特許 6792293 可変流量燃料排出のための装置、システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6792293

(24)【登録日】2020年11月10日

(45)【発行日】2020年11月25日

(54)【発明の名称】可変流量燃料排出のための装置、システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   G05D 7/06 20060101AFI20201116BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20201116BHJP

【ＦＩ】

   G05D7/06 Z

   H01M8/04 N

   H01M8/04 J

【請求項の数】19

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-554331(P2017-554331)

(86)(22)【出願日】2016年4月15日

(65)【公表番号】特表2018-512685(P2018-512685A)

(43)【公表日】2018年5月17日

(86)【国際出願番号】US2016027679

(87)【国際公開番号】WO2016168545

(87)【国際公開日】20161020

【審査請求日】2019年4月12日

(31)【優先権主張番号】62/147,863

(32)【優先日】2015年4月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】512226882

【氏名又は名称】ユニバーシティー オブ デラウェア

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100153084

【弁理士】

【氏名又は名称】大橋 康史

(74)【代理人】

【識別番号】100160705

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】ダグラス エー．ブランナー

(72)【発明者】

【氏名】マニッシュ バジパイ

(72)【発明者】

【氏名】ジョン アダム シー．キンゼイ

(72)【発明者】

【氏名】シェーン マルクス

(72)【発明者】

【氏名】アジャイ プラサド

(72)【発明者】

【氏名】スーレシュ アドバニ

【審査官】 中田 善邦

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００８００１６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−３０１９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１６４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２８３９８４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５３３１９９５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１２９３７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｄ７／００−７／０６，

Ｆ０４Ｆ１／００−９９／００，

Ｈ０１Ｍ８／０４−８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

開口部を規定する主ノズルであって、第１入口室に接続されて、第１流体を受け、前記主ノズルの前記開口部を通して前記第１流体の流れを送る前記主ノズルと、
前記主ノズルの前記開口部の中に設けられ、テーパ部を有する針であって、前記針の前記テーパ部と前記主ノズルの前記開口部の間に間隙を生じさせるように寸法決めされた前記針と、
前記針の前記テーパ部と前記主ノズルの前記開口部の間の前記間隙の大きさを変化させるために前記針を軸線方向に移動させるように結合されたモータと、
前記主ノズルの前記開口部からの前記針の後退方向における前記モータによる前記針の前記軸線方向の移動の範囲を定める第１ストッパ部と、
前記針又は前記第１ストッパ部に結合された第１衝撃吸収要素であって、前記針が前記モータによって前記主ノズルの前記開口部から完全に後退させられる場合に前記第１ストッパ部又は前記針にそれぞれ接触するように位置付けられた前記第１衝撃吸収要素と、
前記針を前記モータに物理的に付着させる磁気結合構造とを備える可変流量エゼクタ。

【請求項2】

前記モータが、電気ステッピングモータを備える、請求項１に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項3】

前記第１衝撃吸収要素が、ゴムバンパを備える、請求項１に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項4】

前記第１衝撃吸収要素が、ばねを備える、請求項１に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項5】

前記主ノズルの前記開口部内への前記針の挿入方向における前記モータによる前記針の前記軸線方向の移動の範囲を定める第２ストッパ部と、
前記針又は前記第２ストッパ部に結合された第２衝撃吸収要素であって、前記針が前記モータによって前記主ノズルの前記開口部内に完全に挿入される場合に前記第２ストッパ部又は前記針にそれぞれ接触するように位置付けられた第２衝撃吸収要素とを更に備える、請求項１に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項6】

前記磁気結合構造が、前記針及び前記モータの一方に結合された鉄構造と、前記針及び前記モータの他方に結合された永久磁石とを備える、請求項１に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項7】

前記鉄構造の軸線方向面が、前記永久磁石の軸線方向面に接触する、請求項６に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項8】

前記磁気結合構造の嵌め合い部品が、円又は環形状を有する、請求項１に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項9】

前記磁気結合構造が、前記針の半径方向の移動を阻むいかなる構造も有さない、請求項１に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項10】

前記主ノズルの前記開口部の下流の他の開口部を規定する副ノズルであって、第２入口室に接続されて、第２流体を受け、前記副ノズルの前記開口部を通して前記第２流体の流れと前記第１流体の前記流れとを送る前記副ノズルを更に備える、請求項１に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項11】

前記可変流量エゼクタは、
第１入口室内へ通じている主入口であって、第１の圧力で第１流体源に接続されるように構成された主入口と、
第２入口室内へ通じている副入口であって、第１の圧力よりも低い第２の圧力で第２流体源に接続されるように構成された副入口とを更に備え、
前記第２流体源が前記第２の圧力で前記副入口に接続される場合、前記第２流体の少なくとも一部が、前記主ノズルを通って前記第１流体の前記流れの中で一緒に運ばれることによって、前記第１流体及び前記第２流体の前記流れを生じさせるように前記第２入口室が設けられる、請求項１０に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項12】

前記主ノズルの前記開口部の最外端部から前記副ノズルの前記開口部の最内端部までの距離が、前記副ノズルの前記開口部の直径未満である、請求項１０に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項13】

前記副ノズルの前記開口部が、前記主ノズルの前記開口部の直径の１〜５倍の直径を有する、請求項１０に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項14】

前記可変流量エゼクタは、前記副ノズルの前記開口部の下流に位置付けられるテーパ部であって、前記第１流体及び前記第２流体の前記流れの方向に広がる前記テーパ部を更に備える、請求項１０に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項15】

前記可変流量エゼクタは、前記副ノズルの前記開口部と前記テーパ部の間に延びる一定幅の喉部を更に備える、請求項１４に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項16】

前記喉部が、前記喉部の直径の少なくとも約６倍の長さを有する、請求項１５に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項17】

前記可変流量エゼクタは、
前記副ノズルの下流に設けられた圧力センサと、
前記圧力センサと前記モータとに通じるエゼクタ制御ユニットであって、前記圧力センサによって検出される圧力に基づいて、所定の圧力で前記可変流量エゼクタからの流体の流れを維持するように前記針を軸線方向に移動させるように前記モータを制御するように構成された前記エゼクタ制御ユニットとを更に備える、請求項１０に記載の可変流量エゼクタ。

【請求項18】

請求項１０に記載の可変流量エゼクタを備える燃料電池システムの内部で水素ガスを再循環させる方法であって、
第１の圧力で前記第１入口室に第１の量の水素ガスを供給するステップと、
前記第１の圧力より低い第２の圧力で前記第２入口室に第２の量の水素ガスを供給するステップと、
前記モータを用いて軸線方向に前記針を移動させることによって前記可変流量エゼクタからの前記水素ガスの前記流れを制御するステップとを含む方法。

