JP2006300249A

JP2006300249A - 直動式開閉弁およびそれを用いた燃料電池システム

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Publication number: JP2006300249A
Application number: JP2005124694A
Authority: JP
Inventors: Kazunobu Shinoda; 和伸篠田; Kazuhiro Osada; 和浩長田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】弁内部に水を溜めない構造の直動式開閉弁およびそれを用いた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】流体を流通する第１ポート９２と第２ポート９３との間に設けられた弁座９４を着座面が上向きになるように配置し、第１ポートの位置を弁座よりも上方に配置するとともに、第１ポートの少なくとも下面を弁座に向かって下方に傾斜させた。また、弁座の着座面を中心部に向かって下方に傾斜するすり鉢状に形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、水の排出性を向上させた直動式開閉弁およびそれを用いた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムにおいては、発電反応により水が生成されるため、燃料電池から排出される酸化剤オフガス、燃料オフガスは、蒸気または水を含むことが多い。また、燃料電池の電解質膜が過剰に乾燥していると、高い発電性能が得られなくなるため、燃料電池に供給される酸化剤ガス、燃料ガスを加湿させることが行われている。このため、燃料電池に供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスも水蒸気または水を含むことが多い。それゆえに燃料電池システムに用いられる開閉弁の内部には、水が溜まり易い。

従来、例えば特許文献１に記載されているように、ダイヤフラムを用いたパイロット式の開閉弁において、水等の液体がダイヤフラムやバネ着座部材に溜まることを抑制し、水等の液体に起因する塵埃付着、腐食といった不具合、さらには水等の液体の凍結を抑制できるようにしたパイロット式開閉弁が知られている。
特開２００４−１９７８９９号公報（段落００４１〜００４４、図２）

ところで、水蒸気改質を行う定置燃料電池システムにおいては、改質器または燃料電池スタック内部が高温となり、システム停止時には高温状態で開閉弁が閉止され、システム再起動の際には、開閉弁には正方向への圧力のみならず負圧も加わることがあり、逆方向の圧力に対しても閉止する必要があることから、特許文献１に記載されているようなパイロット式の開閉弁では、閉弁時に副弁体を副弁口を閉鎖する方向に弁体要素を付勢する付勢バネのばね力が小さいので、閉止性の観点よりパイロット式開閉弁を使用することができず、直動式の開閉弁を用いることが必要となる。

しかしながら、従来一般の直動式の開閉弁においては、ガス流入側の配管内部に溜まった水を弁の外部に排出することや、配管上流から流れ込んできた水を弁の外部に出すことは、構造上困難であった。

図４は従来の直動式開閉弁の一例を示すもので、同図に示す直動式開閉弁のハウジング１には、流体を導入する流入ポート１ａと、流体を流出する流出ポート１ｂが形成され、流入ポート１ａと流出ポート１ｂとの間には、流入ポート１ａ内に突出する隔壁部２が設けられ、この隔壁部２に平面状の弁座３が上向きに形成され、弁座３の周りにはヌスミ部４が形成されている。弁座３には弁体５の先端に形成した平面状の弁シート５ａが着座されるようになっており、弁体５は電磁コイル６による吸引力とスプリング７のばね力がバランスするように位置決めされ、弁座３の開度を調整するようになっている。

このように、従来の直動式開閉弁においては、隔壁部２およびヌスミ部４等の存在により、流入ポート１ａより弁内に流入した水が隔壁部２を乗り越える水位にならないと流出ポート１ｂに流出されないため、流入ポート１ａの底部１ａ１やヌスミ部４に水が溜まり、一旦水が溜まると排出できない構造となっている。このために、開閉弁内に異物が堆積したり、長期の使用によって水垢により開閉弁の閉止性が徐々に悪化したり、あるいは凍結などの問題を引き起こす可能性があった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、弁内部に水を溜めない構造の直動式開閉弁およびそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、流体を流通する第１ポートおよび第２ポートと、これら第１ポートと第２ポートとの間に設けられた弁座と、該弁座に着座可能な弁シートを形成した弁体と、該弁体を弁シートが前記弁座に着座する方向に移動させて前記第１ポートと第２ポートとの連通を遮断しかつ前記弁体を弁シートが前記弁座より離間する方向に移動させて前記第１ポートと第２ポートとを連通させる電磁駆動部とを備えた直動式開閉弁において、前記弁座を着座面が上向きになるように配置し、前記第１ポートの位置を前記弁座よりも上方に配置するとともに、前記第１ポートの少なくとも下面を前記弁座に向かって下方に傾斜させたことである。

