(57)【要約】【課題】２次圧を高めるのに有利なガス減圧弁、ガス減圧システム及び燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】ガス減圧弁１は、受圧部材３と絞り機構４と受圧部材用弾性部材７とを具備する。絞り機構４は、１次側通路６１から２次側通路７１に流れるガスを絞って減圧させる第１絞り通路４０と、第１絞り通路４０の絞り開度を可変に調整する可動バルブ体４１と、第１絞り通路４０の絞り開度を小さくする方向に可動バルブ体４１を付勢する付勢力をもつ可動バルブ体用弾性部材８と、第１絞り通路４０を経たガスを更に絞って第１室に供給する第２絞り通路５２と、ガス圧を可動バルブ体４１に作用させる中間室５３とを備えている。【選択図】  図１
2006011659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが供給される１次側通路とガスが吐出される２次側通路と前記１次側通路及び前記２次側通路の間に形成されたボティ室とをもつボディと、
前記ボディの前記ボティ室に配設され前記ボティ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、
前記１次側通路と前記２次側通路との間に設けられ前記１次側通路から前記２次側通路に流れるガスを絞って減圧させて前記第１室を経て前記２次側通路に供給する絞り機構と、
前記ボディの前記第２室に設けられ前記絞り機構の絞り開度を増加させる方向に前記受圧部材を付勢する付勢力をもつ受圧部材用弾性部材とを具備しており、
前記絞り機構は、
前記１次側通路と前記２次側通路との間に設けられ前記１次側通路から前記２次側通路に流れるガスを絞って減圧させる絞り通路と、前記絞り通路の絞り開度を可変に調整する可動バルブ体と、前記絞り通路の絞り開度を小さくする方向に前記可動バルブ体を付勢する付勢力をもつ可動バルブ体用弾性部材とを備えており、
前記２次側通路から吐出されるガスの流量を横軸とすると共に前記２次側通路から吐出されるガスの２次圧を縦軸として調圧特性をグラフ化するとき、
ガスの流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧の低下を抑えるように設定されている調圧特性、あるいは、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧が増加するような調圧特性に設定されていることを特徴とするガス減圧弁。
【請求項２】
ガスが供給される１次側通路とガスが吐出される２次側通路と前記１次側通路及び前記２次側通路の間に形成されたボティ室とをもつボディと、
前記ボディの前記ボティ室に配設され前記ボティ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、
前記１次側通路と前記２次側通路との間に設けられ前記１次側通路から前記２次側通路に流れるガスを絞って減圧させて前記第１室を経て前記２次側通路に供給する絞り機構と、
前記ボディの前記第２室に設けられ前記絞り機構の絞り開度を増加させる方向に前記受圧部材を付勢する付勢力をもつ受圧部材用弾性部材とを具備しており、
前記絞り機構は、
前記１次側通路と前記２次側通路との間に設けられ前記１次側通路から前記２次側通路に流れるガスを絞って減圧させる第１絞り通路と、前記第１絞り通路の絞り開度を可変に調整する可動バルブ体と、前記第１絞り通路の絞り開度を小さくする方向に前記可動バルブ体を付勢する付勢力をもつ可動バルブ体用弾性部材と、前記第１絞り通路よりも下流側に位置するように前記１次側通路と前記２次側通路との間に設けられ前記第１絞り通路を経たガスを更に絞って前記第１室に供給する第２絞り通路と、前記第１絞り通路と前記第２絞り通路との間に設けられ前記第１絞り通路と前記第２絞り通路との間のガス圧を前記可動バルブ体に作用させる中間室とを備えていることを特徴とするガス減圧弁。
【請求項３】
請求項２において、前記２次側通路から吐出されるガスの流量を横軸とすると共に前記２次側通路から吐出されるガスの２次圧を縦軸として調圧特性をグラフ化するとき、
ガスの流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧の低下を抑えるように設定されている調圧特性、あるいは、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧が増加するような調圧特性に設定されていることを特徴とするガス減圧弁。
【請求項４】
ガス供給源とガス使用部とをつなぐ前記ガス供給通路に設けられガス入口及びガス出口をもち前記ガス出口から吐出されるガスの圧力を可変に調整できる上流ガス減圧弁と、前記ガス供給通路において前記上流ガス減圧弁の前記ガス出口に繋がると共に前記上流ガス減圧弁よりも下流に設けられた下流ガス減圧弁とを具備するガス減圧システムにおいて、
前記下流ガス減圧弁は、請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載のガス減圧弁で構成されていることを特徴とするガス減圧システム。
【請求項５】
燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料用のガス供給通路と、
