JP5222010B2 - 弁装置 - Google Patents
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Description
しかし、アノード側に水が溜まると燃料ガスの供給が阻害され、発電が不安定になる場合がある。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら電解質膜をアノード側に透過して燃料ガスに混入するので、燃料ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電が不安定になる場合がある。
しかも、オリフィスは、底壁よりも下側に位置し、底壁における導入路の開口の下方直近に配置され、オリフィスの開口部が底壁よりも下側に位置しているので、オリフィスを配置することにより形成される段差が一次室ボディの底壁に形成されることがなくなる。したがって、一次室内に残留する水滴等の水分は、一次室ボディの底壁から導入路にスムーズに戻されるようになる。これによって、一次室に水分が残留し難くなる。
すなわち、水蒸気や結露水等の水分が含まれるアノードオフガスを排出した後に、一次室に水滴等の形態で水分が残ったとしても、残った水分は、一次室ボディの底壁から導入路に戻されるようになる。これにより、一次室に水分が残留し難くなり、低温環境下(例えば0℃未満)に曝されて燃料電池内が凍結する状況においても、弁体が凍結固着し難くなり、弁体を円滑に変位させることができる。これによって、信頼性の高い燃料電池システムの作動に寄与する弁装置が得られる。
また、このような弁装置を燃料電池システムに用いた場合には、長期間に亘って安定した作動を実現することができ、耐久性、信頼性に優れた燃料電池システムの実現に寄与する。
また、このような弁装置を燃料電池システムに用いた場合には、長期間に亘って安定した作動を実現することができ、耐久性、信頼性に優れた燃料電池システムの実現に寄与する。
このような構成とすることによって、駆動方向が鉛直方向となって傾斜方向や水平方向に駆動する場合と比べて、摺動時の片減り等が生じ難くなり、耐久性が向上するとともに、長期間にわたって安定した動作を実現することのできる弁装置が得られる。
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のパージ弁に用いた場合を例として説明する。
≪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、掃気時にカソード系からアノード系に掃気ガスを導く掃気ガス系と、を備えている。
<燃料電池スタック>
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟み2枚の導電性を有するアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を備えている。
カソードセパレータには、各MEAのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔(内部マニホールドと称される)や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔および溝がカソード流路12(酸化剤ガス流路)として機能している。
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
アノード系は、燃料電池スタック10よりも上流側に備えられる、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、および燃料電池スタック10よりも下流側に備えられる、気液分離器24、常閉型のパージ弁100、常閉型の掃気ガス排出弁27、を備えている。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パージ弁100に対して、本実施形態の弁装置を用いた例を説明する。なお、パージ弁100の詳細は後記する。
そして、燃料電池自動車のイグニッションがオンされ、燃料電池スタック10の起動が要求されて図示しないECU(Electronic Control Unit、電子制御装置)により遮断弁22が開かれると、水素タンク21の水素が配管21a等を介してアノード流路11に供給されるようになっている。
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。つまり、本実施形態では、配管24aおよび配管24bによって、水素を循環させて再利用する水素循環ラインが構成されている。
なお、配管24bの気液分離器24側に近い部分は、鉛直方向で配置されており、水素に同伴する水分が含まれているときに、これが自重により気液分離器24に戻されるようになっている。
パージ弁100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、配管24aおよび配管24b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によって開かれる弁である。パージ弁100の上流側は、配管26aを介して配管24bに接続され、下流側は、配管26bを介して、後記する希釈器33の上部側に接続されている。本実施形態では、パージ弁100の後記する導入路111に接続される配管26aが、導入路111に向けて上り傾斜状に設けられている。なお、後記する導出路121に接続される配管26bも希釈器33に向けて下り傾斜状となるように設けてもよい。
ここで、ECUは、例えば、燃料電池スタック10を構成する単セルの電圧(セル電圧)が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁100を開くように設定されている。セル電圧は、例えば、単セルの電圧を検出する電圧センサ(セル電圧モニタ)を介して検出され、ECUに入力される。
そして、一次室110aにアノードオフガスを導入する導入路111が、一次室ボディ110の底壁112に接続(開口)されている。導入路111には、オリフィス113が設けられており、このオリフィス113は、底壁112よりも下側に位置するようになっている。
一次室ボディ110には、底壁112に、前記したように、アノードオフガスを導入する導入路111が接続されている。この例では、導入路111が、上り傾斜状とされており、その上端が底壁112に接続されて連通可能に開口している。つまり導入路111は、底壁112よりも下側となる低い位置に設けられており、これによって、アノードオフガスに同伴する水分が含まれているときに、この水分が一次室110a内に溜まったとしても、この水分は、導入路111の開口111aを通じて導入路111内に流れ込み、その自重によって上流側の気液分離器24(図1参照)に排出されることとなる。
弁体130は、一次室110aを形成する一次室ボディ110の上壁114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、その頂部を形成する面は、上壁114に対して傾斜している。つまり、弁体130の頂部は、平坦面のない尖状とされており、本実施形態では、弁体130が、上壁114側に向かって徐々に縮径する断面山形状のテーパ状部130aを含んで形成されている。
