34c so as to face the third diaphragm 44, and an outer peripheral edge portion of the first diaphragm 40 is disposed. Is sandwiched between the second block body 34b and the third block body 34c. Furthermore, a second diaphragm 42 having a relatively small diameter is disposed between the third block body 34c and the fourth block body 34d so as to face the first diaphragm 40, and an outer peripheral edge portion of the second diaphragm 42 is provided. It is sandwiched between the third block body 34c and the fourth block body 34d.

エゼクタ本体２２ａ内には、第１ブロック体３４ａの内壁と第３ダイヤフラム４４とによって仕切られた第３室７０ｃが形成され、前記第３室７０ｃは、エア供給ポート３２ｄと連通してエア信号圧が供給される。また、エゼクタ本体２２ａ内には、第３ダイヤフラム４４と第１ダイヤフラム４０とによって仕切られた大気圧室７０ｄが形成され、前記大気圧室７０ｄは、通気路４５を介して大気と連通するように設けられる。さらに、エゼクタ本体２２ａ内には、第１ダイヤフラム４０と第２ダイヤフラム４２とによって仕切られた第１室７０ａが形成され、前記第１室７０ａは、インレットポート３２ａと連通して水素（供給圧）が供給される。さらにまた、エゼクタ本体２２ａ内には、第３ブロック体３４ｃの内壁と第２ダイヤフラム４２とによって仕切られた第２室７０ｂが形成され、前記第２室７０ｂは、吸引ポート３２ｃと連通して水素オフガスが導入される。 In the ejector body 22a, a third chamber 70c is formed which is partitioned by the inner wall of the first block body 34a and the third diaphragm 44, and the third chamber 70c communicates with the air supply port 32d to provide an air signal pressure. Is supplied. Further, an atmospheric pressure chamber 70d partitioned by the third diaphragm 44 and the first diaphragm 40 is formed in the ejector body 22a, and the atmospheric pressure chamber 70d communicates with the atmosphere via the air passage 45. Provided. Further, in the ejector body 22a, a first chamber 70a partitioned by a first diaphragm 40 and a second diaphragm 42 is formed, and the first chamber 70a communicates with the inlet port 32a to supply hydrogen (supply pressure). Is supplied. Furthermore, a second chamber 70b partitioned by the inner wall of the third block body 34c and the second diaphragm 42 is formed in the ejector body 22a, and the second chamber 70b communicates with the suction port 32c to form a hydrogen. Off-gas is introduced.

この場合、図４に示されるように、相互に対向配置され第１室７０ａ内に供給される水素の供給圧力がそれぞれ付与される第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１と第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２とは同一ではなく、第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１は、第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２よりも大きく設定されている（Ｓ１＞Ｓ２）。 In this case, as shown in FIG. 4, the pressure receiving area S1 of the first diaphragm 40 and the pressure receiving area of the second diaphragm 42 to which the supply pressures of hydrogen supplied to the first chamber 70a are respectively provided. It is not the same as S2, and the pressure receiving area S1 of the first diaphragm 40 is set to be larger than the pressure receiving area S2 of the second diaphragm 42 (S1> S2).

すなわち、水素が供給される第１室７０ａを間にして相互に対向配置された第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１と第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２とを同一としないで、エア供給ポート（酸化剤ガス供給ポート）３２ｄ側（エア信号圧側）に近接配置された第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１を、吸引ポート３２ｃ側（水素オフガス側）に近接配置された第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２よりも大きく設定することにより、第１ダイヤフラム４０と第２ダイヤフラム４２との受圧面積差（Ｓ１−Ｓ２）に対応し、ノズル６２を閉じ側（矢印Ｘ１方向）に向かって変位させる力が発生する。後記するように、このノズル６２を閉じ側（矢印Ｘ１方向）に向かって変位させる力と、水素の供給圧力が印加されたときに発生するノズル６２を開き側（矢印Ｘ２方向）に向かって変位させる力とが相互に相殺される。 That is, the pressure receiving area S1 of the first diaphragm 40 and the pressure receiving area S2 of the second diaphragm 42 that are arranged to face each other with the first chamber 70a to which hydrogen is supplied interposed therebetween are not made the same, and the air supply port (oxidation) The pressure receiving area S1 of the first diaphragm 40 arranged close to the agent gas supply port 32d side (air signal pressure side) is more than the pressure receiving area S2 of the second diaphragm 42 arranged close to the suction port 32c side (hydrogen offgas side). Is set to a large value, a force is generated to displace the nozzle 62 toward the closing side (in the direction of the arrow X1) corresponding to the pressure receiving area difference (S1-S2) between the first diaphragm 40 and the second diaphragm 42. As will be described later, the force that displaces the nozzle 62 toward the closing side (arrow X1 direction) and the nozzle 62 that is generated when the hydrogen supply pressure is applied are displaced toward the opening side (arrow X2 direction). Force to cancel each other.

なお、本実施形態では、水素が供給される第１室７０ａと圧縮エアが供給される第３室７０ｃとの間に大気圧室７０ｄを介在させて第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４からなる３枚のダイヤフラムを配置しているが、受圧面積差（Ｓ１−Ｓ２）で前記ノズル６２を閉じ側（矢印Ｘ１方向）に向かって変位させる力は、基本的に、第１ダイヤフラム４０及び第２ダイヤフラム４２からなる２枚のダイヤフラムによって発生させることが可能であり、第３ダイヤフラム４４を省略することができる。 In the present embodiment, the first to third diaphragms 40, 42, and 44 are provided with an atmospheric pressure chamber 70d interposed between the first chamber 70a to which hydrogen is supplied and the third chamber 70c to which compressed air is supplied. Although the three diaphragms are arranged, the force for displacing the nozzle 62 toward the closing side (arrow X1 direction) by the pressure receiving area difference (S1-S2) is basically the first diaphragm 40 and It can be generated by two diaphragms comprising the second diaphragm 42, and the third diaphragm 44 can be omitted.

