JP4873301B2 - バルブ及び燃料電池システム - Google Patents

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本発明は、タンクに取り付けられるバルブ、及び燃料電池システムに関するものである。
近年、燃料電池システムに用いられる高圧タンクの開発が進んでいる。高圧タンクには、圧縮天然ガスや水素ガスが高圧で貯留される。高圧タンクの口栓部には、バルブが取り付けられる。例えば特許文献1に記載のバルブは、電磁弁及び減圧弁等を一体的に組み込んだバルブアッセンブリであり、全体のボディが単一の部材で構成されている。
特開2005−291434号公報(図1)
しかし、バルブのボディには、高圧タンクに貯留された水素ガスに接触する部分(例えば流路を構成する部分)や、水素ガスに接触しない部分があり、それぞれに求められる性能は異なる。例えば、ボディの全てを耐水素脆性の材料で構成すると、コスト増となる。このような観点に関し、従来のバルブは何ら考慮されていなかった。
本発明は、タンクに貯留される流体に対応して、必要な性状にできるバルブ、及びこれを備えた燃料電池システムを提供することをその目的としている。
上記目的を達成するべく、本発明のバルブは、流体が貯留されるタンクに取り付けられるバルブであって、バルブのボディは、流体に接触する第1の部分と、流体に接触しない第2の部分とを有する。そして、第1の部分と第2の部分とは、流体に対する特性が異なる材料で構成され、第1の部分は、流体の流路、及び、タンクの口金部との間をシール部材によりシールされるシール部の少なくとも一方を有する
かかる構成によれば、タンクに貯留される流体に接触するか否かで、バルブのボディの材料が異なる。これにより、流体に対応して、第1の部分と第2の部分とを、それぞれ求められ得る性状にすることが可能となる。
好ましくは、上記の流体に対する特性は、流体に対する耐久性であり、第1の部分は、第2の部分よりも耐久性が高い材料で構成される。
かかる構成によれば、流体に接触する第1の部分の耐久性を高めることができる。一方で、第2の部分の材料の選択の幅を広げることができる。これにより、ボディ全体としてコストを低減することも可能となる。
好ましくは、流体は水素である。
かかる構成によれば、第1の部分を水素脆化に強い材料で構成できる。なお、水素は、液体でも良いし、気体でも良い。
好ましくは、第2の部分は、タンクの口金部に螺合するねじ部、及び、口金部に着座する座面の少なくとも一方を有する。
かかる構成によれば、流体に接触しない第2の部分を有効に利用して、ねじ部や座面を設けることができる。
好ましくは、第1の部分はステンレス鋼又はアルミニウム合金で構成され、第2の部分は炭素鋼で構成されている。
かかる構成によれば、第1の部分を例えば水素脆性に強い材料で構成できる一方、第2の部分を安価に構成することができる。
好ましくは、第1の部分と第2の部分とは、実質的に同一の軸心を有し且つ互いに接合されている。
かかる構成によれば、第1の部分と第2の部分とを接合し易くできる。
好ましくは、上記の流体に対する特性は、流体に対する透過性であり、第1の部分は、第2の部分よりも透過性が低い材料で構成されている。
かかる構成によれば、流体に接触する第1の部分の耐透過性を高めることができる。一方で、第2の部分の材料の選択の幅を広げることができる。
本発明の燃料電池システムは、上記した本発明のバルブと、このバルブが取り付けられたタンクと、を備えたものである。
本発明のバルブによれば、タンクに貯留される流体に対応して、必要な性状にできる。
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バルブ及び燃料電池システムについて説明する。ここでは、タンクとして高圧タンクを、バルブとしてバルブアッセンブリを例に説明する。
<第1実施形態>
図1は、本実施形態に係るバルブ付きのタンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。
