(57)【要約】【課題】小型化に有利なガス制御バルブ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。【解決手段】ガス制御バルブ１は、１次側通路６１と、２次側通路７１と、受圧部材３と、絞り開度Ｌをもち１次側通路６１のガス流量を絞り開度により絞って２次側通路７１に供給する絞り開度可変機構４と、受圧部材３を付勢する付勢力を発揮する弾性部材７とを有する。受圧部材３は、ボディ２の収容室２０に配設されており、収容室２０を、２次側通路７１に連通する第１室２１と、２次側通路７１に連通しない第２室２２とに区画する。受圧部材３は、第１室２１のガスの圧力を受圧するに伴い変形する。受圧部材３は、受圧に伴い受圧部材３が変形する方向（矢印Ｙ１，Ｙ２方向）において伸縮可能な構造とされている。【選択図】図１
2005195145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収容室をもつボディと、
前記収容室に連通するように前記ボディに設けられガスが供給される１次側通路と、
前記収容室に連通するように前記ボディに設けられ前記ガスが吐出される２次側通路と、
前記ボディの前記収容室に配設され前記収容室を前記２次側通路に連通する第１室と前記２次側通路に連通しない第２室とに区画すると共に前記第１室のガスの圧力を受圧するに伴い変形する受圧部材と、
前記１次側通路と前記２次側通路との間に設けられた絞り開度をもち前記１次側通路のガス流量を前記絞り開度により絞って前記第１室を経て前記２次側通路に供給すると共に前記受圧部材の受圧に伴い前記絞り開度を調整する絞り開度可変機構と、
前記絞り開度可変機構の前記絞り開度を増加または減少させる方向に前記受圧部材を付勢する付勢力を発揮する弾性部材とを具備しており、
前記受圧部材は、受圧に伴い前記受圧部材が変形する方向において伸縮可能な構造とされていることを特徴とするガス制御バルブ。
【請求項２】
請求項１において、前記受圧部材は、少なくとも一部に蛇腹構造を有することを特徴とするガス制御バルブ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記弾性部材の付勢力を調整するアクチュエータが設けられていることを特徴とするガス制御バルブ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記絞り開度可変機構は、絞り孔と、前記絞り孔を開閉する方向に動作する可動バルブ体と、前記絞り孔を閉鎖する方向に前記可動バルブ体を付勢する可動バルブ体用の弾性部材とを有することを特徴とするガス制御バルブ。
【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制御バルブ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制御バルブは、
収容室をもつボディと、
前記収容室に連通するように前記ボディに設けられガスが供給される１次側通路と、
前記収容室に連通するように前記ボディに設けられ前記ガスが吐出される２次側通路と、
前記ボディの前記収容室に配設され前記収容室を前記２次側通路に連通する前記第１室と前記２次側通路に連通しない第２室とに区画すると共に前記第１室のガスの圧力を受圧するに伴い変形する受圧部材と、
前記１次側通路と前記２次側通路との間に設けられた絞り開度をもち前記１次側通路のガス流量を絞り開度により絞って前記第１室を経て前記２次側通路に供給すると共に前記受圧部材の受圧に伴い前記絞り開度を調整する絞り開度可変機構と、
前記絞り開度可変機構の前記絞り開度を増加または減少させる方向に前記受圧部材を付勢する付勢力を発揮する弾性部材とを具備しており、
前記受圧部材は、受圧に伴い前記受圧部材が変形する方向において伸縮可能な構造とされ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、受圧に伴い絞り開度を調整する受圧部材を有するガス制御バルブ、このガス制御バルブを有する燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気体用バルブとして、収容室をもつボディと、ボディの収容室を第１室と第２室とに区画する変形可能な膜状のダイヤフラムと、ガスが供給される１次側通路である高圧通路と、２次側通路である低圧通路と、高圧通路と低圧通路との間に設けられた絞り孔と絞り孔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孔の絞り開度を調整する絞り開度可変機構と、絞り開度可変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】
この気体用バルブは、燃料電池用のガス流路にも使用できると記載されている。この気体用バルブによれば、高圧通路のガスが絞り孔で絞られて低圧通路に至る。低圧通路の圧力が増加すると、膜状の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孔の開度を減少させる方向に動作し、低圧通路の圧力の増加が抑制される。
【０００４】