また、本実施形態では、第３ダイヤフラム４４の受圧面積Ｓ３が、第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１よりも大きく設定されている（Ｓ３＞Ｓ１）。この結果、各ダイヤフラムの受圧面積の大小関係は、第３ダイヤフラム４４の受圧面積Ｓ３が最も大きく設定され、続いて、第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１、第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２の順序で大きく設定されている（Ｓ３＞Ｓ１＞Ｓ２）。なお、図４中では、各ダイヤフラムの受圧面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を、ダイヤフラムの受圧面の直径に対応させて、便宜的に示している。 In the present embodiment, the pressure receiving area S3 of the third diaphragm 44 is set larger than the pressure receiving area S1 of the first diaphragm 40 (S3> S1). As a result, the magnitude relationship between the pressure receiving areas of the diaphragms is such that the pressure receiving area S3 of the third diaphragm 44 is set to be the largest, followed by the pressure receiving area S1 of the first diaphragm 40 and the pressure receiving area S2 of the second diaphragm 42. It is set large (S3> S1> S2). In FIG. 4, the pressure receiving areas S1, S2, and S3 of the diaphragms are shown for convenience in correspondence with the diameters of the pressure receiving surfaces of the diaphragms.

図１に示されるように、エゼクタ本体２２ａの下部側には、第３ダイヤフラム４４及び第１ダイヤフラム４０で仕切られた大気圧室７０ｄと外部とを連通させる通気路４５が形成され、前記通気路４５の開口部にはキャップ４７が装着されている。前記キャップ４７内には、例えば、周知のゴアテックス（登録商標）からなり、空気の出入りを許容しつつ水の出入りを阻止する透湿防水素材４９が配設されている。 As shown in FIG. 1, an air passage 45 is formed on the lower side of the ejector body 22a to communicate the atmospheric pressure chamber 70d partitioned by the third diaphragm 44 and the first diaphragm 40 with the outside. A cap 47 is attached to the opening 45. In the cap 47, for example, a moisture permeable waterproof material 49 made of the well-known Gore-Tex (registered trademark) and preventing the entry and exit of water while allowing the entry and exit of air is disposed.

このように透湿防水素材４９を有するキャップ４７を装着することにより、大気圧室７０ｄ内への水や塵埃等の浸入を阻止すると共に、大気圧室７０ｄ内へのエアの出入りを円滑とすることにより、第１ダイヤフラム４０及び第３ダイヤフラム４４の安定した撓曲作用を発揮させ、且つ、耐久性を向上させることができる。 By mounting the cap 47 having the moisture permeable waterproof material 49 in this manner, entry of water, dust, and the like into the atmospheric pressure chamber 70d is prevented, and air enters and exits into the atmospheric pressure chamber 70d smoothly. Thereby, the stable bending action of the 1st diaphragm 40 and the 3rd diaphragm 44 can be exhibited, and durability can be improved.

エゼクタ本体２２ａの内部には、第３ダイヤフラム４４を表裏両面で挟持する第１保持部材４６ａ及び第２保持部材４６ｂと、第１ダイヤフラム４０を表裏両面で挟持する第２保持部材４６ｂ及び第３保持部材４６ｃと、前記第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃの中心部を貫通し前記第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃを一体的に保持するホルダ４８と、ワッシャを介して前記ホルダ４８のねじ部に締結されるナット部材５０と、複数のボルト５２によってエゼクタ本体２２ａの第３ブロック体３４ｃに固定され、ホルダ４８の一端部が当接する当接面（ストッパ面）が形成されたステータ５６とがそれぞれ設けられる。 Inside the ejector body 22a, a first holding member 46a and a second holding member 46b for holding the third diaphragm 44 on both front and back surfaces, and a second holding member 46b and a third holding member for holding the first diaphragm 40 on both front and back surfaces. A member 46c, a holder 48 penetrating through a central portion of the first to third holding members 46a to 46c, and holding the first to third holding members 46a to 46c integrally; and a holder 48 via a washer. A stator 56 that is fixed to the third block body 34c of the ejector main body 22a by a nut member 50 fastened to the threaded portion and a plurality of bolts 52, and has a contact surface (stopper surface) with which one end of the holder 48 contacts. And are provided respectively.

さらに、エゼクタ本体２２ａの内部には、前記ステータ５６の孔部に基端部が固定され、後記するノズル６２の中空部６３内に軸方向に沿って延在するニードル５８と、前記ステータ５６の貫通孔６０に挿通されてホルダ４８とノズル６２とを締結する連結用ボルト６４と、前記連結用ボルト６４を介してホルダ４８と連結され、ニードル５８の先端部５８ａが臨むノズル孔６２ａを有するノズル６２と、ノズル６２の内壁に固定されて前記ノズル６２と一体的に変位する軸受部材６６と、ステータ５６に近接するホルダ４８の一端部に形成された凹部４８ａと前記凹部４８ａに臨むニードル５８のフランジ部５８ｂとの間で形成され、後記する導入通路５９を介して水素が導入される背圧室５７とがそれぞれ設けられる。なお、第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃは、ホルダ４８の拡径段部とナット部材５０との間で一体的に締結される。 Further, in the ejector main body 22a, a base end portion is fixed to the hole portion of the stator 56, and a needle 58 extending in the axial direction in a hollow portion 63 of the nozzle 62 described later, A connecting bolt 64 inserted through the through hole 60 to fasten the holder 48 and the nozzle 62, and a nozzle having a nozzle hole 62a connected to the holder 48 via the connecting bolt 64 and facing the tip 58a of the needle 58. 62, a bearing member 66 fixed to the inner wall of the nozzle 62 and displaced integrally with the nozzle 62, a recess 48a formed at one end of the holder 48 adjacent to the stator 56, and a needle 58 facing the recess 48a. A back pressure chamber 57 formed between the flange portion 58b and into which hydrogen is introduced through an introduction passage 59 described later is provided. The first to third holding members 46 a to 46 c are integrally fastened between the diameter-expanded step portion of the holder 48 and the nut member 50.

