特許 5720176 ガス体制御弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5720176

(24)【登録日】2015年4月3日

(45)【発行日】2015年5月20日

(54)【発明の名称】ガス体制御弁

(51)【国際特許分類】

   F16K 11/044 20060101AFI20150430BHJP

   F16K 31/04 20060101ALI20150430BHJP

   H01M 8/04 20060101ALI20150430BHJP

   H01M 8/10 20060101ALN20150430BHJP

【ＦＩ】

   F16K11/044 Z

   F16K31/04 A

   H01M8/04 N

   !H01M8/10

【請求項の数】2

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2010-243062(P2010-243062)

(22)【出願日】2010年10月29日

(65)【公開番号】特開2012-92954(P2012-92954A)

(43)【公開日】2012年5月17日

【審査請求日】2013年9月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】アイシン精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089082

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 脩

(72)【発明者】

【氏名】坂本 憲

(72)【発明者】

【氏名】菊 信隆

(72)【発明者】

【氏名】梶尾 克宏

(72)【発明者】

【氏名】三島 崇司

(72)【発明者】

【氏名】柏木 幸一

【審査官】 吉田 昌弘

(56)【参考文献】

【文献】 実開平０３−１２５９５６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭６０−００７４６４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００３−０７４７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−０８１４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０４９７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０１／０８２４００（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｋ １１／０４４

Ｆ１６Ｋ ３１／０４

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流入通路、第１流出通路及び第２流出通路が形成されたケーシングと、
前記ケーシングに、前記流入通路と前記第１流出通路との間に前記流入通路と平行に形成された第１弁座と、
前記ケーシングに、前記流入通路と前記第２流出通路との間に前記流入通路と平行に形成された第２弁座と、
前記ケーシングに前記流入通路と直角方向に移動可能に装架され、前記第１弁座と接離する第１弁部と、前記第２弁座と接離する第２弁部とが設けられた弁体と、
前記弁体を、前記第１弁部が前記第１弁座と当接する第１閉鎖位置と前記第２弁部が前記第２弁座と当接する第２閉鎖位置との間での作動ストロークを移動させる駆動装置と、
を備えたガス体制御弁において、
前記作動ストロークは、前記第１弁部の開度に応じて前記第１弁部を通過するガス流量が直線的に増加又は減少し、かつ前記第２弁部を通過するガス流量が変化しない第１作動領域と、
前記第２弁部の開度に応じて前記第２弁部を通過するガス流量が直線的に増加又は減少し、かつ前記第１弁部を通過するガス流量が変化しない第２作動領域と、
を有し、
前記第1作動領域と前記第２作動領域とが連続しているガス体制御弁。

【請求項2】

請求項１において、前記駆動装置は、前記ケーシングに固定されたステッピングモータと、
前記ステッピングモータの回転運動を直線運動に変換する運動変換機構とを備えているガス体制御弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一つの流路から流入するガス体を、第１及び第２の二つの流路に分岐させて流出させる場合に、各流路の開閉及び各流路を流れるガス体の流量を制御するガス体制御弁に関する。

【背景技術】

【0002】

一つの流路から流入するガス体を２つの流路に分岐させる場合、各流路の夫々に制御弁を設け、各制御弁の開閉により各流路を流れるガス体の流量を制御させるのが一般的である。しかし、各流路に夫々制御弁を設けるとすると、流路が構成する回路全体が複雑となってしまう。

【0003】

そのため、特許文献１に記載された燃料電池における酸化ガス流路システムにおいては、燃料電池に空気を供給する供給路と、燃料電池から空気を排出する排出路と、供給路から排出路に空気を迂回させるバイパス路と、が備えられ、供給路とバイパス路の分岐点には三方バルブが設置され、排気路とバイパス路との分岐点にも三方バルブが設置されている。そして、これらの三方バルブによって、供給路と排気路を閉口するシャット作用と、供給路と排気路の流量を調整する調圧作用を行なわせることが記載されている。これらの三方バルブを前記分岐点に設置することで、バルブの簡素化を図るものである。

