JP2008020039A - 調圧弁 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラムを効率良く温度調節することができる調圧弁を提供する。
【解決手段】一次側流路１０１と二次側流路１０２とこれら流路１０１，１０２を隔て且つ開口部８４が形成された弁座８３とを有する弁ケース８０と、弁座８３に離着座することで開口部８４を開閉する弁体９４と、二次側流路１０２に面して配置され弁体９４を弁座８３に離着座させる第１のダイヤフラム９１と、第１のダイヤフラム９１の二次側流路１０２とは反対側に配置される第２のダイヤフラム９２とを有し、これらダイヤフラム９１，９２の間に温度調節用の液体Ｌを流通させる液体流路１０４を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、気体調圧用の調圧弁に関する。

気体調圧用の調圧弁には、圧力に応じてダイヤフラムを変形・変位させて開閉作動するものがあるが、このような調圧弁においては、ダイヤフラムがゴム材料からなるため、特に低温時に硬化により変形・変位しにくくなって、作動不良つまり調圧不良を生じる可能性が高くなる。このため、ダイヤフラムを加熱気体の流路に面して配置することで加温して、このような低温時の作動不良を防止する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１１１５３号公報

しかしながら、上記のようにダイヤフラムを温度調節用気体の流路に面して配置する技術では、気体は伝熱効率が低いことから効率良く温度調節できないという課題があった。

そこで、本発明は、ダイヤフラムを効率良く温度調節できる調圧弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る調圧弁は、一次側ガス供給端が接続される一次側流路と二次側ガス放出端が接続される二次側流路とこれら一次側流路及び二次側流路を隔て且つ開口部が形成された弁座とを有する弁ケースと、前記弁座に離着座することで前記開口部を開閉する弁体と、前記弁ケースの前記二次側流路に面して配置され該二次側流路内の二次側ガスの圧力に応じて変位することで前記弁体を前記弁座に離着座させる第１のダイヤフラムと、該第１のダイヤフラムの前記二次側流路とは反対側に配置され該第１のダイヤフラムに相対的に追従して変位するとともに前記二次側ガスの圧力に対抗するように付勢された第２のダイヤフラムとを有し、前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとの間に温度調節用の液体を流通させる液体流路を備えている。

かかる構成とすることによって、第１のダイヤフラムと第２のダイヤフラムとの間に形成された液体流路に温度調節用の伝熱効率が気体よりも高い液体を流通させることで、第１のダイヤフラム及び第２のダイヤフラムを効率良く液体と同等の温度に制御することができ、温度変化による性能劣化を抑制することができる。

この場合、前記液体流路に前記液体を加温して供給しても良い。かかる構成とすることによって、第１のダイヤフラム及び第２のダイヤフラムの低温時の硬化による性能劣化を抑制することができる。

また、前記第１のダイヤフラム及び前記第２のダイヤフラムのうちの少なくともいずれか一方にフィンを設けても良い。かかる構成とすることによって、伝熱効率を向上させることができる。

さらに、前記一次側流路及び前記二次側流路を燃料電池の反応ガス流路に設け、前記液体流路の前記液体として前記燃料電池の冷媒を供給するようにしても良い。

かかる構成とすることによって、燃料電池の冷媒でダイヤフラムを加温することになるため、ダイヤフラムの加温専用の温度調整用液体を準備する必要がない。燃料電池は特に高負荷運転時に減圧によりガスが低温になって第１のダイヤフラムが冷やされることになるが、燃料電池は高負荷運転時には冷媒の温度が上昇していることになり、好適に第１のダイヤフラムの性能劣化を抑制することができる。

加えて、水素ガス調圧用にしても良い。かかる構成とすることによって、例えば水素ガスの供給源として高圧水素タンクを用いる場合のように、断熱膨張により低温化した水素ガスが当該調圧弁に流通する場合に特に、好適に第１のダイヤフラムの性能劣化を抑制することができる。

さらに、車両搭載用にしても良い。かかる構成とすることによって、車両は外気温の変動等により温度変化の激しい環境下におかれるため、このような環境下においても、液体によって第１のダイヤフラム及び第２のダイヤフラムを加温することで、性能劣化による車両の走行停止等を抑制することができる。

この場合、前記液体流路の前記液体として車両駆動用機器の冷媒を供給するようにしても良い。かかる構成とすることによって、既存の温水を利用することができるため、ダイヤフラムの加温専用の温度調整用液体を設ける必要がない。

さらに、前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとに連結されて一方のダイヤフラムの変位を他方のダイヤフラムに伝達する連結部材を備えていても良い。かかる構成とすることによって、第１及び第２のダイヤフラム間における一方から他方への変位伝達が連結部材を介して直接行われるようになるので、応答性の低下を抑制することができる。

