CN109659585A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种即使在系统内有存积的液体发生冻结的情况下，仍可使冻结凝固的阀体可靠地工作并开阀，从而得到高可靠性的燃料电池系统。阀体(29Va)以闭阀时面向氧化气体排出流路(29)的氧化气体流动的上游方向的面朝向上方的方式相对于铅垂面倾斜配置。另外，上述阀体(29Va)的闭阀时位于重力方向下方的部分朝向氧化气体排出流路(29)的氧化气体流动的下游方向打开。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
一直以来，已知有具备通过空气等氧化气体与氢等燃料气体的反应气体的电化学反应进行发电的燃料电池(燃料电池组)的燃料电池系统。
另外，在这种燃料电池系统中，通常在燃料电池的运转结束后，控制燃料电池系统的各部，执行用于减少残留于燃料电池的水分、附着于燃料电池系统的配管或阀等的水分的扫气处理(净化处理)。由此，在搭载有燃料电池的燃料电池车辆中，减少了燃料电池内部的水分量，即使在低温环境下也能够确保良好的启动性。
然而，即使进行上述的扫气处理(净化处理)，仍担心由于扫气残留、来自燃料电池(燃料电池组)的残留水、结露水等致使水存积在各阀(特别是，配设在用于使各燃料单电池中被利用于电气化学反应后的氧化废气从燃料电池排出的氧化气体排出流路、用于使从燃料电池排出后的燃料废气(未消耗的燃料气体)向外部排出(大气释放)的燃料气体排出流路的阀)的阀体、阀座周边，使阀体在低温环境下冻结凝固，进而在低温启动时阀体不易打开。
针对这样的问题，例如在下述专利文献1中，关于通过安装有阀体的阀轴升降使阀体与阀座接触或分离地进行开闭，从而调整在流路中流动的流体的流量的流体控制阀提出如下技术：使阀轴相对于水平面倾斜，并沿着与形成阀座的部分中的流路内的液体因自重而存积的部分对应的阀体的上面的缘部形成壁部。
根据专利文献1所记载的现有技术，当在阀体与阀座接触(坐在)时流路内的液体(例如水)存积在流路的一部分(例如最下部)的情况下，形成在阀体的上面的壁部抑制存积的水越过阀体的上面部(水漫延至阀体的上面上)，因此即使存积的水在低温环境下冻结的情况下，冻结凝固的阀体也容易工作。
专利文献1：日本特开2015-014331号公报
然而，在上述专利文献1所记载的以往技术中，由于阀体向冻结的液体(冰)侧工作而开阀，因此当存积在阀体、阀座周边的液体发生冻结的情况下，担心开阀时的阀体的工作会受到冻结的液体(冰)阻碍，导致阀体无法移动(无法开阀)。
发明内容
本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的在于提供一种即使在系统内发生存积的液体冻结的情况，仍能够使冻结凝固的阀体可靠地工作并开阀，进而得到高可靠性的燃料电池系统。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统在从燃料电池排出的反应气体流通的反应气体排出流路中，设置有具有开闭该反应气体排出流路的阀体的流体控制阀，其中，上述阀体在闭阀时以面向上述反应气体排出流路的反应气体流动的上游方向的面朝向上方的方式相对于铅垂面倾斜配置，并且至少闭阀时位于重力方向的下方的部分朝向上述反应气体排出流路的反应气体流动的下游方向打开。
另外，本发明的燃料电池系统在从燃料电池排出的反应气体流通的反应气体排出流路中，设置有通过使板状的阀体绕旋转轴旋转来开闭该反应气体排出流路的流体控制阀，其中上述旋转轴沿水平方向配置，上述阀体在闭阀时以面向上述反应气体排出流路的反应气体流动的上游方向的面朝向上方的方式相对于铅垂面倾斜配置，并且闭阀时的位于重力方向的下方的部分朝向上述反应气体排出流路的反应气体流动的下游方向打开。
优选地，上述阀体闭阀时的面向上述反应气体排出流路的反应气体流动的上游方向的面相对于铅垂面在10～45度的范围内倾斜配置。
优选地，上述反应气体排出流路在从上述燃料电池的排出口至上述流体控制阀的范围内始终朝向下方倾斜配置。