【0004】

そして、これらの三方バルブは、直方体形状のケーシングを備え、ケーシングの三面には上流側の供給路に接続される入口パイプ（流入通路）と、下流側（燃料電池側）の供給路に接続される出口パイプ（第１流出通路）と、バイパス路に接続されるバイパス路側出口パイプ（第２流出通路）とが設けられている。そして、ケーシング内には出口パイプ及びバイパス路側出口パイプの外縁に延在するヒンジに一端部を中心に回動可能に連結されたフラップ状の弁体が設けられ、弁体は出口パイプ及びバイパス側出口パイプのいずれか一方を開口するとともに、いずれか他方を閉口するようになっている。また、弁体はステッピングモータによって開口度合いが制御されるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７−１８４１０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、特許文献１に開示された三方バルブは、一端部がヒンジにより回動可能に係合されたフラップ状の弁体であるため、出口パイプ及びバイパス側出口パイプの両方の開口端に密接するよう弁体に均一に面圧をかけることが難しい。そのため、安定したバルブの封止（閉鎖）が困難である。

【0007】

また、ステッピングモータで弁体の開口度合いを制御するため、弁体を開閉の途中で保持する場合があるが、弁体は入口パイプから流入するガス体によって強い風圧を受ける。そのため、弁体の開口度合いが影響を受け、精度の高い流量制御ができない。そして、安定した弁体の開口度合いを確保するには、弁体の構造を大きく頑丈にしなければならないため装置が大型化してしまうという問題があった。

【0008】

また、フラップ状の弁体で出口パイプ及びバイパス側出口パイプのいずれか一方を開口するとともに、いずれか他方を閉口する構造であるため、入口パイプから流入するガス体を出口パイプから流れ出る空気とバイパス側出口パイプから流れ出る空気とに分ける場合、一方の流量を増加させると、他方の流量は連動して減少してしまう。そのため、出口パイプ及びバイパス側出口パイプの両方に対して必要な流量を制御して供給することが困難である。

【0009】

また、フラップ状の弁体は、乱流が発生しやすく、ガス体の流れに対して脈動や気流音の原因となるという問題があった。

【0010】

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、シール性が高く、風圧を受けにくく、一方の流量を変化させても他方の流量に影響を与えず、脈動や気流音が発生しにくいガス体流量制御弁を提供することを解決すべき課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決する請求項１に係る発明の構成上の特徴は、流入通路、第１流出通路及び第２流出通路が形成されたケーシングと、前記ケーシングに、前記流入通路と前記第１流出通路との間に前記流入通路と平行に形成された第１弁座と、前記ケーシングに、前記流入通路と前記第２流出通路との間に前記流入通路と平行に形成された第２弁座と、前記ケーシングに前記流入通路と直角方向に移動可能に装架され、前記第１弁座と接離する第１弁部と、前記第２弁座と接離する第２弁部とが設けられた弁体と、前記弁体を、前記第１弁部が前記第１弁座と当接する第１閉鎖位置と前記第２弁部が前記第２弁座と当接する第２閉鎖位置との間での作動ストロークを移動させる駆動装置と、を備えたガス体制御弁において、前記作動ストロークは、前記第１弁部の開度に応じて前記第１弁部を通過するガス流量が直線的に増加又は減少し、かつ前記第２弁部を通過するガス流量が変化しない第１作動領域と、前記第２弁部の開度に応じて前記第２弁部を通過するガス流量が直線的に増加又は減少し、かつ前記第１弁部を通過するガス流量が変化しない第２作動領域と、を有し、前記第1作動領域と前記第２作動領域とが連続していることである。

【0013】

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記駆動装置は、前記ケーシングに固定されたステッピングモータと、前記ステッピングモータの回転運動を直線運動に変換する運動変換機構とを備えていることである。

【発明の効果】

【0014】

請求項１に係る発明によると、ガス体は流入通路からケーシングに流入し、ケーシングに流入したガス体は流入通路と第１流出通路との間に設けられた弁体の開弁状態の第１弁部と第１弁座との間を通過して第１流出通路から流出し、或いは流入通路と第２流出通路との間に設けられた弁体の開弁状態の第２弁部と第２弁座との間を通過して第２流出通路から流出する。そして、弁体の移動する作動ストロークは、第１弁部の開度に応じて第１弁部と第１弁座との間を通過するガス流量が直線的に増加又は減少し、かつ第２弁部と第２弁座との間を通過するガス流量が変化しない第１作動領域と、第２弁部の開度に応じて第２弁部と第２弁座との間を通過するガス流量が直線的に増加又は減少し、かつ第１弁部と第１弁座との間を通過するガス流量が変化しない第２作動領域と、を有する作動ストロークを備えている。

