JP2007234501A - 調圧弁および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】流体流路に設置された調圧弁の内部で弁体とピストンとが衝突しても、弁体の摩耗や変形の発生が抑制されること。
【解決手段】この調圧弁Ｈ９は、シリンダ１１０と、シリンダ１１０の内部に設けられ、燃料供給路７４の下流側に存在する水素ガスの圧力が所定の圧力よりも小さくなったときに所定の方向に変位するピストン１１４と、シリンダ１１０の内部に設けられ、ピストン１１４が所定の方向に変位したときにピストン１１４と当接し、ピストン１１４に押されて変位することによって燃料供給路７４を開く弁体１１２とを備え、ピストン１１４と弁体１１２との当接部位に、衝撃吸収材としてゴム部材１２０が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、調圧弁および燃料電池システムに係り、特に、調圧弁の耐久性向上に有効な技術に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池（セル）をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池に、燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに空気を加圧供給し、燃料電池において燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力と熱とを発生させる。

上記の燃料電池システムには、燃料ガスを燃料電池に供給する燃料供給路に、高圧の燃料ガスを減圧（調圧）する調圧弁が設けられている。燃料タンクに蓄えられた高圧の燃料ガスは、調圧弁によって適正な圧力に調整され、燃料電池に供給される。

調圧弁は、燃料ガスが導入されるシリンダと、シリンダの内部に設けられたピストンと、同じくシリンダの内部に設けられた弁体とを備える。ピストンは、シリンダよりも下流側の燃料ガス圧力が所定の圧力よりも小さくなったときに、所定の方向（開弁方向）に変位する。弁体は、ピストンが変位したときにピストンと当接し、ピストンに押されて変位することによって燃料供給路を開く（例えば、下記の特許文献１参照）。
特開平９―１１２７３１号公報

ところで、燃料電池システムに設けられる調圧弁においては、ユーザから要求される発電量の増加に伴い、燃料電池での水素ガス消費量が急激に増え、調圧弁よりも下流側、すなわち燃料電池側の水素ガスの圧力が急激に低下した場合に、弁体とピストンとが衝突する際の衝撃が大きく、その衝撃で弁体が摩耗したり変形したりすることがある。

そこで、本発明は、流体流路に設置された調圧弁の内部で弁体とピストンとが衝突しても、弁体の摩耗や変形の発生を抑制することのできる調圧弁を提供することを目的とする。

本発明の調圧弁は、流体流路に設置されて流体圧力を調整する調圧弁であって、流体が導入されるシリンダ内に、前記シリンダよりも下流側の流体圧力が所定の圧力よりも小さくなったときに所定の方向に変位するピストンと、前記ピストンが前記所定の方向に変位したときに前記ピストンと当接し前記ピストンに押されて変位することによって弁開度を変更する弁体と、前記ピストンと前記弁体との当接部位に設けられた衝撃吸収材と、を備えている。

また、本発明の燃料電池システムは、ガス供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に給排されるガスが流通するガス流路と、備える燃料電池システムであって、前記ガス流路上のいずれかの位置に、上記のように構成された調圧弁が設置されている。

前記調圧弁は、前記ガス流路のうち、例えば燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給流路に設置されてもよい。

以上の構成によれば、弁体とピストンとの当接部位に衝撃吸収材が設けられているので、弁体とピストンとが衝突するときの衝撃が緩和される。

本発明によれば、弁体とピストンとの当接部位に衝撃吸収材が設けられているので、弁体とピストンとが衝突するときの衝撃が緩和される。したがって、弁体の摩耗や変形の発生を抑制することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車等のあらゆる移動体や歩行ロボットへの適用が可能である他、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

まず、図１を参照しながら、本実施形態に係る燃料電池システム１００の全体構成について説明する。

この燃料電池システム１００において、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流用を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。

圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源（燃料ガス供給源）３０から燃料供給路（流体流路、ガス流路、燃料ガス供給流路）７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、これに代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を水素供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源として採用してもよい。

燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する調圧弁Ｈ９、調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。

遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させる冷却ポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。

燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、車両に設けられた加速操作装置（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば車両の駆動モータ等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。

なお、負荷装置とは、車両の駆動モータのほかに、燃料電池２０を作動させるために必要な補機装置（例えば、コンプレッサＡ３、水素ポンプＨ５０、冷却ポンプＣ１のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成されている。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成されている。

