JP2005195147A - ガス制御バルブ及び燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】２次側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ガス制御バルブ及び燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】ガス制御バルブは、受圧部材（ダイヤフラム）３と、１次側通路６１と、２次側通路７１と、１次側通路６１のガスを第１室２１を経て２次側通路７１に供給する絞り開度可変機構４と、絞り開度可変機構４の絞り開度Ｌを増加または減少させる方向に受圧部材３を付勢する弾性部材７と、絞り孔４０よりも上流側に設けられ１次側通路６１の１次圧の高低を調整する調圧機構９とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤフラム等の変形可能な受圧部材を有するガス制御バルブ、及び、そのガス制御バルブを有する燃料電池発電システムに関する。

従来、気体用バルブとして、ダイヤフラム室をもつボディと、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、ガスが供給される１次側通路である高圧通路と、２次側通路である低圧通路と、高圧通路と低圧通路との間に設けられた絞り孔をもち絞り孔の絞り開度を調整する絞り開度可変機構と、絞り開度可変機構の絞り開度を増加させる方向にダイヤフラムを付勢する付勢力を発揮するコイルバネとを備えているものが知られている（特許文献１）。

この気体用バルブによれば、高圧通路のガスが絞り孔の絞り開度で絞られて低圧通路に至る。低圧通路の圧力が増加すると、絞り孔の絞り開度を減少させる方向にダイヤフラムが変形し、これにより低圧通路の圧力の増加が抑制される。

また、従来、自動設定減圧弁として、ダイヤフラムとこのダイヤフラムを付勢する圧力設定バネとをもつ減圧弁において、圧力設定バネの弾性力を調整するモータを取り付け、モータの駆動により圧力設定バネの弾性力を調整するものが知られている（特許文献２）。この自動設定減圧弁は燃料電池発電用とは記載されていない。このものによれば、１次側通路である高圧通路の圧力がパイロット弁体を介してピストンの上面に作用している。ここで、２次側通路である低圧通路の圧力が減少してダイヤフラムが下方に変位すると、パイロット弁体が押し下げられ、主弁体であるピストンが押し下げられ、弁口の絞り開度が増加する。また２次側通路である低圧通路の圧力が増加してダイヤフラムが上方に変位すると、パイロット弁体が押し上げられ、主弁体であるピストンが押し上げられ、主弁口の絞り開度が減少する。
特開２００２−３７２１６２号公報 特開平３−２９６１１４号公報（特公平７−８２３９５号公報）

上記した特許文献１に係る気体用バルブ、特許文献２に係る自動設定用減圧弁によれば、２次側通路である低圧通路におけるガス流量−圧力の特性を調整するのに限界がある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、２次側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ガス制御バルブ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。

第１様相に係るガス制御バルブは、ボディ室をもつボディと、ボディ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、ボディ室に繋がりガスが供給される１次側通路と、ボディ室に繋がり第１室を介してガスが吐出される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次側通路のガスを第１室を経て２次側通路に供給する絞り開度可変機構と、絞り開度可変機構の絞り開度を増加または減少させる方向に前記受圧部材を付勢する付勢力を発揮する弾性部材と、絞り開度可変機構よりも上流側に設けられ１次側通路の１次圧の高低を調整する調圧機構とを具備することを特徴とするものである。

第１様相に係るガス制御バルブによれば、１次側通路のガスの流量が絞り開度可変機構の絞り開度により絞られる。これにより２次側通路におけるガスのガス流量−圧力の特性が規定される。第１様相に係るガス制御バルブによれば、調圧機構により１次側通路のガスの圧力の高低を複数の形態に設定することができる。この結果、２次側通路におけるガスのガス流量−圧力の特性を複数の形態に設定することができる。なお、前記した弾性部材としては、例えば、コイルバネや板バネ等のバネ、ゴムや樹脂等の有機系材料、発泡材料、空気バネ等の気体バネのうちの少なくとも１種を採用することができる。なお、ボディは単独でも良いし、あるいは、他の機器と共用されている形態でも良い。

第２様相に係るガス制御バルブによれば、調圧機構は、１次側通路に連通するガス孔と、ガス孔の開度を調整する調圧弁体と、調圧弁体を作動させることによりガス孔の開度を調整するアクチュエータとを具備することを特徴とするものである。アクチュエータを用いるので、ガス孔の開度を迅速に調整することができる。アクチュエータとしてはモータまたはソレノイドを例示することができる。モータとしては、回転するタイプ、直動するタイプでも良い。モータとしては、直流モータ、交流モータ、ステッピングモータ、超音波モータなどを例示できる。ソレノイドは磁気吸引力または磁気反発力に基づいて駆動するタイプを例示できる。

