JP4017971B2

JP4017971B2 - On-off valve for fuel cell

Info

Publication number: JP4017971B2
Application number: JP2002349214A
Authority: JP
Inventors: 健二市川; 正光新保; 一教福間; 勝美斉藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Keihin Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: JP2004183713A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の反応ガスを排気する反応ガス排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルが複数個積層されたスタックを備えている。このようなスタックにおいては、前記セルの各アノードに燃料として水素が供給される一方、各カソードに酸化剤としてエアーが供給される。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
このスタックを含む燃料電池システムは、例えば、カソード側にエアーを供給するためのエアーコンプレッサ等を備え、さらに、このエアーの圧力を信号圧として、該エアーの圧力に応じた圧力でアノード側に水素を供給する圧力制御弁を備え、燃料電池のカソード側に対するアノード側の反応ガスの圧力を所定圧に調圧して所定の発電効率を確保するとともに、燃料電池に供給される反応ガスの流量を制御することで所定の出力が得られるように設定されている。
【０００４】
ところで、発電の際に起こる上記の電気化学反応において、水素と酸素とは、周知のように２：１の体積比で反応する。すなわち、所定の電力が得られるように燃料電池システムを発電させるためには、水素の供給量を酸素よりも多くする必要がある。
【０００５】
ところで、本出願人は、水素パージ中における過剰水素の再循環および新規水素の外部放出を防止し、確実な水素パージの実施と、新規水素の無駄防止を図ることが可能な燃料電池システムを提案している（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−９３４３８号公報（第３頁左欄）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記提案に関連してなされたものであり、構造が簡素で、かつ摩耗粉が発生することを回避し、さらに、作動部の凍結を回避することも可能な燃料電池用開閉弁を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池のアノードに供給された過剰水素を排気する水素排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁であって、
流体入口および流体出口が設けられたボディと、
弁座に対して着座または離間する弁体と、
前記弁体を前記弁座から離間する方向に指向して弾発付勢するばね部材と、
前記ボディに嵌着されてケーシングを構成するカバー部材と、
前記ケーシングの内部で位置決め固定されるとともに、前記ばね部材の一端部が着座するばね受部材と、
前記ケーシングの内部に配設されることにより、前記流体出口に連通する第１室と、信号圧としての流体が導入される第２室とに該ケーシングの内部を分割するダイアフラムと、
を有し、
前記弁体は、前記流体が第２室に導入されることに伴って前記ばね部材が圧縮されることに追従して前記弁座に着座する一方、前記流体の第２室への導入が停止されることに伴って前記ばね部材が伸張することに追従して前記弁座から離間し、
かつ前記流体入口が前記ボディの下端面に設けられるとともに、前記弁体が着座する前記弁座の頂部が前記流体出口の下端面に比して高い位置に設けられることにより、前記ケーシングの内部に液体を貯留する液体貯留部が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
このような構成においては、該燃料電池用開閉弁の流体入口における反応ガスの圧力を上回る圧力の流体（パイロット圧）が第２室に供給されることに伴い、ばね部材が圧縮されるとともに、弁体が弁座に着座して弁閉止状態となる。
【００１０】
その一方で、パイロット圧の第２室への供給が停止されると、ばね部材が伸張することに伴って弁体が弁座から離間する方向に指向して弾発付勢される。これにより流体入口と流体出口とが連通し、該燃料電池用開閉弁の内部を反応ガスが流通する。
【００１１】
このように、本発明によれば、パイロット圧を供給または供給停止することによって反応ガス排気ラインを閉止・開放することができる。したがって、該燃料電池用開閉弁を制御回路等に電気的に接続する必要がないので、燃料電池システムの構成を簡素にすることができる。
【００１２】
しかも、この燃料電池用開閉弁は構造が簡素であるので、容易に分解または組立することができる。このため、メンテナンス作業を行うことが容易となるという利点を有する。
【００１３】
この燃料電池用開閉弁においては、弁体とダイアフラムとの間に軸受等の摺動部が設けられていない。このため、該燃料電池用開閉弁が開閉動作することに伴って変位する弁体とダイアフラムとの間は摺接することがない。したがって、摩耗粉が発生して反応ガスに混入し燃料電池の発電性能に悪影響を与えることを回避することができる。
【００１４】
また、軸部材が軸受部材で案内されるので、軸部材の倒れを極力防止することが可能となる。したがって、弁体のシート性を良好とすることが可能となる。
【００１５】
また、軸受部材、すなわち、摺動部が存在するにも関わらず、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、摺動摩耗による摩耗粉が弁体側に発生することがない。
【００１６】
また、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、水分が摺動部側に浸入することがなく、したがって、摺動部が腐食することを防止することが可能となるとともに、該摺動部が凍結することを防止することが可能となる。
【００１７】
また、カバー部材に軸受部材を案内する軸受案内部が設けられていることが好ましい。これにより、軸受部材を容易に挿入固定することが可能となる。
【００１８】
この場合、軸受案内部の先端部を、弁体の変位動作を停止させるストッパ部として機能させることが好ましい。これにより、部品点数が少ないながらも全開位置が規定された燃料電池用開閉弁を構成することができる。
【００２０】
さらに、上記の通り、前記流体入口をボディの下端面に設ける一方、弁体が着座する弁座の頂部を流体出口の下端面に比して高い位置に設けることによって、ケーシングの内部に液体を貯留する液体貯留部が設けられる。この場合、弁座の頂部は、液面より上方に突出する。このため、該弁座が凍結することを回避することができる。したがって、該弁座の頂部や、該頂部に着座する弁体が凍結することを回避することができ、結局、低温下でも燃料電池用開閉弁を確実に動作させることができる。
【００２１】
さらにまた、弁座の少なくとも頂部に対して撥水処理を施すことが好ましい。撥水層によって液体が弾かれるので、弁座の頂部や弁体が凍結することを一層確実に回避することができる。
【００２２】
また、本発明は、燃料電池の反応ガスを排気する反応ガス排気ラインに配設される燃料電池用開閉弁であって、
流体入口および流体出口が設けられたボディと、
弁座に対して着座または離間する弁体と、
前記弁体を前記弁座から離間する方向に指向して弾発付勢するばね部材と、
前記ボディに嵌着されてケーシングを構成するカバー部材と、
前記ケーシングの内部で位置決め固定されるとともに、前記ばね部材の一端部が着座するばね受部材と、
前記ケーシングの内部に配設されることにより、前記流体出口に連通する第１室と、信号圧としての流体が導入される第２室とに該ケーシングの内部を分割するダイアフラムと、
を有し、
前記弁体は、前記流体が第２室に導入されることに伴って前記ばね部材が圧縮されることに追従して前記弁座に着座する一方、前記流体の第２室への導入が停止されることに伴って前記ばね部材が伸張することに追従して前記弁座から離間し、
前記ばね受部材は、液体を堰止するための堰止部と、前記液体を排出するための排出用孔部とを有することを特徴とする。これにより液体が該ばね受部材から確実に排出されるので、該ばね受部材、ひいてはばね部材が凍結することを回避することができる。結局、低温下でも確実に動作する燃料電池用開閉弁を構成することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池用開閉弁につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１に、本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁１０が組み込まれた燃料電池システム２００を示す。なお、この燃料電池システム２００は、例えば、自動車等の車両に搭載される。また、本発明で用いられる反応ガスとは、水素、エアー、余剰水素を含むものとする。
【００２５】
燃料電池システム２００は、例えば、高分子を素材としたイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込むことによって形成されたセルが複数個積層されることによって設けられた燃料電池スタック２０２を含む。
