(57)【要約】【課題】  過流防止弁を備えたガス供給システムにおいて、過流防止弁の誤作動を防止し、かつ、ガス使用装置でガスを使用するときだけガスボンベの元弁を開くことができることを目的とする。【解決手段】  本発明のガス供給システム１０は、水素ガスボンベ１２内に貯蔵されている水素ガスを燃料電池３０に供給する。ボンベ１２と燃料電池３０は、水素ガスを案内するガス流路５０によって連通されている。ボンベ１２のガス出口には、パイロット式遮断弁１０４が配されている。そのパイロット式遮断弁１０４の下流に過流防止弁１６０が配置されている。【選択図】  図１
2006057773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスボンベに加圧状態で貯蔵されているガスをガス使用装置に供給してガス使用装置にガスを充填するガス供給システムであり、
ガスボンベからガス使用装置まで伸びているガス流路と、
ガスボンベのガス出口近傍に配置されており、小さなガス通過口を開閉するパイロットバルブと大きなガス通過口を開閉するメインバルブを有し、そのメインバルブはメインバルブ上下のガス圧の差が所定値以下になると大きなガス通過口を開く特性を備えているパイロット式遮断弁と、
パイロット式遮断弁よりも下流のガス流路に配置されている過流防止弁を備えているガス供給システム。
【請求項２】
ガスボンベに加圧状態で貯蔵されているガスをガス使用装置に供給してガス使用装置にガスを充填するガス供給システムであり、
ガスボンベからガス使用装置まで伸びているガス流路と、
ガスボンベのガス出口近傍に配置されており、小さなガス通過口を開閉するパイロットバルブと大きなガス通過口を開閉するメインバルブを有し、そのメインバルブはメインバルブ上下のガス圧の差が所定値以下になると大きなガス通過口を開く特性を備えているパイロット式遮断弁と、
パイロット式遮断弁よりも下流のガス流路に配置されているレギュレータと、
レギュレータよりも下流のガス流路に配置されている過流防止弁を備えているガス供給システム。
【請求項３】
ガス使用装置でガスが使用されないときに、パイロット式遮断弁より下流のガス流路を減圧する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス供給システム。
【請求項４】
ガスボンベが水素を貯めるものであるとともに、ガス使用装置が燃料電池であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスボンベに加圧状態で貯蔵されているガスをガス使用装置に供給してガス使用装置にガスを充填するシステムに関する。特に、ガスボンベからガス使用装置まで伸びているガス流路に過流防止弁が配置されているガス供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスボンベに加圧状態で貯蔵されているガスをガス使用装置に供給してガス使用装置にガスを充填するシステムが知られている。例えば、ガスボンベに貯蔵されている圧縮天然ガス（ＣＮＧ）をガス燃料エンジンに供給するシステムや、ガスボンベに貯蔵されている水素を燃料電池発電装置の水素ガス収容室に充填するシステム等が開発されている。
この種のガス供給システムでは、ガスボンベとガス使用装置とをつなぐガス流路に過流防止弁が配置されることがある。過流防止弁は、通常、その内部に形成されたガス通過口を開閉するバルブを備える。そのバルブは、バネ等によってガス通過口を開く方向に付勢されており、バルブ上流のガス圧がバルブ下流のガス圧より高くなり、その差圧が所定値を超えるとガス通過口を閉じるようになっている。したがって、ガス通過口を流れるガスの流量が予め設定された設定流量以下のときは、バルブ上下のガス圧の差が所定値以下となり、ガス通過口は開いた状態で維持される。一方、ガス通過口を流れるガスの流量が設定流量を超えると、バルブ上下のガス圧の差が所定値を越え、バルブがガス通過口を閉じる。このため、過流防止弁より下流のガス流路が破損等してガスボンベから多量のガスが流出すると、過流防止弁がガス流路を遮断し、それ以上のガスの流出を防止する。
【０００３】
過流防止弁を備えたガス供給システムの一例が特許文献１に開示されている。特許文献１のガス供給システムでは、ガスボンベのガス出口に元弁が配置され、この元弁よりも下流のガス流路に燃料遮断弁が配置される。元弁は、ガス使用装置でガスが使用されているか否かにかかわらず常に開いた状態とされる。一方、燃料遮断弁は、ガス使用装置でガスが使用されるときは開いた状態とされ、ガス使用装置でガスを使用しないときは閉じた状態とされる。したがって、ガス使用装置でガスが使用されないとき（燃料遮断弁が閉じているとき）でも、元弁から燃料遮断弁までの間のガス流路が破損すると、ガスボンベからガスが流出することとなる。ガスボンベから流出するガス量が多い場合は過流防止弁が作動してガスの流出を防止できるが、流出するガス量が少ない場合は過流防止弁が作動せずガスの流出を防止できない。
そこで、ガスボンベのガス出口に配置された元弁を制御部によって開閉し、ガス使用装置でガスを使用する間だけ開いた状態とするガス供給システムが提案されている（特許文献２）。特許文献２のガス供給システムでは、ガスボンベのガス出口に直動式遮断弁（シャットバルブ）が配置される。この直動式遮断弁は、ガス使用装置でガスを使用するときにのみ開かれ、ガス使用装置でガスを使用しないときは閉じられるようになっている。
【特許文献１】特開平８−１３５５１２号公報
【特許文献２】特開２００３−１６８４６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、過流防止弁を備えるガス供給システムにおいてガスボンベの元弁に直動式遮断弁を用いた場合は、直動式遮断弁の開弁時にガスボンベからガス流路に急激にガスが流れ、過流防止弁が誤作動するおそれがある。特に、燃料電池に水素を供給するガス供給システムのようにガスボンベに貯蔵されるガスが高圧のときは、直動式遮断弁の開弁時に高圧のガスが瞬間的に過流防止弁に流れ、過流防止弁の誤作動が生じ易くなる。