第３様相に係るガス制御バルブによれば、調圧機構はボディに搭載されていることを特徴とするものである。このため絞り開度可変機構を搭載するボディに調圧機構が搭載されているため、ボディの共通化が図られ、小型化に寄与するのに有利となる。

第４様相に係るガス制御バルブによれば、絞り開度可変機構は、１次側通路と２次側通路との間に設けられた絞り孔と、バルブ室と、バルブ室に設けられ絞り孔に対面する可動バルブ体と、絞り孔を閉じる方向に可動バルブ体を付勢する可動バルブ体用の付勢部材とを具備することを特徴とするものである。可動バルブ体用の付勢部材としては、コイルバネや板バネ等のバネ、ゴムや樹脂等の有機系材料、発泡材料、空気バネ等の気体バネのうちの少なくとも１種を例示できる。

第５様相の燃料電池発電システムは、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、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において燃料電池の上流に設けられた燃料電池用ガス制御バルブとを具備する燃料電池発電システムにおいて、
燃料電池用ガス制御バルブは、ボディ室をもつボディと、ボディ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、ガスが供給される１次側通路と、第１室を介してガスが吐出される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次側通路のガスを第１室を経て２次側通路に供給する絞り開度可変機構と、絞り開度可変機構の絞り開度を増加または減少させる方向に前記受圧部材を付勢する付勢力を発揮する弾性部材と、絞り開度可変機構よりも上流側に設けられ１次側通路の１次圧の高低を調整する調圧機構とを具備することを特徴とするものである。

第５様相の燃料電池発電システムに係るガス制御バルブによれば、１次側通路のガスの流量が絞り開度可変機構の絞り開度により絞られる。これにより２次側通路におけるガスのガス流量−圧力の特性が規定される。そして、調圧機構により１次側通路のガスの圧力を複数の形態に設定することができる。この結果、２次側通路におけるガスのガス流量−圧力の特性を複数の形態に設定することができる。なお、弾性部材としては、例えば、コイルバネや板バネ等のバネ、ゴムや樹脂等の有機系材料、発泡材料、空気バネ等の気体バネのうちの少なくとも１種を例示することができ、例えば付勢力をもつ付勢部材を採用することができる。

本発明に係るガス制御バルブによれば、１次側通路のガスの１次圧を調圧機構により複数の形態に設定することができる。この結果、２次側通路におけるガスのガス流量−圧力の特性を様々な形態に設定することができる。

（実施形態１）
本発明に係る実施形態１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制御バルブ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。ガス制御バルブ１はガス減圧弁であり、図１に示すように、ボディ室としてのダイヤフラム室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仕切部材として機能できる受圧部材として機能するダイヤフラム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６１と、ガス供給源６５に繋がると共に高圧通路６１よりも上流側に設けられた上流側通路６７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７１と、高圧通路６１と低圧通路７１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の絞り開度Ｌを可変とする絞り開度可変機構４とを備えている。

高圧通路６１は上流側通路６７を経てガス供給源６５（例えばガスタンク）に繋がる。ガス供給源６５の高圧の燃料ガスが上流側通路６７を経て高圧通路６１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。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７１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６１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６１のガスの圧力は１〜３ＭＰａにすることができ、低圧通路７１のガスの圧力は１０〜９００ｋＰａ、１００〜４００ｋＰａにすることができる。但しこれらに限定されるものではない。

高圧通路６１は絞り孔４０の上流に設けられており、低圧通路７１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６１のガス（燃料ガス）の流量を制限して減圧し、低圧通路７１に供給する。

図１に示すように、ボディ２はダイヤフラム室２０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仕切部材として機能することができる。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の絞り開度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の絞り開度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７１を経て燃料電池１００に繋がる）の圧力がダイヤフラム３の下面としての表面３ｍに作用する。

