流体控制阀及燃料电池系统的制作方法

专利名称：流体控制阀及燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种流体控制阔及具有流体控制阀的燃料电池系 统，上述流体控制阀包括具有驱动轴的阀芯，通过驱动轴的轴方向的 位移对流路内进行切断或连接。
背景技术：
燃料电池系统具有燃料电池，通过燃料气体和氧化气体的反应 气体的电化学反应发电；气体供给流路，用于向燃料电池供给反应气 体；气体排出流路，用于从燃料电池排出反应气体。并且，在这种气 体供给流路、气体排出流路上也考虑到设置与流体控制阀对应的燃料 电池用开关阀。例如，日本国特开2004—183713号公报所述的燃料电池用开关阀 中，具有设置了柱部的阀芯，通过柱部在轴方向的位移，可切断或连 接气体流路内部。该燃料电池用开关阀通过隔板分割成两个室。这种 开关阀设置在从燃料电池排出废氢的氢排出部上，使得从用于向燃料 电池供给气体的气体供给用路径分支的路径与开关阀的两个室中的一 个室连通。两个室中的另一个室中设置螺旋弹簧，螺旋弹簧使阀芯施 力，以使另一个室打开，排出废氢。在使用时，空气供给到一个室时， 压力作用于隔板，阀芯抵抗螺旋弹簧的弹力抵达阀座，另一个室关闭。并且，日本国特开2004—150090号公报所述的燃料电池用氢调压 阀中，通过与阀芯连接的两个隔板将外壳内部分割为三个室，根据导 入到三个室中的调压室的供给空气压力、弹簧产生的压力、氢气的压 力可调整阀的开度。上述日本国特开2004—183713号公报所述的燃料电池用开关阀 中，在两个室中向一个室供给空气，从而关闭用于排出废氢的流路。 即，通过两个室的压力室切断流路。并且，在开阀时，仅通过两个室 的压力差和弹簧的弹力驱动阀以连接流路。因此，阀的驱动响应性方 面有提高的余地。例如，在水分流动的环境下使用燃料电池用开关阀时，关闭时附 着到阀芯部分的水分冻结时，存在开阀需要较大的力的情况。与之相 对，仅通过两个室的压力差和弹簧的弹力切断或连接流路时，驱动阀 的力有可能变小。因此，要求采用提高了相对用于驱动阀的输入信号 的、阀驱动的响应性的构成。并且，日本国特开2004—150090号公报所述的燃料电池用开关阀 中，设置三个室，但中央的室为大气压力室，两侧的两个室作用正压， 所以通过将供给空气压力导入到两个室中的调压室而驱动阀芯的力、 与通过两个室中的废氢排出用的室中存在的氢气的压力驱动阀芯的力 相互向相反的方向作用。因此，阀驱动的响应性方面还有改善的余地。本发明的目的在于，在流体控制阀及燃料电池系统中，提高对阀 的驱动的响应性。发明内容本发明涉及一种流体控制阀，包括具有驱动轴的阀芯，通过驱动 轴的轴方向的位移对流路内进行切断或连接，其特征在于，驱动轴通 过第一力和第二力这两个力进行驱动，上述第一力通过相互分离的第 一压力室和第二压力室的压力差进行作用；上述第二力是向与第一力 相同的方向作用的力，通过相互分离的第三压力室和第四压力室的压 力差进行作用。并且优选第一压力室、第二压力室、第三压力室和第四压力室中的一个压力室是通过阀芯切断或连接的流路。并且优选第一压力室及第二压力室中的一个压力室、和第三压 力室及第四压力室中的一个压力室相互连通，或分别向大气开放。并且，在本发明涉及的流体控制阀中优选第一压力室、第二压 力室、第三压力室和第四压力室中的任意两个压力室均在内部相互不 连通。并且，在本发明涉及的流体控制阀中优选第一压力室及第二压 力室中的一个压力室是通过阀芯切断或连接的流路，第一压力室及第 二压力室中的另一个压力室向大气开放，第三压力室及第四压力室中 的一个压力室通过与在流路内流动的流体同种的流体被加压，第三压 力室及第四压力室中的另一个压力室向大气开放。并且，本发明涉及的流体控制阀优选为常开型的截止阀，在第一 压力室、第二压力室、第三压力室和第四压力室全部为相同压力的通 常状态下为开阀状态。并且，本发明涉及的流体控制阀优选为常闭型的截止阀，在第一 压力室、第二压力室、第三压力室和第四压力室全部为相同压力的通 常状态下，通过弹力施加单元的弹力变为关阀状态，通过向彼此相同 的方向作用的第一力和第二力，驱动轴向变为开阀状态的方向驱动。并且，本发明涉及的流体控制阀中优选作为在氧化气体系气体或 燃料气体系气体流动的流路上设置的燃料电池用开关阀使用。并且作为在氧化气体系气体或燃料气体系气体流动的流路上设置 的燃料电池用开关阀使用的构成，优选通过向彼此相同的方向作用 的第一力和第二力，驱动轴向变为开阀状态的方向驱动，流路的燃料电池侧位于驱动轴进行驱动以使开阀状态变为关阀状态的方向的前并且，在本发明涉及的流体控制阀中优选可调整流路的开口面积。并且，在本发明涉及的流体控制阀中优选构成第一压力室的部 件和构成第二压力室的部件通过相互不同的金属构成。本发明涉及的燃料电池系统具有通过氧化气体和燃料气体的电化 学反应发电的燃料电池，其特征在于，在氧化气体系气体或燃料气体 系气体所流经的流路上设置的燃料电池用开关阀是上述流体控制阀。本发明涉及的流体控制阀及燃料电池系统中，阀芯所具有的驱动 轴通过第一力和第二力这两个力进行驱动，上述第一力通过相互分离 的第一压力室和第二压力室的压力差进行作用；上述第二力是向与第 一力相同的方向作用的力，通过相互分离的第三压力室和第四压力室 的压力差进行作用，因此可提高对阀驱动的响应性。