JP2005227867A

JP2005227867A - 圧力調整弁

Info

Publication number: JP2005227867A
Application number: JP2004033639A
Authority: JP
Inventors: Goji Katano; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: JP4367160B2

Abstract

【課題】本発明は圧力調整弁に関し、流量の増大に応じて調圧値が増大するような調圧特性を外部からの制御圧の供給を必要とすることなく単独で実現できるようにする。
【解決手段】内部の流体の圧力を閉方向の推力として弁体８に作用させるバランス室１８を一次側流路３０及び二次側流路３８とは隔離して設ける。そして、一次側流路３０に形成された絞り部４０とバランス室１８とを連通路４２によって連通させ、バランス室１８に絞り部４０を流れる流体の静圧を導入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次側流路に流入する流体を調圧して二次側流路に排出する圧力調整弁に関し、特に、燃料電池のアノードに水素を供給するための水素供給管に配置して好適な圧力調整弁に関する。

燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスが接触しカソードに空気などの酸素を含む酸化ガスが接触することにより両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。このような燃料電池を備えた従来の燃料電池システムでは、一般に、高圧水素タンクから供給される燃料ガスを燃料電池のアノードに供給するとともに、コンプレッサにより取り込んだ空気をカソードに供給している。

従来の燃料電池システムでは、カソードに供給される空気の圧力はコンプレッサによる空気の供給量を制御することで燃料電池の要求出力に応じた圧力に調整される。一方、アノードに供給される燃料ガスの圧力は、例えば特許文献１に記載されるように、燃料ガスの供給ラインに設けられた圧力調整弁によってカソードへの供給空気圧に応じた圧力に調整される。特許文献１に記載される圧力調整弁は空気式の比例圧力制御弁であり、これは、コンプレッサから供給される空気の圧力を信号圧とし、圧力調整弁の出口圧が信号圧に応じた圧力になるように燃料ガスの圧力を減圧制御するものである。
特開２００２−３７３６８２号公報

しかしながら、上記従来技術のような圧力調整弁では、圧力調整弁に空気圧を供給するための経路をカソード側から配管する必要があり装置構成が複雑化してしまう。特に車載用燃料電池システムの場合には、設置スペースの制約上、装置構成は可能なかぎり簡略化したい。また、外部から取り込まれる空気には油脂類等の不純物が混入する可能性があるため、不純物の堆積によって圧力調整弁が故障するおそれもある。さらに、従来の圧力調整弁では、燃料電池の要求出力の変化に応じて空気流量が調整され、空気流量の調整により空気圧が変化してから燃料ガスの圧力調整が行われることになるため、燃料電池の要求出力が変化してから燃料ガスの圧力が調整されるまで時間遅れが生じてしまう。

従来の圧力調整弁における上記のような不都合は、カソードに供給される空気の圧力を圧力調整弁の調圧値を制御するための制御圧として用いていることに起因する。カソードへの供給空気を用いることなく単独で調圧値を制御可能な圧力調整弁を実現できるならば、上記のような不都合は回避できると考えられる。ただし、燃料電池の運転性能を考慮するならば、燃料ガスの流量の増大に応じて調圧値も増大するような調圧特性は得られるようにしたい。このような調圧特性によれば、常時一定圧に制御する場合に比較して燃料電池の発電効率と耐久性を向上させることが可能になるからである。また、高流量時に高圧化されることで燃料ガスの流路を小径化できるという利点もある。さらに、排気弁を開いてのパージ時には燃料ガスの流量が増大するが、その際の調圧値が増大することで、小型の排気弁でも必要量の燃料ガスを必要時間内にパージすることが可能になるという利点もある。なお、以上の要求を満たす圧力調整弁としては調圧値を電気的に制御可能な電磁弁が考えられるが、装置の信頼性の観点からは、そのような電気的手段を用いるものではなく純粋に機械的な手段のみによって調圧値を制御できるものが望ましい。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、流量の増大に応じて調圧値が増大するような調圧特性を外部からの制御圧の供給を必要とすることなく単独で実現できるようにした機械式の圧力調整弁を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、一次側流路に流入する流体を調圧して二次側流路に排出する圧力調整弁において、
前記一次側流路と前記二次側流路との間の開口部に設けられた弁座と、
前記弁座に対し変位可能に配置された弁体と、
前記弁体に連結され前記弁体の変位量に応じた開方向の推力を前記弁体に作用させるスプリングと、
前記弁体に連結され前記二次側流路の流体の圧力を受けて閉方向の推力を前記弁体に作用させるダイヤフラムと、
前記一次側流路及び前記二次側流路とは隔離して設けられ内部の流体の圧力を閉方向の推力として前記弁体に作用させるバランス室と、
前記一次側流路に形成された絞り部と、
前記絞り部と前記バランス室とを連通させる連通路と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、上記の目的を達成するため、一次側流路に流入する流体を調圧して二次側流路に排出する圧力調整弁において、
前記一次側流路と前記二次側流路との間の開口部に設けられた弁座と、
前記弁座に対し変位可能に配置された弁体と、
前記弁体に連結され前記弁体の変位量に応じた開方向の推力を前記弁体に作用させるスプリングと、
前記一次側流路及び前記二次側流路とは隔離して設けられた圧力室と、
前記弁体に連結され前記圧力室の流体の圧力を受けて閉方向の推力を前記弁体に作用させるダイヤフラムと、
前記二次側流路に形成された絞り部と、
前記絞り部と前記圧力室とを連通させる連通路と、
を備えることを特徴としている。

