JP2010033834A - Gas supply valve and fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節するガス供給弁、及び、そのガス供給弁を用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a gas supply valve for adjusting a supply amount of hydrogen gas supplied to a fuel cell, and a fuel cell system using the gas supply valve.
特許文献1に、従来の燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節するガス供給弁を備えている。また、この燃料電池システムには、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを燃料電池に還流させる循環通路が設けられている。この種の燃料電池システムでは、ガス供給弁によって水素ガスの供給量を調節し、燃料電池が出力する電力量を制御する。 Patent Document 1 discloses a conventional fuel cell system. This fuel cell system includes a fuel cell and a gas supply valve that adjusts the supply amount of hydrogen gas supplied to the fuel cell. Further, this fuel cell system is provided with a circulation passage for returning unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell to the fuel cell. In this type of fuel cell system, the supply amount of hydrogen gas is adjusted by a gas supply valve to control the amount of power output from the fuel cell.
特許文献2に、従来のガス供給弁が開示されている。このガス供給弁は、気体燃料が流れるガス流路を有する本体と、ガス流路内に配設され、ガス流路を開閉する弁体を備えている。弁体には、ガス流路を上流側に向かって伸びる軸部が設けられている。本体には、弁体の軸部を摺動可能に支持する支持部が設けられている。
この種のガス供給弁では、本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部において、本体の支持部や弁体の軸部の摩耗が進行しやすい。そこで、特許文献2に記載にガス供給弁では、その摺動部に液体燃料を供給し、摺動部の潤滑性を確保している。
Patent Document 2 discloses a conventional gas supply valve. The gas supply valve includes a main body having a gas flow path through which gaseous fuel flows, and a valve body that is disposed in the gas flow path and opens and closes the gas flow path. The valve body is provided with a shaft portion that extends toward the upstream side of the gas flow path. The main body is provided with a support portion that slidably supports the shaft portion of the valve body.
In this type of gas supply valve, the wear of the support portion of the main body and the shaft portion of the valve body is likely to progress at the sliding portion where the support portion of the main body and the shaft portion of the valve body slide with respect to each other. Therefore, in the gas supply valve described in Patent Document 2, liquid fuel is supplied to the sliding portion to ensure lubricity of the sliding portion.
特許文献2のガス供給弁では、ガス供給弁から吐出される気体燃料に、潤滑用に供給した液体燃料が混入する。気体燃料を燃焼する内燃機関であれば、気体燃料に液体燃料が混入したとしても、混入した液体燃料も一緒に燃焼されるため、問題とはならない。しかしながら、燃料電池システムでは、燃料電池に供給する水素ガスに、液体燃料が混入することは許されない。水素ガスに混入した液体燃料は、燃料電池が処理できない有害な不純物となり、燃料電池の動作不良といった問題を引き起こしてしまう。
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池にとって有害な不純物を用いることなく、ガス供給弁の摺動部における摺動性を確保する技術を提供する。
In the gas supply valve of Patent Document 2, the liquid fuel supplied for lubrication is mixed into the gaseous fuel discharged from the gas supply valve. In the case of an internal combustion engine that burns gaseous fuel, even if liquid fuel is mixed in the gaseous fuel, the mixed liquid fuel is also burned together, so there is no problem. However, in the fuel cell system, liquid fuel is not allowed to be mixed into the hydrogen gas supplied to the fuel cell. The liquid fuel mixed in the hydrogen gas becomes a harmful impurity that cannot be processed by the fuel cell, and causes a problem such as malfunction of the fuel cell.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a technique for ensuring the slidability in the sliding portion of the gas supply valve without using impurities harmful to the fuel cell.
本発明は、燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節するガス供給弁に具現化される。このガス供給弁は、水素ガスが流れるガス流路を有する本体と、ガス流路内に配設されており、ガス流路上に設けられた弁座部でガス流路を開閉する弁体を備えている。弁体には、ガス流路に沿って伸びる軸部が設けられており、本体には、弁体の軸部を摺動可能に支持する支持部が設けられている。このガス供給弁では、本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部に、燃料電池から排出された未反応の水素ガスが供給される。 The present invention is embodied in a gas supply valve that adjusts the supply amount of hydrogen gas supplied to a fuel cell. The gas supply valve includes a main body having a gas flow path through which hydrogen gas flows, and a valve body that is disposed in the gas flow path and opens and closes the gas flow path with a valve seat provided on the gas flow path. ing. The valve body is provided with a shaft portion that extends along the gas flow path, and the main body is provided with a support portion that slidably supports the shaft portion of the valve body. In this gas supply valve, unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell is supplied to the sliding portions of the support portion of the main body and the shaft portion of the valve body that slide with each other.
燃料電池に供給された水素ガスは、燃料電池内において、発電に伴って発生した水や冷却水に晒される。従って、燃料電池から排出される未反応の水素ガス(以下、単に未反応ガスと称することがある)には、比較的に多くの水分が含まれている。本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部に、燃料電池から排出された未反応ガスを供給することで、未反応ガス中の水分が潤滑剤として機能する。それにより、摺動部の摩耗を有意に抑制することができる。
このガス供給弁によると、燃料電池にとって有害な不純物を用いることなく、ガス供給弁の摺動部における摺動性を確保することができる。
The hydrogen gas supplied to the fuel cell is exposed to water or cooling water generated during power generation in the fuel cell. Accordingly, the unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell (hereinafter sometimes simply referred to as unreacted gas) contains a relatively large amount of moisture. By supplying the unreacted gas discharged from the fuel cell to the sliding portions of the support portion of the main body and the shaft portion of the valve body that slide relative to each other, moisture in the unreacted gas functions as a lubricant. Thereby, abrasion of a sliding part can be suppressed significantly.
According to this gas supply valve, the slidability in the sliding portion of the gas supply valve can be ensured without using impurities harmful to the fuel cell.
