JP2009299770A - Valve device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、弁装置に関するものである。 The present invention relates to a valve device.
近年、水素(燃料ガス、反応ガス)がアノードに、酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)等の燃料電池の開発が盛んである。このような燃料電池を用いたシステムでは、水素や酸素を含む空気等の流体の流れを許容または遮断制御するための弁装置が用いられている(特許文献1参照)。 In recent years, a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Fuel Cell) that generates electricity by supplying hydrogen (fuel gas, reactive gas) to the anode and oxygen-containing air (oxidant gas, reactive gas) to the cathode, respectively. The development of fuel cells such as PEFC is active. In a system using such a fuel cell, a valve device for permitting or shutting off the flow of a fluid such as air containing hydrogen or oxygen is used (see Patent Document 1).
ところで、前記したような燃料電池が発電すると、そのカソードで水蒸気(水)を生成し、生成した水の一部は、電解質膜(固体高分子膜)を介して、アノード側に透過する。また、電解質膜の湿潤状態を維持するため、燃料電池に向かう水素、空気は、中空糸膜を備える加湿器等によって加湿される。したがって、燃料電池や、アノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは多湿となる。よって、発電停止後、燃料電池が低温環境下(例えば0℃未満)に曝されると、燃料電池内や付属機器が凍結する虞がある。 By the way, when the fuel cell as described above generates electric power, water vapor (water) is generated at the cathode, and part of the generated water permeates to the anode side through the electrolyte membrane (solid polymer membrane). Further, in order to maintain the wet state of the electrolyte membrane, hydrogen and air toward the fuel cell are humidified by a humidifier equipped with a hollow fiber membrane. Therefore, the fuel cell, the anode off-gas discharged from the anode, and the cathode off-gas discharged from the cathode are humid. Therefore, if the fuel cell is exposed to a low temperature environment (for example, less than 0 ° C.) after the power generation is stopped, the fuel cell or the accessory device may freeze.
そこで、凍結する虞がある場合、燃料電池に掃気ガス(非加湿の空気や窒素等)を押し込み、燃料電池内に残留する水蒸気や結露水等の水分を押し出し、燃料電池を掃気する技術が知られている。そして、水分と共に燃料電池から排出された掃気ガスは、掃気時に開かれる弁装置としての掃気ガス排出弁を介して排出されるようになっている。 Therefore, when there is a risk of freezing, a technology is known in which a scavenging gas (non-humidified air, nitrogen, etc.) is pushed into the fuel cell and water such as water vapor or condensed water remaining in the fuel cell is pushed out to scavenge the fuel cell. It has been. And the scavenging gas discharged | emitted from the fuel cell with the water | moisture content is discharged | emitted via the scavenging gas discharge valve as a valve apparatus opened at the time of scavenging.
前記したように掃気ガス排出弁のような弁装置では、水蒸気や結露水等の水分が通過する環境に用いられる。このため、低温環境下(例えば0℃未満)においては、弁装置の内部に残留した水分が凍結する虞があり、凍結した水分によって弁体の作動性が損なわれる虞があるためその改善が望まれていた。 As described above, a valve device such as a scavenging gas discharge valve is used in an environment through which moisture such as water vapor or condensed water passes. For this reason, in a low-temperature environment (for example, less than 0 ° C.), moisture remaining inside the valve device may be frozen, and the operability of the valve body may be impaired by the frozen moisture. It was rare.
そこで、本発明は、作動性を向上させることができ、低温環境下においても弁体を円滑に開閉させることができる弁装置を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the valve apparatus which can improve an operativity and can open and close a valve body smoothly also in a low temperature environment.
前記課題を解決するために、本発明の弁装置は、流体が導入される一次室、および流体が導出される二次室が設けられたボディと、前記二次室側から前記一次室側へ延設され、駆動機構によって軸線方向に変位するシャフトと、前記シャフトの変位に伴って、前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断する弁体と、を備え、前記弁体は、前記一次室内に配置され、前記一次室を形成する前記一次室の壁に向けて変位することで開弁するように構成されており、前記弁体は、少なくともその頂部が、前記壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a valve device of the present invention includes a body provided with a primary chamber into which a fluid is introduced and a secondary chamber into which the fluid is led out, and from the secondary chamber side to the primary chamber side. A shaft that is extended and displaced in the axial direction by a drive mechanism; and a valve body that communicates or blocks between the primary chamber and the secondary chamber in accordance with the displacement of the shaft, The valve body is arranged so as to open by being displaced toward the wall of the primary chamber that forms the primary chamber, and the valve body has at least a top portion with respect to the wall. It is formed of a curved convex elastic member that can be elastically contacted.
この弁装置によれば、弁体は、少なくともその頂部が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、開弁時に水蒸気や結露水等の水分が通過しても、弁体の頂部にこれらが留まるのを回避することができる。これによって、水分の滞留に起因する弁体の凍結固着等を好適に阻止することができる。 According to this valve device, at least the top of the valve body is formed of a curved convex elastic member that can elastically contact the upper wall. Even if moisture passes, it can be avoided that they remain on the top of the valve body. Thereby, it is possible to suitably prevent freezing and sticking of the valve body due to moisture retention.
また、頂部が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、例えば、頂部を平らに形成した場合に比べて、上壁への密着性が低下し、水分の凍結に起因する上壁への弁体の固着を、好適に阻止することができる。 In addition, since the top portion is formed of a curved convex elastic member that can elastically contact the upper wall, for example, the adhesion to the upper wall is higher than when the top portion is formed flat. It is possible to suitably prevent the valve body from adhering to the upper wall due to the water freezing.
