(57)【要約】【課題】  湿潤ガスが流れる流路内に配置された濾過器に水分が滞留してしまうことを抑止すること。【解決手段】  燃料電池システム１０における流体（水素）の排出量を制御する水素排出弁２４であって、流体に含まれる不要成分を除去するフィルタ６０と、所定の条件で可動して流体の流れを制御する可動子５２と、を備え、可動子５２は、その可動時に、少なくともフィルタ６０との間に導水路が形成される距離までフィルタ６０に近接するように構成されている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れを制御する流体制御弁であって、
前記流体に含まれる不要成分を除去する捕捉手段と、
所定の条件で可動して前記流体の流れを制御する可動子、又は前記可動子と連動して可動する部材と、を備え、
前記可動子又は前記可動子と連動して可動する部材は、その可動時に、前記捕捉手段に滞留する流体が接触する距離まで前記捕捉手段に近接することを特徴とする流体制御弁。
【請求項２】
前記可動子又は前記可動子と連動して可動する部材は、その可動時に、前記捕捉手段と接触することを特徴とする請求項１記載の流体制御弁。
【請求項３】
前記可動子又は前記可動子と連動して可動する部材は、前記流体が弁内を流れる開弁時に可動することを特徴とする請求項１又は２記載の流体制御弁。
【請求項４】
燃料電池システムの湿潤ガス流路に設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体制御弁。
【請求項５】
前記捕捉手段と前記流体が流れる流路の壁面とを接続する導流体手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の流体制御弁。
【請求項６】
前記導流体手段は導水機能を有し、前記導流体手段に親水処理が施されたことを特徴とする請求項５記載の流体制御弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体制御弁に関し、特に、燃料電池システム、内燃機関等に用いられる流体制御弁に適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関、燃料電池システム等に用いられる噴射弁、制御弁等において、内部を通過する流体から不純物を取り除くための濾過器（フィルタ）を設けた構造が用いられている。例えば、特開平１１−１４８４３８号公報には、ソレノイドコイルが組み込まれた噴射弁の燃料入口に燃料を濾過するフィルタを設けた構成が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１４８４３８号公報
【特許文献２】特開２００１−２６３９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特開平１１−１４８４３８号公報に開示された技術に基づいてフィルタを湿潤ガスが流れる流路に設置した場合、フィルタ内に表面張力によって水が滞留して、流路内のガスの流れが阻害される虞がある。また、低温時に滞留した水分が凍結すると、流路が閉塞してしまう虞がある。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、湿潤ガスが流れる流路内に配置された濾過器に水分が滞留してしまうことを抑止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、流体の流れを制御する流体制御弁であって、前記流体に含まれる不要成分を除去する捕捉手段と、所定の条件で可動して前記流体の流れを制御する可動子、又は前記可動子と連動して可動する部材と、を備え、前記可動子又は前記可動子と連動して可動する部材は、その可動時に、前記捕捉手段に滞留する流体が接触する距離まで前記捕捉手段に近接することを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記可動子又は前記可動子と連動して可動する部材は、その可動時に、前記捕捉手段と接触することを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記可動子又は前記可動子と連動して可動する部材は、前記流体が弁内を流れる開弁時に可動することを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、燃料電池システムの湿潤ガス流路に設けられたことを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記捕捉手段と前記流体が流れる流路の壁面とを接続する導流体手段を更に備えたことを特徴とする。
【００１１】
第６の発明は、第５の発明において、前記導流体手段は導水機能を有し、前記導流体手段に親水処理が施されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、可動子又は可動子と連動して可動する部材が、その可動時に、前記捕捉手段に滞留する流体が接触する距離まで捕捉手段に近接するため、表面張力によって捕捉手段に滞留している流体を、可動子側に付着させることができる。従って、捕捉手段に流体が滞留することによって流体の流れが阻害されることを抑止することができる。また、低温時に捕捉手段に滞留した流体が凍結して、弁が閉塞してしまうことを抑止することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、可動子又は可動子と連動して可動する部材が、その可動時に、捕捉手段と接触するため、表面張力によって捕捉手段に滞留している流体を、可動子側に付着させることができる。
