(57)【要約】【課題】  パイロット式遮断弁のパイロットバルブが開かれてからメインバルブが開かれるまでの時間を短縮化させることを目的とする。【解決手段】  燃料電池発電システム１０は、水素ガスボンベ１２と、燃料電池３０と、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と、ガス流路５０に配置されている第１遮断弁（パイロット式遮断弁）１４と、第１遮断弁１４より下流側のガス流路５０に配置されている第２遮断弁（非パイロット式遮断弁）２０と、燃料電池３０で水素ガスが使用されないときに第１遮断弁１４より下流側をほぼ大気圧まで減圧させる排気シャット弁３６と、第１遮断弁１４と第２遮断弁２０を制御する装置６０を備える。制御装置６０は、第１遮断弁１４のパイロットバルブを開く時点では第２遮断弁２０を閉じておき、第１遮断弁１４のメインバルブが開かれた後に第２遮断弁２０を開く。【選択図】  図１
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【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、
そのガス流路に配置されており、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、
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おり、大きなガス通過口を開閉する非パイロット式遮断弁と、
パイロット式遮断弁と非パイロット式遮断弁を制御する手段を備えており、
その制御手段は、パイロット式遮断弁のパイロットバルブが小さなガス通過口を開けてから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までの間、非パイロット式遮断弁がガス通過口を閉じるように制御することを特徴とするガス供給システム。
【請求項２】
パイロット式遮断弁と非パイロット式遮断弁の間のガス流路に配置されている第１レギュレータをさらに備えることを特徴とする請求項１のガス供給システム。
【請求項３】
非パイロット式遮断弁とガス使用装置の間のガス流路に配置されている第２レギュレータをさらに備えることを特徴とする請求項２のガス供給システム。
【請求項４】
前記減圧手段は、パイロット式遮断弁より下流のガス流路をガス流路外と連通させる電磁弁であることを特徴とする請求項１から３のいずれかのガス供給システム。
【請求項５】
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から４のいずれか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遮断弁が配置されており、ガス使用装置でガスが使用されない場合には、遮断弁の下流でガスを抜くことによって遮断弁より下流のガス流路やガス使用装置内を低圧とす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普及している。例えば、水素ボンベに貯蔵されている高圧の水素を、水素を使用して発電する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が開発されている。
この種のガス供給システムでは、ガス流路に配置されている遮断弁を開くことによってガス使用装置に所定圧のガスが充填される。ガス使用装置がガスを使用すると、使用したガスがガスボンベから補充される。
ガス使用装置でガスが使用されない場合は遮断弁を閉じる。ガス供給システムによっては、遮断弁を閉じるだけでなく、遮断弁より下流のガス流路やガス使用装置内からガスを抜いてガス圧を下げる（例えば大気圧まで下げる）ことがある。これにより、ガス使用装置でガスが使用されないときに、遮断弁より下流のガス流路やガス使用装置に高いガス圧が作用し続けることが防止される。
特許文献１に、燃料電池自動車に利用される水素ガス供給システムの一例が開示されている。
【０００３】
上記したガス供給システムの遮断弁には、パイロット式の電磁制御弁（本明細書ではパイロット式遮断弁という）が用いられることが多い。パイロット式遮断弁は、パイロットバルブとメインバルブを持っている。パイロットバルブは、小さなガス通過口を開閉するバルブであり、小さな力で移動することができ、コイルの電磁力が作用すると小さなガス通過口を開く。メインバルブは、大きなガス通過口を開閉するバルブであり、移動するためには大きな力を必要とし、コイルの電磁力が作用するだけではガス通過口を開けない。メインバルブは、パイロットバルブが開けた小さなガス通過口からガスが下流側に流れていった結果としてメインバルブより下流側のガス圧が昇圧し、メインバルブの上下のガス圧の差が所定値以下になったときに大きなガス通過口を開く。特許文献２には、パイロット式遮断弁を採用しているガス供給システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２２２６５８号公報
【特許文献２】特開平９−８８７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パイロット式遮断弁は、小さな駆動力でパイロットバルブを開閉できるために、ガスボンベに貯蔵されているガス圧が高い場合にもガス流路を開閉することができる。
しかしながら、パイロットバルブが開けた小さなガス通過口からガスが下流側に流れていって下流側のガス圧が昇圧するのを待ってメインバルブが開くために、メインバルブが大きなガス通過口を開くまでに時間がかかる。パイロットバルブが小さなガス通過口を開いてからメインバルブが大きなガス通過口を開くまでに要する時間は、パイロット式遮断弁より下流側のガス容積に依存し、ガス容積が小さい場合は比較的短時間ですむが、ガス容積が大きい場合は長時間を要する。例えば燃料電池のようにガス使用装置内のガス容積が大きい場合は、パイロット式遮断弁より下流側のガス圧がメインバルブを開けるガス圧になるまでに時間がかかる。
