专利名称：燃料电池系统的氢气供给装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及向燃料电池组供给氢气的燃料电池系统的氢气供给装置。
背景技术：
在专利文献I中公开了能够以高精度控制向燃料电池组的氢气的流量(或者压力)的电磁式调压阀。现有技术文献:
专利文献1:日本特开2002-295712号公报。
发明内容
发明要解决的问题:
专利文献I中记载的电磁式调压阀具备气密分离一次侧端口和压力返回室的滑动密封部，并且上游侧压力对阀体的作用力大致全部被消除。因此，不受电磁式调压阀的上游侧压力的影响，而能够以高精度控制向燃料电池组的氢气的流量(或者压力)。但是，在滑动密封部上采用隔膜(diaphragm)密封方式的情况下，隔膜一般不具有充分的耐压强度，因此上游侧压力达到高压时可能导致破损。又，也可以考虑代替隔膜密封方式而采用O形环密封方式。此时，电磁式调压阀工作中上游侧压力达到高压时，因意想不到的外部因素而可能导致氢气泄露。因此本发明的目的在于提供具有即使上游侧压力处于高压状态也能够以高精密度控制向燃料电池组的氢气的流量(或者压力)，并且能够防止向大气中的氢气泄露的电磁式调压阀的氢气供给装置。解决问题的手段:
本发明的氢气供给装置是向燃料电池组供给氢气的燃料电池系统的氢气供给装置，具备:连接贮藏高压氢气的氢气箱和消耗低压氢气的燃料电池组的氢气通路；和设置于所述氢气通路中，并且调节从所述氢气箱流出的氢气的压力以向所述燃料电池组供给的调压阀；所述调压阀具备:具有将与所述氢气箱连接的一次侧端口及与所述燃料电池组连接的二次侧端口相连接的阀通路的外壳；设置于所述外壳内，在关闭所述阀通路的关闭位置和打开所述阀通路的打开位置之间移动以控制所述阀通路的开度的阀体；和配置在所述阀体的外周的第一密封构件及第二密封构件；所述阀体的一端侧位于所述阀通路侧，所述阀体的另一端侧位于形成于所述外壳内的压力返回室内；所述第一密封构件及第二密封构件从所述阀体的一端侧向所述阀体的另一端侧以所述第一密封构件及第二密封构件的顺序配置；所述调压阀还具备连接形成在所述第一密封构件和所述第二密封构件之间的第一空间和二次侧端口的第一均压通路。根据本发明，高压氢气从氢气箱通过氢气通路导入至燃料电池组，并在燃料电池组中消耗。氢气通路中设置有调压阀，并且通过该调压阀调节氢气的压力。在调压阀中，氢气箱的氢气供给至一次侧端口中，并通过阀通路从二次侧端口排出而导入至燃料电池组。此时，阀体控制阀通路的开度以将氢气的压力调节为低压。借助于此，调节为低压的氢气导入至燃料电池组。像这样，调节氢气的压力的调压阀中，第一密封构件配置在一次侧端口侧，第二密封构件配置在压力返回室侧，并且在其之间形成有第一空间。因此，调压阀在工作中，即使因意想不到的外部因素而位于一次侧端口侧的高压氢气从第一密封构件泄漏，也使其流向第一空间。该第一空间通过均压通路与二次侧端口连接，因此流向第一空间的氢气通过均压通路返回至二次侧端口。即，调压阀设置为流向第一空间的氢气从二次侧端口排出并在燃料电池组中消耗的安全结构。因此，可以防止位于一次侧端口侧的高压氢气泄漏至大气中的情况。在上述发明中，优选的是所述调压阀具备连接所述二次侧端口和所述压力返回室的第二均压通路；所述阀体具有以所述阀体向打开位置行进的打开位置方向作用着二次侧端口的压力的二次侧受压部、和以所述阀体向关闭位置行进的关闭位置方向作用着所述压力返回室的压力的压力返回室侧受压部。根据上述结构，将二次侧端口的压力、即二次侧压通过第二均压通路导入至压力返回室，以此可以使从阀体的一端侧起作用的二次侧端口内的压力引起的力和从阀体的另一端侧起作用的压力返回室内的压力引起的力相对抗。在上述发明中，优选的是所述调压阀还具有:在所述阀体的外周，配置在比所述第二密封构件更靠近所述阀体的另一端侧的位置上的第三密封构件；形成在所述第三密封构件和所述第二密封构件之间的第二空间；容纳于所述第二空间内的轴承构件；以及连接所述第二空间和大气的大气连通路。根据上述结构，可以从大气连通路向轴承构件容易地供给润滑剂。又，润滑剂不混入至流入二次侧端口的氢气内，因此不会对下游侧的器械带来影响。在上述发明中，优选的是所述压力返回室侧受压部的受压面积大于所述二次侧受压部的受压面积。根据上述结构，通过使力作用为能够向关闭方向按压阀体，以此构成常闭型阀。在上述发明中，优选的是所述第三密封构件是隔膜密封件；所述隔膜密封件设置在所述阀体的另一端侧，并且与该另一端部一起构成所述压力返回室侧受压部。根据上述结构，通过在第三密封构件上采用隔膜密封件，以此可以消除因第三密封构件而引起的滑动摩擦，并且可以将作用于隔膜密封件的力传递至阀体。在上述发明中，优选的是所述阀体具有向所述打开位置方向受到导入至所述一次侧端口的一次侧压的第一受压面、和向关闭位置方向受到所述一次侧压的第二受压面；所述第一受压面的受压面积与所述第二受压面的受压面积相同。根据上述结构，可以通过在第二受压面上受到的压力抵消阀体在第一受压面上受到的一次侧压。借助于此，可以消除因一次侧压的变化而引起的二次侧压的变化，并且可以进一步改善二次侧压的压力控制性。又，可以减小驱动阀体的力，可以使调压阀实现小型化。在上述发明中，优选的是所述阀体具有向所述打开位置方向受到导入至所述一次侧端口的一次侧压的第一受压面、和向关闭位置方向受到所述一次侧压的第二受压面；所述第一受压面的受压面积小于所述第二受压面的受压面积。
