JP2009133400A - インジェクタ及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の減少に供することができ、弁体の可動時の傾きを抑制できるインジェクタ及び燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】インジェクタ２５は、弁座５１に対して進退する弁体５２と、弁体５２を内部に収容するインジェクタボディ５０とを備える。弁体５２は、その進退方向に延在する側面５２ｄを有し、インジェクタボディ５０の内部には、弁体５２の側面５２ｄに対向する位置にガイド部８１，８２が設けられる。ガイド部８１，８２は、弁体５２が進退方向に対し傾いて可動した場合に弁体５２の側面５２ｄに面接触するように形成され、且つ、弁体５２が進退方向と平行に可動した場合に弁体５２の側面５２ｄに非接触となるように形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス等の流体を噴射するインジェクタと、このインジェクタを備えた燃料電池システムに関する。

例えば自動車などに搭載される燃料電池システムには、燃料ガス等の反応ガスを燃料電池に供給するためのガス供給系が設けられている。このようなガス供給系には、燃料電池への反応ガスの供給流路を制御するインジェクタが用いられることがある。

インジェクタは、例えば油圧や電磁力などの外力を用いて、弁座に対して弁体を進退させ、弁座の噴出孔を開閉するものである（例えば特許文献１及び２参照。）。弁体が進退方向に可動する際に傾くと、例えば弁体と弁座との接触位置がずれて、噴出孔からのガスの供給や停止、流量制御等が適正に行われなくおそれがある。

そこで、例えば特許文献１では、弁体の側面（周縁部）とインジェクタボディの内壁面との間には板ばねを取り付け、弁体の可動時のブレを抑制するようにしている。また、特許文献２に記載のスプール型の電磁弁の場合には、弁体の筒状外周面をバルブガイドの筒状内周面に摺動させることで、弁体を進退方向に誘導するようにしている。
特開２００３−３０２５６３号公報

しかし、特許文献１では、板ばねを弁体やインジェクタボディの内壁面に固定する必要があるため、部品点数が増加してしまう。また、板ばねを用いたとしても、弁体が傾いてインジェクタボディの内面をかじり、損傷する場合がある。一方、特許文献２のように弁体をバルブガイドに常に接触させながら可動させる方法では、可動時の抵抗が大きい上、特許文献１と同様に部品点数が増加してしまう。

本発明は、部品点数の減少に供することができ、弁体の可動時の傾きを抑制できるインジェクタ及び燃料電池システムを提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明のインジェクタは、弁座に対して進退する弁体と、弁体を内部に収容するインジェクタボディとを備え、弁体は、その進退方向に延在する側面を有し、インジェクタボディの内部には、弁体の側面に対向する位置にガイド部が設けられる。そして、ガイド部は、弁体が進退方向に対し傾いて可動した場合に弁体の側面に面接触するように形成され、且つ、弁体が進退方向と平行に可動した場合に弁体の側面に非接触となるように形成される。

本発明によれば、弁体が可動時に傾いた場合には、弁体の側面にガイド部が面接触するので、弁体の傾きを抑制することができる。また、この際に面接触することから、点接触の場合に比べて、接触面圧を下げることができ、弁体の側面及びガイド部の磨耗を抑制することができる。さらに、弁体が可動時に傾かない場合には、弁体の側面とガイド部とは接触しないことから、可動時の抵抗を低減できるともに、両者の磨耗を抑制することができる。このように、本発明によれば、従来の板ばねやバルブガイドを設けなくて済むので、部品点数を削減することも可能となる。

好ましくは、ガイド部は傾斜面を有し、傾斜面は、弁体が進退方向に対し傾いて可動した場合に、弁体の傾きに対応するようにその側面に面接触するとよい。これにより、簡易な構成で弁体の傾きを抑制することができる。

好ましくは、弁体は、その進退方向の一端に、弁座に当接する当接部を有し、ガイド部は、弁体の側面のうち、少なくとも進退方向の他端側の側面に対向するとよい。この構成によれば、弁体が傾いた際に、ガイド部が当接部から比較的離れた弁体の部位に面接触することができる。これにより、ガイド部が弁体の当接部の近傍に面接触する場合に比べて、弁体の傾きを効果的に抑制することができる。

別の好ましい一態様によれば、ガイド部は、進退方向において複数の箇所に互いに離間して設けられるとよい。こうすることで、弁体の傾きを進退方向の複数箇所で抑制することができる。

