JP2005157676A - 流量制御弁およびこれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 使用環境に関らず、シール性を適切に維持しながら弁棒を安定して進退させることができ、加えて製品寿命を高めることができる流量制御弁およびこれを備えた燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】 流路側および流路外部側に亘って延在し、軸方向に進退する弁棒１４と、弁棒１４と協働して、流路側と流路外部側とを弁内部で区画すると共に流路側を流路外部側に対してシールするシール部材１６と、を備えた流量制御弁１であって、シール部材１６は、一方の端部４１が流路側に位置して弁棒１４に取り付けられ、且つ他方の端部４２が弁内部の不動部位３２に取り付けられ、弁棒１４の進退に伴い伸縮可能に構成されているものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、配管系に組み込まれ、蒸気や液体など各種の流体の流量を制御する流量制御弁およびこれを備えた燃料電池システムに関するものである。

従来、この種の流量制御弁として、流路側および流路外部側（非流路側）に亘って弁内部で延在する弁棒と、弁棒の周面部に密着し、弁棒と協働して流路側を流路外部側に対してシールするＯリングと、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この流量制御弁は、弁棒の流路外部側に設けたモータにより、Ｏリングに対し弁棒を摺動させながら進退させることで、流路側のシール性を維持しながら、弁棒の流路側に設けた弁体により流体流量を調整する。
また、特許文献１には、この流量制御弁を自動車の燃料電池システムの配管系に組み込んだ事例が記載されている。
特開２０００−９７３５３号公報（第１図および第２２図）

このような従来の流量制御弁は、弁棒の進退に伴い、Ｏリングに対する弁棒の密着部位が変動する構造である。このため、流体の性状によっては、この変動する弁棒の密着部位に、流体内の異物が固着したり、流体が固化するおそれがあった。
例えば、上記燃料電池システムの空気系の配管管路に組み込まれた流量制御弁では、車の使用環境によっては、車使用後の非駆動時に、流体（湿り蒸気）が弁棒の密着部位に氷結してしまうおそれがあった。この氷結は、車の駆動中においては流体の流れによって剥離・消失していくが、車の駆動開始時においては弁棒の進退でＯリングを強く擦る要素となる。このため、Ｏリングの磨耗を防止することなど、従来の流量制御弁には改善の余地があった。

本発明は、使用環境に関らず、シール性を適切に維持しながら弁棒を安定して進退させることができ、加えて製品寿命を高めることができる流量制御弁およびこれを備えた燃料電池システムを提供することをその目的としている。

本発明の流量制御弁は、流路側および流路外部側に亘って延在し、軸方向に進退する弁棒と、弁棒と協働して、流路側と流路外部側とを弁内部で区画すると共に流路側を流路外部側に対してシールするシール部材と、を備えた流量制御弁であって、シール部材は、一方の端部が流路側に位置して弁棒に取り付けられ且つ他方の端部が弁内部の不動部位に取り付けられ、弁棒の進退に伴い伸縮可能に構成されているものである。

この構成によれば、弁棒が流量調整のために進退すると、シール部材の他方の端部を不動（基準）として、シール部材の一方の端部が弁棒と一体となって動く。このように、弁棒の進退に追従してシール部材が伸縮する構造であるため、弁棒が進退しても流路側のシール性を適切に維持・確保することができると共に、弁棒に対する取付け部であるシール部材の一方の端部が、弁棒に固着し得る氷結等によって擦られることがない。これにより、シール性の低下やシール部材の磨耗等など、流量制御弁に作動不良を生じさせることなく弁棒を長期にわたって安定して進退させることができる。
なお、流量制御弁は、手動または機械的に絞りを調整するもののどちらでもよく、例えばスピードコントローラもこれに含むものである。

この場合、シール部材より流路外部側に設けられ、進退する弁棒を摺動可能に案内するガイド部を更に備えたことが、好ましい。

この構成によれば、ガイド部に対する弁棒の摺動部位に流体を接しさせることなく、弁棒を軸方向によりいっそう安定性よく進退させることができる。

この場合、ガイド部は、流路を画成する弁箱に一体に形成されていることが、好ましい。

この構成によれば、弁箱を有効活用してガイド部を配置することができる。

この場合、弁内部の不動部位は、弁箱に一体に形成されていることが、好ましい。

この構成によれば、弁箱を更に有効活用して、シール部材の他方の端部を取り付ける弁内部の不動部位を設けることができる。

これらの場合、シール部材は、弁棒の弁体を開弁方向に付勢することが、好ましい。

この構成によれば、例えば、流量制御弁を燃料電池スタックに通じる配管系に組み込んだ場合において、仮にその電力供給が不意に遮断されたとしても、弁体が開弁方向に付勢されているため、その配管系の流路は完全には閉塞されない。これにより、燃料電池スタック内の急激な圧力変動を回避して、燃料電池スタック内の損傷を未然に防止することができる。すなわち、フェールセーフ作用を好適に達成することができる。

