JP4017971B2 - 燃料電池用開閉弁 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の反応ガスを排気する反応ガス排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルが複数個積層されたスタックを備えている。このようなスタックにおいては、前記セルの各アノードに燃料として水素が供給される一方、各カソードに酸化剤としてエアーが供給される。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【0003】
このスタックを含む燃料電池システムは、例えば、カソード側にエアーを供給するためのエアーコンプレッサ等を備え、さらに、このエアーの圧力を信号圧として、該エアーの圧力に応じた圧力でアノード側に水素を供給する圧力制御弁を備え、燃料電池のカソード側に対するアノード側の反応ガスの圧力を所定圧に調圧して所定の発電効率を確保するとともに、燃料電池に供給される反応ガスの流量を制御することで所定の出力が得られるように設定されている。
【0004】
ところで、発電の際に起こる上記の電気化学反応において、水素と酸素とは、周知のように2:1の体積比で反応する。すなわち、所定の電力が得られるように燃料電池システムを発電させるためには、水素の供給量を酸素よりも多くする必要がある。
【0005】
ところで、本出願人は、水素パージ中における過剰水素の再循環および新規水素の外部放出を防止し、確実な水素パージの実施と、新規水素の無駄防止を図ることが可能な燃料電池システムを提案している(特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−93438号公報(第3頁左欄)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記提案に関連してなされたものであり、構造が簡素で、かつ摩耗粉が発生することを回避し、さらに、作動部の凍結を回避することも可能な燃料電池用開閉弁を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池のアノードに供給された過剰水素を排気する水素排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁であって、
流体入口および流体出口が設けられたボディと、
弁座に対して着座または離間する弁体と、
前記弁体を前記弁座から離間する方向に指向して弾発付勢するばね部材と、
前記ボディに嵌着されてケーシングを構成するカバー部材と、
前記ケーシングの内部で位置決め固定されるとともに、前記ばね部材の一端部が着座するばね受部材と、
前記ケーシングの内部に配設されることにより、前記流体出口に連通する第1室と、信号圧としての流体が導入される第2室とに該ケーシングの内部を分割するダイアフラムと、
を有し、
前記弁体は、前記流体が第2室に導入されることに伴って前記ばね部材が圧縮されることに追従して前記弁座に着座する一方、前記流体の第2室への導入が停止されることに伴って前記ばね部材が伸張することに追従して前記弁座から離間し、
かつ前記流体入口が前記ボディの下端面に設けられるとともに、前記弁体が着座する前記弁座の頂部が前記流体出口の下端面に比して高い位置に設けられることにより、前記ケーシングの内部に液体を貯留する液体貯留部が設けられていることを特徴とする。
【0009】
このような構成においては、該燃料電池用開閉弁の流体入口における反応ガスの圧力を上回る圧力の流体(パイロット圧)が第2室に供給されることに伴い、ばね部材が圧縮されるとともに、弁体が弁座に着座して弁閉止状態となる。
【0010】
その一方で、パイロット圧の第2室への供給が停止されると、ばね部材が伸張することに伴って弁体が弁座から離間する方向に指向して弾発付勢される。これにより流体入口と流体出口とが連通し、該燃料電池用開閉弁の内部を反応ガスが流通する。
【0011】
このように、本発明によれば、パイロット圧を供給または供給停止することによって反応ガス排気ラインを閉止・開放することができる。したがって、該燃料電池用開閉弁を制御回路等に電気的に接続する必要がないので、燃料電池システムの構成を簡素にすることができる。
【0012】
しかも、この燃料電池用開閉弁は構造が簡素であるので、容易に分解または組立することができる。このため、メンテナンス作業を行うことが容易となるという利点を有する。
【0013】