図２に示されるように、ニードル５８の内部には、前記ニードル５８の軸方向に沿って所定長だけ延在し、ノズル６２の中空部６３内の水素を導入する導入通路５９が形成される。この場合、導入通路５９の軸方向に沿った一端部は、背圧室５７に連通するように設けられ、前記導入通路５９の軸方向に沿った他端部には、ノズル孔６２ａに向かって内径が徐々に縮径するテーパ部６２ｂと対向する開口部５８ｃが形成される。この開口部５８ｃは、例えば、ニードル５８の軸方向と略直交し、且つ、ニードル５８の周方向に沿って所定角度離間するように複数個配置されるとよい。図２及び図３では、その一例として、開口部５８ｃがニードル５８の軸方向と直交する上下方向に２個形成された場合を示している。 As shown in FIG. 2, an introduction passage 59 for introducing hydrogen in the hollow portion 63 of the nozzle 62 is formed in the needle 58 so as to extend a predetermined length along the axial direction of the needle 58. . In this case, one end portion along the axial direction of the introduction passage 59 is provided so as to communicate with the back pressure chamber 57, and the other end portion along the axial direction of the introduction passage 59 faces the nozzle hole 62a. An opening 58c facing the tapered portion 62b whose inner diameter gradually decreases is formed. For example, a plurality of the openings 58 c may be arranged so as to be substantially orthogonal to the axial direction of the needle 58 and spaced apart by a predetermined angle along the circumferential direction of the needle 58. 2 and 3, as an example, a case is shown in which two openings 58 c are formed in the vertical direction perpendicular to the axial direction of the needle 58.

背圧室５７は、導入通路５９の開口部５８ｃを介して、ノズル６２の中空部６３、すなわち第１室７０ａと連通するように設けられる。ニードル５８に形成される開口部５８ｃの位置は、軸受部材６６とノズル孔６２ａとの間であって、ノズル６２のテーパ部６２ｂと対向する部位に形成されるとよいが、ノズル孔６２ａ側により近接する部位に形成されると一層好適である。 The back pressure chamber 57 is provided so as to communicate with the hollow portion 63 of the nozzle 62, that is, the first chamber 70a, through the opening 58c of the introduction passage 59. The position of the opening 58c formed in the needle 58 is preferably between the bearing member 66 and the nozzle hole 62a and at a portion facing the tapered portion 62b of the nozzle 62. It is more preferable that it is formed in an adjacent part.

ノズル孔６２ａに近接する部位では、ノズル孔６２ａに向かって流入する水素の流速が速くなり、ノズル６２のテーパ部６２ｂと対向するニードル５８の開口部５８ｃでは、前記水素の流速に対応して負圧が発生する。この負圧の発生により、導入通路５９を通じて背圧室５７が減圧され、前記背圧室５７の減圧作用によって、ホルダ４８及び連結用ボルト６４を介して、ノズル６２を開き側の方向（矢印Ｘ２方向）へ変位させることができる。この結果、ニードル５８の先端部５８ａとノズル６２のノズル孔６２ａとの間隙６８が大きくなってより多くの流量を吐出することが可能となり、流量特性を向上させることができる。 In a portion close to the nozzle hole 62a, the flow rate of hydrogen flowing toward the nozzle hole 62a is increased, and the opening 58c of the needle 58 facing the taper portion 62b of the nozzle 62 has a negative pressure corresponding to the hydrogen flow rate. Pressure is generated. Due to the generation of the negative pressure, the back pressure chamber 57 is reduced through the introduction passage 59, and the pressure reduction action of the back pressure chamber 57 causes the nozzle 62 to open in the direction toward the open side (arrow X2) via the holder 48 and the connecting bolt 64. Direction). As a result, the gap 68 between the tip portion 58a of the needle 58 and the nozzle hole 62a of the nozzle 62 becomes larger, and a larger flow rate can be discharged, and the flow rate characteristics can be improved.

また、背圧室５７が減圧されることにより、可動側のノズル６２の開き側の方向（矢印Ｘ２方向）への動作が迅速となり（動作し易くなり）、応答速度を良好とすることができる。 Further, by reducing the pressure in the back pressure chamber 57, the operation in the opening side direction (arrow X2 direction) of the movable nozzle 62 becomes quick (easy to operate), and the response speed can be improved. .

軸受部材６６は、ニードル５８の外周面に沿って摺動する摺動孔６６ａと、流体が流通することによって第１室７０ａとノズル６２の中空部６３とを連通させる流通孔６６ｂとを有する。軸受部材６６の軸方向に沿った一端面には、環状溝６６ｃが形成され、前記環状溝６６ｃに対してゴム製のシート部１０６が装着（接着）される。軸受部材６６の一端面にシート部１０６を設けた場合、ノズル６２の一端部に図示しないシート部を形成した場合と比較して、軸受部材６６に形成されたシート部１０６の直径を縮径することができる。また、シート部１０６の直径を縮径することにより、従来と比較してシート面の面圧が増大しシート部１０６のシート性を向上させることができる。なお、ノズル６２の内径面と軸受部材６６の外径面との間には、ノズル６２と軸受部材６６との結合部位をシールするＯリング１０８が設けられる。 The bearing member 66 has a sliding hole 66a that slides along the outer peripheral surface of the needle 58, and a flow hole 66b that allows the first chamber 70a and the hollow portion 63 of the nozzle 62 to communicate with each other when the fluid flows. An annular groove 66c is formed on one end surface along the axial direction of the bearing member 66, and a rubber sheet portion 106 is attached (adhered) to the annular groove 66c. When the sheet portion 106 is provided on one end surface of the bearing member 66, the diameter of the sheet portion 106 formed on the bearing member 66 is reduced compared to the case where a sheet portion (not shown) is formed on one end portion of the nozzle 62. be able to. Further, by reducing the diameter of the sheet portion 106, the surface pressure of the sheet surface is increased as compared with the conventional case, and the sheet property of the sheet portion 106 can be improved. An O-ring 108 is provided between the inner diameter surface of the nozzle 62 and the outer diameter surface of the bearing member 66 to seal the coupling portion between the nozzle 62 and the bearing member 66.