【請求項19】

前記方法が、前記可変流量エゼクタからの前記水素ガスの前記流れの圧力を検出するステップを更に含み、
前記制御するステップが、検出された前記水素ガスの前記流れの前記圧力に基づいて、軸線方向に前記針を移動させることによって前記可変流量エゼクタからの前記水素ガスの前記流れを制御するステップを含む、請求項１８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年４月１５日に提出された米国仮出願第６２／１４７，８６３号の利益を主張するものであり、その内容の全体は、あらゆる目的のために本明細書に援用される。

【0002】

本発明は、概して燃料排出に関し、より詳細には、可変流量燃料排出のための装置、システム及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

水素燃料電池は、概して、水素燃料電池に供給される全ての水素や酸素を消費するわけではないが、その理由は、水素や酸素によって、液体の水及び不活性ガスがガス流路の端部に近接する電池領域内に蓄積し、結果として低反応物濃度によって性能が著しく失われることになるからである。代わりに、そのような燃料電池には、概して多少の余剰ガスが与えられる。小さいシステム又は研究用燃料電池において、余剰ガスは、単に簡略化の目的のために排気されてもよい。しかし、大きなシステム（例えば、車両に電力を供給するために用いられるもの等）において、燃料効率の要件によって、後の使用のために余剰水素ガスを再循環させることが必要となる。

【0004】

燃料電池システム内の水素を再循環させるために、概して、容積式機械式ポンプが用いられてきたが、その容積式機械式ポンプは、通常、羽根又はＲｏｏｔｓ（登録商標）ブロワ型である。その容積式機械式ポンプの機械的詳細がいかなるものであっても、その容積式機械式ポンプは、全て、なんらかの固体可動部分を用いて、システムを通して水素を押す。しかし、そのような機械式ポンプ又はブロワの設計及び動作は、重大な工学的挑戦であるが、その理由は、燃料電池システム内の湿った水素が多くの一般材料を腐食し（不浸透性材料は、概して、限定され、及び／又は高コストである）、燃料電池スタックを汚染する可能性がある任意の油又はグリースで可動部分を潤滑させることができないからである。更に、そのような装置は、動作のために相当なエネルギーを必要とし、したがって、燃料電池システムの総合効率を低下させるバランスオブプラント負荷の増加を生じさせる。

【0005】

上記の設計に代わる１つのものは、機械式ダイヤフラムの使用を含む。燃料電池の入口から出口までの圧力差がより小さく、その結果として水素供給圧力がより低いことが必要なシステムは、デュアル機械式ダイヤフラムを使用してもよい。そのようなシステムは、ある特許文献に開示されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、上記参照された特許に記載されている仕組みにおける水素と空気の間の圧力差は、概して、水素供給圧力によって決まり、絶対気圧が増加するにつれて減少する。

【0006】

別の代わりのものは、固定形状エゼクタの使用を含む。別の特許文献は、少なくとも２０世紀前半から工学的手法においてよく知られている手動調節可能な蒸気エゼクタに多くの類似点があるエゼクタを参照している（例えば、特許文献２参照。）。しかし、上記出願に記載されているエゼクタは、特定のガス流量で又は比較的小さい範囲内の流量で、適切に又は最適に作動することだけが可能である。したがって、燃料電池内で水素を再循環させるためのシステム及び装置の向上が求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許第６，８５８，３４０号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２００８／０１１８３７１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、可変流量燃料エゼクタ及びその（ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ）使用方法を対象とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様によれば、可変流量エゼクタは、主ノズルと、針と、モータと、第１ストッパ部と、第１衝撃吸収部とを備える。主ノズルは、開口部を規定する。主ノズルは、第１入口室に接続されて、第１流体を受け、主ノズル開口部を通して第１流体の流れを送る。針は、主ノズル開口部の中に設けられ、テーパ部を有する。針は、針のテーパ部と主ノズル開口部の間に間隙を生じさせるように寸法決めされる。モータは、針のテーパ部と主ノズル開口部の間の間隙の大きさを変化させるために針を軸線方向に移動させるように結合される。第１ストッパ部は、主ノズル開口部からの針の後退方向におけるモータによる針の軸線方向の移動の範囲を定める。第１衝撃吸収要素は、針又はストッパ部に結合される。第１衝撃吸収要素は、針がモータによって主ノズル開口部から完全に後退させられる場合に第１ストッパ部又は針にそれぞれ接触するように位置付けられる。

【0010】

本発明の別の一態様によれば、上記の可変流量エゼクタを備える燃料電池システムの内部で水素ガスを再循環させる方法が開示される。前記方法は、第１の圧力で第１入口室に第１の量の水素ガスを供給することと、第１の圧力より低い第２圧力で第２入口室に第２の量の水素ガスを供給することと、モータを用いて軸線方向に針を移動させることによってエゼクタからの水素ガスの流れを制御することとを含む。

【0011】

本発明の更に別の一態様によれば、可変流量エゼクタを動作させる方法が開示される。エゼクタは、開口部を規定する主ノズルと、主ノズル開口部の中に設けられる針と、軸線方向に針を移動させるように結合されたステッピングモータとを備える。前記方法は、エゼクタ制御ユニットによって針の第１の位置を針の原点位置に割り当てることと、エゼクタの出力圧力であって、主ノズル開口部を通って針を越えて流れる流体の圧力を含む出力圧力を測定することと、出力圧力を所定の圧力と比較することと、出力圧力が所定の圧力を上回る場合、針が完全挿入位置に達するまで、主ノズル開口部に対して針の挿入方向に１つ以上のステップだけ軸線方向に針を移動させるように、エゼクタ制御ユニットによってモータを制御することと、エゼクタ制御ユニットによって針の完全挿入位置を針の原点位置に割り当てることと、原点位置に対してステップの数だけ軸線方向に針を移動させるように、エゼクタ制御ユニットによってモータを制御することとを含む。

【0012】

本発明は、類似の要素が同一の参照符号を有する添付図面と共に読まれる場合、以下の詳細な説明から最も良く理解される。同様の要素が複数存在する場合、特定の要素を参照する小文字の記号を有する複数の同様の要素に単一の参照符号を割り当てる場合がある。要素を一括して参照する場合、又は要素の内の１つ以上を個別のものとしてではなく参照する場合、小文字の記号を省略する場合がある。これは、通常の方法によれば、特に明記しない限り、図面の各種特性が一定の縮尺で描かれないことを強調するものである。それとは反対に、各種特性の寸法は、明確にするために拡大又は縮小される場合がある。以下の図が図面に含まれる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1A】本発明の態様にかかる例示的な可変流量エゼクタの上面図を示す。

