JP2011222356A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、カソードガスが流通する配管に流量制御バルブが設けられた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system. Specifically, the present invention relates to a fuel cell system in which a flow rate control valve is provided in a pipe through which cathode gas flows.
従来より、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス流路と、を備える。 Conventionally, a fuel cell system is known as a new power source for automobiles. The fuel cell system includes a fuel cell that generates electric power by reaction of a reaction gas, and a reaction gas channel that supplies the reaction gas to the fuel cell.
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体(MEA)を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極(陰極)およびカソード電極(陽極)の2つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜と、で構成される。 The fuel cell has, for example, a stack structure in which several tens to several hundreds of cells are stacked. Here, each cell is configured by sandwiching a membrane electrode structure (MEA) between a pair of separators. The membrane electrode structure includes two electrodes, an anode electrode (cathode) and a cathode electrode (anode), and these electrodes. And a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the two.
この燃料電池のアノード電極にアノードガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極にカソードガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。 When hydrogen gas as anode gas is supplied to the anode electrode of this fuel cell and air containing oxygen as cathode gas is supplied to the cathode electrode, power is generated by an electrochemical reaction. Since only harmless water is generated at the time of power generation, fuel cells are attracting attention from the viewpoint of environmental impact and utilization efficiency.
ところで、燃料電池のカソード電極には、エアポンプなどで圧縮した大流量のカソードガスが供給される。このため、燃料電池システムにおいて、カソードガスが流通する配管には、バタフライバルブやボールバルブなどの大流量の制御に適したバルブが設けられる。 By the way, a large flow rate cathode gas compressed by an air pump or the like is supplied to the cathode electrode of the fuel cell. For this reason, in the fuel cell system, a valve suitable for controlling a large flow rate such as a butterfly valve or a ball valve is provided in a pipe through which the cathode gas flows.
ところで、燃料電池による発電が停止した後に燃料電池に反応ガスが流入すると、反応ガスの化学反応により電位が上昇して固体高分子電解質膜が劣化するため、カソード電極に連通するカソードガスの配管に設けられるバルブには閉弁時に高い締切り性が要求される。そこで従来、スプリングを利用してバルブを締め切る技術が提案されている。 By the way, if the reaction gas flows into the fuel cell after power generation by the fuel cell is stopped, the potential increases due to the chemical reaction of the reaction gas and the solid polymer electrolyte membrane deteriorates. Therefore, the cathode gas pipe connected to the cathode electrode The provided valve is required to have high cut-off performance when the valve is closed. Therefore, conventionally, a technique for closing the valve using a spring has been proposed.
例えば特許文献1に示されたバタフライバルブでは、ハウジングの内部に回動可能に軸支された円盤状の弁体に対し、円環状のバルブシート部をスプリングで押し付ける。これにより、閉弁時には、バルブシート部を弁体の周縁のバルブシール面に密着させることができるので、締切り性を向上することができる。 For example, in the butterfly valve disclosed in Patent Document 1, an annular valve seat portion is pressed by a spring against a disc-shaped valve body pivotally supported inside a housing. As a result, when the valve is closed, the valve seat portion can be brought into close contact with the valve seal surface on the periphery of the valve body, so that the cut-off performance can be improved.
このように、スプリングを利用したバルブでは、燃料電池の発電停止中における締切り性をさらに向上するためには、弁体とバルブシート部とが密着するようにスプリングの付勢力は大きい方が好ましい。
しかしながらスプリングの付勢力が強くなると、弁体とバルブシート部との間に作用する摩擦力も大きくなってしまうため、弁体の開閉に伴うバルブシート部の磨耗も激しくなる。したがって、弁体やバルブシート部の寿命を長くするためには、締切り性を向上する場合とは逆に、スプリングの付勢力は小さい方が好ましい。
As described above, in the valve using the spring, in order to further improve the shut-off performance when the power generation of the fuel cell is stopped, it is preferable that the urging force of the spring is large so that the valve body and the valve seat portion are in close contact with each other.
However, when the urging force of the spring is increased, the frictional force acting between the valve body and the valve seat portion also increases, so that the wear of the valve seat portion accompanying the opening and closing of the valve body becomes severe. Therefore, in order to prolong the life of the valve body and the valve seat part, it is preferable that the biasing force of the spring is small, contrary to the case where the shut-off property is improved.
