JP2005129427A

JP2005129427A - 燃料電池用ガス減圧弁及び燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2005129427A
Application number: JP2003365568A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kurita; 健志栗田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】燃料電池に供給する２次通路におけるガスのガス流量−圧力の特性を調整するのに有利な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、ダイヤフラム３と、１次側通路６と、燃料電池１００に繋がる２次側通路７と、１次側通路６と２次側通路７との間に設けられた絞り孔４０と、絞り孔開度可変機構４とをもつ。可変機構４は、ボディ２のバルブ室２３に嵌合された可動バルブ４１をもつ。可動バルブ４１は、加圧調整室２６を形成する受圧面４７をもち、絞り孔４０の開度Ｌを調整する。１次側通路６と加圧調整室２６とを連通する第１連通路６２と、２次側通路７と加圧調整室２６とを連通する第２連通路７２と、第１連通路６２の開度を調整する第１弁装置９１と、第２連通路７２の開度を調整する第２弁装置９２とが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、１次側通路に送られる燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力を減圧して燃料電池の燃料極または酸化剤極に供給する燃料電池用ガス減圧弁、及び、燃料電池用ガス減圧弁をもつ燃料電池発電システムに関する。

従来構造１に係るガス減圧弁１Ｘ（特許文献１）は、図６に模式的に示すように、ダイヤフラム室２０Ｘ及びバルブ室２３Ｘをもつボディ２Ｘと、ボディ２Ｘのダイヤフラム室２０Ｘを第１室２１Ｘと第２室２２Ｘとに区画する変形可能なダイヤフラム３Ｘと、燃料電池１００で使用される活物質を含むガスが供給される１次側通路である高圧通路６Ｘと、燃料電池１００の燃料極１０１に繋がる２次側通路である低圧通路７Ｘと、高圧通路６Ｘと低圧通路７Ｘとの間に設けられた絞り孔４０Ｘと、ボディ２Ｘのバルブ室２３Ｘに嵌合された可動バルブ４１Ｘを有する絞り孔開度可変機構４Ｘとを備えている。

更にダイヤフラム３Ｘを付勢するダイヤフラムバネ７Ｘと、可動バルブ４１Ｘを付勢するバルブバネ８Ｘとが設けられている。可動バルブ４１Ｘは絞り孔４０Ｘの開度Ｌを調整する。バルブ室２３Ｘの内壁面と可動バルブ４１Ｘの外壁面との間には通路２９Ｘが形成されている。ガス減圧弁１Ｘの使用時には、通路２９Ｘを介して、加圧調整室２６Ｘには常に高圧通路６Ｘの１次圧が作用する。

また、従来構造２に係るガス減圧弁１Ｗ（特許文献２）は、図７に模式的に示すように、ダイヤフラム室２０Ｗ及びバルブ室２３Ｗをもつボディ２Ｗと、ボディ２Ｗのダイヤフラム室２０Ｗを第１室２１Ｗと第２室２２Ｗとに区画する変形可能なダイヤフラム３Ｗと、燃料電池１００で使用される活物質を含むガスが供給される１次側通路である高圧通路６Ｗと、燃料電池１００の燃料極１０１に繋がる２次側通路である低圧通路７Ｗと、高圧通路６Ｗと低圧通路７Ｗとの間に設けられた絞り孔４０Ｗと、ボディ２Ｗのバルブ室２３Ｗに嵌合された可動バルブ４１Ｗとを有する絞り孔開度可変機構４Ｗとを備えている。

更にダイヤフラム３Ｗを付勢するダイヤフラムバネ７Ｗと、可動バルブ４１Ｗを付勢するバルブバネ８Ｗとが設けられている。可動バルブ４１Ｗは絞り孔４０Ｗの開度Ｌを調整する。可動バルブ４１Ｗは、大径バルブ部４５Ｗと、大径バルブ部４５Ｗの中央域に突出する小径バルブ部４６Ｗとで形成されている。バルブ室２３Ｗの内壁面と可動バルブ４１Ｗの外壁面との間には通路２９Ｗが形成されている。加圧調整室２６Ｗと低圧通路７Ｗとは連通路７２Ｗで連通されており、加圧調整室２６Ｗには低圧通路７Ｗの２次圧が作用する。

