(57)【要約】【課題】過酷な使用環境に耐えることができ、なおかつ部品点数を増やさずに、弁体の左右のずれを防止できるインジェクタを提供する。【解決手段】ガスの噴出孔５１ａが開口した弁座５１と、当該弁座５１に対して進退し当該弁座５１の噴出孔５１ａを開閉する弁体５２とを有する、インジェクタ３５において、弁座５１の弁体５２側の面の噴出孔５１ａの周辺には、凹部５１ｂが形成される。弁体５２の弁座５１側の面には、凹部５１ｂに嵌合される凸部５２ｆが形成される。弁体５２が弁座５１に対し進退する際に、凸部５２ｆが凹部５１ｂ内を移動し、凸部５２ｆが凹部５１ｂに嵌合された状態が維持されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の噴出孔が開口した弁座と、当該弁座に対して進退し当該弁座の噴出孔を開閉する弁体とを有する、インジェクタであって、
弁座の弁体側の面の前記噴出孔の周辺には、凹部が形成され、
弁体の弁座側の面には、前記凹部に嵌合される凸部が形成され、
前記弁体が前記弁座に対し進退する際に、前記凸部が前記凹部に嵌合された状態が維持されていることを特徴とする、インジェクタ。
【請求項２】
前記凸部及び凹部は、それぞれ複数個所に形成され、前記噴出孔を中心とする同一円周上に等間隔で形成されていることを特徴とする、請求請１に記載のインジェクタ。
【請求項３】
前記弁体と前記弁座の互いの対向面には、それぞれ平坦面が形成され、
前記弁体の凸部と前記弁座の凹部は、各々の平坦面に形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のインジェクタ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のインジェクタを用いて燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス等の流体を噴射するインジェクタと、当該インジェクタを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車などに搭載された燃料電池システムには、燃料ガス等の反応ガスを燃料電池に供給するためのガス供給系が設けられている。このようなガス供給系には、通常、ガス流量を制御しながらガスを供給できるインジェクタが用いられている。
【０００３】
上記インジェクタは、例えば油圧や電磁力などの外力を用いて、弁座に対して弁体を進退させ、弁座の噴出孔を開閉している（特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１６１１７４号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、単に弁座に対し弁体を進退させた場合、弁体がその進退方向の移動軸から左右にずれる恐れがある。弁体が左右にずれると、例えば弁体と弁座との接触位置がずれて、噴出孔からのガスの供給や停止、流量制御等が適正に行われなく恐れがある。
【０００６】
そこで、例えば往復移動する弁体の左右に、当該弁体の側面とインジェクタボディの内壁面との間に板ばねを取り付け、弁体の左右の動きを拘束することが提案できる。
【０００７】
しかしながら、このような場合、インジェクタを過酷な環境で使用すると、板ばねが破損することが考えられる。また、板ばねを弁体やインジェクタボディの内壁面に固定する必要があるため、インジェクタの構造が複雑になり、部品点数が増加してしまう。これは、例えば組立性の低下やコストの上昇を招く。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、過酷な使用環境に耐えることができ、なおかつ部品点数を増やさずに、弁体の左右のずれを防止できるインジェクタと、当該インジェクタを用いた燃料電池システムを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明は、流体の噴出孔が開口した弁座と、当該弁座に対して進退し当該弁座の噴出孔を開閉する弁体とを有する、インジェクタであって、弁座の弁体側の面の前記噴出孔の周辺には、凹部が形成され、弁体の弁座側の面には、前記凹部に嵌合される凸部が形成され、前記弁体が前記弁座に対し進退する際に、前記凸部が前記凹部に嵌合された状態が維持されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、弁体の凸部と弁座の凹部の嵌め合わせにより常時弁体がガイドされるので、弁体の左右のずれが防止される。したがって、弁体の弁座に対する動作が安定し、弁座の噴出孔からの流体の噴出が常に適正に行われる。また、例えば板ばねによって弁体の左右のずれを防止した場合に比べて、過酷な使用環境に耐えることができ、なおかつ部品点数を増やさずに、弁体の左右のずれを防止できる。したがって、インジェクタの使用環境の自由度が上がり、また組立性等が向上しコストの低減が図られる。
【００１１】
上記インジェクタにおける凸部及び凹部は、それぞれ複数個所に形成され、前記噴出孔を中心とする同一円周上に等間隔で形成されていてもよい。
【００１２】
前記弁体と前記弁座の互いの対向面には、それぞれ平坦面が形成され、前記弁体の凸部と前記弁座の凹部は、各々の平坦面に形成されていてもよい。
【００１３】
別の観点による本発明によれば、上記インジェクタを用いて燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、過酷な使用環境に耐えることができ、なおかつ部品点数を増やさずに、弁体の左右のずれを防止できる。この結果、インジェクタの使用環境の自由度が上がり、また組立性等が向上しコストの低減が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るインジェクタが用いられる燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施形態における燃料電池システム１は、燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した場合を例に採って説明する。