【００１４】
第３の発明によれば、可動子又は可動子と連動して可動する部材が開弁時に可動するように構成されるため、開弁時において弁内に流体が流れている際に、流体の流れを利用して捕捉手段に滞留している流体を可動子側に付着させることができる。従って、捕捉手段に滞留している流体を確実に排出することができる。
【００１５】
第４の発明によれば、流体制御弁を燃料電池システムの湿潤ガス流路に設けることで、湿潤ガス中の水分が捕捉手段に滞留した場合に、捕捉手段から水分を排出することができる。
【００１６】
第５の発明によれば、捕捉手段と流路の壁面とを接続する導流体手段を設けたため、捕捉手段に滞留している流体を流路の壁面へ移動させることができる。従って、簡素な構成で、捕捉手段に滞留している流体を排出することができる。
【００１７】
第６の発明によれば、導流体手段が導水機能を有しており、更に導流体手段に親水処理を施しているため、捕捉手段に滞留している水分を確実に流路壁面に移動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１０を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池１２は固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、分離膜（電解質膜）、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路１６には空気ポンプ２０が設けられており、空気ポンプ２０の駆動によりカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。
【００２１】
燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。
【００２２】
アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路２２から流路２８に送られる。流路２８にはポンプ３０、フィルタ３２、逆止弁３４が設けられている。流路２８に送られたアノードオフガスは、ポンプ３０の作動によって流路１４に送られ、再び燃料電池１２のアノードに送られる。このように、本実施形態のシステムでは、アノードオフガスを循環させて燃料電池１２のアノードへ送るアノード循環系を備えている。
【００２３】
流路２２には水素排出弁２４が接続されている。流路２２を流れるガス中に不純物が多く含まれるようになった場合は、水素排出弁２４を開くことで不純物を含むガスが排出される。水素排出弁２４の下流には、排出ガス中の水素を希釈するための処理装置２６が設けられている。
【００２４】
カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路３６に送られる。カソードオフガス流路３６には空気調圧弁３８が設けられている。空気調圧弁３８の下流には、カソードオフガス流路３６から分岐し、カソードガス流路１６と接続された流路４０が設けられている。カソードオフガスの一部は流路４０に送られ、カソードガス流路１６に戻される。流路４０には、カソードガス流路１６に戻すカソードオフガス量を調整するための空気循環弁４２が設けられている。このように、本実施形態のシステムは、カソードオフガスを循環させて燃料電池１２のカソードへ送るカソード循環系を備えている。
【００２５】
図２は、水素排出弁２４の構成を示す断面図である。ここで、図２（ａ）は水素排出弁２４の閉弁状態を、図２（ｂ）は水素排出弁２４の開弁状態をそれぞれ示している。水素排出弁２４は、いわゆるソレノイドバルブから構成され、固定子５０、可動子５２、バネ５４、ゴムシート５６、ソレノイド５８を有して構成されている。可動子５２は、その上端部におけるソレノイド５８との対向面にアマーチャ５２ａを備えている。また、ゴムシート５６は可動子５２の下面に固着されている。
【００２６】
水素排出弁２４は濾過器としてのフィルタ６０を内蔵している。フィルタ６０は、水素排出弁２４を流れるガス中からゴミ等の異物を取り除く機能を有している。
【００２７】
図２（ａ）に示す閉弁状態では、バネ５４の押し付け力によって、可動子３２に固着されたゴムシート５６が固定子５０の凸部５０ａに密着している。従って、水素排出弁２４内のガスの流れは停止する。
【００２８】
ソレノイド５８に通電がされると、可動子５２と一体に設けられたアマーチャ５２ａを上方へ変位させる方向の電磁力が発生する。このため、アマーチャ５２ａがソレノイド５８に吸着され、可動子５２がバネ５４の押し付け力に反して上方に移動する。これにより、水素排出弁２４は図２（ｂ）に示す開弁状態となる。この状態では、ゴムシート５６と凸部５０ａが離間するため、可動子５２に設けられた開口５２ｂを通って図２（ｂ）に示す矢印方向にガスが流れ、水素排出弁２４にガスが通過可能となる。
【００２９】