また従来、自動設定減圧弁として、膜状のダイヤフラムとこのダイヤフラムを付勢する圧力設定バネとをもつ減圧弁において、圧力設定バネの弾性力を調整するモータを取り付け、モータの駆動により圧力設定バネの弾性力を調整するものが知られている（特許文献２）。このものによれば、１次側通路である高圧通路の圧力がパイロット弁体を介してピストンの上面に作用している。ここで、２次側通路である低圧通路の圧力が減少してダイヤフラムが下方に変位すると、パイロット弁体が押し下げられ、主弁体であるピストンが押し下げられ、弁口の絞り開度が増加する。また２次側通路である低圧通路の圧力が増加してダイヤフラムが上方に変位すると、パイロット弁体が押し上げられ、主弁体であるピストンが押し上げられ、主弁口の絞り開度が減少する。
【０００５】
また従来、流量調整弁として、膜状をなし広い面積をもつ主ダイヤフラム及び副ダイヤフラムを装備したボティに、パイロット弁口を開閉するパイロット弁体を設け、そのパイロット弁体を駆動させる駆動軸を設け、さらに駆動軸を駆動させるステッピングモータを設け、ステッピングモータの駆動で駆動軸を駆動させてパイロット弁体を移動させ、これによりパイロット弁口の開度を調整するものが知られている（特許文献３）。このものによれば、ステッピングモータの駆動軸をベローズでシールし、ステッピングモータに高温水が接触しないようにしている。このベローズは、駆動軸を移動可能にシールしているが、受圧に伴い絞り開度の大小を調整するものではない。更に、膜状をなし広い面積をもつ主ダイヤフラム及び副ダイヤフラムが設けられている。
【０００６】
また従来、弁装置として、ベローズ式のダイヤフラムでステムを覆ってシールするものが知られている（特許文献４）。このダイヤフラムは広面積をもち、径方向サイズが大きい。
【特許文献１】特開２００２−３７２１６２号公報
【特許文献２】特開平３−２９６１１４号公報（特公平７−８２３９５号公報）
【特許文献３】特開平０６−１０９１６３号公報
【特許文献４】実公平０７−０４７６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した特許文献に係る技術によれば、膜状で径方向において広面積をもつダイヤフラムが用いられているため、径方向における小型化には限界があり、サイズが大型化しがちであった。この場合、制約された設置スペースに設置するには好ましくない。
【０００８】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、小型化に有利なガス制御バルブ及び当該ガス制御バルブをもつ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】
【０００９】
即ち、第１様相に係るガス制御バルブは、収容室をもつボディと、
収容室に連通するようにボディに設けられガスが供給される１次側通路と、
収容室に連通するようにボディに設けられ前記ガスが吐出される２次側通路と、
ボディの前記収容室に配設され収容室を２次側通路に連通する第１室と２次側通路に連通しない第２室とに区画すると共に第１室のガスの圧力を受圧するに伴い変形する受圧部材と、
１次側通路と２次側通路との間に設けられた絞り開度をもち１次側通路のガス流量を前記絞り開度により絞って第１室を経て２次側通路に供給すると共に受圧部材の受圧に伴い絞り開度を調整する絞り開度可変機構と、
絞り開度可変機構の絞り開度を増加または減少させる方向に受圧部材を付勢する付勢力を発揮する弾性部材とを具備しており、
受圧部材は、受圧に伴い受圧部材が変形する方向において伸縮可能な構造とされていることを特徴とするものである。
【００１０】
第１様相に係るガス制御バルブによれば、１次側通路のガスのガス流量が絞り開度可変機構の絞り開度により絞られ、第１室に至り、更には２次側通路に至る。このように１次側通路のガスのガス流量が絞り開度可変機構の絞り開度により絞られるため、第１室及び２次側通路のガスの２次圧は１次側通路のガスの１次圧よりも減圧される。ここで、第１室のガス圧力が受圧部材に作用する。このような受圧に伴い受圧部材が変形する。このとき当該変形方向において受圧部材は伸縮すると共に、受圧部材の受圧に伴い、絞り開度可変機構の絞り開度が調整され、第１室のガス圧力、ひいては２次側通路の２次圧が調整される。
【００１１】
なお、弾性部材としては付勢部材を例示することができ、具体的には、コイルバネや板バネ等のバネ、ゴムや樹脂等の有機系材料、発泡材料、空気バネ等の気体バネ等の少なくとも１種を例示することができる。受圧部材の材質としては特に制限されないが、例えば、ゴム、樹脂、金属の少なくとも１種を基材として形成することができる。樹脂、金属を用いれば、ガスバリヤ性を更に高めることができる。
【００１２】
第２様相に係るガス制御バルブによれば、受圧部材は、少なくとも一部に蛇腹構造を有することを特徴とするものである。このように蛇腹構造であれば、受圧に伴い受圧部材が容易に伸縮変形することができる。従って、当該変形方向において受圧部材は容易に伸縮すると共に、受圧部材の受圧に伴い、絞り開度可変機構の絞り開度が良好に調整され、第１室のガス圧力、ひいては２次側通路の２次圧が良好に調整される。蛇腹構造は、断面で、円弧を帯びる波形状のタイプでも良いし、三角波形状のタイプでも良いし、伸縮可能とする複数のスリットが形成されているタイプでも良く、伸縮可能とする複数の折り目が形成されているタイプでも良く、要するに伸縮可能であれば良い。
【００１３】
