(57)【要約】【課題】  導入ガスの圧力が高まっても応答性が低下しない調圧器、およびその調圧器を備える燃料電池システムを提供する。【解決手段】  水素ガスが導入される調圧室１３と、調圧室１３に連通する流路と、調圧室１３への水素ガスの流入量を調節する弁体３２と、水素ガスが導入される背圧室３８と、背圧室３８に連通する流路と、弁体３２を付勢する各スプリング１７，３３とを備える調圧器ＲＧにおいて、調圧室１３および調圧室１３に連通する流路によって第１のヘルツホルム共鳴器を構成し、背圧室３８および背圧室３８に連通する流路によって第２のヘルツホルム共鳴器を構成し、弁体３２および各スプリング１７，３３によって構成される機械振動系の共振周波数を、各ヘルツホルム共鳴器の共鳴周波数と一致させる。【選択図】  図２
2007004306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が導入される空間と、前記空間に連通する流路と、前記流路に設けられ前記空間への流体の流入量を調節する弁体と、前記弁体を付勢するスプリングとを備え、前記空間および前記流路がヘルツホルム共鳴器を構成する調圧器であって、
前記弁体および前記スプリングによって構成される機械振動系の共振周波数が、前記ヘルツホルム共鳴器の共鳴周波数と一致する調圧器。
【請求項２】
前記空間の容積をＶ、前記流路の断面積をＳ、前記流路の長さをｌ、前記流体を伝播する音の速度をｃとするとき、前記共鳴周波数ｆ0が（ｃ／２π）＊｛Ｓ／ｌ＊Ｖ｝1/2で表される請求項１に記載の調圧器。
【請求項３】
調圧室と、前記調圧室に第１の流路を介して連通する流入ポートと、前記調圧室に連通する流出ポートとが形成されている調圧器本体と、
前記調圧室の一部を画成するダイヤフラムと、
前記流入ポートを通じて前記調圧室に流入した流体の圧力に対抗して前記ダイヤフラムを付勢する調圧スプリングと、
前記流入ポートに流入する流体の圧力に応じて前記第１の流路内での圧損を変化させるように作動することにより、前記流入ポートから前記調圧室への流体の流入量を調節する制御弁とを備え、
前記制御弁は、弁体と、
前記調圧スプリングの付勢力に対抗して前記弁体を付勢する制御スプリングと、
前記流出ポートに第２の流路を介して連通し、前記弁体に前記調圧室において調圧された流体の圧力を作用させる背圧室が形成されている制御弁本体と、を備える調圧器であって、
前記調圧室および前記第１の流路、または前記背圧室および前記第２の流路の少なくともいずれか一方がヘルツホルム共鳴器を構成し、かつ前記調圧スプリングおよび前記制御スプリング、ならびに前記弁体によって構成される機械振動系の共振周波数が、前記ヘルツホルム共鳴器の共鳴周波数と一致する調圧器。
【請求項４】
前記弁体の材料が、アルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項１〜３のいずれかに記載の調圧器。
【請求項５】
ガス供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に連通するガス流路とを備える燃料電池システムであって、
前記ガス流路上に、請求項１から４のいずれか一項に記載の調圧器が設けられている燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、調圧器とそれを備えた燃料電池システムに関し、特に、同調圧器の応答性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池スタックに、高圧の水素を蓄えた水素タンクから水素ガス（燃料ガス）を供給するとともに空気を加圧供給し、燃料電池スタック内において水素ガスと空気とを電気化学反応させ、起電力を得る。このような燃料電池システムにおいては、水素ガスを燃料電池スタックに供給する配管に、高圧の水素ガスを調圧する調圧器、いわゆるレギュレータが設けられている。水素タンクに蓄えられた高圧の水素ガスは、レギュレータによって適正な圧力に調圧され、燃料電池スタックに供給される（例えば、下記の特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−３０４０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の燃料電池システムのレギュレータにおいては、水素タンクの小型化や水素貯蔵量の増大を図るために、水素の蓄圧を従来よりも高めることが検討されているが、水素が従来よりも高圧になると、調圧器の応答性が低下する可能性がある。
【０００４】