第３の発明は、上記の目的を達成するため、一次側流路に流入する流体を調圧して二次側流路に排出する圧力調整弁において、
前記一次側流路と前記二次側流路との間の開口部に設けられた弁座と、
前記弁座に対し変位可能に配置された弁体と、
前記弁体に連結され前記弁体の変位量に応じた開方向の推力を前記弁体に作用させるスプリングと、
前記弁体に連結され前記二次側流路の流体の圧力を受けて閉方向の推力を前記弁体に作用させるダイヤフラムと、
前記一次側流路及び前記二次側流路とは隔離して設けられ内部の流体の圧力を閉方向の推力として前記弁体に作用させるバランス室と、
前記二次側流路に形成された絞り部と、
前記絞り部と前記バランス室とを連通させる連通路と、
を備えることを特徴としている。

また、第４の発明は、水素を含む燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス通路とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス通路に上記の第１乃至第３の何れか１つの発明にかかる圧力調整弁が配置されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、一次側流路に流入する流体の流量が増大したときには、絞り部での流体の流速が増大することにより、連通路によって絞り部に連通しているバランス室内の流体の圧力は低下する。弁体はスプリングから受ける開方向の推力と、ダイヤフラムを介して二次側流路の流体から受ける閉方向の推力と、バランス室の流体から受ける閉方向の推力とが釣り合う位置に変位するので、バランス室の流体から受ける閉方向の推力の低下によって弁体は開方向に駆動され、これにより二次側流路の流体の圧力は上昇する。このように、第１の発明によれば、流量の増大に応じて調圧値が増大するような調圧特性を機械的な手段によって、しかも、外部からの制御圧の供給を必要とすることなく単独で実現することができる。

第２の発明によれば、一次側流路に流入する流体の流量が増大したときには、二次側流路に排出される流体の流量も増大して絞り部での流体の流速が増大することにより、連通路によって絞り部に連通している圧力室内の流体の圧力は低下する。弁体はスプリングから受ける開方向の推力と、ダイヤフラムを介して圧力室の流体から受ける閉方向の推力とが釣り合う位置に変位するので、ダイヤフラムを介して圧力室の流体から受ける閉方向の推力の低下によって弁体は開方向に駆動され、これにより二次側流路の流体の圧力は上昇する。このように、第２の発明によれば、流量の増大に応じて調圧値が増大するような調圧特性を機械的な手段によって、しかも、外部からの制御圧の供給を必要とすることなく単独で実現することができる。

第３の発明によれば、一次側流路に流入する流体の流量が増大したときには、二次側流路に排出される流体の流量も増大して絞り部での流体の流速が増大することにより、連通路によって絞り部に連通しているバランス室内の流体の圧力は低下する。弁体はスプリングから受ける開方向の推力と、ダイヤフラムを介して二次側流路の流体から受ける閉方向の推力と、バランス室の流体から受ける閉方向の推力とがバランスする位置に変位するので、バランス室の流体から受ける閉方向の推力の低下によって弁体は開方向に駆動され、これにより二次側流路の流体の圧力は上昇する。このように、第３の発明によれば、流量の増大に応じて調圧値が増大するような調圧特性を機械的な手段によって、しかも、外部からの制御圧の供給を必要とすることなく単独で実現することができる。

第４の発明によれば、上記のような機械式の圧力調整弁が燃料ガス通路に配置されることで信頼性の高い燃料電池システムを実現することができる。しかも、上記の圧力調整弁は流量の増大に応じて調圧値が増大するような調圧特性を有しているので、常時一定圧に制御する場合に比較して燃料電池の発電効率と耐久性を向上させることが可能になる等、燃料電池の運転において有利になるという利点もある。