これらの場合、シール部材は、一方の端部と他方の端部との間の胴部が、弁棒に対して離間していることが、好ましい。

この構成によれば、シール部材の胴部の内周面が、進退する弁棒に対して非接触となり得るため、シール部材の磨耗をより一層防止することができる。すなわち、本構成のシール部材は、従来のＯリングにおける機能と異なり、シール性の機能のみで足り、弁棒の軸受けとしての機能を併有させる必要がない。

この場合、シール部材の胴部は、蛇腹形状に形成されていることが、好ましい。

この構成によれば、シール部材の胴部は蛇腹形状に倣って伸縮するため、この胴部が弁棒側に大きく変形することを好適に抑制される。これにより、シール部材の内周面が、弁棒に接触することをより一層有効に防止することができる。また、シール部材の胴部の外周面に、異物や氷等が付着しても、付着面が蛇腹形状の各折返し面であることや、蛇腹形状に流れ込む流体の流れは乱流となり易いことから、異物等は剥離され易い。なお、蛇腹形状は、長手方向に亘って略同径でいわゆる絞りのないことが好ましい。

この場合、胴部における蛇腹形状の各折返し部には、芯金が埋設されていることが、好ましい。

この構成によれば、胴部の剛性を高めることができ、差圧により変形が生じても、各折返し部が弁棒に接触することを好適に防止することができる。

これらの場合、シール部材の少なくとも胴部には、胴部の差圧変形を阻止または抑制する基布が設けられていることが、好ましい。

この構成によれば、同様に胴部の剛性を高め、差圧により変形が生じても、胴部の内周面が弁棒に接触することを好適に防止することができる。なあ、基布は胴部の内周面に設けることが好ましい。

これらの場合、シール部材の少なくとも胴部は、金属材料で構成されていることが、好ましい。

この構成によれば、同様に胴部の剛性を高め、差圧により変形が生じても、シール部材の内周面が弁棒に接触することを好適に防止することができる。

本発明の燃料電池システムは、上記した本発明の流量制御弁を、配管管路に組み込んだものである。

この構成によれば、上記のように弁棒を安定性よく進退させることが可能な流量制御弁を組み込んだ燃料電池システムを提供することができる。例えば、自動車の燃料電池システムの空気系の配管管路に対して、耐凍結性や対異物性の観点から有用な流量制御弁を組み込むことができ、特に自動車の駆動開始時において、流量制御弁に作動不良を生じさせることなく、自動車の駆動を円滑且つ安定に開始することができる。

本発明の流量制御弁によれば、使用環境に関らず、流路側のシール性を適切に維持しながら弁棒を安定性よく進退させることができると共に、例えば耐凍結性等を向上するため、全体として製品寿命を高めることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、上記の流量制御弁を備えているため、信頼性の高い各種の燃料電池システムを提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る流量制御弁および燃料電池システムについて説明する。この流量制御弁は、弁棒を進退させることで、流路側と流路外部側との間のシール性を適切に維持しながら、エア、水蒸気などの湿り蒸気の気体や、液体を含む各種の流体の流量を制御する（絞る）ものである。以下の説明では、先ず流量制御弁についてアングル弁を例に詳述し、その後、これを自動車の燃料電池システムに適用した一例について説明する。

図１に示すように、アングル弁型の流量制御弁１は、下側の弁箱５と、弁箱５の上部にボルト固定された弁蓋６と、の上下二分割構造で構成されている。弁箱５の内部は、主として、流体の一次口２および二次口３を直角に連ねるようにして流体の流路を画成している。一方弁蓋６の内部は、主として、流体が流れ込まない流路外部側（非流路側）を規定している。

流量制御弁１の弁内部には、弁箱５に内向きに一体形成した弁座１１と、弁座１１に離接して流路を開閉する弁本体１２と、弁本体１２を先端部に一体に備えた弁体１３と、弁体１３を弁箱５側で固定して弁蓋６側に延在する弁棒１４と、弁蓋６側に設けられて弁棒１４をその軸方向に進退させる進退機構１５と、弁箱５側に設けられたベローズ状のシール部材１６と、が組み込まれている。この場合、シール部材１６と弁棒１４とが協働して、流路側と流路外部側とを弁内部で区画すると共に、この流路側を流路外部側に対してシールしている。

