JP2005196656A - ガス制御バルブ及び燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】可動バルブ体の振動を抑制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１は、受圧部材３と、１次側通路６１と、第１室２１を介してガスが吐出される２次側通路７１と、絞り孔４０と絞り孔４０を開閉する可動バルブ体４１と絞り孔４０を閉鎖する方向（矢印Ｙ２方向）に可動バルブ体４１を付勢する可動バルブ体用弾性部材８とをもつ絞り開度可変機構４と、絞り開度可変機構４の絞り開度Ｌを増加させる方向に受圧部材３を付勢する受圧部材用弾性部材７と、抵抗部材２００とを具備する。可動バルブ体４１が絞り孔４０を閉鎖する方向に動作するとき、抵抗部材２００は可動バルブ体４１の動作に対して抵抗力を発揮する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤフラム等の受圧部材を有するガス制御バルブ、こ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、ボティ室をもつボディと、ボディのボティ室を第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と絞り孔を開閉する可動バルブ体とをもち可動バルブ体により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）。

この気体用バルブは、燃料電池用のガス流路にも使用できると記載されている。この気体用バルブによれば、高圧通路のガスが絞り孔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、ダイヤフラムの受圧力が増加してダイヤフラムが変形し、可動バルブ体が絞り孔の開度を減少させる方向に動作し、低圧通路の圧力の増加が抑制される。

また従来、ガス用減圧弁として、複数のリング部材を往復移動部材と弁ハウジングとの間に位置するように往復移動部材の外周に装着したものが知られている（特許文献２）。このものによれば、往復移動部材と弁ハウジングとの間にグリスが充填されている。グリスは複数のリング部材間に進入しており、グリスによりリング部材の摩耗が抑えられている。
特開２００２−３７２１６２号公報 特開平１１−２７０７１５号公報

上記した特許文献に係る技術によれば、下流側でガス流量が急激に変化すると、絞り孔を通過するガスの流量が急激に変化するため、可動バルブ体にハンチング的な振動が発生するおそれがある。この振動は下流側のハンチング的な圧力変動を誘発することがあり、あまり好ましいものではない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、可動バルブ体の振動を抑制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。

本発明者は上記したガス制御バルブについて鋭意開発を進めている。そして、可動バルブ体が絞り孔を閉鎖する方向に動作するとき、可動バルブ体の動作に対して抵抗力を発揮できる抵抗部材を設ければ、上記した可動バルブ体のハンチング的な振動の抑制に有効であることを知見した。

可動バルブ体のハンチング的な振動が抑制される主因としては、必ずしも明確ではないものの、次のように推察される。即ち、下流側でガス流量が急激に変化するとき、絞り孔の絞り開度が急激に小さくなることがある。このように絞り孔の絞り開度が急激に小さくなると、当該絞り開度を速い速度で通過するガスによりベルヌーイの定理に基づいて可動バルブ体が急激に閉弁方向に吸引される傾向がある。そして、このように可動バルブ体が吸引により急激に閉弁方向に動作すると、絞り孔よりも下流側のガス圧が急激に減少し、ひいては受圧部材の受圧力が減少し、再び、可動バルブ体は開弁方向に変位することになる。そして、前記した可動バルブ体の吸引による閉弁方向の急激な動作がトリガー現象（引き金現象）となり、上記したように可動バルブ体にハンチング的な振動が発生するものと推察される。このため、可動バルブ体のハンチング的な振動のトリガー現象となり得る可動バルブ体の吸引による急激な閉弁動作を抑えれば、下流側でガス流量が急激に変化するときであっても、上記した可動バルブ体の振動が抑制されるものと推察され、本発明者はこれを試験で確認した。

