JP5728557B2 - パイロット式の高圧水素ガス用開閉バルブ - Google Patents

Description

この発明は、高圧ガスを扱う流路で用いられ、弁体と弁座の当接離反によって流路を開閉するパイロット式の高圧水素ガス用開閉バルブに関するものである。

燃料電池やＣＮＧ（Compressed Natural Gas）等の高圧ガスを扱うシステムにおいては、遮断弁等の各種の弁部で開閉バルブが用いられている。このような用途で用いられる開閉バルブは、弁体と弁座の高い密閉性（遮断性能）と、経時使用においての耐久性の要求があり、この両者の要求を高い次元で満たすことが重要となる。

そこで、これに対処する高圧水素ガス用開閉バルブとして、弁体側の当接面を円錐状に形成するとともに、弁座側の当接面を弁体側の当接面を受容するテーパ形状とし、弁体と弁座の一方を金属で形成し、他方を樹脂で形成するようにしたものが案出されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４３３０９４３号公報

しかし、この従来の高圧水素ガス用開閉バルブにおいては、弁体と弁座の当接面が常時面で接触する構造であるため、閉弁時における両者の圧接荷重が高い場合には、確実な閉弁と高い耐久性を両立できるものの、両者の圧接荷重が小さい場合には、弁体と弁座の密閉性（遮断性能）を維持することが難しくなる。

そこでこの発明は、パイロット弁とパイロット弁座の間の圧接荷重が小さい状況下で密閉性を維持でき、しかも、大きな圧接荷重が作用する状況下でパイロット弁とパイロット弁座の高い耐久性を維持することのできるパイロット式の高圧水素ガス用開閉バルブを提供しようとするものである。

この発明に係る高圧水素ガス用開閉バルブでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、高圧水素室に導通する第１のガス流路（例えば、実施形態の導入通路１２）と、前記高圧水素室の外部の水素供給路に導通する第２のガス流路（例えば、実施形態の放出通路１３）の間に、両通路の間を開閉するメインバルブ（例えば、実施形態のメインバルブ１５）が設けられ、前記メインバルブに、前記第１のガス流路と前記第２のガス流路を連通するパイロット孔（例えば、実施形態のパイロット孔２１）が設けられ、該パイロット孔の端部に設けられたパイロット弁座（例えば、実施形態のパイロット弁座２７）にパイロット弁（例えば、実施形態のパイロット弁２６）を当接・離反させることで、前記メインバルブの作動に先だって前記パイロット孔を前記第１のガス流路側から開閉するパイロット式の高圧水素ガス用開閉バルブであって、前記パイロット弁が、前記パイロット弁座に対して付勢手段（例えば、実施形態のスプリング３９）によって閉弁方向に付勢されるとともに、電磁コイル（例えば、実施形態の電磁コイル２８）の磁力によって開操作され、前記パイロット弁が円錐状に突出する第１の当接面（例えば、実施形態の第１の当接面３２）を備えるとともに、前記パイロット弁座が前記第１の当接面との初期当接部が円弧断面である環状の第２の当接面（例えば、実施形態の第２の当接面３３）を備え、前記パイロット弁の前記第１の当接面がポリアミドイミドによって形成され、前記パイロット弁座の前記第２の当接面が金属によって形成され、前記第１の当接面の円錐角度が６０°〜１２０°に設定され、前記第１の当接面の周域の空間が前記第１のガス流路と導通し、前記第２の当接面に囲まれた内側の空間が前記パイロット孔を通して前記第２のガス流路と導通していることを特徴とするものである。
これにより、パイロット弁に対するパイロット弁体の圧接荷重が小さいときには、パイロット弁とパイロット弁座が円錐状の第１の当接面と第２の当接面の円弧断面部分で線接触し、パイロット弁座に対するパイロット弁の圧接荷重が増大すると、第１の当接面と第２の当接面が第１の当接面のポリアミドイミドの変形によって面接触するようになる。
第１の当接面は、ポリアミドイミドによって形成されているため、弾性変形可能で、かつ高強度な特性となる。