上記したガス減圧弁１Ｗの使用時には、通路２９Ｗを介して、可動バルブ４１Ｗの外周側の大径バルブ部４５Ｗの受圧面４７ｒには常に高圧通路６Ｗの１次圧が作用すると共に、連通路７２Ｗを介して、可動バルブ４１Ｗの内周側の小径バルブ部４６の受圧面４７ｔは常に低圧通路７Ｗの２次圧が作用する。
特開２００２−５５７２０号公報特開２０００−２４９０００号公報

上記した図６に模式的に示す従来構造１に係るガス減圧弁１Ｘの使用時には、前述したように、通路２９Ｘを介して、加圧調整室２６Ｘには常に高圧通路６Ｘの１次圧が作用する。ここで、可動バルブ４１Ｘのバルブ面４４Ｘのうち絞り孔４０Ｘの開口に対面する領域Ｓ１では実質的に第１室２１Ｘの２次圧が作用し、可動バルブ４１Ｗのバルブ面４４Ｘのうち絞り孔４０Ｘに非対面の領域Ｓ２には実質的に高圧通路６Ｘの１次圧が作用するといえる。

このため、従来構造１に係るガス減圧弁１Ｘでは、高圧通路６Ｘの１次圧を次第に高圧に変化させれば、可動バルブ４１Ｘが絞り孔４０Ｘに近づき、絞り孔４０Ｘの開度Ｌが次第に小さくなる。このため絞り孔４０Ｘの開度Ｌを減少させて２次側通路である低圧通路７Ｘの２次圧を小さくなるように調整できるものの、調整手段としては高圧通路６Ｘの専ら１次圧であり、２次側通路である低圧通路７Ｘにおけるガス流量−圧力の特性を調整するには限界があった。

上記した図７に模式的に示す従来構造２に係るガス減圧弁１Ｗの使用時には、通路２９Ｗを介して、可動バルブ４１Ｗの外周側の大径バルブ部４５Ｗの受圧面４７ｒには常に高圧通路６の１次圧が作用すると共に、連通路７２Ｗを介して、可動バルブ４１Ｗの内周側の小径バルブ部４６の受圧面４７ｔには常に低圧通路７Ｗの２次圧が作用する。更に、可動バルブ４１Ｗのバルブ面４４Ｗのうち絞り孔４０Ｗの開口に対面する領域Ｓ１では実質的に２次圧が作用し、可動バルブ４１Ｗのバルブ面４４Ｗのうち絞り孔４０Ｗに非対面の領域Ｓ２には実質的に高圧通路６の１次圧が作用するといえる。

このため従来構造２に係るガス減圧弁１Ｗでは、可動バルブ４１Ｗに矢印Ｙ２方向（上向き）に作用する力と、可動バルブ４１Ｗに矢印Ｙ１方向（下向き）に作用する力とが基本的には常に均衡しており、１次側通路である高圧通路６Ｗの圧力を変化させたとしても、絞り孔４０Ｗの開度Ｌは固定的であった。

このようにガス減圧弁１Ｗでは、１次側通路である高圧通路６Ｗの圧力が変化したとしても調圧特性を変化させないようにされているものの、絞り孔４０Ｗの開度Ｌは固定的であるため、２次側通路である低圧通路７Ｗのガス流量−圧力の特性を調整するには限界があった。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池に供給する活物質を含むガスの２次通路におけるガス流量−圧力の特性を調整するのに有利な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、ダイヤフラム室とバルブ室とをもつボディと、
ボディのダイヤフラム室を第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が供給される１次側通路と、
燃料電池の燃料極または酸化剤極に繋がる２次側通路と、
１次側通路と２次側通路との間に設けられ１次側通路のガス流量を絞って１次側通路のガスを減圧させて２次側通路に供給する絞り孔と、ボディのバルブ室に嵌合され、加圧調整室を形成する受圧面をもち、絞り孔の開度を調整する可動バルブとを有する絞り孔開度可変機構とを具備する燃料電池用ガス減圧弁において、
１次側通路と加圧調整室とを連通する第１連通路と、２次側通路と加圧調整室とを連通する第２連通路と、第１連通路の開度を調整する第１弁装置と、第２連通路の開度を調整する第２弁装置とを具備することを特徴とするものである。