本発明の目的は、導入ガスの圧力が高まっても応答性が低下しない調圧器、およびその調圧器を備える燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の調圧器は、流体が導入される空間と、前記空間に連通する流路と、前記流路に設けられ前記空間への流体の流入量を調節する弁体と、前記弁体を付勢するスプリングとを備え、前記空間および前記流路がヘルツホルム共鳴器を構成する調圧器であって、前記弁体および前記スプリングによって構成される機械振動系の共振周波数が、前記ヘルツホルム共鳴器の共鳴周波数と一致する。
【０００６】
本発明の調圧器においては、前記空間の容積をＶ、前記流路の断面積をＳ、前記流路の長さをｌ、前記流体を伝播する音の速度をｃとするとき、前記共鳴周波数ｆ0が（ｃ／２π）＊｛Ｓ／ｌ＊Ｖ｝1/2で表されることが好ましい。
【０００７】
本発明の調圧器は、調圧室と、前記調圧室に第１の流路を介して連通する流入ポートと、前記調圧室に連通する流出ポートとが形成されている調圧器本体と、前記調圧室の一部を画成するダイヤフラムと、前記流入ポートを通じて前記調圧室に流入した流体の圧力に対抗して前記ダイヤフラムを付勢する調圧スプリングと、前記流入ポートに流入する流体の圧力に応じて前記第１の流路内での圧損を変化させるように作動することにより、前記流入ポートから前記調圧室への流体の流入量を調節する制御弁とを備え、前記制御弁は、弁体と、前記調圧スプリングの付勢力に対抗して前記弁体を付勢する制御スプリングと、前記流出ポートに第２の流路を介して連通し、前記弁体に前記調圧室において調圧された流体の圧力を作用させる背圧室が形成されている制御弁本体と、を備える調圧器であって、記調圧室および前記第１の流路、または前記背圧室および前記第２の流路の少なくともいずれか一方がヘルツホルム共鳴器を構成し、かつ前記調圧スプリングおよび前記制御スプリング、ならびに前記弁体によって構成される機械振動系の共振周波数が、前記ヘルツホルム共鳴器の共鳴周波数と一致する。
【０００８】
本発明の調圧器においては、前記弁体の材料が、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、弁体およびスプリングによって構成される機械振動系の共振周波数が、ヘルツホルム共鳴器の共鳴周波数と一致することにより、弁体の動作が流体の共鳴振動にサポートされて円滑に行われるようになるので、高圧の流体を搬送する場合でも、調圧器の応答性を良好に保つことができる。
【００１０】
本発明によれば、弁体の材料に、水素によっても脆化し難いアルミニウムまたはアルミニウム合金を採用しているので、導入ガスが水素である調圧器の耐久性を良好に維持することができることに加え、弁体を軽量化して応答性の向上に寄与することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、ガス供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に連通するガス流路とを備える燃料電池システムであって、前記ガス流路上に、上記いずれかの調圧器が設けられている。
【００１２】
本発明によれば、導入ガスの圧力が上昇しても応答性の低下しない調圧器を採用しているので、導入ガスの圧力変動に影響されることなく、高い発電効率を維持することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、導入ガスの圧力が高まっても応答性が低下しない調圧器を提供することができ、また、そのような調圧器を備えることによって、導入ガスの圧力が高まっても高い発電効率を維持可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の調圧器、および調圧器を備える燃料電池システムの実施形態を、図１から図３に示して説明する。
【００１５】
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、水素ガスを貯蔵する水素タンクＴと、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に酸化ガス（空気）を供給するコンプレッサ２と、酸化ガスを加湿する加湿器３とを備えている。燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１によって発電された電力を蓄える蓄電池Ｂと、燃料電池スタック１によって発電された電力または蓄電池Ｂに蓄えられた電力によって駆動するモータＭとが接続されている。
【００１６】