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電停止中における締切り性の向上と、弁体やバルブシート部の長寿命化とを両立した燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a fuel cell system that achieves both an improvement in the shut-off property during power generation stop of the fuel cell and a longer life of the valve body and the valve seat part. With the goal.
上記目的を達成するため本発明は、反応ガスの反応により発電する燃料電池(例えば、後述の燃料電池10)と、当該燃料電池に接続されてカソードガスが流通するカソード流路(例えば、後述のエア供給配管21およびエア排出配管22)と、を備え、前記カソード流路には、カソードガスの流量を制御する流量制御バルブ(例えば、後述の出口流量制御バルブ40および入口流量制御バルブ50)が設けられる燃料電池システム(例えば、後述の燃料電池システム1)を提供する。前記流量制御バルブは、筒状のハウジング(例えば、後述のハウジング41)と、当該ハウジングの内壁面に沿って設けられたバルブシート部(例えば、後述の固定バルブシート部42)と、当該バルブシート部の一端面側に設けられた弁体(例えば、後述の弁体43)と、を備え、前記弁体は、前記燃料電池側のバルブシール面(例えば、後述のバルブシール面433)で前記バルブシート部に着座し、前記ハウジングの内部には、前記弁体のバルブシール面を前記バルブシート部に向って付勢する弾性体(例えば、後述のスプリング45)が設けられることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell (for example, a
本発明によれば、燃料電池側のバルブシール面で弁体をバルブシート部に着座させ、さらにこの弁体のバルブシール面をバルブシート部に向って付勢する弾性体を設けた。例えば、燃料電池の発電停止後、発電停止中における燃料電池の劣化を抑制するために流量制御バルブを全閉しておくと、燃料電池の温度の低下、および封じ込めたカソードガス中の酸素が化学反応により消費されることにより負圧が発生し、弁体には燃料電池側へ負圧荷重が作用する。すなわち、本発明によれば、燃料電池の発電停止中に弁体に作用する負圧荷重の向きと弾性体の付勢力により弁体に作用する弾性体の押付け荷重の向きとを同じにすることができるので、発電停止中における流路の締切り性を向上することができる。また、このように発電停止中に作用する負圧荷重を利用して締切ることにより、締切り性を低下させることなく弾性体の付勢力を小さくすることができるので、弁体の開閉に伴うバルブシート部の磨耗を抑制し、結果として弁体およびバルブシート部の寿命を長くすることができる。また、付勢力の小さな弾性体を用いることにより、その分だけ流量制御バルブを小型かつ軽量にすることもできる。 According to the present invention, the valve body is seated on the valve seat portion at the valve seal surface on the fuel cell side, and the elastic body that urges the valve seal surface of the valve body toward the valve seat portion is provided. For example, if the flow control valve is fully closed after power generation of the fuel cell is stopped to prevent deterioration of the fuel cell during power generation stoppage, the temperature of the fuel cell decreases and oxygen in the contained cathode gas is chemically A negative pressure is generated by being consumed by the reaction, and a negative pressure load acts on the valve body to the fuel cell side. That is, according to the present invention, the direction of the negative pressure load acting on the valve body during power generation stop of the fuel cell and the direction of the pressing load of the elastic body acting on the valve body by the urging force of the elastic body are made the same. Therefore, it is possible to improve the cut-off property of the flow path when power generation is stopped. In addition, since the biasing force of the elastic body can be reduced without lowering the cut-off performance by using the negative pressure load acting during the power generation stop in this way, the valve accompanying the opening and closing of the valve body can be reduced. The wear of the seat portion can be suppressed, and as a result, the life of the valve body and the valve seat portion can be extended. Further, by using an elastic body having a small urging force, the flow control valve can be made smaller and lighter accordingly.
