JP4342266B2

JP4342266B2 - 減圧装置

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Publication number: JP4342266B2
Application number: JP2003359417A
Authority: JP
Inventors: 雅彦金原; 信夫小林; 誠都築
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP2005122621A

Description

本発明は、高圧の流体を低圧の流体に減圧して回路上で使用する減圧装置に関するものである。

種々の流体回路上で使用する減圧装置には、供給源から供給される流体の圧力を精度良く減圧する減圧性能が要求される。例えば、水素ガスと酸素ガスとの反応で電力を出力する燃料電池システムでは、高圧の水素タンクから低圧の水素ガスを取り出す必要があるため、水素タンクから燃料電池までの間の回路上に、減圧弁が使用されている。この減圧弁では、水素ガスが水素タンク内に充満した状態から空の状態に至るまで、減圧弁に入力する圧力の変動幅(レンジ)が非常に大きい。一般に、構造上の制約から受圧面積等がある程度決まってしまう減圧弁では、入力(１次)圧が低下すると出力（２次）圧は上昇する傾向にあり、幅広いレンジの１次圧に対応して２次圧を精度良く一定に保つことが困難であった。

従来から、こうしたシステムでは２次圧の精度を向上するため、２つの減圧弁を直列に用いていた。回路の上流側に配置した減圧弁で水素タンクからの高圧ガスを大きく減圧し、回路の下流側に配置した減圧弁に入力する圧力の変動幅を抑えることで、２次圧の精度を向上していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１００３３５号公報

しかしながら、減圧弁を２段用いるシステムでは、下流側に配置した減圧弁の２次圧の精度を向上するためには、上流側の減圧弁で大きく圧力を低下させておかなければならず、上流側に配置した減圧弁に高い耐圧性能が必要となるという問題があった。つまり、上流側の減圧弁にかかる入力‐出力間の圧力差が高いため、この差圧を受ける減圧弁内部の部材には、高いシール性能が要求されることとなる。したがって、上流側の減圧弁の耐圧性能（シール性能）と下流側の減圧弁の２次圧精度の向上とのバランスを取ることが困難であった。

他方、上流側の減圧弁による減圧の程度を小さくすると、例えば、流体の供給が高圧タンクなどにより行なわれる場合、高圧タンク内の流体を十分に使い切ることができないという課題を招致する。例えば、タンク内の圧力Ｐ、上流側減圧弁の２次圧Ｍ、下流側の減圧弁の２次圧Ｑとすると、上流側の減圧弁にかかる差圧ΔＭ＝Ｐ−Ｍ、下流側の減圧弁にかかる差圧ΔＱ＝Ｍ−Ｑによって、各減圧弁の要求耐圧性能は決定される。上流側の減圧弁にかかる負担を少なくするため、差圧ΔＭを小さくしようとすると、上流側減圧弁の２次圧Ｍは高くなり、タンク内の圧力Ｐが２次圧Ｍ程度まで低下後、タンクからは流体を流出することができない。つまり、上流側の減圧弁で低下した圧力値よりも大きな圧力が高圧タンクに残存した状態となり、その残存圧力に比例する流量の流体が高圧タンクから流出しないこととなっていた。

本発明は、こうした問題の少なくとも一部を解決し、２次圧精度を保ちつつ、シールの信頼性を確保する減圧装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の減圧装置は、上記課題の少なくとも一部を解決するため、以下の手法をとった。すなわち、流体の回路に使用し、流体の高圧力を低圧力に減圧する減圧装置であって、前記回路の上流に、前記流体が流入し、該流入した流体の圧力を減圧し、該圧力に比例した圧力で流出させる比例減圧手段を設け、前記回路の下流に、前記比例減圧手段から流出した前記流体の圧力を所定の圧力に減圧する減圧手段を設け、前記比例減圧手段は、ハウジングの内部に軸方向に移動可能なピストンを設け、前記ピストンは、該ピストンの一端面に第１の受圧面と、他端面に該第１の受圧面より面積の大きな第２の受圧面を備え、前記第１の受圧面側に入力室を、前記第２の受圧面側に出力室を設け、前記ピストン内部に、前記入力室と前記出力室とを連通する連通路を有し、前記連通路の一端で、前記第１の受圧面側に、前記ピストンが軸方向に移動することで前記連通路を開閉する弁を設け、前記連通路を閉弁する方向に、前記ピストンを付勢するスプリングを備えて構成し、前記比例減圧手段と前記減圧手段とを一体構造としたことを要旨としている。

本発明の第１の減圧装置によれば、高圧の流体は、上流の比例減圧手段の入力室に流入し、ピストンの第１の受圧面に圧力を及ぼし、ピストンを移動させる。出力室に流入した流体は、ピストンの連通路を介して、ピストンの第２の受圧面に圧力を及ぼす。ピストンは第１の受圧面と第２の受圧面とにかかる２つの力が釣り合う位置に移動し、出力室の圧力は、入力室の圧力に２つの受圧面の面積比を乗じた値となる。比例減圧手段の下流に位置する減圧手段には、減圧された圧力の流体が流入し、一定の圧力に減圧される。したがって、上流に比例減圧手段を設けることで、減圧手段にかかる圧力差は低減され、耐圧性能の低い減圧手段でも高圧流体の回路にて使用することができる。加えて、減圧手段に要求される減圧性能を低く抑えることができ、減圧手段の出力圧力の精度を向上することができる。

本発明の第２の減圧装置は、高圧のタンクを有する燃料電池システムに使用し、該高圧タンクからの高圧ガスを低圧に減圧する減圧装置であって、前記ガスの流れの上流に、前記ガスが流入し、該流入したガスの圧力を減圧し、該圧力に比例した圧力で流出させる比例減圧手段を設け、前記ガスの流れの下流に、前記比例減圧手段から流出した前記ガスの圧力を所定の圧力に減圧する減圧手段を設け、前記比例減圧手段と前記減圧手段とを一体構造としたことを要旨としている。