【００１６】
燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸素ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸素ガスとしての空気を供給する酸素ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２と、システム全体を統合制御する制御装置１３等を備えている。
【００１７】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１０ａが取り付けられている。
【００１８】
酸素ガス配管系１１は、加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸素ガスを燃料電池１０に供給する供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸素オフガスを加湿器２０に送る排出流路２２と、加湿器２０の酸素オフガスを外部に排出する排気流路２３を備えている。供給流路２１には、大気中の酸素ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するエアコンプレッサ２４が設けられている。
【００１９】
水素ガス配管系１２は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。
【００２０】
なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００２１】
供給流路３１には、水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整する、本実施の形態に係るインジェクタ３５が設けられている。このインジェクタ３５の構成については後述する。
【００２２】
循環流路３２には、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。気液分離器３６には、気液分離器３６により分離された水分や水素オフガスの一部を外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、気液分離器３６からの水分や水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。
【００２３】
制御装置１３は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、後述するインジェクタ３５の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００２４】
制御装置１３は、車両に設けられた加速操作装置（アクセルペダル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ等の電力を消費する負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム１内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置は、トラクションモータのほかに、燃料電池１０を作動させるために必要なコンプレッサ２４、水素ポンプ３７、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等を含む。
【００２５】
制御装置１３には、燃料電池１０の発電量を検出する電流センサ１０ａの検出情報が入力される。また、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、外気温を検出するセンサの検出情報等が入力される。制御装置１３は、要求発電量及び各センサの検出情報に基づき、コンプレッサ２４、遮断弁３３、及びインジェクタ３５等を駆動制御して、燃料電池１０に要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスを供給する。
【００２６】
次に、インジェクタ３５について説明する。図２は、インジェクタ３５の構成の概略を示す縦断面の説明図である。
【００２７】
本実施の形態におけるインジェクタ３５は、例えば弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧等のガス状態を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。
【００２８】
インジェクタ３５は、例えば図２に示すように略円筒状のインジェクタボディ（ノズルボディ）５０を有している。インジェクタボディ５０は、その軸方向（図２の上下方向）の両側が供給流路３１に接続され、供給流路３１の一部を構成している。インジェクタボディ５０内には、弁座５１と、弁体５２と、流路形成ボディ５３と、ソレノイド５４等が設けられている。
【００２９】
流路形成ボディ５３は、例えば略円筒状に形成され、インジェクタボディ５０内の上流部に設けられている。流路形成ボディ５３の中心軸には、供給流路３１のガスが流入して流れるガス流路５３ａが形成されている。流路形成ボディ５３は、例えばインジェクタボディ５０に対して固定されている。
【００３０】
ソレノイド５４は、例えば流路形成ボディ５３とインジェクタボディ５０との間に設けられている。このソレノイド５４によって、弁体５２を軸方向（図２中の矢印方向）に移動させ、弁座５１に対して進退させることができる。
【００３１】
弁体５２は、流路形成ボディ５３の下流側に設けられている。弁体５２は、例えば略円柱状に形成され、流路形成ボディ５３と同軸上に配置されている。弁体５２は、例えば比較的径の小さい流路形成ボディ５３側の上流部５２ａと、比較的径の大きい弁座５１側の下流部５２ｂを有している。
【００３２】