前記燃料電池の前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス用のガス供給通路と、
前記燃料用のガス供給通路及び前記酸化剤ガス用のガス供給通路のうちの少なくとも一方において前記燃料電池の上流に設けられた燃料電池用ガス減圧系とを具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池用ガス減圧系は、請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載のガス減圧弁を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラム等の受圧部材を有するガス減圧弁、当該ガス減圧弁を搭載するガス減圧システム、及び、当該ガス減圧弁を搭載する燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガス減圧弁として、ボティ室をもつボディと、ボディのボティ室を第１室と第２室とに区画する変形可能なダイヤフラムと、ガスが供給される高圧側通路である１次側通路と、低圧側通路である２次側通路と、１次側通路と２次側通路との間に設けられた絞り通路と絞り通路を開閉する可動バルブ体とをもち可動バルブ体により絞り通路の絞り開度を調整する絞り機構と、絞り機構の絞り開度を増加させる方向にダイヤフラムを付勢する付勢力を発揮するコイルバネとを備えているものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
このガス用バルブによれば、１次側通路のガスが絞り通路で絞られて２次側通路に至る。２次側通路の圧力が増加すると、ダイヤフラムの受圧力が増加してダイヤフラムが変形し、可動バルブ体が絞り通路の開度を減少させる方向に動作し、２次側通路の圧力の増加が抑制される。
【特許文献１】特開２００２−３７１９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１に係る技術によれば、ガスを供給する場合、低負荷時では、配管、流路等の圧損が少ないため、供給圧は相対的に低くて良い。これに対して高負荷時では、配管、流路等の圧損が大きいため、高い圧力でガスを供給することが好ましい。
【０００５】
しかしながら特許文献１に係る上記したガス減圧弁の２次圧である調整圧（例えば燃料電池の燃料供給圧）は、ガスの流量の増加に伴い低下するため、減圧弁の２次圧である調整圧を上記したような好ましい圧力とした状態で機器（例えば燃料電池）に供給できないという問題があった。
【０００６】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、２次圧を高めるのに有利なガス減圧弁、ガス減圧システム及び燃料電池発電システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）第１発明のガス減圧弁は、ガスが供給される１次側通路とガスが吐出される２次側通路と１次側通路及び２次側通路の間に形成されたボティ室とをもつボディと、
ボディのボティ室に配設されボティ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、
１次側通路と２次側通路との間に設けられ１次側通路から２次側通路に流れるガスを絞って減圧させて第１室を経て２次側通路に供給する絞り機構と、
ボディの第２室に設けられ絞り機構の絞り開度を増加させる方向に受圧部材を付勢する付勢力をもつ受圧部材用弾性部材とを具備しており、
絞り機構は、
１次側通路と２次側通路との間に設けられ１次側通路から２次側通路に流れるガスを絞って減圧させる第１絞り通路と、第１絞り通路の絞り開度を可変に調整する可動バルブ体と、第１絞り通路の絞り開度を小さくする方向に可動バルブ体を付勢する付勢力をもつ可動バルブ体用弾性部材とを備えており、
２次側通路から吐出されるガスの流量を横軸とすると共に２次側通路から吐出されるガスの２次圧を縦軸として調圧特性をグラフ化するとき、
ガスの流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧の低下を抑えるように設定されている調圧特性、あるいは、ガスの流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧が増加するような調圧特性に設定されていることを特徴とするものである。
【０００８】
第１発明のガス減圧弁によれば、ガスの流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧の低下を抑える調圧特性に設定されているか、あるいは、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧が増加するような調圧特性に設定されている。従って第１発明のガス減圧弁から吐出されるガスの流量が増加しても２次圧を高めるのに有利である。
【０００９】
（２）第２発明に係るガス減圧弁は、ガスが供給される１次側通路とガスが吐出される２次側通路と１次側通路及び２次側通路の間に形成されたボティ室とをもつボディと、
ボディのボティ室に配設されボティ室を第１室と第２室とに区画する変形可能な受圧部材と、
