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JP5379741B2 - Cathode gas flow control valve and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flow control valve of cathode gas which can maintain a freezing/fixing prevention performance for an extended period. <P>SOLUTION: The flow control valve includes a valve body in which a cathode flow path 42 through which cathode gas flows and a shaft hole which communicates with the cathode flow path 42 are formed, a valve disk that is provided in the cathode flow path 42 and changes an opening area of the cathode flow path 42, and a shaft 46 which is provided by being inserted in the shaft hole to drive the valve. A fluororesin coating layer is formed on the inner peripheral surface of a shaft enclosure part 475 of the shaft hole of the valve body, and a fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed on the outer peripheral surface of the shaft 46. <P>COPYRIGHT: (C)2012,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、カソードガスの流量制御バルブおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a cathode gas flow control valve and a method for manufacturing the same.

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体(MEA)を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極(陰極)およびカソード電極(陽極)の2つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜と、で構成される。
燃料電池システムでは、燃料電池のアノード電極にアノードガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極にカソードガスとしての酸素を含むエア(空気)を供給し、電気化学反応により発電させる。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。
The fuel cell has, for example, a stack structure in which several tens to several hundreds of cells are stacked. Here, each cell is configured by sandwiching a membrane electrode structure (MEA) between a pair of separators. The membrane electrode structure includes two electrodes, an anode electrode (cathode) and a cathode electrode (anode), and these electrodes. And a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the two.
In the fuel cell system, hydrogen gas as an anode gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell, and air (air) containing oxygen as the cathode gas is supplied to the cathode electrode, and electric power is generated by an electrochemical reaction. Since only harmless water is generated at the time of power generation, a fuel cell system has attracted attention as a new power source for automobiles from the viewpoint of environmental impact and utilization efficiency.

以上のような燃料電池システムにおいて、カソードガスが流通するカソード流路内は、燃料電池からの生成水により湿潤な状態となっている。また、カソード流路には、カソードガスの流量を制御する流量制御バルブや、カソード流路内の水を排出するドレインバルブなど、様々なバルブが設けられる。そこで、従来より、カソード流路に設けられた各種バルブが、低温(例えば氷点下)の環境下で氷結固着するのを防止する技術が提案されている。   In the fuel cell system as described above, the inside of the cathode flow channel through which the cathode gas circulates is wet with the generated water from the fuel cell. The cathode channel is provided with various valves such as a flow rate control valve for controlling the flow rate of the cathode gas and a drain valve for discharging water in the cathode channel. Therefore, conventionally, there has been proposed a technique for preventing various valves provided in the cathode flow path from being frozen and fixed in a low temperature (for example, below freezing point) environment.

例えば特許文献1には、カソード流路内の水を排出するドレインバルブの氷結固着を防止する技術が示されている。このドレインバルブは、弁体(シールゴム)の表面に撥水性コーティング剤を塗布することにより、弁体と、この弁体が着座するシート部とが氷結固着するのを防止する。   For example, Patent Document 1 discloses a technique for preventing freezing and fixing of a drain valve that discharges water in a cathode channel. In this drain valve, a water repellent coating agent is applied to the surface of a valve body (seal rubber), thereby preventing the valve body and a seat portion on which the valve body is seated from being frozen and fixed.

特開2008−116024号公報JP 2008-116042 A

ところでバルブの氷結固着の原因には、特許文献1にように弁体とそのシート部との氷結固着の他、弁体を駆動するシャフトとこのシャフトを収容するシャフト孔部との氷結固着も考えられる。このため、シャフトの外周面に撥水性のコーティング剤を塗布することにより、これらシャフトとシャフト孔部との氷結固着を防止する技術が提案されている。   By the way, the cause of freezing and sticking of the valve is considered to be freezing and fixing of the valve body and its seat part as well as freezing of the shaft that drives the valve body and the shaft hole that accommodates this shaft as in Patent Document 1. It is done. For this reason, a technique has been proposed in which a water-repellent coating agent is applied to the outer peripheral surface of the shaft to prevent icing and sticking between the shaft and the shaft hole.

しかしながらシャフトの外周面のコーティング層は、カソード流路側から成長した氷と擦れることにより摩滅したり剥離したりし易い。したがって、燃料電池システムの氷点下起動を繰り返すことにより、シャフトの撥水性能が低下するとともに、シャフトとシャフト孔部との氷結固着を防止する性能も低下してしまう。   However, the coating layer on the outer peripheral surface of the shaft is easily worn or peeled off by rubbing with ice grown from the cathode channel side. Therefore, by repeatedly starting the fuel cell system below freezing point, the water repellent performance of the shaft is lowered, and the performance of preventing the shaft and the shaft hole from being frozen is also lowered.

なお、このようなバルブの氷結固着の課題に対し、弁体やシャフトの撥水処理によらず、ヒータや温水を用いた加熱装置でバルブを加熱することも考えられるが、この場合、システムが複雑になるだけでなく、コストや消費電力量が増加するおそれがある。   In addition, it is conceivable to heat the valve with a heater or a heating device using hot water, regardless of the water-repellent treatment of the valve body or the shaft, in order to deal with such a problem of the icing and fixing of the valve. In addition to being complicated, there is a risk of increasing costs and power consumption.

本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、氷結固着防止性能を長く維持できるカソードガスの流量制御バルブを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a cathode gas flow rate control valve that can maintain the anti-freezing property for a long time.

