JP5649570B2

JP5649570B2 - 燃料電池用圧力制御弁

Info

Publication number: JP5649570B2
Application number: JP2011513772A
Authority: JP
Inventors: 村田　直樹; 直樹村田; 岡本　英司; 英司岡本
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2031-01-12
Also published as: JPWO2011132438A1; WO2011132438A1

Description

本発明は、圧力制御弁に関し、特に、燃料電池車等の燃料電池へ供給する水素ガスの圧力を制御するために使用される圧力制御弁に関する。

従来、精度の良い比例流量制御を行うことのできる電磁制御弁として、図４に示すように、第１の入出口ポート５０、第２の入出口ポート５１、弁室５２、弁ポート５３、ばね収容室５４等を画定する弁ハウジング５５と、前記弁室５２内に設けられて前記弁ポート５３を開閉する弁体５６と、プランジャ５７、吸引子５８、コイル部５９等を具備し、前記弁体５６の一方の側にあって前記弁体５６を開閉駆動する電磁ソレノイド装置６０と、前記弁体５６の他方の側にて前記ばね収容室５４内に収容され前記電磁ソレノイド装置６０による弁駆動力に対抗する方向に前記弁体５６を付勢するばね手段６１とを含む電磁制御弁において、前記第１の入出口ポート５０が前記弁室５２と直接連通し、前記第２の入出口ポート５１が前記弁ポート５３を介して前記弁室５２と連通し、前記弁体５６に気密接続された可撓性のダイヤフラムシール部材６２によって前記弁室５２と前記ばね収容室５４とが気密分離されており、前記ばね収容室５４は均圧通路６３によって前記第２の入出口ポート５１と連通しており、前記ダイヤフラムシール部材６２の有効受圧径を、前記弁体５６の有効受圧径を規定する前記弁ポート５３の内径に等しくしたものが知られている（以下、「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照。）。

また、燃料電池発電システムに用いられるガス制御バルブとして、図５に示すように、ガスが供給される１次側通路７０と、ガスが吐出される２次側通路７１と、２次側通路７１のガスの圧力を受圧するに伴い変形する蛇腹部材７３と、前記１次側通路７０と前記２次側通路７１との間に設けられた絞り孔７４をもち前記１次側通路７０のガス流量を前記絞り孔７４により絞って前記２次側通路７１に供給すると共に前記蛇腹部材７３の受圧に伴い前記絞り孔７４の開度を調整する可動バルブ体７５及び絞り孔７４を閉鎖する方向に可動バルブ体７５を付勢する弾性部材７６と、前記絞り孔７４の開度を増加または減少させる方向に前記蛇腹部材７３を付勢する付勢力を発揮する弾性部材７７と、弾性部材７７の付勢力を調整するアクチュエータ７８とを具備したものが知られている（以下、「従来技術２」という。例えば、特許文献２参照。）。

特開２００２−２９５７１２号公報特開２００５−１９５１４５号公報

上記従来技術１では、第２の入出口ポート５１の圧力をダイヤフラムシール部材６２の背面に印加し、弁体５６の有効受圧径とダイヤフラムシール部材６２の有効受圧径を相等しく設定することにより、第１の入出口ポート５０の圧力と第２の入出口ポート５１の圧力との差圧により弁体５６に加わる力を相殺する構造としているため、一定の電流値で一定の開口面積を保持することができるが、第１の入出口ポート５０の圧力が変動したときに第２の入出口ポート５１の圧力・流量が変動してしまうという問題がある。また、ダイヤフラムシール部材６２としてゴム部材を用いているため、ガス透過によりリークが発生する。さらに、材質がゴムであることにより、ダイヤフラムシール部材６２の耐圧限度が低く、第１の入出口ポート５０の圧力を高く設定することができないという問題もあった。さらにまた、ソレノイド内部の摺動部品がガスと接触してしまう構造のため、ガス中へのコンタミ混入の可能性がある。

上記従来技術２は、樹脂または金属材料を基材とする蛇腹部材７３によりアクチュエータ７８側が二次側通路７１から遮蔽される構造であるが、受圧に伴い変形する方向において伸縮可能な構造とされた蛇腹部材７３を設けたことで小型化を可能にしたところに特徴があり、１次側通路７０の圧力の変動に対応する配慮がなされていないため、１次側通路７０の圧力が変動したときに二次側通路７１の圧力・流量が変動してしまうという問題がある。