また、頂部が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、上壁への当接時に衝撃が緩和されるようになり、弁体の当接音が低減されて静音性を実現することができる。 In addition, since the top portion is formed of a curved convex elastic member that can elastically abut against the upper wall, the impact is mitigated when abutting against the upper wall, and the contact of the valve body is reduced. The contact sound is reduced, and quietness can be realized.
例えば、このような弁装置を、燃料電池システムおける掃気ガス排出弁として用いた場合に、次のような利点が得られる。
すなわち、水蒸気や結露水等の水分を含んだアノードオフガスが通過しても、弁体の頂部にこれらが留まるのを回避することができ、水分の滞留に起因する弁体の凍結固着等を好適に阻止することができる。したがって、長期間にわたって安定した弁体の開閉を維持することができ、耐久性に優れ、信頼性に優れた燃料電池システムの実現に寄与する。
For example, when such a valve device is used as a scavenging gas discharge valve in a fuel cell system, the following advantages can be obtained.
In other words, even when anode off-gas containing water such as water vapor or condensed water passes, it can be avoided that these stay at the top of the valve body, and freezing and sticking of the valve body due to the retention of water is suitable. Can be prevented. Therefore, stable opening and closing of the valve body can be maintained over a long period of time, which contributes to the realization of a fuel cell system having excellent durability and excellent reliability.
また、前記弁体は、その着座部が、前記頂部と一体の弾性部材で形成されている構成とするのがよい。
この弁装置によれば、着座部と頂部とが一体の弾性部材で形成されているので、剛性が高まるとともに、部品点数を削減することができる。これにより、部品コストおよび組立コストが低減され、製造コストを引き下げることが可能になる。
The valve body may be configured such that the seating portion is formed of an elastic member integral with the top portion.
According to this valve device, the seat portion and the top portion are formed of an integral elastic member, so that the rigidity is increased and the number of parts can be reduced. Thereby, the part cost and the assembly cost are reduced, and the manufacturing cost can be reduced.
また、前記弁体は、中空部を有する同心円筒状の基部に弾性部材が装着されてなり、前記弾性部材は、前記中空部を通じて前記頂部側と前記着座部側とが一体に設けられている構成とするのがよい。 The valve body is formed by attaching an elastic member to a concentric cylindrical base portion having a hollow portion, and the top side and the seating portion side are integrally provided through the hollow portion. It is good to have a configuration.
この弁装置によれば、弁体が、中空部を有する同心円筒状であるので、軽量化を図ることができる。また、中空部を通じて頂部側と着座部側とが一体の弾性部材で設けられているので、弁体に対して弾性部材がバランスよく配置されるようになり、弁体の作動性が向上する。 According to this valve device, since the valve body has a concentric cylindrical shape having a hollow portion, the weight can be reduced. In addition, since the top portion side and the seating portion side are provided as an integral elastic member through the hollow portion, the elastic member is arranged in a balanced manner with respect to the valve body, and the operability of the valve body is improved.
また、前記二次室の壁と前記シャフトとの間に設けられ、前記シャフトに係止されて当該シャフトの変位動作に追従して撓むダイヤフラムと、を備え、前記ダイヤフラムは、前記弁体側へ向けて隆起する湾曲凸状のスカート部を有しており、前記スカート部の前記駆動機構側である裏面側には、前記スカート部の裏面側の凹部内に挿入可能に設けられ、前記スカート部が裏面側へ向けて変形した状態となるのを規制する突起部を備えることを特徴とする。 A diaphragm which is provided between the wall of the secondary chamber and the shaft and which is locked to the shaft and bends following the displacement operation of the shaft; and the diaphragm moves to the valve body side. A curved convex skirt portion that protrudes toward the drive mechanism, and is provided on the back surface side of the skirt portion so as to be inserted into a recess on the back surface side of the skirt portion. It has the projection part which controls that it will be in the state where it deformed toward the back side.
この弁装置によれば、ダイヤフラムの撓みによって、シャフトの良好な変位動作を確保することができる。また、突起部を備えることによって、開弁時等における流体の圧力によってダイヤフラムのスカート部が裏面側へ向けて変形した状態となっても、その変形した部分に突起部が裏面側から当接する状態となり、これによって、ダイヤフラムの変形を抑えることができる。したがって、ダイヤフラムのスカート部が弁体側に向けて隆起する状態を好適に維持することができ、ダイヤフラムを分厚く形成する等してダイヤフラムの剛性を確保する必要がなくなる。つまり、ダイヤフラムを薄く形成することができる。
したがって、シャフトのストローク長を長くして、流量を確保することができるとともに、弁体をレスポンスよく円滑に移動させることのできる弁装置が得られる。
According to this valve device, a satisfactory displacement operation of the shaft can be ensured by the deflection of the diaphragm. Moreover, even if the skirt portion of the diaphragm is deformed toward the back side due to the fluid pressure at the time of valve opening or the like by providing the projection portion, the projection portion is in contact with the deformed portion from the back side. Thus, the deformation of the diaphragm can be suppressed. Therefore, the state in which the skirt portion of the diaphragm is raised toward the valve body side can be suitably maintained, and it is not necessary to ensure the rigidity of the diaphragm by forming the diaphragm thickly. That is, the diaphragm can be formed thin.
Therefore, it is possible to obtain a valve device that can secure the flow rate by increasing the stroke length of the shaft and can move the valve body smoothly with good response.