本発明の第２の減圧装置によれば、燃料電池システムの高圧タンクから放出される高圧ガスは、上流の比例減圧手段に流入するガスの圧力に比例して減圧され、減圧手段には減圧された圧力のガスが流入する。したがって、耐圧性能の低い減圧手段でも高圧流体の回路にて使用することができる。加えて、減圧手段に要求される減圧性能を低く抑えることができ、減圧手段の出力圧力の精度を向上することができる。さらに、比例減圧手段を用いるため、タンクからの放出圧力が低圧になっても、入力圧力に比例した圧力を出力する。例えば、減圧手段の出力側（２次）圧力を0.3MPa、減圧手段での圧力損失を0.1MPaとすると、比例減圧手段の２次圧力が0.4MPaとなる。ここで比例減圧手段の減圧能力を１／２とすれば、比例減圧手段の入力側（１次）圧力は、0.8MPaとなり、タンク内部に残る残圧は、0.8MPa程度となる。タンク内の燃料残量は、容積が一定のタンクでは圧力に比例するため、タンク残圧が高いほど多量の燃料が残存する。従来の減圧弁を２段用いるシステムでは、最大タンク圧35MPa程度の場合にタンク残圧は２〜３ＭＰａとなっていた。本発明の減圧装置では、比例減圧手段の入力側（１次）圧力を、減圧手段の出力側（２次）圧力近傍程度まで低下することができ、従来にシステムに比べてタンク内部に放出されずに残る燃料を低減することができる。

上記の構成を有する減圧装置であって、比例減圧手段は、該比例減圧手段に流入する前記ガスの圧力を、１／３から２／３の範囲に減圧する手段である減圧装置とすることができる。かかる減圧装置によれば、タンク残圧を低減することができるため、比例減圧手段と減圧手段とで負担する減圧能力をバランス良く分配することができる。かかる範囲に減圧することで、比例減圧手段および減圧手段にかかる差圧を低減し、耐圧性能を向上することができる。特に、タンク残圧の低減要求から上流側の減圧弁で大きく減圧せざるをえない２段の減圧弁システムの上流側減圧弁に比べ、比例減圧手段にかかる差圧を低減できる。

上記の構成を有する減圧装置の比例減圧手段は、ハウジングの内部に軸方向に移動可能なピストンを設け、前記ピストンは、該ピストンの一端面に第１の受圧面と、他端面に該第１の受圧面より面積の大きな第２の受圧面を備え、前記第１の受圧面側に入力室を、前記第２の受圧面側に出力室を設け、前記ピストン内部に、前記入力室と前記出力室とを連通する連通路を有し、前記連通路の一端で、前記第１の受圧面側に、前記ピストンが軸方向に移動することで前記連通路を開閉する弁を設け、前記連通路を閉弁する方向に、前記ピストンを付勢するスプリングを備えた手段とすることができる。

かかる減圧装置によれば、高圧ガスは、上流の比例減圧手段の入力室に流入し、ピストンの第１の受圧面に圧力を及ぼし、ピストンを移動させる。連通路を介して、出力室に流入した流体は、ピストンの第２の受圧面に圧力を及ぼす。出力室の圧力は、この２つの受圧面の面積差に比例して入力室の圧力を減圧した値となる。比例減圧手段の下流に位置する減圧手段には、減圧された圧力の流体が流入し、一定の圧力に減圧される。したがって、第１の受圧面および第２の受圧面の面積比を調整することで、下流の減圧手段にかかる圧力を設定することができる。

前記減圧手段は、バルブを有し、前記比例減圧手段と前記減圧手段は、前記比例減圧手段の前記スプリングが、前記比例減圧手段の前記ピストンと、前記減圧手段の前記バルブとの間に配置された一体構造を有していてもよい。
上記の構成を有する減圧装置の比例減圧手段は、前記ハウジングの内部に設けた前記ピストンの軸方向の移動用の空間である中間室を形成し、前記減圧手段により減圧された圧力の流体が流入する空間と前記中間室とを連通する導入路を備えるものとしても良い。かかる減圧装置によれば、減圧手段により減圧された流体は、導入路を介して中間室に流入し、減圧装置の内部は同一の流体で満たされる。したがって、ハウジングとピストンとの隙間から中間室に流体が漏れた場合でも、中間室から直接外部へ流体が放出されることはない。

上記の構成を有する減圧装置の弁は、前記ピストンの移動による開弁によらず、前記連通路の前記第１の受圧面側に接続する第２の流路が形成され、前記第２の流路上に、前記比例減圧手段に流入した流体が前記減圧手段から流出する方向への該第２の流路の流れを止める逆止手段を備えるものとしても良い。

かかる減圧装置によれば、第２の流路に設けた逆止手段は、減圧装置の入力側から出力側への方向には第２の流路内に流体を流さず、出力側から入力側への方向には流体を流す。つまり、第２の流路を利用することで、減圧装置の出力側のポートから（下流側から上流側へ）流体を流すことができる。例えば、減圧装置の出力側から上流のタンクに燃料を充填する場合に、減圧装置の出力ポートを充填時の入力ポートとして使用することができる。

上記の構成を有する減圧装置は、比例減圧手段を、少なくとも２つ以上、シリーズに組み合わせて多段比例減圧手段として構成し、前記逆止手段は、前記第２の流路を開口または閉口する弁体と、該弁体を閉口方向に付勢する第２のスプリングとを備え、前記多段比例減圧手段の隣接する２つの前記比例減圧手段の中、下流の該比例減圧手段の前記弁体を閉口方向に付勢する機能と、上流の該比例減圧手段の前記ピストンを閉弁方向に付勢する機能とを合わせ持つ第３のスプリングを前記隣接する比例減圧手段の間に介装するものとしても良い。

かかる減圧装置によれば、上流の多段に重ねた比例減圧手段により、高圧の流体は段階的に減圧されて、下流の減圧手段に入力する。したがって、耐圧性能はそのままで、より大きな入力圧にも対応することが可能となる。また、上流の比例減圧手段のピストンを閉弁方向に付勢するスプリングと下流の比例減圧手段の逆止手段の第２のスプリングとを第３のスプリングで共有するため、部品点数を減らすことができる。

