JP5363763B2 - 燃料電池用レギュレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用レギュレータに関する。

従来、燃料電池を用いた燃料電池装置に設けられる圧力制御弁として、酸化剤（エア）の圧力を信号圧として、酸化剤（エア）の圧力に応じた圧力で燃料電池のアノード側に反応ガスとして燃料ガス（水素）を供給する燃料電池用レギュレータが知られている（特許文献１参照）。

この特許文献１に開示された燃料電池用レギュレータでは、第１ダイヤフラムが配設されている室の圧力と第２ダイヤフラムが配設されている室の圧力との圧力差により、弁体の弁座からの離間および弁体の弁座への着座の制御を行い、ひいては、一次側ポートと二次側ポートとを連通させる流体通路の開閉制御を行って、水素の導通および遮断を行っている。
特開２００４−１８５８７２号公報

ところで、前記したような流体通路の開閉制御は、燃料電池に対する水素の供給又は供給停止を行い、燃料電池装置における水素流量の調節につながるため、弁体の開閉動作の応答性を更に向上させたいという要望があった。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、弁体の開閉動作時における応答性を向上させることが可能な燃料電池用レギュレータを提供することを課題とする。

前記の課題を解決するため、本発明は、燃料ガスが供給される一次側ポートと、前記燃料ガスを排出する二次側ポートとを有するボディと、前記ボディ内に変位自在に設けられ、弁座から離間しまたは前記弁座に着座することにより前記一次側ポートと前記二次側ポートとを連通させる流体通路を開閉する弁体と、前記ボディ内に所定間隔離間して配設され、パイロット室に供給される酸化剤であるパイロットエアの受圧作用下に撓曲する第１ダイヤフラムと、前記流体通路を流通する燃料ガスの受圧作用下に撓曲する第２ダイヤフラムと、前記第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムの撓曲作用下に、前記弁体と前記第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムとを一体的に変位させるロッド部材と、前記ロッド部材の端部に設けられ、前記弁体が前記弁座から離間する方向に付与される圧力を相殺する方向に向かって作用する背圧室と、前記弁体に係着するように設けられ、前記弁体を前記弁座に着座する方向に付勢する第１ばね部材と、前記パイロット室に設けられ、前記弁体を前記弁座から離間する方向に付勢する第２ばね部材と、前記弁座が形成され、前記ロッド部材が挿通される貫通孔を有する弁座部材と、を備え、前記ロッド部材の外周面と前記弁座部材の内周面との間には、前記弁体が前記弁座に着座した状態で、環状空間が形成され、前記弁体の前記弁座側の面のうち前記環状空間に面する部位の面積は、前記弁体を離間させる前記弁体のシート受圧面積を構成し、前記弁座には、前記弁体に向かって突出して前記弁体が着座する環状突起部が形成され、前記環状突起部の内径は、前記弁体から離間するにつれて縮径して設けられ、前記弁体のシート受圧面積は、前記弁体を着座させる前記背圧室側の受圧面積よりも小さく設定され、前記弁体の下端側には、前記ロッド部材に外嵌されるガイド部材が設けられ、前記弁体の前記ガイド部材側の面のうち前記環状突起部に対応する位置よりも半径方向内側の部位は、前記弁体を前記弁座に着座させる方向に作用するシート面を構成し、前記一次側ポートから導入された燃料ガスによって受圧され、前記弁体を前記弁座から離間させる方向に作用する前記ガイド部材の外径を含む外径面は、前記シート面よりも小さく設定され、前記第２ダイヤフラムは、保持機構を介して前記ロッド部材に連結され、前記第２ダイヤフラムは、前記保持機構に対し半径方向外側に離間して配置されたコンボリューション部と、前記コンボリューション部の半径方向内側に連続して形成されたストレート部と、を有し、前記保持機構は、前記第２ダイヤフラムの上面に接触する上部側リテーナを有し、前記ストレート部は、前記上部側リテーナの下面と外周面との境界部に形成されたＲ部の下方に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、弁体のシート受圧面積が背圧室側の受圧面積よりも小さく設定され、弁体が着座する環状突起部の内径が弁体から離間するにつれて縮径して設けられることにより、弁体が弁座に着座したときの弁体の受圧面積が小さくなるため、弁体を弁座から離間する方向に作用する押圧力が低下し、第１ばね部材の弁体の着座に必要となるばね力を低下させることができる。したがって、比較的低圧のパイロットエア圧の導入によって弁体を迅速に開弁させることが可能となり、弁体の開弁時の応答性を向上させることができる。