燃料電池自動車100は、燃料電池2を有する燃料電池システム200を搭載している。燃料電池システム200は、バルブアッセンブリ4付きの高圧タンク1を例えば3つ、車体のリア部に搭載している。各高圧タンク1内の流体は、水素ガスや圧縮天然ガスなどの可燃性の燃料ガスであり、ガス供給ライン102を通じて燃料電池104に供給される。なお、バルブアッセンブリ4付きの高圧タンク1は、燃料電池自動車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型にも適用できる。
図2は、高圧タンク1に取り付けられたバルブアッセンブリ4の要部を示す断面図である。
高圧タンク1は、タンク本体2及び口金3を有しており、口金3にバルブアッセンブリ4(タンク部品)がねじ込み接続されている。タンク本体2は、全体として密閉円筒状からなり、その内部は、燃料ガスを常圧よりも高い圧力(すなわち高圧)で貯留する貯留空間6を構成している。例えば35MPaあるいは70MPaの水素ガス、または20MPaの圧縮天然ガスが、貯留空間6内に貯留される。以下では、高圧タンク1が貯留する高圧ガスとして水素ガスを例に説明する。
タンク本体2は、例えば、ガスバリア性を有する内側の樹脂ライナー10(内殻)と、樹脂ライナー10の外側を覆うFRPからなる補強層12(外殻)と、の二層構造を有している。なお、樹脂ライナー10をアルミニウム等の金属製としてもよい。
口金3(口金部)は、タンク本体2の半球面状をした端壁部の中心に設けられている。口金3は、例えばステンレス又はアルミニウムの金属で形成されている。口金3は、タンク本体2の長手方向の一端部又は両端部に設けられ、例えばインサート成形によりタンク本体2と一体成形される。
口金3は、バルブアッセンブリ4をねじ込むための開口部30を、タンク本体2の軸線Y−Y上に有している。開口部30の内周面にはめねじ31が形成されていると共に、めねじ31よりもタンク本体2内側の内周面にはシール面32が形成されている。めねじ31は、バルブアッセンブリ4が口金3にネジ締結される部分である。このネジ締結の軸線は、タンク本体2の軸線Y−Yに合致する。シール面32は、バルブアッセンブリ4が口金3に軸シールされる部分であり、シール部材70に当接される。
バルブアッセンブリ4は、めねじ31に螺合するおねじ51を有すると共に、ねじ込み方向の前方(高圧側)にシール部52を有している。おねじ51とめねじ31との螺合態様は、例えばストレート接続である。シール部52は、環状のシール部材70及びバックアップリング71を装着する取付け溝を有し、シール部材70により口金3との間が軸シールされている。口金3にねじ込まれたバルブアッセンブリ4の座面53は、口金3の座面37に着座するようになっている。
バルブアッセンブリ4は、一以上のバルブを有するものであり、バルブや継手等の配管要素を一体的に組み込んだものである。バルブアッセンブリ4に含まれるバルブとしては、例えば、ガス放出のための遮断弁、遮断弁に直列に配置された調圧弁、ガス充填のための充填弁、リリーフ弁、手動弁などが挙げられる。また、バルブアッセンブリ4は、圧力センサや温度センサなどの検出要素を有してもよい。
本実施形態では、バルブアッセンブリ4は、ガス放出のための遮断弁81及び手動弁82と、ガス充填のための手動弁83と、を有している。遮断弁81は、高圧タンク1の元弁として機能する電磁弁であり、貯留空間6内に位置している。手動弁82,83は、貯留空間6外に位置しており、それぞれの手動操作部84,85が、高圧タンク1の外部から操作可能に構成されている。手動操作部84,85には、それぞれ、弁体86,87を先端に有する弁棒88,89が連結されている。弁体86,87は、それぞれ、弁座90,91に離接可能に構成され、ガス放出流路93及びガス充填流路94を開閉する。
ガス放出流路93は、配管継手95を介して上記のガス供給ライン102に連通している。遮断弁81及び手動弁82を開弁すると、貯留空間6内の水素ガスは、ガス放出流路93及びガス供給ライン102を経て燃料電池104に供給される。一方、貯留空間6への水素ガスの充填は、例えば水素ステーションにおけるガス充填ライン105を配管継手96を介してガス充填流路94に連通し、手動弁83を開弁することで行うことができる。
