JP2004162878A - バルブのシート構造 - Google Patents

Abstract

【課題】閉弁状態においてバルブ内の水分が凍結した場合にも、バルブを確実に開閉できるようにする。
【解決手段】シート部２０と、シート部２０の上方に配置されシート部２０に対して当接離反可能な弁体１５と、シート部２０の外側に連通する流体入口通路１７とを備えたバルブのシート構造において、シート部２０は流体入口通路１７の下端１７ａよりも上方に設置されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、バルブのシート構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を反応ガスとして発電する燃料電池では、発電に供された後に燃料電池から排出される燃料ガス、すなわちアノードオフガスには未反応の燃料ガスが含まれている。これをそのまま放出したのでは燃費が悪化してしまうので、燃費向上のため、このアノードオフガスをエゼクタやポンプ等の昇圧手段を用いて積極的に循環させ、新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給する燃料電池システムが考案されている。以下、このように燃料を循環再利用する燃料電池システムを循環式燃料電池システムと称す。
【０００３】
ところで、固体高分子電解質膜型の燃料電池の場合には、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、発電出力が低下するため、良好な発電性能を保つために固体高分子電解質膜を所定の湿度に保つ必要がある。そこで、固体高分子電解質膜型の燃料電池では、燃料ガスを加湿してアノードに供給している。この場合、燃料電池から排出されるアノードオフガスも水分を含んでいる。
このように燃料電池のアノードに水分を供給しているのであるが、アノード側に水が溜まると燃料ガスの供給が阻害され、発電が不安定になる場合がある。
また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して燃料ガスに混入するので、燃料ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電が不安定になる場合がある。
【０００４】
このように燃料電池の発電が不安定になった場合には、燃料ガス循環流路から流体排出を行い、アノードに溜まった水や、燃料ガスに混入した窒素を排出して、発電状態を回復する。そのために、燃料ガス循環流路には排出弁が設けられている。
しかしながら、前述した固体高分子電解質膜型の燃料電池を備えた循環式燃料電池システムにおいては、氷点下の環境に燃料電池システムを停止させたときに排出弁の弁体とシート部の間に付着した水分が凍結して固着状態になると、排出弁を開けられなくなり、流体排出を行うことができなくなる。
したがって、排出弁には、低温時にも凍結による固着が起こりにくい構造が必要とされる。
【０００５】
なお、バルブを備えた凍結防止装置として、水が凍結する際の体積膨張を利用してバルブの弁体をシート部から離反させて開弁し、凍結による固着を回避する構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２８７３２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記凍結防止装置のバルブは、凍結前に閉弁していたものを凍結時に開弁させることで固着を回避するものであり、前記排出弁をこのような構造にして凍結時の固着防止を図ろうとすると、凍結時に排出弁が開弁することとなって燃料が流出してしまう。したがって、前記排出弁にこのようなバルブ構造を採用することはできない。
なお、前記排出弁に限らず、凍結の虞がある場所で使用されるバルブには、例え凍結しても固着しにくい構造が必要とされる。
そこで、この発明は、簡単な構造ながら、凍結による固着を防止することができるバルブのシート構造を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、シート部（例えば、後述する実施の形態におけるシート部２０，３０）と、前記シート部の上方に配置され前記シート部に対して当接離反可能な弁体（例えば、後述する実施の形態における弁体１５）と、前記シート部の外側に連通する流体通路（例えば、後述する実施の形態における流体入口通路１７）とを備えたバルブ（例えば、後述する実施の形態における排出弁１）のシート構造において、前記シート部は前記流体通路の下端（例えば、後述する実施の形態における下端１７ａ）よりも上方に設置されていることを特徴とする。