水素タンクＴと燃料電池スタック１の上流側の水素ガスマニホールド（図示略）との間には、配管５が設けられている。配管５には、調圧器ＲＧが設けられている。レギュレータＲＧは、水素タンクＴから供給される高圧の水素ガスを調圧（減圧）する機器である。
【００１７】
吸気口６と燃料電池スタック１の上流側の酸化ガスマニホールド（図示略）との間には、酸化ガス（空気）が流通する配管７が設けられている。配管７には、コンプレッサ２と、加湿器３とが設けられている。
【００１８】
燃料電池スタック１の下流側の水素ガスマニホールド（図示略）には、電気化学反応に供した水素オフガスが流通する配管８の一端が接続されている。この配管８の他端は配管９に合流している。燃料電池スタック１の下流側の酸化ガスマニホールド（図示略）には、電気化学反応に供した酸化オフガスが流通する配管９の一端が接続されている。配管９には、燃料電池スタック１に供給される酸化ガス圧を調整する背圧調整弁４が設けられている。
【００１９】
調圧器ＲＧは、図２に示すように、調圧器本体１０と、制御弁３０とを備えている。調圧器本体１０は、基体部１１と、基体部１１の上部に固定されるカバー１２とを備えている。基体部１１の上部には、調圧室１３を画成する凹所１１ａが形成されている。また、基体部１１の一方の側部には、調圧室１３に連通する流入ポート１４が形成され、基体部１１の他方の側部には、調圧室１３に連通する流出ポート１５が形成されている。
【００２０】
基体部１１とカバー１２とによって画成される空間には、基体部１１とカバー１２との間に挟まれるようにして、ダイヤフラム１６が設けられている。ダイヤフラム１６の中央には、ダイヤフラムホルダ１６ａが設けられている。ダイヤフラム１６は、基体部１１の凹所１１ａとともに調圧室１３を画成している。カバー１２とダイヤフラム１６とによって画成される空間には、調圧スプリング１７が設けられている。
【００２１】
調圧スプリング１７は、上端をカバー１２に当接させ、下端をダイヤフラムホルダ１６ａに当接させており、流入ポート１４を通じて調圧室１３に流入した水素ガスの圧力に対抗して、ダイヤフラム１６を調圧室１３の底面に向けて付勢する。
【００２２】
基体部１１の下部には、調圧スプリング１７の付勢力が作用する方向に向けて、制御弁３０を装填される穴１８が形成されている。穴１８の奥には、円錐形状のテーパ面１８ａが形成されている。
【００２３】
基体部１１には、テーパ面１８ａの中央から調圧室１３に貫通する貫通孔１９が形成されている。貫通孔１９の延在する方向は、調圧スプリング１７の付勢力が作用する方向に一致している。基体部１１には、流入ポート１４から穴１８に貫通する貫通孔２０が形成されている。また、基体部１１には、流出ポート１５から穴１８に貫通する貫通孔２１が形成されている。
【００２４】
制御弁３０は、制御弁本体３１と、弁体３２と、弁体３２を付勢する制御スプリング３３とを備えている。制御弁本体３１は、上下方向に長い略円柱形状をなしている。制御弁本体３１には、上面３１ａから下方に向けて、弁体３２および制御スプリング３３を嵌め込まれる穴３４が形成されている。穴３４に嵌め込まれた弁体３２を調圧室１３に向けて付勢するガス圧を生じさせる背圧室３８を構成している。なお、穴３４は、下方に向かうに従って段階的に内径が変化していてもよい。
【００２５】
弁体３２は、軸３５と、軸３５の上端に設けられた膨出部３６とからなる。弁体３２の材料には、アルミニウムまたはアルミニウム合金が使用されている。軸３５、膨出部３６は、弁体３２の長手方向に垂直な断面形状が円形であり、軸３５の外径は、穴３４の小径部分の内径よりも僅かに小さく、膨出部３６の外形は、穴３４の大径部分の内径よりも僅かに小さい。また、膨出部３６の上部には、円錐形状のテーパ面３６ａが形成されている。なお、テーパ面３６ａの傾斜は、テーパ面１８ａの傾斜よりもきつい。
【００２６】
弁体３２は、軸３５の下端を穴３４の小径部分に挿入され、膨出部３６を穴３４の大径部分に嵌め込まれており、穴３４の長手方向に移動可能である。ただし、穴３４の大径部分には、先んじて制御スプリング３３が嵌め込まれているので、弁体３２は自由に移動することはできない。制御スプリング３３は、下端を穴３４の大径部分の底面に当接させ、上端を膨出部３６の下面に当接させており、調圧スプリング１７の付勢力に対抗して、弁体３２を調圧室１３に向けて付勢する。
【００２７】
穴３４の大径部分と小径部分との間には、大径部分よりも径が小さく、小径部分よりも径が大きな中径部分が形成されており、この中径部分には、弁体３２の軸芯を調整する調芯部材３７が設けられている。
【００２８】