この燃料電池用開閉弁においては、弁体とダイアフラムとの間に軸受等の摺動部が設けられていない。このため、該燃料電池用開閉弁が開閉動作することに伴って変位する弁体とダイアフラムとの間は摺接することがない。したがって、摩耗粉が発生して反応ガスに混入し燃料電池の発電性能に悪影響を与えることを回避することができる。
【0014】
また、軸部材が軸受部材で案内されるので、軸部材の倒れを極力防止することが可能となる。したがって、弁体のシート性を良好とすることが可能となる。
【0015】
また、軸受部材、すなわち、摺動部が存在するにも関わらず、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、摺動摩耗による摩耗粉が弁体側に発生することがない。
【0016】
また、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、水分が摺動部側に浸入することがなく、したがって、摺動部が腐食することを防止することが可能となるとともに、該摺動部が凍結することを防止することが可能となる。
【0017】
また、カバー部材に軸受部材を案内する軸受案内部が設けられていることが好ましい。これにより、軸受部材を容易に挿入固定することが可能となる。
【0018】
この場合、軸受案内部の先端部を、弁体の変位動作を停止させるストッパ部として機能させることが好ましい。これにより、部品点数が少ないながらも全開位置が規定された燃料電池用開閉弁を構成することができる。
【0020】
さらに、上記の通り、前記流体入口をボディの下端面に設ける一方、弁体が着座する弁座の頂部を流体出口の下端面に比して高い位置に設けることによって、ケーシングの内部に液体を貯留する液体貯留部が設けられる。この場合、弁座の頂部は、液面より上方に突出する。このため、該弁座が凍結することを回避することができる。したがって、該弁座の頂部や、該頂部に着座する弁体が凍結することを回避することができ、結局、低温下でも燃料電池用開閉弁を確実に動作させることができる。
【0021】
さらにまた、弁座の少なくとも頂部に対して撥水処理を施すことが好ましい。撥水層によって液体が弾かれるので、弁座の頂部や弁体が凍結することを一層確実に回避することができる。
【0022】
また、本発明は、燃料電池の反応ガスを排気する反応ガス排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁であって、
流体入口および流体出口が設けられたボディと、
弁座に対して着座または離間する弁体と、
前記弁体を前記弁座から離間する方向に指向して弾発付勢するばね部材と、
前記ボディに嵌着されてケーシングを構成するカバー部材と、
前記ケーシングの内部で位置決め固定されるとともに、前記ばね部材の一端部が着座するばね受部材と、
前記ケーシングの内部に配設されることにより、前記流体出口に連通する第1室と、信号圧としての流体が導入される第2室とに該ケーシングの内部を分割するダイアフラムと、
を有し、
前記弁体は、前記流体が第2室に導入されることに伴って前記ばね部材が圧縮されることに追従して前記弁座に着座する一方、前記流体の第2室への導入が停止されることに伴って前記ばね部材が伸張することに追従して前記弁座から離間し、
前記ばね受部材は、液体を堰止するための堰止部と、前記液体を排出するための排出用孔部とを有することを特徴とする。これにより液体が該ばね受部材から確実に排出されるので、該ばね受部材、ひいてはばね部材が凍結することを回避することができる。結局、低温下でも確実に動作する燃料電池用開閉弁を構成することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池用開閉弁につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【0024】
図1に、本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁10が組み込まれた燃料電池システム200を示す。なお、この燃料電池システム200は、例えば、自動車等の車両に搭載される。また、本発明で用いられる反応ガスとは、水素、エアー、余剰水素を含むものとする。
【0025】
燃料電池システム200は、例えば、高分子を素材としたイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込むことによって形成されたセルが複数個積層されることによって設けられた燃料電池スタック202を含む。
【0026】