【０００５】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、過流防止弁を備えたガス供給システムにおいて、過流防止弁の誤作動を防止しつつガス使用装置でガスを使用するときだけガスボンベの元弁を開くことができるガス供給システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１のガス供給システムは、ガスボンベに加圧状態で貯蔵されているガスをガス使用装置に供給してガス使用装置にガスを充填する。このシステムは、ガスボンベからガス使用装置まで伸びているガス流路を備えている。ガスボンベのガス出口近傍にはパイロット式遮断弁が配置されている。パイロット式遮断弁は、小さなガス通過口を開閉するパイロットバルブと大きなガス通過口を開閉するメインバルブを有し、そのメインバルブはメインバルブ上下のガス圧の差が所定値以下になると大きなガス通過口を開く特性を備えている。そして、パイロット遮断弁よりも下流のガス流路に過流防止弁が配置されている。
なお、パイロットバルブが開閉する「小さなガス通過口」は、メインバルブが開閉する「大きなガス通過口」より小さいガス通過口であることを意味している。メインバルブが開閉する「大きなガス通過口」は、パイロットバルブが開閉する「小さなガス通過口」より大きいガス通過口であることを意味している。
【０００７】
上記したシステムでは、ガスボンベのガス出口近傍にパイロット式遮断弁が配置され、このパイロット式遮断弁よりも下流のガス流路に過流防止弁が配置される。
ガス使用装置でガスを使用していない場合は、パイロット式遮断弁を閉じることで、ガスボンベからガス流路へガスが流れないようにすることができる。一方、ガス使用装置でガスを使用する場合は、まず、パイロットバルブによって小さなガス通過口を開く。パイロット式遮断弁の小さなガス通過口が開くと、ガスボンベ内のガスが小さなガス通過口を通って下流に流れる。このため、ガスタンク内のガスがガス流路に急激に流れることはなく、過流防止弁の誤作動が抑制される。小さなガス通過口を通過してガスが流れることでガス流路のガス圧が上昇すると、次に、パイロット式遮断弁のメインバルブが大きなガス通過口を開く。この際、パイロット式遮断弁の下流のガス流路はある程度の圧力に昇圧されているため、ガスボンベ内のガスが大きなガス通過口を勢いよく流れることが抑制される。これによって、過流防止弁の誤作動が抑制される。
本システムによると、ガスボンベの元弁としてパイロット式遮断弁を採用し、その下流に過流防止弁を配置するため、ガス使用装置でガスを使用するときだけ元弁を開くことができ、かつ、過流防止弁の誤作動を抑制することができる。
【０００８】
また、本発明の第２のガス供給システムも、第１のガス供給システムと同様に、ガスボンベに加圧状態で貯蔵されているガスをガス使用装置に供給してガス使用装置にガスを充填する。このシステムは、ガスボンベからガス使用装置まで伸びているガス流路を備えている。ガスボンベのガス出口近傍にはパイロット式遮断弁が配置されており、そのパイロット式遮断弁は小さなガス通過口を開閉するパイロットバルブと大きなガス通過口を開閉するメインバルブを有している。そのメインバルブはメインバルブ上下のガス圧の差が所定値以下になると大きなガス通過口を開く特性を備えている。そして、パイロット遮断弁よりも下流のガス流路にレギュレータが配置され、そのレギュレータよりもさらに下流のガス流路に過流防止弁が配置されている。
上記した第２のシステムでは、さらにパイロット式遮断弁と過流防止弁の間にレギュレータが配置され、過流防止弁の上流のガス圧力が減圧される。このため、過流防止弁がガス流路を遮断するときの上流と下流の圧力差を大きく設定することができるため、過流防止弁の誤作動がより生じ難くなる。
【０００９】
上記のガス供給システムにおいては、ガス使用装置でガスが使用されないときに、パイロット式遮断弁より下流のガス流路を減圧する手段をさらに備えていることが好ましい。ガス使用装置でガスが使用されないときはパイロット式遮断弁より下流のガス流路を減圧できるため、パイロット式遮断弁より下流のガス流路に高いガス圧が作用し続けることを防止することができる。
【００１０】
なお上記した各ガスシステムは、ガスボンベが水素を貯めるものであって、ガス使用装置が燃料電池である燃料電池発電システムに具現化することができる。この燃料電池発電システムは燃料電池自動車に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここでは下記の実施例に記載の技術の主要な特徴について述べておく。
（形態１）燃料電池発電システム（ガス供給システム）は、水素ガスを貯めるボンベと、そのボンベからの水素ガスを使用して発電する燃料電池を備える。この燃料電池発電システムは、燃料電池で発電した電力を利用して駆動（走行）する燃料電池自動車に備えられる。
（形態２）ボンベは、最大で約７０ＭＰａの高圧ガス（例えば水素ガス）を貯めることができる。
（形態３）第１遮断弁（パイロット式遮断弁）と、その下流に配置されている過流防止弁はユニット化されている。実施例では、このユニットを第１遮断弁ユニットと称することにする。
（形態４）第１遮断弁（パイロット式遮断弁）は、第１位置と第２位置の間を移動するパイロットバルブと、第３位置と第４位置の間を移動するメインバルブを有する。
パイロットバルブが第１位置にありメインバルブが第３位置にあると、小さなガス通過口と大きなガス通過口の双方が閉じられる。パイロットバルブが第２位置にありメインバルブが第３位置にあると、小さなガス通過口のみが開かれる。パイロットバルブが第２位置にありメインバルブが第４位置にあると、大きなガス通過口のみが開かれる。