また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記弁座を前記第２ポートの上方位置に配置するとともに、前記弁座の着座面を中心部に向かって下方に傾斜するすり鉢状に形成したことである。

また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池および該燃料電池に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置を備え、これら燃料電池および改質装置に対して供給および排出される水あるいは水分を含んだガスが流通する流路に、請求項１または請求項２に記載の直動式開閉弁を配設したことを特徴とするものである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、第１ポートの位置を弁座よりも上方に配置するとともに、第１ポートの少なくとも下面を弁座に向かって下方に傾斜させたので、第１ポートを流通する流体は、開閉弁内のどこにも堆積することなく、スムーズに流通するようになり、開閉弁内に異物が堆積したり、長期の使用によっても水垢によって開閉弁の閉止性が悪化することがない。しかも、単純な流路構成によって圧力損失を低減でき、かつ開閉弁の小形軽量化を可能にできる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、弁座を第２ポートの上方位置に配置するとともに、弁座の着座面を中心部に向かって下方に傾斜するすり鉢状に形成したので、弁座に水が堆積しないとともに、弁座に達した水を重力作用で第２ポートに流通させることができ、少ない落差でも水をスムーズに排出することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、水あるいは水分を含んだガスが流通する流路に、請求項１または請求項２に記載の直動式開閉弁を配設したので、水が直動式開閉弁内に溜まることが抑制され、これによって、凍結の要因となる水滴の弁内の堆積を抑えることができるとともに、水等の液体に起因する塵埃付着、腐食といった不具合を抑制でき、燃料電池システムの性能を長期にわたって安定的に維持することができる。しかも、直動式開閉弁の採用により、パージ処理後、燃料管路内が負圧状態になって、第１ポートと第２ポートで圧力差が逆転しても、開閉弁の閉止性を確保できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は燃料電池システムの概要を示すもので、燃料電池システムは、燃料電池１０と、この燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置２０とを備えている。燃料電池１０は、燃料極１１、空気極１２および両極１１，１２間に介装されたイオン交換膜からなる電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された空気（カソードエア）を用いて発電するものである。

改質装置２０は、天然ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の改質用燃料ガスおよび水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質部２１、後述する水ポンプ５３から供給された純水を蒸発させて改質部２１に供給する水蒸気を生成する蒸発器２２、燃焼用燃料ガスと燃焼用空気を混合して燃焼させ、改質部２１および蒸発器２２を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼部２３、改質部２１に積層された熱交換部２４、熱交換部２４に積層され改質部２１で生成され熱交換部２４で冷却された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去するＣＯシフト部２５、ＣＯシフト部２５に接続されＣＯシフト部２５から送出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去して送出口から燃料電池１０に供給するＣＯ選択酸化部２６から構成されている。

改質部２１の触媒が充填された反応室２７は、燃焼部２３の加熱室２８により包囲され、加熱室２８内に設けられたバーナ２９は、燃焼用燃料ガスと燃焼用空気を混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは加熱室２８を流れる間に反応室２７の触媒を加熱し、その後に蒸発器２２に流入して純水を蒸発させる。改質用燃料ガスは蒸発器２２で生成された水蒸気が混合されて熱交換部２４に導入され、熱交換部２４で予加熱されて反応室２７に供給され、燃焼ガスによって加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスを生成する。

改質部２１の反応室２７には、燃料供給源Ｓfに接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料が供給される。燃料供給管４１には、上流から順番に第１燃料バルブ４２、燃料ポンプ４３、脱硫器４４、第２燃料バルブ４５が設けられている。燃料ポンプ４３は燃料供給源Ｓｆから送出される改質用燃料を熱交換部２４を介して改質部２１の反応室２７に供給する。

蒸発器２２には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された改質水供給管５１が接続されている。改質水供給管５１には水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられ、水ポンプ５３によって水タンクＳｗから送出される改質水を蒸発器２２に供給する。蒸発器２２には一端が燃焼部２３の加熱室２８に接続され、他端が外部に開放されている排気管８１が貫設されている。

改質部２１の反応室２７内に供給された改質用燃料と水蒸気は、改質触媒により反応し、改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成される。これと同時に改質部２１の反応室２７内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が、水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じる。生成された改質ガスは熱交換部２４を通って降温されてＣＯシフト部２５に導出される。

ＣＯシフト部２５においては、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が、ＣＯシフト部２５内に充填された触媒２５ａにより水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応を生ずる。これにより、改質ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減され、ＣＯ選択酸化部２６に供給される。

