JP2008053081A - 圧力調整弁 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力調整弁の開度が小さい場合に、弁体近傍のアイシングを防止する圧力調整弁を提供する。
【解決手段】圧力調整弁２４の弁体３１を、ハウジング３０の内周面と外形が略同一の平面部３１ｂと、ハウジング３０に摺接する球面部３１ａと、によって構成し、弁体３０の下流側に、ハウジング３０内を流通部４０と、第２の室３９と、に分離し、弁体３０に摺接する内壁端が球面部３１ａと摺接する整流部３２を備える。そして、弁体３１の傾倒角度が小さい場合には、第２の室３９の内壁端を球面部３１ａに当接させて第２の室３９を閉塞し、第１の連通部４０にのみ空気を流入させる。
【選択図】図６

Description

本発明は圧力調整弁に関するものであり、特に燃料電池用の圧力調整弁に関するものである。

管内を流れる流体の流量、または管内の圧力を調整する調圧弁付近では、上流側に傾倒する調圧弁の弁体と近接する配管の内壁の一部を球状壁面とすることで、流量が小さい場合の調圧弁における流量の制御を容易にするものが特許文献１に開示されている。さらに、特許文献１では、下流側に傾倒する調圧弁の弁体と近接する管の内壁の一部を球状壁面とはせずに、段を設けており、低温時に生じる流体の急激な膨張による流体中の水分の凝縮、凍結し、氷によって調圧弁の弁体が管に固着すること（以下、アイシングという）を抑制することができる。
特開平９−３０３１６３号公報

しかし、上記の発明では、調圧弁の弁体が円板状であるために、下流側に傾倒する調圧弁においては、弁体の後方において、流体の急激な膨張が生じやすく、アイシングを効果的に抑制することができない、といった問題点がある。

また、下流側に傾倒する調圧弁の弁体と管の内壁との間が大きくなるので、流体の流量が少ない場合に、調圧弁の制御が困難になる、といった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、アイシングを効果的に防止し、調圧弁の制御を容易にすることを目的とする。

本発明では、燃料電池内の圧力を調整する圧力調整弁において、燃料電池の配管と連結する円筒形のハウジング内でシャフトを中心に回動し、ハウジングの内周面と外形が略一致する第１の平面部と、第１の平面部の背面に形成されハウジングの内壁に摺接する球面部と、から構成する弁体と、流体の流れ方向において前記弁体よりも下流側に位置し、ハウジング内に、流体が流れる第１の流路と、流体の流れ方向に垂直な方向の断面面積が第１の流路よりも広い第２の流路と、を分離して形成し、第２の流路の内壁端が球面部に摺接する整流部と、を備える。そして、圧力調整弁が全閉の場合には、第１の平面部が流体の流れ方向に対して略垂直であり、圧力調整弁の開弁時に、圧力調整弁の全閉時からの弁体の傾倒角度が所定角度よりも小さい場合には、第２の流路の内壁端に球面部が当接して第２の流路を閉塞し、第１の流路にのみ流体が流入し、圧力調整弁の開弁時に、弁体の傾倒角度が所定角度よりも大きい場合には、第１の流路と第２の流路とに流体が流入する。

本発明によると、弁体の傾倒角度が所定角度よりも小さい場合、つまり圧力調整弁の開度が小さい場合に、弁体の下流側に形成する第１の流路にのみ空気を流入させ、弁体通過後の空気の急激な膨張を防止することができる。これによって、例えば、低温時における凝縮水の凍結を防止し、アイシングを防止することができる。また、圧力調整弁２４の制御を容易に行うことができる。

本発明の第１実施形態の構成を燃料電池システムについて図１の概略構成図を用いて説明する。

燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１のアノード１ａに水素を供給する水素供給系２と、燃料電池１のカソード１ｂに空気を供給する空気供給系３と、を備える。

水素供給系２は、アノード１ａに新たな水素を供給する水素タンク１０と、燃料電池１の発電反応に使用されなかった排出水素を再びアノード１ａへ環流させる水素ポンプ１１と、排出水素の水素濃度が低くなった場合に排出水素を燃料電池システムから排出するためのパージバルブ１２と、を備える。

