JP4454905B2 - 逆流防止弁およびこれを備える燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体の流れを一方向のみ許容する逆流防止弁に関するものであり、特に、燃料電池に関連する流体の流れを一方向のみ許容する逆流防止弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。この燃料電池では、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。
【０００３】
また、この種の燃料電池を用いた燃料電池システムでは、一般に、発電に供された後に燃料電池から排出される燃料ガス、すなわち燃料オフガスには未反応の燃料ガスが含まれているので、燃費向上のため、燃料オフガスを回収し、燃料オフガス循環流路を介して燃料ガス供給流路に合流させ、新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給している。
【０００４】
さらに、この燃料電池システムでは、システムの運転停止時などに、燃料電池を通っていない湿度の低い水素ガスを、システム運転時と同経路で流すことにより、燃料電池および燃料ガス流路内に残留する湿度の高い燃料ガスを掃気して、低湿度雰囲気にする場合があるが、この時に、湿度の低い燃料ガスが燃料オフガス循環流路を逆流しショートパスしてしまわないように、燃料オフガス循環流路に逆流防止弁を設置している。
この例に限らず、燃料電池システムにおいては、燃料電池に関連する流体の流れを一方向のみ許容する必要があるときに、逆流防止弁が用いられている。逆流防止弁としては、構造が簡単で取り扱い易く、安価なことなどの利点からリードバルブが多く採用されている。
【０００５】
このリードバルブを燃料電池システムにおいて使用する場合には、このシステムが氷点下の雰囲気に曝されるなどで流路内に存在する水が凍結した際の作動性を確保する必要がある。すなわち、凍結による付着等に起因してリードバルブの作動性が悪くなると、燃料電池への燃料ガス供給が遅れ、燃料電池の迅速な立ち上がりを妨げることになるからである。
そのため、従来は、リードバルブとバルブシートの両接触面に四フッ化エチレン等の撥水性材料でコーティングを施し、水を付着しにくくすることにより凍結を防止したり、あるいは、リードバルブを垂直に設置することでリードバルブに付着した水滴を落下し易くするなどして対処している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のリードバルブに対する凍結防止対策では、リードバルブに残った微量の水滴が氷結するのを防止することができず、この微量の氷結が開弁荷重の大幅な増大を招いて作動性が悪化するという問題が生じた。また、開弁時のストローク制限を行うストッパを備えるリードバルブにおいては、凍結時に開弁できたとしても、リードバルブとストッパーとの間で氷結した氷塊が開弁時のストロークを狭めてしまい、非凍結時と比較して流体が流れにくくなるという問題が生じた。
そこで、この発明は、凍結後における開弁荷重の低減化と、凍結に起因する開弁時のストローク制限の緩和が可能で、凍結後の作動性を向上させることができる逆流防止弁およびこれを備える燃料電池システムを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）から排出されたオフガスが流通する流路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路６）上に設置され、前記流路のオフガス（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス）の流れに対し並列に配置されるとともに許容する流れ方向を同一にする第１リードバルブ（例えば、後述する実施の形態における第１リードバルブ２１）と第２リードバルブ（例えば、後述する実施の形態における第２リードバルブ２２）とを備え、前記第１リードバルブは開放側端部（例えば、後述する実施の形態における開放側端部２１ｂ）を上方に固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２１ａ）を下方にして配置され、前記第２リードバルブは開放側端部（例えば、後述する実施の形態における開放側端部２２ｂ）を下方に固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２２ａ）を上方にして配置され、前記第１リードバルブの開弁時のストロークを制限するストッパ（例えば、後述する実施の形態におけるストッパ２３）をさらに備え、前記ストッパの固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２３ａ）は前記第１リードバルブの固定側端部とともに固定され、前記ストッパの自由端部（例えば、後述する実施の形態における自由端部２３ｂ）には周縁を残して開口する穴（例えば、後述する実施の形態における穴２３ｃ）が形成されていることを特徴とする逆流防止弁（例えば、後述する実施の形態における逆流防止弁１０）である。
【０００８】
このように構成することにより、第１リードバルブは開放側端部を上方に位置させているので、開放側端部に水滴が付着しても、この水滴は重力により流れ落ちるため、開放側端部には殆ど水滴が残らなくなり、開放側端部における凍結量が極めて少なくなる。したがって、凍結後の第１リードバルブの開弁荷重を小さくすることが可能となる。第１リードバルブでは、下方に配置した固定側端部に水滴が集まり易くなるが、第１リードバルブとストッパの間に落水した水滴はストッパに形成された穴から抜け落ちるので、第１リードバルブの固定側端部に残留する水滴量が極めて少なくなり、固定側端部における凍結量を極めて少なくすることができる。その結果、凍結に起因する第１リードバルブの開弁時のストロークの制限量（以下、単に「ストローク制限」と記す）を極めて小さくすることができる。
一方、第２リードバルブは開放側端部を下方に位置させているので、第１リードバルブに比べて開放側端部に水滴が集まり易く、開放側端部における凍結量が第１リードバルブに比べて多くなる。その結果、凍結時の第２リードバルブの開弁荷重は第１リードバルブよりも大きくなる。しかしながら、第２リードバルブでは、上方に配置した固定側端部には水滴が溜まりにくく、凍結に起因する開弁時のストローク制限は第１リードバルブに比較して極めて小さくなる。