根据上述结构，作用于第二受压面的作用力大于作用于第一受压面的作用力。因此，与一次侧压相对应的力向关闭方向作用于阀体，即使一次侧压急剧变化而增高，阀体也向关闭位置的一侧被按压。因此，阀通路不会在不期望的情况下打开，可以确实地关闭阀通路以不使氢气从一次侧泄漏至二次侧。在上述发明中，优选的是所述调压阀具有:对所述阀体向所述关闭位置方向施力的复位用弹簧；和对所述阀体施加与外加的外加电压或外加电流相对应的驱动力以对抗所述复位用弹簧的施力，从而使该阀体向所述打开位置方向移动的阀体驱动单元；所述调压阀是停止向所述阀体驱动单元施加外加电压或外加电流时，通过所述复位用弹簧使所述阀体向所述关闭位置方向移动的常闭型阀。根据上述结构，通过停止向调压阀施加外加电压或外加电流，以此可以紧急阻断阀通路。在上述发明中，优选的是还具备:在所述氢气通路中设置在所述调压阀的下游侧，并且检测向所述燃料电池组供给的所述氢气的压力的压力检测单元；以及根据用所述压力检测单元检测的压力控制外加在所述阀体驱动单元的外加电压或者外加电流以使二次侧压达到所述燃料电池组的目标压力的控制单元。根据上述结构，控制单元根据用压力检测单元检测到的压力控制外加在阀体驱动单元的外加电压或外加电流，以将供给至燃料电池组的氢气的压力调节为目标压力。借助于此，不管氢气供给装置内的压力损失，而能够将目标压力的氢气供给至燃料电池组。在上述发明中，优选的是所述控制单元在用所述压力检测单元检测到的压力达到预先设定的规定压力以上时，控制外加在所述阀体驱动单元的外加电压或者外加电流以使所述阀体向所述关闭位置移动。根据上述结构，燃料电池组的氢气的压力急剧上升时，可以停止向燃料电池组的氢气的供给。借助于此，可以防止燃料电池组中的氢气的压力上升为规定压力(高于常用的压力，且低于燃料电池组的耐压的压力)以上的异常压力的情况。在上述发明中，优选的是所述调压阀是所述阀体驱动单元设置在所述高压箱的供给口的置于箱内型或者置于箱上型的容器阀。根据上述结构，由于调压阀配置在氢气的供给口，因此来自于氢气箱的输出压力水平达到低压水平，以改善系统的安全性。在上述发明中，优选的是还具备在所述氢气通路中设置在所述调压阀的上游侧，能阻断氢气向所述调压阀供给的电磁式截止阀。根据上述结构，在氢气箱和燃料电池组之间设置有具有阻断功能的调压阀及电磁式截止阀的两个阀，并且通过这些两个阀可以在氢气箱和燃料电池组之间进行阻断。借助于此，改善系统的安全性。在上述发明中，优选的是还具备在所述氢气通路中设置在所述调压阀的下游侧，能阻断向所述燃料电池组的氢气的供给的电磁式截止阀。根据上述结构，在氢气箱和燃料电池组之间设置有具有阻断功能的调压阀及电磁式截止阀的两个阀，并且通过这两个阀可以在氢气箱和燃料电池组之间进行阻断。借助于此，改善系统的安全性。又，通过将电磁式截止阀设置在调压阀的下游侧，以此电磁式截止阀可以是低压用的电磁阀，并且与设置在上游侧的情况相比可以使电磁式截止阀的制造成本低廉。又，理想的是该低压用的电磁式截止阀例如为仅在燃料电池组的压力在所述规定压力以下时开阀的制造成本的低廉的直接驱动方式的阀(减小电磁螺线管的推力，以在燃料电池组的压力超过所述规定压力时阀体不打开的一段型的电磁阀)。因为，车辆(燃料电池系统)在停止中，假设调压阀中发生某些异常，调压阀工作中因意想不到的外部因素而高压氢气泄漏至二次侧端口侧的情况下，电磁式截止阀的上游侧压力增高。而且，其上游侧压力超过燃料电池组的规定压力时，下次车辆起动时电磁式截止阀不开阀。因此，采用直接驱动方式的电磁式截止阀时，可以防止超过规定压力的高压氢气流入燃料电池组的情况。借助于此，可以保护燃料电池组。又，由于电磁式截止阀不开阀，因此即使不使用压力传感器也可以推断检测调压阀的异常。发明效果:
根据本发明，可以提供具备即使上游侧压力为高压状态，也能够以高精度控制向燃料电池组的氢气的流量(或者压力)，并且能够防止氢气泄漏至大气中的调压阀的燃料电池系统的氢气供给装置。
图1是示出具备第一实施形态及第二实施形态的氢气供给装置的燃料电池系统的结构的回路 图2是示出第一实施形态的氢气供给装置所具备的电磁式调压阀的结构的剖视 图3是示出第二实施形态的氢气供给装置所具备的电磁式调压阀的结构的剖视 图4是示出具备第三实施形态的氢气供给装置的燃料电池系统的结构的回路 图5是示出具备第四实施形态的氢气供给装置的燃料电池系统的结构的回路 图6是示出具备第五实施形态的氢气供给装置的燃料电池系统的结构的回路 图7是示出具备第六实施形态的氢气供给装置的燃料电池系统的结构的回路 图8是将第七实施形态的氢气供给装置所具备的调压阀的结构的一部分放大示出的首丨J视图;
图9是将第八实施形态的氢气供给装置所具备的调压阀的结构的一部分放大示出的剖视图。
具体实施例方式以下参照上述
根据本发明的第一实施形态至第八实施形态的氢气供给装置1、IA IG以及具备该氢气供给装置1、IA IG的燃料电池系统2、2B 2G。另外，以下说明的氢气供给装置1、1A IG及燃料电池系统2、2B 2G只是本发明的一个实施形态，本发明并不限于实施形态，而在不脱离发明的要旨的范围内可以进行增加、删除、变更。[第一实施形态]
<燃料电池系统>
燃料电池系统2设置于燃料电池汽车等的车辆中，并且向驱动车辆的驱动轮的驱动源例如马达供给电力。燃料电池系统2具备燃料电池组3、空气供给装置4和氢气供给装置
I。燃料电池组3具有阴极3a和阳极3b，并且通过向阴极3a及阳极3b供给空气及氢气以发电。又，燃料电池组3通过调节向阳极3b供给的氢气的供给压，以此可以调节其发电量。像这样构成燃料电池组3的阴极3a与空气供给装置4连接，阳极3b与氢气供给装置I连接。<空气供给装置>