【図1B】図１Ａの可変流量エゼクタの断面図を示す図である。

【図1C】図１Ａの可変流量エゼクタの断面図を示す図である。

【図2】本発明の態様にかかる例示的な閉ループ燃料電池システムを示すブロック図である。

【図3】本発明の態様にかかる燃料システムの内部で水素を再循環させる例示的な方法を示すフローチャートである。

【図4】リニアアクチュエータ及び針に対する弾性要素（ゴムバンパ）、磁石及びアンビルの配置を示すエゼクタ組立品を示す図である。

【図5】滑りゼロアルゴリズムについての概略を示す図である。この図において、移動の物理的範囲（実線）及び論理的範囲（破線）のアライメントが示される。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の各種態様は、概して、各種流量エゼクタのための装置、システム及び方法に関する。本発明の実施形態は、流体循環システム内に挿入されるように、且つ循環システム内の流体の流量を制御するように構成された装置を含む。

【0015】

本明細書に記載されている装置、システム及び方法は、水素燃料電池内の水素ガスの再循環における使用に特に適切である。開示されるシステムは、燃料電池のガス出口とガス入口の間の最適な流量及び圧力を維持することに特に適切であることができる。流量の制御に関する更なる詳細は、本明細書において、より詳細に記載される。

【0016】

本発明は、主に水素ガスの再循環に関して本明細書に記載されるが、本発明はそのように限定されないことが理解されるであろう。開示される実施形態は、任意の適切なシステム内における流体の可変流量制御のために使用可能であってもよい。

【0017】

上述したように、本発明の態様は、概して、新規な可変流量エゼクタに関する。エゼクタは、第１送り装置からの高圧流体を受けるように、且つ第２送り装置からの別々の低圧流体を一緒に運んで、加速させる高圧流体の超音速噴流を生じさせるように構成される。次いで、エゼクタは、ディフューザ内で混合流体を減速させ、低圧流体より高い圧力で混合流体を放出することができる。エゼクタは、燃料電池スタックから戻る低圧水素を一緒に運び、再循環させるために、燃料電池システムを供給する貯蔵タンクから高圧水素を送るために特によく適してもよい。エゼクタは、エゼクタ内の可動針を用いてシステム内の所望の圧力を維持するように制御される。

【0018】

次に図面を参照して、図１Ａ〜１Ｃは、本発明の態様にかかる例示的な可変流量エゼクタ１００を示す。エゼクタ１００は、水素燃料電池内の水素ガスの再循環における使用に特に適切であってもよい。概要として、エゼクタ１００は、主入口１１０と、主ノズル１２０と、針１４０と、副入口１５０と、副ノズル１６０とを備える。エゼクタ１００の更なる詳細は、本明細書に記載される。

【0019】

主入口１１０は、第１の圧力で第１流体源に接続されるように構成される。主入口１１０は、エゼクタ１００内に形成される第１入口室１１２に開口する。好ましい一実施形態において、エゼクタ１００は、図１Ａ及び１Ｂに示されるように、円筒形のエゼクタ本体１１４を有する。エゼクタ本体１１４は、１つ以上の別個の部分を備えることができる。主入口１１０は、エゼクタ本体１１４の側壁内に規定され、第１入口室１１２は、エゼクタ本体１１４の中に形成される。第１流体源は、高圧に維持されてもよく、その結果、第１流体が主入口１１０を通って、第１入口室１１２内に押し込められる。エゼクタ本体１１４を形成するための例示的な材料としては、陽極処理アルミニウム、アセタール、ニッケルが挙げられるが、これらに限定されるものではない。他の適切な材料は、本明細書における記載から当業者によって理解されるであろう。

【0020】

主ノズル１２０は、第１入口室１１２に接続される。主ノズル１２０は、主ノズル１２０を通る第１流体の流れを制限するための主ノズル開口部１２２を規定する。好ましい一実施形態において、主ノズル１２０は、図１Ｂ及び１Ｃに示されるように、エゼクタ本体１１４の中に位置付けられる。主ノズル１２０は、図１Ｂに示されるようにエゼクタ本体１１４から別々に形成された構成要素であってもよく、エゼクタ本体１１４を有する単一の部分内に一体的に形成されてもよい。主ノズル１２０は、第１入口室１１２から第１流体を受けるように、且つ主ノズル開口部１２２を通して第１流体の流れを送るように接続される。主ノズル１２２は、エゼクタ本体１１４に関して上記記載された材料の内のいずれかから形成されてよい。

【0021】

針１４０は、主ノズル開口部１２２の中に設けられる。針１４０は、主ノズル開口部１２２の面積を変化させるために、主ノズル開口部１２２の中で軸線方向に移動可能である。好ましい一実施形態において、針１４０は、図１Ｂ及び１Ｃに示されるように円錐形状を有する。円錐部分は、円錐部分の軸線方向の長さに沿って断面積が変化する。したがって、針１４０の軸線方向の移動によって、どの時点においても主ノズル開口部１２２内に位置付けられる針１４０の断面積が変化する。第１流体が主ノズル開口部１２２内において流れることができる面積は、主ノズル開口部１２２の内壁と針１４０の面の間の空間に依存する。上記概説したように、針１４０の位置を変えることによって、この面積を調整してもよい。したがって、主ノズル開口部１２２を通る第１流体の流量を変化させるように針１４０の移動を制御してもよい。

【0022】

針１４０の形状は、第１流体の流れの滑らかさを向上させるようにも選択される。主ノズル開口部１２２の面積にかかわらず、第１流体の超音速流は、針１４０に付着したままとなり、次いで、最小限の乱流を伴ってきれいに山形端部から剥離する。第１流体の滑らかな流れを更に促進するために、図１Ｃに示されるように、針１４０が完全に延びる場合、針１４０が副ノズル１６０の開口部内に完全に延びることは望ましい可能性がある。

【0023】

主ノズル開口部１２２及び針１４０は、第１流体源が第１の圧力で主入口１１０に接続される場合に主ノズル開口部１２２を通る第１流体の流れが超音速となるように寸法決めされる。すなわち、上記したように、主入口１１０は、所定の第１の圧力（又は圧力範囲）で第１流体源に接続されるように構成される。第１流体に対する圧力によって、第１流体が主ノズル開口部１２２を通って流れる速度が制御される。したがって、本発明の態様によれば、主ノズル開口部１２２及び針１４０の大きさは、第１流体が主ノズル開口部１２２を通って超音速で移動するようにするために、第１の圧力に基づいて選択されてもよい。超音速は、マッハ２に達してよく、又は上回ってもよい。第１の圧力に基づいて主ノズル開口部１２２及び針１４０についての適切な大きさを決定するためのアルゴリズムは、本明細書における記載から当業者によって理解されるであろう。