空気供給系３は、燃料電池１のカソード１ｂに外部から空気を供給する空気圧縮器２０と、空気圧縮器２０の上流側に設けられ、空気中の埃などを取り除くフィルタ２１と、空気圧縮器２０の下流側であり、空気を加湿する空気加湿器２２と、空気圧縮器２０と空気加湿器２２との間に設けた空気冷却器２３と、カソード１ｂの圧力を調整する圧力調整弁２４と、を備える。

空気加湿器２２は、空気圧縮器２０によってカソード１ｂへ供給する空気を、燃料電池１の発電反応によって、加湿されて水分を多く含む排出空気によって、加湿する。

空気冷却器２３は、空気圧縮器２０によってカソード１ｂへ供給する空気を冷却する。

また、排出水素を排出空気と、空気冷却器２３からバイパスされた空気冷却器２３を流れる空気の一部と、によって希釈して燃料電池システムの外部へ排出する空気分配器２５を備える。

次に、圧力調圧弁２４について図２、図３を用いて説明する。図２は、圧力調圧弁２４を斜め前方から見た斜視図である。また、図３は圧力調圧弁２４の分解図である。

圧力調圧弁２４は、ハウジング３０内でシャフト３５を中心に回動し、ハウジング３０の内壁とその一部が摺接する弁体３１と、空気の流れ方向に対して弁体３１よりも下流側に位置し、ハウジング３０の内壁に取り付けられた整流部３２と、整流部３２を弁体３１の方向へ付勢するバネ（弾性体）３３と、を備える。

ハウジング３０は、円筒形状であり、整流部３２のガイド３６と係合し、整流部３２をハウジング３０内で位置決めするガイド溝３４を備える。

弁体３１は、球面部３１ａと、平面部（第１の平面部）３１ｂと、から構成され、シャフト３５の軸心を中心とする半球型（半球体）の弁体である。球面部３１ａの径は、ハウジング３０の内壁の径と略同一である。円筒形状のハウジング３０の軸心と、軸心が交差するシャフト３５に、弁体３１は連結しており、シャフト３５が回動することによって、弁体３１はシャフト３５の軸心を中心に回動し、弁体３１の球面部３１ａがハウジング３０の内壁と摺接する。弁体３１は、圧力調整弁２４が全閉状態の場合に、平面部３１ｂが空気の流れ方向に略垂直となるように配置される。

弁体３１は、内部を空洞にすることが望ましく、これにより弁体３１を軽量化し、弁体３１を回動させるために必要なトルクを小さくすることができ、弁体３１をモータによって回動させる場合には、モータの消費電力を小さくすることができる。

整流部３２について図２、図３、図４を用いて説明する。図４は、空気の流れ方向に垂直な方向の概略断面図である。なお、図４においてはガイド溝３４、ガイド３６は省略する。

整流部３２は、ハウジング３０の内径よりも径が小さい円筒形状であり、整流部３２の内部を第１の室３８と第２の室（第２の流路）３９に分離する仕切り板（整流板）３７と、ガイド溝３４に係合するガイド３６と、を備える。

整流部３２は、ガイド３６をハウジング３０のガイド溝３４に係合させ、第１の室３８の外壁の一部がハウジング３０の内壁と当接するようにハウジング３０に取り付けられる。ハウジング３０の内壁の径よりも小さい径を有する整流部３２を、ハウジング３０に対して偏心させて取り付けることによって、整流部３２の外壁とハウジング３０の内壁との間に、間隙が生じ、流通部（第１の流路）４０が形成される。つまり、整流部３２は、ハウジング３０内を空気の流れ方向に垂直な方向において、第１の室３８と、第２の室３９と、流通部４０と、に分離する。

整流部３２は、圧力調整弁２４の開度が全開となった場合に、仕切り板３７が弁体３１の平面部３１ｂと略平行な平面となるように、ガイド３６によってハウジング３０に取り付けられる。