この場合、可動側（弁体側）である軸受部材６６の環状溝６６ｃ内に装着されるシート部１０６を、例えば、ゴム等の弾性材料で形成し、且つ、前記軸受部材６６のシート部１０６が着座するステータ５６側（エゼクタ本体）の弁座を、前記軸受部材６６側に向かって突出する断面山形状の環状突起部１１２からなる金属製材料で形成することにより、軸受部材６６を軽量化することができ、エゼクタ１０全体の重量における軽量化を達成することができる。 In this case, the seat portion 106 mounted in the annular groove 66c of the bearing member 66 on the movable side (valve element side) is formed of an elastic material such as rubber, for example, and the seat portion 106 of the bearing member 66 is The valve seat on the stator 56 side (ejector body) on which the seat is seated is made of a metal material composed of the annular projection 112 having a mountain-shaped cross section projecting toward the bearing member 66 side, thereby reducing the weight of the bearing member 66. Thus, the weight of the ejector 10 as a whole can be reduced.

また、固定側であるステータ５６の円筒部５６ａの内周面には、ニードル５８の外径面に形成された雄ねじと嵌合するねじ部１１６と、ニードル５８の外径面が嵌挿される円筒状のインロー部１１８とが連接して設けられている。このねじ部１１６とインロー部１１８とをニードル５８の軸方向に沿って連接して配置することにより、固定側のステータ５６に対してニードル５８の軸心を高精度に芯出しした状態で組み付けることができる。 Further, on the inner peripheral surface of the cylindrical portion 56a of the stator 56 on the fixed side, a screw portion 116 that fits with an external thread formed on the outer diameter surface of the needle 58, and a cylinder into which the outer diameter surface of the needle 58 is fitted. A cylindrical inlay portion 118 is provided in a connected manner. By associating and arranging the threaded portion 116 and the spigot portion 118 along the axial direction of the needle 58, the axial center of the needle 58 is assembled with high accuracy with respect to the stator 56 on the fixed side. Can do.

さらに、ニードル５８の先端部５８ａと軸方向に沿って反対側の端部には、他の部位と比較して拡径するフランジ部５８ｂが設けられる。このフランジ部５８ｂの内側側壁１１９は、Ｏリング１２０が装着される環状溝１２２の一部を形成している。 Further, a flange portion 58b having a diameter larger than that of the other portion is provided at the end portion on the opposite side of the tip portion 58a of the needle 58 in the axial direction. The inner side wall 119 of the flange portion 58b forms a part of the annular groove 122 in which the O-ring 120 is mounted.

図１に示されるように、第３室７０ｃには、一端部がエンドキャップ７１に係着され他端部が第１保持部材４６ａに係着される第１ばね部材７２ａが設けられ、前記第１ばね部材７２ａは、ばね力によって第１〜第３保持部材４６ａ〜４６ｃ及びホルダ４８をノズル６２側に向かって押圧（付勢）するように設けられる。また、第２室７０ｂには、一端部がリテーナ７４に係着され他端部が第４ブロック体３４ｄの内壁の受座面に係着される第２ばね部材７２ｂが設けられる。前記第２ばね部材７２ｂは、ばね力によってノズル６２をホルダ４８側に向かって押圧（付勢）するように設けられる。 As shown in FIG. 1, the third chamber 70c is provided with a first spring member 72a having one end engaged with the end cap 71 and the other end engaged with the first holding member 46a. The first spring member 72a is provided so as to press (bias) the first to third holding members 46a to 46c and the holder 48 toward the nozzle 62 by a spring force. The second chamber 70b is provided with a second spring member 72b having one end engaged with the retainer 74 and the other end engaged with the seating surface of the inner wall of the fourth block body 34d. The second spring member 72b is provided so as to press (bias) the nozzle 62 toward the holder 48 side by a spring force.

この場合、第１ばね部材７２ａのばね力は、第２ばね部材７２ｂのばね力よりも大きく設定され、第３室７０ｃ及び第２室７０ｂ内に圧力流体が供給されていない場合、第１ばね部材７２ａと第２ばね部材７２ｂとのばね力の差によってホルダ４８の環状フランジ部がステータ５６に当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された初期状態にある。 In this case, the spring force of the first spring member 72a is set to be larger than the spring force of the second spring member 72b, and when the pressure fluid is not supplied into the third chamber 70c and the second chamber 70b, the first spring Due to the difference in spring force between the member 72a and the second spring member 72b, the annular flange portion of the holder 48 comes into contact with the stator 56, and an opening is formed in the gap 68 between the nozzle hole 62a of the nozzle 62 and the outer peripheral surface of the tip portion 58a of the needle 58. It is in an initial state where the area is held at the maximum position.

さらに前記エゼクタ本体２２ａの第４ブロック体３４ｄの内部には、前記ノズル６２の軸方向に沿った一端部側に配設され、前記ノズル６２と同軸状に設けられたディフューザ７８を有する。前記ニードル５８は、ノズル孔６２ａに臨み、鋭く尖った頂点を含む先端部５８ａを有する。 Further, the fourth block body 34 d of the ejector body 22 a has a diffuser 78 disposed on one end side along the axial direction of the nozzle 62 and provided coaxially with the nozzle 62. The needle 58 has a tip 58a that faces the nozzle hole 62a and includes a sharply pointed apex.

ディフューザ７８は、ノズル孔６２ａを有するノズル６２の一部を囲繞するラッパ状の拡径部７８ａと、前記拡径部７８ａに連続する円筒体からなり内部にアウトレットポート３２ｂに向かって徐々に拡径する直線状の通路を有するスロート部７８ｂとから構成される。 The diffuser 78 is composed of a trumpet-shaped enlarged diameter portion 78a surrounding a part of the nozzle 62 having the nozzle hole 62a, and a cylindrical body continuous to the enlarged diameter portion 78a, and gradually increases in diameter toward the outlet port 32b. And a throat portion 78b having a linear passage.