【0015】

そのため、第１作動領域でガス流量の制御を行うと、第２弁部でのガス流量が連動して減少或いは増加するようなことがない状態で、第１弁部の開度に応じて第１弁部と第１弁座との間を通過するガス流量が直線的に増加又は減少するので、第１弁部のガス流量の制御を独立して高精度で行うことができる。また、第２作動領域でガス流量の制御を行うと、第１弁部でのガス流量が連動して減少或いは増加するようなことがない状態で、第２弁部の開度に応じて第２弁部と第２弁座との間を通過するガス流量が直線的に増加又は減少するので第２弁部でのガス流量の制御を独立して高精度で行うことができる。このように、第１弁部と第２弁部の両方で必要な流量を制御して供給することができる。

【0016】

また、弁体は、流入通路に対して直角方向に移動して、流入通路に対して平行に設けられた第１弁座及び第２弁座に当接するので、弁体により各弁座に対して均一に面圧がかかりやすく安定した封止（閉鎖）を行うことができる。

【0017】

そして、弁体は、流入通路に対して平行なので、ガス体の流れによる風圧をまともにうけない。そのため、強い圧力でガス体が流れるときでも弁体の開口度合いが影響を受けることが少なく、精度の高い流量制御を行うことができる。そして、安定した弁体の開口度合いを確保するために、従来のように弁体の構造を大きく頑丈にする必要がなく、制御弁の小型化及び軽量化を図ることができる。さらに、乱流も発生しにくく、ガス体の流れに対して脈動や気流音の発生を防止することができる。
また、第１作動領域と第２作動領域とが連続しており、第１弁部及び第２弁部の両方において開度に応じてガス流量が変化しないという領域が無いので、作動ストロークのすべての領域でガス流量の制御を行うことができる。また、両方の弁部での開度が変化しない作動ストロークの分を省略するので、作動ストローク全体でコンパクトに製作でき、制御弁の小型化軽量化を図ることができる。

【0019】

請求項２に係る発明では、安価で位置制御が容易なステッピングモータの回転運動を運動変換機構により直線運動に変換して弁体の作動ストロークの位置を制御する。そのため、低い製造コストで位置制御が高い精度で容易なガス体制御弁を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態における送りガス体制御弁を使用した燃料電池システムの概要を示す図。

【図2】ガス体制御弁の第１弁部が閉鎖位置（第１閉鎖位置）にある場合を示す断面図である。

【図3】ガス体制御弁の第２弁部が閉鎖位置（第２閉鎖位置）にある場合を示す断面図。

【図4】ガス体制御弁の第１弁部及び第２弁部の両方が開口位置にある場合を示す断面図。

【図5】運動変換機構の主な構造を示す図。

【図6】第１弁部及び第２弁部における開度と有効断面積の状態を示すグラフ。

【図7】第１弁部及び第２弁部の開口断面積と開度に関係する各弁部についての円筒状断面積とを概念的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【実施例】

【0021】

本発明の実施形態のガス体制御弁を燃料電池システムに使用した例について、図に基づいて以下に説明する。

【0022】

図１は燃料電池システムの概要を示すもので、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受け、この反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池５と、酸化ガスとしての空気を燃料電池５に供給する酸化ガス配管系７と、燃料電池反応後の酸化オフガスを排出する酸化オフガス配管系９と、燃料ガスとしての水素を燃料電池５に供給する図略の水素ガス配管系を有する。排出系として、燃料電池反応後の水素オフガスと生成水を排出する水素・水排出通路１５と、水素オフガスと生成水を酸化オフガスで希釈して排出する希釈部１７を有する。

【0023】

燃料電池５は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

【0024】

酸化ガス配管系７は、フィルタ１９を介して大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ２１と、コンプレッサ２１から圧送された酸化ガスの熱を冷ますインタークーラ２３と、酸化ガスを燃料電池５に供給するための空気供給流路（酸化ガス供給流路）１１とを有する。また、酸化オフガス配管系９は、燃料電池５から排出される酸化オフガスを希釈部１７に向けて排出するための空気排出流路（酸化オフガス排出流路）１３を有する。場合によっては、空気供給流路１１および空気排出流路１３には、コンプレッサ２１から圧送された酸化ガスを燃料電池５から排出された酸化オフガスを用いて水分交換等して加湿する加湿器が設けられてもよい。