なお、テーパ状部130aの表面に、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、弁体130の頂部や上部に水分が滞留し難くなり、排水性を向上させることができる。
なお、凹部114aと弁体130との間には、弁体130が駆動されて上方に変位した際に、所定のクリアランスが形成されるようになっている。
また、一次室110aの左側部は、閉塞部材118で塞がれている。
また、一次室110aおよび二次室120a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110aおよび二次室120aの内部に水分が滞留し難くなり、排水性を向上させることができる。
特に、一次室110aにおいては、一次室110a内に残留する水滴等の水分が一次室ボディ110の底壁112から導入路111に戻されるようになり、一次室110a内に水分が残留し難くなる。
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る。
また、外周縁部163は、二次室120aの底壁122と、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。
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。
図1に戻って、掃気ガス排出弁27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。詳細に、掃気ガス排出弁27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27は、後記する掃気ガス導入弁41とともに開かれる設定となっている。
そして、燃料電池スタック10内が凍結する虞がある判定される場合、ECUは、コンプレッサ31を作動すると共に、掃気ガス導入弁41及び掃気ガス排出弁27を開き、コンプレッサ31からの掃気ガス(空気)を、アノード流路11及びカソード流路12に押し込む。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。
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。
なお、コンプレッサ31は、燃料電池スタック10および/又は燃料電池スタック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。
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32dを備えている。
希釈器33は、パージ弁100から導入されるアノードオフガスと、配管32cから導入されるカソードオフガス(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り、その内部に希釈空間33aを備えている。具体的には、希釈器33は、希釈空間33aの鉛直下方に、カソードオフガスが流れる配管33bを有しており、配管33bには、その内部と希釈空間33aとを連通させる連通孔33cが形成されている。
掃気系は、燃料電池スタック10の掃気時に、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系であり、常閉型の掃気ガス導入弁41を備えている。掃気ガス導入弁41の上流は、配管41aを介して配管31aに接続されており、掃気ガス導入弁41の下流は、配管41bを介して配管23aに接続されている。
掃気ガス導入弁41は、前記した掃気ガス排出弁27とともに開かれる設定となっている。
燃料電池スタック10を構成する単セルの電圧(セル電圧)が所定セル電圧以下となった場合、ECUが不純物を排出する必要があると判定し、ECUの指令によってパージ弁100が開かれる。
しかも、オリフィス113は、底壁112よりも下側に位置しているので、オリフィス113を配置することにより形成される段差が底壁112に形成されることがなくなる。したがって、一次室110a内に残留する水滴等の水分は、底壁112から導入路111にスムーズに戻されるようになる。これによって、一次室110aに水分が残留し難くなる。
これらのように構成することによって、一次室110a内に水分が残留した際には、これを導入路111へ向けて流すことができ、凍結防止をより一層好適に図ることのできるパージ弁100が得られる。
また、パージ弁100は、天地逆となるように設置してもよい。つまり、天地逆とした場合には、一次室ボディ110の上壁114が、一次室110aの底側に位置して底壁として機能し、この底壁に対して導入路111の上端を接続するように構成するとともに、この底壁よりも下側において、導入路111にオリフィス113を設けるように構成する。このように構成した場合にも、導入路111に水分を好適に戻すことができ、弁体130の凍結を好適に防止することができる。
10 燃料電池スタック
25 ドレン弁
26 パージ弁
27 掃気ガス排出弁
100 パージ弁
110 一次室ボディ
110a 一次室
111 導入路
111a 開口
112 底壁
113 オリフィス
114 上壁
116 弁座
116a,116b 底壁部
117 弁座部
120 二次室ボディ
120a 二次室
121 導出路
130 弁体
130a テーパ状部
150 ソレノイド(駆動機構)
W 水分
Claims (6)
- 流体が導入される一次室が設けられた一次室ボディと、
流体が導出される二次室が設けられた二次室ボディと、
前記一次室と前記二次室との間を連通または遮断し、駆動機構により駆動される弁体と、を有し、
前記一次室に流体を導入する導入路と、
前記導入路に設けたオリフィスと、を備えた弁装置であって、
前記導入路は、前記一次室を形成する前記一次室ボディの底壁に接続されており、前記底壁よりも下側に前記オリフィスが位置し、
前記オリフィスは、前記底壁における前記導入路の開口の下方直近に配置され、前記オリフィスの開口部が前記底壁よりも下側に位置していることを特徴とする弁装置。 - 前記導入路は、上り傾斜状とされており、その上端が前記底壁に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の弁装置。
- 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ボディの上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、
前記弁体の頂部を形成する面は、前記上壁に向かって徐々に縮径するテーパ状を成すことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の弁装置。 - 前記弁体が着座する弁座は、前記底壁から前記上壁へ向けて突出してい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。
- 前記弁座は、前記弁座周りの前記底壁を形成しており、その前記底壁を形成している部分は、前記導入路に近い側よりも前記導入路から離れる側が、前記上壁へ向けて高く形成されていることを特徴とする請求項4に記載の弁装置。
- 前記駆動機構は、鉛直方向に駆動することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の弁装置。
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