JP6557826B2 - 制御弁 - Google Patents

Description

本発明は制御弁に関し、特に燃料電池に取り込む流体の流れを制御するのに好適な制御弁に関する。

近年、燃料電池システムの開発および実用化が進んでいる。このシステムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて電気を取り出すものである。このシステムは、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するため発電効率に優れ、また有害な排出ガスを出さないため環境にも優しい点で注目されている（例えば特許文献１参照）。

このような燃料電池システムは、燃料極および空気極を含むセルスタックを備える。燃料極と空気極との間には電解質が介装される。燃料源から送出された水素が燃料極に供給され、大気から取り込まれた空気が空気極に供給される。水素は燃料極の触媒の働きにより電子を切り離して水素イオンとなり、電解質を通り抜けて空気極へ到達する。このとき切り離された電子は、外部回路を通じて空気極へ導かれ、水素イオンおよび空気中の酸素と反応して水を生成する。この電子の流れ（電流）を電気エネルギーとして取り出すことができる。

このような燃料電池システムには、セルスタックに空気を取り込むための流体通路が設けられる。セルスタックの上流側には、空気を導入するためのブロワが設置される。ブロワとセルスタックとの間には空気の導入を許容又は遮断するための制御弁が設けられ、セルスタックの下流側にも空気の導出を許容又は遮断するための制御弁が設けられる。システムの停止時にセルスタックに異物が侵入することを防止するために、セルスタック周辺の圧力は常に大気よりも高い状態に保持される。そのために、セルスタックの下流側にも制御弁が設けられるのである。これらの制御弁には、一般に電磁弁が採用される。

特開２０１３−８９４５５号公報 特開昭５９−４７５７６号公報

ところで、このような燃料電池システムにもコストの低減が求められる。そこで、上述した２つの制御弁のうち少なくとも一方（例えば下流側の制御弁）を機械的構造のみからなる逆止弁に置き換えることが考えられる（例えば特許文献２参照）。このような逆止弁は、弁孔が形成されたボディと、弁孔に下流側から接離して弁部を開閉する弁体と、弁体を閉弁方向に付勢するスプリングを有する。弁孔の上流側と下流側との差圧（「前後差圧」ともいう）が所定の開弁差圧以上となると、弁体がスプリングの付勢力に抗して開弁動作する。この開弁差圧は、スプリングの荷重によって設定される。

しかしながら、このような逆止弁は、空気を流通させるときに圧力損失を生じさせる。その開弁差圧を大きく設定すると、システムの稼働時に空気の流量を確保し難くなり、発電効率を低下させる。これを抑制するために開弁差圧を小さく設定すると、システムの停止時に閉弁状態を安定に維持し難くなり、セルスタックから空気漏れを生じさせる可能性がある。また、システムの稼働時に送り込まれる空気の圧力変動により、弁体が振動し易くなり、空気の流通が不安定となる虞もある。

本発明の目的は、簡素な構造にて実現でき、開弁時の圧力損失を小さくできるとともに、開弁状態と閉弁状態のそれぞれを安定に維持可能な制御弁を提供することにある。

本発明のある態様は制御弁である。この制御弁は、流体の入口となる入口ポートと、流体の出口となる出口ポートと、入口ポートと出口ポートとをつなぐ内部通路に設けられた弁孔と、を有するボディと、弁孔の上流側の空間を入口ポートに連通する弁室と背圧室とに仕切り、弁室と背圧室との差圧に応じて軸線方向に変位可能な圧力応動体と、弁室において圧力応動体と一体変位可能に設けられ、弁孔に上流側から接離して弁部を開閉する弁体と、圧力応動体を介して弁体を閉弁方向に付勢する付勢部と、を備える。開弁状態においては、背圧室内の圧力が、弁孔の下流側圧力よりも低い基準圧力に保持され、圧力応動体の有効受圧径が、弁体の弁部におけるシール部径よりも大きくなるように構成されている。なお、「弁体」と「圧力応動体」とは一体成形されていてもよいし、それぞれ別体にて構成され、一体変位可能に組み付けられてもよい。「付勢部」は、圧力応動体そのものの一部であってもよいし、圧力応動体とは別に設けられた付勢部材であってもよい。

この態様によると、弁体は、弁孔の上流側に配置され、上流側圧力と下流側圧力との差圧による閉弁方向の力（「第１閉弁力」ともいう）と、上流側圧力と基準圧力との差圧による開弁方向の力（「開弁力」ともいう）と、付勢部による閉弁方向の力（「第２閉弁力」ともいう）との合力によって弁部の開閉方向に動作する。当該制御弁は、機械的構造のみにより簡素に実現することができる。

圧力応動体の有効受圧径は、弁部の開閉状態にかかわらず大きくは変化しない。一方、弁体の有効受圧径は、閉弁状態ではシール部径に一致するが、開弁方向への変位とともに小さくなり、弁開度が所定開度を超えるとゼロになる。このため、圧力応動体と弁体との結合体に対し、開弁力と第２閉弁力は常に作用するものの、弁開度が所定開度を超えると第１閉弁力が作用しなくなる。すなわち、弁部の前後差圧が大きくなる過程で弁開度がその所定開度を超えた途端、第１閉弁力が作用しなくなり、開弁力が相対的に大きく作用して弁体が一気に全開状態へ変位する。逆に、弁部の前後差圧が小さくなる過程で弁開度がその所定開度以下になった途端、第１閉弁力が突如作用して弁体が一気に閉弁状態へ変位する。このことは、小さな差圧変化で弁部を閉弁状態から全開状態へ、また全開状態から閉弁状態へ切り替えられることを意味する。そして、開弁に要する差圧変化が小さいことは、開弁に伴う圧力損失を抑制できることを意味する。小さな差圧変化で弁部を開閉できることは、言い換えれば、それ以外の差圧領域において全開状態および閉弁状態のそれぞれを安定に維持できることを意味する。