前記セルの各カソードには、酸化剤として酸素を含むエアーが供給され、一方、各アノードには、燃料として水素が供給される。すなわち、カソード側には、酸化剤供給部204からのエアーが供給されるエアー供給口206と、該カソード内のエアーを外部に排出するためのエアー排出部208が接続されたエアー排出口210が設けられる。その一方で、アノード側には、燃料供給部212からの水素が供給される水素供給口214と、水素排出部216が接続された水素排出口218とが設けられる。
【0027】
エアー供給口206に接続されたエアー供給用通路219においては、前記酸化剤供給部204と、放熱部220と、カソード加湿部222とが上流側からこの順序で介装されている。
【0028】
酸化剤供給部204は、例えば、図示しないスーパーチャージャ(圧縮機)およびこれを駆動するモータ等から構成され、燃料電池スタック202で酸化剤ガスとして使用される酸素を含有するエアーを断熱圧縮して圧送する。この断熱圧縮の際にエアーが加熱される。このように加熱された圧縮エアーが、燃料電池スタック202の暖機に貢献する。
【0029】
放熱部220は、例えば、図示しないインタークーラ等から構成される。酸化剤供給部204から供給されたエアーは、該放熱部220に設けられた流路に沿って流通する冷却水と熱交換することによって冷却される。すなわち、エアーは、所定温度に冷却された後、カソード加湿部222に導入される。
【0030】
カソード加湿部222は、例えば、水透過膜を備えて構成され、該水透過膜の一端面から他端面に水分を透過させることにより、放熱部220によって所定の温度に冷却されたエアーを所定の湿度に加湿して燃料電池スタック202のエアー供給口206へと供給する。加湿されたエアーは燃料電池スタック202に供給され、これに伴って該燃料電池スタック202の固体高分子電解質膜に水分が付与されることによって、該膜のイオン伝導度が一定値以上に確保される。
【0031】
そして、上記したように、燃料電池スタック202のエアー排出口210にはエアー排出部208が接続される。このエアー排出部208に設けられた図示しない排出弁を通じて、エアーが大気中に排気される。
【0032】
一方、前記水素供給口214に接続された水素供給通路223には、前記燃料供給部212と、圧力制御部224と、エゼクタ226と、アノード加湿部228とが上流側からこの順序で介装されている。また、水素排出口218には、循環用通路230を介して水素排出部216が接続される。
【0033】
燃料供給部212は、例えば、燃料電池に対する燃料として水素を供給する図示しない水素ガスボンベからなり、燃料電池スタック202のアノード側に供給される水素が貯蔵される。
【0034】
圧力制御部224は、例えば、空気式の比例圧力制御弁からなる。
【0035】
ここで、この圧力制御部224には、圧力制御用バイパス通路232を介してエアーが供給される。すなわち、前記酸化剤供給部204から供給されるエアーは、例えば、燃料電池スタック202の負荷や図示しないアクセルペダルの操作量等に応じて所定の圧力に設定されて燃料電池スタック202に導入される。これに伴い、水素の圧力を調整する必要が生じる。このため、圧力制御用バイパス通路232からのエアーの圧力をパイロット圧(信号圧)として、圧力制御部224の出口側圧力である二次側圧力を前記パイロット圧に対応した所定範囲の圧力に設定している。
【0036】
なお、図1から諒解されるように、圧力制御部224には、放熱部220によって冷却されたエアーが供給される。
【0037】
エゼクタ226は、図示しないノズル部とディフューザ部とから構成され、圧力制御部224から供給された水素は、ノズル部を通過する際に加速されてディフューザ部に向かって噴射される。ノズル部からディフューザ部に向かって水素が高速で流通する際、ノズル部とディフューザ部との間に設けられた副流室内で負圧が発生し、循環用通路230を介してアノード側の排出水素が吸引される。エゼクタ226で混合された水素および排出水素はアノード加湿部228へと供給され、燃料電池スタック202から排出された排出水素は、エゼクタ226を介して循環するように設けられている。
【0038】
このように、燃料電池スタック202の水素排出口218から排出された未反応の排出水素は、循環用通路230を介してエゼクタ226に導入され、圧力制御部224から供給された水素と、燃料電池スタック202から排出された排出水素とが混合されて燃料電池スタック202に再び供給されるように設けられている。
【0039】