この場合、前記流量制御バルブは、前記カソード流路のうち前記燃料電池から排出されたカソードガスが流通する流路(例えば、後述のエア排出配管22)に設けられ、前記弾性体は、前記弁体に対し前記燃料電池の反対側に設けられた可動バルブシート部(例えば、後述の可動バルブシート部44)を介して前記弁体のバルブシール面を前記バルブシート部に向って付勢し、前記弁体は、当該弾性体の付勢力により前記可動バルブシート部と前記バルブシート部との間に支承され、前記ハウジングの内部には、前記可動バルブシート部の前記燃料電池の反対側への変位量を所定量以下に規制する規制手段(例えば、後述の可動シートストッパ416)が設けられていることが好ましい。
In this case, the flow rate control valve is provided in a flow path (for example, an
この発明によれば、カソード流路のうち燃料電池から排出されたカソードガスが流通する流路に設けられた流量制御バルブについて、燃料電池の反対側に設けられた弾性体の付勢力により、弁体を可動バルブシート部とバルブシート部との間に支承した。このような流量制御バルブの弁体には、燃料電池の発電中、燃料電池の反対側へ弾性体による押付け荷重とは逆向きの差圧荷重が作用する。このため、差圧荷重が弾性体による押付け荷重を上回ると、可動バルブシート部が燃料電池の反対側へ変位してしまい、可動バルブシート部とバルブシート部との間から弁体が脱落するおそれがある。また、弁体とバルブシート部が大きく離れることにより、流量制御性が損なわれるおそれもある。本発明によれば、可動バルブシート部の燃料電池の反対側への変位量を所定量以下に規制する規制手段を設けたので、弾性体による押付け荷重を上回る負圧荷重が弁体に作用した場合であっても、弾性体の付勢力を強くすることなく、弁体が可動バルブシート部とバルブシート部との間から脱落することや、弁体とバルブシート部が大きく離れることにより、流量制御性が損なわれることを防止することができる。 According to the present invention, the flow rate control valve provided in the flow path in which the cathode gas discharged from the fuel cell in the cathode flow path circulates by the biasing force of the elastic body provided on the opposite side of the fuel cell. The body was supported between the movable valve seat part and the valve seat part. During the power generation of the fuel cell, a differential pressure load in the direction opposite to the pressing load by the elastic body acts on the valve body of such a flow control valve. For this reason, when the differential pressure load exceeds the pressing load by the elastic body, the movable valve seat portion is displaced to the opposite side of the fuel cell, and the valve body may fall off between the movable valve seat portion and the valve seat portion. There is. In addition, the flow rate controllability may be impaired due to the large separation between the valve body and the valve seat portion. According to the present invention, since the restricting means for restricting the amount of displacement of the movable valve seat portion to the opposite side of the fuel cell is provided to a predetermined amount or less, the negative pressure load exceeding the pressing load by the elastic body acts on the valve body. Even if it is a case, without increasing the urging force of the elastic body, the valve body may drop from between the movable valve seat part and the valve seat part, or the valve body and the valve seat part may be separated greatly. It is possible to prevent the controllability from being impaired.
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1の概略構成を示すブロック図である。
燃料電池システム1は、自動車に搭載され、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池10と、この燃料電池10に水素ガスやエア(空気)を供給および排出する供給装置20と、これら燃料電池10および供給装置20を制御する制御装置30と、を有する。
燃料電池10は、アノード電極(陰極)側にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極(陽極)側にカソードガスとしての酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention.