空气供给装置4向阴极3a供给大气中的空气，并且具备压缩器5、空气供给通路6、空气排出通路7和空气调压阀8。压缩器5通过空气供给通路6与阴极3a连接，并加压大气中的空气并向阴极3a供给。又，阴极3a与空气排出通路7连接，并且该空气排出通路7通过空气调压阀8向大气开放。空气调压阀8具有与空气压缩器5联动地调节向阴极3a供给的空气的供给压的功能。又，在空气供给通路6及空气排出通路7中设置有加湿器9，加湿器9从在空气排出通路7流动的空气中吸湿，并通过该吸湿而得到的水分对空气供给通路6中流动的空气进行加湿。〈氢气供给装置〉
氢气供给装置I能够向阳极3b供给氢气，并且具备氢气箱11、氢气通路12、箱用压力传感器13、电磁式调压阀14、电磁式截止阀15、安全泄压阀16、通路用压力传感器17和控制器18。氢气箱11是所谓的高压箱，能够贮藏例如35MPa或70MPa的高压氢气，并且与其内压相对应的信号从箱用压力传感器13输出。又，氢气箱11通过氢气通路12与阳极3b连接，在该氢气通路12中设置有电磁式调压阀14。电磁式调压阀14的具体结构将在下文说明，电磁式调压阀14具有将从氢气箱11中流出的高压氢气调节为低压后向燃料电池组3供给的功能。又，在氢气通路12中的电磁式调压阀14的上游侧设置有电磁式截止阀15。电磁式截止阀15具有开闭氢气通路12的功能，并且用未图示的操作单元操作时，开闭氢气通路12。又，电磁式截止阀15在电磁式调压阀14的下游侧的压力达到规定压力(例如高于常用的压力且低于燃料电池组3的耐压的压力)时，其上流入的电流被切断而阻断氢气通路12。像这样，通过在电磁式调压阀14的上游侧设置电磁式截止阀15，以此通过具有阻断功能的两个阀14、15可以在氢气箱11和燃料电池组3之间进行阻断。因此，氢气通路12被阻断，从而可以更加改善氢气供给装置I的安全性。又，氢气通路12中电磁式调压阀14的下游侧与安全泄压阀16连接。安全泄压阀16是所谓的泄压阀，在氢气通路12中电磁式调压阀14的下游侧的压力高于所述规定压力时，安全泄压阀16工作。此外，在氢气通路12中，在安全泄压阀16的下游侧设置有通路用压力传感器17。优选的是通路用压力传感器17形成为能够检测在氢气通路12中流动的氢气的压力的结构，并且在氢气通路12中设置在燃料电池组3的附近。通路用压力传感器17与控制器18电气连接，从而将检测的压力发送至控制器18。作为控制单元的控制器18与未图示的EQJ (Electronic Control Unit;电子控制单元)连接，从该ECU接收根据车辆中具备的操作单元、例如加速器踏板的开度(踏下量)而决定的目标压力。控制器18基于目标压力和检测到的压力使电流流入下述的电磁式调压阀14的电磁比例螺线管37中，并且反馈控制检测到的压力以使其达到目标压力。因此，通过在燃料电池组3的附近设置通路用压力传感器17，以此即使在氢气通路12中产生压力损失，也可以将目标压力的氢气供给至燃料电池组中。又，控制器18在检测到的压力达到上述规定压力时，使电磁式调压阀14工作以阻断氢气通路12。另外，本实施形态中，如下文所述电磁式调压阀14为常闭型的阀，因此通过切断从控制器18到电磁式调压阀14的电流以阻断氢气通路12。借助于此，可以防止向燃料电池组3中流入超过耐压压力的高压的氢气的情况。以下详细说明像这样控制的电磁式调压阀14的结构。另外，以下说明中上下、左右及前后等的方向的概念是便于说明而使用的，关于电磁式调压阀14并不是用于启示将其结构的配置及朝向等限定在其方向上。又，以下说明的电磁式调压阀14只是电磁式调压阀的一个实施形态，并不限于下述形态，在不脱离发明的主旨的范围内可以增加、删除、变更。<电磁式调压阀>
电磁式调压阀14如图2所示具备外壳21。在外壳21上形成有一次侧端口 21a、阀体孔21b及二次侧端口 21c。一次侧端口 21a与电磁式截止阀15 (参照图1)连接，并且通过形成在外壳21中的一次侧通路21d与阀体孔21b连接。阀体孔21b沿着上下延伸的轴线LI延伸。阀体孔21b的断面形成为圆形，在其中间部分具有比剩余部直径大的阀空间21e。一次侧通路21d与该阀空间21e连接。又，阀体孔21b通过形成在外壳21上的二次侧通路21f与二次侧端口 21c连接。二次侧通路21f通过所述阀空间21e的上侧的二次侧区域21g与所述阀体孔21b连接。而且，二次侧端口21c通过氢气通路12 (参照图1)与燃料电池组3连接。像这样一次侧端口 21a和二次侧端口 21c通过一次侧通路21d、阀空间21e、二次侧区域21g及二次侧通路21f相连接。由这些一次侧通路21d、阀空间21e、二次侧区域21g及二次侧通路21f构成连接一次侧端口21a和二次侧端口 21c的阀通路22。又，外壳21具有座部23。座部23位于连接二次侧区域21g和阀空间21e的开口附近，并且包围该开口地形成。又，在外壳21中沿着阀体孔21b的轴线LI插入有阀体24，阀体24以将作为其一端部的上端部24a插入至二次侧区域21g中的状态就坐在座部23上。阀体24大致形成为圆柱状，并且上端部24a位于在阀通路22中、即阀通路22的二次侧端口 21a侧的二次侧通路21f中。又，阀体24在其上端部24a侧具有锥体部24b。锥体部24b形成为随着向上侧行进而梢端变细的锥体形状，阀体24如图2所示位于关闭位置时就坐于座部23上，并堵塞阀通路22。又，外壳21在阀空间21e的下侧具有密封件安装部25。密封件安装部25在外壳21的内表面在周方向全周上形成。密封件安装部25的内径与二次侧区域21g的孔径及阀体24的外径大致一致。又,夕卜壳21中密封件安装部25的下侧的内径大于密封件安装部25的内径。借助于此，在外壳21和阀体24之间形成有大致圆环状的轴承构件容纳空间26，在轴承构件容纳空间26中容纳轴承构件27。