JP2005085552A - 燃料電池用ガス減圧弁及び燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガス加圧室のガスでダイヤフラムの表面を直接的に加圧する方式を廃止しつつ、燃料電池に供給するガスの流量−圧力の特性を調整することができる燃料電池用ガス減圧弁及び燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】ガス減圧弁１は、ボディ２の室を第１室２１と第２室２２とに区画するダイヤフラム３と、ダイヤフラム３の変形に伴い絞り孔４０の開度を可変とする絞り孔開度可変機構４と、活物質を含むガスを絞り孔４０を経て燃料電池１００に供給するガス供給通路５とを有する。ダイヤフラム３を変形させると共に絞り孔開度可変機構４の絞り孔４０の開度を調整する可動体６がボディ２に移動可能に設けられている。ガスの供給に伴い可動体６の受圧面６１を加圧するガス加圧室２６が設けられている。ガス加圧室２６内のガスの圧力を可変にするガス加圧室圧力可変機構９が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明はダイヤフラムを搭載する燃料電池用ガス減圧弁、及び、ガス減圧弁を備えた燃料電池発電システムに関する。

特許文献１は、図６に示すように、室をもつボディ３００と、ボディ３００の室を室３０１とガス加圧室３０２とに区画する膜状のダイヤフラム４００と、活物質を含むガスの流量を制限する絞り孔５０１をもちダイヤフラム４００の変形に伴い絞り孔５０１の開度を可変とする絞り孔開度可変機構５００と、燃料電池で使用される活物質を含むガスを絞り孔開度可変機構５００の絞り孔５０１を経て燃料電池のアノード極に供給するガス供給通路６００とを有する燃料電池用ガス減圧弁７００を備えた燃料電池発電システムを開示している。ガス供給通路６００は、絞り孔５０１の上流側の１次側通路６０１と、絞り孔５０１の下流側の２次側通路６０２とに分かれている。ガス加圧室３０２には、空気をガス加圧室３０２に導入する導入口３０４が形成されているが、空気を排出する排出口は形成されていない。

この燃料電池発電システムによれば、ダイヤフラム４００を下向きに付勢するバネ８００が密閉状のガス加圧室３０２内に設けられている。図６に示すように、絞り孔５０１の上流側の１次側通路６０１のガス圧力がダイヤフラム４００に作用する。そして、燃料電池のカソード極に供給する空気を導入口３０４から密閉状のガス加圧室３０２に供給する。ガス加圧室３０２に供給された空気は、外径が大きくて受圧面積が大きなダイヤフラム４００の表面を直接的に加圧する。

そして、ガス加圧室３０２の空気圧とバネ８００のバネ力とが下向き（絞り孔の閉鎖方向）に作用する。これに対して１次側通路６０１内の燃料ガスの圧力がダイヤフラム４００の他方の表面に上向き（絞り孔の開放方向）に作用する。下向きに作用する力と上向きに作用する力との均衡により、絞り孔５０１の開度は維持される。これによりガス供給通路６００の１次側通路６０１の圧力が減圧され、２次側通路６０２の設定圧力が得られる。

また特許文献２は、ダイヤフラム構造の減圧弁において、圧力設定バネのバネ荷重を調節するアクチュエータモータを取り付け、アクチュエータモータの駆動により可動体を移動させ、これにより圧力設定バネのバネ荷重を調節する自動設定減圧弁を開示している。

また特許文献３は、バネで付勢されたダイヤフラムを搭載した燃料ガス減圧装置が開示されている。
特開２００２−３７３６８２号公報の図２ 特開昭６３−２０６０３号公報の第１図 特開２００１−９９０１１号公報の図１

上記した特許文献１に係る技術によれば、ガス加圧室３０２に供給された空気は、受圧面積が大きなダイヤフラム４００の表面を直接的に加圧する方式が採用されている。特許文献２は、アクチュエータモータの駆動により可動体を移動させる方式であり、アクチュエータモータを必須構成要素としており、更に、ガス加圧室の圧力を可変とするものではない。また特許文献３は、ガス加圧室の圧力を可変とするものではない。

本発明は、ガス加圧室のガスがダイヤフラムの表面を直接的に加圧する方式を廃止しつつ、燃料電池に供給する活物質を含むガスの流量−圧力の特性を調整することができる燃料電池用ガス減圧弁及び燃料電池発電システムを提供することを課題とする。

様相１に係る燃料電池用ガス減圧弁は、室をもつボディと、ボディの室を第１室と第２室とに区画する変形可能なダイヤフラムと、燃料電池で使用される活物質を含むガスの流量を制限する絞り孔をもちダイヤフラムの変形に伴い絞り孔の絞り孔開度を可変とする絞り孔開度可変機構と、活物質を含むガスを絞り孔開度可変機構の絞り孔を経て燃料電池のアノード極またはカソード極に供給するガス供給通路とを具備する燃料電池用ガス減圧弁において、
ボディに移動可能に設けられ第１室及び第２室の容積を変化させる方向にダイヤフラムを変形させると共に絞り孔開度可変機構の絞り孔の開度を増加または減少する方向へ調整する可動体と、ガスが供給されガスの供給に伴い可動体の受圧面を加圧するガス加圧室と、ガス加圧室内のガスの圧力を可変にして可動体の駆動力を可変とすることにより、ダイヤフラムが受ける荷重を調整して絞り孔の開度を調整するガス加圧室圧力可変機構とを具備することを特徴とする。

様相１に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、ガス加圧室にガスが供給されると、ガス加圧室の圧力により可動体の受圧面は加圧される。これにより可動体の駆動力を調整でき、ダイヤフラムが受ける荷重を調整でき、絞り孔開度可変機構の絞り孔の開度が調整される。これにより絞り孔よりも下流のガスの圧力が調整される。ここで、可動体はガス加圧室の圧力により移動できるものであれば良く、ピストン状とすることが好ましい。

