专利名称：调节阀和燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种调节阀和一种燃料电池系统。更加具体地，它涉 及一种有效用于改进调节阀耐用性的技术。
背景技术：
近年来，燃料电池系统受到关注，其中利用在燃料气体和氧化气 体(在下文中被称为反应气体)之间的电化学反应而发电的燃料电池被 用作能源。在该燃料电池系统中，从燃料罐向燃料电池供应具有高压 的燃料气体，并且空气被加压并供应到燃料电池，在燃料电池中进行 在燃料气体和氧化气体之间的电化学反应以产生电动势和热。
在该燃料电池系统中，向燃料电池供应燃料气体的燃料供应路径 设有降低(调节)具有高压的燃料气体的压力的调节阀。存储在燃料罐中 的高压燃料气体被调节阀调节为适当压力，并且供应到燃料电池。
调节阀包括燃料气体被引入的筒体、置于该筒体中的活塞和类似 地置于该筒体中的阀体。当筒体下游侧上的燃料气体的压力小于预定 压力时，活塞在预定方向(阀开口方向)中移位。当活塞移位时，阀体邻 接在活塞上。阀体被活塞推动并且移位以打开燃料供应路径(例如，见
日本专利申请公开No.9-112731)。
发明内容
在设于燃料电池系统中的调节阀中，在根据使用者要求增加发电 量的情形中，在燃料电池中的氢气消耗快速增加并且在调节阀下游侧 上，即，在燃料电池侧上的氢气的压力快速降低，在阀体和活塞之间 碰撞期间的冲击较大，并且由于该冲击阀体有时被磨损或者变形。
为了解决该问题，本发明的一个目的在于提供一种调节阀，即使 在阀体与安装在流体通道中的调节阀中的活塞碰撞的情形中所述调节 阀也能够抑制阀体的磨损和变形的发生。
本发明的调节阀是安装在流体通道中的用于调节流体压力的调节 阀，所述调节阀在流体被引入的筒体中包括活塞，在当筒体下游侧 上的流体压力变得小于预定压力时该活塞沿着预定方向移位；阀体， 在当活塞沿着预定方向移位时所述阀体邻接在活塞上，由此该阀体被 活塞推动，并且移位以改变阀开度；以及冲击吸收部件，所述冲击吸 收部件设于活塞和阀体之间的邻接部分中。
而且，本发明的燃料电池系统是这样一种燃料电池系统，它包括 燃料电池，所述燃料电池接收气体供应以发电；和气体通道，被供应 到燃料电池或者从燃料电池排出的气体通过该气体通道流动，其中在 沿着气体通道的任何位置中安装具有以上构造的调节阀。
该调节阀可以被安装在该气体通道中的燃料气体供应通道中，该 燃料气体供应通道向燃料电池供应例如燃料气体。
根据以上构造，该冲击吸收部件被设于阀体和活塞之间的邻接部 分中，从而能够减轻在阀体碰撞活塞期间的冲击。
根据本发明，该冲击吸收部件被设于阀体和活塞之间的邻接部分 中，从而能够减轻在阀体碰撞活塞期间的冲击。因此，能够抑制阀体 产生磨损和变形。
图1是概略示出根据本发明的燃料电池系统的一个实施例的系统 构造图表；
图2是示出设于图1的燃料电池系统中的调节阀的结构并且示出 阀体关闭燃料供应路径的状态的截面视图3是示出设于图1的燃料电池系统中的调节阀的结构并且示出 阀体打开燃料供应路径的状态的截面视图；并且
图4是示出设于图1的燃料电池系统中的调节阀的另一实施例的 截面视图。
具体实施例方式
下面，将描述根据本发明的燃料电池系统的一个实施例。将描述 该燃料电池系统被应用于燃料电池车辆的车载发电系统的情形。然而， 本发明不限于这种应用实例，并且能够被应用于任何类型的移动体例 如船、飞机或者列车、或者两足机器人。另外，本发明可以被应用于 例如固定发电系统，其中燃料电池被用作用于建筑物(房屋、大楼等) 的发电设施。
首先，将参考图1描述根据本实施例的燃料电池系统100的整体 构造。
在该燃料电池系统100中，空气(外部空气)作为氧化气体经由空气 供应路径71被供应到燃料电池20的空气供应端口。空气供应路径71 设有空气过滤器Al、加压空气的压縮机A3、探测供应空气压力的压力 传感器P4、和将所需水分添加到空气的加湿器A21。压缩机A3被电 机(辅机)驱动。该电机被以后描述的控制器50驱动和控制。应该指出 空气过滤器Al设有探测空气流率的空气流量计(流率计)(未示出)。
