(57)【要約】【課題】燃料電池において好適に使用す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にある。【解決手段】パイロット室８２に供給される酸化剤であるパイロットエアーの受圧作用下に撓曲する第１ダイヤフラム５０と、流体通路２２を流通する水素含有ガスの受圧作用下に撓曲する第２ダイヤフラム５４と、弁体４４に連結されたロッド部材４２とを備え、第１ばね部材５６のばね力が第２ばね部材８４のばね力よりも大きく設定されて、前記パイロット室８２にパイロットエアーが供給されていないときに弁体４４が弁座６４に着座したノーマルクローズタイプに設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項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イと、
前記ボデイ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、
前記ボデイ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ー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、前記弁体と該第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、
前記弁体に係着するように設けられ、該弁体を弁座に向かって着座する方向に向かって付勢する第１ばね部材と、
前記パイロット室に設けられ、前記弁体を弁座から離間する方向に向かって付勢する第２ばね部材と、
を備え、前記第１ばね部材のばね力は前記第２ばね部材のばね力よりも大きく設定され、前記パイロット室にパイロットエアーが供給されていないときに弁体が弁座に着座した状態に設けられることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記第１ダイヤフラムと第２ダイヤフラムの受圧面積比は、約２：１〜約４：１の範囲内に設定されることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記第１ダイヤフラムと第２ダイヤフラムの受圧面積比は、弁体を弁座に向かって付勢する第１ばね部材のばね力によって補正されることにより、３．１：１〜３．２：１の範囲内に設定されることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記ロッド部材の端部には、弁体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が設けられ、一方、前記第２ダイヤフラムと弁体との間には、ノズルによる吸引作用下に二次側圧力よりも減圧されたアスピレータ室が設けられ、該ロッド部材には、前記背圧室とアスピレータ室とを連通させる連通孔が形成されることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記弁座を有する弁座部材には、二次側ポートに連通する流体通路に沿って徐々に流路断面が拡径するテーパ面が形成されることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記第２ダイヤフラムとの間でアスピレータ室を形成するアスピレータ保持部材が設けられ、前記アスピレータ保持部材に形成された傾斜面と前記弁座部材のテーパ面との間で流路断面が徐々に拡大するように設けられることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記弁体はロッド部材の端部に連結されたガイド部材に設けられ、前記ガイド部材は、該弁体を除いたガイド部材の外周面を囲繞するガイド用筒部を有する弁体ガイド部材によって案内されることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記ガイド部材の外周面とガイド用筒部との摺動部位には、フッ素樹脂コーティングが施されることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記ガイド部材とガイド用筒部との間には、円筒状のガイド部材の軸線方向に沿って所定間隔離間する一組のシール部材が設けられることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記一組のシール部材は、弁体に近接する側に配設されたＯリングと、弁体から離間する側に配設されたＹパッキンとからなることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項１１】
請求項９記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記一組のシール部材の間には、ロッド部材の軸線方向に沿って延在する連通孔に連通する環状空間部が設けられることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項１２】
請求項７記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記弁体ガイド部材は、ボデイと別体で形成されることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記弁体ガイド部材の中央部には、ガイド用筒部に連続する孔部が形成され、前記孔部は着脱自在な閉塞部材によって閉塞されることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項１４】
請求項１記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記パイロット室には、第１ダイヤフラムに対して摺動抵抗を付与するリーフばねが設けられ、前記リーフばねの脚部に形成された湾曲部は、ボデイの内部に装着されたステンレス鋼からなる円筒状のブッシュに接触するように設けられることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項１５】