このように構成することにより、前記流体通路に水が溜まっても、この水が前記シート部に付着するのを防止することができ、氷点下の環境にバルブを閉弁状態で保持しても、凍結によるバルブの固着を防止することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記シート部の周囲に前記流体通路の下端よりも低い水溜用の溝（例えば、後述する実施の形態における水溜溝３６）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、水の溜まる場所を前記シート部から離間した前記溝に特定することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記弁体の下端には、前記シート部よりも外側に位置しシート部の上端よりも下方に延びる水切り突起（例えば、後述する実施の形態における水切り突起３８）が環状に設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、前記弁体に付着した水滴を前記シート部に回り込まないようにすることができ、また、弁体から落下した水滴が前記シート部に付着しないようにすることができる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記水切り突起は前記水溜用の溝の上方に配置されていることを特徴とする。
このように構成することにより、前記弁体の水切り突起から落下する水滴を前記水溜用で受けることができる。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の発明において、前記シート部の上部が上端に進むにしたがって断面縮小することを特徴とする。
このように構成することにより、閉弁状態で前記弁体と前記シート部が水の凍結により固着した場合にも、固着面積を小さくすることができる。
【００１３】
請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明において、前記シート部と該シート部に当接する前記弁体の当接部のいずれか一方が撥水性を有する材料（例えば、後述する実施の形態におけるフッ素系樹脂）で構成され、他方が弾性材（例えば、後述する実施の形態におけるゴム）で構成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、撥水性の材料で構成された部材には水滴が付着しにくいので凍結によるバルブの固着をしにくくすることができ、弾性材で構成された部材との組み合わせによりシート性を確保することができる。
【００１４】
請求項７に係る発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の発明において、燃料電池システムにおける燃料循環経路内の流体排出に用いるバルブに設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、前記バルブを閉じた状態で外気温度が氷点下となり、前記バルブの内部に付着した水滴が凍結した場合があっても、凍結によるバルブの固着を防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係るバルブのシート構造の実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態におけるバルブのシート構造は、燃料電池システムの燃料ガス循環流路（燃料循環経路）に設置される流体排出用の排出弁に設けられた態様であり、この排出弁は燃料電池システムの停止時には閉弁状態に保持されるものである。
【００１６】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明の第１の実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１はこの発明のシート構造を備えた排出弁１の断面図である。
排出弁１は、燃料ガス循環流路（図示せず）に接続される入口ノズル１１ａを備えた第１バルブ本体１１と、出口ノズル１２ａを備えた第２バルブ本体１２と、第２バルブ本体１２の上部に固定された蓋体１３と、第１バルブ本体１１と第２バルブ本体１２によって挟持され固定されたシート部材１４と、シート部材１４の上方に配置されてシート部材１４に当接離反する弁体１５と、第２バルブ本体１２に固定され弁体１５を上下動させる電磁アクチュエータ１６、を主要な構成とする。
【００１７】
この排出弁１の取付状態においては、電磁アクチュエータ１６はそのプランジャ１６ａが上下方向に移動可能に設置されており、入口ノズル１１ａと出口ノズル１２ａはプランジャ１６ａと直交するように水平に配置されている。
入口ノズル１１ａには流体入口通路１７がその軸心を略水平にして設けられており、出口ノズル１２ａには流体出口通路１８がその軸心を水平にして設けられている。
【００１８】