上記の構成を有する減圧装置は、比例減圧手段を、少なくとも２つ以上、シリーズに組み合わせて多段比例減圧手段として構成するものとしても良い。かかる減圧装置によれば、上流の多段に重ねた比例減圧手段により、高圧の流体は段階的に減圧されて、下流の減圧手段に入力する。したがって、耐圧性能はそのままで、より大きな入力圧にも対応することが可能となる。また、段階的に減圧するため、各段のピストンの受圧面積差を小さくすることができ、減圧装置全体を径方向に小さくすることができる。

以下、本発明の減圧装置を燃料電池システムに搭載した一実施例について説明する。図１は、本発明の減圧装置を搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。このシステムは、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池システムであり、燃料電池により発電した電力を車両の動力源としている。図１に示すように、この燃料電池システムは、主に、燃料電池スタック１０、エアライン２０、燃料ライン３０から構成されている。

燃料電池スタック１０は、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを備えた単一セルを複数重ね合わせた積層体として形成されている。この単一セルは、セパレータ、アノード、電解質膜、カソード、セパレータをこの順に重ね合わせた構造であり、セパレータに設けた溝を介して供給される水素ガスおよび空気に含まれる酸素の電気化学反応により発電する。なお、本実施例では、電解質膜に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池を使用しているが、例えば、リン酸型、アルカリ型、固体電解質型など種々の燃料電池を用いても良い。

この電気化学反応に使用される酸素の流路であるエアライン２０は、フィルタ１００、コンプレッサ１１０、加湿器１２０等とこうした機器を接続する配管とから構成されている。外部からフィルタ１００を通して取り込まれた空気は、コンプレッサ１１０にて圧縮され、加湿器１２０により水分を含んだ状態で燃料電池スタック１０のカソードに供給される。燃料電池スタック１０での反応に使用された後の排気は、スタック下流の排気管から外部へ排出される。

他方、燃料である水素ガスの流路である燃料ライン３０は、水素タンク１３０、減圧装置１４０、シャットバルブ１５０等とこうした機器を接続する配管とから構成されている。高圧の水素タンク１３０に貯留された水素ガスは、減圧装置１４０により低圧に減圧され、燃料電池スタック１０のアノードに供給される。水素タンク１３０内は、多量の燃料を貯留するため非常に高圧となっている。減圧装置１４０は、こうした水素ガスの高圧力を大きく減圧することにより、電解質膜に過大な圧力が加わらないようにしている。燃料電池スタック１０での反応に使用された後の排気には、反応で消費しなかった水素が含まれる。この水素は、水素循環ポンプ１６０により再び燃料ライン３０へ戻される。

こうして供給された水素と酸素とを用いて燃料電池スタック１０が発電した電力は、インバータ１７０等に出力され、車両の走行モータ１８０の駆動に使用される。また、車両の走行に必要な電力が発電量に対して少ない場合には、余剰分をＤＣ／ＤＣコンバータ５０等を介して蓄電池６０に蓄電し、急加速時など、必要な電力が大きい場合に、その不足分を蓄電池６０から補う。

以上の構成の燃料電池システムで使用される減圧装置１４０の構造について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の一実施例としての減圧装置１４０の縦断面図である。図示するように、この減圧装置１４０は、大きく、燃料ライン３０の流路上流に位置する比例減圧部２００と、比例減圧部２００の下流に位置する減圧部３００との２つの部分から構成されている。

比例減圧部２００は、主に、ハウジング２１０、弁部２２０、比例ピストン２３０、スプリング２４０とからなり、入力圧（１次圧）を減圧して、入力圧に比例した出力圧（２次圧）とする。ハウジング２１０は、略円柱外形をしており、減圧部３００との接合面上に４箇所のタップ穴２１２、比例ピストン２３０を嵌合する段付きの凹部２１４、減圧部３００との接合面の反対側の面に、円柱外形の軸方向に弁部２２０を取り付けるネジ穴部２１７、凹部２１４と外部とを連通する入力ポート２１８、中間ポート２１９を備えている。

ハウジング２１０内部に形成される凹部２１４は、ハウジング２１０の減圧部３００との接合面からネジ穴部２１７方向に、所定の深さを有する大径内円筒２１５と、その底面から更に所定の深さを有する小径内円筒２１６とからなる。入力ポート２１８は、小径内円筒２１６の底面付近の周壁に、中間ポート２１９は、大径内円筒２１５の底面付近の周壁に、それぞれ連通している。なお、入力ポート２１８には、外部の配管と接続するテーパネジを設けている。

弁部２２０は、大きく、円柱部分２２２と、その径よりも小径である円錐部分２２４とからなり、円柱部分２２２の端面に円錐部分２２４を有する形状をしている。円柱部分２２２の外周には、ハウジング２１０のネジ穴部２１７と係合する雄ネジ部２２６を設けている。

比例ピストン２３０は、大径円柱部分２３１と小径円柱部分２３２とからなり、円柱高さ方向に円中心軸を貫通する貫通流路２３３を設けている。大径円柱部分２３１の端面には、段つきの穴を有し、貫通流路２３３と同心円であり、かつ、後述する減圧部３００のバルブが遊嵌する径を有する１段目の穴と、１段目の穴よりさらに深いスプリング２４０固定用の２段目の穴とが設けてある。大径円柱部分２３１および小径円柱部分２３２の外周には、Ｏリングを係合する溝がそれぞれ備えてある。