The fuel cell system 1 is mounted on an automobile and generates a power by reacting a reaction gas, a
The
供給装置20は、圧縮空気を生成するエアポンプ24と、燃料電池10に接続されエアポンプ24で圧縮した空気をカソード電極側に供給するカソードガス流路としてのエア供給配管21と、燃料電池10に接続されそのカソード電極側から空気を排出するカソードガス流路としてのエア排出配管22と、を備える。この他、供給装置20は、燃料電池10のアノード電極側に水素ガスを供給する図示しない水素供給配管と、燃料電池10のアノード電極側から水素ガスを排出する図示しない水素排出配管と、を備える。
エア供給配管21およびエア排出配管22には、加湿器23が設けられる。この加湿器23は、エア排出配管22を流通する空気に含まれる水分を回収し、この回収した水分を、エア供給配管21を流通する空気に加える。
The
The
エア供給配管21およびエア排出配管22のうち燃料電池10と加湿器23との間には、それぞれ、空気の流量を制御する入口流量制御バルブ50および出口流量制御バルブ40とが設けられる。これら流量制御バルブ40、50は、図示しないアクチュエータを介して制御装置30に接続されており、その開度は制御装置30から送信される制御信号に応じて制御される。
An inlet
図2は、出口流量制御バルブ40の縦断面の斜視図である。
出口流量制御バルブ40は、筒状のハウジング41と、ハウジング41の内壁面に沿って設けられた円環状の固定バルブシート部42と、固定バルブシート部42の一端面側に設けられた球状の弁体43と、環状の可動バルブシート部44を介して弁体43を固定バルブシート部42に向って付勢する弾性体としてのスプリング45と、弁体43を回動するシャフト軸46と、を備える。
FIG. 2 is a perspective view of a longitudinal section of the outlet flow
The outlet flow
この出口流量制御バルブ40は、ハウジング41の内部に回動可能に組み込まれた弁体43をシャフト軸46で回動することにより、ハウジング41内を流れる空気の流量を制御する所謂ボールバルブである。なお、図2の斜視図は、全開時における出口流量制御バルブ40の縦断面を示す。
図3は、全閉時における出口流量制御バルブ40の縦断面図である。
図4は、上記全開と全閉の間の中間開度における出口流量制御バルブ40の、シャフト軸46の延出方向に対し垂直な横断面図である。
The outlet flow
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the outlet flow
FIG. 4 is a cross-sectional view perpendicular to the extending direction of the
ハウジング41は、円筒状のハウジング本体411と、このハウジング本体411の両端側に設けられた第1継手412および第2継手413と、を備える。第1継手412は、エア排出配管のうち燃料電池側に接続され、第2継手413は、エア排出配管のうち燃料電池の反対側すなわち排気側に接続される。したがって、エアポンプで圧縮空気を燃料電池に供給し発電している間、出口流量制御バルブ40では、第1継手412側から第2継手413側へ向って空気が流れる。なお以下では、出口流量制御バルブ40について、ハウジング41の延出方向に沿って第1継手412側を燃料電池側といい、第2継手413側を排気側という。
The
ハウジング本体411の内壁面には、周方向に沿って段差部414が形成され、固定バルブシート部42は、ハウジング本体411の内部の段差部414に嵌挿されている。この固定バルブシート部42の内壁面のうち排気側には、部分球面状のシール面421が形成されている。
A stepped
弁体43は、ハウジング41の内部のうち、固定バルブシート部42の排気側に設けられている。弁体43の外周面は、球面状に形成されバルブシール面433となっている。弁体43は、このバルブシール面433の燃料電池側の面で固定バルブシート部42のシール面421に着座する。弁体43には、中心を貫通する貫通流路431が形成されている。この貫通流路431は、弁体43の一側面から反対側の側面へ直線状に延びる。また、弁体43の上部には、貫通流路431の延出方向に対し垂直な方向に沿って延びるキー溝432が形成されている。
シャフト軸46は、ハウジング本体411に形成された貫通孔415に挿通されている。シャフト軸46の先端には、弁体43のキー溝432に係合するキー部461が形成されている。
The
The
可動バルブシート部44は、ハウジング41の内部のうち弁体43に対し排気側に設けられている。この可動バルブシート部44の内壁面のうち燃料電池側には、弁体43のバルブシール面433が着座するように部分球面状のシール面441が形成されている。