また、本発明は、前記弁体の下端側には、前記ロッド部材に外嵌されるガイド部材が設けられ、前記弁体の前記ガイド部材側の面のうち前記環状突起部に対応する位置よりも半径方向内側の部位は、前記弁体を前記弁座に着座させる方向に作用するシート面を構成し、前記一次側ポートから導入された燃料ガスによって受圧され、前記弁体を前記弁座から離間させる方向に作用する前記ガイド部材の外径を含む外径面が、前記シート面よりも小さく設定されることを特徴とする。これにより、一次側ポートから燃料ガスが供給された際に、ガイド部材の外径面にかかる弁体を弁座から離間させる方向に作用する押圧力（供給圧）が、弁座のシート面にかかる弁体を弁座に着座させる方向に作用する押圧力（供給圧）よりも小さくなる。すなわち、弁体を弁座から離間させる方向に作用する押圧力と弁体を弁座に着座させる方向に作用する押圧力との間に差圧が生じ、この差圧が弁体を閉弁側へアシストするため、弁体の閉弁時のシート性を向上させ、前記弁体の誤作動を回避することができる。

また、本発明は、前記第２ダイヤフラムは、保持機構を介して前記ロッド部材に連結され、前記第２ダイヤフラムは、前記保持機構に対し半径方向外側に離間して配置されたコンボリューション部を有することを特徴とする。このようにすると、保持機構とコンボリューション部との間に応力が集中するのを回避することができ、ひいては、第２ダイヤフラムの耐久性を向上して長期的に安定した作動を実現することができる。

本発明によれば、弁体の開閉動作時における応答性を向上させることが可能な燃料電池用レギュレータが得られる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用レギュレータが組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図、図２は、本実施形態に係る燃料電池用レギュレータの平常時における弁閉状態を示す縦断面図、図３は、図２に示す燃料電池用レギュレータにパイロット圧が供給された弁開状態を示す縦断面図である。なお、燃料電池システムは、例えば、自動車等の車両に搭載される。

この燃料電池システム２００は、例えば、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して設けた燃料電池スタック２０２を含む。燃料電池スタック２０２には、燃料ガス（以下、必要に応じて燃料という）として、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素という）が供給されるアノードと、酸化剤として、例えば、酸素を含むエアが供給されるカソードとが設けられる。

カソードには、酸化剤供給部２０４からエアが供給されるエア供給口２０６と、カソード内のエアを外部に排出するためのエア排出部２０８が接続されたエア排出口２１０とが設けられる。一方、アノードには、燃料供給部２１２から水素が供給される水素供給口２１４と、水素排出部２１６が接続された水素排出口２１８とが設けられる。

燃料電池スタック２０２では、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するように設定されている。

エア供給口２０６には、エア供給用通路を介して、酸化剤供給部２０４と、放熱部２２０と、カソード加湿部２２２とがそれぞれ接続され、また、エア排出口２１０には、エア排出用通路を介してエア排出部２０８が接続される。

水素供給口２１４には、水素供給通路を介して、燃料供給部２１２と、圧力制御部２２４と、エゼクタ２２６と、アノード加湿部２２８とがそれぞれ接続され、また、水素排出口２１８には、循環用通路２３０を介して水素排出部２１６が接続される。

酸化剤供給部２０４は、例えば、図示しないスーパーチャージャ（圧縮機）およびこれを駆動するモータ等から構成され、燃料電池スタック２０２で酸化剤ガスとして使用される供給エアを断熱圧縮して燃料電池スタック２０２に圧送する。この断熱圧縮の際に供給エアが加熱される。このように加熱された供給エアが、燃料電池スタック２０２の暖機に貢献する。

また、酸化剤供給部２０４から供給されるエアは、例えば、燃料電池スタック２０２の負荷や図示しないアクセルペダルの操作量等に応じて所定の圧力に設定されて燃料電池スタック２０２に導入されるとともに、後記する放熱部２２０によって冷却された後、バイパス通路２３２を介して圧力制御部２２４にパイロット圧として供給される。

放熱部２２０は、例えば、図示しないインタクーラ等から構成され、流路に沿って流通する冷却水と熱交換することによって、燃料電池スタック２０２の通常運転時において酸化剤供給部２０４から供給される供給エアを冷却する。このため、供給エアは、所定温度に冷却された後、カソード加湿部２２２に導入される。

カソード加湿部２２２は、例えば、水透過膜を備えて構成され、水分を水透過膜の一方の側から他方の側へ透過させることにより、放熱部２２０によって所定の温度に冷却されたエアを所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２のエア供給口２０６へと供給している。加湿されたエアは燃料電池スタック２０２に供給され、燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。

なお、燃料電池スタック２０２のエア排出口２１０には、エア排出部２０８が接続され、エア排出部２０８に設けられた図示しない排出弁を通じてエアが大気中に排気される。

燃料供給部２１２は、例えば、燃料電池に対する燃料として水素を供給する図示しない水素ガスボンベからなり、燃料電池スタック２０２のアノード側に供給する供給水素が貯蔵される。