実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１としての圧力調整弁２Ａの構成を示す概略断面図である。圧力調整弁２Ａは、外殻を構成する第１ケーシング４と第２ケーシング６とを有している。第１ケーシング４と第２ケーシング６との間にはダイヤフラム１０が挟まれており、第１ケーシング４と第２ケーシング６とにより形成される内部空間１４，３８はダイヤフラム１０によって仕切られている。

第１ケーシング４とダイヤフラム１０とにより形成される空間１４は、大気圧が導入される背圧室になっている。背圧室１４にはスプリング１６が配置され、第１ケーシング４とダイヤフラム１０とを接続している。スプリング１６は流体の調圧値の基準値を設定するために用いられ、ダイヤフラム１０を背圧室１４とは逆側に付勢している。

一方、第２ケーシング６とダイヤフラム１０とにより形成される空間３８は、調圧される流体の二次側流路を構成している。二次側流路３８は第２ケーシング６の側面に形成された流体出口３９に接続されている。ダイヤフラム１０には、この二次側流路３８の流体の圧力と背圧室１４の大気圧との差圧による力がダイヤフラム１０を変位させる推力として作用するようになっている。

第２ケーシング６には、調圧される流体の一次側流路３０も形成されている。一次側流路３０は二次側流路３８に関し背圧室１４とは逆側に設けられている。一次側流路３０と二次側流路３８との間は隔壁３６によって仕切られているが、隔壁３６には一次側流路３０と二次側流路３８とを連通させる開口部３４が形成されている。一次側流路３０は第２ケーシング６の側面に形成された流体入口３２に接続されており、流体入口３２から一次側流路３０に流入した流体が開口部３４を通って二次側流路３８に流入し、流体出口３２から外部に排出されるようになっている。

また、第２ケーシング６には、一次側流路３０から二次側流路３８に流入する流体を調圧するための弁機構が設けられている。弁機構は開口部３４に形成された弁座２４と弁座２４に対して変位可能な弁体８とからなる。弁座２４は開口部３４の一次側流路３０側の周縁に形成され、弁体８は弁座２４に対して一次側流路３０側から接近／離隔できるように第２ケーシング６に軸受け２２を介して支持されている。軸受け２２は弁体８を軸方向に移動可能に支持しており、弁体８の軸方向への移動によって弁体８の弁座２４に対する変位量、すなわち弁体８の開度が変化するようになっている。

弁体８には、弁座２４側に延びる連結棒１２が備えられている。この連結棒１２は開口部３４を通り、二次側流路３８に面しているダイヤフラム１０の中心部に連結されている。これにより弁体８とダイヤフラム１０とは一体化され、弁体８には、スプリング１６の付勢力とダイヤフラム１０が二次側流路３８の流体から受ける力とが連結棒１２を介して作用する。

また、第２ケーシング６には、弁体８に関し一次側流路３０と反対側にバランス室１８が形成されている。弁体８はその弁座２４に接する面と反対側の面をバランス室１８内に露出している。バランス室１８内には流体が充填されており、その流体の圧力が弁体８を閉方向に駆動する推力として弁体８に作用している。さらに、バランス室１８内にはスプリング２０が配置され、第２ケーシング４と弁体８とを接続している。スプリング２０は流体の調圧値の基準値を調整するために用いられ、弁体８を閉方向に付勢している。なお、このスプリング２０はスプリング１６が弁体８に作用させている付勢力を調整するために設けられているので、スプリング１６のバネ定数の設定等、設計によりスプリング２０を省略することは可能である。

バランス室１８は一次側流路３０や二次側流路３８から隔離された密閉空間として構成されている。バランス室１８には、圧力を導入するための連通路４２が接続されており、連通路４２の反対側の端部は一次側流路３０に接続されている。より具体的には、一次側流路３０には流路面積が絞られたオリフィス（絞り部）４０が形成されており、連通路４２はこのオリフィス４０に接続されてオリフィス４０を通過する流体の静圧をバランス室１８に導入している。したがって、オリフィス４０における静圧が変化すればバランス室１８の流体の圧力も変化し、バランス室１８の流体から弁体８に作用する閉方向の推力も変化するようになっている。