第３様相に係るガス制御バルブによれば、弾性部材の付勢力を調整するアクチュエータが設けられていることを特徴とするものである。弾性部材による付勢力の大きさを調整すれば、絞り開度可変機構の絞り開度を増加または減少させる方向に迅速に調整することができる。従って、アクチュエータを作動させて弾性部材の付勢力を調整すれば、受圧部材を付勢する付勢力を調整できるので、絞り開度可変機構の絞り開度を増加または減少させる方向に調整することができる。これにより２次側通路におけるガスのガス流量−圧力の特性を調整するのに有利となる。アクチュエータはモータまたはソレノイドとすることができる。モータとしては、回転するタイプ、直動するタイプでも良い。モータとしては、直流モータ、交流モータ、ステッピングモータ、超音波モータなどを例示できる。ソレノイドは磁気吸引力または磁気反発力に基づいて駆動するタイプを例示できる。更に本発明に係るガス制御バルブによれば、受圧部材は受圧に伴い伸縮可能な構造であるため、絞り開度の大きさを維持する変形量を確保しつつ、受圧部材の径サイズを小さくできる。このため、第１室の圧力が受圧部材に作用しているとしても、受圧部材の受圧力の増大を抑えることができる。このためアクチュエータの定格、動力の小型化を図るのに有利となる。
【００１４】
第３様相に係るガス制御バルブによれば、アクチュエータと受圧部材との間には駆動力伝達機構を設けることができる。この場合、駆動力伝達機構によりアクチュエータの駆動力を受圧部材に良好に伝達することができる。
【００１５】
第４様相に係るガス制御バルブによれば、絞り開度可変機構は、絞り孔と、絞り孔を開閉する方向に動作する可動バルブ体と、絞り孔を閉鎖する方向に前記可動バルブ体を付勢する可動バルブ体用の弾性部材とを有することを特徴とするものである。可動バルブ体用の弾性部材としては、付勢部材を例示することができ、具体的には、コイルバネや板バネ等のバネ、ゴムや樹脂等の有機系材料、発泡材料、空気バネ等の気体バネ等の少なくとも１種を例示することができる。
【００１６】
第５様相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制御バルブとを具備する燃料電池発電システムにおいて、
燃料電池用ガス制御バルブは、
収容室をもつボディと、
収容室に連通するようにボディに設けられガスが供給される１次側通路と、
収容室に連通するようにボディに設けられ前記ガスが吐出される２次側通路と、
ボディの収容室に配設され収容室を２次側通路に連通する第１室と２次側通路に連通しない第２室とに区画すると共に第１室のガスの圧力を受圧するに伴い変形する受圧部材と、
１次側通路と２次側通路との間に設けられた絞り開度をもち１次側通路のガス流量を絞り開度により絞って第１室を経て２次側通路に供給すると共に受圧部材の受圧に伴い絞り開度を調整する絞り開度可変機構と、
絞り開度可変機構の絞り開度を増加または減少させる方向に受圧部材を付勢する付勢力を発揮する弾性部材とを具備しており、受圧部材は、受圧に伴い受圧部材が変形する方向において伸縮可能な構造とされていることを特徴とするものである。
【００１７】
この場合、燃料電池用ガス制御バルブによれば、１次側通路のガスのガス流量が絞り開度可変機構の絞り開度により絞られ、第１室に至り、更には２次側通路に至る。このように１次側通路のガスのガス流量が絞り開度可変機構の絞り開度により絞られるため、第１室及び２次側通路のガスの２次圧は１次側通路のガスの１次圧よりも減圧される。ここで、第１室のガス圧力が受圧部材に作用する。このような受圧に伴い受圧部材が変形する。このとき当該変形方向において受圧部材は伸縮すると共に、受圧部材の受圧に伴い絞り開度可変機構の絞り開度が調整される。なお、弾性部材としては付勢部材を例示することができ、具体的には、コイルバネや板バネ等のバネ、ゴムや樹脂等の有機系材料、発泡材料、空気バネ等の気体バネ等の少なくとも１種を例示することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、膜状で広面積をもつダイヤフラムの代わりに、伸縮可能な受圧部材が用いられているため、絞り開度の大きさを維持する変形量を確保しつつ、受圧部材の径サイズの小型化を図るのに有利となる。ひいてはガス制御バルブのサイズの小型化を図るのに有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施形態１）
本発明を燃料電池発電システムに適用した実施形態１について、図１〜図４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。本実施形態に係るガス制御バルブ１は、燃料電池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。ガス制御バルブ１は燃料ガス（例えば水素ガスまたは水素含有ガス）用のガス減圧弁であり、図１に示すように、収容室２０をもつと共に収容室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の収容室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１次側通路である高圧通路６１と、燃料電池１００の燃料極１０１に繋がる２次側通路である低圧通路７１と、高圧通路６１と低圧通路７１との間に設けられた絞り孔４０をもち受圧部材３の変形に伴い絞り孔４０の絞り開度Ｌを可変とする絞り開度可変機構４とを備えている。絞り開度Ｌは、ガス制御バルブ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、粘性が低く流れ易いため、絞り開度Ｌは小さくて済む。なお、図１は絞り開度Ｌを誇張して示す。