圧力制御部２２４には、後記する燃料電池用レギュレータ１０が設けられ、バイパス通路２３２を介して供給されるエアの圧力をパイロット圧（パイロット信号圧）として、圧力制御部２２４の出口側圧力である二次側圧力をパイロット圧に対応した所定範囲の圧力に設定している。例えば、圧力制御部２２４では、パイロット信号圧：二次側圧＝約１：１２の範囲内に設定される。

エゼクタ２２６は、図示しないノズル部とディフューザ部とから構成され、圧力制御部２２４から供給された燃料（水素）はノズル部を通過する際に加速されてディフューザ部に向かって噴射される。ノズル部からディフューザ部に向かって燃料が高速で流通する際、ノズル部とディフューザ部との間に設けられた副流室内で負圧が発生し、循環用通路２３０を介してアノード側の排出燃料が吸引される。エゼクタ２２６で混合された燃料および排出燃料はアノード加湿部２２８へと供給され、燃料電池スタック２０２から排出された排出燃料は、エゼクタ２２６を介して循環するように設けられている。

したがって、燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８から排出された未反応の排出ガスは、循環用通路２３０を介してエゼクタ２２６に導入され、圧力制御部２２４から供給された水素と、燃料電池スタック２０２から排出された排出ガスとが混合されて燃料電池スタック２０２に再び供給されるように設けられている。

アノード加湿部２２８は、例えば、水透過膜を備えて構成され、水分を水透過膜の一方の側から他方の側へ透過させることにより、エゼクタ２２６から導出された燃料を所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２の水素供給口２１４へと供給している。加湿された水素は燃料電池スタック２０２に供給され、燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。

燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８には、例えば、図示しない排出制御弁を有する水素排出部２１６が循環用通路２３０を介して接続される。排出制御弁は、燃料電池スタック２０２の運転状態に応じて開閉動作が制御され、例えば、図示しない貯留タンクによって分離された排出ガス中の過剰な水分（主に液体水）等が車両外部に排出される。

次に、燃料電池システム２００の圧力制御部２２４に設けられた本実施形態に係る燃料電池用レギュレータ１０について説明する。
尚、以下の記載において、開弁側とは、「弁体が弁座から離間する側」のことをいい、閉弁側とは、「弁体が弁座に着座する側」のことをいう。

燃料電池用レギュレータ１０は、図２および図３に示すように、ボディ１６を有し、ボディ１６には、燃料供給部２１２（図１参照）から供給された水素が導入される一次側ポート１２と、一次側ポート１２から導入された水素を所定の圧力に調圧してエゼクタ２２６（図１参照）側に導出する二次側ポート１４とが設けられている。

ボディ１６は、相互に積層されて一体的に連結された第１ブロック体１８ａと、第２ブロック体１８ｂと、第３ブロック体１８ｃとを有する。

第１ブロック体１８ａの内部には、空間部２０が形成され、空間部２０には、一次側ポート１２と二次側ポート１４とを連通させる流体通路２２を開閉する弁機構部２４が形成されている。本実施形態において、一次側ポート１２からこの空間部２０内に導入された水素は、弁体４２が開弁することによって、流体通路２２に流入するようになっている。

第１ブロック体１８ａの底面部に形成された孔部には、後記する背圧室３０を閉塞する閉塞部材３２がＯリング２６によってボルト２８を介して連結されている。閉塞部材３２は、第１ブロック体１８ａの軸線方向に沿って長尺状に所定長だけ突出する円筒状の弁体ガイド部３４を有している。

弁機構部２４は、ボディ１６の軸線方向に沿って延在するロッド部材３６と、ロッド部材３６の下端部に外嵌され、ロッド部材３６の軸線方向に沿って延在するガイド部材４０と、ガイド部材４０の上端側から半径方向外側に向かって突出する環状体からなる弁体４２と、第１保持機構４６を介してロッド部材３６の他端部に連結された大径な第１ダイヤフラム４８と、第１ダイヤフラム４８と弁体４２との間に設けられ、第２保持機構５０を介してロッド部材３６に連結された小径な第２ダイヤフラム５２とを有する。
なお、第２保持機構５０は、第２ダイヤフラム５２のコンボリューション部５２ａから離間して配置されたものである（図７参照）。

ロッド部材３６の中間部には、半径方向外側に向かって突出する第２下部側リテーナ８４が一体的に形成されている。また、ロッド部材３６の外周面には、環状溝を介してＯリング７６が装着されている。ロッド部材３６には、軸線方向に沿って所定長だけ延在する第１連通孔９２および前記第１連通孔９２に略直交して交差する第２連通孔１００が設けられている。