したがって、この逆流防止弁においては、凍結後の開弁時には、初めに小さな開弁荷重で第１リードバルブが開弁し、第１リードバルブを流れる流体の流量が増大するにしたがって第２リードバルブに作用する圧力が徐々に増大し、やがてこの圧力に基づく力が第２リードバルブの開弁荷重に達すると、第２リードバルブも開弁する。第２リードバルブでは凍結に起因する開弁時のストローク制限が小さいので、一度開弁すれば大きく開いて大流量を流すことが可能になる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）から排出されたオフガスが流通する流路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路６）上に設置されて、前記流路のオフガス（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス）の流れに対し一方向のみの流れを許容する逆流防止弁（例えば、後述する実施の形態における逆流防止弁１０）であって、弁ハウジング（例えば、後述する実施の形態における弁ハウジング１３）の内部には隔壁（例えば、後述する実施の形態における隔壁１４）を挟んで第１圧力室（例えば、後述する実施の形態における第１圧力室３１）と第２圧力室（例えば、後述する実施の形態における第２圧力室３２）が設けられ、前記隔壁には、前記第１圧力室と前記第２圧力室を連通する第１連通孔（例えば、後述する実施の形態における第１連通孔１８）と第２連通孔（例えば、後述する実施の形態における第２連通孔１９）が形成されており、前記隔壁において前記第１圧力室と前記第２圧力室のいずれか一方の圧力室側に、前記第１連通孔を開閉する第１リードバルブ（例えば、後述する実施の形態における第１リードバルブ２１）が開放側端部（例えば、後述する実施の形態における開放側端部２１ｂ）を上方に固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２１ａ）を下方に配置して設置されるとともに、前記第２連通孔を開閉する第２リードバルブ（例えば、後述する実施の形態における第２リードバルブ２２）が開放側端部（例えば、後述する実施の形態における開放側端部２２ｂ）を下方に固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２２ａ）を上方に配置して設置され、前記第１リードバルブの開弁時のストロークを制限するストッパ（例えば、後述する実施の形態におけるストッパ２３）をさらに備え、前記ストッパの固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２３ａ）は前記第１リードバルブの固定側端部とともに固定され、前記ストッパの自由端部（例えば、後述する実施の形態における自由端部２３ｂ）には周縁を残して開口する穴（例えば、後述する実施の形態における穴２３ｃ）が形成されていることを特徴とする逆流防止弁である。
【００１０】
このように構成することにより、前記隔壁において前記第１圧力室と前記第２圧力室のいずれか一方の圧力室側に、第１リードバルブと第２リードバルブの両方を設けているので、両リードバルブとも流体に対し許容する流れ方向が同一になる。また、第１リードバルブは開放側端部を上方に位置させているので、開放側端部に水滴が付着しても、この水滴は重力により流れ落ちるため、開放側端部には殆ど水滴が残らなくなり、開放側端部における凍結量が極めて少なくなる。したがって、凍結後の第１リードバルブの開弁荷重を小さくすることが可能となる。第１リードバルブでは、下方に配置した固定側端部に水滴が集まり易くなるが、第１リードバルブとストッパの間に落水した水滴はストッパに形成された穴から抜け落ちるので、第１リードバルブの固定側端部に残留する水滴量が極めて少なくなり、固定側端部における凍結量を極めて少なくすることができる。その結果、凍結に起因する第１リードバルブの開弁時のストローク制限を極めて小さくすることができる。
一方、第２リードバルブは開放側端部を下方に位置させているので、第１リードバルブに比べて開放側端部に水滴が集まり易く、開放側端部における凍結量が第１リードバルブに比べて多くなる。その結果、凍結時の第２リードバルブの開弁荷重は第１リードバルブよりも大きくなる。しかしながら、第２リードバルブでは、上方に配置した固定側端部には水滴が溜まりにくく、凍結に起因する開弁時のストローク制限は第１リードバルブに比較して極めて小さくなる。
したがって、この逆流防止弁においては、凍結後の開弁時には、初めに小さな開弁荷重で第１リードバルブが開弁し、第１リードバルブを流れる流体の流量が増大するにしたがって第２リードバルブに作用する圧力が徐々に増大し、やがてこの圧力に基づく力が第２リードバルブの開弁荷重に達すると、第２リードバルブも開弁する。第２リードバルブでは凍結に起因する開弁時のストローク制限が小さいので、大流量を流すことが可能になる。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、燃料ガス（例えば、後述する実施の形態における水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、後述する実施の形態における空気）とを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料ガスとして再び前記燃料電池へ供給する循環流路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路６）と、前記循環流路に設置された請求項１または請求項２に記載の逆流防止弁（例えば、後述する実施の形態における逆流防止弁１０）と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
このように構成することにより、逆流防止弁の凍結後に燃料電池を運転開始する時に、循環流路を迅速に開通させることが可能になるとともに、該循環流路を流れる燃料オフガスの流量を素早く増大させることが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る逆流防止弁およびこれを備える燃料電池システムの一実施の形態を図１から図６の図面を参照して説明する。
図１は燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガスとしての水素ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスとしての空気を供給すると、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応により電気エネルギが取り出される。
【００１４】
酸化剤ガスとしての空気はコンプレッサ２により所定圧力に昇圧されて燃料電池１のカソードに供給される。この空気は発電に供された後、燃料電池１から空気オフガスとして排出され、圧力制御弁３を介して排出される。一方、図示しない燃料供給装置から供給される燃料ガスとしての水素ガスは水素ガス供給流路４およびエゼクタ５を通って燃料電池１のアノードに供給される。水素ガスは発電に供された後、燃料電池１から水素オフガスとして排出され、水素オフガス循環流路６を通ってエゼクタ５に吸引され、前記燃料供給装置から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池１のアノードに供給される。