メインバルブが大きなガス通過口を開かなければガス使用装置に充分なスピードでガスを供給できないことから、ガス使用装置に充填されたガス圧がガス使用装置で必要とするガス圧まで上昇するのに時間を要し、ガス使用装置を起動することができない。パイロット式遮断弁を用いた従来のガス供給システムでは、ガス使用装置を起動するまでに長時間を要するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、ガス供給装置のパイロット式遮断弁のパイロットバルブを開けてからメインバルブが大きなガス通過口を開くまでに要する時間を短縮化する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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ガス供給システムを提供する。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。そのガス流路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。ガス流路には、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が配置されている。またパイロット式遮断弁よりも下流のガス流路に、大きなガス通過口を開閉する非パイロット式遮断弁が配置されている。このシステムは、パイロット式遮断弁と非パイロット式遮断弁を制御する手段を備えており、その制御手段は、パイロット式遮断弁のパイロットバルブが小さなガス通過口を開けてから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までの間、非パイロット式遮断弁がガス通過口を閉じるように制御する。
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」や非パイロット式遮断弁が開閉する「大きいガス通過口」は、パイロットバルブが開閉する「小さいガス通過口」より大きいガス通過口であることを意味している。
【０００７】
上記したシステムによると、減圧手段が設けられているために、ガス使用装置でガスが使用されない間は、パイロット式遮断弁より下流のガス流路やガス使用装置内のガス存在可能領域が低圧に減圧されている。
ガス使用装置が使用される場合には、制御手段によって、パイロット式遮断弁のパイロットバルブが小さなガス通過口を開くように制御される。このとき、非パイロット式遮断弁のバルブはガス通過口を閉じているので、パイロットバルブがガス通過口を開くことで通過したガスは非パイロット式遮断弁で遮断される。このために、ガス使用装置内のガス圧が昇圧する前に、パイロット式遮断弁と非パイロット式遮断弁の間のガス圧が速やかに昇圧していく。パイロット式遮断弁のメインバルブの上下のガス圧の差が速やかに小さくなり、パイロットバルブが小さなガス通過口を開いてからメインバルブが大きなガス通過口を開くまでの時間を短縮化することができる。制御手段は、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いた後に、非パイロット式遮断弁がガス通過口を開くように制御する。このときには、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けているとともに非パイロット式遮断弁が大きなガス通過口を開けるために、非パイロット式遮断弁より下流側の圧力が速やかに昇圧し、ガス使用装置が起動するのに必要なガス圧が得られるまでの時間が短縮される。
本システムによると、パイロット式遮断弁のパイロットバルブが開いてからメインバルブが開くまでの時間を短縮化することができ、ガス使用装置の起動時間を短縮化することができる。
【０００８】
もし、ガスボンベとパイロット式遮断弁の間にガス配管が存在する場合には、ガス使用装置が使用されないときであっても、そのガス配管内は高圧に維持されたままである。これを避けるために、前記したパイロット式遮断弁は、ボンベのガス出口に配置することが好ましい。
このようにすると、ガス使用装置でガスが使用されない間は、ガス流路の全範囲を低圧に維持することができる。
【０００９】
大きなガス通過口を開閉するバルブを持つ通常の遮断弁を用いてガスボンベからのガスを遮断する場合、その遮断弁が開かれたときに大量のガスが勢いよく流れるために遮断弁より下流側のガス流路やガス使用装置等に大きい負荷がかかる。ガスボンベのガス圧が高圧になればなるほど、遮断弁を開いたときに遮断弁より下流にかかる負荷が大きくなる。
パイロット式遮断弁によると、最初にパイロットバルブが小さなガス通過口を開いて少量のガスを通過させ、その後にメインバルブが大きなガス通過口を開く。メインバルブがガス通過口を開くときには、その上下間のガス圧の差が小さくなっているために、大量のガスが勢いよく流れることが抑制される。パイロット式遮断弁は、大量の高圧ガスが勢いよく流れてガス流路やガス使用装置等に負荷がかかることを防止できるために、高圧ガスを遮断する弁としてよく用いられている。
上記した本発明に係るガスシステムの場合、パイロット式遮断弁によって大量のガスが勢いよく流れることを抑制することができる。それより下流にある非パイロット式遮断弁がガス通過口を開いたときに大量のガスが勢いよく流れだすことを抑制するためには、パイロット式遮断弁と非パイロット式遮断弁の間に第１レギュレータを配置することが好ましい。
このようにすると、非パイロット式遮断弁がガス通過口を閉じているときの上下のガス圧の差を小さくすることができ、ガス通過口を開いたときに大量のガスが勢いよく流れてガス使用装置等に大きい負荷がかかることを防止できる。
【００１０】
上記した第１レギュレータが配置されているガス供給システムにおいて、非パイロット式遮断弁とガス使用装置の間に第２レギュレータを配置するようにしてもよい。
このように二段階で減圧すると、高圧のガスを所望のガス圧まで精度よく減圧することができる。
【００１１】
上記した減圧手段は、パイロット式遮断弁より下流のガス流路をガス流路外と連通させる電磁弁であってもよい。
この電磁弁によってガス流路をガス流路外と連通させると、ガス流路内のガスがガス流路外に放出される。これにより、パイロット式遮断弁より下流側のガス流路内やガス使用装置内からガスを抜くことができる。
【００１２】
なお上記した各ガスシステムは、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】
【００１３】
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。パイロット式遮断弁は、通常の遮断弁よりも小型化できるという利点を有する。
（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（制御手段）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。
第１レギュレータは、ガス使用装置が使用されないときの、パイロット式遮断弁の下流側の減圧値より大きいガス圧まで減圧するものである。
（形態７）第１レギュレータは、第１遮断弁ユニットに隣接して配置されている。第１遮断弁ユニットと第１レギュレータの間にはガス配管が存在しない。