請求項１４記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記リーフばねの外表面には、少なくともダイヤモンドライクカーボンコーティングを含む被膜処理が施されることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項１６】
請求項１記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記ダイヤフラム室内に設けられた第２ばね部材のばね力を２段階に調整する第１調整部材と第２調整部材とが設けられることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【請求項１７】
請求項１記載の燃料電池用レギュレータにおいて、
前記ロッド部材には、第１ダイヤフラムを表裏両面から保持する上部側リテーナおよび下部側リテーナが連結され、前記ボデイの内壁面には、前記下部側リテーナの外周屈曲縁部が進入可能な環状凹部が形成されることを特徴とする燃料電池用レギュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に適用され、酸化剤（エアー）の圧力を信号圧として該酸化剤（エアー）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（水素）を供給することが可能な燃料電池用レギュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型燃料電池は、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構成されたスタック（以下において燃料電池という）を備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤としてエアーが供給されて、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て、カソードで電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
このような燃料電池装置は、例えば、燃料電池のカソード側に反応ガスとしてエアーを供給するためのエアーコンプレッサ等を備え、さらに、このエアーの圧力を信号圧として、エアー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水素を供給する圧力制御弁を備え、燃料電池のカソード側に対するアノード側の反応ガスの圧力を所定圧に調圧して所定の発電効率を確保するとともに、燃料電池に供給される反応ガスの流量を制御することで所定の出力が得られるように設定されている。
【０００４】
ところで、本出願人は、特許文献１および特許文献２に示されるように、燃料ガス供給装置等において使用することが可能なガス用減圧弁を提案している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１８２７５１号公報（図３〜図７参照）
【特許文献２】
特開平１１−２７０７１７号公報（図２〜図５参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記提案に関連してなされたものであり、燃料電池において好適に使用す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目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、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イと、
前記ボデイ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、
前記ボデイ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ー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、前記弁体と該第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、
前記弁体に係着するように設けられ、該弁体を弁座に向かって着座する方向に向かって付勢する第１ばね部材と、
前記パイロット室に設けられ、前記弁体を弁座から離間する方向に向かって付勢する第２ばね部材と、
を備え、前記第１ばね部材のばね力は前記第２ばね部材のばね力よりも大きく設定され、前記パイロット室にパイロットエアーが供給されていないときに弁体が弁座に着座した状態に設けられることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、弁体を弁座に向かって着座する方向に向かって付勢する第１ばね部材のばね力が、前記弁体を弁座から離間する方向に向かって付勢する第２ばね部材のばね力よりも大きく設定され、前記パイロット室にパイロットエアーが供給されていないときに弁体が弁座に着座するノーマルクローズタイプに設けられている。
【０００９】
従って、本発明では、ノーマルオープンタイプのレギュレータと比較して、不必要な時に燃料ガスを二次側ポートから導出させる必要がなく、燃料ガスの浪費を防止して省力化を図ることができる。なお、燃料ガスとしては、例えば、主に水素を含有するガスが用いられると好適である。
【００１０】
また、本発明によれば、ボデイ内にパイロットエアーによって受圧される第１ダイヤフラムと燃料ガスによって受圧される第２ダイヤフラムからなる２枚のダイヤフラムを所定間隔離間して設けることにより、例えば、第１ダイヤフラムまたは第２ダイヤフラムのいずれか一方の耐久性が劣化した場合であっても、エアーと燃料ガスとが混合することがない。
【００１１】