進退機構１５は、動力源となるステッピングモータ（図示省略）と、ステッピングモータにより回転する雌ねじ状のリードスクリュー１９と、を有している。ステッピングモータのモータケースは弁蓋６で兼ねられている。ステッピングモータは、正逆方向に回転可能に構成されている。リードスクリュー１９には、弁棒１４の後述する雄ねじ状のねじ部２１が螺合している。

ステッピングモータの正逆回転により、リードスクリュー１９およびねじ部２１を介して、弁棒１４が進退する。弁棒１４が上方に移動して弁本体１２が弁座１１に当接すると、一次口２と二次口３との間で流路は遮断され、流量制御弁１は閉弁状態となる。一方、弁棒１４が下方に移動して弁本体１２が弁座１１から離間すると、一次口２と二次口３との間で流路が連通して、流量制御弁１は開弁状態となる。この開弁状態で、弁座１１に対する弁体１３の位置を調整することで、二次口３に流れ込む流量が制御される。

弁棒１４は、流路外部側から流路側に亘って延在しており、上記のねじ部２１と、ねじ部２１より太径でこれに連なる摺動部２２と、摺動部２２から下方に延びる柱状部２３と、柱状部２３より細径に形成されて先端側に位置する弁体固定部２４と、柱状部２３および弁体固定部２４の間に段状に形成された第１グランド部２５と、で一体に形成されている。進退する弁棒１４は、摺動部２２を介して弁箱５に一体形成されたガイド部３１に摺動可能に案内される。この場合、ガイド部３１が、シール部材１６よりも流路外部側に位置しているため、弁棒１４の摺動部２２に流体を接しさせることなく、弁棒１４の進退を案内することができる。

弁体固定部２４の周面には、軸方向におねじが刻設されており、これに弁体１３のめねじ部３５が螺合している。すなわち、弁棒１４には、弁体固定部２４およびめねじ部３５を介して弁体１３が取り付けられ、弁体１３が弁棒１４と一体に進退するようになっている。柱状部２３の下半部は、上記のシール部材１６に非接触状態で覆われている。

シール部材１６（ブーツ部材）は、弁棒１４と軸線方向が合致するようにして設けられている。シール部材１６は、流路側に位置して第１グランド部２５に装着される第１取付け片部４１と、弁箱５に形成した第２グランド部３２に装着される第２取付け片部４２と、第１取付け片部４１および第２取付け片部４２の間に位置して蛇腹形状からなる胴部４３とで、ゴムにより一体に形成され、全体として弁棒１４の進退方向に伸縮可能に構成されている。

胴部４３は、弁棒１４の進退に伴って伸縮した場合にも、弁棒１４の柱状部２３に非接触となるように、内周面が柱状部２３から離間している。また、胴部４３は、略寸胴の蛇腹形状からなり、その複数の折返し部５１にはそれぞれ芯金５２が埋設されている（図２参照）。この芯金５２により胴部４３の剛性が高まり、弁内部の差圧によって、各折返し部５１が弁棒１４に接触する変形が、阻止または抑制される。

第１取付け片部４１は、伸縮方向に短く延在するシール部材１６の筒状端部であり、所定のつぶし代を有している。第１取付け片部４１の外周面は、略筒状の押え部材６１により第１グランド部２５に向かって押えつけられている。これにより、第１取付け片部４１は、第１グランド部２５および押え部材６１の各周面部に強密着し、これらに挟持されるようにして弁棒１４に取り付けられている。なお、押え部材６１は、第１グランド部２５と弁体固定部２４との間の弁棒１４の部位に嵌め込まれ、且つ弁体１３のめねじ部３５によって弁棒１４に対し抜止め状態となっている。

第２取付け片部４２は、折返し部５１から水平に連なる着座部７１と、着座部７１から上方に短く突出したつぶし代を有する環状の装着部７２と、で構成されている。一方、弁箱５には、着座部７１を介して第２取付け片部４２を第２グランド部３２に押し付ける環状の押え枠８１と、押え枠８１を弁箱５に固定するシーリング８２と、が設けられている。このような構造により、第２取付け片部４２は、装着部７２が第２グランド部３２の凹部９１の内壁面に強密着すると共に、着座部７１がこの凹部９１に連なる弁箱５の端面９２と押え枠８１との間で挟持されるようにして、第２グランド部３２（弁内部の不動部位）に押え枠８１等を用いて取り付けられている。