并且，在驱动轴的轴方向上配置第一压力室、第二压力室、第三 压力室和第四压力室时，可不扩大各压力室而增大驱动阀的力。艮P， 在仅通过两个压力室的压力差驱动阀的现有的流体控制阀中，为了增 大驱动阀的力，需要使一个压力室的内径增大，使两个压力室之间设 置的隔板直径增大，从而增大隔板的受压面积。但这种情况下，压力 室的直径变大，成为导致流体控制阀大型化的原因。流体控制阀大型 化时，可能导致重量增加，或对车辆等的搭载性变差。与之相对，通 过本发明涉及的流体控制阀，在驱动轴的轴方向上配置第一压力室、 第二压力室、第三压力室和第四压力室时，可不过度扩大各压力室的 内径地增大驱动阀的力。并且，第一压力室、第二压力室、第三压力室和第四压力室中的 一个压力室是通过阀芯切断或连接的流路，根据该构成，与除了第一 压力室、第二压力室、第三压力室和第四压力室外设置通过阀芯切断 或连接的流路时不同，易于实现流体控制阀的小型化。并且，构成在第一压力室、第二压力室、第三压力室和第四压力 室全部为相同压力的通常状态下通过弹力施加单元的弹力变为关阀状 态的常闭型的截止阀，通过向彼此相同的方向作用的第一力和第二力， 驱动轴向变为开阀状态的方向驱动，根据该构成，通过采用本发明的 构造而获得的本发明的效果变得明显。g卩，为了使流体控制阀从关阀 状态变为开阀状态而需要抵抗弹力施加单元的弹力而使驱动轴位移， 但通过第一力和第二力可有效实现开阀状态。因此，通过采用本发明 的构造而获得的本发明的效果变得明显。并且，作为在氧化气体系气体或燃料气体系气体流动的流路上设 置的燃料电池用开关阀使用的构成中，通过向彼此相同的方向作用的 第一力和第二力，驱动轴向变为开阀状态的方向驱动，流路的燃料电 池侧位于驱动轴进行驱动以使开阀状态变为关阀状态的方向的前侧， 根据该构成，通过采用本发明的构造而获得的本发明的效果变得明显。 即，因燃料电池发电氧或氢被消耗时，流体控制阀的燃料电池侧变为 负压，因此为了从关阀状态变为开阀状态，需要抵抗负压而使驱动轴 位移。在上述构成中，需要抵抗负压并使驱动轴位移，但通过第一力 和第二力可有效实现开阀状态。因此，通过采用本发明的构造而获得 的本发明的效果变得明显。并且，通过可调整流路开口面积的构成，例如可作为同时具有在 流动氧化气体系气体的流路上设置的燃料电池用调压阀、及燃料电池 用断气阀两种功能的装置使用。因此，例如在用于从燃料电池排出氧 化气体系气体的氧化气体系排出流路上设置可调整流路开口面积的断 气阀，则无需在氧化气体系排出流路上设置其他调压阀，可降低成本。并且，构成第一压力室的部件和构成第二压力室的部件通过相互 不同的金属构成，根据该构成，将流体控制阀搭载于车辆底板下使用 等、在水可能进入到外部的情况下使用流体控制阀时，也可在较高层 次上同时兼顾耐水性及轻型化。


图1是表示本发明的第一实施方式涉及的燃料电池系统的基本构 成的图。图2是表示开阀状态下的、图1的燃料电池系统中使用的入口截 止阀(或出口截止阀)的构造的截面图。图3是表示关阀状态下的、相同入口截止阀(或出口截止阀)的 构造的截面图。图4表示构成本发明的第二实施方式涉及的燃料电池系统的入口 截止阀(或出口截止阀)，相当于图3的A部的放大图。
具体实施方式
(发明的第一实施方式)以下参照

本发明的实施方式。图1至图3表示本发明的 第一实施方式，图1是本实施方式的燃料电池系统的概要构成图。燃 料电池系统10具有燃料电池组12、氧化气体供给流路14及氧化气 体系排出流路16、加湿器旁通阀18、入口截止阀20、出口截止阀22。燃料电池组12通过氧和氢的电化学反应发电。g卩，通过将作为燃 料气体的氢气、及作为氧化气体的空气供给到燃料电池组12，在燃料 电池组12内的未图示的多个燃料电池单元中，氧和氢进行电化学反应， 获得电能。燃料电池单元例如具有由正极侧电极和负极侧电极夹持 电解质膜而成的膜一电极组件；其两侧的隔离板。并且，本实施方式的燃料电池系统IO例如用于燃料电池车而搭载在车辆上，将燃料电池组12作为车辆行驶用马达的电源使用。当然，本实施方式的燃料电池系统也可用于车辆行驶以外的其他用途。
为了将作为氧化气体的空气供给到燃料电池组12，设有氧化气体供给流路14。在氧化气体供给流路14的气体上游侧设有空气压縮机24和中冷却器26。由空气压縮机24加压的空气被中冷却器26冷却，并被加湿器28加湿后，供给到燃料电池组12的负极侧电极的流路。
并且，独立于通过加湿器28后供给到燃料电池组12的主路径30，在气体的流动上与主路径30相并行地设置加湿器旁通路径32。通过加湿器旁通路径32的空气不通过加湿器28地供给到燃料电池组12。在加湿器旁通路径32的中途设有加湿器旁通阀18。
并且，为了将供给到燃料电池组12并在各燃料电池单元中供电化学反应后的空气即空气废气从燃料电池组12排出，设有氧化气体系排出流路16。通过氧化气体系排出流路16排出的空气废气通过调压阀34传送到加湿器28，之后通过未图示的稀释器排放到大气中。控制调压阀34，使从燃料电池组12排出的空气的压力(背压)成为与燃料电池组12的运行状态对应的适当的压力值。即，通过调压阀34的阀开度调整氧化气体系排出流路16内的压力传感器P2的位置所对应的空气的压力。并且，加湿器28将从燃料电池组12排出后的空气中获得的水分分配给供给到燃料电池组12前的空气，实现加湿的作用。