【００２６】
前記セルの各カソードには、酸化剤として酸素を含むエアーが供給され、一方、各アノードには、燃料として水素が供給される。すなわち、カソード側には、酸化剤供給部２０４からのエアーが供給されるエアー供給口２０６と、該カソード内のエアーを外部に排出するためのエアー排出部２０８が接続されたエアー排出口２１０が設けられる。その一方で、アノード側には、燃料供給部２１２からの水素が供給される水素供給口２１４と、水素排出部２１６が接続された水素排出口２１８とが設けられる。
【００２７】
エアー供給口２０６に接続されたエアー供給用通路２１９においては、前記酸化剤供給部２０４と、放熱部２２０と、カソード加湿部２２２とが上流側からこの順序で介装されている。
【００２８】
酸化剤供給部２０４は、例えば、図示しないスーパーチャージャ（圧縮機）およびこれを駆動するモータ等から構成され、燃料電池スタック２０２で酸化剤ガスとして使用される酸素を含有するエアーを断熱圧縮して圧送する。この断熱圧縮の際にエアーが加熱される。このように加熱された圧縮エアーが、燃料電池スタック２０２の暖機に貢献する。
【００２９】
放熱部２２０は、例えば、図示しないインタークーラ等から構成される。酸化剤供給部２０４から供給されたエアーは、該放熱部２２０に設けられた流路に沿って流通する冷却水と熱交換することによって冷却される。すなわち、エアーは、所定温度に冷却された後、カソード加湿部２２２に導入される。
【００３０】
カソード加湿部２２２は、例えば、水透過膜を備えて構成され、該水透過膜の一端面から他端面に水分を透過させることにより、放熱部２２０によって所定の温度に冷却されたエアーを所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６へと供給する。加湿されたエアーは燃料電池スタック２０２に供給され、これに伴って該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜に水分が付与されることによって、該膜のイオン伝導度が一定値以上に確保される。
【００３１】
そして、上記したように、燃料電池スタック２０２のエアー排出口２１０にはエアー排出部２０８が接続される。このエアー排出部２０８に設けられた図示しない排出弁を通じて、エアーが大気中に排気される。
【００３２】
一方、前記水素供給口２１４に接続された水素供給通路２２３には、前記燃料供給部２１２と、圧力制御部２２４と、エゼクタ２２６と、アノード加湿部２２８とが上流側からこの順序で介装されている。また、水素排出口２１８には、循環用通路２３０を介して水素排出部２１６が接続される。
【００３３】
燃料供給部２１２は、例えば、燃料電池に対する燃料として水素を供給する図示しない水素ガスボンベからなり、燃料電池スタック２０２のアノード側に供給される水素が貯蔵される。
【００３４】
圧力制御部２２４は、例えば、空気式の比例圧力制御弁からなる。
【００３５】
ここで、この圧力制御部２２４には、圧力制御用バイパス通路２３２を介してエアーが供給される。すなわち、前記酸化剤供給部２０４から供給されるエアーは、例えば、燃料電池スタック２０２の負荷や図示しないアクセルペダルの操作量等に応じて所定の圧力に設定されて燃料電池スタック２０２に導入される。これに伴い、水素の圧力を調整する必要が生じる。このため、圧力制御用バイパス通路２３２からのエアーの圧力をパイロット圧（信号圧）として、圧力制御部２２４の出口側圧力である二次側圧力を前記パイロット圧に対応した所定範囲の圧力に設定している。
【００３６】
なお、図１から諒解されるように、圧力制御部２２４には、放熱部２２０によって冷却されたエアーが供給される。
【００３７】
エゼクタ２２６は、図示しないノズル部とディフューザ部とから構成され、圧力制御部２２４から供給された水素は、ノズル部を通過する際に加速されてディフューザ部に向かって噴射される。ノズル部からディフューザ部に向かって水素が高速で流通する際、ノズル部とディフューザ部との間に設けられた副流室内で負圧が発生し、循環用通路２３０を介してアノード側の排出水素が吸引される。エゼクタ２２６で混合された水素および排出水素はアノード加湿部２２８へと供給され、燃料電池スタック２０２から排出された排出水素は、エゼクタ２２６を介して循環するように設けられている。
【００３８】
このように、燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８から排出された未反応の排出水素は、循環用通路２３０を介してエゼクタ２２６に導入され、圧力制御部２２４から供給された水素と、燃料電池スタック２０２から排出された排出水素とが混合されて燃料電池スタック２０２に再び供給されるように設けられている。
【００３９】
アノード加湿部２２８は、例えば、水透過膜を備えて構成され、該水透過膜の一端面から他端面に水分を透過させることにより、エゼクタ２２６から導出された燃料を所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２の水素供給口２１４へと供給している。すなわち、水素もエアー同様に加湿された状態で燃料電池スタック２０２に供給され、これにより、前記固体高分子電解質膜のイオン伝導度が一定値以上に確保される。
【００４０】
水素排出口２１８には、例えば、図示しない排出制御弁を有する水素排出部２１６が循環用通路２３０を介して接続される。前記排出制御弁は、燃料電池スタック２０２の運転状態に応じて開閉動作が制御され、例えば、図示しない貯留タンクによって分離された排出ガス中の過剰な水分（主に液体水）等が車両外部に排出される。
【００４１】
そして、水素排出部２１６には、前記排出制御弁の後段側に本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁１０が配設されている。また、この燃料電池用開閉弁１０には、圧力制御用バイパス通路２３２から分岐されたパイロット通路２３４が接続されている。
【００４２】
このように構成された燃料電池スタック２０２では、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するように設定されている。
【００４３】
次に、本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁１０につき説明する。この燃料電池用開閉弁１０は、パイロット圧が供給されない定常状態では弁開状態となる、いわゆるノーマルオープン型バルブであり、上記したように、水素排出部２１６に配設されている。
【００４４】
該燃料電池用開閉弁１０の概略全体斜視図を図２に示す。この燃料電池用開閉弁１０は、側周壁に嵌合用突起部１２が設けられたボディ１４と、嵌合用突起部１２の突出方向と反対側に突出した嵌合用突起部１６が設けられたカバー部材１８とを有する。なお、嵌合用突起部１２、１６には、第１送気管２０または第２送気管２２がそれぞれ嵌合されている。
【００４５】
ボディ１４は、菱形状下端部２４と、円筒体部２６と、外周部に突起部が４個設けられたボルト代部２８とを有し、一方、カバー部材１８は、ボディ１４におけるボルト代部２８の形状に対応する形状のボルト代部３０と、円筒状頭部３２とを有する。カバー部材１８のボルト代部３０は、ボディ１４のボルト代部２８上に載置されている。そして、ボルト代部２８、３０同士は、４個のボルト３３ａ〜３３ｄによって互いに連結されており、これによりボディ１４とカバー部材１８とが互いに連結されてケーシング３４が構成されている。
【００４６】
このケーシング３４内においては、図３に示すように、ダイアフラム３６がボディ１４とカバー部材１８とで挟持されている。このダイアフラム３６が存在することにより、ケーシング３４内に第１室３８および第２室４０が離隔形成されている。
【００４７】
図２に示すように、ボディ１４の菱形状下端部２４には、ボルト穴４２が設けられている。このボルト穴４２に通されるボルトがステー等に螺合されることによって、燃料電池用開閉弁１０が位置決め固定される。
【００４８】
また、菱形状下端部２４には、円形に切り欠かれた流体入口４４が設けられている（図３参照）。この流体入口４４の第１室３８側における開口の周囲には、該開口を囲繞するように、円環状に隆起した弁座４６が設けられている。
【００４９】
弁座４６がこのようにボディ１４の図２における下端面内壁から隆起して設けられていることにより、第１室３８の下端面に凹部４８が形成される。この凹部４８には、後述するように、燃料電池用開閉弁１０の内部を流通する水素に含まれた水分が貯留される。すなわち、凹部４８は、水分を貯留する貯留部として機能する。
【００５０】
一方、弁座４６の頂部には、フッ素樹脂がコーティングされることによって、撥水層５０が設けられている。換言すれば、弁座４６の頂部には、撥水処理が施されている。
【００５１】
前記嵌合用突起部１２は、ボディの円筒体部２６における側周壁から突出形成されている。この嵌合用突起部１２に嵌合された第１送気管２０は、後述するように、流体出口として機能する。
【００５２】
なお、図２から諒解されるように、弁座４６の頂部の位置は、第１送気管２０（流体出口）の下端面よりも上方に設定されている。
【００５３】