以上のように、この発明によれば、パイロット弁とパイロット弁座の圧接荷重が小さいときには、円錐状の第１の当接面と第２の当接面の円弧断面部分で線接触し、パイロット弁とパイロット弁座の圧接荷重が増大すると、第１の当接面と第２の当接面が第１の当接面のポリアミドイミドの変形によって面接触するようになるため、パイロット弁とパイロット弁座の間の圧接荷重が小さい状況下で確実な密閉性を維持できるとともに、大きな圧接荷重が作用する状況下でもパイロット弁とパイロット弁座の高い耐久性を維持することができる。

この発明の実施形態の高圧水素ガス用開閉バルブを採用した燃料電池システムの概略構成図である。 この発明の一実施形態の遮断弁の縦断面図である。 この発明の一実施形態の図２のＡ部に対応する拡大断面図である。 この発明の一実施形態の図２のＡ部に対応する拡大断面図である。 この発明の一実施形態の遮断弁の縦断面図である。 この発明の一実施形態の遮断弁の縦断面図である。 この発明の一実施形態の減圧弁の縦断面図である。 この発明の一実施形態の図７のＢ部に対応する拡大断面図である。 この発明の一実施形態の減圧弁の縦断面図である。 この発明の一実施形態の図９のＣ部に対応する拡大断面図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、燃料電池システムの概略構成図であり、符号１は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池スタック（燃料電池）を示している。燃料電池スタック１は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。

燃料電池スタック１には、高圧の水素を貯蔵する水素タンク２（高圧流体の供給源）から水素供給流路３を介して所定圧力および所定流量の水素ガスが供給されるとともに、図示しない空気供給装置を介して酸素を含む空気が所定圧力および所定流量で供給される。
水素タンク２は、長手方向の両端が略半球状の筒状をなし、その長手方向の一端が開口している。この開口部２ａには、水素供給流路３に対する水素タンク２のガス供給と遮断を行う主止弁１０が取り付けられている。

水素供給流路３には、減圧弁５と受圧デバイス７とが介装されている。水素タンク２から放出される高圧（例えば、３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａ等）の水素ガスは、減圧弁５によって所定の圧力（例えば、１ＭＰ以下）に減圧されて受圧デバイス７に供給される。ここで、受圧デバイス７とは、減圧弁５と燃料電池スタック１との間に配置されるデバイスの総称であり、エゼクタ、インジェクタ、加湿器などが含まれる。エゼクタは、燃料電池スタック１から排出される水素オフガスを循環利用するために水素オフガスを再び水素供給流路３に戻すデバイスであり、インジェクタは燃料電池スタック１に供給する水素ガス流量を調整するデバイスであり、加湿器は燃料電池スタック１に供給される水素ガスを加湿するデバイスである。受圧デバイス７としていずれのデバイスが組み込まれるかは燃料電池システムの全体構成により決定される。

この実施形態は、上記の燃料電池システムの主止弁１０に、この発明に係るパイロット式の高圧水素ガス用開閉バルブを適用したものである。
図２は、主止弁１０の具体的な構造を示す図であり、図３，図４は、図２のＡ部に相当する部分の拡大図である。また、図５，図６は、主止弁１０の作動状態を示す図である。
主止弁１０は、パイロット式の電磁バルブによって構成され、図２に示すように、バルブボディ１１が水素タンク２の開口部２ａに封止プラグを兼ねて取り付けられている。バルブボディ１１には、水素タンク２の内部と導通する導入通路１２（第１のガス流路）と、水素タンク２の外部の水素供給流路３と導通する放出通路１３（第２のガス流路）が設けられている。また、バルブボディ１１内の導入通路１２と放出通路１３の間にはバルブ収容室１４が設けられ、そのバルブ収容室１４内に、放出通路１３の端部を開閉するメインバルブ１５が進退自在に収容されている。導入通路１２は、バルブ収容室１４（バルブボディ１１）の一端側（図中下端側）の外周壁を径方向に貫通して形成されており、放出通路１３は、バルブ収容室１４（バルブボディ１１）の他端側（図中上端側）の端部壁を軸方向に貫通して形成されている。