上記のガス供給弁において、前記した弁体の軸部は、ガス流路を下流側に向かって伸びていることが好ましい。そして、前記した本体の支持部は、弁座部よりも下流側に設けられていることが好ましい。
この構成によると、未反応ガスに含まれる水分が、弁体や弁座部に供給されることがなく、弁体や弁座部の腐食を防止することができる。
In the gas supply valve described above, the shaft portion of the valve body described above preferably extends in the gas flow path toward the downstream side. And it is preferable that the support part of the above-mentioned main body is provided in the downstream rather than the valve seat part.
According to this configuration, moisture contained in the unreacted gas is not supplied to the valve body and the valve seat portion, and corrosion of the valve body and the valve seat portion can be prevented.
上記のガス供給弁において、前記した本体は、燃料電池から排出された未反応の水素ガスが供給される第2のガス流路をさらに有することが好ましい。この場合、その第2のガス流路は、弁座部よりも下流側であって摺動部よりも上流側の位置で、前記ガス流路に合流していることが好ましい。
この構成によると、燃料電池から排出される未反応ガスを、本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部に確実に供給することができる。
In the gas supply valve, the main body preferably further includes a second gas flow path to which unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell is supplied. In this case, it is preferable that the second gas flow path joins the gas flow path at a position downstream of the valve seat portion and upstream of the sliding portion.
According to this configuration, the unreacted gas discharged from the fuel cell can be reliably supplied to the sliding portions of the main body support portion and the valve body shaft portion that slide relative to each other.
上記のガス供給弁において、本体の支持部と前記弁体の軸部の少なくとも一方は、焼結金属等の多孔質材料によって形成されていることが好ましい。
この構成によると、摺動部に供給された水分が、多孔質材料の空孔によって保持される。摺動部に供給される未反応ガスが一時的に減少した場合でも、摺動部における摺動性が安定して確保される。
In the gas supply valve, at least one of the support portion of the main body and the shaft portion of the valve body is preferably formed of a porous material such as a sintered metal.
According to this structure, the water | moisture content supplied to the sliding part is hold | maintained by the void | hole of a porous material. Even when the unreacted gas supplied to the sliding portion is temporarily reduced, the slidability in the sliding portion is stably secured.
前記した本体の支持部を焼結金属等の多孔質材料によって形成する場合、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを、その支持部の外周面に供給する構成とすることも可能となる。この構成によると、前記した第2のガス流路を、必ずしも設ける必要がない。 When the support portion of the main body is formed of a porous material such as sintered metal, it is possible to supply unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell to the outer peripheral surface of the support portion. . According to this configuration, the above-described second gas flow path is not necessarily provided.
前記した本体の支持部と弁体の軸部の少なくとも一方の表面に、例えば酸化チタンを付与するなど、親水性を高める処理が施されていることが好ましい。
それにより、本体の支持部及び/又は弁体の軸部の表面に水分が保持されやすくなり、両者の摺動性をより向上させることができる。
It is preferable that at least one surface of the support portion of the main body and the shaft portion of the valve body is subjected to a treatment for increasing hydrophilicity, for example, by applying titanium oxide.
Thereby, it becomes easy to hold | maintain a water | moisture content on the surface of the support part of a main body, and / or the axial part of a valve body, and can improve both slidability more.
前記した弁体の軸部には、その軸方向の少なくとも2箇所において、本体の支持部に向けて突出している複数の突出部が形成されており、それら複数の突出部は、本体の支持部に摺動可能に当接していることが好ましい。
この構造によると、弁体の軸部が傾くことが防止され、本体の支持部や弁体の軸部が局所的に摩耗することを防止することができる。
The shaft portion of the valve body is formed with a plurality of projecting portions projecting toward the support portion of the main body at at least two locations in the axial direction, and the plurality of projecting portions are the support portions of the main body. It is preferable that it is slidably contacted.
According to this structure, it is possible to prevent the shaft portion of the valve body from being inclined and to prevent local wear of the support portion of the main body and the shaft portion of the valve body.
本発明は、上記したガス供給弁を用い、新規で有用な燃料電池システムも提供する。本発明が提供する燃料電池システムは、燃料電池と、その燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節するガス供給弁と、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを燃料電池に還流させる循環通路を備えている。そして、本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部が、循環通路内に配置されていることを特徴とする。
この燃料電池システムでは、燃料電池から排出された水分を含む未反応ガスが、ガス供給弁の摺動部に供給される。それにより、ガス供給弁の摺動部における摺動性が確保され、本体の支持部や弁体の軸部の摩耗が抑制される。
The present invention also provides a new and useful fuel cell system using the gas supply valve described above. The fuel cell system provided by the present invention is a fuel cell, a gas supply valve that adjusts the supply amount of hydrogen gas supplied to the fuel cell, and the unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell is recirculated to the fuel cell. A circulation passage is provided. And the sliding part which mutually slides of the support part of a main body and the axial part of a valve body is arrange | positioned in the circulation path, It is characterized by the above-mentioned.
In this fuel cell system, unreacted gas containing moisture discharged from the fuel cell is supplied to the sliding portion of the gas supply valve. Thereby, slidability in the sliding portion of the gas supply valve is ensured, and wear of the support portion of the main body and the shaft portion of the valve body is suppressed.
前記した循環通路には、ガス供給弁よりも下流側の位置に、気液分離器が設けられていることが好ましい。
上記した燃料電池システムでは、燃料電池に供給される水素ガスに、比較的に多くの水分が含まれる。水分自体は、燃料電池にとって有害な不純物ではないので、燃料電池の動作不良を引き起こすことはない。しかしながら、水素ガス中の水分濃度が過剰となると、燃料電池に供給される水素ガスの濃度が相対的に低下し、燃料電池の出力が低下することがある。このような場合、ガス供給弁よりも下流側の位置に気液分離器を設けることによって、燃料電池に供給される水素ガスから水分を除去するとよい。
The circulation passage is preferably provided with a gas-liquid separator at a position downstream of the gas supply valve.