軸３５の下端は穴３４の底には接しておらず、穴３４の底には、穴３４の小径部分と軸３５の下端面とによって空間が画成される。この空間に、後述する貫通孔３９が連通する。制御弁本体３１には、外周面から穴３４の小径部分に貫通する貫通孔３９が形成されている。貫通孔３９はひとつではなく、放射状に複数形成されている。
【００２９】
制御弁３０は、外周面を穴１８の内面に密着させるようにして、穴１８に装填されている。制御弁本体３１の上面と、穴１８の奥に形成されたテーパ面１８ａとは密着せずに離間しており、隙間４０が設けられている。また、貫通孔２０が開口している穴１８の内周面と、制御弁本体３１の上部の外周面との間には、全周にわたって隙間が設けられており、この隙間が環状の流路４１を形成している。
【００３０】
流入ポート１４は、調圧室１３に、貫通孔２０、隙間４０、流路４１、および貫通孔１９を介して連通可能とされている。なお、調圧スプリング１７の付勢力は、制御スプリング３３の付勢力よりも大きい。
【００３１】
貫通孔２１が開口している穴１８の内周面と、貫通孔３９が開口している制御弁本体３１の外周面との間には、全周にわたって隙間が設けられており、この隙間が環状の圧力室４２を形成している。流出ポート１５は、背圧室３８に、貫通孔２１、圧力室４２、および貫通孔３９を介して連通可能とされている。
【００３２】
制御弁本体３１の下部の外周面には全周にわたって溝が形成されており、この溝には、穴１８の内周面と制御弁本体３１の外周面との間を封止するシール部材４３が配設されている。
【００３３】
ダイヤフラムホルダ１６ａと、弁体３２とは、貫通孔１９に配設された連結軸４４によって連結されている。連結軸４４の外径は、貫通孔１９の内径よりも明らかに小さいので、連結軸４４が貫通孔１９を流れる水素ガスの流れを阻害することはない。
【００３４】
上記のように構成された調圧器ＲＧは、次のように作動する。配管５を通じて流入ポート１４に供給された高圧の水素ガスは、貫通孔２０および流路４１を通じて調圧室１３に流入する。調圧室１３に流入した水素ガスの圧力は、ダイヤフラム１６に対し、調圧スプリング１７の付勢力に対抗して弁体３２を押し上げる方向に力を作用させる。水素ガスの圧力が調圧スプリング１７の付勢力に勝ると、弁体３２が上方に押し上げられるので、流入ポート１４が調圧室１３と連通する。
【００３５】
流入ポート１４が調圧室１３と連通すると、調圧室１３に高圧の水素ガスが流入する。調圧室１３では、高圧の水素ガスが、調圧スプリング１７の付勢力に対抗してダイヤフラム１６を上方に押し上げようとする。すると、隙間４０が狭くなり、圧力損失が大となるので、調圧室１３の中の水素ガスの圧力が低下する。圧力が低下した水素ガスは、流出ポート１５に流入し、配管５を通じて燃料電池スタック１に供給される。
【００３６】
流出ポート１５に流入した水素ガスの一部は、貫通孔２１、圧力室４２、および貫通孔３９を通じて制御弁３０の背圧室３８に流入する。背圧室３８に流入した水素ガスの圧力は、弁体３２の軸３５の下端面に対し、調圧スプリング１７の付勢力に対抗して弁体３２、連結軸４４、およびダイヤフラム１６を押し上げる方向に力を作用させる。
【００３７】
弁体３２を押し下げようとする力と、弁体３２を押し上げようとする力が均衡すると、調圧器ＲＧによって適正な減圧が行われる。ところが、燃料電池スタック１において水素ガスが過剰に消費され、流出ポート１５側の水素ガスの圧力が低下すると、背圧室３８内の水素ガスの圧力が低下し、弁体３２、連結軸４４、およびダイヤフラム１６を押し上げようとする力が弱まる。すると、弁体３２に作用する力の均衡が崩れ、弁体３２が押し下げられる。
【００３８】
弁体３２が押し下げられると、穴１８のテーパ面１８ａと弁体３２のテーパ面３６ａとが大きく離間し、調圧室１３に流入する水素ガスの量が増加する。調圧室１３への水素ガスの流入量が増加すると、結果的に燃料電池スタック１に供給される水素ガスの量が増加するので、燃料電池スタック１における過剰消費分が補われる。水素ガスの過剰消費分が補われ、流出ポート１５側の水素ガスの圧力が適正な大きさに回復すると、弁体３２に作用する力が均衡し、再び適正な減圧が行われるようになる。
【００３９】
一方、燃料電池スタック１において水素ガスの消費量が減り、流出ポート１５側の水素ガスの圧力が高まると、背圧室３８内の水素ガスの圧力が高まり、弁体３２、連結軸４４、およびダイヤフラム１６を押し上げようとする力が強まる。すると、弁体３２に作用する力の均衡が崩れ、弁体３２が押し上げられる。弁体３２が押し上げられると、穴１８のテーパ面１８ａと弁体３２のテーパ面３６ａとが接近し、調圧室１３に流入する水素ガスの量が減少する。
【００４０】