弁体３１と当接する仕切り板３７の端部３２ａは、球面部３１ａの外周面に沿って形成され、球面部３１ａの形状に沿った円弧形状である。つまり、球面部３１ａの径と略同一の円弧形状である。また、整流部３２は、バネ３３によって、弁体３１の方へ付勢され、整流部３２の内壁端が、球面部３１ａに摺接する。これによって、整流部３２と弁体３１との隙間を小さくすることができ、空気のシール性を良くすることができる。

なお、第１の室と第２の室との径を異なる径とし、第２の室と配管の内壁とによって流通部を形成してもよい。また、第２の室の外形形状を円弧形状とせずに、楕円形状としてもよい。また、整流部を円筒形状ではなく、第２の室のみを形成する半円筒形状としてもよい。

第１の室３８は、上流側を弁体３１によって常に閉塞される。一方、第２の室３９は、圧力調整弁２４の開度が小さい場合には、上流側を弁体３１によって閉塞され、圧力調整弁２４の開度が比較的大きくなった場合に、第２の室３９に空気が流れる。

流通部４０は、圧力調整弁２４の開度が全閉状態から開弁すると空気が流れる。空気の流れ方向に垂直な方向における流通部４０の断面面積は、第２の室３９の断面面積よりも小さく、流通部４０に空気が流れた場合でも、流通部４０で空気の急激な膨張を防ぐことができ、空気中の水分の凝縮、低温時における凝縮水の凍結を防止し、アイシングを防止することができる。

圧力調圧弁２４の作用について図５〜８を用いて説明する。図５は、圧力調圧弁２４の開度がゼロ、つまり全閉状態の圧力調圧弁２４の図２中の矢視Ａの断面図である（この状態を弁体３１の傾倒角度０°とする）。図６は、弁体３１が傾倒角度３０°となった場合の断面図である。図７は、弁体３１が傾倒角度４５°となった場合の断面図である。図８は、弁体３１が傾倒角度９０°となった場合、つまり全開状態の断面図である。

弁体３１の傾倒角度が０°の場合には、弁体３１の平面部３１ｂが空気の流れ方向と垂直となり、弁体３１とハウジング３０の内壁との隙間が略ゼロとなり、弁体３１の上流から下流へ空気が流れない。

弁体３１の傾倒角度が次第に大きくなると、弁体３１とハウジング３０の内壁との間に隙間が生じ、弁体３１の上流側と流通部４０とが連通し、空気が流通部４０へ流れる。

一般的に、弁体３１とハウジング３０の内壁との間の隙間が小さい場合に、弁体３１の下流側において、空気が膨張して急激な圧力変動が生じると、空気中の水分が凝縮し、低温時には凝縮した水分が凍結し、アイシングが生じる恐れがある。

この実施形態では、弁体３１の傾倒角度が３０°（所定角度）となるまでは、流通部４０にのみ空気が流れ、第２の室３９を弁体３１によって塞ぐことで、第２の室３９への空気の流入を防止し、弁体３１を通過後の空気の急激な膨張を防止し、凝縮水の生成、低温時における凝縮水の凍結を防止することができる。これにより、アイシングを防止することができる。なお、球面部３１ａがハウジング３０の内壁に摺接して回動するので、第１の室３８は弁体３１によって塞がれている。

これによって、弁体３１の傾倒角度が小さい場合に、弁体３１を通過後の空気の急激な膨張を防止し、低温時に弁体３１近傍における凝縮水の凍結を防止し、アイシングを防止することができる。

弁体３１の傾倒角度が３０°よりも大きくなると、弁体３１とハウジング３０の内壁との隙間が大きくなり、連通部４０に加えて、第２の室３９にも空気が流れる。第１の室３９は弁体３１によって塞がれている。第２の室３９へ空気が流れた場合には仕切り板３７によって、第１の室３８へ空気が流れることを防止し、空気の膨張を抑制することができる。

弁体３１の傾倒角度が９０°となると、弁体３１の平面部３１ｂと仕切り板３７とが、略平行となり、第２の室３９の上流側は、完全に開放され、圧力調圧弁２４の開度は全開となる。一方、第１の室３８の上流側は、弁体３１によって塞がれている。