１次側通路と２次側通路との間に設けられ１次側通路から２次側通路に流れるガスを絞って減圧させて第１室を経て２次側通路に供給する絞り機構と、
ボディの第２室に設けられ絞り機構の絞り開度を増加させる方向に前記受圧部材を付勢する付勢力をもつ受圧部材用弾性部材とを具備しており、
絞り機構は、
１次側通路と２次側通路との間に設けられ１次側通路から２次側通路に流れるガスを絞って減圧させる第１絞り通路と、第１絞り通路の絞り開度を可変に調整する可動バルブ体と、第１絞り通路の絞り開度を小さくする方向に可動バルブ体を付勢する付勢力をもつ可動バルブ体用弾性部材と、第１絞り通路よりも下流側に位置するように１次側通路と２次側通路との間に設けられ第１絞り通路を経たガスを更に絞って第１室に供給する第２絞り通路と、第１絞り通路と第２絞り通路との間に設けられ第１絞り通路と第２絞り通路との間のガス圧を可動バルブ体に作用させる中間室とを備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
第２発明に係るガス減圧弁によれば、２次側通路から吐出されるガスの流量を横軸とすると共に２次側通路から吐出される２次圧を縦軸として調圧特性をグラフ化するとき、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧の低下を抑えるように設定されている調圧特性、あるいは、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧が増加するような調圧特性が得られる。従って第２発明のガス減圧弁から吐出されるガスの流量が増加しても２次圧を高めるのに有利である。
【００１１】
（３）第３発明に係るガス減圧システムは、ガス供給源とガス使用部とをつなぐガス供給通路に設けられガス入口及びガス出口をもちガス出口から吐出されるガスの圧力を可変に調整できる上流ガス減圧弁と、ガス供給通路において上流ガス減圧弁の前記ガス出口に繋がると共に上流ガス減圧弁よりも下流に設けられた下流ガス減圧弁とを具備するガス減圧システムにおいて、下流ガス減圧弁は、各請求項に記載のガス減圧弁で構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
第３発明に係るガス減圧システムによれば、下流ガス減圧弁の２次側通路から吐出されるガスの流量を横軸とすると共に下流ガス減圧弁の２次側通路から吐出される２次圧を縦軸として調圧特性をグラフ化するとき、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧の低下を抑えるように設定されている調圧特性か、あるいは、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧が増加するような調圧特性が得られる。従って第３発明に係るガス減圧システムによれば、ガス減圧弁から吐出される流量が増加しても、２次圧を高めるのに有利である。
【００１３】
（４）第４発明に係る燃料電池発電システムは、燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料用のガス供給通路と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス用のガス供給通路と、燃料用のガス供給通路及び酸化剤ガス用のガス供給通路のうちの少なくとも一方において燃料電池の上流に設けられた燃料電池用ガス減圧系とを具備する燃料電池発電システムにおいて、燃料電池用ガス減圧系は、各請求項に記載のガス減圧弁を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
第４発明に係る燃料電池発電システムによれば、ガス減圧弁の２次側通路から吐出されるガスの流量を横軸とすると共にガス減圧弁の２次側通路から吐出される２次圧を縦軸として調圧特性をグラフ化するとき、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧の低下を抑えるように設定されている調圧特性か、あるいは、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧が増加するような調圧特性が得られる。従って第４発明に係る燃料電池発電システムによれば、ガス減圧弁から吐出されるガスの流量が増加しても２次圧を高めるのに有利であり、ひいては燃料電池に供給するガスの圧力を高めるのに有利であり、燃料電池の低負荷時ばかりか、高負荷時にも対応することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガスの流量が増加しても２次圧を高めるのに有利なガス減圧弁を提供できる。更に、ガスの流量が増加しても２次圧を高めるのに有利なガス減圧システムを提供できる。更に、ガス減圧弁から吐出され燃料電池に供給される活物質を含むガスの圧力（燃料電池の供給圧）を高めるのに有利な燃料電池発電システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を燃料電池発電システムに適用した実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。この燃料電池発電システムは、車両用、定置用、携帯用等の用途に使用することができる。燃料電池１００は燃料極１０１及び酸化剤極１０２を有する。本実施形態に係るガス減圧弁１は、燃料電池（ガス使用部）１００の燃料極１０１のガス入口１０１ｃの上流側に設けられるものである。ガス減圧弁１は燃料ガス（例えば活物質である水素を含む水素ガス、または、水素含有ガス）用のガス減圧弁であり、上流ガス減圧弁２００よりも下流に設けられた下流ガス減圧弁に相当する。