水素排出弁２４が内蔵するフィルタ６０は、金属メッシュ、または不織布等から成るメッシュ部６０ａと、メッシュ部６０ａが固定されたリング状の枠部６０ｂとから構成されている。フィルタ６０は、その枠部６０ｂを固定子５０のガス流路内壁に嵌め込むことによって固定子５０に取り付けられている。図２に示すように、フィルタ６０はゴムシート５６と凸部５０ａが密着する部位よりもガス流の上流側に設けられている。従って、ゴムシート５６と凸部５０ａとの密着部位の上流側でゴミ等の異物を除去することができ、密着部位に異物が挟まる等の不具合を確実に防止できるように構成されている。
【００３０】
このように構成された本実施形態の水素排出弁２４において、図２（ｂ）に示す開弁状態では、可動子５２の上面がフィルタ６０のメッシュ部６０ａの下部と近接するように構成されている。すなわち、水素排出弁２４は、開弁状態に設定される度にメッシュ部６０ａと可動子５２の上面が近接するように構成されている。
【００３１】
水素排出弁２４を流れるアノードオフガスには水分が含まれているため、アノードオフガスが水素排出弁２４を通過すると、アノードオフガス中の水分がフィルタ６０内に溜まり、表面張力によって水分の膜がメッシュ部６０ａに形成される場合がある。この場合、フィルタ６０を通過するガスの流れが阻害される場合がある。また、フィルタ６０内に溜まった水分が低温時に凍結すると、水素排出弁２４内のガスの流れが遮断されてしまう場合がある。
【００３２】
このため本実施形態では、水素排出弁２４の開弁時に、導水可能な程度の微小間隔となるまで可動子５２の上面をメッシュ部６０ａの下部に接近させることで、メッシュ部６０ａに滞留する水分と可動子５２を接触させ、メッシュ部６０ａに溜まった水分を可動子５２側に移動させるようにしている。これにより、メッシュ部６０ａに溜まった水分を排出することが可能となる。従って、メッシュ部６０ａに溜まった水分によって、水素排出弁２４内のガス流の流れが阻害されてしまうことを確実に抑止することができる。
【００３３】
特に、水素排出弁２４が開弁状態に設定されると、メッシュ部６０ａから可動子５２に向かうガス流が生じるため、メッシュ部６０ａから可動子５２に向けて確実に水分を移動させることが可能である。
【００３４】
図３は、可動子５２とメッシュ部６０ａを近接させた場合に、メッシュ部６０ａに溜まった水分が可動子５２側に流れ出す様子を示す模式図である。ここで、図３（ａ）は、図２（ａ）と同様に水素排出弁２４が閉弁状態の場合を示しており、この状態では可動子５２の上面とメッシュ部６０ａは離間している。この状態において、メッシュ部６０ａには水素排出弁２４を流れるガス中の水分Ｗが付着しており、水分Ｗの表面張力によって膜が形成されている。
【００３５】
図３（ｂ）は、図２（ｂ）と同様に水素排出弁２４が開弁状態の場合を示している。図３（ｂ）に示すように、可動子５２をメッシュ部６０ａに近接させて開弁状態にすると、メッシュ部６０ａに溜まった水分Ｗの表面と可動子５２の上面が接触する。これにより、メッシュ部６０ａに付着していた水分Ｗが可動子５２側に移動し、メッシュ部６０ａから水分Ｗが排出される。
【００３６】
そして、図３（ｃ）に示すように、水素排出弁２４が再び閉弁状態に戻った状態では、メッシュ部６０ａから水分が排出された状態となる。従って、メッシュ部６０ａに溜まった水分Ｗによってガス流の流れに支障が生じたり、メッシュ部６０ａに溜まった水分Ｗが凍結してしまうことを確実に抑えることができる。
【００３７】
図３（ａ）に示すように、表面張力によって形成された水分Ｗの膜の下面は、メッシュ部６０ａの下端よりも下側に位置している。従って、開弁時に水分をメッシュ部６０ａから可動子５２に移動させるためには、水分の膜の下面と可動子５２の上面が接触する距離まで可動子５２とメッシュ部６０ａを近接させることが好適である。より詳細には、メッシュ部６０ａに形成された水分Ｗの下面の位置は、メッシュ部６０ａにおけるメッシュのピッチ、メッシュ部６０ａの材料等に応じて変動するため、これらのパラメータに基づいて開弁時における可動子５２の上面とメッシュ部６０ａの底面の距離を最適な値に設定し、開弁時に水分Ｗの下面と可動子６２の上面が接触するようにすることが好適である。
【００３８】
図４は、水素排出弁２４の開弁時に、可動子５２の上面とメッシュ部６０ａの下面を当接させた場合を示している。このように、開弁時に可動子５２とメッシュ部６０ａを当接させた場合も、メッシュ部６０ａに溜まった水分を可動子５２側へ移動させることができ、メッシュ部６０ａから水分を排出することが可能である。
【００３９】
以上説明したように実施の形態１によれば、水素排出弁２４の開弁時に、水素排出弁２４に内蔵されたフィルタ６０のメッシュ部６０ａの下面と水素排出弁２４の可動子５２とを近接させるようにしたため、フィルタ６０に溜まった水分を可動子５２側に移動させることができる。これにより、フィルタ６０のメッシュ部６０ａに溜まった水分を排出することができるため、フィルタ６０の表面積を有効に利用してガス流を濾過することができ、ガス流の圧力損失を低減することができる。また、メッシュ部６０ａから水分を排出できるため、メッシュ部６０ａに溜まった水分によって水素排出弁２４内のガスの流れが阻害されたり、低温時に水分が凍結してガス流が遮断されてしまうことを抑止できる。従って、水素排出弁２４の信頼性を向上させることができる。
【００４０】
なお、実施の形態１では、水素排出弁２４の開弁時に可動子５２とメッシュ部６０ａとが近接するように構成したが、開弁時に可動子５２と連動して動く部材とメッシュ部６０ａとを近接させるようにしても良い。例えば、異なる動きをする可動部が複数存在するパイロットバルブ等にフィルタ６０を内蔵させ、開弁時に可動部の１つをフィルタ６０のメッシュ部６０ａと近接させるようにしても良い。