より好ましくは、互いに離間するガイド部とガイド部との間は、弁体の側面に対し凹部であるとよい。この構成によれば、弁体の側面がガイド部以外の位置でインジェクタボディに接触することを回避できる。

また別の好ましい一態様によれば、ガイド部は、進退方向において二箇所に互いに離間して設けられた第１のガイド部と第２のガイド部とからなり、第１のガイド部は、進退方向の一方から他方にかけて第１の傾斜面を有し、第２のガイド部は、進退方向の他方から一方にかけて第１の傾斜面と同じ傾斜角度の第２の傾斜面を有するとよい。

好ましくは、ガイド部は、弁体の側面を周方向に亘って囲繞するように、環状に形成されるとよい。

好ましい別の態様によれば、インジェクタは、弁体の側面とインジェクタボディとの間に板ばねをさらに備えてもよく、その場合には、板ばねは弁体の当接部側の側面を支持するとよい。この構成によれば、部品点数は増えるものの、弁体の傾きが板ばねによってより一層抑制でき、仮に弁体が傾いたとしても、板ばねから比較的離れた弁体の部位にガイド部を面接触させることができるので、弁体の傾きを効果的に抑制できる。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、上記した本発明のインジェクタを用いて、燃料電池に反応ガスを供給するものである。

以上説明した本発明のインジェクタ及び燃料電池システムによれば、部品点数の減少に供することができ、弁体の可動時の傾きを抑制できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るインジェクタを燃料電池システムに用いた例を説明する。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸素ガス配管系３、燃料ガス配管系４及び制御装置６を備える。燃料電池システム１は、車両に搭載することができるが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。酸化ガスとは、酸素や空気を代表とする酸化剤を含有するガスであり、燃料ガスとは、水素を含むガスである。酸化ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称されることがある。以下では、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。燃料電池２は、酸素ガス及び燃料ガスの供給を受けて電力を発生する。また、この電気化学反応によって、燃料電池２の空気極側には水が生成される。燃料電池２への酸素ガス及び燃料ガスの給排は、酸素ガス配管系３及び燃料ガス配管系４によりなされる。なお、燃料電池２の種類は固体高分子電解質型に限られない。

酸素ガス配管系３は、加湿器１１、供給流路１２、排出流路１３、排気流路１４及びコンプレッサ１５を有する。コンプレッサ１５は、供給流路１２の上流端に設けられる。コンプレッサ１５により取り込まれた大気中の空気は、加湿器１１により加湿されて燃料電池２に圧送される。酸素オフガスは、燃料電池２から排出流路１３に排出され、加湿器１１に導入されて酸化ガスとの水分交換に供される。その後、酸化オフガスは、図示省略したマフラー等を経て、排気流路１４からシステム外の大気中に排出される。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１、供給流路２２、循環流路２３、ポンプ２４及びインジェクタ２５を有する。水素供給源２１は、水素ガスを高圧で貯蔵する高圧タンクであるが、この他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。インジェクタ２５は、供給流路２２に設けられ、水素ガスを燃料電池２に向けて噴射する。インジェクタ２５の構成については後述する。

水素ガスは、元弁３１を開くことで水素供給源２１から供給流路２２に流出し、調圧弁３２で減圧された後、インジェクタ２５を経て燃料電池２に供給される。その後、水素ガスは、燃料電池２内で発電に供された後、水素オフガスとして循環流路２３に排出される。水素オフガスは、循環流路２３と供給流路２２との合流点Ａにポンプ２４によって戻され、再び燃料電池２に供給される。また、水素オフガスの一部は、パージ弁３６の適宜の開弁により、循環流路２３からパージ路３５へと排出され、図示省略した水素希釈器を経て外部に排出される。

制御装置６は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ２５の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置６は、図示省略した圧力センサ等の各種センサからの信号を入力され、各センサ信号に基づき各構成要素（コンプレッサ１５、ポンプ２４、インジェクタ２５、遮断弁３１、パージ弁３６など）に制御信号を出力することで、燃料電池システム１を統括制御する。

次に、図２を参照して、インジェクタ２５の構成について詳述する。図２は、インジェクタ２５の構成の概略を示す縦断面図である。

インジェクタ２５は、例えば電磁駆動式の開閉弁であり、例えばデューティ制御により、燃料電池２への水素ガスの供給流量及び供給圧力を高精度に調整する。インジェクタ２５は、略円筒状のインジェクタボディ５０を有する。インジェクタボディ５０は、図示省略したが、二以上の構成部材を組みつけてなるものであり、インジェクタ２５の外郭を構成する。インジェクタボディ５０の内部には、弁座５１、弁体５２、流路形成ボディ５３、ソレノイド５４及びストッパ５５等が収容される。また、インジェクタボディ５０の内部は、供給流路２２の一部を構成しており、インジェクタボディ５０の軸方向（図２の上下方向）の両側が供給流路２２に接続される。

