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

Description

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４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５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７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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