本発明に係る他の調圧弁は、一次側ガス供給端が接続される一次側流路と、二次側ガス放出端が接続される二次側流路と、これら一次側流路及び二次側流路を隔て且つ開口部が形成された弁座と、大気に開放された大気開放室と、を有する弁ケースと、前記弁座に離着座することで前記開口部を開閉する弁体と、前記弁ケースの前記二次側流路に面して該二次側流路と前記大気開放室とを隔てるように配置され該二次側流路内の二次側ガスの圧力に応じて変位することで前記弁体を前記弁座に離着座させるダイヤフラムとを有し、前記ダイヤフラムの少なくとも前記大気開放室側の面にフィンが設けられてなる。

かかる構成とすることによって、ダイヤフラムの大気開放室側の面に設けられたフィンにより、ダイヤフラムと大気との間の伝熱効率が向上するので、ダイヤフラムを効率良く大気と同等の温度に制御することができ、温度変化による性能劣化を抑制することができる。

本発明によれば、ダイヤフラムを効率良く温度調節して性能劣化を抑制することができる。

まず、本発明に係る調圧弁の一実施形態が適用された燃料電池システムの全体構成を説明する。この燃料電池システムは燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、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の燃料電池システムへの適用も可能である。

図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての空気は、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、及び空気に所要の水分を加える加湿装置Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、制御部５０によって駆動制御される。

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、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。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。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の開度面積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（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路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、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。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、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水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。

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の水素調圧弁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は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。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、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１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電気化学反応により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、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る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

本発明の一実施形態である上記した水素ガス調圧用の水素調圧弁（調圧弁）Ｈ９は、図２に示すように、その外側を構成する弁ケース８０を有している。この弁ケース８０は、その上部に一の側方に開口して内外を連通させる接続口８１が形成され、上下方向の中間部にこの接続口８１とは反対向きに開口して内外を連通させる接続口８２が形成されている。また、弁ケース８０内には、接続口８１と接続口８２との間位置に弁座８３が形成されている。

この弁座８３は、全周にわたって弁ケース８０につながっており、その中間部に開口部８４が上下方向に貫通するように形成されている。さらに、弁ケース８０の接続口８２よりも下側には、一の側方に開口して内外を連通させる接続口８６が形成され、この接続口８６と同高さで対向する位置に、逆の側方に開口して内外を連通させる接続口８７が形成されていて、これら接続口８６，８７よりも下側には内外を連通（大気に開放）させる開放口８８が形成されている。

また、水素調圧弁Ｈ９には、弁ケース８０内に、対向する接続口８６及び接続口８７を間に介在させるように上下一対のゴム製のダイヤフラム（第１のダイヤフラム）９１及びダイヤフラム（第２のダイヤフラム）９２が設けられている。弁座８３側のダイヤフラム９１は接続口８２と、接続口８６及び接続口８７との間に配置されており、全周にわたって弁ケース８０の内面に接合されている。

弁座８３とは反対側のダイヤフラム９２は、接続口８６及び接続口８７と、開放口８８との間に配置されており、全周にわたって弁ケース８０の内面に接合されている。なお、ダイヤフラム９１とダイヤフラム９２とは、例えば図示略の単数または複数の支柱部（連結部材）で互いに連結されており、その結果、互いに追従して変形及び変位するようになっている。つまり、ダイヤフラム９２はダイヤフラム９１に相対的に追従して変位する。

さらに、水素調圧弁Ｈ９は、弁座８３よりも接続口８１側に弁座８３に離着座して開口部８４を開閉する弁体９４を有している。この弁体９４はステム９５を介してダイヤフラム９１に連結されており、ダイヤフラム９１の変形及び変位で移動する。

加えて、水素調圧弁Ｈ９は、下側のダイヤフラム９２を弁座８３の方向に付勢する付勢機構９７を有している。この付勢機構９７は、ダイヤフラム９２に当接するリテーナ９８と、このリテーナ９８と弁ケース８０の底面との間に介装されるコイルスプリング９９とで構成されている。この付勢機構９７が設けられた室（大気開放室）１００は、開放口８８で大気に開放されている。

ここで、上記のように水素調圧弁Ｈ９は、燃料電池２０の反応ガス流路の一つである燃料供給路７４に配置されることになり、その際に、上部の接続口８１には、燃料供給路７４の水素供給源３０側の一次側ガス供給端７４ａが接続され、中間部の接続口８２には、燃料供給路７４の燃料電池２０側の二次側ガス放出端７４ｂが接続される。