第１室３８には、弁体５２が収容されている。この弁体５２は、円盤状に設けられた円盤部５４と、該円盤部５４に比して小径かつ長尺な柱部５６とを有する。弁体５２の長手方向は、円盤部５４の下端面がボディ１４の下端部内面に臨むように配設されることにより、鉛直方向に沿って延在している。換言すれば、弁体５２は、第１室３８内で起立している。
【００５４】
円盤部５４の下端面には、環状溝５８が設けられている。図２に示すように、この環状溝５８内に挿入されたゴム製のシート部材６０が弁座４６の頂部から離間することにより、流体入口４４が開放される。
【００５５】
ここで、第１室３８には、前記ダイアフラム３６の図２における下方にばね受皿６２が配設されている。すなわち、このばね受皿６２は、底部６４と、側壁部６６と、該側壁部６６から屈曲して形成された挟持代部６８とを有し、このうちの挟持代部６８が、ダイアフラム３６の端部の下方でボディ１４とカバー部材１８とに挟持されている。なお、図２中、参照符号７０は、水素が第１室３８からボディ１４の外に漏洩することを防止するためのＯリングを示す。
【００５６】
底部６４の略中央には、前記弁体５２における柱部５６に比して大径な貫通孔７２が形成されており、かつ該貫通孔７２の周囲には、図２における上方に指向して円環状に隆起した隆起部７４が設けられている。この隆起部７４が存在することにより、ばね受皿６２とダイアフラム３６との間に進入した水素に含有された水分が底部６４にて捕集され、かつ堰止される。換言すれば、隆起部７４は、水分を堰止する堰止部である。
【００５７】
底部６４におけるボディ１４の側周壁部内面近傍には、排出用孔部７６が設けられている。上記のようにして捕集・堰止された水分は、この排出用孔部７６を通過して、ボディ１４の下端面内壁に指向して滴下する。
【００５８】
弁体５２には、円盤部５４から柱部５６に亘って貫通孔７８が設けられている。この貫通孔７８には、軸部材８０の第１円柱部８２が挿入されている。なお、貫通孔７８から突出した該第１円柱部８２の先端には、該先端が圧潰されることによって、貫通孔７８に比して大径な第１フランジ部８４が設けられている。この第１フランジ部８４により、軸部材８０の弁体５２からの抜け止めがなされている。
【００５９】
軸部材８０の略中央部には、貫通孔７８に比して大径な第１大径部８６と、該第１大径部８６に比してさらに大径な第２大径部８８とが設けられており、これら第１大径部８６および第２大径部８８によって第２フランジ部９０が構成されている。弁体５２は、前記第１フランジ部８４と、この第２フランジ部９０とによって挟持されている。
【００６０】
弁体５２における柱部５６の上端面と軸部材８０における第２大径部８８との間には、第１リテーナ９２、前記ダイアフラム３６、および第２リテーナ９４が図２における下方からこの順序で介装されている。
【００６１】
すなわち、第１リテーナ９２の略中央部には、第１円柱部８２と直径が略同等の穴部が設けられている。この穴部に第１円柱部８２が通されることに伴って、第１リテーナ９２が柱部５６の上端面と第１大径部８６とで挟持されている。
【００６２】
また、ダイアフラム３６の略中央部には、第１大径部８６と直径が略同等の穴部が設けられている。この穴部に、第１大径部８６が通されている。そして、ダイアフラム３６の略中央部にも第１大径部８６と直径が略同等の穴部が設けられており、該穴部には、第１大径部８６が嵌合されている。
【００６３】
軸部材８０は、さらに、第２大径部８８から鉛直上方に延在する第２円柱部９６を有し、該第２円柱部９６は、カバー部材１８を構成する円筒状頭部３２の天井面に突出形成された環状凸部９８（軸受案内部）における案内用穴部１００に挿入されている。
【００６４】
第１リテーナ９２は、ばね部材であるコイルスプリング１０２の一端部を着座させる受皿であり、その端部が鉛直下方に屈曲されることによって側周壁が形成されている。この側周壁にてコイルスプリング１０２が堰止されることにより、該コイルスプリング１０２が位置ずれを起こすことが阻止される。
【００６５】
カバー部材１８を構成する円筒状頭部３２の天井面には、上記したように、軸部材８０の第２円柱部９６が挿入される案内用穴部１００を有する環状凸部９８が設けられている。なお、案内用穴部１００と第２円柱部９６との間には、軸受部材としてのブッシュ１０４が介装されている。
【００６６】
前記嵌合用突起部１６は、円筒状頭部３２における側周壁から突出形成されており、該嵌合用突起部１６には、上記したように第２送気管２２が嵌合されている。この第２送気管２２を介して、パイロット圧（信号圧）となるエアーが第２室４０に導入される。
【００６７】
第１送気管２０および第２送気管２２の各先端部には、膨出部１０６、１０８が設けられている（図２参照）。これら膨出部１０６、１０８には、第１送気管２０または第２送気管２２のそれぞれと、パイロット圧送気管または水素排気ラインをなす送気管とを連結するための管継手が嵌合される。
【００６８】
本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００６９】
燃料電池システム２００を始動するに際しては、まず、燃料電池用開閉弁１０の第２室４０にパイロット圧となる流体、例えば、圧縮エアー等を供給する。コイルスプリング１０２の弾発付勢力を上回るこのパイロット圧により第２リテーナ９４およびダイアフラム３６が押圧され、軸部材８０に追従して弁体５２が下降動作する。最終的に、図４に示すように、コイルスプリング１０２が収縮されるとともにシート部材６０が弁座４６の頂部に当接し、これにより燃料電池用開閉弁１０が弁閉止状態となる。
【００７０】
なお、弁体５２が下降動作するに際しては、該弁体５２の貫通孔７８に挿入された軸部材８０における第２円柱部９６が、ブッシュ１０４を介して環状凸部９８の案内用穴部１００に案内される。このため、該軸部材８０の第１フランジ部８４と第２フランジ部９０にて挟持された弁体５２は、位置ずれを起こすことなく所定の箇所で下降動作する。
【００７１】
この場合、下降動作する弁体５２がケーシング３４等に摺接することがないので、弁体５２からの摩耗粉が発生することはない。なお、弁体５２が下降動作することに伴い、軸部材８０の第２円柱部９６がブッシュ１０４に摺接する。この際に摩耗粉が発生することもあるが、該摩耗粉は、ダイアフラム３６によって捕集される。このため、摩耗粉が第１室３８に進入することはない。このため、メンテナンス頻度を著しく低減することができる。
【００７２】
また、軸部材８０の第２円柱部９６とブッシュ１０４との摺動部は、ダイアフラム３６で仕切られているので、水分が摺動部側に浸入することがない。したがって、摺動部が腐食することが防止されるとともに、該摺動部が凍結することが防止される。
【００７３】
しかも、軸部材８０に第１フランジ部８４と第２フランジ部９０とを設けているので、部品点数を少なくすることもできる。また、コイルスプリング１０２が第１リテーナ９２の側周壁およびばね受皿６２の隆起部７４で堰止されるので、該第１リテーナ９２に押圧されることに伴って圧縮されたコイルスプリング１０２が位置ずれを起こすこともない。
【００７４】
さらに、環状凸部９８を軸受案内部とするとともに、コイルスプリング１０２の一端部を着座させるコイルスプリング受部としているので、部品点数を一層少なくすることができる。このため、燃料電池用開閉弁１０を簡素な構成とすることができるので、メンテナンス作業が容易かつ簡便となる。
【００７５】
次に、燃料電池スタック２０２（図１参照）のアノードに対し、燃料供給部２１２を構成する前記水素ガスボンベから水素を供給する。この水素がアノードで電離して水素イオンと電子とが生成し、このうち、電子が燃料電池システム２００に電気的に接続された図示しないモータ（負荷）を付勢する電気エネルギとなる。一方、水素イオンは、固体高分子電解質膜をカソード側に指向して移動し、該カソードにて、供給された圧縮エアー中の酸素と、電気エネルギとして使用された後にカソードに移動してきた電子と反応して、Ｈ₂Ｏとなる。
【００７６】
上記したように、水素は、酸素に対して過剰量で供給される。このため、水素の一部は上記の反応に関与することなくアノードを通過する。通過した水素は、水素排出部２１６の後段側に配置された燃料電池用開閉弁１０が閉止されているので、循環用通路２３０を介してエゼクタ２２６に戻る。すなわち、水素が循環供給される。
【００７７】
パイロット圧である圧縮エアー等の供給が停止されると、第２室４０のパイロット圧が、コイルスプリング１０２の弾発付勢力に比して小さくなる。その結果、弁体５２が水素に押圧されて上昇動作するとともにコイルスプリング１０２が伸張し、図２に示すように、円盤部５４の下端面に設けられた環状溝５８内のシート部材６０が弁座４６から離間する。これにより流体入口４４、第１室３８および第２送気管２２が連通し、水素が燃料電池用開閉弁１０の内部を流通する。すなわち、水素が排出されることになる。勿論、この際にも弁体５２から摩耗粉が発生することはなく、軸部材８０の第２円柱部９６から摩耗粉が発生したとしても、ダイアフラム３６によって捕集される。
【００７８】
弁体５２が所定の距離だけ上昇動作すると、第２大径部８８の上端面が環状凸部９８の先端面に当接する。この当接により、弁体５２のそれ以上の上昇動作が阻止される。すなわち、環状凸部９８は、弁体５２の上昇動作を停止させるストッパ部である。この停止により、燃料電池用開閉弁１０の全開位置が規定される。
【００７９】
上記したように、水素は、アノード加湿部２２８にて水蒸気が付与された湿潤水素として燃料電池スタック２０２のアノードに供給される。この湿潤水素が流体入口４４から第１室３８に流入すると、該湿潤水素中の水分が第１室３８の内壁に付着した後に凝固して、液滴が生じることがある。