【００１５】
水素オフガス循環流路６には、水素ガス供給流路４を流れる水素ガスがエゼクタ５から水素オフガス循環流路６に逆流しないように逆流防止弁１０が配置されるとともに、水素オフガス循環流路６を流れるガスを系外に排出するためのパージ弁７が配置されている。
パージ弁７は通常の発電運転時には閉じており、必要に応じて開く弁である。例えば、燃料電池１は発電に伴って水を生成することから燃料電池１内は高湿度の状態にあり、その状態で燃料電池システムを停止すると、寒冷時に燃料電池１内に留まっているガス流路内の水分が凍結して、運転再開時に反応ガスの流れを妨げたり、固体高分子電解質膜が凍結して運転再開時の発電効率を低下させるなど種々の問題が生じるので、燃料電池システムの運転停止時には、パージ弁７を開き、発電を停止した状態で水素ガスを燃料電池１のアノードに供給して燃料電池１内に溜まっている高湿度の水素ガスを掃気し、水素オフガス循環流路６を介してパージ弁７から系外に排出する。このようにパージ弁７を開けた時に、逆流防止弁１０は、水素ガス供給流路４を流れる水素ガスがエゼクタ４から水素オフガス循環流路６にショートパスするのを防止する。なお、この実施の形態において、水素ガス供給流路４と水素オフガス循環流路６は燃料系流路を構成しており、この燃料系流路に逆流防止弁１０が配置されている。
【００１６】
次に、図２から図４の図面を参照して、逆流防止弁１０を説明する。
図２は逆流防止弁１０の分解斜視図、図３は逆流防止弁１０の横断面図である。
逆流防止弁１０は、第１ハウジング１１と第２ハウジング１２を連結してなる弁ハウジング１３を備えている。第１ハウジング１１は水素オフガス循環流路６におけるに上流側（すなわち燃料電池１およびパージ弁７に近い側）に配置され、第２ハウジング１２は水素オフガス循環流路６における下流側（すなわちエゼクタ５に近い側）配置される。なお、図４は第１ハウジング１１側の縦断面図である。
【００１７】
第１ハウジング１１は、第２ハウジング１２との連結側に設けられた平板状の隔壁１４と、隔壁１４から延設され内部が第１圧力室３１にされた円筒部１６を備えており、円筒部１６の端面には水素オフガス循環流路６に接続されるガス入口孔１７が設けられ、隔壁１４には第１圧力室３１に連なる第１連通孔１８と第２連通孔１９が互いに上下方向および左右方向に位置をずらして設けられている。両連通孔１８，１９は同一形状、同一寸法の角形に形成されており、両連通孔１８，１９の下側内面は、第１圧力室３１に向かって下方に傾斜するテーパ面１８ａ，１９ａで構成されている。
【００１８】
第２ハウジング１２は断面ハット形をなし、内部が第２圧力室３２にされている。第２ハウジング１２の鍔部２１は第１ハウジング１１の隔壁１４の周縁部に連結されて第１ハウジング１１と一体化され、第２ハウジング１２の端面には水素オフガス循環流路６に接続されるガス出口孔２２が設けられている。
【００１９】
そして、隔壁１４において第２ハウジング１２が連結される側の面には、第１連通孔１８を開閉する第１リードバルブ２１と、第２連通孔１９を開閉する第２リードバルブ２２が取り付けられている。これらリードバルブ２１，２２はいずれも第１圧力室３１と第２圧力室３２の圧力差に基づいて開閉動作が行われる。
【００２０】
第１リードバルブ２１は、固定側端部２１ａを下方に配置し、開放側端部２１ｂを上方に配置して取り付けられており、第１リードバルブ２１の背面側には、第１リードバルブ２１の開弁時のストロークを制限するストッパ２３が設置されている。ストッパ２３の固定側端部２３ａは下方に配置されて第１リードバルブ２１の固定側端部２１ａとともに隔壁１４に固定されており、ストッパ２３の自由端部２３ｂは第２圧力室３２へ向かって斜め上方に延びている。ストッパ２３の自由端部２３ｂには、自由端部２３ｂの周縁だけを残して開口する大きな穴２３ｃが形成されている。
【００２１】
一方、第２リードバルブ２２は第１リードバルブ２１とは上下逆向きに取り付けられている。すなわち、第２リードバルブ２２は、固定側端部２２ａを上方に配置し、開放側端部２２ｂを下方に配置して取り付けられており、第２リードバルブ２２の背面側には、第２リードバルブ２２の開弁時のストロークを制限するストッパ２４が設置されている。ストッパ２４の固定側端部２４ａは上方に配置されて第２リードバルブ２２の固定側端部２２ａとともに隔壁１４に固定されており、ストッパ２４の自由端部２４ｂは第２圧力室３２へ向かって斜め下方に延びている。ストッパ２４の自由端部２４ｂには、自由端部２４ｂの周縁だけを残して開口する大きな穴２４ｃが形成されている。
【００２２】
第１リードバルブ２１および第２リードバルブ２２はいずれも第１圧力室３１と第２圧力室３２に圧力差がない時には閉状態となるが、この閉状態において開放側端部２１ｂ，２２ｂの先端と隔壁１４との間に微小（例えば、０．４ｍｍ程度）の隙間Δｄが形成されるように、両リードバルブ２１，２２は予め設定された取付姿勢にされている。なお、この閉状態において隙間Δｄが存在していても、隙間Δｄが存在しない場合と比較して漏れ量に殆ど差が見られないことが実験的に確認されている。
【００２３】
そして、第１圧力室３１内のガス圧力が第２圧力室３２内のガス圧力よりも大きくなると、そのガス差圧に基づく力が第１リードバルブ２１の開放側端部２１ｂおよび第２リードバルブ２２の開放側端部２２ｂに開弁方向に作用し、第１リードバルブ２１および第２リードバルブ２２は圧力差の大きさに応じた開度で開弁する。その結果、第１圧力室３１内のガスが第１連通孔１８、第２連通孔１９を通って第２圧力室３２へと流れる。
その逆に、第２圧力室３２内のガス圧力が第１圧力室３１内のガス圧力よりも大きくなると、そのガス差圧に基づく力が第１リードバルブ２１の開放側端部２１ｂおよび第２リードバルブ２２の開放側端部２２ｂに閉弁方向に作用し、第１リードバルブ２１および第２リードバルブ２２は隔壁１４に押し付けられて閉弁する。すなわち、この逆流防止弁１０では、第１リードバルブ２１と第２リードバルブ２２がいずれも隔壁１４において第２圧力室３２に面する側に取り付けられているので、水素ガスに対して許容する流れ方向が同一になる。
【００２４】
次に、この逆流防止弁１０の作用を説明する。
燃料電池システムを運転停止した時に、逆流防止弁１０内に僅かながら湿気が残った場合を考える。このシステム停止後にシステムの周囲が寒冷雰囲気になると、逆流防止弁１０内に残った湿気が第１リードバルブ２１、第２リードバルブ２２、および、ストッパ２３，２４の表面で結露して水滴となる。
【００２５】
ところが、第１リードバルブ２１は開放側端部２１ｂを上方に位置させているので、開放側端部２１ｂに水滴が付着しても、この水滴は重力により流れ落ちるため、開放側端部２１ｂには殆ど水滴が残らなくなる。したがって、その後、水滴が凍結するような寒冷雰囲気になっても、第１リードバルブ２１の開放側端部２１ｂにおける凍結量は極めて少なくなる。その結果、凍結後の第１リードバルブ２１の開弁荷重は極めて小さくなる。