【0024】

副入口１５０は、第２の圧力で第２流体源に接続されるように構成される。第２の圧力は第１の圧力よりも低い。副入口１５０は、エゼクタ１００内に形成される第２入口室１５２に開口する。第２入口室１５２は、主ノズル開口部１２２の外側（及び下流）に設けられる。好ましい一実施形態において、第２入口室１５２は、図１Ｂ及び１Ｃに示されるように、エゼクタ本体１１４の中に形成される。第２流体源は、第１流体源と比べて低い圧力に維持されてもよい。主ノズル開口部１２２を通る第１流体の流れは、副入口１５０を通る第２流体を引き寄せる。特に、第１流体の超音速流によって、針１４０で、第２のガス圧力よりも低い静圧が生じる。したがって、第２流体源が第２圧力で副入口１５０に接続される場合、第２流体の少なくとも一部が主ノズル１２０から第１流体の流れの中で一緒に運ばれることによって、第１及び第２流体の両方を含む流れが生じる。

【0025】

副ノズル１６０は、第２入口室１５２に接続される。主ノズル１２０は、主ノズル開口部１２２の下流の副ノズル開口部１６２を規定する。好ましい一実施形態において、副ノズル１６０は、図１Ｂ及び１Ｃに示されるように、エゼクタ本体１１４の中に位置付けられる。副ノズル１６０は、図１Ｃに示されるように、エゼクタ本体１１４から別々に形成された構成要素であってもよく、エゼクタ本体１１４を有する単一の部分内に一体的に形成されてもよい。副ノズル１６０は、第２入口室１５２から第１及び第２流体の流れを受けるように、且つ副ノズル開口部１６２を通して第１及び第２流体の流れを送るように接続される。図１Ｃに示されるように、副ノズル１６０は、主ノズル開口部１２２の出口から副ノズル開口部１６２に延びる収束部１６４を有する。好ましい一実施形態において、収束部１６４は、円錐の側面と中心線の間の角度が約３０度である円錐形状を有する。

【0026】

副ノズル開口部１６２は、副ノズル開口部１６２を通る第１及び第２流体の流れが亜音速を有するように寸法決めされる。すなわち、上記したように、主ノズル開口部１２２を通る第１流体の流れは、主ノズル１２２及び針１４０の寸法に基づいて決定される超音速を有する。第２入口室１５２内の第２流体は、この流れの中で一緒に運ばれて、第１及び第２流体の流れを生じさせる。したがって、副ノズル開口部１６２の大きさは、第１及び第２流体が副ノズル開口部１６２を通って亜音速で移動するようにするために、主ノズル１２２及び針１４０の大きさと第２の圧力とに基づいて選択されてもよい。

【0027】

主ノズル開口部１２２と副ノズル開口部１６２の間の第１流体の流れの中で渦又は乱流が生じることを限定するために、副ノズル開口部１６２と主ノズル開口部１２２の間の距離を小さく保ってもよい。好ましい一実施形態において、主ノズル開口部１２２の最外（すなわち下流）端部から副ノズル開口部１６２の最内（すなわち上流）端部までの距離は、副ノズル開口部１６２の直径未満である。

【0028】

上述したように、主ノズル開口部１２２と比較した副ノズル開口部１６２の大きさに基づいて、第１及び第２流体の流れの亜音速を制御してもよい。好ましい一実施形態において、副ノズル開口部は、亜音速の第１及び第２流体の流れを実現するために、主ノズル開口部の直径の１〜５倍の直径を有する。

【0029】

亜音速は、エゼクタ１００の最も高い設計流量で音速（マッハ１）に非常に近くなるように選択されてもよい。このことは、副ノズル開口部１６２を通る第１及び第２流体の流れの中で渦又は乱流が生じることを限定するために望ましい可能性がある。好ましい一実施形態において、第１及び第２流体の流れの亜音速は、最大流量で動作する場合、マッハ１の約９０％である。

【0030】

当業者によって理解されるように、エゼクタ１００は、上記の構成要素に限定されるものではなく、代替の又は更なる構成要素を備えてもよい。

【0031】

エゼクタ１００は、副ノズル開口部１６２の下流に位置付けられるディフューザ１８０を備えてもよい。ディフューザ１８０は、エゼクタ１００から第１及び第２流体の流れを放出するように構成される。ディフューザ１８０は、第２の圧力（すなわち、低圧流体の圧力）よりも大きい圧力でこの流れを放出するように構成される。好ましい一実施形態において、ディフューザ１８０は、図１Ｂに示されるように、テーパ外壁１８２を備える。テーパ外壁１８２は、第１及び第２流体の流れの方向に広がる。したがって、壁１８２は、流れの速度を減速させ、第１及び第２流体の圧力を低下させる。

【0032】

エゼクタ１００がディフューザ１８０を備える場合、エゼクタ１００は、副ノズル開口部１６２とディフューザ１８０の間に延びる喉部１８４を更に備えてもよい。喉部１８４は、副ノズル開口部１６２とディフューザ１８０の間の全距離に沿って一定幅を有する。好ましい一実施形態において、喉部１８４は、図１Ｂ及び１Ｃに示されるように、副ノズル１６０の延長部分を備える。

【0033】

喉部１８４は、実質的に、第２ノズル開口部１６２と同じ直径を有する。
更に、図１Ｂに示されるように、喉部１８４は、喉部１８４の直径よりも非常に大きい長さを有する。このことは、第１及び第２流体の流れの速度を維持するために、且つ流れの剥離又は逆流を限定するために好ましい可能性がある。好ましい一実施形態において、喉部１８４は、喉部１８４の直径の少なくとも６倍の長さを有する。

【0034】

エゼクタ１００は、更に、軸線方向に針１４０を移動させるための手段を備えてもよい。好ましい一実施形態において、前記手段は、図１Ａ及び１Ｂに示されるように、電気ステッピングモータ１９０を備える。ステッピングモータ１９０は、主ノズル開口部１２２の中で軸線方向に針１４０を移動させるためのアンビル１９２に接続される。前述したように、針１４０が主ノズル開口部１２２を部分的にふさぐので、ステッピングモータ１９０によって針１４０を前後に移動させることによって、第１流体の流量を制御するための任意の所望の開口ノズル面積が生じる可能性がある。

【0035】

エゼクタ１００の構成要素についての例示的な測定値は、以下で説明される。測定値が、単にエゼクタ１００の一実施形態を示す目的のために説明されるものであって、限定することを意図するものではないことは、当業者によって理解されるであろう。本実施形態は、最高約０．１７１モル／秒の速度で主入口１１０を通して水素ガスを受けるように、且つ約１５〜１８ｐｓｉｇの間の圧力で水素ガスを放出するように設計されたエゼクタに関する。主ノズル開口部１２２は、０．０６２５”の直径を有し、針１４０は、円錐の半頂角が５度である。組み立ての際、主ノズル１２０の外側と副ノズル１６０の収束部１６４の間の間隙は、０．０２７４”である。エゼクタ１００の喉部１８４は、０．１２５”の直径を有し、０．９３７５”の長さを有する。ディフューザ１８０は、円錐の半頂角が７．５度であり、出口直径が０．５６２５”である。