本発明は、上記従来技術１及び２の有する問題点を解決するためになされたものであって、弁体に作用する下流側の制御圧力による閉弁方向の力とソレノイドによる開弁方向の力を対抗させる構造とすることにより、ガスの消費量が変動し流量が変化する場合及び上流側の圧力が変化する場合でも、ソレノイドに通電する電流によって下流側の制御圧力を任意の値に制御可能な圧力制御弁を提供することを目的とする。
また、ソレノイド内部の摺動部分と制御ガスとを遮断することにより、制御ガスへのコンタミ混入を防止できる圧力制御弁を提供することを目的とする。
さらに、ベローズをステンレス製とすることにより、上流側圧力を高く、広い範囲に設定できるとともにガスリークの少ない圧力制御弁を提供することを目的とする。
さらにまた、ベローズの受圧面積と弁体の受圧面積を等しくすることにより、弁体への上流側の圧力による力を相殺することができる圧力制御弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の燃料電池用圧力制御弁は、第１に、上流側から水素ガスが供給される一次室、制御された圧力の水素ガスを下流側の燃料電池に供給する二次室、及び、前記一次室と二次室とを連通させる弁孔を備えたバルブボディと、
前記二次室に配置されて二次室側から前記弁孔を開閉する弁体と、
前記弁体に対して前記弁孔を開弁させる方向に電磁駆動力を及ぼすソレノイドと、
前記一次室側から前記弁孔を貫通して一端が前記弁体に接続され、他端が前記一次室内に突出する前記ソレノイドの駆動ロッドに接続されるバルブロッドと、
前記バルブロッドに一端が気密接続され、前記駆動ロッドを覆うように軸方向に延設され、他端が前記バルブボディ側に気密接続されるベローズと、
前記二次室内に配置されて前記弁体を閉弁させる方向に付勢させるバネとを備え、
前記弁体の受圧面積と前記ベローズの受圧面積は等しく設定され、
前記バネの力Ｆ４と前記ソレノイドの推力Ｆ５とは力の勾配が正負逆で絶対値が概略等しくなるように設定されることを特徴としている。

第１の特徴により、ガスの消費量が変動し流量が変化する場合及び上流側の圧力が変化する場合でも、ソレノイドに通電する電流によって下流側の制御圧力を任意の値に制御できる。また、ソレノイド内部の摺動部分と制御ガスとを遮断しているため、制御ガスへのコンタミ混入を防止できる。

また、本発明の燃料電池用圧力制御弁は、第２に、第１の特徴において、ベローズがステンレス製であることを特徴としている。
第２の特徴により、上流側圧力を高く、広い範囲に設定できるとともにガスリークの量を少なくすることができる。

また、本発明の燃料電池用圧力制御弁は、第３に、第１または第２の特徴において、ベローズの有効径と弁孔の径とを等しく設定することを特徴としている。
第３の特徴により、弁体への上流側の圧力による力を相殺することができる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）上流側からガスが供給される一次室、制御された圧力のガスを下流側に供給する二次室、及び、前記一次室と二次室とを連通させる弁孔を備えたバルブボディと、
前記二次室に配置されて二次室側から前記弁孔を開閉する弁体と、
前記弁体に対して前記弁孔を開弁させる方向に電磁駆動力を及ぼすソレノイドと、
前記一次室側から前記弁孔を貫通して一端が前記弁体に接続され、他端が前記一次室内に突出する前記ソレノイドの駆動ロッドに接続されるバルブロッドと、
前記バルブロッドに一端が気密接続され、前記駆動ロッドを覆うように軸方向に延設され、他端が前記バルブボディ側に気密接続されるベローズと、
前記二次室内に配置されて前記弁体を閉弁させる方向に付勢させるバネと
を備えることにより、ガスの消費量が変動し流量が変化する場合及び上流側の圧力が変化する場合でも、ソレノイドに通電する電流によって下流側の制御圧力を任意の値に制御できる。また、ソレノイド内部の摺動部分と制御ガスとを遮断しているため、制御ガスへのコンタミ混入を防止できる。

（２）ベローズがステンレス製であることにより、上流側圧力を高く、広い範囲に設定できるとともにガスリークの量を少なくすることができる。

（３）ベローズの有効径と弁孔の径とを等しく設定することにより、弁体への上流側の圧力による力を相殺することができる。

本発明に係る圧力制御弁がマニホールド部材に装着された状態を示す正面断面図である。図１に示す圧力制御弁の弁体部の拡大断面図である。本発明に係る圧力制御弁におけるソレノイドの制御電流と制御圧力の関係を説明する図である。従来技術１を説明するための正面断面図である。従来技術２を説明するための正面断面図である。