様相1に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、１次側通路と加圧調整室とを連通する第１連通路と、２次側通路と加圧調整室とを連通する第２連通路と、第１連通路の開度を調整する第１弁装置と、第２連通路の開度を調整する第２弁装置とを第１弁装置及び第２弁装置とが設けられている。このため第１弁装置及び／または第２弁装置の開閉度を制御すれば、加圧調整室の圧力を可変に容易に変更することができる。故に、加圧調整室の圧力により可動バルブ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。従って第１弁装置及び／または第２弁装置の開閉度を制御すれば、可動バルブ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。これにより燃料電池に供給する活物質を含むガスのガス流量−圧力の特性を調整するのに有利となる。

様相２に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、絞り孔の開度が増加する方向にダイヤフラムを付勢するダイヤフラムバネと、絞り孔の開度が減少する方向に可動バルブを付勢するバルブバネとが設けられていることを特徴とする。この場合、ダイヤフラムバネのバネ力、バルブバネのバネ力を絞り孔の開度調整に利用することができる。

様相３に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、可動バルブは、大径バルブ部と、大径バルブ部の中央域に突出する小径バルブ部とで形成されており、小径バルブ部が加圧調整室に対面することを特徴とする。この場合、第１弁装置及び／または第２弁装置の開閉度を制御すれば、加圧調整室の圧力を可変に容易に変更することができる。故に、加圧調整室の圧力により可動バルブの小径バルブ部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、可動バルブ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、可動バルブを構成する大径バルブ部の受圧面には１次側通路の圧力が作用することを特徴とする。この場合、大径バルブ部の受圧面には１次側通路の圧力を作用させることができる。

様相５に係る燃料電池用ガス減圧弁によれば、第１弁装置及び第２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。この場合、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加圧調整室の圧力を簡便に変更できる。また、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、加圧調整室の圧力を段階的または連続的に任意に変化させるのに有利である。

様相６に係る燃料電池発電システムによれば、燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、
燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料用のガス供給通路と、
燃料電池の酸化剤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。この場合、加圧調整室にガスが供給されると、加圧調整室の圧力により可動バルブの受圧面は加圧される。これにより可動バルブ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、２次側通路の圧力−流量条件を任意に設定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ができる。

（実施形態１）
本発明に係る実施形態を図１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１００用のガス減圧弁１は、燃料電池１００の燃料極１０１のガス入口１０１ｃの上流側に設けられるものである。ガス減圧弁１は、図１に示すように、ダイヤフラム室２０をもつと共にダイヤフラム室２０の下方に壁部２ｍで仕切られたバルブ室２３をもつボディ２と、ボディ２のダイヤフラム室２０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の燃料極１０１で使用される活物質を含むガス（燃料ガス）が供給される１次側通路である高圧通路６と、燃料電池１００の燃料極１０１の燃料極１０１に繋がる２次側通路である低圧通路７と、高圧通路６と低圧通路７との間に設けられた絞り孔４０をもちダイヤフラム３の変形に伴い絞り孔４０の開度Ｌを可変とする絞り孔開度可変機構４とを備えている。

