JP2013238280A

JP2013238280A - 高圧タンク用のバルブ装置

Info

Publication number: JP2013238280A
Application number: JP2012111801A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Saito; 典彦齋藤; Akira Yamashita; 顕山下; Hiroaki Suzuki; 浩明鈴木; Munetoshi Azeyanagi; 宗利畔柳; Nobuhisa Watanabe; 宣尚渡邊
Original assignee: JTEKT Corp; Toyota Motor Corp; Toyooki Kogyo Co Ltd
Current assignee: JTEKT Corp; Toyota Motor Corp; Toyooki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-11-28

Abstract

【課題】燃料ガスの充填時に、燃料ガスの供給側に燃料ガスがリークすることを防止する。
【解決手段】高圧の燃料ガスを貯留する高圧タンク２に装着可能な高圧タンク用のバルブ装置１であって、高圧タンク内に燃料ガスを流入させ、高圧タンク内から燃料ガスを流出させるためのガス流路１０と、燃料ガスの充填孔１３からガス流路１０に向けて燃料ガスを流入させるための流入流路１１と、ガス流路１０から燃料ガスの供給孔１４に向けて燃料ガスを流出させるための流出流路１２と、流出流路１２に設けられ、高圧タンク内から高圧タンク外への燃料ガスの供給を遮断または許容する電磁弁１５と、を備え、電磁弁１５の閉弁圧が、高圧タンク外から高圧タンク内に燃料ガスを充填しているときに受ける圧力よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧タンク用のバルブ装置に関する。

下記特許文献１には、燃料電池車両に搭載され、高圧の燃料ガスを充填した高圧タンクに装着される高圧タンク用のバルブ装置が開示されている。このバルブ装置では、高圧タンクへの燃料ガスの充填と燃料電池への燃料ガスの供給とで共用する共通流路を設けることで、燃料ガスの充填系ラインと供給系ラインとを共通化し、部品数を削減している。

特開２００９−１６８１６６号公報

ところで、上述した特許文献１のバルブ装置では、燃料ガスを充填しているときに、充填時の圧力によって供給系にある電磁弁の弁体が浮いてしまい、電磁弁による供給側に対するシール性が失われ、高圧タンク内の燃料ガスが供給側にリークしてしまうおそれがある。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料ガスの充填時に、燃料ガスの供給側に燃料ガスがリークすることを防止できる高圧タンク用のバルブ装置およびこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る高圧タンク用のバルブ装置は、高圧の燃料ガスを貯留する高圧タンクに装着可能な高圧タンク用のバルブ装置であって、前記高圧タンク内に前記燃料ガスを流入させ、前記高圧タンク内から前記燃料ガスを流出させるためのガス流路と、前記燃料ガスの充填孔から前記ガス流路に向けて前記燃料ガスを流入させるための流入流路と、前記ガス流路から前記燃料ガスの供給孔に向けて前記燃料ガスを流出させるための流出流路と、前記流出流路に設けられ、前記高圧タンク内から前記高圧タンク外への前記燃料ガスの供給を遮断または許容する電磁弁と、を備え、前記電磁弁の閉弁圧が、前記高圧タンク外から前記高圧タンク内に前記燃料ガスを充填しているときに受ける圧力よりも大きい。

この発明によれば、電磁弁の閉弁圧を、燃料ガス充填時に受ける圧力よりも大きくすることができるため、燃料ガス充填時に電磁弁が開弁する事態を防止することができる。

上記高圧タンク用のバルブ装置において、前記電磁弁は、プランジャと、前記プランジャの閉弁方向に付勢力を作用させるスプリングと、を含み、前記高圧タンク外から前記高圧タンク内に前記燃料ガスを充填しているときに前記プランジャにかかる圧力が、前記プランジャが前記スプリングから受ける力よりも小さくなるように、前記プランジャの断面積が設定されている、こととしてもよい。

これにより、燃料ガス充填時にプランジャにかかる圧力が、プランジャがスプリングから受ける力よりも小さくなるように、プランジャの断面積を設定することができるため、燃料ガス充填時にプランジャにかかる圧力によって電磁弁が開弁する事態を防止することができる。

上記高圧タンク用のバルブ装置において、前記プランジャには、前記プランジャの周縁から中心軸方向に向けて切り欠いた溝部が設けられている、こととしてもよい。これにより、プランジャが傾くことを防止することができる。

