CN106104114A - 流体控制阀 - Google Patents

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Abstract

连接于湿润气体流路、且控制湿润气体的流量的流体控制阀包括：导入通路，其用于将湿润气体导入到流体控制阀内；过滤器，其具有用于除去在导入通路中流动的湿润气体中的异物的网；排出通路，其具有配置于比导入通路靠上方的位置的阀端口，且用于将通过了过滤器的湿润气体经由阀端口自流体控制阀内排出；以及阀部，其利用阀芯开闭阀端口。在该流体控制阀中，过滤器配置于导入通路的最下部。

Description

流体控制阀
技术领域
本发明涉及一种流体控制阀。
背景技术
作为配置于湿润气体流路并控制湿润气体的流动的流体控制阀的一个例子，日本特开2011－258396号公报公开了一种吹扫阀。吹扫阀用于燃料电池系统，并在将自燃料电池排出的阳极排气向燃料电池系统的外部排出时打开。
发明内容
吹扫阀等流体控制阀利用阀芯对连通流体的导入通路和排出通路的阀端口进行开闭，由此控制流体的流动。在利用这样的流体控制阀来控制含有水分的湿润气体的流动的情况下，考虑到水分的侵入，需要将阀端口的位置配置于比导入通路靠上方的位置。
在使用有流体控制阀的系统停止后，有时水自湿润气体流路侵入导入通路。在将阀端口配置于比导入通路靠下方的位置的情况下，侵入到导入通路的水由于重力而被导向阀端口，在低温环境下在系统停止过程中有可能使阀端口和阀芯冻结。在系统停止过程中若阀端口和阀芯冻结，则在之后的系统起动时无法控制湿润气体的流动。
但是，在将阀端口配置于比导入通路靠下方的位置的情况下，在系统运转过程中通过打开阀端口，利用重力能够将侵入到导入通路的水自阀端口向排出通路排出。也就是说，在系统运转过程中仅通过打开阀端口，就能够进行排水。
另一方面，在将阀端口配置于比导入通路靠上方的位置的情况下，在系统运转过程中仅通过打开阀端口，无法利用重力将水排出。
因此，在将阀端口配置于比导入通路靠上方的位置的情况下，例如，导入通路以朝向重力方向下方凸起的方式弯曲形成，且构成为使水积存于弯曲部。若水积存于弯曲部，则成为导入通路被积存的水堵塞的状态。在成为这样的堵塞状态后打开阀端口，利用湿润气体将堵塞导入通路的水一下推出，由此，将水自阀端口向排出通路排出。
但是，在该方法中，若没有利用水完全堵塞导入通路则无法排水。因此，在包含流体控制阀的系统由于故障而强制停止等情况下，积存于弯曲部的水有可能在系统停止过程中冻结，而导入通路一直成为堵塞状态。在这样的情况下，在系统再起动时无法控制湿润气体的流动。
本发明的目的是提供一种无需用水堵塞导入通路就能够排水的流体控制阀。
根据本发明一种技术方案，提供一种配置于湿润气体流路并对湿润气体的流动进行控制的流体控制阀。流体控制阀包括：导入通路，其用于将湿润气体导入到流体控制阀内；过滤器，其具有将在导入通路内流动的湿润气体中的异物去除的网；排出通路，其具有配置比导入通路靠上方的位置的阀端口，且其用于将通过了过滤器的湿润气体经由阀端口自流体控制阀内排出；阀部，其利用阀芯开闭阀端口。在该流体控制阀中，过滤器配置于导入通路的最下部。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的燃料电池的概略立体图。
图2是图1的燃料电池的II－II剖视图。
图3是本发明的一实施方式的燃料电池系统的概略图。
图4是表示燃料电池堆、吹扫阀及缓冲罐的位置关系的立体图。
图5是本发明的一实施方式的吹扫阀的概略剖视图。
图6是本发明的其他实施方式的燃料电池系统的概略图。
图7A是说明比较例的吹扫阀的导入通路中的水的流动的一例的图。
图7B是说明比较例的吹扫阀的导入通路中的水的流动的一例的图。
