(57)【要約】【課題】圧力調整弁の開弁時における流量の増大を図る。【解決手段】圧力調整弁は、１次側流路と２次側流路の間に開閉可能に設けられ、両流路間を流れる流体の流量を調整する弁体を備える。そして、この弁体に対しては、１次側流路１０４の壁面から離れた位置に設けられた開口部１３２によって取り込まれた流体の静圧が、その閉方向に作用される。開口部１３２では、流体の速度が速く、低い静圧を有する。したがって、弁体の開弁時には、流体の流れに鋭敏に反応して開弁量が増大するため、十分な流量を流すことが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側流路と２次側流路の間に開閉可能に設けられ、両流路間を流れる流体の流量を調整する弁体と、
１次側流路又は２次側流路において、その壁面から離れた位置に設けられ、流体の静圧を取り込む取込口と、
取込口から取り込んだ前記静圧を、弁体に対しその閉方向に作用させて、弁体の開度を調整する静圧調整機構と、
を備える、ことを特徴とする圧力調整弁。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力調整弁において、
取込口は、１次側流路又は２次側流路において、流路の断面中心の近傍に設けられる、ことを特徴とする圧力調整弁。
【請求項３】
請求項１に記載の圧力調整弁において、
１次側流路又は２次側流路の壁面から離れた位置に、流れ方向に伸びる細管が設けられ、
取込口は、この細管の側面に設けられる、ことを特徴とする圧力調整弁。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力調整弁において、
２次側流路の圧力を、弁体に対しその閉方向に作用させて、弁体の開度を調整する２次側圧力調整機構を備え、
流体は１次側流路から２次側流路に流される、ことを特徴とする圧力調整弁。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力調整弁と、
アノードガスが供給されて、電力を発電する燃料電池と、
を備え、
前記１次側流路は、アノードガスの供給源側の流路をなし、
前記２次側流路は、燃料電池側の流路をなす、ことを特徴とす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、流体の流れを制御する圧力調整弁、特に、その開閉を調整する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、燃料電池の水素供給路に用いられる圧力調整弁が開示されている。ここでは、図４に、この文献の図１に記載された圧力調整弁を示し、その構造と動作について簡単に説明する。
【０００３】
圧力調整弁２Ａは、第１ハウジング４と第２ハウジング６，及び、これらの間に開閉可能に設置された弁体８を備える。第１ハウジング４には、平板状のダイヤフラム１０が設けられている。このダイヤフラム１０は、一面において、弁体８から伸びる連結部材１２と連結され、他面において、第１ハウジング４との間に隔離された圧力室１４を形作るとともに、圧力室１４内に設けられた圧力設定スプリング１６と接続されている。圧力設定スプリング１６は、ダイヤフラム１０を通じて、弁体８に開方向の力（弁体８を開く方向に働く力）を作用させるものである。また、弁体８の連結部材１２とは反対側には、バランス室１８と補助的な圧力設定スプリング２０が設けられ、ともに弁体８に対し、閉方向の力を作用している。そして、弁体８は、軸受け２２によって保持され、閉時には弁座２４に受け止められる。
【０００４】
第１ハウジング４と第２ハウジング６の間には、流体入口３２から続く１次側ガス流路３０が形成されている。そして、１次側ガス流路３０は、開口部３４を介して２次側ガス流路３８に連結され、２次側ガス流路３８は流体出口３９へと通じている。開口部３４は、隔壁３６に設けられており、弁体８によって開閉されるものである。１次側ガス流路３０には、流路断面積が小さく設定されたオリフィス（絞り部）４０が設けられている。このオリフィス４０における壁面からバランス室１８へは連通路４２が設けられており、オリフィス４０における側面の圧力をバランス室１８に導入している。
【０００５】
続いて、燃料電池に水素を供給する流路に圧力調整弁２Ａを使用する際の動作について説明する。この場合、圧力調整弁２Ａは、流体入口３２を水素供給源側の高圧の流路に接続され、流体出口３９を燃料電池側の低圧の流路に接続される。
【０００６】