根据本发明，由于配设在反应气体排出流路中且开闭该反应气体排出流路的流体控制阀的阀体以闭阀时面向反应气体排出流路的反应气体流动的上游方向的面朝向上方的方式相对于铅垂面倾斜配置，因此在反应气体排出流路中流动而来的扫气残留、来自燃料电池(燃料电池组)的残留水、结露水等的液体容易因自重而存积于阀体的闭阀时位于重力方向的下方的部分。另外，由于上述阀体的至少闭阀时位于重力方向的下方的部分朝向反应气体排出流路的反应气体流动的下游方向打开，因此即使此处有存积的液体发生冻结，上述阀体也能够沿着反应气体排出流路的反应气体流动的下游方向向剥开冻结的液体(冰)的方向移动(开阀)，开阀时的阀体的动作不受冻结的液体(冰)阻碍。因此，能够使冻结凝固的阀体可靠地工作，能够确保配设在反应气体排出流路中的流体控制阀的开闭性(开阀性)。
附图说明
图1是本发明的燃料电池系统的系统构成图。
图2是表示本发明的燃料电池系统的主要部分的要部后视图。
图3是沿着图2的F-F向视线的剖视图，是表示调压阀的闭阀时的图。
图4是沿着图2的F-F向视线的剖视图，是表示调压阀的开阀时的图。
其中，附图标记说明如下：
1…燃料电池系统，10…燃料电池(燃料电池组)，29…氧化气体排出流路，29V…调压阀(流体控制阀)，29Va…阀体，29Vb…旋转轴，29Vc…阀座
具体实施方式
以下，基于附图所示的实施方式的一例对本发明的结构进行详细说明。以下，作为一例，例示出在搭载于燃料电池车的燃料电池或者含有该燃料电池的燃料电池系统应用本发明的情况进行说明，不过适用范围并不局限于这样的例子。
首先，使用图1对本发明的具有燃料电池的燃料电池系统的系统构成进行概述。
图1所示的燃料电池系统1例如具备：将多个作为单电池的燃料单电池层叠而成的燃料电池(燃料电池组)10、向燃料电池10供给空气等氧化气体的氧化气体供给系20、向燃料电池10供给氢等燃料气体的燃料气体供给系30。
例如，固体高分子型燃料电池10的燃料单电池具备由离子透过性的电解质膜、夹持该电解质膜的阳极侧催化剂层(阳极电极)以及阴极侧催化剂层(阴极电极)构成的膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。在MEA的两侧形成有用于提供燃料气体或氧化气体并且对通过电气化学反应产生的电气进行集电的气体扩散层(GDL：GasDiffusion Layer)。两侧配置有GDL的膜电极接合体被称为MEGA(Membrane Electrode&GasDiffusion Layer Assembly)，MEGA由一对隔板夹持。在此，MEGA为燃料电池的发电部，在没有气体扩散层的情况下，MEA为燃料电池的发电部。
氧化气体供给系20例如具有：用于向燃料电池10(的阴极电极)供给氧化气体的氧化气体供给流路(配管)25、将被供给至燃料电池10并在各燃料单电池中被用于电气化学反应后的氧化废气从燃料电池10排出的氧化气体排出流路(配管)29、使经由氧化气体供给流路25供给的氧化气体不经过(绕过)燃料电池10而向氧化气体排出流路29流通的旁通流路26。氧化气体供给系20的各流路例如可以由橡胶软管或金属制的管等构成。
在氧化气体供给流路25，从上游侧起设置有气体净化器21、气体压缩机(涡轮压缩机)(以下，简称为压缩机)22、内部冷却器23等，在氧化气体排出流路29设置有消声器28等。此外，在氧化气体供给流路25(的气体净化器21)例如设置有省略图示的大气压传感器、气体流量计等。
在氧化气体供给流路25中，气体净化器21将从大气中获取的氧化气体(空气等)中的尘埃除去。
压缩机22对经由上述气体净化器21导入的氧化气体进行压缩，并将压缩后的氧化气体向内部冷却器23压力输送。
内部冷却器23在被从压缩机22压力输送并导入的氧化气体通过时，例如通过冷却剂的热交换使之冷却，并向燃料电池10(的阴极电极)供给。
另外，在氧化气体供给流路25设置有用于遮挡内部冷却器23与燃料电池10之间的氧化气体的流动的入口阀25V。此外，入口阀25V也可以是通过从内部冷却器23朝向燃料电池10的氧化气体的流动而开阀从而流过氧化气体，并且通过从燃料电池10朝向内部冷却器23的氧化气体的流动而闭阀从而遮挡氧化气体的流动的单向阀。
旁通流路26的一端连接于氧化气体供给流路25(的内部冷却器23或其下游侧)，另一端连接于氧化气体排出流路29。换言之，旁通流路26从氧化气体供给流路25(的内部冷却器23或其下游侧)分支并朝向氧化气体排出流路29连接。在旁通流路26中，被压缩机22压力输送并由内部冷却器23冷却排出后的氧化气体绕过燃料电池10流向氧化气体排出流路29。在该旁通流路26设置有用于遮挡流向氧化气体排出流路29的氧化气体并调整在该旁通流路26流动的氧化气体的流量的旁通阀26V。
在氧化气体排出流路29中，消声器28将流至氧化气体排出流路29的氧化废气(排出气体)例如分离成气相与液相后向外部排出。