シート部材１４はステンレスなどで形成されており、その表面には撥水性に優れたフッ素系樹脂がコーティングされている。シート部材１４は、中央に連通孔１９を備え、連通孔１９の上端周囲を包囲するようにシート部２０が形成されている。さらに、シート部２０の上端は断面略半円形をなしており、これにより、シート部２０は上端に進むにしたがって断面縮小している。
シート部材１４において、シート部２０に連なる外周面は下方に広がるテーパ面２１とされており、このテーパ面２１の下端に水平面２２が連なっている。水平面２２は流体入口通路１７の下端１７ａと面一にされている。したがって、流体入口通路１７はシート部２０の外側に連通しており、シート部２０は流体入口通路１７の下端１７ａよりも上方に設置されている
シート部材１４において、シート部２０に連なる内周面はほぼ垂直に下降する垂直面２３とされており、この垂直面２３の下端に下方に広がるテーパ面２４が連なっている。
【００１９】
電磁アクチュエータ１６のプランジャ１６ａはシート部材１４の連通孔１９の中央を貫通し、連通孔１９を貫通したプランジャ１６ａの先端に弁体１５が固定されている。弁体１５はステンレスなどで形成されており、弁体１５の下面には環状の凹部が形成され、この凹部にゴム（弾性材）からなるシートリング（当接部）２５が焼き付け固定されていて、閉弁時にはシートリング２５がシート部２０に当接するようにされている。なお、シートリング２５には、ゴムを素材として架橋処理またはフッ素系樹脂コーティング処理をしたものを用いてもよい。
【００２０】
この排出弁１は入口ノズル１１ａを燃料ガス循環流路に接続した状態で使用され、通常は閉じていて、燃料ガス循環流路から燃料オフガスを排出すべきときに電磁アクチュエータ１６によって開き動作せしめられる。電磁アクチュエータ１６によって弁体１５を上方に移動させると、シートリング２５がシート部２０から離反して排出弁１が開き、燃料ガス循環流路を流れる燃料オフガスが流体入口通路１７から流入し、連通孔１９を通って、流体出口通路１８へと流出する。また、燃料電池システムを停止している間は排出弁１を閉弁状態に維持する。
【００２１】
ところで、燃料電池システムの運転中に排出した燃料オフガスには水分が含まれているので、燃料電池システムの運転中、排出弁１の内部に水滴が付着する場合がある。また、燃料電池システムの運転中に排出弁１の内部に水滴が付着していなくても、燃料電池システムの停止中に温度低下して燃料オフガス中に含まれていた水分が排出弁１の内部で凝結し、水滴となり付着する場合もある。
【００２２】
しかしながら、この排出弁１においては、例え排出弁１の内部に水滴が付着しても、シート部材１４の表面には撥水性に優れたフッ素系樹脂がコーティングされているので、水滴はシート部材１４に付着しにくい。特に、シート部２０の先端は断面略半円形をなしているので、水滴が滑落し易く、さらにシート部２０に連なる外面および内面がテーパ面２１、垂直面２３となっているので、水滴はこれらテーパ面２１および垂直面２３も滑落し易い。したがって、シート部２０およびその近傍に水滴が付着しにくい。
また、シート部２０が流体入口通路１７の下端１７ａよりも上方に設けられているので、流体入口通路１７に水が溜まっても、この水がシート部２０に付着することはない。
【００２３】
したがって、排出弁１を閉じた状態で燃料電池システムを停止したときに、停止中に外気温度が氷点下となり、排出弁１の内部に付着した水滴が凍結した場合があっても、シート部２０には水滴が殆ど付着していないので、凍結により弁体１５がシート部２０に固着するのを防止することができる。
また、万一、シート部２０に水滴が付着することがあったとしても、シート部２０は上端に進むにしたがって断面縮小しているので固着面積を小さくすることができ、シート部２０に付着した水滴が凍結しても凍結による張り付き荷重を低減することができる。これにより、凍結時にも排出弁１を容易に開閉することが可能になる。
したがって、凍結しても排出弁１を確実に開閉することが可能になり、燃料電池システムの低温始動時に燃料オフガスを排出する必要がある場合に、燃料オフガスの排出を確実に実行することができる。
なお、シート部２０に当接する弁体１５のシートリング２５がゴムで構成されているので、閉弁時にシート部２０のシート性を十分に確保することができる。
【００２４】
シート部２０の先端は、シート性の確保と固着面積の低減の観点から、ゴム製のシートリング２５の耐久性を損なわない範囲で、極力小さい曲率半径の断面形状とするのが好ましい。また、シート部２０の内径も、固着面積の低減の観点から、必要流量を確保できる範囲で最小寸法にするのが好ましい。
また、テーパ面２１の傾斜角度は水滴が滑落し易いように極力垂直に近くするのが好ましい。
【００２５】
また、流体入口通路１７に水が溜まらないように、流体入口通路１７の下端１７ａには段差を設けないのが好ましく、また、入口ノズル１１ａの入口端側に向かって下り勾配の傾斜を付けるのが好ましい。あるいは、流体入口通路１７の下端１７ａが水平である場合には、排出弁１の取付姿勢を流体入口通路１７の入口端側を若干下がるようにすることで、水が溜まりにくくしてもよい。