【００２０】
高圧通路６１はガス供給源６５（例えばガスタンク）と収容室２０の第１室２１とに繋がる。ガス供給源６５の高圧の燃料ガスが高圧通路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。低圧通路７１は収容室２０の第１室２１に繋がる。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、高圧とは低圧通路７１のガス圧力よりも高圧という意味である。低圧とは高圧通路６１のガス圧力よりも低圧という意味である。例えば、高圧通路６１のガスの圧力は１〜３ＭＰａにすることができ、低圧通路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。
【００２１】
高圧通路６１は絞り孔４０の上流に設けられており、低圧通路７１は絞り孔４０の下流に設けられている。絞り孔４０の絞り開度Ｌ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高圧通路６１のガス（燃料ガス）の流量を制限して減圧し、低圧通路７１に供給する。
【００２２】
図１に示すように、受圧部材３はシール部材３ｓを介してボディ２に保持されており、絞り孔４０に対向する位置に配置された先端部３０と、先端部３０に同軸的に連設された円筒形状をなす蛇腹部３１と、蛇腹部３１に同軸的に径外方向に延設された鍔部３２とをもつ。蛇腹部３１は樹脂または金属を基材として形成されているものの、複数の山谷を有する蛇腹構造をもつため、高い伸縮性を有する。このように蛇腹部３１、ひいては受圧部材３を樹脂または金属を基材として形成すれば、第１室２１のガス圧力が高いときであっても、受圧部材３のガスバリヤ性を向上させるのに有利となる。
【００２３】
図３に示すように、受圧部材３は、第１室２１に対面する表出面３ａと、第２室２２に対面する背向面３ｂとをもつ。表出面３ａは第１室２１に対面するため、表出面３ａには、第１室２１のガス圧力（２次圧）が作用する。背向面３ｂは第１室２１に対面しないため、背向面３ｂには、第１室２１のガス圧力（２次圧）が直接的には作用しない。受圧部材３の表出面３ａにおいては、蛇腹部３１は、第１蛇腹面３１ａと、第１蛇腹面３１ａと逆方向に指向する第２蛇腹面３１ｂとを有する。受圧部材３は、第１室２１と第２室２２とを仕切る仕切部材としても機能することができる。
【００２４】
図１に示すように、受圧部材３の蛇腹部３１は、絞り孔４０から遠ざかる方向に向けて先端部３０から延設されている。蛇腹部３１はほぼ円筒形状をなしているため、蛇腹部３１の軸長方向の一端部３１ｒ（蛇腹部３１のうち第１支持部４２側の端部）の径と、蛇腹部３１の軸長方向の他端部３１ｔ（蛇腹部３１のうち可動体９２側の端部）の径とは、同じ程度とされている。ボディ２は収容室２０を有する。受圧部材３は、ボディ２の収容室２０を、活物質を含む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。受圧部材３の鍔部３２は、ボディ２に保持されている。
【００２５】
図１に示すように、絞り開度可変機構４は、燃料電池１００に供給される活物質を含むガス（燃料ガス）の流量を制限するようにボディ２に形成された絞り孔４０と、絞り孔４０を開閉するピストン状の可動バルブ体４１と、受圧部材３の先端部３０の中央域を挟持するようにリング形状のシール部材４３ｓを介して設けられた第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。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。
【００２６】
絞り孔４０は、絞り孔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、絞り孔４０に挿通されている。
【００２７】
受圧部材３用のバネ７及びバルブバネ８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。ここで、絞り孔４０の弁座部４９と可動バルブ体４１のバルブ面４４との間は、絞り孔４０の絞り開度Ｌとされる。可動バルブ体４１のバルブ面４４は、絞り孔４０の全閉時において、絞り孔４０の弁座部４９に着座できるように弁座部４９に対面する。なお、バネ７及びバルブバネ８は図面において模式的に記載されている。
【００２８】
図１に示すように、可動バルブ体４１がボディ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は受圧部材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。可動バルブ体４１は一般的には金属製であり、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は絞り孔４０に対面する。
【００２９】
