JP2008020039A - 調圧弁 - Google Patents
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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
【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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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