经由排气路径72从该系统排出从燃料电池20排出的空气废气。 排气路径72设有探测排气压力的压力传感器P1、压力调节阀A4、和 加湿器A21的热交换器。压力传感器Pl设于燃料电池20的空气排气 端口的附近。压力调节阀A4用作设定将被供应到燃料电池20的空气 压力的压力调节器(减压器)。
压力传感器P4、 Pl的探测信号(未示出)被发送到控制器50。控制 器50调节压缩机A3的电机旋转数和压力调节阀A4的开度以设定将被 供应到燃料电池20的空气的压力和流率。
氢气作为燃料气体从氢供应源(燃料气体供应源)30经由燃料供应 路径(流体通道、气体通道、燃料气体供应通道)74被供应到燃料电池 20的氢供应端口。氢供应源30相应于例如高压氢罐，但是，替代所述 罐，从碳氢化合物基燃料产生富氢重整气的重整器以及将利用该重整 器产生的重整气带入高压状态以累积压力的高压气罐可以被采用作为 氢供应源。替代地，具有氢气吸收合金的罐可以被采用作为氢供应源。
燃料供应路径74设有从氢供应源30供应氢或者停止供应的隔断 阀HIOO、探测从氢供应源30供应的氢气的压力的压力传感器P6、降 低并且调节将供应到燃料电池20的氢气的压力的调节阀H9、探测调 节阀H9下游侧上的氢气压力的压力传感器P9、在燃料电池20的氢气 供应端口和燃料供应路径74之间打开和关闭的隔断阀H21、以及探测 燃料电池20的进口处的氢气压力的压力传感器P5。压力传感器P5、 P6和P9的探测信号(未示出)被供给到控制器50。
在燃料电池20中未被消耗的氢气作为废氢气被排出到氢循环路 径75，并且返回到燃料供应路径74的调节阀H9的下游侧。氢循环路 径75设有探测废氢气的温度的温度传感器T31、将燃料电池20连接到 循环路径75/从氢气循环路径75阻断燃料电池20的隔断阀H22、从废 氢气收集水分的气液分离器H42、收集在位于氢循环路径75外部的罐 (未示出)等中形成并且被收集的水分的排出阀H41，以及加压废氢气的 氢泵H50。
隔断阀H21、 H22在阳极侧上关闭燃料电池20。温度传感器T31 的探测信号(未示出)被供给到控制器50。通过控制器50控制氢泵H50
的运行。废氢气加入燃料供应路径74中的氢气，被供应到燃料电池20
并且在其中被再次使用。响应于来自控制器50的信号驱动隔断阀 HIOO、 H21和H22。
氢循环路径75经由排出控制阀H51和净化通道76被连接到排气 路径72。排出控制阀H51是电磁隔断阀，并且基于来自控制器50的 命令运行以从系统排出(净化)废氢气。该净化操作被间歇地执行以重复 循环废氢气，由此能够防止电池电压由于燃料极一侧上的氢气中的杂 质浓度增加而降低。
燃料电池20的冷却水出口/进口设有用于循环冷却水的冷却路径 73。冷却路径73设有探测从燃料电池20排出的冷却水的温度的温度 传感器Tl、从冷却水释放热的散热器(热交换器)C2、用于加压冷却水 以循环水的冷却泵Cl，以及探测将被供应到燃料电池20的冷却水的温 度的温度传感器T2。散热器C2设有被电机旋转和驱动的冷却风扇C13。
燃料电池20被构造成燃料电池组，其中用于接收燃料气体和氧化 气体供应以发电的预定数目的单体电池被层叠。
燃料电池20产生的电力被供应到电力控制单元(未示出)。该电力 控制单元包括向车辆驱动电机供应电力的逆变器、向各种辅机例如压 縮机电机和用于氢泵的电机供应电力的逆变器、对蓄电装置例如二次 电池充电或者从蓄电装置向电机等供应电力的DC-DC转换器等。
控制器50探测设于车辆中的加速操作器件(加速器等)的操作量， 并且接收控制信息例如请求加速值(例如，负载器件例如车辆驱动电机 的请求发电量)以控制设于该系统中的多个单元的运行。
应该指出负载器件是普通耗电器件，其包括车辆的驱动电机，另 外地用于操作燃料电池20所要求的辅助器件(例如，压縮机A3的电机、
氢泵H50或者冷却泵Cl)、用于与车辆行驶相关的任何类型的设备(变 速齿轮、车轮控制器件、转向器件、悬挂器件等)中的致动器、乘客室 的空气调节设备(空调器)、照明或者音响。