また、前記二次室側の前記ボディには、その表面と前記シャフトの端部側方に形成されたシャフト側室とに開口し、前記シャフト側室を前記二次室側の前記ボディの外部に連通する通気路が形成されており、前記二次室側の前記ボディの表面に形成された前記通気路の開口部には、空気の出入りを許容しつつ水の出入りを阻止する透湿防水素材を有するキャップが装着されている構成とするのがよい。 In addition, the body on the secondary chamber side opens to the surface and a shaft side chamber formed on the side of the end of the shaft, and the shaft side chamber communicates with the outside of the body on the secondary chamber side. A breathable waterproof material that prevents air from entering and exiting while allowing air to enter and exit from the opening of the air passage formed in the surface of the body on the secondary chamber side. It is preferable to have a configuration in which a cap having the above is attached.
この弁装置によれば、シャフト側室を二次室側のボディの外部に連通する通気路の開口部に、透湿防水素材を有するキャップが装着されているので、このようにすると、シャフト側室への空気の出入りを許容しつつ水等の浸入を防ぐことが可能となる。したがって、安定したシャフトの変位動作を確保することができ、弁体の作動性が向上する。 According to this valve device, since the cap having the moisture permeable waterproof material is attached to the opening portion of the air passage that communicates the shaft side chamber with the outside of the body on the secondary chamber side. It is possible to prevent water and the like from entering while allowing the air to enter and exit. Therefore, a stable shaft displacement operation can be ensured, and the operability of the valve body is improved.
本発明によれば、作動性を向上させることができ、低温環境下においても弁体を円滑に開閉させることのできる弁装置が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the operativity can be improved and the valve apparatus which can open and close a valve body smoothly also in a low temperature environment is obtained.
以下、本発明の実施の形態を適宜図面を参照しながら説明する。
本実施形態では、燃料電池システムに適用される弁装置について説明するが、弁装置が適用される装置等を限定する趣旨ではない。なお、以下では、弁装置を、燃料電池システムのアノード系に用いた場合を例として説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.
In the present embodiment, the valve device applied to the fuel cell system will be described, but the device to which the valve device is applied is not intended to be limited. Hereinafter, a case where the valve device is used in an anode system of a fuel cell system will be described as an example.
はじめに、本実施形態の弁装置が適用される燃料電池システムの構成について説明し、後記する説明の中で弁装置について説明する。
≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池自動車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、を備えている。
First, the configuration of a fuel cell system to which the valve device of the present embodiment is applied will be described, and the valve device will be described in the following description.
≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 according to this embodiment shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (moving body) (not shown). The fuel cell system 1 includes a
<アノード系>
アノード系は、水素タンク21(燃料ガス供給手段)、常閉型の遮断弁22、エゼクタ23、常閉型のパージ弁24、常閉型の掃気ガス排出弁100を備え、水素タンク21からの水素は、遮断弁22、エゼクタ23を介して、燃料電池スタック10のアノード流路11の入口側に供給されるようになっている。そして、アノード流路11の出口は、循環路23aを介してエゼクタ23の吸込口に接続されている。そして、エゼクタ23に戻されたアノードオフガスは、水素タンク21からの水素と混合された後、アノード流路11に再供給されるようになっている。
<Anode system>
The anode system includes a hydrogen tank 21 (fuel gas supply means), a normally closed shut-off
また、アノード流路11の出口には、パージ弁24、掃気ガス排出弁100が接続されている。パージ弁24は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック10の発電時において、循環路23aを循環するアノードオフガス(水素)に含まれる不純物(水蒸気、窒素等)を排出(パージ)する場合に、ECU(Electronic Control Unit、電子制御装置)によって適宜に開かれるようになっている。パージ弁24を通じて排出されたアノードオフガスは、下流側に接続された希釈器33で希釈された後、外部に排出されるようになっている。
A
掃気ガス排出弁100は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック10の掃気時に開かれる弁である。以下では、この燃料電池スタック10よりも下流側に備えられる掃気ガス排出弁100に対して、本実施形態の弁装置を用いた例を説明する。
詳細に、掃気ガス排出弁100は、燃料電池スタック10のアノード流路11の掃気時にコンプレッサ31が作動された状態で、ECUからの指令により開かれるようになっている。なお、掃気ガス排出弁100は、コンプレッサ31からの掃気ガス(非加湿の空気)をアノード系に導く、図示しない配管に設けられた、常閉型の図示しない掃気ガス導入弁とともに開かれる設定となっている。
The scavenging
Specifically, the scavenging
掃気ガス排出弁100は、図2に示すように、一次室110aを形成し、アノードオフガスが導入される導入ポート111が設けられる一次室ボディ110(ボディ)と、この一次室ボディ110の下部に隣接して設けられて二次室120aを形成し、前記アノードオフガスが導出される導出ポート121が設けられる二次室ボディ120(ボディ)とを備えている。そして、掃気ガス排出弁100は、二次室ボディ120の下部側に配置された駆動機構を構成するソレノイド150によって弁体130が駆動されることで、一次室110aと二次室120aとの連通状態を切り替えるように構成されている。つまり、掃気ガス排出弁100は、掃気時に開弁して、図1に示すように、燃料電池スタック10のアノード流路11から送られてくるアノードオフガスを後段の希釈器33に排出するための弁として機能するようになっている。
本実施形態では、高圧のアノードオフガスが導入される側となる一次室ボディ110が上部側に配置され、また、アノードオフガスを導出する側となる二次室ボディ120が下部側に配置され、さらに、弁体130を駆動するためのソレノイド150が、二次室ボディ120の下側に配置される構造となっている。
As shown in FIG. 2, the scavenging
In the present embodiment, the
ここで、掃気ガス排出弁100は、このように、燃料電池スタック10(図1参照、以下同じ)のアノード流路11(図1参照、以下同じ)から送られてくるアノードオフガスが通流する弁であるため、アノードオフガスに同伴される水蒸気や結露水等の水分が通過する。このため、水分の滞留に起因する弁体130の一次室ボディ110の上壁(壁)に対する凍結固着等を阻止するために、弁体130の頂部135が一次室110aの上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されている。
Here, in the scavenging
以下、各部について詳細に説明する。
一次室ボディ110は、前記したように、燃料電池スタック10のアノード流路11からの配管に接続可能な導入ポート111を有しており、この導入ポート111を通じて、燃料電池スタック10からの高圧のアノードオフガスが一次室110aに導入されるようになっている。
導入ポート111は、一次室ボディ110の左側方に設けられており、アノード流路11からの配管が接続される開口部を有している。本実施形態では、導入ポート111が導出ポート121に対して上側に位置している。つまり、上から下へ向かう方向(重力方向)に、水分を含むアノードオフガスが流れるようにしてある。
Hereinafter, each part will be described in detail.