【００８０】
ここで、上記したように、弁座４６の頂部は撥水層５０でコーティングされているので、頂部に生じた液滴は、弁座４６の隆起部に沿ってボディ１４の下端面内壁に流動し、水分として凹部４８に貯留される。
【００８１】
また、湿潤水素の一部は、ばね受皿６２の貫通孔７２を通過して、該ばね受皿６２とダイアフラム３６との間の空間に流入する。そして、ばね受皿６２の底部６４や側壁部６６等に付着した湿潤水素中の付着した水蒸気は、液滴（水分）として凝集する。
【００８２】
この場合、ばね受皿６２の貫通孔７２近傍に隆起部７４が設けられているので、該隆起部７４によって水分が堰止される。すなわち、貫通孔７２を介して水分がボディ１４の下端面内壁に滴下することはない。これにより、弁体５２の円盤部５４が水分で濡れること、ひいては、円盤部５４の各端面が凍結することを回避することができる。
【００８３】
ばね受皿６２の隆起部７４によって堰止された水分は、該ばね受皿６２の排出用孔部７６を介してボディ１４の下端面内壁に滴下し、凹部４８に貯留される。
【００８４】
以上のようにして貯留された水分の量が一定値以上になると、該水分は、流体出口である第２送気管２０を介して燃料電池用開閉弁１０の外部へと排出される。このため、弁座４６の頂部は、常時、水分の液面より上方に位置する。
【００８５】
したがって、例えば、燃料電池システム２００を搭載した自動車を寒冷地で使用する場合であっても、弁座４６の頂部が凍結することはない。必然的に、弁座４６とシート部材６０とが貼り付き合うこともない。すなわち、低温下においても弁体５２を弁座４６に対して確実に着座・離間させることができ、結局、燃料電池用開閉弁１０の作動部が凍結することを回避することができる。
【００８６】
このように、本実施の形態によれば、弁座４６の頂部を撥水層５０でコーティングするとともに、該頂部を流体出口に比して高い位置に設けるようにしているので、低温下においても確実に開放・閉止して、水素を流通または流通停止させる燃料電池用開閉弁１０を構成することができる。
【００８７】
しかも、本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁１０は、パイロット圧の供給または供給停止に伴って自発的に開放または閉止する。したがって、該燃料電池用開閉弁１０を開閉するための制御装置を特に必要としないので、燃料電池システム２００の構成を簡素にすることもできる。
【００８８】
なお、上記した実施の形態においては、本発明に係る燃料電池用開閉弁１０を燃料ガス（水素）の排気ラインに配設するようにしているが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、エアーの排気ラインに配設するようにしてもよい。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池用開閉弁によれば、パイロット圧の供給または供給停止に伴って、弁座に対して弁体を離間または着座させるようにしている。このため、該燃料電池用開閉弁を制御回路等に電気的に接続することなく、パイロット圧を供給または供給停止するという簡便な操作によって開放・閉止させることができるので、燃料電池システムの構成を簡素にすることができる。
【００９０】
その上、この燃料電池用開閉弁は、簡素に構成されているので、メンテナンス作業を容易に実施することができる。
【００９１】
しかも、この燃料電池用開閉弁は、開閉動作することに伴って変位する弁体がケーシング等に摺接することがない。したがって、摩耗粉が発生して流体に混入することを回避することができる。
【００９２】
また、軸部材が軸受部材で案内されるので、軸部材の倒れを極力防止することが可能となる。したがって、弁体のシート性を良好とすることが可能となる。
【００９３】
また、軸受部材、すなわち、摺動部が存在するにも関わらず、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、摺動摩耗による摩耗粉が弁体側に発生することがない。
【００９４】
また、摺動部がダイアフラムで仕切られているので、水分が摺動部側に浸入することがなく、したがって、摺動部が腐食することを防止することが可能となるとともに、該摺動部が凍結することを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁が組み込まれた燃料電池システムのブロック図である。
【図２】本実施の形態に係る燃料電池用開閉弁の概略全体斜視図である。
【図３】図２の燃料電池用開閉弁における閉止状態の概略縦断面図である。
【図４】図２の燃料電池用開閉弁における開放状態の概略縦断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池用開閉弁１４…ボディ
１８…カバー部材２０、２２…送気管
３４…ケーシング３６…ダイアフラム
３８、４０…室４４…流体入口
４６…弁座４８…凹部（液体貯留部）
５０…撥水層５２…弁体
６０…シート部材６２…ばね受皿
７４…隆起部（堰止部）７６…排出用孔部
７８…貫通孔８０…軸部材
８２、９６…円柱部８４、９０…フランジ部
９２、９４…リテーナ９８…環状凸部
１００…案内用穴部１０２…コイルスプリング
１０４…ブッシュ２００…燃料電池システム
２０２…燃料電池スタック２０４…酸化剤供給部
２０６…エアー供給口２１２…燃料供給部
２１４…水素供給口２１９…エアー供給用通路
２２０…放熱部２２２…カソード加湿部
２２３…水素供給通路２２４…圧力制御部
２２６…エゼクタ２２８…アノード加湿部
２３０…循環用通路２３２…圧力制御用バイパス通路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell on-off valve disposed in a reaction gas exhaust line for exhausting a reaction gas of a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A solid polymer membrane fuel cell includes a stack in which a plurality of cells formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode and a cathode from both sides are stacked. In such a stack, hydrogen is supplied as fuel to each anode of the cell, while air is supplied as oxidant to each cathode. Then, hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the anode move through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode and cause an electrochemical reaction at the cathode to generate power.
[0003]
The fuel cell system including the stack includes, for example, an air compressor for supplying air to the cathode side, and further uses the air pressure as a signal pressure to supply hydrogen to the anode side at a pressure corresponding to the air pressure. A pressure control valve is provided to adjust the pressure of the reaction gas on the anode side relative to the cathode side of the fuel cell to a predetermined pressure to ensure a predetermined power generation efficiency and control the flow rate of the reaction gas supplied to the fuel cell By doing so, a predetermined output is set.
[0004]
By the way, in the above-described electrochemical reaction that occurs during power generation, hydrogen and oxygen react at a volume ratio of 2: 1 as is well known. That is, in order to generate power in the fuel cell system so that predetermined power can be obtained, the supply amount of hydrogen needs to be larger than oxygen.