図１に示すように、絞り開度可変機構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）の流量を制限するようにボディ２に形成された絞り孔４０と、絞り孔４０を開閉するピストン状の可動バルブ体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。第１支持部４２及び第２支持部４３はダイヤフラム３を介して一体化されている。可動バルブ体４１は互いに背向する受圧面４７及びバルブ面４４をもつ。なお本実施形態によれば、受圧面４７は可動バルブ体４１の図示下面とされている。バルブ面４４は可動バルブ体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ており、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、可動バルブ体４１のバルブ面４４に当接する。ここで、絞り孔４０の弁座部４９と可動バルブ体４１のバルブ面４４との間は、絞り孔４０の絞り開度Ｌとされる。図１において絞り開度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。可動バルブ体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。なお、ダイヤフラムバネ７及びバルブバネ８は図面において模式化されて記載されている。

図１に示すように、可動バルブ体４１がボディ２のバルブ室２３に矢印Ｙ２、Ｙ１方向（上下方向）に移動可能に嵌合されている。可動バルブ体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、バルブ室２３の径、可動バルブ体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。可動バルブ体４１は金属製であり、実質的に剛体として機能する。可動バルブ体４１の受圧面４７はボディ２の壁面２ｆに対面すると共に、可動バルブ体４１のバルブ面４４は絞り孔４０に対面する。

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付勢部材として機能するダイヤフラムバネ７（弾性部材）がほぼ同軸的に設けられている。ダイヤフラムバネ７の一端部７ａは、絞り開度可変機構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７ｂはボディ２の着座面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（図示下方向）に付勢しており、ひいては可動バルブ体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の絞り開度Ｌを増加させる方向に可動バルブ体４１を付勢する。

図１に示すように、可動バルブ体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可動バルブ体用の付勢部材として機能するバルブバネ８が設けられている。バルブバネ８により可動バルブ体４１は矢印Ｙ２方向に付勢されており、つまり、可動バルブ体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の絞り開度Ｌを減少させる方向に可動バルブ体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体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とき、絞り孔４０を開放状態に維持するためである。なお、バルブバネ８及びダイヤフラムバネ７の材質は特に限定されず、金属、樹脂、セラミックス等のうちの少なくとも１種で形成できる。

本実施形態によれば、図１に示すように、絞り孔４０よりも上流側に位置するように調圧機構９が設けられている。調圧機構９は、１次側通路である高圧通路６１の１次圧Ｐ１の高低を調整するものである。調圧機構９は、高圧通路６１に連通するようにボディ２に形成された透孔であるガス孔９０と、ガス孔９０の開度Ｌ２を調整する調圧弁体９２と、調圧弁体９２を作動させることによりガス孔９０の開度Ｌ２を調整するアクチュエータ９３とを備えている。ガス孔９０の周囲にはリング状の着座部９０ｃが形成されている。ガス孔９０は、ガス供給源６５に繋がる上流側通路６７と高圧通路６１とを連通させるように、ボディ２において絞り孔４０よりも上流側に形成されている。ガス孔９０は絞り孔４０と直列的配置とされている。従って、ガス孔９０の流路面積を調整する調圧機構９は、絞り開度Ｌを調整する絞り開度可変機構４に対して直列的配置とされており、絞り開度可変機構４の上流側に設けられている。

調圧機構９のアクチュエータ９３はモータ（例えばＤＣモータ）であり、高さ寸法Ｈｃをもつアクチュエータ本体９４と、アクチュエータ本体９４から突出する回転可能な駆動軸９５とをもつ。駆動軸９５はこれの外周部に雄螺子部９５ａをもつ。図２から理解できるように、調圧弁体９２は、雄螺子部９５ａと螺進退可能に螺合する雌螺子部９６ａをもつ螺子孔９６と、外方に突き出してボディ２の被係合部２ｘと係合する係合部９８とを有する。係合部９８により調圧弁体９２は矢印Ｙ３，Ｙ４方向に移動できるものの、軸芯９５ｘの回りで回転することはできない。

アクチュエータ９３が回転駆動して駆動軸９５がこれの軸芯９５ｘの回りで回転すると、雄螺子部９５ａと雌螺子部９６ａとの螺進退により、調圧弁体９２は、矢印Ｙ３方向（ガス孔９０の閉鎖方向），矢印Ｙ４方向（ガス孔９０の開放方向）に移動することができる。従って、雄螺子部９５ａ及び雌螺子部９６ａは、アクチュエータ９３の回転運動を調圧弁体９２の直進運動に変換する変換機構として機能することができる。ここで、調圧弁体９２が矢印Ｙ３方向（ガス孔９０の閉鎖方向）へ移動すると、ガス孔９０の開度Ｌ２が減少し、高圧通路６１の１次圧Ｐ１は減少する。調圧弁体９２が矢印Ｙ４方向（ガス孔９０の開放方向）へ移動すると、ガス孔９０の開度Ｌ２が増加し、高圧通路６１の１次圧Ｐ１は増加する。即ち、調圧機構９の調圧作用により、調圧機構９と絞り孔４０との間に設けられている高圧通路６１の１次圧Ｐ１の高低を調整することができる。