この場合、ノズル６２、ニードル５８及びディフューザ７８は、それぞれ同軸（３者の軸線が一致する）となるように配設される。前記ノズル６２と前記ディフューザ７８との間には、吸入室８０が形成され、前記吸入室８０は、吸引ポート３２ｃと連通するように設けられる。 In this case, the nozzle 62, the needle 58, and the diffuser 78 are disposed so as to be coaxial (the three axes coincide). A suction chamber 80 is formed between the nozzle 62 and the diffuser 78, and the suction chamber 80 is provided so as to communicate with the suction port 32c.

第３室７０ｃ内に導入されるエア信号圧と第２室７０ｂ内に導入される水素オフガスの圧力との関係で、第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４が撓曲することによりホルダ４８及びノズル６２が一体的に矢印Ｘ１方向（閉じ側）に変位し、ディフューザ７８に向かって水素が噴射されるノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａとの間隙６８における開口面積を変化させることができる。 Due to the relationship between the air signal pressure introduced into the third chamber 70c and the pressure of the hydrogen off-gas introduced into the second chamber 70b, the first to third diaphragms 40, 42, 44 bend to cause the holder 48. And the nozzle 62 is integrally displaced in the direction of the arrow X1 (closed side) to change the opening area in the gap 68 between the nozzle hole 62a through which hydrogen is injected toward the diffuser 78 and the tip 58a of the needle 58. it can.

燃料電池システムに組み込まれた本実施形態に係るエゼクタ２２は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。 The ejector 22 according to the present embodiment incorporated in the fuel cell system is basically configured as described above. Next, the function and effect will be described.

図２は、エゼクタの初期状態におけるノズル孔とニードルとの位置関係を示す部分拡大縦断面図である。
先ず、燃料電池１２の発電停止時には、図示しない遮断弁によって水素タンク１４から水素の供給が遮断され、エゼクタ２２のインレットポート３２ａに対する水素の供給が停止された状態にある。同時に、エアコンプレッサ１６の駆動が停止された状態にあり、エゼクタ２２のエア供給ポート３２ｄに対する圧縮エアの供給が停止された状態にある。 FIG. 2 is a partially enlarged longitudinal sectional view showing the positional relationship between the nozzle hole and the needle in the initial state of the ejector.
First, when the power generation of the fuel cell 12 is stopped, the supply of hydrogen from the hydrogen tank 14 is shut off by a shut-off valve (not shown), and the supply of hydrogen to the inlet port 32a of the ejector 22 is stopped. At the same time, the driving of the air compressor 16 is stopped, and the supply of compressed air to the air supply port 32d of the ejector 22 is stopped.

この場合、第１ばね部材７２ａのばね力は、第２ばね部材７２ｂのばね力よりも大きく設定されているため、第１ばね部材７２ａと第２ばね部材７２ｂとのばね力の差によってホルダ４８の環状フランジ部がステータ５６に当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された初期状態にある。 In this case, since the spring force of the first spring member 72a is set larger than the spring force of the second spring member 72b, the holder 48 depends on the difference in spring force between the first spring member 72a and the second spring member 72b. The annular flange portion is in contact with the stator 56, and the opening area in the gap 68 between the nozzle hole 62a of the nozzle 62 and the outer peripheral surface of the tip portion 58a of the needle 58 is in the initial state.

この初期状態では、図２に示されるように、ニードル５８の先端部５８ａがノズル孔６２ａから外部に向かって僅かに突出する。従って、水素が吐出されるノズル孔６２ａの開口面積（間隙６８）は、ノズル孔６２ａの内径面積からニードル５８の先端部５８ａの外径面積が減算されたものとなる。 In this initial state, as shown in FIG. 2, the tip 58a of the needle 58 slightly protrudes outward from the nozzle hole 62a. Therefore, the opening area (gap 68) of the nozzle hole 62a through which hydrogen is discharged is obtained by subtracting the outer diameter area of the tip 58a of the needle 58 from the inner diameter area of the nozzle hole 62a.

一方、燃料電池１２の発電時では、図示しない遮断弁が開弁状態となって、水素タンク１４から水素供給通路２０を介して燃料電池１２のアノードに対して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ１６が駆動され、加湿器２８で加湿されたエアがエア供給通路２６を介して燃料電池１２のカソードに供給される。 On the other hand, at the time of power generation of the fuel cell 12, a shut-off valve (not shown) is opened so that hydrogen is supplied from the hydrogen tank 14 to the anode of the fuel cell 12 through the hydrogen supply passage 20, and an air compressor 16 is driven, and the air humidified by the humidifier 28 is supplied to the cathode of the fuel cell 12 through the air supply passage 26.

エゼクタ２２では、水素タンク１４からの比較的高圧な水素がインレットポート３２ａを通じて供給され、エゼクタ本体２２ａ内で第１ダイヤフラム４０と第２ダイヤフラム４２で仕切られた第１室７０ａに供給される。同時に、エアコンプレッサ１６からの圧縮エアが分岐通路３０及びエア供給ポート３２ｄを通じて第３ダイヤフラム４４で仕切られた第３室７０ｃ内に供給される。 In the ejector 22, relatively high-pressure hydrogen from the hydrogen tank 14 is supplied through the inlet port 32a and supplied to the first chamber 70a partitioned by the first diaphragm 40 and the second diaphragm 42 in the ejector body 22a. At the same time, the compressed air from the air compressor 16 is supplied into the third chamber 70c partitioned by the third diaphragm 44 through the branch passage 30 and the air supply port 32d.

その際、第２室７０ｂ内に導入される水素オフガスの圧力が第３室７０ｃ内の圧縮エアの圧力（エア信号圧）以下であるとき、初期状態と同様に、ホルダ４８の環状フランジ部がステータ５６に当接し、ノズル６２のノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの外周面との間隙６８における開口面積が最大位置に保持された状態に継続される。 At that time, when the pressure of the hydrogen off-gas introduced into the second chamber 70b is equal to or lower than the pressure of compressed air (air signal pressure) in the third chamber 70c, the annular flange portion of the holder 48 is Abutting against the stator 56, the opening area in the gap 68 between the nozzle hole 62a of the nozzle 62 and the outer peripheral surface of the tip 58a of the needle 58 is maintained in the maximum position.