図１に示すように、ボディ２の収容室２０の第２室２２には、コイルバネで形成された受圧部材３用のバネ７（受圧部材用の弾性部材）がほぼ同軸的に設けられている。バネ７は付勢部材として機能することができる。バネ７の一端部７ａは、絞り開度可変機構４の第１支持部４２の着座面４２ｈに着座し、バネ７の他端部７ｂは後述の可動体９２のリング状の着座面９２ｈに着座する。この結果、受圧部材３用のバネ７は、受圧部材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、バネ７は絞り孔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。
【００３０】
図１に示すように、可動バルブ体４１の受圧面４７とボディ２のバルブ室２３の壁面２ｆとの間には、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（可動バルブ体用の弾性部材）が設けられている。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は絞り孔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。
【００３１】
前述したように、バルブバネ８及びバネ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、受圧部材３用のバネ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、絞り孔４０を開放状態に維持するためである。
【００３２】
前記した受圧部材３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、絞り孔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、絞り孔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、絞り孔４０の下流に位置する第１室２１（低圧通路７１を経て燃料電池１００に繋がる）の圧力が受圧部材３に作用する。
【００３３】
図１に示すように、受圧部材３用のバネ７の付勢力を調整するアクチュエータ９がボディ２の取付部２ｕに設けられている。アクチュエータ９はモータ（例えば直流モータ）であり、アクチュエータ本体９０と、アクチュエータ本体９０から突出する回転可能な駆動軸９１とをもつ。駆動軸９１の外周部には雄螺子部９１ｃが形成されている。アクチュエータ９と受圧部材３との間には、つまり、アクチュエータ９とバネ７との間には駆動力伝達機構としてのピストン状の可動体９２が設けられている。可動体９２は、着座面９２ｈをもつ大径部９２ａと、大径部９２ａに一体的な筒形状の小径部９２ｃとをもつ。
【００３４】
図２に示すように、可動体９２の外壁には、ボディ２の被係合部２ｍと係合する係合部９２ｍが設けられており、可動体９２は図１に示す矢印Ｙ１，Ｙ２方向（絞り孔４０の開放方向、閉鎖方向）に直動できるものの、可動体９２の周方向（図２に示す矢印Ｒ１方向,Ｒ２方向）には回動できないように設定されている。可動体９２の小径部９２ｃの中央域に形成された孔９３の内周部には、雌螺子部９３ｃが形成されている。雌螺子部９３ｃと雄螺子部９１ｃとは互いに螺進退可能に螺合している。
【００３５】
アクチュエータ９が一方向に駆動して駆動軸９１がこれの軸芯９１ｐの周りで一方向に回転すると、可動体９２が矢印Ｙ１方向（絞り孔４０の開放方向）に移動し、受圧部材３用のバネ７の付勢力が大きくなる。これに対して、アクチュエータ９が他方向に駆動して駆動軸９１がこれの軸芯９１ｐの周りで他方向に回転すると、可動体９２が矢印Ｙ２方向（絞り孔４０の閉鎖方向）に向けて移動し、受圧部材３用のバネ７の付勢力が小さくなる。
【００３６】
本実施形態によれば、受圧部材３用のバネ７の長さをＫＡ、バルブバネ８の長さをＫＢとすると、ＫＡ＞ＫＢの関係に設定されている。また、受圧部材３用のバネ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の関係に設定されている。なお、受圧部材３用のバネ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、硬質樹脂等の少なくとも１種を採用することができる。
【００３７】
上記した本実施形態に係るガス制御バルブ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、相対的に高圧の燃料ガスが高圧通路６１に供給される。その高圧のガスは、絞り孔４０の絞り開度Ｌにより流量が制限される。このため、絞り孔４０の下流に位置する第１室２１の圧力は、絞り孔４０の絞り開度Ｌにより高圧通路６１の圧力よりも減圧される。絞り孔４０により減圧されて設定圧に低圧化されたガスは、収容室２０の第１室２１を通過し、ポート２ｋを介して低圧通路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。
【００３８】
本実施形態によれば、図１から理解できるように、絞り孔４０により減圧された第１室２１の圧力（２次圧）と第２室２２の圧力（実質的に大気圧）との差圧に基づいて、受圧部材３の蛇腹部３１が矢印Ｙ１，Ｙ２方向において伸縮変形する。この場合、図１から理解できるように、受圧部材３の先端部３０に付設されている第２支持部４３が受圧する受圧力、受圧部材３の先端部３０の外周領域３０ｋが受圧する受圧力が、受圧部材３の蛇腹部３１の伸縮変形に効率よく寄与する。
【００３９】