高圧通路６はガス供給源６５（ガスタンク）に繋がる。ガス供給源６５の高圧の燃料ガスが高圧通路６に供給される。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。低圧通路７は燃料電池１００の燃料極１０１に繋がる。ここで、高圧及び低圧は燃料ガスの相対的な高低の意味である。従って、高圧とは低圧通路７のガス圧力よりも高圧という意味である。低圧とは高圧通路６のガス圧力よりも低圧という意味である。例えば、高圧通路６のガスの圧力ＰＨは１〜３ＭＰａにでき、低圧通路７のガスの圧力ＰＬは１００〜４００ｋＰａにできる。但しこれらに限定されるものではない。高圧通路６は絞り孔４０の上流に設けられており、低圧通路７は絞り孔４０の下流に設けられている。絞り孔４０は、燃料電池１００の燃料極１０１において使用される活物質を含む高圧通路６のガス（燃料ガス）の流量を制限して減圧し、低圧通路７に供給する。

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２ａと、大径部２ａに第１段部２ｂを介して連設され小径室２ｃをもつ小径部２ｄとを有する。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のダイヤフラム室２０を、活物質を含む燃料ガスが流入する第１室２１と燃料ガスが流入されない第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。

ダイヤフラム３の外周部３ｐ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Ｙ２（上方向）、矢印Ｙ１方向（下方向）に変形可能とされている。矢印Ｙ２方向は第１室２１の容積を増加させる方向、絞り孔４０の開度Ｌを減少させる方向を意味する。矢印Ｙ１方向は第１室２１の容積を減少させる方向、絞り孔４０の開度Ｌを増加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７を経て燃料電池１００に繋がる）の圧力がダイヤフラム３の下面である表面３ｍに作用する。

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を開閉するピストン状の可動バルブ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。可動バルブ４１は互いに背向する受圧面４７及びバルブ面４４をもつ。受圧面４７は可動バルブ４１の図示下面とされている。バルブ面４４は可動バルブ４１の図示上面とされている。絞り孔４０は、絞り孔４０を１周するリング形状の弁座部４９を片面側つまり下面側にもつ。第２支持部４３の軸部４８は、第２支持部４３から遠ざかるように下方に向けて延設され、絞り孔４０に挿通されている。

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４８の先端部（下端部）は、可動バルブ４１のバルブ面４４に当接する。ここで、弁座部４９と可動バルブ４１のバルブ面４４との間は、絞り孔４０の開度Ｌとされる。図１において開度Ｌの隙間幅は強調されているが、実際には小さいものである。可動バルブ４１のバルブ面４４は、絞り孔４０の全閉時において、絞り孔４０の弁座部４９に着座できるように弁座部４９に対面する。

図１に示すように、可動バルブ４１がボディ２のバルブ室２３には矢印Ｙ２、Ｙ１方向（上下方向）に移動可能に嵌合されている。可動バルブ４１はダイヤフラム３の図示下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、加圧調整室２６の径、加圧調整室２６に嵌合されている可動バルブ４１の径は、ダイヤフラム３の可動変形部分の径よりも小さく設定されている。

可動バルブ４１は金属製であり、実質的に剛体として機能する。可動バルブ４１の受圧面４７は加圧調整室２６に対面すると共に、可動バルブ４１のバルブ面４４は絞り孔４０側に対面する。バルブ室２３の内壁面と可動バルブ４１の外壁面との間には、リング状のシール部材５が保持されている。シール部材５のシール機能により加圧調整室２６の圧力は維持される。

図１に示すように、ボディ２のダイヤフラム室２０の第２室２２には、コイルバネで形成されたダイヤフラムバネ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４２ｈに着座し、ダイヤフラムバネ７の他端部はボディ２の着座部２ｈに着座する。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、ひいては可動バルブ４１を弁座部４９から離間させるように付勢する。即ち、ダイヤフラムバネ７は絞り孔４０の開度Ｌを増加させる方向に可動バルブ４１を付勢する。

図１に示すように、可動バルブ４１とボディ２の壁面２ｆとの間には、コイルバネで形成されたバルブバネ８が設けられている。バルブバネ８により可動バルブ４１は加圧調整室２６の容積を増加させる方向（矢印Ｙ２方向）に付勢されており、つまり、可動バルブ４１のバルブ面４４が弁座部４９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Ｌを減少させる方向に可動バルブ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。このため可動バルブ４１のバルブ面４４と第２支持部４３の軸部４８の先端部４８ａ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、可動バルブ４１、つまり、絞り孔４０を開放状態に維持するためである。