In the fuel cell system described above, the hydrogen gas supplied to the fuel cell contains a relatively large amount of moisture. Since moisture itself is not a harmful impurity for the fuel cell, it does not cause malfunction of the fuel cell. However, when the water concentration in the hydrogen gas becomes excessive, the concentration of the hydrogen gas supplied to the fuel cell relatively decreases, and the output of the fuel cell may decrease. In such a case, it is preferable to remove moisture from the hydrogen gas supplied to the fuel cell by providing a gas-liquid separator at a position downstream of the gas supply valve.
本発明によれば、燃料電池にとって有害な不純物を用いることなく、ガス供給弁の摺動部における摺動性を確保することが可能となる。燃料電池システムに用いられるガス供給弁の耐久性を、顕著に向上することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to ensure slidability in the sliding portion of the gas supply valve without using impurities harmful to the fuel cell. The durability of the gas supply valve used in the fuel cell system can be significantly improved.
下記に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
(特徴1) 本体は、流入管と、ステータコアと、非磁性ブッシュと、弁ハウジングと、弁シートと、ガイドノズルを備えている。流入管とステータコアと非磁性ブッシュと弁ハウジングと弁シートとガイドノズルのそれぞれは、貫通孔を有している。流入管とステータコアと非磁性ブッシュと弁ハウジングと弁シートは一連に接続されており、流入管とステータコアと非磁性ブッシュと弁ハウジングとガイドノズルの貫通孔によってガス流路が形成されている。水素ガスの供給源から供給される水素ガスは、流入管の開放端から流入し、ガス流路を通って、ガイドノズルの開放端から吐出される。
(特徴2) 可動体は、ガス流路内に収容されており、ステータコアと弁シートの間に位置している。可動体が下流側の弁シートに向けて移動すると、可動体に設けられた弁体が弁シートに当接し、ガス流路が閉鎖される。可動体が上流側であるステータコアに向けて移動すると、可動体に設けられた弁体が弁シートから離間し、ガス流路が開放される。
(特徴3) 可動体の弁軸は、弁体からガス流路の下流側に向けて、ガイドノズルの貫通孔内を伸びている。可動体の弁軸は、ガイドノズルの貫通孔によって、摺動可能に支持されている。可動体の弁軸の外周面とガイドノズルの貫通孔の内周面の間には、水素ガスが流通するための隙間が設けられている。
The main features of the embodiments described below are listed.
(Characteristic 1) The main body includes an inflow pipe, a stator core, a nonmagnetic bush, a valve housing, a valve seat, and a guide nozzle. Each of the inflow pipe, the stator core, the nonmagnetic bush, the valve housing, the valve seat, and the guide nozzle has a through hole. The inflow pipe, the stator core, the nonmagnetic bush, the valve housing, and the valve seat are connected in series, and a gas flow path is formed by the through hole of the inflow pipe, the stator core, the nonmagnetic bush, the valve housing, and the guide nozzle. Hydrogen gas supplied from a hydrogen gas supply source flows from the open end of the inflow pipe, passes through the gas flow path, and is discharged from the open end of the guide nozzle.
(Characteristic 2) The movable body is accommodated in the gas flow path, and is located between the stator core and the valve seat. When the movable body moves toward the downstream valve seat, the valve body provided on the movable body comes into contact with the valve seat, and the gas flow path is closed. When the movable body moves toward the stator core on the upstream side, the valve body provided on the movable body is separated from the valve seat, and the gas flow path is opened.
(Characteristic 3) The valve shaft of the movable body extends in the through hole of the guide nozzle from the valve body toward the downstream side of the gas flow path. The valve shaft of the movable body is slidably supported by the through hole of the guide nozzle. A gap is formed between the outer peripheral surface of the valve shaft of the movable body and the inner peripheral surface of the through hole of the guide nozzle for allowing hydrogen gas to flow therethrough.
(特徴4) ガイドノズルには、ガイドノズルの外周面からガイドノズルの貫通孔に到る第2のガス流路が形成されている。第2のガス流路は、弁軸が摺動する摺動部よりも上流側の位置で、ガイドノズルの貫通孔に合流している。第2のガス流路には、燃料電池から排出される未反応の水素ガスが供給される。即ち、ガイドノズルの貫通孔内には、水素ガスの供給源から供給される水素ガスに加え、燃料電池から排出される未反応の水素ガスも流れる。燃料電池から排出される未反応の水素ガスには、水分が比較的に多く含まれており、その水分によってガイドノズルの貫通孔の壁面が潤滑されるようになっている。
(特徴5) 燃料電池システムは、燃料電池から排出される未反応の水素ガスを燃料電池に還流する循環通路を備えている。循環通路は、燃料電池から排出される未反応の水素ガスをガス供給弁に送る上流部と、その未反応の水素ガス及びガス供給弁から吐出される水素ガスを燃料電池に送る下流部を備えている。循環通路の上流部は、ガイドノズルに形成された第2のガス流路に接続されており、燃料電池から排出される未反応の水素ガスをガイドノズルの貫通孔内に供給する。循環通路の下流部は、ガイドノズルの開放端に接続されており、ガイドノズルの開放端から吐出される水素ガスを燃料電池に供給する。
(特徴6) ガス供給弁は、ガス流路が閉鎖される位置に向けて弁体を付勢している付勢部材と、ガス流路が開放される位置に向けて弁体を動かすアクチュエータを備えている。アクチュエータは、本体に設けられたステータコア及び電磁コイルと、弁体と一体に設けられたアーマチャによって主に構成されている。
(Feature 4) The guide nozzle is formed with a second gas flow path from the outer peripheral surface of the guide nozzle to the through hole of the guide nozzle. The second gas flow path joins the through hole of the guide nozzle at a position upstream of the sliding portion where the valve shaft slides. Unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell is supplied to the second gas flow path. That is, unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell flows in the through hole of the guide nozzle in addition to hydrogen gas supplied from a hydrogen gas supply source. The unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell contains a relatively large amount of moisture, and the moisture lubricates the wall surface of the through hole of the guide nozzle.