并且，在燃料电池组12中，连接用于供给氢气的氢气供给流路和用于排出氢气系气体的氢气系排出流路，但在图1中省略了图示。
并且，在氧化气体供给流路14的主路径30中，在加湿器旁通路径32的上游侧连接部和加湿器28之间、及在氧化气体系排出流路16中，在比加湿器28靠近气体下游侧之间，连接燃料电池旁通路径36，且使其在气体流动上与燃料电池组12并行。并且，在燃料电池旁通路径36的中途设置燃料电池旁通阀38。燃料电池旁通阀38用于控制供给到燃料电池组12的空气的压力。S卩，通过燃料电池旁通阀38的阀开度，调整氧化气体供给流路14的入口压力传感器Pl的位置所对应的空气的压力。此外，通过从空气压縮机24排出的空气的流量，也可调整入口压力传感器P1位置所对应的空气压力。当然，也可利用燃料电池旁通阔38的阀开度、及空气压縮机24的排出流量这两者调整与入口压力传感器P1位置对应的空气压力。
并且，燃料电池系统IO在冰点以下等低温起动的情况下，优选迅速使燃料电池组12温度上升。并且，为此考虑与供给到燃料电池组12的氢气的量相比，使供给到燃料电池组12的空气的量小于与氢气反应进行发电所匹配的量，即降低负极理论空燃比，低效进行发电，使燃料电池组12迅速升温。但这种情况下，氢从燃料电池组12的正极侧的流路透过电解质膜并进入到负极侧的流路，氧化气体系排出流路16内的氢浓度可能变高。上述燃料电池旁通阀38在这种情况下为开阀状态，可用于通过不经过燃料电池组12的空气降低氧化气体系排出流路16内的氢浓度。并且，从燃料电池组12排出的氢气系气体、所谓氢废气中含有的氢的浓度和平时相比可能变高，上述燃料电池旁通阀38在这种情况下为开阀状态，可用于增大不通过燃料电池组12而送入到稀释器的空气的量以降低排出的气体中的氢浓度。
进一步，在比氧化气体供给流路14的主路径30的加湿器28靠近气体下游侧、及比氧化气体系排出流路16的加湿器28靠近气体上游侧上，分别设置入口截止阀20和出口截止阀22。本实施例中，上述加湿器旁通阀18和入口截止阔20及出口截止阀22是本发明的流体控制阀，并且对应于权利要求所述的燃料电池用开关阀。
艮P，加湿器旁通阀18和入口截止阀20及出口截止阀22分别作为调整加湿器旁通路径32和主路径30及氧化气体系排出流路16的内部的空气流动的流体控制阀作用。各个阔18、 20、 22中，通过压力控制用流路40分别连接作为电磁阀的各三个PSV (Pressure SwitchingValve:压力开关阀)。
艮P，加湿器旁通阀18上连接VbS、 VbC、 VbO三个PSV。并且入口截止阀20上连接ViS、 ViC、 ViO三个PSV，出口阀22上连接Vos、VoC、 VoO三个PSV。这些PSV通过压力控制用流路40连接在氧化气体供给流路14的主路径30的气体上游侧，例如空气压縮机24和加湿器28之间。这些PSV通过未图示的ECU (Electronic Control Unit:电子控制单元)等控制部被控制。
加湿器旁通阀18、入口截止阀20、出口截止阀22的驱动根据燃料电池组12的状态等分别通过对应的PSV控制。
接着根据图2及图3，对入口截止阀20和出口截止阀22的构成及作用，主要以入口截止阀20为代表进行说明。入口截止阀20和出口截止阀22的构成本身相同。并且，加湿器旁通阀18的构成稍后说明。
如图2所示，入口截止阀20是常开型的截止阀，在内部设置的所有压力室同压的通常状态下为阀芯打开的开阀状态。
入口截止阀20在结合多个外壳元件而成的外壳42的内部设置由隔离部44隔离的上下两个空间，两个空间中分别设置主隔板46和副隔板48，从而在主隔板46的上表面侧设置关阀用压力室50，在相同下表面侧设置开阀用压力室52，在副隔板48的上表面侧设置气压室54，在相同下表面侧设置流路构成压力室56。其中的流路构成压力室56对应于权利要求所述的第一压力室，气压室54对应于权利要求所述的第二压力室。并且，开阀用压力室52对应于权利要求所述的第三或第四压力室，关闭用压力室50对应于权利要求所述的第四或第三压力室。关阀用压力室50、开阀用压力室52、气压室54、流路构成压力室56相互分离，这些压力室50、 54、 56中，任意两个压力室均在内部相互不连通。
并且，主隔板46和副隔板48结合在阀芯58上。即，在外壳42的内部设置了具有驱动轴60的阀芯58，在外壳42上使驱动轴60可在轴方向上位移地支持阀芯58。阀芯58具有驱动轴60、与驱动轴60的下端部结合的圆板状的阀芯主体62。并且，在驱动轴60中间部下端附近，结合外周面上具有驱动轴侧圆筒面部63的有底圆筒状的筒状部件64。
并且，在筒状部件64的底板部下表面和阀芯主体62的上表面之间，夹持橡胶等弹性体等、例如EPDM等乙丙烯橡胶等弹性材料制的副隔板48的内周侧端部，使副隔板48的内周部与驱动轴60结合。副隔板48的外周侧端部与外壳42的内周部结合，以被构成外壳42的两个外壳元件夹持。这样一来，外壳42内的隔离部44下侧的空间的上侧和下侧通过副隔板48分离为气压室54和流路构成压力室56。气压室54和流路构成压力室56被气密地切断。
并且，靠近副隔板48的径向中间部内径，设有沿着驱动轴侧圆筒面部63被挤压地弹性变形的隔板侧圆筒部66。并且，从图3所示的关阀状态开始，副隔板48中，存在于筒状部件64的驱动轴侧圆筒面部63和外壳42的内表面之间的、上方变形为山形环状的环状变形部67的下表面接受流路构成压力室56的压力。并且，通过环状变形部67的下表面接受流路构成压力室56的压力，如图2所示，使隔板侧圆筒部66的上部从驱动轴侧圆筒面部63剥离地弹性变形的同时，驱动轴60位移。