弁座５１は、インジェクタボディ５０の軸心上に、水素ガスを下流側に向かって噴出する噴出孔５１ａを有する。噴出孔５１ａは、弁体５２に対向する面に開口し、インジェクタボディ５０によって画成される内部の流路空間５７に連通する。流路空間５７には、水素ガスが流れるようになっていると共に、弁体５２及びストッパ５５等が収容される。

弁体５２は、比較的径の大きい下流部５２ａと、比較的径の小さい上流部５２ｂと、下流部５２ａと上流部５２ｂとの間でこれらよりも外方に突出するフランジ部５２ｃと、を有する。下流部５２ａ、上流部５２ｂ及びフランジ部５２ｃは、磁性材料により例えば一体に形成される。フランジ部５２ｃの端面は、インジェクタ２５の開弁時に、ストッパ５５の端面５５ａに面接触する。

下流部５２ａは、弁座５１に対向する面にシール部材６０が装着されると共に、内部に斜めのガス流路６１が貫通形成される。シール部材６０は、弁体５２よりも弾力性のある材料からなり、弁体５２の当接部を構成する。すなわち、シール部材６０は、インジェクタ２５の閉弁時に、弁座５１に当接して噴射口５１ａを閉塞する。なお、シール部材６０を弁体５２ではなく弁座５１に設けた場合には、閉弁時にシール部材に接触する下流部５２ａの部位が当接部となる。ガス流路６１は、一端が流路空間５７に連通し、他端が上流部５２ｂ内のガス流路６２に連通する。

上流部５２ｂは、円柱状に形成され、その中心軸にガス流路６２を有する。ガス流路６２の一端は、上流部５２の端面において流路形成ボディ５３側に向かって開口し、ガス流路６２の他端は、ガス流路６１に連通する。ガス流路６２内には、コイルバネ６７の半部が挿入されている。コイルバネ６７は、インジェクタ２５の軸線上に配置されており、残りの半部は、流路形成部材５３内に挿入されている。コイルバネ６７は、一端が流路形成部材５３内の係止部６８に係止され且つ他端がガス流路６２の終端に係止されている。コイルバネ６７によって、弁体５２は弁座５１側へと常時付勢される。また、上流部５２ｂの側面５２ｄは、円柱の周面であり、インジェクタボディ５０の内周面５０ａ及びストッパ５５の内周面５５ｂに対しクリアランスを存してこれらに対向している。

流路形成ボディ５３は、例えば略円柱状に形成され、インジェクタボディ５０に対して固定されている。流路形成ボディ５３の中心軸には、上記の係止部６８が設けられたガス流路６６が貫通形成されている。ガス流路６６は、ガス流路６２と同軸に形成されており、一端側から供給流路２２の水素ガスが流入され、他端側がインジェクタ５０内の流路空間５７に開口する。水素ガスは、ガス流路６６から流路空間５７及びガス流路６２へと流通するようになっている。

ソレノイド５４は、流路形成ボディ５３とインジェクタボディ５０との間に設けられ、図示省略した配線を介して制御装置６に接続される。制御装置６からの制御信号によってソレノイド５４の通電及び解除が行われることで、弁体５２は、軸方向（図２中の矢印方向であり、以下、「進退方向」と称する。）に移動し、弁座５１に対して進退する。具体的には、ソレノイド５４が通電すると、弁体５２が弁座５１から退避し、インジェクタ２５が開弁する。このとき、弁体５２の移動がストッパ５５によって止められる。一方、ソレノイド５４への通電が解除されると、コイルバネ６７によって弁体５２が弁座５１に向かって進出してこれに当接し、インジェクタ２５が閉弁する。

次に、図３及び図４を参照して、弁体５２の傾きを抑制する構造について詳述する。図３は、弁体５２が図２において右回りに角度θ_bだけ傾いたときの拡大断面図であり、図４は、弁体５２が図２において左回りに角度θ_bだけ傾いたときの拡大断面図である。