様相２に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、ダイヤフラムを付勢するダイヤフラムバネが設けられており、ダイヤフラムバネのバネ荷重は可動体の移動により調整可能とされていることを特徴とする。この場合、ガス加圧室の圧力により可動体の駆動力を調整して可動体の移動量を調整できるため、ダイヤフラムが受ける荷重を調整でき、絞り孔の開度が調整される。これにより絞り孔よりも下流のガスの圧力が調整される。

様相３に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、ガス加圧室は導入口及び導出口をもち、ガス加圧室圧力可変機構は、ガス加圧室の導入口側の開口度を調整する導入口側弁装置と、ガス加圧室の導出口側の開口度を調整する導出口側弁装置とで構成されていることを特徴とする。

このように導入口側弁装置及び導出口側弁装置が設けられているため、これらの弁装置の開閉を制御すれば、ガス加圧室の圧力を可変に容易に変更することができる。故に、ガス加圧室の圧力により可動体の受圧面を加圧する加圧力を可変に調整することができる。従って、可動体の駆動力を調整でき、絞り孔開度可変機構の絞り孔の開度を調整することができる。

様相４に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、導入口側弁装置及び導出口側弁装置のうちの少なくとも一方は、開口面積をオンオフ切り替える弁装置、または、開口面積を段階的または連続的に変化させる弁装置で構成されていることを特徴とする。上記した弁装置が、開口面積をオンオフ切り替える弁装置で形成されているときには、弁装置のオンまたはオフによりガス加圧室の圧力を簡便に変更できる。上記した弁装置が、開口面積を段階的または連続的に変化させる弁装置で構成されているときには、ガス加圧室の圧力を段階的または連続的に変化させるのに有利である。

様相５に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、可動体の径はダイヤフラムの径よりも小さく設定されていることを特徴とする。この場合、可動体が嵌合しているガス加圧室の径が小さくなり、ボディの小型化に有利である。また同一流量のガスをガス加圧室に供給するとき、ガス加圧室の容積が大きい場合よりも、ガス加圧室の容積が小さい方が、ガス加圧室を短時間で高圧にできるため、可動体を迅速に駆動させることができる。故に、可動体の動作の応答性の向上を図り得、ひいてはダイヤフラムの動作の応答性の向上を図り得、絞り孔の開度の応答性の向上を図り得る。

様相６に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、ガス加圧室に供給されるガスは、燃料電池で使用される燃料ガス、酸化剤ガス、または、燃料ガス及び酸化剤ガス以外のガスであることを特徴とする。この場合、燃料電池発電システムに対応することができる。燃料ガスの圧力が酸化剤ガスの圧力よりも相対的に高い場合には、その燃料ガスの圧力をガス加圧室に供給すれば、燃料ガスの高い圧力を有効に利用して可動体の駆動力を得ることができ、駆動体の動作の応答性を高めることができる。

様相７に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、ガス供給通路は、ガス供給源側に設けられた相対的にガス圧が高い高圧通路と、燃料電池側に設けられた相対的にガス圧が低い低圧通路とを有しており、且つ、高圧通路及び低圧通路は絞り孔の前後に設けられており、更に、高圧通路とガス加圧室とを連通する高圧側連通路と、低圧通路とガス加圧室とを連通する低圧側連通路とが設けられており、導入口側弁装置は高圧側連通路に設けられていると共に、導出口側弁装置は低圧側連通路に設けられていることを特徴とする。

この場合、ガス供給源側に設けられた相対的にガス圧が高い高圧通路に連通する高圧側連通路を介して、相対的に高いガス圧力をもつガスをガス加圧室に供給することができるため、可動体の受圧面をできるだけ高圧で加圧でき、ひいては可動体の駆動力を大きくするのに有利である。

様相８に係る燃料電池発電システムは、アノード極及びカソード極を有する燃料電池と、燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給する燃料用のガス供給通路と、燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス用のガス供給通路とを具備する燃料電池発電システムにおいて、燃料用のガス供給通路及び酸化剤ガス用のガス供給通路のうちの少なくとも一方は、各請求項に記載の燃料電池用ガス減圧弁を有することを特徴とする。

様相８に係る燃料電池発電システムによれば、ガス加圧室にガスが供給されると、ガス加圧室の圧力により可動体の受圧面は加圧される。これにより可動体の駆動力を調整でき、ひいては絞り孔開度可変機構の絞り孔の開度が調整される。

本発明によれば、ガス加圧室にガスが供給されると、ガス加圧室の圧力により可動体の受圧面は加圧される。ガス加圧室の圧力の大小により可動体の駆動力の大きさを調整でき、これによりダイヤフラムが受ける荷重、ダイヤフラムの変形量を調整できる。ひいては絞り孔開度可変機構の絞り孔の開度を調整でき、燃料電池に供給するガスの流量−圧力の特性を調整することができる。

（実施形態１）
本発明に係る実施形態を図１〜図３を参照して具体的に説明する。本実施形態に係る燃料電池用のガス減圧弁１は燃料電池１００のガス入口の上流側に設けられるものである。ガス減圧弁１は、室をもつボディ２と、ボディ２の室を第１室２１と第２室２２とに区画する変形可能なダイヤフラム３と、燃料電池１００のアノード極１０１において使用される活物質を含むガス（燃料ガス）の流量を制限する絞り孔４０をもちダイヤフラム３の変形に伴い絞り孔４０の開度を可変とする絞り孔開度可変機構４と、活物質を含むガスを絞り孔４０を経て燃料電池１００のアノード極１０１（燃料極）に供給するガス供給通路５とを備えている。