ここで、絞り孔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、受圧部材３が受ける矢印Ｙ２方向（上向き、絞り孔４０の閉鎖方向）に向かう力をＦ１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,絞り孔４０の閉鎖方向）に付勢する力をＦ２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のガス圧により上向きに受圧する圧力との差を力Ｆ３（上向きと仮定する）とする。また、受圧部材３用のバネ７がこれのバネ荷重（付勢力）により、受圧部材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（下向き,絞り孔４０の開放方向）に付勢する力をＦ４とする。
【００４０】
基本的には、矢印Ｙ２方向に向かう上向きの力Ｆ１＋力Ｆ２＋力Ｆ３の合計と、矢印Ｙ１方向に向かう下向きの力Ｆ４とが均衡した時点において、可動バルブ体４１の位置が保持される。この均衡により基本的には絞り孔４０の絞り開度Ｌは決定される。矢印Ｙ２方向に向かう上向きの力Ｆ１＋力Ｆ２＋力Ｆ３の合計、矢印Ｙ１方向に向かう下向きの力Ｆ４の大きさが変化すると、可動バルブ体４の均衡する位置が変化するため、絞り孔４０の絞り開度Ｌが変化する。
換言すれば、受圧部材３の受圧に応じて絞り孔４０の絞り開度Ｌが変化する。
【００４１】
ここで、アクチュエータ９の駆動量を調整すれば、矢印Ｙ１，Ｙ２方向における可動体９２の移動位置を調整することができ、ひいては、バネ７の付勢力を増加させる方向または減少させる方向に調整することができる。これにより受圧部材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（下向き,絞り孔４０の開放方向）ように付勢する力Ｆ４を調整することができ、それに応じて絞り孔４０の絞り開度Ｌが調整される。
【００４２】
以上の説明から理解できるように本実施形態によれば、受圧部材３は、受圧に伴い受圧部材３が変形する方向（矢印Ｙ１，Ｙ２方向）において伸縮可能な構造とされた蛇腹部３１を有する。このため、絞り開度Ｌを得るための伸縮量を充分に確保しつつ、受圧部材３の径サイズＤ１０を小さくすることができる。殊に、受圧部材３の蛇腹部３１の径サイズＤ１１を小さくできる。故に、ガス制御バルブ１の径サイズの小型化を図るのに有利である。
【００４３】
更に本実施形態によれば、受圧部材３は伸縮性に富む蛇腹部３１を有するため、絞り開度Ｌの大きさを良好に確保しつつ、受圧部材３の径サイズＤ１０、蛇腹部３１の径サイズＤ１１を小さくすることができる。このため、第１室２１の圧力が受圧部材３に作用しているとしても、受圧部材３が受ける受圧力が過剰に増大することを抑えることができる。このため、受圧部材３の受圧力に抗して駆動するアクチュエータ９の定格、動力の小型化を図るのに有利となる。
【００４４】
図１０に模式的に示す参考形態のように、蛇腹部３１をもつ受圧部材３に代えて、膜状のダイヤフラム３Ｘを用いる参考形態に係るガス制御バルブ１Ｘも考えられる。この参考形態に係るガス制御バルブ１Ｘによれば、膜状のダイヤフラム３Ｘが用いられているため、絞り開度Ｌを得るためのダイヤフラム３Ｘの弾性変形量を良好に確保するためには、膜状のダイヤフラム３Ｘが径サイズを大きく設定する必要がある。つまり、膜状のダイヤフラム３Ｘの径方向の小型化には限界があり、ガス制御バルブ１Ｘの径サイズの小型化を図るのに限界がある。このように、図１０に示す参考形態によれば、膜状のダイヤフラム３Ｘの径サイズを大きく設定する必要があるため、第１室２１のガス圧力を受圧するダイヤフラム３Ｘの受圧力が大きくなりがちである。このためダイヤフラム３Ｘを付勢するバネ７の付勢力を調整するアクチュエータ９の定格、動力の小型化を図るのに不利であった。
【００４５】
ここで、下流側でガス消費量が急激に変動し、絞り開度Ｌが急激に小さくなったとき等には、ダイヤフラム３Ｘがハンチング的な振動を発生させるおそれがある。この点本実施形態によれば、受圧部材３の蛇腹部３１においては矢印Ｙ１，Ｙ２方向における伸縮性が高いため、上記したハンチング的な振動を発生させる要因が生じたとしても、上記したハンチング的な振動を抑制する効果を期待することができる。
【００４６】
ここで、図４は低圧通路７１のガス流量と低圧通路７１の２次圧Ｐ２との関係を示す。特性線Ａは、受圧部材３用のバネ７の一端部７ａがある位置に存在する場合における圧力特性を示す。特性線Ｂは、受圧部材３用のバネ７の一端部７ａが別のある位置に存在する場合における圧力特性を示す。特性線Ａ，特性線Ｂによれば、ガス流量が増加すれば、低圧通路７１の２次圧Ｐ２が次第に低下している。
【００４７】
本実施形態によれば、上記したようにアクチュエータ９の駆動量を調整すれば、可動体９２の位置を調整でき、ひいては受圧部材３用のバネ７の付勢力を調整でき、これにより絞り孔４０の絞り開度Ｌを適宜調整することができる。これにより低圧通路７１の燃料ガスの流量−設定圧力（２次圧）の特性を変化させることができる。この結果、低圧通路７１の燃料ガスの流量−設定圧力（２次圧）の特性について、図４に示す特性線Ｃ，Ｄに示すように、複数の形態を実現することが可能である。
【００４８】