【００２６】
なお、第１リードバルブ２１では、下方に配置した固定側端部２１ａに水滴が集まり易くなるが、第１リードバルブ２１とストッパ２３の間に落水した水滴はストッパ２３に形成された穴２３ｃから抜け落ち、また、第１連通孔１８の下部内周面がテーパ面１８ａに形成されているので、第１連通孔１８の下部内周面にも水滴が付着しにくくなる。これにより、第１リードバルブ２１の固定側端部２１ａに残留する水滴量が極めて少なくなり、固定側端部２１ａにおける凍結量を極めて少なくすることができる。その結果、凍結後のシステム運転開始時における第１リードバルブ２１の凍結に起因する開弁時のストローク制限を極めて小さくすることができる。
【００２７】
一方、第２リードバルブ２２は開放側端部２２ｂを下方に位置させているので、第１リードバルブ２１に比べると開放側端部２２ｂに水滴が集まり易く、開放側端部２２ｂにおける凍結量が第１リードバルブ２１に比べて多くなる。その結果、凍結時の第２リードバルブの開弁荷重は第１リードバルブよりも大きくなる。しかしながら、第２リードバルブ２２では、上方に配置した固定側端部２２ａには水滴が溜まりにくく、凍結に起因する開弁時のストローク制限が第１リードバルブ２１よりもさらに小さくなる。
【００２８】
したがって、逆流防止弁１０に付着した水が凍結した状態で、水素ガス供給流路４を介して燃料電池１に水素ガスを供給し、燃料電池１から排出される水素オフガスを水素オフガス循環流路６を介して逆流防止弁１０に供給した場合、この逆流防止弁１０においては、初めに小さな開弁荷重で第１リードバルブ２１が開弁し、第１リードバルブ２１を流れる流体（すなわち、水素オフガス）の流量が増大するにしたがって第２リードバルブ２２に作用する圧力も徐々に大きくなり、やがてこの圧力に基づく力が第２リードバルブ２２の開弁荷重に達すると、第２リードバルブ２２も開弁する。しかも、第２リードバルブ２２は凍結に起因する開弁時のストローク制限が極めて小さいので一度開弁すれば大きく開くことが可能であり、その結果、第２リードバルブ２２の開弁により大流量の水素オフガスを流すことが可能となる。
【００２９】
図５は第１リードバルブ２１の流量特性を示しており、第１リードバルブ２１に加わる圧力（以下、「バルブ供給圧」と称す）とガス流量の関係を常温時とマイナス２０゜Ｃの時とで比較したものである。この例では、凍結時、第１リードバルブ２１のバルブ供給圧が約２ｋＰａに達したところで、第１リードバルブ２１の凍結による貼り付きが解除されて開弁を開始する。
また、図６は第２リードバルブ２２の流量特性を示しており、第２リードバルブ２２に加わる圧力（以下、「バルブ供給圧」と称す）とガス流量の関係を常温時とマイナス２０゜Ｃの時とで比較したものである。この例では、凍結時、第１リードバルブ２１の貼り付きが解除されるまで第２リードバルブ２２のバルブ供給圧は上昇し続け、第１リードバルブ２１の貼り付きが解除されると第２リードバルブ２２の供給圧は一旦低下し、その後、流量の増大に伴って再び増大し、第２リードバルブ２２のバルブ供給圧が再び約２ｋＰａに達したところで、第２リードバルブ２２の凍結による貼り付きが解除されて開弁し、開弁後は殆ど常温時と同じ流量特性となる。
なお、第１リードバルブ２１の貼り付き解除後、第２リードバルブ２２の貼り付き解除前において、第２リードバルブ２２のバルブ供給圧が第１リードバルブ２１のバルブ供給圧よりも低いのは、第２リードバルブ２２が流れの淀む位置にあることによるものと推察される。
【００３０】
このように、この実施の形態の逆流防止弁１０によれば、凍結後運転再開時における開弁荷重を低減することができるとともに、凍結に起因するストローク制限が緩和されるので、凍結後における逆流防止弁１０の作動性が従来よりも格段に向上する。
また、逆流防止弁１０が凍結した後に燃料電池システムを運転開始する時に、水素オフガス循環流路６を迅速に開通させることができるとともに、水素オフガス循環量を素早く増大させることができるので、燃料電池１を早期に定常発電状態にすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１あるいは請求項２に記載した発明によれば、逆流防止弁の凍結後の開弁時には、初めに小さな開弁荷重で第１リードバルブが開弁し、小流量の流体が第１リードバルブを流れるようになり、流量の増大に伴い第２リードバルブに作用する力が大きくなり、第２リードバルブの開弁荷重に達すると、第２リードバルブも開弁して、大流量の流体を流すことができるので、凍結後における開弁荷重の低減化と、凍結に起因する開弁時のストローク制限の緩和が可能となり、逆流防止弁の凍結後の作動性が向上するという優れた効果が奏される。
【００３２】
請求項３に記載した発明によれば、逆流防止弁の凍結後に燃料電池システムを運転開始する時に、循環流路を迅速に開通させることが可能になるとともに、該循環流路を流れる燃料オフガスの流量を素早く増大させることができるので、燃料電池を早期に定常発電状態にすることができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る逆流防止弁を備えた燃料電池システムの一実施の形態における概略構成図である。
【図２】 前記逆流防止弁の分解斜視図である。
【図３】 前記逆流防止弁の横断面図である。
【図４】 前記逆流防止弁の第１ハウジング側の縦断面図である。
【図５】 前記逆流防止弁における第１リードバルブの流量特性図である。
【図６】 前記逆流防止弁における第２リードバルブの流量特性図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
６ 水素オフガス循環流路（燃料系流路）
１０ 逆流防止弁
１３ 弁ハウジング
１４ 隔壁
１８ 第１連通孔
１９ 第２連通孔
２１ 第１リードバルブ
２１ａ 固定側端部
２１ｂ 開放側端部
２２ 第２リードバルブ
２２ａ 固定側端部
２２ｂ 開放側端部
３１ 第１圧力室
３２ 第２圧力室
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体の流れを一方向のみ許容する逆流防止弁に関するものであり、特に、燃料電池に関連する流体の流れを一方向のみ許容する逆流防止弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。この燃料電池では、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。
【０００３】
また、この種の燃料電池を用いた燃料電池システムでは、一般に、発電に供された後に燃料電池から排出される燃料ガス、すなわち燃料オフガスには未反応の燃料ガスが含まれているので、燃費向上のため、燃料オフガスを回収し、燃料オフガス循環流路を介して燃料ガス供給流路に合流させ、新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給している。
【０００４】
