CN104583659A - 阀和使用该阀的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供阀和使用该阀的燃料电池系统。该阀包括：通路部，其供湿润流体流动；阀芯，其设于所述通路部内；以及罩体，其以在与通路部的外周面之间形成供用于对通路部的外周面进行加热的加热介质流动的加热介质通路的方式覆盖通路部的外周面，其中，该阀的罩体在上部设有所述加热介质的导入口和排出口，并且，以使加热介质经由通路部的下部的方式形成加热介质通路。

Description

阀和使用该阀的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种阀和使用该阀的燃料电池系统。
背景技术
在JP2011－003403A中，作为以往的燃料电池系统，存在一种在阴极气体排出通路上设有阴极调压阀(空气调压阀)的燃料电池系统。
发明内容
阴极气体排出通路用于排出含有水蒸气的湿润流体。因此，存在这样的问题：在外部空气温度低于0℃那样的低温环境下，设于阴极气体排出通路的阴极调压阀发生冻结而被固着。
用于解决问题的方案
本发明是着眼于这样的问题而做出的，其目的在于抑制阀芯因冻结而被固着。
本发明的一技术方案提供一种阀，其包括：通路部，其供湿润流体流动；阀芯，其设于通路部内；以及罩体，其以形成供用于对通路部的外周面进行加热的加热介质流动的加热介质通路的方式覆盖通路部的外周面。并且，该阀的罩体在上部设有所述加热介质的导入口和排出口，并以使加热介质经由通路部的下部的方式形成加热介质通路。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的燃料电池系统的概略结构图。
图2是本发明的一实施方式的阴极调压阀的立体图。
图3是本发明的一实施方式的阴极调压阀的俯视图。
图4是本发明的一实施方式的阴极调压阀的仰视图。
图5是图3的阴极调压阀的V-V剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图等说明本发明的一实施方式。
燃料电池是通过如下方式发电的：利用阳极电极(燃料极)和阴极电极(氧化剂极)夹持电解质膜，向阳极电极供给含氢的阳极气体(燃料气体)且向阴极电极供给含氧的阴极气体(氧化剂气体)。在阳极电极和阴极电极这两个电极中进行的电极反应如下。
阳极电极：2H2→4H++4e-…(1)
阴极电极：4H++4e-+O2→2H2O…(2)
燃料电池通过该(1)和(2)的电极反应而产生1伏特左右的电动势。
在将这样的燃料电池用作汽车用动力源的情况下，由于所要求的电力较大，因此，使用层叠有数百片燃料电池而成的燃料电池堆。并且，构成向燃料电池堆供给阳极气体和阴极气体的燃料电池系统，以引出车辆驱动用的电力。
图2是本发明的一实施方式的燃料电池系统1的概略结构图。
燃料电池系统1包括燃料电池堆2、阴极气体供排装置3以及堆冷却装置4。
燃料电池堆2是将多片燃料电池层叠而成的，其接收供给过来的阳极气体和阴极气体而发电，发出驱动车辆所需的电力(为了驱动例如马达所需的电力)。
对于用于向燃料电池堆2供给阳极气体的阳极气体供排装置，其不是本发明的主要部分，因此，为了避免附图的烦杂而省略了图示。作为阳极气体的供给方法而能够采用如下各种方法：利用泵等使自燃料电池堆2排出到阳极气体排出通路的阳极排气返回到阳极气体供给通路并将该阳极排气再次供给到燃料电池堆2而进行再利用的方法、将自燃料电池堆2排出后的阳极排气暂时积存于缓冲罐等并使该阳极排气自缓冲罐逆流到燃料电池而进行再利用的方法等。
阴极气体供排装置3包括阴极气体供给通路31、过滤器32、阴极压缩机33、后冷却器34、阴极气体排出通路35、阴极调压阀36以及轴净化(日文：パージ)通路37。
阴极气体供给通路31是供向燃料电池堆2供给的阴极气体流动的通路。阴极气体供给通路31的一端与过滤器32相连接，另一端与燃料电池堆2的阴极气体入口孔21相连接。
过滤器32用于将要向阴极气体供给通路31导入的阴极气体中的异物去除。