即ち、第１様相に係るガス制御バルブは、ボティ室をもつボディと、ボディのボティ室に配設されボティ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、ボディに設けられガスが供給される１次側通路と、ボディに設けられ前記第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絞り開度を規定する絞り孔と絞り孔を開閉する可動バルブ体と絞り孔を閉鎖する方向に可動バルブ体を付勢する可動バルブ体用弾性部材とをもち、１次側通路のガス流量を絞り開度で絞って第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させる方向に受圧部材を付勢する付勢力を発揮する受圧部材用弾性部材と、
可動バルブ体が絞り孔を閉鎖する方向に動作するとき可動バルブ体の動作に対して抵抗力を発揮する抵抗部材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次側通路のガスのガス流量が絞り開度可変機構の絞り開度により絞られる。下流側でガス流量が急激に変化すし、可動バルブ体が絞り孔を閉鎖する方向に動作するとき、可動バルブ体の動作に対して抵抗部材は抵抗力を発揮する。このため下流側でガス流量が急激に変化し、絞り孔を通過するガスの流量が急激に変化したとしても、上記したトリガー現象が抑制される。故に、可動バルブ体のハンチング的な振動は抑制され、ひいては受圧部材の振動も抑制される。

抵抗部材としては、可動バルブ体が絞り孔を閉鎖する方向に動作するとき、可動バルブ体のその動作に対して抵抗力を発揮するように機能するものであれば何でも良い。このような機能をもつ抵抗部材としては、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等のうちの少なくとも１種を例示できる。このような機能をもつ抵抗部材として、付勢力をもつ付勢部材を例示することができる。また受圧部材用弾性部材及び可動バルブ体用弾性部材としては付勢部材を例示することができ、具体的には、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等のうちの少なくとも１種を例示することができる。

第２様相に係るガス制御バルブによれば、抵抗部材は絞り孔が開放する方向に可動バルブ体を付勢するバネであることを特徴とするものである。バネとしては、前記したように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で形成したバネを例示できる。この場合、可動バルブ体が絞り孔を閉鎖する方向に動作するとき、抵抗部材は、可動バルブ体のその動作に対して抵抗力を発揮することができる。

第３様相に係るガス制御バルブによれば、抵抗部材は可動バルブ体とボディとの間に設けられ摩擦抵抗を発生させる摩擦抵抗体であることを特徴とするものである。摩擦抵抗体としては、ゴムや樹脂等の有機系材料、金属等で形成したものを例示できる。この場合、可動バルブ体が絞り孔を閉鎖する方向に動作するとき、抵抗部材は、可動バルブ体のその動作に対して抵抗力を発揮することができる。

第４様相に係るガス制御バルブによれば、可動バルブ体及びボディのうちの少なくとも一方は、絞り孔と可動バルブ体とを相対的に接近させ得るように抵抗部材を収容する凹部をもつことを特徴とするものである。この場合、絞り孔と可動バルブ体とを相対的に接近させるのに有利であり、絞り開度が小さなときに有利となる。

第５様相に係るガス制御バルブによれば、更に、受圧部材用弾性部材の付勢力を調整するアクチュエータを具備することを特徴とするものである。アクチュエータとしてはモータまたはソレノイドを例示できる。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。

ここで、受圧部材用弾性部材による付勢力の大きさを調整すれば、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調整することができる。従って、アクチュエータを作動させて弾性部材の付勢力を調整すれば、受圧部材を付勢する付勢力を調整できるので、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調整することができる。これにより２次側通路におけ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。

第６様相に係る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、ボティ室をもつボディと、ボディのボティ室に配設されボティ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、ボディに設けられガスが供給される１次側通路と、ボディに設けられ第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絞り開度を規定する絞り孔と絞り孔を開閉する可動バルブ体と絞り孔を閉鎖する方向に可動バルブ体を付勢する可動バルブ体用弾性部材とをもち、１次側通路のガス流量を絞り開度で絞って第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させる方向に受圧部材を付勢する付勢力を発揮する受圧部材用弾性部材と、可動バルブ体が絞り孔が閉鎖する方向に動作するとき可動バルブ体の動作に対して抵抗力を発揮する抵抗部材とを具備することを特徴とするものである。

この場合、燃料電池用ガス制御バルブによれば、１次側通路のガスのガス流量が絞り開度可変機構の絞り開度により絞られる。これにより燃料電池に供給するガスの流量や圧力を制御することができる。抵抗部材としては、可動バルブ体が絞り孔を閉鎖する方向に動作するとき、可動バルブ体の動作に対して抵抗力を発揮するように機能するものであれば何でも良く、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等のうちの少なくとも１種を例示できる。このような機能をもつ抵抗部材として、付勢力をもつ付勢部材を例示することができる。

受圧部材はボティ室を第１室と第２室とに区画する変形可能なものであり、受圧に伴い変形可能なダイヤフラムや蛇腹部材を例示できる。なお受圧部材の材質は特に制限されない。