さらに、この燃料電池システムでは、システムの運転停止時などに、燃料電池を通っていない湿度の低い水素ガスを、システム運転時と同経路で流すことにより、燃料電池および燃料ガス流路内に残留する湿度の高い燃料ガスを掃気して、低湿度雰囲気にする場合があるが、この時に、湿度の低い燃料ガスが燃料オフガス循環流路を逆流しショートパスしてしまわないように、燃料オフガス循環流路に逆流防止弁を設置している。
この例に限らず、燃料電池システムにおいては、燃料電池に関連する流体の流れを一方向のみ許容する必要があるときに、逆流防止弁が用いられている。逆流防止弁としては、構造が簡単で取り扱い易く、安価なことなどの利点からリードバルブが多く採用されている。
【０００５】
このリードバルブを燃料電池システムにおいて使用する場合には、このシステムが氷点下の雰囲気に曝されるなどで流路内に存在する水が凍結した際の作動性を確保する必要がある。すなわち、凍結による付着等に起因してリードバルブの作動性が悪くなると、燃料電池への燃料ガス供給が遅れ、燃料電池の迅速な立ち上がりを妨げることになるからである。
そのため、従来は、リードバルブとバルブシートの両接触面に四フッ化エチレン等の撥水性材料でコーティングを施し、水を付着しにくくすることにより凍結を防止したり、あるいは、リードバルブを垂直に設置することでリードバルブに付着した水滴を落下し易くするなどして対処している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のリードバルブに対する凍結防止対策では、リードバルブに残った微量の水滴が氷結するのを防止することができず、この微量の氷結が開弁荷重の大幅な増大を招いて作動性が悪化するという問題が生じた。また、開弁時のストローク制限を行うストッパを備えるリードバルブにおいては、凍結時に開弁できたとしても、リードバルブとストッパーとの間で氷結した氷塊が開弁時のストロークを狭めてしまい、非凍結時と比較して流体が流れにくくなるという問題が生じた。
そこで、この発明は、凍結後における開弁荷重の低減化と、凍結に起因する開弁時のストローク制限の緩和が可能で、凍結後の作動性を向上させることができる逆流防止弁およびこれを備える燃料電池システムを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）から排出されたオフガスが流通する流路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路６）上に設置され、前記流路のオフガス（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス）の流れに対し並列に配置されるとともに許容する流れ方向を同一にする第１リードバルブ（例えば、後述する実施の形態における第１リードバルブ２１）と第２リードバルブ（例えば、後述する実施の形態における第２リードバルブ２２）とを備え、前記第１リードバルブは開放側端部（例えば、後述する実施の形態における開放側端部２１ｂ）を上方に固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２１ａ）を下方にして配置され、前記第２リードバルブは開放側端部（例えば、後述する実施の形態における開放側端部２２ｂ）を下方に固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２２ａ）を上方にして配置され、前記第１リードバルブの開弁時のストロークを制限するストッパ（例えば、後述する実施の形態におけるストッパ２３）をさらに備え、前記ストッパの固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２３ａ）は前記第１リードバルブの固定側端部とともに固定され、前記ストッパの自由端部（例えば、後述する実施の形態における自由端部２３ｂ）には周縁を残して開口する穴（例えば、後述する実施の形態における穴２３ｃ）が形成されていることを特徴とする逆流防止弁（例えば、後述する実施の形態における逆流防止弁１０）である。
【０００８】
このように構成することにより、第１リードバルブは開放側端部を上方に位置させているので、開放側端部に水滴が付着しても、この水滴は重力により流れ落ちるため、開放側端部には殆ど水滴が残らなくなり、開放側端部における凍結量が極めて少なくなる。したがって、凍結後の第１リードバルブの開弁荷重を小さくすることが可能となる。第１リードバルブでは、下方に配置した固定側端部に水滴が集まり易くなるが、第１リードバルブとストッパの間に落水した水滴はストッパに形成された穴から抜け落ちるので、第１リードバルブの固定側端部に残留する水滴量が極めて少なくなり、固定側端部における凍結量を極めて少なくすることができる。その結果、凍結に起因する第１リードバルブの開弁時のストロークの制限量（以下、単に「ストローク制限」と記す）を極めて小さくすることができる。
一方、第２リードバルブは開放側端部を下方に位置させているので、第１リードバルブに比べて開放側端部に水滴が集まり易く、開放側端部における凍結量が第１リードバルブに比べて多くなる。その結果、凍結時の第２リードバルブの開弁荷重は第１リードバルブよりも大きくなる。しかしながら、第２リードバルブでは、上方に配置した固定側端部には水滴が溜まりにくく、凍結に起因する開弁時のストローク制限は第１リードバルブに比較して極めて小さくなる。
したがって、この逆流防止弁においては、凍結後の開弁時には、初めに小さな開弁荷重で第１リードバルブが開弁し、第１リードバルブを流れる流体の流量が増大するにしたがって第２リードバルブに作用する圧力が徐々に増大し、やがてこの圧力に基づく力が第２リードバルブの開弁荷重に達すると、第２リードバルブも開弁する。第２リードバルブでは凍結に起因する開弁時のストローク制限が小さいので、一度開弁すれば大きく開いて大流量を流すことが可能になる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）から排出されたオフガスが流通する流路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路６）上に設置されて、前記流路のオフガス（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス）の流れに対し一方向のみの流れを許容する逆流防止弁（例えば、後述する実施の形態における逆流防止弁１０）であって、弁ハウジング（例えば、後述する実施の形態における弁ハウジング１３）の内部には隔壁（例えば、後述する実施の形態における隔壁１４）を挟んで第１圧力室（例えば、後述する実施の形態における第１圧力室３１）と第２圧力室（例えば、後述する実施の形態における第２圧力室３２）が設けられ、前記隔壁には、前記第１圧力室と前記第２圧力室を連通する第１連通孔（例えば、後述する実施の形態における第１連通孔１８）と第２連通孔（例えば、後述する実施