阴极压缩机33设置在阴极气体供给通路31上。阴极压缩机33将作为阴极气体的空气(外部空气)经由过滤器32导入到阴极气体供给通路31并将其供给到燃料电池堆2。
后冷却器34设于阴极气体供给通路31上的比阴极压缩机33靠下游的位置。后冷却器34用于将自阴极压缩机33排出后的阴极气体冷却。
阴极气体排出通路35是供自燃料电池堆2排出的阴极排气流动的通路。阴极排气是阴极气体与因电极反应而产生的水蒸气混合的混合气体(湿润气体)。阴极气体排出通路35的一端与燃料电池堆2的阴极气体出口孔22相连接，另一端成为开口端。
阴极调压阀36设置在阴极气体排出通路35上。阴极调压阀36是能够连续地或阶梯式地调节开度的电磁阀，阴极调压阀36的开度通过控制器(未图示)进行控制。在后面，参照图2～图5来说明阴极调压阀36的详细结构。
轴净化通路37是自阴极气体供给通路31上的比后冷却器34靠下游的位置分支而连接到阴极调压阀36的内部净化通路365(参照图5)的通路。轴净化通路37是用于将作为干燥气体的阴极气体供给到阴极调压阀36的内部净化通路365的通路。
堆冷却装置4包括冷却水循环通路41、散热器42、冷却水旁路通路43、三通阀44、循环泵45、PTC加热器46以及阴极调压阀循环通路47。
冷却水循环通路41是供用于冷却燃料电池堆2的冷却水循环的通路，冷却水循环通路41的一端与燃料电池堆2的冷却水入口孔23相连接，另一端与燃料电池堆2的冷却水出口孔24相连接。以下，将冷却水循环通路41中的靠冷却水出口孔24的一侧作为上游侧且将冷却水循环通路41中的靠冷却水入口孔23的一侧作为下游侧而进行说明。
散热器42设置在冷却水循环通路41上。散热器42用于将自燃料电池堆2排出的冷却水冷却。
冷却水旁路通路43的一端与冷却水循环通路41相连接，另一端与三通阀44相连接，从而能够使冷却水绕过散热器42地循环。
三通阀44设置在冷却水循环通路41上的比散热器42靠下游侧的位置。三通阀44根据冷却水的温度而切换冷却水的循环路径。具体而言，在冷却水的温度相对较高时，切换冷却水的循环路径，使得自燃料电池堆2排出的冷却水经由散热器42而再次供给到燃料电池堆2。相反地，在冷却水的温度相对较低时，切换冷却水的循环路径，使得自燃料电池堆2排出的冷却水不经由散热器42地流经冷却水旁路通路43而再次供给到燃料电池堆2。
循环泵45设置在冷却水循环通路41上的比三通阀44靠下游侧的位置，用于使冷却水循环。
PTC加热器46设置在冷却水旁路通路43上。在要进行燃料电池堆2的暖机时等，对PTC加热器46通电而使冷却水的温度上升。
阴极调压阀循环通路47是为了防止冻结导致阴极调压阀36的固着而将冷却水导入到形成于阴极调压阀36的内部的水冷套363(参照图2～图4)的通路。阴极调压阀循环通路47包括：导入通路471，其自燃料电池堆2的冷却水出口孔24附近的冷却水循环通路41分支而将冷却水导入到阴极调压阀36的水冷套363；以及返回通路472，其用于使自阴极调压阀36的水冷套363排出的冷却水再次返回到燃料电池堆2的冷却水出口孔24附近的冷却水循环通路41。
在此，在将本实施方式那样的燃料电池系统1搭载于车辆的情况下，即使在外部空气温度低于0℃那样的低温环境下，也要求可靠且尽快地启动燃料电池系统1。
在燃料电池系统1停止后，若在不使燃料电池堆2、阴极气体排出通路35、阴极调压阀36干燥的情况下放置，则在低温环境下，因发电时的电极反应而产生的水(以下称作“生成水”。)有可能会在燃料电池堆2、阴极调压阀36的内部冻结。因此，在本实施方式中，在使燃料电池系统1停止之后，为了应对下一次的零下启动而驱动阴极压缩机33，实施将燃料电池堆2、阴极调压阀36的内部的水分向系统外部排出的停止后干燥运转。
因此，在燃料电池系统1启动时，基本上，燃料电池堆2、阴极调压阀36的内部处于干燥状态。
然而，在燃料电池系统1的启动后，因发电时的电极反应而产生生成水。并且，燃料电池堆2的内部温度在因电极反应而产生的热的作用下自外部空气温度起逐渐上升。
因而，当自燃料电池系统1启动后经过不久燃料电池堆2的内部温度达到0℃以上时，成为液体的生成水会逐渐自燃料电池堆2的内部向阴极气体排出通路35流出。