なお、この実施形態では、弁体３１の傾倒角度が３０°よりも小さい場合に、流通部４０にのみ空気が流れ、弁体３１の傾倒角度が３０°よりも大きくなると第２の室３９へも空気が流入するが、これに限られることはなく、アイシングが生じやすい場合に、流通部４０にのみ空気を流入させ、低温時にアイシングを防止することができればよい。

圧力調整弁２４を設置する場合に、空気の流れ方向が水平方向となる場合には、弁体３１が鉛直方向の上側へ回動することが望ましい。つまり、流通部４０が鉛直方向の下側となるように圧力調整弁２４を配置することが望ましい。これにより、空気によって凝縮水をパージすることができ、低温時にハウジング３０内で凍結する凝縮水を低減することができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、圧力調整弁２４の弁体３１を球面部３１ａと平面部３１ｂとで形成する半球型とし、球面部３１ａをハウジング３０の内壁に摺接させて弁体３１をシャフト３５を中心に回動させる。また、弁体３１の下流側に、流通部４０と、空気の流れ方向と垂直な方向の断面面積が流通部４０よりも大きい第２の室３９と、を形成する整流部３２を備え、第２の室３９の内壁端は球面部３１ａと摺接する。そして、弁体３１の傾倒角度が３０°よりも小さい場合には、弁体３１によって第２の流路を閉塞し、流通部４０にのみ空気を流通させる。これにより、圧力調整弁２４の開度が小さい場合に、弁体３１を通過後の空気の急激な膨張を防止し、低温時に弁体３１の近傍における凝縮水の凍結を防止し、アイシングを防止することができる。また、弁体３１の傾倒角度が３０°よりも大きい場合には、流通部４０に加えて、第２の室３９にも空気を流すことで、流量を多くすることができる。

仕切り板３７によって、第１の室３８と第２の室３９とを形成することで、第２の室３９に空気が流れた場合でも、空気を整流し、弁体３１を通過後の空気の急激な膨張を防止することができる。

弁体３１を半球型とし、球面部３１ａをハウジング３０の内壁に摺接させて弁体３１を回動することで、圧力調整弁２４の開度にかかわらず、第１の室３８には空気の流入を防止することができ、空気の急激な膨張を防止し、低温時に弁体３１の近傍における凝縮水の凍結を防止し、アイシングを防止することができる。また、圧力調整弁２４の開度が小さい場合における、圧力調整弁２４の制御を容易に行うことができる。

バネ３３によって、整流部３２を弁体３１の方へ向けて付勢することで、整流部３２と弁体３１の球面部３１ａとの間に隙間を生じさせず、整流部３２と球面部３１ａとを密着させることができ、弁体３１の傾倒角度が小さい場合に、第１の室３８、第２の室３９への空気の流入を防ぐことができ、空気の急激な膨張を防止し、低温時に弁体３１の近傍における凝縮水の凍結を防止し、アイシングを防止することができる。

次に本発明の第２実施形態について図９を用いて説明する。ここでは、第１実施形態と異なる箇所について、詳しく説明する。この実施形態の圧力調圧弁５０は、弁体５１よりも上流側に第１の室３８への空気の流入を防止する遮断板５２を備え、弁体５１を第１実施形態の弁体３１の半分にした弁体とする。すなわち、弁体５１は１／４球体形状である。

弁体５１は、圧力調圧弁５０が全閉、すなわち弁体５１の傾倒角度が０°の場合には、平面部５１ａが空気の流れに対して垂直となり、平面部５１ｂが仕切り板３７と略平行となる。つまり、圧力調整弁５０を全閉とする場合に、遮断板５２と平面部５１ａとによって、圧力調圧弁５０を全閉とする。