本発明の別の態様は、燃料電池を構成する空気極の下流側に設けられ、燃料電池に送り込まれて空気極を経た空気の下流側への流出を許容又は遮断する制御弁である。この制御弁は、空気の入口となる入口ポートと、空気の出口となる出口ポートと、入口ポートと出口ポートとをつなぐ内部通路に設けられた弁孔と、を有するボディと、弁孔の上流側の空間を入口ポートに連通する弁室と大気に連通する背圧室とに仕切り、弁室と背圧室との差圧に応じて軸線方向に変位可能な圧力応動体と、弁室において圧力応動体と一体変位可能に設けられ、弁孔に上流側から接離して弁部を開閉する弁体と、圧力応動体を介して弁体を閉弁方向に付勢する付勢部と、を備える。圧力応動体の有効受圧径が、弁体の弁部におけるシール部径よりも大きくなるように構成されている。

この態様によると、弁体は、弁孔の上流側に配置され、上流側圧力と下流側圧力との差圧による第１閉弁力と、上流側圧力と大気圧との差圧による開弁力と、付勢部による第２閉弁力との合力によって弁部の開閉方向に動作する。当該制御弁は、機械的構造のみにより簡素に実現することができる。

また、圧力応動体と弁体との結合体に対し、開弁力と第２閉弁力は常に作用するものの、弁開度が所定開度を超えると第１閉弁力が作用しなくなる。このため、小さな差圧変化で弁部を閉弁状態から全開状態へ、また全開状態から閉弁状態へ切り替えることができる。そのため、開弁に伴う圧力損失を抑制でき、全開状態および閉弁状態のそれぞれを安定に維持することができる。燃料電池への空気の送り込みに要される圧力が比較的小さいことから、このように小さな差圧変化で弁部を開閉できる当該制御弁は、燃料電池システムに特に好適となる。

本発明のさらに別の態様も制御弁である。この制御弁は、第１ポートと、第２ポートと、第１ポートと第２ポートとをつなぐ流体通路に設けられた弁孔と、を有するボディと、弁孔を境とする第１ポート側の空間を、流体通路を形成する弁室と流体通路を形成しない背圧室とに仕切り、弁室と背圧室との差圧に応じて軸線方向に変位可能な圧力応動体と、弁室において圧力応動体と一体変位可能に設けられ、弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、圧力応動体を介して弁体を閉弁方向に付勢する付勢部と、を備える。開弁状態においては、背圧室内の圧力が、弁孔を境とする第２ポート側の圧力よりも低い基準圧力に保持され、圧力応動体の有効受圧径が、弁体の弁部におけるシール部径よりも大きくなるように構成されている。なお、第１ポートおよび第２ポートの一方が流体の入口となる入口ポートであってよく、他方が流体の出口となる出口ポートであってよい。

第１ポートを入口ポート、第２ポートを出口ポートとした場合、弁体は、弁孔の上流側に配置される。そして、上述の制御弁と同様の作用効果を得ることができる。

一方、第２ポートを入口ポート、第１ポートを出口ポートとした場合、弁体と圧力応動体との結合体が、弁孔の下流側に配置される。このような構成によれば、その結合体の開弁方向の受圧面積が、弁部の閉状態又は寸開状態では弁体の有効受圧径（シール部径）に一致するが、弁開度が所定開度を超えると圧力応動体の有効受圧径に拡大され、弁体が一気に全開状態へ変位する。逆に、弁部の前後差圧が小さくなる過程で弁開度がその所定開度以下になった途端、開弁方向の受圧面積が、圧力応動体の有効受圧径から弁体の有効受圧径（シール部径）に縮小され、弁体が一気に閉弁状態へ変位する。このため、小さな差圧変化で弁部を開閉でき、開弁に伴う圧力損失を抑制することができる。また、全開状態および閉弁状態のそれぞれを安定に維持することができる。このように小さな差圧変化で弁部を開閉できる当該制御弁は、燃料電池システムにも好適である。

本発明によれば、簡素な構造にて実現でき、開弁時の圧力損失を小さくできるとともに、開弁状態と閉弁状態のそれぞれを安定に維持可能な制御弁を提供することができる。

第１実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。 制御弁の動作を表す図である。 実施形態による作用効果を表す図である。 第２実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。 制御弁の動作を表す図である。 第３実施形態による作用効果を表す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。
［第１実施形態］

図１は、第１実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。制御弁１は、流体の順方向の流れに対しては小さな差圧で開弁可能な構成を有し、燃料電池システムに適用される。この燃料電池システムは、燃料極および空気極を含むセルスタックを備える。空気極の上流側通路には電磁弁が配置される。その電磁弁は、ブロワを介して導入される空気の空気極への導入を許容又は遮断する。制御弁１は、空気極の下流側通路に設けられ、セルスタックから排出された空気の導出を許容又は遮断する開閉弁として機能するとともに、下流側からセルスタックへの空気の逆流を防止する逆止弁としても機能する。制御弁１は、その順方向の開弁差圧（開弁に要する前後差圧）が小さくなるように構成されているが、その詳細については後述する。