此时，若阴极调压阀36的内部温度低于0℃，则流出到阴极气体排出通路35的生成水有可能会在阴极调压阀36的内部冻结而使阴极调压阀36发生固着或者妨碍阴极调压阀36的开闭动作。
因此，在本实施方式中，在阴极调压阀36的内部形成了水冷套363并使冷却水在该水冷套中循环，以便在燃料电池系统1的启动后，使阴极调压阀36的内部温度在流出到阴极气体排出通路35的生成水到达阴极调压阀36之前达到0℃以上。
以下，参照图2～图5说明本实施方式的阴极调压阀36的详细结构。
图2是本实施方式的阴极调压阀36的立体图。图3是本实施方式的阴极调压阀36的俯视图。图4是本实施方式的阴极调压阀36的仰视图。
如图2～图4所示，阴极调压阀36包括主阀体361和阀体罩362。
主阀体361是两端开口的圆筒状的通路。自燃料电池堆2排出而自阴极气体排出通路35流过来的阴极排气自主阀体361的一个(在图2和图3中为图中上侧、在图4中为图中下侧)开口端流入主阀体361的内部通路361a。然后，流入到主阀体361的内部通路361a的阴极排气自主阀体361的另一个(在图2和图3中为图中下侧，在图4中为图中上侧)开口端向阴极气体排出通路35流出。
阀体罩362以在其与主阀体361的外周面361b之间形成用于供冷却水流动的水冷套363的方式覆盖主阀体361的整个外周面361b，阀体罩362与主阀体361一体地形成。
在阀体罩362的在将阴极调压阀36安装于阴极气体排出通路35时成为重力方向上侧的面(以下称作“上表面”。)362c上设有冷却水导入口362a和冷却水排出口362b。
冷却水导入口362a是用于将冷却水导入水冷套363内的入口，其与所述的导入通路471相连接。冷却水导入口362a形成于主阀体361的另一个开口端侧、即主阀体361的位于内部通路361a的下游侧的开口端侧。冷却水导入口362a的开口面积形成得小于冷却水排出口362b的开口面积。
冷却水排出口362b是用于将导入到水冷套363内的冷却水排出的出口，其与所述的返回通路472相连接。冷却水排出口362b形成于阀体罩362的上表面362c上的除了冷却水导入口362a的形成部位以外的大致整个表面。
自形成于阀体罩362的上表面362c的冷却水导入口362a导入到水冷套363的冷却水如图4的箭头所示那样沿主阀体361的外周面361a的圆周方向流动而自形成于阀体罩362的上表面362c的冷却水排出口362b排出。也就是说，自冷却水导入口362a导入到水冷套363的冷却水朝向重力方向下侧去在主阀体361的图中左侧沿圆周方向流动，接着在主阀体361的下侧沿圆周方向流动。之后，冷却水朝向重力方向上侧去在主阀体361的图中右侧沿圆周方向流动而自冷却水排出口362b排出。
由此，能够利用冷却水来加热在主阀体361的内部容易积存生成水的主阀体361的下侧的温度。因此，能够抑制生成水在主阀体361的内部冻结。
图5是图3的阴极调压阀36的V-V剖视图。
如图5所示，在主阀体361的内部安装有蝶形阀38。蝶形阀38包括轴381和阀芯382。
轴381由安装于主阀体361的左右的一对轴承383而旋转自如地支承于主阀体361。
阀芯382呈具有与主阀体361的内部通路361a的直径大致相等的直径的圆板形状，并以位于主阀体361的内部通路361a的方式安装于轴381。阀芯382与轴381一体地旋转。由此，能够控制在主阀体361的内部通路361a内流动的阴极排气的流量，从而能够控制向燃料电池堆2供给的阴极气体的压力。
在此，如图5所示，在主阀体361与轴381之间形成有能够供轴381旋转的微小的间隙5。若在燃料电池系统1的运转中生成水进入到该间隙5中，则即使实施所述的停止后干燥运转，也难以去除进入到该间隙5中的生成水。若进入到主阀体361与轴381之间的间隙5中的生成水发生冻结，则有可能使轴381无法旋转且使阀芯382发生固着。