以上のような構成により、弁体８には、スプリング１６から受ける開方向の推力、ダイヤフラム１０を介して二次側流路３８の流体から受ける閉方向の推力、スプリング２０から受ける閉方向の推力、及び、バランス室１８の流体から受ける閉方向の推力が作用する。スプリング１６とスプリング２０とでは、スプリング１６のほうのバネ力が大きいので、弁体８には両スプリング１６，２０のバネ力差と弁体８の変位量に応じた大きさの推力（弾性力）が開方向に作用している。弁体８に作用するこれらの推力がバランスすることにより、二次側流路３８の流体の圧力を略一定圧に維持する自動調圧機能が圧力調整弁２Ａに具備されることになる。例えば、二次側流路３８の流体の圧力が低下したときには、ダイヤフラム１０が二次側流路３８の流体から受ける力が低下するので、弁体８の閉方向への推力が低下して弁体８は開方向に駆動される。その結果、二次側流路３８の流体の圧力は弁体８の開度の増大に伴い上昇し、再び一定圧に維持されるようになる。逆に二次側流路３８の流体の圧力が上昇したときには、ダイヤフラム１０が二次側流路３８の流体から受ける力が増大するのに伴い弁体８は閉方向に駆動され、その結果、二次側流路３８の流体の圧力は弁体８の開度の減少に伴い低下し、再び一定圧に維持されるようになる。

また、上記のように構成された圧力調整弁２Ａには、上記の自動調圧機能に加え、流量に応じて調圧値を変化させる機能も具備される。具体的に説明すると、一次側流路３０に流入する流体の流量が増大すると、オリフィス４０での流体の流速が増大し、これに伴いオリフィス４０における静圧は低下する。オリフィス４０は連通路４２によってバランス室１８に接続されているので、オリフィス４０における静圧が低下するとバランス室１８の流体の圧力も低下する。弁体８はスプリング１６，２０から受ける開方向の推力と、ダイヤフラム１０を介して二次側流路３８の流体から受ける閉方向の推力と、バランス室１８の流体から受ける閉方向の推力とが釣り合う位置に変位するので、バランス室１８の流体から受ける閉方向の推力の低下によって弁体８は開方向に駆動され、二次側流路３８の流体の圧力は弁体８の開度の増大に伴い上昇する。

このように、本実施形態にかかる圧力調整弁２Ａによれば、流量の増大に応じて調圧値が増大するような調圧特性（右肩上がりの調圧特性）を実現することができる。しかも、電磁弁のような電気的手段を用いることなく、純粋に機械的な手段のみを用いることで高い信頼性が担保されており、さらに、従来技術のように外部からの制御圧の供給を必要としないので、装置構成の簡略化による信頼性の向上も期待できる。

本実施形態にかかる圧力調整弁２Ａの用途としては、燃料電池システムにおいて燃料電池のアノードに供給される燃料ガス圧力調整手段として用いるのが好適である。図２は、本実施形態にかかる圧力調整弁２Ａが適用される燃料電池システムの構成を示す概略図である。

燃料電池システムは、燃料電池の単セルが複数枚積層されて構成された燃料電池スタック８０を備えている。燃料電池スタック８０には、各単セルのアノードに水素を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管９２が接続されている。燃料ガス供給管９２の上流側には水素タンクや改質器等の図示しない水素供給装置が接続されている。圧力調整弁２Ａは、この燃料ガス供給管９２に配置され、水素タンク等から供給される燃料ガスは圧力調整弁２Ａで減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池スタック８０に供給される。また、燃料電池スタック８０には、各単セルのカソードに空気を供給するためのエア供給管９４が接続されている。エア供給管９４にはエアポンプ８２が配置されており、エアポンプ８２の作動によって外部からエア供給管９４に空気が取り込まれカソードに供給される。

燃料ガス供給管９２を流れる燃料ガスの流量は、燃料電池スタック８０の発電負荷によって変化する。高負荷時には燃料ガスの流量は増大するが、右肩上がりの調圧特性を有する圧力調整弁２Ａが燃料ガス供給管９２に配置されていることにより、流量の増大に伴い燃料電池スタック８０に供給される燃料ガスの圧力は上昇することになる。これにより高出力時には高圧力の燃料ガスを供給することが可能になり、従来のように常時一定圧の燃料ガスを供給する場合に比較して燃料電池スタック８０の発電効率と耐久性を向上させることが可能になる。また、燃料ガスの高流量時に高圧化されることで燃料ガス供給管９２を小径化することもできる。