次に、図２及び図３を参照しながら、本実施形態に係る調圧弁Ｈ９の構成及び作用について詳細に説明する。

調圧弁Ｈ９は、水素供給源３０からの水素ガスが導入されるシリンダ１１０と、シリンダ１１０の内部を仕切って長手方向に並ぶ２つの空間Ｓ１，Ｓ２を画成する内部隔壁１１１と、内部隔壁１１１に形成された貫通孔１１１ａを開閉する弁体１１２と、弁体１１２をシリンダ１１０の長手方向の一方（弁開度を縮小する方向）に付勢する第１のバネ体１１３と、空間Ｓ２内部でシリンダ１１０の長手方向に摺動するピストン１１４と、ピストン１１４をシリンダ１１０の長手方向の他方（弁開度を拡大する方向）に付勢することにより弁体１１２を変位させる第２のバネ体１１５と、を備えている。

シリンダ１１０の空間Ｓ１側には、燃料供給路７４の一次側、すなわち水素供給源３０側に連通する一次ポートＰ１が設けられている。一方、空間Ｓ２側には、燃料供給路７４の二次側、すなわち燃料電池２０側に連通する二次ポートＰ２と、ピストン１１４の背圧を逃がす通気ポートＰ３とが設けられている。シリンダ１１０内部のピストン１１４の背面１１４ｃ側の空間は、通気ポートＰ３を通じて大気に開放している。

内部隔壁１１１は、シリンダ１１０の長手方向に対して直角に配置されている。貫通孔１１１ａは、内部隔壁１１１の中央に、内部隔壁１１１の厚さ方向に向けて形成されている。

弁体１１２は断面が円形の棒状で、一方の端部１１２ａおよび他方の端部１１２ｂの直径が、両端部１１２ａ，１１２ｂ間に位置する中間部１１２ｃの直径よりも大きく形成されている。一方の端部１１２ａと中間部１１２ｃとの間には、テーパ部１１２ｄが形成され、他方の端部１１２ｂと中間部１１２ｃとの間には、テーパ部１１２ｅが形成されている。

弁体１１２は、一方の端部１１２ａを空間Ｓ１側に配置され、他方の端部１１２ｂを空間Ｓ２側に配置されるようにして、貫通孔１１１ａに挿通されている。ただし、貫通孔１１１ａは、弁体１１２の中間部１１２ｃの直径よりも大きいが、両端部１１２ａ，１１２ｂの直径よりも小さい。内部隔壁１１１のうち、テーパ部１１２ｄが当接する貫通孔１１２ａの周囲が弁座を構成する。

第１のバネ体１１３は、シリンダ１１０の一方の端壁１１０ａと、弁体１１２の一方の端部１１２ａとの間に介装され、弁体１１２を空間Ｓ１から空間Ｓ２に向かう方向に付勢している。

ピストン１１４は、シリンダ１１０の内径よりも径の小さな肉厚の円板で、その中心をシリンダ１１０の中心に一致させるようにして、空間Ｓ２内部に配置されている。ピストン１１４の外周面にはＯリング１１４ａが取り付けられている。Ｏリング１１４ａは、シリンダ１１０の内壁に摺動可能に圧接し、水素ガスを封止して通気ポートＰ３側への水素ガスの漏洩を防止している。ピストン１１４は、シリンダ１１０の内側面にガイドされるようにして、Ｏリング１１４ａとともにシリンダ１０の長手方向に摺動することが可能である。

第２のバネ体１１５は、シリンダ１１０の他方の端壁１１０ｂと、ピストン１１４の背面１１４ｃとの間に介装され、ピストン１１４を空間Ｓ２から空間Ｓ１に向かう方向に付勢している。

ピストン１１４の弁体１１２に対向する端面１１４ｂ、および弁体１１２の他方の端部１１２ｂのピストン１１４に対向する端面１１２ｆは、内部隔壁１１１と同様に、シリンダ１１０の長手方向に対して直角をなすように配置されている。つまり、ピストン１１４の端面１１４ｂと弁体１１２の端面１１２ｆとは平行である。

ピストン１１４の端面（当接部位）１１４ｂには、ゴム部材（衝撃吸収部材）１２０が配設されている。ゴム部材１２０は、端面１１４ｂの中央部に形成された凹部にはめ込まれ、端面１１４ｂと面一になっている。また、ゴム部材１２０が配設される範囲は、弁体１１２の端面１１２ｆに当接する領域よりも広く設定されている。ゴム部材１２０には、極低温の水素ガス中に置かれても劣化し難い材質（例えば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコン等）が選択される。

上記のように構成された調圧弁Ｈ９において、弁体１１２は、空間Ｓ１の内部圧力（すなわち燃料供給路７４の一次側の水素ガスの圧力）と、空間Ｓ２の内部圧力（すなわち燃料供給路７４の二次側の水素ガスの圧力）と、第１のバネ体１１３の付勢力と、第２のバネ体１１５の付勢力とがバランスすることにより、水素供給源３０から供給される水素ガスを、所定の圧力に調圧する。