図１に示すように、ボディ２は金属製であり、大径室をもつ大径部２３と、大径部２３に第１段部２３ｘを介して連設され中径室をもつ中径部２４と、中径部２４に第２段部２４ｘを介して連設された小径部２５とを有する。小径部２５は、ガスが供給されるガス加圧室２６を有する。大径部２３の内径よりも中径部２４の内径は小さくされ、中径部２４の内径よりも小径部２５の内径は小さくされている。

ダイヤフラム３は、ゴムや軟質樹脂等の弾性材料または金属を基材として膜状に形成されており、ボディ２の大径室を、活物質を含む燃料ガスが流入する第１室２１と第２室２２とに仕切って区画する。第２室２２は大気開放ポート２２ｍを介して大気に連通する。このように第２室２２は大気開放とされるため、高圧状態にならない。従って、第２室２２の圧力が可動体６の矢印Ｙ１、Ｙ２方向の動作を邪魔することを防止することができ、ガス加圧室２６の圧力により可動体６を迅速に矢印Ｙ１、Ｙ２方向に動作させるのに有利となる。

ダイヤフラム３の外周部３ｍはボディ２に挟持されて保持されている。ダイヤフラム３の中央域は、第１室２１及び第２室２２の差圧に応じて、矢印Ｙ１、Ｙ２方向（上下方向）に変形可能とされている。なお、矢印Ｙ１方向は、ガス加圧室２６の容積を増加させる方向を意味する。矢印Ｙ２方向は、ガス加圧室２６の容積を減少させる方向を意味する。図１から理解できるように、絞り孔４０の下流に位置する第１室２１（低圧通路５３を経て燃料電池１００に繋がる）の圧力がダイヤフラム３に作用する。これに対して図６に示す従来技術によれば、絞り孔５０１の上流に位置する１次側通路６０１のガス圧力がダイヤフラム４００に作用する点相違している。

図１に示すように、ガス加圧室２６にはピストン状の可動体６が矢印Ｙ１、Ｙ２方向（上下方向）に移動可能に嵌合されている。可動体６はダイヤフラム３の上方に配置されており、これの横断面が円形状をなす円柱形状とされているが、角柱形状でも良い。ここで、ガス加圧室２６の径、ガス加圧室２６に嵌合されている可動体６の径Ｄ１は、大径部２３の内径、ダイヤフラム３の可動変形部分の径Ｄ２よりも小さく設定されている。例えば、ダイヤフラム３の可動変形部分の径Ｄ２を１００と相対表示すると、可動体６の径Ｄ１は一般的には３０〜７０と相対表示される。

可動体６は金属製であり、実質的に剛体として機能し、外方向に延設されたリング鍔状の着座部６０をもつ。可動体６の受圧面６１（上端面）はガス加圧室２６に対面すると共に、可動体６の先端面６３（下端面）は第２室２２に対面する。ガス加圧室２６の内壁面と可動体６の外壁面との間にはリング状のシール部材６２が保持されている。シール部材６２のシール機能によりガス加圧室２６の圧力は維持される。

図１に示すように、絞り孔開度可変機構４は、燃料電池１００に供給される活物質を含むガス（燃料ガス）の流量を制限する絞り孔４０と、絞り孔４０を開閉するバルブ面４１ａをもつバルブ４１と、ダイヤフラム３の中央域を挟持するように設けられた第１支持部４２及び第２支持部４３とを有する。絞り孔４０は、絞り孔４０を１周するリング形状の弁座部４５を下面側にもつ。第２支持部４３の軸部４４は、ガス加圧室２６から遠ざかるように下方に向けて延設されている。後述するダイヤフラムバネ７及びバルブバネ８の付勢力により、第２支持部４３の軸部４４の先端部４４ａ（下端部）は、バルブ４１のバルブ面４１ａに当接する。ここで、弁座部４５とバルブ４１のバルブ面４１ａとの間は、絞り孔４０の開度とされる。バルブ４１のバルブ面４１ａは絞り孔４０の弁座部４５に着座できるように弁座部４５に対面する。

図１に示すように、絞り孔開度可変機構４の第１支持部４２と可動体６の着座部６０との間には、コイルバネで形成された第１バネ部材としてのダイヤフラムバネ７が同軸的に設けられている。ダイヤフラムバネ７の一端部は、絞り孔開度可変機構４の第１支持部４２の着座面４２ｍに着座し、ダイヤフラムバネ７の他端部は可動体６の着座部６０に着座している。この結果、ダイヤフラムバネ７は、ダイヤフラム３を矢印Ｙ１方向（下方向）に付勢しており、ひいてはバルブ４１を弁座部４５から離間させるように矢印Ｙ１方向（下方向）に付勢する。即ち、ダイヤフラムバネ７は絞り孔４０の開度を増加させる方向にバルブ４１を付勢する。

図１に示すように、バルブ４１とボディ２の壁面２ｗとの間には、第２バネ部材としてのバルブバネ８が設けられている。バルブバネ８によりバルブ４１はガス加圧室２６に向かう方向（矢印Ｙ２方向）に付勢されており、つまり、弁座部４５に接近する方向に付勢されている。即ち、バルブバネ８は絞り孔４０の開度を減少させる方向にバルブ４１を付勢する。

バルブバネ８及びダイヤフラムバネ７は互いに逆向きの付勢力を発揮するため、バルブ４１のバルブ面４１ａと第２支持部４３の軸部４４の先端部４４ａとの接触性は確保されている。本実施形態によれば、ダイヤフラムバネ７のバネ荷重はバルブバネ８のバネ荷重よりも大きく設定されている。これはガスが導入されていない時にバルブ４１を開状態に維持するためである。