本発明によれば、可動バルブ体が絞り孔を閉鎖する方向に動作するとき、抵抗部材は、可動バルブ体の動作に対して抵抗力を発揮する。このため、下流側でガス流量が急激に変化し、絞り孔を通過するガスの流量が急激に変化したとしても、可動バルブ体のハンチング的な振動は抑制される。これにより下流側のガスの圧力のハンチング現象を抑制するのに有利となる。

（実施形態１）
本発明を燃料電池発電システムに適用した実施形態１について、図１〜図４を参照して具体的に説明する。この燃料電池発電システムは、車両用、定置用、携帯用等の用途に使用することができる。本実施形態に係るガス制御バルブ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は燃料ガス（例えば水素ガスまたは水素含有ガス）用のガス減圧弁であり、図１に示すように、ボティ室２０をもつと共にボティ室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のボティ室２０を第１室２１と第２室２２とに区画する変形可能な受圧部材としてのダイヤフラム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）が供給されると共にボティ室２０の第１室２１に繋がる１次側通路である高圧通路６１と、燃料電池１００の燃料極１０１の燃料極１０１及びボティ室２０の第１室２１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。絞り孔４０の絞り開度Ｌは、ガス制御バルブ１が用いられる用途、流れるガスの組成等によっても相違するものの、例えば２ミリメートル以下,１ミリメートル以下,５００マイクロメートルとすることができる。燃料ガスの主要成分が水素ガスである場合には、粘性が低く流れ易いため、絞り開度Ｌは小さくて済む。

高圧通路６１はガス供給源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はボティ室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のボティ室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ため、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。

仕切部材として機能できるダイヤフラム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。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４８ａ（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。

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のボティ室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のダイヤフラムバネ７（受圧部材用弾性部材）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は後述の可動体９２のリング状の着座面９２ｈ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のバルブ室２３の壁面２ｆとの間には、コイルバネで形成された付勢部材として機能するバルブバネ８（可動バルブ体用弾性部材）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。

前述したように、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。

図１に示すように、ダイヤフラムバネ７の付勢力を調整するアクチュエータ９がボディ２に設けられている。アクチュエータ９はモータ（例えば直流モータ）であり、アクチュエータ本体９０と、アクチュエータ本体９０から突出する回転可能な駆動軸９１とをもつ。駆動軸９１の外周部には雄螺子部９１ｃが形成されている。アクチュエータ９とダイヤフラム３との間には、つまり、アクチュエータ９とダイヤフラムバネ７との間には駆動力伝達機構としてのピストン状の可動体９２が設けられている。可動体９２は、着座面９２ｈをもつ大径部９２ａと、大径部９２ａに一体的な筒形状の小径部９２ｃとをもつ。

図２に示すように、可動体９２の外壁には、ボディ２の被係合部２ｍと係合する係合部９２ｍが設けられており、可動体９２は図１に示す矢印Ｙ１，Ｙ２方向（絞り孔４０の開放方向、閉鎖方向）に直動できるものの、可動体９２の周方向（図２に示す矢印Ｒ１方向,Ｒ２方向）には回動できないように設定されている。可動体９２の小径部９２ｃの中央域に形成された孔９３の内周部には、雌螺子部９３ｃが形成されている。雌螺子部９３ｃと雄螺子部９１ｃとは互いに螺進退可能に螺合している。アクチュエータ９が一方向に駆動して駆動軸９１がこれの軸芯９１ｐの周りで一方向に回転すると、可動体９２が矢印Ｙ１方向（絞り孔４０の開放方向）に移動し、ダイヤフラムバネ７の長さＫＡが縮み、ダイヤフラムバネ７の付勢力が大きくなる。これに対して、アクチュエータ９が他方向に駆動して駆動軸９１がこれの軸芯９１ｐの周りで他方向に回転すると、可動体９２が矢印Ｙ２方向（絞り孔４０の閉鎖方向）に向けて移動し、ダイヤフラムバネ７の長さＫＡが拡張し、ダイヤフラムバネ７の付勢力が小さくなる。