本発明によれば、燃料ガスの充填時に、燃料ガスの供給側に燃料ガスがリークすることを防止できる。

実施形態における高圧タンク用のバルブ装置を模式的に示す構成図である。（Ａ）は図１の電磁弁を示す概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のプランジャのＩ−Ｉ断面を模式的に示す概略断面図である。（Ａ）は閉弁状態の電磁弁を示す模式図であり、（Ｂ）は閉弁状態から開弁状態に移行する途中の電磁弁を示す模式図であり、（Ｃ）は開弁状態の電磁弁を示す模式図である。図２（Ｂ）のプランジャに対応する図であり、第１変形例におけるプランジャの断面を模式的に示す概略断面図である。図２（Ｂ）のプランジャに対応する図であり、第２変形例におけるプランジャの断面を模式的に示す概略断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る高圧タンク用のバルブ装置の好適な実施形態について説明する。

図１を参照して、本実施形態における高圧タンク用のバルブ装置の構成について説明する。図１は、高圧タンク用のバルブ装置を模式的に示した構成図である。

高圧タンク用のバルブ装置１は、高圧の燃料ガス（水素ガス）を貯留する高圧タンク２に装着される。高圧タンク用のバルブ装置１は、ガス流路１０と、ガス流入流路１１と、ガス流出流路１２と、ガス充填孔１３と、ガス供給孔１４と、電磁弁１５と、マニュアル弁１６と、逆止弁１７、１８と、安全弁１９と、を含んで構成される。

ガス流路１０は、高圧タンク２内に燃料ガスを流入させ、高圧タンク２内から燃料ガスを流出させるための流路である。このガス流路１０が、高圧タンク２への燃料ガスの充填と燃料電池（不図示）側への燃料ガスの供給とで共用する共通流路となる。燃料電池は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する電池であり、例えば燃料電池車両に搭載される。

ガス流路１０には、マニュアル弁１６が設けられている。マニュアル弁１６は、点検時等に燃料ガスの流出を遮断させるための手動式の弁である。ガス流路１０には、安全弁１９に繋がる流路が接続されている。安全弁１９は、高圧タンク２内の温度が所定温度以上に上昇した場合に開弁させる弁である。

ガス充填孔１３には、充填手段（不図示）から流入される燃料ガスを高圧タンク２側に流入させるための充填用流路が接続される。ガス供給孔１４には、高圧タンク２に貯留された燃料ガスを燃料電池側に供給するための燃料供給用流路が接続される。

ガス流入流路１１は、ガス充填孔１３からガス流路１０に向けて燃料ガスを流入させるための流路である。ガス流入流路１１には、逆止弁１７、１８が設けられている。逆止弁１７、１８は、高圧タンク２内側から高圧タンク２外側に向けて燃料ガスが逆流することを阻止するための弁である。

ガス流出流路１２は、ガス流路１０からガス供給孔１４に向けて燃料ガスを流出させるための流路である。ガス流出流路１２には、電磁弁１５が設けられている。電磁弁１５は、高圧タンク２内から高圧タンク２外への燃料ガスの供給を遮断または許容する弁である。

図２を参照して、電磁弁１５の構成について説明する。図２（Ａ）は、電磁弁１５の概略断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すプランジャ１５１のＩ−Ｉ断面を模式的に示す図である。

電磁弁１５は、スリーブ１５０と、プランジャ１５１と、ポペット１５２と、ポペット着座部１５５と、スプリング１５４と、ボール１５３と、ボール着座部１５８と、高圧タンク２側の流入孔１５６と、燃料電池側の流出孔１５７と、電磁石（ソレノイドコイル）１５９と、を含んで構成される。

プランジャ１５１およびポペット１５２は、軸線方向にそれぞれ移動可能にスリーブ１５０内に収容される。プランジャ１５１にはボール１５３が固定されており、このボール１５３にはスプリング１５４の付勢力が作用する。したがって、プランジャ１５１には、スプリング１５４の付勢力がボール１５３を介して閉弁方向に作用することになる。また、ポペット１５２には、スプリング１５４の付勢力がボール１５３およびボール着座部１５８を介して閉弁方向に作用することになる。