調圧室１３への水素ガスの流入量が減少すると、結果的に燃料電池スタック１に供給される水素ガスの量が減少するので、燃料電池スタック１における水素ガスの需給バランスが回復する。水素ガスの供給量が減り、流出ポート１５側の水素ガスの圧力が適正な大きさに回復すると、弁体３２に作用する力が均衡し、再び適正な減圧が行われるようになる。
【００４１】
上記のように構成された調圧器ＲＧにおいては、調圧室１３と、流入ポート１４から調圧室１３に通じる水素ガスの流路とが、第１のヘルツホルム共鳴器を構成するように、各部の形状が決定されている。また、背圧室３８と、流出ポート１５から背圧室３８に通じる水素ガスの流路とが、第２のヘルツホルム共鳴器を構成するように、各部の形状が決定されている。
【００４２】
ヘルツホルム共鳴器とは、図３に示すように、容積Ｖの空洞５０に、長さｌ、断面積Ｓの流路５１がつながれたもので、どの寸法も波長に比べて十分に短く、空洞５０、流路５１とも同位相として扱うことができる。ここで、水素ガスを伝播する音の速度をｃとするとき、このヘルツホルム共鳴器の共鳴周波数ｆ0は、
ｆ0＝（ｃ／２π）＊｛Ｓ／ｌ＊Ｖ｝1/2
で表すことができる。
【００４３】
第１のヘルツホルム共鳴器を構成する調圧室１３が、図３のモデルの空洞５０に相当し、流入ポート１４から調圧室１３に通じる水素ガスの流路、すなわち貫通孔２０、隙間４０、流路４１、および貫通孔１９が、上記モデルの流路５１に相当する。また、第２のヘルツホルム共鳴器を構成する背圧室３８が上記モデルの空洞５０に相当し、流出ポート１５から背圧室３８に通じる水素ガスの流路、すなわち貫通孔２１、圧力室４２、および貫通孔３９が、上記モデルの流路５１に相当する。
【００４４】
さらに、この調圧器ＲＧにおいては、弁体３２、制御スプリング３３、および調圧スプリング１７によって構成される機械振動系の共振周波数が、ヘルツホルム共鳴器の共鳴周波数ｆ0と一致するように、各部の形状や重量、付勢力の強さ等が決定されている。
【００４５】
上記のように構成された調圧器ＲＧによれば、上記機械振動系の共振周波数がヘルツホルム共鳴器の共鳴周波数と一致しているので、弁体３２の動作が水素ガスの共鳴振動にサポートされて円滑に行われるようになる。したがって、高圧の水素ガスを搬送する場合でも、調圧器ＲＧの応答性を良好に保つことができる。
【００４６】
また、弁体３２の材料に、水素によっても脆化し難いアルミニウムまたはアルミニウム合金を採用しているので、調圧器ＲＧの耐久性を良好に維持することができることに加え、弁体３２を軽量化して応答性の向上に寄与することができる。さらに、調圧器ＲＧを採用した燃料電池システムによれば、水素ガスの圧力変動に影響されることなく高い発電効率を維持することができる。
【００４７】
ところで、本実施形態においては、２つのヘルツホルム共鳴器が構成されている例について説明したが、上記第１、第２のヘルツホルム共鳴器のいずれか一方だけが構成されている場合も、上記したような効果を得ることができる。
【００４８】
本実施形態の調圧器ＲＧには、弁体３２の膨出部３６の外周に、調圧室１３に流れ込もうとする水素ガスと、背圧室３８に充填された水素ガスとが混合しないように、シール部材を設けることが好ましい。シール部材を設けることにより、第１のヘルツホルム共鳴器の共鳴現象と、第２のヘルツホルム共鳴器の共鳴現象とを分けて検討することができ、振動の抑制が可能である。
【００４９】
本実施形態の調圧器ＲＧでは、弁体３２の材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を採用したが、これらに代えて、ステンレス鋼を採用しても構わない。また、本実施形態による調圧器ＲＧの構成を、配管９の燃料電池スタック１の出口近傍に設けられた背圧調整弁４に採用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態を示す図であって、燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す図であって、調圧器の断面図である。
【図３】ヘルツホルム共鳴器を模式的に示したモデル図である。
【符号の説明】
【００５１】
Ｔ…水素タンク、Ｂ…蓄電池、ＲＧ…調圧器、１…燃料電池スタック、２…コンプレッサ、１０…調圧器本体、１３…調圧室、１４…流入ポート、１５…流出ポート、１６…ダイヤフラム、１７…調圧スプリング、３０…制御弁、３２…弁体、３３…制御スプリング、３８…背圧室
【図１】
2007004306.tif 000003
【図２】
2007004306.tif 000004
【図３】
2007004306.tif 000005