【００１７】
このガス減圧弁１は、図１に示すように、ボティ室２０をもつと共にボティ室２０の下方に壁部で仕切られたバルブ室２３をもつボディ２と、ボディ２のボティ室２０を第１室２１と第２室２２とに区画する変形可能な受圧部材として機能するダイヤフラム３と、燃料電池１００の燃料極１０１で使用される活物質を含むガス（燃料ガス）が供給されると共にボティ室２０の第１室２１に繋がる１次側通路６１と、燃料電池１００の燃料極１０１の燃料極１０１及びボティ室２０の第１室２１に繋がる２次側通路７１と、１次側通路６１と２次側通路７１との間に設けられた第１絞り通路４０をもちダイヤフラム３の変形に伴い第１絞り通路４０の絞り開度Ｌを可変とする絞り機構４とを備えている。
【００１８】
第１絞り通路４０の絞り開度Ｌは、ガス減圧弁１のサイズ、ガス減圧弁１が用いられる用途、流れるガスの組成等によっても相違するものの、例えば２ミリメートル以下,１ミリメートル以下,５００マイクロメートル以下とすることができる。燃料ガスの主要成分が水素ガスである場合には、粘性が低くて流れ易いため、絞り開度Ｌは小さくて済む。使用時には、第１絞り通路４０の圧損は第２絞り通路５２の圧損よりも大きくされている。
【００１９】
１次側通路６１は上流ガス減圧弁２００を介してガス供給源６５（例えばガスタンク）に繋がる。ガス供給源６５の高圧の燃料ガスが１次側通路６１に供給される。燃料ガスとしては純水素ガスまたは水素含有ガス等を使用できる。ここで、高圧及び低圧は燃料ガスの相対的な高低の意味である。従って、高圧とは２次側通路７１のガス圧力よりも高圧という意味である。低圧とは１次側通路６１のガス圧力よりも低圧という意味である。例えば、１次側通路６１のガスの圧力は１〜３ＭＰａにすることができ、２次側通路７１のガスの圧力は１０〜９００ｋＰａ、１００〜４００ｋＰａにすることができる。但しこれらに限定されるものではない。
【００２０】
図１に示すように、１次側通路６１は絞り機構４の第１絞り通路４０の上流に設けられており、２次側通路７１は絞り機構４の第１絞り通路４０の下流に設けられている。第１絞り通路４０は、燃料電池１００の燃料極１０１において使用される活物質を含む１次側通路６１のガス（燃料ガス）の流量を制限して減圧し、２次側通路７１に供給する。
【００２１】
図１に示すように、ボディ２はボティ室２０を有する。ダイヤフラム３は、ゴムや軟質樹脂等の弾性材料または金属を基材としガスバリヤ性を有する膜状に形成されている。ダイヤフラム３は、ボディ２のボティ室２０を、燃料ガスが流入する第１室２１と、燃料ガスが流入されない第２室２２とに仕切って区画するため、仕切部材として機能することができる。第２室２２は第１室２１，１次側通路６１、２次側通路７１に連通しないものの、大気開放ポート２２ｍを介して大気に連通する。このように第２室２２は大気開放とされるため、高圧状態にならない。
【００２２】
仕切部材として機能できるダイヤフラム３の外周部３ｐは、ボディ２に挟持されて保持されている。ダイヤフラム３の中央域は、第１室２１及び第２室２２の差圧に応じて、矢印Ｙ２（上方向）、矢印Ｙ１方向（下方向）に変形可能とされている。矢印Ｙ２方向は第１室２１の容積を増加させる方向を意味すると共に、第１絞り通路４０の絞り開度Ｌを減少させる方向を意味する。矢印Ｙ１方向は第１室２１の容積を減少させる方向を意味すると共に、第１絞り通路４０の絞り開度Ｌを増加させる方向を意味する。図１から理解できるように、第１絞り通路４０の下流に位置する第１室２１（２次側通路７１を経て燃料電池１００に繋がる）の圧力がダイヤフラム３の下面としての表面３ｍに作用する。
【００２３】
図１に示すように、絞り機構４は、燃料電池１００に供給されるガス（燃料ガス）の流量を制限するようにボディ２に形成された第１絞り通路４０と、第１絞り通路４０を開閉するピストン状の可動バルブ体４１と、ダイヤフラム３の中央域を挟持するように設けられた第１支持部４２及び第２支持部４３とを有する。可動バルブ体４１は互いに背向する受圧面４７及びバルブ面４４をもつ。可動バルブ体４１の受圧面４７には、可動バルブ体４１を矢印Ｙ２方向に付勢するように１次側通路６１の１次圧が作用する。なお本実施形態によれば、受圧面４７は可動バルブ体４１の図示下面とされている。バルブ面４４は可動バルブ体４１の図示上面とされている。
【００２４】
第１絞り通路４０は、第１絞り通路４０を１周するリング形状の弁座部４９を片面側つまり下面側にもつ。第２支持部４３の軸部４８は、第２支持部４３から遠ざかるように下方に向けて延設されており、第２絞り通路５２に挿通されている。後述するダイヤフラムバネ７の付勢力により、第２支持部４３の軸部４８の先端部４８ａ（下端部）は、可動バルブ体４１のバルブ面４４に当接する。
【００２５】