更に、図５に示す特性線Ｅに示すように、ガス流量が増加するとき低圧通路７１の２次圧Ｐ２を次第に増加させるように目標が設定されるときであっても、あるいは、図４に示す特性線Ｆに示すようにガス流量が増加するものの、低圧通路７１の２次圧Ｐ２を一定域に維持したりする目標が設定されるときであっても、アクチュエータ９の駆動量を調整すれば、上記した目標に良好に対応することができる。
【００４９】
燃料電池発電システムによれば、低圧通路７１における２次圧を頻繁に変化させる傾向がある。殊に、車載の燃料電池発電システムによれば、車両負荷に応じて、低圧通路７１における２次圧を頻繁に変化させる傾向がある。この点本実施形態によれば、受圧部材３用のバネ７の付勢力の増減をアクチュエータ９の駆動により行うため、応答性が良好であり、受圧部材３用のバネ７の付勢力を速い速度で増減させることができる。従って、絞り孔４０の絞り開度Ｌを迅速に調整することができ、ひいては低圧通路７１に係るガス流量−２次圧の特性を迅速に調整することができる。よって、車載の燃料電池発電システムに適する。殊に、受圧部材３用のバネ７の付勢力を調整するのはアクチュエータ９であり、パイロット弁を介さないため、応答性を高めることができる。
【００５０】
（実施形態２）
図６は実施形態を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通の機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下、異なる部分を中心として説明する。図１を準用して説明すると、受圧部材３はシール部材３ｓを介してボディ２に保持されており、絞り孔４０に対向する位置に配置された先端部３０と、先端部３０に同軸的に連設された円筒形状をなす蛇腹部３１と、蛇腹部３１に同軸的に径外方向に延設された鍔部３２とをもつ。更に本実施形態によれば、図６に示すように、アクチュエータ９の駆動軸９１の先端の駆動位置Ｎ（Ｎ1〜Ｎn）と、ガス流量−設定圧力の特性との関係を予めマップ化し、そのマップをメモリなどの記憶媒体の所定のエリアに格納しておく。そして、燃料電池発電システムの制御装置からガス流量信号が出力されると、低圧通路７１の圧力を、そのガス流量を実現できる２次圧力となるように、アクチュエータ９の駆動軸９１の駆動位置を制御する。これにより受圧部材３用のバネ７の付勢力の増減をアクチュエータ９の駆動により行う。このため、応答性が良好であり、受圧部材３用のバネ７の付勢力を速い速度で増減させることができる。従って、絞り孔４０の絞り開度Ｌを迅速に調整することができ、ひいては低圧通路７１に係るガス流量−設定圧力の特性を迅速に調整することができる。よって、車載の燃料電池発電システムに適する。これにより燃料電池発電システムの制御性、燃費などの格段の向上を期待することができる。なお、駆動位置Ｎとしては、例えば、回転センサ、位置センサの出力値、ステッピングモータの場合にはステップ数で把握される。
【００５１】
（実施形態３）
図７は実施形態３を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通の機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下、異なる部分を中心として説明する。受圧部材３はシール部材３ｓを介してボディ２に保持されており、絞り孔４０に対向する位置に配置された先端部３０と、先端部３０に同軸的に連設された円筒形状をなす蛇腹部３１と、蛇腹部３１に同軸的に径外方向に延設された鍔部３２とをもつ。
【００５２】
更に、アクチュエータ９Ｂは直動タイプであり、リニヤソレノイドで形成されたアクチュエータ本体９０Ｂと、アクチュエータ本体９０Ｂにより矢印Ｙ１，Ｙ２方向に沿って直動される非回転式の駆動軸９１Ｂとを有する。上記したようにアクチュエータ９Ｂの駆動量を調整すれば、駆動軸９１Ｂが直動し、矢印Ｙ１，Ｙ２方向における可動体９２の位置を調整できる。ひいては受圧部材３用のバネ７の付勢力を調整でき、絞り孔４０の絞り開度Ｌを適宜調整することができる。これにより低圧通路７１の燃料ガスの流量−設定圧力（２次圧）の特性を変化させることができる。
【００５３】
（実施形態４）
図８は実施形態４を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有するものである。実施形態１と共通の機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下、異なる部分を中心として説明する。本実施形態によれば、図８に示すように、受圧部材３用のバネ７の付勢力を調整するためのアクチュエータが設けられていない。従って受圧部材３用のバネ７の付勢力は固定的である。受圧部材３用のバネ７の一端部７ａは、絞り開度可変機構４の第１支持部４２の着座面４２ｈに着座し、受圧部材３用のバネ７の他端部７ｂはボディ２の壁面２ｈに着座する。この結果、受圧部材３用のバネ７は、受圧部材３を矢印Ｙ１方向（図示下方向）に付勢している。
【００５４】
（適用形態）
図９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９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５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を介して通過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。
【００５５】