图7C是说明比较例的吹扫阀的导入通路中的水的流动的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图等说明本发明的实施方式。
燃料电池是利用作为燃料极的阳极电极和作为氧化剂极的阴极电极夹持电解质膜而构成的。燃料电池利用向阳极电极供给的含有氢的阳极气体及向阴极电极供给的含有氧的阴极气体进行发电。在阳极电极及阴极电极这两电极进行的电极反应如下。
阳极电极：2H2→4H++4e-···(1)
阴极电极：4H++4e-+O2→2H2O···(2)
利用所述(1)、(2)的电极反应，燃料电池产生1V左右的电动势。
图1是本发明的一实施方式的燃料电池10的概略立体图。图2是图1的燃料电池10的II－II剖视图。
如图1及图2所示，燃料电池10包括膜电极接合体(MEA)11、以隔着MEA11的方式配置的阳极隔膜12及阴极隔膜13。
MEA11包括电解质膜111、阳极电极112和阴极电极113。MEA11在电解质膜111的一个面具有阳极电极112，在电解质膜111的另一个面具有阴极电极113。
电解质膜111是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜。电解质膜111在湿润状态下表现出良好的导电性。
阳极电极112包括催化剂层112a和气体扩散层112b。催化剂层112a与电解质膜111相接触。催化剂层112a由铂或承载有铂等的炭黑粒子形成。气体扩散层112b设于催化剂层112a的外侧，且与阳极隔膜12相接触。气体扩散层112b由具有充分的气体扩散性及导电性的构件形成。气体扩散层112b由例如利用包括碳纤维的丝织成的碳布形成。
与阳极电极112同样地，阴极电极113也包括催化剂层113a和气体扩散层113b。催化剂层113a配置于电解质膜111和气体扩散层113b之间，气体扩散层113b配置于催化剂层113a和阴极隔膜13之间。
阳极隔膜12与阳极电极112的气体扩散层112b相接触。阳极隔膜12在其与气体扩散层112b相接触的一侧具有用于向阳极电极112供给阳极气体的多个槽状的阳极气体流路121。
阴极隔膜13与阴极电极113的气体扩散层113b相接触。阴极隔膜13在其与气体扩散层113b相接触的一侧具有用于向阴极电极113供给阴极气体的多个槽状的阴极气体流路131。
阳极隔膜12及阴极隔膜13构成为使在阳极气体流路121中流动的阳极气体的流动方向与在阴极气体流路131中流动的阴极气体的流动方向彼此相反。此外，阳极隔膜12及阴极隔膜13也可以构成为使这些气体以其流动方向朝向相同方向的方式流动。
在将这样的燃料电池10作为汽车用电源使用的情况下，因为所要求的电力较大，所以使用将数百枚燃料电池10层叠而成的燃料电池堆2。而且，构成向燃料电池堆2供给阳极气体及阴极气体的燃料电池系统100，从而输出用于驱动车辆的电力。
以下，参照图3及图4，说明本发明的一实施方式的燃料电池系统1。
图3是本发明的一实施方式的燃料电池系统1的概略结构图。图4是表示燃料电池堆2、吹扫阀36及缓冲罐37的位置关系的立体图。
燃料电池系统1包括燃料电池堆2、阳极气体供给装置3和控制器4。
燃料电池堆2是层叠多枚燃料电池10而成的层叠电池，且接受阳极气体及阴极气体的供给而进行发电。燃料电池堆2产生车辆的驱动所需的电力，例如，产生驱动发动机所需的电力。
对于燃料电池堆2的阴极气体供排装置及用于冷却燃料电池堆2的冷却装置，由于不是本发明的主要部分，所以为了使发明容易理解而省略了图示。此外，在燃料电池系统1中使用空气作为阴极气体。
阳极气体供给装置3包括高压罐31、阳极气体供给通路32、调压阀33、压力传感器34、阳极气体排出通路35、吹扫阀36、缓冲罐37和吹扫通路38。
高压罐31将向燃料电池堆2供给的阳极气体保持在高圧状态并储藏。
阳极气体供给通路32是用于将自高压罐31排出来的阳极气体向燃料电池堆2供给的通路。阳极气体供给通路32的一端部连接于高压罐31，另一端部连接于燃料电池堆2的阳极气体入口部21。