上記目的を達成するため本発明は、アノードガスおよびカソードガスの反応により発電する燃料電池(例えば、後述の燃料電池10)を備えた燃料電池システム(例えば、後述の燃料電池システム1)のうちカソードガスが流通する流路(例えば、後述のエア供給配管21およびエア排出配管22)に設けられ、カソードガスの流量を制御するカソードガスの流量制御バルブ(例えば、後述の流量制御バルブ40、50)を提供する。前記流量制御バルブは、カソードガスが流通するカソード流路(例えば、後述のカソード流路42)および当該カソード流路に連通するシャフト孔部(例えば、後述のシャフト孔部48)が形成されたバルブボディ(例えば、後述のバルブボディ41)と、前記カソード流路内に設けられ、当該カソード流路の開口面積を変更する弁体(例えば、後述の弁体43)と、前記シャフト孔部に挿通して設けられ、前記弁体を駆動するシャフト(例えば、後述のシャフト46)と、を備える。前記バルブボディのシャフト孔部の内周面には、フッ素樹脂コーティング層が形成され、前記シャフトの外周面には、フッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層が形成されている。   In order to achieve the above object, the present invention provides a cathode of a fuel cell system (for example, a fuel cell system 1 to be described later) including a fuel cell (for example, a fuel cell 10 to be described later) that generates power by a reaction between an anode gas and a cathode gas. Cathode gas flow control valves (for example, flow control valves 40, 50 described later) provided in flow paths (for example, air supply piping 21 and air discharge piping 22 described later) for controlling the flow rate of the cathode gas. I will provide a. The flow rate control valve is a valve in which a cathode channel (for example, a cathode channel 42 described later) through which a cathode gas flows and a shaft hole (for example, a shaft hole 48 described later) communicating with the cathode channel are formed. A body (for example, a valve body 41 to be described later), a valve body (for example, a valve body 43 to be described later) that is provided in the cathode flow path and changes an opening area of the cathode flow path, and the shaft hole are inserted. And a shaft (for example, a shaft 46 to be described later) that drives the valve body. A fluororesin coating layer is formed on the inner peripheral surface of the shaft hole of the valve body, and a fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed on the outer peripheral surface of the shaft.

本発明では、バルブボディのシャフト孔部の内周面にフッ素樹脂コーティング層を形成し、このシャフト孔部に挿通されるシャフトの外周面にフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成した。このフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層が形成された面における水の接触角は110〜114度程度であり、フッ素樹脂コーティング層とほぼ同じ程度である。このように撥水処理が施された表面で挟まれた空間には、毛細管現象により水が浸入しにくくなる。このため、カソード流路側の水が、シャフト孔部の内周面とシャフトの外周面との間の隙間を伝ってシャフト孔部の奥へ侵入するのを防止することができるので、シャフトとシャフト孔部とが氷結固着するのを防止できる。また、シャフトの外周面にはフッ素樹脂コーティング層よりも耐久性の高いフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成した。フッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層は、適切な前処理の後に形成されたものであれば、フッ素樹脂コーティング層と比較して、容易に摩滅したり剥離したりすることもない。したがって本発明によれば、上述のように燃料電池システムを繰り返し氷点下起動してもその撥水性能が低下することがないので、シャフトとシャフト孔部との氷結固着を防止する性能を長く維持することができる。   In the present invention, the fluororesin coating layer is formed on the inner peripheral surface of the shaft hole portion of the valve body, and the fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed on the outer peripheral surface of the shaft inserted through the shaft hole portion. The contact angle of water on the surface on which the fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed is approximately 110 to 114 degrees, which is approximately the same as that of the fluororesin coating layer. Thus, it becomes difficult for water to enter the space sandwiched between the water repellent treated surfaces due to capillary action. For this reason, water on the cathode channel side can be prevented from entering the back of the shaft hole through the gap between the inner peripheral surface of the shaft hole and the outer peripheral surface of the shaft. It is possible to prevent the hole from being frozen and fixed. Further, a fluororesin composite electroless nickel plating layer having higher durability than the fluororesin coating layer was formed on the outer peripheral surface of the shaft. As long as the fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed after an appropriate pretreatment, it is not easily worn or peeled off as compared with the fluororesin coating layer. Therefore, according to the present invention, since the water repellency performance does not deteriorate even when the fuel cell system is repeatedly started below the freezing point as described above, the performance of preventing the shaft and the shaft hole from freezing and sticking is maintained for a long time. be able to.