制御弁１は、内部通路が形成されたボディ５を有し、そのボディ５の上端開口部を閉止するように有底円筒状の蓋体６が組み付けられている。ボディ５の一側面には第１ポート１０が設けられ、反対側面には第２ポート１２が設けられている。第１ポート１０は、セルスタックから排出された空気の入口となる入口ポートとして機能する。第２ポート１２は、その空気の出口となる出口ポートとして機能する。第１ポート１０と第２ポート１２とをつなぐ内部通路（流体通路）の中途には弁孔１４が設けられている。

弁孔１４の上流側の空間（つまりボディ５と蓋体６とにより囲まれる空間）は、ダイヤフラム１８により上下に仕切られている。その下側の空間が弁室２０を形成し、第１ポート１０に連通している。上側の空間は背圧室２２を形成し、大気に連通している。ダイヤフラム１８は、弁室２０と背圧室２２との差圧に応じて軸線方向に変位可能な「圧力応動体」として機能する。ダイヤフラム１８の中央には、弁体２４が一体に設けられている。すなわち、弁体２４は、弁室２０にてダイヤフラム１８と一体変位可能に設けられ、弁孔１４に上流側から接離して弁部を開閉する。

弁室２０の底部中央には円ボス部２６が隆起し、その円ボス部２６を貫通するように弁孔１４が形成されている。弁孔１４は、蓋体６の軸線に沿って設けられ、連通路２８を介して第２ポート１２と連通している。円ボス部２６の上端面には弁座３０が形成されている。弁体２４が弁座３０に着脱することにより弁部が開閉される。弁体２４は、ダイヤフラム１８の下面中央に一体成形されている。弁室２０の上流側には、第１ポート１０と弁室２０とを連通させる連通孔３２および連通路３４が形成されている。

ボディ５の上半部は、段付円筒状をなし、上方に向かって一段拡径された拡径部３６を有する。拡径部３６の底面には、環状の嵌合溝３８が形成されている。また、拡径部３６に嵌合するように円板状のストッパ４０が組み付けられている。ダイヤフラム１８は、その周縁部が拡径部３６とストッパ４０とに挟まれるようにして支持されている。

蓋体６は、ステンレス材をプレス成形して得られ、有底段付円筒状をなす。蓋体６の中央部が上方に突出し、背圧室２２としての空間を確保している。蓋体６は、ストッパ４０を上方から押さえつつ、拡径部３６の外側に嵌合するようにしてボディ５に組み付けられ、その先端開口部が内方に加締められることによりボディ５に固定されている。蓋体６の上底中央部とダイヤフラム１８の上面との間には、スプリング４２が介装されている。スプリング４２は、ダイヤフラム１８を介して弁体２４を閉弁方向に付勢する「付勢部」，「付勢部材」として機能する。

ダイヤフラム１８は、高分子樹脂材料を成形して得られ、その中央下面に弁体２４が一体に形成されている。なお、高分子樹脂材料としては、例えば、ゴム、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等を採用することができる。

ダイヤフラム１８の中央上面には軸部４４が突設され、スプリング４２の軸芯を構成している。ダイヤフラム１８の周縁部は厚肉の嵌合部４６となっており、嵌合溝３８に嵌合し、ボディ５とストッパ４０とにより挟持されている。嵌合部４６がボディ５とストッパ４０とに圧縮されることにより双方に密着し、弁室２０と背圧室２２との間のシール性を確保している。ダイヤフラム１８の中央部と周縁部との間には、平面視環状で断面視波状の波状部分４８が形成されている。ダイヤフラム１８は、波状部分４８の変形により中央部が軸線方向にしなやかに変位できる。

ストッパ４０は、その中央部を軸線方向に貫通する挿通孔５０を有する。スプリング４２は、挿通孔５０を貫通するように設けられ、その下部が軸部４４に外挿されている。ストッパ４０の下面には、波状部分４８の変形を阻害しないよう、その波状部分４８と概ね相補形状の環状凹部５２が形成されている。一方、ストッパ４０の内周縁部下面がダイヤフラム１８の中央部上面を係止することにより、ダイヤフラム１８の開弁方向への変位を規制できるようにされている。

なお、ストッパ４０の内周縁部下面には、挿通孔５０と環状凹部５２とを連通させる連通溝５４が形成されており、背圧室２２の圧力がダイヤフラム１８の上面全体に行きわたるようにされている。すなわち、ストッパ４０におけるダイヤフラム１８との対向面に連通溝５４を設けたことにより、弁部の全開状態においてもダイヤフラム１８の有効受圧径Ｂの全域にわたって背圧室２２内の圧力を受圧させるための連通路が形成される。