本実施形態によれば、高圧通路６と加圧調整室２６の第１開口２６ｆとを連通する第１連通路６２が設けられている。更に、低圧通路７と加圧調整室２６の第２開口２６ｓとを連通する第２連通路７２が設けられている。加圧調整室圧力可変機構９は、加圧調整室２６の圧力を可変にするものであり、第１連通路６２に設けられた第１弁装置９１と、第２連通路７２に設けられた第２弁装置９２とで構成されている。第１弁装置９１及び第２弁装置９２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。

ここで、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。

上記した本実施形態に係るガス減圧弁１を使用する際には、高圧の燃料ガスを装填したガス供給源６５から、相対的に高圧の燃料ガスが高圧通路６に供給される。その高圧のガスは、絞り孔４０の絞り度Ｌ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６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２ｋを介して低圧通路７に至り、更に燃料電池１００の燃料極１０１に供給され、発電反応に使用される。

ここで、可動バルブ４１のバルブ面４４のうち絞り孔４０に対面する領域Ｓ１（絞り孔４０の内径Ａに対面する領域）には、実質的に第１室２１の２次圧により矢印Ｙ１方向（下向き）に作用すると考えられる。また、可動バルブ４１のバルブ面４４のうち絞り孔４０に非対面の領域Ｓ２には、実質的に高圧通路６の１次圧により矢印Ｙ１方向（下向き）に作用すると考えられる。

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の閉鎖方向）に向かう力をＦ１とする。更に、バルブバネ８が可動バルブ４１を矢印Ｙ２方向（上向き,絞り孔４０の閉鎖方向）に付勢する力をＦ２とする。可動バルブ４１のバルブ面４４が矢印Ｙ１方向に向かう下向きの圧力と、可動バルブ４１の受圧面４７が加圧調整室２６のガス圧により上向きに受圧する圧力との差を力Ｆ３（上向きと仮定する）とする。また、ダイヤフラムバネ７がこれのバネ荷重により、ダイヤフラム３、第１支持部４２及び第２支持部４３を介して可動バルブ４１を矢印Ｙ１方向に向かう（下向き,絞り孔４０の開放方向）に付勢する力をＦ４とする。

矢印Ｙ２方向に向かう上向きの力Ｆ１＋力Ｆ２＋力Ｆ３の合計と、矢印Ｙ１方向に向かう下向きの力Ｆ４とが均衡した時点において、可動バルブ４１の位置が保持される。この均衡により基本的には絞り孔４０の開度Ｌは決定される。矢印Ｙ２方向に向かう上向きの力Ｆ１＋力Ｆ２＋力Ｆ３の合計、矢印Ｙ１方向に向かう下向きの力Ｆ４の大きさが変化すると、可動バルブ４の均衡する位置が変化するため、絞り孔４０の開度Ｌが変化する。

ここで、第１弁装置９１の開閉量または第２弁装置９２の開閉量を調整すれば、加圧調整室２６のガス圧力を調整することができ、可動バルブ４１の受圧面４７を矢印Ｙ２方向（上向き）に移動させる力となる。

具体的には、第２弁装置９２を閉じた状態において第１弁装置９１の全開放して高圧通路６の圧力を加圧調整室２６に導入すれば、加圧調整室２６が高圧となり、それに応じて矢印Ｙ２方向に向かう図示上向きの力Ｆ３がかなり増加する。また、第２弁装置９２を閉じた状態において第１弁装置９１の半分程度開放して高圧通路６の圧力を加圧調整室２６に導入すれば、それに応じて加圧調整室２６が高圧となり、矢印Ｙ２方向に向かう図示上向きの力Ｆ３が同様に変化し、それに応じて絞り孔４０の開度Ｌが変化する。