（形態５）第１遮断弁はコイルを有する。コイルからの電磁力は、パイロットバルブとメインバルブの双方に作用する。制御装置がコイルに通電することによって、パイロットバルブがガス通過口を開く。
（形態６）第１遮断弁ユニットと第２遮断弁（非パイロット式遮断弁）の間に設けられている第１レギュレータは約０．６〜１．０ＭＰａ以下に減圧する。
（形態７）第２遮断弁より下流側に配置されている第２レギュレータは、約０．２ＭＰａ以下に減圧する。
（形態８）制御装置には、自動車のイグニションスイッチが接続されている。
（形態９）制御装置は、イグニションスイッチのＯＮ／ＯＦＦに基づいて、第１遮断弁や第２遮断弁の開閉制御を実行する。
（形態１０）第１遮断弁（パイロット式遮断弁）と過流防止弁の間に第１レギュレータが配置されている。
（形態１１）第１遮断弁、第１レギュレータ及び過流防止弁は、それぞれ隣接して配置されている。第１遮断弁と第１レギュレータの間にはガス配管が存在せず、第１レギュレータと過流防止弁の間にもガス配管が存在しない。
【実施例】
【００１２】
図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。図１は、本実施例の燃料電池自動車２のシステム構成を示している。図１では、本発明に関連しない要素は図示を省略している。
燃料電池自動車２は、イグニションスイッチ４と燃料電池発電システム１０を有している。イグニションスイッチ４は、システム１０の制御装置６０と接続されている。
燃料電池発電システム１０は、水素ガスと酸素ガスを反応させて発電するシステムである。燃料電池自動車２は、システム１０によって発電された電力を利用して駆動（走行）する。燃料電池発電システム１０は、水素ガスを貯めるボンベ１２と、ボンベ１２からの水素を使用する燃料電池３０と、燃料電池３０に空気を供給する空気供給装置３２と、制御装置６０等を備えている。
ボンベ１２は、超高圧の水素ガスを貯蔵することができる。本実施例では、最大で７０ＭＰａの水素を貯蔵することができる。ボンベ１２と燃料電池３０の間には、ボンベ１２から燃料電池３０まで水素ガスを案内するガス流路５０が備えられている。ガス流路５０には、ボンベ１２から燃料電池３０にいくにつれて、第１遮断弁ユニット１４と第１レギュレータ１６と第２遮断弁２０と第２レギュレータ２２と第３遮断弁２６の５つの弁が順に配置されている。
【００１３】
第１遮断弁ユニット１４は、ボンベ１２のガス出口を開閉するパイロット式遮断弁１０４と、その下流に配置されている過流防止弁１６０とから構成されている。第１遮断弁ユニット１４がボンベ１２のガス出口に配置されていることを明確にするために、図１ではボンベ１２内に第１遮断弁ユニット１４を図示している。第１遮断弁ユニット１４の構成は後で詳しく説明する。
第１遮断弁ユニット１４と第１レギュレータ１６はガス配管５０ａによって接続されている。なお、第１遮断弁ユニット１４と第１レギュレータ１６を隣接して配置することで、ガス配管５０ａをなくすこともできる。第１レギュレータ１６は、約１ＭＰａまで水素ガスを減圧する。第１レギュレータ１６の構成については後で詳しく説明する。
第１レギュレータ１６と第２遮断弁２０は、ガス配管５０ｂによって接続されている。第２遮断弁２０は、ガス流路５０を開閉する通常の電磁弁（直動式遮断弁）であり、パイロット式の遮断弁ではない。第２遮断弁２０の構成は後で詳しく説明する。
【００１４】
第２遮断弁２０と第２レギュレータ２２は隣接して配置されており、それらの間にはガス配管が設けられていない。第２レギュレータ２２は、約０．２ＭＰａまで水素ガスを減圧する。第２レギュレータ２２は、第１レギュレータ１６とほぼ同じ構成を有しており、その詳しい構成は後述する。
第２レギュレータ２２と第３遮断弁２６は、ガス配管５０ｃによって接続されている。第３遮断弁２６は、ガス流路５０を開閉する通常の電磁弁である（パイロット式の遮断弁ではない）。第３遮断弁２６は、第２遮断弁２０とほぼ同様の構成を有しており、その詳しい構成は後述する。
ガス配管５０ｃは、途中で二手に分かれており、その一方は第３遮断弁２６と接続されており、他方は排気シャット弁３６と接続されている。排気シャット弁３６は、ガス流路５０を開閉する通常の電磁弁である（パイロット式の遮断弁ではない）。排気シャット弁３６が開かれると、ガス流路５０内の水素ガスが大気中に排出される。排気シャット弁３６には図示省略の希釈器が接続されており、ガス流路５０内の水素ガスは希釈後に排出される。また排気シャット弁３６には図示省略の逆止弁が接続されており、その逆止弁によって空気がガス流路５０に侵入してこないようにされている。排気シャット弁３６は、第２遮断弁２０とほぼ同様の構成を有しており、その詳しい説明は後述する。
第３遮断弁２６と燃料電池３０は、ガス配管５０ｄによって接続されている。燃料電池３０の内部には、水素ガス通過経路３０ａと空気通過経路３０ｂが形成されている。水素ガス通過経路３０ａには、ガス配管５０ｄから水素ガスが流入する。燃料電池３０の空気通過経路３０ｂには、ガス配管５４を介して空気供給装置３２が接続されている。空気供給装置３２は、コンプレッサや加湿モジュール等から構成され、燃料電池３０に空気を送り込む。燃料電池３０の空気通過経路３０ｂには、空気供給装置３２から送り込まれた空気が流入する。燃料電池３０は、ボンベ１２からの水素ガスと、空気供給装置３２からの空気中の酸素ガスを反応させて発電する。燃料電池３０で発電された電力は、燃料電池自動車２の駆動（走行）エネルギーとなる。
【００１５】