本実施形態によれば、図１に示すように、抵抗部材として機能することができる抵抗バネ２００（付勢部材）が設けられている。この抵抗バネ２００は、絞り開度可変機構４の軸部４８に対してほぼ同軸的に配置されており、コイルバネで形成されている。従ってこの抵抗バネ２００はリング形状の弁座部４９の周囲に配置されている。この抵抗バネ２００は、可動バルブ体４１のバルブ面４４と、ボディ２のうち絞り孔４０の周囲の壁面２ｒとの間に介装されている。なお、図面において、抵抗バネ２００は前記したダイヤフラムバネ７及びバルブバネ８と同様に模式化して記載されている。

この抵抗バネ２００は、バルブバネ８の付勢方向（矢印Ｙ２方向）に対して逆方向（矢印Ｙ１方向）に向かう付勢力を有する。つまり、抵抗バネ２００は、可動バルブ体４１が絞り孔４０を開放する方向（矢印Ｙ１方向）に可動バルブ体４１のバルブ面４４を付勢している。このため可動バルブ体４１が絞り孔４０を閉鎖する方向（矢印Ｙ２方向）に動作するとき、抵抗バネ２００は可動バルブ体４１の動作に対して抵抗力を発揮する。

本実施形態によれば、ダイヤフラムバネ７の長さをＫＡ、バルブバネ８の長さをＫＢ、抵抗バネ２００の長さをＫＣとすると、ＫＡ＞ＫＢ＞ＫＣに設定されている。また、ダイヤフラムバネ７のバネ定数をＫ１、バルブバネ８のバネ数をＫ２、抵抗バネ２００のバネ定数をＫ３とすると、Ｋ１＞Ｋ２＞Ｋ３に設定されている。なお、ダイヤフラムバネ７、バルブバネ８、抵抗バネ２００の材質としては特に限定されず、金属（例えば鉄系、ステンレス鋼系、チタン系、アルミニウム系）、セラミックス、硬質樹脂等のうちの少なくとも１種を採用することができる。

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。

本実施形態によれば、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。抵抗バネ２００が可動バルブ体４１を矢印Ｙ１方向（下向き）に付勢する力をＦ５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＋Ｆ５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＋Ｆ５の大きさが変化すると、可動バルブ体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、アクチュエータ９の駆動量を調整すれば、矢印Ｙ１，Ｙ２方向における可動体９２の移動位置を調整することができ、ひいてはダイヤフラムバネ７の付勢力を増加させる方向または減少させる方向に調整することができる。これ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）ように付勢する力Ｆ４＋Ｆ５を調整することができ、それに応じて絞り孔４０の絞り開度Ｌが調整される。

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、ダイヤフラムバネ７の一端部７ａがある位置に存在する場合における圧力特性を示す。特性線Ｂは、ダイヤフラムバネ７の一端部７ａが別のある位置に存在する場合における圧力特性を示す。特性線Ａ，特性線Ｂによれば、ガス流量が増加すれば、低圧通路７１の２次圧Ｐ２が次第に低下している。

本実施形態によれば、上記したようにアクチュエータ９の駆動量を調整すれば、可動体９２の位置を調整でき、ひいてはダイヤフラムバネ７の付勢力を調整でき、これにより絞り孔４０の絞り開度Ｌを適宜調整することができる。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）の特性を変化させることができる。この結果、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、図３に示す特性線Ｃ，Ｄに示すように、複数の形態を実現することが可能である。

更に、アクチュエータ９の駆動量を調整すれば、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、図４に示す特性線Ｅに示すように、ガス流量が増加するとき低圧通路７１の２次圧Ｐ２を次第に増加させるようにしたり、図４に示す特性線Ｆに示すように、ガス流量が増加するものの、低圧通路７１の２次圧Ｐ２を一定域に維持したりすることもできる。

燃料電池発電システムによれば、低圧通路７１における２次圧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２次圧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、ダイヤフラムバネ７の付勢力の増減をアクチュエータ９の駆動により行うため、応答性が良好であり、ダイヤフラムバネ７の付勢力を速い速度で増減させることができる。従って、絞り孔４０の絞り開度Ｌを迅速に調整することができ、ひいては低圧通路７１に係るガス流量−２次圧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。殊に、ダイヤフラムバネ７の付勢力を調整するのはアクチュエータ９であり、パイロット弁を介さないため、応答性を高めることができる。