【0036】

図２は、本発明の態様にかかる例示的な閉ループ燃料電池システム２００を示す。概要として、システム２００は、燃料電池２１０とエゼクタ２５０とを備える。システム２００の更なる詳細は、本明細書に記載される。

【0037】

燃料電池２１０は、水素ガスの消費によってエネルギーを生成する。燃料電池２１０は、燃料電池２１０による消費のための水素ガスを生成するための陽極回路を備える。当業者によって理解されるように、陽極回路は、従来の電気分解プロセスによって水素ガスを生成することができる。燃料電池２１０としての使用に適切な燃料電池は、本明細書における記載から当業者によって理解されるであろう。

【0038】

燃料電池２１０は、図２に示されるように、更に、ガス入口２１２とガス出口２１４とを備える。上述したように、燃料電池２１０が適切に動作することを確実なものとし、燃料電池２１０の燃料効率を向上させるために、陽極回路によって生成された余剰水素ガスを再循環させることは望ましい可能性がある。したがって、ガス入口２１２及びガス出口２１４は、システム２００内における水素ガス再循環ループの一部を形成する。以下で説明されるように、エゼクタ２５０は、水素ガス再循環ループの中で水素ガスを循環させるために用いられる。

【0039】

エゼクタ２５０は、燃料電池２１０に接続される。好ましい一実施形態において、エゼクタ２５０は、エゼクタ１００に関して実質的に上述した通りの可変流量エゼクタである。本実施形態において、エゼクタ１００の入口及び出口は、後述するようにシステム２００の構成要素に接続されてもよい。

【0040】

エゼクタ１００の主入口１１０は、水素貯蔵システム２２０に接続されている。水素貯蔵システム２２０は、上記の第１流体源に相当する。水素貯蔵システム２２０は、燃料電池２１０による消費のための水素ガスを貯蔵する。水素貯蔵システム２２０は、エゼクタ１００の主入口１１０を通して高圧水素ガス２２０を提供するように構成される。

【0041】

エゼクタ１００の副入口１５０は、燃料電池２１０のガス出口２１４に接続される。燃料電池２１０内において余剰水素ガスが生成される場合、余剰ガスは、低圧力でガス出口２１４を通って陽極回路から流出することができる。したがって、燃料電池２１０は、上記の第２流体源に相当する。低圧水素ガスは、副入口１５０を通ってエゼクタ１００内に流れるが、一方で低圧水素ガスは、主ノズル１２０から水素ガスの超音速流の中で一緒に運ばれる。次いで、貯蔵システム２２０からの水素ガス（すなわち第１流体）及び燃料電池２１０からの水素ガス（すなわち第２流体）は、副ノズル１６０を通って流れ、エゼクタ１００から放出される。

【0042】

エゼクタ１００の副ノズル１６０は、燃料電池２１０のガス入口２１２に混合水素ガスの流れを放出するように接続される。エゼクタ１００がディフューザ１８０を備える場合、混合水素ガスの流れは、ディフューザ１８０から燃料電池２１０のガス入口２１２に放出される。次いで、燃料電池２１０は、エゼクタ１００から水素ガスのこの流れを消費してエネルギーを生成してもよい。

【0043】

当業者によって理解されるように、システム２００は、上記の構成要素に限定されるものではなく、代替の又は更なる構成要素を備えてもよい。

【0044】

システム２００は、図２に示されるように、エゼクタ２５０と燃料電池２１０のガス入口２１２の間に設けられる圧力センサ２３０を備えてもよい。圧力センサ２３０は、エゼクタ２５０からガス入口２１２への水素ガスの流れの圧力を検出するように動作可能である。燃料電池２１０が水素を消費する速度（すなわち、燃料電池２１０の反応速度）に合うようにエゼクタ２５０からの流量を変化させるために、この検出された圧力を用いることができる。圧力センサ２３０としての使用に適切な圧力センサとしては、例えば、バージニア州ハンプトンのメジャメントスペシャリティーズ（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ）によって提供されるＵＳ３３１−０００００５−０３０ＰＧ圧力センサが挙げられる。

【0045】

図２に示されるように、システム２００は、更に、圧力センサ２３０とエゼクタ２５０とに通じるエゼクタ制御ユニット２４０を備えてもよい。エゼクタ制御ユニット２４０は、エゼクタ２５０からの流量を変化させるためにエゼクタ針を軸線方向に移動させるように構成される。好ましい一実施形態において、エゼクタ制御ユニット２４０は、エゼクタ針を移動させるためにエゼクタ２５０の中のモータを制御するようにプログラムされる。エゼクタ制御ユニット２４０は、エゼクタ２５０からガス入口２１２への水素ガスの流れを所定の圧力に維持するような方法でモータを動作させる。所定の圧力は、燃料電池２１０の要件に基づいて選択され得る。エゼクタ制御ユニット２４０としての使用に適切な処理装置は、アリゾナ州チャンドラーのマイクロチップ・テクノロジー・インコーポレーテッド（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．）によって提供されるＰＩＣ１８Ｆ１２２０マイクロコントローラである。他の適切な処理装置は、本明細書における記載から当業者によって理解されるであろう。

【0046】

システム２００は、更に、セパレータ２６０と、パージバルブ２７０と、チェックバルブ２８０とを備えてもよい。セパレータ２６０は、図２に示されるように、燃料電池２１０のガス出口２１４とエゼクタ２５０の間に設けられる。セパレータ２６０は、燃料電池２１０から流出する低圧水素ガスから水を分離するように構成される。パージバルブ２７０は、図２に示されるように、セパレータ２６０に接続される。パージバルブ２７０は、分離された水をシステム２００から除去するように、すなわち、水素ガス再循環ループから前記水を除去するように構成される。次いで、前記水は、排出されてもよいか、又は燃料電池２１０の陽極回路内で再利用されてもよい。チェックバルブ２８０は、セパレータ２６０の下流で接続され、エゼクタ２５０から燃料電池２１０の方への水素ガスのいかなる逆流をも防ぐように動作可能である。セパレータ２６０、パージバルブ２７０及びチェックバルブ２８０としての使用に適切な構成要素は、本明細書における記載から当業者によって理解されるであろう。