并且，靠近副隔板48的径向中间部外径，设有沿着外壳42的内表面上设置的外壳侧圆筒面部68被挤压地弹性变形的第二隔板侧圆筒部70。并且，从图2所示的开阀状态起，如图3所示，驱动轴60向下方位移时，使第二隔板侧圆筒部70的上部从外壳侧圆筒面部68剥离地弹性变形。
流路构成压力室56构成氧化气体供给流路14 (参照图1)(对于出口截止阀22，为氧化气体系排出流路16)的一部分，通过阀芯58切断或连接上游侧和下游侧。并且，气压室54连接到一端与大气连通的大气连通管72，气压室54向大气开放。
并且，在阀芯58的上端部结合有两个大致圆板状的按压部件74a、74b，两个按压部件74a、 74b之间，夹持橡胶等弹性体等、例如EPDM等乙丙烯等弹性材料制的主隔板46的内周侧端部。主隔板46的外周侧端部与外壳42的内周部结合，以通过构成外壳42的两个外壳元件夹持。这样一来，在外壳42内的隔离部44上侧和空间的上侧和下侧通过主隔板46分离为关阀用压力室50和开阀用压力室52。关阀用压力室50和开阅用压力室52气密地切断。并且，供给排出管76连接到关阀用压力室50和开阀用压力室52。
进一步，两个按压部件74a、 74b中，下侧的按压部件74a和隔离部44之间，设有作为弹力施加单元的螺旋弹簧78，向阀芯58在上方、即变为开阀状态的方向上施加弹力。通过阀芯58向下方位移，阀芯主体62的下表面抵达阀座80，切断流路。艮P，通过驱动轴60的轴方向的位移，对流路内进行切断或连接。并且，含有主隔板46的驱动轴60上侧部分的受压面积的直径和含有副隔板48的驱动轴60下侧部分的受压面积的直径相比足够大。
在这种入口截止阀20中，关阀用压力室50通过供给排出管76(图2、图2)与作为PSV的ViC侧的压力控制用流路40连接。并且，开阀用压力室52通过供给排出管76与作为PSV的ViO侧的压力控制用流路40连接。通过驱动轴60的轴方向的位移，主隔板46的中央部分上下折返地位移。当然，可采用主隔板46整体上下位移的构造。如图2所示，通过驱动轴60的位移，阀芯58向上驱动时，从氧化气体供给流路14 (图1)的上游侧向入口截止阔20的入口 82流动的空气从入口截止阀20的出口 84排出到燃料电池组12 (图1)侧。另一方面，如图3所示，通过驱动轴60的位移，阀芯58向下驱动时，出口 84被堵塞，从氧化气体供给流路14的上游侧朝向燃料电池组12的空气的流动被切断。
此外，出口截止阀22中，如图1所示，相对入口截止阀20，入口 82及出口 84相反。并且，通过驱动轴60的位移阀芯58向上驱动时，从氧化气体系排出流路16的上游侧向出口截止阀22的入口 82流动的空气废气从出口截止阀22的出口 84排出到加湿器28侧。另一方面，通过驱动轴60的位移，阀芯58向下驱动时，入口82堵塞，从氧化气体系排出流路16的上游侧向加湿器28的空气废气的流动被切断。
驱动轴60的轴方向的位移由三个PSV控制。S卩，入口截止阀20中，通过ViS、 ViC、 ViO三个PSV控制开阀用压力室52和关阀用压力室50的压力。并且，在出口截止阀22中，通过VoS、 VoC、 VoO三个PSV控制开阀用压力室52和关阀用压力室50的压力。
图1所示的ViS (或VoS)是3WAY、即三通阀式的PSV，使关阀用压力室50和开阀用压力室52中的一个压力室选择性地与空气压縮机24的气体上游侧连接，切断另一个压力室和空气压縮机24的气体上游侧之间。并且，ViC、 ViO、 VoC、 VoO均是2WAY (两通)式的PSV，作为用于换气的阀、即用于去除压力阀作用。
并且，ViS (或VoS)通过通电状态改变流路的连接状态。ViS (或VoS)在未通电的状态(非通电状态)下，连接空气压縮机24的气体排出侧和开阀用压力室52。并且，ViS (或VoS)在通电的状态(通电状态)下，连接空气压縮机的气体排出侧和关阀用压力室50。并且，ViC、 ViO、 VoC、 VoO均在非通电状态下关闭，在通电状态下打开。
此外，在图1至图3中，表示ViS (VoS) 、 ViC (VoC) 、 ViO(VoO)的多个三角形中，涂黑的三角形表示切断了流路的状态，中空的三角形表示连接了流路的状态。
由于是这种构成，因此从图3所示的入口截止阀20 (或出口截止阀22)的关阀状态起如图2所示开阀时，在ViS (或VoS)(图1)的非通电状态下，使ViC (VoC)为开阀状态，使关阀用压力室50向大气开放。并且，利用空气压縮机24 (图l)，通过开阀用压力室52侧的供给排出管76 (图2、图3)及压力控制用流路40，将压力上升的空气导入到开阀用压力室52。这样一来，在开阀用压力室52的压力和关闭用压力室50的压力(气压)之间产生压力差。