另外，在氧化气体排出流路29设置有用于调整向燃料电池10供给的氧化气体的背压的调压阀29V。在调压阀29V的下游侧连接上述的旁通流路26。
另一方面，燃料气体供给系30例如具有：存积氢等高压的燃料气体的氢罐等的燃料气体供给源31、将来自燃料气体供给源31的燃料气体向燃料电池10(的阳极电极)供给的燃料气体供给流路(配管)35、将从燃料电池10排出的燃料废气(未消耗的燃料气体)向燃料气体供给流路35回流的循环流路36、被分支连接于循环流路36且将循环流路36内的燃料废气向外部排出(大气释放)的燃料气体排出流路(配管)39。燃料气体供给系30的各流路例如可以由橡胶软管或金属制的管等构成。
在燃料气体供给流路35例如设置有测定燃料气体的压力的压力计(未图示)等，并且设置有用于开闭燃料气体供给流路35而遮挡向燃料电池10流动的燃料气体的遮挡阀35V、用于对在燃料气体供给流路35流动的燃料气体的压力调整(减压)的调节器34、用于将调压后的燃料气体向燃料电池10供给的喷射器33。在打开遮挡阀35V后，存积于燃料气体供给源31的高压的燃料气体从燃料气体供给源31向燃料气体供给流路35流出，被调节器34、喷射器33调压(减压)，进而向燃料电池10(的阳极电极)供给。
在循环流路36从上游侧(燃料电池10侧)起设置有气液分离器37，循环泵(也称为氢泵)38等。
气液分离器37将流至循环流路36的燃料气体(氢等)所含的生成水气液分离后存积。从该气液分离器37分支地设置燃料气体排出流路39。
循环泵38对由气液分离器37气液分离后的燃料废气压力输送进而向燃料气体供给流路35循环。
在燃料气体排出流路39设置有开闭燃料气体排出流路39而用于将由气液分离器37分离后的生成水与从燃料电池10排出的燃料废气的一部分排出的净化阀39V。
经由燃料气体排出流路39的净化阀39V的开闭调整排出的燃料废气与在氧化气体排出流路29流动的氧化废气混合，经由消声器28向外部大气释放。
具有上述结构的燃料电池系统1通过由氧化气体供给系20供给至燃料电池10(的阴极电极)的空气等的氧化气体、由燃料气体供给系30供给至燃料电池10(的阳极电极)的氢等的燃料气体的电气化学反应进行发电。
图2是从后侧观察本发明的燃料电池系统的主要部分的图。
以下，着重对于本发明的特征部分、从燃料电池10排出的反应废气(氧化废气或者燃料废气)流通的反应气体排出流路(氧化气体排出流路29或者燃料气体排出流路39)以及开闭该反应气体排出流路来调整在该反应气体排出流路流动的反应废气的流量的流体控制阀的配置结构进行说明。
另外，以下，主要以构成燃料电池系统1中的氧化气体供给系20的氧化气体排出流路29以及配置在该氧化气体排出流路29的流体控制阀亦即调压阀29V为例进行说明，当然本发明也可以应用于构成燃料气体供给系30的燃料气体排出流路39以及配设在该燃料气体排出流路39的流体控制阀亦即净化阀39V等。
如上所述，图示实施方式的燃料电池系统1中的氧化气体供给系20具有设置有入口阀25V等的氧化气体供给流路25、设置有调压阀29V等的氧化气体排出流路29、设置有旁通阀26V的旁通流路26。此外，氧化气体供给系20的各流路例如可以由橡胶软管或金属制的管等构成。
构成上述氧化气体供给系20的各流路之中，氧化气体排出流路29例如从配置在车辆前部的燃料电池10(的背面左侧设置的排出口)向大致铅垂下方延伸配置，在该燃料电池10(的排出口)附近配置调压阀29V。
由图3、4可见，上述调压阀29V此处由通过使圆板状的阀体29Va绕旋转轴29Vb旋转来开闭该氧化气体排出流路29的蝶阀构成。在本例中，调压阀29V的旋转轴29Vb被沿水平方向(可旋转地)轴支承，并且相对于阀体29Va被偏心配置(详细而言，被偏置配置在氧化气体排出流路29的氧化气体流的下游侧(与燃料电池10侧相反侧))。
另外，在上述调压阀29V中，阀体29Va(的周缘部分)接触分离的圆环状的阀座29Vc相对于铅垂面倾斜设置，阀体29Va以在闭阀时燃料电池10侧的面(换言之，朝向氧化气体排出流路29的氧化气体流动的上游方向的面)朝向上方的方式相对于铅垂面倾斜配置。
在此，如上所述，考虑到存积在调压阀29V的阀体29Va、阀座29Vc周边(详细而言，调压阀29V的阀体29Va、阀座29Vc的燃料电池10侧)的液体(水)的量，闭阀时的阀体29Va(的燃料电池10侧的面)的相对于铅垂面的倾斜角例如被设定在10～45度的范围内(特别是，参照图3)。