控制器50由控制计算机系统(未示出)构成。该控制计算机系统由
可在商业上获得的用于进行控制的计算机系统构成，该计算机系统具
有包括CPU、 ROM、 RAM、 HDD、输入/输出接口、显示器等的已知 构造。
下面，将参考图2和3详细描述根据本实施例的调节阀H9的构造 和功能。
调节阀H9包括将氢气从氢供应源30引入的筒体110、将筒体110 的内部划分为沿着纵向布置的两个空间Sl、 S2的内部分隔壁111、打 开/关闭形成在内部分隔壁111中的通孔llla的阀体112、沿着纵向朝 向筒体110的一侧(降低阀开度的方向)压迫阀体112的第一弹簧体113、 在空间S2中沿着筒体110的纵向滑动的活塞114，以及沿着纵向朝向 筒体110的另一侧(阀开度增大的方向)压迫活塞114以移位阀体112的 第二弹簧体115。
在空间Sl —侧上的筒体110设有初级端口 Pl，所述初级端口与 燃料供应路径74的初级侧即氢供应源30侧连通。在另一方面，在空 间S2 —侧上的筒体设有次级端口 P2，所述次级端口与燃料供应路径 74的次级侧即燃料电池20侧连通，以及释放活塞114的背压的空气流 动端口 P3。在筒体110中的后表面114c 一侧上的活塞114的空间通过 空气流动端口 P3通向大气。
内部分隔壁111相对于筒体110的纵向以直角设置。在内部分隔 壁111的中心沿着内部分隔壁111的厚度方向形成通孔llla。
阀体112具有圆杆状部分，并且一个端部112a和另一端部112b 的直径被形成为大于位于相对端部112a和112b之间的中间部分112c 的直径。在该一个端部112a和该中间部分112c之间形成渐尖部分112d， 并且在该另一端部112b和该中间部分112c之间形成渐尖部分112e。
阀体112穿过通孔llla从而一个端部112a被置于空间Sl —侧上 并且另一端部112b被置于空间S2—侧上。另外，通孔llla大于阀体 112的中间部分112c的直径，但是小于相对端部112a、 112b的直径。 在内部分隔壁111中， 一个端部112a的渐尖部分112d在其上邻接的周 边构成阀座。
第一弹簧体113被置于筒体110的一个端壁110a和阀体112的一 个端部112a之间，并且从空间Sl朝向空间S2压迫阀体112。
活塞114是具有比筒体110的内径小的直径的厚盘，并且被置于 空间S2中从而使得活塞中心与筒体110的中心相匹配。O形环114a 连结到活塞114的外周表面。O形环114a以可滑动方式在压力下与筒 体110的内壁形成接触，并且接收氢气从而防止氢气朝向空气流动端 口 P3泄露。能够沿着筒体110的内侧表面引导活塞114以使其沿着筒 体10的纵向与O形环U4a —起滑动。
第二弹簧体115被置于筒体110的另一端壁110b和活塞114的后 表面114c之间，并且从空间S2朝向空间Sl压迫活塞114。
对活塞114的面对阀体112的端表面114b以及阀体112的面对活 塞114的另一端部112b的端表面112f进行设置从而以与在内部分隔壁 111中相同的方式相对于筒体110的纵向形成直角。即，平行于阀体112 的端表面112f设置活塞114的端表面114b。
活塞114的端表面(邻接部分)114b设有橡胶部件(冲击吸收部
件)120。橡胶部件120被装配到端表面114b的在与端表面114b的平面 相同的平面上的中部中形成的凹入部分中。其中设置橡胶部件120的 区域被设为大于邻接在阀体112的端表面112f上的区域。作为橡胶部 件120，选择即使在处于非常低的温度下的氢气中也不容易劣化的材料 (例如，乙丙橡胶(EPDM)、硅等)。
在具有以上构造的调节阀H9中，空间Sl的内部压力(S卩，在燃料 供应路径74的初级侧上的氢气的压力)、空间S2的内部压力(S卩，在燃 料供应路径74的次级侧上的氢气的压力)、第一弹簧体113的压迫作用 力和第二弹簧体115的压迫作用力被平衡，由此阀体112将从氢供应源 30供应的氢气调节为预定压力。