請求項２、３記載の本発明によれば、前記第１ダイヤフラムと第２ダイヤフラムの受圧面積比を、約２：１〜約４：１の範囲内に設定するとよい。パイロット圧であるエアーに対して二次側ポートから導出される燃料ガスの圧力を２倍〜４倍に調圧することが可能となり、種々のエゼクタへの適用範囲を拡大することができる。また、本実施の形態で用いられるエゼクタにおいては、前記第１ダイヤフラムと第２ダイヤフラムの受圧面積比が約３：１に設定され、より好適には、弁体を弁座に向かって付勢する第１ばね部材のばね力によって補正されることにより、３．１：１〜３．２：１の範囲内に設定されるとよい。パイロット圧であるエアーに対して二次側ポートから導出される燃料ガスの圧力を３倍に調圧することができるからである。
【００１２】
請求項４記載の本発明によれば、背圧室とアスピレータ室とを連通させる連通孔をロッド部材に形成することにより、圧力が一定で燃料ガス流量を増大させた時の圧力変化量を減少させて良好な圧力−流量特性が得られる。
【００１３】
請求項５、６記載の本発明によれば、前記弁座を有する弁座部材に、二次側ポートに連通する流体通路に沿って徐々に流路断面が拡径するテーパ面を形成し、あるいは、アスピレータ保持部材に形成された傾斜面と前記弁座部材のテーパ面との間で流路断面が徐々に拡大するように設けることにより、急激な断面積の変化がなく、自励振動を抑制することができる。
【００１４】
請求項７記載の本発明によれば、ガイド用筒部を有する弁体ガイド部材によって弁体を含むガイド部材が案内されることにより、弁体の弁座に対するシート倒れを防止することができる。
【００１５】
請求項８記載の本発明によれば、前記ガイド部材の外周面とガイド用筒部との摺動部位にフッ素樹脂コーティングを施すことにより、前記摺動部位における良好な摺動性が得られる。
【００１６】
請求項９、１０記載の本発明によれば、前記ガイド部材とガイド用筒部との間に円筒状のガイド部材の軸線方向に沿って所定間隔離間する一組のシール部材を設けることにより、所望の摺動抵抗が得られる。
【００１７】
請求項１１記載の本発明によれば、前記一組のシール部材の間に、ロッド部材の軸線方向に沿って延在する連通孔に連通する環状空間部を設けることにより、密封作用による吸着を防止することができる。
【００１８】
請求項１２、１３記載の本発明によれば、前記弁体ガイド部材をボデイと別体で形成し、該弁体ガイド部材のガイド用筒部に連続する孔部を閉塞部材によって閉塞することにより、ガイド用筒部の内壁面に対してスプレー挿入方式によるコーティング処理を施すことができてよい。
【００１９】
請求項１４記載の本発明によれば、リーフばねの脚部に形成された湾曲部が、ボデイの内部に装着されたステンレス鋼からなる円筒状のブッシュに接触するように設けられることにより、例えば、アルミニウム等の金属製材料によって形成されたボデイを保護することができる。
【００２０】
請求項１５記載の本発明によれば、前記リーフばねの外表面に、少なくともダイヤモンドライクカーボンコーティングを含む被膜処理が施されることにより、接触抵抗を適性に保持し、良好な摺動抵抗が得られる。
【００２１】
請求項１６記載の本発明によれば、第２ばね部材のばね力を２段階に調整する第１調整部材と第２調整部材とを設けることにより、第２ばね部材のばね力の調整レンジを大きく設定することができる。
【００２２】
請求項１７記載の本発明によれば、ボデイの内壁面に第１ダイヤフラムを保持する下部側リテーナの外周屈曲縁部が進入可能な環状凹部を形成することにより、ボデイの軸方向に沿った小型化を達成することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池用レギュレータについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２４】
図１において参照数字２００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を示す。なお、前記燃料電池システム２００は、例えば、自動車等の車両に搭載される。
【００２５】
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。前記燃料電池スタック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、酸素を含むエアーが供給されるカソードとが設けられる。
【００２６】
前記カソードには、酸化剤供給部２０４からエアーが供給されるエアー供給口２０６と、前記カソード内のエアーを外部に排出するためのエアー排出部２０８が接続されたエアー排出口２１０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、前記水素排出部２１６が接続された水素排出口２１８とが設けられる。
【００２７】
前記燃料電池スタック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。
【００２８】
前記エアー供給口２０６には、エアー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、前記エアー排出口２１０には、エアー排出用通路を介してエアー排出部２０８が接続される。
【００２９】
前記水素供給口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、前記水素排出口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。
【００３０】
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ー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ーが加熱される。このように加熱された供給エアーが、燃料電池スタック２０２の暖機に貢献する。
【００３１】