メインバルブ１５は、バルブ収容室１４の端部壁に設けられたメイン弁座１６に離接する弁頭部１７と、その弁頭部１７の背部から軸方向に延出する軸部１８と、軸部１８の周域を取り囲んで弁頭部１７と逆側に延出するガイド筒部１９と、を備えている。なお、メイン弁座１６は、放出通路１３の端部の周域を取り囲むように端部壁に突設されている。ガイド筒部１９は軸部１８とともに内側に凹状空間２０を形成し、その凹状空間２０がバルブボディ１１の導入通路１２に対して常時導通するようになっている。弁頭部１７と軸部１８の軸心位置には、凹状空間２０と放出通路１３を連通するパイロット孔２１が形成されている。

また、ガイド筒部１９の内側には、後述する駆動ユニット２２のプランジャ２３が進退変位可能に配置されている。プランジャ２３には、径方向に貫通する長孔２４が設けられ、ガイド筒部１９の対向壁に結合される連結ピン２５がこの長孔２４内に挿入されている。つまり、メインバルブ１５とプランジャ２３とは、長孔２４による軸方向の若干の遊びを持たせて連結ピン２５によって連結されている。
凹状空間２０内に配置されるプランジャ２３の端面には、弁頭部２６ａを有するパイロット弁２６が取り付けられている。パイロット弁２６は、メインバルブ１５のパイロット孔２１と同軸に配置されており、パイロット孔２１の凹状空間２０に臨む側の端縁は、パイロット弁２６と離接するパイロット弁座２７（弁座）とされている。パイロット弁２６とパイロット弁座２７については後に詳述する。

駆動ユニット２２は、パイロット弁２６とメインバルブ１５を開閉操作するためのものであり、電磁コイル２８を収容するケーシング２９の内側の軸心位置に凹部３０が設けられ、この凹部３０内に磁性材料から成る上記のプランジャ２３が進退自在に収容されている。凹部３０は、メインバルブ１５のガイド筒部１９側に向かって開口し、かつガイド筒部１９と同軸に配置されている。凹部３０とプランジャ２３の間には、付勢手段であるスプリング３１が介装され、プランジャ２３が、このスプリング３１の付勢力によって常時メインバルブ１５の軸部１８側に付勢されるようになっている。

この主止弁１０の場合、電磁コイル２８が励磁されない間は、プランジャ２３がスプリング３１の付勢力を受け、パイロット弁２６の弁頭部２６ａがメインバルブ１５のパイロット弁座２７に当接し、かつ、メインバルブ１５の弁頭部１７がバルブボディ１１のメイン弁座１６に当接している。したがって、このときメインバルブ１５のパイロット孔２１がパイロット弁２６によって閉塞された状態で、バルブボディ１１の放出通路１３がメインバルブ１５によって閉塞されるため、放出通路１３は水素タンク２の内部（導入通路１２）に対して遮断状態とされている。

また、この状態から電磁コイル２８が励磁されると、プランジャ２３がスプリング３１の付勢力に抗する推力を電磁コイル２８から受け、図５に示すように、プランジャ２３の端部のパイロット弁２６がメインバルブ１５のパイロット弁座２７から離間する。これにより、メインバルブ１５のパイロット孔２１が開口し、水素タンク２内の水素ガスがパイロット孔２１を通して放出通路１３に小流量で吐出される。この結果、メインバルブ１５の前後に作用する圧力の差が小さくなる。
そして、この状態からさらに電磁コイル２８が励磁されると、図６に示すようにプランジャ２３の長孔２４の端部が連結ピン２５に当接し、メインバルブ１５が連結ピン２５を介してプランジャ２３と一体に変位するようになる。これにより、放出通路１３がメインバルブ１５によって開かれ、導入通路１２から放出通路１３に水素ガスが大流量で吐出される。

ところで、この主止弁１０のうち、パイロット弁２６は、弾性を有し、かつ圧接荷重に対して高い耐久性を有するポリアミドイミドによって形成され、図３，図４に拡大して示すように、その弁頭部２６ａは円錐状に突出して形成されている。この弁頭部２６ａの円錐面は第１の当接面３２を構成している。