(Characteristic 5) The fuel cell system includes a circulation passage for returning unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell to the fuel cell. The circulation passage includes an upstream part for sending unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell to the gas supply valve, and a downstream part for sending the unreacted hydrogen gas and hydrogen gas discharged from the gas supply valve to the fuel cell. ing. The upstream portion of the circulation passage is connected to a second gas flow path formed in the guide nozzle, and supplies unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell into the through hole of the guide nozzle. The downstream portion of the circulation passage is connected to the open end of the guide nozzle, and supplies hydrogen gas discharged from the open end of the guide nozzle to the fuel cell.
(Characteristic 6) The gas supply valve includes an urging member that urges the valve body toward a position where the gas flow path is closed, and an actuator that moves the valve body toward a position where the gas flow path is opened. I have. The actuator is mainly configured by a stator core and an electromagnetic coil provided in the main body, and an armature provided integrally with the valve body.
(第1実施例)
本発明を具現化した第1実施例のガス供給弁10、及びそれを用いた燃料電池システム100について、図面を参照しながら説明する。図1は、第1実施例のガス供給弁10の縦断面図を示す。図2は、図1中のII-II断面図を示し、図3は、図1中のIII-III断面図を示している。図4は、燃料電池システム100の構成を模式的に示している。燃料電池システム100では、水素ガスの供給源(例えば貯留タンク)から燃料電池82に供給する水素ガス(一次供給ガス)の供給量を、ガス供給弁10によって調節する。
(First embodiment)
A
先ず、ガス供給弁10について説明する。図1に示すように、ガス供給弁10は、本体12と、可動体70と、圧縮ばね22と、電磁コイル72を備えている。本体12には、水素ガスが流れるガス流路20が形成されている。ガス流路20は、後述する流入管16の開放端(図1中の上端)16eから、ガイドノズル38の開放端(図1中の下端)38eまで伸びている。水素ガスは、流入管16の開放端16eに供給され、ガス流路20を通って、ガイドノズル38の開放端(図1中の下端)38eから吐出される。可動体70は、ガス流路20内に配設されており、ガス流路20に沿って移動可能に支持されている。
First, the
可動体70には、弁体50が設けられている。可動体70がガス流路20の下流側に移動すると、弁体50が後述する弁シート34に当接し、ガス流路20が閉鎖される。可動体70がガス流路20の上流側に移動すると、弁体50が弁シート34から離間し、ガス流路20が開通する。可動体70は、圧縮ばね22によって、ガス流路20の下流側に向けて付勢されている。ガス供給弁10は、いわゆる電磁制御弁である。詳しくは後述するが、ガス供給弁10では、電磁コイル72に通電が行われると、可動体70がガス流路20の上流側に向けて移動し、ガス流路20が開通する。即ち、ガス供給弁10から水素ガスが吐出される。
The
次に、ガス供給弁10の各部の構成について詳細に説明する。ガス供給弁10の本体12は、流入管16と、ステータコア18と、非磁性ブッシュ24と、弁ハウジング30と、弁シート34と、ガイドノズル38と、樹脂ケーシング74を備えている。
流入管16は、略円筒形状を有しており、その中心部に貫通孔16aが形成されている。流入管16の貫通孔16aは、ガス流路20の最上流部を構成している。即ち、流入管16の開放端(図1中の上端)16eは、ガス流路20の上流端となっている。流入管16の開放端16eには、水素ガスの供給源(図示省略)から水素ガスが供給される。流入管16の貫通孔16aには、水素ガス中の異物を除去するためのフィルタ体14が配設されている。流入管16は、耐腐食性を有する金属材料で形成されており、詳しくはステンレス鋼で形成されている。
Next, the configuration of each part of the
The
ステータコア18は、略円筒形状を有しており、その中心部に貫通孔18aが形成されている。ステータコア18の貫通孔18aの上流側部分(図1中の上側部分)には、流入管16の下流側部分(図1中の下側部分)が挿入されている。ステータコア18と流入管16は、全周に亘って溶接されている。それにより、ステータコア18の貫通孔18aと流入管16の貫通孔16aは、気密に接続されている。ステータコア18の貫通孔18aは、流入管16の貫通孔16aに連なって、ガス流路20の一部を構成している。ステータコア18は、軟磁性材料で形成されており、詳しくは、電磁ステンレス鋼で形成されている。
The
非磁性ブッシュ24は、略円筒形状を有しており、その中心部に貫通孔24aが形成されている。非磁性ブッシュ24の貫通孔24aの上流側部分(図1中の上側部分)には、ステータコア18の下流側部分(図1中の下側部分)が挿入されている。非磁性ブッシュ24とステータコア18は、全周に亘って溶接されている。それにより、非磁性ブッシュ24の貫通孔24aとステータコア18の貫通孔18aは、気密に接続されている。非磁性ブッシュ24の貫通孔24aは、ステータコア18の貫通孔18aに連なって、ガス流路20の一部を構成している。非磁性ブッシュ24は、非磁性材料で形成されている。非磁性ブッシュ24の下流端(図1中の下端)には、フランジ部24bが形成されている。
