(57)【要約】【課題】簡易な構造として圧力損失を少なくする。【解決手段】燃料電池システムの配水流路に設けられ、弁孔６を有する弁箱５内に流れ方向に交差する弁軸２を設け、その弁軸２に前記弁孔６を開閉する弁体３を軸周り回転可能に設け、その弁体３に磁性体で形成した磁性体部１０を設けるとともに、その弁孔６の外側に永久磁石１１を設けた弁装置１である。磁性体部１０と永久磁石１１との磁力の作用により前記弁体３を常に閉弁方向に付勢し、水が流れているときは弁体３はその流体圧でもって押されて開弁し、且つ水が流れなくなると磁力による付勢力でもって閉弁し流路内の気体の対流を抑制し得る。磁力により付勢された弁体は、その付勢力に抗して行う開弁動作の初期の稼働が比較的小さな力で可能であり、また、流路に水の流れがないと、弁体３は磁力が比較的弱いものであっても閉弁状態に戻り得るので、設定される磁力は弱いもので足り、圧力損失をより低いものとし得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の媒体が断続的に供給される流路Ｐに弁孔６を形成し、前記弁孔６に揺動又は回転によりその弁孔６を開閉する弁体３を設け、その弁体３を磁力の作用により閉弁方向へ付勢するとともに、その付勢により、弁体３は、前記流路Ｐ内への前記流体の供給が絶たれた場合に前記弁孔６を閉じて、前記流路Ｐ内に残存し供給圧を受けない前記流体の媒体、又は前記流路Ｐ内の他の気体の移動を阻止する弁装置。
【請求項２】
前記弁体３は、前記供給方向の前記供給流体の流れに対してのみ前記弁孔６を開放する逆止弁であることを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
【請求項３】
前記流路Ｐは、燃料電池システムの配水流路であり、弁体３は、前記流路Ｐ内に水がない場合にのみ前記弁孔６を閉じることを特徴とする請求項１又は２に記載の弁装置。
【請求項４】
前記弁体３に磁性体で形成した磁性体部１０を設けるとともに、前記弁孔６の外側に磁力の作用により前記弁体３の磁性体部１０を吸引する磁性体部１１を設け、前記弁体３は、その両磁性体部１０，１１間の磁力の作用により付勢されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の弁装置。
【請求項５】
前記磁性体部１０は磁性体で形成した板状部材であり、その板状部材の周縁にシート状部材１３を固定して前記弁体３を構成し、そのシート状部材１３の縁を前記弁孔６に固定し、そのシート状部材１３が屈曲することにより前記弁体３が揺動することを特徴とする請求項４に記載の弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムの流体管路に設けられる対流防止用弁装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な流体管路に設けられる弁装置として、例えば、特許文献１に示す回転式のブレードダンパーがある。このブレードダンパーは、流路のオリフィス部に設けられて、そのダンパーが回転軸周りに回転することにより流路を開閉し、流体の流れを遮断、開放、又はその流量を制御するものである。
【０００３】
また、特許文献２に示す弁装置は、燃料電池システムの反応ガス流路に設けられる電磁式の回転弁である。その構成は、弁箱内に、流路を管径方向に横断する弁軸が設けられ、その弁軸に弁体が取り付けられている。弁体は、弁軸周りに回転可能であり、その回転により流路を開閉し得るとともに、コイルバネによりその弁軸周りに閉弁方向へ付勢されている。
弁箱内には、前記弁軸の端部にソレノイド部が設けられており、そのソレノイド部の励磁作用により、前記バネの付勢力に抗して弁軸を回転させて弁体を開弁するようになっている。
【特許文献１】特開平６−１７４１１０号公報
【特許文献２】特開２００４−１８３７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムでは、例えば、アノード（燃料極）、カソード（空気極）へ供給される各気体の加湿部などにおいて、水タンクからの水が供給されており、その供給用の流路には、燃料電池が動作している時には水が流れ、燃料電池が止まると水の流れが停止して管路内に水のない空の状態になる箇所がある。この水タンク内に貯留されている水は、燃料電池が動作している際も、停止している際にも、その温度を一定に保つ必要があるので、流路内の気体に流れが生じると、この気体の流れにより、水温が変動することがあるので好ましくない。このため、燃料電池が停止して流路に水が供給されなくなった際には、流路内の気体が流れないように流路を塞ぐ必要がある。