空間Ｓ２の内部圧力が所定の圧力よりも低いときには、空間Ｓ２内の水素ガスがピストン１１４の端面１１４ｂを押す力（水素ガスの圧力×端面１１４ｂの面積）が、第２のバネ体１１５の付勢力よりも弱くなることから、ピストン１１４は空間Ｓ２から空間Ｓ１に向かう方向に変位し、弁体１１２の他方の端部１１２ｂに当接して弁体１１２を同じ方向に変位させる。つまり、弁体１１２は、空間Ｓ２の内部圧力が所定の圧力よりも低いときには、図３に示すように、一方の端部１１２ａ側のテーパ部１１２ｄを内部隔壁１１１の貫通孔１１１ａから離間させて貫通孔１１１ａを開く。

一方、空間Ｓ２の内部圧力が所定の圧力よりも高いときには、空間Ｓ２内の水素ガスがピストン１１４の端面１１４ｂを押す力が、第２のバネ体１１５の付勢力よりも強くなることから、ピストン１１４は空間Ｓ１から空間Ｓ２に向かう方向に変位し、弁体１１２の他方の端部１１２ｂから離間する。つまり、弁体１１２は、空間Ｓ２の内部圧力が所定の圧力よりも高いときには、図２に示すように、一方の端部１１２ａ側のテーパ部１１２ｄを内部隔壁１１１の貫通孔１１１ａに押し付けて貫通孔１１１ａを閉じる。

ところで、上記の調圧弁Ｈ９においては、燃料電池２０において水素ガスの消費量が急激に増え、調圧弁Ｈ９よりも下流側、すなわち燃料電池２０側に位置する燃料供給路７４中の水素ガスの圧力が低下した場合、ピストン１１４が第２のバネ体１１５に付勢されて弁体１１２に向けて急速に変位し、弁体１１２の他方の端部１１２ｂとピストン１１４とが衝突することがある。

本実施形態の調圧弁Ｈ９によれば、弁体１１２とピストン１１４との当接部位に衝撃吸収材としてのゴム部材１２０が設けられているので、弁体１１２の他方の端部１１２ｂとピストン１１４とが衝突するときの衝撃が緩和される。したがって、弁体１１２の摩耗や変形の発生を抑制することができる。加えて、弁体１１２とピストン１１４とが衝突するときに発生する騒音や振動を低減することができる。

上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、図４に示すように、ピストン１１４ではなく、弁体１１２の他方の端部１１２ｂの先端（当接部位）に、衝撃吸収部材としてのゴム部材１３０が設けられてもよい。また、ピストン１１４にゴム部材１２０が設けられ、弁体１１２にもゴム部材１３０が設けられてもよい。

さらに、調圧弁Ｈ９と同じ機能を有する調圧弁が、燃料供給路７４だけではなく、加湿器Ａ２１と燃料電池２０との間に位置する空気供給路７１、燃料電池２０と加湿器Ａ２１との間に位置する排気路７２、および燃料電池２０と気液分離器Ｈ４２との間に位置する水素循環路７５に設けられてもよい。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。 図１の燃料電池システムに設けられた調圧弁の構造を示す断面図であって、弁体が燃料供給路を閉じた状態を示している。 図１の燃料電池システムに設けられた調圧弁の構造を示す断面図であって、弁体が燃料供給路を開いた状態を示している。 図１の燃料電池システムに設けられた調圧弁の他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

２０…燃料電池、７４…燃料供給路（流体流路、ガス流路、燃料ガス供給流路）、Ｈ９…調圧弁、１００…燃料電池システム、１１０…シリンダ、１１１…内部隔壁、１１２…弁体、１１３…第１のバネ体、１１４…ピストン、１１４ｂ…端面（当接部位）、１１５…第２のバネ体、１２０，１３０…ゴム部材（衝撃吸収材）

Claims (3)

1. 流体流路に設置されて流体圧力を調整する調圧弁であって、
   流体が導入されるシリンダ内に、
   前記シリンダよりも下流側の流体圧力が所定の圧力よりも小さくなったときに所定の方向に変位するピストンと、
   前記ピストンが前記所定の方向に変位したときに前記ピストンと当接し前記ピストンに押されて変位することによって弁開度を変更する弁体と、
   前記ピストンと前記弁体との当接部位に設けられた衝撃吸収材と、
   を備える調圧弁。
2. ガス供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に給排されるガスが流通するガス流路と、備える燃料電池システムであって、
   前記ガス流路上のいずれかの位置に、請求項１に記載の調圧弁が設置されている燃料電池システム。
3. 前記調圧弁は、前記ガス流路のうち燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給流路に設置されている請求項２に記載の燃料電池システム。
   
   

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