并且，向图3所示的流路构成压力室56中，也从空气压縮机24通过氧化气体供给流路H的上游侧部分导入压力上升的空气，因此流路构成压力室56的压力、及与大气连通的气压室54的压力之间产生压力差。流路构成压力室56的压力施加到图3所示的副隔板48的环状变形部67的下表面。因此，副隔板48将筒状部件64推上，如图2所示，驱动轴60向上方位移，成为环状变形部67较大、向上方变形为截面山形的状态。其结果是，驱动轴60通过第一力F1和第二力F2这两个力F1、 F2、及螺旋弹簧78的弹力向上方驱动，上述第一力F1通过流路构成压力室56和气压室54的压力差使驱动轴60向上方作用，上述第二力F2通过关阀用压力室50和开阀用压力室52的压力差使驱动轴60向上方作用。入口截止阀20如图2所示为开阀的状态下，使ViC (VoC)为关阀状态，切断关阀用压力室50和大气之间。并且，在该状态下，两个按压部件74a、 74b中，上侧的按压部件74b起到抵接外壳42的内表面上部的止动器的作用。
另一方面，从图2所示的入口截止阀20的开阀状态起如图3所示关阀时，使ViS (或VoS)为通电状态，通过空气压縮机24而压力上升的空气通过供给排出管76及压力控制用流路40导入到关阀用压力室50。并且，使ViO (VoO)为开阀状态，使开阀用压力室52向大气开放。其结果是，通过关阀用压力室50的压力和开阀用压力室52的压力(气压)之间产生的压力差，向下的第三力F3作用于驱动轴60。另一方面，图2所示的流路构成压力室56中，也导入通过空气压縮机24压力上升的空气，因此通过在流路构成压力室56的压力及与大气连通的气压室54的压力之间产生的压力差，与第三力F3相反方向的向上的第四力F4作用于驱动轴60。但在本实施方式中，使含有主隔板46的驱动轴60上侧部分的受压面积的直径和含有副隔板48的驱动轴60下侧部分的受压面积的直径相比足够大。因此，如图3所示，驱动轴60抵抗第四力F4和螺旋弹簧78的弹力向下方位移，阀芯主体62抵达阀座80。
并且，在入口截止阀20完全关闭的状态下，使ViS (或VoS)为非通电状态，切断关阀用压力室50和空气压縮机24的连接，使关阀用压力室50内的空气压力保持一定。并且，在该状态下，使ViO(VoO)为关阀状态，切断开阀用压力室52和大气之间。出口截止阀22也同样进行开关作用。
另一方面，加湿器旁通阀18是常闭型的截止阀，在内部设置的所有压力室均同压的通常状态下为阀芯58关闭的关阀状态。省略加湿器旁通阀18的详细构造的图示，在和图2、图3所示的入口截止阔20或出口截止阀22同样的构造中，具有使螺旋弹簧78 (参照图2、图3)设置在筒状部件64的底板部上表面和隔离部44下表面之间的构造。此外，加湿器旁通阔18在按压部件74b (参照图2、图3)等的、阀芯58的上端部上固定的部件的上表面和外壳42的下表面之间，设置螺旋弹簧，可以是常闭型的截止阀(参照图l的略图)。
并且，加湿器旁通阀18如图1所示，在PSV的VbC侧的压力控制用流路40上连接关阀用压力室50，在PSV的VbO侧的压力控制用流路40连接开阀用压力室52。
通过驱动轴60的位移使阀芯58向上驱动时，从加湿器旁通路径32的上游侧向加湿器旁通阀18的入口 82流动的空气从加湿器旁通阀18的出口 84向燃料电池组12侧排出。另一方面，通过驱动轴60的位移阀芯58向下驱动时，出口84堵塞，从加湿器旁通路径32的上游侧到燃料电池组12的空气流动被切断。
驱动轴60的轴方向的位移和入口截止阀20、出口截止阀22 —样，由三个PSV即VbS、 VbC、 VbO控制。并且在图1中，表示VbS、 VbC、VbO的多个三角形中，涂黑的三角形表示切断了流路的状态，中空的三角形表示连接了流路的状态。并且，VbS在非通电状态下连接空气压縮机24的气体排出侧和关阔用压力室50，在通电状态下连接空气压縮机24的气体排出侧和开阀用压力室52。
将该加湿器旁通阀18打开时，将通过空气压縮机24压力上升的空气导入到开阀用压力室52，并且使关阀用压力室50向大气开放。其结果是，通过导入了因空气压縮机24压力上升的空气的流路构成压力室56与气压室54 (参照图2、图3)的压力差使驱动轴60 (参照图2、图3)向上方作用的第一力Fl'、及通过关阀用压力室50和开阀用压力室52的压力差使驱动轴60向上方作用的第二力F2，这这两个力Fl，、F2'，驱动轴60抵抗螺旋弹簧的弹力，向上方驱动。并且，加湿器旁通阀18开阀。
与之相对，使加湿器旁通阀18关阀时，将通过空气压縮机24压力上升的空气导入到关阀用压力室50，并且使开阓用压力室52向大气开放。并且，通过由开阀用压力室52和关阀用压力室50的压力差使驱动轴60向下方作用的力、及螺旋弹簧的弹力，驱动轴60向下方驱动。这种情况下，通过流路构成压力室56和气压室54的压力差使力向上方作用于驱动轴60，但由于使含有主隔板46 (参照图2、图2) 的驱动轴60上侧部分的受压面积的直径比含有副隔板48 (参照图2、 图3)的驱动轴60下侧部分的受压面积的直径足够大，所以驱动轴60 向下方位移。并且，加湿器旁通阀18关阀。
根据上述燃料电池系统，在停止运行的闲置期间中，S卩，入口截 止阀20、出口关阀阀22、加湿器旁通阀18各自对应的所有的各三个 PSV非通电状态下，可使入口截止阀20、出口关阀阀22、加湿器旁通 阀18均保持关阀状态。因此，可防止新空气供给到燃料电池组12的 负极侧电极侧的内部流路。因此，可抑制保持了构成膜一电极组件的 催化剂的碳材料氧化，防止燃料电池组12的寿命降低。