また、前記酸化剤供給部２０４から供給されるエアーは、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、後述する放熱部２２０によって冷却された後、パイパス通路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。
【００３２】
放熱部２２０は、例えば、図示しないインター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前記酸化剤供給部２０４から供給される供給エアーを冷却する。このため、供給エアーは、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。
【００３３】
前記カソード加湿部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、前記放熱部２２０によって所定の温度に冷却されたエアーを所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６へと供給している。前記加湿されたエアーは燃料電池スタック２０２に供給され、該燃料電池スタック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。
【００３４】
なお、燃料電池スタック２０２のエアー排出口２１０には、エアー排出部２０８が接続され、前記エアー排出部２０８に設けられた図示しない排出弁を通じてエアーが大気中に排気される。
【００３５】
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。
【００３６】
圧力制御部２２４には、後述する燃料電池用レギュレータ１０が設けられ、パイパス通路２３２を介して供給されるエアーの圧力をパイロット圧（パイロット信号圧）として、前記圧力制御部２２４の出口側圧力である二次側圧力を前記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１：２〜約１：４の範囲内に設定される。ここで、パイロット信号圧の比率１に対して二次側圧の比率が約２〜約４の範囲に設定されるが、これは後述するエゼクタ２２６を種々実験する中で、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範囲である。特に、本実施の形態で用いられるエゼクタ２２６においては、好ましくは、パイロット信号圧：二次側圧＝１：約３に設定される。
【００３７】
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。前記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。前記エゼクタ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、前記エゼクタ２２６を介して循環するように設けられている。
【００３８】
従って、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。
【００３９】
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。前記加湿された水素は燃料電池スタック２０２に供給され、該燃料電池スタック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。
【００４０】
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。前記排出制御弁は、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。
【００４１】
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の形態に係る燃料電池用レギュレータ１０を図２および図３に示す。
【００４２】
この燃料電池用レギュレータ１０は、燃料供給部２１２から供給された水素が導入される一次側ポート１２と、該一次側ポート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側に導出する二次側ポート１４とが設けられたボデイ１６とを含む。前記ボデイ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、第２ブロック体１８ｂおよび第３ブロック体１８ｃによって構成される。前記ボデイ１６の内部には空間部２０が形成され、前記空間部２０には、前記一次側ポート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が設けられる。
【００４３】
前記第１ブロック体１８ａの底面部に形成された孔部には、Ｏリング２６によって弁体ガイド部材２８がボルト３０を介して連結され、前記弁体ガイド部材２８には、前記空間部２０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ガイド用筒部３２が一体的に形成される。前記弁体ガイド部材２８の中央部の孔部には、後述する背圧室３４を閉塞する閉塞部材３６がＯリング３８を介して螺入される。なお、前記閉塞部材３６の端部には、図示しない工具等を介して外部から該閉塞部材３６をねじ込むための断面矩形状の凹部４０が形成される。
【００４４】
前記弁体ガイド部材２８を第１ブロック体１８ａと別個独立に形成し、ボルト３０を介して簡便に組み付けることにより組み付け性を向上させることができる。また、前記弁体ガイド部材２８と第１ブロック体１８ａとを別部材で構成することにより、ボデイ１６側（第１ブロック体１８ａ）の材質および表面処理に影響を与えることがなく弁体ガイド部材２８に対してフッ素樹脂コーティングを施すことができる。例えば、弁体ガイド部材２８と第１ブロック体１８ａとが一体形成されたものに対してフッ素樹脂コーティングを施した後に焼成した場合、ボデイ１６側の第１ブロック体１８ａの表面に被覆されたアルマイト被膜が破壊されてしまうからである。
【００４５】