アノード加湿部228は、例えば、水透過膜を備えて構成され、該水透過膜の一端面から他端面に水分を透過させることにより、エゼクタ226から導出された燃料を所定の湿度に加湿して燃料電池スタック202の水素供給口214へと供給している。すなわち、水素もエアー同様に加湿された状態で燃料電池スタック202に供給され、これにより、前記固体高分子電解質膜のイオン伝導度が一定値以上に確保される。
【0040】
水素排出口218には、例えば、図示しない排出制御弁を有する水素排出部216が循環用通路230を介して接続される。前記排出制御弁は、燃料電池スタック202の運転状態に応じて開閉動作が制御され、例えば、図示しない貯留タンクによって分離された排出ガス中の過剰な水分(主に液体水)等が車両外部に排出される。
【0041】
そして、水素排出部216には、前記排出制御弁の後段側に本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁10が配設されている。また、この燃料電池用開閉弁10には、圧力制御用バイパス通路232から分岐されたパイロット通路234が接続されている。
【0042】
このように構成された燃料電池スタック202では、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するように設定されている。
【0043】
次に、本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁10につき説明する。この燃料電池用開閉弁10は、パイロット圧が供給されない定常状態では弁開状態となる、いわゆるノーマルオープン型バルブであり、上記したように、水素排出部216に配設されている。
【0044】
該燃料電池用開閉弁10の概略全体斜視図を図2に示す。この燃料電池用開閉弁10は、側周壁に嵌合用突起部12が設けられたボディ14と、嵌合用突起部12の突出方向と反対側に突出した嵌合用突起部16が設けられたカバー部材18とを有する。なお、嵌合用突起部12、16には、第1送気管20または第2送気管22がそれぞれ嵌合されている。
【0045】
ボディ14は、菱形状下端部24と、円筒体部26と、外周部に突起部が4個設けられたボルト代部28とを有し、一方、カバー部材18は、ボディ14におけるボルト代部28の形状に対応する形状のボルト代部30と、円筒状頭部32とを有する。カバー部材18のボルト代部30は、ボディ14のボルト代部28上に載置されている。そして、ボルト代部28、30同士は、4個のボルト33a〜33dによって互いに連結されており、これによりボディ14とカバー部材18とが互いに連結されてケーシング34が構成されている。
【0046】
このケーシング34内においては、図3に示すように、ダイアフラム36がボディ14とカバー部材18とで挟持されている。このダイアフラム36が存在することにより、ケーシング34内に第1室38および第2室40が離隔形成されている。
【0047】
図2に示すように、ボディ14の菱形状下端部24には、ボルト穴42が設けられている。このボルト穴42に通されるボルトがステー等に螺合されることによって、燃料電池用開閉弁10が位置決め固定される。
【0048】
また、菱形状下端部24には、円形に切り欠かれた流体入口44が設けられている(図3参照)。この流体入口44の第1室38側における開口の周囲には、該開口を囲繞するように、円環状に***した弁座46が設けられている。
【0049】
弁座46がこのようにボディ14の図2における下端面内壁から***して設けられていることにより、第1室38の下端面に凹部48が形成される。この凹部48には、後述するように、燃料電池用開閉弁10の内部を流通する水素に含まれた水分が貯留される。すなわち、凹部48は、水分を貯留する貯留部として機能する。
【0050】
一方、弁座46の頂部には、フッ素樹脂がコーティングされることによって、撥水層50が設けられている。換言すれば、弁座46の頂部には、撥水処理が施されている。
【0051】
前記嵌合用突起部12は、ボディの円筒体部26における側周壁から突出形成されている。この嵌合用突起部12に嵌合された第1送気管20は、後述するように、流体出口として機能する。
【0052】
なお、図2から諒解されるように、弁座46の頂部の位置は、第1送気管20(流体出口)の下端面よりも上方に設定されている。
【0053】
第1室38には、弁体52が収容されている。この弁体52は、円盤状に設けられた円盤部54と、該円盤部54に比して小径かつ長尺な柱部56とを有する。弁体52の長手方向は、円盤部54の下端面がボディ14の下端部内面に臨むように配設されることにより、鉛直方向に沿って延在している。換言すれば、弁体52は、第1室38内で起立している。
【0054】