の形態における第２連通孔１９）が形成されており、前記隔壁において前記第１圧力室と前記第２圧力室のいずれか一方の圧力室側に、前記第１連通孔を開閉する第１リードバルブ（例えば、後述する実施の形態における第１リードバルブ２１）が開放側端部（例えば、後述する実施の形態における開放側端部２１ｂ）を上方に固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２１ａ）を下方に配置して設置されるとともに、前記第２連通孔を開閉する第２リードバルブ（例えば、後述する実施の形態における第２リードバルブ２２）が開放側端部（例えば、後述する実施の形態における開放側端部２２ｂ）を下方に固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２２ａ）を上方に配置して設置され、前記第１リードバルブの開弁時のストロークを制限するストッパ（例えば、後述する実施の形態におけるストッパ２３）をさらに備え、前記ストッパの固定側端部（例えば、後述する実施の形態における固定側端部２３ａ）は前記第１リードバルブの固定側端部とともに固定され、前記ストッパの自由端部（例えば、後述する実施の形態における自由端部２３ｂ）には周縁を残して開口する穴（例えば、後述する実施の形態における穴２３ｃ）が形成されていることを特徴とする逆流防止弁である。
【００１０】
このように構成することにより、前記隔壁において前記第１圧力室と前記第２圧力室のいずれか一方の圧力室側に、第１リードバルブと第２リードバルブの両方を設けているので、両リードバルブとも流体に対し許容する流れ方向が同一になる。また、第１リードバルブは開放側端部を上方に位置させているので、開放側端部に水滴が付着しても、この水滴は重力により流れ落ちるため、開放側端部には殆ど水滴が残らなくなり、開放側端部における凍結量が極めて少なくなる。したがって、凍結後の第１リードバルブの開弁荷重を小さくすることが可能となる。第１リードバルブでは、下方に配置した固定側端部に水滴が集まり易くなるが、第１リードバルブとストッパの間に落水した水滴はストッパに形成された穴から抜け落ちるので、第１リードバルブの固定側端部に残留する水滴量が極めて少なくなり、固定側端部における凍結量を極めて少なくすることができる。その結果、凍結に起因する第１リードバルブの開弁時のストローク制限を極めて小さくすることができる。
一方、第２リードバルブは開放側端部を下方に位置させているので、第１リードバルブに比べて開放側端部に水滴が集まり易く、開放側端部における凍結量が第１リードバルブに比べて多くなる。その結果、凍結時の第２リードバルブの開弁荷重は第１リードバルブよりも大きくなる。しかしながら、第２リードバルブでは、上方に配置した固定側端部には水滴が溜まりにくく、凍結に起因する開弁時のストローク制限は第１リードバルブに比較して極めて小さくなる。
したがって、この逆流防止弁においては、凍結後の開弁時には、初めに小さな開弁荷重で第１リードバルブが開弁し、第１リードバルブを流れる流体の流量が増大するにしたがって第２リードバルブに作用する圧力が徐々に増大し、やがてこの圧力に基づく力が第２リードバルブの開弁荷重に達すると、第２リードバルブも開弁する。第２リードバルブでは凍結に起因する開弁時のストローク制限が小さいので、大流量を流すことが可能になる。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、燃料ガス（例えば、後述する実施の形態における水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、後述する実施の形態における空気）とを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料ガスとして再び前記燃料電池へ供給する循環流路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路６）と、前記循環流路に設置された請求項１または請求項２に記載の逆流防止弁（例えば、後述する実施の形態における逆流防止弁１０）と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
このように構成することにより、逆流防止弁の凍結後に燃料電池を運転開始する時に、循環流路を迅速に開通させることが可能になるとともに、該循環流路を流れる燃料オフガスの流量を素早く増大させることが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る逆流防止弁およびこれを備える燃料電池システムの一実施の形態を図１から図６の図面を参照して説明する。
図１は燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガスとしての水素ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスとしての空気を供給すると、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応により電気エネルギが取り出される。
【００１４】
酸化剤ガスとしての空気はコンプレッサ２により所定圧力に昇圧されて燃料電池１のカソードに供給される。この空気は発電に供された後、燃料電池１から空気オフガスとして排出され、圧力制御弁３を介して排出される。一方、図示しない燃料供給装置から供給される燃料ガスとしての水素ガスは水素ガス供給流路４およびエゼクタ５を通って燃料電池１のアノードに供給される。水素ガスは発電に供された後、燃料電池１から水素オフガスとして排出され、水素オフガス循環流路６を通ってエゼクタ５に吸引され、前記燃料供給装置から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池１のアノードに供給される。
【００１５】
水素オフガス循環流路６には、水素ガス供給流路４を流れる水素ガスがエゼクタ５から水素オフガス循環流路６に逆流しないように逆流防止弁１０が配置されるとともに、水素オフガス循環流路６を流れるガスを系外に排出するためのパージ弁７が配置されている。
パージ弁７は通常の発電運転時には閉じており、必要に応じて開く弁である。例えば、燃料電池１は発電に伴って水を生成することから燃料電池１内は高湿度の状態にあり、その状態で燃料電池システムを停止すると、寒冷時に燃料電池１内に留まっているガス流路内の水分が凍結して、運転再開時に反応ガスの流れを妨げたり、固体高分子電解質膜が凍結して運転再開時の発電効率を低下させるなど種々の問題が生じるので、燃料電池システムの運転停止時には、パージ弁７を開き、発電を停止した状態で水素ガスを燃料電池１のアノードに供給して燃料電池１内に溜まっている高湿度の水素ガスを掃気し、水素オフガス循環流路６を介してパージ弁７から系外に排出する。このようにパージ弁７を開けた時に、逆流防止弁１０は、水素ガス供給流路４を流れる水素ガスがエゼクタ４から水素オフガス循環流路６にショートパスするのを防止する。なお、この実施の形態において、水素ガス供給流路４と水素オフガス循環流路６は燃料系流路を構成しており、この燃料系流路に逆流防止弁１０が配置されている。