上記した本実施形態に係るガス制御バルブ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上流側通路６７及びガス孔９０を介して高圧通路６１に供給される。その高圧のガスは、絞り孔４０の絞り開度Ｌにより流量が制限される。このため、絞り孔４０の下流に位置する第１室２１の圧力は、高圧通路６１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７１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。

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が可動バルブ体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。可動バルブ体４１のバルブ面４４が矢印Ｙ１方向に向かう下向きの圧力と、可動バルブ体４１の受圧面４７がバルブ室２３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（付勢力）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体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。

基本的には、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、可動バルブ体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の絞り開度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の絞り開度Ｌが変化する。

ここで、図３は低圧通路７１のガス流量と低圧通路７１の２次圧Ｐ２との関係を示す。特性線Ａは高圧通路６１の１次圧Ｐ１が相対的に低めのときを示す。特性線Ｂは高圧通路６１の１次圧Ｐ１が相対的に高めのときを示す。図３に示す特性線Ａ，Ｂによれば、ガスの流量が増加すれば、低圧通路７１の２次圧Ｐ２が次第に低下している。ここで、図３に示すように高圧通路６１の１次圧Ｐ１が相対的に高めのときには、高圧通路６１の１次圧Ｐ１が相対的に低めときよりも、低圧通路７１の２次圧Ｐ２は低めに発現する。その理由としては次のように推察される。即ち、絞り開度可変機構４の絞り開度Ｌは一般的には小さいため、可動バルブ体４１のバルブ面４４のうち絞り孔４０に対面する領域Ｓ１には、基本的には、低圧通路７１の２次圧Ｐ２が作用しているものと考えられる。これに対して可動バルブ体４１の受圧面４７の全体の領域Ｓ３には、基本的には、高圧通路６１の１次圧Ｐ１が作用しているものと考えられる。従って差圧ΔＰ（ΔＰ=Ｐ２−Ｐ１）が大きいほど、可動バルブ体４１は、絞り孔４０を閉鎖する方向（矢印Ｙ２方向）に変位する。このため高圧通路６１の１次圧Ｐ１が相対的に高いときには、差圧ΔＰが大きくなり、可動バルブ体４１は絞り孔４０を閉鎖する方向（矢印Ｙ２方向）に変位し、低圧通路７１のガス流量が減少していると共に低圧通路７１の２次圧Ｐ２が低下する。

このことから、調圧機構９のアクチュエータ９３で高圧通路６１の１次圧Ｐ１の高低を調整することにより、図３の特性線Ａ，Ｂに示す特性の他に、特性線Ａ，Ｂの間において特性線Ｃ，Ｄ等に示すような特性も低圧通路７１において得られる。これにより低圧通路７１の燃料ガスの流量−設定圧力（２次圧）の特性を適宜変化させることができる。故に、低圧通路７１の燃料ガスの流量−設定圧力（２次圧）の特性について、制御の多様化に貢献することができる。

ところで、燃料電池発電システムによれば、低圧通路７１における設定圧力（２次圧Ｐ２）を頻繁に変化させる傾向がある。殊に、車載の燃料電池発電システムによれば、車両負荷に応じて、低圧通路７１における設定圧力（２次圧Ｐ２）を頻繁に変化させる傾向がある。この点本実施形態によれば、高圧通路６１の１次圧Ｐ１の増減をアクチュエータ９３の駆動により行うため、応答性が良好であり、低圧通路７１におけるガス流量−設定圧力の特性を迅速に調整することができる。よって、車載の燃料電池発電システムに適する。

更に本実施形態によれば、図１に示すように、調圧機構９はボディ２に搭載されている。即ち、絞り開度可変機構４を搭載するボディ２に調圧機構９が搭載されている。このためボディ２の共通化が図られ、サイズの小型化に寄与するのに有利となる。この場合、絞り開度可変機構４と調圧機構９とがガス流れ方向において接近できる。よって、絞り開度可変機構４と調圧機構９との間の高圧通路６１の長さを短縮することができる。これにより調圧機構９が高圧通路６１の１次圧Ｐ１を迅速に調圧することができ、ひいては低圧通路７１における２次圧Ｐ２を迅速に調整するのに有利となり、応答性を向上させるのに貢献できる。