また、弁体ガイド部材２８の略中央部に孔部を形成し、前記孔部を閉塞部材３６によって閉塞するという構成を採用することにより、前記弁体ガイド部材２８のガイド用筒部３２の内壁面に対してスプレー挿入方式によるフッ素樹脂コーティング処理を容易に施すことが可能となり、コーティング膜の均一化および安定化を図ることができる。前記スプレー挿入方式によるフッ素樹脂コーティング処理を施した後、前記弁体ガイド部材２８の孔部に対して閉塞部材３６を簡便に取り付けることができる。
【００４６】
前記弁機構部２４は、ボデイ１６の軸線方向に沿って延在するロッド部材４２と、前記ロッド部材４２に外嵌され、半径外方向に向かって突出する弁体４４が一体的に形成されたガイド部材４６と含む。
【００４７】
さらに、弁機構部２４は、第１保持機構４８を介して前記ロッド部材４２の他端部に連結された大径な第１ダイヤフラム５０と、前記第１ダイヤフラム５０と弁体４４との間に設けられ、第２保持機構５２を介してロッド部材４２に連結された小径な第２ダイヤフラム５４とを有する。
【００４８】
この場合、前記第１ダイヤフラム５０と第２ダイヤフラム５４の受圧面積比は、前述した理由により、約２：１〜約４：１の範囲内に設定される。好ましくは、前記第１ダイヤフラム５０と第２ダイヤフラム５４の受圧面積比を約３：１に設定することにより、パイロット圧であるエアー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３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の循環圧力、吸引特性等を良好に保持し、該エゼクタ２２６の性能を最大限に引き出すことが可能となる。
【００４９】
前記ロッド部材４２の中間部には、断面Ｌ字状に屈曲し周方向に沿って約９０度離間する４個の爪部によって形成されたストッパ部５８が一体的に形成され、前記ストッパ部５８は第２保持機構５２を構成するものである。
【００５０】
ガイド部材４６は内部の中空部６０に連通する第１連通孔６２が形成された長尺な円筒体からなり、前記円筒体の端部には半径外方向に向かって所定長だけ膨出する弁体４４が一体的に形成される。前記ガイド部材４６において、弁体４４の下部側に設けられたガイド機能を営む部位を長尺に形成することにより、弁体４４が弁座６４に着座する際のシート倒れを防止することができる。
【００５１】
また、ガイド部材４６に中空部６０および第１連通孔６２を形成して肉抜きすることにより該ガイド部材４６が軽量化され、自励振動を減少させるとともに、摺動抵抗を減少させることができる。この場合、ガイド部材４６のガイド機能を営む部位およびガイド用筒部３２に対してそれぞれフッ素樹脂コーティングを施すことにより、前記ガイド部材４６とガイド用筒部３２との摺動部分における良好な摺動性が得られ、耐久性を向上させることができる。なお、後述する弁座部材６６の弁座６４に着座する前記弁体４４の着座部位には、環状のシート用ゴム６８が貼着される。
【００５２】
また、前記ガイド部材４６の外周面には、弁体４４に近接する側のＯリング７０と、前記Ｏリング７０から所定間隔離間し弁体４４から離間する側のＹパッキン７２とが、環状溝を介してそれぞれ装着される。ガイド用筒部３２に接触してシール機能を営むＯリング７０およびＹパッキン７２を所定間隔離間して配設することにより、所望の摺動抵抗が営まれて自励振動を抑制することができる。
【００５３】
この場合、前記Ｏリング７０およびＹパッキン７２との摺動作用下に前記ガイド部材４６がガイド用筒部３２に沿って変位することにより、ロッド部材４２と一体的に変位するガイド部材４６を直線状に案内し、シート倒れを防止して前記ガイド部材４６の弁体４４が弁座６４に対して好適に着座するように設けられる。
【００５４】
なお、弁体４４から離間する側にＹパッキン７２を装着することにより、例えば、前記Ｙパッキン７２に代替してＯリングを装着した場合と比較して僅かに摺動抵抗を減少させることができ、弁体４４に近接する側のＯリング７０と弁体４４から離間する側のＹパッキン７２との共働作用によって所望の摺動抵抗が得られる。また、前記Ｙパッキン７２に代替して摺動部材、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。さらに、後述するように、ガイド用筒部３２に図示しない孔部を設けるようにして、Ｏリング７０側のベアリング等の摺動部材に代替するようにすることも可能である。その際、Ｙパッキン７２に代替してＯリングとすることも勿論可能である。
【００５５】
さらに、前記Ｏリング７０とＹパッキン７２との間のガイド部材４６の外周面には、環状凹部が形成され、前記環状凹部と弁体ガイド部材２８のガイド用筒部３２との間で環状空間部７４が形成される。前記環状空間部７４は、軸線方向に沿って延在する第１連通孔６２と略直交する孔部７６によって連通するように設けられる。
【００５６】
このように所定間隔離間するＯリング７０とＹパッキン７２との間に第１連通孔６２に連通する環状空間部７４を形成することにより、Ｏリング７０とＹパッキン７２との間が負圧となってＯリング７０およびＹパッキン７２がガイド用筒部３２の内壁面にはりつくこと（密封作用による吸着）を防止することができる。従って、弁体ガイド部材２８のガイド用筒部３２に対するガイド部材４６の良好な摺動性が得られる。なお、第１連通孔６２に連通させる孔部７６を形成しているがこれに限定されるものではなく、弁体ガイド部材２８のガイド用筒部３２に図示しない孔部を形成してＯリング７０とＹパッキン７２との間の密封化を阻止してもよい。
【００５７】
Ｏリング７０およびＹパッキン７２によって外周面がシールされたガイド部材４６の端部側には、ガイド用筒部３２と閉塞部材３６とによって囲繞された背圧室３４が形成される。前記背圧室３４を設けることにより弁体４４に付与される圧力が軽減され、圧力−流量特性を向上させることができる。換言すると、調圧された二次側圧力によって弁体４４を弁座６４から離間する方向に付勢する力と、背圧室３４内に進入した圧力流体によって弁体４４を弁座６４に向かって着座させる方向に付勢する力とが相殺（キャンセル）されることにより、弁体４４に付与される圧力を軽減することができるからである。