燃料電池側、すなわち、２次側ガス流路３８の水素の圧力が設定値より高い場合には、この圧力によって、ダイヤフラム１０が弁体８の閉方向に押されるため、弁体８は閉状態に維持され、水素の供給が停止される。他方、２次側ガス流路３８の圧力が設定値より低い場合には、ダイヤフラム１０が圧力設定スプリング１６によって弁体８の開方向に押されるため、弁体８が開き、水素が１次側ガス流路３０から２次側ガス流路３８に供給される。このとき、オリフィス４０付近では、特に流体の速度が速くなるため、流体の静圧が低下し、したがって、バランス室１８の圧力も低下する。この結果、弁体８に閉方向に作用する力が弱まり、弁体８の開度が増加する。やがて、十分な量の水素が流されると、２次側ガス流路３８の圧力が増大し、ダイヤフラム１０が弁体８の閉方向に押されるため、弁体８は閉じられ、水素の供給が停止される。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２２７８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図４の技術、すなわち上記特許文献１の技術では、流量が増大する時に、バランス室１８の圧力を低下させるように、１次側ガス流路３０のオリフィス４０を設けている。しかし、このオリフィス４０は、流体にとっての障害物ともなるため、特に流すべき流量が多い場合に、十分な流量を確保することができない原因となり得る。
【０００９】
また、この技術においては、オリフィス４０の壁面に開口部を設けて静圧を取得している。しかし、壁面付近では、壁面の摩擦によって、流体の速度が遅くなってしまうため、静圧は必ずしも十分に低下しないと考えられる。
【００１０】
本発明の課題は、圧力調整弁の開弁時における流量の増大を図ることにある。
【００１１】
本発明の別の課題は、流量が増大した場合における調圧値の低下を抑制する圧力調整弁を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の圧力調整弁は、１次側流路と２次側流路の間に開閉可能に設けられ、両流路間を流れる流体の流量を調整する弁体と、１次側流路又は２次側流路において、その壁面から離れた位置に設けられ、流体の静圧を取り込む取込口と、取込口から取り込んだ前記静圧を、弁体に対しその閉方向に作用させて、弁体の開度を調整する静圧調整機構と、を備える。
【００１３】
圧力調整弁は、１次側流路と２次側流路の間に設けられ、両流路にまたがって流れる流体の流量を調整する。この調整は、両流路間の開度を可変とするように設けられた弁体の開閉によって行われる。なお、流体は、１次側流路から２次側流路に流れても、２次側流路から１次側流路に流れてもよく、その時々によって流れ方向が変化するものであってもよい。
【００１４】
取込口は、１次側流路又は２次側流路において、流路の壁面から離れた位置に設置される。壁面から離れた位置とは、周囲の壁面よりも若干なりとも内側となる位置をいう。取込口は、流体の静圧を取り込む。ここで、静圧を取り込むとは、動圧及び静圧からなる全圧のうち、静圧を中心として取り込むことをいう。つまり、取得する圧力には、動圧が若干含まれてもよいが、支配的な静圧は静圧であることを意味する。一般に、静圧は、取込口を流れに平行にすることで取り込め、全圧（静圧と動圧の和）は、取込口を流れに垂直（典型的には、流れの上流に向ける）にすることで取り込める。したがって、静圧を支配的に取り込むためには、取込口は、流れに平行（理想的には、傾きはほぼ０度、少なくとも１０度程度以下）、あるいは略平行（例えば、２０度程度以下、少なくとも３０度あるいは４５度程度以下）であることが望ましい。
【００１５】
静圧調整機構は、取込口と連通するなどして取込口から取り込んだ静圧を、直接的、または、（例えば圧力を増幅させる圧力バルブを通じて）間接的に、弁体に対し作用させ、弁体の開度を調整する。静圧は、弁体を閉じる方向に作用されるため、静圧が低い場合には弁体を閉じる力が弱まって開度が増大し、静圧が高い場合には弁体を閉じる力が強まって開度が減少あるいは閉弁する。なお、弁体の開度（開きの度合い）の調整には、静圧の作用に加え、バネ張力や流体の静圧以外の圧力（全圧や動圧）なども利用することができる。
【００１６】
この構成によれば、取込口からは、壁面付近に比べて、低い静圧を取り込むことができる。これは、完全流体において流線や渦線に沿って成立するベルヌーイの定理、すなわち、速度の自乗である動圧と静圧との和である全圧が一定となるとの定理を、一般の流体に拡張適用することで理解できる。つまり、壁面では粘性によって流体の速度が遅くなるため、静圧はあまり下がらないが、壁面から離れた位置においては速度が速いために静圧は大きく低下することとなる。したがって、流体の流れの速さを敏感に反映して、弁体の開度を調整することが可能となり、圧力調整弁の開弁時における流量の増大を図ることができる。すなわち、この圧力調整弁では、流体の流れが速くなると静圧が低下して開度が増大し、流体の流れが遅くなると静圧が増加して開度が減少あるいは閉弁するが、開度が増大した場合には、流れを妨げる障害が小さくなるために、流れが速くなり、その速度増加を鋭敏に反映して速やかに開度が増大するというフィードバック効果が期待できる。また、開度が減少した場合にも、同様のフィードバックが期待できる。このため、通常の圧力調整弁では流量の増大が必要となる場合に、流量の供給が追いつかず、圧力調整弁の下流における調圧値の低下が顕著となるが、本圧力調整弁では調圧値の低下を抑制する効果も得られるものと期待できる。
