JP2007280654A - 弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弁の凍結による動作不能を防止する。
【解決手段】インジェクタ１２の内部には、可動鉄心２８が配置され、この可動鉄心２８の前面に弁体３０が設けられている。弁体３０は弁収容室２６内に配置され、弁収容室２６の流出側流路２４側の壁が弁座になっている。弁体３０と弁座の流出側流路２４側の閉止面を覆って、リップ４０が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスの流路を開閉する弁装置に関する。

従来より、燃料電池が知られており、環境に対する悪影響が少なく、エネルギー効率も高いという利点があり、広く普及されつつある。

この燃料電池では、通常陽極側のガス拡散層に燃料ガスである水素ガスが循環され、陰極側のガス拡散層に酸素を含む空気が循環され、電解質膜を利用して水素と酸素から水が生じる反応によって電力が生成される。

このような燃料電池において、燃料ガスは燃料電池において一度の反応ですべて消費されるわけではなく、陽極側の燃料ガスは一端排出された後、もう一度陽極側のガス拡散層に循環される。従って、陽極側の拡散層に供給される燃料ガスは、循環ガスに所定量の水素ガスが注入された形になる。ここで、この注入される水素ガスは、ある程度の高圧状体であり、これが循環ガス中に注入される。一般的にこの水素ガスの注入は、間欠的に行われ、ここに水素ガスの注入量を制御するインジェクタ（流量制御弁として作用する）が設けられ、これによって循環ガスへの水素ガスの注入を制御する。

実開平０７−０２５２７１号公報

上述のような水素ガスの循環ガスへの注入を制御するインジェクタにおいて、低温時において弁が十分制御できない場合が発生する。すなわち、循環ガスは、燃料電池から排出されるものであり、水分を多く含むガスである。従って、インジェクタの弁が閉じているときに、循環ガス中の水分が氷として凍結して弁の閉止部に固着して弁が開かなくなるという問題が発生する。

本発明は、弁体を弁座に対し相対的に移動することによってガスの流路を開閉する弁装置であって、前記弁体と弁座の閉止面の近傍のいずれか一方に基部が固定され先端が自由端となっていると共に、弁体と弁座とのガス排出側の閉止面を覆うリップを形成することを特徴とする。

また、前記リップは、雰囲気温度が所定温度以下になったときに、前記閉止面から離れる方向に変形されることが好適である。

また、前記リップはバイメタルで構成されることが好適である。

また、前記リップには、ガス流通方向への変位を抑制する補強リブが設けられていることが好適である。

また、リップは、基部が弁座に固定されると共に、弾性ゴムにより形成されていることが好適である。

また、前記リップは、弾性体で形成されていることが好適である。

また、前記リップは、先端が先細り状で鋭角であることが好適である。

また、当該弁装置は、燃料電池のインジェクタ用に用いられることが好適である。

本発明によれば、周辺温度が０°Ｃ以下になり、流出側流路の壁に付着した水が凍っても、弁体と弁座の閉止面をリップが覆っているため、ここが固着することを防止できる。

また、リップを水が付着しにくい構成にすることで、リップと弁体が固着することも防止できる。

リップをバイメタルで構成することで、リップと弁体が付着しても、この氷を剥がすことができ、両者の固着を効果的に防止できる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、システムの全体構成を示す図であり、水素ガスタンク１０からの水素ガスは、インジェクタ１２を介し循環路１４中の燃料ガスに注入され、この水素ガスタンク１０からの水素ガスが注入された燃料ガスが燃料電池１６のアノードガス拡散層に供給される。燃料電池１６からの排出アノードガスは、循環路１２に流入され、所定量の水素ガスが注入されて燃料電池１６のアノードガス拡散層に循環される。なお、燃料電池１６からの排出アノードガスには、多くの水分が含まれているため、循環路１４の燃料電池１６に近い部分において凝結水が排出されるようになっている。

ここで、インジェクタ１２は、図２に示すような構成を有しており、ボディー２０を有しており、このボディー２０には、その中心部を貫通するように流入側流路２２と流出側流路２４が形成されている。これら流路２２、２４の接続部には、流入側流路２２の広がった弁収容室２６が形成され、ここに可動鉄心２８が両流路２２，２４の方向に移動自在に収容されている。