[0005]
By the way, the present applicant has proposed a fuel cell system capable of preventing the recirculation of excess hydrogen and the external release of new hydrogen during the hydrogen purge, and performing reliable hydrogen purge and preventing waste of new hydrogen. (See Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-93438 (left column on page 3)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in connection with the above proposal, and provides a fuel cell on-off valve that has a simple structure, avoids generation of wear powder, and can also prevent freezing of the operating portion. The purpose is to provide.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  To achieve the above object, the present invention provides a fuel cell on-off valve disposed in a hydrogen exhaust line for exhausting excess hydrogen supplied to an anode of a fuel cell,
  A body provided with a fluid inlet and a fluid outlet;
  A valve body seated on or away from the valve seat;
  A spring member that elastically biases the valve body in a direction away from the valve seat;
  A cover member fitted into the body to form a casing;
  A spring receiving member that is positioned and fixed inside the casing and on which one end of the spring member is seated;
  A diaphragm that divides the interior of the casing into a first chamber that communicates with the fluid outlet and a second chamber into which a fluid as a signal pressure is introduced by being disposed inside the casing;
  Have
  The valve body is seated on the valve seat following the compression of the spring member as the fluid is introduced into the second chamber, while the introduction of the fluid into the second chamber is stopped. As the spring member expands, the spring member moves away from the valve seat.And
  In addition, the fluid inlet is provided on the lower end surface of the body, and the top of the valve seat on which the valve body is seated is provided at a position higher than the lower end surface of the fluid outlet. A liquid storage part for storing the liquid is provided.It is characterized by that.
[0009]
In such a configuration, as the fluid (pilot pressure) having a pressure exceeding the pressure of the reaction gas at the fluid inlet of the fuel cell on-off valve is supplied to the second chamber, the spring member is compressed, The valve body is seated on the valve seat and the valve is closed.
[0010]
On the other hand, when the supply of pilot pressure to the second chamber is stopped, the valve body is elastically biased toward the direction away from the valve seat as the spring member expands. As a result, the fluid inlet and the fluid outlet communicate with each other, and the reaction gas flows through the fuel cell on-off valve.
[0011]
Thus, according to the present invention, the reactive gas exhaust line can be closed and opened by supplying or stopping the supply of the pilot pressure. Therefore, it is not necessary to electrically connect the fuel cell on-off valve to a control circuit or the like, so that the configuration of the fuel cell system can be simplified.
[0012]
In addition, the fuel cell on-off valve has a simple structure and can be easily disassembled or assembled. For this reason, it has the advantage that it becomes easy to perform a maintenance operation | work.
[0013]
In this fuel cell on-off valve, a sliding portion such as a bearing is not provided between the valve body and the diaphragm. For this reason, there is no sliding contact between the valve body and the diaphragm which are displaced as the fuel cell on-off valve opens and closes. Therefore, it can be avoided that wear powder is generated and mixed in the reaction gas and adversely affects the power generation performance of the fuel cell.
[0014]
Further, since the shaft member is guided by the bearing member, it is possible to prevent the shaft member from falling down as much as possible. Therefore, it becomes possible to make the sheet | seat property of a valve body favorable.
[0015]
Moreover, although the bearing member, that is, the sliding portion exists, the sliding portion is partitioned by the diaphragm, so that wear powder due to sliding wear does not occur on the valve body side.
[0016]
In addition, since the sliding portion is partitioned by the diaphragm, moisture does not enter the sliding portion side, so that it is possible to prevent the sliding portion from corroding and the sliding portion. Can be prevented from freezing.
[0017]
Further, it is preferable that a bearing guide portion for guiding the bearing member is provided on the cover member. As a result, the bearing member can be easily inserted and fixed.
[0018]
In this case, it is preferable that the tip end portion of the bearing guide portion functions as a stopper portion that stops the displacement operation of the valve body. As a result, it is possible to configure a fuel cell on-off valve in which the fully open position is defined while the number of parts is small.
[0020]
  Furthermore, as described above,While providing the fluid inlet at the lower end surface of the body, by providing the top of the valve seat on which the valve body is seated at a position higher than the lower end surface of the fluid outlet, a liquid storage portion that stores liquid in the casingButEstablishmentIsRu. In this case, the top of the valve seat protrudes above the liquid level. For this reason, freezing of the valve seat can be avoided. Therefore, the top of the valve seat and the valve body seated on the top can be prevented from freezing, and the fuel cell on-off valve can be reliably operated even at low temperatures.
[0021]
  Furthermore, it is preferable to perform a water repellent treatment on at least the top of the valve seat. Since the liquid is repelled by the water repellent layer, freezing of the top of the valve seat and the valve body can be more reliably avoided.
[0022]
  The present invention is also a fuel cell on-off valve disposed in a reaction gas exhaust line for exhausting a reaction gas of the fuel cell,
  A body provided with a fluid inlet and a fluid outlet;
  A valve body seated on or away from the valve seat;
  A spring member that elastically biases the valve body in a direction away from the valve seat;
  A cover member fitted into the body to form a casing;
  A spring receiving member that is positioned and fixed inside the casing and on which one end of the spring member is seated;
  A diaphragm that divides the interior of the casing into a first chamber that communicates with the fluid outlet and a second chamber into which a fluid as a signal pressure is introduced by being disposed inside the casing;
  Have
  The valve body is seated on the valve seat following the compression of the spring member as the fluid is introduced into the second chamber, while the introduction of the fluid into the second chamber is stopped. Following the expansion of the spring member as it is being moved away from the valve seat,
  The spring receiving member includes a damming portion for damming the liquid and a discharge hole for discharging the liquid. As a result, the liquid is surely discharged from the spring receiving member, so that it is possible to avoid freezing of the spring receiving member and thus the spring member. After all, it is possible to configure a fuel cell on-off valve that operates reliably even at low temperatures.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the fuel cell on-off valve according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0024]
FIG. 1 shows a fuel cell system 200 in which a fuel cell on-off valve 10 according to the present embodiment is incorporated. The fuel cell system 200 is mounted on a vehicle such as an automobile. Further, the reaction gas used in the present invention includes hydrogen, air, and surplus hydrogen.
[0025]
The fuel cell system 200 is provided, for example, by stacking a plurality of cells formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane made of an ion exchange membrane or the like made of a polymer from both sides between an anode and a cathode. A fuel cell stack 202.
[0026]
Each cathode of the cell is supplied with air containing oxygen as an oxidant, while each anode is supplied with hydrogen as a fuel. That is, on the cathode side, there is an air discharge port 210 to which an air supply port 206 for supplying air from the oxidant supply unit 204 and an air discharge unit 208 for discharging the air in the cathode to the outside are connected. Provided. On the other hand, a hydrogen supply port 214 to which hydrogen from the fuel supply unit 212 is supplied and a hydrogen discharge port 218 to which a hydrogen discharge unit 216 is connected are provided on the anode side.
[0027]
In the air supply passage 219 connected to the air supply port 206, the oxidant supply unit 204, the heat dissipation unit 220, and the cathode humidification unit 222 are interposed in this order from the upstream side.
[0028]
The oxidant supply unit 204 includes, for example, a supercharger (compressor) (not shown) and a motor that drives the oxidant supply unit, and adiabatically compresses oxygen-containing air used as an oxidant gas in the fuel cell stack 202. Pump. Air is heated during this adiabatic compression. The compressed air thus heated contributes to warming up the fuel cell stack 202.
[0029]
The heat radiating unit 220 is constituted by, for example, an intercooler (not shown). The air supplied from the oxidant supply unit 204 is cooled by exchanging heat with the cooling water flowing along the flow path provided in the heat dissipation unit 220. That is, the air is cooled to a predetermined temperature and then introduced into the cathode humidification unit 222.
[0030]
The cathode humidification unit 222 is configured to include, for example, a water permeable membrane, and allows air that has been cooled to a predetermined temperature by the heat radiating unit 220 to pass through a predetermined temperature by transmitting moisture from one end surface to the other end surface of the water permeable membrane. The humidity is humidified and supplied to the air supply port 206 of the fuel cell stack 202. The humidified air is supplied to the fuel cell stack 202, and as a result, moisture is applied to the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack 202, so that the ionic conductivity of the membrane is secured to a certain value or more. The
[0031]
As described above, the air discharge unit 208 is connected to the air discharge port 210 of the fuel cell stack 202. Air is exhausted into the atmosphere through a discharge valve (not shown) provided in the air discharge unit 208.
[0032]
On the other hand, in the hydrogen supply passage 223 connected to the hydrogen supply port 214, the fuel supply unit 212, the pressure control unit 224, the ejector 226, and the anode humidification unit 228 are interposed in this order from the upstream side. ing. In addition, a hydrogen discharge portion 216 is connected to the hydrogen discharge port 218 via a circulation passage 230.