The
弁ハウジング30は、略リング形状を有しており、その中心部に貫通孔30aが形成されている。弁ハウジング30の上流側端面(図1中の上面)には、非磁性ブッシュ24のフランジ部24bが接合されている。弁ハウジング30と非磁性ブッシュ24は、全周に亘って溶接されている。それにより、弁ハウジング30の貫通孔30aと非磁性ブッシュ24の貫通孔24aは、気密に接続されている。弁ハウジング30の貫通孔30aは、非磁性ブッシュ24の貫通孔24aに連なって、ガス流路20の一部を構成している。弁ハウジング30の貫通孔30a内には、可動体70に設けられた弁体50が配設されている。
The
弁シート34は、弁ハウジング30の下流側部分(図1中の下側部分)に設けられている。弁シート34は、略円板形状を有しており、その中心部に貫通孔34aが形成されている。弁シート34と弁ハウジング30は、全周に亘って溶接されている。それにより、弁シート34の貫通孔34aと弁ハウジング30の貫通孔30aは、気密に接続されている。弁シート34の貫通孔34aは、弁ハウジング30の貫通孔30aに連なって、ガス流路20の一部を構成している。
弁シート34の上流側表面(図1中の上側表面)には、弁体50が当接するシート面34sが形成されている。シート面34sは平坦面であり、その中心部に貫通孔34aが開口している。弁体50がシート面34sに当接すると、弁ハウジング30の貫通孔30aと弁シート34の貫通孔34aの間が遮断され、ガス流路20が閉鎖される。弁体50がシート面34sから離間すると、弁ハウジング30の貫通孔30aと弁シート34の貫通孔34aの間が連通され、ガス流路20が開通する。
The
On the upstream surface (upper surface in FIG. 1) of the
弁シート34の下流側表面(図1中の下側表面)には、ガイドノズル38を保持するためのノズルホルダ36が一体に形成されている。ノズルホルダ36は、略円筒形状を有しており、その中心部に弁シート34まで伸びる貫通孔36aが形成されている。
ガイドノズル38は、略円筒形状を有しており、その中心部に貫通孔38aが形成されている。ガイドノズル38は、ノズルホルダ36の貫通孔36aに固定されており、弁シート34の下流側表面に当接している。ガイドノズル38の貫通孔38aは、弁シート34の貫通孔34aに連通しており、ガス流路20の最下流部を構成している。即ち、ガス流路20を流れてきた水素ガスは、ガイドノズル38の開放端38eから吐出される。また、ガイドノズル38の貫通孔38a内には、後述する可動体70の弁軸40が伸びている。ガイドノズル38は、弁体50から伸びる弁軸40を摺動可能に支持している。
A
The
図1、図3に示すように、ガイドノズル38の上流側端面(図1中の上側表面)には、複数の未反応ガス導入溝38bが形成されている。それぞれの未反応ガス導入溝38bは、ガイドノズル38の貫通孔38aからガイドノズル38の外周面38cまで、径方向に伸びている。複数の未反応ガス導入溝38bは、周方向に関して等間隔に形成されている。なお、本実施例では、4本の未反応ガス導入溝38bが90度間隔で形成されている。また、ガイドノズル38の外周面38cを保持しているノズルホルダ36には、ガイドノズル38の未反応ガス導入溝38bに対応する位置に、複数の未反応ガス導入孔36bが形成されている。ノズルホルダ36の未反応ガス導入孔36bは、ガイドノズル38の未反応ガス導入溝38bを通じて、ガイドノズル38の貫通孔38aまで連通している。
詳しくは後述するが、ノズルホルダ36の未反応ガス導入孔36bには、循環通路90の上流部92が接続されており、燃料電池82から排出される未反応の水素ガス(未反応ガス)が送られる。未反応ガスは、ガイドノズル38の未反応ガス導入溝38bを通じて、ガイドノズル38の貫通孔38aに供給される。このように、ガイドノズル38の未反応ガス導入溝38b及びノズルホルダ36の未反応ガス導入孔36bは、燃料電池82から排出される未反応ガスを、ガイドノズル38の貫通孔38aに供給する第2のガス流路を構成している。この第2のガス流路36b、38bは、後述する弁軸40の摺動突出部42よりも上流側の位置で、ガイドノズル38の貫通孔38aに合流している。
As shown in FIGS. 1 and 3, a plurality of unreacted
As will be described in detail later, the
樹脂ケーシング74は、ステータコア18、非磁性ブッシュ24、弁ハウジング30を取り囲むように設けられている。樹脂ケーシング74は、インサート成形によって形成されており、その内部に電磁コイル72が埋設されている。電磁コイル72は、ステータコア18の一部を取り囲む位置に固定されている。樹脂ケーシング74には、コネクタ部76が形成されている。コネクタ部76には、複数の端子ピン78が設けられている。複数の端子ピン78には、電磁コイル72が電気的に接続されており、複数の端子ピン78を通じて電磁コイル72に通電されるように構成されている。コネクタ部76は、図示しないワイヤハーネスを介して外部の制御ユニットに接続される。
The
本体12のガス流路20内には、圧縮ばね22が配設されている。圧縮ばね22は、流入管16と弁体50の間に位置している。圧縮ばね22は、圧縮された状態となっており、弁体50を弁シート34に向けて付勢している。即ち、圧縮ばね22は、その付勢力によって弁体50を弁シート34のシート面34sに押し付け、ガス流路20を閉鎖している。
A
次に、可動体70の各部の構成について詳細に説明する。図1に示すように、可動体70は、本体12のガス流路20内であって、ステータコア18の下流側に位置している。可動体70は、弁軸40と弁体50とアーマチャ60を備えている。弁軸40と弁体50とアーマチャ60は、同軸上に位置している。弁軸40と弁体50とアーマチャ60は、軟磁性材料(詳しくは電磁ステンレス鋼)によって一体に形成されている。なお、弁軸40と弁体50については、必ずしも軟磁性材料で形成する必要はなく、例えば強度や耐腐食性に優れる材料を用いて形成してもよい。
Next, the configuration of each part of the
アーマチャ60は、可動体70の上流側部分を構成しており、ステータコア18の下流端に対向している。アーマチャ60は、略円筒形状を有しており、その中心部に弁体50まで伸びる貫通孔60aが形成されている。アーマチャ60の貫通孔60aは、ステータコア18の貫通孔18aと連通しており、ガス流路20の一部となっている。アーマチャ60の上流側部分は、電磁コイル72によって囲繞されている。アーマチャ60は、電磁コイル72によって、ステータコア18とともに磁化される。アーマチャ60及びステータコア18が磁化されると、アーマチャ60がステータコア18に引き付けられる。その結果、可動体70が、圧縮ばね22の付勢力に抗して、ステータコア18側へ移動する。
The