【0025】

空気供給流路１１には、燃料電池５への酸化ガスの供給を遮断または許容するガス体制御弁２が設けられ、空気排出流路１３には、燃料電池５からの酸化オフガスの排出を遮断または許容する遮断弁２５が設けられている。なお、空気排出流路１３には、遮断弁２５の上流側に背圧調整弁２７が設けられている。場合によっては、遮断弁２５と背圧調整弁２７は１つの弁体で構成されてもよい。

【0026】

空気供給流路１１には、ガス体制御弁２を介して燃料電池５に対する酸化ガスの供給を空気排出流路１３にバイパスさせるためのバイパス流路２９が接続されている。

【0027】

ガス体制御弁２について詳述すると、ガス体制御弁２は、図２乃至図４に示すように、ケーシング４と弁体６と駆動装置８とを備えている。ケーシング４は、流入口１０が形成された流入通路１２と、第１流出口１４が形成された第１流出通路１６と、第２流出口１８が形成された第２流出通路２０とを備えている。本実施形態において、流入通路１２は図１におけるコンプレッサ２１側の空気供給流路１１に連通し、第１流出通路１６は燃料電池５側の空気供給流路１１に連通している。また、第２流出通路２０はバイパス流路２９に連通している。

【0028】

流入通路１２は、図２において水平方向に延在し、流入通路１２の流入口１０の開口端周縁には嵌合溝２２が設けられている。流入通路１２の流入口１０の反対側には弁体６が作動する作動室２４が設けられ、作動室２４の下方には第１開口部２６が設けられている。第１開口部２６には第１流出通路１６が流入通路１２に対して直角に設けられている。第１流出通路１６は流入通路１２や作動室２４とは別体に設けられ、一端部にはフランジ部２８が形成されている。このフランジ部２８において第１開口部２６の内周縁に嵌合するようになっている。第１流出通路１６を取り外し可能として作動室２４を大きく開口することで、第１開口部２６は弁体６の組み付け作業穴としての役割を担っている。フランジ部２８と第１開口部２６の内周縁との間は図略のシール材によりシールされ、図略のボルト及びナットにより組み付け固定される。第１流出通路１６の作動室側の開口周縁には第１弁座３０が設けられている。

【0029】

作動室２４の第１流出通路１６の反対側には第２流出通路２０に開口する第２開口部３２が設けられ、第２開口部３２は第１弁座３０の開口部である第１流出口１４より小径でかつ第１流出口１４と同軸に設けられている。第２開口部３２の作動室側の開口周縁には第２弁座３４が設けられている。第２流出通路２０は第１流出通路１６に対して直角に設けられている。第２流出通路２０の奥部には弁体６を支持する弁軸３６が嵌挿される弁体支持部３８が第２流出通路に対して直角に突設され、弁体支持部３８は第２開口部３２の中心を貫通している。

【0030】

弁体６は例えば金属製で円盤状の板材が中央部において下方に凸になるように折り曲げて形成され、円縁部４０と漏斗状壁部４２とが形成されている。弁体６は中央部において弁軸３６の先端部にカシメにより相対回転不能に固定されている。弁体６の円縁部４０の表面にはゴム製のシール部材４４が被設されている。シール部材４４の下部外周縁には第１弁座３０と当接する第１弁部としての第１シール部４６が凸設され、シール部材４４の上部内周縁には第２弁座３４と当接する第２弁部としての第２シール部４８が凸設されている。弁体支持部３８の外周には弁体６の上部と弁体支持部３８の基端部との間で圧縮されるコイルばね５０が設けられている。