その結果、弁座８３は、弁ケース８０の内部を、弁ケース８０と弁座８３とで画成され一次側ガス供給端７４ａが接続される一次側流路１０１と、弁ケース８０と弁座８３とダイヤフラム９１とで画成され二次側ガス放出端７４ｂが接続される調圧室となる二次側流路１０２とに隔てることになる。

また、ダイヤフラム９１は、弁ケース８０の二次側流路１０２に面して配置されこの二次側流路１０２内の二次側ガスの圧力に応じて変位することになり、この変位で弁体９４を弁座８３に対し離着座させる。さらに、ダイヤフラム９２は、ダイヤフラム９１の二次側流路１０２とは反対側に配置されるとともに付勢機構９７で二次側ガスの圧力に対抗するように付勢される。

また、互いに対向する接続口８６及び接続口８７のうち一方の接続口８６には、冷却路７３の燃料電池２０側の一次側液供給端７３ａが接続され、他方の接続口８７には、冷却路７３のラジエータＣ２側の二次側液放出端７３ｂが接続される。その結果、弁ケース８０と、ダイヤフラム９１と、このダイヤフラム９１の二次側流路１０２とは反対側に配置されたダイヤフラム９２との間には、温度調節用の液体を流通させる液体流路１０４が画成され、この液体流路１０４に、燃料電池２０の冷媒であり、該燃料電池２０の冷却に供して加温された冷却水（液体）Ｌが供給される。

つまり、ダイヤフラム９１及びダイヤフラム９２は、液体流路１０４を通過する加温された冷却水Ｌで直接加温される。ここで、本実施形態の燃料電池システム１は車両搭載用であるため、この燃料電池システム１の水素調圧弁Ｈ９も車両搭載用である。そして、かかる場合には、燃料電池２０は車両駆動用機器を構成することにもなり、その冷媒が水素調圧弁Ｈ９の液体流路１０４に供給される。

このような水素調整弁Ｈ９は、付勢機構９７とダイヤフラム９１が受圧する二次側流路１０２内の二次側ガスの圧力との荷重バランスで、二次側ガスの圧力が高くなれば、弁座８３から離れる方向にダイヤフラム９１，９２が変位し弁体９４を弁座８３に着座させて開口部８４を閉じて一次側流路１０１及び二次側流路１０２の連通を遮断する一方、二次側ガスの圧力が低くなれば、弁座８３に近づく方向にダイヤフラム９１，９２が変位し弁体９４を弁座８３から離座させて開口部８４を開くことになる。このようにして二次側流路１０２の圧力を調圧する。

以上に述べた水素調圧弁Ｈ９によれば、ダイヤフラム９１とダイヤフラム９２との間に形成された液体流路１０４に温度調節用の伝熱効率が気体よりも高い液体Ｌを流通させることで、ダイヤフラム９１及びダイヤフラム９２を効率良く液体Ｌと同等の温度に制御することができ、温度変化による性能劣化を抑制することができる。したがって、ダイヤフラム９１及びダイヤフラム９２を効率良く温度調節することができる。具体的には、液体流路１０４に液体Ｌが加温して供給されるため、ダイヤフラム９１及びダイヤフラム９２の低温時の硬化による性能劣化を抑制することができる。

さらに、水素調圧弁Ｈ９は、一次側流路１０１及び二次側流路１０２が燃料電池２０の反応ガス流路である燃料供給路７４に設けられ、液体流路１０４の液体として燃料電池２０の冷却水Ｌが供給されるため、燃料電池２０の冷却水Ｌでダイヤフラム９１，９２を加温することになり、ダイヤフラム９１，９２の加温専用の温度調整用液体及びその加熱手段を設ける必要がない。

しかも、燃料電池２０は特に高負荷運転時に減圧によりガスが低温になってダイヤフラム９１が冷やされることになるが、燃料電池２０は高負荷運転時には冷却水Ｌの温度が上昇していることになり、好適にダイヤフラム９１，９２の性能劣化を抑制することができる。

しかも、水素調圧弁Ｈ９は、車両搭載用であり、車両は外気温の変動等により温度変化の激しい環境下におかれるため、このような環境下においても、加温された冷却水Ｌによってダイヤフラム９１，９２を直接加温することで、性能劣化による車両の走行停止等を抑制することができる。また、上記したように、液体流路１０４に流す液体として車両駆動用機器である燃料電池２０の冷却水Ｌつまり既存の温水を利用することができる。

なお、上記水素調圧弁Ｈ９に、図３に示すようにそのダイヤフラム９１及びダイヤフラム９２の液体流路１０４側に、加温された冷却水Ｌとの接触表面積を拡大する熱交換用のフィン１０６を形成しても良い。このようにフィン１０６を設ければ、伝熱効率を向上させることができる。