ガス供給通路５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５において、高圧燃料ガス源であるガス供給源５５側に減圧バルブ１０８が設けられ、更に、減圧バルブ１０８の下流に位置するように前記したガス制御バルブ１が設けられている。
【００５６】
この適用形態によれば、ガス供給源５５から吐出される相対的に高圧の燃料ガスは減圧バルブ１０８で減圧され、更にガス制御バルブ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。
【００５７】
前述したように、本適用形態によれば、ガス制御バルブ１の受圧部材３用のバネ７の付勢力の増減をアクチュエータ９の駆動により行う。このため応答性が良好であり、受圧部材３用のバネ７の付勢力を速い速度で増減させることができる。従って、ガス制御バルブ１の絞り孔４０の絞り開度Ｌを迅速に調整することができ、ひいては低圧通路７１に係るガス流量−設定圧力の特性を迅速に調整することができる。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。
【００５８】
（その他）
上記した実施形態１によれば、蛇腹部３１、ひいては受圧部材３は樹脂や金属を基材として形成されているが、これに限らず、金属のみで形成することもできる。この場合、ガスバリヤ性を更に高めることができる。更には、受圧部材３をゴムで形成するものの、受圧部材３の内部にガスバリヤ性が高い樹脂（例えばポリアミド、ポリイミド等）や金属（例えば金属シート、金属蒸着層等）で形成されたガスバリヤ層を埋設することにしても良い。なおガス圧力が低いときには、受圧部材３はゴムを基材として形成しても良い。
【００５９】
上記した実施形態１によれば、受圧部材３用のバネ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。
【００６０】
上記した実施形態１によれば、受圧部材３の蛇腹部３１はほぼ円筒形状をなしているが、これに限らず、受圧部材を円錐筒形状としても良い。この場合、蛇腹部３１の軸長方向の一端部３１ｒ（蛇腹部３１のうち第１支持部４２側の端部）の径を相対的に小さくし、蛇腹部３１の軸長方向の他端部３１ｔ（蛇腹部３１のうち可動体９２側の端部）の径を相対的に大きくするように、円錐筒形状とすることができる。
【００６１】
上記した実施形態１によれば、ガス制御バルブ１はガス圧力及びガス流量を調整できるが、ガス圧力を調整するガス制御バルブでも良いし、ガス流量を調整するガス制御バルブでも良い。
【００６２】
上記した実施形態１によれば、ガス制御バルブ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１によれば、ガス制御バルブ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、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】
【００６３】
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、例えば燃料電池発電システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施形態１に係り、ガス制御バルブを模式的に示す断面図である。
【図２】ガス制御バルブの可動体付近を模式的に示す断面図である。
【図３】受圧部材の蛇腹部の要部を模式的に示す断面図である。
【図４】低圧通路の２次圧とガス流量との関係を示すグラフである。
【図５】低圧通路の２次圧とガス流量との関係を示すグラフである。
【図６】実施形態２に係り、アクチュエータの駆動位置と低圧通路のガス流量及び２次圧との関係に係るマップを示す構成図である。
【図７】実施形態３に係り、ガス制御バルブを模式的に示す断面図である。
【図８】実施形態４に係り、ガス制御バルブの要部付近を模式的に示す断面図である。
【図９】適用形態に係り、燃料電池発電システムを模式的に示す構成図である。
【図１０】参考形態に係り、ガス制御バルブの要部付近を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
図中、１はガス制御バルブ、２０は収容室、２１は第１室、２２は第２室、２３はバルブ室、３は受圧部材、３１は蛇腹部、６１は高圧通路（１次側通路）、７１は低圧通路（２次側通路）、４は絞り開度可変機構、４０は絞り孔、４１は可動バルブ体、６は高圧通路（１次側通路）、７は受圧部材用のバネ（弾性部材）、８はバルブバネ（可動バルブ体用の弾性部材）、１００は燃料電池、１０１は燃料極、１０２は酸化剤極、５は燃料用のガス供給通路、１０３は酸化剤ガス用のガス供給通路を示す。
【図１】
2005195145.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005195145.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005195145.tif 000009
【図８】
2005195145.tif 000010
【図９】
2005195145.tif 000011
【図１０】
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