また、拡径部３６の側面には上下方向の連通溝５６が形成され、ストッパ４０の上面には半径方向の連通溝５８が形成され、これらが互いに連通して蓋体６との間に連通路６０を構成している。連通溝５６が設けられたことにより、蓋体６の先端部と拡径部３６との間に開口部６２が形成されるため、連通路６０の一端は大気に開放される。また、連通路６０の他端は背圧室２２に連通する。このような構成により、背圧室２２を大気に連通させることができ、背圧室２２内の圧力（「基準圧力Ｐ０」に該当する）を大気圧に保つことができる。基準圧力Ｐ０は、下流側圧力Ｐ２以下（本実施形態では下流側圧力Ｐ２よりも低圧）となる。

以上の構成において、ダイヤフラム１８の有効受圧径Ｂが、弁体２４の弁部におけるシール部径Ａよりも十分に大きくなるように構成されている。これにより、弁部の前後差圧（Ｐ１−Ｐ２）が小さく変化するだけで、弁部を閉弁状態から全開状態へ、また全開状態から閉弁状態へ切り替えることができる。この詳細については後述する。

次に、制御弁１の動作について説明する。図２は、制御弁の動作を表す図であり、弁部の全開状態を示す。既に説明した図１は、閉弁状態を示す。なお、弁部の前後差圧、つまり上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２との差圧（Ｐ１−Ｐ２）は、弁体２４に対して閉弁方向に作用する。一方、上流側圧力Ｐ１と基準圧力Ｐ０との差圧（Ｐ１−Ｐ０）は、ダイヤフラム１８に対して開弁方向に作用する。このため、以下では説明の便宜上、差圧（Ｐ１−Ｐ２）を閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）と呼び、差圧（Ｐ１−Ｐ０）を開方向差圧（Ｐ１−Ｐ０）と呼ぶことがある。

図示しないブロワが停止され、燃料電池のセルスタックに空気が供給されていない状態では、基本的に閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）は小さく、開方向差圧（Ｐ１−Ｐ０）も小さい。このため、図１に示すように、スプリング４２の付勢力により弁体２４が弁座３０に着座し、閉弁状態となる。なお、スプリング４２の荷重は、仮に下流側圧力Ｐ２が上流側圧力Ｐ１よりも高くなったとしても、それが設計上想定される範囲にあれば、弁体２４を閉弁状態に維持できる程度に設定されている。

ブロワが駆動されてセルスタックに空気が供給されると、閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）が大きくなるが、開方向差圧（Ｐ１−Ｐ０）も大きくなる。ただし、上述したように開弁方向の有効受圧径Ｂのほうが閉弁方向の有効受圧径Ａよりも大きいため（Ｂ＞Ａ）、弁体２４が開弁動作を開始する。そして、図２に示すように、弁部が全開状態となる。この開弁動作開始から全開状態に到るまでの過程で閉弁方向の有効受圧径が減少し、あるポイントでゼロとなる。このため、弁体２４は、このポイントから一気に全開状態へ変位する。以下では説明の便宜上、このポイントを「全開促進ポイント」ともいう。このようにして制御弁１が全開状態となることで、セルスタックに空気が安定に供給され、電力エネルギーが取り出される。

そして、ブロワが停止されると、それとともにセルスタックの上流側に配置された電磁弁が閉弁される。それによって開方向差圧（Ｐ１−Ｐ０）が小さくなるため、スプリング４２の付勢力により弁体２４が閉弁動作を開始する。それにより、図１に示したように閉弁状態となる。この閉弁動作開始から閉弁状態に到るまでの過程のあるポイントから閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）が突如作用する。このため、弁体２４は、このポイントから一気に閉弁状態へ変位する。以下では説明の便宜上、このポイントを「閉弁促進ポイント」ともいう。この閉弁状態となる瞬間において閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）が残存する形となるため、閉弁状態においても上流側圧力Ｐ１を下流側圧力Ｐ２よりも高く保つことができる。すなわち、システムの停止時にセルスタック周辺の圧力を大気よりも高い状態に保持することができ、セルスタックへの異物の流入を防止することができる。

図３は、実施形態による作用効果を表す図である。同図の横軸は開弁方向の差圧を示し、縦軸は弁体のストローク（弁ストローク）を示す。すなわち、同図は差圧変化に対する弁開度の変化を表している。図中太線が実施形態を示す。実線が開弁動作を示し、一点鎖線が閉弁動作を示す。図中二点鎖線が比較例を示す。この比較例は、実施形態の制御弁１に代えて特許文献２の第３図に示すような逆止弁を採用した場合を示す。

図示のように、比較例では、開弁動作においてポイントＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄのように変化し、閉弁動作においてポイントＤ→Ｃ→Ｂ→Ａのように変化している。すなわち、開弁動作においては、前後差圧（Ｐ１−Ｐ２）が大きくなるにしたがって、弁開度が徐々に大きくなり、ポイントＢを超えると開弁し始め、さらにポイントＣを超えると弁開度の増加率が大きくなっている。この比較例では、弁体が弁孔の下流側に設けられる構成において安定した閉弁状態を確保するために、スプリングの荷重が比較的大きく設定されている。差圧が大きい領域においても、流量は徐々に増加するようになる。閉弁動作においては、開弁動作とほぼ逆の動作をたどるようになる。