ガス供給通路５には、燃料電池１００で使用されるガスのうち燃料ガスがガス供給源５５（ガスタンク）から供給される。燃料ガスとしては純水素ガスまたは水素含有ガス等を使用できる。ガス供給通路５は、ガス供給源５５（ガスタンク）側に繋がる相対的にガス圧が高い高圧通路５１と、燃料電池１００のアノード極１０１側に繋がる相対的にガス圧が低い低圧通路５３とを有する。

高圧通路５１及び低圧通路５３は絞り孔４０の前後に設けられている。即ち、絞り孔４０の上流側はガス供給源５５（ガスタンク）に繋がる高圧通路５１とされており、絞り孔４０の下流側は燃料電池１００のアノード極１０１に繋がる低圧通路５３とされている。高圧通路５１のガスの圧力ＰＨは、低圧通路５３のガスの圧力ＰＬよりも相対的に高い。例えば、高圧通路５１のガスの圧力ＰＨは１〜３ＭＰａにでき、低圧通路５３のガスの圧力ＰＬは１００〜４００ｋＰａにできるが、これらに限定されるものではない。更に、高圧通路５１とガス加圧室２６の導入口２６ｉとを連通する高圧側連通路５２が設けられている。低圧通路５３とガス加圧室２６の導出口２６ｐとを連通する低圧側連通路５４が設けられている。

図１に示すように、ガス加圧室圧力可変機構９は、ガス加圧室２６の圧力を可変にするものであり、ガス加圧室２６の導入口２６ｉ側の開口度を調整する導入口側弁装置９１と、ガス加圧室２６の導出口２６ｐ側の開口度を調整する導出口側弁装置９３とで構成されている。導入口側弁装置９１は、高圧通路５１のうち絞り孔４０の上流に連通する高圧側連通路５２に設けられている。導出口側弁装置９３は、絞り孔４０の下流に位置する低圧通路５３に連通する低圧側連通路５４に設けられている。導入口側弁装置９１及び導出口側弁装置９３は、自身の開口面積をオンオフ切り替えるオンオフ弁装置、または、開口面積を段階的または連続的に変化させるデューティ弁装置で構成されている。オンオフ弁装置は、ソレノイドに給電する励磁電流をオンオフすることにより、オンオフ弁装置の弁口の開口面積を１００％開口と０％開口との２段階にに切り替える弁装置を意味する。デューティ弁装置は、ソレノイドに給電するパルス状の励磁電流のオン時間をｔｏｎとし、励磁電流のオフ時間をｔｏｆｆとするとき、｛ｔｏｎ／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）｝の比率つまりデューティ比を変化させることにより、スプールを吸引する力の大小を調整し、デューティ弁装置の弁口の開口面積を複数段階（３段階以上）に精密に制御する弁装置を意味する。

上記したガス減圧弁１を使用する際には、燃料ガスを装填したガス供給源５５から、相対的に高圧の燃料ガスが高圧通路５１に供給される。その高圧のガスは、絞り孔４０により流量が制限されるため、絞り孔４０の下流に位置する第１室２１の圧力は、高圧通路５１の圧力よりも減圧される。絞り孔４０により減圧されて設定圧に低圧化されたガスは、第１室２１を通過し、ポート５３ｍを介して低圧通路５３に至り、更に燃料電池１００のアノード極１０１に供給され、発電反応に使用される。第２室２１のガスの圧力は、ダイヤフラム３を矢印Ｙ２方向（ガス加圧室２６の容積を小さくする方向）に付勢する。

ここで、絞り孔４０により減圧された第１室２１の圧力と第２室２２の圧力との間における差圧に基づいて、ダイヤフラム３が受ける矢印Ｙ２方向（上向き、絞り孔４０の閉弁方向）に向かう力をＦ１とする。バルブスプリング８がバルブ４１を矢印Ｙ２方向に（上向き、絞り孔４０の閉弁方向）付勢する力をＦ２とする。また、ダイヤフラムバネ７が自身のバネ荷重により、ダイヤフラム３、第１支持部４２及び第２支持部４３を介してバルブ４１を矢印Ｙ１方向（下向き、絞り孔４０の開弁方向）に付勢する力をＦ３とする。

力Ｆ１＋力Ｆ２の合計と力Ｆ３とが均衡した時点でバルブ４１の位置が保持されるため、この均衡により基本的には絞り孔４０の開度は決定される。力Ｆ１、力Ｆ２、力Ｆ３のそれぞれの大きさが変化すると、均衡する位置が変化するため、絞り孔４０の開度が変化する。

絞り孔４０の開度が決定されると、燃料電池１００に繋がる低圧通路５３のガス流量と低圧通路５３の設定圧力との関係は、基本的には決定される。ここで、ダイヤフラムバネ７の撓み量が決まると、ダイヤフラムバネ７のバネ荷重が決まるため、基本的には、バルブ４１を矢印Ｙ１方向（開弁方向）に押し下げる力Ｆ３が決まる。

本実施形態によれば、ダイヤフラムバネ７の付勢力となるバネ荷重を調整するにあたり、導入口側弁装置９１を開放させることにより、高圧通路５１を流れる相対的に高圧のガスを、高圧側連通路５２、導入口側弁装置９１、導入口２６ｉを介してガス加圧室２６に供給する。すると、ガス加圧室２６の圧力により、ガス加圧室２６の容積を増加させる方向に、可動体６の背面である受圧面６１が矢印Ｙ１方向（下方向）に加圧される。故に、前記した力Ｆ３が増加するため、ダイヤフラムバネ７の撓み量が更に増加し、ダイヤフラムバネ７のバネ荷重が増加するため、絞り孔４０の開度が増加する。よって絞り孔４０よりも下流側の低圧通路５３の設定圧力が増加し、これにより低圧通路５３の流量−設定圧力の特性を変化させることができる。上記した設定圧力は低圧通路５３の圧力である。