上記目的を達成するため本発明は、アノードガスおよびカソードガスの反応により発電する燃料電池(例えば、後述の燃料電池10)を備えた燃料電池システム(例えば、後述の燃料電池システム1)のうちカソードガスが流通する流路(例えば、後述のエア供給配管21およびエア排出配管22)に設けられ、カソードガスの流量を制御するカソードガスの流量制御バルブ(例えば、後述の流量制御バルブ40、50)の製造方法を提供する。この製造方法では、カソードガスが流通するカソード流路(例えば、後述のカソード流路42)および当該カソード流路に連通するシャフト孔部(例えば、後述のシャフト孔部48)が形成されたバルブボディ(例えば、後述のバルブボディ41)と、前記カソード流路内の弁体(例えば、後述の弁体43)を駆動するシャフト(例えば、後述のシャフト46)と、を準備する。次に、前記バルブボディのうち前記シャフト孔部の内周面にフッ素樹脂コーティング層を形成する第1撥水処理(例えば、後述の図5のS11〜S17)、並びに、前記シャフトを、フッ素樹脂粒子を含有するニッケルめっき液に含浸することにより、当該シャフトの外周面にフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成する第2撥水処理(例えば、後述の図4のS1〜S9)を行い、前記フッ素樹脂コーティング層が形成されたシャフト孔部に、前記フッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層が形成されたシャフトを挿通する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a cathode of a fuel cell system (for example, a fuel cell system 1 to be described later) including a fuel cell (for example, a fuel cell 10 to be described later) that generates power by a reaction between an anode gas and a cathode gas. Cathode gas flow control valves (for example, flow control valves 40, 50 described later) provided in flow paths (for example, air supply piping 21 and air discharge piping 22 described later) for controlling the flow rate of the cathode gas. A manufacturing method is provided. In this manufacturing method, a valve body in which a cathode channel (for example, a cathode channel 42 described later) through which a cathode gas flows and a shaft hole (for example, a shaft hole 48 described later) communicating with the cathode channel are formed. (For example, a valve body 41 described later) and a shaft (for example, a shaft 46 described later) for driving a valve body (for example, a valve body 43 described later) in the cathode flow path are prepared. Next, in the valve body, a first water repellent treatment (for example, S11 to S17 in FIG. 5 described later) for forming a fluororesin coating layer on the inner peripheral surface of the shaft hole, and the shaft is made of fluororesin By impregnating the nickel plating solution containing particles, a second water repellent treatment (for example, S1 to S9 in FIG. 4 described later) is performed to form a fluororesin composite electroless nickel plating layer on the outer peripheral surface of the shaft. The shaft on which the fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed is inserted through the shaft hole in which the fluororesin coating layer is formed.

本発明では、第1撥水処理を行うことでシャフト孔部の内周面にフッ素樹脂コーティング層を形成し、第2撥水処理を行うことでシャフトの外周面にフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成し、さらにこのシャフト孔部にシャフトを挿通して流量制御バルブを製造する。したがって、本発明により製造されたカソードガスの流量制御バルブによれば、上記流量制御バルブと同様の効果を奏する。   In the present invention, the fluororesin coating layer is formed on the inner peripheral surface of the shaft hole by performing the first water repellent treatment, and the fluororesin composite electroless nickel plating is performed on the outer peripheral surface of the shaft by performing the second water repellent treatment. A layer is formed, and a flow control valve is manufactured by inserting a shaft into the shaft hole. Therefore, according to the cathode gas flow rate control valve manufactured according to the present invention, the same effect as the above flow rate control valve can be obtained.

ところで、コーティング層は、母材にコーティング剤を塗布することで形成されるのに対し、無電解ニッケルめっき層は、母材をニッケルめっき液に含浸することで形成される。
このため、例えば、バルブボディのシャフト孔部の内周面にフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成する場合、バルブボディのうちシャフト孔部を除いた部分をマスキングした上で、ニッケルめっき液に含浸する必要がある。弁体やシャフトが組み付けられるバルブボディには、ねじ穴やシール面などニッケルめっき層が形成されると不都合が生じる部分があるため、特に厳重にマスキングする必要がある。
一方、本発明のように、バルブボディのシャフト孔部の内周面にフッ素樹脂コーティング層を形成する場合、バルブボディのうちシャフト孔部の周囲のみをマスキングした上で、コーティング剤を塗布すればよい。このとき必要なマスキングは、シャフト孔部の周囲だけでよいので、上述のようにニッケルめっき液に含浸する場合と比較して簡易にすることができる。
したがって、本発明によれば、バルブボディおよびシャフトの両方にフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成する場合に対して、ほぼ同等の効果を奏しつつ、製造にかかるコストを低減することができる。
By the way, the coating layer is formed by applying a coating agent to the base material, whereas the electroless nickel plating layer is formed by impregnating the base material with a nickel plating solution.
For this reason, for example, when forming a fluororesin composite electroless nickel plating layer on the inner peripheral surface of the shaft hole portion of the valve body, the portion of the valve body excluding the shaft hole portion is masked, and then the nickel plating solution is used. Need to be impregnated. The valve body to which the valve body and the shaft are assembled has a part that causes inconvenience when a nickel plating layer such as a screw hole or a seal surface is formed, and therefore it is necessary to mask it particularly strictly.
On the other hand, when the fluororesin coating layer is formed on the inner peripheral surface of the shaft hole portion of the valve body as in the present invention, the coating agent is applied after masking only the periphery of the shaft hole portion of the valve body. Good. Since the masking required at this time is only required around the shaft hole portion, it can be simplified as compared with the case where the nickel plating solution is impregnated as described above.
Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the manufacturing cost while producing substantially the same effect as in the case where the fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed on both the valve body and the shaft.

本発明の一実施形態に係る流量制御バルブを適用した燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。It is a figure showing typically composition of a fuel cell system to which a flow control valve concerning one embodiment of the present invention is applied. 上記実施形態に係る流量制御バルブの構成を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the composition of the flow control valve concerning the above-mentioned embodiment. 上記実施形態に係るシャフト囲繞部およびシャフトの構成を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the structure of the shaft surrounding part and shaft which concern on the said embodiment. 上記実施形態に係るシャフトの外周面にフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成する手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure which forms a fluororesin composite electroless nickel plating layer in the outer peripheral surface of the shaft which concerns on the said embodiment. 上記実施形態に係るバルブボディのシャフト孔部の内周面にフッ素樹脂コーティング層を形成する手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure which forms a fluororesin coating layer in the internal peripheral surface of the shaft hole part of the valve body which concerns on the said embodiment.