本実施例では、第1遮断弁ユニット１４から第２遮断弁２０までの容量は約０．２リットルである。また、第２遮断弁２０より下流側の容量、即ち、第２レギュレータ２２、ガス配管５０ｃ、第３遮断弁２６、ガス配管５０ｄ、燃料電池３０の水素ガス通過経路３０ａの合計容量は、約１０リットルに設定されている。そのうちのほとんどの容量は、燃料電池３０の水素ガス通過経路３０ａの容量（約８リットル）である。
【００１６】
制御装置６０は、第１遮断弁ユニット１４（第１遮断弁１０４）、第２遮断弁２０、第３遮断弁２６、及び排気シャット弁３６と接続されている。制御装置６０は、各弁１４，２０，２６，３６の開閉制御を実行する。制御装置６０の開閉制御については後述する。
制御装置６０は、実際には燃料電池３０や空気供給装置３２と接続されており、それらの制御も実行する。ただし、本実施例では、それらと接続されている様子を図示省略するとともに、どのような制御を実行するのかについての説明も省略する。
【００１７】
次に、第１遮断弁ユニット１４の構成について説明する。図２は第１遮断弁ユニット１４の断面図を示している。第１遮断弁ユニット１４は、ボンベ１２の出口に嵌め込まれているボディ１００と、第１遮断弁１０４と、過流防止弁１６０を備えている。第１遮断弁１０４と過流防止弁１６０は、略円筒形状のボディ１００の筒内に嵌まり込んでいる。過流防止弁１６０は、第１遮断弁１０４より下流側に配置されている。
ボディ１００の軸中心から右方に少しずれた位置には、軸方向に伸びる孔１０２が形成されている。この孔１０２の一端はボンベ１２内と連通しており、他端は図示省略のボディ上部において閉じられている。
【００１８】
第１遮断弁１０４はパイロット式の遮断弁である。第１遮断弁１０４の構成について詳しく説明する。第１遮断弁１０４は、ガイド１０６と、パイロットバルブ１０８と、バネ１１４と、ステータ１１６と、コイル１１８と、ケーシング１２０と、プレート１２２と、ナット１２４と、メインバルブ１３０と、バネ１３８と、シート１５０を有している。
ガイド１０６は、ボディ１００の内部に固定されている。ガイド１０６の内部には、上から順に、メインバルブ１３０、パイロットバルブ１０８、及びステータ１１６が配置されている。メインバルブ１３０とパイロットバルブ１０８は、ガイド１０６に対して上下方向に摺動可能である。ステータ１１６は、ガイド１０６に対して変位不能である。
ガイド１０６の下部を覆うようにしてケーシング１２０が配されている。ケーシング１２０内にはコイル１１８が収容されている。ケーシング１２０の下面にはプレート１２２が配されている。ステータ１１６の下部にナット１２４が嵌め込まれることによって、プレート１２２がケーシング１２０に密着している。
【００１９】
パイロットバルブ１０８は、その上端にゴムシール１１２が固定されている。なおゴムシール１１２は、樹脂材料（ポリイミド等が好ましい）などで形成することもできる。他のゴムシールについても同様にポリイミド等を用いることができる。
パイロットバルブ１０８の上下方向での中間位置にはピン１１０が固定されている。パイロットバルブ１０８とステータ１１６の間にはバネ１１４が挿入されている。バネ１１４はパイロットバルブ１０８を上方に付勢している。図２に示す状態では、パイロットバルブ１０８とステータ１１６の間に隙間が形成されている。
メインバルブ１３０は、中径の孔１３０ａと、その孔１３０ａに連通している小径の孔１３０ｂと、その孔１３０ｂに連通している大径の孔１３０ｃが形成されている。大径の孔１３０ｃには、パイロットバルブ１０８の上半分が挿入されている。図２に示す状態では、バネ１１４によって上方に付勢されているパイロットバルブ１０８が、メインバルブ１３０を上方に押している。この状態では、メインバルブ１３０の小径の孔１３０ｂが、パイロットバルブ１０８のゴムシール１１２によってシールされている。
メインバルブ１３０には、上下方向に伸びる長孔１３０ｄが形成されており、長孔１３０ｄ内にパイロットバルブ１０８のピン１１０が遊嵌されている。パイロットバルブ１０８は、メインバルブ１３０の長孔１３０ｄの範囲内で上下方向に移動することができる。符号１３２は、メインバルブ１３０の下端を示している。またメインバルブ１３０の上端には、ゴムシール１４０が固定されている。
【００２０】
シート１５０は、メインバルブ１３０の上方においてボディ１００に対して変位不能に固定されている。シート１５０の内部には、二手に分かれる孔１５２が形成されている。シート１５０とボディ１００の間にはオーリング１５４が挿入されており、シート１５０の外周側から水素ガスが漏れないようになっている。
シート１５０とメインバルブ１３０の間にはバネ１３８が配置されている。バネ１３８によってメインバルブ１３０が下方に付勢されている。バネ１３８の付勢力は、上述したバネ１１４の付勢力よりも小さい。このため、コイル１１８に通電されていない状態では、バネ１３８の付勢力によってパイロットバルブ１０８とメインバルブ１３０が下方に移動することはなく、両バルブ１０８，１３０は上方に位置している（図２の状態に維持される）。
【００２１】
ボンベ１２内の水素ガスは、ガイド１０６の上面とシート１５０の下面の間の空間に、矢印Ｄ１に示すように流入することができる。ガイド１０６の上面とシート１５０の下面の間の空間には、メインバルブ１３０の外周面とガイド１０６の間に形成されている隙間Ｓ１（隙間Ｓ１は図示できないくらいにわずかである）が連通している。隙間Ｓ１には、メインバルブ１３０とパイロットバルブ１０８のピン１１０の間に形成されている隙間Ｓ２（メインバルブ１３０の長孔１３０ｄ）が連通している。隙間Ｓ２には、メインバルブ１３０の内周面とパイロットバルブ１０８の外周面の間に形成されている隙間Ｓ３が連通している。従って、隙間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３も、ボンベ１２内と同圧の水素ガスで満たされている。さらに、パイロットバルブ１０８の外周面とガイド１０６の内周面の間の隙間Ｓ４も水素ガスが通過可能であり、隙間Ｓ４を通過した水素ガスによってパイロットバルブ１０８のバネ１１４の収容空間が満たされている。