例えば、ガス加圧室２６にガスを供給する前では、低圧通路５３では、図２の特性線Ａに示す流量−設定圧力の特性が得られていたとする。この場合、高圧通路５１の高圧のガスを高圧側連通路５２、導入口２６ｉを介してガス加圧室２６内に供給すると、可動体６の受圧面６１が矢印Ｙ１方向（下方向）に加圧され、ダイヤフラムバネ７の撓み量が更に増加し、ダイヤフラムバネ７のバネ荷重が増加する。このため、基本的には、低圧通路５３の設定圧力を調整量Ｐｘぶん高めることができ、従って低圧通路５３では、図２の特性線Ｂに示す流量−設定圧力の特性を得ることができる。このようにガス加圧室２６の圧力の高低を調整すれば、調整量Ｐｘを調整できるため、燃料電池１００のアノード極１０１に繋がる低圧通路５３に係る流量−設定圧力の特性を複数段階に調整することができる。

本実施形態によれば、図１に示すように、ガス加圧室２６の圧力を監視する圧力センサ９８が設けられている。圧力センサ９８の信号は図略の制御装置に入力される。圧力センサ９８によりガス加圧室２６の圧力を監視し、ガス加圧室２６の圧力が目標圧力よりも低いときには、導入口側弁装置９１を開放させたり、導入口側弁装置９１の開度を増加させたりすれば、ガス加圧室２６の圧力を増圧でき、前記した力Ｆ３を増加させることができる。この場合、一般的には、導出口側弁装置９３を閉鎖しておくことが好ましい。

また、圧力センサ９８によりガス加圧室２６の圧力を監視し、ガス加圧室２６の圧力が目標圧力よりも高いときには、導出口側弁装置９３を開放したり、導出口側弁装置９３の絞り孔４０の開度を増加させれば、ガス加圧室２６の圧力を減圧することができ、前記した力Ｆ３を減少させることができる。この場合、一般的には、導入口側弁装置９１を閉鎖しておくことが好ましい。

上記のように圧力センサ９８によりガス加圧室２６の圧力の高低を監視し、圧力センサ９８の検出信号に応じて導入口側弁装置９１及び導出口側弁装置９３を開開制御すれば、ガス加圧室２６の圧力の高低を容易且つ迅速に調整することができる。このため、調整量Ｐｘを容易且つ迅速に調整でき、燃料電池１００のアノード極１０１に繋がる低圧通路５３に係る流量−設定圧力の特性を調整することができ、汎用性を高めることができる。

なお、導入口側弁装置９１及び導出口側弁装置９３が、自身の開口面積をオンオフ切り替えるオンオフ弁装置で構成されているときには、導入口側弁装置９１または導出口側弁装置９３のオン操作、オフ操作を切り替えるだけで、ガス加圧室２６の圧力を調整でき、これにより調整量Ｐｘを容易に調整でき、低圧通路５３に係る流量−設定圧力の特性を調整することができ。

また導入口側弁装置９１及び導出口側弁装置９３が、自身の開口面積を段階的または連続的に変化させるようなデューティ弁装置で構成されている場合には、オンオフ弁装置の場合よりもガス加圧室２６の圧力の高低を精密に制御できるため、図３に示す特性線Ａ１、Ｂ１、Ｃ１に示すように、低圧通路５３に係る流量−設定圧力の特性を調整することができる。つまり、燃料電池１００のアノード極１０１に供給する燃料ガスの流量−設定圧力の特性を調整することができる。

ここで、特性線Ａ１は、燃料電池１００に繋がる低圧通路５３のガス流量が増加するにつれて連続的に低圧通路５３の設定圧力を高くする形態を示す。特性線Ｂ１は、低圧通路５３のガス流量が増加するにつれて段階的に低圧通路５３の設定圧力を高くする形態を示す。特性線Ｃ１は、低圧通路５３のガス流量にかかわらず低圧通路５３の設定圧力をほぼ一定域に維持する形態を示す。

以上説明したように本実施形態によれば、ピストン状の可動体６の背面である受圧面６１側にガス加圧室２６を設け、ガス加圧室２６の圧力の高低を調整することにより、ピストン状の可動体６の駆動力を調整でき、可動体６を介してダイヤフラム３が受ける荷重を調整できる。これにより絞り孔４０の開度の増減を調整することができる。このため本実施形態によれば、ダイヤフラム３の表面を直接的に加圧する方式を廃止しつつ、絞り孔４０の開度を調整することができ、ひいては低圧通路５３に係る流量−設定圧力の特性を調整することができる。これにより燃料電池１００のアノード極１０１に供給する燃料ガスの流量−設定圧力の特性を調整することができる。

更に本実施形態によれば、燃料電池１００のアノード極１０１に供給する燃料ガスをガス加圧室２６に供給して、ガス加圧室２６の圧力の大小を調整することにより、ダイヤフラムバネ７のバネ荷重を調整して絞り孔４０の開度の増減を調整することにしている。即ち、燃料電池１００のアノード極１０１に供給する燃料ガス自体のガス圧力（酸化剤ガスよりも高圧）を有効に利用して絞り孔４０の開度を調整することができるため、酸化剤ガスなどの他の別の系統のガスを必要としない。故に、酸化剤ガスなどの他の別の系統のガス配管等を必要とせず、構造の複雑化、コストの増加を回避するのに有利である。

