特許 6117551 調圧装置及び燃料電池システム

(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】6117551

(24)【登録日】2017年3月31日

(45)【発行日】2017年4月19日

(54)【発明の名称】調圧装置及び燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   F17C 7/00 20060101AFI20170410BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20170410BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20170410BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20170410BHJP

   F17C 13/04 20060101ALI20170410BHJP

【ＦＩ】

   F17C7/00 A

   H01M8/04 N

   H01M8/04 X

   F17C13/04 301Z

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-285856(P2012-285856)

(22)【出願日】2012年12月27日

(65)【公開番号】特開2014-126198(P2014-126198A)

(43)【公開日】2014年7月7日

【審査請求日】2015年8月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】特許業務法人後藤特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100075513

【弁理士】

【氏名又は名称】後藤 政喜

(74)【代理人】

【識別番号】100120260

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅昭

(74)【代理人】

【識別番号】100120178

【弁理士】

【氏名又は名称】三田 康成

(74)【代理人】

【識別番号】100130638

【弁理士】

【氏名又は名称】野末 貴弘

(74)【代理人】

【識別番号】100167461

【弁理士】

【氏名又は名称】上木 亮平

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075513

【弁理士】

【氏名又は名称】後藤 政喜

(74)【代理人】

【識別番号】100120260

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅昭

(74)【代理人】

【識別番号】100120178

【弁理士】

【氏名又は名称】三田 康成

(74)【代理人】

【識別番号】100130638

【弁理士】

【氏名又は名称】野末 貴弘

(74)【代理人】

【識別番号】100167461

【弁理士】

【氏名又は名称】上木 亮平

(72)【発明者】

【氏名】篠原 幹弥

(72)【発明者】

【氏名】森山 明信

(72)【発明者】

【氏名】野道 薫

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 豊

(72)【発明者】

【氏名】二宮 誠

【審査官】 藤井 眞吾

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−０９０６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２２００６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０２６６０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１００５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１５６３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８５８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２５５７４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１７Ｃ ７／００

Ｆ１７Ｃ １３／０４

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／０４２２５

Ｈ０１Ｍ ８／０４３０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高圧容器に格納された流体燃料を減圧して流体燃料利用機器に供給する調圧装置であって、
流体燃料を任意の圧力に減圧する調圧弁と、
前記調圧弁の上流に設けられて、前記調圧弁の異常状態が検知されると前記調圧弁への流体燃料の供給を遮断する遮断弁と、
を備え、
前記遮断弁と前記調圧弁との間の流路容積は、
前記遮断弁を閉じて前記調圧弁への流体燃料の供給を遮断する遮断指令が出てから前記遮断弁が閉じられるまでに要する時間の間に前記流体燃料利用機器に供給される流体燃料の量に基づいて設定される、
ことを特徴とする調圧装置。

【請求項2】

前記遮断弁と前記調圧弁との間の流路容積は、
前記遮断指令が出てから前記遮断弁が閉じられるまでに前記流体燃料利用機器に供給される流体燃料と、前記遮断弁が閉じられた後に前記流体燃料利用機器に供給される前記流路容積内の流体燃料と、によって上昇する前記流体燃料利用機器内の圧力の上昇幅が、所定幅以内となるように設定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の調圧装置。

【請求項3】

前記遮断弁の上流に設けられ、前記高圧容器に格納された流体燃料を所定の圧力に減圧する減圧弁をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の調圧装置。

【請求項4】

前記遮断弁の入口圧が前記高圧容器内の圧力であるとして、前記流路容積を設定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の調圧装置。

【請求項5】

前記遮断弁の入口圧が前記減圧弁によって前記高圧容器内の圧力を減圧した減圧後の圧力であるとして、前記流路容積を設定する、
ことを特徴とする請求項３に記載の調圧装置。

【請求項6】

前記調圧弁の下流の圧力に基づいて、前記調圧弁の故障を検出する故障検出手段と、
前記調圧弁の故障を検出したときに前記遮断指令を出して前記遮断弁を閉じ、前記調圧弁への流体燃料の供給を遮断する遮断手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の調圧装置。

【請求項7】

前記遮断弁の２次通路と前記調圧弁の１次通路とを直角に接続する、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の調圧装置。