ここで、第１絞り通路４０の弁座部４９と可動バルブ体４１のバルブ面４４との間は、第１絞り通路４０の絞り開度Ｌとされる。図１において絞り開度Ｌの隙間幅は強調されているが、実際には小さいものである。可動バルブ体４１のバルブ面４４は弁座部４９に対面しており、第１絞り通路４０の全閉時において第１絞り通路４０の弁座部４９に着座できる。
【００２６】
図１に示すように、可動バルブ体４１は、ボディ２のバルブ室２３に矢印Ｙ２、Ｙ１方向（上下方向）に移動可能に嵌合されている。可動バルブ体４１はダイヤフラム３の図示下方に配置されており、これの横断面が円形状をなす円柱形状とされているが、角柱形状でも良い。ここで、バルブ室２３の径、可動バルブ体４１の径は、ダイヤフラム３の可動変形部分の径よりも小さく設定されている。可動バルブ体４１は金属製であり、実質的に剛体として機能する。可動バルブ体４１の受圧面４７はボディ２の壁面２ｆに対面すると共に、可動バルブ体４１のバルブ面４４は第１絞り通路４０に対面する。
【００２７】
図１及び図２に示すように、絞り機構４は、第１絞り通路４０よりも下流側に位置するように１次側通路６１と２次側通路７１との間に設けられた第２絞り通路５２と、第１絞り通路４０と第２絞り通路５２との間に設けられた中間室５３とを備えている。図２に示すように、中間室５３は、可動バルブ体４１のバルブ面４４に対面する開口５３ｈをもつ。第２絞り通路５２は、第１絞り通路４０を経たガスを更に絞って第１室２１に供給する絞りである。第２絞り通路５２の流路断面積は、第２絞り通路５２の内周壁面５２ｉと軸部４８の外周壁面４８ｓとで規定される。中間室５３は弁座部４９の内周壁面４９ｉで規定される。中間室５３は、第１絞り通路４０と第２絞り通路５２との間のガス圧を可動バルブ体４１のバルブ面４４に矢印Ｙ１方向（第１絞り通路４０の絞り開度Ｌを増加させる方向）に作用させる室である。図２に示すように、可動バルブ体４１の外径をφＡとし、中間室５３の内径をφＢとし、第２絞り通路５２の内径をφＣ、軸部４８の外径をφＤとすると、φＡ＞φＢ＞φＣ＞φＤの関係とされている。
【００２８】
図１に示すように、コイルバネで形成された付勢部材としてのダイヤフラムバネ７（受圧部材用弾性部材）が設けられている。ダイヤフラムバネ７はボディ２のボティ室２０の第２室２２にほぼ同軸的に設けられている。ダイヤフラムバネ７の一端部７ａは、絞り機構４の第１支持部４２の着座面４２ｈに着座し、ダイヤフラムバネ７の他端部７ｂは後述の着座体９２のリング状の着座面９２ｈに着座する。この結果、ダイヤフラムバネ７は、ダイヤフラム３を矢印Ｙ１方向（図示下方向）に付勢しており、ひいては可動バルブ体４１を弁座部４９から離間させるように付勢する。即ち、ダイヤフラムバネ７は、第１絞り通路４０の絞り開度Ｌを増加させる方向に可動バルブ体４１を付勢する付勢力を有する。
【００２９】
図１に示すように、絞り機構４は、可動バルブ体４１とボディ２のバルブ室２３の壁面２ｆとの間に設けられたコイルバネで形成された付勢部材として機能するバルブバネ８（可動バルブ体用弾性部材）を備えている。バルブバネ８により可動バルブ体４１は矢印Ｙ２方向に付勢されており、つまり、可動バルブ体４１のバルブ面４４が弁座部４９に接近する方向に付勢されている。即ち、バルブバネ８は、第１絞り通路４０の絞り開度Ｌを減少させる方向に可動バルブ体４１を付勢する付勢力を有する。また、ダイヤフラムバネ７のバネ定数をＫ１、バルブバネ８のバネ数をＫ２とすると、Ｋ１＞Ｋ２に設定されている。なお、ダイヤフラムバネ７、バルブバネ８の材質としては特に限定されず、金属（例えば鉄系、ステンレス鋼系、チタン系、アルミニウム系）、セラミックス、硬質樹脂等のうちの少なくとも１種を採用することができる。
【００３０】
前述したように、バルブバネ８及びダイヤフラムバネ７は、互いに逆向きの付勢力を発揮する。このため可動バルブ体４１のバルブ面４４と第２支持部４３の軸部４８の先端部４８ａとの接触性は、確保されている。本実施形態によれば、ダイヤフラムバネ７のバネ荷重はバルブバネ８のバネ荷重よりも大きく設定されている。これはガスが導入されていないとき、第１絞り通路４０を開放状態に維持するためである。
【００３１】
上記した本実施形態に係るガス減圧弁１を使用する際には、高圧の燃料ガスを装填したガス供給源６５から、上流ガス減圧弁２００を経て、相対的に高圧の燃料ガスが１次側通路６１に供給される。その高圧のガスは、第１絞り通路４０の絞り開度Ｌにより流量が制限され減圧され、更に、第２絞り通路５２により流量が制限されて減圧される。このため、第１絞り通路４０及び第２絞り通路５２の下流に位置する第１室２１の圧力は、１次側通路６１の圧力よりも減圧される。第１絞り通路４０及び第２絞り通路５２により減圧されて設定圧に低圧化されたガスは、第１室２１を通過し、ポート２ｋを介して２次側通路７１に至り、更に燃料電池１００の燃料極１０１に供給され、発電反応に使用される。
【００３２】
ここで、ダイヤフラムバネ７がこれのバネ荷重（付勢力）により、ダイヤフラム３、第１支持部４２及び第２支持部４３を介して可動バルブ体４１を矢印Ｙ１方向に向かう方向（下向き,第１絞り通路４０の開放方向）に付勢する力をＦsp1とする。まだ第１絞り通路４０により減圧された第１室２１の圧力と第２室２２の圧力との差圧に基づいて、ダイヤフラム３が受ける矢印Ｙ２方向（上向き、第１絞り通路４０の閉鎖方向）に向かう力をＦdとする。更に、バルブバネ８が可動バルブ体４１を矢印Ｙ２方向（上向き,第１絞り通路４０の閉鎖方向）に付勢する力をＦsp2とする。可動バルブ体４１のバルブ面４４が矢印Ｙ１方向に向かう下向きの圧力と、可動バルブ体４１の受圧面４７がバルブ室２３のガス圧（１次側通路６１の１次圧）により上向きに受圧する圧力との差を力ＦΔp（上向き）とする。
