JP2005273704A - Valve device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to, for example, a valve device provided in an exhaust gas line that discharges reaction gas used for power generation of a fuel cell as exhaust gas from the fuel cell.
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。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. A fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane with a separator. Each of the anode side electrode and the cathode side electrode has a noble metal-based electrode catalyst layer bonded to a base material mainly composed of carbon.
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。 In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.
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。 By the way, in such a fuel cell, the power generation state continues for a long time, so that impurities accumulate, the anode side electrode surface is covered with water, and the reaction gas is not sufficiently supplied, so that the power generation voltage decreases. There's a problem. Therefore, in order to maintain an efficient power generation state while maintaining the life of the fuel cell, the flow rate and pressure of the fuel gas and the oxidant gas are appropriately controlled and supplied, and the exhaust gas containing water is supplied at an appropriate timing. It is necessary to discharge (so-called purge) to the outside.
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。 The valve mechanism used for the purge is always in contact with water vapor or water droplets for drainage, and may freeze when used below freezing. In particular, when the movable part of the valve mechanism freezes, the valve mechanism becomes inoperable. For this reason, the function of the valve mechanism is also stopped until the movable portion is thawed, and there is a problem that it takes time for the thaw to start the valve mechanism quickly.
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。
Therefore, for example, it is conceivable to adopt the technical idea disclosed in
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。
A
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。
The
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。
The shape
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。
However, in
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。 The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a valve device that can effectively prevent freezing of a movable part with a simple and economical configuration and is excellent in startability.
本発明に係る弁装置は、ガスが導入される導入流路と、前記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。 The valve device according to the present invention includes an introduction channel into which a gas is introduced, a derivation channel from which the gas is derived, a merging channel in which the introduction channel and the derivation channel merge, and the merging flow And an opening / closing mechanism that is provided in the passage and can freely open and close the merging passage.
そして、開閉機構は、駆動部の作用下に進退可能な弁体と、前記弁体が着座して合流流路を閉塞する弁座とを設けるとともに、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ている。 The opening / closing mechanism includes a valve body that can advance and retreat under the action of the drive unit, and a valve seat that the valve body is seated to close the merging flow path, and the valve body is separated from the valve seat. A gap is formed between the end portion of the valve body and the wall portion at a position closest to the wall portion constituting the merge channel.
また、駆動部は、合流流路から液密に保持されるとともに、前記駆動部には、弁体が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が好ましい。 Further, it is preferable that the driving unit is held in a liquid-tight manner from the merging channel, and the driving unit is provided with a stopper for stopping the valve body at a position where the valve body is closest to the wall portion.
さらに、壁部は、弁体の上方に設けられるとともに、前記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。 Furthermore, it is preferable that the wall portion is provided above the valve body, and the end portion of the valve body facing the wall portion has an inclined upper end surface that is inclined downward.
さらにまた、弁装置は、燃料電池から使用済みの燃料ガスを排出する排ガスラインである燃料ガス排出ラインに配設されるパージ弁を備えることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the valve device includes a purge valve disposed in a fuel gas discharge line which is an exhaust gas line for discharging used fuel gas from the fuel cell.
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。 In the present invention, a gap is formed between the end portion of the valve body and the wall portion at a position where the valve body is closest to the wall portion constituting the merging flow path. Moisture does not stay between the walls. Thereby, it can prevent reliably that the water | moisture content which stayed freezes and a valve body adheres to a wall part. Therefore, the valve device can be configured simply and economically, and freezing is prevented to easily improve startability.
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。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
A
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。
The merging
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。
The
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。
A
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。
As shown in FIG. 3, on the upstream side of the merging
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。
In order to stop the
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。
A
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。
As shown in FIG. 1, the
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。
The operation of the
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。
As shown in FIG. 1, the hydrogen gas supplied from the
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。
On the other hand, air is supplied to the
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。
The exhaust gas discharged into the
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。
Therefore, when nitrogen or excess water that has entered the hydrogen
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。
Therefore, the merging
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。
In this case, in the first embodiment, when the
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。
Furthermore, the
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。
Thereby, in 1st Embodiment, the freezing in the movable part of the opening-and-closing
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。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
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。
The
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。
In the second embodiment configured as described above, the substantially conical portion 106 is provided at the upper end of the
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。 In addition, in 2nd Embodiment, although the substantially cone-shaped part 106 is employ | adopted as an inclination upper end part, it is not limited to this, For example, it sets to the inclination upper part of the cutter shape which inclines only to one side. Also good.
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。
In the first and second embodiments, the
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
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記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、
を設けるとともに、
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ことを特徴とする弁装置。 An introduction channel through which gas is introduced;
An outlet channel through which the gas is derived;
A merging channel where the introduction channel and the derivation channel merge;
An opening / closing mechanism that is provided in the merging channel and is capable of opening and closing the merging channel;
With
The opening / closing mechanism includes a valve body that can be advanced and retracted under the action of a drive unit;
A valve seat on which the valve body is seated to close the merging flow path;
And providing
A gap is formed between an end portion of the valve body and the wall portion at a position where the valve body is separated from the valve seat and is closest to a wall portion constituting the merging flow path. Valve device to do.
前記駆動部には、前記弁体が前記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。 The valve device according to claim 1, wherein the drive unit is liquid-tightly held from the merging channel,
The drive device is provided with a stopper for stopping the valve body at a position where the valve body is closest to the wall portion.
前記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。 The valve device according to claim 1 or 2, wherein the wall portion is provided above the valve body,
An end portion of the valve body facing the wall portion has an inclined upper end surface inclined downward.
4. The valve device according to claim 1, wherein the valve device includes a purge valve disposed in a fuel gas discharge line for discharging used fuel gas from the fuel cell. 5. Valve device to do.
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