図３及び図４に示すように、弁体５２の側面５２ｄに対向する位置に二つのガイド突起８１，８２が設けられている。ガイド突起８１，８２は、弁体５２の進退方向に離間して位置しており、それぞれ、内周面５０ａ，５５ｂに環状に形成され、弁体５２の側面５２ｄを周方向に亘って囲繞する。また、ガイド突起８１，８２は、それぞれ、内周面５０ａ，５５ｂの平坦面よりも内側に突出している。このため、ガイド突起８１，８２間の部位（インジェクタボディ５０とストッパ５５の内周側の部位）は、弁体５２の側面５２ｄに対し凹部となっている。

ガイド突起８１，８２の位置は、これらが弁体５２の側面５２ｄに対向する位置であれば特に限定されるものではない。ただし、本実施形態のように、一方のガイド突起８１の位置を上流部５２ｂの端面の近傍に設定し、他方のガイド突起８２の位置を上流部５２ｂの端面から離れた位置に設定するとよい。

ガイド突起８１、８２は、弁体５２が進退方向と平行に移動する場合、その側面５２ｄに対しクリアランスを存して対向し続ける。すなわち、ガイド突起８１、８２は、弁体５２が傾いていない場合には側面５２ｄに非接触となるように形成されている。一方、ガイド突起８１、８２は、弁体５２が進退方向に対して傾いて移動する場合、その側面５２ｄに面接触可能に形成されている。

具体的には、ガイド突起８１は、緩やかな傾斜面９１と、急な傾斜面９２と、傾斜面９１と傾斜面９２との間を連ねる平坦面９３と、で構成されている。同様に、ガイド突起８２は、緩やかな傾斜面１０１と、急な傾斜面１０２と、傾斜面１０１と傾斜面１０２との間を連ねる平坦面１０３と、で構成されている。ガイド突起８１，８２は、互いに異なる形状としてもよいが、ここでは線対称の形状となっている。

緩やかな傾斜面９１，１０１は、いずれも、進行方向に対する傾斜角度が角度θ_aとなっている。また、この角度θ_aは、設計上予想される弁体５２の傾き角度θ_bと同じである。緩やかな傾斜面９１，１０１は、それぞれ進退方向の一方及び他方から平坦面９３，１０３に向かって延在しており、その長さは、急な傾斜面９２，１０２よりも長くなっている。急な傾斜面９２，１０２は、ガイド突起８１，８２間の凹部の内壁面を画定する。

以上説明したように、本実施形態のインジェクタ２５によれば、弁体５２が移動時に傾いた場合には、側面５２ｄが傾斜面９１及び傾斜面１０１の少なくとも一つに面接触し得る。これにより、弁体５２の傾きを抑制することができる。また、傾斜面９１，１０１が進退方向に離間して設けられているので、弁体５２が進退方向のどの位置から移動して傾いたとしても、その傾きを傾斜面９１及び傾斜面１０１の少なくともいずれか一方によって抑制することができる。特に、弁体５２の当接部（シール部材６０）から比較的離れた部位に傾斜面９１を面接触させることができるので、弁体５２の傾きを効果的に抑制できる。

また、弁体５２の傾きを抑制する際の接触が面接触であるため、点接触の場合に比べて、接触面圧を下げることができる。これにより、側面５２ｄ及び傾斜面９１，１０１の磨耗を抑制することができる。さらに、ガイド突起８１，８２間が側面５２ｄに対し凹部となっているため、弁体５２が傾いた際に側面５２ｄがガイド突起８１，８２間の面に接触することを回避できる。

加えて、ガイド突起８１，８２は、インジェクタボディ５０の内周面５０ａ及びストッパ５５の内周面５５ｂに形成することができるので、部品点数を増加させることなく、弁体５２の傾きを抑制できる。また、弁体５２が移動時に傾かない場合には、側面５２ｄとガイド突起８１，８２との接触を避けることができる。これにより、弁体５２の移動時の抵抗を低減でき、両者の接触による磨耗を抑制することができる。

他の実施態様によれば、ガイド突起８２をインジェクタボディ５０の内周面５０ａに形成してもよい。要するに、ガイド突起はインジェクタボディ５０の内部に設けられていればよく、インジェクタボディ５０と一体であってもよいし別体であってもよい。また、ガイド突起の数は上記の二つに限られるものではなく、三以上の複数として、ガイド突起を進退方向に断続的に設けてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、図５を参照して、第２実施形態に係るインジェクタ１２５について相違点を説明する。第１実施形態との相違点は、板ばね１２０を用いたことと、ガイド突起８２を省略したことである。なお、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