可動鉄心２８は、全体として円筒状で、流入側流路２２に向いて中心部に流路が形成されている。可動鉄心２８の流出側流路２４側には、円盤状の弁体３０が設けられており、弁収容室２６の流出側流路２４の壁（弁座）に突き当たることによって、流出側流路２４を閉塞可能になっている。また、可動鉄心２８の中心部の流路は、弁体３０の裏側で放射方向に伸び、可動鉄心２８の周囲の弁収容室２６に連通している。さらに、可動鉄心２８は、バネ３２によって流出側流路２４の方に向けて押しつけられている。また、ボディー２０の弁収容室２６の外側で流入側流路２２の方には、コイル３４が設けられている。

コイル３４に通電されていないときには、バネ３２の付勢力によって可動鉄心２８は弁収容室２６の流出側流路２４側の壁（弁座）に押しつけられて流出側流路２４は弁体３０によって閉じられている。一方、コイル３４に通電すると、可動鉄心２８は流入側流路２２の方向に引っ張られ、弁体３０は弁収容室２６の弁座から離れ、流出側流路２４と弁収容室２６が連通する。弁収容室２６は、可動鉄心２８内部の流路を介し流入側流路２２と連通しているため、コイル３４に通電することによって、流入側流路２２と流出側流路２４が連通され、水素ガスタンク１０からの水素ガスが循環路１４中の循環ガス中に注入される。

なお、コイル３４は、その通電がＰＷＭ（パルス幅変調）制御され、これによってインジェクタ１２による水素ガスの注入量が制御される。また、コイル３４への通電は電源コネクタ３６を介し行われる。

そして、流出側流路２４と弁体３０の境界部分には、流出側流路２４の壁面から弁体３０の表面に内側方向に向けて伸びるリップ４０が形成されている。従って、リップ４０によって、弁体３０と弁座の流出側流路２４側の境界面が覆われる。

［実施形態１］
図３、図４には、実施形態１の構成が示されている。この実施形態１においては、流出側流路２４の弁体３０との接続部（弁体３０と弁座の流出側流路２４側の境界）に外周方向に位置する流出側流路２４の壁から弁体３０の表面に向けて伸びるリップ４０が設けられている。このリップ４０は、バイメタルで形成されており、雰囲気温度が０°Ｃを超えている場合には、図３に示すようにリップ４０は比較的直線に近い形状であって、先端部分は弁体３０に接触している。一方、弁体３０の雰囲気温度が０℃より低くなると、リップ４０は図４に示すよう先端側が流出側流路２４側に戻るようにＵ字状になり、先端部分が弁体３０から離れる。

ここで、流出側流路２４は、循環路１４に接続されており、ここには燃料電池１６からの排出ガスが循環されている。従って、燃料電池１６の反応に基づき、比較的高温多湿である。一方、燃料電池の運転停止後は、弁体３０が弁収容室２６の弁座に押しつけられた状態となっている。従って、運転停止後は弁体３０やリップ４０の表面などに凝結水が付着しやすい。特に、周辺温度が０°Ｃ以下になると、弁体３０やリップ４０の表面などに凝結水が凍結し、リップ４０がない場合には弁体３０の流出側流路２４の閉止面に氷が付着して、ここが固着される。

ところが、本実施形態では、バイメタルからなるリップ４０があり、このリップ４０が低温時に図４のように丸くなる。これによって、弁体３０による流出側流路２４側の閉止面に固着した氷がリップ４０の変形によって引き剥がされる。これによって、燃料電池の運転開始時において、弁体３０が弁座に固着してしまい、動かなくなることを効果的に防止することができる。

なお、本実施形態において、高温時にはリップ４０は直線状になろうとして弁体３０を弁が開く方向に押す。従って、バネ３２の付勢力を、リップ４０により弁体３０を押す力より大きく設定する必要がある。これによって、弁体３０によって流路を確実に閉じることができる。リップ４０は必ずしも０°Ｃを境に急減に変化する必要はなく、０°Ｃを下回った時点から弁体３０に対し相対的に移動するように設定すればよい。