ところで、下流側のガス消費度合に基づいて可動バルブ体４１が絞り孔４０を閉鎖する方向（矢印Ｙ２方向）に急激に動作するときがある。この場合、可動バルブ体４１の矢印Ｙ２方向への動作に対して、抵抗バネ２００は抵抗力を発揮する。このため下流側でガス流量が急激に変化し、絞り孔４０を通過するガスの流量が急激に変化し、可動バルブ体４１が絞り孔４０を閉鎖する方向（矢印Ｙ２方向）に動作するとき、抵抗バネ２００の付勢力は、可動バルブ体４１の動作に対して抵抗力を発揮する。

この結果、可動バルブ体４１が振動するトリガーとなり得る可動バルブ体４１の吸引による急激な閉弁方向の動作を抑えることができる。このため、下流側でガス流量が急激に変化するときであっても、上記した可動バルブ体４１のハンチング的な振動が抑制される。ひいてはダイヤフラム３の振動も抑制され、下流側でのガスの圧力のハンチングが抑制される。更に本実施形態によれば、バルブ室２３にはグリスが充填されていないため、グリスが下流側の燃料電池に送られることが阻止され、燃料電池に悪影響を与えることが阻止されている。

（実施形態２）
図５は実施形態を示す。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、アクチュエータ９の駆動軸９１の先端の駆動位置Ｎ（Ｎ₁〜Ｎ_n）と、ガス流量−設定圧力の特性との関係を予めマップ化し、そのマップを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９の駆動軸９１の駆動位置を制御する。これによりダイヤフラムバネ７の付勢力の増減をアクチュエータ９の駆動により行う。このため、応答性が良好であり、ダイヤフラムバネ７の付勢力を速い速度で増減させることができる。従って、絞り孔４０の絞り開度Ｌを迅速に調整することができ、ひいては低圧通路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、駆動位置Ｎはアクチュエータ９の駆動を検知するセンサの出力値、アクチュエータ９がステッピングモータであるときにはステップ数等て把握できる。

（実施形態３）
図６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、作用効果を有するものであり、可動バルブ体４１が振動するトリガーとなり得る可動バルブ体４１の吸引による急激な閉弁方向の動作を抑えることができ、このため、下流側でガス流量が急激に変化するときであっても、上記した可動バルブ体４１のハンチング的な振動が抑制される。前記した実施形態１と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６に示すように、ダイヤフラムバネ７の付勢力を調整するためのアクチュエータが設けられていない。従ってダイヤフラムバネ７の付勢力は固定的である。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の壁面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）に付勢している。

（実施形態４）
図７は実施形態４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、作用効果を有するものであり、可動バルブ体４１のハンチング的な振動が抑制される。実施形態１と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７に示すように、抵抗部材として機能できるコイル形状の抵抗バネ２００（付勢部材）が、絞り開度可変機構４の軸部４８に対してほぼ同軸的に配置されている。そして可動バルブ体４１のバルブ面４４には、抵抗バネ２００の一部２００ｓを収容するリング形状の第１凹部２５１が形成されている。ボディ２のうち弁座部４９の回りには、抵抗バネ２００の他の部分２００ｔを収容するリング形状の第２凹部２５２が形成されている。第１凹部２５１と第２凹部２５２とは同軸的に配置されており、互いに対面している。第１凹部２５１と第２凹部２５２は、抵抗バネ２００の軸長方向の長さを確保しつつ、絞り孔４０と可動バルブ体４１とを相対的に接近させ、絞り開度Ｌを小さくできるようにしている。水素ガスを主要成分とするガスは、かなり狭い流路でも流動できるため、絞り開度Ｌは一般的に小さいためである。なお、絞り開度Ｌとしては特に限定されるものではないが、例えば、２ミリメートル以下、１ミリメートル以下、１００マイクロメートル以下にすることができる。更に、可動バルブ体４１の受圧面４７にも、コイル形状のバルブバネ８の一部８ｔを収容する第３凹部２５５が形成されている。これによりボディ２の壁面２ｆと可動バルブ体４１の受圧面４７との距離を小さくでき、小型化に有利となる。