因此，在本实施方式中，在主阀体361上设置了自主阀体361的下侧的外周面361b向下方突出的两根突出部364，在该突出部364的内部形成了同主阀体361与轴381之间的间隙5相连通的内部净化通路365。内部净化通路365与轴净化通路37相连接，以加压的方式输送阴极气体。由此，自轴净化通路37流过来的阴极气体经由内部净化通路365而自主阀体361与轴381之间的间隙5被导入到主阀体361的内部通路361a，因此能够抑制生成水进入到主阀体361与轴381之间的间隙5。
利用O型密封圈384将轴承383同主阀体361与轴381之间的间隙5之间密封。
如以上说明那样，本实施方式的阴极调压阀36包括：主阀体361，其供阴极排气(湿润流体)流动；阀芯382，其设于主阀体361的内部；以及阀体罩362，其以在其与主阀体361的外周面361b之间形成供用于对主阀体361的外周面361b进行加热的冷却水(加热介质)流动的水冷套363的方式覆盖主阀体361的外周面361b。并且，阀体罩362在其位于重力方向上侧的上表面362c上设有冷却水导入口362a和冷却水排出口362b，并以使冷却水经由阀体罩362的重力方向下侧部分的方式形成水冷套363。
由此，自冷却水导入口362a导入到水冷套363的冷却水在沿着主阀体361的外周面361b向重力方向下侧流动之后，沿着主阀体361的外周面361b向重力方向上侧流动，并自冷却水排出口362b排出。因此，能够利用冷却水来加热主阀体361的整个外周面361b，因此能够抑制设于主阀体361的内部的阀芯382因冻结而发生固着。
尤其是，在主阀体361的内部安装通过使轴381旋转而对主阀体361的内部的内部通路361a进行开闭的蝶形阀38的情况下，蝶形阀38的阀芯382的外缘部成为与主阀体361的内部通路361a大致接触的状态。因而，通过利用冷却水来加热主阀体361的整个外周面361b，能够有效地抑制因阀芯382的外缘部与主阀体361的内部通路361a之间的生成水冻结而使阀芯382发生固着。
另外，通过利用冷却水来加热主阀体361的整个外周面361b，能够可靠地加热主阀体361的内部的、尤其是容易积存生成水的内部通路361a的下侧的部分。因而，能够抑制生成水冻结而成的冰妨碍阀芯382的开闭动作。
另外，通过在阀体罩362的上表面362c上形成冷却水排出口362b，能够抑制混入到冷却水内的空气积存于水冷套363内。由此，能够利用冷却水高效地加热主阀体361。其原因在于，当空气积存于水冷套363内时，该空气成为障碍而导致无法利用冷却水来加热主阀体361。
另外，由于在阀体罩362的同一面、即上表面362c上形成了冷却水导入口362a和冷却水排出口362b，因此，易于进行在连接将冷却水导入冷却水导入口362a的导入通路471和供自冷却水排出口362b排出的冷却水流动的返回通路472时的布局。换言之，若在阀体罩362的不同的面上分别形成冷却水导入口362a和冷却水排出口362b时，在连接导入通路471和返回通路472时的布局会变得烦杂。
并且，自冷却水导入口362a导入到水冷套363的冷却水是自燃料电池堆2排出的冷却水，能够认为其温度与燃料电池堆2的内部温度相等。因而，在燃料电池系统1启动后流出到阴极气体排出通路35的生成水到达阴极调压阀36时，能够使阴极调压阀36的内部温度上升到与燃料电池堆2的内部温度相当(至少0℃以上)的温度。因此，能够抑制在燃料电池系统1的启动后流出到阴极气体排出通路35的生成水在阴极调压阀36的内部(主阀体361的内部)冻结。
另外，在本实施方式的阴极调压阀36中，冷却水导入口362a的开口面积小于冷却水排出口362b的开口面积。
如上所述，主阀体361的内部的尤其容易积存生成水的位置是内部通路361a的下侧。若冷却水导入口362a的开口面积较大，则冷却水会与冷却水导入口362a附近的主阀体361之间积极地进行热交换，从而使在冷却水到达主阀体361的下侧的外周面361b时的冷却水的热量相对地变少。与此相对，通过使冷却水导入口362a的开口面积相对地缩小，从而减少冷却水与冷却水导入口362a附近的主阀体361之间进行的热交换量，由此能够利用较高温度的冷却水来加热主阀体361的下侧的外周面361b。因此，能够更可靠地抑制生成水在主阀体361的内部冻结。
另外，在本实施方式的阴极调压阀36中，在阀体罩362的上表面362c上的位于在主阀体361内(内部通路361a)流动的阴极排气的流动方向下游侧的部分上形成了冷却水导入口362a。