この比例減圧部２００は、ハウジング２１０の内部の凹部２１４に比例ピストン２３０を挿入し、外部から弁部２２０をハウジング２１０に螺設し、比例ピストン２３０の２段目の穴にスプリング２４０を配置して組み立てられる。螺設した弁部２２０の円錐部分は、ハウジング２１０内部の小径内円筒２１６の底面から突出する。突出した弁部２２０の円錐部分は、比例ピストン２３０の貫通流路２３３に係合し、比例ピストン２３０を支えている。こうしてハウジング２１０の凹部２１４の内空間には、比例ピストン２３０で仕切られた３つの部屋が形成される。以下、ハウジング２１０の小径内円筒２１６の底面と比例ピストン２３０の小径円柱部分２３２の端面とを相対する２面とする部屋を入力室２５０、ハウジング２１０の大径内円筒２１５の底面と比例ピストン２３０の大径円柱部分２３１の弁部２２０方向の端面とを相対する２面とする部屋を中間室２６０、比例ピストン２３０の大径円柱部分２３１の端面と後述する減圧部３００とで形成される部屋を出口室２７０と呼ぶ。

入力室２５０は、ハウジング２１０の入力ポート２１８に連通し、中間室２６０は、ハウジング２１０の中間ポート２１９に連通する。中間ポート２１９は大気に開放されており、中間室２６０内部には大気圧が働く。この大気圧による比例ピストン２３０に働く貫通流路２３３の開弁方向の力は、スプリング２４０の閉弁方向への付勢力により相殺される。このスプリング２４０の付勢力により、初期状態での比例ピストン２３０は、弁部２２０に接し、貫通流路２３３を閉弁している。なお、挿入する比例ピストン２３０には、Ｏリング２３５，２３６が２箇所設けられ、入力室２５０及び出口室２７０に流入するガスの外部への漏れをそれぞれ防止している。また、螺設する弁部２２０には、パッキン２８０を共締めし、係合するネジの隙間からのガスの漏れを防止している。

比例減圧部２００の下流に位置する減圧部３００は、主に、ケース３１０、減圧ピストン３３０、バルブ３２０、バネ３４０、バネ調整部分３５０とからなり、変動する比例減圧部２００の出口室２７０の圧力を入力してほぼ一定の出力圧力に減圧する。ケース３１０は、前述の比例減圧部２００の凹部２１４に係合する円筒外形の係合部分３１２と、比例減圧部２００と同外形のフランジ部分３１６と、フランジ部分３１６より小径である円筒形状部分３１８とを有している。

係合部分３１２は、比例減圧部２００の出口室２７０のガスを導く導入路３１３と、ガスを減圧する絞り流路３１５と、その外周にＯリング用の溝とを設けている。フランジ部分３１６は、比例減圧部２００との締結ボルト３７０を挿入する４箇所の挿入孔３１１と、減圧されたガスを外部へ出力する出力ポート３１７とを設けている。円筒形状部分３１８は、その円周壁面に外部の大気に連通する大気孔３１９と、フランジ部分３１６と反対方向の端面にバネ調整部分３５０を締結するネジ係合穴部３４５を、それぞれ設けている。

減圧ピストン３３０は、バネ３４０の当接する座面を有し、ケース３１０内円筒に挿入可能な略円柱形状をしている。減圧ピストン３３０は、その外周にはＯリング用の溝を有し、Ｏリング３８０を装着した状態でケース３１０内部に挿入される。減圧ピストン３３０の座面の反対面は、後述する連結部３２１と当接している。

バルブ３２０は、円筒形状部分と円錐形状部分とその頂点から突出した連結部３２１とからなる。連結部３２１は、ケース３１０の絞り流路３１５を貫通し、ケース３１０内部に挿入した減圧ピストン３３０に当接する。ケース３１０の絞り流路３１５を挟んで配置されるバルブ３２０と減圧ピストン３３０とは、一体となって連結部３２１の軸方向に進退する。

減圧ピストン３３０とバルブ３２０を組み込んだ減圧部３００は、ケース３１０内部の減圧ピストン３３０の座面にバネ３４０を設置し、バネ調整部分３５０をケース３１０に締結して組み立てられる。バネ調整部分３５０には、調整ボルトが組み込まれ、このボルトをねじ込むことで、バネ３４０の付勢力を調整することができる。

この減圧部３００は、バルブ３２０の円錐形状部分の連結部３２１の軸方向への進退により、絞り流路３１５の開弁量を調整し、ケース３１０内円筒と減圧ピストン３３０とで囲まれた空間（以下、この空間を出力室３９０と呼ぶ）の圧力を調整する。なお、出力室３９０に連通する出力ポート３１７は、テーパネジを介して、配管継手と接続している。

減圧装置１４０は、減圧部３００の係合部分３１２にＯリング３６０を装着して比例減圧部２００に嵌合し、締結ボルト３７０で締結することで組み付けられる。この減圧装置１４０の初期状態は、比例減圧部２００の弁部２２０は閉弁状態、減圧部３００のバルブ３２０は開弁状態となっている。減圧装置１４０の入力ポート２１８は、図１に示す水素タンク１３０からの配管に接続され、出力ポート３１７は、シャットバルブ１５０を介して燃料電池スタック１０に接続される。

水素タンク１３０からの高圧の水素ガスが減圧装置１４０の入力室２５０に流入すると、比例ピストン２３０の小径円柱部分２３２の端面は水素ガスによる高い圧力を受け、比例ピストン２３０は貫通流路２３３を開弁する方向へ移動する。開弁と同時に、比例ピストン２３０内部の貫通流路２３３を通過したガスが出口室２７０に流入する。ガスの流入により出口室２７０の圧力は上昇し、比例ピストン２３０の大径円柱部分２３１の端面は圧力を受け、比例ピストン２３０は貫通流路２３３を閉弁する方向へ移動する。相対する方向に圧力を受ける比例ピストン２３０は、２つの圧力のバランスする位置に移動し、入力室２５０の圧力に対応して出口室２７０の圧力は調整される。

この比例ピストン２３０の入力室２５０側の受圧面積（小径円柱部分２３２の端面の面積）は、出口室２７０側の受圧面積（大径円柱部分２３１の端面の面積）の約1/2であるため、出口室２７０の圧力は、入力室２５０の圧力の約1/2に減圧される。この比例減圧部２００のスプリング２４０は、中間室２６０の大気圧が比例ピストン２３０を開弁方向へ押し上げるのに抗する程度の付勢力しか有していないため、比例ピストン２３０は入力室２５０への水素ガスの流入とほぼ同時に開弁方向へ移動を始める。したがって、スプリング２４０の影響等はほとんど無く、比例減圧部２００の減圧量は、受圧面の面積比に起因する。こうした構造により、水素タンク１３０が満タン状態である高圧から、タンクがほぼ空の状態である低圧まで、入力圧力を約1/2に比例減圧する。