一方、メインバルブ１５の軸部１８に設けられるパイロット弁座２７は金属によって形成されている。このパイロット弁座２７は、図３，図４に示すように、パイロット孔２１の端部のコーナが円周方向に亙って円弧状に面取りされ、その部分が円弧断面３３ａとされている。この実施形態の場合、円弧断面３３ａ部分とその内外の縁部が第２の当接面３３とされている。

この第２の当接面３３は、パイロット弁２６側の第１の当接面３２との当接初期には、図３に示すように、円弧断面３３ａ部分で第１の当接面３２に対して線接触し、この状態から圧接荷重が増大すると、図４に示すように、ポリアミドイミドから成る第１の当接面３２の、第２の当接面３３側の円弧断面３３ａ部分を基点とした弾性変形により、第１の当接面３２に対して面接触するようになる。このとき、パイロット弁２６の弁頭部２６ａは、パイロット孔２１内に差し込まれるようにしてパイロット弁座２７との接触面積を増大させる。

ここで、第２の当接面３３の円弧断面３３ａは、小さな圧接荷重でもパイロット弁２６とパイロット弁座２７の間の密閉性の維持できるようにするためには、曲率半径がより小さいことが有利であるが、ポリアミドイミドから成る第１の当接面３２の耐久性との兼ね合いから、パイロット弁２６側とパイロット弁座２７側の各部は以下の範囲に設定することが望ましい。例えば、
パイロット孔２１の直径 →０.２mm〜０.５mm
パイロット弁２６の弁頭部２６ａの円錐角度 →６０°〜１２０°
円弧断面３３ａの曲率半径 →０.１mm〜０.５mm

以上のように、この実施形態の主止弁１０は、ポリアミドイミドから成る円錐状の第１の当接面３２がパイロット弁２６の弁頭部２６ａに設けられ、金属から成り円弧断面を有する第２の当接面３３がパイロット弁座２７に設けられているため、パイロット弁２６とパイロット弁座２７の間の圧接荷重の小さい間には、第１の当接面３２と第２の当接面３３の円弧断面３３ａ部分が線接触することで、密閉性を維持することができ、しかも、パイロット弁２６とパイロット弁座２７の間の圧接荷重が増大したときには、第１の当接面３２と第２の当接面３３が第１の当接面３２のポリアミドイミドの変形に伴って面接触することにより、当接面の高い耐久性を維持することができる。

なお、主止弁１０のメインバルブ１５とメイン弁座１６部分に同様の構造を適用する場合には、メインバルブ１５側とメイン弁座１６側の各部は以下の範囲に設定することが望ましい。例えば、
放出通路１３のメイン弁座１６側の端部の直径 →３mm〜８mm
メインバルブ１５の弁頭部１７の円錐角度 →６０°〜１２０°
メイン弁座１６の円弧断面の曲率半径 →０.１mm〜０.５mm

図７，図９は、減圧弁５の具体的な構造を示す図であり、図８，図１０は、それぞれ図７，図９のＢ，Ｃ部を拡大した図である。
これらの図に示すように、減圧弁５は、弁ハウジング４０の内部に隔壁４１を挟んで一次側圧力室４２と二次側圧力室４３とが設けられている。一次側圧力室４２は、弁ハウジング４０の流入ポート４４を介して水素供給流路３の上流側（水素タンク２側）に接続され、二次側圧力室４３は、弁ハウジング４０の流出ポート４５を介して水素供給流路３の下流側（受圧デバイス７側）に接続されている。隔壁４１には、一次側圧力室４２と二次側圧力室４３を連通する連通孔４６が設けられ、この連通孔４６が、後述する弁体４７によって一次側圧力室４２側から開閉されるようになっている。