As described above, the
The
一次室110a内には、弁体130が上下方向(弁の開閉方向)に変位可能に配置されている。つまり、弁体130は、一次室110aを形成する一次室ボディ110の上壁(凹部112)に向けて変位することで開弁するようになっており、また、この弁体130の底面側に設けられた弁座116に着座することで閉弁するようになっている。
A
弁体130は、図3(a)〜(b)に示すように、基部131と、この基部131に装着された緩衝部材134と、この緩衝部材134に挿入保持されたシャフト保持部材138とを備えている。以下では、基部131と緩衝部材134とシャフト保持部材138とを別個に形成し、これらを順次組み付けることによって弁体130を得る例について説明するが、これに限られることはなく、射出成形等の製造方法を利用することによって、従来技術と同様に、基部131とシャフト保持部材138とが上面および下面を連通する成形通路を設けた一部材にて構成され、緩衝部材134を一体的に形成することにより、弁体130を得るようにしてもよい。
As shown in FIGS. 3A to 3B, the
基部131は、図4に示すように、段付きの円筒状を呈するアルミニウム合金等の金属製の部材であり、その中空部131aに緩衝部材134が下方から挿入されて装着されるようになっている。基部131は、胴部132とこの胴部132の下部に連なるフランジ部133とを備えており、側面視で略ハット状を呈している。
胴部132は、図3(a)(b)に示すように、その上端部の外周縁部132aが面取りされており、緩衝部材134の後記する頂部135から胴部132における外周縁部132aに亘って、図3(b)に示すように、略連続する傾斜面となるように形成されている。これによって、一次室110a(図2参照)内を通流するアノードオフガスによって、緩衝部材134の頂部135に水分が付着し、やがてこれが水滴となって頂部135から下方へ流れ落ちてきた際に、水分が頂部135から外周縁部132aに好適に伝わって流れ落ちるようになっている。
また、胴部132の内周面132bは、円筒面状を呈しており、基部131に緩衝部材134が装着された状態で、内周面132bには、緩衝部材134の後記する連結部136の外周面136aが密着するようになっている。
As shown in FIG. 4, the
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the outer
Further, the inner
フランジ部133は、胴部132の下端から側方へ大きく張り出しており、その上面133aと、図2に示す一次室110aの上壁に形成された凹部112との間には、後記するばね113が縮設されるようになっている。これにより、弁体130は、非通電時に、その下方に設けられた弁座116に向けてばね113で付勢された状態となり、弁座116に着座される。
また、図3(b)に示すように、フランジ部133の外周部は、下方へ延設されており、その内周面133bと底面133cにより形成される凹部内に、緩衝部材134の後記する着座部137の側面137aの一部、および上面137bが嵌まり込むようになっている。
The
Further, as shown in FIG. 3B, the outer peripheral portion of the
緩衝部材134は、図3(b)、図4に示すように、頂部135と、着座部137と、これら頂部135と着座部137とを連結する連結部136とを備えている。緩衝部材134としては、高強度で耐候性に優れた合成ゴム等の弾性部材、例えば、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)等を採用することができる。
頂部135は、略半球状(湾曲凸状)を呈しており、開弁時に、上壁の凹部112(図2参照)に対して弾性的に当接可能となっている。また、略半球状とされているので、頂部135を例えば平らに形成した場合に比べて、凹部112の当接面に対する接触面積が小さくなっている。
頂部135は、その下部の外径が、連結部136の外径よりも大きくなっており、基部131に緩衝部材134を装着した状態で、その下部の下端部135aが、図3(b)に示すように、基部131側における胴部132の上端部の一部に被さる状態に配置される。これによって、前記したように、頂部135の下部から胴部132の上端部の外周縁部132aに亘って、略連続する傾斜面が形成されることとなる。
また、頂部135は、その上部の肉厚が略一定とされており、その底面135b側に密着するようにしてシャフト保持部材138が配置される。
As shown in FIGS. 3B and 4, the
The
The
Further, the
着座部137は、底面視で円形リング状を呈しており(図3(c)参照)、前記したフランジ部133の凹部に対して嵌まり込む外径を有するとともに、中央部にシャフト保持部材138を挿入するための挿入口137dが開口している。
本実施形態では、弁体130が着座する後記の弁座部117に対向する部位、つまり、着座部137の下部の周縁部137cが、他の部分よりも分厚く形成されており、図3(b)に示すように、フランジ部133の凹部に着座部137が嵌め込まれた状態で、周縁部137cが、フランジ部133の下端より下方に突出するようになっている。これにより、着座部137が弁座部117に密着し、シール性が向上される。また、弁座部117に当接する部分が分厚くされているので、耐久性も向上する。
また、挿入口137dは、その内径が、連結部136の内径よりも小さく設定されており、シャフト保持部材138の後記する小径部138bに係合するようになっている。
The
In this embodiment, a portion facing a later-described
The
連結部136は、円筒状を呈しており、前記したように頂部135と着座部137とを一体的に連結する。そして、その内周面136bと、頂部135の湾曲凹状の底面135bとによって囲まれる中空部に、シャフト保持部材138が挿入されて保持されるようになっている。
The connecting
シャフト保持部材138は、図3(b)、図4に示すように、上部が湾曲凸状とされ、下部が小径とされた段付きの円柱状を呈しており、その底面には、後記するシャフト140の先端部が挿入される有底の挿入穴138aが形成されている。そして、前記したように、シャフト保持部材138は、着座部137の挿入口137dから緩衝部材134の中空部内に挿入され、その下部の小径部138bに着座部137の挿入口137dが係合した状態で中空部内に脱落不能に保持される。
As shown in FIGS. 3B and 4, the