[0033]
The fuel supply unit 212 includes, for example, a hydrogen gas cylinder (not shown) that supplies hydrogen as fuel for the fuel cell, and stores hydrogen supplied to the anode side of the fuel cell stack 202.
[0034]
The pressure control unit 224 includes, for example, a pneumatic proportional pressure control valve.
[0035]
Here, air is supplied to the pressure control unit 224 via the pressure control bypass passage 232. That is, the air supplied from the oxidant supply unit 204 is set to a predetermined pressure and introduced into the fuel cell stack 202 according to, for example, the load of the fuel cell stack 202 or the operation amount of an accelerator pedal (not shown). . Along with this, it is necessary to adjust the pressure of hydrogen. Therefore, the pressure of the air from the pressure control bypass passage 232 is set as a pilot pressure (signal pressure), and the secondary side pressure that is the outlet side pressure of the pressure control unit 224 is set to a pressure within a predetermined range corresponding to the pilot pressure. is doing.
[0036]
As understood from FIG. 1, the air cooled by the heat radiating unit 220 is supplied to the pressure control unit 224.
[0037]
The ejector 226 includes a nozzle unit and a diffuser unit (not shown), and the hydrogen supplied from the pressure control unit 224 is accelerated and injected toward the diffuser unit when passing through the nozzle unit. When hydrogen flows from the nozzle portion toward the diffuser portion at a high speed, a negative pressure is generated in the side flow chamber provided between the nozzle portion and the diffuser portion, and discharged hydrogen on the anode side through the circulation passage 230. Is sucked. Hydrogen and exhaust hydrogen mixed by the ejector 226 are supplied to the anode humidification unit 228, and the exhaust hydrogen exhausted from the fuel cell stack 202 is provided so as to circulate through the ejector 226.
[0038]
As described above, the unreacted discharged hydrogen discharged from the hydrogen discharge port 218 of the fuel cell stack 202 is introduced into the ejector 226 through the circulation passage 230, and the hydrogen supplied from the pressure control unit 224 and the fuel cell. The exhaust hydrogen discharged from the stack 202 is mixed and supplied to the fuel cell stack 202 again.
[0039]
The anode humidifying unit 228 is configured to include, for example, a water permeable membrane, and permeates moisture from one end surface to the other end surface of the water permeable membrane to humidify the fuel derived from the ejector 226 to a predetermined humidity. This is supplied to the hydrogen supply port 214 of the fuel cell stack 202. That is, hydrogen is supplied to the fuel cell stack 202 in a humidified state like air, and thereby the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane is ensured to be a certain value or more.
[0040]
For example, a hydrogen discharge portion 216 having a discharge control valve (not shown) is connected to the hydrogen discharge port 218 via a circulation passage 230. The discharge control valve is controlled to open and close in accordance with the operating state of the fuel cell stack 202. For example, excessive moisture (mainly liquid water) in the exhaust gas separated by a storage tank (not shown) is exposed to the outside of the vehicle. Discharged.
[0041]
The hydrogen discharge unit 216 is provided with the fuel cell on-off valve 10 according to the present embodiment on the rear stage side of the discharge control valve. A pilot passage 234 branched from the pressure control bypass passage 232 is connected to the fuel cell on-off valve 10.
[0042]
In the fuel cell stack 202 configured as described above, hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the anode move to the cathode through the solid polymer electrolyte membrane, and generate an electric power by causing an electrochemical reaction with oxygen at the cathode. Is set to
[0043]
Next, the fuel cell on-off valve 10 according to the present embodiment will be described. This fuel cell on-off valve 10 is a so-called normally open valve that is in a valve open state in a steady state where no pilot pressure is supplied, and is disposed in the hydrogen discharge unit 216 as described above.
[0044]
A schematic overall perspective view of the fuel cell on-off valve 10 is shown in FIG. This fuel cell on-off valve 10 is a cover member provided with a body 14 provided with a fitting projection 12 on a side peripheral wall, and a fitting projection 16 protruding on the opposite side to the protruding direction of the fitting projection 12. 18. The first air supply pipe 20 or the second air supply pipe 22 is fitted into the fitting protrusions 12 and 16, respectively.
[0045]
The body 14 includes a rhombus-shaped lower end portion 24, a cylindrical body portion 26, and a bolt margin portion 28 provided with four protrusions on the outer peripheral portion, while the cover member 18 is a bolt margin portion in the body 14. A bolt margin 30 having a shape corresponding to the shape of 28 and a cylindrical head 32 are provided. The bolt margin 30 of the cover member 18 is placed on the bolt margin 28 of the body 14. The bolt margins 28 and 30 are connected to each other by four bolts 33a to 33d, whereby the body 14 and the cover member 18 are connected to each other to form a casing 34.
[0046]
In the casing 34, as shown in FIG. 3, the diaphragm 36 is sandwiched between the body 14 and the cover member 18. Due to the presence of the diaphragm 36, the first chamber 38 and the second chamber 40 are separated from each other in the casing 34.
[0047]
As shown in FIG. 2, a bolt hole 42 is provided in the rhombus lower end 24 of the body 14. The bolts that pass through the bolt holes 42 are screwed into stays or the like, whereby the fuel cell on-off valve 10 is positioned and fixed.
[0048]
In addition, the rhombus-shaped lower end portion 24 is provided with a fluid inlet 44 cut out in a circular shape (see FIG. 3). Around the opening of the fluid inlet 44 on the first chamber 38 side, an annular valve seat 46 is provided so as to surround the opening.
[0049]
The valve seat 46 is thus provided so as to protrude from the inner wall of the lower end surface in FIG. 2 of the body 14, whereby a recess 48 is formed in the lower end surface of the first chamber 38. As will be described later, the recess 48 stores moisture contained in hydrogen flowing through the fuel cell on-off valve 10. That is, the concave portion 48 functions as a storage portion that stores moisture.
[0050]
On the other hand, a water repellent layer 50 is provided on the top of the valve seat 46 by coating with a fluororesin. In other words, the top of the valve seat 46 is subjected to water repellent treatment.
[0051]
The fitting projection 12 is formed so as to protrude from the side peripheral wall of the cylindrical body portion 26 of the body. The first air supply pipe 20 fitted to the fitting projection 12 functions as a fluid outlet, as will be described later.
[0052]
As can be seen from FIG. 2, the position of the top of the valve seat 46 is set above the lower end surface of the first air supply pipe 20 (fluid outlet).
[0053]
A valve body 52 is accommodated in the first chamber 38. The valve body 52 includes a disk portion 54 provided in a disk shape, and a column portion 56 that is smaller in diameter and longer than the disk portion 54. The longitudinal direction of the valve body 52 extends along the vertical direction by being arranged so that the lower end surface of the disk portion 54 faces the inner surface of the lower end portion of the body 14. In other words, the valve body 52 stands up in the first chamber 38.
[0054]
An annular groove 58 is provided on the lower end surface of the disk portion 54. As shown in FIG. 2, when the rubber seat member 60 inserted into the annular groove 58 is separated from the top of the valve seat 46, the fluid inlet 44 is opened.
[0055]
Here, a spring tray 62 is disposed in the first chamber 38 below the diaphragm 36 in FIG. That is, the spring tray 62 has a bottom portion 64, a side wall portion 66, and a clamping margin portion 68 formed by bending from the side wall portion 66, and the clamping margin portion 68 is an end of the diaphragm 36. It is sandwiched between the body 14 and the cover member 18 below the part. In FIG. 2, reference numeral 70 indicates an O-ring for preventing hydrogen from leaking out of the body 14 from the first chamber 38.
[0056]
A through hole 72 having a diameter larger than that of the column part 56 in the valve body 52 is formed at the substantially center of the bottom part 64, and the periphery of the through hole 72 is directed upward in FIG. A raised portion 74 that is raised in an annular shape is provided. Due to the presence of the raised portion 74, the moisture contained in the hydrogen that has entered between the spring tray 62 and the diaphragm 36 is collected at the bottom portion 64 and dammed. In other words, the raised portion 74 is a blocking portion that blocks moisture.
