JP2009236246A

JP2009236246A - 開閉弁

Info

Publication number: JP2009236246A
Application number: JP2008084766A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Naganuma; 良明長沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】開閉弁に関し、２系統の流体通路を同時に開閉することのできる簡素な構造とする。
【解決手段】上流側エア供給管３６に接続される第１入口ポート４と、下流側エア供給管３８に接続される第１出口ポート６との連通部に、第１弁体２０が着座する第１弁座１８を設ける。また、上流側エア排気管４２に接続される第２入口ポート１０と、下流側エア排気管４０に接続される第２出口ポート８との連通部に、第２弁体２４が着座する第２弁座２２を設ける。第１弁体２０と第２弁体２４とを弁軸２６，２８によって連結し、弁軸２６，２８をダイヤフラム１６に固定する。圧力室１２に導入するパイロット圧によってダイヤフラム１６を弁軸２６，２８の軸方向へ往復動させることで、第１弁体２０を第１弁座１８に対して離着座させ、それと同時に第２弁体２４を第２弁座２２に対して離着座させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、２系統の流体通路を同時に開閉する開閉弁に関し、特に、燃料電池システムのエア供給通路とエア排気通路の開閉に用いて好適な開閉弁に関する。

燃料電池システムには、燃料電池の運転に必要な流体を流通させるための流体通路が複数設けられている。それら流体通路の１つが燃料電池にエアを供給するためのエア供給通路であり、別の１つが燃料電池からエアを排気するためのエア排気通路である。エア供給通路の上流側はエアコンプレッサに接続され、その下流側は燃料電池のカソード入口に接続されている。また、エア排気通路の上流側は燃料電池のカソード出口に接続され、その下流側は排気口に接続されている。

燃料電池システムの流体通路には、以下の特許文献に開示されているような種々の弁装置が取り付けられている。エア供給通路やエア排気通路にも弁装置は取り付けられている。その１つがエア供給通路を開閉する開閉弁であり、別の１つがエア排気通路を開閉する開閉弁である。これらの開閉弁は燃料電池の運転中は開弁しており、燃料電池へのエアの供給や燃料電池からのエアの排出を可能にしている。一方、燃料電池の停止時には閉弁して、停止中における燃料電池と系外とのエアの流通を遮断している。
特開２００４−１８３７０６号公報特開２００４−１８５８７２号公報

燃料電池システムには、その実用化にあたって、さらなるコンパクト化が求められている。そのためには、弁装置を含む補器の数の削減やその構造の簡素化が重要になる。上記の開閉弁に関して言えば、エア供給通路とエア排気通路のそれぞれに開閉弁を設けるのではなく、これら２系統の流体通路を１つの開閉弁で同時に開閉できるようにすれば、システムをよりコンパクト化することができる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、２系統の流体通路を同時に開閉することのできる簡素な構造の開閉弁を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、第１の流体通路と第２の流体通路とを同時に開閉する開閉弁であって、
前記第１の流体通路の上流側に接続される第１入口ポートと、
前記第１の流体通路の下流側に接続される第１出口ポートと、
前記第１入口ポートと前記第１出口ポートとの連通部に設けられた第１弁座と、
前記第１弁座に着座する、前記第１弁座に対して前記第１出口ポート側に配置された第１弁体と、
前記第２の流体通路の上流側に接続される第２入口ポートと、
前記第２の流体通路の下流側に接続される出口ポートであって、前記第２入口ポートに対して前記第１出口ポートが前記第１入口ポートに対して設けられる側と同側に設けられた第２出口ポートと、
前記第２入口ポートと前記第２出口ポートとの連通部に設けられた第２弁座と、
前記第２弁座に着座する、前記第２弁座に対して前記第２出口ポート側に配置された第２弁体と、
前記第１弁体と第２弁体とを連結する弁軸と、
パイロット圧が導入される圧力室と、
前記圧力室の一部を形成するダイヤフラムであって、前記弁軸が固定され、前記弁軸の軸方向への往復動によって前記第１弁体及び前記第２弁体をそれぞれ前記第１弁座或いは前記第２弁座に対して離着座させるダイヤフラムと、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記圧力室を挟んで前記第１弁体と前記第２弁体とが配置され、前記第１弁体は前記ダイヤフラムの復動側に取り付けられ、前記第２弁体は前記ダイヤフラムの往動側に取り付けられていることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記圧力室には、前記第１の流体通路の上流側の圧力がパイロット圧として導入されることを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記第１の流体通路の下流側は前記第１の流体通路内の流体を消費する消費源に接続されている開閉弁であって、
前記第１弁体に取り付けられ、前記第１出口ポート内を区画して大気圧室を形成するベロフラムをさらに備えることを特徴としている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記第１の流体通路の上流側はエアコンプレッサに接続され、
前記第１の流体通路の下流側は燃料電池のカソード入口に接続され、
前記第２の流体通路の上流側は燃料電池のカソード出口に接続され、
前記第２の流体通路の下流側は排気口に接続されている開閉弁であることを特徴としている。