尤其是，在本实施方式中，入口截止阀20、出口截止阀22、加湿 旁通阀18设置了具有驱动轴60的阀芯58，通过驱动轴60的轴方向的 位移对流路内进行切断或连接，并且驱动轴60具有如下构成通过第 一力Fl、 Fl，和第二力F2、 F2，这两个力进行驱动，上述第一力Fl、 Fl， 通过相互分离的关阀用压力室50和开阀用压力室52的压力差进行作 用；上述第二力F2、 F2，是向与第一力F1、 Fl'相同方向作用的力，通 过相互分离的气压室54和流路构成压力室56的压力差进行作用。因 此，可提高对阀驱动的响应性。
并且，在驱动轴60的轴方向上配置关阀用压力室50、关阀用压 力室52、气压室54、流路构成压力室56，因此可不过度增大各压力室 50、 52、 54、 56的内径地增大驱动阀的力。
并且，流路构成压力室56是由阀芯58切断或连接的流路，因此 与除了压力室50、 52、 54、 56外设置通过阀芯58切断或连接的流路 时不同，易于实现入口截止阀20、出口截止阀22、加湿器旁通阀18 的小型化。并且，加湿器旁通阀18在所有压力室50、 52、 54、 56同压时是 通过螺旋弹簧的弹力变为关阀状态的常闭型的截止阀，并且驱动轴60 通过向彼此相同的方向作用的第一力Fl'和第二力F2'向变为开阀状态 的方向驱动。因此，通过采用"具有设置了驱动轴60的阀芯58，通过 驱动轴60的轴方向的位移对流路内进行切断或连接，并且驱动轴60 具有如下构成通过第一力Fl，和第二力F2，这两个力进行驱动，上述 第一力Fl'通过相互分离的关阀用压力室50和开阀用压力室52的压力 差进行作用；上述第二力F2'是向与第一力Fl'相同方向作用的力，通 过相互分离的气压室54和流路构成压力室56的压力差进行作用"的 构造而获得的效果变得明显。即，因加湿器旁通阀18从关阀状态变为 开阀状态，需要抵抗螺旋弹簧的弹力并使驱动轴60位移，而通过第一 力Fl，和第二力F2，可有效实现开阀状态。因而通过采用上述构成所获 得的效果变得明显。
并且，入口截止阔20和出口截止阀22及加湿器旁通阀18具有 固定在驱动轴60上的筒状部件64的外周面上设置的驱动轴侧圆筒面 部63;外壳42;内周部与驱动轴60结合、外周部与外壳42结合的弹 性材料制副隔板48。并且，副隔板48的环状变形部67接受压力，从 而使副隔板48弹性变形的同时，使驱动轴60位移。因此，在驱动轴 60位移时，通过副隔板48的变形阻挡，可使驱动轴60的位移缓和。 即，可使接受压力的副隔板48具有缓和驱动轴60位移的功能。其结 果是，当开阀时，驱动轴60位移，可抑制固定到阀芯58的按压部件 74b抵接外壳42时的动作音。
并且，将入口截止阀20和出口截止阀22及加湿器旁通阀18作为 氧化气体供给流路14或氧化气体系排出流路16上设置的燃料电池用 开关阀使用，通过向彼此相同的方向作用的第一力Fl、 Fl'和第二力 F2、 F2'，驱动轴60向变为开阀状态的方向驱动，流路侧即流路构成压 力室56的燃料电池组12侧位于驱动轴60从开阀状态向关阀状态驱动 的开阀方向的前侧、即图2、图3的下侧。因此，通过采用"具有设置了驱动轴60的阀芯58，通过驱动轴60的轴方向的位移对流路内进行 切断或连接，并且驱动轴60具有如下构成通过第一力F1、 Fl，和第 二力F2、 F2'这两个力进行驱动，上述第一力F1、 Fl'通过相互分离的 关阀用压力室50和开阀用压力室52的压力差进行作用；上述第二力 F2、 F2'是向与第一力Fl、 Fl，相同方向作用的力，通过相互分离的气 压室54和流路构成压力室56的压力差进行作用"的构造而获得的效 果变得明显。即，因燃料电池组12发电氧或氢被消耗时，各阀20、 22、 18的燃料电池组12侧变为负压。因此为了从关阀状态变为开阀状态， 需要抵抗负压并使驱动轴60位移。在上述构成中，需要抵抗负压并使 驱动轴60位移，但通过第一力F1、 Fl'和第二力F2、 F2'可有效实现开 阀状态。因此，通过采用上述构造而获得的效果变得明显。
此外，如仅在图3中所示的，在驱动轴60的中间部外周面和隔离 部44的下表面之间设置轴方向上可伸縮的筒状密封部件86，可有效防 止水分附着到驱动轴60和外壳42之间的轴承部等滑动部分。这样一 来，可有效防止附着的水分在低温环境下冻结、无法顺利进行驱动轴 60滑动的情况。
并且，虽省略了图示，但在上述实施方式中，在入口截止阀20和 出口截止阀22及加湿器旁通阀18的至少一个阀中，不仅对流路内进 行切断或连接，而且可具有将流路的开口面积调整为规定大小的功能。 例如如果采用可适当调任意一个阀20、 22、 18的关阀用压力室50和 开阀用压力室52及气压室54及流路构成压力室56的至少任意一个压 力室的压力的构造，则可使驱动轴60保持得位于完全开阔状态和完全 关阀状态之间的半开状态，可调整流路的开口面积。根据该构成，例 如如果在氧化气体系排出流路16上将出口截止阀22作为具有调压阀 功能的空气截止阀设置，则无需在氧化气体系排出流路16上设置其他 调压阀34 (图1)，可降低成本。
此外，本发明的流体控制阀不限于适用于上述入口截止阀20和出口截止阀22及加湿器旁通阀18的情况，例如本发明也可适用于在流 动作为燃料气体系气体的氢气的燃料气体供给流路或燃料气体系排出 流路上设置的、作为燃料电池用开关阀使用的装置。