【0047】

図３は、本発明の態様にかかる燃料電池システムの内部で水素ガスを再循環させる例示的な方法３００を示すフローチャートである。概要として、方法３００は、燃料電池を動作させることと、余剰水素ガスを生成することと、余剰水素ガスを放出することと、エゼクタに高圧水素ガスを供給することと、エゼクタに余剰水素ガスを供給することと、エゼクタからの水素ガスの流れを制御することとを含む。方法３００の更なる詳細は、可変流量エゼクタ１００及び閉ループ燃料電池システム２００の構成要素に関して本明細書に記載される。

【0048】

例示的な燃料電池システム２００等の燃料電池の動作（ステップ３１０）の間、燃料電池２１０の陽極回路は、燃料電池による消費のための水素ガスを生成する。燃料電池２１０は、水素ガスを消費してエネルギーを生成する。燃料電池２１０の動作は、本明細書における記載から当業者によって理解されるであろう。概して、本明細書において考察される好ましい実施形態において、陽極回路は、ステップ３２０に示されるように、燃料電池２１０の反応速度によって要求されるものよりも多量の水素ガスを生成する。この記載の目的のために、燃料電池２１０の所定の反応速度によって消費されない水素ガスは、「余剰水素ガス」と称される。

【0049】

ステップ３３０において、燃料電池を動作させることによって生成される余剰水素ガスを燃料電池のガス出口から放出する。好ましい一実施形態において、余剰水素ガスを燃料電池２１０のガス出口２１４から放出する。余剰水素ガスは、低圧でガス出口２１４を通って外側へ流れる。

【0050】

ステップ３４０において、高圧水素ガスをエゼクタに提供する。好ましい一実施形態において、水素貯蔵システム２２０は、水素ガスの源を高圧に維持する。本実施形態において、エゼクタ２５０は、エゼクタ１００に関して実質的に上述した通りのエゼクタを備える。水素貯蔵システム２２０は、エゼクタ１００の主入口１１０に高圧水素ガスを供給する。次いで、水素ガスは、エゼクタ１００に関して上述したように、超音速でエゼクタ１００の主ノズル１２０を通って流れる。

【0051】

ステップ３５０において、余剰量の水素ガスをエゼクタに提供する。好ましい一実施形態において、ガス出口２１４からの余剰水素ガスを、エゼクタ１００の副入口１５０に低圧で供給する。次いで、低圧水素ガスを高圧水素ガスの超音速流の中で一緒に運び、水素ガスの混合流を形成する。次いで、水素ガスの流れは、エゼクタ１００の副ノズル１６０を通過する。

【0052】

ステップ３６０において、エゼクタからの水素ガスの流れを制御する。好ましい一実施形態において、エゼクタ１００からの水素ガスの流れを針１４０の移動によって制御する。流れは、燃料電池２１０の反応速度に合うように制御される。

【0053】

上記のように、圧力センサ２３０及びエゼクタ制御ユニット２４０の使用によってステップ３６０を行ってもよい。好ましい一実施形態において、圧力センサ２３０は、エゼクタ１００から燃料電池２１０のガス入口２１２への水素ガスの流れの圧力を検出する。エゼクタ制御ユニット２４０は、圧力センサ２３０からの検出圧力に基づいて、モータ１９０を動作させて軸線方向に針１４０を移動させることによって、エゼクタ１００からの水素ガスの流れを制御する。特に、エゼクタ制御ユニット２４０は、燃料電池２１０の反応速度に合うように水素ガスの流れを制御してもよい。

【0054】

閉ループ燃料電池システム２００が周囲の外気と比較して正圧の水素ガス圧力を有することは望ましい場合がある。このことによって、空気がシステム内に漏れるのではなく、水素ガスがシステムから外へ漏れることになる。燃料電池システム２００は、（周期的に動作するパージバルブによる以外に）水素がシステム２００を出る唯一の方法が、燃料電池２１０内において水素が反応することであるように構築される。したがって、主ノズル開口部１２２は、エゼクタ１００からの水素ガスの流れが燃料電池２１０の反応速度に合うように、針１４０の移動によって最適に制御される。それ以外の場合、水素は、閉ループ内で増える場合があるか、又は閉ループから減る場合があり、それによって、燃料電池膜の破損を生じさせる可能性がある圧力差が生じる。

【0055】

したがって、エゼクタ制御ユニット２４０は、燃料電池２１０によって規定された所定の理想的圧力からの圧力の差に基づいて針１４０の位置を調整するようにプログラムされてもよい。エゼクタ制御ユニット２４０は、圧力指令又は反応速度の大きなステップ変化に続く圧力のオーバーシュートや圧力誤差の不感帯を減らして、電気的ノイズ及び圧力センサのヒステリシスによって引き起こされるハンチングを減らすために、更に、積分ワインドアップリミッタを有する制御アルゴリズムを含んでもよい。

【0056】

本明細書における記載から当業者によって理解されるように、方法３００は、上記のステップに限定されるものではなく、代替のステップ及び更なるステップを含んでもよい。

【0057】

一例として、上記のように、燃料電池システム２００は、セパレータ２６０とパージバルブ２７０とを備えてもよい。これらの構成要素は、ステップ３３０が、余剰水素ガス及び余剰水素ガスが混合された水の一部の両方を放出することを含む場合に特に重要である。本実施形態において、方法３００は、更に、セパレータ２６０によって余剰水素ガスから水を分離するステップと、分離された水をパージバルブ２７０によってシステム２００から除去するステップとを含んでもよい。

【0058】

上述したように、エゼクタ１００は、図１Ａ及び１Ｂに示されるように、針１４０を軸線方向に移動させるように構成された電気ステッピングモータ１９０を備えてもよい。モータ１９０の動作、及び針１４０とモータ１９０の間の境界面に関する更なる詳細は、図４及び５を参照して以下に記載される。

【0059】

動作において、モータ１９０は、エゼクタ制御ユニット２４０からの指令に応じて主ノズル開口部１２２の内外に針１４０を移動させる。一実施形態において、モータ１９０は、主ノズル開口部１２２に対する針１４０の正確な位置に関する位置フィードバックを提供するためにエンコーダと通じるサーボモータを備える。

【0060】

代替の（及び、よりコストが低い）実施形態において、モータ１９０は、ステッピングモータを備え、前記ステッピングモータは、ステッピングモータの回転子がモータ駆動によって生じる回転磁界と同じ速度で回転するという想定のもとに動作する。本実施形態において、ステッピングモータ１９０は、始動時にステッピングモータ１９０の軸線の絶対位置（及び、したがって、針１４０の位置）を決定することが可能でなくてもよく、むしろ、位置は、針の移動範囲内のどこかの認識された点で作動するスイッチ（リミットスイッチ）を用いるか、又は機械式ストッパとの制御衝突によるかのいずれかによって決定されてもよい。