また、ロッド部材３６の下端側には、フランジ部３８が形成され、前記フランジ部３８は、弁体４２に面接触して当接した状態において、図示しないねじを介して弁体４２に連結されている。このようにロッド部材３６のフランジ部３８と弁体４２とを組み付けることにより、組み付け工数を削減することができる。

前記したフランジ部３８の上側には、図６に示すように、凹部３６ａが形成されている。凹部３６ａは、ロッド部材３６の外径の一部を小径にして形成されている。

ガイド部材４０は、内部に中空部５８を有する円筒体からなり、ガイド部材４０の端部には半径方向外側に向かって所定長だけ膨出する弁体４２が一体的に形成されている。

また、ガイド部材４０の上端側には、弁座６０に着座する方向に向かって、縮径する外径テーパ面４４が形成されている。この外径テーパ面４４には、後記するように、一次側ポート１２から空間部２０内に水素が供給されると、弁体４２を弁座６０に離間させる方向に作用する押圧力（供給圧）が付与される。また、ガイド部材４０には、外径テーパ面４４の上端から上側に延出する小径面４０ａが形成されている（図４参照）。

弁体４２には、前記小径面４０ａの上端から半径方向外側に延出する下面４２ａが形成されている（図４参照）。なお、この下面４２ａのうち、弁座６０の環状突起部で形成された最下端を下面４２ａに投影した位置より半径方向内側の面のことをシート面４２ｂという。

本実施形態では、図４に示すように、ガイド部材４０の外径Ｌ２が弁座６０のシート径Ｌ１より小さく設定されている。すなわち、ガイド部材４０の外径テーパ面４４が、弁体４２のシート面４２ｂより小さく設定され、外径テーパ面４４の受圧面積がシート面４２ｂの受圧面積より小さい。
したがって、一次側ポート１２から空間部２０内に水素が供給されたとき（以下、「初期段階」という。）に、図５に示すように、外径テーパ面４４を受圧面として弁体４２を弁座６０から離間させる方向に作用する押圧力Ｐ２が、シート面４２ｂを受圧面として弁体４２を弁座６０に着座させる方向に作用する押圧力Ｐ１よりも小さくなる（Ｐ２＜Ｐ１）。
すなわち、弁体４２を弁座６０から離間させる方向に作用する押圧力Ｐ２と弁体４２を弁座６０に着座させる方向に作用する押圧力Ｐ１との間に差圧が生じる。
そして、この差圧が弁体４２を閉弁側へアシストするため、初期段階において弁体４２を弁座６０へ確実に着座させることが可能となり、弁体４２の閉弁時のシート性を向上させることができる。
なお、本実施形態では、弁体４２の開弁時の応答性と調和させながら、弁体４２の閉弁時のシート性を向上させることができる。この点については、後記する。

また、図２に示すように、ガイド部材４０の外周面には、Ｏリング６６が、環状溝を介して装着されている。これにより、所望の摺動抵抗が得られて、自励振動を抑制することができる。なお、Ｏリング６６に代替する摺動部材、例えば、ベアリング等を用いることにより所望の摺動抵抗を得ることが可能である。

ガイド部材４０が、Ｏリング６６の摺動作用下に弁体ガイド部３４に沿って変位することにより、ガイド部材４０を直線状に案内することが可能となる。したがって、ガイド部材４０と一体的に形成された弁体４２が、弁座６０に対して精度良く位置決めされた状態で着座することができる。なお、後記する弁座部材６２の弁座６０に着座する弁体４２の着座部位には、環状のシート用ゴム６４が環状溝を介して貼着されている。

Ｏリング６６によって外周面がシールされたガイド部材４０の下端部側には、閉塞部材３２によって囲繞された背圧室３０が形成されている。

ここで、弁体４２のシート受圧面積と背圧室３０側の受圧面積との関係について図６を参照して説明する。
まず、弁体４２のシート受圧面積とは、弁体４２が弁座６０へ着座したときにおいて、ロッド部材３６の凹部３６ａと弁座６０の内周面６２ｂとの間に形成される環状溝４２ｃの底面の面積のことをいい、背圧室３０側の受圧面積とは、押圧力Ｓ１〜Ｓ４が付与される部位の全体面積のことをいう。
一般論として、弁体４２のシート受圧面積と背圧室３０側の受圧面積が同一又は略同一の場合には、調圧された二次側圧力によって弁体４２を弁座６０から離間させる方向に作用する押圧力Ｔと、背圧室３０内に進入した圧力流体によって弁体４２を弁座６０に着座させる方向に作用する押圧力Ｓ１〜Ｓ４とが相殺（キャンセル）されることになる。
しかしながら、本実施形態では、後記のように弁座６０のシート径Ｌ１を、ロッド部材３６の外径側に向かって縮径して設け、弁体４２のシート受圧面積を小さくし、弁体４２を弁座６０から離間させる方向に作用する押圧力Ｔを低下させている。