轴承构件27大致形成为圆筒状，例如由滚珠导轨(ball guide)、滚珠轴承或者滑动轴承构成。轴承构件27外设在阀体24上并介于阀体24和外壳21之间，并且支持阀体24。通过该轴承构件27，阀体24可以沿着轴线LI以上下方向在外壳21内顺滑地移动。另夕卜，轴承构件27为了进一步使阀体24的运动变得顺滑，且改善耐用性而用润滑油润滑。在像这样配置有轴承构件27的轴承构件容纳空间26的上侧，为了堵塞该处而设置有高压密封构件28。作为第一密封构件的高压密封构件28是摩擦阻力小且始动阻力和滑动阻力之差小的高压密封件，例如是通过氟树脂等表面处理的O形环。高压密封构件28安装为嵌入至密封件安装部25的内周部，并且配置在阀体24的外周。像这样配置的高压密封构件28密封阀体24和密封件安装部25之间的间隙。又，在密封件安装部25上设置有低压密封构件29。 作为第二密封构件的低压密封构件29是大致圆环状的O形环，并且为了减小摩擦阻力而通过树脂等进行表面处理。低压密封构件29位于比高压密封构件28更靠近轴承构件27侧的位置上，并且安装为嵌入至密封件安装部25的内周部中。借助于此，高压密封构件28及低压密封构件29从阀体24的上端侧向下端侧(即，从一端侧向另一端侧)以该顺序配置在阀体24的外周。低压密封构件29密封密封件安装部25和阀体24之间的间隙，并且在高压密封构件28和低压密封构件29之间形成有缓冲室30。在作为第一空间的缓冲室
30中导入从高压密封构件28处泄露的氢气。另外，高压密封构件28及低压密封构件29也可以安装为嵌入至阀体24的外周部。又，在轴承构件容纳空间26的下侧，为了堵塞此处而设置有隔膜密封件31。作为第三密封构件的隔膜密封件31是大致形成为圆环状的隔膜，配置在阀体24的外周。隔膜密封件31的内边缘部安装在阀体24上，外边缘部安装在外壳21上。具体地说，隔膜密封件31的内边缘部由阀体24的下端部和安装在其上的安装构件24c夹持，以此安装于阀体24上。又，外壳21上下可分割成两个地构成，并且隔膜密封件31的外边缘部夹在这些两个部分之间，以此安装在外壳21。像这样上下两侧被堵塞的轴承构件容纳空间26通过两个密封构件31、29从形成于外壳21内的其他空间(例如阀空间21e和二次侧区域21g等)阻断而被隔开。作为第二空间的轴承构件容纳空间26通过形成于外壳21内的大气连通路32向大气开放。因此，润滑轴承构件27的润滑油不暴露于氢气中，或者不泄漏至外壳21内的其他空间、例如阀空间21e和二次侧端口 21c等。因此，可以防止润滑油混入至氢气内以防止波及到下游侧器械的影响，并且可以抑制润滑油的耗尽，维持轴承构件27的润滑状态。借助于此，能够改善轴承构件27的耐用性，并且可以使阀体24顺滑地移动。又，在阀体孔21b的隔膜密封件31的下侧形成有压力返回室33。压力返回室33是由外壳21的底部、及隔膜密封件31包围的大致圆盘状的空间。作为阀体24的另一端部的下端部位于像这样形成于外壳21内的压力返回室33内。该压力返回室33和轴承构件容纳空间26之间的间隙由隔膜密封件31堵塞，压力返回室33通过形成于外壳21内的外壳侧均压通路34 (第二均压通路)与二次侧通路21f连接。又，在阀体24内形成有阀侧均压通路35。作为第一均压通路的阀侧均压通路35具有二次侧连通部35a、返回部35b和连通部35c。二次侧连通部35a在阀体24的上端部24a中向其半径方向贯通地延伸，其两端向二次侧区域21g开口。又，返回部35b向半径方向贯通阀体24地延伸，并且其两端向缓冲室30开口。这些二次侧连通部35a及返回部35b通过沿着阀体24的轴线(本实施形态中，大致与轴线LI 一致)而形成的连通部35c相连接。借助于此，缓冲室30通过阀侧均压通路35与二次侧区域21g连接。像这样，外壳侧均压通路34连接二次侧端口 21c和压力返回室33，并且将导入至二次侧端口 21c的二次侧压P2导入至压力返回室33。又，阀侧均压通路35连接二次侧端口 21c和缓冲室30，并且将泄漏至缓冲室30的氢气导入至二次侧端口 21c。借助于此，电磁式调压阀14成为不使从一次侧泄漏的氢气向外侧泄漏而返回至二次侧的安全结构的调压阀。
又，阀体24具有法兰24e。法兰24e在锥形部24b的下侧，周方向全周上形成，并且从锥形部24b进一步向半径方向外侧突出。法兰24e在密封件安装部25的上端相对地配置。在法兰24e和密封件安装部25的上端之间配置有复位用弹簧36。复位用弹簧36是所谓的压缩螺旋弹簧，并且以压缩的状态外设在阀体24上，对阀体24向关闭位置方向(阀体24向关闭位置行进的方向)施力。受力的阀体24就坐于座部23上，并堵塞阀通路22。在外壳21的开口端部(即，上端部)上，为了向阀体24施加与复位用弹簧36的施力相对抗的力，而设置有电磁比例螺线管37。作为阀体驱动单元的电磁比例螺线管37与外壳21的开口端部的外周螺纹结合并固定。电磁比例螺线管37具有螺线管线圈38。螺线管线圈38大致形成为圆筒状，其下端侧与外壳21螺纹结合。螺线管线圈38具有大致圆筒状的壳体38a，其中设置有线轴38b和线圈线38c。线轴38b也形成为大致圆筒状，在该线轴38b上卷绕有线圈线38c以此构成螺线管线圈38。线圈线38c与控制器18电气连接。又，在螺线管线圈38内，在下端部设置有磁轭39，上端部由盖40堵塞。而且，在磁轭39和盖40之间设置有可动构件41。可动构件41由磁性材料构成，大致形成为圆柱状,并且沿着轴线LI配置。可动构件41的外径小于螺线管线圈38的内径。圆环状的引导构件42介于可动构件41和螺线管线圈38之间。引导构件42由非磁性体形成，并且将可动构件41沿着轴线LI上下方向上可滑动地支持。