スプリング45は、ハウジング41の内部のうち、可動バルブシート部44よりも排気側に設けられており、可動バルブシート部44を介して弁体43のバルブシール面433を固定バルブシート部42のシール面421に向って付勢する。これにより弁体43は、スプリング45の付勢力により可動バルブシート部44と固定バルブシート部42との間に回動可能に支承される。
The movable
The
このように、弁体43は2つのバルブシート部42、44に挟まれた状態でハウジング41内に保持されているため、例えば、弁体43が固定バルブシート部42に着座した状態から排気側へ変位すると、弁体43がこれらバルブシート部42、44の間から脱落したり、弁体43と固定バルブシート部42とが大きく離れてしまい流量制御性が低下したりするおそれがある。そこで、ハウジング本体411の内壁面のうち、可動バルブシート部44よりも排気側には、この可動バルブシート44の排気側への変位量を、弁体43が脱落しない程度の量、より好ましくは流量制御性が損なわれない程度の量に規制する規制手段としての環状の可動シートストッパ416が嵌挿されている。
Thus, since the
以上の出口流量制御バルブ40の動作について、図5を参照して説明する。
図5(a)は全開時の出口流量制御バルブの横断面図であり、図5(b)は中間開度時の出口流量制御バルブの横断面図であり、図5(c)は全閉時の出口流量制御バルブの横断面図である。
シャフト軸を駆動し、貫通流路431の延出方向とハウジング41の延出方向とが平行になるまで弁体43を回動すると、貫通流路431の開口と固定バルブシート部42の開口とが一致する。これにより、出口流量制御バルブ40は全開となる(図5(a)参照)。
シャフト軸を駆動し、弁体43を全開の状態から図5中時計周りに回動すると、固定バルブシート部42の開口の一部が弁体43のバルブシール面433により塞がれた状態となる(図5(b)参照)。
さらにシャフト軸を駆動し、貫通流路431の延出方向とハウジング41の延出方向とが垂直になるまで弁体43を回動すると、固定バルブシート部42の開口は、弁体43のバルブシール面433により完全に塞がれた状態となる。これにより、出口流量制御バルブ40は全閉となる(図5(c)参照)。
以上のように、固定バルブシート部42と可動バルブシート部44との間に支承された弁体43を回動し、貫通流路431の延出方向とハウジング41の延出方向との成す角を0〜90度の間で変えることにより、ハウジング41内を流通する空気の流量を連続的に変えることができる。
The operation of the outlet
FIG. 5A is a cross-sectional view of the outlet flow control valve when fully opened, FIG. 5B is a cross-sectional view of the outlet flow control valve when the opening is intermediate, and FIG. 5C is fully closed. It is a cross-sectional view of the outlet flow rate control valve at the time.
When the
When the shaft is driven and the
When the shaft is further driven and the
As described above, the
以上、出口流量制御バルブ40の構造について、図2から図5を参照して説明した。これに対して、入口流量制御バルブ50は、上述の可動シートストッパ416を備えない点のみ出口流量制御バルブ40と異なり、その他の構成は同じである。したがって、入口流量制御バルブ50の構造の詳細な説明を省略する。また、入口流量制御バルブ50の第1継手は、エア供給配管のうち燃料電池側に接続され、第2継手は、エア供給配管のうち燃料電池の反対側すなわちエアポンプ側に接続される。したがって、エアポンプで圧縮空気を燃料電池に供給し発電している間、入口流量制御バルブ50では、第2継手から第1継手側へ向って空気が流れる。なお以下では、入口流量制御バルブ50について、ハウジングの延出方向に沿って第1継手側を燃料電池側といい、第2継手側をエアポンプ側という。
The structure of the outlet
次に、燃料電池の発電停止中、並びに燃料電池の発電中において、各流量制御バルブの弁体に作用する荷重について説明する。
図6は、燃料電池の発電停止中における流量制御バルブ40、50の状態を模式的に示す図である。図6に示すように、制御装置は、燃料電池10の発電停止中、燃料電池10の劣化を防ぐために流量制御バルブ40、50を共に全閉する。
Next, the load acting on the valve body of each flow control valve when the power generation of the fuel cell is stopped and during the power generation of the fuel cell will be described.