【０００５】
また、例えば、空気極にポンプ（又はブロア）にて空気を送る流路にて、燃料電池が動いている時は空気がポンプから空気極に送られていて、燃料電池が止まるとポンプも止まり、空気の流れはなくなるが、この時、燃料極より流路内に水分が拡散してきて、そのままだとポンプに水分が届いて、ポンプが錆びる可能性がある。このため、燃料電池が停止して流路に空気が供給されなくなった際には、流路を塞ぐ必要がある。
【０００６】
さらに、例えば、メタノールを燃料とするＤＭＦＣと呼ばれる燃料電池では、メタノールをタンクから燃料極に送っているが、その送られた燃料がすべて反応している訳ではなく、未反応のメタノールが存在する。
このとき、未反応のメタノールには、反応で生じた二酸化炭素が含まれているので、これを排出し、再び燃料極に戻している。この再循環したメタノールには、排出しきれない二酸化炭素が含まれていて、これがタンク内の純粋なメタノールに混ざることは避けなければならない。このため、燃料電池が停止して流路にメタノールが供給されなくなった際には、その二酸化炭素を含んだメタノールがタンクに逆流しないように、流路を塞ぐ必要がある。
また、燃料電池システムの配水流路以外にも、流体が断続的に供給される流路において、その流体の供給が絶たれた場合にその流路を塞いで、流路内に介在する気体の移動を防止したい場合がある。
【０００７】
しかし、このような流路に、上記特許文献１及び２に示す弁装置を用いると、弁箱には、流体の流れに対応して弁孔を開閉するために、弁軸を回転させる駆動装置を設ける必要がある。弁箱に駆動装置が介在すると、構造を複雑にするとともに、装置が大型化するので好ましくない。
【０００８】
また、ばね等の弾性体により弁体を閉弁方向に付勢し、流体が流れた際にその流体圧により弁体を押して開弁させる手法も考えられるが、ばね等により付勢された弁体を採用すると、弁を通過する流体に大きな圧力損失を生じ得る。これは、一般に、弁体をばねにより閉弁方向に付勢した場合、開弁とともに徐々にばねの変形量は増大し、その増大に応じて前記付勢力も大きくなるからである。
このため、この種の弁装置を使用すると、流体がスムースに供給されなくなるので好ましくない。
【０００９】
さらに、特許文献２に記載の弁装置を使用すると、流路内の流体の流れが止まったときに、ソレノイド部への通電を止めて閉弁させる必要がある。このため、その流れの変化を検知する装置が必要となる。流路に検知装置を設けることは、構造を複雑にし、また装置が大型化するので好ましくない。
【００１０】
そこで、この発明は、弁装置を簡易な構造として、流体が供給されて流れているときは低い圧力損失で開弁し、且つ流体の供給が絶たれると閉弁するようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、この発明は、流体の媒体が断続的に供給される流路に弁箱を設け、その弁箱内の流路に弁孔を形成し、その弁孔に揺動又は回転により前記弁孔を開閉する弁体を設けてその弁体を磁力の作用により閉弁方向へ付勢するとともに、その付勢により、弁体は、前記流路内への流体の供給が絶たれた場合に前記弁孔を閉じて前記流路内に残存し供給圧を受けない前記流体の媒体、又は前記流路Ｐ内の他の気体の移動を阻止するようにしたのである。
【００１２】
このようにすれば、流路に流体が供給されているときは、弁体はその流体圧でもって押されて開弁し、且つ流体の供給が絶たれると、弁体は前記磁力による付勢力でもって閉弁して、流路内に介在する気体の移動を防止し得る。
このとき、弁体は磁力により付勢されているので、その弁体、及びその弁体を支持する弁軸等の各部部材には、付勢手段が直接触れる必要がない。このため、弁体を動作させる際の摩擦抵抗が少なくなり、圧力損失を低減し得る。また、流路に流体が供給されていない場合、流路内にその供給流体（圧力媒体）以外の気体が介在しているが、弁体にはその供給流体の供給圧が作用しないので、比較的弱い磁力によって弁体は閉弁状態に戻り得る。このため、設定される磁力は弱いもので足りる。したがって、流体が、その磁力による付勢力に抗して弁体を開放する際に生じる圧力損失を低いものとし得る。
【００１３】
上記の構成において、上記弁体は、前記供給方向の前記供給流体の流れに対してのみ前記弁孔を開放する逆止弁とすれば、流体の供給が絶たれた際に、その供給流体以外の気体が流路内を逆流して、流体の供給源に至ることを防止し得る。