バルブアッセンブリ4は、筐体を構成するバルブボディ40を有している。バルブボディ40は、実質的に同一の軸心を有する二つの部材41,42を接合することで構成されている。二つの部材41,42を水素ガスとの関係で区分けすると、水素ガスに接触する部分が第1部材41(第1の部分)であり、水素ガスに接触しない部分が第2部材42(第2の部分)である。
したがって、バルブアッセンブリ4の構成のうち、第1部材41は、ガス放出流路93と、ガス充填流路94と、シール部32と、を有している。また、第1部材41は、遮断弁81を取り付けるための接続部43と、配管継手95,96を接続するためのめねじ部44,45と、弁棒88,89との間を軸シールするOリング46,47と、弁座90,91と、貯留空間6内に面する端面48と、を有している。一方、第2部材42は、おねじ51(ねじ部)及び座面53を有すると共に、弁棒88,89のねじ部に螺合されるめねじ97,98を有している。
第1部材41と第2部材42とは、水素ガスに対する特性が異なる材料で構成されており、第1部材41は、第2部材42よりも、水素ガスに対する耐久性が高い材料で構成されている。換言すれば、第1部材41は、第2部材42よりも水素脆性に強い材料で構成されている。なお、水素脆性とは、部材に水素が接することによって延性又は靭性が低下する現象をいい、水素脆性に強い又は高いとは、部材の延性又は靭性が水素によって低下し難いことをいう。
具体的には、第1部材41は、SUS316Lなどのステンレス鋼、又はA6061等のアルミニウム合金を原材料として、例えば削り出し加工により構成されている。このような水素脆性に強い材料は、本実施形態のように、バルブボディ40のうち、水素ガスと接する第1部材40の全ての面に設けられるのが好ましく、しかも連続的に設けられるのが好ましい。
一方、第2部材42の原材料は、タンク内圧に耐え得る高強度材であればよく、好ましくは、第1部材41よりも安価な材料を選択すればよい。例えば、第2部材42は、炭素量の多い炭素鋼を原材料として、例えば削り出し加工により構成されている。第2部材42を炭素鋼で構成すれば、ステンレス鋼などに比べて、削り出しの加工性を高めることができるし、コストを低減することができる。
第1部材41と第2部材42との接合は、異種金属同士の接合となる。その接合方法としては、例えば、焼きばめ、ろう付け、爆着、溶接、接着剤、及び拡散接合が挙げられる。好ましくは、第1部材41の接合面41aと第2部材42の接合面42aとは、焼きばめ又は爆着により互いに接合されている。
接合面41aは、シール部52のある外周面52aよりも細径の外周面41bと、外周面52aと外周面41bとの間にある端面41cと、からなる。一方、接合面42aは、外周面41bに接合される内周面42bと、内周面42bに連なっていて端面41cに接合される端面42cと、からなる。ただし、異種金属の接合面は腐食し易いので、接合面41a,42aの少なくとも一方には、耐腐食性のめっき処理を施すことが好ましい。
なお、面心立方格子の金属材料の方が体心立方格子のそれよりも、水素脆性が高い。したがって、この観点からバルブボディ40の材料を説明すると、第1部材41を面心立方格子の金属材料で構成し、第2部材42を体心立方格子の金属材料で構成すればよい、といえる。
以上説明した本実施形態のバルブアッセンブリ4の効果について述べる。
バルブボディの全体を例えば炭素鋼で構成した場合には、水素ガスに接触したバルブボディが劣化してしまうところ、本実施形態によれば、水素ガスに接触する第1部材41を水素脆性に強い材料で構成しているので、水素ガスによるバルブボディ40の劣化を抑制できる。また、例えばバルブボディの全体を水素脆性に強いステンレス鋼で構成した場合にはコストアップとなるところ、本実施形態によれば、第2部材42を比較的安価な炭素鋼で構成できるので、バルブボディ40のコストを全体的に低減できる。
このように本実施形態によれば、高圧タンク1に貯留される水素ガスに対応して、水素脆性を確保しつつ全体としてコストを低減できるような性状のバルブボディ40にできる。
他の実施態様では、水素ガスに対する透過性に着目して、第1部材41及び第2部材42を構成しても良い。例えば、第1部材41は、第2部材42よりも水素ガスの透過性が低い材料で構成されてもよい。例えば、第1部材41の材料は、SUS316Lなどのステンレス鋼、又はA6061等のアルミニウム合金とすればよく、第2部材42の材料は、炭素鋼とすればよい。