なお特許文献２のように、ダイヤフラム３を付勢するダイヤフラムバネ７の付勢力をアクチュエータとしてのモータにより調整する方式を採用することも可能である。この場合には、アクチュエータとしてのモータの駆動によりダイヤフラムバネ７の付勢力を調整するにあたり、応答性が良好であるものの、ダイヤフラム３の受圧面積は大きいため、ダイヤフラム３を付勢するダイヤフラムバネ７の付勢力を小さくするには限界がある。このため、応答性が良好であるものの、アクチュエータとしてのモータも大型化する傾向があった。この点本実施形態によれば、絞り孔４０よりも上流側に設けられ１次側通路である高圧通路６１の１次圧Ｐ１の高低を調整する調圧機構９を構成するアクチュエータ９３の小型化、省動力化を図るのに有利となる。

本実施形態によれば、図１に示すように、アクチュエータ９３はボディ２のうちダイヤフラムバネ７を収容するボディ凸部２ｘｏに隣設しているため、アクチュエータ９３は高さ寸法Ｈｃを有するものの、ボディ２の高さ寸法Ｈａを抑えるのに有利であり、ボディ２の小型化に貢献することができる。更に本実施形態によれば、調圧機構９の下流側に、絞り孔４０を有する絞り開度可変機構４が設けられているため、万一、調圧機構９のアクチュエータ９３の制御が不調になったとしても、高圧のガスが下流側に流れることが絞り開度可変機構４の絞り孔４０により抑制されるため、システムの作動性を維持するのに有利となる。

（実施形態２）
図４は実施形態２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、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。本実施形態によれば、図４に示すように、アクチュエータ９３の駆動位置Ｎ（Ｎ₁〜Ｎ_n）と、高圧通路６１の１次圧Ｐ１と、低圧通路７１におけるガス流量Ｖ−２次圧Ｐ２の特性との関係を予めマップ化し、そのマップを制御装置に搭載されているメモリなどの記憶媒体の所定のエリアに格納しておく。そして、燃料電池発電システムの制御装置からガス流量信号が出力されると、低圧通路７１の圧力を、そのガス流量を実現できる２次圧力となるように、アクチュエータ９３を制御する。このため、応答性が良好であり、低圧通路７１に係るガス流量−設定圧力の特性を迅速に調整することができる。よって、車載の燃料電池発電システムに適する。これにより燃料電池発電システムの制御性、燃費などの格段の向上を期待することができる。なお、アクチュエータ９３の駆動位置Ｎ（Ｎ₁〜Ｎ_n）はアクチュエータ９３の駆動量を検知するセンサの出力値、アクチュエータ９３がステッピングモータであるときにはステップ数等により把握される。

（実施形態３）
図５は実施形態３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、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。本実施形態によれば、図５に示すように、調圧機構３Ｂを構成するアクチュエータ９３Ｂは、駆動軸９５Ｂを矢印Ｙ３，Ｙ４方向に直進させるリニアソレノイドである。このアクチュエータ９３Ｂは、リニアソレノイドを構成するアクチュエータ本体９４Ｂと、アクチュエータ本体９４Ｂから突出する直進可能な駆動軸９５Ｂとを有する。駆動軸９５Ｂには調圧弁体９２が装備されている。アクチュエータ９３Ｂが駆動して駆動軸９５Ｂがこれの軸芯９５ｘに沿って直動すると、調圧弁体９２は、矢印Ｙ３方向（ガス孔９０の閉鎖方向），矢印Ｙ４方向（ガス孔９０の開放方向）に移動することができる。この結果、調圧機構９と絞り孔４０との間に設けられている１次側通路である高圧通路６１の１次圧Ｐ１の高低を迅速に調整することができる。