ガイド部材４０の外周側には、一端部が弁体４２の底面に係着され、他端部が閉塞部材３２の内壁面に係着されたコイル状の第１ばね部材５４が設けられている。第１ばね部材５４は、弁体４２を弁座６０に向かって着座させるように付勢している。

第１ブロック体１８ａの内壁面には、弁体４２が着座する弁座６０が形成された弁座部材６２が設けられ、弁座部材６２と第１ブロック体１８ａの内壁面との間には、シール機能を有するＯリング７２が装着されている。弁座部材６２は、第１ブロック体１８ａに形成された環状の凸部に対して加締めて固定されている。また、弁座部材６２には、弁体４２から離間する方向に向かって徐々に拡径し、且つ非接触状態でロッド部材３６を囲繞するテーパ面６２ａが形成されている。

ロッド部材３６の外周面と弁座部材６２のテーパ面６２ａとの間の空間は、流体通路２２として機能するものである。テーパ面６２ａは、弁座６０から離間する上方に向かって徐々に拡径して形成されている。したがって、流体通路２２の断面積が徐々に拡大して形成されているので、急激な断面積の変化がなく自励振動を抑制することが可能となる。

また、図６に示すように、弁座部材６２には、テーパ面６２ａの下端から弁体４２に向かって延出する内周面６２ｂが形成されている。
前記のように本実施形態では、弁座６０のシート径Ｌ１が、ロッド部材３６の外径側に向かって縮径して設けられている。
これにより、弁体４２が弁座６０に着座したときに、内周面６２ｂと凹部３６ａとの間に形成される環状溝４２ｃが狭まり、その底面の面積が小さくなる。
すなわち、弁体４２が弁座６０に着座したときの弁体４２のシート受圧面積が小さくなる。
そのため、弁体４２を弁座６０から離間させる方向に作用する押圧力Ｔが低下し、第１ばね部材５４の弁体４２の着座に必要となるばね力を低下させることができる。
したがって、比較的低圧のパイロットエア圧の導入によっても弁体４２を開弁させることが可能となり、弁体４２の開弁動作時の応答性を向上させることができる。
なお、弁座６０のシート径Ｌ１とは、弁座６０の環状突起部で形成された最下端の径のことをいう。

また、図２および図３に示されるように、第１ブロック体１８ａの上部に形成された段部には、ロッド部材３６が挿通する貫通孔を有する保持部材７４がねじ止めされている。保持部材７４と弁座部材６２のテーパ面６２ａとの間には、二次側ポート１４側に向かって徐々に拡大する流体通路２２が形成されている。

第１ダイヤフラム４８は、パイロット室６８に供給されるパイロットエアの受圧作用下に撓曲する部材であり、第１保持機構４６を介してロッド部材３６に連結されている。本実施形態においては、第１ダイヤフラム４８と第２ダイヤフラム５２の受圧面積比は、例えば、約１２：１に設定されており、これによりパイロット圧であるエアに対して二次側ポート１４から導出される水素の圧力（二次側圧力）を１２倍に調圧することができ、二次側ポート１４側に接続され本実施の形態で用いられるエゼクタ２２６（図１参照）の循環圧力、吸引特性等を良好に保持し、エゼクタ２２６の性能を最大限に引き出すことが可能となる。

第１保持機構４６は、第１ダイヤフラム４８の上面に接触する第１上部側リテーナ７８と第１ダイヤフラム４８の下面に接触する第１下部側リテーナ８０とから構成されている。第１上部側リテーナ７８および第１下部側リテーナ８０は、それぞれ、中心孔を介してロッド部材３６に軸着されている。
第１上部側リテーナ７８および第１下部側リテーナ８０によって保持されない第１ダイヤフラム４８の外周縁部は、第２ブロック体１８ｂと第３ブロック体１８ｃとの間で挟持されている。

第２ダイヤフラム５２は、流体通路２２を流通する水素の受圧作用下に撓曲する部材であり、第２保持機構５０を介してロッド部材３６に連結されている。
図７に示すように、第２ダイヤフラム５２のコンボリューション部５２ａは、半径方向外側に配置されている。すなわち、コンボリューション部５２ａと第２保持機構５０のビード部５０ａとの間にストレート部５２ｂが形成され、コンボリューション部５２ａがビード部５０ａから離間して配置されている。したがって、ビード部５０ａとコンボリューション部５２ａとの間に応力が集中するのを回避することができ、ひいては、第２ダイヤフラム５２の耐久性を向上して長期的に安定した作動を実現することができる。