（形態８）第１レギュレータと第２遮断弁の間のガス配管内のガス圧を検知する圧力センサが備えられる。この圧力センサは制御装置に接続されている。
（形態９）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。
第２レギュレータは、ガス使用装置が使用されないときの、パイロット式遮断弁の下流側の減圧値より大きいガス圧まで減圧するものである。
（形態１０）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１１）制御装置は、圧力センサの検出値と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。
【実施例】
【００１４】
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等を有している。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。
【００１５】
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（これらは図１では図示省略しているが図２等に示されている）。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５０ａによって接続されている。ガス配管５０ａには、配管内のガス圧を検知する圧力センサ１８が配置されている。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。第２遮断弁２０は、第１レギュレータ１６に近接して配置されている。ガス配管５０ａは非常に短い（圧力センサ１８を設置できる程度の長さがあればよい）。図１では、ガス配管５０ａを誇張してやや長めに図示している。
【００１６】
第２遮断弁２０と第２レギュレータ２２は、ガス配管５０ｂによって接続されている。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）。この排気シャット弁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、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。この水素ガス通過経路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。
【００１７】
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、ガス配管５０ｂ、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。
【００１８】
制御装置６０は、圧力センサ１８と接続されており、圧力センサ１８によって検知されたガス圧を入力する。また制御装置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がどのようにして開閉制御を実行するのか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。但し本実施例では、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は説明を省略する。
【００１９】
続いて、図２を参照して、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等を備えている。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。
【００２０】
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等を有している。
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が配置されている。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が配置されている。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。
【００２１】
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）などで構成されてもよい。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の間にバネ１１４が挿入されている。このバネ１１４はパイロットバルブ１０８を上方に付勢している。図２の状態では、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の状態では、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、その長孔１３０ｄ内にパイロットバルブ１０８のピン１１０が入りこんでいる。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可能である。符号１３２は、メインバルブ１３０の下部を示している。またメインバルブ１３０の上部には、ゴムシール１４０が固定されている。
【００２２】
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の間にバネ１３８が配置されている。このバネ１３８によってメインバルブ１３０が下方に付勢されている。このバネ１３８の付勢力は、上述したバネ１１４の付勢力よりも小さい。コイル１１８に通電しない状態では、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は上方に維持される（図２の状態に維持される）。
【００２３】
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に示すようにして流入可能である。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（この隙間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。その隙間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。その隙間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、その隙間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の状態では、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。
【００２４】