第１の発明は、第１弁体と第２弁体とを弁軸によって機械的に連結して、それらを共通のダイヤフラムによって駆動するという簡素な構造を採用している。この構造によれば、圧力室に供給するパイロット圧によって第１弁体と第２弁体とを同時駆動し、２系統の流体通路を同時に開閉することができる。

第２の発明によれば、第１弁体と第２弁体との間に圧力室を配置することで弁全体をコンパクトにすることができる。

第３の発明によれば、第１の流体通路の上流側に圧力をかけることで、２系統の流体通路を同時に開くことができる。

第４の発明によれば、第１弁体の閉弁時には第１の流体通路の下流側の流体が消費源によって消費されることで第１出口ポートには負圧が作用する。この負圧と大気圧室内の大気圧との圧力差によってベロフラムが膨張することで、第１弁体は第１弁座に押しつけられる。これにより、第１弁体と第１弁座との間の流体の封止を確実にすることができる。

第５の発明によれば、燃料電池のカソード入口と出口を同時に開閉することができる。特に、第３の発明との組み合わせの場合には、エアコンプレッサを起動することによって燃料電池のカソード入口と出口を同時に開くことができる。また、第４の発明との組み合わせの場合には、第１弁体の閉弁時に燃料電池を運転して第１の流体通路内の酸素を消費することで、第１出口ポートに負圧を発生させ、それにより第１弁体と第１弁座との間のエア封止を確実にすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１〜図３は、本発明の実施の形態としての開閉弁について示すものであり、本実施の形態では、本発明の開閉弁を燃料電池システムのエア供給通路及びエア排気通路用の開閉弁として構成している。まず、本実施の形態の開閉弁の構造について図１及び図２を用いて説明する。

図１は本実施の形態の開閉弁の構成を示す断面図である。この開閉弁のバルブボディ２には、２つの入口ポート４，１０と２つの出口ポート６，８とが設けられている。このうちバルブボディ２の両外側には第１入口ポート４と第２出口ポート１０とが設けられている。バルブボディ２内の第１入口ポート４の内側にはそれに対応する第１出口ポート６が設けられ、第２出口ポート１０の内側にはそれに対応する第２入出口ポート８が設けられている。第１入口ポート４には、エアコンプレッサ（図示略）を始点とする上流側エア供給管３６が接続されている。第１出口ポート６には、燃料電池（図示略）のカソード入口を終点とする下流側エア供給管３８が接続されている。また、第２入口ポート８には、燃料電池のカソード出口を始点とする上流側エア排気管４０が接続されている。第２出口ポート１０には、排気口を終点とする下流側エア排気管４２が接続されている。

第１入口ポート４と第１出口ポート６とを連通させる連通部には第１弁座１８が形成されている。この第１弁座１８に着座する第１弁体２０は、第１弁座１８に対して第１出口ポート６側に配置されている。また、第２入口ポート８と第２出口ポート１０とを連通させる連通部には第２弁座２２が形成されている。この第２弁座２２に着座する第２弁体２４は、第２弁座２２に対して第２出口ポート１０側に配置されている。本実施の形態の開閉弁によれば、第１弁座１８に対して第１弁体２０を離着座させることでエア供給管３６，３８を開閉することができ、第２弁座２２に対して第２弁体２４を離着座させることでエア排気管４０，４２を開閉することができる。