【0031】

駆動装置８は、ステッピングモータ５６と、ステッピングモータ５６の回転運動を変換して弁体６を直動運動させる運動変換機構５２とを備えている。運動変換機構５２は、図５に示すように、円筒部材５４と弁軸３６とによって主に構成されている。円筒部材５４はステッピングモータ５６の駆動軸５８に上部が例えばキー部材等で相対回転不能に組付けられ、下部にはステッピングモータ５６の駆動軸５８と同軸となる雌ねじ部６０が形成されている。ケーシング４には運動変換機構５２のハウジング５５が固定されている。ハウジング５５と円筒部材５４との間には軸受６２が設けられ、円筒部材５４が回転自在に支承されている。弁軸３６は上部において雄ねじ部６４が形成され前記雌ねじ部６０に螺合する。弁軸３６の中間位置には軸の対称位置に２面について面取り６６が所定の長さでなされ、ケーシング４の弁体支持部３８に対して相対回転不能かつ上下方向の相対移動可能になっている。ステッピングモータ５６の駆動軸５８が回転すると円筒部材５４が軸心周りに回転し、弁体支持部３８に回転不能にガイドされた弁軸３６が上下に移動する。この弁軸３６の先端に組付けられた弁体６は、第１シール部（第１弁部）４６が第１弁座３０と当接する第１閉鎖位置（図２参照）と、第２シール部（第２弁部）４８が第２弁座３４と当接する第２閉鎖位置（図３参照）との間の作動ストロークＳＬを移動する。

【0032】

次に、上記のように構成されたガス体制御弁２の作動を説明する。
まず、燃料電池５の停止中においては、ガス体制御弁２の弁体６は、燃料電池５に向かう空気供給流路１１を閉弁するように設置される。また、空気排出流路１３の遮断弁２５も閉弁される。したがって、燃料電池５に対して空気が供給されない状態となっている。他方、コンプレッサ２１側の空気供給流路１１からバイパス流路２９をたて希釈部１７に至る経路は開弁されている。

【0033】

また、ガス体制御弁２は、起動時に燃料電池５へ空気を供給するため、もしくは、空気をバイパスさせるために用いられる他、燃料電池５に供給される空気の圧力を調整する際にも補助的に用いられる。例えば、起動時には、まず空気排出流路１３の遮断弁２５が開弁して燃料電池５内の負圧を開放する。次いでガス体制御弁２が燃料電池５側の空気供給流路１１への流路を開弁する。この際、負圧が事前に開放されることによって小さな駆動力で開弁することができる。本実施形態のガス体制御弁２では、第１閉鎖位置より第１シール部４６が図４のように第１弁座３０と離れて開度が大きくなる過程において、図６に示すように、第１シール部４６の開度に応じて第１シール部４６を通過する流体の有効断面積が直線的に増加する（第１作動領域Ａ）。この場合において、空気供給流路１１側の第２シール部４８を通過する空気の流量は変化しないので、第１シール部４６を通過する空気の流量だけを考慮して制御すればよく、空気供給流路１１における流量制御を高い精度で行うことができる。この第１作動領域Ａについて、図７に示すモデルを使って説明する。まず、第１弁座３０における開口部面積ＯＳ１（第１流出口１４）、弁体６（第１シール部４６）が第１弁座３０から離間した距離と第１シール部４６の周囲長との積で求められる円筒状面積ＳＳ１、第２弁座３４における開口部面積ＯＳ２（第２開口部３２）、弁体６（第２シール部４８）が第２弁座３４から離間した距離と第２シール部４８の周囲長との積で求められる円筒状面積ＳＳ２を考える。ここで、第１シール部４６と第１弁座３０との間を通過する空気は、第１弁座３０における開口部面積ＯＳ１及び円筒状面積ＳＳ１により規制される。弁体６が第１弁座３０に当接した閉鎖位置より離間していく過程において、第１シール部４６と第１弁座３０との間を通過する空気は、円筒状面積ＳＳ１が比例的に増加するに伴って直線的に増加する。しかし、円筒状面積ＳＳ１が開口部面積ＯＳ１を超えた段階で、第１シール部４６と第１弁座３０を通過する空気は、開口部面積ＯＳ１が増加してもそれに伴って増加することは無いため、ほぼ一定となる。第２シール部４８と第２弁座３４との間を通過する空気においても同様である。そこで、第１作動領域Ａは、第１シール部４６側の円筒状面積ＳＳ１が、０≦ＳＳ１≦ＯＳ１であり、かつ、第２シール部４８側の円筒状面積ＳＳ２が、ＯＳ２≦ＳＳ２の範囲にあると考えられる。ただし、空気等のガス体が開口部を通過する際の有効断面積は、ガス体の種類、流速、圧力等の条件によって変化するため、この条件が一概に当てはまるわけではなく、例えば実験により具体的な基準値を求め、それに基づいて流量の制御を行うことができる。