こうして入力圧力の約1/2の圧力に減圧された水素ガスは、導入路３１３、絞り流路３１５を経て、出力室３９０に流入する。水素ガスの流入により出力室３９０の圧力は上昇する。出力室３９０の圧力が、バネ３４０の設定値以上に上昇すると、減圧ピストン３３０の受圧面にかかる圧力がバネ３４０の付勢力に勝って、減圧ピストン３３０を押し上げる。この動作に伴って、減圧ピストン３３０と一体で進退するバルブ３２０が、絞り流路３１５の閉弁方向に移動し、出力室３９０に流入する水素ガスを絞る。絞りを受けた水素ガスの流入する出力室３９０の圧力は低下し、バネ３４０の付勢力により、再びバルブ３２０は開弁方向に移動する。こうした動作原理によるバルブ３２０の絞りによって、出力室３９０の圧力をほぼ一定に保持する。

以上の構造の減圧装置１４０では、比例減圧部２００により入力圧を約1/2に比例減圧し、減圧部３００によりその圧力を一定の低圧に減圧する。例えば、水素タンク１３０からの最大圧力70MPaを0.3MPaに減圧する必要がある場合、比例減圧部２００の入力室２５０は70MPa、出口室２７０は35MPa、減圧部への入力圧は35MPa、出力室３９０は0.3MPaとなる。この場合、比例減圧部２００と減圧部３００とには、共に約35MPaの差圧がかかることになり、それぞれにかかる最大圧力差を入力圧の半分に抑えることができる。したがって、従来の耐圧技術を用いて、２倍の入力圧力に対応可能となる。特に、本実施例では、車両の運転の停止等により出力ポート３１７が遮断された場合、出力室３９０の内部圧力は上昇し、バルブ３２０は絞り流路３１５を閉弁する。こうした場合にも、バルブ３２０と絞り流路３１５との接触部分の前後にかかる差圧を小さくすることができるため、主に圧力差に起因するバルブの内部リークによる出力室３９０の圧力上昇はほとんど無く、再始動時にも安全に使用することができる。

さらに、図３に示すように、一般の減圧弁では２次圧力が１次圧力の影響を受ける構造であるため、入力圧力の増加に対し出力圧力が減少する傾向にある。こうした減圧弁の出力圧力を所定の値Pzに設定し、入力圧力を高圧Paから減少して行くと、入力圧力の低圧付近での出力圧力はPxとなり、出力圧力には、最大Px−Pzの誤差が生じる。この誤差は、例えば、一定圧力の工場用圧縮空気源を減圧して機器に使用するような場合には、元圧の圧力が変化しないため発生しないが、車載用の高圧タンクから燃料を消費する際には、特に問題となる。本実施例の減圧装置１４０は、入力圧力を高圧Paから減少しても、比例減圧部２００の作用により減圧部３００の入力圧力はPa/2からの減少となる。入力圧力をPa/2から減少して行くと、減圧部３００の出力圧力には、最大Px-Pyの誤差が生じ（入力圧力Pa/2の時の出力圧力をPyとする）、減圧弁の誤差の約1/2程度の誤差となる。したがって、減圧部３００への入力圧力を比例減圧部２００により低減することで、減圧部３００の出力精度を向上することができる。

こうした一般の減圧弁は所定の圧力を持って入力する流体が絞りを受けることで減圧されるため、減圧弁下流の圧力を制御するには、２次側（出力側）の設定圧力よりわずかに高い１次側(入力側)の圧力（圧力損失分）が必要となる。例えば、高圧タンクからの減圧回路にこのような減圧弁を使用し、減圧弁を直列に２段使用する場合において、高圧側の減圧弁の出口圧力を高く設定すると、入力圧力にはその出口圧力以上の圧力が必要になる。つまり、タンク内の圧力が減圧弁の設定した出口圧力まで低下すると、それ以上は放出されず、結果的に、タンク内部に放出されない燃料が多量に残ることになる。これに対して、本実施例の減圧装置１４０では、上流に設ける減圧弁に代えて、比例減圧部２００を設けている。上流の減圧機器を通過する流体は、減圧弁で一定値に減圧されるのではなく、比例減圧部２００の受圧面積比によって、高圧から低圧までの入力圧力の変化に比例した圧力に減圧される。つまり、タンクに残る残圧は、減圧部３００の出力圧力の下限値にわずかな減圧部３００の圧力損失分を加えた値に、比例した値（比例減圧部２００の入力圧力）程度となり、低い値とすることができる。したがって、タンク内部の残圧を低減することができる。

なお、こうした減圧装置１４０は、比例減圧部２００と減圧部３００とを一体構成とすることなく、独立の部品としても良い。例えば、図４（ａ）に示すように、比例減圧部２００をそのまま独立部品とした比例減圧装置２９０としても良いし、図４（ｂ）に示すように、比例ピストン２３０の構造を変えた比例減圧装置４００としても良い。図４（ｂ）の比例減圧装置４００は、ハウジング４１０、比例ピストン４３０、弁部４２０、スプリング４４０等から構成されている。各構成部品の役割は、上述の比例減圧部２００で説明した構成部品の役割と同様であるため、詳細な説明は省略する。

この比例減圧装置４００の比例ピストン４３０は、略円柱形状をしており、内部に入力室４５０と、入力室４５０に連通する入力通路４３６とを備えている。このように、入力室４５０を比例ピストン４３０内部に設けることで、配管の接続に対する自由度が増す。つまり、図４（ａ）の比例減圧装置２９０では、入力室２５０、中間室２６０、出口室２７０の順に配置したのに対して、図４（ｂ）の比例減圧装置４００では、その順序を中間室４６０、入力室４５０、出口室４７０の順に配置している。したがって、接続する配管の位置に合わせた比例減圧装置２９０，４００を使用することができる。