磁轭39在可动构件41的下端部以上下方向相对且相互隔着间隔的状态配置。磁轭39由磁性材料、例如电磁不锈钢材料形成，并形成为大致圆环状。磁轭39和可动构件41设置为通过使电流流过螺线管线圈38以进行磁化，并且磁轭39吸引可动构件41。又，在可动构件41的上端部和盖40之间设置有压缩螺旋弹簧43，通过压缩螺旋弹簧43对可动构件41向阀体24侧施力。在可动构件41的下端部设置有按压构件44。按压构件44沿着轴线LI延伸，并且插通在磁轭39内。按压构件44的基端部固定于可动构件41上。按压构件44的梢端形成为部分球面状，并且通过可动构件41受到压缩螺旋弹簧43的施力而被按压在阀体24的上端部24a上。像这样配置的按压构件44设置为通过使电流流过螺线管线圈38以使可动构件41吸引至磁轭39的一侧，以此利用与电流相对应的力向打开位置方向按压阀体24以打开阀通路22。像这样构成的电磁式调压阀14在阀体24的锥形部24b及法兰24e的上表面(相当于第一受压面的受压面Pl)上，向打开位置方向受到从氢气箱11导入至阀空间21e中的一次侧Sp1，在法兰24e的下表面(相当于第二受压面的受压面P2)上，向关闭位置方向受到所述一次侧压Pl。另外，受压面Pl是锥形面的一部分的区域，在俯视下为比二次侧区域21g更靠近半径方向外侧的区域。在各受压面P1、P2上，一次侧压P1以相互对抗的方向作用着，并且相互抵消。由于阀体24中相对于法兰24e的下端24d侧和二次侧区域21g的内径(即，座径)具有大致相同的外径，因此受压面P1、P2的受压面积大致相同。因此，在受压面Pl上受到的一次侧压P1引起的作用力、和在受压面P2上受到的一次侧压P1引起的作用力相互抵消，从而可以防止在阀体24中因一次侧压P1的变化而引起的影响。又，电磁式调压阀14在阀体24的上端及锥形部24b的锥形面(受压面P3)上，向打开位置方向受到在二次侧区域21g中流动的二次侧压p2，并且在隔膜密封件31及阀体24的下端24d (受压面P4)上，向关闭位置方向受到导入至压力返回室33中的二次侧压p2。另外，受压面P4是在俯视下与二次侧区域21g重叠的区域。在受压面P3、P4上受到的二次侧压P2向相互对抗的方向作用着。但是，阀体24具有与座径Γι大致相同的外径r2，相对于此，隔膜密封件31的有效径r3大于所述座径η及阀体24的外径r2。因此，与受压面P3相比，受压面P4的受压面积增大隔膜密封件31的有效面积的量。借助于此，在阀体24上，在各受压面P3、P4上受到的二次侧压P2引起的作用力不完全抵消，而向关闭位置方向作用着与各受压面P3、P4的受压面积之差相对应的作用力。又，阀体24通过复位用弹簧36向关闭位置方向受力并就坐于座部23上。像这样，阀体24通过由二次侧压P2引起的作用力及复位用弹簧36向关闭位置方向受力，并且电磁式调压阀14形成为常闭型阀的结构。借助于此，通过切断流入螺线管线圈38的电流以此可以紧急阻断阀通路22。<电磁式调压阀的动作>
以下参照图2说明电磁式调压阀14的动作。操作车辆的加速器踏板时，与其操作量相对应的电流(即，与目标压力相对应的电流)从控制器18流入螺线管线圈38。此时，励磁力作用于可动构件41，并且可动构件41向磁轭39的一侧吸引。借助于此，通过按压构件44向打开位置方向按压阀体24以使阀体24从座部23分离。此时，阀通路22被打开，阀空间21e的氢气向二次侧区域21g流入。此时，通过形成于阀体24和座部23之间的孔(未图示)从阀空间21e流入至二次侧区域21g的氢气减压为二次侧压p2。像这样，电磁式调压阀14形成为在电流流过螺线管线圈38时，阀体24被按压构件44按压而打开阀通路的结构(即，为推杆型的电磁式调压阀)。二次侧区域21g的氢气通过二次侧通路21f从二次侧端口 21c排出，并且通过外壳侧均压通路34导入至压力返回室33内。隔膜密封件31受到导入至压力返回室33内的氢气的二次侧压P2。阀体24移动至可动构件41受到的励磁力、在受压面P3、P4上分别受到的二次侧压P2引起的作用力、压缩螺旋弹簧43的弹簧力、以及复位用弹簧36的弹簧力相平衡的位置。即，调节阀通路22的开度(即，孔(orifice)的开度)以使上述力相平衡，从而调节流入二次侧区域21g的氢气的二次侧压p2。借助于此，二次侧压P2控制为与加速器踏板的操作量相对应的压力、即目标压力。`关于调节二次侧压P2的情况，具体地说，例如二次侧压P2低于目标压力的情况下，励磁力大于由二次侧压P2引起的作用力，阀体24从座部23分离地向打开位置方向移动。阀体24移动至二次侧压p2引起的作用力、励磁力、压缩螺旋弹簧43的弹簧力以及复位用弹簧36的弹簧力相平衡的位置，伴随着阀通路22的开度扩大二次侧压P2上升。借助于此，二次侧压P2调节至目标压力。因此，电磁式调压阀14即使一次侧压P1发生变化也可以与此相对应地控制阀通路22的开度，可以将二次侧压P2调节为目标压力。因此，用单个电磁式调压阀14可以将高压的氢气以高精度调节至低压的目标压力。又，在加速器踏板被操作而其操作量发生变化，并且控制器18所接收的目标压力发生变化的情况下也是同样的。即，因目标压力发生变化而通过控制器18流入至螺线管线圈38的电流发生增减变化以使励磁力发生增减变化，阀体24移动至二次侧压P2引起的作用力、压缩螺旋弹簧43的弹簧力、及复位用弹簧36的弹簧力与其励磁力相平衡的位置以调节阀通路22的开度。借助于此，将二次侧压P2能够适合变化的目标压力地进行调节。像这样，电磁式调压阀14根据变化的目标压力而调节二次侧压p2，并且进一步可以保持在目标压力。