なお、図２に示す状態では、メインバルブ１３０より下流側（シート１５０の孔１５２やそれより上流側）のガス圧は大気圧程度である。大気圧程度の低圧の水素ガスで満たされる理由については後で詳しく説明する。
【００２２】
次に、上記した構成を有する第１遮断弁（パイロット式遮断弁）１０４の動作について説明する。図２の状態でコイル１１８に通電すると、コイル１１８の電磁力がパイロットバルブ１０８に作用して、パイロットバルブ１０８が下方向に移動する。これにより、パイロットバルブ１０８はピン１１０がメインバルブ１３０の下端１３２に当接する位置まで移動する。図３には、パイロットバルブ１０８が下方向に移動した後の状態を示している。なお、パイロットバルブ１０８が下方向に移動を開始しても、しばらくの間はメインバルブ１３０は上方に維持されるようになっている（図３の状態が維持される）。すなわち、メインバルブ１３０が上方に維持されるように、コイル１１８の電磁力、バネ１１４の付勢力及びバネ１３８の付勢力が調整され、かつ、パイロットバルブ１０８やメインバルブ１３０の構造等が設計されている。
パイロットバルブ１０８が下方向に移動すると、メインバルブ１３０に形成されている孔１３０ｂ（パイロットバルブ１０８が開閉するガス通過口）が開かれる。これにより、メインバルブ１３０の内周面とパイロットバルブ１０８の外周面の間の隙間Ｓ３を満たしている水素ガスが、矢印Ｄ２に示すように孔１３０ｂを通って下流側に流れていく。但し、孔１３０ｂは非常に小径であるために、少量の水素ガスしか通過することができない。
【００２３】
パイロットバルブ１０８が開かれて水素ガスが下流側に流れていくと、メインバルブ１３０の下流側のガス圧が徐々に高くなる。これにより、メインバルブ１３０の上流側と下流側のガス圧の差が徐々に小さくなる。メインバルブ１３０には、パイロットバルブ１０８のピン１１０から下向きの力が作用し、また、バネ１３８によって下向きの力が作用している。ピン１１０からの力とバネ１３８からの力の合力が、メインバルブ１３０の上下流間の差圧（すなわち、メインバルブ１３０を上方に維持する力）より大きくなったときに、メインバルブ１３０は下方向に移動する。
図４には、メインバルブ１３０が下方向に移動した後の状態を示している。メインバルブ１３０が下方向に移動すると、メインバルブ１３０とシート１５０の間に大きな隙間（すなわち、メインバルブ１３０が開閉するガス通過口）が形成される。これにより、矢印Ｄ３に示すように水素ガスが流れることとなる。メインバルブ１３０とシート１５０の間の隙間は大きいために、充分な量の水素ガスが通過できる。ただし、メインバルブ１３０が開かれるまでにメインバルブ１３０の上下流間の差圧は小さくなっているため、大容量の水素ガスが勢いよく流れていくことは抑制される。
【００２４】
コイル１１８への通電を停止すると、バネ１１４の付勢力によってパイロットバルブ１０８とメインバルブ１３０の双方が上方向に移動する。これにより、メインバルブ１３０の孔１３０ｂがパイロットバルブ１０８によって閉じられるとともに、メインバルブ１３０がシート１５０に密着する（図２に示す状態）。したがって、ボンベ１２内の水素ガスが第１遮断弁１０４によって遮断された状態になる。
【００２５】
次に、第１遮断弁ユニット１４を構成する過流防止弁１６０について図２を参照しながら説明する。過流防止弁１６０は、ロッド１６２とシャフト１６４とバルブ１６６とバネ１７０とガイド１７２等を有している。
ロッド１６２の下端にはシャフト１６４の上端が固定されている。シャフト１６４の下端にはバルブ１６６が固定されている。バルブ１６６の上面にはゴムシール１６８が固定されている。このため、ロッド１６２とシャフト１６４とバルブ１６６は一体となって上下方向に移動でき、それらはバネ１７０によって下方に付勢されている。
ガイド１７２は、上下方向に伸びる孔１７２ａが設けられた略円筒状の部材である。ガイド１７２は、ボディ１００の内周面に固定されている。ガイド１７２の外周面にはオーリング１７４が挿入されており、ガイド１７２の外周側から水素ガスが漏れないようになっている。
【００２６】
図２に示す状態では、バルブ１６６とガイド１７２の間に隙間が形成されている。このため、水素ガスは、その隙間を通ってガイド１７２の孔１７２ａに流れ、孔１７２ａを通って上方に流れていくことができる。
ここで、過流防止弁１６０を流れる水素ガスの流量が予め設定された流量を超えると（すなわち、ガイド１７２とシート１５０の間の空間（過流防止弁１６０の上流）のガス圧が過流防止弁１６０の下流のガス圧より所定値を超えて高くなると）、バルブ１６６がバネ１７０の付勢力に打ち勝って上方に移動するようになっている。すなわち、上記の場合にバルブ１６６が上方に移動するように、バネ１７０の付勢力、ガイド１７２の寸法（孔１７２ａの径等）、及びバルブ１６６の寸法等が設計されている。バルブ１６６が上方に移動すると、バルブ１６６の上面（ゴムシール１６８）がガイド１７２の下面に当接し、ガイド１７２の孔１７２ａが閉じられる。この状態では、過流防止弁１６０の上流と下流が遮断され、水素ガスは流れることができなくなる。したがって、過流防止弁１６０より下流のガス流路５０が破損して大容量の水素ガスが流出しようとする場合は、バルブ１６６が上方向に移動してガス通過口を閉じ、水素ガスが流出することが防止される。
【００２７】
次に、第１レギュレータ１６について説明する。図５には第１レギュレータ１６の断面図が示されている。
第１レギュレータ１６は、大気室２００ａを構成する上ケーシング２００と、一次圧室２２０ａと二次圧室２２０ｂを構成する下ケーシング２２０等を有する。