円盤部54の下端面には、環状溝58が設けられている。図2に示すように、この環状溝58内に挿入されたゴム製のシート部材60が弁座46の頂部から離間することにより、流体入口44が開放される。
【0055】
ここで、第1室38には、前記ダイアフラム36の図2における下方にばね受皿62が配設されている。すなわち、このばね受皿62は、底部64と、側壁部66と、該側壁部66から屈曲して形成された挟持代部68とを有し、このうちの挟持代部68が、ダイアフラム36の端部の下方でボディ14とカバー部材18とに挟持されている。なお、図2中、参照符号70は、水素が第1室38からボディ14の外に漏洩することを防止するためのOリングを示す。
【0056】
底部64の略中央には、前記弁体52における柱部56に比して大径な貫通孔72が形成されており、かつ該貫通孔72の周囲には、図2における上方に指向して円環状に***した***部74が設けられている。この***部74が存在することにより、ばね受皿62とダイアフラム36との間に進入した水素に含有された水分が底部64にて捕集され、かつ堰止される。換言すれば、***部74は、水分を堰止する堰止部である。
【0057】
底部64におけるボディ14の側周壁部内面近傍には、排出用孔部76が設けられている。上記のようにして捕集・堰止された水分は、この排出用孔部76を通過して、ボディ14の下端面内壁に指向して滴下する。
【0058】
弁体52には、円盤部54から柱部56に亘って貫通孔78が設けられている。この貫通孔78には、軸部材80の第1円柱部82が挿入されている。なお、貫通孔78から突出した該第1円柱部82の先端には、該先端が圧潰されることによって、貫通孔78に比して大径な第1フランジ部84が設けられている。この第1フランジ部84により、軸部材80の弁体52からの抜け止めがなされている。
【0059】
軸部材80の略中央部には、貫通孔78に比して大径な第1大径部86と、該第1大径部86に比してさらに大径な第2大径部88とが設けられており、これら第1大径部86および第2大径部88によって第2フランジ部90が構成されている。弁体52は、前記第1フランジ部84と、この第2フランジ部90とによって挟持されている。
【0060】
弁体52における柱部56の上端面と軸部材80における第2大径部88との間には、第1リテーナ92、前記ダイアフラム36、および第2リテーナ94が図2における下方からこの順序で介装されている。
【0061】
すなわち、第1リテーナ92の略中央部には、第1円柱部82と直径が略同等の穴部が設けられている。この穴部に第1円柱部82が通されることに伴って、第1リテーナ92が柱部56の上端面と第1大径部86とで挟持されている。
【0062】
また、ダイアフラム36の略中央部には、第1大径部86と直径が略同等の穴部が設けられている。この穴部に、第1大径部86が通されている。そして、ダイアフラム36の略中央部にも第1大径部86と直径が略同等の穴部が設けられており、該穴部には、第1大径部86が嵌合されている。
【0063】
軸部材80は、さらに、第2大径部88から鉛直上方に延在する第2円柱部96を有し、該第2円柱部96は、カバー部材18を構成する円筒状頭部32の天井面に突出形成された環状凸部98(軸受案内部)における案内用穴部100に挿入されている。
【0064】
第1リテーナ92は、ばね部材であるコイルスプリング102の一端部を着座させる受皿であり、その端部が鉛直下方に屈曲されることによって側周壁が形成されている。この側周壁にてコイルスプリング102が堰止されることにより、該コイルスプリング102が位置ずれを起こすことが阻止される。
【0065】
カバー部材18を構成する円筒状頭部32の天井面には、上記したように、軸部材80の第2円柱部96が挿入される案内用穴部100を有する環状凸部98が設けられている。なお、案内用穴部100と第2円柱部96との間には、軸受部材としてのブッシュ104が介装されている。
【0066】
前記嵌合用突起部16は、円筒状頭部32における側周壁から突出形成されており、該嵌合用突起部16には、上記したように第2送気管22が嵌合されている。この第2送気管22を介して、パイロット圧(信号圧)となるエアーが第2室40に導入される。
【0067】
第1送気管20および第2送気管22の各先端部には、膨出部106、108が設けられている(図2参照)。これら膨出部106、108には、第1送気管20または第2送気管22のそれぞれと、パイロット圧送気管または水素排気ラインをなす送気管とを連結するための管継手が嵌合される。
【0068】