【００２６】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係るバルブのシート構造の第２の実施の形態を図２の図面を参照して説明する。
図２は、第２の実施の形態における排出弁１の要部断面図である。前述した第１の実施の形態の排出弁１と同一態様部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施の形態のものと相違する点について以下に説明する。
第１バルブ本体１１にはシート取付座３１が設けられており、このシート取付座３１にシート部３０が固定されている。シート部３０はフッ素系樹脂からなり、上端に断面半円形をなす突曲部３２が形成され、突曲部３２に連なる内面がテーパ面３３とされ、さらにこのテーパ面３３に連なる内面が垂直面３４とされている。この垂直面３４は、シート取付座３１の内周面である垂直面３５に面一に連なっている。そして、シート部３０の内側およびシート取付座３１の内側が連通孔１９にされている。
【００２７】
また、第１バルブ本体１１のシート取付座３１には、断面半円形の水溜用の溝（以下、水溜溝という）３６がシート部３０を包囲するように環状に設けられている。そして、この水溜溝３６の内側上端がシート部３０の突曲部３２の外側下端に連なっており、水溜溝３６の外側上端が流体入口通路１７の下端１７ａに連なっている。この第２実施の形態においても、シート部３０の上端は流体入口通路１７の下端１７ａよりも上方に設置されている。
【００２８】
弁体１５には第１の実施の形態と同様にゴム製のシートリング２５が焼き付け固定されている。
弁体１５の外周部はシート部３０よりも外側に張り出しており、弁体１５の外周面は下方に進むにしたがって径方向内側に傾斜するテーパ面３７にされている。また、シートリング２５よりも外側に位置する弁体１５の下面外周部には下方に尖った水切り突起３８が全周に亘って設けられており、水切り突起３８の外周面はテーパ面３７と連続して一体となっている。この水切り突起３８は水溜溝３６の真上に位置している。
【００２９】
この第２の実施の形態の排出弁１においても、シート部３０が撥水性に優れたフッ素系樹脂で形成されているので水滴が付着しにくく、シート部３０の突曲部３２が断面半円形に形成されているので水滴が滑落し易く、シート部３０のテーパ面３３も水滴が滑落し易い。したがって、シート部３０およびその近傍に水滴が付着しにくい。
また、シート部３０の突曲部３２が流体入口通路１７の下端１７ａよりも上方に設けられているので、流体入口通路１７に水が溜まっても、この水がシート部３０の上端に付着することはない。
【００３０】
また、弁体１５に水滴が付着した場合にも、その水滴は弁体１５の外周のテーパ面３７を伝わって流れ落ち、さらに水切り突起３８から水溜溝３６に落下して水溜溝３６に溜まる。したがって、閉弁している間に弁体１５に付着した水滴がシート部３０に回り込まないようにすることができ、また、弁体１５から落下する水の留まる場所を水溜溝３６に特定することができる。そして、水溜溝３６はシート部３０の突曲部３２よりも下方に位置しているので、水溜溝３６に溜まった水が突曲部３２に付着することはない。
【００３１】
したがって、第２の実施の形態における排出弁１においても、凍結により弁体１５がシート部３０に固着するのを防止することができる。また、万一、シート部３０に水滴が付着することがあったとしても、シート部３０の突曲部３２は上端に進むにしたがって断面縮小しているので固着面積を小さくすることができ、シート部３０に付着した水滴が凍結しても凍結による張り付き荷重を低減することができる。よって、この排出弁１の場合も、凍結しても排出弁１を確実に開閉することができる。
【００３２】
なお、第２の実施の形態排出弁１では、シートリング２５をゴムで形成し、シート部３０をフッ素系樹脂で形成したが、この組み合わせを逆にして、シートリング２５をフッ素系樹脂で形成し、シート部３０をゴムで形成することも可能である。図３は、このように材料の組み合わせを逆にした場合の変形例を示す図である。
【００３３】
この図３に示す変形例のバルブのシート構造が図２に示す第２の実施の形態のものと相違する点は以下の通りである。
図３に示す排出弁１の場合には、弁体１５の全体がフッ素系樹脂で形成されており、シートリング２５がない。また、シート部３０はゴムで形成されている。
このように構成された排出弁１においては、弁体１５が撥水性を有しているので弁体１５に水滴を付着しにくくなり、また、付着してもその水滴を落下し易くすることができる。
一方、シート部３０はゴム製であるが、上端の突曲部３２が断面半円形であることから、水滴が付着しても落下し易く、また、固着面積を小さくすることができる。したがって、この変形例においても、凍結しても排出弁１を確実に開閉することができる。