本実施形態によれば、可動体６の径Ｄ１はダイヤフラム３の可動変形部分の径Ｄ２よりもかなり小さく設定されているため、ボディ２の小型化を図るのに有利である。結果として、燃料電池用のガス減圧弁１のサイズの小型化を図るのに有利である。

燃料電池発電システムに使用されるガス供給源５５側の燃料ガスの圧力は大気圧よりも高い。高圧通路５１のガスの圧力ＰＨは例えば１〜３ＭＰａと高圧とされている。このため高圧通路５１から高圧のガスがガス加圧室２６に供給されることになり、可動体６を駆動させる駆動力を大きくでき、ダイヤフラムバネ７の撓み量及びバネ荷重を容易に調整することができ、絞り孔４０の開度を容易に調整することができ、ひいては低圧通路５３に係る流量−設定圧力の特性を調整することができ、以て燃料電池１００のアノード極１０１に供給される燃料ガスの流量−設定圧力の特性を調整することができる。

このように本実施形態によれば、低圧通路５３よりも圧力が相対的に高い高圧通路５１のガスを高圧側連通路５２を介してガス加圧室２６に供給するため、可動体６の径Ｄ１を、ダイヤフラム３の可動変形部分の径Ｄ２よりもかなり小さく設定し、可動体６の受圧面６１の受圧面積を小さくしたとしても、可動体６を矢印Ｙ１方向に駆動させる必要駆動力を得ることができ、これによりダイヤフラムバネ７のバネ荷重を調整する必要駆動力を得ることができる。従って、可動体６の受圧面６１の受圧面積を小さくして可動体６の径の小型化、ガス加圧室２６の小型化、ガス減圧弁１全体の小型化を図るのに有利となる。

また、可動体６の動作の応答性を高めるためには、ガス加圧室２６の内径を小さくしてガス加圧室２６の容積を小さくすることが好ましい。この点本実施形態によれば、酸化剤ガスよりも相対的に高圧の高圧通路５１の燃料ガスをガス加圧室２６に供給するため、可動体６の受圧面６１の受圧面積を小さくしたとしても可動体６の必要駆動力を確保できる。故に、可動体６の受圧面６１の受圧面積を小さくすることができ、これによりガス加圧室２６の内径、ガス加圧室２６の容積を小さくすることができる。故に、ガス加圧室２６の圧力を増減させたときにおける可動体６の動作の応答性を高めることができる。

なお、車両に搭載される燃料電池発電システムに適用されるときには、運転者が運転に応じて変化させるアクセルの踏み量に対して、低圧通路５３の流量−設定圧力の特性を迅速に応答させることが好ましい。この点本実施形態によれば、ガス加圧室２６の内径、ガス加圧室２６の容積を小さくすることができるため、ガス加圧室２６の圧力を増減させたときにおける可動体６の動作の応答性を高めることができ、低圧通路５３の流量−設定圧力の特性を迅速に応答させることができる。

上記した特許文献１に係る技術（図６参照）によれば、ガス加圧室３０２に空気を導入する導入口３０４が設けられているが、ガス加圧室３０２の空気を排出する排出口は特に設けられていない。このため導入口３０４に導入されている空気の圧力に応じてダイヤフラム４００がバランスするが、ガス加圧室３０２に導入される空気の圧力に独立させた形では、燃料ガス（水素ガス）の圧力を積極的に調整することはできない。この点本実施形態では、ガス加圧室圧力可変機構９によりガス加圧室２６内のガス圧力を積極的に可変にすることができ、低圧通路５３の燃料ガス（水素ガス）のガス圧力を積極的に調整することができる。

上記した特許文献２（特開昭６３−２０６０３号公報）に係る自動設定減圧弁の技術によれば、前述したように、アクチュエータモータの駆動により可動体を移動させることにより、圧力設定バネ（本実施形態のダイヤフラムバネ７に相当）のバネ荷重を調節することにしている。この場合には、図３において特性点Ｋ２から特性点Ｋ１に変更するには、特性点Ｋ２に相当するモータ回転位置から、特性点Ｋ１に相当するモータ回転位置までアクチュエータモータを逆動させる必要があり、時間を必要とする。この点本実施形態によれば、図３において特性点Ｋ２から特性点Ｋ１に変更するにあたり、アクチュエータモータを逆動させる必要がなく、導入口側弁装置９１及び導出口側弁装置９２の開閉を調整すれば良く、従って短時間で実行することができ、高い応答性を得ることができる。

なお、ガス加圧室２６内のガスを排出させるときには、導入口側弁装置９１を閉鎖した状態で、導出口側弁装置９３を開放すれば、ダイヤフラムバネ７の付勢力により可動体６が矢印Ｙ２方向に押圧されるため、この結果、可動体６の受圧面６１で加圧されたガス加圧室２６内の燃料ガスは導出口２６ｐから低圧通路５３に排出され、燃料電池１００のアノード極１０１で使用することができる。

（実施形態２）
図４は実施形態２の要部を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。図４に示すように、ピストン状の可動体６は、これの中央域に軸状をなす突起部６６をもつ。突起部６６はガス加圧室２６に向けて突出しており、第１受圧面６１ｆ（f:first）をもつ。可動体６は突起部６６以外の面で形成されたリング形状の第２受圧面６１ｓ（s:second）をもつ。突起部６６の第１受圧面６１ｆの受圧面積はＳａとされており、第２受圧面６１ｓの受圧面積はＳｂとされている。ここで、Ｓａ≒Ｓｂでも良く、Ｓａ＞Ｓｂでも良く、Ｓａ＜Ｓｂでも良い。ガス加圧室２６には筒形状の案内部２８が同軸的に設けられている。ガス加圧室２６は、案内部２８により第１ガス加圧室２６ｆとリング状の第２ガス加圧室２６ｓとに分割されている。第１ガス加圧室２６ｆには可動体６の突起部６６がスライド可能に嵌合する。可動体６の突起部６６と案内部２８との間には、シール部材６４が設けられている。シール部材６４のシール作用により、第２ガス加圧室２６ｓの圧力が確保される。