図５には、リップ４０の構成例が示されている。この例では、ドーナツ状の周辺部４２から内側に向けて複数の歯４４が伸びる形状になっている。そして、周辺部４２を流出側流路２４の壁に固定することで、温度が低下することによって歯４４が弁体３０から離れる方向に反り返る。なお、リップ４０の流出側流路２４への固定については、リベット、接着など各種の方法を採用することができる。

図６は、リップ４０の他の構成例であり、この例では、周辺部４２がほぼ正方形状であり、対角線上に内側から周辺部４２に向けて切り込みが形成され、各辺の内側が歯４４になっている。これによって、反り返る歯４４の部分を大きくとれる。なお、この形状とする場合には、弁体３０と接触する流出側流路２４の先端部分も四角形状とする。

［実施形態２］
図７および図８には、実施形態２の構成が示されている。この例では、流出側流路２４の壁と弁体３０が接する部分を覆って周辺部が流出側流路２４の壁に固定され、内側が自由端となっているリップ４０が形成されている。そして、この例においては、リップ４０はゴムなどの弾性体からなっている。低温での特性を考慮すると、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）などが好適である。また、リップ４０の形状は上述の図５，図６に示すような形状とすることもできるが、内周側も複数の歯に分割されている必要はなく、一体として内側に伸びていてもよい。

なお、リップ４０は、燃料電池の運転停止時において、流出側流路２４の弁体３０側の壁と弁体３０が接する部分（弁体３０と弁座の流出側流路２４側の境界面）を覆っていればよく、必ずしも弾性体である必要はない。

図７には、弁体３０が弁収容室２６の弁座に押しつけられ、流路が閉じた状態を示している。このように、弁体３０と流出側流路２４の壁との接する部分はリップ４０に覆われている。従って、燃料電池の運転終了時において、流出側流路２４内の水蒸気が温度低下に伴い凝結し、その後凍結しても弁体３０と流出側流路２４の壁との接触部分（弁体３０と弁座の流出側流路２４側の境界面）に氷がつくのを防止することができる。また、リップ４０の内側先端部における段差が小さいので、ここに凝結水がたまりにくく、氷によってこの部分が固着する可能性が低い。また、リップ４０が柔軟なゴムなどの材質からなっているので、この部分に氷がついても力をかけると変形することで、氷との隙間ができやすく、弁体３０が動かなくなる可能性が低い。

そこで、周辺温度が０°Ｃ以下になり、流出側流路２４の壁に付着した水が凍っても、弁体３０が固着して移動できなくなる可能性は非常に小さくなる。

図８には、弁体３０が弁収容室２６の流入側流路２２側に移動して、流路が開いた状態を示している。この例では、リップ４０が弾性体から形成されており、流路が開いた状態では、リップ４０は曲がりが少なくなろうとして、その先端は弁収容室２６内へ位置する。

そして、この状態において、流入側流路２２から流出側流路２４への流路が確保される必要があり、リップ４０の先端と、弁体３０の表面の距離ａは、ガスの流通を妨げない大きさに設定されている。また、このときのリップ４０は、直線状になるのではなく、若干丸まった形状を維持することが好ましい。この例では、リップ４０の先端部分が周辺部に比べ距離ｂだけ内側に位置する。これによって、流路を開放するために必要な弁体３０の移動距離を比較的小さくすることができ、また弁体３０の繰り返し移動に対しても十分な耐久性を持つことが容易になる。

なお、リップ４０が上述のような弾性体から形成される場合、図７における、流路が閉じた状態ではリップ４０の内側先端部分が弁体３０に押しつけられている。

図９には、リップ４０の周辺部を流出側流路２４の壁に接着で固定する構成例が示されている。この例では、流出側流路２４の壁に凹部２４ａを設け、ここにリップ４０の周辺部を収容し、両者の接触部分を接着剤５０で接着する。接着剤５０としては金属とゴムを確実に接着できる合成ゴム系の接着剤などが採用される。