本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【0069】
燃料電池システム200を始動するに際しては、まず、燃料電池用開閉弁10の第2室40にパイロット圧となる流体、例えば、圧縮エアー等を供給する。コイルスプリング102の弾発付勢力を上回るこのパイロット圧により第2リテーナ94およびダイアフラム36が押圧され、軸部材80に追従して弁体52が下降動作する。最終的に、図4に示すように、コイルスプリング102が収縮されるとともにシート部材60が弁座46の頂部に当接し、これにより燃料電池用開閉弁10が弁閉止状態となる。
【0070】
なお、弁体52が下降動作するに際しては、該弁体52の貫通孔78に挿入された軸部材80における第2円柱部96が、ブッシュ104を介して環状凸部98の案内用穴部100に案内される。このため、該軸部材80の第1フランジ部84と第2フランジ部90にて挟持された弁体52は、位置ずれを起こすことなく所定の箇所で下降動作する。
【0071】
この場合、下降動作する弁体52がケーシング34等に摺接することがないので、弁体52からの摩耗粉が発生することはない。なお、弁体52が下降動作することに伴い、軸部材80の第2円柱部96がブッシュ104に摺接する。この際に摩耗粉が発生することもあるが、該摩耗粉は、ダイアフラム36によって捕集される。このため、摩耗粉が第1室38に進入することはない。このため、メンテナンス頻度を著しく低減することができる。
【0072】
また、軸部材80の第2円柱部96とブッシュ104との摺動部は、ダイアフラム36で仕切られているので、水分が摺動部側に浸入することがない。したがって、摺動部が腐食することが防止されるとともに、該摺動部が凍結することが防止される。
【0073】
しかも、軸部材80に第1フランジ部84と第2フランジ部90とを設けているので、部品点数を少なくすることもできる。また、コイルスプリング102が第1リテーナ92の側周壁およびばね受皿62の***部74で堰止されるので、該第1リテーナ92に押圧されることに伴って圧縮されたコイルスプリング102が位置ずれを起こすこともない。
【0074】
さらに、環状凸部98を軸受案内部とするとともに、コイルスプリング102の一端部を着座させるコイルスプリング受部としているので、部品点数を一層少なくすることができる。このため、燃料電池用開閉弁10を簡素な構成とすることができるので、メンテナンス作業が容易かつ簡便となる。
【0075】
次に、燃料電池スタック202(図1参照)のアノードに対し、燃料供給部212を構成する前記水素ガスボンベから水素を供給する。この水素がアノードで電離して水素イオンと電子とが生成し、このうち、電子が燃料電池システム200に電気的に接続された図示しないモータ(負荷)を付勢する電気エネルギとなる。一方、水素イオンは、固体高分子電解質膜をカソード側に指向して移動し、該カソードにて、供給された圧縮エアー中の酸素と、電気エネルギとして使用された後にカソードに移動してきた電子と反応して、H2Oとなる。
【0076】
上記したように、水素は、酸素に対して過剰量で供給される。このため、水素の一部は上記の反応に関与することなくアノードを通過する。通過した水素は、水素排出部216の後段側に配置された燃料電池用開閉弁10が閉止されているので、循環用通路230を介してエゼクタ226に戻る。すなわち、水素が循環供給される。
【0077】
パイロット圧である圧縮エアー等の供給が停止されると、第2室40のパイロット圧が、コイルスプリング102の弾発付勢力に比して小さくなる。その結果、弁体52が水素に押圧されて上昇動作するとともにコイルスプリング102が伸張し、図2に示すように、円盤部54の下端面に設けられた環状溝58内のシート部材60が弁座46から離間する。これにより流体入口44、第1室38および第2送気管22が連通し、水素が燃料電池用開閉弁10の内部を流通する。すなわち、水素が排出されることになる。勿論、この際にも弁体52から摩耗粉が発生することはなく、軸部材80の第2円柱部96から摩耗粉が発生したとしても、ダイアフラム36によって捕集される。
【0078】
弁体52が所定の距離だけ上昇動作すると、第2大径部88の上端面が環状凸部98の先端面に当接する。この当接により、弁体52のそれ以上の上昇動作が阻止される。すなわち、環状凸部98は、弁体52の上昇動作を停止させるストッパ部である。この停止により、燃料電池用開閉弁10の全開位置が規定される。
【0079】