ガス加圧室圧力可変機構９Ｂは、第１ガス加圧室２６ｆの圧力及び第２ガス加圧室２６ｓの圧力を可変にするものであり、第１ガス加圧室２６ｆの導入口２６ｉ側の開口度を調整する第１導入口側弁装置９１ｆと、第２ガス加圧室２６ｓの導入口２６ｉ側の開口度を調整する第２導入口側弁装置９１ｓと、第１ガス加圧室２６ｆの導出口２６ｐ側の開口度を調整する第１出口側弁装置９３ｆと、第２ガス加圧室２６ｓの導出口２６ｐ側の開口度を調整する第２導出口側弁装置９３ｓとで構成されている。第１導入口側弁装置９１ｆ、第２導入口側弁装置９１ｓ、第１導出口側弁装置９３ｆ、第２導出口側弁装置９３ｓはオンオフ弁装置で形成されているが、場合によってはデューティ弁装置で構成しても良い。

第１導入口側弁装置９１ｓは、第１ガス加圧室２６ｓと高圧通路５１とを連通する第１高圧側連通路５２ｆに設けられている。第２導入口側弁装置９１ｓは、第２ガス加圧室２６ｓと高圧通路５１とを連通する第２高圧側連通路５２ｓに設けられている。第１導出口側弁装置９３ｆは、第１ガス加圧室２６ｆと低圧通路５３とを連通する第１低圧側連通路５４ｆに設けられている。第２導出口側弁装置９３ｓは、第２ガス加圧室２６ｓと低圧通路５３とを連通する第２低圧側連通路５４ｓに設けられている。

第１ガス加圧室２６ｆ及び第２ガス加圧室２６ｓのうちのいずれか一方にガスを供給すると、可動体６をガス加圧室２６の容積を増加させる方向（矢印Ｙ１方向）に移動させ、ダイヤフラムバネ７（図１参照）の撓み量及びバネ荷重を調整することができ、ダイヤフラム３が受ける荷重を調整することができる。この場合、第１ガス加圧室２６ｆ及び第２ガス加圧室２６ｓのうちの他方には、ガスは供給されていない。

更に、第１ガス加圧室２６ｆ及び第２ガス加圧室２６ｓの双方に燃料ガスを供給すると、可動体６の受圧面積を増加させることができるため、可動体６を矢印Ｙ１方向に移動させる駆動力を大きくでき、ひいてはダイヤフラムバネ７（図１参照）の撓み量を増加させてそのバネ荷重を更に大きくすることができ、ダイヤフラム３が受ける荷重を更に調整することができる。これにより低圧通路５３に係る流量−設定圧力の特性を調整することができる。ひいては燃料電池１００のアノード極１０１に供給する燃料ガスの流量−設定圧力の特性を調整することができる。

第１ガス加圧室２６ｆの圧力を監視する第１圧力センサ９８ｆが設けられていると共に、第２ガス加圧室２６ｓの圧力を監視する第２圧力センサ９８ｓが設けられている。なお、第１ガス加圧室２６ｆ及び第２ガス加圧室２６ｓに燃料ガスを供給することにしているが、これに限らず、酸化剤ガス（一般的には空気）を供給することにしても良い。

（適用形態）
図５は適用形態を示す。この燃料電池発電システムは、アノード極１０１及びカソード極１０２を有する燃料電池１００と、発電前の燃料ガスを燃料電池１００のアノード極１０１に供給する燃料用のガス供給通路５と、発電前の酸化剤ガスを燃料電池１００のカソード極１０２に供給する酸化剤ガス用のガス供給通路１０３と、発電後の燃料オフガスを通過させる燃料オフガス用のガス排出通路１０５と、発電後の酸化剤オフガスを通過させる酸化剤オフガス用のガス排出通路１０６とを備えている。ガス供給通路５は燃料電池１００のガス入口の上流に位置する。酸化剤ガス用のガス供給通路１０３には、酸化剤ガスである空気を燃料電池１００のカソード極１０２に供給するガス供給源であるコンプレッサ１０７が設けられている。燃料用のガス供給通路５において、ガス供給源５５側に減圧弁１０８が設けられ、更に、減圧弁１０８の下流に位置するように前記したガス減圧弁１が設けられている。

この適用形態によれば、ガス供給源５５から吐出される相対的に高圧のガスは減圧弁１０８で減圧され、更にガス減圧弁１を介して所定の設定圧力まで減圧され、燃料電池１００のアノード極１０１に供給され、発電反応に使用される。また酸化剤ガス（一般的には空気）はコンプレッサ１０７の駆動により燃料電池１００のカソード極１０２に供給され、発電反応に使用される。

（その他）
上記した実施形態１によれば、燃料電池１００で使用される燃料ガスがガス加圧室２６に供給されるが、これに限らず、燃料電池で使用される酸化剤ガス（一般的には空気）をガス加圧室２６に供給することにしても良い。更にアノード極１０１に送られる燃料ガス、カソード極１０２に送られる酸化剤ガス以外のガスをガス加圧室２６に供給することにしても良い。この場合および酸化剤ガスをガス加圧室２６に供給する場合には、高圧側連通路５２は高圧通路５１には連通されておらず、酸化剤ガス等の供給通路に連結されており、低圧側連通路５４は低圧通路５３には連結されておらず、外気や適当な酸化剤ガス通路に送られるようになっている。