FIG. 6 is a diagram schematically showing the state of the
先ず、入口流量制御バルブ50に着目する。燃料電池10の発電停止後、流量制御バルブ40、50を全閉しておくと、その温度低下、および封じ込めた空気中の酸素が化学反応により消費されることに起因して燃料電池内で発生する負圧により、弁体53には正の負圧荷重Fviが燃料電池側へ向って作用する。また、スプリング55により弁体53を燃料電池側の固定バルブシート部52へ向って付勢したので、弁体53には、正のスプリング荷重Fsiが上記負圧荷重Fviと同じ向きに作用する。したがって、固定バルブシート部52に作用するシート荷重Ftiは、下記式(1)に示すように、これらスプリング荷重Fsiと負圧荷重Fviとを合わせたものとなる。
Fti=Fsi+Fvi (1)
First, focus on the inlet
Fti = Fsi + Fvi (1)
次に、出口流量制御バルブ40に着目する。入口流量制御バルブ50と同様に、燃料電池の発電停止中、弁体43には正の負圧荷重Fvoが燃料電池側へ向って作用する。また、スプリング45により弁体43を燃料電池側の固定バルブシート部42へ向って付勢したので、弁体43には、正のスプリング荷重Fsoが上記負圧荷重Fvoと同じ向きに作用する。したがって、固定バルブシート部42に作用するシート荷重Ftoは、下記式(2)に示すように、これらスプリング荷重Fsoと負圧荷重Fvoとを合わせたものとなる。
Fto=Fso+Fvo (2)
Next, focus on the outlet
Fto = Fso + Fvo (2)
以上のように、本実施形態によれば、流量制御バルブ40、50共に、燃料電池10の発電停止中には、スプリング45、55によるスプリング荷重と同じ向きに負圧荷重が生じる。したがって、負圧荷重を利用して流量制御バルブ40、50共に締め切ることができるので、その分だけスプリング45、55の付勢力を小さくすることができる。
As described above, according to the present embodiment, both the
ここで例えば、燃料電池の発電停止中における配管21、22の締切り性を補償するために、最低限必要なシート荷重(以下、「必要シート荷重」という)をFt1とした場合に、発電停止中常にこの必要シート荷重Ft1より大きなシート荷重Fto、Ftiを加え続けるために必要なスプリング荷重の大きさについて検討する。
発電を停止してから再び発電を開始するまでの間において、上記負圧荷重Fvo、Fviは、発電停止直後がゼロであり最も小さく、その後、燃料電池の温度が下がるに従い、並びに、封じ込めた空気中の酸素の消費されるに従い大きくなる。したがって、上記式(1)、(2)によれば、発電停止中にシート荷重Fto、Ftiが最も小さくなるのは発電停止直後であり、その時のシート荷重はそれぞれのスプリング荷重Fso、Fsiと等しい。したがって、発電停止中、常に上記必要シート荷重Ft1より大きな荷重をかけ続けるためには、スプリング45、55ともに、高々必要シート荷重Ft1以上のスプリング荷重を生じるものを用いればよい。
Here, for example, when the minimum required seat load (hereinafter referred to as “required seat load”) is Ft1 in order to compensate for the cut-off performance of the
The negative pressure loads Fvo and Fvi are zero and the smallest immediately after the power generation is stopped after the power generation is stopped until the power generation is started again. Then, as the temperature of the fuel cell decreases, the enclosed air It grows as the oxygen in it is consumed. Therefore, according to the above formulas (1) and (2), the seat loads Fto and Fti are the smallest immediately after the power generation is stopped during the power generation stop, and the seat loads at that time are equal to the respective spring loads Fso and Fsi. . Therefore, in order to keep applying a larger load than the required seat load Ft1 while power generation is stopped, it is sufficient to use
以上のような本実施形態の流量制御バルブ40、50に対して、負圧荷重の向きとスプリングによるスプリング荷重の向きとが逆である場合、負圧荷重に抗してスプリングの付勢力で上記必要シート荷重を確保する必要があることから、上記必要シート荷重Ft1に負圧荷重の最大値を加えたスプリング荷重を生じるスプリングを用いなければならない。
In the case where the direction of the negative pressure load and the direction of the spring load by the spring are opposite to the
図7は、燃料電池の発電中における流量制御バルブ40、50の状態を示す図である。図6に示すように、制御装置は、燃料電池の発電中、入口流量制御バルブ50を全開にし、出口流量制御バルブ40を中間開度にすると共に、エアポンプを駆動し圧縮空気を燃料電池10に供給する。これにより、図6に示すように、入口流量制御バルブ50においては、エアポンプ側から燃料電池側へ空気が流れ、出口流量制御バルブ40においては、燃料電池側から排気側へ空気が流れる。