调压阀33设于阳极气体供给通路32。调压阀33将自高压罐31排出来的阳极气体调节到期望的压力并向燃料电池堆2供给。调压阀33是能够连续地或阶段性地调节开度的电磁阀。利用控制器4对调压阀33的开度进行控制。
压力传感器34设于阳极气体供给通路32的比调压阀33靠下游的部分。压力传感器34用于检测在阳极气体供给通路32的比调压阀33靠下游的部分中流动的阳极气体的压力。在燃料电池系统1中，将利用压力传感器34检测出的阳极气体的压力用作包括各阳极气体流路121和缓冲罐37在内的阳极系统整体的压力(阳极压力)。
阳极气体排出通路35是供自燃料电池堆2排出来的阳极排气流动的通路。阳极排气是包含电极反应中没有使用的剩余的阳极气体和自阴极气体流路131向阳极气体流路121透过来的氮和水分(水蒸气和液态水)等杂质气体的混合气体。阳极气体排出通路35的一端部与燃料电池堆2的阳极气体出口部22相连接，另一端部与吹扫阀36相连接。自燃料电池堆2排出的阳极排气是包含水分的湿润气体，阳极气体排出通路35是供湿润气体流动的湿润气体流路。在燃料电池系统1中为了实现利用了重力的排水，如图4所示，阳极气体排出通路35的另一端部的位置设定为比一端部的位置低。
吹扫阀36是控制阳极排气的朝向吹扫通路38的排出状态(例如排出/非排出)的流体控制阀。对于吹扫阀36的详细的构造，由于参照图5在后面进行叙述，所以，以下进行简单地说明。
如图3所示，在吹扫阀36的内部形成有导入通路361及排出通路364。导入通路361的一端部与阳极气体排出通路35相连接，另一端部与缓冲罐37相连接。排出通路364以连结导入通路361和吹扫通路38的方式进行连接。在导入通路361和排出通路364之间设有被控制器4开闭的阀部365。通过开闭阀部365，对阳极排气的自导入通路361朝向排出通路364的排出状态、即阳极排气的朝向吹扫通路38的排出状态进行控制。
缓冲罐37将通过了阳极气体排出通路35及吹扫阀36的导入通路361的阳极排气暂时储存起来。通过打开吹扫阀36的阀部365，缓冲罐37所储存的阳极排气自导入通路361向排出通路364流出，并排出到吹扫通路38。
吹扫通路38的一端部与吹扫阀36的排出通路364相连接。对于排出到吹扫通路38的阳极排气，为了阳极排气中的氢的稀释，例如使其向阴极气体的排出通路等合流，最终排出到燃料电池系统1的外部。
控制器4由包括中央运算装置(CPU)、读取专用存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)及输入/输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。
除了向控制器4输入上述压力传感器34的信号之外，还输入检测燃料电池堆2的输出电流的电流传感器41、检测输出电压的电压传感器42、检测加速器踏板的踏入量的加速行程传感器43等的、用于检测燃料电池系统1的运转状态的各种信号。
控制器4基于燃料电池系统1的运转状态控制调压阀33，且控制向燃料电池堆2供给的阳极气体的流量及压力。此外，为了将自阴极气体流路131向阳极气体流路121透过来的杂质气体排出到燃料电池系统1的外部，根据需要打开吹扫阀36的阀部365而将阳极排气排出到吹扫通路38。
图5是作为控制湿润气体的流动的流体控制阀的吹扫阀36的概略剖视图。
如图5所示，吹扫阀36包括外壳360、导入通路361、过滤器362、引导通路363、排出通路364及阀部365。
导入通路361是形成于外壳360内的通路。构成导入通路361的一端部的第1端口361a与阳极气体排出通路35相连接，构成另一端部的第2端口361b与缓冲罐37相连接。导入通路361形成为使侵入到导入通路361内的水朝向导入通路361的特定部位流下那样的形状。更详细地说，导入通路361形成为通路自一端部及另一端部朝向中央部分向下倾斜、中央部分向下弯曲那样的形状。因而，导入通路361的中央部分构成为朝向重力方向下方凸起。通过这样地构成导入通路361，水朝向导入通路361的中央部分流下，且水易于积存于该中央部分。以下，将导入通路361内的水所积存的部分称为“水积存部”。