また第１弁装置９１を閉じた状態において第２弁装置９２の全開放して低圧通路７の圧力を加圧調整室２６に導入すれば、加圧調整室２６が増圧され、可動バルブ４１の受圧面４７に矢印Ｙ２方向（上向き）に作用する圧力が増圧され、それに応じて力Ｆ３が変化し、絞り孔４０の開度Ｌが変化する。また、第１弁装置９１を閉じた状態において第２弁装置９２の半分程度開放して低圧通路７の圧力を加圧調整室２６に導入すれば、加圧調整室２６が増圧され、可動バルブ４１部の受圧面４７に矢印Ｙ２方向（上向き）に作用する圧力が増圧され、それに応じて力Ｆ３が同様に変化し、絞り孔４０の開度Ｌが変化する。

上記したように第１弁装置９１の開閉量または第２弁装置９２の開閉量を調整すれば、可動バルブ４１が均衡位置を変化させて絞り孔４０の開度Ｌを決定できる。これにより低圧通路７の燃料ガスの流量−設定圧力（２次圧）の特性を変化させることができる。ここで、図２は高圧通路６の１次圧Ｐ１と低圧通路７の２次圧Ｐ２との関係を示す。特性線Ｂは前記した従来構造１の場合の圧力特性を示す。従来構造１では、特性線Ｂに示すように、高圧通路６Ｘの１次圧Ｐ１が増圧すると、可動バルブ４１Ｘの均衡位置が変化して絞り孔４０Ｘの開度Ｌが小さくなるため、低圧通路７Ｘの２次圧Ｐ２が次第に低下する。

また、従来構造２では、図２の特性線Ａに示すように、高圧通路６Ｗの１次圧Ｐ１が増圧したとしても、可動バルブ４１Ｗの均衡位置が基本的には一定であり、絞り孔４０Ｗの開度Ｌも基本的には固定的であり、低圧通路７Ｗの２次圧Ｐ２は基本的には変化しない。しかしながら本実施形態の場合には、加圧調整室２６の圧力が高圧通路６の１次圧としたり、低圧通路７の２次圧としたり調整することができる。このため圧力特性を特性線Ａと特性線Ｂとの間の領域Ｒにおいて調整することが可能となる。殊に、第１弁装置９１，第２弁装置９２をデューティ制御弁とすれば、加圧調整室２６の圧力を高圧通路６の１次圧と低圧通路７の２次圧との間において容易に調整することができるため、圧力特性を特性線Ａと特性線Ｂとの間の領域Ｒにおいて調整することが可能となる。

更に本実施形態によれば、図１に示すように、加圧調整室２６の圧力を監視する圧力検出手段としての圧力センサ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により加圧調整室２６の圧力を監視し、加圧調整室２６の圧力が目標圧力よりも低いときには、第１弁装置９１を開放させたり、第２弁装置９２の開度を増加させたりすれば、加圧調整室２６の圧力を増圧でき、前記した矢印Ｙ２方向に向かう力Ｆ３を増加させることができる。この場合、一般的には、第２弁装置９２を閉鎖しておくことが好ましい。

また、圧力センサ９８により加圧調整室２６の圧力を監視し、加圧調整室２６の圧力が目標圧力よりも高いときには、第２弁装置９２を開放したり、第２弁装置９２の開度を増加させれば、加圧調整室２６の圧力を減圧することができ、前記した矢印Ｙ２方向に向かう図示上向きの力Ｆ３を減少させることができる。この場合、一般的には、第１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により加圧調整室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第１弁装置９１及び／または第２弁装置９２を開開制御すれば、加圧調整室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。燃料電池１００の燃料極１０１に繋がる低圧通路７に係る燃料ガスの流量−設定圧力の特性を調整することができ、汎用性を高めることができる。

なお、第１弁装置９１及び第２弁装置９２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、第１弁装置９１または第２弁装置９２のオン操作、オフ操作を切り替えるだけで、加圧調整室２６の圧力を調整でき、低圧通路７における燃料ガスの流量−設定圧力の特性を調整することができる。