また、弁ハウジング４０内には、二次側圧力室４３に臨むようにダイヤフラム４８が設置されている。ダイヤフラム４８は、二次側圧力室４３に臨む側の面が受圧面４８ａとされ、受圧面４８ａの背面側の空間部が大気に導通している。ダイヤフラム４８の中央部には、隔壁４１の連通孔４６を貫通する上記の弁体４７の弁軸４７ｂが連結されている。弁体４７は、連通孔４６内を貫通する弁軸４７ｂと、弁軸４７ｂの端部に連設されて連通孔４６の一次側圧力室４２側の端部を開閉する弁頭部４７ａと、を備えている。また、ダイヤフラム４８の背面側には、ダイヤフラム４８を、弁体４７が連通孔４６を開口する方向に付勢するスプリング３９（付勢手段）が設けられている。

ダイヤフラム４８には、スプリング３９の付勢力と二次側圧力室４３の圧力とが作用している。このため、弁体４７は、受圧デバイス７側での水素ガスの消費（流れ）によって二次側圧力室４３の圧力が所定圧力以下に低下したときに、弁頭部４７ａが連通孔４６を開口して、一次側圧力室４２から二次側圧力室４３に高圧の水素ガスを減圧して流入させる。

また、図８，図１０に示すように、弁体４７は、弁頭部４７ａが弁軸４７ｂ側に向かって円錐状に突出して形成されている。この弁頭部４７ａの円錐面は第１の当接面４９を成し、金属製のベース面に弾性を有する樹脂から成る表皮材５０が取り付けられて構成されている。表皮材５０を構成する樹脂は、弾性を有し、かつ圧接荷重に対して高い耐久性を有することが望ましく、例えば、ポリアミドイミド等が用いられる。
一方、連通孔４６の一次側圧力室４２側の端縁は、弁体４７の弁頭部４７ａが離接する弁座５１とされている。この弁座５１は全体が金属によって形成されている。また、弁体４７はこの弁座５１に対して同軸に配置されている。

弁座５１は、連通孔４６の端部のコーナが円周方向に亙って円弧状に面取りされ、その部分が円弧断面５２ａとされている。この実施形態では、円弧断面５２ａ部分とその内外の縁部が第２の当接面５２とされている。この第２の当接面５２は、弁体４７側の第１の当接面４９との当接初期には、図８に示すように、円弧断面５２ａ部分で第１の当接面４９に対して線接触し、この状態から圧接荷重が増大すると、図１０に示すように、樹脂から成る第１の当接面４９の弾性変形によって、第１の当接面４９に対して面接触するようになる。このとき、弁体４７の弁頭部４７ａは、連通孔４６に差し込まれるようにして、弁座５１との接触面積を増大させる。
なお、弁体４７側と弁座５１側の各部は以下の範囲に設定することが望ましい。例えば、
連通孔４６の直径 →３mm〜８mm
弁体４７の弁頭部４７ａの円錐角度 →６０°〜１２０°
弁座５１の円弧断面５２ａの曲率半径 →０.１mm〜０.５mm

ところで、この減圧弁５の場合、ダイヤフラム４８の受圧面４８ａの面積Ｓと、スプリング３９のばね定数ｋが、以下の式（１），（２）を満たすように設定されている。
Ｐ１×Ｓ−ｋ×ΔＬ＞Ｃ （１）
Ｐ１＜Ｐ２ （２）
ただし、式中、Ｐ１は、弁体４７が連通孔４６を閉じたときの二次側圧力室４３の圧力、ΔＬは、スプリング３９の自由長からの変位、Ｃは、弁体４７の締切り必要荷重、Ｐ２は、受圧デバイス７の許容最大圧力を表す。

このような設定であるため、この減圧弁５では、受圧デバイス７の作動停止等によって受圧デバイス７側での水素ガスの流れが停止すると、当初は、ダイヤフラム４８に作用する二次側圧力室４３の圧力Ｐ１による閉弁方向の推力（Ｐ１×Ｓ）と、スプリング３９による開弁方向の推力（ｋ×ΔＬ）が釣り合い、図７，図８に示すように弁体４７が弁座５１に対して微小接触した状態となる。