【請求項8】

請求項１から請求項７までのいずれか１つに記載された調圧装置を備える燃料電池システムであって、
前記高圧容器は、アノードガスを蓄える高圧タンクであり、
前記流体燃料利用機器は、燃料電池スタックであり、
前記調圧装置は、前記高圧タンクと前記燃料電池スタックとを接続するアノードガス供給通路に設けられる、
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項9】

前記遮断弁は、前記アノードガス供給通路を開閉するパイロット式の電磁弁であり、
前記燃料電池システムの起動時に、前記遮断弁を開弁した後に前記調圧弁を開いて、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給する、
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は調圧装置及び燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の調圧装置として、燃料電池スタックに供給するアノードガスの圧力を複数の減圧弁を用いて段階的に減圧するものがある（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６−１５６３２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような調圧装置を用いてアノードガスを供給する場合は、減圧弁の故障時に調圧装置の下流に配置される燃料電池スタック等の部品に、その部品の耐圧以上の圧力が加わることを防止する保護手段（圧力リリーフ機構）が必要となる。

【0005】

しかしながら、例えば保護手段として圧力リリーフ弁を用いると、燃料電池システムの場合は供給するアノードガスに流量が多いので、圧力リリーフ弁の大型化を招き、車載向けの燃料電池システムには不向きとなる。

【0006】

また、例えば保護手段として破裂板を用いた場合は、圧力リリーフ弁と異なり構造も簡素なため、小型化は容易だが、一度作動してしまうと破裂板の備品交換が必要になるという問題がある。

【0007】

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、減圧弁が故障したとしても、調圧装置下流の部品に耐圧以上の圧力が加わるのを抑制できる調圧装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある態様によれば、高圧容器に格納された流体燃料を減圧して流体燃料利用機器に供給する調圧装置であって、流体燃料を任意の圧力に減圧する調圧弁と、調圧弁の上流に設けられて、調圧弁の異常状態が検知されると調圧弁への流体燃料の供給を遮断する遮断弁と、を備えるものが提供される。そして、この調圧装置の遮断弁と調圧弁との間の流路容積は、遮断弁を閉じて調圧弁への流体燃料の供給を遮断する遮断指令が出てから遮断弁が閉じられるまでに要する時間の間に流体燃料利用機器に供給される流体燃料の量に基づいて設定される。

【発明の効果】

【0009】

調圧弁が故障により開きっぱなしになったときに、この異常状態を検知して調圧装置下流の部品保護のために遮断弁への閉弁指令を行っても、指令してから実際に遮断弁が遮断されるまでには時間遅れが存在する。この時間遅れをゼロにすることは不可能であるため、この時間遅れ分は遮断弁が遮断されず、調圧装置下流の部品に対し圧力上昇を許容してしまう。このときの圧力上昇は、遮断弁と調圧弁とを接続する配管で構成される容積に依存することが発明者らによって知見された。

【0010】

そこで、本発明のある態様によれば、この容積を遮断弁への遮断指令から実際に遮断されるまでの時間を考慮して設定したので、調圧装置下流の部品に対して不用意に圧力が上昇し、部品の耐圧以上の圧力が加わることを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である

【図2】遮断弁と調圧弁との間のアノードガス流路の容積Ｖの設定方法について説明する図である。

【図3】本発明の第２実施形態による燃料電池システムの概略図である。

【図4】減圧弁の断面図である。

【図5】遮断弁の断面図である。

【図6】調圧弁の断面図である。

【図7】調圧装置の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面等を参照して本発明の各実施形態について説明する。

【0013】

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

【0014】

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

【0015】

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

【0016】

燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

【0017】

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

【0018】

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス供給装置２と、コントローラ１０と、を備える。

【0019】

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、燃料電池スタック内部の圧力が過大となったときに開いて圧力を外部に逃がす圧力リリーフ機構１１を備える。

【0020】

なお、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するカソードガス給排装置及び燃料電池スタック１を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。

【0021】

アノードガス供給装置２は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給する装置であって、高圧タンク３と、アノードガス供給通路４と、調圧装置５と、圧力センサ６と、を備える。

【0022】

高圧タンク３は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。高圧タンク３の排出口には、アノードガスを供給するときに開かれ、停止するときに閉じられる開閉弁３１が設けられる。

【0023】

アノードガス供給通路４は、高圧タンク３から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路４は、一端が高圧タンク３に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