对于在内部通路361a内流动的阴极排气的压力，内部通路361a的下游侧(主阀体361内的阴极排气的排出侧)的压力因压力损失而低于内部通路361a的上游侧的压力。因此，与内部通路361a的上游侧相比，内部通路361a的下游侧容易发生生成水的冻结。因而，通过将冷却水导入口362a设于内部通路361a的下游侧，从而能够利用高温的冷却水积极地加热内部通路361a的下游侧，因此能够更可靠地抑制生成水的冻结。
另外，本实施方式的阴极调压阀36包括：突出部364，其自主阀体361的下部向下方突出；以及内部净化通路365，其形成于突出部364的内部，该内部净化通路365同主阀体361与轴381之间的间隙5相连通并被供给阴极气体(干燥流体)。这样，以使轴净化通路37自与导入通路471、返回通路472连接的阀体罩362的上表面362c侧相反的一侧、即主阀体361的下侧连接的方式形成了内部净化通路365，因此，与均自同一面连接导入通路471、返回通路472、轴净化通路37的情况相比，能够谋求主阀体361、乃至阴极调压阀36的小型化。另外，还能提高布局的自由度。
以上，说明了本发明的实施方式，所述实施方式只是示出了本发明的应用例的一部分，并不意味着将本发明的保护范围限定为所述实施方式的具体结构。
本申请主张基于2012年8月2日向日本特许厅申请的特愿2012－172145号的优先权，该申请的全部内容通过参考而被引用在本说明书中。

Claims (7)

1.一种阀，其包括：通路部，其供湿润流体流动；阀芯，其设于所述通路部内；以及罩体，其以形成供用于对所述通路部的外周面进行加热的加热介质流动的加热介质通路的方式覆盖所述通路部的外周面，其中，
所述罩体在上部设有所述加热介质的导入口和排出口，
以使所述加热介质经由所述通路部的下部的方式形成所述加热介质通路。
2.根据权利要求1所述的阀，其中，
所述导入口的开口面积小于所述排出口的开口面积。
3.根据权利要求1或2所述的阀，其中，
所述导入口设于所述罩体的上部中的、位于在所述通路部内流动的湿润流体的流动方向下游侧的部分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的阀，其中，
所述阀芯安装于沿与所述通路部的轴向正交的方向贯穿所述通路部的旋转轴，通过使所述旋转轴旋转而对所述通路部进行开闭。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的阀，其中，
该阀包括：
突出部，其自所述通路部的下部向下方突出；以及
内部净化通路，其形成于所述突出部的内部，该内部净化通路同所述通路部与所述旋转轴之间的间隙相连通并被供给干燥流体。
6.一种燃料电池系统，其是使用权利要求1至5中任一项所述的阀的燃料电池系统，其中，
该燃料电池系统包括：
燃料电池，其接收供给过来的阳极气体和阴极气体而进行发电；
冷却水循环通路，其供用于冷却所述燃料电池的冷却水循环；以及
阴极气体排出通路，其供自所述燃料电池排出的阴极排气流动，
所述阀设于所述阴极气体排出通路，其是用于对向所述燃料电池供给的阴极气体的压力进行控制的压力控制阀，
所述加热介质是自所述冷却水循环通路分支而自所述导入口导入的冷却水。
7.一种燃料电池系统，其是使用权利要求5所述的阀的燃料电池系统，其中，
该燃料电池系统包括：
燃料电池，其接收供给过来的阳极气体和阴极气体而进行发电；
冷却水循环通路，其供用于冷却所述燃料电池的冷却水循环；
阴极气体供给通路，其供向所述燃料电池供给的阴极气体流动；以及
阴极气体排出通路，其供自所述燃料电池排出的阴极排气流动，
所述阀设于所述阴极气体排出通路，其是用于对向所述燃料电池供给的阴极气体的压力进行控制的压力控制阀，
所述加热介质是自所述冷却水循环通路分支而自所述导入口导入的冷却水，
所述干燥流体是自所述阴极气体供给通路分支而自所述内部净化通路导入的阴极气体。
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