上ケーシング２００は、通気孔２００ｂが設けられており、大気が流入可能に構成されている。上ケーシング２００の大気室２００ａ内には、上プレート２０２と下プレート２０４が配置されている。上プレート２０２と下プレート２０４の間にはバネ２０６，２０８が配置されている。これらのバネ２０６，２０８によって、下プレート２０４が下方に付勢されている。下プレート２０４にはダイアフラムホルダ２１０が固定され、ダイアフラムホルダ２１０の下端は下ケーシング２２０の二次圧室２２０ｂに位置している。
上ケーシング２００と下ケーシング２２０の間には、シェル２１４が配置されている。シェル２１４と下ケーシング２２０によって、ダイアフラム２１２の外周縁が挟持されている。ダイアフラム２１２の内周縁は、下プレート２０４とダイアフラムホルダ２１０によって挟持されている。ダイアフラム２１２によって、上ケーシング２００の大気室２００ａと、下ケーシング２２０の二次圧室２２０ｂが仕切られている。
【００２８】
ダイアフラムホルダ２１０の下端にはシャフト２２２が固定されている。シャフト２２２の下部にはバルブ２２４が設けられている。バルブ２２４の下端には、シャフト２２６が固定されている。バルブ２２４は、バネ２３０によって上方に付勢されている。
ガイド２２８は、下ケーシング２２０に対して変位不能に固定されている。ガイド２２８にはシャフト２２６が嵌り込んでいる。シャフト２２６は、ガイド２２８に対して上下方向に摺動可能である。シャフト２２６とバルブ２２４とシャフト２２２とダイアフラムホルダ２１０と下プレート２０４は、一体となって上下方向に移動する。
下ケーシング２２０の一次圧室２２０ａには、オーリング２４０が嵌め込まれた部材２３２が固定されている。部材２３２にバルブ２２４が当接すると（図５の状態）、一次圧室２２０ａと二次圧室２２０ｂが遮断され、水素ガスが通過することができない。
なお、図５中の符号２４２，２４４，２４６はオーリングであり、それぞれによって水素ガスが漏れないようにシールされている。
【００２９】
一次圧室２２０ａは、上述した第１遮断弁ユニット１４と接続されている。一次圧室２２０ａには、図５の右側に示した矢印の方向に水素ガスが流入する。一次圧室２２０ａに流入した水素ガスは、一次圧室２２０ａと二次圧室２２０ｂの間が開放されていると、二次圧室２２０ｂに流入することができる。二次圧室２２０ｂは、図１に示されているガス配管５０ｂと接続されている。二次圧室２２０ｂに流入した水素ガスは、図５の左側に示した矢印の方向に流出していく。本実施例の第１レギュレータ１６は、いわゆるノーマルオープン型のレギュレータである。
本実施例では、二次圧室２２０ｂのガス圧が約１ＭＰａ以下であると、バルブ２２４が開くように各バネ２０６，２０８，２３０の付勢力が調整されている。二次圧室２２０ｂのガス圧が約１ＭＰａを越えると、バネ２０６，２０８の付勢力に打ち勝ってバルブ２２４が上方に移動し、一次圧室２２０ａと二次圧室２２０ｂが遮断される。このため、ボンベ１２内のガス圧がどれだけ高圧であっても、第１レギュレータ１６で約１ＭＰａまで減圧される。
【００３０】
第２レギュレータ２２は、上記した第１レギュレータ１６と同様の構成を有している。第２レギュレータ２２は、約０．２ＭＰａまで減圧するように各バネの付勢力が調整されている点で第１レギュレータ１６と異なる。
【００３１】
次に、図６を参照して第２遮断弁２０の構成について説明する。図６には、第２遮断弁２０の断面図が簡略化して示されている。
第２遮断弁２０は、ケーシング３００を有している。ケーシング３００内には、入口側の水素ガス通路３００ａと、出口側の水素ガス通路３００ｂが形成されている。水素ガス通路３００ａは、図１に示されるガス配管５０ｂと接続されている。水素ガス通路３００ｂは、図１に示される第２レギュレータ２２に接続されている。
ケーシング３００内には、コイル３０２とステータ３０４とバルブ保持部材３０６とバルブ３０８とバネ３１０等が収容されている。ステータ３０４は、ケーシング３００に固定されている。バルブ保持部材３０６は、その内底面においてバルブ３０８を保持している。バルブ３０８は、その上面が曲面に形成されているゴム製の部材である。図６の状態では、バルブ３０８によって、入口側の水素ガス通路３００ａと出口側の水素ガス通路３００ｂとが遮断されている。
バネ３１０は、ステータ３０４とバルブ保持部材３０６の間に配置されている。バネ３１０は、バルブ保持部材３０６（バルブ３０８）を上方を付勢している。
第２遮断弁２０は、コイル３０２に通電されていない状態では、バネ３１０の付勢力によってバルブ保持部材３０６が上方に維持される（図６の状態）。コイル３０２に通電すると、その電磁力がコイル保持部材３０６に作用して、コイル保持部材３０６が下方向に移動する。これによりバルブ３０８が下方向に移動し、入口側の水素ガス通路３００ａから出口側の水素ガス通路３００ｂに水素ガスが流れることができるようになる。
【００３２】
第３遮断弁２６は、上述した第２遮断弁２０とほぼ同様の構成を有する。即ち、第３遮断弁２６は、コイルに通電することによってバルブが開放される通常の遮断弁である。また排気シャット弁３６も上述した第２遮断弁２０とほぼ同様の構成を有する。
【００３３】
次に、イグニッション４をＯＮ／ＯＦＦしたときの燃料電池発電システム１０の作用を説明する。まず、イグニッション４をＯＮしたときの作用を説明する。
イグニション４がＯＮされると、制御装置６０は第１遮断弁１０４（パイロット式遮断弁）と第２遮断弁２０と第３遮断弁２６を開く。すなわち、制御装置６０は、第１遮断弁１０４のコイル１１８に通電してパイロットバルブ１０８を開き、また、第２遮断弁２０及び第３遮断弁２６のコイルにそれぞれ通電して、第２遮断弁２０及び第３遮断弁２６を開く。