【0061】

しかし、エゼクタ１００において、針１４０の浅いテーパ形は、（例えば、製作公差、又は動作中の摩耗により）主ノズル開口部１２２の直径の偏差が小さくても、主ノズル開口部１２２が完全に閉塞される針１４０の線形位置の偏差が大きくなる可能性があることを示す。したがって、リミットスイッチを備える実施形態において、エゼクタ１００の製造の全体にわたって極めて正確な公差を維持する必要がある場合があり、スイッチは、エゼクタの耐用期間中に構成要素に摩耗が生じるために定期的な再校正を必要とする場合がある。

【0062】

好ましい一実施形態において、エゼクタ１００は、針１４０と、主ノズル開口部１２２、又は主ノズル１２０に結合されたストッパ部（例えば、壁又は面）のいずれかとの間の制御衝突を用いて針１４０の絶対位置を決定し、その後、針の位置をゼロとするか、又は、すなわち、針が針の原点にあると推定する。この位置から、針の位置は、ゼロと、ゼロからの後退方向における固定ステップ数との間にあるように制限される。

【0063】

構成要素に破損を生じさせることなく衝突が起きるために、針は、かなりゆっくりと移動することが好ましい。一実施形態において、針１４０は、１秒につき約１．２５ｍｍで移動する。この速度で移動することによって、エンジンの始動が、歴史的に、点火においてキーを回して約２秒以内に生じる多くの用途、例えば乗用車において求められるものよりも、始動時間が長くなる（例えば、最高４秒）可能性がある。

【0064】

そのような衝突から生じる破損を回避し、針１４０及びモータ１９０のより速い動作を可能にするために、エゼクタ１００は、図４に示されるように、衝撃吸収要素によって構築されてもよい。衝撃吸収要素は、針１４０を主ノズル開口部１２２からできるだけ遠くに離れて移動させる場合に接触することになる針１４０又はモータ１９０のいずれかのストッパ部（又は面）に結合される弾性要素（例えば、ゴム片又は鋼ばね）であってもよい。衝撃吸収要素は、（例えば、主ノズル１２０に直接結合することによって）モータ１９０に直接又は間接的に結合されてもよい。この衝撃吸収要素は、適切に選択される場合、ステッピングモータが、たとえステッピングモータの最大速度で移動する場合であっても、このストッパに破損なく衝突するようにし、このことによって、多くのスキップされたステップが主ノズルの開口方向に累積する場合であっても、安全性が確保される。好ましい一実施形態において、衝撃吸収要素は、図４に示されるように、ゴムバンパを備える。衝撃吸収要素は、モータ１９０の両移動方向に（すなわち、挿入及び後退の両方向に）ストッパ部と接触するように位置付けられてもよい。例えば、図４に示され、名前が付けられたゴムバンパは、後退方向における衝撃吸収要素として動作し、別のゴムバンパは、挿入方向における衝撃吸収要素としての役割を果たすように配置されてもよい。そのようなバンパは、アンビル１９２と、アンビル１９２と主入口室１１２の間に設けられたセパレータとの間に配置されてもよい。

【0065】

更に、ステッピングモータの親ねじ組立品の製作公差のため、親ねじが主ノズル１２０の中心軸線に対して実質的にミスアライメントを生じさせる可能がある。場合によっては、モータ１９０の軸線と主ノズル１２０の軸線の間のこのミスアライメントは、０．０２５インチ（約０．０６３５ｃｍ）と高いものであってもよい。

【0066】

好ましい一実施形態において、エゼクタ１００の組み立てに続く構成要素の手動のアライメントを必要とすることなくこの問題に対処するために、図４に示されるように、磁気結合構造を用いて、ステッピングモータ１９０の親ねじに針１４０の端部を接続する。この結合構造は、針１４０及びモータ１９０の一方に付着させた鉄構造（例えば、鋼アンビル）と、針１４０及びモータ１９０の他方に付着させた永久磁石とを備える。永久磁石は、磁気回路を完成し、鉄構造への永久磁石のより強い結合を提供するために、鉄（例えば、鋼）基材を備えてもよい。

【0067】

エゼクタ１００の好ましい一実施形態において、図４に示されるように、鋼アンビルを針１４０に付着させ、鋼磁極片に接合された環又は円形状の永久磁石によってステッピングモータ１９０の親ねじを鋼磁極片に付着させる。この結合によって、針１４０は、アンビル及び磁石の軸線方向面の間の直圧（垂直力）により主ノズル１２０内に押される。逆方向において、磁石によって発生する力を用いて、針１４０のテーパ端部に対する高圧供給ガスの圧力によって補助されて、主ノズル１２０から針１４０が引き寄せられる。

【0068】

図４に示されるように、テーパ端部の反対側の針１４０の端部は、鉄構造（図４においてアンビルと称される）内の開口部に延び、前記開口部内に埋め込まれる。アンビルは、磁石に対する軸方向力がアンビルと針１４０上とに送られるように、永久磁石に磁気的に結合される。磁石は、図４に示されるように、好ましくは環形状にされてもよく、又は蹄鉄形若しくは他の型の多極磁石であってもよい。永久磁石は、鉄基材（図４において磁極片と称される）によって中心内及び後方面上に結びつけられる。磁石及び磁極片は、更に、リニアアクチュエータとして動作して軸線方向に針を移動させるモータ１９０の親ねじに結合される。ステッピングモータの構築に応じて、磁極片は、回転子の内側上で親ねじがかみ合わされるねじ部分によって軸線方向に並進すると共に親ねじとハウジングの間の滑り結合によって回転することが妨げられる親ねじに直接付着させてもよい。別の場合、磁極片は、エゼクタのモータ又は他の固定部分への滑り結合によって磁極片が回転することが妨げられると共に、回転する親ねじがかみ合わされるねじ部分に付着させてもよい。磁極片は、針が後退方向に移動する場合にモータ１９０に対する磁極片の衝撃を和らげるために磁極片の後退側に装着されるゴムバンパを有する。

【0069】

この磁気結合構造は、効果的に針１４０の両軸線方向（すなわち、挿入及び後退方向）に力を送り、一方で構成要素が針１４０の半径方向に比較的自由に（鉄構造と磁石の間に摩擦によってのみ妨害されて）滑るようにもする。この目的のために、磁気結合構造は、望ましくは、構成要素の互いに対する半径方向の移動を阻むいかなる構造も有さない。このことによって、親ねじと針の間の多大で平行な（半径方向の）ミスアライメントについて、結合や摩耗によることなく説明をつけることができるようになる。