別の実施態様では、第2部材42を硬質の樹脂材料で構成しても良い。この場合、第1部材41と第2部材42との接合は、例えば第1部材41に第2部材42をインサート成形することで行えばよい。なお、第1部材41も硬質の樹脂材料を用いることができる。
また、他の実施形態では、バルブボディ40を構成する部材は二つに限られず、三つ以上であってもよい。
参考例
次に、図3を参照して、参考例について第1実施形態との相違点を中心に説明する。主な相違点は、第1実施形態の口金3に相当するエンドボス300を、上記のバルブボディ40のように、異種金属材料を接合して構成したことである。なお、第1実施形態の構成と共通する参考例の構成については、第1実施形態の構成と同一の符号を付して説明を省略する。
エンドボス300は、例えば、口金3とは反対側のタンク本体2の端壁部に設けられる。エンドボス300は、水素ガスに接触する第1部分301と、水素ガスに接触しない第2部分302と、で構成される。第1部分301は、第1実施形態の第1部材41と同様の材料で構成され、第2部分302は、第1実施形態の第2部材42と同様の材料で構成される。
第1部分301は、樹脂ライナー10との間をシール材310により軸シールされるシール部を有すると共に、貯留空間6に面する端面312を有する。また、第1部分301の接続部321には、プラグ又は温度センサからなる接続体320が接続される。一方、第2部分302は、シール材310よりもタンク外側に位置し、焼きばめ等の接合方法により第1部分301に接合される。
このように、参考例によれば、水素ガスに接触するか否かでエンドボス300の性状を変えている。したがって、第1実施形態と同様に、水素脆性を確保しつつ全体としてコストを低減できるような性状のエンドボス300を提供できる。
第1実施形態に係るバルブ付きのタンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。 第1実施形態に係るタンクに取り付けられたバルブの要部を示す断面図である。 参考例に係るタンクの要部を示す断面図である。
符号の説明
1:高圧タンク、3:口金、4:バルブアッセンブリ(バルブ)、40:バルブボディ、41:第1部材(第1の部分)、42:第2部材(第2の部分)、51:おねじ(ねじ部)、52:シール部、53:座面、70:シール部材、93:ガス放出流路、94:ガス充填流路、Y−Y:軸線

Claims (8)

  1. 流体が貯留されるタンクに取り付けられるバルブであって、
    当該バルブのボディは、前記流体に接触する第1の部分と、前記流体に接触しない第2の部分と、を有し、
    前記第1の部分と前記第2の部分とは、前記流体に対する特性が異なる材料で構成され
    前記第1の部分は、前記流体の流路、及び/又は、前記タンクの口金部との間をシール部材によりシールされるシール部を有する、バルブ。
  2. 前記特性は、前記流体に対する耐久性であり、
    前記第1の部分は、前記第2の部分よりも、前記耐久性が高い材料で構成されている、請求項1に記載のバルブ。
  3. 前記流体は、水素である、請求項2に記載のバルブ。
  4. 前記第2の部分は、前記タンクの口金部に螺合するねじ部、及び/又は、前記口金部に着座する座面を有する、請求項1ないし3のいずれか一項に記載のバルブ。
  5. 前記第1の部分は、ステンレス鋼又はアルミニウム合金で構成され、
    前記第2の部分は、炭素鋼で構成されている、請求項1ないしのいずれか一項に記載のバルブ。
  6. 前記第1の部分と前記第2の部分とは、実質的に同一の軸心を有し、且つ互いに接合されている、請求項1ないしのいずれか一項に記載のバルブ。
  7. 前記特性は、前記流体に対する透過性であり、
    前記第1の部分は、前記第2の部分よりも、前記透過性が低い材料で構成されている、請求項1に記載のバルブ。
  8. 請求項1ないしのいずれか一項に記載のバルブと、
    前記バルブが取り付けられたタンクと、
    を備えた燃料電池システム。
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