（実施形態５）
図８は実施形態５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８に示すように、コイル形状の抵抗バネに代えて、軟質な弾性材料（例えばゴム、軟質樹脂、発泡体等）で形成された筒形状をなす抵抗部材２１０が設けられている。この抵抗部材２１０は、絞り開度可変機構４の軸部４８に対してほぼ同軸的に配置されている。そして、可動バルブ体４１のバルブ面４４には、抵抗部材２１０の一部を収容するリング形状の第１凹部２５１が形成されている。ボディ２のうち弁座部４９の回りには、抵抗部材２１０の他の部分を収容するリング形状の第２凹部２５２が形成されている。図８に示すように、第１凹部２５１と第２凹部２５２とは同軸的に配置されており、互いに対面している。第１凹部２５１及び第２凹部２５２は、抵抗部材２１０の長さを確保しつつ、絞り孔４０と可動バルブ体４１とを相対的に接近させ、絞り開度Ｌを小さくできるようにしている。

（実施形態６）
図９は実施形態５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９に示すように、抵抗部材として機能する摩擦抵抗体２２０はリング形状をなしており、可動バルブ体４１の外壁面４１ｏにおいて、取付部としてのリング溝４１ｐに装備されている。摩擦抵抗体２２０はゴム、樹脂（例えばフッ素樹脂系）、金属（例えば鉄系、ステンレス系、アルミニウム系、チタン系）のうちの少なくとも１種を基材としてリング形状に形成することができる。具体的には、摩擦抵抗体２２０は可動バルブ体４１の外壁面４１ｏの取付部としてのリング溝４１ｐに設けられている。摩擦抵抗体２２０の外壁面は可動バルブ体４１の外壁面４１ｏよりも外方に突出しており、ボディ２のバルブ室２３の内壁面２３ｉと摺接し、摩擦抵抗を発生させる。

上記したように摩擦抵抗体２２０は摩擦抵抗を発生させる。故に、摩擦抵抗体２２０は可動バルブ体４１が絞り孔４０を閉鎖する方向（矢印Ｙ２方向）に急激に動作するとき、可動バルブ体４１のその動作に対して抵抗力を発揮する。この結果、可動バルブ体４１が振動するトリガーとなり得る可動バルブ体４１の吸引による閉弁を抑えることができる。このため、下流側でガス流量が急激に変化するときであっても、上記した可動バルブ体４１の振動が抑制される。更にバルブ室２３は、グリスが充填されていないグリスレス方式とされているため、グリスが下流側の燃料電池に送られることが阻止され、燃料電池に悪影響を与えることが阻止されている。但し、必要に応じて、摩擦抵抗体２２０をグリスやオイルに触れることにしても良い。なお、６１ｒはバルブ室２３と高圧通路６１とを連通させる連通路である。

（実施形態７）
図１０は実施形態７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１０に示すように、ボディ２のバルブ室２３の壁面２ｆには凸部２８が形成されている。可動バルブ体４１の受圧面４７には、凸部２８と嵌合可能な嵌合穴４７１が形成されている。抵抗部材として機能する摩擦抵抗体２３０はリング形状をなしており、凸部２８のうち取付部としてのリング溝２８ａに設けられている。摩擦抵抗体２３０の外壁面は、凸部２８の外壁面２８ｏよりも径外方に突出しており、可動バルブ体４１の嵌合穴４７１の内壁面４７２と摺接し、摩擦抵抗を発生させる。摩擦抵抗体２３０はゴム、樹脂（例えばフッ素樹脂系）、金属（例えば鉄系、ステンレス系、アルミニウム系、チタン系）のうちの少なくとも１種を基材として形成することができる。本実施形態においてもバルブ室２３にはグリスが充填されていないため、グリスが下流側の燃料電池に送られることが阻止され、燃料電池に悪影響を与えることが阻止されている。但し、必要に応じて、摩擦抵抗体２２０をグリスやオイルに触れることにしても良い。

（適用形態）
図１１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１１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側に減圧バルブ１０８が設けられ、更に、減圧バルブ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バルブ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）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。前述したように、本適用形態によれば、ガス制御バルブ１のダイヤフラムバネ７の付勢力の増減をアクチュエータ９の駆動により行う。このため応答性が良好であり、ダイヤフラムバネ７の付勢力を速い速度で増減させることができる。従って、ガス制御バルブ１の絞り孔４０の絞り開度Ｌを迅速に調整することができ、ひいては低圧通路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、車載用または定置用の燃料電池発電システムに適する。