再び、図2を参照して説明する。
弁体130の底面側に配置される弁座116は、一次室110aと二次室120aとを仕切る仕切り壁115に一体的に設けられており、仕切り壁115の底部から一次室110aの内空へ向けて突出している。弁座116は、円筒状を呈しており、上端部へ向けてテーパ状に縮径するように形成されている。弁座116の先端部には、弁体130の着座部137(周縁部137a、以下同じ)が着座する円環状の弁座部117が設けられている。弁座部117は、弁体130の着座部137に密着するように、平らに形成されている。また、弁座部117は、密着性を向上させるために、例えばアール形状に形成されていてもよい。
Again, a description will be given with reference to FIG.
The
一次室ボディ110の上壁には、凹部112が設けられており、この凹部112には、弁体130を弁座部117へ向けて付勢する戻しばね113の上端が保持される。
戻しばね113は、前記したように、弁体130のフランジ部132の上面と凹部112との間に縮設されており、後記するように弁体130が閉弁された状態で、弁体130の着座部137が弁座部117に気密性よく着座するように付勢する。このような戻しばね113の付勢によって、閉弁時には、一次室110aと二次室120aとの間が、連通不能(ガス通流不能)に遮断される。
また、凹部112には、後記する弁体130が駆動されて上方に変位した際に、弁体130の湾曲凸状の頂部135が当接するようになっている。つまり、弁体130は、後記するようにシャフト140によって上方に変位した際に、凹部112に頂部135が当接した状態となり、この頂部135の当接をもって、シャフト140が、上方への変位動作を停止するように構成されている。なお、凹部112における頂部135との当接面は、平らに形成したが、これに限られることはなく、当接時の接触面積が小さくなるように湾曲凸状に形成したり、当接時のホールド性が向上するように湾曲凹状に形成したりしてもよい。
A
As described above, the
Further, when the
二次室ボディ120は、一次室ボディ110の下部に仕切り壁115を介して連続して設けられており、後記する希釈器33(図1参照、以下同じ)へ通じる配管が接続される導出ポート121を有している。つまり、弁体130が駆動されて開弁し、弁体130を介して一次室110aから二次室120aにアノードオフガスが流入すると、二次室120aに流入したアノードオフガスは、導出ポート121から配管を通じて希釈器33に送られることとなる。本実施形態では、導出ポート121が、前記した導入ポート111とは反対の向き、つまり、希釈器33へ通じる配管が接続可能となる向きに設けられている。
The
なお、導入ポート111および導出ポート121における各配管との接続部位には、図示しないシール部材が装着されており、通流するアノードオフガスの気密が保持されている。
また、一次室ボディ110および二次室ボディ120の内部にフッ素コーティングを施してもよい。フッ素コーティングには、水分をはじく撥水効果があるため、一次室ボディ110および二次室ボディ120の内部に水分が滞留しにくくなり、排水性を向上させることができる。
In addition, a sealing member (not shown) is attached to the connection portion of each of the
Further, the inside of the
二次室ボディ120には、ソレノイド150により駆動されて、先端が弁体130(シャフト保持部材138)の挿入穴138aに固定されるシャフト140が貫通しており、二次室ボディ120とこのシャフト140との間には、シャフト140に係止されてシャフト140の変位動作に追従して撓む弾性部材(例えば、ゴム等の材料)からなるダイヤフラム160が設けられている。
A shaft 140 that is driven by a solenoid 150 and whose tip is fixed to the
ダイヤフラム160は、シャフト140の周囲を取り囲む円環状の部材であり、シャフト140のフランジ部141に装着される内周縁部161と、前記内周縁部161から半径外方向へと延在する薄肉状のスカート部162と、このスカート部162の外周部に形成される外周縁部163とからなる。
The diaphragm 160 is an annular member that surrounds the periphery of the shaft 140, and has an inner
内周縁部161は、スカート部162よりも肉厚に形成されており、前記フランジ部141と、シャフト140に装着される有底円筒状の押え部材142に設けられた段状の先端部143と、の間に挟持されることでシャフト140に係止される。
スカート部162は、前記のように薄肉状に形成されており、弁体130側へ向けて隆起する湾曲凸状を呈している。このようなスカート部162は、シャフト140の変位動作に追従して撓曲自在であり、ダイヤフラム160が前記のように大径に形成されていることと相俟ってシャフト140のストローク長を長く設定することに寄与している。
The inner
The
外周縁部163は、スカート部162よりも肉厚に形成されており、二次室ボディ120の底壁122に設けられた上向きの環状溝123に装着され、後記するソレノイド150の固定コア151との間に挟持されている。
The outer
このようなダイヤフラム160を設けることによって、二次室ボディ120とシャフト140との間がシールされるようになり、二次室ボディ120の内部の気密が好適に保持されるようになる。
By providing such a diaphragm 160, the space between the
スカート部162の裏面側(ソレノイド150側)には、スカート部162の裏面側の凹部内に挿入可能に設けられ、スカート部162の凸凹が反転する変形を規制する突起部152が配置されている。
On the back surface side (solenoid 150 side) of the
この突起部152は、ソレノイド150の後記する固定コア151に一体的に設けられ、シャフト140の周囲を取り囲むようにしてスカート部162の下方に円環状に形成されている。突起部152の先端部153は、アール状に形成されており、本実施形態では、断面半円形状に形成されている。
なお、突起部152に、DLC膜(Diamond Like Carbon)等を形成してスカート部162との摩擦抵抗を軽減するようにしてもよい。
The projecting