エゼクタ２２の第１室７０ａ内に導入された水素は、さらに、ノズル６２に内嵌された軸受部材６６の流通孔６６ｂを介してノズル６２の中空部６３内に導入された後、ノズル孔６２ａとニードル５８の先端部５８ａの間隙６８を通じてディフューザ７８側に向かって吐出される。このノズル孔６２ａによって流量が絞られて加速された水素は、ディフューザ７８のスロート部７８ｂに沿って流通し、アウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０に沿って燃料電池１２に供給される。 The hydrogen introduced into the first chamber 70a of the ejector 22 is further introduced into the hollow portion 63 of the nozzle 62 through the flow hole 66b of the bearing member 66 fitted in the nozzle 62, and then the nozzle hole 62a. And is discharged toward the diffuser 78 through a gap 68 between the tip 58a of the needle 58. The hydrogen whose flow rate is reduced by the nozzle hole 62a is accelerated and flows along the throat portion 78b of the diffuser 78, and is supplied to the fuel cell 12 from the outlet port 32b along the hydrogen supply passage 20.

同時に、ノズル６２のノズル孔６２ａの先端からディフューザ７８に向かって水素が噴射（吐出）される際、ノズル６２とディフューザ７８の拡径部７８ａとの間の部位において、いわゆるジェットポンプ効果によって負圧作用が発生する。この負圧作用によって吸入室８０内の水素オフガスが吸い込まれ、ノズル６２から吐出された水素と吸引ポート３２ｃを通じて吸引された水素オフガスとがディフューザ７８で混合され、この混合された水素ガスがアウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０を介して燃料電池１２に導出される。 At the same time, when hydrogen is injected (discharged) from the tip of the nozzle hole 62a of the nozzle 62 toward the diffuser 78, a negative pressure is generated at a portion between the nozzle 62 and the enlarged diameter portion 78a of the diffuser 78 by a so-called jet pump effect. Action occurs. Due to this negative pressure action, the hydrogen off-gas in the suction chamber 80 is sucked, and the hydrogen discharged from the nozzle 62 and the hydrogen off-gas sucked through the suction port 32c are mixed by the diffuser 78, and the mixed hydrogen gas is discharged to the outlet port. 32b is led out to the fuel cell 12 through the hydrogen supply passage 20.

本実施形態では、ノズル６２のノズル孔６２ａの先端からディフューザ７８に向かって水素が噴射（吐出）される際、ノズル孔６２ａに向かって流入する水素の流速が速くなり、ノズル６２のテーパ部６２ｂと対向するニードル５８の開口部５８ｃにおいて前記水素の流速に対応して負圧が発生する。この負圧の発生により、導入通路５９を通じて背圧室５７が減圧され、前記背圧室５７の減圧作用によって、ホルダ４８及び連結用ボルト６４を介して、ノズル６２を開き側の方向（矢印Ｘ２方向）へ変位させることができる。この結果、ニードル５８の先端部５８ａとノズル６２のノズル孔６２ａとの間隙６８が大きくなって、より多くの流量を吐出することが可能となり、流量特性を向上させることができる。 In the present embodiment, when hydrogen is injected (discharged) from the tip of the nozzle hole 62a of the nozzle 62 toward the diffuser 78, the flow rate of hydrogen flowing toward the nozzle hole 62a is increased, and the taper portion 62b of the nozzle 62 is increased. A negative pressure is generated at the opening 58c of the needle 58 opposite to that corresponding to the hydrogen flow rate. Due to the generation of the negative pressure, the back pressure chamber 57 is reduced through the introduction passage 59, and the pressure reduction action of the back pressure chamber 57 causes the nozzle 62 to open in the direction toward the open side (arrow X2) via the holder 48 and the connecting bolt 64. Direction). As a result, the gap 68 between the tip portion 58a of the needle 58 and the nozzle hole 62a of the nozzle 62 is increased, so that a larger flow rate can be discharged and the flow rate characteristics can be improved.

また、本実施形態では、背圧室５７が減圧されることにより、可動側のノズル６２の開き側の方向への動作が迅速となり（動作し易くなり）、応答速度を良好とすることができる。 Further, in the present embodiment, the back pressure chamber 57 is depressurized, so that the operation of the movable nozzle 62 in the direction of the opening side becomes quick (easier to operate), and the response speed can be improved. .

図３は、図２の初期状態からノズル及びホルダが一体的に変位して、ノズル孔の開口面積が変化した状態を示す部分拡大縦断面図である。
燃料電池１２の運転状態において、分岐通路３０及びエア供給ポート３２ｄを介して第３室７０ｃ内に導入された圧縮エアの圧力（エア信号圧）に対して、吸引ポート３２ｃを介して導入された第２室７０ｂ内の水素オフガスの圧力が高くなった場合、水素オフガスによる押圧力が第１ばね部材７２ａのばね力に打ち勝って第１〜第３ダイヤフラム４０、４２、４４を撓曲させ、ホルダ４８の円筒部の案内作用下に、ホルダ４８及びノズル６２が矢印Ｘ１方向（閉じ側）に向かって一体的に変位する。 FIG. 3 is a partially enlarged longitudinal sectional view showing a state in which the nozzle and the holder are integrally displaced from the initial state of FIG. 2 and the opening area of the nozzle hole is changed.
In the operating state of the fuel cell 12, the compressed air pressure (air signal pressure) introduced into the third chamber 70c via the branch passage 30 and the air supply port 32d was introduced via the suction port 32c. When the pressure of the hydrogen off gas in the second chamber 70b becomes high, the pressing force by the hydrogen off gas overcomes the spring force of the first spring member 72a to bend the first to third diaphragms 40, 42, 44, and the holder Under the guiding action of the 48 cylindrical portions, the holder 48 and the nozzle 62 are integrally displaced toward the direction of the arrow X1 (closed side).