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が下動する。これによりパイロットバルブ１０８が開かれることになる。図３には、パイロットバルブ１０８が下動した後の状態を示している。なお、パイロットバルブ１０８が下動しても、しばらくの間はメインバルブ１３０は上方に維持され続ける（図３の状態が維持される）。こうなるように、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ているとともに、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は、そのピン１１０がメインバルブ１３０の下部１３２に当接する位置まで下動する。
パイロットバルブ１０８が下動すると、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を介し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。
【００２５】
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より下流側のガス圧が大きくなっていく。これにより、メインバルブ１３０の上下流間の差圧が小さくなっていく。メインバルブ１３０には、パイロットバルブ１０８のピン１１０を介して下向きの力が付勢されているとともに、バネ１３８によって下向きに付勢されている。ピン１１０からの付勢力とバネ１３８の付勢力の和が、メインバルブ１３０の上下流間の差圧によってメインバルブ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は下動する。
図４には、メインバルブ１３０が下動した後の状態を示している。メインバルブ１３０が下動すると、メインバルブ１３０とシート１５０の間に大きい隙間（即ちメインバルブ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ができるようになる。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。そうではあるが、メインバルブ１３０が開かれた瞬間はメインバルブ１３０の上下流間の差圧は小さいために、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。
【００２６】
コイル１１８に通電するのをやめると、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。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（図２の状態になる）。
【００２７】
続いて、再び図２を参照しながら過流防止弁１６０の構成について説明する。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。ロッド１６２とシャフト１６４とバルブ１６６は、図２の状態から一体となって上動可能に保持されており、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。図２の状態では、バルブ１６６とガイド１７２の間に隙間が設けられている。水素ガスは、その隙間とガイド１７２の孔１７２ａを通って上方に流れていくことができる。
過流防止弁１６０は、例えばそれより下流側の配管５０ａ等（図１参照）が破損してバネ１７０の付勢力に打ちかつほどに大容量の水素ガスが流出しようとした場合に、バルブ１６６が上動する。これにより、バルブ１６６に固定されたゴムシール１６８がガイド１７２に密着し、水素ガスが流れるのが遮断される。
【００２８】
続いて、第１レギュレータ１６（図１参照）の構成について説明する。図５に、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、下ケーシング２２０の二次圧室２２０ｂまで伸びているダイアフラムホルダ２１０が固定されている。
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の外周側が挟持されている。ダイアフラム２１２の内周側は、下プレート２０４とダイアフラムホルダ２１０の間で挟持されている。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。
【００２９】
上記した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。このシャフト２２２の下部にはバルブ２２４が形成されている。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。このガイド２２８にシャフト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。この部材２３２にバルブ２２４が当接していると（図５の状態になると）、一次圧室２２０ａと二次圧室２２０ｂが遮断されて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。
【００３０】
一次圧室２２０ａは、上述した第１遮断弁ユニット１４（図１等参照）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場合に二次圧室２２０ｂに流入することができる。二次圧室２２０ｂは、図１に示されるガス配管５０ａ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以下ならばバルブ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。ボンベ１２（図１等参照）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。
【００３１】
第２レギュレータ２２（図１参照）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が第１レギュレータ１６と異なる。
【００３２】
続いて、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の断面図を簡略化して示している。
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５０ａと接続されている。水素ガス通路３００ｂは、図１に示されるガス配管５０ｂと接続されている。
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の間が遮断されている。