本発明に係る圧力制御弁を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る圧力制御弁１がマニホールド部材２に装着された状態を示す正面断面図であって、圧力制御弁１はマニホールド部材２の収容室３に挿入され、ボルト４により固定されている。
本実施の形態において、圧力制御弁１は、燃料電池へ供給する水素ガスの流量を調整するため、ノズル部のガス圧力を制御するために使用されるものである。
マニホールド部材２には、ガス供給源から水素ガスが供給される入口側通路５及び燃料電池のノズル部に制御された圧力の水素ガスを供給する出口側通路６を備えている。入口側通路５のガス圧力Ｐｏはおよそ１〜２ＭＰａ、出口側通路６のガス圧力Ｐｃは出口側の最小圧力（通常０）から１ＭＰａ程度である。

圧力制御弁１は、入口側通路５から水素ガスが供給される一次室７、制御された圧力の水素ガスを出口側通路６に供給する二次室８、及び、一次室７と二次室８とを連通させる弁孔９を備えたバルブボディ１０と、二次室８に配置されて二次室側から弁孔９を開閉する弁体１１と、弁体１１に対して弁孔９を開弁させる方向に電磁駆動力を及ぼすソレノイド１２とを有している。
前記一次室７と二次室８とを連通させる弁孔９は、一次室７と二次室８との間に位置する隔壁１３により形成されており、隔壁１３の二次室８側の面には弁座１４が形成されている。
二次室８内において、弁体１１から離れた背後位置にリテーナ１５が螺子等により調整自在に装着されており、該リテーナ１５と弁体１１との間には弁体１１を閉弁させる方向に付勢させるバネ１６が設けられている。弁体１１及びリテーナ１５の対向する側は、バネ１６が装着しやすいようにバネ１６の内側に位置する部分が突出した形状となっている。バネ１６の装着の方法については、これに限らず、例えば、バネ１６を外側から保持するようにしてもよい。
また、リテーナ１５の軸心にはガスの通路となる孔２１が形成されている。

一次室７内にはソレノイド１２の駆動ロッド１８が突出するように配置され、該駆動ロッド１８と二次室８内に配置された弁体１１とを連結するバルブロッド１７が一次室７側から弁孔９を貫通するようにして設けられている。本例では、バルブロッド１７の弁体１１側の端部が弁体１１の中心に形成された凹部２２に嵌合し、また、駆動ロッド１８側の端部が駆動ロッド１８の先端を収容できる印籠部２３を有し、該印籠部２３に駆動ロッド１８の端部が挿入されている。
なお、弁体１１の凹部２２に雌ネジを形成し、これに嵌合するバルブロッド１７の端部に雄ネジを形成して、両者を螺合するようにしてもよい。

ソレノイド１２は、ケース２４、励磁コイル２５、可動鉄芯２６、スプリング２７、固定鉄芯２８及び前記駆動ロッド１８等から構成される。本例において、弁体１１の制御圧はベローズ１９の内側、すなわち、ソレノイド１２の内部の圧力を基準として設定される。たとえば、ソレノイド１２の内部が図示しない穴により外部と連通し、大気圧に保たれる場合、制御圧は大気圧基準（ゲージ圧）で制御される。また、ソレノイド１２の内部が外部と連通していない場合、ソレノイド１２の内部を真空に設定することにより、制御圧は真空基準（絶対圧）で制御されるものである。

そして、一次室７内において、蛇腹状のベローズ１９が、バルブロッド１７の印籠部２３に一端が溶接等により気密接続され、駆動ロッド１８を覆うように軸方向に延設され、他端が一次室７のソレノイド１２側にＯリング２９を介してバルブボディ１０と気密に嵌合して設けられたベース２０に溶接等により気密接続されて設けられている。このように、ベローズ１９を設けることにより、一次室７とソレノイド１２の可動部分とは気密に分離された状態にあり、ソレノイド側からガス中へのコンタミ混入を防止することができる。このベローズ１９は一次室７内のガスの圧力を受けて、その長さが縮む方向、すなわち、弁体１１を閉弁させる方向への力Ｆ２を発生するものである。ベローズ１９の材料としては、ガス透過性の小さいステンレス、特に水素ガス用としてはＳＵＳ３１６Ｌが望ましく、この場合、コンタミ混入の防止に加えてリークガス量を低減することもできる。