[0057]
A discharge hole 76 is provided near the inner surface of the side peripheral wall of the body 14 at the bottom 64. The moisture collected and dammed as described above passes through the discharge hole 76 and drops toward the inner wall of the lower end surface of the body 14.
[0058]
A through hole 78 is provided in the valve body 52 from the disk portion 54 to the column portion 56. The first cylindrical portion 82 of the shaft member 80 is inserted into the through hole 78. A first flange portion 84 having a diameter larger than that of the through hole 78 is provided at the tip of the first cylindrical portion 82 protruding from the through hole 78 by crushing the tip. The first flange portion 84 prevents the shaft member 80 from coming off from the valve body 52.
[0059]
A substantially large central portion of the shaft member 80 includes a first large diameter portion 86 having a diameter larger than that of the through hole 78 and a second large diameter portion 88 having a diameter larger than that of the first large diameter portion 86. The first large-diameter portion 86 and the second large-diameter portion 88 constitute the second flange portion 90. The valve body 52 is sandwiched between the first flange portion 84 and the second flange portion 90.
[0060]
Between the upper end surface of the column part 56 in the valve body 52 and the second large diameter part 88 in the shaft member 80, the first retainer 92, the diaphragm 36, and the second retainer 94 are arranged in this order from below in FIG. It is intervened.
[0061]
That is, a hole portion having a diameter substantially equal to that of the first cylindrical portion 82 is provided in a substantially central portion of the first retainer 92. As the first cylindrical portion 82 is passed through the hole, the first retainer 92 is held between the upper end surface of the column portion 56 and the first large diameter portion 86.
[0062]
In addition, a hole portion having a diameter substantially equal to that of the first large diameter portion 86 is provided in a substantially central portion of the diaphragm 36. The first large diameter portion 86 is passed through this hole. A hole having a diameter substantially equal to that of the first large-diameter portion 86 is provided in a substantially central portion of the diaphragm 36, and the first large-diameter portion 86 is fitted in the hole.
[0063]
The shaft member 80 further includes a second columnar portion 96 extending vertically upward from the second large diameter portion 88, and the second columnar portion 96 is a ceiling of the cylindrical head portion 32 constituting the cover member 18. It is inserted into a guide hole 100 in an annular convex portion 98 (bearing guide portion) formed to protrude from the surface.
[0064]
The 1st retainer 92 is a saucer which seats the one end part of the coil spring 102 which is a spring member, and the side peripheral wall is formed by bending the edge part perpendicularly downward. The coil spring 102 is blocked by the side peripheral wall, thereby preventing the coil spring 102 from being displaced.
[0065]
As described above, an annular convex portion 98 having a guide hole portion 100 into which the second columnar portion 96 of the shaft member 80 is inserted is provided on the ceiling surface of the cylindrical head portion 32 constituting the cover member 18. Yes. A bush 104 as a bearing member is interposed between the guide hole 100 and the second cylindrical portion 96.
[0066]
The fitting projection 16 is formed so as to protrude from the side peripheral wall of the cylindrical head portion 32, and the second air supply pipe 22 is fitted to the fitting projection 16 as described above. Air serving as a pilot pressure (signal pressure) is introduced into the second chamber 40 through the second air supply pipe 22.
[0067]
Swelling portions 106 and 108 are provided at the tip ends of the first air supply tube 20 and the second air supply tube 22 (see FIG. 2). The bulging portions 106 and 108 are fitted with pipe joints for connecting the first air supply pipe 20 or the second air supply pipe 22 with the pilot pressure air supply pipe or the air supply pipe forming the hydrogen exhaust line.
[0068]
The fuel cell on-off valve 10 according to the present embodiment is basically configured as described above. Next, the function and effect will be described.
[0069]
When the fuel cell system 200 is started, first, a fluid that becomes a pilot pressure, such as compressed air, is supplied to the second chamber 40 of the fuel cell on-off valve 10. The second retainer 94 and the diaphragm 36 are pressed by this pilot pressure exceeding the elastic urging force of the coil spring 102, and the valve body 52 moves down following the shaft member 80. Finally, as shown in FIG. 4, the coil spring 102 is contracted and the seat member 60 comes into contact with the top of the valve seat 46, whereby the fuel cell on-off valve 10 is closed.
[0070]
When the valve body 52 is lowered, the second cylindrical portion 96 of the shaft member 80 inserted into the through hole 78 of the valve body 52 is guided by the guide hole 100 of the annular convex portion 98 via the bush 104. Be guided to. For this reason, the valve body 52 clamped by the first flange portion 84 and the second flange portion 90 of the shaft member 80 moves down at a predetermined position without causing a positional shift.
[0071]
In this case, since the descending valve body 52 does not slidably contact the casing 34 or the like, wear powder from the valve body 52 is not generated. As the valve body 52 moves downward, the second cylindrical portion 96 of the shaft member 80 comes into sliding contact with the bush 104. At this time, wear powder may be generated, but the wear powder is collected by the diaphragm 36. For this reason, the wear powder does not enter the first chamber 38. For this reason, the maintenance frequency can be significantly reduced.
[0072]
Further, since the sliding portion between the second cylindrical portion 96 of the shaft member 80 and the bush 104 is partitioned by the diaphragm 36, moisture does not enter the sliding portion side. Therefore, the sliding portion is prevented from corroding and the sliding portion is prevented from freezing.
[0073]
Moreover, since the first flange portion 84 and the second flange portion 90 are provided on the shaft member 80, the number of parts can be reduced. Further, since the coil spring 102 is blocked by the side peripheral wall of the first retainer 92 and the raised portion 74 of the spring receiving tray 62, the compressed coil spring 102 is displaced by being pressed by the first retainer 92. There is no cause.
[0074]
Further, since the annular convex portion 98 is used as a bearing guide portion and a coil spring receiving portion on which one end portion of the coil spring 102 is seated, the number of parts can be further reduced. For this reason, since the fuel cell on-off valve 10 can have a simple configuration, the maintenance work is easy and simple.
[0075]
Next, hydrogen is supplied from the hydrogen gas cylinder constituting the fuel supply unit 212 to the anode of the fuel cell stack 202 (see FIG. 1). This hydrogen is ionized at the anode to generate hydrogen ions and electrons. Among these, the electrons become electric energy for energizing a motor (load) (not shown) that is electrically connected to the fuel cell system 200. On the other hand, hydrogen ions move toward the cathode side through the solid polymer electrolyte membrane, where oxygen in the supplied compressed air and electrons that have moved to the cathode after being used as electrical energy Reacts with H₂O.
[0076]
As described above, hydrogen is supplied in excess with respect to oxygen. For this reason, a part of hydrogen passes through the anode without participating in the above reaction. The passed hydrogen returns to the ejector 226 through the circulation passage 230 because the fuel cell on-off valve 10 disposed on the rear side of the hydrogen discharger 216 is closed. That is, hydrogen is circulated and supplied.
[0077]
When the supply of compressed air or the like as the pilot pressure is stopped, the pilot pressure in the second chamber 40 becomes smaller than the elastic urging force of the coil spring 102. As a result, the valve body 52 is pushed upward by the hydrogen and the coil spring 102 is extended. As shown in FIG. 2, the seat member 60 in the annular groove 58 provided in the lower end surface of the disk portion 54 Separate from the seat 46. As a result, the fluid inlet 44, the first chamber 38 and the second air supply pipe 22 communicate with each other, and hydrogen flows through the fuel cell on-off valve 10. That is, hydrogen is discharged. Of course, at this time, no abrasion powder is generated from the valve body 52, and even if abrasion powder is generated from the second cylindrical portion 96 of the shaft member 80, it is collected by the diaphragm 36.
[0078]
When the valve body 52 moves upward by a predetermined distance, the upper end surface of the second large diameter portion 88 comes into contact with the distal end surface of the annular convex portion 98. Due to this contact, further upward movement of the valve body 52 is prevented. That is, the annular convex portion 98 is a stopper portion that stops the ascending operation of the valve body 52. By this stop, the fully open position of the fuel cell on-off valve 10 is defined.
[0079]
As described above, hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell stack 202 as wet hydrogen to which water vapor is applied in the anode humidification unit 228. When the wet hydrogen flows into the first chamber 38 from the fluid inlet 44, water in the wet hydrogen may solidify after adhering to the inner wall of the first chamber 38, thereby generating droplets.