【００１７】
本発明の圧力調整弁の一態様においては、取込口は、１次側流路又は２次側流路において、流路の断面中心の近傍に設けられる。理想的な粘性流体では、層流状態において、速度プロファイルは放物線形となる。すなわち、流路の中心付近で流れが最も速くなり、最も小さな静圧を取得することが可能となる。そこで、取込口を流路の断面中心の近傍に設けることとした。このことから、逆に、断面中心の近傍を定義することも可能である。すなわち、最大速度に比べて、特に望ましくは９０％程度よりも速い流れ領域、少なくとも７０％程度よりも速い流れ領域などを断面中心の近傍と呼ぶこともできよう。なお、流れが乱流状態となった場合にも、一般に、断面中心の近傍付近で速度が速くなり、壁付近の境界層で急速に速度が遅くなることが知られている。
【００１８】
本発明の圧力調整弁の一態様においては、１次側流路又は２次側流路の壁面から離れた位置に、流れ方向に伸びる細管が設けられ、取込口は、この細管の側面に設けられる。流れ方向に伸びる細管を用いた場合、細管の影響による流れの乱れを小さくすることが可能となる。なお、静圧調整機構へは、例えば、この細管と連通した別の管を用いて、静圧を伝えればよい。
【００１９】
本発明の圧力調整弁の一態様においては、２次側流路の圧力を、弁体に対しその閉方向に作用させて、弁体の開度を調整する２次側圧力調整機構を備え、流体は１次側流路から２次側流路に流される。この構成によれば、２次側流路の圧力が高くなると弁体の開度が減少または閉弁し、２次側流路の圧力が低くなると弁体の開度が増大する。そして、弁体が開いて十分な流体が２次側流路に流されると、２次側流路の圧力が高くなり、弁体の開度が減少または閉弁することとなる。なお、これらの過程では、同時に動作する静圧調整機構によって、開弁時の弁開度の増大が図られる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムは、前記圧力調整弁と、アノードガスが供給されて、電力を発電する燃料電池と、を備え、前記１次側流路は、アノードガスの供給源側の流路をなし、前記２次側流路は、燃料電池側の流路をなす。燃料電池においては、アノードガスの供給が減少すると、発電量が減少してしまうことになる。そこで、前記圧力調整弁を用いることが有効となる。燃料電池システムは様々な用途で利用することが可能であり、例えば、この燃料電池システムを搭載し、燃料電池が発電する電力によって駆動される燃料電池車においても用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本実施の形態にかかる燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。この燃料電池システム１００では、アノードガス供給源としての水素タンク１０２から、１次側流路１０４に水素が流される。１次側流路１０４は、圧力調整弁１０６の一端に接続され、圧力調整弁１０６の他端は、２次側流路１０８に接続される。そして、２次側流路１０８は、燃料電池１１０に接続され、燃料電池１１０のアノードに水素を供給する。
【００２２】
燃料電池１１０は、リン酸形や固体高分子形の燃料電池であり、アノードにはアノードガスとして水素が供給され、カソードにはカソードガスとしての酸素を含む空気が供給される。空気の供給は、空気供給路１１２と、その途上に設けられたエアコンプレッサ１１４によって行われる。燃料電池１１０では、供給された水素と酸素の化学反応を利用して発電を行い、電力供給路１１６を通じてその電力を外部出力する。
【００２３】
圧力調整弁１０６は、１次側流路の静圧を利用して、流量を制御する機構を備えた弁である。その基本的な構成は、例えば、図４に示した圧力調整弁２Ａと同様なものとすることができる。すなわち、例えば、ダイヤフラム１０や圧力設定スプリング１６などを設けて２次側圧力調整機構を構成し、これにより、２次側流路の圧力に応じた弁体の開閉を実施するように構成することができる。ただし、圧力調整弁１０６においては、弁体の開閉に用いる静圧の取り込み構造、すなわち、図４の態様におけるバランス室１８に導入するための静圧を取り込む構造が、顕著に異なっている。この違いについて、図２を用いて説明する。
【００２４】
図２（ａ）は、１次側流路１０４から静圧を取り込むための構成を示す断面図である。１次側流路１０４は、その周囲を流路壁１２０，１２２によって囲まれている。そして、流路壁１２２には、静圧調整機構に対し静圧を伝えるための連通路１２４が設けられている。図４の例で説明すれば、連通路１２４は連通路４２に対応し、静圧調整機構はバランス室１８及びその圧力によって弁体８を駆動する機構に対応する。しかし、連通路１２４は、図４の例とは異なり、１次側流路１０４の壁面には、開口部を持たない。代わりに、連通路１２４は、Ｌ字型で中空の細管１２６によって、１次側流路１０４内へと導かれている。具体的には、細管１２６は、流路壁１２２の壁面から１次側流路１０４の中心付近まで、流れ方向に垂直に伸びる垂直部１２８と、垂直部１２８の先端付近から、流れ方向に平行に上流側に伸びる水平部１３０とを有している。そして、水平部１３０の側面には、静圧の取込口としての開口部１３２が設けられている。