【００１４】
また、上記弁装置を、燃料電池システムの配水流路に採用することができる。燃料電池システムの配水流路は、流路に水が供給されていない場合には流路に水がない状態となり、そのとき流路内には空気が介在する。このため、流路内に水がない場合にのみ弁体が弁孔を閉じるようにすれば、その流路への流体の非供給時において、流路内の空気の移動を抑制し得る。このため、水の供給源において、水温の変動を防止し得るようになる。
【００１５】
また、弁体を磁力の作用により付勢するための具体的態様としては、前記弁体に磁性体で形成した磁性体部を設けるとともに、前記弁孔の外側に磁力の作用により前記弁体の磁性体部を吸引する磁性体部を設け、前記弁体は、その両磁性体部間の磁力の作用により付勢されるようにした構成を採用し得る。
【００１６】
このようにすれば、磁力による付勢力は、対応する二つの磁性体同士の距離に反比例するので、開弁とともに磁性体間に生じる磁力は徐々に減少し、その減少に応じて前記付勢力も小さくなる。このため、弁を通過する流体に生じさせる圧力損失を小さくし得る。また、磁性体部は、弁体と弁孔外側にそれぞれ設ければ足りるので、両者を配置しやすい。
【００１７】
また、上記の構成において、前記磁性体部を磁性体で形成した板状部材とし、その板状部材の周縁にシート状部材を固定して前記弁体を構成し、そのシート状部材の縁を前記弁孔周りに固定し、そのシート状部材が屈曲することにより前記弁体が揺動するようにした構成を採用し得る。このようにすれば、弁軸を設ける必要がないので、弁装置の構成が簡単になる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明は、以上のようにしたので、弁装置を簡易な構造とするとともに、流体が供給されて流れているときは低い圧力損失で開弁し、且つ流体の供給が絶たれると閉弁させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
一実施形態を図１乃至図３に示す。この実施形態の弁装置は、燃料電池システムにおいて、水タンクから定温の水を供給するために配設した流路Ｐに設けられる対流防止用弁装置１である。その流路Ｐには、水タンクからの水が適宜供給されるようになっており、その供給用の流路Ｐには、燃料電池が動作している時には水が流れ、燃料電池が止まると水の流れが停止して管路内の水が空の状態、すなわち空気等が介在した状態になっている。
【００２０】
この弁装置１の構成は、図１（ａ）に示すように、断面円形の流路Ｐを有する弁箱５に、その弁軸２を介して弁体３が取り付けられている。弁体３は、図３（ａ）に示すように、断面円形の板状を成し、その両端に弁軸２が同一軸上に設けられている。弁体３は、図１（ａ）に矢印で示す流れ方向に対し前記弁軸２が直交し、その弁軸２の軸方向が流路Ｐの中央を横断するように配置され、その弁軸２の両端は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、弁箱５の軸支持部８，８に嵌め込まれて、弁体３は、前記弁軸２を介して弁箱５内に支持されて、弁軸２の軸心周りに３６０度回転可能となっている。
【００２１】
弁体３は、弁孔６を閉じた状態、すなわち図１（ａ）に示す閉弁位置を挟んで前記弁軸２の軸周りに双方向へ回転可能であり、その弁体３が、前記弁軸２周りにいずれかの方向へ回転することにより、図１（ａ）から（ｂ）に示すように、流路Ｐに形成した弁孔６を開閉し得るようになっている。また、その閉弁状態において、弁体３の外周縁３ａとその流路Ｐの弁孔６の内周縁との間には、図２（ｂ）に示すように隙間がその全周に亘って設けられている。
【００２２】
この弁体３は、ニッケルやフェライト系ステンレス等の磁性体からなり、その弁体３全体でもって磁性体部１０を成す。また、弁軸２は、棒状に形成した樹脂成型品を弁体３に嵌め込んで固定している。
【００２３】
弁箱５には、図１に示すように、その弁孔６の外側において永久磁石（磁性体部）１１が取り付けられており、その磁性体部１０と永久磁石１１との磁力の作用により、前記磁性体部１０（弁体３）が吸引されて、弁体３が常に閉弁方向に付勢されている。
【００２４】
この弁装置１の作用を説明すると、流路Ｐに水が流れていない場合には、前述のようにその流路Ｐ内には水がない状態であるので、弁体３には水の圧力が加わらない。このため、弁体３は、磁力の作用により吸引されて、図１（ａ）に示す閉弁状態の位置にある。