第１遮断弁１０４のパイロットバルブ１０８が開くと、ボンベ１２内の水素ガスはメインバルブ１３０に形成されている孔１３０ｂを通ってガス流路５０に流れる（図３参照）。ガス流路５０に流れ込んだ水素ガスは、燃料電池３０の水素ガス通過経路３０ａに充填されてゆく。パイロットバルブ１０８の開弁時は、第１遮断弁１０４の上流と下流のガス圧の差は大きいが、水素ガスが流れる孔１３０ｂは小径である。このため、ボンベ１２内の水素ガスが過流防止弁１６０に向かって急激に多量に流れ込むことはない。したがって、過流防止弁１６０が誤作動することはなく、ボンベ１２内の水素ガスは過流防止弁１６０の下流に流れてゆくことができる。これによって、ガス流路５０及び水素ガス通過経路３０ａに水素ガスが充填されてゆき、第１遮断弁１０４の下流のガス圧が徐々に上昇することとなる。
【００３４】
本実施例では、ガス配管５０ｂのガス圧が１．０ＭＰａまで上昇すると、第１遮断弁１０４のメインバルブ１３０の上下流間の差圧が所定値以下となり、メインバルブ１３０が下方向に移動する。これによって第１遮断弁１０４のメインバルブ１３０が開き、メインバルブ１３０とシート１５０の隙間から水素ガスが下流に向かって流れる（図４参照）。メインバルブ１３０とシート１５０の隙間は、メインバルブ１３０に形成された孔１３０ｂと比較して大きなガス通過口であるが、メインバルブ１３０が開くときにはメインバルブ１３０の下流のガス圧がある程度上昇している。このため、多量の水素ガスが過流防止弁１６０に向かって急激に流れることが抑制される。したがって、過流防止弁１６０が誤作動することはなく、ボンベ１２内の水素ガスはガス流路５０を通って燃料電池３０の水素ガス通過経路３０ａにさらに充填されてゆく。
【００３５】
次に、イグニッション４をＯＦＦしたときの作用を説明する。イグニション４がＯＦＦされると、制御装置６０は第１遮断弁１０４のコイル１１８への通電を停止する。これによって、第１遮断弁１０４のパイロットバルブ１０８とメインバルブ１３０の双方が閉じられる。
第１遮断弁１０４が閉じられると、次に、排気シャット弁３６が開放される。これによって、第１遮断弁１０４より下流側に存在する水素ガスが排気される。したがって、第１遮断弁１０４より下流側が低圧になり、ガス流路５０や燃料電池３０の水素ガス通過経路３０ａ等に高圧が作用し続けることが防止される。そして、ガス配管５０ｂの圧力が０．１ＭＰａ程度まで減圧されると、第２遮断弁２０と第３遮断弁２６と排気シャット弁３６が閉じられる。
【００３６】
本実施例の燃料電池発電システム１０では、ボンベ１２のガス出口に制御装置６０によって開閉できる第１遮断弁１０４を配している。このため、燃料電池３０で水素ガスを使用しないときは第１遮断弁１０４を閉じることができ、必要なときだけ第１遮断弁１０４を開いてボンベ１２から水素ガスを供給可能な状態とすることができる。
また、パイロット式遮断弁である第１遮断弁１０４の下流に過流防止弁１６０を配しているため、第１遮断弁１０４を開弁したときに過流防止弁１６０に水素ガスが急激に流れ込むことが防止される。このため、過流防止弁１６０の誤作動を防止することができる。
【００３７】
なお、上述した実施例においては、ガス配管５０ａ，ガス配管５０ｂ，ガス配管５０ｃ又はガス配管５０ｄのいずれかに圧力センサを設け、その圧力センサによって当該ガス配管のガス圧を測定するようにしてもよい。そして、制御装置６０は、圧力センサで検出される圧力をモニタし、検出される圧力値が異常となったときに第１遮断弁１０４を閉じるようにしてもよい。このようにすると、過流防止弁１６０が故障等によって作動しない場合でも、ボンベ１２の元弁（第１遮断弁１０４）を閉じることができ、ボンベ１２からのガスの流出を防止することができる。
【００３８】
また、第１遮断弁ユニット１４（パイロット式遮断弁＋過流防止弁）の具体的な構成等については、上述した実施例に限定されることなく、種々の変形・変更を加えることができる。図７には変形例に係る第１遮断弁ユニットの要部を拡大して示している。なお、図７に示されていない部分については、上述した実施例の構成をそのまま採用することができる。
図７に示すようにシート１５１には、二手に分かれる燃料流路１５３ａが形成されている（なお、シート１５１は、上述した実施例におけるシート１５０に相当する（図２〜４参照））。シート１５１の下流側は、ボディ１００の管径より少しだけ小さな径に形成されている。このため、シート１５１の下流側外壁とボディ１００との間に燃料流路１５５が形成されている。燃料流路１５５は、シート１５１の上流端に形成された燃料流路１５３ａに連通している。
また、シート１５１の下流端には凹部１５１ａが形成される。凹部１５１ａには、過流防止弁１６０のバルブ１６６が進退動可能に収容されている。バルブ１６６の外周面と凹部１５１ａの内壁面との間には、若干の隙間が形成されている。したがって、図中Ａで示される空間（バルブ１６６とガイド１７２の間の空間）と、図中Ｂで示される空間（バルブ１６６と凹部１５１ａとによって形成される空間）とは連通している。
かかる構成において、パイロット式遮断弁のパイロットバルブ又はメインバルブが開くと、ボンベ１２内の高圧ガスは燃料流路１５３ａを通って図中の矢印のように流れる。この流れは、ボンベ１２内のガス圧力が高くなればなるほど衝撃的な流れとなる。このため、これらのバルブが開いた直後は、空間Ａのガス圧力が瞬間的に空間Ｂのガス圧力より高くなる。したがって、バルブ１６６には空間Ａ側から空間Ｂ側に向かって力が作用することとなる（すなわち、過流防止弁１６０を開く方向に力が作用する）。これによって、バルブ開弁時における過流防止弁の誤作動をより防止することができる。なお、衝撃的な流れが収まり定常状態となると、空間Ａと空間Ｂは同一圧力となり、過流防止弁は本来の機能を果たすこととなる。