そして、圧力調圧弁５０の開度が全開、すなわち弁体５１の傾倒角度が９０°の場合には、平面部５１ａが仕切り板３７と略平行となり、平面部５１ｂが空気の主な流れに対して垂直となる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、弁体５１の上流側に第１の室３８への空気の流入を防止する遮断板５２を備え、弁体５１を、１／４球体形状とする。これによって、弁体５１を小さくした場合でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に本発明の第３実施形態について図１０を用いて説明する。ここでは第１実施形態と異なる箇所について、詳しく説明する。この実施形態の圧力調圧弁６０は、半球型の一部を、平面部（以下、第１の平面部とする）６１ａに平行な面６１ｂ（以下、第２の平面部とする）でカットした形状の弁体６１を備える。つまり、弁体６１は、第１の平面部６１ａと第２の平面部６１ｂとによって、球面部６１ｃを挟んで構成される。

弁体６１は、アイシングが生じやすい傾倒角度よりも小さい傾倒角度の場合には、球面部６１ｃがハウジング３０の内壁と摺接して回動することで、第１の室３８を閉塞し、アイシングが生じやすい傾倒角度よりも大きい傾倒角度の場合には、第２の平面部６１ｂを設けることで、弁体６１とハウジング３０の内壁との間に隙間を生じさせ、弁体６０の上流側と第１の室３８とが連通し、第１の室３８に空気が流れる。

以上の構成によって、弁体６１の傾倒角度が比較的大きい場合には、第１の室３８へ空気を流すことができる。

圧力調圧弁６０の作用について、図１１、図１２を用いて説明する。図１１は、傾倒角度が３０°の場合の弁体６１を示す図である。図１２は傾倒角度が９０°の場合の弁体６１を示す図である。

弁体６１の傾倒角度が３０°となるまでは、弁体６１は球面部６１ｃがハウジング３０の内壁と摺接することで、弁体６１によって第１の室３８を閉塞し、連通部４０にのみ空気が流れる。

傾倒角度３０°よりも大きくなると、連通部４０に加えて、第２の室３９へ空気が流れる。また、ハウジング３０の内壁と弁体６１との間に隙間が生じ、第１の室３８へも空気が流れる。これによって、圧力調整弁６０の下流側へ流れる空気の流量を多くすることができる。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

弁体６１を第１の平面部６１ａと、第１の平面部６１ａと略平行な第２の平面部６１ｂと、球面部６１ｃと、によって構成し、第１の平面部６１ａと第２の平面部６１ｂとによって球面部６１ｃを挟持するように形成する。傾倒角度が３０°よりも小さい場合は、弁体６１によって、第１の室３８を閉塞し、傾倒角度が３０°よりも大きい場合には、ハウジング３０の内壁と弁体６１との間に隙間を生じさせる。これによって、弁体６１の傾倒角度が３０°よりも小さい場合には、流通部４０にのみ空気を流すことで、アイシングを防止することができ、傾倒角度が３０°よりも大きい場合には、流通部４０に加えて、第１の室３８、第２の室３９にも空気を流すことができ、圧力調整弁６０の下流側へ流れる空気の流量を多くすることができる。

次に本発明の第４実施形態について図１３を用いて説明する。図１３は、圧力調圧弁７０の開度が全開となった場合の圧力調整弁７０を、上流側から見た正面図である。

この実施形態では、弁体７１の傾倒角度が大きくなった場合に、第１の室３８もしくは第２の室３９へ空気を流入させる複数の連通孔（連通部）７２を弁体７１に設ける。

連通孔７２によって圧力調整弁７０と第１の室３８もしくは第２の室３９とが連通する傾倒角度は、アイシングが生じやすい傾倒角度よりも大きい角度であり、この実施形態では３０°とする。