さらに、図示は省略するが、アノードから排出される燃料オフガスの通路に排気弁（遮断弁）が設けられている燃料電池システムがある。このようなシステムでは、アノード系内に蓄積される不純物を排出するために所定の時期がきたら排気弁を開いて燃料オフガスを系外に排出（パージ）する制御が行われる。このとき排気弁が開かれることで燃料ガスの流量が増大するが、圧力調整弁２Ａが設けられていればその際の調圧値が増大するので、小型の排気弁を用いても必要量の燃料ガスを必要時間内にパージすることが可能になるという利点もある。

ところで、燃料電池システムでは、燃料電池の電解質膜の破損を回避するために、アノードに供給される燃料ガスの圧力とカソードに供給される空気の圧力との差圧（極間差圧）を規定値以下に抑えて運転する必要がある。本実施形態にかかる燃料電池システムでは、燃料ガス圧は圧力調整弁２Ａによって機械的に調圧されるため、極間差圧を調整するためには空気圧を制御する必要がある。

空気圧の制御は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）９０によるエアポンプ８２の制御によって行われる。ＥＣＵ９０は、圧力調整弁２Ａの入口温度を検出する温度計８４の検出温度に基づき、図３に示すマップに従い目標空気圧を設定する。マップでは、燃料電池スタック８０の発電電流と目標空気圧との関係が温度毎に設定されている。より具体的には、目標空気圧は発電電流が増大するほど大きくなるように設定され、圧力調整弁２Ａの入口温度が上昇するほど目標空気圧が大きくなるように設定されている。ＥＣＵ９０は、エアポンプ８２の出口で検出される空気圧が目標空気圧になるように、エアポンプ８２の回転数を制御する。

以上のような制御が行われることで、燃料電池の極間差圧は規定圧を超えないように管理され、電解質膜の破損は確実に防止される。なお、圧力調整弁２Ａの入口温度を検出する温度計８４の代わりに大気温度を検出する温度計８８を備え、大気温度に基づいて目標空気圧を設定してもよい。また、マップの代わりに下記のような数式によって目標空気圧を求めてもよい。下記の数式におけるＣ１、Ｃ２、Ｃ３は定数であり、Ｔは検出温度である。
目標空気圧＝Ｃ１×（１＋Ｃ２×Ｔ）^Ｃ３

実施の形態２．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

図４は、本発明の実施の形態２としての圧力調整弁２Ｂの構成を示す概略断面図である。図４において図１の実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａと同一の部位については、同一の符号を付して示している。

圧力調整弁２Ｂは、外殻を構成する第１ケーシング４と第２ケーシング６とを有している。第１ケーシング４と第２ケーシング６との間にはダイヤフラム１０が挟まれており、第１ケーシング４と第２ケーシング６とにより形成される内部空間１４，５４はダイヤフラム１０によって仕切られている。

一方、第２ケーシング６とダイヤフラム１０とにより形成される空間５４は、圧力流体が充填された圧力室になっている。この圧力室５４の内部の流体の圧力と背圧室１４の大気圧との差圧による力がダイヤフラム１０を変位させる推力として作用するようになっている。

第２ケーシング６には、調圧される流体が流れる一次側流路３０と調圧された流体が流れる二次側流路６０が形成されている。本実施形態では、二次側流路６０は圧力室５４に関し背圧室１４とは逆側に設けられている。圧力室５４と二次側流路６０との間は隔壁５８によって仕切られている。一次側流路３０は二次側流路６０に関し圧力室５４とは逆側に設けられている。一次側流路３０と二次側流路６０との間は隔壁３６によって仕切られているが、隔壁３６には一次側流路３０と二次側流路６０とを連通させる開口部３４が形成されている。一次側流路３０は第２ケーシング６の側面に形成された流体入口３２に接続されており、流体入口３２から一次側流路３０に流入した流体が開口部３４を通って二次側流路６０に流入し、流体出口３２から外部に排出されるようになっている。

また、第２ケーシング６には、一次側流路３０から二次側流路６０に流入する流体を調圧するための弁機構が設けられている。弁機構は開口部３４に形成された弁座２４と弁座２４に対して変位可能な弁体８とからなる。弁座２４は開口部３４の一次側流路３０側の周縁に形成され、弁体８は弁座２４に対して一次側流路３０側から接近／離隔できるように第２ケーシング６に軸受け２２を介して支持されている。軸受け２２は弁体８を軸方向に移動可能に支持しており、弁体８の軸方向への移動によって弁体８の弁座２４に対する変位量、すなわち弁体８の開度が変化するようになっている。

