JP4280185B2

JP4280185B2 - 弁装置

Info

Publication number: JP4280185B2
Application number: JP2004084730A
Authority: JP
Inventors: 浩靖尾崎; 克三佐保田; 竜也菅原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP2005273704A

Description

本発明は、例えば、燃料電池の発電に使用された反応ガスを、排ガスとして前記燃料電池から排出する排ガスラインに設けられる弁装置に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合している。

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

ところで、このような燃料電池では、発電状態が長時間継続されることで不純物が蓄積したり、アノード側電極面を水が覆い、反応ガスが十分に供給されないことにより、発電電圧が低下するという問題がある。従って、燃料電池の寿命を維持しつつ、効率的な発電状態を維持するため、燃料ガスや酸化剤ガスの流量及び圧力を適切に制御して供給するとともに、水を含む排ガスを適切なタイミングで外部に排出（所謂、パージ）する必要がある。

上記のパージに使用される弁機構は、排水を行うために水蒸気や水滴と常に接触しており、氷点下で使用する際に凍結するおそれがある。特に、弁機構の可動部が凍結すると、この弁機構が動作不能になってしまう。このため、可動部の解凍が行われるまで、弁機構の機能も停止しており、該解凍のために時間がかかって前記弁機構の起動が迅速に遂行されないという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている技術的思想を採用することが考えられる。特許文献１では、図５に示すように、バルブ１を構成するケース部２には、第１ポート部３ａと第２ポート部３ｂとが上下に形成されるとともに、前記第１及び第２ポート部３ａ、３ｂは、空間部４より連通している。この空間部４の下部側には、テーパ部４ａが連通している。

空間部４には、弁体５が進退可能に配設されている。この弁体５の平坦形状の上流側端部５ａは、第１ポート部３ａを開閉自在であり、該弁体５の先細り形状の下流側端部５ｂは、テーパ部４ａに密着して第２ポート部３ｂを開閉自在である。

弁体５には、上流側端部５ａ側の外周部に突部６が設けられている。この突部６の一端側とケース部２との間には、スプリング７が介装される一方、前記突部６の他端部と前記ケース部２との間には、形状記憶合金スプリング８が介装されている。形状記憶合金スプリング８の外周には、ケース部２を周回してヒータコイル９が配設されている。

形状記憶合金スプリング８は、設定温度以下、例えば、０℃以下では、スプリング７の付勢力に抗して第１ポート部３ａと第２ポート部３ｂとを連通し、バルブ１内に水が溜まることを阻止している。そして、バルブ１を駆動する際には、ヒータコイル９が通電されて発熱し、形状記憶合金スプリング８が設定温度以上に加熱されることにより、前記バルブ１が正常動作を行うことができる、としている。

実開平２−６３０１５号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、形状記憶合金スプリング８を設定温度以上に加熱するために、ヒータコイル９に通電しなければならない。これにより、相当の熱量が必要となって経済的ではなく、しかも始動性が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、可動部の凍結を有効に阻止することができ、始動性に優れる弁装置を提供することを目的とする。

本発明に係る弁装置は、燃料電池から使用済みの燃料ガスである排ガスを排出する燃料ガス排出ラインに配設されるパージ弁を構成する弁装置であって、前記排ガスが導入される導入流路と、前記排ガスが導出される導出流路と、前記導入流路と前記導出流路とが合流する合流流路と、前記合流流路に設けられ、該合流流路を開放及び閉塞自在な開閉機構とを備えている。

そして、開閉機構は、駆動部の作用下に進退可能なシャフトに連結される弁体と、前記弁体が着座して合流流路を閉塞する弁座とを設け、前記合流流路の上流側において前記弁体が前記弁座から離間して前記合流流路を構成するとともに前記弁体の上方に設けられる上部壁部に最接近する位置で、前記弁体の端部と前記上部壁部との間に隙間が形成される一方、前記シャフトには、前記合流流路の下流側を構成する下部壁部に設けられ、前記駆動部と前記合流流路とを液密に仕切るダイヤフラムが装着されるとともに、前記合流流路から液密に仕切られた前記駆動部には、前記弁体が前記上部壁部に最接近する位置で該弁体を停止させるストッパが設けられている。