これに対し、本実施形態では、開弁動作においてポイントａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅのように変化し、閉弁動作においてポイントｆ→ｇ→ｈ→ｉ→ａのように変化している。すなわち、開弁動作において、ポイントｂを超えて間もないポイントｃにて開弁動作が大きくなり、ポイントｄを超えると一気に全開状態に変化している。このポイントｄが全開促進ポイントに該当する。一方、閉弁動作においては、開弁動作に対してヒステリシスをもつ経路にて変化している。すなわち、全開状態のポイントｆから比較的大きく閉弁動作をし、ポイントｇに到達すると一気に閉弁状態に変化している。このポイントｇが閉弁促進ポイントに該当する。すなわち、本実施形態によれば、小さな差圧変化で弁部を開閉することができる。

これは以下の理由による。すなわち、図１に示したように、本実施形態では、閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）による閉弁方向の力（「第１閉弁力」という）と、開方向差圧（Ｐ１−Ｐ０）による開弁方向の力（「開弁力」という）と、スプリング４２による閉弁方向の力（「第２閉弁力」ともいう）との合力によって弁体２４が弁部の開閉方向に動作する。

このような構成において、ダイヤフラム１８の有効受圧径は、弁部の開閉状態にかかわらず大きくは変化しない。一方、弁体２４の有効受圧径は、閉弁状態ではシール部径Ａに一致するが、開弁方向への変位とともに小さくなり（ポイントｃ→ｄ）、弁開度が所定開度（全開促進ポイントｄ）を超えるとゼロになる。このため、ダイヤフラム１８と弁体２４との結合体に対し、開弁力と第２閉弁力は常に作用するものの、弁開度が所定開度を超えると第１閉弁力が作用しなくなる。

すなわち、前後差圧（Ｐ１−Ｐ２）が大きくなる過程で弁開度がその所定開度（全開促進ポイントｄ）を超えた途端、第１閉弁力が作用しなくなり、開弁力が相対的に大きく作用して弁体２４が一気に全開状態へ変位する。逆に、前後差圧（Ｐ１−Ｐ２）が小さくなる過程で弁開度がその所定開度以下（閉弁促進ポイントｇ）になった途端、第１閉弁力が突如作用して弁体が一気に閉弁状態へ変位する。このため、小さな差圧変化で弁部を開閉できる。その結果、開弁に伴う圧力損失を抑制でき、他の差圧領域において全開状態および閉弁状態のそれぞれを安定に維持することができる。燃料電池への空気の送り込みに要される圧力は比較的小さいことから、このように小さな差圧変化で弁部を開閉できる構成は特に有効である。

また、本実施形態によれば、開弁動作と閉弁動作における弁体２４の挙動に適度なヒステリシスをもたせることができるため、開弁状態において弁体２４が開閉方向に振動することを防止又は抑止できる。その結果、制御弁１の挙動を安定化させることができ、それがシステムの安定性にもつながる。

［第２実施形態］
本実施形態の制御弁は、ダイヤフラムと弁体とが別体に構成され、スプリングの付勢力により作動連結されている点で第１実施形態と相異する。以下では第１実施形態との相異点を中心に説明し、第１実施形態とほぼ同様の構成については同一の符号を付す等してその説明を省略する。図４は、第２実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。

本実施形態の制御弁２０１においては、ダイヤフラム２１８と弁体２２４とが別体に構成されている。弁体２２４は、本体２１０と弁部材２１２とを連結部材２１４により軸線方向に連結して構成されている。本体２１０および連結部材２１４はステンレス等の金属材からなり、弁部材２１２はゴム等の樹脂材からなる。本体２１０は円板状をなし、その上面中央から上方に突出する軸部２１６を有する。弁部材２１２は円板状をなし、本体２１０よりもやや小さな外径をする。連結部材２１４は有底円筒状をなし、弁部材２１２および本体２１０を順次挿通させるようにして両者を連結する。連結部材２１４の内径は、本体２１０の外径とほぼ等しい。連結部材２１４の底部に弁部材２１２を載置した状態で連結部材２１４に対して本体２１０を組み付けることにより、それらが一体に固定される。連結部材２１４の底部には、弁部材２１２を弁座３０に向けて露出させるための円孔が設けられている。弁部材２１２が弁座３０に着脱して弁部を開閉する。

ボディ２０５と連結部材２１４との間には、弁体２２４を開弁方向に付勢するスプリング２４２（「付勢部材」として機能する）が介装されている。背圧室２２には、ダイヤフラム２１８の上面に当接するように円板状のディスク２４４が設けられている。スプリング４２は、蓋体６とディスク２４４との間に介装されている。

ダイヤフラム２１８は、高分子樹脂材料からなる円形のフィルムに熱成形を施して得られ、その中央部が上方に凸となる形状を有する。ここで、フィルム状の高分子樹脂材料を用いるのは、制御弁２０１の小型化を容易にするためである。なお、ゴムは生産上肉薄化に限界があり、有効受圧径の小さなものを実現しようとすると剛性が大きくなり、弁ストロークを確保できなくなる可能性がある。このため、例えばポリイミドなど肉薄化が容易な樹脂材を採用するのが好ましい。

スプリング４２，２４２の付勢力により、ディスク２４４と弁体２２４との間にダイヤフラム２１８が挟まれる態様で、弁体２２４とダイヤフラム２１８とが一体化されている。ボディ２０５の拡径部２３６には、ストッパ２４０が組み付けられている。ダイヤフラム２１８は、その周縁部がストッパ２４０と拡径部２３６とに挟まれるようにして支持されている。拡径部２３６とストッパ２４０との間には、シール用のＯリング２４６が介装されている。