弁体50は、可動体70の中間部分を構成しており、弁シート34のシート面34sに対向している。弁体50には、周方向に並ぶ複数の溝52が形成されている。弁体50の溝52は、アーマチャ60の貫通孔60aと弁ハウジング30の貫通孔30aを互いに連通しており、ガス流路20の一部となっている。弁体50には、シート面34sに対向する位置に、可撓性を有するシール部材54が設けられている。シール部材54は、ゴム材料又は樹脂材料によって形成することができる。可動体70が弁シート34側へ移動すると、弁体50が弁シート34のシート面34sに当接する。このとき、ガス流路20は閉鎖される。可動体70がステータコア18側へ移動すると、弁体50が弁シート34のシート面34sから離間する。このとき、ガス流路20は開通される。
The
弁軸40は、弁体50からガス流路20の下流側に向かって伸びている。弁軸40は、弁シート34の貫通孔34aを通過し、ガイドノズル38の開放端38e近傍まで伸びている。弁軸40の直径は、弁シート34の貫通孔34aやガイドノズル38の貫通孔38aの直径よりも小さく、弁シート34の貫通孔34aやガイドノズル38の貫通孔38a内には、水素ガスが流れる空間が確保されている。
図1、図2に示すように、弁軸40には、その軸方向の2箇所に、複数の摺動突出部42が形成されている。複数の摺動突出部42は、弁軸40からガイドノズル38に向けて放射状に伸びている。摺動突出部42の頂部42aは、ガイドノズル38の貫通孔38aの壁面に摺動可能に当接している。それにより、弁軸40は、ガイドノズル38の貫通孔38aに沿って移動可能に支持されている。即ち、可動体70が、ガス流路20に沿って移動可能に支持されている。隣り合う2つの摺動突出部42の間には、水素ガスが通過するための空間43が確保されている。
全ての摺動突出部42は、第2のガス流路を構成するガイドノズル38の未反応ガス導入溝38bよりも、下流側に設けられている。即ち、摺動突出部42とガイドノズル38が摺動する摺動部の全ては、ガイドノズル38の貫通孔38a内に未反応ガスが供給される位置よりも、下流側に位置している。
The
As shown in FIGS. 1 and 2, the
All the sliding
以上、ガス供給弁10の構成について詳細に説明した。次に、ガス供給弁10の動作について説明する。電磁コイル72に通電されていない間、弁体50は、圧縮ばね22によって弁シート34に当接する位置に維持される。弁体50は弁シート34のシート面34sに押し付けられ、ガス流路20は閉鎖された状態となる。このとき、水素ガスの供給源から供給された水素ガス(一次供給ガス)は、ガス供給弁10から吐出されない。
The configuration of the
電磁コイル72に通電が行われると、電磁コイル72が磁場を発生し、ステータコア18及びアーマチャ60が励磁される。ステータコア18とアーマチャ60は互いに引き合い、アーマチャ60は弁体50とともにステータコア18側へ移動する。弁体50は弁シート34のシート面34sから離間し、ガス流路20が開通する。それにより、一次供給ガスが、ガス供給弁10から吐出される。
When the
上記したガス供給弁10の開閉動作に伴い、弁軸40の摺動突出部42は、ガイドノズル38の貫通孔38aの壁面に対して摺動する。従って、ガス供給弁10の開閉動作が繰り返されることにより、弁軸40の摺動突出部42やガイドノズル38の貫通孔38aの壁面は摩耗する。ただし、本実施例のガス供給弁10では、ガイドノズル38の貫通孔38a内に、燃料電池82から排出される未反応ガスが供給される。燃料電池82から排出される未反応ガスには、燃料電池82で発生した水や燃料電池82内を流れる冷却水によって、比較的に多くの水分が含まれている。従って、摺動突出部42とガイドノズル38との摺動部に、燃料電池82から排出される未反応ガスを供給することで、未反応ガス中の水分が潤滑剤として機能する。それにより、それらの摺動部の摩耗を有意に抑制することができる。また、未反応ガスは、弁体50や弁体50が当接するシート面34sよりも、下流側に供給される。従って、未反応ガスに含まれる水分によって、弁体50やシート面34sが腐食されるようなことがない。
As the
上記したガス供給弁10において、弁軸40やガイドノズル38は、焼結材料や発泡材料のように、多孔質材料で形成することもできる。弁軸40やガイドノズル38を多孔質材料で形成すると、弁軸40とガイドノズル38の摺動部に供給された水分が、多孔質材料の空孔によって保持される。摺動部に供給される未反応ガスが一時的に減少しても、摺動部における摺動性が安定して確保される。なお、上記のように多孔質材料を採用する場合、弁軸40やガイドノズル38の全体を多孔質材料で形成する必要はない。少なくとも弁軸40とガイドノズル38の摺動部を多孔質材料で形成すればよい。即ち、弁軸40の摺動突出部42の頂部42aと、ガイドノズル38の貫通孔38aの壁面の少なくとも一方を、多孔質材料で形成すれば足りる。
In the
上記したガス供給弁10において、弁軸40とガイドノズル38の互いに摺動する表面に、親水性を高める表面処理を行うことも有効である。親水性を高める表面処理として、例えば酸化チタンを蒸着する処理が好適である。この場合、弁軸40やガイドノズル38の表面全体に酸化チタンを蒸着してもよいし、互いに摺動する範囲のみに酸化チタンを蒸着してもよい。親水性を高める表面処理は、弁軸40とガイドノズル38の両者に行うことが好ましいが、弁軸40とガイドノズル38の一方のみに行っても、両者の摺動性を向上することができる。
In the
以上、ガス供給弁10の構成、機能について詳細に説明した。次に、ガス供給弁10を用いた燃料電池システム100について説明する。図4に示すように、燃料電池システム100は、主に、燃料電池82と、ガス供給弁10を用いて構成されている。
ガス供給弁10には、一次供給通路96を通じて、水素ガスの供給源(図示省略)が接続されている。一次供給通路96は、ガス供給弁10の流入管16の開放端16eに接続されており、水素ガスの供給源から供給される一次供給ガスは、流入管16の開放端16eからガス供給弁10に導入される。ガス供給弁10は、燃料電池82に供給する一次供給ガスの供給量を調節し、燃料電池82が出力する電力量を調節する。
The configuration and function of the
A hydrogen gas supply source (not shown) is connected to the
燃料電池システム100には、燃料電池82から排出される未反応ガスを燃料電池82に還流する循環通路90が設けられている。循環通路90は、燃料電池82から排出される未反応ガスをガス供給弁10に送る上流部92と、その未反応ガス及びガス供給弁10から吐出される一次供給ガスを燃料電池82に送る下流部94を備えている。循環流路90の上流部92には、未反応ガスを圧送するポンプ84が設けられている。
循環通路90の上流部92は、ガス供給弁10において、ノズルホルダ36の未反応ガス導入孔38bに接続されている。それにより、燃料電池82から排出される未反応ガスが、ガイドノズル38の貫通孔38aへ導入されるようになっている(図1参照)。即ち、未反応ガスに含まれる水分が、ガイドノズル38の貫通孔38aに供給される。