プランジャ１５１およびポペット１５２が軸線方向に移動することで電磁弁１５の開閉が行われる。プランジャ１５１は、電磁石１５９による電磁力を利用して移動させられる。具体的には、駆動源（不図示）から電磁石１５９に印加される電圧を制御することで、プランジャ１５１を移動させる。

ここで、図２（Ｂ）に示すように、本実施形態におけるプランジャ１５１は、その軸線と垂直方向の断面形状が、円形の一部をＤカット状に削り落した形状になっている。このＤカット状に削った部分（以下、「Ｄカット部」という。）を形成することで、プランジャ１５１とスリーブ１５０との間に、隙間を設けることができる。このプランジャ１５１とスリーブ１５０との間の隙間については、後述する。

図３を参照して、電磁石１５９による電磁力を利用して電磁弁１５の閉弁状態および開弁状態を制御するしくみについて説明する。図３（Ａ）は閉弁状態の電磁弁１５を示す模式図であり、図３（Ｂ）は閉弁状態から開弁状態に移行する途中の電磁弁１５を示す模式図であり、図３（Ｃ）は開弁状態の電磁弁１５を示す模式図である。

図３（Ａ）に示すように、電磁石１５９に電圧が印加されていないときには、閉弁方向に作用するスプリング１５４の付勢力によってポペット１５２の先端がポペット着座部１５５に押し付けられ、電磁弁１５は閉弁状態となる。閉弁状態時には、ポペット１５２とプランジャ１５１のポペット支持部１５１ａとの間には隙間がある。

図３（Ｂ）に示すように、電磁石１５９に電圧の印加が開始されると、電磁石１５９の電磁力がプランジャ１５１の開弁方向に作用し始める。このプランジャ１５１の開弁方向に作用する力が、スプリング１５４の付勢によりプランジャ１５１の閉弁方向に作用する力を上回ったときに、プランジャ１５１の開弁方向への移動が開始する。プランジャ１５１が、ポペット１５２とポペット支持部１５１ａとの間の隙間分開弁方向に移動するまでは、ポペット１５２の先端がポペット着座部１５５に接触したままとなり、ポペット１５２の閉弁状態が維持される。このとき、ボール１５３がボール着座部１５８から離脱し、高圧タンク２側からの燃料ガスが流出孔１５７に向けて流れ込む。

これにより、高圧タンク２側と燃料電池側との間の圧力差を小さくしてから、ポペット１５２を引き上げて、電磁弁１５を開弁させることが可能となる。

図３（Ｃ）に示すように、プランジャ１５１のポペット支持部１５１ａに支持されたポペット１５２が、プランジャ１５１と一体となり開弁方向に移動する。これにより、ポペット１５２の先端がポペット着座部１５５から離れ、電磁弁１５が開弁状態となる。

ここで、電磁弁１５は、スプリング１５４の付勢力を利用して閉弁状態を維持している。したがって、燃料ガスの充填時に、閉弁状態の電磁弁１５に高圧タンク２側から大きな圧力が加えられると、スプリング１５４の付勢力では閉弁状態を維持することができなくなり、燃料ガスが燃料電池側にリークしてしまう可能性がある。このような現象を繰り返すと、電磁弁１５の寿命が短くなる等の不具合を生ずるおそれもある。

そこで、本実施形態における電磁弁１５は、Ｄカット部の面積を大きくすることで、プランジャ１５１とスリーブ１５０との間に設けられる隙間を大きくしている。この隙間を大きくすることで、燃料ガス充填時の圧力によって、図３（Ｂ）に示すように、プランジャ１５１が開弁方向に押し上げられようとしても、高圧タンク２側からの燃料ガスを上記隙間からプランジャ１５１の上側端面に作用させることで、閉弁状態を維持することが可能となり、燃料電池側へのリークを防止することが可能となる。

一方、Ｄカット部の面積を大きくし過ぎると、磁力線が減少してしまうため、吸引力が低下してしまう。したがって、燃料電池側へのリークを防止し、かつ、吸引力の低下を防止可能な範囲に収まるように、Ｄカット部の面積を調整することが望ましい。

本願発明者が実験を試行したところ、Ｄカット部を形成しない略円形状のプランジャの断面積に対するＤカット部の面積の割合が、０．３％のときにはリークが発生し、２．８％のときにはリークが発生しないことが判明した。一方、上記割合が２．８％のときには、磁力線が減少し、吸引力が低下してしまうことが判明した。これらの結果を踏まえると、上記割合が２％前後になるように、Ｄカット部の面積を調整することが好ましい。