在像这样构成的电磁式调压阀14中，使受压面Pl及受压面P2的受压面积大致相同，因此可以抵消阀体24从一次侧压P1受到的作用力。借助于此，可以抑制因一次侧压P1的变化而引起的二次侧压P2的变化。因此，可以改善针对高压氢气的压力控制性，并且与现有的电磁式调压阀相同地可以以高精度控制二次侧压P2。又，通过抵消从一次侧压P1受到的作用力，以此可以减小电磁比例螺线管37的励磁力，可以使电磁式调压阀14实现小型化。又，在电磁式调压阀14中，由于一次侧压P1和二次侧压P2的压差较大，因此电磁式调压阀14工作中，因意想不到的外部因素而在高压密封构件28上存在少量氢气从阀空间21e泄漏至缓冲室30的情况。但是，缓冲室30通过阀侧均压通路35与二次侧区域21g连接，并且电磁式调压阀14设置为在高压密封构件28中泄漏的氢气从二次侧端口排出而导入至燃料电池组的安全结构。又，电磁式调压阀14设置为缓冲室30与二次侧区域21g连接，因此缓冲室30的内压降低。因此，即使氢气从高压密封构件28泄漏至缓冲室30，缓冲室30的内压也不容易上升。因此，即使氢气从一次侧泄漏至缓冲室30，也可以利用低压密封构件29充分防止该氢气泄漏至轴承构件容纳空间26的情况。即，可以通过轴承构件容纳空间26防止氢气泄漏至大气中的情况。又，通过采用隔膜密封件31，以此可以消除阀体24移动时的滑动摩擦。又，通过采用摩擦阻力小的低压密封构件29，以此可以尽量抑制滑动摩擦。像这样，通过抑制作用于阀体24的滑动摩擦，以此可以使阀体24顺滑地移动。借助于此，可以将二次侧压迅速地调节为目标压力，以改善二次侧压的响应性。此外，通过采用高压密封构件28，以此改善电磁式调压阀14针对一次侧压P1的耐压性能。[第二实施形态]
根据第二实施形态的氢气供给装置IA的结构与根据第一实施形态的氢气供给装置I的结构相类似，但是氢气供给装置IA在其中所具备的电磁式调压阀14的受压面积Al及受压面积A2如图3所示不同的这一点上，与根据第一实施形态的氢气供给装置I不同。以下具体说明这一点。在根据第二实施形态的氢气供给装置IA的电磁式调压阀14A中，阀体14A的外径r2小于座径因此,受压面Pl的受压面积小于受压面P2的受压面积。因此,在阀体24上，向关闭位置方向作用着与受压面Pl的受压面积和受压面P2的受压面积之差相对应的一次侧Sp1引起的作用力。因此切断流入螺线管线圈38的电流时阀体24A向关闭位置行进的速度变快，以改善阻断性能。又，由于向关闭位置方向作用着由一次侧压P1引起的作用力，因此阀体24A和座部23的就坐部分的密封面压力增高。因此，电磁式调压阀14A可以确实地关闭阀通路22不使燃料气体从一次侧泄漏至二次侧。除此之外，根据第二实施形态的氢气供给装置IA发挥与根据第一实施形态的氢气供给装置I相同的作用效果。[第三实施形态]
根据第三实施形态的氢气供给装置IB的结构与根据第一实施形态的氢气供给装置I的结构相类似。因此关于根据第三实施形态的氢气供给装置IB的结构仅说明与根据第一实施形态的氢气供给装置I不同之处。
燃料电池系统2B中所具备的氢气供给装置IB具备电磁式调压阀14B。电磁式调压阀14B是置于箱上型的调压阀，并且配置在氢气箱11的开口部上。电磁式调压阀14B具有与第一实施形态的电磁式调压阀14相同的结构,并且具备与阀组(valve block)50—体地成型的外壳21 (参照图2)。阀组50以实现密封的状态安装于氢气箱11 (参照图4)的开口部内。电磁式调压阀14B与第一实施形态的电磁式调压阀14相同地具有将从氢气箱11流出的高压的氢气调节为低压并向燃料电池组3供给的功能。因此，通过设置在氢气箱11的开口部，以此来自于氢气箱11的输出压力水平达到低压水平，大幅度改善氢气供给装置IB的安全性。在电磁式调压阀14B的上游侧设置有电磁式截止阀15。电磁式截止阀15与电磁式调压阀14B —起一体地设置于阀组50上，并且由电磁式截止阀15和电磁式调压阀14B构成电磁式容器阀51。又，在电磁式调压阀14B的下游侧设置有电磁式截止阀15B。电磁式截止阀15B是与电磁式截止阀15相同地具有开闭氢气通路12的功能的低压用的电磁阀。在电磁式截止阀15B上可以采用低压用的电磁阀，因此可以使电磁式截止阀15B的制造成本与电磁式截止阀15相比较为低廉。此外，理想的是电磁式截止阀15B例如为仅在规定压力以下的情况下开阀的制造成本低廉的直接驱动方式的电磁阀(减小电磁螺线管的推力，以达到超过规定压力的压力时不开阀的一段型的电磁阀)。因为，车辆(燃料电池系统2B)在停止中，如果电磁式调压阀14B中发生某些异常(例如，工作中因意想不到的外部因素而高压氢气泄漏)，则电磁式截止阀15B的上游侧的压力增高，其上游侧压力超过上述规定压力时，在下次的车辆起动时电磁式截止阀15B不开阀。因此，在电磁式截止阀15B上采用直接驱动方式的电磁阀时，可以防止超过规定压力的氢气流入燃料电池组3的情况。借助于此，可以保护燃料电池组3。又，由于电磁式截止阀15B不开阀，因此即使不使用压力传感器也可以推断检测电磁式调压阀的异常。除此之外，根据第三实施形态的氢气供给装置IB发挥与根据第一实施形态的氢气供给装置I相同的作用效果。[第四实施形态]
根据第四实施形态的氢气供给装置IC的结构与根据第三实施形态的氢气供给装置IB的结构相类似。因此，关于根据第四实施形态的氢气供给装置IC的结构，仅说明与第三实施形态的氢气供给装置IB不同之处。在燃料电池系统2C所具备的氢气供给装置IC中，如图5所示电磁式截止阀15B被拆卸。电磁式调压阀14B是常闭型的阀，其下游侧的压力达到规定压力以上时，阻断氢气通路12。因此，即使是如氢气供给装置IC 一样电磁式截止阀15B被拆卸的结构，也可以防止超过规定压力的氢气流入燃料电池组3中的情况。除此之外，根据第四实施形态的氢气供给装置IC发挥与根据第三实施形态的氢气供给装置IB相同的作用效果。[第五实施形态]