并且，虽稍微偏离本发明，但作为本发明人发明的其他发明，在 上述实施方式的入口截止阀20和出口截止阀21及加湿器旁通陶18的 任意一个中，不设置开阀用压力室52及关阔用压力室50，通过螺线管、 马达驱动具有驱动轴60的阀芯58的构成中，为了增大阀的驱动力， 可通过与副隔板(参照图2、图3)对应的隔板分隔出气压室54和流 路构成压力室56。即，是一种流体控制阀，设置了具有驱动轴60的阀 芯58，通过驱动轴60的轴方向的位移对流路内进行切断或连接，其特 征在于，驱动轴60通过第一力和第二力这两个力进行驱动，上述第一 力是螺线管或马达产生的，上述第二力是和第一力向相同方向作用的 力，通过相互分离的第一压力室和第二压力室的压力差进行作用。
(发明的第二实施方式)
图4表示构成本发明的第二实施方式涉及的燃料电池系统的入口 截止阀(或出口截止陶)，相当于图3的A部放大图。如图4所示， 入口截止阀20 (或出口截止阀22，以下仅说明"入口截止阀20")和 上述第一实施方式一样，具有与驱动轴60 (参照图2、图3)结合的副 隔板48。并且，通过构成外壳42的第一外壳元件88及相同的第二外 壳元件90夹持副隔板48的外周端部。并且，在第一外壳元件88的内 侧设置流路构成压力室56，在第二外壳元件90内侧设置气压室54。
并且，通过将插入到第一外壳元件88和第二外壳元件90的一个 的通孔(未图示)的螺栓(未图示)与设置在第一外壳元件88和第二 外壳元件卯的另一个的螺钉孔(未图示)结合等而构成的连接部，来 结合第一外壳元件88和第二外壳元件90。并且，在第一外壳元件88 的单侧(图4的上侧)外周部设置大致圆环状突起的、外侧筋条部92， 在第二外壳元件90的单侧(图4的下侧)外周部上设置大致圆环状的外侧段部94，使外侧筋条部92的前端面与外侧段部94的侧面(图4 的下侧表面)抵接。通过使外侧段部94和外侧筋条部92相对的部分 构成结合部96。
并且，在第二外壳元件90的单侧面(图4的下侧表面)的、比外 侧段部94靠近径向内侧上，设置向外壳42的轴方向(图4的上下方 向)突出的大致圆环状的突起部即内侧筋条部98，使内侧筋条部98的 前端面和第一外壳元件88的单面(图4的上侧表面)通过间隙相对， 从而构成曲折密封部100。 SP，在比结合部96靠近外壳42的径向内侧 设置曲折密封部100。因此，万一通过结合部96从外部向内侧浸入水 时，通过曲折密封部100可有效防止水浸入到流路构成压力室56及气 压室54内侧。
并且，副隔板48的外周端部通过构成曲折密封部IOO的间隙，在 外壳42的径向上，配置在内侧筋条部98和外侧筋条部92之间，在第 一外壳元件88和第二外壳元件90之间夹持副隔板48的外周端部。
并且，构成流路构成压力室56的第一外壳元件88和构成气压室 54的第二外壳元件90由相互不同的金属构成。即，第一外壳元件88 由不锈钢构成，第二外壳元件90由铝或铝合金构成。并且，对第二外 壳元件90的、包括构成结合部96的部分的整体实施氧化铝膜处理。 因此，可提高第二外壳元件90耐盐腐蚀性。此外，与第二外壳元件90 同时夹持主隔板46 (参照图2、图3)的外周端部的外壳元件也可由铝 材或铝合金构成。
并且，使第一外壳元件88和第二外壳元件90的结合部96、即接 触部的径向的宽Wl足够小。例如，结合部96中，在图4未图示的部 分，存在通过使螺栓与螺钉孔结合等而构成的连接部，而在结合部96 中，使从连接部向圆周方向偏移的部分的宽Wl小于第一外壳元件88 中接受流路构成压力室56内的压力的主体部102的径向厚度T1。优选将结合部96中从连接部向圆周方向偏移的部分作为线状接触部。
这样，在本实施方式中，使构成流路构成压力室56的第一外壳元 件88和构成气压室54的第二外壳元件90由相互不同的金属构成，因 此在将入口截止阀20搭载于车辆车身下使用等、在水可能进入到外部 的情况下使用入口截止阀20时，也可在较高层次上同时兼顾耐水性及 轻型化。
艮P，第二外壳元件90可由铝材或铝合金等轻质金属构成，因此可 实现入口截止阀20的轻型化。并且，第二外壳元件90由铝材或铝合 金等轻质金属构成时，对盐腐蚀的耐久性提高，因此对第二外壳元件 90实施氧化铝膜处理时，例如在作为与第一外壳元件88的结合部96 的接触部等第二外壳元件90的表面上易产生裂纹。因此，第一外壳元 件88由实施了氧化铝膜处理的铝或铝合金构成时，在结合部96中裂 纹加重，所以水浸入到外壳42内部这一点上有改良的余地。与之相对， 在本实施方式中，构成第一外壳元件88的材料由作为与构成第二外壳 元件卯的金属的铝或铝合金不同金属的、不锈钢构成，因此可有效防 止结合部96中裂纹加重，抑制水通过结合部96浸入。g卩，根据本实 施方式，在水可能进入到外部的情况下使用入口截止阀20时，也可在 较高层次上同时兼顾耐水性及轻型化。
并且，在本实施方式中，和通过使外侧筋条部92和外侧段部94 相对而构成的结合部96相比，在外壳42的径向内侧上设置曲折密封 部100。因此，在入口截止阀20中，可抑制不同金属接触产生的电蚀 的局部深化，同时提高对盐腐蚀的耐久性。即，如本实施方式所示， 由不同金属构成第一外壳元件88和第二外壳元件90时，根据各金属 表面积的比，易产生电蚀深化。尤其是由铝或铝合金构成第二外壳元 件90并实施氧化铝膜处理时，如上所述，在第二外壳元件90表面易 产生裂纹，当不注意时，通过第一外壳元件88和第二外壳元件90的 结合部96，水可能易于从外部浸入到外壳42的内侧。因此，在现有技术中，在由铝或铝合金构成的部件中，对包括与不锈钢合金构成的部 件接触的接触部部分，考虑不进行氧化铝膜处理。但这种情况下，由