第２保持機構５０は、第２ダイヤフラム５２の上面に接触する第２上部側リテーナ８２と第２ダイヤフラム５２の下面に接触する第２下部側リテーナ８４とから構成されている。第２上部側リテーナ８２のみがロッド部材３６に軸着され、第２下部側リテーナ８４はロッド部材３６と一体的に形成されている。
第２上部側リテーナ８２および第２下部側リテーナ８４によって保持されない第２ダイヤフラム５２の外周縁部は、第１ブロック体１８ａと第２ブロック体１８ｂとの間で挟持されている。

第２下部側リテーナ８４の外周縁部には、下方側に向かって断面Ｌ字状に屈曲するストッパ部５６が形成されている。ストッパ部５６は、周方向に沿って約９０度離間する複数の（本実施形態では４個）爪部によって構成されている。パイロット室６８に供給されたパイロット圧の作用下に第１ダイヤフラム４８、第２ダイヤフラム５２およびロッド部材３６が下方側に向かって一体的に変位した際、ストッパ部５６が保持部材７４の上面に当接することにより、ロッド部材３６の変位量が規制されてストッパ機能が発揮されることになる。

本実施形態では、ロッド部材３６に一体的に形成された第２下部側リテーナ８４に対して第２上部側リテーナ８２、第１下部側リテーナ８０および第１上部側リテーナ７８を順次積層した後、ウエーブワッシャ８６およびナット８８によってロッド部材３６に締結している。

第１ダイヤフラム４８および第２ダイヤフラム５２との間には、第２ブロック体１８ｂの内壁面によって閉塞された大気室９０が設けられ、大気室９０は、図示しない通路を介して大気と連通するように設けられている。

第１ダイヤフラム４８の上部には、パイロットエアが供給されるパイロット室６８が設けられている。パイロット室６８は、第３ブロック体１８ｃの内壁面によって囲繞されるとともに、Ｏリング９４を介して第３ブロック体１８ｃのねじ孔に螺入される調整ねじ部材９６によって閉塞されている。パイロット室６８には、第２ばね部材７０が配設され、第２ばね部材７０の一端は、ばね受けリテーナ９８に係着され、他端は、第１上部側リテーナ７８に係着されている。この場合、調整ねじ部材９６によって第２ばね部材７０のばね力を大きく調整することができる。

パイロット室６８は、図８に示すように、パイロットエア流入ポート１０２に連通し、パイロットエア流入ポート１０２からパイロットエアが導入されて、第１パイロットエア排出ポート１０４及び第２パイロットエア排出ポート１０６から排出されるようになっている。

パイロットエア流入ポート１０２は、図８に示すように、パイロットエアを燃料電池用レギュレータ１０のパイロット室６８に供給するための供給口であり、第３ブロック体１８ｃに装着された管体からなる。パイロットエア流入ポート１０２は、上流側が管体（図示省略）を介してバイパス通路２３２（図１参照）に接続され、下流側がパイロット通路１１２に設けたエアフィルタ１０８及びオリフィス１１０を介してパイロット室６８に連通している。

第１パイロットエア排出ポート１０４及び第２パイロットエア排出ポート１０６は、パイロット室６８内のパイロットエアを排出する排出口であり、第３ブロック体１８ｃに装着された管体に設けられる。
第１パイロットエア排出ポート１０４は、第３ブロック体１８ｃに形成した流路（図示省略）を介してパイロット室６８に連通している。
第２パイロットエア排出ポート１０６は、第３ブロック体１８ｃに形成したパイロット通路１１２及びオリフィス１１０を介してパイロット室６８に連通すると共に、パイロット通路１１２を介してパイロットエア流入ポート１０２に連通している。このため、パイロットエア流入ポート１０２から流入した大部分のエアは、第２パイロットエア排出ポート１０６から下流部材へ流れ、僅かな流量のエアがパイロット室６８に流れ込むようにオリフィス１１０によって規制される。また、パイロット室６８内から排出されるエアは、大部分が第１パイロットエア排出ポート１０４から排出され、僅かな流量のエアがオリフィス１１０及びパイロット通路１１２を介して第２パイロットエア排出ポート１０６から下流部材へ流れるようにオリフィス１１０によって規制される。

図８に示すように、パイロット通路１１２は、パイロット室６８と、パイロットエア流入ポート１０２及び第２パイロットエア排出ポート１０６とを連通させるための流路である。このパイロット通路１１２によって、パイロットエア流入ポート１０２から流入したパイロットエアがパイロット室６８内に送られると共に、第２パイロットエア排出ポート１０６から下流側部材へ排出されるようになっている。パイロット通路１１２は、パイロット室６８と第２パイロットエア排出ポート１０６とを結ぶ流路に対して、パイロットエア流入ポート１０２に連通する流路が交差して分岐するように形成されている。