この状態では、弁体４７と弁座５１の間の圧接力が弱いため、時間の経過とともに弁体４７と弁座５１の隙間から一次側圧力室４２の高圧水素ガスが二次側圧力室４３側に僅かずつ漏れ、二次側圧力室４３と受圧デバイス７側の流路の圧力Ｐ１が次第に高まる。こうして、二次側圧力室４３の圧力Ｐ１が所定圧力まで高まると、ダイヤフラム４８に作用する二次側圧力室４３の圧力Ｐ１による閉弁方向の推力（Ｐ１×Ｓ）と、スプリング３９による開弁方向の推力（ｋ×ΔＬ）との差が弁体４７の締切り必要荷重Ｃに達し、図９，図１０に示すように、弁体４７と弁座５１の間が密閉されて、一次側圧力室４２と二次側圧力室４３の間が完全に遮断されるようになる。このとき、弁体４７側の第１の当接面４９と弁座５１側の第２の当接面５２とは、前述のように第１の当接面４９の弾性変形によって相互に面接触する。
なお、このときの二次側圧力室４３の圧力Ｐ１は、上記の式（２）のように受圧デバイス７の許容最大圧力に達しない範囲に設定されているため、この閉弁状態が継続した場合であっても、受圧デバイス７はガスの圧力Ｐ１によって悪影響を受けることがない。

以上のように、この実施形態の減圧弁５においては、弁体４７と弁座５１が、円錐状の第１の当接面４９と円弧断面５２ａを有する第２の当接面５２で当接し、第１の当接面４９が弾性を有する樹脂によって形成され、第２の当接面５２が金属によって形成されているため、閉弁方向の推力が小さい間は、第１の当接面４９と第２の当接面５２を線接触させて閉弁し、閉弁方向の推力が増大すると、第１の当接面４９と第２の当接面５２を樹脂の変形によって面接触させることができる。
したがって、この減圧弁５においては、ダイヤフラム４８に作用する閉弁方向の推力が比較的小さい段階から弁体４７と弁座５１の間を線接触部で密閉することができるため、ダイヤフラム４８の受圧面積の過大な増大を回避して、装置の小型化を図ることができる。また、ダイヤフラム４８に作用する閉弁方向の推力が増大すると、弁体４７と弁座５１が面で接触するようになるため、弁体４７や弁座５１の当接面の高い耐久性を維持することができる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。

１０…主止弁（高圧水素ガス用開閉バルブ）
１２…導入通路（第１のガス流路）
１３…放出通路（第２のガス流路）
１５…メインバルブ
２１…パイロット孔
２６…パイロット弁
２７…パイロット弁座
２８…電磁コイル
３１…スプリング（付勢手段）
３２…第１の当接面
３３…第２の当接面
３３ａ…円弧断面

Claims (1)

1. 高圧水素室に導通する第１のガス流路と、前記高圧水素室の外部の水素供給路に導通する第２のガス流路の間に、両通路の間を開閉するメインバルブが設けられ、
   前記メインバルブに、前記第１のガス流路と前記第２のガス流路を連通するパイロット孔が設けられ、
   該パイロット孔の端部に設けられたパイロット弁座にパイロット弁を当接・離反させることで、前記メインバルブの作動に先だって前記パイロット孔を前記第１のガス流路側から開閉するパイロット式の高圧水素ガス用開閉バルブであって、
   前記パイロット弁が、前記パイロット弁座に対して付勢手段によって閉弁方向に付勢されるとともに、電磁コイルの磁力によって開操作され、
   前記パイロット弁が円錐状に突出する第１の当接面を備えるとともに、前記パイロット弁座が前記第１の当接面との初期当接部が円弧断面である環状の第２の当接面を備え、
   前記パイロット弁の前記第１の当接面がポリアミドイミドによって形成され、
   前記パイロット弁座の前記第２の当接面が金属によって形成され、
   前記第１の当接面の円錐角度が６０°〜１２０°に設定され、
   前記第１の当接面の周域の空間が前記第１のガス流路と導通し、前記第２の当接面に囲まれた内側の空間が前記パイロット孔を通して前記第２のガス流路と導通していることを特徴とするパイロット式の高圧水素ガス用開閉バルブ。

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