ストッパ２４０の中央には大きな挿通孔５０が設けられており、ダイヤフラム２１８の中央部とディスク２４４が挿通される。ディスク２４４は、挿通孔５０内を軸線方向に変位するが、蓋体６の上底面に係止されることによりその上方への変位が規制される。すなわち、蓋体６の上底面が、ダイヤフラム２１８の開弁方向への変位を規制するための「ストッパ」として機能する。ディスク２４４の上面には、半径方向に延びる連通溝２５４が形成されている。この連通溝２５４は、弁部の全開状態において連通路６０を形成する（図５参照）。

以上の構成において、ダイヤフラム２１８の有効受圧径Ｂが、弁体２２４の弁部におけるシール部径Ａよりも十分に大きくなるように構成されている。これにより、本実施形態においても、弁部の前後差圧（Ｐ１−Ｐ２）が小さく変化するだけで、弁部を閉弁状態から全開状態へ、また全開状態から閉弁状態へ切り替えることができる。

図５は、制御弁の動作を表す図であり、弁部の全開状態を示す。既に説明した図４は、閉弁状態を示す。燃料電池のセルスタックに空気が供給されていない状態では、第１実施形態と同様に閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）が残存するため、図４に示すように、制御弁２０１は閉弁状態となる。

一方、ブロワが駆動されてセルスタックに空気が供給されると、閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）が大きくなるが、開方向差圧（Ｐ１−Ｐ０）も大きくなる。ただし、開弁方向の有効受圧径Ｂのほうが閉弁方向の有効受圧径Ａよりも大きいため（Ｂ＞Ａ）、弁体２２４が開弁動作を開始する。そして、図５に示すように、弁部が全開状態となる。この開弁動作開始から全開状態に到るまでの過程で閉弁方向の有効受圧径が減少し、全開促進ポイントでゼロとなる。このため、弁体２４は、このポイントから一気に全開状態へ変位する。

そして、ブロワが停止されると、ダイヤフラム２１８の弾性復帰力およびスプリング４２の付勢力により弁体２２４が閉弁動作を開始する。この閉弁動作開始から閉弁状態に到るまでの過程の閉弁促進ポイントから閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）が突如作用する。このため、弁体２２４は、このポイントから一気に閉弁状態へ変位する。

このように、本実施形態においても小さな差圧変化で弁部を開閉できる。その結果、開弁に伴う圧力損失を抑制でき、全開状態および閉弁状態のそれぞれを安定に維持することができる。

［第３実施形態］
本実施形態の制御弁は、第２ポートを入口ポートとし、第１ポートを出口ポートとする点で第１実施形態と相異する。以下では第１実施形態との相異点を中心に説明する。制御弁の機械的構造そのものは第１実施形態と同様であるため、図１等を参照する。

本実施形態では、第２ポート１２が、セルスタックから排出された空気の入口となる入口ポートとして機能する。第１ポート１０が、その空気の出口となる出口ポートとして機能する。したがって、図示のＰ２が上流側圧力となり、Ｐ１が下流側圧力となる。

このような構成によれば、弁部の閉状態又は寸開状態においては、上流側圧力Ｐ２と基準圧力Ｐ０との差圧（Ｐ２−Ｐ０）と、下流側圧力Ｐ１と基準圧力Ｐ０との差圧（Ｐ１−Ｐ０）とが、弁体２４に対して開弁方向に作用する。ただし、後者の差圧（Ｐ１−Ｐ０）は小さく、実質的に影響しない。そして、弁開度が所定開度を超えると、下流側圧力Ｐ１と基準圧力Ｐ０との差圧（Ｐ１−Ｐ０）が大きくなり、弁体２４とダイヤフラム１８との結合体に対して開弁方向に作用する。このとき、下流側圧力Ｐ１は、上流側圧力Ｐ２に近い値（実質的に等しい値）となる。

すなわち、弁開度が所定開度を超えると、結合体の受圧径が弁体２４の有効受圧径Ａからダイヤフラム１８の有効受圧径Ｂに拡大され、弁体２４が一気に全開状態へ変位する。このポイントを「全開促進ポイント」ともいう。逆に、弁部の前後差圧が小さくなる過程で弁開度がその所定開度以下になった途端、結合体の受圧径がダイヤフラム１８の有効受圧径Ｂから弁体２４の有効受圧径Ａに縮小される。その結果、弁体２４が一気に閉弁状態へ変位する。このポイントを「閉弁促進ポイント」ともいう。

図６は、第３実施形態による作用効果を表す図である。同図の横軸は、弁体とダイヤフラムとの結合体に対して作用する開弁方向の差圧を示す。縦軸は弁体のストローク（弁ストローク）を示す。すなわち、同図は差圧変化に対する弁開度の変化を表している。図中太線が実施形態を示す。実線が開弁動作を示し、一点鎖線が閉弁動作を示す。図中二点鎖線が比較例を示す。この比較例は、第３実施形態の制御弁１においてダイヤフラム１８の部分を除く構成（背圧室２２を形成しない構成）を採用した場合を示す。

図示のように、比較例では、開弁動作においてポイントＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄのように変化し、閉弁動作においてポイントＤ→Ｃ→Ｂ→Ａのように変化している。すなわち、開弁動作においては、差圧（Ｐ２−Ｐ０）が大きくなり、ポイントＢを超えると開弁し始め、弁開度がほぼ比例的に変化する。閉弁動作においては、開弁動作とほぼ逆の動作をたどるようになる。