根据第五实施形态的氢气供给装置ID的结构与根据第一实施形态的氢气供给装置I的结构相类似。因此，关于根据第五实施形态的氢气供给装置ID的结构，仅说明与第一实施形态的氢气供给装置I不同之处。燃料电池系统2D所具备的氢气供给装置ID如图6所示具备电磁式调压阀14D。电磁式调压阀14D是置于箱内型的调压阀，并且设置于氢气箱11的开口部内。电磁式调压阀14D与第一实施形态的电磁式调压阀14相同地具有将从氢气箱11中流出的高压氢气调节为低压并向燃料电池组3供给的功能。实现电磁式调压阀14D在氢气箱11中的箱内化，并且来自于氢气箱11的输出压力水平达到低压水平，以大幅度改善氢气供给装置ID的安全性。又，在氢气供给装置ID中相对于电磁式调压阀14D的下游侧配置有电磁式截止阀15D。因此，电磁式截止阀15D可以使用低压用的电磁式截止阀。因此，根据第五实施形态的氢气供给装置ID发挥与根据第一实施形态的氢气供给装置I相同的作用效果。[第六实施形态]
根据第六实施形态的氢气供给装置IE的结构与根据第五实施形态的氢气供给装置ID的结构相类似。因此，关于根据第六实施形态的氢气供给装置IE的结构仅说明与第五实施形态的氢气供给装置ID不同之处。在燃料电池系统2E所具备的氢气供给装置IE中，如图7所示电磁式截止阀15D被拆卸。电磁式调压阀14D是常闭型的阀，并且其下游侧的压力达到规定压力以上时阻断氢气通路12。因此，即使是如氢气供给装置IE —样电磁式截止阀KD被拆卸的结构，也可以防止超过规定压力的氢气流入燃料电池组3的情况。除此之外，根据第六实施形态的氢气供给装置IE发挥与根据第五实施形态的氢气供给装置ID相同的作用效果。[第七实施形态]
根据第七实施形态的氢气供给装置IF具有如图8所示的调压阀14F。调压阀14F代替电磁比例螺线管37而具备压电执行器37F。压电执行器37F由压电兀件(piezoelectricelement)(例如,压电兀件(piezo element))构成,并且设置为产生与外加的外加电压相对应的驱动力，以通过按压构件44使阀体24向打开位置方向移动而打开阀通路22。此时，阀通路22能够以与产生的驱动力相对应的开度打开，电磁式调压阀14F也能够将二次侧压p2调节为与外加在压电执行器37F的外加电压相对应的压力。除此之外，根据第七实施形态的氢气供给装置IF具有与根据第一实施形态的氢气供给装置I相同的结构，并且发挥相同的作用效果。[第八实施形态]
根据第八实施形态的氢气供给装置IG具有如图9所示的调压阀14G。调压阀14G代替电磁比例螺线管37而具备力马达(force motor)37G0力马达37G设置为在圆筒状的永久磁铁61中插入有可动线圈62，电流流过可动线圈62时产生与电流相对应的励磁力，通过该励磁力可动线圈62在磁轭63内向下方移动。通过可动线圈62向下方移动，与可动线圈62一体地设置的按压构件44向打开位置方向按压阀体24，从而打开阀通路22。此时，阀通路22能够以与产生的励磁力相对应的开度打开，调压阀14G也能够将二次侧压p2调节为与流入力马达37G的电流相对应的压力。除此之外，根据第八实施形态的氢气供给装置IG具有与根据第一实施形态的氢气供给装置I相同的结构，并且发挥相同的作用效果。
[关于其他形态]
在本实施形态中，尽管用隔膜密封件31承受压力返回室33的二次侧压p2，但是并不一定是隔膜密封件，也可以是O形环等的低压密封构件。此时，通过使阀体24的下端侧的外径大于座径，以此可以实现与第一实施形态的电磁式调压阀14相同的作用效果。又，本实施形态的电磁式调压阀14是推动型的电磁式调压阀，但是也可以是拉动型电磁式调压阀。又，在本实施形态中，两个均压通路34、35分别形成在外壳21及阀体24上，但是两个均压通路34、35也可以一起形成在阀体24及外壳21中的任意一个上；
又，电磁式调压阀14、14A、14B、14D通过调节流入作为阀体驱动单元的电磁比例螺线管37的电流，以此可以控制阀通路22的开度，但是也可以通过调节外加在电磁比例螺线管37上的电压，以此控制阀通路22的开度。其他的阀体驱动单元的情况下也是同样的。工业应用性:
本发明可以适用于向燃料电池组供给氢气的燃料电池系统的氢气供给装置中。符号说明:
1、1A IG氢气供给装置；
2、2B 2G燃料电池系统；
3燃料电池组；
11氢气箱；
12氢气通路；
14、14A、14B、14D电磁式调压阀；
14FU4G 调压阀；
15、15B、15D电磁式截止阀；
17通路用压力传感器；
18控制器；
21外壳；
21a一次侧端口 ；
21c二次侧端口 ；
22阀通路；
24、24A阀体；
24a上端部；
26轴承构件容纳空间；
28高压密封构件；
29低压密封构件；
30缓冲室；
31隔膜密封件；
32大气连通路；
33压力返回室；
34外壳侧均压通路；
35阀侧均压通路；
37电磁比例螺线管；37F 压力执行器37G 力马达
权利要求
1.一种燃料电池系统的氢气供给装置，是向燃料电池组供给氢气的燃料电池系统的氢气供给装置；具备: 连接贮藏高压氢气的氢气箱和消耗低压氢气的燃料电池组的氢气通路；以及设置于所述氢气通路中，并且调节从所述氢气箱流出的氢气的压力以向所述燃料电池组供给的调压阀； 所述调压阀具备: 具有将与所述氢气箱连接的一次侧端口及与所述燃料电池组连接的二次侧端口相连接的阀通路的外壳； 设置于所述外壳内，在关闭所述阀通路的关闭位置和打开所述阀通路的打开位置之间移动以控制所述阀通路的开度的阀体；和 配置在所述阀体的外周的第一密封构件及第二密封构件； 所述阀体的一端侧位于所述阀通路侧，所述阀体的另一端侧位于形成于所述外壳内的压力返回室内； 所述第一密封构件及第二密封构件从所述阀体的一端侧向所述阀体的另一端侧以所述第一密封构件及第二密封构件的顺序配置； 所述调压阀还具备连接形成在所述第一密封构件和所述第二密封构件之间的第一空间和二次侧端口的第一均压通路。