循環通路90の下流部94は、ガス供給弁10において、ガイドノズル38の貫通孔38aの開放端38eに接続されている。それにより、ガイドノズル38の貫通孔38aから吐出される一次供給ガス及び未反応ガスが、燃料電池82に送られる。
The
The
The
この燃料電池システム100では、燃料電池82から排出される未反応ガスが、ガイドノズル38の貫通孔38aに供給される。即ち、摺動突出部42とガイドノズル38との摺動部に、燃料電池82から排出される未反応ガスが供給される。その結果、未反応ガス中の水分が潤滑剤として機能し、摺動部の摩耗を有意に抑制することができる。
In this
図5に示すように、燃料電池システム100では、循環通路90の下流部94に、水素ガスから水分を除去する気液分離器86と、気液分離器86によって除去された水を排水するドレン排出弁87を設けてもよい。それにより、燃料電池82に供給する水素ガスから、過剰な水分を除去することができる。なお、水分自体は、燃料電池82にとって有害な不純物ではないので、燃料電池82の動作不良を引き起こすことはない。しかしながら、水素ガス中の水分濃度が過剰となると、燃料電池82に供給される水素ガスの濃度が相対的に低下し、燃料電池82の出力が低下することがある。従って、ガス供給弁10よりも下流側の位置に気液分離器86を設けることによって、燃料電池82の出力を安定化することができる。
As shown in FIG. 5, in the
また、図6に示すように、燃料電池システム100では、ポンプ84に代えて、エゼクタ88を用いることもできる。この場合、一次供給通路96に分岐路98を設け、水素ガスの供給源から供給される一次供給ガスをエゼクタ88に供給するとよい。それにより、エゼクタ88は、一次供給ガスの噴流を用いて、燃料電池82から排出される未反応ガスをガス供給弁10に送ることができる。なお、エゼクタ88で噴出させる一次供給ガスは、燃料電池82から排出される未反応ガスに比して、十分に少なくすることができる。従って、エゼクタ88で噴出させる一次供給ガスが、燃料電離82に供給する水素ガスの供給量に大きな影響を与えことはない。
As shown in FIG. 6, in the
(第2実施例)
次に、第2実施例のガス供給弁110について説明する。図7は、第2実施例のガス供給弁110の縦断面図である。図8は、ガス供給弁110のガイドノズル38の近傍を拡大して示している。第2実施例のガス供給弁110では、第1実施例のガス供給弁10と比較して、ガイドノズル38の構成が変更されている。また、ガイドノズル38の構成の変更に伴って、ガイドノズル38を保持するノズルホルダ36の形状が変更されている。その他の構成については、第1実施例のガス供給弁10と同じであり、同一の符号を付してその説明を省略する。
(Second embodiment)
Next, the
本実施例のガイドノズル38は、その全体が、多孔質材料である焼結金属によって形成されている。それにより、ガイドノズル38の内部には、多数の微細な空洞が形成されている。ガイドノズル38内の空洞は互いに繋がっており、ガイドノズル38内には微細な通路が多数形成されている。本実施例のガイドノズル38は、第1実施例のガイドノズル38と比較して、その肉厚が薄く形成されている。即ち、本実施例のガイドノズル38は、第1実施例のガイドノズル38と比較して、その外径が小さくなっている。それに伴い、ガイドノズル38を保持するノズルホルダ36の内径も小さくなっている。ここで、ガイドノズル38は、焼結金属に限られず、非金属の焼結材料や、金属又は非金属の発泡材料など、他の多孔質材料によって形成してもよい。
本実施例のノズルホルダ36は、第1実施例のノズルホルダ36と比較して、軸方向の長さが短縮されている。それにより、ガイドノズル38の外周面38cは、比較的に広く露出している。特に本実施例では、ガイドノズル38の長さが、弁軸40の上流側に設けられた摺動突出部42よりも上流側に留められている。
The
The
一方、本実施例のガイドノズル38及びノズルホルダ36には、第1実施例のガイドノズル38及びノズルホルダ36と異なり、未反応ガスを導入するための未反応ガス導入溝38bや未反応ガス導入孔36bが形成されていない。先に説明したように、本実施例のガイドノズル38内には、微細な通路が多数形成されている。この微細な通路は、未反応ガスを導入するための通路として機能する。従って、未反応ガスを導入するための溝や孔を必ずしも設ける必要がない。
On the other hand, unlike the
本実施例のガス供給弁110は、第1実施例のガス供給弁10と同様に、燃料電池システム100に採用することができる。ただし、本実施例のガス供給弁110では、図7に示すように、燃料電池システム100に循環通路90内に、ガイドノズル38を配置すればよい。循環通路90の上流部92及び下流部94を、ガイドノズル38の異なる位置にそれぞれ接続する必要はない。
なお、図7に示すガス供給弁110の配置方法は、第1実施例のガス供給弁10にも適用することができる。即ち、第1実施例のガス供給弁10を燃料電池システム100に採用する場合でも、循環通路90上にガス供給弁10を取り付け、循環通路90にガイドノズル38を配置すればよい。この場合でも、ノズルホルダ36の未反応ガス導入孔36bとガイドノズル38の未反応ガス導入溝38bを通じて、ノズルホルダ36の貫通孔36aに未反応ガスが導入される。
The
The arrangement method of the
図8に示すように、ガス供給弁110では、ガイドノズル38の外周面38cが、循環通路90の上流部92を流れる未反応ガスに晒される。ここで、図8中の矢印は、未反応ガスの流れを模式的に示している。ガイドノズル38は、焼結金属によって形成されており、その内部に多数の微小な通路が形成されている。従って、図9に示すように、未反応ガス及びそこに含まれる水分は、ガイドノズル38の外周面38cからガイドノズル38の内部を浸透していき、ガイドノズル38の貫通孔38aに到達する。ここで、図9中の矢印は、ガイドノズル38の内部を浸透する未反応ガス及び水分の流れを模式的に示している。それにより、弁軸40とガイドノズル38の摺動部、即ち、弁軸40の摺動突出部42の頂部42aと、ガイドノズル38の貫通孔38aの壁面が、水分によって潤滑される。また、ガイドノズル38は多孔質材料であるので、ガイドノズル38は十分な水分を保持しておくことができる。その結果、弁軸40とガイドノズル38の摺動部における摺動性が、未反応ガスの流量にかかわらず安定して確保される。
As shown in FIG. 8, in the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10:ガス供給弁
12:本体
16:流入管
18:ステータコア
20:ガス流路
22:圧縮ばね
24:非磁性ブッシュ
30:弁ハウジング
34:弁シート
34s:シート面
36:ノズルホルダ
36b:未反応ガス導入孔(第2のガス流路の一部)
38:ガイドノズル
38b:未反応ガス導入溝(第2のガス流路の一部)
40:弁軸
42:弁軸の摺動突出部
50:弁体
60:アーマチャ
82:燃料電池
86:気液分離器
90:循環通路