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るカソードガスの流量制御バルブが適用された燃料電池システム1の概略構成を示すブロック図である。
燃料電池システム1は、自動車に搭載され、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池10と、この燃料電池10に水素ガスやエア(空気)を供給および排出する供給装置20と、これら燃料電池10および供給装置20を制御する制御装置30と、を有する。燃料電池10は、アノード電極(陰極)側にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極(陽極)側にカソードガスとしての酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 1 to which a cathode gas flow control valve according to an embodiment of the present invention is applied.
The fuel cell system 1 is mounted on an automobile and generates a power by reacting a reaction gas, a supply device 20 that supplies and discharges hydrogen gas and air (air) to the fuel cell 10, and these fuel cells. 10 and a control device 30 for controlling the supply device 20. The fuel cell 10 generates electricity by an electrochemical reaction when hydrogen gas as an anode gas is supplied to the anode electrode (cathode) side and air containing oxygen as the cathode gas is supplied to the cathode electrode (anode) side.

供給装置20は、圧縮エアを生成するエアポンプ24と、燃料電池10に接続されエアポンプ24で圧縮したエアをカソード電極側に供給するエア供給配管21と、燃料電池10に接続されそのカソード電極側からエアを排出するエア排出配管22と、を備える。この他、供給装置20は、燃料電池10のアノード電極側に水素ガスを供給する図示しない水素供給配管と、燃料電池10のアノード電極側から水素ガスを排出する図示しない水素排出配管と、を備える。
エア供給配管21およびエア排出配管22には、加湿器23が設けられる。この加湿器23は、エア排出配管22を流通するエアに含まれる水分を回収し、この回収した水分を、エア供給配管21を流通するエアに加える。
The supply device 20 includes an air pump 24 that generates compressed air, an air supply pipe 21 that is connected to the fuel cell 10 and supplies air compressed by the air pump 24 to the cathode electrode side, and is connected to the fuel cell 10 from the cathode electrode side. An air discharge pipe 22 for discharging air. In addition, the supply device 20 includes a hydrogen supply pipe (not shown) that supplies hydrogen gas to the anode electrode side of the fuel cell 10 and a hydrogen discharge pipe (not shown) that discharges hydrogen gas from the anode electrode side of the fuel cell 10. .
The air supply pipe 21 and the air discharge pipe 22 are provided with a humidifier 23. The humidifier 23 collects moisture contained in the air flowing through the air discharge pipe 22 and adds the collected moisture to the air flowing through the air supply pipe 21.

エアが流通するエア供給配管21およびエア排出配管22のうち燃料電池10と加湿器23との間には、それぞれ、エアの流量を制御する流量制御バルブ40、50が設けられる。これら流量制御バルブ40、50は、図示しないアクチュエータを介して制御装置30に接続されており、その開度は制御装置30から送信される制御信号に応じて制御される。   Flow control valves 40 and 50 for controlling the flow rate of air are provided between the fuel cell 10 and the humidifier 23 in the air supply pipe 21 and the air discharge pipe 22 through which air flows. These flow control valves 40 and 50 are connected to the control device 30 via actuators (not shown), and their opening degrees are controlled according to a control signal transmitted from the control device 30.

以下、エア排出配管22に設けられた出口側の流量制御バルブ40の詳細な構成について説明する。なお、エア供給配管21に設けられた入口側の流量制御バルブ50の構成は、出口側の流量制御バルブ40とほぼ同じであるので、その詳細な説明を省略する。   Hereinafter, a detailed configuration of the outlet-side flow control valve 40 provided in the air discharge pipe 22 will be described. Note that the configuration of the inlet-side flow control valve 50 provided in the air supply pipe 21 is substantially the same as that of the outlet-side flow control valve 40, and therefore detailed description thereof is omitted.

図2は、流量制御バルブ40の断面図である。
流量制御バルブ40は、エアが流通するカソード流路42が形成されたバルブボディ41と、円盤状の弁体43と、この弁体43を回転するシャフト46と、を備える。この流量制御バルブ40は、カソード流路42内に設けられた弁体43をシャフト46で回動しカソード流路42の開口面積を変更することにより、カソード流路42を流れるエアの流量を制御する所謂バタフライバルブである。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the flow control valve 40.
The flow control valve 40 includes a valve body 41 in which a cathode channel 42 through which air flows is formed, a disc-shaped valve body 43, and a shaft 46 that rotates the valve body 43. The flow rate control valve 40 controls the flow rate of air flowing through the cathode channel 42 by rotating a valve body 43 provided in the cathode channel 42 with a shaft 46 to change the opening area of the cathode channel 42. This is a so-called butterfly valve.

バルブボディ41の略中央には、直線状のカソード流路42が形成されている。また、このバルブボディ41のうちカソード流路42を挟んだ両側には、カソード流路42の延在方向に対し略垂直に延び、カソード流路42に連通するシャフト孔部47、48が形成されている。   A linear cathode channel 42 is formed in the approximate center of the valve body 41. Further, on both sides of the valve body 41 with the cathode channel 42 interposed therebetween, shaft hole portions 47 and 48 extending substantially perpendicular to the extending direction of the cathode channel 42 and communicating with the cathode channel 42 are formed. ing.

シャフト46は、これらシャフト孔部47、48に挿通され、これらシャフト孔部47、48内で回動可能となっている。また、これらシャフト孔部47、48に挿通されたシャフト46には、ねじ461により弁体43が取り付けられている。これにより、図示しない電磁アクチュエータでシャフト46を回動し、弁体43のカソード流路42に対する角度、ひいてはカソード流路42の開口面積を変更することが可能となっている。   The shaft 46 is inserted into the shaft hole portions 47 and 48 and is rotatable in the shaft hole portions 47 and 48. Further, a valve body 43 is attached to a shaft 46 inserted through the shaft hole portions 47 and 48 by screws 461. As a result, the shaft 46 is rotated by an electromagnetic actuator (not shown), and the angle of the valve body 43 with respect to the cathode flow path 42 and thus the opening area of the cathode flow path 42 can be changed.