また第１弁装置９１及び第２弁装置９２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加圧調整室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７に係る燃料ガスのガス流量−２次圧Ｐ２の特性を調整することができる。つまり、燃料電池１００の燃料極１０１に供給する燃料ガスのガス流量−設定圧力（２次圧Ｐ２）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７のガス流量が増加するにつれて連続的に低圧通路７の設定圧力を高くする形態を示す。特性線Ｂ１は、低圧通路７のガス流量が増加するにつれて段階的に低圧通路７の設定圧力（２次圧Ｐ２）を高くする形態を示す。特性線Ｃ１は、低圧通路７のガス流量にかかわらず低圧通路７の設定圧力（２次圧Ｐ２）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、可動バルブ４１の背面である受圧面４７側に加圧調整室２６を設け、加圧調整室２６の圧力の高低を調整することにより、ピストン状の可動バルブ４１の駆動力を調整でき、可動バルブ４１の均衡位置を調整でき、絞り孔４０の開度Ｌの増減を調整することができ、ひいては低圧通路７における燃料ガスの流量−設定圧力の特性を調整することができる。これにより燃料電池１００の燃料極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の燃料極１０１に供給する燃料ガスを加圧調整室２６に供給して、加圧調整室２６の圧力の大小を調整することにより、絞り孔４０の開度Ｌの増減を調整することにする。即ち、燃料電池１００の燃料極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Ｌ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。

燃料電池１００発電システムに使用されるガス供給源６５側の燃料ガスの圧力は大気圧よりも高い。高圧通路６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６から高圧のガスを加圧調整室２６に供給することができ、可動バルブ４１を駆動させる駆動力を大きくでき、絞り孔４０の開度Ｌを容易に調整することができ、ひいては低圧通路７に係るガス流量−設定圧力の特性を調整することができ、以て燃料電池１００の燃料極１０１に供給される燃料ガスのガス流量−設定圧力の特性を調整することができる。

本実施形態によれば、可動バルブ４１の径はダイヤフラム３の可動変形部分の径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１００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。

なお、加圧調整室２６内のガスを排出させるときには、第１弁装置９１を閉鎖した状態で、第２弁装置９２を開放すれば、ダイヤフラムバネ７の付勢力により可動バルブ４１が矢印Ｙ１方向に加圧されるため、可動バルブ４１の受圧面４７で加圧された加圧調整室２６内の燃料ガスは第２連通路７２から低圧通路７に排出され、燃料電池１００の燃料極１０１に向けて吐出される。

本実施例によれば、絞り孔４０の開度Ｌが増加する方向にダイヤフラム３を付勢するダイヤフラムバネ７と、絞り孔４０の開度Ｌが減少する方向に可動バルブ４１を付勢するバルブバネ８とが設けられている。このため、ダイヤフラムバネ７のバネ力、バルブバネ８のバネ力を絞り孔４０の開度Ｌの調整に利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。共通の機能を奏する部位には共通の符号を付する。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、可動バルブ４１は、大径バルブ部４５と、大径バルブ部４５の中央域に突出する小径バルブ部４６とで形成されている。

大径バルブ部４５の外壁面とバルブ室２３の内壁面との間には通路２９が形成されている。通路２９を介して高圧通路６のガスはバルブ室２３に流入し、可動バルブ４１の大径バルブ部４５の受圧面４７ｒを加圧する。小径バルブ部４６は、バルブ室２３に設けられた筒壁２ｕで区画された加圧調整室２６に対面する。従って加圧調整室２６のガス圧は小径バルブ部４６の受圧面４７ｔに作用する。

バルブ室２３の内壁面と可動バルブ４１の小径バルブ４６の外壁面との間には、リング状のシール部材５が保持されている。シール部材５のシール機能により加圧調整室２６の圧力は維持される。

本実施形態においても、１次側通路である高圧通路６と加圧調整室２６とを連通する第１連通路６２と、２次側通路である低圧通路７と加圧調整室２６とを連通する第２連通路７２と、第１連通路６２の開度を調整する第１弁装置９１と、第２連通路７２の開度を調整する第２弁装置９２とが設けられている。