（適用形態）
図６は適用形態を示す。この適用形態によれば、燃料電池発電システムは、車載用または定置用であり、図６に示すように、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弁１０４を介して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制御バルブ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、更にガス制御バルブ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（一般的には空気等の酸素含有ガス）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によれば、受圧部材としてダイヤフラム３が用いられているが、矢印Ｙ１，Ｙ２方向に伸縮変形可能な蛇腹部をもつ蛇腹部材等の部材を採用しても良い。上記した実施形態１によれば、絞り開度可変機構４を搭載するボディ２に調圧機構９が搭載されているが、これに限らず、絞り開度可変機構４を搭載するボディ２に独立して調圧機構９が配設されていても良い。上記した実施形態１によれば、ガス制御バルブ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の酸化剤極（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、板バネなどの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。上記した実施形態１によれば、ガス制御バルブ１は燃料電池発電システムに適用されているが、これに限らず、他のシステム、機器、装置に適用することができる。上記した実施形態１によれば、ガス制御バルブ１はガス流量及びガス圧力を調整できるバルブであるが、これに限らず、ガス流量を調整するバルブ、ガス圧力を調整するバルブに適用することもできる。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。

本発明は一般的なガス配管系に利用することができ、例えば、車両用、定置用、携帯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、ガス減圧弁を模式的に示す断面図である。 調圧機構の調圧弁体付近を模式的に示す断面図である。 低圧通路のガス流量と２次圧との関係を示すグラフである。 実施形態２に係り、アクチュエータの駆動位置Ｎ（Ｎ１〜Ｎｎ）と、高圧通路の１次圧と、低圧通路におけるガス流量−２次圧の特性との関係をマップ化した図である。 実施形態３に係り、ガス減圧弁を模式的に示す断面図である。 適用形態に係り、燃料電池発電システムを模式的に示す構成図である。

符号の説明

図中、１はガス制御バルブ、２はボディ、２０ダイヤフラム室（ボディ室）、２３はバルブ室、３はダイヤフラム（受圧部材）、６１は高圧通路（１次側通路）、７１は低圧通路（２次側通路）、４は絞り開度可変機構、４０は絞り孔、４１は可動バルブ、６は高圧通路（１次側通路）、７はダイヤフラムバネ（弾性部材）、８はバルブバネ（可動バルブ用付勢部材）、９は調圧機構、９０はガス孔、９２は調圧弁体、９３はアクチュエータ、９５は駆動軸、１００は燃料電池、１０１は燃料極、１０２は酸化剤極、５は燃料用のガス供給通路、１０３は酸化剤ガス用のガス供給通路、１０５は燃料オフガス用のガス排出通路を示す。

Claims (5)

1. ボディ室をもつボディと、
   前記ボディ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、
   前記ボディ室に繋がりガスが供給される１次側通路と、
   前記ボディ室に繋がり前記第１室を介してガスが吐出される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次側通路のガスを前記第１室を経て前記２次側通路に供給する絞り開度可変機構と、
   前記絞り開度可変機構の絞り開度を増加または減少させる方向に前記受圧部材を付勢する付勢力を発揮する弾性部材と、
   前記絞り開度可変機構よりも上流側に設けられ前記１次側通路の１次圧の高低を調整する調圧機構とを具備することを特徴とするガス制御バルブ。
2. 請求項１において、前記調圧機構は、前記１次側通路に連通するガス孔と、前記ガス孔の開度を調整する調圧弁体と、前記調圧弁体を作動させることにより前記ガス孔の開度を調整するアクチュエータとを具備することを特徴とするガス制御バルブ。
3. 請求項１または請求項２において、前記調圧機構は前記ボディに搭載されていることを特徴とするガス制御バルブ。
4. 請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記絞り開度可変機構は、前記１次側通路と前記２次側通路との間に設けられた絞り孔と、バルブ室と、前記バルブ室に設けられ絞り孔に対面する可動バルブ体と、前記絞り孔を閉じる方向に前記可動バルブ体を付勢する可動バルブ体用付勢部材とを具備することを特徴とするガス制御バルブ。
5. 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、
   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において前記燃料電池の上流に設けられた燃料電池用ガス制御バルブとを具備する燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池用ガス制御バルブは、
   ボディ室をもつボディと、
   前記ボディ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、
   前記ボディ室に繋がりガスが供給される１次側通路と、
   前記ボディ室に繋がり前記第１室を介してガスが吐出される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次側通路のガスを前記第１室を経て前記２次側通路に供給する絞り開度可変機構と、
   前記絞り開度可変機構の絞り開度を増加または減少させる方向に前記受圧部材を付勢する付勢力を発揮する弾性部材と、
   前記絞り開度可変機よりも上流側に設けられ前記１次側通路の１次圧の高低を調整する調圧機構とを具備することを特徴とする燃料電池発電システム。

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