【００３３】
基本的には、矢印Ｙ１方向に向かう下向きの力と、矢印Ｙ２方向に向かう上向きの力の合計とが均衡した時点において、可動バルブ体４１の位置が規定される。この均衡により基本的には第１絞り通路４０の絞り開度Ｌは規定される。上記した参考形態に係るガス減圧弁によれば、ある１次圧Ｐ１である流量Ｑを固定条件として考えると、荷重は基本的には（式１）が成立するように均衡する。
下向き加重＝上向き加重
Ｆsp1=Ｆd＋Ｆsp2＋ＦΔp……（式１）
【００３４】
本実施形態によれば、第１絞り通路４０を設けるものの第２絞り通路５２を設けない参考形態に比較して、第１室２１の圧力、つまり、２次側通路７１の２次圧を増加させることができる。これは試験で確認されている。
【００３５】
以下、これについて説明を加える。図４は本実施形態に係るガス減圧弁１に近似した構造及びサイズをもつガス減圧弁をあらわす参考形態を示す。参考形態のガス減圧弁Ｘは、実施形態に係るガス減圧弁１と基本的には同様の構成を有し、同様の作用効果を有する。しかしながら参考形態に係るガス減圧弁１Ｘでは、図４に示すように第１絞り通路４０が設けられているものの、第２絞り通路５２が設けられていない。
【００３６】
上記した参考形態に係るガス減圧弁１Ｘによれば、ある１次圧Ｐ１である流量Ｑを固定条件として考えると、前述したように、荷重は基本的には（式１）が成立するように均衡する。
Ｆsp1=Ｆd＋Ｆsp2＋ＦΔp……（式１）
【００３７】
ここで、１次側通路６１の１次圧をＰ１とし、第１絞り通路４０の下流の圧力をＰ２とし、第１室２１の圧力をＰ３とするとき、圧力分布を模擬的に示すと、図５の特性線Ｎ１に示すようになる。上記した参考形態では、第１絞り通路４０が設けられているものの、第２絞り通路５２が設けられていないため、図５の特性線Ｎ１に示すように基本的にはＰ２≒Ｐ３であると考えられる。
【００３８】
図６は、参考形態に係るガス減圧弁１Ｘを使用したとき、２次側通路７１のガス流量と２次側通路７１の２次圧（調整圧）との調圧特性の関係を模擬的に示す。図６に示す特性線Ｍ１０は、１次側通路６１に供給された供給圧が相対的に高い供給圧Ａのときの調圧特性を示す。図６に示す特性線Ｍ２０は、１次側通路６１に供給された供給圧が相対的に低い供給圧Ｂ（Ａ＞Ｂ）のときの調圧特性を示す。特性線Ｍ１０，特性線Ｍ２０に示すように、ガス流量が増加すれば、２次側通路７１の２次圧（調整圧）が次第に低下する調圧特性となる。特性線Ｍ１０，特性線Ｍ２０の下降傾斜度合αは比較的大きい。
【００３９】
この場合、参考形態に係るガス減圧弁１Ｘに供給される１次圧を供給圧Ａから供給圧Ｂに変えたとき、特性線Ｓ１０に示す調圧特性が得られる。しかしながら特性線Ｓ１０に示す調圧特性は、流量が増加すると調整圧は大きく低下する特性となる。
【００４０】
これに対して図１に示す実施形態のように、第１絞り通路４０の下流に直列的に第２絞り通路５２を設けて中間室５３の圧力を可動バルブ体４１に作用させるガス減圧弁１のときには、第２絞り通路５２の影響で、第２絞り通路５２の上流側の中間室５３の圧力が増加する。このため中間室５３のガス圧が可動バルブ体４１のバルブ面４４を矢印Ｙ１方向（下向き）に作用させる力が増加し、ＦΔpが小さくなる。
【００４１】
ここで、Ｆsp1及びＦsp2が基本的には一定であると考えると、ＦΔpの減少分は、Ｆdが大きくなることで上向きの荷重と下向きの荷重の均衡が図れる。  図７及び図８は、本実施形態に係るガス減圧弁１を使用したとき、２次側通路７１から吐出されるガス流量と２次側通路７１の調整圧（２次圧）との関係を模擬的に示す。図７に示す特性線Ｍ１は、ガス減圧弁１の１次側通路６１に供給された供給圧（１次圧）が相対的に高い供給圧Ａのときにおける調圧特性を示す。図７に示す特性線Ｍ２は、１次側通路６１に供給された供給圧（１次圧）が相対的に低い供給圧Ｂ（Ａ＞Ｂ）のときにおける調圧特性を示す。
【００４２】
本実施形態に係るガス減圧弁１によれば、特性線Ｍ１，特性線Ｍ２に示すように、２次側通路７１から吐出されるガス流量が増加すれば、２次側通路７１の２次圧Ｐ２が次第に低下する。しかし本実施形態によれば、前述したように第２絞り通路５２を設けないときに比較して、第１室２１の圧力、つまり、２次側通路７１の２次圧Ｐ２を増加させることができるため、ガスの流量を横軸とすると共にガスの２次圧を縦軸として調圧特性をグラフ化するとき、ガスの流量が少ないときから多くなるように移行するとき、図７及び図８に示すように、特性線Ｍ１，Ｍ２の下降傾斜度合αは、前記した特性線Ｍ１０，Ｍ２１の下降傾斜度合よりも緩くなり、つまり、吐出される流量が増加したとしても２次圧（調整圧）の低下が抑えられ、下降する傾きが緩やかとなる調圧特性が得られる。あるいは、ガスの流量を横軸とすると共にガスの２次圧を縦軸として調圧特性をグラフ化するとき、水平に近くなる調圧特性（水平調圧特性）が得られる。
【００４３】