シャフト孔部47の内周面には、周方向に沿って段差部471が形成されている。この段差部471には、カソード流路42内のエアがシャフト46の外周面を伝ってバルブボディ41の外側に流出するのを防止するリップシール472と、このリップシール472を保持するカラー部材473と、シャフト46をシャフト孔部47内で回動可能に支持する軸受け474とが、カソード流路42側から外側へ向ってこの順で嵌装されている。また、シャフト孔部47のうち段差部471よりもカソード流路42側の部分は、所定の隙間を介してシャフト46の外周面を囲繞するシャフト囲繞部475となっている。   A stepped portion 471 is formed on the inner peripheral surface of the shaft hole 47 along the circumferential direction. The step portion 471 includes a lip seal 472 that prevents air in the cathode channel 42 from flowing out of the valve body 41 along the outer peripheral surface of the shaft 46, and a collar member 473 that holds the lip seal 472. A bearing 474 that rotatably supports the shaft 46 in the shaft hole 47 is fitted in this order from the cathode channel 42 side toward the outside. A portion of the shaft hole 47 closer to the cathode channel 42 than the stepped portion 471 is a shaft surrounding portion 475 that surrounds the outer peripheral surface of the shaft 46 through a predetermined gap.

シャフト孔部48の内周面にも同様に段差部481が形成されており、この段差部481には、リップシール482、カラー部材483および軸受け484が、カソード流路42側から外側へ向ってこの順で嵌装されている。また、このシャフト孔部48のうち段差部481よりもカソード流路42側の部分は、所定の隙間を介してシャフト46の外周面を囲繞するシャフト囲繞部485となっている。   A stepped portion 481 is similarly formed on the inner peripheral surface of the shaft hole portion 48, and a lip seal 482, a collar member 483, and a bearing 484 are provided on the stepped portion 481 from the cathode channel 42 side to the outside. They are fitted in this order. A portion of the shaft hole 48 closer to the cathode channel 42 than the stepped portion 481 is a shaft surrounding portion 485 that surrounds the outer peripheral surface of the shaft 46 through a predetermined gap.

以上のように構成されたバルブボディ41およびシャフト46には、カソード流路42内の水滴が、シャフト46の外周面とシャフト囲繞部475、485の内周面との間の隙間を伝ってバルブボディ41の外側へ漏れるのを防止するため、撥水処理が施されている。より具体的には、シャフト孔部47、48のシャフト囲繞部475、485の内周面には、フッ素樹脂コーティング層が形成されており、シャフト46の外周面には、フッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層が形成されている。
フッ素樹脂コーティング層およびフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層の表面は、水の接触角が110〜114度程度あり撥水効果が高い。このような撥水処理が施された表面で挟まれた空間には、毛細管現象により水が浸入しにくくなるため、カソード流路42側の水が、上記隙間を介してバルブボディ41の外に漏れるのを防止することができる。
In the valve body 41 and the shaft 46 configured as described above, water droplets in the cathode flow path 42 travel along the gap between the outer peripheral surface of the shaft 46 and the inner peripheral surfaces of the shaft surrounding portions 475 and 485. In order to prevent leakage to the outside of the body 41, water repellent treatment is performed. More specifically, a fluororesin coating layer is formed on the inner peripheral surfaces of the shaft surrounding portions 475 and 485 of the shaft hole portions 47 and 48, and the fluororesin composite electroless nickel is formed on the outer peripheral surface of the shaft 46. A plating layer is formed.
The surface of the fluororesin coating layer and the fluororesin composite electroless nickel plating layer has a water contact angle of about 110 to 114 degrees and a high water repellent effect. In the space sandwiched between the surfaces subjected to such water repellent treatment, it is difficult for water to enter due to a capillary phenomenon, so that water on the cathode channel 42 side is outside the valve body 41 through the gap. Leakage can be prevented.

図3は、シャフト46をバルブボディに組み付けたときにおけるシャフト孔部のシャフト囲繞部475およびシャフト46の構成を示す部分断面図である。以下では、直径が8[mm]のシャフト46を用いた場合について説明するが、本発明はこれに限るものではない。   FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the shaft surrounding portion 475 of the shaft hole and the shaft 46 when the shaft 46 is assembled to the valve body. Below, although the case where the shaft 46 whose diameter is 8 [mm] is used is demonstrated, this invention is not limited to this.

シャフト囲繞部475の内径は、その内周面とシャフト46の外周面との間の隙間が0.1[mm]以下になるように形成される。また、図3に示すように、シャフト囲繞部475の内周面のうち、シャフト46の外周面に対向する領域に、フッ素樹脂コーティング層を形成する。   The inner diameter of the shaft surrounding portion 475 is formed such that the gap between the inner peripheral surface thereof and the outer peripheral surface of the shaft 46 is 0.1 [mm] or less. Further, as shown in FIG. 3, a fluororesin coating layer is formed in a region facing the outer peripheral surface of the shaft 46 in the inner peripheral surface of the shaft surrounding portion 475.

一方、シャフト46の外周面には、図3に示すようにシャフト46をバルブボディに組み付けたときに、カソード流路42内に露出する領域(以下、「露出領域」という)と、シャフト囲繞部475に重複する領域(以下、「重複領域」という)との両方にわたってフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成する。   On the other hand, on the outer peripheral surface of the shaft 46, as shown in FIG. 3, when the shaft 46 is assembled to the valve body, an area exposed in the cathode flow path 42 (hereinafter referred to as “exposed area”) and a shaft surrounding portion A fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed over both the region overlapping with 475 (hereinafter referred to as “overlapping region”).