一方、ＣＯ選択酸化部２６には、空気供給源Ｓａに接続された酸化用空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａから酸化用空気が供給される。酸化用空気供給管６１には、上流から順番に、空気を濾過するフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられ、空気ポンプ６３によって空気供給源Ｓａから送出される空気をＣＯ選択酸化部２６に供給する。

ＣＯ選択酸化部２６に供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、ＣＯ選択酸化部２６に充填された触媒２６ａにより、空気供給源Ｓａから供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給される。

ＣＯ選択酸化部２６には改質ガス供給管７１を介して燃料電池１０の燃料極１１の導入口が接続され、ＣＯ選択酸化部２６より導出された改質ガスは燃料極１１に供給される。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２３が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）を燃焼部２３のバーナ２９に供給するようになっている。

燃料電池１０に接続された改質ガス供給管７１とオフガス供給管７２は、バイパス管７３によって直結されている。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐したカソード用空気供給管６７の先端が接続されている。カソード用空気供給管６７には上流から順に、空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられ、空気ポンプ６８によって空気供給源Ｓａから送出される空気を燃料電池の空気極１２に供給する。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には排気管８２の一端が接続され、排気管８２の他端は外部に開放されている。

カソード用空気供給管６７および排気管８２の途中には、空気を加湿するための加湿器１４が設けられている。加湿器１４は、空気極１２から排出される排気管８２中の気体に含まれた水蒸気を除湿して、その水蒸気を空気極１２へ供給される空気供給管６７中の空気に供給して加湿する。排気管８２には加湿器１４をバイパスするバイパス管１５が設けられ、バイパス管１５に調節弁１６が設けられている。調節弁１６を開閉制御することにより、空気系オフガスの一部をバイパス管１５にバイパスさせ、燃料電池１０に供給される空気の加湿量を調節するようになっている。

また、燃焼部２３には、燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ４８および第３燃料バルブ４９が設けられ、燃焼用燃料ポンプ４８によって燃料供給源Ｓｆから送出される燃焼用燃料を燃焼部２３のバーナ２９に供給する。

さらに、燃焼部２３には、空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ６６が設けられ、燃焼用空気ポンプ６６によって空気供給源Ｓａから送出される燃焼用空気が燃焼部２３のバーナ２９に供給される。燃焼部２３のバーナ２９が制御部からの指令によって着火されると、バーナ２９に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室２８に供給されて改質部２１の反応室２７が加熱されることにより、改質触媒が加熱される。燃焼部２３の加熱室２８を通過した燃焼ガスは排気ガスとして排気管８１より外部に排気される。

また、改質ガス供給管７１、オフガス供給管７２および排気管８２の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器７７、アノードオフガス用凝縮器７８およびカソードオフガス用凝縮器７９が設けられている。改質ガス用凝縮器７７は改質ガス供給管７１中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器７８はオフガス供給管７２中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器７９は排出管８２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。

これら凝縮器７７、７８、７９には、凝縮器内に溜まった凝縮水を導出する凝縮水導出路７７ｄ、７８ｄ、７９ｄが接続されている。改質ガス用凝縮器７７およびアノードオフガス用凝縮器７８に接続された凝縮水導出路７７ｄ、７８ｄには、凝縮水排出弁７７ｅ、７８ｅが設けられている。凝縮水導出路７７ｄ、７８ｄ、７９ｄは、配管８４を介して精製器８５に連通しており、各凝縮器７７，７８，７９にて凝縮された凝縮水は、精製器８５に回収される。精製器８５は、各凝縮器７７，７８，７９から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を改質水タンクＳｗに排出する。なお、精製器８５には水道水供給源から供給される水道水を導入する配管が接続されており、精製器８５内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が一定量補給されるようになっている。

燃料供給管４１の脱硫器４４と第２燃料バルブ４５との間には、窒素供給源Ｓｎに連通する窒素供給管８７の先端が連通されている。窒素供給管８７には、制御部からの指令によって開閉される窒素バルブ８８が設けられている。

図２は、凝縮器７７，７８，７９の詳細を示すもので、改質ガス用凝縮器７７、アノードオフガス用凝縮器７８およびカソードオフガス用凝縮器７９は、導通するガスの種類は異なるが、構成は基本的に同じであるので、以下においては、改質ガス用凝縮器７７を例にとって説明する。