これに対し、本実施形態では、開弁動作においてポイントａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅのように変化し、閉弁動作においてポイントｆ→ｇ→ｈ→ｉ→ａのように変化している。すなわち、開弁動作において、ポイントｃを超えて間もないポイントｄを超えると一気に全開状態に変化している。このポイントｄが全開促進ポイントに該当する。一方、閉弁動作においては、開弁動作に対してヒステリシスをもつ経路にて変化している。すなわち、有効受圧径Ｂに作用する差圧に応じて、全開状態のポイントｆから比較的大きく閉弁動作をし、ポイントｇ，ｈを経る形で一気に閉弁状態に変化している。このポイントｇが閉弁促進ポイントに該当する。すなわち、本実施形態によれば、小さな差圧変化で弁部を開閉することができる。

このように、本実施形態によっても、小さな差圧変化で弁部を開閉できる。その結果、開弁に伴う圧力損失を抑制でき、他の差圧領域において全開状態および閉弁状態のそれぞれを安定に維持することができる。燃料電池への空気の送り込みに要される圧力は比較的小さいことから、このように小さな差圧変化で弁部を開閉できる構成は特に有効である。

また、３つの圧力Ｐ２，Ｐ１，Ｐ０のバランスにより結合体が動作するため、開弁動作と閉弁動作における弁体２４の挙動に適度なヒステリシスをもたせることができる。このため、開弁状態において弁体２４が開閉方向に振動することを防止又は抑止できる。その結果、制御弁１の挙動を安定化させることができ、システムの安定性につながる。

なお、本実施形態では、図１に示した第１実施形態の制御弁１について、上流側と下流側とを切り替える例を示したが、図４に示した第２実施形態の制御弁２０１について、同様に上流側と下流側とを切り替えてもよい。すなわち、制御弁２０１において、第２ポート１２を空気の入口となる入口ポートとして機能させ、第１ポート１０を空気の出口となる出口ポートとして機能させてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上記実施形態では述べなかったが、ダイヤフラムに閉弁方向の弾性力をもたせてもよい。その弾性力を十分に確保できれば、スプリング４２を省略することもできる。

上記実施形態では、圧力応動体としてダイヤフラムを採用したが、ベローズを採用してもよい。あるいは、ダイヤフラムのなかでも変位ストロークが大きいベロフラムを採用してもよい。

上記実施形態では、蓋体とボディとの間に連通路６０を設け、背圧室２２を大気に連通させる例を示した。変形例においては、連通路６０を設けることなく、背圧室２２に基準ガスを封入するなどして基準圧力に保持してもよい。その場合、基準圧力は、弁孔の下流側圧力以下（好ましくは下流側圧力より低圧）とする。

上記第２実施形態では、ディスク２４４および弁体２２４をダイヤフラム２１８に対して当接させ、スプリング４２，２４２の付勢力によりそれらの作動連結状態を維持する構成を例示した。変形例においては、ディスク２４４および弁体２２４の一方又は双方を、ダイヤフラム２１８に対して溶接や接着等の手段により固定してもよい。例えば弁体２２４をダイヤフラム２１８に対して固定することで、スプリング２４２を省略することが可能となる。

上記実施形態では、燃料電池システムにおけるセルスタックの下流側に上記制御弁を設置する例を示したが、セルスタックの上流側に設置してもよい。また、上記実施形態では、空気極を経由する流体通路に上記制御弁を設置する例を示したが、燃料極を経由する流体通路に設置してもよい。

上記実施形態では、上記制御弁を燃料電池システムに適用する例を示したが、その他のシステムに適用してもよい。特に流体通路を流れる流体の圧力が比較的小さいシステムに好適である。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

１ 制御弁、５ ボディ、６ 蓋体、１０ 第１ポート、１２ 第２ポート、１４ 弁孔、１８ ダイヤフラム、２０ 弁室、２２ 背圧室、２４ 弁体、４０ ストッパ、４２ スプリング、６０ 連通路、２０１ 制御弁、２０５ ボディ、２１８ ダイヤフラム、２２４ 弁体、２４０ ストッパ、２４２ スプリング、２４４ ディスク。

Claims (6)