上記したように、水素は、アノード加湿部228にて水蒸気が付与された湿潤水素として燃料電池スタック202のアノードに供給される。この湿潤水素が流体入口44から第1室38に流入すると、該湿潤水素中の水分が第1室38の内壁に付着した後に凝固して、液滴が生じることがある。
【0080】
ここで、上記したように、弁座46の頂部は撥水層50でコーティングされているので、頂部に生じた液滴は、弁座46の***部に沿ってボディ14の下端面内壁に流動し、水分として凹部48に貯留される。
【0081】
また、湿潤水素の一部は、ばね受皿62の貫通孔72を通過して、該ばね受皿62とダイアフラム36との間の空間に流入する。そして、ばね受皿62の底部64や側壁部66等に付着した湿潤水素中の付着した水蒸気は、液滴(水分)として凝集する。
【0082】
この場合、ばね受皿62の貫通孔72近傍に***部74が設けられているので、該***部74によって水分が堰止される。すなわち、貫通孔72を介して水分がボディ14の下端面内壁に滴下することはない。これにより、弁体52の円盤部54が水分で濡れること、ひいては、円盤部54の各端面が凍結することを回避することができる。
【0083】
ばね受皿62の***部74によって堰止された水分は、該ばね受皿62の排出用孔部76を介してボディ14の下端面内壁に滴下し、凹部48に貯留される。
【0084】
以上のようにして貯留された水分の量が一定値以上になると、該水分は、流体出口である第2送気管20を介して燃料電池用開閉弁10の外部へと排出される。このため、弁座46の頂部は、常時、水分の液面より上方に位置する。
【0085】
したがって、例えば、燃料電池システム200を搭載した自動車を寒冷地で使用する場合であっても、弁座46の頂部が凍結することはない。必然的に、弁座46とシート部材60とが貼り付き合うこともない。すなわち、低温下においても弁体52を弁座46に対して確実に着座・離間させることができ、結局、燃料電池用開閉弁10の作動部が凍結することを回避することができる。
【0086】
このように、本実施の形態によれば、弁座46の頂部を撥水層50でコーティングするとともに、該頂部を流体出口に比して高い位置に設けるようにしているので、低温下においても確実に開放・閉止して、水素を流通または流通停止させる燃料電池用開閉弁10を構成することができる。
【0087】
しかも、本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁10は、パイロット圧の供給または供給停止に伴って自発的に開放または閉止する。したがって、該燃料電池用開閉弁10を開閉するための制御装置を特に必要としないので、燃料電池システム200の構成を簡素にすることもできる。
【0088】
なお、上記した実施の形態においては、本発明に係る燃料電池用開閉弁10を燃料ガス(水素)の排気ラインに配設するようにしているが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、エアーの排気ラインに配設するようにしてもよい。
【0089】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池用開閉弁によれば、パイロット圧の供給または供給停止に伴って、弁座に対して弁体を離間または着座させるようにしている。このため、該燃料電池用開閉弁を制御回路等に電気的に接続することなく、パイロット圧を供給または供給停止するという簡便な操作によって開放・閉止させることができるので、燃料電池システムの構成を簡素にすることができる。
【0090】
その上、この燃料電池用開閉弁は、簡素に構成されているので、メンテナンス作業を容易に実施することができる。
【0091】
しかも、この燃料電池用開閉弁は、開閉動作することに伴って変位する弁体がケーシング等に摺接することがない。したがって、摩耗粉が発生して流体に混入することを回避することができる。
【0092】
また、軸部材が軸受部材で案内されるので、軸部材の倒れを極力防止することが可能となる。したがって、弁体のシート性を良好とすることが可能となる。
【0093】
また、軸受部材、すなわち、摺動部が存在するにも関わらず、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、摺動摩耗による摩耗粉が弁体側に発生することがない。
【0094】
また、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、水分が摺動部側に浸入することがなく、したがって、摺動部が腐食することを防止することが可能となるとともに、該摺動部が凍結することを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁が組み込まれた燃料電池システムのブロック図である。