また、図１０に示すように、リップ４０の先端は、徐々に厚みが薄くなる先細り状で断面の角度が鋭角になっている形状とすることが好適である。これによって、リップ４０と弁体３０の表面との接触を確実なものにでき、リップ４０の先端部分における段差を小さくして、ここに凝結水が付着しにくくなる。従って、この部分が氷で固着されるおそれを少なくすることができる。

図１１には、さらに他の例が示されている。この例では、弁体３０の流出側流路２４に向いた表面の中央付近に凸部５４が設けられている。そして、周辺から伸びるリップ４０の先端がこの凸部５４に突き当たるようになっている。この構成によれば、流路を閉じている場合における流出側流路２４に露出するリップ４０と弁体３０の境界となる部分を小さくでき、ここに対する凝結水の付着を少なくできる。

図１２には、さらに他の例が示されている。この例では、弁体３０の流出側流路２４側に流出側流路２４の壁に沿って伸びるリップ４０が設けられている。図１２（ａ）が可動鉄心２８が流入側流路２２側に移動して弁が開いた状態であり、図１２（ｂ）が可動鉄心２８が流出側流路２４側に移動して弁が閉じた状態である。このように、弁が閉じた状態において、リップ４０が流出側流路２４の周囲壁に接触している。従って、弁体３０と、弁収容室２６の弁座との境界は、直接流出側流路２４に露出されることはない。また、リップ４０の先端と流出側流路２４の壁面との段差は比較的小さく、ここに凝結水が付着しにくくなる。

［その他の構成］
なお、リップ４０の流出側流路２４側の面について、水滴は付着しないような（撥水性）コーティングをすることによって、凝結水の付着をより効果的に防止できる。特に、リップ４０は、弁座に押しつけられる部分でないため、繰り返して行われる弁の開閉時におけるコーティングへのダメージも少なくできる。

実施形態に係る弁装置を利用するシステムの構成を示す図である。 インジェクタの構成を示す断面図である。 実施形態１の要部構成を示す図である。 図２の構成におけるリップ４０の変形時の構成を示す図である。 リップ４０の構成例を示す図である。 リップ４０の他の構成例を示す図である。 実施形態２の要部構成を示す図である。 図７の構成における弁の開放時の構成を示す図である。 実施形態２における他の構成を示す図である。 実施形態２におけるさらに他の構成を示す図である。 実施形態２におけるさらに他の構成を示す図である。 実施形態２におけるさらに他の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 水素ガスタンク、１２ インジェクタ、１４ 循環路、１６ 燃料電池、２０ ボディー、２２ 流入側流路、２４ 流出側流路、２４ａ 凹部、２６ 弁収容室、２８ 可動鉄心、３０ 弁体、３２ バネ、３４ コイル、３６ 電源コネクタ、４０ リップ、４２ 周辺部、４４ 歯、５０ 接着剤、５４ 凸部。

Claims (8)

1. 弁体を弁座に対し相対的に移動することによってガスの流路を開閉する弁装置であって、
   前記弁体と弁座の閉止面の近傍のいずれか一方に基部が固定され先端が自由端となっていると共に、弁体と弁座とのガス排出側の閉止面を覆うリップを形成することを特徴とする弁装置。
2. 請求項１に記載の弁装置において、
   前記リップは、雰囲気温度が所定温度以下になったときに、前記閉止面から離れる方向に変形されることを特徴とする弁装置。
3. 請求項２に記載の弁装置において、
   前記リップはバイメタルで構成されることを特徴とする弁装置。
4. 請求項２または３に記載の弁装置において、
   前記リップには、ガス流通方向への変位を抑制する補強リブが設けられていることを特徴とする弁装置。
5. 請求項１に記載の弁装置において、
   前記リップは、基部が弁座に固定されると共に、弾性ゴムにより形成されていることを特徴とする弁装置。
6. 請求項１に記載の弁装置において、
   前記リップは、弾性体で形成されていることを特徴とする弁装置。
7. 請求項１、５、または６に記載の弁装置において、
   前記リップは、先端が先細り状で鋭角であることを特徴とする弁装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の弁装置において、
   当該弁装置は、燃料電池のインジェクタ用に用いられることを特徴とする弁装置。
   

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