上記した実施形態１によれば、ガス減圧弁１は燃料電池１００のアノード極１０１に送られる燃料ガスの減圧弁として使用されているが、これに限らず、燃料電池１００のカソード極１０２に送られる酸化剤ガスの減圧弁として使用しても良い。

上記した実施形態１によれば、ダイヤフラムバネ７及びバルブバネ８はコイルバネとされているが、これに限らず、他の種類のバネとしても良く、あるいは、ゴムや軟質樹脂等で形成しても良い。また上記した実施形態１によれば、可動体６の駆動力をダイヤフラムバネ７を介してダイヤフラム３に伝達されるが、場合によっては、ダイヤフラムバネ７を用いることなく、可動体６の駆動力をダイヤフラム３に直接的に伝達することにしても良い。

その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

本発明は車両用、定置用等の用途に使用される燃料電池発電システムに利用することができる。

ガス減圧弁付近の断面図である。 低圧通路のガス流量と設定圧力との関係を示すグラフである。 他の形態に係り、低圧通路のガス流量と設定圧力との関係を示すグラフである。 実施形態２に係り、ガス減圧弁付近のガス加圧室付近の断面図である。 ガス減圧弁をもつ燃料電池発電システムを模式的に示す図である。 従来技術に係り、ガス減圧弁付近の断面図である。

符号の説明

１はガス減圧弁、２はボディ、２１は第１室、２２は第２室、２６はガス加圧室、２６ｉは導入口、２６ｐは導出口、３はダイヤフラム、４は絞り開度可変機構、４０は絞り孔、４１はバルブ、５はガス供給通路、５１は高圧通路、５２は高圧側連通路、５３は低圧通路、５４は低圧側連通路、５５はガス供給源、６は可動体、６１は受圧面、７はダイヤフラムバネ、８はバルブバネ、９はガス加圧室圧力可変機構、９１は導入口側弁装置、９３は導出口側弁装置、６６は突起部、１００は燃料電池、１０１はアノード極、１０２はカソード極、１０３は酸化剤ガス用のガス供給通路を示す。

Claims (8)

1. 室をもつボディと、
   前記ボディの室を第１室と第２室とに区画する変形可能なダイヤフラムと、
   燃料電池で使用される活物質を含むガスの流量を制限する絞り孔をもち前記ダイヤフラムの変形に伴い前記絞り孔の開度を可変とする絞り孔開度可変機構と、
   活物質を含むガスを前記絞り孔開度可変機構の前記絞り孔を経て燃料電池のアノード極またはカソード極に供給するガス供給通路とを具備する燃料電池用ガス減圧弁において、
   前記ボディに移動可能に設けられ、前記第１室及び前記第２室の容積を変化させる方向に前記ダイヤフラムを変形させると共に、前記絞り孔開度可変機構の前記絞り孔の開度を増加または減少する方向へ調整する可動体と、
   ガスが供給されガスの供給に伴い前記可動体の受圧面を加圧するガス加圧室と、
   前記ガス加圧室内のガスの圧力を可変にして前記可動体の駆動力を可変とすることにより、前記ダイヤフラムが受ける荷重を調整して前記絞り孔の開度を調整するガス加圧室圧力可変機構とを具備することを特徴とする燃料電池用ガス減圧弁。
2. 請求項１において、前記ダイヤフラムを付勢するダイヤフラムバネが設けられており、前記ダイヤフラムバネのバネ荷重は前記可動体の移動により調整可能とされていることを特徴とする燃料電池用ガス減圧弁。
3. 請求項１または請求項２において、前記ガス加圧室は導入口及び導出口をもち、前記ガス加圧室圧力可変機構は、前記ガス加圧室の導入口側の開口度を調整する導入口側弁装置と、前記ガス加圧室の導出口側の開口度を調整する導出口側弁装置で構成されていることを特徴とする燃料電池用ガス減圧弁。
4. 請求項３において、前記導入口側弁装置及び前記導出口側弁装置のうちの少なくとも一方は、開口面積をオンオフ切り替える弁装置、または、開口面積を段階的または連続的に変化させる弁装置で構成されていることを特徴とする燃料電池用ガス減圧弁。
5. 請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記可動体の径は前記ダイヤフラムの径よりも小さく設定されていることを特徴とする燃料電池用ガス減圧弁。
6. 請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、前記加圧室に供給されるガスは、燃料電池で使用される燃料ガス、酸化剤ガス、または、燃料ガス及び酸化剤ガス以外のガスであることを特徴とする燃料電池用ガス減圧弁。
7. 請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項において、前記ガス供給通路は、ガス供給源側に設けられた相対的にガス圧が高い高圧通路と、燃料電池側に設けられた相対的にガス圧が低い低圧通路とを有しており、且つ、前記高圧通路及び前記低圧通路は前記絞り孔の前後に設けられており、更に、
   前記高圧通路と前記ガス加圧室とを連通する高圧側連通路と、前記低圧通路と前記ガス加圧室とを連通する低圧側連通路とが設けられており、
   前記導入口側弁装置は前記高圧側連通路に設けられていると共に、前記導出口側弁装置は前記低圧側連通路に設けられていることを特徴とする燃料電池用ガス減圧弁。
8. アノード極及びカソード極を有する燃料電池と、前記燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給する燃料用のガス供給通路と、前記燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス用のガス供給通路とを具備する燃料電池発電システムにおいて、
   燃料用の前記ガス供給通路及び酸化剤ガス用の前記ガス供給通路のうちの少なくとも一方は、請求項１〜７に記載の燃料電池用ガス減圧弁を有することを特徴とする燃料電池発電システム。

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