另外，上述阀体29Va在被设置于氧化气体排出流路29的外部的马达(未图示)驱动旋转后，如图4所示，在闭阀时在重力方向(铅垂方向)位于下方的下半部分(比旋转轴29Vb靠下侧的部分)向与燃料电池10侧相反侧(换句话说，氧化气体排出流路29的氧化气体流动的下游方向)打开。
进而，在本例中，为了防止存积在调压阀29V的阀体29Va、阀座29Vc周边的液体(水)向燃料电池10侧逆流，从燃料电池10(的排出口)直至调压阀29V(的阀体29Va)的氧化气体排出流路29(图3、4中的附图标记29a所示的部分)被配置为始终朝向下方倾斜。
这样，在本实施方式的燃料电池系统1中，由于配设在氧化气体排出流路29中且开闭该氧化气体排出流路29的调压阀29V的阀体29Va，以闭阀时面向氧化气体排出流路29的氧化气体流动的上游方向的面朝向上方的方式相对于铅垂面倾斜配置，因此在氧化气体排出流路29中流动而来的扫气残留、来自燃料电池(燃料电池组)10的残留水、结露水等的液体容易因自重而存积于阀体29Va的闭阀时位于重力方向上的下方的部分(特别是，参照图3)。另外，由于上述阀体29Va的闭阀时位于重力方向的下方的下半部分朝向氧化气体排出流路29的氧化气体流动的下游方向打开，因此即使此处有存积的液体发生冻结，上述阀体29Va也能够沿着氧化气体排出流路29的氧化气体流动的下游方向向剥开冻结的液体(冰)的方向移动(开阀)，开阀时的阀体29Va的移动不受冻结的液体(冰)阻碍(特别是，参照图4)。因此，能够使冻结凝固的阀体29Va可靠地工作并开阀，能够确保配设在氧化气体排出流路29中的调压阀29V的开闭性(开阀性)。
另外，由于上述阀体29Va的闭阀时面向氧化气体排出流路29的氧化气体流动的上游方向的面相对于铅垂面在10～45度的范围内倾斜配置，因此即使在通常使用时有假定的液体(水)存积，其水位也在旋转轴29Vb以下，能够使上述阀体29Va可靠地工作。
另外，氧化气体排出流路29的从燃料电池10(的排出口)直至调压阀29V(的阀体29Va)的部分被配置为始终朝向下方倾斜，因此能够确保来自燃料电池10的排水性，并防止残留水返回至燃料电池10(逆流)从而能够保护该燃料电池10(例如，避免了单电池堵塞)。
此外，在上述实施方式中，例示出配设在氧化气体排出流路29的流体控制阀亦即调压阀29V由旋转轴29Vb设置在圆板状的阀体29Va的(上下方向的)大致中央的蝶阀构成的情况，不过作为该流体控制阀并不局限于此，例如也可以将旋转轴29Vb设置在阀体29Va的(上下方向的)中央以外(例如，阀体29Va的上端或其附近等)，还可以使用菌阀(参照上述专利文献1等)等，详情不再赘述。
以上，使用附图对本发明的实施方式进行了详叙，但具体的结构并不局限于该实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内的设计变更等都应被包含在本发明中。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，在从燃料电池排出的反应气体流通的反应气体排出流路中，设置有具有开闭该反应气体排出流路的阀体的流体控制阀，其中，
上述阀体在闭阀时以面向上述反应气体排出流路的反应气体流动的上游方向的面朝向上方的方式相对于铅垂面倾斜配置，并且至少闭阀时位于重力方向的下方的部分朝向上述反应气体排出流路的反应气体流动的下游方向打开。
2.一种燃料电池系统，在从燃料电池排出的反应气体流通的反应气体排出流路中，设置有通过使板状的阀体绕旋转轴旋转来开闭该反应气体排出流路的流体控制阀，其中，
上述旋转轴沿水平方向配置，
上述阀体在闭阀时以面向上述反应气体排出流路的反应气体流动的上游方向的面朝向上方的方式相对于铅垂面倾斜配置，并且闭阀时位于重力方向的下方的部分朝向上述反应气体排出流路的反应气体流动的下游方向打开。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
上述阀体的闭阀时的面向上述反应气体排出流路的反应气体流动的上游方向的面相对于铅垂面在10～45度的范围内倾斜配置。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃料电池系统，其中，
上述反应气体排出流路在从上述燃料电池的排出口至上述流体控制阀的范围内始终朝向下方倾斜配置。
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