100:燃料電池システム
110:第2実施例のガス供給弁
10: Gas supply valve 12: Main body 16: Inflow pipe 18: Stator core 20: Gas flow path 22: Compression spring 24: Nonmagnetic bush 30: Valve housing 34:
38:
40: Valve shaft 42: Sliding
Claims (9)
水素ガスが流れるガス流路を有する本体と、
前記ガス流路内に配設されており、前記ガス流路上に設けられた弁座部で前記ガス流路を開閉する弁体を備え、
前記弁体には、前記ガス流路に沿って伸びる軸部が設けられており、
前記本体には、前記弁体の軸部を摺動可能に支持する支持部が設けられており、
前記本体の支持部と前記弁体の軸部の互いに摺動する摺動部に、燃料電池から排出された未反応の水素ガスが供給されることを特徴とするガス供給弁。 A gas supply valve that adjusts the supply amount of hydrogen gas supplied to the fuel cell;
A main body having a gas flow path through which hydrogen gas flows;
A valve body that is disposed in the gas flow path and opens and closes the gas flow path with a valve seat provided on the gas flow path;
The valve body is provided with a shaft portion extending along the gas flow path,
The main body is provided with a support portion that slidably supports the shaft portion of the valve body,
An unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell is supplied to a sliding portion that slides between the support portion of the main body and the shaft portion of the valve body.
前記本体の支持部は、前記弁座部よりも下流側に設けられており、
燃料電池から排出された未反応の水素ガスが、弁体及び弁座部よりも下流側に供給されることを特徴とする請求項1に記載のガス供給弁。 The shaft portion of the valve body extends toward the downstream side of the gas flow path,
The support portion of the main body is provided on the downstream side of the valve seat portion,
2. The gas supply valve according to claim 1, wherein unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell is supplied downstream of the valve body and the valve seat portion.
前記第2のガス流路は、前記弁座部よりも下流側であって前記摺動部よりも上流側の位置で、前記ガス流路に合流していることを特徴とする請求項2に記載のガス供給弁。 The main body further includes a second gas flow path to which unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell is supplied,
The second gas flow path is joined to the gas flow path at a position downstream of the valve seat portion and upstream of the sliding portion. The gas supply valve described.
前記複数の突出部は、前記本体の支持部に摺動可能に当接していることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のガス供給弁。 The shaft portion of the valve body is formed with a plurality of projecting portions projecting toward the support portion of the main body in at least two locations in the axial direction thereof,
The gas supply valve according to any one of claims 1 to 6, wherein the plurality of projecting portions are slidably in contact with a support portion of the main body.
前記燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節する請求項1から7のいずれか一項に記載のガス供給弁と、
燃料電池から排出された未反応の水素ガスを燃料電池に還流させる循環通路を備え、
前記本体の支持部と前記弁体の軸部の互いに摺動する摺動部が、前記循環通路内に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
The gas supply valve according to any one of claims 1 to 7, wherein a supply amount of hydrogen gas supplied to the fuel cell is adjusted.
A circulation passage for returning unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell to the fuel cell;
A fuel cell system, wherein sliding portions of the support portion of the main body and the shaft portion of the valve body that slide relative to each other are disposed in the circulation passage.
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