すなわち、改質ガス用凝縮器７７は、図２に示すように、ケーシング７７ａを備えている。ケーシング７７ａ内の上部には冷媒管８３が貫設されており、冷媒管８３の外周壁には熱交換率を上げるためにフィン８３ａが設けられている。ケーシング７７ａには、内部に流体である改質ガスを導入する導入口７７ｂ、および内部の流体を導出する導出口７７ｃが設けられている。導入出口７７ｂ，７７ｃには改質ガス供給管７１の各端が接続されている。ケーシング７７ａに導入された改質ガスは、冷媒管８３によって冷却され、改質ガス中の水蒸気はほとんど凝縮される。

ケーシング７７ａ内の底部には凝縮水導出路７７ｄより水素ガスが放出しないように常に一定量の凝縮水が貯えられるようになっている。ケーシング７７ａ内の底部には、導入口７７ｂの下方に凝縮水を溜める受け部７７ｆが設けられている。この受け部７７ｆの範囲外に凝縮水導出路７７ｄが配置され、凝縮水導出路７７ｄ中に後述する直動式開閉弁にて構成される凝縮水排出弁７７ｅが配設されている。受け部７７ｆはケーシング７７ａ内底部に凸設した堰部７７ｇにて構成され、堰部７７ｇからオーバフローした凝縮水が凝縮水導出路７７ｄに連なるケーシング７７ａの底部に溜められる。凝縮水導出路７７ｄ上方のケーシング７７ａの底部には、ケーシング７７ａ内の水位を計測する水位計７７ｈが設けられている。水位計７７ｈによってケーシング７７ａの底部に一定量以上の凝縮水が溜まったことが検出されると、凝縮水排出弁７７ｅが開放され、凝縮水が凝縮水導出路７７ｄより導出されて精製器８５に供給されるようになっている。

水蒸気または水分を含んだ水やガスが流通する前記調節弁１６、第２燃料バルブ４５、改質水バルブ５４、第１改質ガスバルブ７４、オフガスバルブ７５および第２改質ガスバルブ７６、ならびに凝縮水を排出する凝縮水排出弁７７ｅ、７８ｅは、図３に示すような、水の排出性を高めた常閉の直動式開閉弁９０にて構成されている。

直動式開閉弁９０のハウジング９１には、流体を流入する第１ポート９２と、この第１ポート９２に連通され流体を流出する第２ポート９３が設けられている。第１ポート９２はほぼ水平方向にハウジング９１に開口され、第２ポート９３は鉛直方向下向きにハウジング９１に開口されている。第１ポート９２と第２ポート９３との接続部には、上向きに弁座９４が形成され、弁座９４の下方に第２ポート９３が同心的に形成されている。弁座９４の開口部分の周囲には弁座９４に向かって下方に傾斜した傾斜面９９が形成されている。弁座９４はすり鉢状に中心部に向かって低く傾斜され、かつ第１ポート９２よりも低い位置に設置されている。また、第１ポート９２の少なくとも下面は、弁座９４に向かって低く傾斜した傾斜面９２ａとされ、その先端は弁座９４の周囲の傾斜面９９に接続されている。このように、流体が流通する第１ポート９２から第２ポート９３に至る流通路には水が溜まるフラットな部位がなく、少ない落差でも排出しやすい構造としている。従って、後述する電磁駆動部によって弁座９４が開口されると、第１ポート９２より流入した水はどこにも堆積することなく、すべて第２ポート９３より流出されるようになる。

ハウジング９１には軸孔９１ａが形成され、この軸孔９１ａに可動子９５が鉛直軸線方向に摺動可能に嵌装されている。可動子９５の先端（下端）には弁座９４に着座可能な弁シート９６ａを形成した弁体９６が設けられている。弁体９６は圧縮スプリング９７のばね力によって弁シート９６ａが弁座９４に着座する方向に付勢されている。ハウジング９１には可動子９５を取り巻くように電磁コイル９８が配設され、電磁コイル９８の吸引力によって弁体９６は圧縮スプリング９７のばね力に抗して移動される。

従って、電磁コイル９８が励磁されていない状態においては、圧縮スプリング９７のばね力により弁体９６の弁シート９６ａが弁座９４に着座され、第１ポート９２と第２ポート９３の連通を遮断している。これにより、直動式開閉弁９０は閉状態となる。また、電磁コイル９８が通電により励磁されると、可動子９５が圧縮スプリング９７のばね力に抗して弁シート９６ａが弁座９４から離れる方向に吸引される。これにより、直動式開閉弁９０は、図３に示すように、第１ポート９２と第２ポート９３が互いに連通する開状態となる。