当空间S2的内部压力低于该预定压力时，空间S2中的氢气用以 推动活塞114的端表面114b的作用力(氢气压力X端表面114b的面积) 变得小于第二弹簧体115的压迫作用力，从而活塞114从空间S2朝向 空间Sl移位以邻接在阀体112的另一端部112b上，由此沿着相同方 向移位阀体112。即，如图3所示，当空间S2的内部压力低于预定压 力时，阀体112设置所述一个端部112a—侧上的渐尖部分112d离开内 部分隔壁111的通孔llla以打开通孔llla。
在另一方面，当空间S2的内部压力高于预定压力时，空间S2中 的氢气用以推动活塞114的端表面114b的作用力变得大于第二弹簧体 115的压迫作用力，从而活塞114从空间Sl朝向空间S2移位以离开阀 体112的另一端部112b。 S卩，如图2所示，当空间S2的内部压力高于 预定压力时，阀体112将所述一个端部112a —侧上的渐尖部分U2d 挤压到内部分隔壁111的通孔llla上以关闭通孔llla。
另外，在调节阀H9中，燃料电池20中的氢气消耗快速增加，并 且在位于调节阀H9的下游侧即燃料电池20 —侧上的燃料供应路径74 中的氢气的压力降低。在此情形中，活塞114被第二弹簧体115压迫，
并且快速朝向闽体112移位，由此阀体112的另一端部112b有时与活 塞114碰撞。
根据本实施例的调节阀H9，在阀体112和活塞114之间的邻接部 分中提供橡胶部件120作为冲击吸收部件，从而在当阀体112的另一 端部112b碰撞活塞114时，冲击被减轻。因此，能够禁止阀体112产 生磨损和变形。另外，能够减轻在当阀体112碰撞活塞114时产生的噪 音和振动。
以上实施例仅仅是描述本发明的示意，并且本发明不限于该实施 例。能够适当地设计各种构件而不背离本发明的范围。例如，如图4 所示，作为活塞114的替代，阔体112的另一端部112b的顶端(邻接部 分)可以设有作为冲击吸收部件的橡胶部件130。可替代地，活塞114 可以设有橡胶部件120，并且阀体112可以设有橡胶部件130。
进而，可以不仅在燃料供应路径74中而且还在位于加湿器A21 和燃料电池20之间的空气供应路径71、位于燃料电池20和加湿器A21 之间的排气路径72、和位于燃料电池20和气液分离器H42之间的氢 循环路径75中提供具有与调节阀H9的功能相同的功能的调节阀。
权利要求
1. 一种调节阀，所述调节阀安装在流体通道中以调节流体压力，所述调节阀在流体被引入的筒体中包括活塞，当所述筒体的下游侧上的流体压力变得小于预定压力时，所述活塞在预定方向上移位；阀体，当所述活塞在所述预定方向上移位时，所述阀体邻接在所述活塞上，由此所述阀体被所述活塞推动，并被移位以改变阀开度；和冲击吸收部件，所述冲击吸收部件设于所述活塞和所述阀体之间的邻接部分中。
2. —种燃料电池系统，包括燃料电池，所述燃料电池接收气体 供应以发电；和气体通道，供应到所述燃料电池或从所述燃料电池排 出的气体流动通过所述气体通道，其中在沿着所述气体通道的任何位置中安装根据权利要求1的调 节阀。
3. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中在所述气体通道中的燃 料气体供应通道中安装所述调节阔，所述燃料气体供应通道把燃料气 体供应到所述燃料电池。
全文摘要
一种调节阀(H9)包括筒体(110)；活塞(114)，所述活塞设于筒体(110)中并且当在燃料供应路径(74)的下游侧上存在的氢气压力小于预定压力时沿着预定方向移位；以及阀体(112)，所述阀体设于筒体(110)中，并且当活塞(114)沿着预定方向移位时邻接在接触活塞(114)上并且被活塞(114)推动和移位以打开燃料供应路径(74)，其中在活塞(114)和阀体(112)之间的邻接部分设有作为冲击吸收部件的橡胶部件(120)。
文档编号F16K17/30GK101395417SQ200780007749
公开日2009年3月25日 申请日期2007年3月5日 优先权日2006年3月3日
发明者石原祥雄 申请人:丰田自动车株式会社