2.根据权利 要求1所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于， 所述调压阀具备连接所述二次侧端口和所述压力返回室的第二均压通路； 所述阀体具有以所述阀体向打开位置行进的打开位置方向作用着所述二次侧端口的压力的二次侧受压部、和以所述阀体向关闭位置行进的关闭位置方向作用着所述压力返回室的压力的压力返回室侧受压部。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于， 所述调压阀还具有: 在所述阀体的外周，配置在比所述第二密封构件更靠近所述阀体的另一端侧的位置上的第三密封构件； 形成在所述第三密封构件和所述第二密封构件之间的第二空间； 容纳于所述第二空间内的轴承构件；和 连接所述第二空间和大气的大气连通路。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于，所述压力返回室侧受压部的受压面积大于所述二次侧受压部的受压面积。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于， 所述第三密封构件是隔膜密封件； 所述隔膜密封件设置在所述阀体的另一端侧，并且与该另一端部一起构成所述压力返回室侧受压部。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于， 所述阀体具有向所述打开位置方向受到导入至所述一次侧端口的一次侧压的第一受压面、和向所述关闭位置方向受到所述一次侧压的第二受压面； 所述第一受压面的受压面积与所述第二受压面的受压面积相同。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于， 所述阀体具有向所述打开位置方向受到导入至所述一次侧端口的一次侧压的第一受压面、和向所述关闭位置方向受到所述一次侧压的第二受压面； 所述第一受压面的受压面积小于所述第二受压面的受压面积。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于， 所述调压阀具有: 对所述阀体向所述关闭 位置方向施力的复位用弹簧；和 对所述阀体施加与外加的外加电压或外加电流相对应的驱动力以对抗所述复位用弹簧的施力，从而使该阀体向所述打开位置方向移动的阀体驱动单元； 所述调压阀是停止向所述阀体驱动单元施加外加电压或外加电流时，通过所述复位用弹簧使所述阀体向所述关闭位置方向移动的常闭型阀。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于， 还具备:在所述氢气通路中设置在所述调压阀的下游侧，并且检测向所述燃料电池组供给的所述氢气的压力的压力检测单元；和 根据用所述压力检测单元检测的压力控制外加在所述阀体驱动单元的外加电压或者外加电流以使二次侧压达到所述燃料电池组的目标压力的控制单元。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于，所述控制单元在用所述压力检测单元检测到的压力达到预先设定的规定压力以上时，控制外加在所述阀体驱动单元的外加电压或者外加电流以使所述阀体向所述关闭位置移动。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于，所述调压阀是所述阀体驱动单元设置在所述高压箱的供给口的置于箱内型或者置于箱上型的容器阀。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于，还具备在所述氢气通路中设置在所述调压阀的上游侧，能阻断氢气向所述调压阀供给的电磁式截止阀。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于，还具备在所述氢气通路中设置在所述调压阀的下游侧，能阻断氢气向所述燃料电池组供给的电磁式截止阀。
全文摘要
本发明目的是提供具有即使上游侧压力为高压状态，也能够以高精度控制向燃料电池组的氢气的流量(或者压力)，并且能够防止氢气泄漏至大气中的调压阀的燃料电池系统的氢气供给装置。向燃料电池组(3)供给氢气的氢气供给装置(1)具有将氢气的压力调节为低压的电磁式调压阀(14)。电磁式调压阀(14)具备外壳(21)，在其中形成有连接一次侧端口(21a)和二次侧端口(21c)的阀通路(22)。又，在外壳(21)内设置有控制所述阀通路的开度的阀体(24)，在该阀体(24)的外周配置有高压密封构件(28)和低压密封构件(29)。高压密封构件(28)及低压密封构件(29)从阀体(24)的一端侧向另一端侧以该顺序配置，并且还具备连接在其之间形成的缓冲室(30)和二次侧端口(21c)的外壳侧均压通路(34)。
文档编号H01M8/04GK103180645SQ20118003724
公开日2013年6月26日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年8月6日
发明者野道薰, 铃木丰, 二宫诚, 筱原干弥, 小田岛真人 申请人:川崎重工业株式会社, 日产自动车株式会社