次に、本発明の第２実施例の減圧装置について説明する。第２実施例の減圧装置は、第１実施例の減圧装置１４０の比例減圧部２００に代えて、比例減圧部２００を２段備えた多段比例減圧部５００を組み込んで構成されている。したがって、第１実施例と同様である減圧部３００についての説明を省略し、以下、比例減圧部２００の１段目の部品には添え字「ａ」を、２段目の部品には添え字「ｂ」を付けて、多段比例減圧部５００について説明する。なお、第２実施例の減圧装置を搭載するシステムの構成についても、図１に示した第１実施例の燃料電池システムと同様であるため、説明を省略する。

図５には、第２実施例の減圧装置の縦断面図を示した。この減圧装置の多段比例減圧部５００は、図示するように、ケーシング５１０と、ケーシング５１０内部の１段目の比例減圧部２００ａ，２段目の比例減圧部２００ｂとから構成されている。

ケーシング５１０は、減圧部３００との締結用のタップ穴を備えたフランジ５１２と、比例減圧部２００ａ，２００ｂを挿入可能な内径を有する円筒５１４とから構成されており、円筒５１４の高さ方向に、円筒５１４の肉厚内に収まる連通孔５１５を備えている。この連通孔５１５の一端は、ケーシング５１０内部に挿入する２つの比例減圧部２００ａ，２００ｂの中間室２６０ａ，２６０ｂに連通し、他端は、減圧装置の外部に連通している。ケーシング５１０のフランジ５１２面と反対側の端面には、フランジ５１２側から挿入した１段目の比例減圧部２００ａの抜け止め機能と外部配管との接続機能とを兼ねた入口ポート用穴部５１６を備えている。

１段目および２段目の比例減圧部２００ａ，２００ｂの構成部品は、第１実施例とほぼ同様であり、ハウジング２１０ａ，２１０ｂ、弁部２２０ａ，２２０ｂ、比例ピストン２３０ａ，２３０ｂ、スプリング２４０ａ，２４０ｂ等からなる。比例ピストン２３０ａ，２３０ｂの外形形状は、小径円柱部分２３２ａ，２３２ｂと大径円柱部分２３１ａ，２３１ｂとを備え、その内部に貫通流路２３３ａ，２３３ｂを有している。１段目の大径円柱部分２３１ａの外径は、２段目の大径円柱部分２３１ｂの外径と同径であり、１段目の小径円柱部分２３２ａの外径は、２段目の小径円柱部分２３２ｂの外径よりも大外径としている。ハウジング２１０ａ，２１０ｂは、円柱の外形形状をしており、その外周には２箇所のＯリング用の溝が設けてある。１段目のハウジング２１０ａと２段目のハウジング２１０ｂとは同じ外径であり、ハウジング２１０ａ，２１０ｂ内部に形成される凹部は、それぞれに挿入する比例ピストン２３０ａ，２３０ｂの外径に対応した内径となっている。なお、弁部２２０ａ，２２０ｂ、スプリング２４０ａ，２４０ｂ、ハウジング２１０ａ，２１０ｂや比例ピストン２３０ａ，２３０ｂの他の部分については、前述の通り、第１実施例とほぼ同様であるため、詳細な説明は省略する。

こうした部品からなる比例減圧部２００ａ，２００ｂは、それぞれの外周にＯリングを装着し、１段目の比例減圧部２００ａに２段目の比例減圧部２００ｂを積み重ねる構成で、ケーシング５１０内部に挿入される。このケーシング５１０のフランジ５１２面に、第１実施例で示した減圧部３００を締結することで、減圧装置は組み立てられる。減圧装置の入口ポート用穴部５１６には、図示しない高圧配管が接続され、この配管と水素タンク１３０とが接続している。

水素タンク１３０からの水素ガスは、１段目の比例減圧部２００ａに流入し、１段目の比例ピストン２３０ａの受圧面積比に応じて減圧され、２段目の比例減圧部２００ｂに流入する。水素ガスは、２段目の比例ピストン２３０ｂの受圧面積比に応じて更に減圧され、減圧部３００に流入してほぼ一定の低圧力で出力される。第２実施例では、１段目の比例ピストン２３０ａの入力室２５０ａ側の受圧面積は、出口室２７０ａ側の受圧面積の約2/3に設定し、２段目の比例ピストン２３０ｂの入力室２５０ｂ側の受圧面積は、出口室２７０ｂ側の受圧面積の約1/2に設定している。

こうした構造の減圧装置では、例えば、水素タンク１３０からの最大圧力70MPaを0.3MPaに減圧する必要がある場合、１段目の入力室２５０ａは70MPa、出口室２７０ａは46MPa、２段目の入力室２５０ｂは46MPa、出口室２７０ｂは23MPa、減圧部３００への入力圧は23MPa、出力室３９０は0.3MPaとなる。この場合、各比例減圧部２００ａ，２００ｂおよび減圧部３００にかかる差圧は、共に最大で約23MPaであり、入力圧の1/3程度に抑えることができる。したがって、減圧装置に入力する圧力が高圧でも、各比例減圧部２００ａ，２００ｂおよび減圧部３００にかかる圧力差を低減することができるため、例えば、可動部分等からの漏れはなく、耐圧に関する信頼性が向上する。

なお、第２実施例では、１段目で約2/3、２段目で約1/2に受圧面積を設定したが、この比率に限らず、用途に応じて比例ピストン２３０ａ，２３０ｂの受圧面積比を調整しても良い。例えば、１段目、２段目とも約1/2の受圧面積を設定することで、減圧部３００の入力圧力の変動幅を更に抑え、減圧部３００からの出力精度を向上することができる。また、比例減圧部２００を３段以上の複数段重ねる構成としても良い。こうすることで、現状の耐圧技術で更に高い入力圧力を低圧に減圧することが可能となる。