エアフィルタ１０８は、パイロットエア流入ポート１０２から導入されたパイロットエア中の塵埃等を除去してパイロット室６８への塵埃等の侵入を防止するフィルタ部材である。エアフィルタ１０８は、例えば、断面略Ｕ字状に形成されて、パイロットエア流入ポート１０２の下流側端部に装着されている。

オリフィス１１０は、パイロット通路１１２を流れるパイロットエアの圧力及び流量を調整するためのものであり、パイロット通路１１２の内径の一部を小径にして形成されている。つまり、オリフィス１１０は、パイロットエア流入ポート１０２から流入したパイロットエアがこのオリフィス１１０を通過することにより圧力が低下されてパイロット室６８へ送られ、パイロット室６８からパイロットエアがこのオリフィス１１０を通過することによって圧力が低下されて第２パイロットエア排出ポート１０６から排出されるようになっている。

次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池用レギュレータ１０の動作および作用効果について説明する。

先ず、本実施の形態では、シート面４２ｂに付与される押圧力Ｐ１と外径テーパ面４４に付与される押圧力Ｐ２との間に生じる差圧および弁体４２の下部側に配設された第１ばね部材５４のばね力によって、パイロット室６８にパイロット圧が供給されていない平常時において弁体４２が弁座６０に着座した弁閉状態にある（図２および図４参照）。

次に、アクセルペダル等の操作によって酸化剤供給部２０４（図１参照）からエアが送出された際、バイパス通路２３２（図１参照）および図示しないパイロットポートを介してパイロットエアがパイロット室６８内に導入される。パイロット室６８内に導入されたパイロットエアは、第１ダイヤフラム４８を下方側に向かって押圧するように作用する。この場合、ロッド部材３６を介して連結されている第１ダイヤフラム４８、第２ダイヤフラム５２および弁体４２が一体的に下方側に向かって変位し、弁体４２が弁座６０から離間する（図３参照）。その際、ロッド部材３６と一体的に形成されたストッパ部５６が保持部材７４の平坦な上面に当接することによりロッド部材３６の変位が規制される（図３参照）。

したがって、一次側ポート１２から供給された水素は、弁体４２と弁座６０との間隙を通過する際にパイロット圧に対応する所望の圧力に減圧され、調圧された水素は流体通路２２に沿って流通した後、二次側ポート１４からエゼクタ２２６側に向かって導出される。

本実施形態では、弁座６０のシート径Ｌ１をロッド部材３６の外径側に向かって縮径することにより、弁体４２が弁座６０に着座したときの弁体４２のシート受圧面積が小さくなる。
そのため、弁体４２を弁座６０から離間させる方向に作用する押圧力Ｔが抑制され、第１ばね部材５４の弁体４２の着座に必要となるばね力を低下させることができる。
したがって、比較的低圧のパイロットエア圧の導入によっても弁体４２を開弁させることが可能となり、弁体４２の開弁動作時の応答性を向上させることができる。

また、本実施形態では、ガイド部材４０の外径Ｌ２を弁座６０のシート径Ｌ１より小さく設定することにより、ガイド部材４０の外径テーパ面４４が、弁体４２のシート面４２ｂより小さくなり、ひいては外径テーパ面４４の受圧面積がシート面４２ｂの受圧面積より小さくなる。
そのため、一次側ポート１２から空間部２０内に水素が供給されたときに、外径テーパ面４４を受圧面として弁体４２を弁座６０から離間させる方向に作用する押圧力Ｐ２が、シート面４２ｂを受圧面として弁体４２を弁座６０に着座させる方向に作用する押圧力Ｐ１よりも小さくなる。
すなわち、弁体４２を弁座６０から離間させる方向に作用する押圧力Ｐ２と弁体４２を弁座６０に着座させる方向に作用する押圧力Ｐ１との間に差圧が生じるため、この差圧により弁体４２が閉弁側へアシストされ、初期段階において弁体４２を弁座６０へ確実に着座させることが可能となり、弁体４２の閉弁時のシート性を向上させることができる。

なお、弁体４２のシート性の向上とは、一次側ポート１２から空間部２０内に水素が供給された初期段階において、弁体４２の誤作動を好適に回避して、弁体４２を弁座６０に確実に着座させることであり、弁体４２の応答性の向上とは、パイロット室６８にパイロット圧が供給された状態において、比較的低圧のパイロットエア圧で弁体４２を弁座６０から離間させることである。
また、弁体４２のシート性を向上させることにより、弁体４２の過剰（過敏）な応答性を排除することが可能となる。