（その他）
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制御バルブ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制御バルブ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、絞り開度Ｌは、例えば２ミリメートル以下,１ミリメートル以下,５００マイクロメートルとされているが、これに限られるものではなく、上記した値よりも更に大きくすることもできる。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が採用されているが、矢印Ｙ１，Ｙ２方向に伸縮可能な蛇腹構造をもつ蛇腹部材を受圧部材として用いても良い。

ボディ２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。
上記した実施形態１によれば、ガス制御バルブ１はガス圧力及びガス流量を調整できるが、ガス圧力を調整するガス制御バルブでも良いし、ガス流量を調整できるを調整するガス制御バルブでも良い。

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、ガスの圧力、流量等を制御する他のシステム、装置、設備等に適用しても良いものである。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。

本発明はガスの圧力、流量等を制御するシステム、装置、設備等に適用することができる。

実施形態１に係り、ガス制御バルブを模式的に示す断面図である。 ガス制御バルブの可動体付近を模式的に示す断面図である。 低圧通路の２次圧とガス流量との関係を示すグラフである。 低圧通路の２次圧とガス流量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と低圧通路のガス流量及び２次圧との関係に係るマップを示す構成図である。 実施形態３に係り、ガス制御バルブを模式的に示す断面図である。 実施形態４に係り、ガス制御バルブの要部付近を模式的に示す断面図である。 実施形態５に係り、ガス制御バルブの要部付近を模式的に示す断面図である。 実施形態６に係り、ガス制御バルブの要部付近を模式的に示す断面図である。 実施形態７に係り、ガス制御バルブの要部付近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、２０はボティ室、２１は第１室、２２は第２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は可動バルブ体、６は高圧通路（１次側通路）、７はダイヤフラムバネ（ダイヤフラム用弾性部材）、８はバルブバネ（可動バルブ体用弾性部材）、１００は燃料電池、１０１は燃料極、１０２は酸化剤極、２００は抵抗バネ（抵抗部材）、２５１は第１凹部、２５２は第２凹部、２２０は摩擦抵抗体（抵抗部材）、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を示す。

Claims (6)

1. ボティ室をもつボディと、
   前記ボディの前記ボティ室に配設され前記ボティ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、
   前記ボディに設けられガスが供給される１次側通路と、
   前記ボディに設けられ前記第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絞り開度を規定する絞り孔と前記絞り孔を開閉する可動バルブ体と前記絞り孔を閉鎖する方向に前記可動バルブ体を付勢する可動バルブ体用弾性部材とをもち、前記１次側通路のガス流量を前記絞り開度で絞って前記第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受圧部材用弾性部材と、
   前記可動バルブ体が前記絞り孔を閉鎖する方向に動作するとき前記可動バルブ体の動作に対して抵抗力を発揮する抵抗部材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、前記抵抗部材は前記絞り孔が開放する方向に前記可動バルブ体を付勢する付勢部材であることを特徴とするガス制御バルブ。
3. 請求項１において、前記抵抗部材は前記可動バルブ体と前記ボディとの間に設けられ摩擦抵抗を発生させる摩擦抵抗体であ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、前記可動バルブ体及び前記ボディのうちの少なくとも一方は、前記絞り孔と前記可動バルブ体とを相対的に接近させ得るように前記抵抗部材を収容する凹部をもつことを特徴とするガス制御バルブ。
5. 請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、更に、前記受圧部材用弾性部材の付勢力を調整するアクチュエータを具備することを特徴とするガス制御バルブ。
6. 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、
   ボティ室をもつボディと、
   前記ボディの前記ボティ室に配設され前記ボティ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、
   前記ボディに設けられガスが供給される１次側通路と、
   前記ボディに設けられ前記第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た絞り開度を規定する絞り孔と前記絞り孔を開閉する可動バルブ体と前記絞り孔を閉鎖する方向に前記可動バルブ体を付勢する可動バルブ体用弾性部材とをもち、前記１次側通路のガス流量を前記絞り開度で絞って前記第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受圧部材用弾性部材と、
   前記可動バルブ体が前記絞り孔が閉鎖する方向に動作するとき前記可動バルブ体の動作に対して抵抗力を発揮する抵抗部材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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