上記した可動子９５、圧縮スプリング９７および電磁コイル９８等により、弁座９４に対して弁体９６を移動させる電磁駆動部１００を構成している。かかる電磁駆動部１００を構成する圧縮スプリング９７のばね力と電磁コイル９８の吸引力のバランスによって弁体９６の位置が決定され、第１ポート９２と第２ポート９３との連通面積が制御される。

次に、上述のように構成された燃料電池システムの作動について説明する。起動運転時には、第１および第３燃料バルブ４２，４９が開状態とされるとともに、燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６が作動され、燃焼用燃料および燃焼用空気が燃焼部２３に供給されて燃焼される。燃焼ガスの加熱によって改質部２１が所定温度になると、第２燃料バルブ４５および改質水バルブ５４が開状態とされるとともに、燃料ポンプ４３および水ポンプ５３が作動され、改質用燃料および改質水が改質部２１に供給される。このとき、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が閉状態とされ、第２改質ガスバルブ７６が開状態とされており、改質部２１からＣＯシフト部２３およびＣＯ選択酸化部２４を介して導出される改質ガスは、燃料電池１０に供給されないでバイパス管７３を通って燃焼部２３に供給され、燃焼部２３で燃焼される。

そして、運転に伴って、改質ガス中の一酸化炭素が所定量以下となると、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が開状態とされるとともに、第２改質ガスバルブ７６が閉状態とされ、改質部２１から導出される一酸化炭素の含有率の低い改質ガスは燃料電池１０に供給され、燃料電池システムは定常運転を開始する。燃料電池１０で未反応の改質ガス（オフガス）は燃焼部２３に供給されて燃焼される。

燃料電池１０に供給される改質ガス、あるいは燃料電池１０から排出されるオフガス、さらには燃料電池１０から排出される空気は、蒸気や水を含むことが多く、また、凝縮器７７，７８より精製器８５には凝縮された水が排出されるが、本実施の形態における所要のバルブには図３に示すように水の排出性に優れた直動式開閉弁９０が用いられている。かかる直動式開閉弁９０に蒸気や水を含んだガスや空気あるいは水が第１ポート９２より供給されると、ガスや空気あるいは水は第１ポート９２に形成された傾斜面９２ａに沿って弁座９４に向かって流れ、また、弁座９４は第１ポート９２よりも低い位置に設置され、かつ中心部に向かって低く傾斜されているので、第１ポート９２および弁座９４付近で水が溜まることがなく、第１ポート９２より流入された水は弁座９４の真下に設けられた第２ポート９３よりスムーズに排出される。このように、流体が流通する第１ポート９２から第２ポート９３に至る流通路には水が溜まるフラットな部位がなく、少ない落差でも排出しやすい構造となっているので、第１ポート９２より流入した水はどこにも堆積することなく、すべて第２ポート９３より流出されるようになる。これにより、直動式開閉弁９０内に水が溜まることに伴って、弁内に異物が堆積したり、水垢によって弁の閉止性が悪化することがない。また、溜まった水が凍結するなどの問題も発生することがない。

特に、凝縮水導出路７７ｄ、７８ｄ中に配設された直動式開閉弁９０（凝縮水排出弁７７ｅ、７８ｅ）は、凝縮器７７，７８に溜まった凝縮水を、落差だけで精製器８５に供給するものであるため、低いところからでも弁内に凝縮水を溜めることなくすべて排出できるようにすることが必要であるが、上記した直動式開閉弁９０によれば、少ない落差でも排出しやすい構造となっているので、第１ポート９２より流入した水はどこにも堆積することなく、すべて第２ポート９３よりスムーズに流出されるようになる。

なお、定常運転を停止する際には、パージ処理が実行される。パージ処理においては、第１燃料バルブ４２が閉状態とされて燃料の供給が停止されるとともに、第２および第３燃料バルブ４５，４９、窒素バルブ８８、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が開状態とされる。これにより、窒素供給源Ｓｎから供給される窒素ガスは、窒素供給管８７より燃料供給管４１中の第２燃料バルブ４５を介して改質装置２０内に供給されるとともに、窒素供給管８７より燃焼用燃料供給管４７中の第３燃料バルブ４９、改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２中の改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を介して改質装置２０内に供給され、外部に排出される。これにより、燃料供給管４１、燃焼用燃料供給管４７、改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２の各配管内、ならびにこの配管途中に設けられた部品（燃料電池１０、改質部２１、脱硫器４４、燃料ポンプ４３，４８）内に残留する燃料が排出される。