Note that a DLC film (Diamond Like Carbon) or the like may be formed on the
ソレノイド150は、ケーシング154の上端部を閉塞するように配設される固定コア151と、ケーシング154の内部に配設され、コイル155aが巻回されたボビン155と、前記コイル155aの励磁作用によってシャフト140の軸線方向に変位する円筒状の可動コア156と、可動コア156とケーシング154の下部との間に介装され、可動コア156を固定コア151の方向に付勢するスプリング157とを備える。
また、ケーシング154の下部側方には、透湿防水素材158を備えたキャップ159が装着されている。
The solenoid 150 is formed by a fixed
Further, a cap 159 provided with a moisture permeable
可動コア156は、磁性金属製材料からなる円筒状の部材であり、ボビン155の内壁面に沿って挿通自在に配置され、コイル155aの励磁作用によってシャフト140の軸線方向に変位可能となっている。すなわち、可動コア156は、コイル155aを励磁したときに、固定コア151に引き寄せられ、戻しばね113(図2参照)の付勢力に抗して上方向に変位する。これにより、前記弁体130が上方向に押動される。
可動コア156の略中央部には、軸線方向に沿って貫通孔156aが形成されており、この貫通孔156aにシャフト140の下端140aが挿通されて固定されている。
可動コア156の上端部は、上方へ向けて先細りとなるテーパ状に形成されており、また、これに対向する固定コア151の下端部がこれに対応した逆テーパ状に形成されており、これらの相互作用によって励磁作用下で可動コア156に推力が付与されるようになっている。
The
A through
The upper end portion of the
固定コア151の上面には、上方へ突出する段差部151aが設けられており、この段差部151aの内周部に沿って円環状に突起部152が形成されている。また、段差部151aは、二次室ボディ120の底壁122の環状溝123との間に、前記したように、ダイヤフラム160の外周縁部163を挟持するようになっている。
A stepped
シャフト140は、その下端140a側が可動コア156の中空部に嵌め込まれて固定され、上端140b側が弁体130の挿入穴138aに挿入されて固定されている。シャフト140の軸線方向の略中央部には、ダイヤフラム160の内周縁部161を押え部材142との間に固定するためのフランジ部141が形成されている。
The shaft 140 has a
なお、シャフト140の外周面に、フッ素コーティング等を施して、シャフト140が変位する際の摺動抵抗が低減するように構成してもよい。このようにすることで、シャフト140の摩耗が低減し、耐久性を向上させることができる。また同時に、シャフト140が変位動作する際に摩耗粉が発生するのを抑制することができる。フッ素コーティングには、水分をはじく撥水効果があるため、シャフト140の外周面に水分が付着することがなくシャフト140の錆びを防止し、前記シャフト140の耐久性を向上させることができる。 In addition, you may comprise so that the sliding resistance at the time of the shaft 140 being displaced may be reduced by giving a fluorine coating etc. to the outer peripheral surface of the shaft 140. By doing in this way, abrasion of the shaft 140 can be reduced and durability can be improved. At the same time, it is possible to suppress the generation of wear powder when the shaft 140 is displaced. Since the fluorine coating has a water repellent effect of repelling moisture, moisture does not adhere to the outer peripheral surface of the shaft 140, rusting of the shaft 140 can be prevented, and durability of the shaft 140 can be improved.
ケーシング154の下部には、通気路154aが形成されており、この通気路154aの開口部154bにキャップ159が装着されている。通気路154aは、ケーシング154の表面と、シャフト140を変位可能に摺動保持するシャフト側室156bとに開口する横孔であり、シャフト側室156bをケーシング154の外部に連通する役割をなす。
本実施形態では、ケーシング154が、ボビン155の下方において可動コア156側にアンダーカットされた形状とされており、キャップ159が、このアンダーカットされた領域に好適に収まるようになっている。したがって、二次室ボディ120の側方へキャップ159が突出することがなくなり、省スペース化が図られている。
A
In the present embodiment, the
キャップ159は、側部に通気開口部159cが設けられた蓋部159aと、この蓋部159aに設けられたフック部159bとからなり、蓋部159a内に形成された通路に透湿防水素材158が配置されている。透湿防水素材158は、空気の出入りを許容しつつ水の出入りを阻止するものであり、例えば、周知であるゴアテックス(登録商標)などを用いることができる。
このような透湿防水素材158を有するキャップ159を配置することによって、ソレノイド150内への水や埃等の侵入(浸入)を防止しつつ、透湿防水素材158を介して通気路154aに空気が出入りすることとなるので、可動コア156のスムーズな摺動が実現される。
The cap 159 includes a
By disposing the cap 159 having such a moisture-permeable and
<カソード系>
図1に戻って説明を続ける。
カソード系は、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段、掃気手段)と、加湿器32と、希釈器33(ガス処理装置)とを備えている。
<Cathode system>
Returning to FIG. 1, the description will be continued.