【0024】

調圧装置５は、遮断弁８と、調圧弁９と、を備える。

【0025】

遮断弁８は、アノードガス供給通路４を開閉するパイロット式の電磁弁である。

【0026】

調圧弁９は、流入してきたアノードガスを所望の圧力に調整して排出する電磁方式のものである。

【0027】

圧力センサ６は、調圧装置５よりも下流のアノードガス供給通路４の圧力を検出する。

【0028】

コントローラ１０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１０には、前述した圧力センサ６のほかにも、燃料電池スタック１の出力電流（負荷）を検出する電流センサ１２など、燃料電池システム１００の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。

【0029】

コントローラ１０は、燃料電池システム１００の運転状態に応じてアノードガスの目標圧力を設定し、圧力センサ６の検出値が目標圧力となるように調圧弁９をフィードバック制御する。そして、圧力センサ６の検出値が異常な値を示したとき、例えば調圧弁９が故障して圧力センサ６の検出値が高くなりすぎたときに、遮断弁８を閉じる。

【0030】

ここで、調圧弁９の故障を検知してから実際に遮断弁８が閉じられるまでには、所定の時間遅れ（例えば数十ミリ秒）が生じる。そのため、実際に遮断弁８が閉じられるまでは、調圧前の高圧のアノードガス（本実施形態では高圧タンク内の圧力Ｐｆ相当のアノードガス）が、調圧弁９で減圧されることなく燃料電池スタックへと流入することになる。また、遮断弁８が閉じられた後も、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路内には調圧前の高圧のアノードガスが存在しているので、この遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路内のアノードガスも調圧弁９で減圧されることなく燃料電池スタックへと流入することになる。

【0031】

そうすると、瞬間的に燃料電池スタック内部のアノード側の圧力が目標圧力よりも大きくなるので、アノード側の圧力とカソード側の圧力との圧力差が大きくなって、各燃料電池の電解質膜等を劣化させるおそれがある。

【0032】

そこで本実施形態では、調圧弁９が故障したときに実際に遮断弁８が閉じられるまでの時間遅れΔｔを考慮して、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖを設定し、瞬間的な燃料電池スタック内部のアノード側の圧力の上昇幅を許容範囲内に収めることができるようにした。以下、この遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖの設定方法について説明する。

【0033】

図２は、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖの設定方法について説明する図である。

【0034】

図２に示すように、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積をＶ、燃料電池スタック内部のアノード側の容積をＶａ、高圧タンク内のアノードガスの圧力をＰｆ、燃料電池スタック内部のアノード側の圧力の上昇幅の許容最大値をΔＰ、調圧弁９が故障したときに実際に遮断弁８が閉じられるまでの時間遅れをΔｔ、調圧弁９の上流圧がＰｆの状態で調圧弁９を全開にしたときに、単位時間当たりに調圧弁９を通過する流体の体積をＣｖと定義する。また、アノード系内（アノードガス流路内、燃料電池スタック内）の温度は一定とする。

【0035】

このとき、以下の（３）式が成立するように、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖを設定する。

【0036】

【数1】

【0037】

ここで、（Ｃｖ×Δｔ×Ｐｆ）は、調圧弁９が故障してから実際に遮断弁８が閉じられるまでの間に、調圧弁９を通過して燃料電池スタック内に流入するアノードガス量に相当する。

【0038】

また、（Ｖ×Ｐｆ）は、実際に遮断弁８が閉じられた後に、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路内に存在するアノードガス量に相当する。遮断弁８が閉じられた後、この遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路内に存在するアノードガスも調圧弁９を通過して燃料電池スタック内に流入することになる。

【0039】

さらに、（Ｖａ×ΔＰ）は、燃料電池スタック内部のアノード側の圧力をΔＰだけ上昇させるために必要なアノードガス量に相当する。

【0040】

したがって、前述した（３）式の意味は、遮断弁８が閉じられるまでに燃料電池スタック内に流入するアノードガス量と、遮断弁８を閉じてから燃料電池スタック内に流入する遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路内に存在するアノードガス量とが、燃料電池スタック内部のアノード側の圧力をΔＰだけ上昇させるために必要なアノードガス量よりも小さくなるように、容積Ｖを設定するという意味になる。

【0041】

このように、実際に遮断弁８が閉じられるまでの時間遅れΔｔを考慮して、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖを可能な限り小さく設定することで、遮断弁８の故障時における燃料電池スタック内部の圧力上昇幅を、許容最大値ΔＰ以内に抑えることができる。