【００４１】
また、実施の形態１では、燃料電池システム１０の水素排出弁２４に本発明を適用したが、空気調圧弁３８、空気循環弁４２など他の開閉弁に適用することも可能であり、システム内の湿潤ガスが流れる流路に設けられた開閉弁に適用することで、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
また、実施の形態１では、水素排出弁２４の開弁時に可動子５２とメッシュ部６０ａが近接するように構成したが、閉弁時に可動子５２とメッシュ部６０ａが近接するように構成しても良い。この場合、閉弁時にメッシュ部６０ａに溜まった水分を排出することが可能である。
【００４３】
また、実施の形態１では、水素排出弁２４などの弁機構にフィルタ６０を内蔵した場合を示したが、弁機構以外の構造であっても、所定の場合に可動する可能部材とフィルタを備えたものであれば、可動部材が可動した場合に可動部材とフィルタが近接又は接触するように構成することで、フィルタに滞留した水分を排出することが可能である。
【００４４】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図５は、実施の形態２に係るフィルタ６０を示す模式図である。図５に示すフィルタ６０は、例えば図１においてアノード循環系のポンプ３０の上流に配置されているフィルタ３２として用いられる。ポンプ３０の上流にフィルタ３２を設けることで、ポンプ３０内にゴミ等の異物が流入することを抑止できる。フィルタ６０の構成は実施の形態１で説明したものと同様であり、フィルタ６０は、メッシュ部６０ａと枠部６０ｂとから構成されている。
【００４５】
図５に示すように、フィルタ６０は水平方向に延在する流路内に配置されている。そして、メッシュ部６０ａの下部には、メッシュ部６０ａと流路内壁を接続する線状部６２が設けられている。線状部６２は、金属線、樹脂繊維等から構成されており、長手方向に水分を導水させる機能を有している。
【００４６】
このように、メッシュ部６０ａと流路内壁を線状部６２で接続することによって、メッシュ部６０ａに溜まった水分を流路内壁側に移動させることができる。従って、メッシュ部６０ａに水分が溜まっている場合、メッシュ部６０ａから水分を排出することが可能となる。これにより、メッシュ部６０ａに溜まった水分によって、フィルタ６０を流れるガス流が阻害されてしまうことを確実に抑止することができる。好適には、線状部６２による導水機能、水分排出機能をより高めるため、グリコール等の親水処理を線状部６２に施しておくことが望ましい。また、線状部６２の表面に凹凸等を形成することで、導水機能、水分排出機能を物理的に向上させても良い。
【００４７】
図６は、図５のフィルタ６０を流路の下流側から見た状態を示す模式図である。図６に示すように、メッシュ部６０ａと流路内壁を接続する線状部６２は、メッシュ部６０ａの円周方向に複数箇所設けられている。図６の例では、メッシュ部６０ａの円周方向に所定の角度（例えば１５°）毎に線状部６２が設けられている。このように、メッシュ部６０ａの円周方向の複数箇所に線状部６２を設けることで、メッシュ部６０ａに滞留した水分を確実に排出することが可能である。また、フィルタ６０が設けられた図１のシステムが燃料電池自動車に搭載された場合は、鉛直方向に対して所定の角度位置に線状部６２を設けることで、車体が傾斜した場合であってもフィルタ６０から流路壁面へ水分を移動させることが可能となる。
【００４８】
以上説明したように実施の形態２によれば、フィルタ６０のメッシュ部６０ａと流路内壁を線状部６２で接続したため、メッシュ部６０ａに溜まった水分を線状部６２に沿って流すことができ、水分を流路内壁側へ移動させることが可能となる。従って、メッシュ部６０ａに水分が滞留してしまうことを確実に抑止することができ、低温時に滞留した水分が凍結してしまうことを抑止できる。これにより、フィルタ６０が設けられた流路内にガスを確実に流すことが可能となる。
【００４９】
なお、実施の形態１と同様にフィルタ６０を水素排出弁２４などの流体制御弁に内蔵し、フィルタ６０のメッシュ部６０ａと流体制御弁の内壁を線状部６２で接続しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】水素排出弁の構成を示す断面図である。
【図３】可動子とメッシュ部を近接させた場合に、メッシュ部に溜まった水分が可動子側に流れ出す様子を示す模式図である。
【図４】水素排出弁の開弁時に、可動子の上面とメッシュ部の下面を当接させた場合を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るフィルタを示す模式図である。
【図６】図５のフィルタを流路の下流側から見た状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  燃料電池システム
２４  水素排出弁
５２  可動子
６０  フィルタ
６２  線状部
【図１】
2005344873.tif 000003
【図２】
2005344873.tif 000004
【図３】
2005344873.tif 000005
【図４】
2005344873.tif 000006
【図５】
2005344873.tif 000007
【図６】
2005344873.tif 000008