従って、ニードル５８の先端部５８ａを含む一部は、ノズル６２のノズル孔６２ａの先端から外部に突出して露呈した状態となる。この結果、ノズル６２の中空部６３内に導入された水素は、ノズル孔６２ａの微小な間隙６８を通じてディフューザ７８に向かって吐出されるため、比較的小流量の水素を燃料電池１２に対して供給することができる。このように、ホルダ４８及びノズル６２の変位によって、比較的大流量の水素の供給から比較的小流量の水素の供給へ切り換えることができる。 Accordingly, a part of the needle 58 including the distal end portion 58a protrudes outside from the distal end of the nozzle hole 62a of the nozzle 62 and is exposed. As a result, since the hydrogen introduced into the hollow portion 63 of the nozzle 62 is discharged toward the diffuser 78 through the minute gap 68 of the nozzle hole 62a, a relatively small flow rate of hydrogen is supplied to the fuel cell 12. can do. In this manner, the supply of a relatively large flow rate of hydrogen can be switched to the supply of a relatively small flow rate of hydrogen by the displacement of the holder 48 and the nozzle 62.

ここで、ホルダ４８及びノズル６２の閉じ側（矢印Ｘ１方向）への変位がさらに進んだ場合、ノズル６２に形成されたシート部１０６が、エゼクタ本体２２ａ側の環状突起部（弁座）１１２に着座し、ノズル６２の位置がノズルシート位置（締切位置）となる（図３参照）。この場合、ノズル６２のノズル孔６２ａから吐出される水素流量をゼロとすることができる。 Here, when the displacement of the holder 48 and the nozzle 62 toward the closing side (in the direction of the arrow X1) further proceeds, the sheet portion 106 formed on the nozzle 62 becomes an annular protrusion (valve seat) 112 on the ejector body 22a side. The position of the nozzle 62 becomes the nozzle sheet position (deadline position) (see FIG. 3). In this case, the hydrogen flow rate discharged from the nozzle hole 62a of the nozzle 62 can be made zero.

ところで、第３室７０ｃ内に供給されるエア信号圧よりも第２室７０ｂ内に導入される水素オフガスの圧力が高いときに、ノズル６２の位置が所定位置、例えば、ノズルシート位置（図３参照）にあるとする。このとき、第１室７０ａに供給される水素の供給圧力が印加された場合、ノズル６２を開き側の方向（矢印Ｘ２方向）に向かって変位（移動）させる力が発生し、この力によってノズル６２がノズルシート位置から開き側（矢印Ｘ２方向）に向かって変位しようとする。水素の供給圧力の印加によって発生するこの力は、例えば、ノズル６２の基端面であるシート部１０６の面積やノズル孔６２ａからのガス吐出圧力等に起因するものと推量される。 By the way, when the pressure of the hydrogen off gas introduced into the second chamber 70b is higher than the air signal pressure supplied into the third chamber 70c, the position of the nozzle 62 is a predetermined position, for example, the nozzle sheet position (FIG. 3). Reference). At this time, when the supply pressure of hydrogen supplied to the first chamber 70a is applied, a force is generated that displaces (moves) the nozzle 62 in the opening side direction (arrow X2 direction). 62 tries to be displaced from the nozzle sheet position toward the opening side (arrow X2 direction). The force generated by the application of the hydrogen supply pressure is estimated to be caused by, for example, the area of the sheet portion 106 that is the base end face of the nozzle 62, the gas discharge pressure from the nozzle hole 62a, and the like.

これに対して、本実施形態では、第１室７０ａを間にして相互に対向配置されたエア信号圧側の第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１が水素オフガス側の第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２よりも大きく設定されているため（Ｓ１＞Ｓ２）、ノズル６２を閉じ側の方向（矢印Ｘ１方向）に向かって変位させる力が作用する。このノズル６２を閉じ側に向かって変位させる力は、第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１と第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２の受圧面積差（Ｓ１−Ｓ２）に対応する力からなる。 On the other hand, in the present embodiment, the pressure receiving area S1 of the first diaphragm 40 on the air signal pressure side disposed opposite to each other with the first chamber 70a therebetween is larger than the pressure receiving area S2 of the second diaphragm 42 on the hydrogen off gas side. Is set to be larger (S1> S2), a force acts to displace the nozzle 62 in the direction toward the closing side (the direction of the arrow X1). The force for displacing the nozzle 62 toward the closing side is a force corresponding to the pressure receiving area difference (S1−S2) between the pressure receiving area S1 of the first diaphragm 40 and the pressure receiving area S2 of the second diaphragm 42.

従って、本実施形態では、第１室７０ａに対し水素の供給圧力が印加されることによって発生するノズル６２を開き側（矢印Ｘ２方向）に向かって変位させる力と、第１及び第２ダイヤフラム４０、４２の受圧面積差（Ｓ１−Ｓ２）に対応するノズル６２を閉じ側（矢印Ｘ１方向）に向かって変位させる力とが相互に相殺され、ノズル６２は、ノズルシート位置（図３参照）に保持されたままとなる。これにより、固定側のニードル５８に対して可動側のノズル６２が開き側（矢印Ｘ２方向）へ変位することを防止することができる。 Therefore, in the present embodiment, the force generated by applying the hydrogen supply pressure to the first chamber 70a to displace the nozzle 62 toward the opening side (in the direction of the arrow X2), and the first and second diaphragms 40. , 42, and the force that displaces the nozzle 62 corresponding to the pressure receiving area difference (S1−S2) toward the closing side (arrow X1 direction) cancel each other, and the nozzle 62 is moved to the nozzle sheet position (see FIG. 3). Retained. Thereby, it is possible to prevent the movable nozzle 62 from being displaced toward the opening side (in the direction of the arrow X2) with respect to the fixed needle 58.

この結果、本実施形態では、第１室７０ａに対し水素の供給圧力が印加された場合であっても、固定側のニードル５８に対する可動側のノズル６２の開き側への変位を好適に阻止することが可能となる。 As a result, in this embodiment, even when the supply pressure of hydrogen is applied to the first chamber 70a, displacement of the movable nozzle 62 toward the opening side with respect to the fixed needle 58 is preferably prevented. It becomes possible.