【0042】

また、遮断弁８の故障時における燃料電池スタック内部の圧力上昇幅を許容最大値ΔＰ以内に抑えることができるので、圧力リリーフ機構１１が作動する頻度を低減することができる。そのため、圧力リリーフ機構１１としてリリーフ弁のような複雑な機構を用いることなく、例えば破裂板のような簡素な機構を用いることができるので、燃料電池スタック１の小型化を図ることができる。

【0043】

また、破裂板を用いた場合には、破裂板の作動頻度を低減することができるので、破裂板の交換頻度を低減できる。そのため、本実施形態による調圧装置５を用いることで、調圧装置５の下流に配置される部品を保護し、燃料電池システム１００の信頼性を向上させることができる。

【0044】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、遮断弁８の上流にさらに減圧弁７を設けた点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

【0045】

図３は、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

【0046】

本実施形態による燃料電池システム１００の調圧装置５は、遮断弁８の上流に、高圧タンク３から排出されたアノードガスの圧力Ｐｆを所定の中間圧力Ｐｍまで低下させる減圧弁７を備える。

【0047】

このように、遮断弁８の上流に減圧弁７を設けることで、実際に遮断弁８が閉じられるまでに調圧弁９を通過して燃料電池スタックに流入するアノードガスの圧力、及び、遮断弁８が閉じられた後に遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路内に残留しているアノードガスの圧力を、それぞれ高圧タンク内の圧力Ｐｆより低い中間圧力Ｐｍにすることができる。

【0048】

そのため、本実施形態では、以下の（４）式が成立するように、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖを設定することで、遮断弁８の故障時における燃料電池スタック内部の圧力上昇幅を、許容最大値ΔＰ以内に抑えることができる。なお、調圧弁９の上流圧が中間圧力Ｐｍの状態で調圧弁９を全開にしたときに、単位時間当たりに調圧弁９を通過する流体の体積をＣｖ’と定義する。

【0049】

【数2】

【0050】

これにより、調圧弁９の上流のアノードガスの圧力が中間圧力Ｐｍまで低下するので、実際に遮断弁８が閉じられるまでに調圧弁９を通過して燃料電池スタックに流入するアノードガス量を低減することができる。そのため、実際に遮断弁８が閉じられるまでの遅れ時間Δｔの許容幅を長く取れる。

【0051】

また、調圧弁９の上流のアノードガスの圧力がＰｆから中間圧力Ｐｍまで低下するので、第１実施形態と比べて遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖを大きくすることができる。よって、調圧装置５全体の設計の自由度を向上させることができる。

【0052】

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖの設定方法が第２実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

【0053】

本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００は第２実施形態と同様であり、調圧装置５が、高圧タンク３から排出されたアノードガスの圧力Ｐｆを所定の中間圧力Ｐｍまで低下させる減圧弁７を遮断弁８の上流に備える。

【0054】

そして本実施形態では、前述した（３）式が成立するように、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖを設定する。このように、遮断弁８の上流に減圧弁７を備えた調圧装置５において、前述した（３）式が成立するように容積Ｖを設定することで、調圧弁９とともに減圧弁７が故障してしまった場合、すなわち減圧弁７の下流の圧力が中間圧力Ｐｍよりも高くなってしまった場合であっても、燃料電池スタック内部の圧力上昇幅を許容最大値ΔＰ以内に抑えることができる。

【0055】

したがって本実施形態によれば、調圧弁９及び減圧弁７の双方が故障した場合であっても、調圧装置５の下流に配置される部品を保護することができるので、燃料電池システム１００の信頼性を向上させることができる。

【0056】

（実施例）
以下では、上記の各実施形態で説明した減圧弁７、遮断弁８及び調圧弁９の実施例について説明した後、それらを一体化した調圧装置５の実施例について説明する。

【0057】

図４は、減圧弁７の断面図である。

【0058】

図４に示すように、減圧弁７は、ハウジング７１と、カバー７２と、弁体支持部材７３と、弁座７４と、弁体７５と、スプリング７６と、軸受７７と、を備える。

【0059】

ハウジング７１は、一端が開口した円筒状の部材である。ハウジング７１には、ハウジング内部を弁体軸方向（図中左右方向）に貫通してハウジング７１の他端面に開口する１次通路７１１と、ハウジング内部を弁体径方向（図中上下方向）に貫通してハウジング７１の側面に開口する２次通路７１２と、１次通路７１１及び２次通路７１２のそれぞれに連通する連通路７１３と、が形成される。