重複領域における上記めっき層の軸方向に沿った長さは、1つの水滴がシャフト46の外周面に沿って均一な厚みで広がった場合を想定し、この広がった水をシャフト囲繞部475とシャフト46の隙間から確実に排除できるように設定する。より具体的には、重複領域における上記めっき層の軸方向に沿った長さは、シャフト46の外周面のめっき層とシャフト囲繞部475のコーティング層との隙間の体積が、水滴1つ分の体積よりも大きくなるように設定する。例えば、水滴の直径を2[mm]とし、シャフト46の直径を8[mm]とし、シャフト囲繞部475とシャフト46の隙間を0.1[mm]とした場合、上記水滴の体積(約4.189[mm])よりも大きな体積の隙間を確保するためには、重複領域におけるめっき層の軸方向に沿った長さを1.646[mm]以上、例えば2[mm]に設定すればよい。
なお、シャフト囲繞部475とシャフト46の隙間を一定にしながらシャフト46の直径を大きくした場合、軸方向に沿った単位長さ当りの上記隙間の体積が大きくなるので、上記めっき層の軸方向に沿った長さも短くすることができる。
The length along the axial direction of the plating layer in the overlapping region is assumed when one water droplet spreads along the outer peripheral surface of the shaft 46 with a uniform thickness, and this spread water is separated from the shaft surrounding portion 475 and the shaft. It is set so that it can be surely excluded from the gap of 46. More specifically, the length along the axial direction of the plating layer in the overlapping region is such that the volume of the gap between the plating layer on the outer peripheral surface of the shaft 46 and the coating layer of the shaft surrounding portion 475 is equivalent to one water droplet. Set to be larger than volume. For example, when the diameter of the water droplet is 2 [mm], the diameter of the shaft 46 is 8 [mm], and the gap between the shaft surrounding portion 475 and the shaft 46 is 0.1 [mm], the volume of the water droplet (about 4 mm). .189 [mm 3 ]) in order to secure a gap having a volume larger than that, the length along the axial direction of the plating layer in the overlapping region is set to 1.646 [mm] or more, for example, 2 [mm]. That's fine.
In addition, when the diameter of the shaft 46 is increased while the gap between the shaft surrounding portion 475 and the shaft 46 is made constant, the volume of the gap per unit length along the axial direction is increased, so that the axial direction of the plating layer is increased. The length along it can also be shortened.

一方、上記露出領域における上記めっき層の軸方向に沿った長さは、めっき層を形成していない面における水滴の幅(例えば、4[mm])より長くなるように設定する。
図3に示すように、めっき層が形成されていない面の水の接触角は、めっき層が形成された面よりも小さいため、水滴の頂点の高さは低くなり軸方向に沿った幅が大きくなる。このように、表面に沿って広がった水滴が、カソード流路42側からシャフト囲繞部475とシャフト46の隙間に侵入するのを効率的に防止するためには、上述のように、めっき層を形成していない面における水滴の幅より長いめっき層を、露出領域に形成することが好ましい。
On the other hand, the length along the axial direction of the plating layer in the exposed region is set to be longer than the width of water droplets (for example, 4 [mm]) on the surface where the plating layer is not formed.
As shown in FIG. 3, since the contact angle of water on the surface where the plating layer is not formed is smaller than the surface where the plating layer is formed, the height of the top of the water droplet is reduced and the width along the axial direction is reduced. growing. Thus, in order to efficiently prevent water droplets spreading along the surface from entering the gap between the shaft surrounding portion 475 and the shaft 46 from the cathode channel 42 side, the plating layer is formed as described above. It is preferable to form a plating layer longer than the width of the water droplet on the surface not formed in the exposed region.

なお、詳細な説明を省略するが、シャフト囲繞部485と、シャフト46のシャフト囲繞部485側の部分も同様の撥水処理が施される。   Although detailed description is omitted, the same water-repellent treatment is performed on the shaft surrounding portion 485 and the portion of the shaft 46 on the shaft surrounding portion 485 side.

以下、図4および図5を参照して、流量制御バルブの具体的な製造方法について説明する。
図4は、シャフトの外周面にフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成する手順を示す図である。ここでは、シャフトの材料としてステンレス鋼材を用いた場合における具体的な手順を説明する。なお、ステンレス鋼材に無電解ニッケルめっき層を形成する場合、ニッケルめっきの母材への密着性を向上し、めっき層の剥がれを防止するには、前処理として酸化皮膜を除去するべくニッケルストライク処理(後述のS3参照)を施しておくことが好ましい。
Hereinafter, a specific manufacturing method of the flow control valve will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
FIG. 4 is a diagram showing a procedure for forming a fluororesin composite electroless nickel plating layer on the outer peripheral surface of the shaft. Here, a specific procedure when a stainless steel material is used as the material of the shaft will be described. In addition, when forming an electroless nickel plating layer on a stainless steel material, in order to improve the adhesion of the nickel plating to the base material and prevent the plating layer from peeling off, a nickel strike treatment is performed to remove the oxide film as a pretreatment. It is preferable to apply (see S3 described later).