【0034】

続いて燃料電池５への空気をバイパスさせる際には、ガス体制御弁２によってバイパス流路２９への流量を調整し、コンプレッサ２１により供給される空気の一部をバイパス流路２９に分流するようにしている。この分流されたバイパス空気によって酸化オフガス中の水素濃度を希釈して、水素濃度が安全な範囲にまで低減された酸化オフガスを希釈部１７から外気に排気することができる。ガス体制御弁２は全閉から全開の間で、希釈したい濃度に合わせて任意に開度を調整することができる。本実施形態のガス体制御弁２では、第２閉鎖位置より第２シール部４８が第１弁座３４と離れて開度が大きくなる過程において、図６に示すように、第２シール部４８の開度に応じて第２シール部４８と第２弁座３４との間を通過する空気の有効断面積が直線的に増加する（第２作動領域Ｂ）。この第２作動領域Ｂは（前述の第１作動領域Ａと同様に）、図７における第２シール部４８側の円筒状面積ＳＳ２が、０≦ＳＳ２≦ＯＳ２であり、かつ、第１シール部４６側の円筒状面積ＳＳ１が、ＯＳ１≦ＳＳ１の範囲にあたる。この場合において、空気供給流路１１側の第１シール部４６と第１弁座３０との間を通過する空気の流量は変化しないので、第２シール部４８と第２弁座３４との間を通過する空気の流量だけを考慮して制御すればよく、バイパス流路２９における流量制御を高い精度で行うことができる。

【0035】

また、燃料電池５に供給される空気の圧力を補助的に調整する場合の例として、急激な圧力抜きがある。コンプレッサ２１は、多くの場合、スクロール式やルーツ式等の回転により圧力を発生させる方式が採られるが、イナーシャ（慣性）があるため急に回転を下げたり、止めることが困難である。このために、燃料電池５への空気供給流路１１の圧力を下げたいのに、追いつかない状況が発生する。その際、ガス体制御弁２のバイパス流路２９側を開弁することで、急激に圧力を下げることができる。ガス体制御弁２は全閉から全開の間で、圧力を下げたい量に応じて任意に開度を調整することができる。また、逆に急激に圧力を上げることも可能である。

【0036】

燃料電池５の発電を停止する場合には、酸化ガス配管系７から燃料電池５、および燃料電池５から希釈部１７のラインを適宜、排気パージ処理等をした後、コンプレッサ２１を止め、ガス体制御弁２の空気供給流路１１側を閉弁し、遮断弁２５も閉弁する。ガス体制御弁２および遮断弁２５によって、燃料電池５のカソード極をほぼ完全に封止することができる。遮断弁２５と背圧調整弁２７を１つの弁体で構成する場合も同様である。

【0037】

なお、図中の３１、３３は、コンプレッサ２１から圧送された酸化ガスの圧力および燃料電池５から排出された酸化オフガスの圧力を検出する圧力センサである。また、ガス体制御弁２において、弁体６の第１作動領域Ａと第２作動領域Ｂとが連続しているので、常にいずれか一方の弁部を流れる空気流量の制御下に置いて効率よく制御を行うことができる。

【0038】

上記のように構成されたガス体制御弁２によると、空気は流入通路１２からケーシング４に流入し、ケーシング４に流入した空気は流入通路１２と第１流出通路１６との間に設けられた弁体６の開弁状態の第１シール部（第１弁部）４６と第１弁座３０との間を通過して第１流出通路１６から流出し、或いは流入通路１２と第２流出通路２０との間に設けられた弁体６の開弁状態の第２シール部（第２弁部）４８と第２弁座３４との間を通過して第２流出通路２０から流出する。そして、弁体６の移動する作動ストロークは、第１シール部４６の開度に応じて第１シール部４６と第１弁座３０との間を通過する空気流量が直線的に増加又は減少し、かつ第２シール部４８と第２弁座３４との間を通過する空気流量が変化しない第１作動領域Ａと、第２シール部４８の開度に応じて第２シール部４８と第２弁座３４との間を通過する空気流量が直線的に増加又は減少し、かつ第１シール部４６と第１弁座３０との間を通過する空気流量が変化しない第２作動領域Ｂと、を有する作動ストロークＳＬを備えている。