弁体５２の上流部５２ａ側の中心軸には、ガス流路５２ｃが形成されている。ガス流路５２ｃは、上流部５２ａの流路形成ボディ５３側の端部から弁体５２の内部の途中まで形成されている。ガス流路５２ｃは、流路形成ボディ５３のガス流路５３ａと同軸上に形成されている。また、弁体５２の下流部５２ｂ側の内部には、ガス流路５２ｃの終端から下流部５２ｂの側面に連通するガス流路５２ｄが形成されている。
【００３３】
弁体５２のガス流路５２ｂ内には、螺旋状のスプリング６７が設けられている。このスプリング６７の上流側（図２の上側）の端部は、流路形成ボディ５３のガス流路５３ａ内に設けられた係止部６８に当接している。スプリング６７は、常に下流側に反発力が働くように係止部６８に当接されている。これによって、弁体５２は、常に弁座５１側に付勢されている。
【００３４】
また、例えば弁体５２の上流部５２ａ側の外周面とインジェクタボディ５０の内周面との間には、シール部材６９が介在されている。弁体５２の中央付近には、径の大きい段部５２ｅが形成され、弁体５２がソレノイド５４によって上流側に所定距離移動したときに、段部５２ｅがインジェクタボディ５０のストッパ部５０ａに当接し、弁体５２の移動を止めることができる。
【００３５】
弁体５２の下流部５２ｂ側の弁座５２に対向する面は、平坦面を有し、その平坦面には、円柱状の複数例えば２つの凸部５２ｆが形成されている。凸部５２ｆは、後述する凹部に対応する位置に形成されている。
【００３６】
弁座５１の弁体５２に対向する面は、例えば平坦に形成され、その平坦面の中央部には、ガスを噴出する噴出孔５１ａが開口している。噴出孔５１ａの周囲には、弁体５２の凸部５２ｆと僅かに遊びをもった状態で嵌合する凹部５１ｂが形成されている。凹部５１ｂは、例えば図３に示すように噴出孔５１ａを中心とした同一円周上に等間隔で形成されている。本実施の形態では、凹部５１ｂが2個所に形成されているので、凹部５１ｂは、噴出孔５１ａを挟んだ両側に、噴出孔５１ａから等距離の位置に形成されている。
【００３７】
凸部５２ｆ及び凹部５１ｂの径や長さは、例えば弁体５２が軸方向に移動した際に常に凸部５２ｆが凹部５１ｂ内にあり、凸部５２ｆが凹部５１ｂに沿って移動できるように設定されている。つまり、弁体５２の凸部５２ｆが弁座５１の凹部５１ｂに常にガイドされている状態になっている。
【００３８】
以上のように構成されたインジェクタ３５が、燃料電池１０に所定流量の水素ガスを供給する際には、ソレノイド５４によって図４に示すように弁体５２が弁座５１に対し軸方向に後退し、弁体５２と弁座５１との間に隙間が形成される。これによって、水素ガスタンク３０から供給流路３１を通じて供給された水素ガスが、インジェクタボディ５０内の流路形成ボディ５３のガス流路５３ａ、弁体５２のガス流路５２ｃ、５２ｄを通り、さらに弁体５２と弁座５１の隙間を通って噴出孔５１ａから噴出される。このとき、弁体５２の凸部５２ｆは、弁座５１の凹部５１ｂに挿入された状態が維持され、凹部５１ｂに沿って移動する。
【００３９】
また、インジェクタ３５が水素ガスの噴出を停止する際には、弁体５２が弁座５２側に進行し、弁体５２によって弁座５１の噴出孔５１ａが閉鎖される。このときも当然、弁体５２の凸部５２ｆが弁座５１の凹部５１ｂに挿入された状態が維持される。
【００４０】
以上の実施の形態によれば、弁座５１の弁体５２側の面の噴出孔５１ａの周辺に、凹部５１ｂが形成され、弁体５２の弁座５１側の面に、凹部５１ｂに嵌合される凸部５２ｆが形成され、弁体５２が弁座５２に対し進退する際に、凸部５２ｆが凹部５１ｂ内を移動し、凸部５２ｆが凹部５１ｂに嵌合された状態が維持されている。これによって、弁体５２が、常にガイドされ、移動時及び停止時において常に左右にずれることが防止される。この結果、弁体５２の弁座５１に対する動作が安定し、インジェクタ３５の噴出孔５１ａからの水素ガスの噴出が常に適正に行われる。また、例えば板ばねによって弁体５２の左右のずれを防止した場合に比べて、過酷な使用環境に耐えることができ、なおかつ部品点数を増やさずに、弁体５２の左右のずれを防止できる。したがって、インジェクタ３５の使用環境の自由度が上がり、また組立性等が向上しコストの低減が図られる。
【００４１】
また、以上の実施の形態では、凸部５２ｆと凹部５１ｂが、それぞれ２個所に形成され、噴出孔５１ａを中心とする同一円周上に等間隔で形成されているので、弁体５２の中心軸に対する横方向のずれをより確実に防止できる。
【００４２】
さらに、弁体５２の凸部５２ｆと弁座５２の凹部５１ｂが平坦面に形成されているので、例えば加工性に優れている。
【００４３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４４】
例えば以上の実施の形態では、凸部５２ｆ、凹部５１ｂが２個所に形成されていたが、３個所以上の複数個所に形成されていてもよい。また、インジェクタ３５の各部材の形状、配置等は、本実施の形態の例に限られず、他のものであってもよい。さらに本発明にかかるインジェクタは、ガスを噴出するもののみならず、液体を噴出するものにも適用できる。
【００４５】
以上の実施形態では、燃料電池システム１において供給流路３１に設けられるインジェクタ３５を例に採って説明したが、燃料電池システムに設けられる他のインジェクタに、本発明を適用してもよい。また、以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システムについて説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】インジェクタの断面図の説明図である。
【図３】弁座の噴出孔に対する凹部の位置を示す説明図である。
【図４】噴出孔が開放されたときの弁体と弁座とその周辺部を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  燃料電池システム
１０  燃料電池
３５  インジェクタ
５１  弁座
５１ａ  噴出孔
５１ｂ  凹部
５２  弁体
５２ｆ  凸部
【図１】
2009101316.tif 000003
【図２】
2009101316.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009101316.tif 000006