第１弁体２０と第２弁体２４とは弁軸２６，２８によって連結されている。弁軸２６，２８は、第１弁体２０に接合された第１弁軸２６と、第１弁軸２６の端部と第２弁体２４とに接合された第２弁軸２８とから構成されている。第１弁軸２６が貫通する第１出口ポート６の壁面にはシール５０が設けられ、第２弁軸２８が貫通する第２入口ポート８の壁面にもシール５２が設けられている。なお、第２弁軸２８には、弁軸２６，２８の寸法公差を吸収するための構造が設けられている。図２に示す構造がそれである。この図に示すように、第２弁軸２８は、入れ子に形成された２つの軸部材２８ａ，２８ｂと、それらを連結する引っ張りバネ２８ｃとから構成されている。軸部材２８ａは軸部材２８ｂ内で僅かにスライドできるようになっている。

第１弁軸２６と第２弁軸２８との間にはダイヤフラム１６が挟まれて固定されている。ダイヤフラム１６は、第１出口ポート６と第２入口ポート８との間に設けられた空間を２つの部屋１２，１４に区画している。そのうちの一方の部屋１２はバルブボディ２の外部からパイロット管４４が接続された圧力室であり、他方の部屋１４はバルブボディ２の外部から大気導入管４６が接続された大気圧室である。大気圧室１４内には、ダイヤフラム１６を圧力室１２の側に弱い力で付勢するバネ３４が設けられている。なお、図示は省略するが、パイロット管４４は上流側エア供給管３６に接続されている。つまり、圧力室１４には、上流側エア供給管３６内のエアの圧力がパイロット圧として導入される。

第１弁体２０の背面（第１弁軸２６側の面）には、ベロフラム３０が取り付けられている。ベロフラム３０は、その外周部を第１出口ポート６の壁面に固定され、第１出口ポート６内に独立した部屋３２を形成している。この部屋３２はバルブボディ２の外部から大気導入管４８が接続された大気圧室になっている。

次に、本実施の形態の開閉弁の動作について図１及び図３を用いて説明する。図３は図１と同じく本実施の形態の開閉弁の構成を示す断面図であるが、この図は開閉弁の開状態を示している。一方、図１は開閉弁の閉状態を示している。

燃料電池が運転されていないとき、開閉弁は図１のように閉状態になっている。燃料電池の運転開始時には、この状態からエアコンプレッサが起動される。エアコンプレッサを起動すると、上流側エア供給管３６内のエアが昇圧されることで、第１弁体２０の表面（第１入口ポート４に臨む面）に作用する圧力は増大する。第１入口ポート４と第１出口ポート６との圧力差は、第１弁体２０を開弁方向に運動させる力として作用する。また、パイロット管４４は上流側エア供給管３６から分岐していることから、圧力室１２内のパイロット圧も増大する。ダイヤフラム１６を挟んで隣接する２つの部屋１２，１４の圧力差は、ダイヤフラム１６を大気圧室１４側に運動させる力として作用する。これらの力によって弁軸２６，２８がその軸方向に移動することで、第１弁体２０が第１弁座１８から離座すると同時に第２弁体２４も第２弁座２２から離座する。これにより、図３に示すように、上流側エア供給管３６と下流側エア供給管３８とが連通し、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）から燃料電池のカソード入口（ＣＡ入口）へのエアの供給が可能になる。それと同時に、上流側エア排気管４０と下流側エア排気管４２とが連通し、燃料電池のカソード出口（ＣＡ出口）から排気口へのエアの排気も可能になる。

一方、燃料電池の運転の停止時には、まず、エアコンプレッサが停止される。エアコンプレッサの停止によって圧力室１２内のパイロット圧は大気圧まで低下する。ダイヤフラム１６を挟んで隣接する２つの部屋１２，１４の圧力差が無くなることで、ダイヤフラム１６はバネ３４の付勢力によって元の位置まで戻される。ダイヤフラム１６とともに弁軸２６，２８も移動することで、第１弁体２０が第１弁座１８に着座すると同時に第２弁体２４も第２弁座２２に着座する。これにより、図１に示すように、上流側エア供給管３６と下流側エア供給管３８とは遮断され、それと同時に、上流側エア排気管４０と下流側エア排気管４２とは遮断される。