FIG. 7 is a diagram showing the state of the
先ず、入口流量制御バルブ50に着目する。入口流量制御バルブ50は、上述のように燃料電池の発電中、全開にする。このため、弁体53のエアポンプ側と燃料電池側との間で差圧が発生せず、したがって弁体53に差圧荷重は作用しない。一方、スプリング55によるスプリング荷重が弁体53に作用する。このため、発電中の入口流量制御バルブ50において、弁体53はスプリング55の付勢力により可動バルブシート部54と固定バルブシート部52との間に支承される。したがって、発電中に弁体53がバルブシート部52、54の間から脱落するおそれはない。
First, focus on the inlet
次に、出口流量制御バルブ40に着目する。出口流量制御バルブ40の弁体43には、スプリング45によるスプリング荷重が燃料電池側に作用する。また、出口流量制御バルブ40は、上述のように燃料電池の発電中、中間開度にする。このため、上述の入口流量制御バルブ50とは異なり、弁体53の燃料電池側と排気側との間で差圧が発生し、弁体43には正の差圧荷重がスプリング荷重とは反対の排気側に向って作用する。このため、この差圧荷重がスプリング荷重より大きくなると、可動バルブシート部44が排気側へ変位し、弁体43が固定バルブシート部42から離座するおそれがある。これに対して、上述のように、出口流量制御バルブ40には、可動バルブシート部44の排気側への変位量を、弁体43が脱落しない程度の量に規制する可動シートストッパ416を設けたので、弁体43がバルブシート部42、44の間から脱落したり、弁体43と固定バルブシート部42とが大きく離れてしまい流量制御性が低下したりすることがない。
Next, focus on the outlet
本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)本実施形態によれば、燃料電池10の発電停止中に弁体43、53に作用する負圧荷重の向きとスプリング荷重の向きとを同じにすることができるので、発電停止中における配管21、22の締切り性を向上することができる。また、このように発電停止中に作用する負圧荷重を利用して締切ることにより、締切り性を低下させることなくスプリング45、55の付勢力を小さくすることができるので、弁体の開閉に伴う固定バルブシート部42、52の磨耗を抑制し、結果として弁体43、53および固定バルブシート部42、52の寿命を長くすることができる。また、付勢力の小さなスプリング45、55を用いることにより、その分だけ流量制御バルブ40、50を小型かつ軽量にすることもできる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) According to the present embodiment, the direction of the negative pressure load acting on the
(2)本実施形態によれば、可動バルブシート部44の排気側への変位量を、弁体43が脱落しない程度の量以下に規制する可動シートストッパ416を設けたので、スプリング45によるスプリング荷重を上回る負圧荷重が弁体43に作用した場合であっても、スプリング45の付勢力を強くすることなく、弁体43がバルブシート部42、44の間から脱落したり、弁体43と固定バルブシート部42とが大きく離れてしまい流量制御性が低下したりするのを防止することができる。
(2) According to the present embodiment, since the
<変形例>
以下、上記実施形態の変形例を図面に基づいて説明する。
図8は、中間開度における出口流量制御バルブ40Aの、シャフト軸の延出方向に対し垂直な横断面図である。
図8に示すように、変形例の出口流量制御バルブ40Aは、上記実施形態の可動シートストッパ416と同じ構成の第1可動シートストッパ416Aに加えて、第2可動シートストッパ417Aをさらに備える点が上記実施形態と異なる。
<Modification>
Hereinafter, modifications of the above embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 8 is a transverse cross-sectional view of the outlet flow
As shown in FIG. 8, the outlet
上述のように、シャフト軸は、その先端に形成されたキー部461を、弁体43の上部に形成されたキー溝432に係合させることで連結されている。また、このキー溝432は、貫通流路431に対して垂直に形成されているため、弁体43の貫通流路431の延出方向に沿った変位はシャフト軸により規制されるが、貫通流路431の延出方向に対し垂直な方向への変位はシャフト軸により規制されない。
As described above, the shaft shaft is coupled by engaging the
このため、燃料電池の発電中に出口流量制御バルブ40Aを図8に示すような中間開度にすると、弁体43および可動バルブシート部44は、弁体43の径方向に沿って変位するおそれがある(図8中、白抜き矢印参照)。そこで、ハウジング本体411の内壁面のうち第1可動シートストッパ416Aよりも燃料電池側には、可動バルブシート部44の外周面に沿って、可動バルブシート部44の上記径方向に沿った変位量を所定量に規制する環状の第2可動シートストッパ417Aが嵌挿されている。
Therefore, if the outlet
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、出口流量制御バルブ40および入口流量制御バルブ50を、エア供給配管21およびエア排出配管22のうち加湿器23と燃料電池10との間に設けたが、これに限らない。例えば、これら流量制御バルブ40、50を、エア供給配管およびエア排出配管のうち加湿器を挟んで燃料電池と反対側の部分に設けてもよい。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes modifications and improvements as long as the object of the present invention can be achieved.