【００３４】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、このバルブのシート構造を採用可能なバルブは燃料電池システムの排出弁に限るものではなく、他の用途のバルブにも適用可能である。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、氷点下の環境にバルブを閉弁状態で保持しても凍結によるバルブの固着を防止することができるので、氷点下の環境でも確実にバルブを開閉することができるという優れた効果が奏される。
請求項２に係る発明によれば、水の溜まる場所をシート部から離間した水溜用の溝に特定することができるので、水がシート部に付着するのを確実に防止することができるという効果がある。
【００３６】
請求項３に係る発明によれば、弁体に付着した水滴をシート部に回り込まないようにすることができ、また、弁体から落下した水滴がシート部に付着しないようにすることができるので、氷点下の環境にバルブを閉弁状態で保持しても凍結によるバルブの固着を防止することができ、氷点下の環境でも確実にバルブを開閉することができるという効果がある。
請求項４に係る発明によれば、弁体の水切り突起から落下する水滴を水溜用の溝で受けることができる。
【００３７】
請求項５に係る発明によれば、閉弁状態で弁体とシート部が水の凍結により固着した場合にも、固着面積を小さくすることができるので、万が一に凍結した場合であっても、凍結による張り付き荷重を低減することができ、凍結時の開弁が容易になるという効果がある。
請求項６に係る発明によれば、撥水性の材料で構成された部材には水滴が付着しにくいので凍結によるバルブの固着をしにくくすることができ、弾性材で構成された部材との組み合わせによりシート性を確保することができるという効果がある。
【００３８】
請求項７に係る発明によれば、燃料循環経路内の流体排出用のバルブを閉じた状態で外気温度が氷点下となり、前記バルブの内部に付着した水滴が凍結した場合があっても、凍結によるバルブの固着を防止することができるので、燃料循環経路内の流体排出を実行する必要があるときに確実にバルブを開いて流体排出を実行することができるという効果がある。特に、燃料電池システムの低温始動時に前記バルブを開き流体排出を行う必要が生じた時にも確実にバルブを開くことができるので、低温始動性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るシート構造を備えたバルブの第１の実施の形態における断面図である。
【図２】この発明に係るシート構造を備えたバルブの第２の実施の形態における要部断面図である。
【図３】前記第２の実施の形態におけるバルブの変形例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１ 排出弁（バルブ）
１５ 弁体
２０，３０ シート部
１７ 流体入口通路（流体通路）
１７ａ 下端
３６ 水溜溝（水溜用の溝）
３８ 水切り突起
２５ シートリング（弁体の当接部）

Claims (7)

1. シート部と、前記シート部の上方に配置され前記シート部に対して当接離反可能な弁体と、前記シート部の外側に連通する流体通路とを備えたバルブのシート構造において、
   前記シート部は前記流体通路の下端よりも上方に設置されていることを特徴とするバルブのシート構造。
2. 前記シート部の周囲に前記流体通路の下端よりも低い水溜用の溝が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバルブのシート構造。
3. 前記弁体の下端には、前記シート部よりも外側に位置しシート部の上端よりも下方に延びる水切り突起が環状に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバルブのシート構造。
4. 前記水切り突起は前記水溜用の溝の上方に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のバルブのシート構造。
5. 前記シート部の上部が上端に進むにしたがって断面縮小することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のバルブのシート構造。
6. 前記シート部と該シート部に当接する前記弁体の当接部のいずれか一方が撥水性を有する材料で構成され、他方が弾性材で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のバルブのシート構造。
7. 燃料電池システムにおける燃料循環経路内の流体排出に用いるバルブに設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のバルブのシート構造。

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