また、１次側通路６１に供給される１次圧が相対的に高い供給圧Ａのときには、ＦΔpが増加すると共に第１絞り通路４０の絞り開度Ｌが減少し、上向き（矢印Ｙ２方向）の荷重が増大し、特性線Ｍ１は調整圧の低い側に推移する傾向がある（図８参照）。逆に、１次側通路６１に供給される１次圧が相対的に低い供給圧Ｂのときには、ＦΔpが減少すると共に第１絞り通路４０の絞り開度Ｌが増加し、上向き（矢印Ｙ２方向）の荷重が減少するため、特性線Ｍ２は調整圧の高い側に推移する傾向がある（図８参照）。
【００４４】
従って、本実施形態に係るガス減圧弁１の１次側通路６１に供給される圧力を、高い供給圧Ａと低い供給圧Ｂとの間において適宜調整すれば、結果として、図７に示す特性線Ｓ１に示すように、ガス流量を増加させたとしても調整圧（２次側通路７１の圧力）があまり減少しないように水平に近い状態、あるいは、ほぼ水平状態に維持できる調圧特性を得ることもできる。あるいは、図８に示す特性線Ｓ２に示すように、ガス流量を増加させるにつれて調整圧（２次側通路７１の圧力）を増加させる調圧特性を得ることもできる。
【００４５】
ところで図１及び図３に示すように  上記したガス減圧弁１は,ガス供給源６５とガス使用部である燃料電池１００とをつなぐガス供給通路に上流ガス減圧弁２００と共に直列的に設けられており、燃料ガスをガス供給源６５から燃料電池１００に供給する減圧システムを構成している。上流ガス減圧弁２００はガス減圧弁１の上流に設けられている。上流ガス減圧弁２００はガス入口２００ａ及びガス出口２００ｃをもち、ガス出口２００ｃからガス減圧弁１の１次側通路６１に向けて吐出されるガスの圧力を可変に調整できる特性をもつ。即ち、上流ガス減圧弁２００のガス出口２００ｃはガス減圧弁１の１次側通路６１に繋がり、ガスをガス減圧弁１の１次側通路６１に供給する。
【００４６】
図９は上流ガス減圧弁２００の調圧特性を示す。上流ガス減圧弁２００によれば、図９の特性線に示すように、上流ガス減圧弁２００のガス出口２００ｃから吐出されるガスの流量が増加すれば、ガス出口２００ｃから吐出される調整圧は次第に減少する調圧特性を示す。即ち、０N／minときには、相対的に高い供給圧Ａのガスが上流ガス減圧弁２００のガス出口２００ｃからガス減圧弁１の１次側通路６１に供給される。また、最大流量のときには、相対的に低い供給圧Ｂのガスが上流ガス減圧弁２００のガス出口２００ｃからガス減圧弁１の１次側通路６１に供給される。
【００４７】
従って、図１及び図３に示すように上流ガス減圧弁２００の下流にガス減圧弁１を直列に設置させた減圧システムによれば、上流ガス減圧弁２００のガス出口２００ｃからガス減圧弁１の１次側通路７１に吐出されるガス圧を、相対的に高い供給圧Ａと相対的に低い供給圧Ｂとの間において適宜調整できる。このため、結果として、図７に示す特性線Ｓ１に示すように、ガス流量を増加させたとしても調整圧（２次側通路７１の圧力）の低下が抑えられ水平に近い状態に維持される調圧特性を得ることもできる。あるいは、図８に示す特性線Ｓ２に示すように、ガス流量を増加させるにつれて調整圧（２次側通路７１の圧力）を増加させる調圧特性を得ることもできる。
【００４８】
図１０は、上記したシステムにおいて好ましいと考えられている流量−調整圧の関係を示す。この場合、流量が増加すると、調整圧（２次側通路７１の圧力）を増加させることができる特性である。本実施形態によれば、条件を適応させれば、図１０に示す好ましい調圧特性を達成させることも可能となる。
【００４９】
図１１は実際のガス減圧弁１を用いて実際に試験した試験結果を示す。図１１の横軸は流した空気の流量（ＮＬＭ）を示す。図１１の縦軸は２次圧（Ｇはゲージ圧を示す）を示す。この場合、可動バルブ体４１の外径φＡは７ミリメートル、中間室５３の内径φＢは６．５ミリメートルとし、第２絞り通路５２の内径φＣは４．４ミリメートル、軸部４８の外径φＤは３．２ミリメートルとされている。図１１に係る特性線Ｗ１は、本実施形態に係るガス減圧弁１の結果を示す。特性線Ｗ２は、参考形態に係るガス減圧弁１Ｘ（第１絞り通路４０を有するものの、第２絞り通路５２を有しないもの）の結果を示す。参考形態に係るガス減圧弁１Ｘでは、特性線Ｗ２の下降傾斜の度合が大きかった。これに対して本実施形態に係るガス減圧弁１では、特性線Ｗ１の下降傾斜の度合は小さく、水平に近いものであった。
【００５０】
（適用形態）
図１２は適用形態を示す。この適用形態によれば、燃料電池発電システムは、車載用または定置用であり、図１２に示すように、燃料極１０１及び酸化剤極１０２を有する燃料電池１００と、発電前の燃料ガスを燃料電池１００の燃料極１０１に供給する燃料用のガス供給通路５００と、発電前の酸化剤ガス（一般的には空気）を燃料電池１００の酸化剤極１０２に供給する酸化剤ガス用のガス供給通路１０３と、発電後の燃料オフガスを弁１０４を介して排出させる燃料オフガス用のガス排出通路１０５と、発電後の酸化剤オフガスを通過させる酸化剤オフガス用のガス排出通路１０６とを備えている。
【００５１】
ガス供給通路５００は燃料電池１００の燃料極１０１のガス入口の上流に位置する。酸化剤ガス用のガス供給通路１０３には、酸化剤ガスを燃料電池１００の酸化剤極１０２に供給するガス供給源であるコンプレッサ１０７が設けられている。燃料用のガス供給通路５００において、高圧燃料ガス源であるガス供給源６５側に上流ガス減圧弁２００が設けられ、更に、上流ガス減圧弁２００の下流に位置するように前記したガス減圧弁１が設けられている。