第２実施例では、多段比例減圧部５００のケーシング５１０に設けた連通孔５１５の一端は、外部に連通する構成としたが、図６に示すように、その一端を減圧部３００の出力室３９０に連通する構成としても良い。図６に示す減圧装置は、図５で示した減圧部３００のケース３１０に、ケース３１０内部とケーシング５１０に設けた連通孔５１５の一端とを接続する接続通路３９５を設け、出力室３９０の減圧された水素ガスが各比例減圧部２００ａ，２００ｂの中間室２６０ａ，２６０ｂに流入する構造である。

この減圧装置の内部は、水素ガスで満たされた状態となる。したがって、例えば比例ピストン２３０ａ，２３０ｂのＯリングが劣化して入力室２５０ａ，２５０ｂの水素ガスが中間室２６０ａ，２６０ｂに漏れたとしても、水素ガスが大気中に放出されることはない。

こうした減圧装置には、水素タンク１３０からの高圧水素ガスを流入し、低圧水素ガスとして放出する一連の流路があるが、図７に示すように、減圧装置内部に、この一連の流路とは別の充填用の通路を設けるものとしても良い。図７に示す減圧装置は、第２実施例の多段比例減圧部５００の弁部２２０ａ，２２０ｂに、充填用の充填通路７２０ａ，７２０ｂを設け、その充填通路７２０ａ，７２０ｂを開閉する鋼球７３０ａ，７３０ｂを追加した構成である。

１段目および２段目の比例減圧部２００ａ，２００ｂを構成する弁部２２０ａ，２２０ｂは、その軸方向に比例ピストン２３０ａ，２３０ｂの貫通流路２３３ａ，２３３ｂよりも小径である充填通路７２０ａ，７２０ｂを備え、弁部２２０ａ，２２０ｂの円錐部分とは反対側の端面に、鋼球７３０ａ，７３０ｂと接して充填通路７２０ａ，７２０ｂを遮断する略円錐形状の窪みを有している。比例減圧部２００ａ，２００ｂを挿入するケーシング７１０は、その円筒内部の端面から入口ポート７１１方向に段付凹部７１５を有し、１段目の弁部２２０ａの充填通路７２０ａを遮断する鋼球７３０ａとその鋼球７３０ａを付勢するスプリング７４０ａとを備えている。なお、２段目の弁部２２０ｂの充填通路７２０ｂを遮断する鋼球７３０ｂを付勢するスプリング７４０ｂは、１段目の比例ピストン２３０ａを閉弁方向に付勢するスプリングの役目も果たしている。

以上の構造の減圧装置では、入口ポート７１１からの高圧の水素ガスは、１段目および２段目の比例ピストン２３０ａ，２３０ｂを押し上げて、減圧部３００の出力ポート３１７から出力される。この順方向では、スプリング７４０ａ，７４０ｂの付勢力を受ける鋼球７３０ａ，７３０ｂと弁部２２０ａ，２２０ｂの窪みとでシールされることで、弁部２２０ａ，２２０ｂに設けた充填通路７２０ａ，７２０ｂは遮断され、水素ガスがこの通路を流れることはない。

他方、減圧部３００の出力ポート３１７に充填用の高圧水素ガスを接続すると、水素ガスは逆方向に流れ、出力ポート３１７からの水素ガスは、バルブ３２０が開弁状態の絞り流路３１５を通過して、２段目の比例減圧部２００ｂの出口室２７０ｂへ流入する。水素ガスは、その圧力により２段目の比例ピストン２３０ｂを弁部２２０ｂに押し付けて、比例ピストン２３０ｂと弁部２２０ｂとの隙間の流路を閉口し、比例ピストン２３０ｂの貫通流路２３３ｂを通過して弁部２２０ｂの充填通路７２０ｂに流入する。充填通路７２０ｂ内の水素ガスの圧力が、鋼球７３０ｂで通路を遮断しているスプリング７４０ｂの付勢力に勝ると、充填通路７２０ｂ内の水素ガスは、鋼球７３０ｂを押しのけて１段目の比例減圧部２００ａの出口室２７０ａへ流入する。以下、同様にして、１段目の弁部２２０ａの充填通路７２０ａを通過した水素ガスは、減圧装置の入口ポート７１１に到達する。こうして水素ガスを逆方向に流すことができるため、タンクからの水素ガスの放出、充填を一つの装置を介して行なうことができる。

この減圧装置では、双方向のうち一方向の流れを遮断するチェック機能を設けることで、放出して空になった水素タンク１３０に水素ガスを充填する場合にも使用できる。すなわち、減圧装置の出力ポート３１７を、水素タンク１３０への水素ガスの充填用入力ポートとしても使用できることになる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら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において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例では、比例減圧部のスプリングの力は、中間室の大気圧による比例ピストンにかかる力を相殺する程度の力としたが、例えば、構造上の理由からタンク内部に所定の圧力をかけておく必要がある場合には、このスプリングを調整することでタンク圧をかけるように構成しても良い。

本発明の減圧装置を搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。第１実施例の減圧装置の縦断面図である。減圧弁の入力圧力と出力圧力の関係図である。独立した比例減圧装置の縦断面図である。第２実施例の多段比例減圧部を有する減圧装置の断面図である。中間室と出口室とを連通した減圧装置の縦断面図である。充填用の通路およびチェック機能を有する減圧装置の縦断面図である。