また、本実施形態では、ノズル６２の開き側への変位が阻止されてノズル６２がノズルシート位置に保持されることから、ノズル６２のノズル孔６２ａから吐出される吐出圧が過大となることが防止される。 Further, in the present embodiment, since the displacement of the nozzle 62 toward the opening side is prevented and the nozzle 62 is held at the nozzle sheet position, the discharge pressure discharged from the nozzle hole 62a of the nozzle 62 may be excessive. Is prevented.

さらに、本実施形態では、ノズル６２がノズルシート位置に保持されることから、ノズルシート位置からのノズル制御が可能となるため、ノズル孔６２ａから吐出される吐出圧の制御の幅を拡大（吐出圧の制御領域を増大）させて制御安定性を向上させることができる。 Further, in the present embodiment, since the nozzle 62 is held at the nozzle sheet position, the nozzle control from the nozzle sheet position becomes possible, so the control range of the discharge pressure discharged from the nozzle hole 62a is expanded (discharge). The control stability can be improved by increasing the pressure control region.

なお、本実施形態では、ノズル６２における所定位置の一例をノズルシート位置として説明しているが、これに限定されるものではなく、ノズル移動可能範囲において、シート位置の近傍位置、低開度位置、又は中間開度位置等の任意の位置としてもよい。この場合、任意の位置は、第３室７０ｃ内に供給されるエア信号圧よりも第２室７０ｂ内に導入される水素オフガスの圧力が高いときに、エア信号圧を低下方向に変化させる（エア減圧制御）ことで行われる。また、本実施形態では、本発明を、ノズル６２がシート部１０６を備えるエゼクタ２２に適用しているが、ノズルがシート部を備えていないエゼクタ（シート部が設けられていないノズルを有するエゼクタ）に適用するようにしてもよい。 In the present embodiment, an example of the predetermined position in the nozzle 62 is described as the nozzle sheet position. However, the present invention is not limited to this, and in the nozzle movable range, a position near the sheet position, a low opening position. Or any position such as an intermediate opening position. In this case, the arbitrary position changes the air signal pressure in the decreasing direction when the pressure of the hydrogen off-gas introduced into the second chamber 70b is higher than the air signal pressure supplied into the third chamber 70c ( Air pressure reduction control). In the present embodiment, the present invention is applied to the ejector 22 in which the nozzle 62 includes the sheet portion 106, but the ejector in which the nozzle does not include the sheet portion (an ejector having a nozzle in which no sheet portion is provided). You may make it apply to.

さらにまた、本実施形態では、第３ダイヤフラム４４の受圧面積Ｓ３が、他の第１ダイヤフラム４０の受圧面積Ｓ１及び第２ダイヤフラム４２の受圧面積Ｓ２よりも大きく設定されている（Ｓ３＞Ｓ１＞Ｓ２）。従って、第３室７０ｃに供給されるエア信号圧を増大させて第３ダイヤフラム４４を撓曲させ、この第３ダイヤフラム４４の撓曲動作を第１ダイヤフラム４０及び第２ダイヤフラム４２に作用させることにより、ノズル６２を閉じ側の位置から開き側に向かって変位させ、水素が吐出されるノズル孔６２ａの開口面積（間隙６８）を増大させることができる。 Furthermore, in this embodiment, the pressure receiving area S3 of the third diaphragm 44 is set larger than the pressure receiving area S1 of the other first diaphragm 40 and the pressure receiving area S2 of the second diaphragm 42 (S3> S1> S2). ). Therefore, the air signal pressure supplied to the third chamber 70c is increased to bend the third diaphragm 44, and the bending operation of the third diaphragm 44 is applied to the first diaphragm 40 and the second diaphragm 42. The nozzle 62 can be displaced from the closed side position toward the open side, and the opening area (gap 68) of the nozzle hole 62a through which hydrogen is discharged can be increased.

２２エゼクタ（燃料電池用エゼクタ装置）２２ａエゼクタ本体
２４循環通路３２ａインレットポート
３２ｂアウトレットポート３２ｃ吸引ポート
３２ｄエア供給ポート（酸化剤ガス供給ポート）５７背圧室
５８ニードル５８ｃ開口部
５９導入通路６２ノズル
６２ａノズル孔６２ｂテーパ部
６３中空部６６軸受部材
７８ディフューザ１０６シート部
１１２環状突起部（弁座） 22 Ejector (Ejector Device for Fuel Cell) 22a Ejector Main Body 24 Circulation Passage 32a Inlet Port 32b Outlet Port 32c Suction Port 32d Air Supply Port (Oxidant Gas Supply Port) 57 Back Pressure Chamber 58 Needle 58c Opening 59 Inlet Passage 62 Nozzle 62a Nozzle hole 62b Tapered portion 63 Hollow portion 66 Bearing member 78 Diffuser 106 Seat portion 112 Annular protrusion (valve seat)

Claims

An inlet port to which fuel gas is supplied, an outlet port that communicates with the fuel cell, a suction port that is connected to the circulation passage and sucks back the fuel off-gas discharged from the fuel cell, and oxidant gas is supplied An ejector body provided with an oxidant gas supply port;
A nozzle having a nozzle hole for discharging the fuel gas supplied through the inlet port;
A diffuser that mixes the fuel gas discharged from the nozzle hole and the fuel off-gas discharged and returned from the fuel cell through the circulation passage;
A needle fixed to the ejector body side and extending along an axial direction in the hollow portion of the nozzle;
With
An introduction passage for introducing fuel gas in the hollow portion of the nozzle is formed inside the needle,
One end of the introduction passage communicates with a back pressure chamber,
An ejector device for a fuel cell, characterized in that an opening portion is provided at the other end portion of the introduction passage so as to face a taper portion whose inner diameter gradually decreases toward the nozzle hole.

The ejector device for a fuel cell according to claim 1,
A bearing member that pivotally supports the needle along the axial direction and is displaced together with the nozzle is provided in the nozzle, and the bearing member is seated on a valve seat provided in the ejector body. A fuel cell ejector device comprising a seat portion.