【００１６】
次に、図２から図４の図面を参照して、逆流防止弁１０を説明する。
図２は逆流防止弁１０の分解斜視図、図３は逆流防止弁１０の横断面図である。
逆流防止弁１０は、第１ハウジング１１と第２ハウジング１２を連結してなる弁ハウジング１３を備えている。第１ハウジング１１は水素オフガス循環流路６におけるに上流側（すなわち燃料電池１およびパージ弁７に近い側）に配置され、第２ハウジング１２は水素オフガス循環流路６における下流側（すなわちエゼクタ５に近い側）配置される。なお、図４は第１ハウジング１１側の縦断面図である。
【００１７】
第１ハウジング１１は、第２ハウジング１２との連結側に設けられた平板状の隔壁１４と、隔壁１４から延設され内部が第１圧力室３１にされた円筒部１６を備えており、円筒部１６の端面には水素オフガス循環流路６に接続されるガス入口孔１７が設けられ、隔壁１４には第１圧力室３１に連なる第１連通孔１８と第２連通孔１９が互いに上下方向および左右方向に位置をずらして設けられている。両連通孔１８，１９は同一形状、同一寸法の角形に形成されており、両連通孔１８，１９の下側内面は、第１圧力室３１に向かって下方に傾斜するテーパ面１８ａ，１９ａで構成されている。
【００１８】
第２ハウジング１２は断面ハット形をなし、内部が第２圧力室３２にされている。第２ハウジング１２の鍔部２１は第１ハウジング１１の隔壁１４の周縁部に連結されて第１ハウジング１１と一体化され、第２ハウジング１２の端面には水素オフガス循環流路６に接続されるガス出口孔２２が設けられている。
【００１９】
そして、隔壁１４において第２ハウジング１２が連結される側の面には、第１連通孔１８を開閉する第１リードバルブ２１と、第２連通孔１９を開閉する第２リードバルブ２２が取り付けられている。これらリードバルブ２１，２２はいずれも第１圧力室３１と第２圧力室３２の圧力差に基づいて開閉動作が行われる。
【００２０】
第１リードバルブ２１は、固定側端部２１ａを下方に配置し、開放側端部２１ｂを上方に配置して取り付けられており、第１リードバルブ２１の背面側には、第１リードバルブ２１の開弁時のストロークを制限するストッパ２３が設置されている。ストッパ２３の固定側端部２３ａは下方に配置されて第１リードバルブ２１の固定側端部２１ａとともに隔壁１４に固定されており、ストッパ２３の自由端部２３ｂは第２圧力室３２へ向かって斜め上方に延びている。ストッパ２３の自由端部２３ｂには、自由端部２３ｂの周縁だけを残して開口する大きな穴２３ｃが形成されている。
【００２１】
一方、第２リードバルブ２２は第１リードバルブ２１とは上下逆向きに取り付けられている。すなわち、第２リードバルブ２２は、固定側端部２２ａを上方に配置し、開放側端部２２ｂを下方に配置して取り付けられており、第２リードバルブ２２の背面側には、第２リードバルブ２２の開弁時のストロークを制限するストッパ２４が設置されている。ストッパ２４の固定側端部２４ａは上方に配置されて第２リードバルブ２２の固定側端部２２ａとともに隔壁１４に固定されており、ストッパ２４の自由端部２４ｂは第２圧力室３２へ向かって斜め下方に延びている。ストッパ２４の自由端部２４ｂには、自由端部２４ｂの周縁だけを残して開口する大きな穴２４ｃが形成されている。
【００２２】
第１リードバルブ２１および第２リードバルブ２２はいずれも第１圧力室３１と第２圧力室３２に圧力差がない時には閉状態となるが、この閉状態において開放側端部２１ｂ，２２ｂの先端と隔壁１４との間に微小（例えば、０．４ｍｍ程度）の隙間Δｄが形成されるように、両リードバルブ２１，２２は予め設定された取付姿勢にされている。なお、この閉状態において隙間Δｄが存在していても、隙間Δｄが存在しない場合と比較して漏れ量に殆ど差が見られないことが実験的に確認されている。
【００２３】
そして、第１圧力室３１内のガス圧力が第２圧力室３２内のガス圧力よりも大きくなると、そのガス差圧に基づく力が第１リードバルブ２１の開放側端部２１ｂおよび第２リードバルブ２２の開放側端部２２ｂに開弁方向に作用し、第１リードバルブ２１および第２リードバルブ２２は圧力差の大きさに応じた開度で開弁する。その結果、第１圧力室３１内のガスが第１連通孔１８、第２連通孔１９を通って第２圧力室３２へと流れる。
その逆に、第２圧力室３２内のガス圧力が第１圧力室３１内のガス圧力よりも大きくなると、そのガス差圧に基づく力が第１リードバルブ２１の開放側端部２１ｂおよび第２リードバルブ２２の開放側端部２２ｂに閉弁方向に作用し、第１リードバルブ２１および第２リードバルブ２２は隔壁１４に押し付けられて閉弁する。すなわち、この逆流防止弁１０では、第１リードバルブ２１と第２リードバルブ２２がいずれも隔壁１４において第２圧力室３２に面する側に取り付けられているので、水素ガスに対して許容する流れ方向が同一になる。
【００２４】
次に、この逆流防止弁１０の作用を説明する。
燃料電池システムを運転停止した時に、逆流防止弁１０内に僅かながら湿気が残った場合を考える。このシステム停止後にシステムの周囲が寒冷雰囲気になると、逆流防止弁１０内に残った湿気が第１リードバルブ２１、第２リードバルブ２２、および、ストッパ２３，２４の表面で結露して水滴となる。
【００２５】
ところが、第１リードバルブ２１は開放側端部２１ｂを上方に位置させているので、開放側端部２１ｂに水滴が付着しても、この水滴は重力により流れ落ちるため、開放側端部２１ｂには殆ど水滴が残らなくなる。したがって、その後、水滴が凍結するような寒冷雰囲気になっても、第１リードバルブ２１の開放側端部２１ｂにおける凍結量は極めて少なくなる。その結果、凍結後の第１リードバルブ２１の開弁荷重は極めて小さくなる。
【００２６】
なお、第１リードバルブ２１では、下方に配置した固定側端部２１ａに水滴が集まり易くなるが、第１リードバルブ２１とストッパ２３の間に落水した水滴はストッパ２３に形成された穴２３ｃから抜け落ち、また、第１連通孔１８の下部内周面がテーパ面１８ａに形成されているので、第１連通孔１８の下部内周面にも水滴が付着しにくくなる。これにより、第１リードバルブ２１の固定側端部２１ａに残留する水滴量が極めて少なくなり、固定側端部２１ａにおける凍結量を極めて少なくすることができる。その結果、凍結後のシステム運転開始時における第１リードバルブ２１の凍結に起因する開弁時のストローク制限を極めて小さくすることができる。
【００２７】
一方、第２リードバルブ２２は開放側端部２２ｂを下方に位置させているので、第１リードバルブ２１に比べると開放側端部２２ｂに水滴が集まり易く、開放側端部２２ｂにおける凍結量が第１リードバルブ２１に比べて多くなる。その結果、凍結時の第２リードバルブの開弁荷重は第１リードバルブよりも大きくなる。しかしながら、第２リードバルブ２２では、上方に配置した固定側端部２２ａには水滴が溜まりにくく、凍結に起因する開弁時のストローク制限が第１リードバルブ２１よりもさらに小さくなる。