The cathode system includes a compressor 31 (oxidant gas supply means, scavenging means), a
コンプレッサ31は、加湿器32を介して、カソード流路12の入口に接続されている。そして、ECUの指令にしたがって作動すると、コンプレッサ31は、酸素を含む空気を取り込み、空気をカソード流路12に供給するようになっている。また、コンプレッサ31は、燃料電池スタック10の掃気時には、これを掃気する掃気手段として機能するようになっている。
なお、コンプレッサ31は、燃料電池スタック10や燃料電池スタック10の発電電力を充放電する高圧バッテリ(図示しない)を電源として作動する。
The
The
加湿器32は、コンプレッサ31からカソード流路12に向かう空気を加湿するため、カソード流路12に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる中空糸膜等を備えている。
The
カソード流路12の出口は、希釈器33に接続され、カソード流路12(カソード)から排出された多湿のカソードオフガスが、希釈器33に供給されるようになっている。
The outlet of the
希釈器33は、パージ弁24から導入されるアノードオフガスと、コンプレッサ31からのカソードオフガス(希釈用ガス)とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器である。希釈器33で生成した混合ガスは、車外に排出されるようになっている。
The
次に、本実施形態の弁装置が適用される掃気ガス排出弁100の作用を説明する。
システム停止時に、ECUによって、燃料電池スタック10内が凍結する虞があると判定されると、ECUの指令によって、コンプレッサ31が作動され、図示しない掃気ガス導入弁とともに掃気ガス排出弁100が開かれる。
Next, the operation of the scavenging
When the ECU determines that the
そして、コンプレッサ31からの掃気ガス(空気)が、アノード流路11およびカソード流路12に押し込まれ、これによって、アノード流路11等の水分(水蒸気、結露水等)が押し出され、燃料電池スタック10が掃気される。
Then, the scavenging gas (air) from the
アノード流路11から押し出された水分は、掃気ガスと共に、掃気ガス排出弁100、希釈器33を介して車外に排出されるようになっている。一方、カソード流路12から押し出された水分は、掃気ガスと共に、希釈器33を介して車外に排出される。
The water pushed out from the
このような掃気時において、掃気ガス排出弁100では、ECUからの指令で励磁したコイル155aにより、可動コア156が固定コア151に引き寄せられて上方向に移動し、これに伴って移動したシャフト140により弁体130が弁座部117から離座する。このとき弁体130は、その頂部135が上壁の凹部112に弾性的に当接し、この当接によって弁体130の上方向の移動が停止されて開弁状態となる。
During such scavenging, in the scavenging
これにより、アノード流路11から押し出された水分を含む高圧のアノードオフガスは、導入ポート111から一次室110aに流入し、さらに、一次室110aから二次室120aに流入して導出ポート121より排出されるようになる。
このとき、水蒸気や結露水等の水分がアノードオフガスに同伴されて通過しても、弁体130は、その頂部135が略半球状を呈しているので、頂部135にこれらが留まることがなく、水分の滞留(液溜まり)に起因する弁体130の凍結固着が好適に阻止される。
As a result, the high-pressure anode off-gas containing moisture pushed out from the
At this time, even if moisture such as water vapor or condensed water passes along with the anode off-gas, the
また、閉弁時には、ECUによりコイル155aが非励磁とされ、戻しばね113によって弁体130の頂部135が凹部112から好適に離れ、その後、弁体130が弁座116に着座する。これにより、一次室110aと二次室120aとの間が遮断され、掃気が終了する。
Further, when the valve is closed, the
以上説明した本実施形態の弁装置によれば、弁体130は、その頂部135が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、開弁時に水蒸気や結露水等の水分が通過しても、弁体131の頂部135にこれらが留まるのを回避することができる。これによって、水分の滞留に起因する弁体131の凍結固着等を好適に阻止することができる。したがって、長期間にわたって安定した弁体の開閉を維持することができ、耐久性に優れ、信頼性に優れた燃料電池システムの実現に寄与する。
According to the valve device of the present embodiment described above, the
また、頂部135が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、頂部135を平らに形成した場合に比べて、上壁への密着性が低下し、水分の凍結に起因する上壁への弁体131の固着を、好適に阻止することができる。
In addition, since the
また、頂部135が、上壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されているので、上壁への当接時に衝撃が緩和されるようになり、弁体131の当接音が低減されて静音性を実現することができる。
In addition, since the
また、弁体131は、その着座部137が、頂部135と一体の弾性部材で形成されているので、剛性が高まるとともに、部品点数を削減することができる。これにより、部品コストおよび組立コストが低減され、製造コストを引き下げることが可能になる。
Further, since the
また、弁体131は、中空部を有する円筒状に形成されており、軽量化を図ることができる。弾性部材からなる緩衝部材134は、中空部を通じて頂部135側と着座部137側とが一体に設けられているので、バランスよく配置されるようになり、弁体131の作動性が向上する。
Moreover, the
また、突起部152を備えることによって、開弁時等における流体の圧力によってダイヤフラム160のスカート部162が裏面側へ向けて変形した状態となっても、その変形した部分に突起部152が裏面側から当接する状態となり、これによって、ダイヤフラム160の変形を抑えることができる。したがって、ダイヤフラム160のスカート部162が弁体130側に向けて隆起する状態を好適に維持することができ、ダイヤフラム160を分厚く形成する等してダイヤフラム160の剛性を確保する必要がなくなる。つまり、ダイヤフラム160を薄く形成することができる。
したがって、シャフト140のストローク長を長くして、流量を確保することができるとともに、弁体130をレスポンスよく円滑に移動させることができる。
Further, by providing the
Therefore, the stroke length of the shaft 140 can be increased to ensure the flow rate, and the
また、シャフト側室156bを二次室ボディ120の外部に連通する通気路154aの開口部154bに、透湿防水素材158を有するキャップ159が装着されているので、このようにすると、シャフト側室156bへの空気の出入りを許容しつつ水等の浸入を防ぐことが可能となる。したがって、安定したシャフト140の変位動作を確保することができ、弁体131の作動性が向上する。
Further, since the cap 159 having the moisture permeable
なお、前記した実施形態において、頂部135の全体を略半球状としたが、本発明はこれに限られることはなく、例えば、頂部135における、一次室110aの上壁の凹部112に当接する部分だけを湾曲凸状に形成してもよい。
In the above-described embodiment, the entire
また、緩衝部材134は、頂部135と着座部137とを連結部136で連結して一体としたが、これに限られることはなく、頂部135と着座部137とを別体に形成して基部131に装着するように構成してもよい。
Further, although the