更に図４に示すように、加圧調整室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により加圧調整室２６の圧力を監視し、加圧調整室２６の圧力が目標圧力と異なるときには、第１弁装置９１及び／または第２弁装置９２の開閉度を調整する。

本実施形態においても、可動バルブ４１の小径バルブ部４６の背面である受圧面４７ｔに対面する加圧調整室２６を設け、第１弁装置９１及び／または第２弁装置９２の開閉により加圧調整室２６の圧力の高低を調整することにより、ピストン状の可動バルブ４１の駆動力を調整でき、絞り孔４０の開度Ｌの増減を調整することができ、ひいては低圧通路７に係る燃料ガスの流量−設定圧力の特性を調整することができる。これにより燃料電池１００の燃料極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。

（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、燃料極１０１及び酸化剤極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の燃料極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（一般的には空気）を燃料電池１００の酸化剤極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の燃料極１０１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、酸化剤ガスを燃料電池１００の酸化剤極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、高圧燃料ガス源であるガス供給源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燃料ガスは減圧弁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の燃料極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の酸化剤極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１，２によれば、ガス減圧弁１は燃料電池１００の燃料極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の空気極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。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。

実施形態１に係り、ガス減圧弁の断面図である。高圧通路の１次圧と低圧通路の２次圧との関係を示すグラフである。低圧通路のガス流量と２次圧力との関係を示すグラフである。実施形態２に係り、ガス減圧弁の断面図である。燃料電池発電システムを模式的に示す構成図である。従来構造１に係り、ガス減圧弁の断面図である。従来構造２に係り、ガス減圧弁の断面図である。

符号の説明

図中、１はガス減圧弁、２０ダイヤフラム室、２３はバルブ室、２６は加圧調整室、３はダイヤフラム、６は高圧通路（１次側通路）、６２は第１連通路、７は低圧通路（２次側通路）、７２は第２連通路、４は絞り孔開度調整機構、４０は絞り孔、４１は可動バルブ、４５は大径バルブ部、４６は小径バルブ部、４４は受圧面、４４はバルブ面、６は高圧通路（１次側通路）、６２は第１連通路、７は低圧通路（２次側通路）、７２は第２連通路、７はダイヤフラムバネ、８はバルブバネ、９１は第１弁装置、９２は第２弁装置、１００は燃料電池を示す。

Claims

ダイヤフラム室とバルブ室とをもつボディと、
前記ボディの前記ダイヤフラム室を第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が供給される１次側通路と、
燃料電池の燃料極または酸化剤極に繋がる２次側通路と、
前記１次側通路と前記２次側通路との間に設けられ前記１次側通路のガス流量を絞って前記１次側通路のガスを減圧させて前記２次側通路に供給する絞り孔と、前記ボディの前記バルブ室に嵌合され、加圧調整室を形成する受圧面をもち、前記絞り孔の開度を調整する可動バルブとを有する絞り孔開度可変機構とを具備する燃料電池用ガス減圧弁において、
前記１次側通路と前記加圧調整室とを連通する第１連通路と、前記２次側通路と前記加圧調整室とを連通する第２連通路と、前記第１連通路の開度を調整する第１弁装置と、前記第２連通路の開度を調整する第２弁装置とを具備することを特徴とする燃料電池用ガス減圧弁。
請求項１において、前記絞り孔の開度が増加する方向にダイヤフラムを付勢するダイヤフラムバネと、前記絞り孔の開度が減少する方向に前記可動バルブを付勢するバルブバネとが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。
請求項１または請求項２において、前記可動バルブは、大径バルブ部と、前記大径バルブ部の中央域に突出する小径バルブ部とで形成されており、前記小径バルブ部が前記加圧調整室に対面することを特徴とする燃料電池用ガス減圧弁。
請求項３において、前記可動バルブを構成する前記大径バルブ部の受圧面には前記１次側通路の圧力が作用することを特徴とする燃料電池用ガス減圧弁。
請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記第１弁装置及び前記第２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。
燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料用のガス供給通路と、
前記燃料電池の前記酸化剤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、
前記燃料用のガス供給通路及び前記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燃料電池発電システム。