【００５２】
従って燃料電池用ガス減圧系５１０は、上流ガス減圧弁２００と、下流ガス減圧弁に相当するガス減圧弁１とを備えている。
【００５３】
この適用形態によれば、ガス供給源６５から吐出される相対的に高圧の燃料ガスは上流ガス減圧弁２００で減圧され、更にガス減圧弁１を介して所定の設定圧力まで減圧され、燃料電池１００の燃料極１０１に供給され、発電反応に使用される。また酸化剤ガス（一般的には空気）はコンプレッサ１０７の駆動により燃料電池１００の酸化剤極１０２に供給され、発電反応に使用される。
【００５４】
前述したように、本適用形態によれば、２次側通路から吐出されるガスの流量を横軸とすると共に２次側通路から吐出される２次圧を縦軸として調圧特性をグラフ化すると、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧の低下を抑えるように、特性線は２次圧の変化が水平に近い状態に設定されている調圧特性が得られる。あるいは、流量が少ないときから多くなるように移行するとき、２次圧が増加するような調圧特性が得られる。従って燃料電池発電システムによれば、ガス減圧弁１の２次圧を高めるのに有利であり、ひいては燃料電池１００に供給するガスの圧力を高めるのに有利であり、燃料電池１００の低負荷時ばかりか、高負荷時にも対応することができる。よって、車載用または定置用の燃料電池発電システムに適する。
【００５５】
（その他）
上記した実施形態１によれば、ガス減圧弁１は燃料電池１００の燃料極１０１に送られる燃料ガスの制御バルブとして使用されているが、これに限らず、燃料電池１００の酸化剤極（空気極）１０２に送られる酸化剤ガスの制御バルブとして使用しても良い。上記した実施形態によれば、ダイヤフラムバネ７及びバルブバネ８はコイルバネとされているが、これに限らず、板バネなどの他の種類のバネとしても良く、あるいは、ゴムや軟質樹脂等で形成しても良い。上記した実施形態１によれば、絞り開度Ｌは、例えば２ミリメートル以下,１ミリメートル以下,５００マイクロメートル以下とされているが、これに限られるものではなく、上記した値よりも更に大きくすることもできる。上記した実施形態１によれば、受圧部材としてダイヤフラム３が採用されているが、矢印Ｙ１，Ｙ２方向に伸縮可能な蛇腹構造をもつ蛇腹部材を受圧部材として用いても良い。ボディ２は単独でも良いし、あるいは、他の機器と共用されている形態でも良い。上記した実施形態によれば、ガス減圧弁１は燃料電池発電システムに適用されているが、これに限らず、ガスの圧力または流量等を制御する他のシステム、装置、設備等に適用しても良いものである。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明はガスの圧力、流量等を制御するシステム、装置、設備等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施形態に係り、ガス減圧弁を模擬的に示す断面図である。
【図２】実施形態に係り、ガス減圧弁の第１絞り通路及び第２絞り通路付近を模擬的に示す断面図である。
【図３】実施形態に係り、上流ガス減圧弁及びガス減圧弁を有するガス減圧システムを示す構成図である。
【図４】第２絞り通路を有しない参考形態に係り、ガス減圧弁の第１絞り通路を模擬的に示す断面図である。
【図５】参考形態及び実施形態に係り、圧力分布特性を示すグラフである。
【図６】参考形態に係り、２次側通路のガス流量と２次側通路の２次圧との関係を示すグラフである。
【図７】実施形態に係り、２次側通路のガス流量と２次側通路の２次圧との関係を示すグラフである。
【図８】実施形態に係り、２次側通路のガス流量と２次側通路の２次圧との関係を示すグラフである。
【図９】ガス減圧システムの構成要素である上流ガス減圧弁の調圧特性を模擬的に示すグラフである。
【図１０】好ましい調圧特性を示すグラフである。
【図１１】実施形態のガス減圧弁と参考形態に係るガス減圧弁とについて調圧特性を確認する試験を行った試験結果を示すグラフである。
【図１２】適用形態に係り、燃料電池発電システムを模擬的に示す構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
図中、１はガス減圧弁（下流ガス減圧弁）、２０はボティ室、２１は第１室、２２は第２室、２３はバルブ室、３はダイヤフラム（受圧部材）、６１は１次側通路（１次側通路）、７１は２次側通路、４は絞り機構、４０は第１絞り通路、５２は第２絞り通路、５３は中間室、４１は可動バルブ体、６は１次側通路、７はダイヤフラムバネ（ダイヤフラム用弾性部材）、８はバルブバネ（可動バルブ体用弾性部材）、１００は燃料電池、１０１は燃料極、１０２は酸化剤極、２００は上流ガス減圧弁、５１０は燃料電池用ガス減圧系を示す。
【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】
2006011659.tif 000011
【図１０】
2006011659.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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