【００２５】
その閉弁状態において、図１（ａ）に示す矢印Ａの方向に水が流れると、弁体３は、弁軸２周りに回転し、図１（ｂ）に示す矢印Ｂのように回転して開弁状態となる。その後、水の流れが安定すれば、弁体３は、概ねその水の流れ方向に並行な位置まで回転し、その位置で維持される。そして、流路Ｐの水の流れが止まり流路に水がなくなると、弁体３は、図１（ａ）に示す閉弁状態に戻る。
【００２６】
このとき、永久磁石１１は、前記磁性体部１０との間で磁力線を形成し、その磁力は、前記閉弁状態において、流路Ｐ内にある空気等の気体が自然対流しようとした場合には弁体３の開弁を阻止し、且つ水の流れが生じた場合に弁体３に作用する水圧よりも弱い付勢力を、その弁体３の磁性体部１０に作用させている。このため、流路Ｐに水が流れれば開弁し、水がなくなれば閉弁して、その流路Ｐ内の気体の対流を防止し得るのである。
【００２７】
なお、弁体３は、図３（ａ）に示す態様以外にも、例えば、図３（ｂ）に示すように、弁軸２と弁体３とを金属などの磁性体で一体に形成してもよいし、図３（ｃ）に示すように、金属などの磁性体からなる弁体３と、磁性体又はそれ以外からなる弁軸２とを固定してもよい。この弁体３と弁軸２との固定は、両者共に金属である場合には、点溶接等による固定方法を採用し得る。
【００２８】
他の実施形態として、図４に示す弁装置１がある。図４に示す弁装置１は、流路Ｐの弁孔６に、その流れ方向に直交する面を有する弁座７を設け、閉弁状態において、弁体３がその弁座７に当接するようにしたものである。弁座７は、弁軸２の軸心を挟んで両側に設けられて、それぞれ流路Ｐの内周に沿って半円弧状に形成されている。また、両弁座７，７は、図示するように、流路Ｐの流れ方向に対して逆向きに形成されている。
【００２９】
図４（ｂ）に示すように、矢印Ａ’方向からの水の流れに対しては、弁体３は図示する矢印Ｂ’の方向へ回転し開弁する。また、図４（ｃ）に示すように、矢印Ｃ方向からの水の流れに対しては、弁体３は閉弁状態を維持し、逆止弁として機能するようになっている。
【００３０】
これは、弁体３が、矢印Ａ’方向からの水の流れに対しては、図４（ａ）で示す弁体３の「ｂ」部分に作用する流体圧の方が、「ａ」部分に作用する流体圧よりも、弁体３の弁軸２周りに作用するモーメントとして大きく寄与するように設定されているからである。また、矢印Ｃ方向からの水の流れに対しては、図４（ｃ）で示す弁体３の「ｄ」部分に作用する流体圧の方が、「ｃ」部分に作用する流体圧よりも、弁体３の弁軸２周りに作用するモーメントとして大きく寄与するように設定されているからである。
その設定は、比較対象となる前記「ａ」部分と「ｂ」部分、あるいは「ｃ］部分と「ｄ」部分との弁軸２からの距離（回転中心から力の作用点までの腕の長さ）及びその受圧面積の差異で設定する。
なお、「ｂ」部分に作用する流体圧の方が、「ａ」部分に作用する流体圧よりも、弁体３の弁軸２周りに作用するモーメントとして大きく寄与するように設定される限りにおいて、弁軸２を挟んで両側の弁体３の重量バランス、すなわち「ａ」部分と「ｄ」部分との重量に差異を設定してもよい。その差異は、「ａ」の部分の重量を「ｄ」よりも重く設定することが望ましい。
また、「ａ」「ｄ」部分の各重量が同じであっても、「ｄ」の部分の重量重心をなるべく弁軸２から離れた位置になるように設定するか、あるいは、逆に、「ａ」の部分の重量重心をなるべく弁軸２に近くなるように設定するとよい。
【００３１】
さらに、他の実施形態として、図５に示す弁体３がある。この弁体３は、弁体本体を樹脂にて射出成形等で作り、その一部に磁性体で形成した磁性体部１０を設けたものである。通常、金属により前記弁体３や弁軸２を成形しようとすると、所定の回転性能を確保するため、その軸部分等の加工に手間を要することとなるが、この手法によれば、軸部分を含めて弁体全体を容易に成形でき、磁性体部１０は、別途磁性体を接着や埋め込み等の周知の手法により容易に設けることができる。また、磁性体部１０を構成する磁性体の重量を調整することにより、弁体３の前記重量バランスを設定しやすい。
【００３２】
なお、上記弁装置の作用を有する限りにおいて、弁軸２の位置は流路Ｐをその中央部、あるいは、中央部からいずれか一方へ偏心した位置で横断する態様であってもよいし、弁軸２を流路Ｐの径方向端部に設けて、弁体３を片持ち式に回転可能としてもよい。
【００３３】