【0070】

モータ１９０がエンコーダに結合されないエゼクタ１００の実施形態において、制御ユニットの認識なしで、ステッピングモータが「ステップをスキップする」ことができる、又は、すなわち、機械力若しくは電力変動によって磁界とは異なる速度で回転することができる、という可能性がある。ガス供給の圧力が主ノズル開口部１２２の方向に針１４０を押すので、針１４０が挿入方向に移動する場合にスキップされたステップが生じる可能性がより高く、すなわち、主ノズル開口部１２２を閉鎖する（及び、したがって、ガス圧力に対して作用する）可能性がより高い。これらのスキップされたステップがエゼクタ１００の動作の所定期間にわたって累積する場合、エゼクタ制御ユニット２４０によって認識されるような原点は、主ノズル開口部１２２が完全に閉塞される点から離れて移動し、エゼクタ１００は、完全に閉鎖することができなくなり、それによって、低流量で出力圧力を制御することが不可能になる。

【0071】

この課題に対処するために、エゼクタ制御ユニット２４０は、本発明の態様における「滑りゼロ」スキームを使用する。このスキームにおいて、エゼクタ制御ユニット２４０の電源投入を行う際、エゼクタ制御ユニット２４０は、針１４０の原点として針１４０が現在あるどんな位置でも割り当てる。通常、起動時における仮定された原点は、実際の原点（すなわち、針１４０及び完全に閉塞された主ノズル開口部１２２の完全挿入位置）にあるか、又は実際の原点に近くにあるが、その理由は、針１４０が、燃料電池システムの前の電源切断中にモータ１９０によってその原点に移動したからである。

【0072】

推定された原点に針１４０を割り当てた後、主ノズル１２０の出力圧力を測定して、所定の出力圧力（通常、始動時にゼロ）と比較する。出力圧力が所定の圧力よりも高い場合、このことは、割り当てられた原点が主ノズル開口部１２２の完全閉塞の点ではないことか、又はガス需要が完全に閉塞されたノズルを通るガスの浸出率未満である（針及びノズルの摩耗又は設計公差による）ことのいずれかを示す。

【0073】

第１の状況において、針１４０が破損することなく衝突することが可能な速度で主ノズル開口部１２２の方へ挿入方向に針１４０を移動させる。この移動の後、原点は、針１４０の新しい位置に等しくなるように再割り当てされる。第２の状況において、モータ１９０によって針１４０を移動させようとすることによって、針１４０は主ノズル開口部１２２に対して加圧し、モータ１９０はステップをスキップし、その結果、針１４０は、完全に閉塞する点にとどまり、原点は、正しい状態を維持する。同様に、エゼクタ制御ユニット２４０によって決定される最大点に針が駆動されたにもかかわらずガス圧力が所望のレベルを下回る場合、制御ユニット２４０は、主ノズル１２０からより遠くに離れて針１４０を移動させるようにモータ１９０を制御してもよく、次いで、針の新しい位置が最大後退の実際の位置に相当するように原点を再割り当てしてもよい。

【0074】

上述したように、始動時における原点は、通常、実際の原点（完全に挿入された位置）であるが、その理由は、針１４０が、燃料電池システムの前のシャットダウンの間にその原点に移動したからである。始動時の針位置が完全に閉塞された位置や近くにない（例えば、システムの緊急時の電源切断による）場合、上記の滑りゼロスキームによって、確実に、針１４０が完全閉塞に駆動され、原点位置が正しく再割り当てされる。この場合の閉鎖の方に針１４０をゆっくりと移動させることによって余剰のガスを送り出すことができると共に、この期間の間の過剰圧力を防ぐためにガス供給を遮断することができる。適切なシャットダウンについてのより可能性が高いシナリオにおいて、スキップされた少数のステップが閉鎖方向に累積するには、主ノズル１２０を完全に閉鎖する時間が非常に短くてよく、供給の遮断は必要でない可能性がある。

【0075】

図５に、滑りゼロスキームに関連付けられた針１４０の移動の物理的及び論理的範囲のアライメントが示される。図５において、針１４０の移動の物理的範囲が実線として示され、一方でエゼクタ制御ユニット２４０によって割り当てられ、監視される論理的範囲が破線として示される。

【0076】

図５の欄Ａにおいて、エゼクタは、エゼクタの論理的ゼロで始動するが、これは、物理的ゼロ（Ａ１）よりわずかに開いた位置にある。針は、必要に応じて前後に移動して圧力（Ａ２）を調節することができるが、ガスの流れを完全に遮断するために、論理的ゼロは、前記物理的なものと共に再度アライメントを生じさせる必要がある。針が論理的ゼロの位置（Ａ３）に最高速度で移動を完了すると、出力圧力が依然として高過ぎる場合、針はゆっくりと閉鎖方向に移動し続け、論理的ゼロは、針の新しい位置（Ａ４）を基準とするようにリセットされる。このことが生じた後、圧力が依然として高過ぎる場合、針は、ゆっくりと移動し続け、主ノズル（Ａ５）に衝突する。このことは、低速度のために破損を引き起こさないが、リニアアクチュエータは、ステップをスキップし、物理的ゼロへ戻り、それによって物理的及び論理的ゼロ（Ａ６）の間のアライメントが維持される。

【0077】

図５の欄Ｂにおいて、エゼクタは、エゼクタの論理的ゼロで再び始動するが、これは物理的なゼロ（Ｂ１）からわずかに開いている。針は、必要に応じて前後に移動して圧力（Ｂ２）を調節することができるが、それが完全に開こうとする場合、リニアアクチュエータは、柔らかい後退ストッパに最高速度で衝突するが、一方で依然として最大値（Ｂ３）未満の論理的位置にある。アクチュエータは、論理的最大値（Ｂ４）の方へ駆動される際にステップをスキップすし、それによって物理的及び論理的ゼロのアライメントが生じる（Ｂ５）。

【0078】

幾つかの実施形態において、論理的及び物理的範囲は、同じ大きさでなくてもよく、これは、組立品における機械公差を緩和するためになされる場合がある。図５の欄Ｃは、この場合を示すものである。針が物理的ゼロ（Ｃ１）から充分に遠く離れて開始する場合、針は、必要に応じて前後に移動し（Ｃ２）、完全に開くことが要求される場合、アクチュエータは、柔らかいストッパに衝突し（Ｃ３）、ステップをスキップし（Ｃ４）、それによって物理的及び論理的ゼロがアライメントに近づく（Ｃ５）。また、針は、論理的最大値が物理的最大値以下であるＣ５に示されるように開始してもよい。この位置から近いことが要求される場合、針は、論理的及び物理的ゼロのアライメントが生じるまで（Ｃ７）、論理的ゼロ（Ｃ６）に残りつつゆっくりとそれを行う。

【0079】

本発明は、特定の実施形態を参照して本明細書に示され、記載されているが、本発明は、示された詳細に限定されることが意図されるものではない。むしろ、請求項の均等物のスコープ及び範囲内で、且つ本発明を逸脱することのなく、前記詳細において各種変更を行ってもよい。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】