1. 流体の入口となる入口ポートと、流体の出口となる出口ポートと、前記入口ポートと前記出口ポートとをつなぐ内部通路に設けられた弁孔と、を有するボディと、
   前記弁孔の上流側の空間を前記入口ポートに連通する弁室と背圧室とに仕切り、前記弁室と前記背圧室との差圧に応じて軸線方向に変位可能な圧力応動体と、
   前記弁室において前記圧力応動体と一体変位可能に設けられ、前記弁孔に上流側から接離して弁部を開閉する弁体と、
   前記圧力応動体を介して前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢部と、
   を備え、
   開弁状態においては、前記背圧室内の圧力が、前記弁孔の下流側圧力よりも低い基準圧力に保持され、
   前記圧力応動体の有効受圧径が、前記弁体の前記弁部におけるシール部径よりも大きくなるように構成されており、
   前記背圧室には、前記圧力応動体の開弁方向への変位を規制するためのストッパが備えられ、
   前記ストッパと前記圧力応動体との当接面の一部に、前記弁部の全開状態においても前記圧力応動体の有効受圧径の全域にわたって前記基準圧力を受圧させるための連通路が形成されることを特徴とする制御弁。
2. 流体の入口となる入口ポートと、流体の出口となる出口ポートと、前記入口ポートと前記出口ポートとをつなぐ内部通路に設けられた弁孔と、を有するボディと、
   前記弁孔の上流側の空間を前記入口ポートに連通する弁室と背圧室とに仕切り、前記弁室と前記背圧室との差圧に応じて軸線方向に変位可能な圧力応動体と、
   前記弁室において前記圧力応動体と一体変位可能に設けられ、前記弁孔に上流側から接離して弁部を開閉する弁体と、
   前記圧力応動体の前記弁体と反対側に設けられ、前記圧力応動体と一体変位可能なディスクと、
   前記弁体を閉弁方向に付勢するための付勢部と、
   を備え、
   開弁状態においては、前記背圧室内の圧力が、前記弁孔の下流側圧力よりも低い基準圧力に保持され、
   前記圧力応動体の有効受圧径が、前記弁体の前記弁部におけるシール部径よりも大きくなるように構成されており、
   前記背圧室を画定する部材がディスクの開弁方向への変位を規制するためのストッパとして機能し、
   前記ストッパと前記ディスクとの当接面の一部に、前記弁部の全開状態においても前記圧力応動体の有効受圧径の全域にわたって前記基準圧力を受圧させるための連通路が形成されることを特徴とする制御弁。
3. 前記弁体と前記圧力応動体とが樹脂材により一体成形されていることを特徴とする請求項１または２に記載の制御弁。
4. 燃料電池を構成する空気極の下流側に設けられ、前記燃料電池に送り込まれて前記空気極を経た空気の下流側への流出を許容又は遮断する制御弁であって、
   空気の入口となる入口ポートと、空気の出口となる出口ポートと、前記入口ポートと前記出口ポートとをつなぐ内部通路に設けられた弁孔と、を有するボディと、
   前記弁孔の上流側の空間を前記入口ポートに連通する弁室と大気に連通する背圧室とに仕切り、前記弁室と前記背圧室との差圧に応じて軸線方向に変位可能な圧力応動体と、
   前記弁室において前記圧力応動体と一体変位可能に設けられ、前記弁孔に上流側から接離して弁部を開閉する弁体と、
   前記圧力応動体を介して前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢部と、
   を備え、
   前記圧力応動体の有効受圧径が、前記弁体の前記弁部におけるシール部径よりも大きくなるように構成され、
   前記背圧室には、前記圧力応動体の開弁方向への変位を規制するためのストッパが備えられ、
   前記ストッパと前記圧力応動体との当接面の一部に、前記弁部の全開状態においても前記圧力応動体の有効受圧径の全域にわたって前記背圧室内の圧力を受圧させるための連通路が形成されることを特徴とする制御弁。
5. 第１ポートと、第２ポートと、前記第１ポートと前記第２ポートとをつなぐ流体通路に設けられた弁孔と、を有するボディと、
   前記弁孔を境とする前記第１ポート側の空間を、前記流体通路を形成する弁室と前記流体通路を形成しない背圧室とに仕切り、前記弁室と前記背圧室との差圧に応じて軸線方向に変位可能な圧力応動体と、
   前記弁室において前記圧力応動体と一体変位可能に設けられ、前記弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、
   前記圧力応動体を介して前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢部と、
   を備え、
   開弁状態においては、前記背圧室内の圧力が、前記弁孔を境とする前記第２ポート側の圧力よりも低い基準圧力に保持され、
   前記圧力応動体の有効受圧径が、前記弁体の前記弁部におけるシール部径よりも大きくなるように構成され、
   前記背圧室には、前記圧力応動体の開弁方向への変位を規制するためのストッパが備えられ、
   前記ストッパと前記圧力応動体との当接面の一部に、前記弁部の全開状態においても前記圧力応動体の有効受圧径の全域にわたって前記基準圧力を受圧させるための連通路が形成されることを特徴とする制御弁。
6. 第１ポートと、第２ポートと、前記第１ポートと前記第２ポートとをつなぐ流体通路に設けられた弁孔と、を有するボディと、
   前記弁孔を境とする前記第１ポート側の空間を、前記流体通路を形成する弁室と前記流体通路を形成しない背圧室とに仕切り、前記弁室と前記背圧室との差圧に応じて軸線方向に変位可能な圧力応動体と、
   前記弁室において前記圧力応動体と一体変位可能に設けられ、前記弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、
   前記圧力応動体の前記弁体と反対側に設けられ、前記圧力応動体と一体変位可能なディスクと、
   前記弁体を閉弁方向に付勢するための付勢部と、
   を備え、
   開弁状態においては、前記背圧室内の圧力が、前記弁孔を境とする前記第２ポート側の圧力よりも低い基準圧力に保持され、
   前記圧力応動体の有効受圧径が、前記弁体の前記弁部におけるシール部径よりも大きくなるように構成され、
   前記背圧室を画定する部材がディスクの開弁方向への変位を規制するためのストッパとして機能し、
   前記ストッパと前記ディスクとの当接面の一部に、前記弁部の全開状態においても前記圧力応動体の有効受圧径の全域にわたって前記基準圧力を受圧させるための連通路が形成されることを特徴とする制御弁。

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