弁体３を片持ち式に支持した実施形態として、図６に示す弁装置が考えられる。この実施形態では、流路Ｐの径方向端部に弁軸２が配置されており、その弁軸２に、流路Ｐの断面形状に対応する矩形の弁体３が固定されている（図６（ｂ）参照）。前記磁性体部１０の構成は、上記各実施形態と同様でよい。
【００３４】
さらに、他の実施形態として、図７に示す弁装置が考えられる。この実施形態では、前記磁性体部１０を磁性体である金属性の板状部材とし、その板状部材を樹脂フィルムからなるシート状部材１３，１３で夾んでいる。そのシート状部材１３，１３の周縁を、前記板状部材の外周において融着等行い、その板状部材が露出しないようにしている。また、弁箱５の外側には、永久磁石からなる磁性体部１１が設けられる。そして、前記シート状部材１３の縁の部分を、図中のピン２’で弁箱５に固定し、そのシート状部材１３が屈曲することにより弁体３が揺動し、弁孔６を開閉するようにしたものである。シート状部材１３の弁箱５内への固定は、図示するようにピン２’で行ってもよいし、接着等で行ってもよい。
【００３５】
なお、いずれの実施形態においても、弁体３に設けられる磁性体部１０を永久磁石に、弁箱５の弁孔６外側に設けられる磁性体部１１を金属など前記永久磁石に吸引する磁性体としてもよい。
また、上記実施形態では、弁装置を燃料電池システムの配水流路に設けたが、その流路に供給される媒体が水以外の場合、例えば、メタノール、空気、都市ガス、ＬＰＧ等の場合にも同様の効果を発揮し得る。
【００３６】
上記媒体が空気の場合を例示すると、極にポンプ（又はブロア）にて空気を送る流路Ｐに、上記弁装置１を配置する。流路Ｐを介して、燃料電池が動いている時は空気がポンプから空気極に送られていて、燃料電池が止まるとポンプも止まり（供給圧がなくなり）、空気の流れはなくなる。このように、流路Ｐに空気が供給されなくなると、弁体３は弁孔６を閉じて、その流路Ｐ内に残存している供給圧を受けない空気や、あるいは流路Ｐ内に介在する他の気体の移動を阻止する。
この移動の阻止により、燃料極側より流路Ｐ内に水分が拡散し、その水分がポンプに届いて錆び等を生じさせることを防止し得る。
【００３７】
さらに、上記媒体がメタノールの場合を例示すると、例えば、メタノールを燃料とするＤＭＦＣと呼ばれる燃料電池では、流路Ｐを介して、メタノールをタンクから燃料極に供給しており、その流路Ｐに、上記弁装置１を配置する。
このとき、供給された燃料は、すべて反応している訳ではなく、未反応のメタノールが存在する。また、この未反応のメタノールには、反応で生じた二酸化炭素が含まれているので、これを排出し、再び燃料極に戻しているが、この再循環したメタノールには、排出しきれない二酸化炭素が含まれている。
そこで、燃料電池が停止して、流路Ｐにメタノールが供給されなくなった（供給圧がなくなった）際には、弁体３は弁孔６を閉じて、その流路Ｐ内に残存している供給圧を受けない媒体、すなわち、二酸化炭素を含んだメタノールの移動を阻止する。
この移動の阻止により、二酸化炭素を含んだメタノールがタンクに逆流して、タンク内の純粋なメタノールに混ざることを防止し得る。
【００３８】
なお、燃料電池システムの流路以外にも、流体が断続的に供給される流路において、その流体の供給が絶たれ場合に流路を塞いで、流路内に介在する気体の移動を防止したい場合に、この弁装置を採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】一実施形態の作用図で、（ａ）は閉弁状態、（ｂ）は開弁状態を示す。
【図２】（ａ）は図１（ａ）の右側面図、（ｂ）は図１（ａ）の平面図
【図３】一実施形態の弁体の詳細図
【図４】他の実施形態を示し、（ａ）は閉弁状態、（ｂ）は開弁状態、（ｃ）は逆方向から流体が流れた状態、（ｄ）は弁孔付近の断面を示す。
【図５】他の実施形態の弁体の断面図
【図６】他の実施形態を示し、（ａ）は閉弁状態、（ｂ）は弁体の詳細を示す。
【図７】他の実施形態の閉弁状態を示す。
【符号の説明】
【００４０】
１  弁装置
２  弁軸
３  弁体
３ａ  外周縁
５  弁箱
６  弁孔
７  弁座
８  軸支持部
１０  磁性体部
１１  永久磁石（磁性体部）
１３  シート状部材
Ｐ  流路
【図１】
2006316840.tif 000003
【図２】
2006316840.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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