弁体８には、弁座２４側に延びる連結棒１２が備えられている。この連結棒１２は開口部３４を通り、隔壁５８を貫通して圧力室５４に面しているダイヤフラム１０の中心部に連結されている。連結棒１２が隔壁５８を貫通する貫通部は、圧力室５４と二次側流路６０との間で圧力が漏れないようにシールされている。また、隔壁５８の貫通部には軸受け５６が設けられ、連結棒１２は軸受け５６によって軸方向への移動可能に支持されている。これにより弁体８とダイヤフラム１０とは一体化され、弁体８には、スプリング１６の付勢力とダイヤフラム１０が圧力室５４の流体から受ける力とが連結棒１２を介して作用するようになっている。

また、第２ケーシング６には、弁体８に関し一次側流路３０と反対側にバランス室６２が形成されている。本実施形態では、バランス室６２には大気圧が導入されている。バランス室６２内にはスプリング２０が配置され、第２ケーシング４と弁体８とを接続している。スプリング２０は流体の調圧値の基準値を調整するために用いられ、弁体８を閉方向に付勢している。

圧力室５４は一次側流路３０や二次側流路６０から隔離された密閉空間として構成されている。圧力室５４には、圧力を導入するための連通路５２が接続されており、連通路５２の反対側の端部は二次側流路６０に接続されている。より具体的には、二次側流路６０には流路面積が絞られたオリフィス（絞り部）５０が形成されており、連通路５２はこのオリフィス５０に接続されてオリフィス５０における静圧を圧力室５４に導入している。したがって、オリフィス５０における静圧が変化すれば圧力室５４の流体の圧力も変化し、圧力室５４の流体からダイヤフラム１０に作用する推力も変化するようになっている。

以上のような構成により、弁体８には、スプリング１６から受ける開方向の推力、ダイヤフラム１０を介して圧力室５４の流体から受ける閉方向の推力、スプリング２０から受ける閉方向の推力が作用する。スプリング１６とスプリング２０とでは、スプリング１６のほうのバネ力が大きいので、弁体８には両スプリング１６，２０のバネ力差と弁体８の変位量に応じた大きさの推力（弾性力）が開方向に作用している。弁体８に作用するこれらの推力がバランスすることにより、二次側流路６０の流体の圧力を略一定圧に維持する自動調圧機能が圧力調整弁２Ａに具備されることになる。例えば、二次側流路６０の流体の圧力が低下したときには、オリフィス５０における静圧も低下し、圧力室５４の流体の圧力も低下する。これにより、ダイヤフラム１０が圧力室５４の流体から受ける力が低下するので、弁体８の閉方向への推力が低下して弁体８は開方向に駆動される。その結果、二次側流路６０の流体の圧力は弁体８の開度の増大に伴い上昇し、再び一定圧に維持されるようになる。逆に二次側流路６０の流体の圧力が上昇したときには、ダイヤフラム１０が圧力室５４の流体から受ける力が増大するのに伴い弁体８は閉方向に駆動され、その結果、二次側流路６０の流体の圧力は弁体８の開度の減少に伴い低下し、再び一定圧に維持されるようになる。

また、上記のように構成された圧力調整弁２Ｂには、上記の自動調圧機能に加え、実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａと同様、流量に応じて調圧値を変化させる機能も具備される。具体的に説明すると、一次側流路３０に流入する流体の流量が増大すると、一次側流路３０から二次側流路６０に排出される流体の流量が増大する。これによりオリフィス５０での流体の流速が増大し、流速の増大に伴いオリフィス５０における静圧は低下する。オリフィス５０は連通路５２によって圧力室５４に接続されているので、オリフィス５０における静圧が低下すると圧力室５４の流体の圧力も低下する。弁体８はスプリング１６，２０から受ける開方向の推力と、ダイヤフラム１０を介して圧力室５４の流体から受ける閉方向の推力とが釣り合う位置に変位するので、圧力室５４の流体から受ける閉方向の推力の低下によって弁体８は開方向に駆動され、二次側流路６０の流体の圧力は弁体８の開度の増大に伴い上昇する。

このように、本実施形態にかかる圧力調整弁２Ｂによれば、実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａと同様、流量の増大に応じて調圧値が増大するような調圧特性（右肩上がりの調圧特性）を実現することができる。しかも、実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａと同様、電磁弁のような電気的手段を用いることなく、純粋に機械的な手段のみを用いることで高い信頼性が担保されており、さらに、従来技術のように外部からの制御圧の供給を必要としないので、装置構成の簡略化による信頼性の向上も期待できる。

なお、本実施形態にかかる圧力調整弁２Ｂも、実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａと同様、燃料電池システムにおいて燃料電池のアノードに供給される燃料ガス圧力調整手段として用いて好適である。