上述してきたように、実施形態における高圧タンク用のバルブ装置１によれば、燃料ガスの充填時にプランジャ１５１にかかる圧力が、プランジャ１５１がスプリング１５４から受ける力よりも小さくなるように、プランジャ１５１の断面積を設定することができるため、燃料ガス充填時にプランジャ１５１にかかる圧力によって電磁弁１５が開弁する事態を防止することができる。それゆえに、燃料ガスの充填時に、燃料ガスの供給側に燃料ガスがリークすることを防止できる。

なお、上述した実施形態では、プランジャの断面形状が、図２（Ｂ）に示すように、円形の一部をＤカット状に削り落した形状である場合について説明しているが、プランジャの断面形状は、これに限定されない。燃料ガスの充填時にプランジャにかかる圧力が、プランジャがスプリングから受ける力よりも小さくなるように、プランジャの断面積を設定できれば、他の形状であってもよい。

例えば、図４に示すように、プランジャの断面形状が、円形の一部をその周縁から中心部に向けて凹状に切り欠いた形状であってもよい。つまり、プランジャ１５１の側面に、プランジャ１５１の周縁から中心軸方向に向けて切り欠いた溝部を形成することとしてもよい。

凹状に切り欠いた形状にすることで、Ｄカット状に削り落した形状に比べて、プランジャがスリーブ内で傾く可能性を低減することができる。プランジャが傾くと、樹脂シールの面辺り分布が悪化する要因になる。したがって、凹状に切り欠いた形状にすることで、プランジャの傾きを抑え、シール性を確保することができる。

また、図５に示すように、プランジャ１５１にＤカット部や溝部を形成せずに、貫通孔を形成することとしてもよい。

また、上述した実施形態では、プランジャの断面積を調整することで、燃料電池側へのリークを防止しているが、リークを防止する手法は、これに限定されない。電磁弁の閉弁圧を、燃料ガスの充填時に受ける圧力よりも大きくすることができれば、他の手法であってもよい。例えば、スプリングの付勢力が、燃料ガス充填時に受ける圧力よりも大きくなるように調整してもよい。

１…高圧タンク用のバルブ装置、２…高圧タンク、１０…ガス流路、１１…ガス流入流路、１２…ガス流出流路、１３…ガス充填孔、１４…ガス供給孔、１５…電磁弁、１６…マニュアル弁、１７、１８…逆止弁、１９…安全弁、１５０…スリーブ、１５１…プランジャ、１５１ａ…プランジャのポペット支持部、１５２…ポペット、１５３…ボール、１５４…スプリング、１５５…ポペット着座部、１５６…流入孔、１５７…流出孔、１５８…ボール着座部、１５９…電磁石。

Claims

高圧の燃料ガスを貯留する高圧タンクに装着可能な高圧タンク用のバルブ装置であって、
前記高圧タンク内に前記燃料ガスを流入させ、前記高圧タンク内から前記燃料ガスを流出させるためのガス流路と、
前記燃料ガスの充填孔から前記ガス流路に向けて前記燃料ガスを流入させるための流入流路と、
前記ガス流路から前記燃料ガスの供給孔に向けて前記燃料ガスを流出させるための流出流路と、
前記流出流路に設けられ、前記高圧タンク内から前記高圧タンク外への前記燃料ガスの供給を遮断または許容する電磁弁と、
を備え、
前記電磁弁の閉弁圧が、前記高圧タンク外から前記高圧タンク内に前記燃料ガスを充填しているときに受ける圧力よりも大きいことを特徴とする高圧タンク用のバルブ装置。
前記電磁弁は、プランジャと、前記プランジャの閉弁方向に付勢力を作用させるスプリングと、を含み、
前記高圧タンク外から前記高圧タンク内に前記燃料ガスを充填しているときに前記プランジャにかかる圧力が、前記プランジャが前記スプリングから受ける力よりも小さくなるように、前記プランジャの断面積が設定されている、ことを特徴とする請求項１記載の高圧タンク用のバルブ装置。
前記プランジャには、前記プランジャの周縁から中心軸方向に向けて切り欠いた溝部が設けられている、ことを特徴とする請求項２記載の高圧タンク用のバルブ装置。