板ばね１２０は、弁体５２の側面５２ｄとインジェクタボディ５０との間に設けられる。板ばね１２０は、円板形状に形成され、外周縁部１２１をインジェクタボディ５０に保持される。板ばね１２０の内周縁部１２２は、弁体５２の下流部５２ａの側面に取り付けられている。このような構成により、板ばね１２０は、弁体５２の上流部５２ｂ側の側面５２ｄよりも、弁体５２の当接部（シール部材６０）側の側面を支持する。第１実施形態におけるガイド突起８１，８２のうち、板ばね１２０に近い方のガイド突起８２が省略されている。ガイド突起８１の形状は、第１実施形態と同じである。

本実施形態のインジェクタ１２５によれば、板ばね１２０を設けている分、部品点数は増えるものの、弁体５２の傾き（ブレ）を板ばね１２０によって抑制することができる。また、仮に弁体５２が傾いたとしても、板ばね１２０から比較的離れた弁体５２の部位にガイド突起８１（の傾斜面９１）が面接触できるので、弁体５２の傾きを効果的に抑制できる。

なお、以上説明した第１及び第２実施形態では、弁体５２ではなく、インジェクタボディ５０内にガイド突起を設ける構成について説明したが、これに代えてあるいはこれに加えて、弁体５２の側面５２ｄにガイド部を設けてもよい。

以上の実施形態では、燃料電池システム１において燃料ガス配管系４に設けられるインジェクタ２５を例に説明したが、燃料電池システムに設けられる他のインジェクタに、本発明を適用してもよい。例えば、本発明に係るインジェクタを酸素ガス配管系３に設けてもよい。また、本発明にかかるインジェクタは、ガスを噴出するもののみならず、液体を噴出するものにも適用することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 第１実施形態に係るインジェクタの要部を示す断面図である。 第１実施形態に係るインジェクタの弁体が傾いたときの、図２のＩＩＩで囲まれた領域の部分拡大図である。 第１実施形態に係るインジェクタの弁体が傾いたときの、図２のＩＶで囲まれた領域の部分拡大図である。 第２実施形態に係るインジェクタの要部を示す断面図である。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、２５：インジェクタ、５０：インジェクタボディ、５１：弁座、５２：弁体、５２ｄ：側面、８１，８２：ガイド突起（ガイド部）、９１，１０１：傾斜面、１２５：インジェクタ

Claims (9)

1. 弁座に対して進退する弁体と、前記弁体を内部に収容するインジェクタボディと、を備えたインジェクタにおいて、
   前記弁体は、その進退方向に延在する側面を有し、
   前記インジェクタボディの内部には、前記弁体の側面に対向する位置にガイド部が設けられ、
   前記ガイド部は、前記弁体が進退方向に対し傾いて可動した場合に当該弁体の側面に面接触するように形成され、且つ、前記弁体が進退方向と平行に可動した場合に当該弁体の側面に非接触となるように形成されている、インジェクタ。
2. 前記ガイド部は、前記弁体が進退方向に対し傾いて可動した場合に、当該弁体の傾きに対応するように前記側面に面接触する傾斜面を有する、請求項１に記載のインジェクタ。
3. 前記弁体は、その進退方向の一端に、前記弁座に当接する当接部を有しており、
   前記ガイド部は、前記弁体の側面のうち、少なくとも進退方向の他端側の側面に対向する、請求項１又は２に記載のインジェクタ。
4. 前記ガイド部は、前記進退方向において複数の箇所に互いに離間して設けられている、請求項１又は２に記載のインジェクタ。
5. 互いに離間する前記ガイド部間は、前記弁体の側面に対し凹部となっている、請求項４に記載のインジェクタ。
6. 前記ガイド部は、前記進退方向において二箇所に互いに離間して設けられた第１のガイド部と第２のガイド部とからなり、
   前記第１のガイド部は、前記進退方向の一方から他方にかけて第１の傾斜面を有し、
   前記第２のガイド部は、前記進退方向の他方から一方にかけて前記第１の傾斜面と同じ傾斜角度の第２の傾斜面を有する、請求項１又は２に記載のインジェクタ。
7. 前記ガイド部は、前記弁体の側面を周方向に亘って囲繞するように、環状に形成されている、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のインジェクタ。
8. 前記弁体の側面と前記インジェクタボディとの間には、板ばねが設けられており、
   前記板ばねは、前記弁体の当接部側の側面を支持する、請求項３に記載のインジェクタ。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載のインジェクタを用いて、燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池システム。

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