この場合、ダイヤフラム９１及びダイヤフラム９２のうちのいずれか一方のみにフィン１０６を設けても良い。また、外気が温暖な地方で使用される場合は、フィン１０６をダイヤフラム９２の液体流路１０４とは反対に形成して外気と熱交換させても良い。

また、以上においては、燃料電池２０用の冷却水Ｌを液体流路１０４に流す場合を例にとり説明したが、車両駆動用機器である走行駆動用のモータの冷媒を液体流路１０４に流しても良い。この場合、燃料電池２０の冷媒と同様に高負荷運転時に冷媒の温度が上がるため良好に適用することができる。

さらに、以上においては、弁ケース８０内にダイヤフラム９１とダイヤフラム９２とで液体流路１０４を画成し、この液体流路１０４に冷却水Ｌを流す例について説明したが、例えば図４に示す調圧弁Ｈ９のように、弁ケース８０内にダイヤフラム９２のみを配置し、このダイヤフラム９２の表裏面のうち、大気開放された室１００側の面に、該室１００内の大気との接触表面積を拡大する熱交換用のフィン１０６を形成した構成としても良い。

このようにフィン１０６を設ければ、伝熱効率を向上させることができるので、弁ケース８０内にダイヤフラム９１とダイヤフラム９２とで液体流路１０４を画成してこの液体流路１０４に冷却水Ｌを流さずとも、ダイヤフラム９２の性能劣化を抑制することができる。

本発明に係る調圧弁の一実施形態が適用された燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。 本発明に係る調圧弁の一実施形態を示す断面図である。 図２に示す調圧弁の変形例を示す断面図である。 本発明に係る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（車両駆動用機器）、７４…燃料供給路（反応ガス流路）、７４ａ…一次側ガス供給端、７４ｂ…二次側ガス放出端、８０…弁ケース、８３…弁座、８４…開口部、９１…ダイヤフラム（第１のダイヤフラム）、９２…ダイヤフラム（第２のダイヤフラム、ダイヤフラム）、９４…弁体、９７…付勢機構、１００…室（大気開放室）、１０１…一次側流路、１０２…二次側流路、１０４…液体流路、１０６…フィン、Ｈ９…水素調圧弁（調圧弁）、Ｌ…冷却水（液体）。

Claims (9)

1. 一次側ガス供給端が接続される一次側流路と二次側ガス放出端が接続される二次側流路とこれら一次側流路及び二次側流路を隔て且つ開口部が形成された弁座とを有する弁ケースと、
   前記弁座に離着座することで前記開口部を開閉する弁体と、
   前記弁ケースの前記二次側流路に面して配置され該二次側流路内の二次側ガスの圧力に応じて変位することで前記弁体を前記弁座に離着座させる第１のダイヤフラムと、
   該第１のダイヤフラムの前記二次側流路とは反対側に配置され該第１のダイヤフラムに相対的に追従して変位するとともに前記二次側ガスの圧力に対抗するように付勢された第２のダイヤフラムとを有し、
   前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとの間に温度調節用の液体を流通させる液体流路を備えた調圧弁。
2. 請求項１に記載の調圧弁であって、
   前記液体流路に前記液体が加温して供給される調圧弁。
3. 請求項１又は２に記載の調圧弁であって、
   前記第１のダイヤフラム及び前記第２のダイヤフラムのうちの少なくともいずれか一方にフィンが設けられてなる調圧弁。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の調圧弁であって、
   前記一次側流路及び前記二次側流路が燃料電池の反応ガス流路に設けられ、前記液体流路の前記液体として前記燃料電池の冷媒が供給される調圧弁。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の調圧弁であって、
   水素ガス調圧用である調圧弁。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の調圧弁であって、
   車両搭載用である調圧弁。
7. 請求項６に記載の調圧弁であって、
   前記液体流路の前記液体として車両駆動用機器の冷媒が供給される調圧弁。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の調圧弁であって、
   前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとに連結されて一方のダイヤフラムの変位を他方のダイヤフラムに伝達する連結部材を備えた調圧弁。
9. 一次側ガス供給端が接続される一次側流路と、二次側ガス放出端が接続される二次側流路と、これら一次側流路及び二次側流路を隔て且つ開口部が形成された弁座と、大気に開放された大気開放室と、を有する弁ケースと、
   前記弁座に離着座することで前記開口部を開閉する弁体と、
   前記弁ケースの前記二次側流路に面して該二次側流路と前記大気開放室とを隔てるように配置され該二次側流路内の二次側ガスの圧力に応じて変位することで前記弁体を前記弁座に離着座させるダイヤフラムとを有し、
   前記ダイヤフラムの少なくとも前記大気開放室側の面にフィンが設けられてなる調圧弁。

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