本実施形態のシール部材１６は、胴部４３の蛇腹形状を利用して、弁棒１４の弁体１３を開弁方向に付勢している。すなわち、シール部材１６は、自由状態の胴部４３を僅かに縮めた状態で弁内部にセットされている。これにより、例えば流量制御弁１を後述する燃料電池スタックに通じる配管系に組み込んだ場合において、仮にその電力供給が流量制御弁１の閉弁状態で遮断されたとしても、付勢される弁体１３が開弁方向に移動して流路を開放するため、燃料電池スタック内の急激な圧力低下による損傷を防止することができるようになっている。

なお、シール部材１６の材質は上記のゴムに代えて樹脂などの非金属で構成してもよいが、例えばアルミなどの金属材料で構成してもよい。金属材料で構成してシール部材１６の剛性を高めた場合には、上記の芯金５２を胴部４３の各折返し部５１に埋設しなくとも、各折返し部５１自体が、差圧によって弁棒１４に接触するような変形を阻止または抑制することができる。また、図３に示すように、胴部４３の内周面に、例えばポリエステルや耐熱ナイロン等からなる基布９５を設けることで、胴部４３の差圧変形を阻止または抑制することもできる。

以上のように、本実施形態の流量制御弁１では、弁棒１４が流量調整のために進退すると、弁体１３の弁本体１２は弁座１１に離接する一方、弁棒１４に対するシール部材１６の密着部位（第１取付け片部４１および第２取付け片部４２）は変動せず、第１取付け片部４１が弁棒１４と一体となって動き、シール部材１６自体は伸縮する。

このように、シール部材１６は、弁棒１４に対し位置ずれすることなく、弁棒１４の進退に追従するため、弁棒１４に異物や氷結による固着物が付着しても、これにシール部材１６が擦られることがない。また、弁内部に差圧が生じても、シール部材１６は弁棒１４に接触することを阻止等されているため、この点でもシール部材１６の磨耗が防止されている。

さらに、シール部材１６の胴部４３の外周面に氷結が生じても、その氷結が生じる面は蛇腹形状の各折返し面であることや、蛇腹形状に流れ込む流体の流れは乱流となり易いことから、氷結した氷は剥離され易い。したがって、本実施形態の流量制御弁１によれば、シール性を適切に維持しながら、長期間の使用にわたって、作動不良を生じさせることなく弁棒１４を安定して進退させることができる。

なお、シール部材１６の胴部４３の形状は蛇腹形状に限るものではなく、弁棒１４の進退に応じて伸縮する構造であって、好ましくは弁棒１４の進退に応じて弁棒１４に接触しない構造であればよい。また、進退機構１５の動力源をステッピングモータに代えてソレノイドとしてもよい。すなわち、本実施形態の流量制御弁１を電磁弁の構成とすることができる。もっとも、ステッピングモータに代えてハンドルを具備した手動式の流量制御弁１にも適用することができる。また、アングル弁を例に説明したが、Ｙ形弁など各種の弁体構造でもよいことは言うまでもない。

次に、図４を参照して、燃料電池システムを搭載した機器として代表される燃料電池車両を例に、その配管管路に上記の流量制御弁１を組み込んだ一例について説明する。同図に示すように、この燃料電池システム１０１は、酸素ガス（空気）および水素ガスの供給を受けて電力を発生する固体分子電解質型の燃料電池スタック１０２を備えている。燃料電池スタック１０２で発生した電力は、車の駆動源となるモータや、流量制御弁１のステッピングモータなどに供給される。

酸素ガスの配管系１０３には、加湿器１１１により加湿された酸素ガスを燃料電池スタック１０２に供給する酸素ガス供給流路１１２と、燃料電池システム１０１から排出された酸素オフガス（湿り蒸気）を加湿器１１１に導く酸素オフガス流路１１３と、加湿器１１１から燃焼器１４１に酸素オフガスを導くための酸素オフガス排気流路１１４と、が設けられている。酸素ガス供給流路１１２には、大気中の酸素ガスを取り込んで圧縮するコンプレッサ１１５と、コンプレッサ１１５から取り込む酸素ガスに含まれる粉塵等を濾過するフィルタ１１６とが、介設されており、コンプレッサ１１５で圧縮された浄化済みの酸素ガスが加湿器１１１に圧送される。

加湿器１１１では、浄化済みの酸素ガスと酸素オフガスとの間で水分交換が行われる。したがって、燃料電池スタック１０２には、湿潤した酸素ガスが供給される。そして、酸素オフガス流路１１３には、上記した流量制御弁１が介設されており、流量制御弁１により酸素オフガスの流量を調整することで、燃料電池スタック１０２内の酸素ガスの圧力調整がなされる。