过滤器362配置于导入通路361的中央部分中的最下部、即导入通路361的水积存部。过滤器362例如形成为圆筒形状，且在圆筒侧面设有形成有多个小孔的网362a。作为网362a，存在编织金属等的棒线而成的金属网、在金属板等上开孔而成的网等。过滤器362利用网362a除去阳极排气中的异物，从而防止异物咬入配置于下游的阀部365。
引导通路363是形成于外壳360内的通路。引导通路363形成为自过滤器362的上表面侧(上部)向上方延伸。引导通路363是用于将通过了过滤器362的阳极排气向过滤器362的上方引导的通路。引导通路363的上端形成为开口端，且构成作为阀座而发挥功能的阀端口368。这样阀端口368配置于比导入通路361靠上方的位置。
排出通路364是形成于外壳360内的通路。排出通路364的一端部经由阀端口368与引导通路363的上端相连通，排出通路364的另一端部连接于吹扫通路38。
阀部365具有驱动部366和阀芯367。阀部365的驱动部366驱动阀芯367，阀芯367基于驱动部366的驱动力开闭阀端口368。
驱动部366包括固定铁心366a、可动铁心366b和线圈366c。此外，驱动部366在固定铁心366a和可动铁心366b之间还具有弹簧366d，该弹簧366d对可动铁心366b向自固定铁心366a远离的方向(图中下方向)施力。若对线圈366c进行通电，则固定铁心366a及可动铁心366b磁化，在相互的吸引力的作用下，向靠近固定铁心366a的方向(图中上方向)驱动可动铁心366b。
阀芯367包括阀杆部367a和隔膜367b。阀杆部367a借助嵌入螺母固定于可动铁心366b，且与可动铁心366b一同移动。隔膜367b配置于阀杆部367a的顶端。隔膜367b的外缘部分固定于外壳360，隔膜367b的中央部分固定于阀杆部367a。
上述那样构成的吹扫阀36的阀部365在线圈没有通电时成为可动铁心366b被弹簧366d向图中下方向施力的状态。因此，在线圈没有通电时阀杆部367a也成为被向图中下方向施力的状态，且成为利用隔膜367b关闭阀端口368(引导通路363的上端)的状态。
相对于此，在线圈通电时，由于可动铁心366b被固定铁心366a吸起，并克服弹簧366d的施力而向图中上方向移动。因此，成为以下状态：阀杆部367a与可动铁心366b一同向图中上方向移动，且隔膜367b自阀端口368离开而阀端口368打开。
接着，说明本实施方式的吹扫阀36的作用效果。
在燃料电池系统1停止后有时水也自阳极气体排出通路35浸入到吹扫阀36的导入通路361。因此，若将阀端口368配置于比导入通路361靠下方的位置，则侵入到导入通路361的水在重力的作用下被导向阀端口368，且在低温环境下的燃料电池系统1的停止过程中阀端口368和阀芯367冻结。为了回避该情况，在本实施方式的吹扫阀36中，阀端口368配置于比导入通路361靠上方的位置。
在燃料电池系统1起动时，阳极气体流路121内成为混入有在系统停止过程中侵入的空气的状态。因此，在系统起动时，通过自高压罐31追加供给阳极气体，从而将阳极气体流路121内存在的空气向阳极气体排出通路35排出。此时，利用吹扫阀36的阀芯367打开阀端口368，由此，被排出到阳极气体排出通路35的包含空气的阳极排气被向吹扫通路38排出。然而，若在燃料电池系统1的停止过程中阀端口368和阀芯367就冻结，则在系统再起动时，无法将阳极排气向吹扫通路38排出。