【００５８】
なお、前記背圧室３４は、ロッド部材４２に軸線方向に沿って所定長だけ延在する第１連通孔６２および前記第１連通孔６２に略直交して交差する第２連通孔７８を介して後述するアスピレータ室８０に連通するように設けられる。
【００５９】
前記ガイド部材４６の外周側には、一端部が弁体４４に係着され、他端部が弁体ガイド部材２８の環状凹部内に係着されたコイル状の第１ばね部材５６が設けられる。前記第１ばね部材５６のばね力によって弁体４４は、常時、弁座６４に向かって着座するように付勢されている。前記第１ばね部材５６のばね力は、後述するパイロット室８２に配設されたコイル状の第２ばね部材８４のばね力と比較して大きく設定されている。
【００６０】
従って、弁体４４を弁座６４から離間させる方向に付勢する第２ばね部材８４のばね力に対して第１ばね部材５６のばね力が打ち勝っているため、パイロット圧が付与されない平常時において弁体４４が弁座６４に着座した状態にあるノーマルクローズタイプに設定されている。このようにノーマルクローズタイプに設定することにより、不必要な時に水素が二次側ポート１４から導出することがなく、水素の浪費を防止して省力化することができる。
【００６１】
また、リターンスプリングとして機能する第１ばね部材５６を設けるとエアーと水素との圧力比１：３の関係に影響を及ぼすことが考慮されるが、その際、大径な第１ダイヤフラム５０と小径な第２ダイヤフラム５４の受圧面積比を３．１：１〜３．２：１の範囲内、最も好ましくは３．１６：１に設定するとよい。すなわち、第１ダイヤフラム５０と第２ダイヤフラム５４の受圧面積比を実験データによって求められた３．１６：１に設定することにより、前記第１ばね部材５６の抵抗力によって水素の圧力比が低下することが補正され、エアーと水素との好適な圧力比を保持することができる。
【００６２】
第１ブロック体１８ａの内壁面には、前記ガイド部材４６に形成された弁体４４が着座する弁座６４が形成された弁座部材６６が設けられ、前記弁座部材６６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８６が装着される。前記弁座部材６６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る。また、前記弁座部材６６には、弁体４４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４２を囲繞するテーパ面８８が形成される。
【００６３】
前記ロッド部材４２の外周面と前記弁座部材６６のテーパ面８８との間の空間は、流体通路２２として機能するものであり、弁座６４から離間する上方に向かって徐々に拡径する前記テーパ面８８によって流体通路２２の断面積が徐々に拡大して形成されることにより、急激な断面積の変化がなく自励振動を抑制することができる。
【００６４】
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４２が挿通する貫通孔を有するアスピレータ用保持部材９０がねじ止めされる。前記アスピレータ用保持部材９０と第２ダイヤフラム５４との間には、アスピレータ室８０が設けられ、前記アスピレータ用保持部材９０には、前記アスピレータ室８０に連通するとともに、二次側ポート１４側に向かって吸引孔９２が臨むノズル９４が連結される。
【００６５】
前記アスピレータ用保持部材９０の傾斜面９６と弁座部材６６のテーパ面８８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。従って、流体通路２２の急激な断面積の変化を発生させることがなく自励振動の抑制機能を発揮させることができる。
【００６６】
なお、ロッド部材４２の外周面には、環状溝を介してＯリング９８が装着され、前記Ｏリング９８がアスピレータ用保持部材９０の貫通孔と接触してシール機能が営まれることにより前記アスピレータ室８０の気密性が保持される。前記アスピレータ室８０は、ロッド部材４２の軸線方向に沿って延在する第１連通孔６２に連通し、且つロッド部材４２の軸線と直交する第２連通孔７８を介してガイド部材４６側の背圧室３４と連通するように設けられている。
【００６７】
第１保持機構４８は、第１ダイヤフラム５０の上面に接触する第１上部側リテーナ１００と第１ダイヤフラム５０の下面に接触する第１下部側リテーナ１０２とから構成され、前記第１上部側および第１下部側リテーナ１００、１０２は、それぞれ、中心孔を介してロッド部材４２に軸着される。前記第１上部側および第１下部側リテーナ１００、１０２によって保持されない第１ダイヤフラム５０の外周縁部は、第２ブロック体１８ｂと第３ブロック体１８ｃとの間で挟持される。
【００６８】
第２保持機構５２は、第２ダイヤフラム５４の上面に接触する第２上部側リテーナ１０４と第２ダイヤフラム５４の下面に接触する第２下部側リテーナ１０６とから構成され、前記第２上部側リテーナ１０４のみがロッド部材４２に軸着され、第２下部側リテーナ１０６はロッド部材４２と一体的に形成される。前記第２上部側および第２下部側リテーナ１０４、１０６によって保持されない第２ダイヤフラム５４の外周縁部は、第１ブロック体１８ａと第２ブロック体１８ｂとの間で挟持される。
【００６９】
この場合、ロッド部材４２に一体的に形成された第２下部側リテーナ１０６に対して第２上部側リテーナ１０４、第１下部側リテーナ１０２および第１上部側リテーナ１００を順次積層した後、ウエーブワッシャ１１０およびナット１１２によってロッド部材４２にねじ締結される。
【００７０】
前記第２下部側リテーナ１０６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５８が形成され、前記ストッパ部５８は、周方向に沿って約９０度離間する４個の爪部によって構成される。パイロット室８２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５０、第２ダイヤフラム５４およびロッド部材４２が下方側に向かって一体的に変位した際、前記ストッパ部５８がアスピレータ用保持部材９０の上面に当接することにより、前記ロッド部材４２の変位量が規制されてストッパ機能が発揮される。