For example, in the above embodiment, the outlet flow
また、上記実施形態では、円筒状の可動バルブシート部44に対し、環状の可動シートストッパ416により、可動バルブシート部44の全周に当接してその変位を規制したが、これに限らない。可動シートストッパは、可動バルブシート部44の排気側への変位を規制できるものであればよく、例えばピンやプレートなどを用いてもよい。
また、上記実施形態では、2つの流量制御バルブ40、50のうち、出口流量制御バルブ40にのみ可動シートストッパ416を設けたが、これに限らない。入口流量制御バルブにも可動シートストッパを設けてもよい。
In the above embodiment, the cylindrical movable
Moreover, in the said embodiment, although the
1…燃料電池システム
10…燃料電池
21…エア供給配管(カソード流路)
22…エア排出配管(カソード流路)
40…出口流量制御バルブ(流量制御バルブ)
41…ハウジング
416…可動シートストッパ(規制部材)
416A…第1可動シートストッパ(規制部材)
42…固定バルブシート部(バルブシート部)
43…弁体
433…バルブシール面
44…可動バルブシート部
50…入口流量制御バルブ(流量制御バルブ)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
22 ... Air discharge pipe (cathode flow path)
40 ... Outlet flow control valve (flow control valve)
41 ...
416A: First movable sheet stopper (regulating member)
42 ... Fixed valve seat (valve seat)
43 ...
Claims (2)
前記流量制御バルブは、筒状のハウジングと、当該ハウジングの内壁面に沿って設けられたバルブシート部と、当該バルブシート部の一端面側に設けられた弁体と、を備え、
前記弁体は、前記燃料電池側のバルブシール面で前記バルブシート部に着座し、
前記ハウジングの内部には、前記弁体のバルブシール面を前記バルブシート部に向って付勢する弾性体が設けられることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electric power by reaction of the reaction gas; and a cathode channel that is connected to the fuel cell and through which the cathode gas flows. The cathode channel is provided with a flow rate control valve that controls the flow rate of the cathode gas. A fuel cell system,
The flow control valve includes a cylindrical housing, a valve seat portion provided along the inner wall surface of the housing, and a valve body provided on one end surface side of the valve seat portion,
The valve body is seated on the valve seat portion at a valve seal surface on the fuel cell side,
The fuel cell system according to claim 1, wherein an elastic body that urges the valve seal surface of the valve body toward the valve seat portion is provided inside the housing.
前記弾性体は、前記弁体に対し前記燃料電池の反対側に設けられた可動バルブシート部を介して前記弁体のバルブシール面を前記バルブシート部に向って付勢し、
前記弁体は、当該弾性体の付勢力により前記可動バルブシート部と前記バルブシート部との間に支承され、
前記ハウジングの内部には、前記可動バルブシート部の前記燃料電池の反対側への変位量を所定量以下に規制する規制手段が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The flow rate control valve is provided in a flow path in which the cathode gas discharged from the fuel cell flows in the cathode flow path,
The elastic body biases the valve seal surface of the valve body toward the valve seat portion via a movable valve seat portion provided on the opposite side of the fuel cell with respect to the valve body,
The valve body is supported between the movable valve seat portion and the valve seat portion by the urging force of the elastic body,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein a regulating means is provided inside the housing for regulating a displacement amount of the movable valve seat portion to the opposite side of the fuel cell to a predetermined amount or less. system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010091427A JP2011222356A (en) | 2010-04-12 | 2010-04-12 | Fuel cell system |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018026319A (en) * | 2016-07-28 | 2018-02-15 | 愛三工業株式会社 | Fuel cell system |
US9911991B2 (en) | 2016-02-18 | 2018-03-06 | Hyundai Motor Company | Air shut-off valve apparatus for fuel cell system |
US10658687B2 (en) | 2016-12-14 | 2020-05-19 | Hyundai Motor Company | Air shut-off valve apparatus for fuel cell system and method of controlling same |
-
2010
- 2010-04-12 JP JP2010091427A patent/JP2011222356A/en active Pending
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