図２は、図１に示す圧力制御弁の弁体部の拡大断面図であって、一次室７内の水素ガス圧を一次室圧力Ｐｏ、また、二次室８内の制御された水素ガス圧を二次室圧力Ｐｃとする。また、弁孔９の面積をＡ１、ベローズ１９の有効受圧面積をＡ２とする。
弁体１１は、一次室圧力Ｐｏにより、一次室７側から弁体を開く向きの力Ｆ１＝Ａ１×Ｐｏを受ける。同時に、バルブロッド１７を介して、一次室圧力Ｐｏによりベローズ１９に作用する弁体を閉じる向きの力Ｆ２＝Ａ２×Ｐｏを受ける。このとき、Ａ１とＡ２とを等しく設定することにより、Ｆ１＝Ｆ２となり一次室圧力Ｐｏにより弁体１１に作用する力を相殺することができる。これにより、一次室７に供給される上流側のガスの圧力が変動しても弁体の作動に対する影響を極力抑えることができる。

一方、弁体１１は、二次室圧力Ｐｃにより弁体を閉じる向きの力Ｆ３＝Ａ１×Ｐｃを受ける。詳述すると、弁体１１と弁座１４との金属接触部（Ａ１より径方向外側の部分）には二次室圧力Ｐｃが周り込むので、結局、Ａ１の範囲で弁体１１の背後に作用する二次室圧力Ｐｃが弁体を閉じる方向に力Ｆ３＝Ａ１×Ｐｃを発生するからである。
また、弁体１１は、バネ１６により初期的に閉じる向きの力Ｆ４を受けている。
さらに弁体１１には、ソレノイド１２から、駆動ロッド１８及びバルブロッド１７を介して弁体を開く向きの推力Ｆ５が伝えられる。

バネ力Ｆ４及びソレノイド推力Ｆ５は弁体１１の位置により変化するが、これらの力の勾配を正負逆で絶対値が概略等しくなるように設定することができる。このように設定しておけば、バネ力Ｆ４とソレノイド推力Ｆ５の合成推力Ｆは弁体１１の位置の影響が小さく、ソレノイド１２に通電される電流値により任意の値をとることが可能である。

図３は、本発明に係る圧力制御弁におけるソレノイドの制御電流と制御圧力Ｐｃの関係を説明する図である。
今、ソレノイド１２に通電され、合成推力Ｆが０を越えると、弁体１１が開き、ガスが一次室７から二次室８へ流入し、二次室圧力Ｐｃが上昇する。これにより、弁体１１を閉じる向きの力Ｆ３が発生するが、Ｆ＝Ｆ３（＝Ａ１×Ｐｃ）となる弁体の位置で力の釣り合いが成立する。したがって、ソレノイド１２への電流値の設定により二次室圧力Ｐｃを任意の値に制御することが可能になる。
出口側通路６に接続される機器のガス消費量が変化し、流量が変化する場合でも、上記の釣り合いが成立する弁体位置が変化することにより、二次室圧力Ｐｃを保持することが可能である。また、入口側通路５に供給されるガス供給源の圧力が変化する場合でも同様に、二次室圧力Ｐｃを保持することが可能である。

１圧力制御弁
２マニホールド部材
３収容室
４ボルト
５入口側通路
６出口側通路
７一次室
８二次室
９弁孔
１０バルブボディ
１１弁体
１２ソレノイド
１３隔壁
１４弁座
１５リテーナ
１６バネ
１７バルブロッド
１８駆動ロッド
１９ベローズ
２０ベース
２１孔
２２凹部
２３印籠部
２４ケース
２５励磁コイル
２６可動鉄芯
２７スプリング
２８固定鉄芯
２９Ｏリング

Claims

上流側から水素ガスが供給される一次室、制御された圧力の水素ガスを下流側の燃料電池に供給する二次室、及び、前記一次室と二次室とを連通させる弁孔を備えたバルブボディと、
前記二次室に配置されて二次室側から前記弁孔を開閉する弁体と、
前記弁体に対して前記弁孔を開弁させる方向に電磁駆動力を及ぼすソレノイドと、
前記一次室側から前記弁孔を貫通して一端が前記弁体に接続され、他端が前記一次室内に突出する前記ソレノイドの駆動ロッドに接続されるバルブロッドと、
前記バルブロッドに一端が気密接続され、前記駆動ロッドを覆うように軸方向に延設され、他端が前記バルブボディ側に気密接続されるベローズと、
前記二次室内に配置されて前記弁体を閉弁させる方向に付勢させるバネとを備え、
前記弁体の受圧面積と前記ベローズの受圧面積とは等しく設定され、
前記バネの力Ｆ４と前記ソレノイドの推力Ｆ５とは力の勾配が正負逆で絶対値が概略等しくなるように設定されることを特徴とする燃料電池用圧力制御弁。
前記ベローズがステンレス製であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用圧力制御弁。
前記ベローズの有効径と前記弁孔の径とを等しく設定することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用圧力制御弁。