実施の形態３．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。

図５は、本発明の実施の形態３としての圧力調整弁２Ｃの構成を示す概略断面図である。図５において図１の実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａと同一の部位については、同一の符号を付して示している。また、実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａと同一の部位については、その詳細な説明は省略するものとする。

本実施形態にかかる圧力調整弁２Ｃは、実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａとは、バランス室１８に圧力を導入する導入元が異なっている。圧力調整弁２Ａでは、バランス室１８は一次側流路３０に形成されたオリフィス４０に連通しているが、本実施形態にかかる圧力調整弁２Ｃでは、バランス室１８は二次側流路３８に接続されている。より具体的には、二次側流路３８には流路面積が絞られたオリフィス（絞り部）７０が形成されており、バランス室１８はオリフィス７０と連通路７２によって接続されている。連通路７２はオリフィス７０を流れる流体の静圧をバランス室１８に導入している。したがって、オリフィス７０における静圧が変化すればバランス室１８の流体の圧力も変化し、バランス室１８の流体から弁体８に作用する閉方向の推力も変化するようになっている。

このような構成により、本実施形態にかかる圧力調整弁２Ｃにも流量に応じて調圧値を変化させる機能が具備されている。具体的に説明すると、一次側流路３０に流入する流体の流量が増大すると、一次側流路３０から二次側流路３８に排出される流体の流量が増大する。これによりオリフィス７０での流体の流速が増大し、流速の増大に伴いオリフィス７０における静圧は低下する。オリフィス７０は連通路７２によってバランス室１８に接続されているので、オリフィス７０における静圧が低下するとバランス室１８の流体の圧力も低下する。弁体８はスプリング１６，２０から受ける開方向の推力と、ダイヤフラム１０を介して二次側流路３８の流体から受ける閉方向の推力と、バランス室１８の流体から受ける閉方向の推力とが釣り合う位置に変位するので、バランス室１８の流体から受ける閉方向の推力の低下によって弁体８は開方向に駆動され、二次側流路３８の流体の圧力は弁体８の開度の増大に伴い上昇する。

このように、本実施形態にかかる圧力調整弁２Ｃによれば、実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａと同様、流量の増大に応じて調圧値が増大するような調圧特性（右肩上がりの調圧特性）を実現することができる。しかも、実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａと同様、電磁弁のような電気的手段を用いることなく、純粋に機械的な手段のみを用いることで高い信頼性が担保されており、さらに、従来技術のように外部からの制御圧の供給を必要としないので、装置構成の簡略化による信頼性の向上も期待できる。

また、本実施形態にかかる圧力調整弁２Ｃも、実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａと同様、燃料電池システムにおいて燃料電池のアノードに供給される燃料ガス圧力調整手段として用いて好適である。

なお、二次側流路３８の流体は一次側流路３０の流体に対して減圧されているため、オリフィス７０からバランス室１８に導入される圧力は、実施の形態１においてオリフィス４０からバランス室１８に導入される圧力よりも小さい。このため、バランス室１８内の流体から弁体８に作用する推力は圧力調整弁２Ｃよりも実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａの方が大きい。したがって、一次側流路３０に流入する流体の流量変化に対する調圧値の調整代は、圧力調整弁２Ｃよりも実施の形態１にかかる圧力調整弁２Ａの方が大きくとることができる。

実施の形態２にかかる圧力調整弁２Ｂと圧力調整弁２Ｃとを比較した場合は、何れも二次側流路６０，３８に形成されたオリフィス５０，７０から圧力室５４、或いはバランス室１８に静圧を導入している。しかしながら、圧力調整弁２Ｃにおける弁体８のバランス室１８内での露出面の面積よりも、圧力調整弁２Ｂにおけるダイヤフラム１０の圧力室５４内での露出面の面積の方が大きいため、弁体８に作用する推力は実施の形態２にかかる圧力調整弁２Ｂの方が大きい。したがって、一次側流路３０に流入する流体の流量変化に対する調圧値の調整代は、圧力調整弁２Ｃよりも実施の形態２にかかる圧力調整弁２Ｂの方が大きくとることができる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