【００２５】
図２（ｂ）は、図２（ａ）の１次側流路１０４における典型的な流速分布を示す図である。乱れが小さい場合、粘性流体の流れは、壁面付近で０（静止し）、中心付近で速度最大となるような放物線形の速度分布（ポアズイユ流）をなす。すなわち、図２（ａ）に示した開口部１３２が設置されている１次側流路１０４の中心付近では、流速はほぼ最大となっている。
【００２６】
完全流体においては、定常かつ非圧縮で、重力の影響を無視できる場合、流線または渦線に沿って、ベルヌーイの定理が成立する。すなわち、静圧をｐ、流速をｖ、密度をρとすれば、動圧はρｖ2／２であり、静圧と動圧の間には、
ｐ  ＋  ρｖ2／２  ＝  一定
の関係が成り立つ。このベルヌーイの定理は、水素の場合にも近似的に成り立つものと考えられる。そこで、この関係式をポアズイユ流に適用したならば、流速が最大の付近においては、静圧ｐが最小となることが示される。
【００２７】
このように、図２（ａ）に示した構成を採用することで、１次側流路１０４を流れる水素中で取得可能なほぼ最小の静圧を連通路１２４に導くことができるようになる。したがって、ある速度プロファイルをもつ水素の流れがあったときに、静圧調整機構による弁体の開度を最も大きくすることが可能となる。
【００２８】
なお、図２（ａ）に示した例では、Ｌ字型の細管１２６を用いて静圧を取得したが、これは、いわゆるピトー管の静圧取得態様を模したものである。もちろん、静圧の取得はこれとは異なる形態をもつ細管などによっても行うことができる。また、図２（ａ）に示した例では、図４の例とは異なり、静圧を取得する付近にオリフィスを設けていない。これは、Ｌ字型の細管１２６によって、十分に小さな静圧を取得することが可能であるとの理由や、オリフィスを設けることによる流れの抵抗を減らし、十分な流量を確保したいとの理由によるものである。さらに、図２（ａ）に示した例では、１次側流路１０４から静圧をとる態様を示したが、２次側流路１０８から静圧をとることも可能となる。この場合において必要があれば、バネ張力などを用いて、開閉タイミングや開度の調整を行えばよい。
【００２９】
最後に、図２（ａ）の態様を採用することにより考えられる利点について、図３を用いて説明する。図３は、２次側流路圧力（縦軸）と、圧力弁を流れる流量（横軸）との関係を示した模式図である。図４に示した圧力調整弁２Ａを使用した場合、２次側流路圧力が設定値Ｐ0を下回ると開弁が行われ、破線１４０で示すような流量の水素が流れる。この圧力調整弁２Ａでは、しかし、弁の開度が十分なものとならず、十分な流量が２次側流路に流れ込まない。このため、流量が大きくなるほど、２次側流路圧力、つまり調圧値の落ち込みが顕著となる。
【００３０】
これに対し、図２（ａ）に示した態様により静圧を取得した場合には、流量の増大に敏感に追随して弁の開度も大きくなる。したがって、実線１４２で示すように、流量が大きくなっても、２次側流路における調圧値の落ち込みをかなり抑制できると考えられる。特に、静圧が、流速の２乗に比例して減少することを考慮すれば、流量が大きな領域においては、一点鎖線１４４で示すように、流量が増大するにつれて２次側流路圧力も増大する可能性もあると期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】燃料電池システムの構成例を示す概略図である。
【図２】静圧の取得する開口部付近の断面図及び流速分布図である。
【図３】流量と２次側流路圧力の関係についての模式的なグラフである。
【図４】本実施形態に関連する圧力調整弁についての断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
２Ａ  圧力調整弁、４，６  ハウジング、８  弁体、１０  ダイヤフラム、１２  連結部材、１４  圧力室、１６，２０  圧力設定スプリング、１８  バランス室、２２  軸受け、２４  弁座、３０  １次側ガス流路、３２  流体入口、３４  開口部、３６  隔壁、３８  ２次側ガス流路、３９  流体出口、４０  オリフィス、４２，１２４  連通路、１００  燃料電池システム、１０２  水素タンク、１０４  １次側流路、１０６  圧力調整弁、１０８  ２次側流路、１１０  燃料電池、１１２  空気供給路、１１４  エアコンプレッサ、１１６  電力供給路、１２０，１２２  流路壁、１２６  細管、１２８  垂直部、１３０  水平部、１３２  開口部、１４０  破線、１４２  実線、１４４  一点鎖線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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