然而，如本实施方式那样若将阀端口368配置于比导入通路361靠上方的位置，则能够解决上述的问题。另一方面，若将阀端口368的位置配置于比导入通路361靠上方的位置，则即使打开阀端口368，在燃料电池系统1的运转过程中流入到导入通路361内的液态水也无法利用重力向外部排出。
因此，在将阀端口368的位置配置于比导入通路361靠上方的位置的情况下，为了排出在系统运转过程中流入到导入通路361内的液态水，例如考虑到如图7A～图7C所示的比较例那样构成导入通路361。即，导入通路361的比过滤器362靠上游侧的部分以朝向重力方向下方凸起的方式弯曲形成。通过这样形成导入通路361，从而使导入通路361的一部分作为水积存部发挥功能。此外，将导入通路361的通路直径设定为小于阳极气体排出通路35的通路直径，由此，水积存部构成为迅速地使水积存。
通过使导入通路361成为这样的结构，从而在系统运转过程中使水积存于水积存部。最终，如图7B所示，导入通路361成为被水完全堵塞的状态。在变成堵塞状态后若打开阀端口368，则堵塞导入通路361的水如图7C所示那样被阳极排气的气压一下推出。由此，导入通路361内的水通过阀端口368被向排出通路364排出。
然而，在图7A～图7C所示的比较例的方法中，若没有利用水将导入通路361完全堵塞则无法排水。因此，在燃料电池系统1由于故障而强制停止等情况下，在系统运转过程中积存于水积存部的水有可能会在系统停止过程中冻结而堵塞导入通路361。在该情况下，在系统再起动时无法将阳极排气向吹扫通路38排出。
因而，在将阀端口368配置于比导入通路361靠上方的位置的情况下，期望在燃料电池系统1的运转过程中无需用水堵塞导入通路361，就能够将流入到导入通路361内的水向排出通路364排出。
在此，在本实施方式中，如图5所示，在成为导入通路361的最下部的水积存部配置有过滤器362。本发明人获得了这样的见解：通过进行这样的配置，即使没有利用水将导入通路361堵塞，也能够在打开阀端口368时将导入通路361内的水向排出通路364排出。
说明该见解。若如本实施方式那样在导入通路361的水积存部配置过滤器362，则在打开阀端口368时的导入通路361的压力(相当于阳极压力的压力)与排出通路364的压力(相当于大气压的压力)之间的压差的作用下，水积存部的水先于阳极排气沿着过滤器362的网362a的表面被吸起。水被吸起的现象的原因在于，在水自身的表面张力的作用下在网362a的小孔形成水膜，且该水膜在网362a的表面沿图中上方向形成。这样沿网362a的表面被吸起的水基于上述的压差通过引导通路363上升，并被向排出通路364排出。
若这样在导入通路361的最下部(水积存部)配置过滤器362，则仅通过打开阀端口368，就能够将水积存部的水先于阳极排气向排出通路364排出。
本实施方式的吹扫阀36连接于阳极气体排出通路35而控制阳极排气的流动。吹扫阀36包括：导入通路361，其将阳极排气导入到吹扫阀36内；过滤器362，其具有用于除去在导入通路361中流动的阳极排气中的异物的网362a；排出通路364，其具有位于比导入通路361靠上方的位置的阀端口368，且将通过了过滤器362的阳极排气经由阀端口368自吹扫阀36内排出；以及阀部365，其利用阀芯367开闭阀端口368。
在该吹扫阀36中，过滤器362配置于导入通路361的最下部。由此，能够沿着过滤器362的网362a的表面将积存于导入通路361的最下部(水积存部)的水吸起，并利用打开阀端口368时的导入通路361的压力与排出通路364的压力之间的压差，将利用网362a吸起的水向排出通路364排出。
因此，在燃料电池系统1的运转过程中即使没有利用水将导入通路361完全堵塞，也能够通过打开阀端口368将积存于导入通路361的最下部的水向排出通路364排出。因而，即使在燃料电池系统1由于故障而强制停止的情况下，也能够抑制在系统再起动时导入通路361成为被冻结的水完全堵塞的状态。