また、前記下部壁部には、前記ダイヤフラムを囲繞するとともに、該ダイヤフラムの高さよりも低い周回溝部が設けられることが好ましい。

さらに、前記上部壁部に対向する前記弁体の端部は、下方に向かって傾斜する傾斜上端面を有することが好ましい。

本発明では、弁体が合流流路を構成する壁部に最接近する位置で、前記弁体の端部と前記壁部との間に隙間が形成されるため、前記弁体の端部と前記壁部との間に水分が滞留することがない。これにより、滞留した水分が凍結して弁体が壁部に固着されることを確実に阻止することができる。従って、弁装置は、簡単且つ経済的に構成することが可能になるとともに、凍結を阻止して始動性の向上が容易に図られる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る弁装置が組み込まれる燃料電池システム２０の概略構成図である。

燃料電池システム２０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック２２を備える。この燃料電池スタック２２は、複数の燃料電池２４を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート２６ａ、２６ｂが配置されており、前記エンドプレート２６ａ、２６ｂが図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。

燃料電池２４は、例えば、固体高分子電解質膜２８ａの両側にアノード側電極２８ｂとカソード側電極２８ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２８と、前記電解質膜・電極構造体２８を挟持する一対のセパレータ３０、３２とを備える。アノード側電極２８ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２８ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。

エンドプレート２６ａには、燃料電池２４に水素ガスを供給するための水素供給口３４ａと、反応（発電）に使用された水素ガスを、排ガスとして前記燃料電池２４から排出するための水素排出口３４ｂとが設けられる。エンドプレート２６ｂには、燃料電池２４に空気を供給するための空気供給口３６ａと、反応に使用された空気を、排ガスとして前記燃料電池２４から排出するための空気排出口３６ｂとが設けられる。

燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２に水素含有ガスを供給する水素供給流路３８と、前記燃料電池スタック２２から排出される排ガスをパージするための排ガスラインである水素排出流路（燃料ガス排出ライン）４０とを備える。水素供給流路３８には、高圧水素を貯留する水素タンク４２と、前記水素タンク４２から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ４４とが配設される。

水素排出流路４０には、第１の実施形態に係る弁装置４８が配設される。弁装置４８は、図２に示すように、本体部５２と駆動部５４とを備える。本体部５２には、排ガスが導入される導入流路５６と、前記排ガスを廃棄するためのパージ流路５８に該排ガスを排出する導出流路６０と、前記導入流路５６と前記導出流路６０とが合流する合流流路６２とが設けられる。導入流路５６には、網目状のフィルタ６３が装着されている。

合流流路６２には、この合流流路６２を開放及び閉塞自在な開閉機構６４が設けられる。合流流路６２には、弁座６６が設けられるとともに、前記弁座６６には、開閉機構６４を構成する駆動部５４の作用下に、矢印Ｂ方向に進退自在な弁体６８が着座する。

駆動部５４は、例えば、ソレノイド部６９を備え、このソレノイド部６９の励磁作用下にシャフト７０が軸線方向（矢印Ｂ方向）に進退変位する。シャフト７０は、コア部材７１に挿入されており、このシャフト７０の端部には、プランジャ７２が係合する。シャフト７０の途上には、駆動部５４と合流流路６２とを液体の透過を許容することなく液密に仕切るダイヤフラム（隔膜部材）７４が装着される。プランジャ７２は、スプリング７５を介して矢印Ｂ２方向に付勢されている。

シャフト７０の小径端部７０ａには、弁体６８が装着される。弁体６８の下面には、環状の弾性部材７６が固着され、この弾性部材７６は、弁座６６に着座した際に弾性変形して確実なシールを行う。