また、本実施形態では、ビード部５０ａとコンボリューション部５２ａとの間にストレート部５２ｂが形成され、コンボリューション部５２ａがビード部５０ａから離間して配置されることにより、ビード部５０ａとコンボリューション部５２ａとの間に応力が集中するのを回避することができ、ひいては、第２ダイヤフラム５２の耐久性を向上して長期的に安定した作動を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池用レギュレータが組み込まれた燃料電池システムの概略ブロック構成図である。 図１に示す燃料電池用レギュレータの平常時における弁閉状態を示す縦断面図である。 図２に示す燃料電池用レギュレータにパイロット圧が供給された弁開状態を示す縦断面図である。 図２に示す燃料電池用レギュレータの下部側の構成を示す部分拡大縦断面図である。 図４に示す燃料電池用レギュレータの下部側の構成を示す部分拡大縦断面図である。 図２に示す燃料電池用レギュレータの下部側の構成を示す部分拡大縦断面図である。 図２に示す燃料電池用レギュレータの第２ダイヤフラム周辺の構成を示す部分拡大縦断面図である。 図１に示す燃料電池用レギュレータの上部側の構成を示す部分拡大縦断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池用レギュレータ
１２ 一次側ポート
１４ 二次側ポート
１６ ボディ
２０ 空間部
２２ 流体通路
２４ 弁機構部
３０ 背圧室
３６ ロッド部材
４０ ガイド部材
４２ 弁体
４２ｂ シート面
４４ 外径テーパ面
４６ 第１保持機構
４８ 第１ダイヤフラム
５０ 第２保持機構（保持機構）
５２ 第２ダイヤフラム
５２ａ コンボリューション部
５４ 第１ばね部材
６０ 弁座
６２ 弁座部材
６８ パイロット室
７０ 第２ばね部材
２００ 燃料電池システム
Ｌ１ 弁座のシート径
Ｌ２ ガイド部材の外径

Claims (1)

1. 燃料ガスが供給される一次側ポートと、前記燃料ガスを排出する二次側ポートとを有するボディと、
   前記ボディ内に変位自在に設けられ、弁座から離間しまたは前記弁座に着座することにより前記一次側ポートと前記二次側ポートとを連通させる流体通路を開閉する弁体と、
   前記ボディ内に所定間隔離間して配設され、パイロット室に供給される酸化剤であるパイロットエアの受圧作用下に撓曲する第１ダイヤフラムと、前記流体通路を流通する燃料ガスの受圧作用下に撓曲する第２ダイヤフラムと、
   前記第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムの撓曲作用下に、前記弁体と前記第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムとを一体的に変位させるロッド部材と、
   前記ロッド部材の端部に設けられ、前記弁体が前記弁座から離間する方向に付与される圧力を相殺する方向に向かって作用する背圧室と、
   前記弁体に係着するように設けられ、前記弁体を前記弁座に着座する方向に付勢する第１ばね部材と、
   前記パイロット室に設けられ、前記弁体を前記弁座から離間する方向に付勢する第２ばね部材と、
   前記弁座が形成され、前記ロッド部材が挿通される貫通孔を有する弁座部材と、を備え、
   前記ロッド部材の外周面と前記弁座部材の内周面との間には、前記弁体が前記弁座に着座した状態で、環状空間が形成され、
   前記弁体の前記弁座側の面のうち前記環状空間に面する部位の面積は、前記弁体を離間させる前記弁体のシート受圧面積を構成し、
   前記弁座には、前記弁体に向かって突出して前記弁体が着座する環状突起部が形成され、
   前記環状突起部の内径は、前記弁体から離間するにつれて縮径して設けられ、
   前記弁体のシート受圧面積は、前記弁体を着座させる前記背圧室側の受圧面積よりも小さく設定され、
   前記弁体の下端側には、前記ロッド部材に外嵌されるガイド部材が設けられ、
   前記弁体の前記ガイド部材側の面のうち前記環状突起部に対応する位置よりも半径方向内側の部位は、前記弁体を前記弁座に着座させる方向に作用するシート面を構成し、
   前記一次側ポートから導入された燃料ガスによって受圧され、前記弁体を前記弁座から離間させる方向に作用する前記ガイド部材の外径を含む外径面は、前記シート面よりも小さく設定され、
   前記第２ダイヤフラムは、保持機構を介して前記ロッド部材に連結され、
   前記第２ダイヤフラムは、前記保持機構に対し半径方向外側に離間して配置されたコンボリューション部と、前記コンボリューション部の半径方向内側に連続して形成されたストレート部と、を有し、
   前記保持機構は、前記第２ダイヤフラムの上面に接触する上部側リテーナを有し、
   前記ストレート部は、前記上部側リテーナの下面と外周面との境界部に形成されたＲ部の下方に配置されていることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。

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