【００７１】
第１ダイヤフラム５０および第２ダイヤフラム５４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１１４が設けられ、前記大気室１１４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。なお、前記第２ブロック体１８ｂの内壁面に前記第１下部側リテーナ１０２の外周屈曲縁部１１６が進入可能な環状凹部１１８を形成することにより、前記外周屈曲縁部１１６が環状凹部１１８内に進入した部分の寸法を短縮して軸方向の小型化を図ることができる。
【００７２】
前記第１ダイヤフラム５０の上部には、第３ブロック体１８ｃの内壁面によって囲繞され、図示しないパイロットポートを介してパイロット圧が供給されるパイロット室８２が設けられる。前記パイロット室８２は、Ｏリング１２０を介して第３ブロック体１８ｃのねじ孔に螺入される大径な第１調整ねじ部材（第１調整部材）１２２と、Ｏリング１２４を介して前記第１調整ねじ部材１２２の中心に形成されたねじ孔に螺入される小径な第２調整ねじ部材（第２調整部材）１２６とによって閉塞される。
【００７３】
なお、前記第１調整ねじ部材１２２には、断面六角形状の調整用凸部１２８が形成され、前記第２調整ねじ部材１２６には、断面六角形状の調整用凹部１３０が形成される。
【００７４】
また、前記パイロット室８２には第２ばね部材８４が配設され、前記第２ばね部材８４の一端部は、ばね受けリテーナ１３２に係着され、他端部は、後述するリーフばね１３４に係着される。この場合、第１調整ねじ部材１２２によって前記第２ばね部材８４のばね力を大きく調整することができるとともに、第２調整ねじ部材１２６によって前記第２ばね部材８４のばね力を微調整することができる。
【００７５】
このように第１および第２調整ねじ部材１２２、１２６によって第２ばね部材８４のばね力を２段階にわたって調整することにより、第２ばね部材８４のばね力の調整レンジが大きくなるとともに、ばね荷重の変化量が小さい良好なばね荷重性能を得ることができる。
【００７６】
さらに、前記パイロット室８２を形成する第３ブロック体１８ｃの内壁面には、ステンレス鋼からなる円筒状のブッシュ１３６が装着され、前記ブッシュ１３６の内周面に摩擦接触することにより第１ダイヤフラム５０に対して摺動抵抗を付与するリーフばね１３４が設けられる。
【００７７】
前記リーフばね１３４は、第１上部側リテーナ１００の環状凸部に装着される環状部１３４ａと、前記環状部１３４ａと直交する上方向に立ち上がり且つ周方向に沿って所定間隔離間する複数の脚部１３４ｂと、前記脚部１３４ｂの先端部に形成された湾曲部１３４ｃとから構成される。前記リーフばね１３４に対して、例えば、ダイヤモンドライクカーボンコーティング等の被膜処理を施すことにより、ブッシュ１３６と湾曲部１３４ｃとの接触抵抗を適性に保持し、良好な摺動抵抗が得られる。
【００７８】
この場合、第３ブロック体１８ｃの内壁面にステンレス鋼からなるブッシュ１３６を設け、前記ブッシュ１３６の内周面とリーフばね１３４の湾曲部１３４ｃとを接触させることにより、第３ブロック体１８ｃの内壁面を保護して耐久性を向上させることができる。
【００７９】
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の動作並びに作用効果について説明する。
【００８０】
先ず、本実施の形態では、弁体４４の下部側に配設された第１ばね部材５６のばね力が弁体４４の上部側のパイロット室８２に配設された第２ばね部材８４のばね力よりも大きく設定されているため、パイロット室８２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４４が弁座６４に着座した弁閉状態にある。
【００８１】
従って、本実施の形態では、平常時において弁体４４が弁座６４から所定間隔だけ離間した弁開状態にあるノーマルオープンタイプのレギュレータと比較して、不必要な時に水素を二次側ポート１４から導出させる必要がない。この結果、本実施の形態では、燃料である水素の浪費を防止して省力化を図ることができる。
【００８２】
次に、アクセルペダル等の操作によって酸化剤供給部２０４が付勢された際、パイパス通路２３２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ーがパイロット室８２内に導入される。前記パイロット室８２内に導入されたパイロットエアーは、第１ダイヤフラム５０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４２を介して連結されている第１ダイヤフラム５０、第２ダイヤフラム５４および弁体４４が一体的に下方側に向かって変位し、弁体４４が弁座６４から離間する。その際、ロッド部材４２と一体的に形成されたストッパ部５８がアスピレータ用保持部材９０の平坦な上面に当接することにより該ロッド部材４２の変位が規制される。
【００８３】
従って、一次側ポート１２から供給された水素は、弁体４４と弁座６４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、調圧された前記水素は流体通路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。
【００８４】
その際、パイロット圧が作用する第１ダイヤフラム５０の受圧面積と、アスピレータ室８０内に導入された水素が作用する第２ダイヤフラム５４の受圧面積との比が約２：１〜約４：１、好ましくは約３：１、最も好適には３．１６：１に設定されているため、パイロット圧であるエアーに対して二次側ポート１４から導出される水素の圧力を３倍に設定することができる。従って、二次側ポート１４に接続されるエゼクタ２２６の循環圧力、吸引特性等が良好に保持され、該エゼクタ２２６の性能を最大限に活用することができる。