図３に示すように、合流流路６２の上流側において、弁体６８が弁座６６から離間して前記合流流路６２を構成する上部壁部７８に最接近する位置（矢印Ｂ２方向のストロークエンド）で、前記弁体６８の端部６８ａと前記上部壁部７８との間には、所定の隙間（クリアランス）Ｈが形成される。弁体６８の上部と上部壁部７８との間には、スプリング８０が介装される。

駆動部５４には、弁体６８が上部壁部７８に最接近する位置で該弁体６８を停止させるために、ゴム等の絶縁体製ストッパ８１が設けられる。このストッパ８１は、プランジャ７２の上端面に取り付けられる。

合流流路６２の下流側を構成する下部壁部８２には、開閉機構６４の可動部であるシャフト７０に連結されるダイヤフラム７４と、前記ダイヤフラム７４を囲繞するとともに、該ダイヤフラム７４の高さよりも低い周回溝部８４とが設けられる。

図１に示すように、燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２に空気を供給する空気供給流路９０と、前記燃料電池スタック２２から排出される未使用の空気を含む排ガスを、外部に廃棄するための空気排出流路９２とを備える。空気供給流路９０には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）９４が設けられる。

このように構成される燃料電池システム２０の動作について、弁装置４８との関連で以下に説明する。

図１に示すように、水素タンク４２から水素供給流路３８に供給される水素ガスは、レギュレータ４４を介して所定の圧力に減圧されて燃料電池スタック２２の水素供給口３４ａに供給される。水素供給口３４ａに供給された水素は、各燃料電池２４を構成するアノード側電極２８ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口３４ｂから水素排出流路４０に排出される。

一方、スーパーチャージャ９４を介して空気供給流路９０に空気が供給される。この空気は、空気供給口３６ａから各燃料電池２４のカソード側電極２８ｃに供給され、未使用の空気を含む排ガスが、空気排出口３６ｂから空気排出流路９２に排出される。これにより、各燃料電池２４では、アノード側電極２８ｂに供給される水素と、カソード側電極２８ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。

水素排出流路４０に排出された排ガスは、弁装置４８の導入流路５６に導入される。弁装置４８では、図２に示すように、ソレノイド部６９が滅勢されており、弁体６８が矢印Ｂ１方向に付勢されて、弾性部材７６が弁座６６に着座している。従って、導入流路５６と導出流路６０とは、互いに閉塞されている。

そこで、水素排出流路４０に進入した窒素や過剰な水分をこの水素排出流路４０から排出（パージ）する際には、開閉機構６４を構成する駆動部５４が付勢される。すなわち、図３に示すように、ソレノイド部６９の励磁作用下に、シャフト７０が矢印Ｂ２方向に変位する。これにより、シャフト７０の小径端部７０ａに装着されている弁体６８が矢印Ｂ２方向に移動し、弾性部材７６が弁座６６から離間する一方、プランジャ７２のストッパ８１がコア部材７１に当接する。

従って、合流流路６２が開放されて導入流路５６と導出流路６０とが連通する。このため、導入流路５６に導入された排ガスは、合流流路６２から導出流路６０を介してパージ流路５８に排出され、この排ガスに混在する窒素や水分が廃棄される。

この場合、第１の実施形態では、弁体６８が上部壁部７８に最接近する位置に至る際、前記弁体６８の端部６８ａと前記上部壁部７８との間には、所定の隙間Ｈが形成されている（図３参照）。これにより、弁体６８の端部６８ａと上部壁部７８との間には、水分が滞留することがなく、滞留した水分が凍結して前記弁体６８が前記上部壁部７８に固着されることを確実に阻止することができる。