【００３９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上述した実施例では、ボンベ１２のガス出口に配したパイロット式遮断弁（第１遮断弁１０４）に隣接して過流防止弁１６０を配置したが、本発明はこのような例に限られず、図８に示す形態で実施することもできる。図８に示す実施例では、ボンベ１２のガス出口に配したパイロット式遮断弁１５の下流に、まず、レギュレータ１７を隣接して配置し、そのレギュレータ１７に隣接して過流防止弁１８を配置している。その他の点は、上述した実施例と同一である。また、遮断弁１５は上述した第１遮断弁１０４と同一構成とすることができ、レギュレータ１７は上述した第１レギュレータ１６と同一構成とすることができ、過流防止弁１８は上述した過流防止弁１６０と同一構成とすることができる。なお、過流防止弁１８より下流のガス配管５０ｂは、レギュレータ１７によって減圧されているため、この実施例では高圧ガス用のガス配管を設ける必要がない。
このような実施例では、過流防止弁１８の上流がレギュレータ１７によって減圧されるため、遮断弁１５を開弁した時の過流防止弁１８の誤動作をより防止することができる。すなわち、過流防止弁１８の上流が減圧されていると、過流防止弁１８を作動させる時の過流防止弁１８の上流と下流の差圧を大きく設定することができる（すなわち、図２に示すバネ１７０の付勢力を大きく設定することができる）。過流防止弁１８が作動するときのガス流量を１０００ＮＬ／ｍｉｎとした場合において、過流防止弁１８の上流を７０ＭＰａとしたときと、過流防止弁１８の上流を１ＭＰａとしたときを例にして説明する。過流防止弁１８の上流を７０ＭＰａとした場合は、過流防止弁１８を１０００ＮＬ／ｍｉｎの水素ガスが流れるためには、過流防止弁１８の上下流の圧力差が１．８ｋＰａ必要となる。一方、過流防止弁１８の上流を１ＭＰａとした場合は、過流防止弁１８を１０００ＮＬ／ｍｉｎの水素ガスが流れるためには、過流防止弁１８の上下流の圧力差が１２７ｋＰａ必要となる。上述したように、過流防止弁１８の上流の圧力が高くなればなるほど、過流防止弁１８の上下の差圧に敏感に反応して、過流防止弁１８を流れる水素ガスの流量が変化する。したがって、過流防止弁１８の上流が減圧されればされるほど、過流防止弁１８の誤作動を防止することができる。
【００４０】
図９〜１１は、上述した各実施例において、ボンベの元弁を開弁したときの過流防止弁上流の圧力変化を測定した結果を示している。測定はボンベのガス圧力を７０ＭＰａとして行った。図９は、図１に示す実施例において第１遮断弁１０４を開弁したときの第１遮断弁１０４の下流（過流防止弁１６０の上流）の圧力変化を示している。図１０は、図８に示す実施例において遮断弁１５を開弁したときの遮断弁１５の下流の圧力変化Ｐ１（レギュレータ１７の上流の圧力変化）と、過流防止弁１８の上流の圧力変化Ｐ２を示している。図１１は、図８に示す実施例において遮断弁１５を直動式遮断弁としたときの直動式遮断弁下流の圧力変化Ｐ１（レギュレータ１７の上流の圧力変化）と、過流防止弁１８の上流の圧力変化Ｐ２を示している。
図１１と図９の比較から明らかなように、ボンベの元弁に直動式遮断弁を用いた場合は遮断弁下流の圧力が急激に上昇するのに対し、パイロット式遮断弁を用いた場合は遮断弁下流の圧力は穏やかに上昇する。図９に示すグラフにおいて、メインバルブはパイロットバルブが開かれてから約０．３秒後に開かれるが、メインバルブが開かれた後も暫くの間は遮断弁下流の圧力はゆっくりと上昇し、しかる後に略垂直に立ち上がる。したがって、過流防止弁の誤動作が生じ易いメインバルブの開弁直後は圧力がなだらかに上昇するため、過流防止弁の誤作動を有効に防止することができる。また、図１０に示すように、遮断弁と過流防止弁との間にレギュレータが配置されていると、過流防止弁の上流が約３ＭＰａ程度まで減圧される。このため、図８に示す実施例では、より過流防止弁の誤作動が防止できることとなる。
【００４１】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】燃料電池自動車のシステム構成を示す図である。
【図２】第１遮断弁ユニットの断面図である。
【図３】第１遮断弁ユニットの断面図である（図２の状態からパイロットバルブが下動したときの図）。
【図４】第１遮断弁ユニットの断面図である（図３の状態からメインバルブが下動したときの図）。
【図５】第１レギュレータの断面図である。
【図６】第２遮断弁の断面図である。
【図７】変形例に係る第１遮断弁ユニットの要部を拡大して示す図である。
【図８】燃料電池自動車のシステム構成の他の例を示す図である。
【図９】図１に示す実施例において、第１遮断弁１０４を開弁したときの過流防止弁１６０の上流の圧力変化を示す図である。
【図１０】図８に示す実施例において、遮断弁１５を開弁したときのレギュレータ１７の上流の圧力変化Ｐ１と、過流防止弁１８の上流の圧力変化Ｐ２を併せて示す図である。
【図１１】図８に示す実施例において遮断弁１５を直動式遮断弁としたときのレギュレータ１７の上流の圧力変化Ｐ１と、過流防止弁１８の上流の圧力変化Ｐ２を併せて示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
２：燃料電池自動車
４：イグニションスイッチ
１０：燃料電池発電システム
１２：ボンベ
１４：第１遮断弁ユニット
１６：第１レギュレータ
１８：圧力センサ
２０：第２遮断弁
２２：第２レギュレータ
２６：第３遮断弁
３０：燃料電池、３０ａ：水素通過経路、３０ｂ：空気通過経路
３２：空気供給装置
３６：排気シャット弁
５０：水素ガス流路
５４：ガス配管（空気流路）
６０：制御装置
１００：ボディ
１０４：第１遮断弁（パイロット式遮断弁）
１０８：パイロットバルブ
１３０：メインバルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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