本発明の第４実施形態の効果について説明する。

半球型の弁体７１に、連通孔７２を設けることで、弁体７１の傾倒角度が３０°よりも大きくなった場合には、連通孔７２によって、圧力調整弁７０の上流側と、第１の室３８もしくは第２の室３９と、を連通する。これによりアイシングが生じやすい傾倒角度３０°よりも大きい場合には、第１の室３８もしくは第２の室３９にも空気を流すことができ、圧力調整弁７０の下流側へ流れる空気の流量を多くすることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成図である。 本発明の第１実施形態の圧力調整弁の斜視図である。 本発明の第１実施形態の圧力調整弁の分解図である。 本発明の第１実施形態の整流部の断面図である。 本発明の第１実施形態の弁体の傾倒角度が０°の場合の圧力調整弁の断面図である。 本発明の第１実施形態の弁体の傾倒角度が３０°の場合の圧力調整弁の断面図である。 本発明の第１実施形態の弁体の傾倒角度が４５°の場合の圧力調整弁の断面図である。 本発明の第１実施形態の弁体の傾倒角度が９０°の場合の圧力調整弁の断面図である。 本発明の第２実施形態の圧力調整弁の断面図である。 本発明の第３実施形態の圧力調整弁の断面図である。 本発明の第３実施形態の弁体の傾倒角度が３０°の場合の圧力調整弁の断面図である。 本発明の第３実施形態の弁体の傾倒角度が９０°の場合の圧力調整弁の断面図である。 本発明の第４実施形態の圧力調整弁の正面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２４、５０、６０、７０ 圧力調整弁
３０ ハウジング
３１、５１、６１、７１ 弁体
３１ａ 球面部
３１ｂ、５１ａ 平面部（第１の平面部）
３２ 整流部
３２ａ 端部
３３ バネ（弾性体）
３８ 第１の室
３９ 第２の室（第２の流路）
４０ 流通部（第１の流路）
５２ 遮断板
６１ａ 第１の平面部
６１ｂ 第２の平面部
７２ 連通孔（連通部）

Claims (9)

1. 燃料電池内の圧力を調整する圧力調整弁において、
   前記燃料電池の配管と連結する円筒形のハウジング内でシャフトを中心に回動し、前記ハウジングの内周面と外形が略一致する第１の平面部と、前記第１の平面部の背面に形成され前記ハウジングの内壁に摺接する球面部と、から構成する弁体と、
   流体の流れ方向において前記弁体よりも下流側に位置し、前記ハウジングの内側に、前記流体が流れる第１の流路と、前記流体の流れ方向に垂直な方向の断面面積が前記第１の流路よりも広い第２の流路と、を分離して形成し、前記第２の流路の内壁端が前記球面部に摺接する整流部と、を備え、
   前記圧力調整弁が全閉の場合には、前記第１の平面部が前記流体の流れ方向に対して略垂直であり、
   前記圧力調整弁の開弁時に、前記圧力調整弁の全閉時からの前記弁体の傾倒角度が所定角度よりも小さい場合には、前記第２の流路の内壁端に前記球面部が当接して前記第２の流路を閉塞し、前記第１の流路にのみ前記流体が流入し、
   前記圧力調整弁の開弁時に、前記弁体の傾倒角度が前記所定角度よりも大きい場合には、前記第１の流路と前記第２の流路とに前記流体が流入することを特徴とする圧力調整弁。
2. 前記弁体は、前記シャフトの軸心を中心とする球面を有する半球体であることを特徴とする請求項１に記載の圧力調整弁。
3. 前記配管の一部を閉塞する閉塞板を備え、
   前記圧力調整弁が全閉の場合には、前記閉塞板と前記弁体の前記第１の平面部とによって前記配管を略閉塞することを特徴とする請求項１に記載の圧力調整弁。
4. 前記弁体は、前記第１の平面部と、前記第１の平面部と略平行な第２の平面部と、前記球面部と、によって構成することを特徴とする請求項１に記載の圧力調整弁。
5. 前記弁体は、前記弁体の傾倒角度が前記所定角度よりも大きい場合に、前記弁体の上流側と下流側との連通させる連通部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力調整弁。
6. 前記弁体は、内部に空洞部を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の圧力調整弁。
7. 前記整流部は、前記第２の流路を流れる前記流体を整流する整流板を備え、
   前記整流板は、前記球体部に摺接する端部が前記球面部と略同一形状であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の圧力調整弁。
8. 前記整流部を前記弁体の方へ付勢する弾性体を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の圧力調整弁。
9. 前記整流部は前記ハウジングよりも径が小さい略円筒形状であり、
   前記第１の流路は、前記ハウジングと、前記整流部と、の略環状間隙によって形成されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の圧力調整弁。

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