さらに、駆動部５４と合流流路６２とは、ダイヤフラム７４を介して液密に仕切られるとともに、この駆動部５４には、弁体６８が上部壁部７８に最接近する位置で該弁体６８を停止させるために、ストッパ８１が設けられている。従って、合流流路６２内で可動部と固定部とが接触する部位がなく、前記可動部と前記固定部とが凍結することを可及的に阻止することが可能になる。

これにより、第１の実施形態では、開閉機構６４の可動部における凍結を確実に防止することができ、簡単且つ経済的な構成で、始動性の向上を容易に図ることが可能になるという効果が得られる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る弁装置１００の断面図である。なお、第１の実施形態に係る弁装置４８と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

合流流路６２には、開閉機構１０２が設けられるとともに、この開閉機構１０２は、弁座６６に着座する弁体１０４を備える。上部壁部７８に対向する弁体１０４の上端部は、下方に向かって傾斜する略円錐形状部（傾斜上端面）１０６を構成している。

このように構成される第２の実施形態では、弁体１０４の上端部に略円錐形状部１０６が設けられており、この上端部に水が滞留することを確実に阻止することができる。従って、弁体１０４の凍結が一層確実に防止され、弁装置１００の始動が円滑に遂行されるという効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、傾斜上端部として略円錐形状部１０６を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えば、片側にのみ傾斜するカッター形状の傾斜上部に設定してもよい。

また、第１及び第２の実施形態では、弁装置４８、１００が燃料電池システム２０に組み込まれているが、これに限定されるものではない。

本発明の第１の実施形態に係る弁装置が組み込まれる燃料電池システムの概略構成図である。前記弁装置の断面図である。前記弁装置の動作を説明する断面図である。本発明の第２の実施形態に係る弁装置の断面図である。特許文献１に係るバルブの断面図である。

符号の説明

２０…燃料電池システム２２…燃料電池スタック
２４…燃料電池２６ａ、２６ｂ…エンドプレート
２８…電解質膜・電極構造体３０、３２…セパレータ
３４ａ…水素供給口３４ｂ…水素排出口
３８…水素供給流路４０…水素排出流路
４２…水素タンク４４…レギュレータ
４８、１００…弁装置５２…本体部
５４…駆動部５６…導入流路
５８…パージ流路６０…導出流路
６２…合流流路６４、１０２…開閉機構
６６…弁座６８、１０４…弁体
７６…弾性部材７８…上部壁部
８１…ストッパ１０６…略円錐形状部

Claims

燃料電池から使用済みの燃料ガスである排ガスを排出する燃料ガス排出ラインに配設されるパージ弁を構成する弁装置であって、
前記排ガスが導入される導入流路と、
前記排ガスが導出される導出流路と、
前記導入流路と前記導出流路とが合流する合流流路と、
前記合流流路に設けられ、該合流流路を開放及び閉塞自在な開閉機構と、
を備え、
前記開閉機構は、駆動部の作用下に進退可能なシャフトに連結される弁体と、
前記弁体が着座して前記合流流路を閉塞する弁座と、
を設け、
前記合流流路の上流側において前記弁体が前記弁座から離間して前記合流流路を構成するとともに前記弁体の上方に設けられる上部壁部に最接近する位置で、前記弁体の端部と前記上部壁部との間に隙間が形成される一方、
前記シャフトには、前記合流流路の下流側を構成する下部壁部に設けられ、前記駆動部と前記合流流路とを液密に仕切るダイヤフラムが装着されるとともに、
前記合流流路から液密に仕切られた前記駆動部には、前記弁体が前記上部壁部に最接近する位置で該弁体を停止させるストッパが設けられることを特徴とする弁装置。
請求項１記載の弁装置において、前記下部壁部には、前記ダイヤフラムを囲繞するとともに、該ダイヤフラムの高さよりも低い周回溝部が設けられることを特徴とする弁装置。
請求項１又は２記載の弁装置において、前記上部壁部に対向する前記弁体の端部は、下方に向かって傾斜する傾斜上端面を有することを特徴とする弁装置。