[0080]
Here, as described above, since the top of the valve seat 46 is coated with the water repellent layer 50, the droplet generated on the top flows along the raised portion of the valve seat 46 to the inner wall of the lower end surface of the body 14. The water is stored in the recess 48 as moisture.
[0081]
A part of the wet hydrogen passes through the through hole 72 of the spring tray 62 and flows into the space between the spring tray 62 and the diaphragm 36. And the water vapor | steam adhering in the wet hydrogen adhering to the bottom part 64, the side wall part 66, etc. of the spring saucer 62 aggregates as a droplet (water | moisture content).
[0082]
In this case, since the raised portion 74 is provided in the vicinity of the through hole 72 of the spring tray 62, moisture is blocked by the raised portion 74. That is, moisture does not drip onto the inner wall of the lower end surface of the body 14 through the through hole 72. As a result, it is possible to avoid that the disc portion 54 of the valve body 52 gets wet with moisture, and that each end face of the disc portion 54 freezes.
[0083]
Moisture blocked by the raised portion 74 of the spring tray 62 drops onto the inner wall of the lower end surface of the body 14 through the discharge hole 76 of the spring tray 62 and is stored in the recess 48.
[0084]
When the amount of water stored as described above becomes a certain value or more, the water is discharged to the outside of the fuel cell on-off valve 10 through the second air supply pipe 20 which is a fluid outlet. For this reason, the top part of the valve seat 46 is always located above the liquid surface of moisture.
[0085]
Therefore, for example, even when a vehicle equipped with the fuel cell system 200 is used in a cold region, the top of the valve seat 46 does not freeze. Inevitably, the valve seat 46 and the seat member 60 do not stick to each other. In other words, the valve body 52 can be reliably seated and separated from the valve seat 46 even at low temperatures, and eventually the operating portion of the fuel cell on-off valve 10 can be prevented from freezing.
[0086]
As described above, according to the present embodiment, the top of the valve seat 46 is coated with the water repellent layer 50, and the top is provided at a higher position than the fluid outlet. The fuel cell on-off valve 10 that reliably opens and closes to allow hydrogen to flow or stop flowing can be configured.
[0087]
In addition, the fuel cell on-off valve 10 according to the present embodiment spontaneously opens or closes as the pilot pressure is supplied or stopped. Therefore, since a control device for opening and closing the fuel cell on-off valve 10 is not particularly required, the configuration of the fuel cell system 200 can be simplified.
[0088]
In the above-described embodiment, the fuel cell on-off valve 10 according to the present invention is arranged in the exhaust line of the fuel gas (hydrogen). However, the present invention is not limited to this. For example, It may be arranged in an air exhaust line.
[0089]
【The invention's effect】
As described above, according to the on-off valve for a fuel cell according to the present invention, the valve body is separated from or seated on the valve seat as the pilot pressure is supplied or stopped. Therefore, the fuel cell on-off valve can be opened and closed by a simple operation of supplying or stopping the pilot pressure without being electrically connected to a control circuit or the like. It can be simplified.
[0090]
In addition, the fuel cell on-off valve is configured simply, so that maintenance work can be easily performed.
[0091]
Moreover, in this fuel cell on-off valve, the valve body that is displaced in accordance with the opening / closing operation does not come into sliding contact with the casing or the like. Therefore, it is possible to avoid wear powder from being generated and mixed into the fluid.
[0092]
Further, since the shaft member is guided by the bearing member, it is possible to prevent the shaft member from falling down as much as possible. Therefore, it becomes possible to make the sheet | seat property of a valve body favorable.
[0093]
Moreover, although the bearing member, that is, the sliding portion exists, the sliding portion is partitioned by the diaphragm, so that wear powder due to sliding wear does not occur on the valve body side.
[0094]
In addition, since the sliding portion is partitioned by the diaphragm, moisture does not enter the sliding portion side, so that it is possible to prevent the sliding portion from corroding and the sliding portion. Can be prevented from freezing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system incorporating a fuel cell on-off valve according to the present embodiment.
FIG. 2 is a schematic overall perspective view of a fuel cell on-off valve according to the present embodiment.
3 is a schematic longitudinal sectional view of the fuel cell on-off valve of FIG. 2 in a closed state.
4 is a schematic longitudinal sectional view of the fuel cell on-off valve of FIG. 2 in an open state.
[Explanation of symbols]
10 ... Open / close valve for fuel cell 14 ... Body
18 ... Cover member 20, 22 ... Air pipe
34 ... Casing 36 ... Diaphragm
38, 40 ... Chamber 44 ... Fluid inlet
46 ... Valve seat 48 ... Recess (Liquid reservoir)
50 ... Water-repellent layer 52 ... Valve
60 ... sheet member 62 ... spring tray
74 ... Raised part (damming part) 76 ... Hole for discharge
78 ... Through hole 80 ... Shaft member
82, 96 ... cylindrical part 84, 90 ... flange part
92, 94 ... retainer 98 ... annular projection
100 ... Guide hole 102 ... Coil spring
104 ... Bush 200 ... Fuel cell system
202 ... Fuel cell stack 204 ... Oxidant supply unit
206 ... Air supply port 212 ... Fuel supply section
214 ... Hydrogen supply port 219 ... Air supply passage
220 ... Heat dissipation unit 222 ... Cathode humidification unit
223 ... Hydrogen supply passage 224 ... Pressure control unit
226 ... Ejector 228 ... Anode humidifier
230 ... circulation passage 232 ... pressure control bypass passage

Claims

A fuel cell on-off valve disposed in a reaction gas exhaust line for exhausting a reaction gas of the fuel cell,
A body provided with a fluid inlet and a fluid outlet;
A valve body seated on or away from the valve seat;
A spring member that elastically biases the valve body in a direction away from the valve seat;
A cover member fitted into the body to form a casing;
A spring receiving member that is positioned and fixed inside the casing and on which one end of the spring member is seated;
A diaphragm that divides the interior of the casing into a first chamber that communicates with the fluid outlet and a second chamber into which a fluid as a signal pressure is introduced by being disposed inside the casing;
Have
The valve body is seated on the valve seat following the compression of the spring member as the fluid is introduced into the second chamber, while the introduction of the fluid into the second chamber is stopped. Following the expansion of the spring member as it is being moved away from the valve seat ,
In addition, the fluid inlet is provided on the lower end surface of the body, and the top of the valve seat on which the valve body is seated is provided at a position higher than the lower end surface of the fluid outlet. fuel cell-off valve, characterized in Rukoto liquid storing unit for storing the liquid is provided.

2. The fuel cell on-off valve according to claim 1, further comprising: a shaft member connected to the valve body, wherein the shaft member is guided by a bearing member provided on the upper surface side of the diaphragm. Battery open / close valve.

3. The fuel cell on-off valve according to claim 2, wherein a bearing guide for guiding the bearing member is provided on the cover member.

4. The fuel cell on-off valve according to claim 3, wherein the tip end portion of the bearing guide portion is a stopper portion that stops the displacement operation of the valve body.

2. The on-off valve for a fuel cell according to claim 1 , wherein water repellent treatment is applied to at least the top portion of the valve seat.

A fuel cell on-off valve disposed in a reaction gas exhaust line for exhausting a reaction gas of a fuel cell,
A body provided with a fluid inlet and a fluid outlet;
A valve body seated on or away from the valve seat;
A spring member that elastically biases the valve body in a direction away from the valve seat;
A cover member fitted into the body to form a casing;
A spring receiving member that is positioned and fixed inside the casing and on which one end of the spring member is seated;
A diaphragm that divides the interior of the casing into a first chamber that communicates with the fluid outlet and a second chamber into which a fluid as a signal pressure is introduced by being disposed inside the casing;
Have
The valve body is seated on the valve seat following the compression of the spring member as the fluid is introduced into the second chamber, while the introduction of the fluid into the second chamber is stopped. Following the expansion of the spring member as it is being moved away from the valve seat,
The fuel receiving valve according to claim 1, wherein the spring receiving member has a damming portion for damming the liquid and a discharge hole for discharging the liquid.