この際、窒素供給源Ｓｎの圧力に対しても、第１燃料バルブ４２は十分な閉止性を持つことから、窒素ガスが燃料供給管４１を通って燃料供給源Ｓｆへ逆流することはない。このパージ処理の終了後、第２および第３燃料バルブ４５，４９、窒素バルブ８８、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が閉状態とされ、全てのバルブが閉状態となり、燃料電池システムは停止される。

このように燃料電池システムが停止された後放置されると、高熱状態であった改質部２１が自然冷却し、気密状態である改質部２１は負圧状態になる。このとき、改質部２１と燃料供給源Ｓｆとの間に設置された第１および第２燃料バルブ４２、４５は、その第２ポート９３が低圧側となりその第１ポート９２が高圧側となるように取り付けられていることにより、各燃料バルブ４５，４２において、弁体９６が負圧による作用力と圧縮スプリング９７による付勢力とによって弁座９４に圧接される。従って、負圧に対する閉止性を向上させることができる。

上記した実施の形態においては、直動式開閉弁９０を燃料電池システムに設けられた所要のバルブに用いた例について述べたが、当該直動式開閉弁９０は、水の溜まりを防止したい他のシステムにも応用可能であり、燃料電池システムに用いることに限定されるものではない。

上記した実施の形態においては、第１ポート９２を流入側、第２ポート９３を流出側とした例で述べたが、直動式開閉弁９０を流通する流体がガスの場合には、流体の流れを逆にして、第２ポート９３を流入側、第１ポート９２を流出側とすることもできる。

また、上記した実施の形態においては、直動式開閉弁９０の第１ポート９２の下面を、弁座９４に向かって低く傾斜した傾斜面９２ａとしたが、この傾斜面は少なくとも第１ポート９２の下面に形成されていればよく、第１ポート全体を傾斜させるか、あるいは第１ポートの下面のみを傾斜させるかのいずれの構成であってもよい。

さらに、上記した実施の形態においては、直動式開閉弁９０の第２ポート９３を鉛直方向下向きに開口したが、必ずしも鉛直方向である必要はなく、水を重力作用で排出できる例えば傾斜した流路であってもよく、第２ポートに接続される配管との連結を考慮した構造とすることができる。

本発明の実施の形態を示す直動式開閉弁を用いた燃料電池システムの概要図である。凝縮器の詳細を示す図である。直動式開閉弁を概略的に示す図である。従来の直動式開閉弁を概略的に示す図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１４…加湿器、１６…調節弁、２０…改質装置、２１…改質部、２３…燃焼部、２５…ＣＯシフト部、２６…ＣＯ選択酸化部、４１…燃料供給管、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４５…第２燃料バルブ、４７…燃焼用燃料供給管、４８…燃焼用燃料ポンプ、４９…第３燃料バルブ、５１…給水管、５３…水ポンプ、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、７７，７８，７９…凝縮器、７７ｅ，７８ｅ…凝縮水排出弁、８５…精製器、９０…直動式開閉弁、９１…ハウジング、９２…第１ポート、９２ａ…傾斜面、９３…第２ポート、９４…弁座、９５…可動子、９６…弁体、９６ａ…弁シート、９７…圧縮スプリング、９８…電磁コイル、１００…電磁駆動部。

Claims

流体を流通する第１ポートおよび第２ポートと、これら第１ポートと第２ポートとの間に設けられた弁座と、該弁座に着座可能な弁シートを形成した弁体と、該弁体を弁シートが前記弁座に着座する方向に移動させて前記第１ポートと第２ポートとの連通を遮断しかつ前記弁体を弁シートが前記弁座より離間する方向に移動させて前記第１ポートと第２ポートとを連通させる電磁駆動部とを備えた直動式開閉弁において、前記弁座を着座面が上向きになるように配置し、前記第１ポートの位置を前記弁座よりも上方に配置するとともに、前記第１ポートの少なくとも下面を前記弁座に向かって下方に傾斜させたことを特徴とする直動式開閉弁。
請求項１において、前記弁座を前記第２ポートの上方位置に配置するとともに、前記弁座の着座面を中心部に向かって下方に傾斜するすり鉢状に形成したことを特徴とする直動式開閉弁。
燃料電池および該燃料電池に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置を備え、これら燃料電池および改質装置に対して供給および排出される水あるいは水分を含んだガスが流通する流路に、請求項１または請求項２に記載の直動式開閉弁を配設したことを特徴とする燃料電池システム。