【図2】本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁の概略全体斜視図である。
【図3】図2の燃料電池用開閉弁における閉止状態の概略縦断面図である。
【図4】図2の燃料電池用開閉弁における開放状態の概略縦断面図である。
【符号の説明】
10…燃料電池用開閉弁 14…ボディ
18…カバー部材 20、22…送気管
34…ケーシング 36…ダイアフラム
38、40…室 44…流体入口
46…弁座 48…凹部(液体貯留部)
50…撥水層 52…弁体
60…シート部材 62…ばね受皿
74…***部(堰止部) 76…排出用孔部
78…貫通孔 80…軸部材
82、96…円柱部 84、90…フランジ部
92、94…リテーナ 98…環状凸部
100…案内用穴部 102…コイルスプリング
104…ブッシュ 200…燃料電池システム
202…燃料電池スタック 204…酸化剤供給部
206…エアー供給口 212…燃料供給部
214…水素供給口 219…エアー供給用通路
220…放熱部 222…カソード加湿部
223…水素供給通路 224…圧力制御部
226…エゼクタ 228…アノード加湿部
230…循環用通路 232…圧力制御用バイパス通路
Claims (6)
- 燃料電池の反応ガスを排気する反応ガス排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁であって、
流体入口および流体出口が設けられたボディと、
弁座に対して着座または離間する弁体と、
前記弁体を前記弁座から離間する方向に指向して弾発付勢するばね部材と、
前記ボディに嵌着されてケーシングを構成するカバー部材と、
前記ケーシングの内部で位置決め固定されるとともに、前記ばね部材の一端部が着座するばね受部材と、
前記ケーシングの内部に配設されることにより、前記流体出口に連通する第1室と、信号圧としての流体が導入される第2室とに該ケーシングの内部を分割するダイアフラムと、
を有し、
前記弁体は、前記流体が第2室に導入されることに伴って前記ばね部材が圧縮されることに追従して前記弁座に着座する一方、前記流体の第2室への導入が停止されることに伴って前記ばね部材が伸張することに追従して前記弁座から離間し、
かつ前記流体入口が前記ボディの下端面に設けられるとともに、前記弁体が着座する前記弁座の頂部が前記流体出口の下端面に比して高い位置に設けられることにより、前記ケーシングの内部に液体を貯留する液体貯留部が設けられていることを特徴とする燃料電池用開閉弁。 - 請求項1記載の燃料電池用開閉弁において、前記弁体に接続された軸部材を有し、前記軸部材は、前記ダイアフラム上面側に設けられた軸受部材に案内されることを特徴とする燃料電池用開閉弁。
- 請求項2記載の燃料電池用開閉弁において、前記カバー部材に前記軸受部材を案内する軸受案内部が設けられていることを特徴とする燃料電池用開閉弁。
- 請求項3記載の燃料電池用開閉弁において、前記軸受案内部の先端部は、前記弁体の変位動作を停止させるストッパ部であることを特徴とする燃料電池用開閉弁。
- 請求項1記載の燃料電池用開閉弁において、前記弁座の少なくとも前記頂部に対し、撥水処理が施されていることを特徴とする燃料電池用開閉弁。
- 燃料電池の反応ガスを排気する反応ガス排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁であって、
流体入口および流体出口が設けられたボディと、
弁座に対して着座または離間する弁体と、
前記弁体を前記弁座から離間する方向に指向して弾発付勢するばね部材と、
前記ボディに嵌着されてケーシングを構成するカバー部材と、
前記ケーシングの内部で位置決め固定されるとともに、前記ばね部材の一端部が着座するばね受部材と、
前記ケーシングの内部に配設されることにより、前記流体出口に連通する第1室と、信号圧としての流体が導入される第2室とに該ケーシングの内部を分割するダイアフラムと、
を有し、
前記弁体は、前記流体が第2室に導入されることに伴って前記ばね部材が圧縮されることに追従して前記弁座に着座する一方、前記流体の第2室への導入が停止されることに伴って前記ばね部材が伸張することに追従して前記弁座から離間し、
前記ばね受部材は、液体を堰止するための堰止部と、前記液体を排出するための排出用孔部とを有することを特徴とする燃料電池用開閉弁。
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