先ず、スロットルシャフトの全面を脱脂液で洗浄した後、乾燥する(S1)。乾燥したスロットルシャフトのうち、めっき層を形成しない非めっき処理面にマスキングテープを貼り(S2)、これをニッケルストライク処理用の処理液(例えば、塩酸ニッケル)に含浸する(S3、ニッケルストライク処理)。ニッケルストライク処理が完了した後、S2で貼り付けられたマスキングテープを剥がし、これを全面洗浄し(S4)、乾燥する(S5)。
次に、乾燥したスロットルシャフトのうち非めっき処理面にマスキングテープを貼り(S6)、これを、フッ素樹脂粒子を含有した無電解ニッケルめっき液に含浸する(S7、フッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき処理)。ここで、めっき液はアルカリ性のため、耐アルカリ性の接着材を用いたマスキングテープ(例えば、ブチルゴム自己融着テープ)を用いることが好ましい。フッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき処理が完了した後、S6で貼り付けられたマスキングテープを剥がした後、これを全面洗浄し(S8)、乾燥する(S9)。
First, the entire surface of the throttle shaft is washed with a degreasing liquid and then dried (S1). A masking tape is applied to the non-plated surface of the dried throttle shaft where no plating layer is formed (S2), and this is impregnated with a nickel strike treatment liquid (for example, nickel hydrochloride) (S3, nickel strike treatment). . After the nickel strike process is completed, the masking tape attached in S2 is peeled off, and the entire surface is washed (S4) and dried (S5).
Next, a masking tape is applied to the non-plated surface of the dried throttle shaft (S6), and this is impregnated with an electroless nickel plating solution containing fluorine resin particles (S7, fluorine resin composite electroless nickel plating treatment). ). Here, since the plating solution is alkaline, it is preferable to use a masking tape (for example, butyl rubber self-bonding tape) using an alkali-resistant adhesive. After the fluororesin composite electroless nickel plating process is completed, the masking tape attached in S6 is peeled off, and then the entire surface is washed (S8) and dried (S9).

図5は、バルブボディのシャフト孔部の内周面にフッ素樹脂コーティング層を形成する手順を示す図である。
先ず、スロットルボディの全面を脱脂液で洗浄した後、乾燥する(S11)。乾燥したスロットルボディのうち、フッ素樹脂コーティング層を形成しない非コーティング処理面にマスキングテープを貼る(S12)。ここで、マスキングテープを貼る領域は、上述のフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっきと異なり、非コーティング処理面の全面である必要はなく、コーティング層を形成するシャフト孔部の周囲のみでよい。次に、スロットルボディのうちシャフト孔部の内周面に、フッ素樹脂コーティング剤を吹き付け塗装する(S13、フッ素樹脂コーティング処理)。次に、フッ素樹脂コーティング処理を施したスロットルボディを乾燥し(S14)、S12で貼り付けたマスキングテープを除去し(S15)、所定時間に亘って焼成し(S16)、自然冷却する(S17)。
流量制御バルブは、以上の手順で撥水処理が施されたバルブボディのシャフト孔部に、上記図4に示す手順で撥水処理を施したシャフトを挿通し、さらにこのシャフトに弁体、リップシール、カラー部材および軸受けなどを組み付けることにより製造される。
FIG. 5 is a diagram showing a procedure for forming a fluororesin coating layer on the inner peripheral surface of the shaft hole of the valve body.
First, the entire surface of the throttle body is washed with a degreasing liquid and then dried (S11). A masking tape is affixed to the non-coating process surface which does not form a fluororesin coating layer among the dried throttle bodies (S12). Here, unlike the above-mentioned fluororesin composite electroless nickel plating, the region where the masking tape is applied does not have to be the entire surface of the non-coating treatment surface, and may be only around the shaft hole where the coating layer is formed. Next, a fluororesin coating agent is sprayed and painted on the inner peripheral surface of the shaft hole in the throttle body (S13, fluororesin coating process). Next, the fluororesin-coated throttle body is dried (S14), the masking tape attached in S12 is removed (S15), fired for a predetermined time (S16), and naturally cooled (S17). .
The flow control valve is inserted into the shaft hole of the valve body that has been subjected to the water repellent treatment in the above procedure through the shaft that has been subjected to the water repellent treatment in accordance with the procedure shown in FIG. Manufactured by assembling seals, collar members and bearings.

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)本実施形態では、バルブボディ41のシャフト孔部47の内周面にフッ素樹脂コーティング層を形成し、このシャフト孔部47に挿通されるシャフト46の外周面にフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成した。これにより、カソード流路42側の水が、シャフト孔部47の内周面とシャフト46の外周面との間の隙間を伝ってシャフト孔部47の奥へ侵入するのを防止することができるので、シャフト46とシャフト孔部47とが氷結固着するのを防止できる。また、本実施形態では、シャフト46の外周面にはフッ素樹脂コーティング層よりも耐久性の高いフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成した。フッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層は、適切な前処理の後に形成されたものであれば、フッ素樹脂コーティング層と比較して、容易に摩滅したり剥離したりすることもない。したがって、燃料電池システム1を繰り返し氷点下起動してもその撥水性能が低下することがないので、シャフト46とシャフト孔部47との氷結固着を防止する性能を長く維持することができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In this embodiment, a fluororesin coating layer is formed on the inner peripheral surface of the shaft hole 47 of the valve body 41, and the fluororesin composite electroless nickel is formed on the outer peripheral surface of the shaft 46 inserted through the shaft hole 47. A plating layer was formed. Thereby, it is possible to prevent the water on the cathode channel 42 side from entering the back of the shaft hole 47 through the gap between the inner peripheral surface of the shaft hole 47 and the outer peripheral surface of the shaft 46. Therefore, it is possible to prevent the shaft 46 and the shaft hole 47 from being frozen and fixed. In this embodiment, a fluororesin composite electroless nickel plating layer having higher durability than the fluororesin coating layer is formed on the outer peripheral surface of the shaft 46. As long as the fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed after an appropriate pretreatment, it is not easily worn or peeled off as compared with the fluororesin coating layer. Therefore, even if the fuel cell system 1 is repeatedly started below the freezing point, the water repellency performance does not deteriorate, so that the performance of preventing the shaft 46 and the shaft hole 47 from being frozen can be maintained for a long time.