铝或铝合金构成的部件、即第二外壳元件90的耐盐腐蚀性可能下降。 根据本实施方式，可解决这种问题。即，根据本实施方式，可同
时满足以下相反的要求
(A) 为实现轻型化，第一外壳元件88和第二外壳元件90中，使 一个元件由铝或铝合金构成，另一个元件由不锈钢构成时，包括一个 元件的与另一元件的接触部的部分在内实施氧化铝膜处理，从而提高 外壳42对盐腐蚀性的耐久性。
(B) 有效防止水通过两个元件88、 90的接触部浸入到内部。
艮P,和通过使外侧筋条部92和外侧段部94相对而构成的结合部 96相比，在外壳42的径向内侧上设置曲折密封部100，因此通过减小 结合部96的径向的宽Wl，可增大结合部96的面压，提高结合部96 的密封性，并与曲折密封部100可获得的高密封性相辅相成，可充分 提高整体的密封性。其结果是，可获得同时满足(A) (B)要求的构 造。
此外，也可使与第二外壳元件90同时夹持主隔板46 (参照图2、 图3)的外周端部的外壳元件由与第一外壳元件90不同的金属、例如 不锈钢等构成。并且，在本实施方式中，说明了相互接触的外壳元件 由铝或铝合金、及不锈钢这样不同的金属组合而构成的情况。但在本 实施方式中，也可通过除此以外的不同的金属组合构成相互接触的外 壳元件。并且，在出口截止阀22及加湿器旁通阀18 (参照图l)的一 个或两个中，也可使构成相互不同的压力室的两个外壳元件与入口截 止阀20的外壳42—样，由相互不同的金属构成。其他构成及作用与 上述第一实施方式相同，因此对相同的部分赋予相同标记，并省略的 说明及图示。本发明用于流体控制阀及燃料电池系统。例如，利用于作为燃料 电池车辆搭载于车辆、将燃料电池组作为车辆行驶用马达的电源使用 的燃料电池系统。
权利要求
1.一种流体控制阀，包括具有驱动轴的阀芯，通过驱动轴的轴方向的位移对流路内进行切断或连接，其特征在于，驱动轴通过第一力和第二力这两个力进行驱动，上述第一力通过相互分离的第一压力室和第二压力室的压力差进行作用；上述第二力是向与第一力相同的方向作用的力，通过相互分离的第三压力室和第四压力室的压力差进行作用。
2. 根据权利要求l所述的流体控制阀，其特征在于， 第一压力室、第二压力室、第三压力室和第四压力室中的一个压力室是通过阀芯切断或连接的流路。
3. 根据权利要求l或2所述的流体控制阀，其特征在于， 第一压力室及第二压力室中的一个压力室、和第三压力室及第四压力室中的一个压力室相互连通，或分别向大气开放。
4. 根据权利要求1或2所述的流体控制阀，其特征在于， 第一压力室、第二压力室、第三压力室和第四压力室中的任意两个压力室均在内部相互不连通。
5. 根据权利要求1至4的任意一项所述的流体控制阀，其特征在于，第一压力室及第二压力室中的一个压力室是通过阀芯切断或连接 的流路，第一压力室及第二压力室中的另一个压力室向大气开放，第 三压力室及第四压力室中的一个压力室通过与在流路内流动的流体同 种的流体被加压，第三压力室及第四压力室中的另一个压力室向大气 开放。
6. 根据权利要求1至5的任意一项所述的流体控制阀，其特征在于，所述流体控制阀为常开型的截止阀，在第一压力室、第二压力室、 第三压力室和第四压力室全部为相同压力的通常状态下为开阀状态。
7. 根据权利要求1至5的任意一项所述的流体控制阀，其特征在于，所述流体控制阀为常闭型的截止阀，在第一压力室、第二压力室、 第三压力室和第四压力室全部为相同压力的通常状态下，通过弹力施 加单元的弹力变为关阀状态，通过向彼此相同的方向作用的第一力和 第二力，驱动轴向变为开阀状态的方向驱动。
8. 根据权利要求1至7的任意一项所述的流体控制阀，其特征在于，作为在氧化气体系气体或燃料气体系气体所流经的流路上设置的 燃料电池用开关阅使用。
9. 根据权利要求8所述的流体控制阀，其特征在于， 通过向彼此相同的方向作用的第一力和第二力，驱动轴向变为开阀状态的方向驱动，流路的燃料电池侧位于驱动轴进行驱动以使开阀状态变为关阀状 态的方向的前侧。
10. 根据权利要求l所述的流体控制阀，其特征在于， 构成第一压力室的部件和构成第二压力室的部件通过相互不同的金属构成。
11. 一种燃料电池系统，具有通过氧化气体和燃料气体的电化学 反应进行发电的燃料电池，其特征在于，在氧化气体系气体或燃料气体系气体所流经的流路上设置的燃料 电池用开关阀是权利要求1至权利要求10中任意一项所述的流体控制阀。
全文摘要
入口截止阀(20)及出口截止阀(22)具有主隔板(46)和副隔板(48)，在主隔板(46)的上表面侧设置关阀用压力室(50)，在下表面侧设置开阀用压力室(52)，在副隔板(48)的上表面侧设置气压室(54)，在下表面侧设置流路构成压力室(56)，使构成阀芯(58)的驱动轴(60)通过第一力(F1)和第二力(F2)这两个力(F1、F2)向变为开阀状态的方向驱动，上述第一力(F1)通过关阀用压力室(50)和开阀用压力室(52)的压力差进行作用；上述第二力是向与第一力(F1)相同方向作用的力，通过气压室(54)和流路构成压力室(56)的压力差进行作用。
文档编号F16K31/126GK101553678SQ20078004531
公开日2009年10月7日 申请日期2007年11月7日 优先权日2006年12月7日
发明者竹下昌宏 申请人:丰田自动车株式会社