【００２８】
したがって、逆流防止弁１０に付着した水が凍結した状態で、水素ガス供給流路４を介して燃料電池１に水素ガスを供給し、燃料電池１から排出される水素オフガスを水素オフガス循環流路６を介して逆流防止弁１０に供給した場合、この逆流防止弁１０においては、初めに小さな開弁荷重で第１リードバルブ２１が開弁し、第１リードバルブ２１を流れる流体（すなわち、水素オフガス）の流量が増大するにしたがって第２リードバルブ２２に作用する圧力も徐々に大きくなり、やがてこの圧力に基づく力が第２リードバルブ２２の開弁荷重に達すると、第２リードバルブ２２も開弁する。しかも、第２リードバルブ２２は凍結に起因する開弁時のストローク制限が極めて小さいので一度開弁すれば大きく開くことが可能であり、その結果、第２リードバルブ２２の開弁により大流量の水素オフガスを流すことが可能となる。
【００２９】
図５は第１リードバルブ２１の流量特性を示しており、第１リードバルブ２１に加わる圧力（以下、「バルブ供給圧」と称す）とガス流量の関係を常温時とマイナス２０゜Ｃの時とで比較したものである。この例では、凍結時、第１リードバルブ２１のバルブ供給圧が約２ｋＰａに達したところで、第１リードバルブ２１の凍結による貼り付きが解除されて開弁を開始する。
また、図６は第２リードバルブ２２の流量特性を示しており、第２リードバルブ２２に加わる圧力（以下、「バルブ供給圧」と称す）とガス流量の関係を常温時とマイナス２０゜Ｃの時とで比較したものである。この例では、凍結時、第１リードバルブ２１の貼り付きが解除されるまで第２リードバルブ２２のバルブ供給圧は上昇し続け、第１リードバルブ２１の貼り付きが解除されると第２リードバルブ２２の供給圧は一旦低下し、その後、流量の増大に伴って再び増大し、第２リードバルブ２２のバルブ供給圧が再び約２ｋＰａに達したところで、第２リードバルブ２２の凍結による貼り付きが解除されて開弁し、開弁後は殆ど常温時と同じ流量特性となる。
なお、第１リードバルブ２１の貼り付き解除後、第２リードバルブ２２の貼り付き解除前において、第２リードバルブ２２のバルブ供給圧が第１リードバルブ２１のバルブ供給圧よりも低いのは、第２リードバルブ２２が流れの淀む位置にあることによるものと推察される。
【００３０】
このように、この実施の形態の逆流防止弁１０によれば、凍結後運転再開時における開弁荷重を低減することができるとともに、凍結に起因するストローク制限が緩和されるので、凍結後における逆流防止弁１０の作動性が従来よりも格段に向上する。
また、逆流防止弁１０が凍結した後に燃料電池システムを運転開始する時に、水素オフガス循環流路６を迅速に開通させることができるとともに、水素オフガス循環量を素早く増大させることができるので、燃料電池１を早期に定常発電状態にすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１あるいは請求項２に記載した発明によれば、逆流防止弁の凍結後の開弁時には、初めに小さな開弁荷重で第１リードバルブが開弁し、小流量の流体が第１リードバルブを流れるようになり、流量の増大に伴い第２リードバルブに作用する力が大きくなり、第２リードバルブの開弁荷重に達すると、第２リードバルブも開弁して、大流量の流体を流すことができるので、凍結後における開弁荷重の低減化と、凍結に起因する開弁時のストローク制限の緩和が可能となり、逆流防止弁の凍結後の作動性が向上するという優れた効果が奏される。
【００３２】
請求項３に記載した発明によれば、逆流防止弁の凍結後に燃料電池システムを運転開始する時に、循環流路を迅速に開通させることが可能になるとともに、該循環流路を流れる燃料オフガスの流量を素早く増大させることができるので、燃料電池を早期に定常発電状態にすることができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る逆流防止弁を備えた燃料電池システムの一実施の形態における概略構成図である。
【図２】 前記逆流防止弁の分解斜視図である。
【図３】 前記逆流防止弁の横断面図である。
【図４】 前記逆流防止弁の第１ハウジング側の縦断面図である。
【図５】 前記逆流防止弁における第１リードバルブの流量特性図である。
【図６】 前記逆流防止弁における第２リードバルブの流量特性図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
６ 水素オフガス循環流路（燃料系流路）
１０ 逆流防止弁
１３ 弁ハウジング
１４ 隔壁
１８ 第１連通孔
１９ 第２連通孔
２１ 第１リードバルブ
２１ａ 固定側端部
２１ｂ 開放側端部
２２ 第２リードバルブ
２２ａ 固定側端部
２２ｂ 開放側端部
３１ 第１圧力室
３２ 第２圧力室
Claims (3)
- 燃料電池から排出されたオフガスが流通する流路上に設置され、前記流路のオフガスの流れに対し並列に配置されるとともに許容する流れ方向を同一にする第１リードバルブと第２リードバルブとを備え、前記第１リードバルブは開放側端部を上方に固定側端部を下方にして配置され、前記第２リードバルブは開放側端部を下方に固定側端部を上方にして配置され、前記第１リードバルブの開弁時のストロークを制限するストッパをさらに備え、前記ストッパの固定側端部は前記第１リードバルブの固定側端部とともに固定され、前記ストッパの自由端部には周縁を残して開口する穴が形成されていることを特徴とする逆流防止弁。
- 燃料電池から排出されたオフガスが流通する流路上に設置されて、前記流路のオフガスの流れに対し一方向のみの流れを許容する逆流防止弁であって、
弁ハウジングの内部には隔壁を挟んで第１圧力室と第２圧力室が設けられ、前記隔壁には、前記第１圧力室と前記第２圧力室を連通する第１連通孔と第２連通孔が形成されており、前記隔壁において前記第１圧力室と前記第２圧力室のいずれか一方の圧力室側に、前記第１連通孔を開閉する第１リードバルブが開放側端部を上方に固定側端部を下方に配置して設置されるとともに、前記第２連通孔を開閉する第２リードバルブが開放側端部を下方に固定側端部を上方に配置して設置され、前記第１リードバルブの開弁時のストロークを制限するストッパをさらに備え、前記ストッパの固定側端部は前記第１リードバルブの固定側端部とともに固定され、前記ストッパの自由端部には周縁を残して開口する穴が形成されていることを特徴とする逆流防止弁。 - 燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料ガスとして再び前記燃料電池へ供給する循環流路と、
前記循環流路に設置された請求項１または請求項２に記載の逆流防止弁と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
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