根据本实施方式的吹扫阀36，由于即使不像比较例那样用水完全堵塞导入通路361亦可，因此不必为了易于积存水而使导入通路361的通路直径小于阳极气体排出通路35的通路直径。因此，在将本实施方式的吹扫阀36用于燃料电池系统1的情况下，如以下所述的那样，能够提高燃料电池系统1的性能。
即，若为不将排出到阳极气体排出通路35的阳极排气返回阳极气体供给通路32而是压入缓冲罐37的本实施方式那样的封闭式阳极(日文：アノードデッドエンド)型的燃料电池系统1，则不必减小导入通路361的通路直径。因此，能够抑制在将阳极排气压入缓冲罐37时的导入通路361处的压力损失的增加。因而，由于能够在将阳极排气压入缓冲罐37时的阳极压力抑制得较低，因此能够提高燃料经济性(日文：燃費)。此外，由于还能够将对阳极气体供给通路32、燃料电池堆2等零件施加的压力抑制得较低，因此也能够提高零件的耐久性。
另一方面，如图6所示，若为循环型的燃料电池系统1，则能够抑制在经由吹扫阀36将阳极排气排出时的导入通路361处的压力损失的增加，该循环型的燃料电池系统1利用设于连接阳极气体排出通路35和阳极气体供给通路32的循环通路39的循环泵40使阳极排气返回阳极气体供给通路32。因而，能够使每单位时间的阳极排气的排出流量增多，且能够缩短吹扫阀开阀时间，从而能够抑制阳极排气中的氢浪费地排出。此外，在这样的循环型的燃料电池系统1中，对于吹扫阀36的第2端口361b，使其堵塞即可。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式仅表示本发明的适用例的一部分，其主旨不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体的结构。
例如，在上述实施方式中，以使导入通路361的中央部分朝向重力方向下方凸起的方式分别自一端部及另一端部朝向中央部分使导入通路361倾斜。然而，导入通路361只要呈使导入通路361内的水朝向导入通路361的特定部位流下那样的形状即可，因此对于导入通路361的形状并没有做出限定。例如，也可以将导入通路361的一部分挖出碗状而形成沿重力方向倾斜的曲面，由此，将该挖出的部分作为水积存部。
在上述实施方式中，作为流体控制阀的一个例子，说明了用于燃料电池系统1的吹扫阀。流体控制阀的使用并不限定于燃料电池系统，流体控制阀能够用于利用湿润气体的所有系统。
本申请主张基于2014年3月7日向日本特许厅提出申请的特许出愿No.2014－45174的优先权，并将该特许出愿的全部内容通过参照编入本说明书。

Claims (4)

1.一种流体控制阀，其连接于湿润气体流路，且控制湿润气体的流动，其中，
所述流体控制阀包括：
导入通路，其用于将湿润气体导入到所述流体控制阀内；
过滤器，其具有用于除去在所述导入通路中流动的湿润气体中的异物的网；
排出通路，其具有配置于比所述导入通路靠上方的位置的阀端口，且用于将通过了所述过滤器的湿润气体经由所述阀端口自所述流体控制阀内排出；
阀部，其利用阀芯开闭所述阀端口；
所述过滤器配置于所述导入通路的最下部。
2.根据权利要求1所述的流体控制阀，其中，
所述流体控制阀是用于将作为自燃料电池排出的湿润气体的阳极排气向燃料电池系统的外部排出的吹扫阀。
3.根据权利要求2所述的流体控制阀，其中，
所述燃料电池系统是封闭式阳极型燃料电池系统，该封闭式阳极型燃料电池系统包括：阳极气体排出通路，其作为供自所述燃料电池排出的阳极排气流动的所述湿润气体流路；以及缓冲部，其储存自所述燃料电池排出的阳极排气。
4.根据权利要求3所述的流体控制阀，其中，
所述导入通路具有将湿润气体导入到所述导入通路内的两个端口，
所述两个端口中的一个端口与所述阳极气体排出通路相连接，
所述两个端口中的另一个端口与所述缓冲部相连接。
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