【００８５】
また、本実施の形態では、パイロット圧として供給されるエアーの圧力によって撓曲する第１ダイヤフラム５０と、流体通路２２に沿って流通する水素の圧力によって撓曲する第２ダイヤフラム５４とからなる２枚のダイヤフラムを備え、前記第１ダイヤフラム５０と第２ダイヤフラム５４との間に大気室１１４を設けている。従って、例えば、第１ダイヤフラム５０または第２ダイヤフラム５４のいずれか一方の耐久性が劣化した場合であってもエアーと水素とが混合することがなく、仮にエアーまたは水素が大気室１１４に進入しても図示しない通路を介して好適に大気室１１４から外部に排出することができる。
【００８６】
さらに本実施の形態では、二次側ポート１４側から導出される水素流量が増大した際、前記二次側ポート１４側に臨むノズル９４の吸引孔９２を通じて発生する吸引作用下にアスピレータ室８０が二次側ポート１４から導出される圧力（二次側圧力）よりも減圧される。この場合、本実施の形態では、ロッド部材４２に形成された中空部６０および第１連通孔６２および第２連通孔７８を介して背圧室３４とアスピレータ室８０とが連通するように設けられているため、前記背圧室３４はアスピレータ室８０と同圧となり、二次側ポート１４から導出される二次側圧力よりも低圧となる。従って、本実施の形態では、前記背圧室３４と二次側ポート１４側の流体通路２２と連通させた場合と比較して、該背圧室３４の圧力を低圧に設定することができる。
【００８７】
ここで、所定圧力Ｐ１を一定に保持した状態において圧力流体の流量Ｑを増大させた場合の圧力−流量特性を図４に示す。図４中において、特性直線Ａは、背圧室３４のみを設けた場合の圧力−流量特性、特性直線Ｂは、背圧室３４を二次側ポート１４側の流体通路２２に連通させた場合の圧力−流量特性、特性直線Ｃは、背圧室３４をアスピレータ室８０と連通させた場合の圧力−流量特性を示す。
【００８８】
図４から諒解されるように、所定圧力Ｐ１において圧力流体の流量Ｑを流量Ｑ１に増大させた場合の圧力変化量ΔＰは、背圧室３４のみを設けた特性直線Ａが一番大きくなり、次に背圧室３４を二次側ポート１４側の流体通路２２に連通させた特性直線Ｂが前記特性直線Ａと比較して小さくなり、最後に背圧室３４をアスピレータ室８０に連通させた特性直線Ｃが前記特性直線Ａ、Ｂと比較して一番小さくなる。
【００８９】
従って、本実施の形態のように、ロッド部材４２に形成された中空部６０および第１連通孔６２および第２連通孔７８を介して背圧室３４とアスピレータ室８０とが連通するように設けられることにより、圧力流体の流量が増大した場合であっても圧力変化量ΔＰが増大することを抑制して圧力損失を極力減少させることができる。この結果、本実施の形態では、良好な圧力−流量特性を得ることができる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００９１】
すなわち、パイロット室にパイロットエアーが供給されていないときに弁体が弁座に着座するノーマルクローズタイプに設定されることにより、ノーマルオープンタイプのレギュレータと比較して、不必要な時に燃料ガスを二次側ポートから導出させる必要がなく、燃料ガスの浪費を防止して省力化を図ることができる。
【００９２】
また、本発明では、パイロットエアー側の第１ダイヤフラムと燃料ガス側の第２ダイヤフラムからなる２枚のダイヤフラムを所定間隔離間して設けることにより、例えば、第１ダイヤフラムまたは第２ダイヤフラムのいずれか一方の耐久性が劣化した場合であっても、エアーと燃料ガスとが混合することを防止することができる。
【００９３】
従って、本発明では、燃料電池において好適に使用することが可能な燃料電池用レギュレータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】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３】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４】圧力を一定として流量を増大させた場合における圧力変化量の大小関係を示す圧力−流量特性図である。
【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…ボデイ
１８ａ〜１８ｃ…ブロック体        ２２…流体通路
２６、３８、７０、８６、９８、１２０、１２４…Ｏリング
２８…弁体ガイド                  ３２…ガイド用筒部
３４…背圧室                      ３６…閉塞部材
４２…ロッド部材                  ４４…弁体
４６…ガイド部材                  ５０、５４…ダイヤフラム
５６、８４…ばね部材              ５８…ストッパ部
６０…中空部                      ６２、７８…連通孔
６４…弁座                        ６６…弁座部材
７２…Ｙパッキン                  ７４…環状空間部
８０…アスピレータ室              ８２…パイロット室
８８…テーパ面                    ９０…アスピレータ用保持部材
９４…ノズル                      １２２、１２６…調整ねじ部材
１３４…リーフばね                １３６…ブッシュ
２００…燃料電池システム          ２０２…燃料電池スタック
２０４…酸化剤供給部              ２１２…燃料供給部
２２４…圧力制御部                ２３２…パイパス通路
【図１】
2004185872.tif 000003
【図２】
2004185872.tif 000004
【図３】
2004185872.tif 000005
【図４】
2004185872.tif 000006