(2)本実施形態では、バルブボディ41のシャフト孔部47の内周面にはフッ素樹脂コーティング層を形成した。このため、母材をめっき液に含浸する必要のあるフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき処理を行う場合と比較して、マスキングを簡易にすることができる。したがって、バルブボディ41およびシャフト46の両方にフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成する場合に対して、ほぼ同等の効果を奏しつつ、製造にかかるコストを低減することができる。   (2) In this embodiment, a fluororesin coating layer is formed on the inner peripheral surface of the shaft hole 47 of the valve body 41. For this reason, masking can be simplified compared with the case where the fluororesin composite electroless nickel plating process which needs to impregnate a base material in a plating solution is performed. Therefore, compared with the case where the fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed on both the valve body 41 and the shaft 46, it is possible to reduce the manufacturing cost while producing substantially the same effect.

上記実施形態では、円盤状の弁体でカソード流路の開口面積を変更するバタフライバルブを例に説明したが、本発明はこれに限らない。球状の弁体でカソード流路の開口面積を変更するボールバルブに適用することもできる。   In the said embodiment, although the butterfly valve which changes the opening area of a cathode flow path with a disk shaped valve body was demonstrated to the example, this invention is not limited to this. The present invention can also be applied to a ball valve that changes the opening area of the cathode channel with a spherical valve body.

1…燃料電池システム
10…燃料電池
21…エア供給配管
22…エア排出配管
40、50…流量制御バルブ
41…バルブボディ
42…カソード流路
43…弁体
46…シャフト
47…シャフト孔部
475…シャフト囲繞部
48…シャフト孔部
485…シャフト囲繞部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 10 ... Fuel cell 21 ... Air supply piping 22 ... Air discharge piping 40, 50 ... Flow control valve 41 ... Valve body 42 ... Cathode flow path 43 ... Valve body 46 ... Shaft 47 ... Shaft hole 475 ... Shaft Go part 48 ... Shaft hole 485 ... Shaft part

Claims (2)

アノードガスおよびカソードガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムのうちカソードガスが流通する流路に設けられ、カソードガスの流量を制御するカソードガスの流量制御バルブであって、
前記流量制御バルブは、
カソードガスが流通するカソード流路および当該カソード流路に連通するシャフト孔部が形成されたバルブボディと、
前記カソード流路内に設けられ、当該カソード流路の開口面積を変更する弁体と、
前記シャフト孔部に挿通して設けられ、前記弁体を駆動するシャフトと、を備え、
前記バルブボディのシャフト孔部の内周面には、フッ素樹脂コーティング層が形成され、
前記シャフトの外周面には、フッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層が形成されていることを特徴とするカソードガスの流量制御バルブ。
A cathode gas flow rate control valve for controlling the flow rate of cathode gas, provided in a flow path through which cathode gas circulates in a fuel cell system including a fuel cell that generates power by reaction of anode gas and cathode gas,
The flow control valve is
A valve body in which a cathode channel through which cathode gas flows and a shaft hole communicating with the cathode channel are formed;
A valve body provided in the cathode flow path and changing an opening area of the cathode flow path;
A shaft that is inserted through the shaft hole and drives the valve body, and
A fluorine resin coating layer is formed on the inner peripheral surface of the shaft hole of the valve body,
A cathode gas flow control valve, wherein a fluororesin composite electroless nickel plating layer is formed on an outer peripheral surface of the shaft.
アノードガスおよびカソードガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムのうちカソードガスが流通する流路に設けられ、カソードガスの流量を制御するカソードガスの流量制御バルブの製造方法であって、
カソードガスが流通するカソード流路および当該カソード流路に連通するシャフト孔部が形成されたバルブボディと、
前記カソード流路内の弁体を駆動するシャフトと、を準備し、
前記バルブボディのうち前記シャフト孔部の内周面にフッ素樹脂コーティング層を形成する第1撥水処理、並びに、前記シャフトを、フッ素樹脂粒子を含有するニッケルめっき液に含浸することにより、当該シャフトの外周面にフッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層を形成する第2撥水処理を行い、
前記フッ素樹脂コーティング層が形成されたシャフト孔部に、前記フッ素樹脂複合無電解ニッケルめっき層が形成されたシャフトを挿通することを特徴とするカソードガスの流量制御バルブの製造方法。
A method for manufacturing a cathode gas flow rate control valve for controlling a cathode gas flow rate provided in a flow path through which a cathode gas flows in a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by a reaction between an anode gas and a cathode gas. ,
A valve body in which a cathode channel through which cathode gas flows and a shaft hole communicating with the cathode channel are formed;
A shaft for driving a valve body in the cathode flow path,
A first water-repellent treatment for forming a fluororesin coating layer on the inner peripheral surface of the shaft hole in the valve body, and the shaft is impregnated with a nickel plating solution containing fluororesin particles. Performing a second water repellent treatment to form a fluororesin composite electroless nickel plating layer on the outer peripheral surface of
A method of manufacturing a cathode gas flow rate control valve, wherein a shaft having the fluororesin composite electroless nickel plating layer is inserted into a shaft hole portion in which the fluororesin coating layer is formed.
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