次に、開閉弁が閉じられた状態にて電流の掃引が行われる。電流を掃引することで、下流側エア供給管３８内の酸素は燃料電池によって消費され、第１出口ポート６には負圧が発生する。この負圧と大気圧室３２内の大気圧との圧力差によってベロフラム３０が膨張することで、第１弁体２０は第１弁座１８に強く押しつけられる。これにより、第１弁体２０と第１弁座１８との間のエア封止は確実に行われる。一方、第２弁体２４には下流側エア排気管４２内の大気圧と上流側エア排気管４０内の負圧との圧力差が作用し、この圧力差によって第２弁体２４は第２弁座２２に強く押しつけられる。これにより、第２弁体２４と第２弁座２２との間のエア封止も確実に行われる。

以上説明したように、本実施の形態の開閉弁は、第１弁体２０と第２弁体２４とを弁軸２６，２８によって機械的に連結して、それらを共通のダイヤフラム１６によって駆動するという簡素な構造を採用している。この構造によれば、圧力室１２に供給するパイロット圧によって第１弁体２０と第２弁体２４とを同時駆動し、２系統の流体通路を同時に開閉することができる。また、上流側エア供給管３６内の圧力をパイロット圧として用いたことにより、エアコンプレッサの起動をトリガとして燃料電池のカソード入口と出口を同時に開くことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の実施の形態としての開閉弁の構成と、その閉状態を示す断面図である。図１に示す開閉弁の第２弁軸の詳細な構成を示す図である。本発明の実施の形態としての開閉弁の構成と、その開状態を示す断面図である。

符号の説明

２バルブボディ
４第１入口ポート
６第１出口ポート
８第２入口ポート
１０第２出口ポート
１２圧力室
１４大気圧室
１６ダイヤフラム
１８第１弁座
２０第１弁体
２２第２弁座
２４第２弁体
２６第１弁軸
２８第２弁軸
３０ベロフラム
３２大気圧室
３４バネ
３６上流側エア供給管
３８下流側エア供給管
４０上流側エア排気管
４２下流側エア排気管
４４パイロット管
４６，４８大気導入管
５０，５２シール

Claims

第１の流体通路と第２の流体通路とを同時に開閉する開閉弁であって、
前記第１の流体通路の上流側に接続される第１入口ポートと、
前記第１の流体通路の下流側に接続される第１出口ポートと、
前記第１入口ポートと前記第１出口ポートとの連通部に設けられた第１弁座と、
前記第１弁座に着座する、前記第１弁座に対して前記第１出口ポート側に配置された第１弁体と、
前記第２の流体通路の上流側に接続される第２入口ポートと、
前記第２の流体通路の下流側に接続される出口ポートであって、前記第２入口ポートに対して前記第１出口ポートが前記第１入口ポートに対して設けられる側と同側に設けられた第２出口ポートと、
前記第２入口ポートと前記第２出口ポートとの連通部に設けられた第２弁座と、
前記第２弁座に着座する、前記第２弁座に対して前記第２出口ポート側に配置された第２弁体と、
前記第１弁体と第２弁体とを連結する弁軸と、
パイロット圧が導入される圧力室と、
前記圧力室の一部を形成するダイヤフラムであって、前記弁軸が固定され、前記弁軸の軸方向への往復動によって前記第１弁体及び前記第２弁体をそれぞれ前記第１弁座或いは前記第２弁座に対して離着座させるダイヤフラムと、
を備えることを特徴とする開閉弁。
前記圧力室を挟んで前記第１弁体と前記第２弁体とが配置され、前記第１弁体は前記ダイヤフラムの復動側に取り付けられ、前記第２弁体は前記ダイヤフラムの往動側に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の開閉弁。
前記圧力室には、前記第１の流体通路の上流側の圧力がパイロット圧として導入されることを特徴とする請求項１又は２記載の開閉弁。
前記第１の流体通路の下流側は前記第１の流体通路内の流体を消費する消費源に接続されている開閉弁であって、
前記第１弁体に取り付けられ、前記第１出口ポート内を区画して大気圧室を形成するベロフラムをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の開閉弁。
前記第１の流体通路の上流側はエアコンプレッサに接続され、
前記第１の流体通路の下流側は燃料電池のカソード入口に接続され、
前記第２の流体通路の上流側は燃料電池のカソード出口に接続され、
前記第２の流体通路の下流側は排気口に接続されている開閉弁であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の開閉弁。