実施の形態２及び３では、圧力調整弁２Ｂ，２Ｃ内の二次側流路６０，３８にオリフィス５０，７０を形成し、圧力室５４、或いはバランス室１８に静圧を導入しているが、オリフィスを設ける場所は圧力調整弁内に限定されない。例えば、図６に示すように、圧力調整弁２Ｄが燃料電池システムの燃料ガス供給管９２に配置されており、しかもエジェクタ９６を介して燃料ガスが循環する循環型システムになっている場合には、エジェクタ９６の内部にあるオリフィスと圧力調整弁２Ｄの圧力室、或いはバランス室を圧力導入管（連通路）９８によって連通させるようにしてもよい。また、燃料ガスが循環しない非循環型システムの場合には、図７に示すように燃料電池スタック８０の出口にオリフィス１００を設け、オリフィス１００を流れる燃料オフガスの静圧を圧力導入管１０２によって圧力調整弁２Ｅの圧力室、或いはバランス室に導入するようにしてもよい。ただし、図６，図７に示す構成を採る場合には、燃料オフガスに含まれる水分を除去するための疎水フィルタを圧力導入管９８，１０２に設けるようにする。なお、圧力調整弁２Ｄ，２Ｅとしては、実施の形態２にかかる圧力調整弁２Ｂ、或いは、実施の形態２にかかる圧力調整弁２Ｃの何れも用いることができる。

本発明の実施の形態１としての圧力調整弁の構成を示す概略断面図である。図１の圧力調整弁が適用される燃料電池システムの概略構成図である。図２の燃料電池システムにおいて目標空気圧を設定するためのマップである。本発明の実施の形態２としての圧力調整弁の構成を示す概略断面図である。本発明の実施の形態３としての圧力調整弁の構成を示す概略断面図である。実施の形態２或いは３の変形例を示す燃料電池システムの概略構成図である。実施の形態２或いは３の変形例を示す燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ圧力調整弁
４第１ハウジング
６第２ハウジング
８弁体
１０ダイヤフラム
１２連結部材
１４圧力室
１６，２０圧力設定スプリング
１８バランス室
２２，５６軸受け
３０一次側ガス流路
３８，６０二次側ガス流路
４０，５０，７０オリフィス
４２，５２，７２連通路
５４圧力室
５８隔壁
８２ポンプ
８４，８８温度計
８６圧力計
９０ＥＣＵ
９２燃料ガス供給管
９４エア供給管
９６エジェクタ

Claims

一次側流路に流入する流体を調圧して二次側流路に排出する圧力調整弁において、
前記一次側流路と前記二次側流路との間の開口部に設けられた弁座と、
前記弁座に対し変位可能に配置された弁体と、
前記弁体に連結され前記弁体の変位量に応じた開方向の推力を前記弁体に作用させるスプリングと、
前記弁体に連結され前記二次側流路の流体の圧力を受けて閉方向の推力を前記弁体に作用させるダイヤフラムと、
前記一次側流路及び前記二次側流路とは隔離して設けられ内部の流体の圧力を閉方向の推力として前記弁体に作用させるバランス室と、
前記一次側流路に形成された絞り部と、
前記絞り部と前記バランス室とを連通させる連通路と、
を備えることを特徴とする圧力調整弁。
一次側流路に流入する流体を調圧して二次側流路に排出する圧力調整弁において、
前記一次側流路と前記二次側流路との間の開口部に設けられた弁座と、
前記弁座に対し変位可能に配置された弁体と、
前記弁体に連結され前記弁体の変位量に応じた開方向の推力を前記弁体に作用させるスプリングと、
前記一次側流路及び前記二次側流路とは隔離して設けられた圧力室と、
前記弁体に連結され前記圧力室の流体の圧力を受けて閉方向の推力を前記弁体に作用させるダイヤフラムと、
前記二次側流路に形成された絞り部と、
前記絞り部と前記圧力室とを連通させる連通路と、
を備えることを特徴とする圧力調整弁。
一次側流路に流入する流体を調圧して二次側流路に排出する圧力調整弁において、
前記一次側流路と前記二次側流路との間の開口部に設けられた弁座と、
前記弁座に対し変位可能に配置された弁体と、
前記弁体に連結され前記弁体の変位量に応じた開方向の推力を前記弁体に作用させるスプリングと、
前記弁体に連結され前記二次側流路の流体の圧力を受けて閉方向の推力を前記弁体に作用させるダイヤフラムと、
前記一次側流路及び前記二次側流路とは隔離して設けられ内部の流体の圧力を閉方向の推力として前記弁体に作用させるバランス室と、
前記二次側流路に形成された絞り部と、
前記絞り部と前記バランス室とを連通させる連通路と、
を備えることを特徴とする圧力調整弁。
水素を含む燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス通路とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス通路に請求項１乃至３項の何れか１項に記載の圧力調整弁が配置されていることを特徴とする燃料電池システム。