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。
この第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が下動する。これによりバルブ３０８も下動し、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。
【００３３】
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。
【００３４】
続いて、制御装置６０が実行する処理について説明する。ここでは、本発明にあまり関連しない処理については説明を省略する。図７に、制御装置６０が実行する処理のフローチャートが示されている。
制御装置６０は、イグニション４がＯＮされるのを常時監視している（ステップＳ２）。イグニション４がＯＮされると、第１遮断弁１０４（パイロット式遮断弁）と第３遮断弁２６を開く（ステップＳ４）。制御装置６０は、第１遮断弁１０４のコイル１１８（図２参照）に通電してパイロットバルブ１０８を開く。また、第３遮断弁２６のコイルに通電してバルブを移動させることによって、第３遮断弁２６を開く。
ステップＳ４の処理を行なうと、メインバルブ１３０に形成されている孔１３０ｂ（図２参照）を介して少量の水素ガスが通過できるようになる。ステップＳ４の処理を実行する時点では、第２遮断弁２０は閉じられている。第１遮断弁１０４を通過した水素ガスは、第２遮断弁２０より下流側に流れていくことができない。このため、第１遮断弁１０４を通過した水素ガスによって、ガス配管５０ａ（図１参照）や第１レギュレータ１６より上流側（第１遮断弁１０４のメインバルブ１３０の直下）のガス圧が速やかに上昇していく。メインバルブ１３０の上下流間の差圧が素早く小さくなっていく。
【００３５】
本実施例の第１遮断弁１０４は、ガス配管５０ａのガス圧が１．０ＭＰａまで上昇した場合には、メインバルブ１３０の上下流間の差圧がかなり小さくなってメインバルブ１３０が下動するようになっている。制御装置６０は、圧力センサ１８（図１参照）の検出値が１．０ＭＰａに達したか否かを監視し（ステップＳ６）、圧力センサ１８の検出値が１．０ＭＰａに達した場合（ステップＳ６でＹＥＳの場合）には第２遮断弁２０を開く処理を実行する（ステップＳ８）。ステップＳ８の処理は、第２遮断弁２０のコイル３０２（図６参照）に通電することによって実行される。
本実施例では、ボンベ１２内のガス圧が１０ＭＰａである場合、ステップＳ４の処理からステップＳ６の処理を実行するまでの時間は約０．２秒である。第１遮断弁１０４のパイロットバルブ１０８が開かれてからメインバルブ１３０が開かれるまでが非常に早い。
ステップＳ８の処理を実行することにより、第２遮断弁２０を水素ガスが通過できるようになる。このときには第１遮断弁１０４のメインバルブ１３０が開かれているために、充分な量の水素ガスがボンベ１２から流出していくことができる。従って、第２遮断弁２０より下流側は、必要なガス圧まで素早く昇圧する。本実施例では、燃料電池３０の水素ガス通過経路３０ａが０．２ＭＰａ程度に達すると燃料電池３０を起動することができる。上述したように、燃料電池３０の水素ガス通過経路３０ａは大きい容量（約８リットル）を持つが、その経路３０ａが速やかに０．２ＭＰａまで昇圧される。本実施例のシステム１０によると、イグニション４がＯＮされてから燃料電池３０を起動するまでの時間が非常に早い。
【００３６】
制御装置６０は、燃料電池３０の起動中に、イグニション４がＯＦＦされたか否かを常時監視している（ステップＳ１０）。イグニション４がＯＦＦされた場合（ステップＳ１０でＹＥＳの場合）は、第１遮断弁１０４を閉じる処理を実行する（ステップＳ１２）。この処理は、第１遮断弁１０４のコイル１１８（図２参照）に通電するのを停止することによって実行される。ステップＳ１２の処理が実行されることにより、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。
続いて、排気シャット弁３６を開く（ステップＳ１４）。この処理を実行すると、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ことになる。これにより、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等に負荷がかかるのを抑制できる。
制御装置６０は、排気シャット弁３６を開くと、圧力センサ１８（図１参照）の検出値が０．１ＭＰａになったか否かを監視する（ステップＳ１６）。圧力センサ１８の検出値が０．１ＭＰａになった場合（ステップＳ１６でＹＥＳの場合）には、第２遮断弁２０と第３遮断弁２６と排気シャット弁３６を閉じる。即ち、それぞれの弁２０，２６，３６のコイルに通電するのを停止する。イグニション４がＯＦＦされている間は、この状態が維持される。
制御装置６０は、ステップＳ１８の処理を終えると、ステップＳ２に戻ってイグニション４がＯＮされたか否かを監視する処理を実行する。
【００３７】
本実施例の燃料電池発電システム１０によると、第１遮断弁１０４のメインバルブ１３０が開かれるまで第２遮断弁２０を閉じておくために、メインバルブ１３０を早く開かせることができる。上述したが、ボンベ１２内のガス圧が１０ＭＰａである場合は約０．２秒でメインバルブ１３０を開かせることができる。もし第２遮断弁２０が存在しなければ、ボンベ１２内のガス圧が１０ＭＰａである場合に、パイロットバルブ１０８が開いてからメインバルブ１３０が開くまでに５０秒の時間を要することが実験によって得られている。本実施例によると、メインバルブ１３０を極めて短時間で開かせることができる。
第２遮断弁２０を開くときには第１遮断弁１４のメインバルブ１３０が開かれているために、第２遮断弁２０より下流側は必要とされるガス圧まで素早く昇圧する。本実施例では、燃料電池３０を起動させるまでの時間を短縮化することができる。
【００３８】
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。
また、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】
【００３９】
【図１】燃料電池自動車のシステム構成を示す。
【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】制御装置が実行する処理のフローチャートを示す。
【符号の説明】
【００４０】
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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