【0060】

カバー７２は、ハウジング一端側の開口を閉塞する蓋部材であって、ハウジング側壁７１ａの内周側に螺合され、ハウジング７１に固定される。このカバー７２の内側が、弁体７５やスプリング７６等を収容する収容部となる。

【0061】

弁体支持部材７３は、両端が開口した円筒状の部材であって、略中央部に弁体径方向に突出するフランジ７３１を備える。弁体支持部材７３の一端側（図中左側）は、フランジ７３１の一端面がハウジング７１に当接するように連通路７１３に嵌合される。弁体支持部材７３の他端側は、収容部内に配置される。

【0062】

弁座７４は、両端が開口した円筒状の部材であって、小径部７４１と大径部７４２とを備える。弁座７４の小径部７４１は、ハウジング７１の１次通路７１１に嵌合される。弁座７４の大径部７４２は、ハウジング７１の連通路７１３内に配置されると共に、その先端が弁体支持部材７３の一端面に形成された環状溝７３２に嵌合される。弁座７４の大径部７４２には、大径部７４２を弁体径方向に貫通する貫通孔７４３が形成される。小径部７４１と大径部７４２との内側の境界面には、その境界面から弁体軸方向に突出する円環状の突起（以下「円環突起」という。）７４４が形成される。

【0063】

弁体７５は、両端が開口し、かつ、弁体軸方向に沿って段階的に径が変化する円筒状の弁体ボディ７５１と、弁体ボディ７５１の先端に嵌合する弁体シート７５２と、を備える。

【0064】

弁体ボディ７５１は、弁体支持部材７３の内部に挿通され、弁体支持部材７３の側壁内周部に固定された軸受７７によって弁体軸方向に移動可能に支持される。弁体ボディ７５１は、カバー内側の収容部内に配置されたスプリング７６によって、開弁方向（図中右側）に押圧されている。弁体ボディ７５１の内部は、２次圧力が作用する圧力参照室７５３となっており、２次圧力がスプリング７６の付勢力よりも大きくなると、弁体ボディ７５１がスプリング７６の付勢力に抗して閉弁方向（図中左側）に移動する。

【0065】

弁体シート７５２は、弁座７４の円環突起７４４と対向するように連通路７１３内に配置されており、弁体シート７５２と円環突起７４４との間にはオリフィス７８が形成されるようになっている。このオリフィス７８を介して、連通路７１３内が１次圧力室７１３ａと２次圧力室７１３ｂとに区画される。弁体シート７５２の内部には、２次圧力室７１３ｂに流入したアノードガスを、弁体ボディ７５１の圧力参照室７５３に導入するための導入孔７５４が形成される。圧力参照室７５３内の圧力、すなわち２次圧力がスプリング７６の付勢力よりも大きくなると、弁体ボディ７５１と共に弁体シート７５２が閉弁方向に移動し、弁体シート７５２が円環突起７４４に当接してオリフィス７８が閉じられる。

【0066】

図５は、遮断弁８の断面図である。

【0067】

図５に示すように、遮断弁８は、ハウジング８１と、接合部材８２と、弁体８３と、弁体８３を駆動するソレノイド８４と、を備える。

【0068】

ハウジング８１は、一端が開口した円筒状の部材である。ハウジング８１には、ハウジング内部を弁体径方向（図中上下方向）に貫通してハウジング８１の側面に開口する１次通路８１１と、ハウジング内部を弁体軸方向（図中左右方向）に貫通してハウジング８１の他端面に開口する２次通路８１２と、１次通路８１１及び２次通路８１２のそれぞれに連通する連通路８１３と、が形成される。

【0069】

接合部材８２は、両端が開口した円筒状の部材であって、略中央に弁体径方向に突出するフランジ８２１を備える。接合部材８２は、その一端側（図中左側）がハウジング８１の側壁内周部に螺合されてハウジング８１に固定されると共に、その他端側（図中右側）がソレノイド８４の内部に嵌合されて固定される。これにより、接合部材８２のフランジ８２１を介してハウジング８１及びソレノイド８４が対向するように配置される。

【0070】

弁体８３は、パイロット弁体８３１と、パイロットピン８３３によってパイロット弁体８３１に所定の遊びをもたせて連結される主弁体８３２と、を備え、ソレノイド８４を励磁することで駆動される。