水素ガスの配管系１０４には、高圧の水素ガスを貯留した水素タンクなどの水素供給源１２１と、水素供給源１２１の水素ガスを燃料電池スタック１０２に供給する水素ガス供給流路１２２と、燃料電池スタック１０２から排出された水素オフガスをポンプ１２３により水素ガス供給流路１２２に圧送する水素オフガス還流流路１２４と、水素オフガス還流流路１２４に分岐配管された排出流路１２５と、が設けられている。

水素ガス供給流路１２２には、これを開閉する供給側開閉弁１２６のほか、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ１２７が介設されている。燃料電池スタック１０２には、水素供給源１２１からの水素ガスと、水素オフガス還流流路１２４から戻された水素オフガスと、が供給される。排出流路１２５には、これを開閉する排出側開閉弁１２８が介設されている。排出側開閉弁１２８を開くことで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に燃焼器１４１に導かれる。そして、燃焼器１４１では、この水素オフガスと、酸素オフガス排気流路１１４からの酸素オフガスとを混合して燃焼処理し、外部に排出している。

このように、燃料電池システム１０１は、酸素オフガス流路１１３に本実施形態の流量制御弁１を組み込んでいるため、従来のＯリングによるシール形式のものに比べて、車の使用環境に関らず、流量制御弁１における耐凍結性や対異物性を格段に向上して、燃料電池スタック１０２内の酸素ガスの圧力調整を適切に行うことができる。特に車の駆動開始時において、流量制御弁１に作動不良を生じさせることを防止することができる。

また、上述のように、流量制御弁１の弁体１３は開弁方向に付勢されているため、酸素ガスの供給中における燃料電池スタック１０２内の急激な圧力低下を防止するフェールセーフ作用を好適に達成することができる。なお、流量制御弁１を酸素ガスの配管系１０３に組み込んだが、改質ガスの配管系を含む水素ガスの配管系などその他の配管系に組み込むこともできる。

本発明の実施形態に係る流量制御弁を一部裁断して示す断面図である。 本発明の実施形態に係る流量制御弁のシール部材の一部を拡大して示す断面図である。 本発明の実施形態に係る流量制御弁のシール部材の他の構成例を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る流量制御弁を組み込んだ燃料電池システムの主要部を示す構成図である。

符号の説明

１ 流量制御弁
５ 弁箱
１３ 弁体
１４ 弁棒
１６ シール部材
３１ ガイド部
３２ 第２グランド部（不動部位）
４１ 第１取付け片部（一方の端部）
４２ 第２取付け片部（他方の端部）
４３ 胴部
５１ 折返し部
５２ 芯金
１０１ 燃料電池システム

Claims (11)

1. 流路側および流路外部側に亘って延在し、軸方向に進退する弁棒と、
   前記弁棒と協働して、前記流路側と前記流路外部側とを弁内部で区画すると共に当該流路側を当該流路外部側に対してシールするシール部材と、
   を備えた流量制御弁であって、
   前記シール部材は、一方の端部が前記流路側に位置して前記弁棒に取り付けられ且つ他方の端部が前記弁内部の不動部位に取り付けられ、前記弁棒の進退に伴い伸縮可能に構成されている流量制御弁。
2. 前記シール部材より前記流路外部側に設けられ、進退する前記弁棒を摺動可能に案内するガイド部を更に備えた請求項１に記載の流量制御弁。
3. 前記ガイド部は、前記流路を画成する弁箱に一体に形成されている請求項２に記載の流量制御弁。
4. 前記弁内部の不動部位は、前記弁箱に一体に形成されている請求項３に記載の流量制御弁。
5. 前記シール部材は、前記弁棒の弁体を開弁方向に付勢する請求項１ないし４のいずれか一項に記載の流量制御弁。
6. 前記シール部材は、前記一方の端部と前記他方の端部との間の胴部が、前記弁棒に対して離間している請求項１ないし５のいずれか一項に記載の流量制御弁。
7. 前記シール部材の胴部は、蛇腹形状に形成されている請求項６に記載の流量制御弁。
8. 前記胴部における蛇腹形状の各折返し部には、芯金が埋設されている請求項７に記載の流量制御弁。
9. 前記シール部材の少なくとも前記胴部には、当該胴部の差圧変形を阻止または抑制する基布が設けられている請求項６ないし８のいずれか一項に記載の流量制御弁。
10. 前記シール部材の少なくとも前記胴部は、金属材料で構成されている請求項６ないし９のいずれか一項に記載の流量制御弁。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の流量制御弁を、配管管路に組み込んだ燃料電池システム。
    
    

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