また、前記した実施形態では、弁装置を掃気ガス排出弁100に用いた例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、パージ弁24に用いてもよいし、掃気ガス導入弁等に用いてもよい。
In the above-described embodiment, an example in which the valve device is used for the scavenging
また、駆動機構としてソレノイド150を例示したが、これに限られることはなく、他の駆動機構、例えば、離隔して対向位置した永久磁石の磁極面間にコイル部材を配設して通電することにより、電磁力を利用してシャフト140を軸方向に駆動するようにしたボイスコイル型の駆動手段も採用可能である。 In addition, the solenoid 150 is exemplified as the drive mechanism, but the present invention is not limited to this, and other drive mechanisms, for example, a coil member is disposed between the magnetic pole surfaces of the permanent magnets that are spaced apart from each other and energized. Thus, it is possible to employ a voice coil type driving means that drives the shaft 140 in the axial direction using electromagnetic force.
さらにまた、前記した実施形態では、燃料電池システム1が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよく、また、住居、店舗、オフィス用等として用いられる燃料電池システムでもよい。 Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle has been illustrated. However, for example, a fuel cell system mounted on a motorcycle, a train, or a ship may be used. Further, it may be a fuel cell system used for stores, offices and the like.
10 燃料電池スタック
100 掃気ガス排出弁
110 一次室ボディ
110a 一次室
116 弁座
117 弁座部
120 二次室ボディ
120a 二次室
130 弁体
134 弾性部材
135 頂部
136 連結部
137 着座部
138 シャフト保持部材
140 シャフト
150 ソレノイド
154a 通気路
154b 開口部
156b シャフト側室
158 透湿防水素材
159 キャップ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記二次室側から前記一次室側へ延設され、駆動機構によって軸線方向に変位するシャフトと、
前記シャフトの変位に伴って、前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断する弁体と、を備え、
前記弁体は、前記一次室内に配置され、前記一次室を形成する前記一次室の壁に向けて変位することで開弁するように構成されており、
前記弁体は、少なくともその頂部が、前記壁に対して弾性的に当接可能な湾曲凸状の弾性部材で形成されていることを特徴とする弁装置。 A body provided with a primary chamber into which fluid is introduced and a secondary chamber into which fluid is derived;
A shaft extending from the secondary chamber side to the primary chamber side and displaced in the axial direction by a drive mechanism;
A valve body that communicates or blocks between the primary chamber and the secondary chamber in accordance with the displacement of the shaft;
The valve body is arranged in the primary chamber, and is configured to open by being displaced toward the wall of the primary chamber forming the primary chamber,
The valve device is characterized in that at least a top portion thereof is formed of a curved convex elastic member that can elastically contact the wall.
前記ダイヤフラムは、前記弁体側へ向けて隆起する湾曲凸状のスカート部を有しており、
前記スカート部の前記駆動機構側である裏面側には、前記スカート部の裏面側の凹部内に挿入可能に設けられ、前記スカート部が裏面側へ向けて変形した状態となるのを規制する突起部を備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の弁装置。 A diaphragm that is provided between the wall of the secondary chamber and the shaft and is bent by the shaft and following the displacement operation of the shaft;
The diaphragm has a curved skirt that protrudes toward the valve body side,
A protrusion that is provided on the back surface side of the skirt portion, which is the drive mechanism side, so as to be insertable into a recess on the back surface side of the skirt portion, and restricts the skirt portion from being deformed toward the back surface side. The valve device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a portion.
前記二次室側の前記ボディの表面に形成された前記通気路の開口部には、空気の出入りを許容しつつ水の出入りを阻止する透湿防水素材を有するキャップが装着されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の弁装置。 The body on the side of the secondary chamber opens to a surface thereof and a shaft side chamber formed on the side of the end of the shaft, and vents communicate the shaft side chamber with the outside of the body on the side of the secondary chamber. A road is formed,
A cap having a moisture-permeable and waterproof material that prevents air from entering and exiting is attached to the opening of the air passage formed on the surface of the body on the secondary chamber side. The valve device according to any one of claims 1 to 4, wherein the valve device is characterized.
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