【0071】

主弁体８３２は、両端が開口した円筒状の部材であって、ハウジング８１の連通路８１３内に配置される。図中左側の主弁体８３２の一端面には、その一端面から図中左側に弁体軸方向に沿って突出する円環状の突起（以下「第１円環突起」という。）８３４が形成される。

【0072】

主弁体８３２の他端側（図中右側）の内部は、パイロット弁体８３１の一部を収容するためのパイロット弁体収容室８３５となっている。パイロット弁体収容室８３５は、主弁体８３２の内部通路８３６を介して２次通路８１２と連通している。また、パイロット弁体収容室８３５は、パイロット弁体８３１と主弁体８３２との隙間８３７、及び、主弁体８３２と接合部材８２との隙間８３８を介して１次通路８１１と連通している。主弁体８３２の内部通路８３６とパイロット弁体収容室８３５との境界面には、その境界面から図中右側に弁体軸方向に沿って突出する円環状の突起（以下「第２円環突起」という。）８３９が形成される。

【0073】

パイロット弁体８３１は、弁体軸方向に移動可能なように接合部材８２の内部に収容され、その一端側（図中左側）が主弁体８３２のパイロット弁体収容室８３５に配置される。このパイロット弁体収容室８３５内において、パイロット弁体８３１の一端側と、主弁体８３２の他端側とが、パイロットピン８３３によって弁体軸方向に所定の遊びをもたせて連結される。

【0074】

また、パイロット弁体８３１は、一端側（図中左側）から他端側（図中右側）に向かって段階的に径が大きくなるように形成された円筒形状をしており、他端側の内部には、スプリング８５が収容される。パイロット弁体８３１は、このスプリング８５によって閉弁方向（図中左側）に押圧されており、ソレノイド８４が励磁されていないときは、パイロット弁体８３１の先端が主弁体８３２の第２円環突起８３９に当接した閉弁状態となる。また、パイロットピン８３３を介してパイロット弁体８３１に連結された主弁体８３２も、第１円環突起８３４が連通路８１３内に配置された弁座８６に当接した閉弁状態となる。

【0075】

一方で、ソレノイド８４が励磁されると、パイロット弁体８３１がスプリング８５の付勢力に抗して開弁方向（図中右側）に移動する。これにより、まずパイロット弁体８３１の先端が第２円環突起８３９から離れ、１次通路８１１から連通路８１３内に供給されたアノードガスが、主弁体８３２と接合部材８２との隙間８３８、パイロット弁体８３１と主弁体８３２との隙間８３７、及び、パイロット弁体８３１と第２円環突起８３９との間に形成されるオリフィス８７を介して、主弁体８３２の内部通路８３６から２次通路８１２へと供給される。これにより、２次通路８１２内の圧力が上昇するので、主弁体８３２の先端面に作用する圧力が増加する。

【0076】

そして、パイロット弁体８３１が所定量開弁方向に移動して、パイロットピン８３３と主弁体８３２との間に存在する遊びが終了すると、主弁体８３２がパイロット弁体８３１と共に開弁方向に移動し、主弁体８３２の第１円環突起８３４が弁座８６から離れる。これにより、１次通路８１１から連通路８１３内に供給されたアノードガスが、主弁体８３２の第１円環突起８３４と弁座８６との間に形成されるオリフィス８８を介して２次通路８１２に供給される。このとき、前述したように主弁体８３２の先端面に作用する圧力が増加しているので、主弁体８３２を開弁方向に移動させることができる。

【0077】

図６は、調圧弁９の断面図である。

【0078】

図６に示すように、調圧弁９は、ハウジング９１と、弁体９２と、弁体９２を駆動するソレノイド９３と、備える。

【0079】

ハウジング９１には、ハウジング内部を弁体径方向（図中上下方向）上側に延びてハウジング９１の上側面に開口する１次通路９１１と、ハウジング内部を弁体径方向下側に延びた後、最終的に弁体軸方向に延びる２次通路９１２と、１次通路９１１及び２次通路９１２のそれぞれに連通する連通路９１３と、が形成される。また、ハウジング９１には、２次通路９１２から分岐する圧力参照通路９１４と、圧力参照通路９１４に連通する圧力参照室９１５と、が形成される。そして、この圧力参照室９１５の弁体軸方向反対側にソレノイドが配置される。