【0039】

そのため、第１作動領域Ａで空気流量の制御を行うと、第２シール部４８での空気流量が連動して減少或いは増加するようなことがない状態で、第１シール部４６の空気流量の制御を正確に行うことができる。また、第２作動領域Ｂで空気流量の制御を行うと、第１シール部４６での空気流量が連動して減少或いは増加するようなことがない状態で、第２シール部４８の空気流量の制御を正確に行うことができる。このように、第１シール部４６と第２シール部４８との両方において必要な流量を制御して空気供給流路１１及びバイパス流路２９に供給することができる。

【0040】

弁体６は、流入通路１２に対して直角方向に移動して、流入通路１２に対して平行に設けられた第１弁座３０及び第２弁座３４に当接するので、弁体は各弁座３０，３４に対して均一に面圧がかかりやすく安定した封止（閉鎖）を行うことができる。

【0041】

また、弁体６は、流入通路１２に対して平行なので、空気の流れによる風圧をまともにうけない。そのため、強い圧力で空気が流れるときでも弁体６の開口度合いが影響を受けることが少なく、精度の高い流量制御を行うことができる。そのため、安定した弁体６の開口度合いを確保するために、従来のように弁体６の構造を大きく頑丈にする必要がなく、制御弁の小型化及び軽量化を図ることができる。さらに、乱流も発生しにくく、空気の流れに対して脈動や気流音の発生を防止することができる。

【0042】

また、第１作動領域Ａと第２作動領域Ｂとが連続しており、第１シール部４６及び第２シール部４８の両方において開度に応じて空気流量が変化しないという領域が無いので、作動ストロークＳＬのすべての領域で効率的に空気流量の制御を行うことができる。また、両方の弁部（第１シール部４６及び第２シール部４８）の開度が変化しない作動ストロークの分を省略するので、作動ストロークＳＬ全体でコンパクトに製作でき、制御弁の小型化軽量化を図ることができる。

【0043】

また、安価で位置制御が容易なステッピングモータ５６の回転運動を運動変換機構５２により直線運動に変換して弁体６の作動ストロークの位置を制御する。そのため、低い製造コストで、位置制御が高い精度で容易なガス体制御弁を提供することができる。

【0044】

なお、本実施形態においては、ガス体制御弁を燃料電池のエア系システムに使用するものとしたが、これに限定されず、例えば、一般的な空気圧回路において流入路と二つの流出路との分岐に使用することができる。また、ガス体制御弁を流通するのは空気に限定されず、例えば水素や酸素などのガス体でもよい。

【0045】

また、弁体（ポペット弁）６は、金属製としたが、これに限定されず、例えばゴム等の弾性体であっても良い。

【0046】

また、第１作動領域Ａと第２作動領域Ｂとが連続しているものとしたが、これに限定されず、例えば、第１シール部４６及び第２シール部４８の両方において開度に応じて流量が変化しない領域を、第１作動領域Ａと第２作動領域Ｂとの間に設けるものでもよい。

【0047】

また、駆動装置としてステッピングモータを使用したが、これに限定されず、例えばサーボモータでもよい。

【0048】

また、第２弁座３４の開口部（第２開口部３２）は第１弁座３０の開口部（第１流出口１４）よりも小径としたが、これに限定されず、例えば同じ径でもよい。

【0049】

斯様に、上記した実施の形態で述べた具体的構成は、本発明の一例を示したものにすぎず、本発明はそのような具体的構成に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の態様を採り得るものである。

【符号の説明】

【0050】

２…ガス体制御弁、４…ケーシング、６…弁体、８…駆動装置、１２…流入通路、１６…第１流出通路、２０…第２流出通路、３０…第１弁座、３４…第２弁座、４６…第１弁部（第１シール部）、４８…第２弁部（第２シール部）、５２…運動変換機構、５６…駆動装置（ステッピングモータ）、Ａ…第１作動領域、Ｂ…第２作動領域、ＳＬ…作動ストローク。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】