符号の説明

１０...燃料電池スタック
２０...エアライン
３０...燃料ライン
５０...ＤＣ／ＤＣコンバータ
６０...蓄電池
１００...フィルタ
１１０...コンプレッサ
１２０...加湿器
１３０...水素タンク
１４０...減圧装置
１５０...シャットバルブ
１６０...水素循環ポンプ
１７０...インバータ
１８０...走行モータ
２００，２００ａ，２００ｂ...比例減圧部
２１０，２１０ａ，２１０ｂ，４１０...ハウジング
２１２...タップ穴
２１４...凹部
２１５...大径内円筒
２１６...小径内円筒
２１７...ネジ穴部
２１８...入力ポート
２１９...中間ポート
２２０，２２０ａ，２２０ｂ，４２０...弁部
２２２...円柱部分
２２４...円錐部分
２２６...雄ネジ部
２３０，２３０ａ，２３０ｂ，４３０...比例ピストン
２３１，２３１ａ，２３１ｂ...大径円柱部分
２３２，２３２ａ，２３２ｂ...小径円柱部分
２３３，２３３ａ，２３３ｂ...貫通流路
２３５，２３６，３６０，３８０...Ｏリング
２４０，２４０ａ，２４０ｂ，４４０，７４０ａ，７４０ｂ...スプリング
２５０，２５０ａ，２５０ｂ，４５０...入力室
２６０，２６０ａ，２６０ｂ，４６０...中間室
２７０，２７０ａ，２７０ｂ，４７０...出口室
２８０...パッキン
２９０，４００...比例減圧装置
３００...減圧部
３１０...ケース
３１１...挿入孔
３１２...係合部分
３１３...導入路
３１５...絞り流路
３１６...フランジ部分
３１７...出力ポート
３１８...円筒形状部分
３１９...大気孔
３２０...バルブ
３２１...連結部
３３０...減圧ピストン
３４０...バネ
３４５...ネジ係合穴部
３５０...バネ調整部分
３７０...締結ボルト
３９０...出力室
３９５...接続通路
４３６...入力通路
５００...多段比例減圧部
５１０，７１０...ケーシング
５１２...フランジ
５１４...円筒
５１５...連通孔
５１６...入口ポート用穴部
７１１...入口ポート
７１５...段付凹部
７２０ａ，７２０ｂ...充填通路
７３０ａ，７３０ｂ...鋼球

Claims

流体の回路に使用し、流体の高圧力を低圧力に減圧する減圧装置であって、
前記回路の上流に、前記流体が流入し、該流入した流体の圧力を減圧し、該圧力に比例した圧力で流出させる比例減圧手段を設け、
前記回路の下流に、前記比例減圧手段から流出した前記流体の圧力を所定の圧力に減圧する減圧手段を設け、
前記比例減圧手段は、
ハウジングの内部に軸方向に移動可能なピストンを設け、
前記ピストンは、該ピストンの一端面に第１の受圧面と、他端面に該第１の受圧面より面積の大きな第２の受圧面を備え、
前記第１の受圧面側に入力室を、前記第２の受圧面側に出力室を設け、
前記ピストン内部に、前記入力室と前記出力室とを連通する連通路を有し、
前記連通路の一端で、前記第１の受圧面側に、前記ピストンが軸方向に移動することで前記連通路を開閉する弁を設け、
前記連通路を閉弁する方向に、前記ピストンを付勢するスプリングを備えて構成し、
前記比例減圧手段と前記減圧手段とを一体構造とした
減圧装置。
高圧のタンクを有する燃料電池システムに使用し、該高圧タンクからの高圧ガスを低圧に減圧する減圧装置であって、
前記ガスの流れの上流に、前記ガスが流入し、該流入したガスの圧力を減圧し、該圧力に比例した圧力で流出させる比例減圧手段を設け、
前記ガスの流れの下流に、前記比例減圧手段から流出した前記ガスの圧力を所定の圧力に減圧する減圧手段を設け、
前記比例減圧手段と前記減圧手段とを一体構造とした
減圧装置。
請求項２に記載の減圧装置であって、
前記比例減圧手段は、該比例減圧手段に流入する前記ガスの圧力を、１／３から２／３の範囲に減圧する手段である減圧装置。
請求項２または請求項３に記載の減圧装置であって、
前記比例減圧手段は、
ハウジングの内部に軸方向に移動可能なピストンを設け、
前記ピストンは、該ピストンの一端面に第１の受圧面と、他端面に該第１の受圧面より面積の大きな第２の受圧面を備え、
前記第１の受圧面側に入力室を、前記第２の受圧面側に出力室を設け、
前記ピストン内部に、前記入力室と前記出力室とを連通する連通路を有し、
前記連通路の一端で、前記第１の受圧面側に、前記ピストンが軸方向に移動することで前記連通路を開閉する弁を設け、
前記連通路を閉弁する方向に、前記ピストンを付勢するスプリングを備えた手段である
減圧装置。
請求項１または４に記載の減圧装置であって、
前記比例減圧手段は、前記ハウジングの内部に設けた前記ピストンの軸方向の移動用の空間である中間室を形成し、
前記減圧手段により減圧された圧力の流体が流入する空間と前記中間室とを連通する導入路を備えた減圧装置。
請求項５に記載の減圧装置であって、
前記弁には、前記ピストンの移動による開弁によらず、前記連通路の前記第１の受圧面側と接続する第２の流路が形成され、
前記第２の流路上に、前記比例減圧手段に流入した流体が前記減圧手段から流出する方向への該第２の流路の流れを止める逆止手段を備えた
減圧装置。
請求項６に記載の減圧装置であって、
前記比例減圧手段を、少なくとも２つ以上、シリーズに組み合わせて多段比例減圧手段として構成し、
前記逆止手段は、前記第２の流路を開口または閉口する弁体と、該弁体を閉口方向に付勢する第２のスプリングとを備え、
前記多段比例減圧手段の隣接する２つの前記比例減圧手段の中、下流の該比例減圧手段の前記弁体を閉口方向に付勢する機能と、上流の該比例減圧手段の前記ピストンを閉弁方向に付勢する機能とを合わせ持つ第３のスプリングを前記隣接する比例減圧手段の間に介装した
減圧装置。
請求項１ないし６のいずれかに記載の減圧装置であって、
前記比例減圧手段を、少なくとも２つ以上、シリーズに組み合わせて多段比例減圧手段として構成する減圧装置。
請求項１に記載の減圧装置であって、
前記減圧手段は、バルブを有し、
前記比例減圧手段と前記減圧手段は、前記比例減圧手段の前記スプリングが、前記比例減圧手段の前記ピストンと、前記減圧手段の前記バルブとの間に配置された一体構造を有する、
減圧装置。