【0080】

弁体９２は、シャフト部９２１とテーパ部９２２とを備え、弁体軸方向（図中左右方向）に移動可能なようにハウジング９１内に配置される。

【0081】

弁体９２は、シャフト部９２１の一端（図中左側）が圧力参照室９１５内に配置されたダイアフラム９４に当接しており、同じく圧力参照室９１５内に配置された第１スプリング９５によって、ダイアフラム９４を介して閉弁方向（図中右方向）に押圧されている。

【0082】

弁体９２は、ソレノイド９３が励磁されていないときは、テーパ部９２２が連通路９１３内に配置された弁座９６に当接した閉弁状態となっている。そして、ソレノイド９３が励磁されると、プランジャ９３１と共にそのプランジャ９３１に固定されたプランジャロッド９３２が開弁方向（図中左方向）に移動して、シャフト部９２１の他端（図中右側）を開弁方向に押圧する。これにより、弁体９２も開弁方向に移動してテーパ部９２２から弁座９６が離れた開弁状態となる。開弁状態になると、圧力参照通路９１４を介して圧力参照室９１５に２次圧力がかかり、ソレノイド９３の通電量に応じて２次圧力を可変にすることができる。

【0083】

図７は、調圧装置５の斜視図である。なお、理解を容易にするために、調圧装置５内におけるアノードガスの流れを破線で示した。

【0084】

図７に示すように、減圧弁７は、車両前後方向に形成されるアノードガス供給通路４と、減圧弁７の弁体軸方向と、が平行となるように配置される。つまり、アノードガス供給通路４と減圧弁７の弁体軸方向とが平行となるように、減圧弁７の１次通路７１１にアノードガス供給通路４が接続される。また、減圧弁７は、２次通路７１２が車幅方向と平行となるように配置される。

【0085】

次に、遮断弁８は、その弁体軸方向と車幅方向とが平行となるように、減圧弁７の上方に配置される。これにより、遮断弁８の２次通路８１２も、車幅方向と平行となる。そして、遮断弁８の１次通路８１１は、垂直方向と平行になるように配置され、減圧弁７の２次通路７１２から流れてきたアノードガスが、遮断弁８の１次通路８１１を垂直方向に下から上へ流れるように、減圧弁７の２次通路７１２に接続される。

【0086】

最後に、調圧弁９は、その弁体軸方向と、車両前後方向に形成されるアノードガス供給通路４と、が平行となるように、減圧弁７に隣接させて配置される。つまり、調圧弁９は、その弁体軸方向と、減圧弁７の弁体軸方向とが平行となるように、減圧弁７に隣接させて配置される。これにより、調圧弁９の２次通路９１２も、アノードガス供給通路４と平行となる。そして、調圧弁９の１次通路９１１は、垂直方向と平行になるように配置され、遮断弁８の２次通路８１２から流れてきたアノードガスが調圧弁９の１次通路９１１を垂直方向に上から下へ流れるように、遮断弁８の２次通路８１２に接続される。

【0087】

このように、遮断弁８の２次通路８１２と、調圧弁９の１次通路９１１と、を直角に接続することで、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路４の容積Ｖを小さく設定することができる。その結果、容積Ｖの調節幅を広げることができる。そのため、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖを、前述した（３）式、又は、（４）式によって設定された容積Ｖに容易に設定することができる。

【0088】

また、パイロット式の電磁弁である遮断弁８は、パイロット弁体８３１を開弁方向に駆動した後、２次通路８１２側の圧力が増加することによって、主弁体８３２が開弁方向に駆動される。そのため、遮断弁８と調圧弁９との間のアノードガス流路の容積Ｖを小さく設定するほど、燃料電池システム１００の起動時に調圧弁９を閉じた状態で遮断弁８を開くことで、遮断弁８の２次通路８１２側の圧力増加速度を速めることができる。つまり、燃料電池システム１００の始動時において、遮断弁８の開弁速度を速めることができるので、燃料電池システム１００の起動速度を向上させることができる。

【0089】

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

【符号の説明】

【0090】

１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック（流体燃料利用機器）
３ 高圧タンク（高圧容器）
４ アノードガス供給通路
５ 調圧装置
７ 減圧弁
８ 遮断弁
８１２ 遮断弁の２次通路
９ 調圧弁
９１１ 調圧弁の１次通路
１０ コントローラ（故障検出手段、遮断手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】