JP2005032645A - 燃料電池システムおよびその弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】構成を簡素化するとともに、始動性の向上を図る。
【解決手段】燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素供給流路３８の途上に戻して該燃料電池スタック２２に供給するための水素循環流路４０を備える。水素循環流路４０には弁機構４８が配設され、この弁機構４８には、排ガスが導入される導入ポート５６、前記排ガスを水素供給流路３８の途上から燃料電池スタック２２に戻す第１導出ポート５８、および前記排ガスを廃棄するためのパージ流路６０に該排ガスを排出する第２導出ポート６２が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路を備える燃料電池システムおよびその弁機構に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。

ところで、このような燃料電池では、起動直後における温度が十分に上昇しておらず、あるいは、発電状態が長時間継続されることで不純物が蓄積したり、アノード側電極面を水が覆い、反応ガスが十分に供給されないことにより、発電電圧が低下する。従って、燃料電池の寿命を維持しつつ、効率的な発電状態を維持するため、燃料ガスや酸化剤ガスの流量および圧力を適切に制御して供給するとともに、水を含む排気ガスを適切なタイミングで外部に排出（所謂、パージ）する必要がある。

上記のパージに使用される弁機構として、例えば、特許文献１に開示されている流量制御バルブが採用されている。この流量制御バルブは、図４に示すように、モータ部１と、バルブ部２とを備えており、前記モータ部１の回転運動がロッド３の直線運動に変換されている。ロッド３の端部には、弁体４が連結されるとともに、この弁体４の外周部に設けられるシール部５が弁座部６に着脱することによって、バルブ部２を構成する一次口７と二次口８とが開閉されている。弁体４の底部には、切欠部４ａが形成されている。

特開２０００−９７３５３号公報（段落［００５４］〜［００５７］、図１）

ところで、上記の特許文献１に係る流量制御バルブは、図５に示すように、パージ弁１０として燃料電池システム１２に組み込まれる。この燃料電池システム１２は燃料電池１３を備え、この燃料電池１３に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路１４には、水素タンク１５と、この水素タンク１５から排出される燃料ガス（水素ガス）の圧力を減圧するレギュレータ１６とが配設されている。

燃料電池１３には、この燃料電池１３から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、燃料ガス供給流路１４の途上に戻すための燃料ガス循環流路１７が接続されている。燃料ガス循環流路１７には、ポンプ１８と逆止弁１９とが配設されるとともに、前記燃料ガス循環流路１７から分岐するパージ配管１７ａには、パージ弁１０が配設されている。

このような構成において、燃料電池１３には、水素タンク１５から燃料ガス供給流路１４を介して燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気が供給され、発電が行われる。そして、燃料電池１３から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスは、燃料ガス循環流路１７に排出され、ポンプ１８を介して燃料ガス供給流路１４に戻され、再度、燃料電池１３に供給されている。

次いで、燃料ガス循環流路１７内の窒素や過剰な水分をパージ配管１７ａから廃棄するために、パージ弁１０が駆動される。このパージ弁１０では、図４に示すように、モータ部１の作用下に、ロッド３がバルブ部２から離間する方向に変位すると、弁体４のシール部５が弁座部６から離間して一次口７と二次口８とが連通する。これにより、図５に示すように、燃料ガス循環流路１７からパージ配管１７ａを介してパージが行われる。その際、燃料ガス循環流路１７には逆止弁１９が設けられており、パージ弁１０が開放される際に、水素タンク１５からこのパージ弁１０側に燃料ガスが流れることを阻止している。

しかしながら、上記の構成では、パージ弁１０を開放する際に、燃料ガスの逆流を防止するための逆止弁１９が必要となっている。このため、燃料電池システム１２全体の構成要素が増加してしまい、経済的ではないという問題がある。

さらに、パージ弁１０や逆止弁１９は、排水を行うために水蒸気や水滴と常に接触しており、特に、氷点下で使用する際に凍結するおそれがある。これにより、始動時には、パージ弁１０や逆止弁１９の凍結解除を行うための熱量が必要となり、始動性が低下するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、構成を有効に簡素化するとともに、始動性に優れる燃料電池システムおよびその弁機構を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る燃料電池システムでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路の途上に戻して該燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備え、前記燃料ガス循環流路の途上には、弁機構が配設されている。

弁機構は、燃料電池から燃料ガス循環流路に排出された排ガスが導入される導入ポートと、前記排ガスを燃料ガス供給流路に戻す第１導出ポートと、前記排ガスを廃棄するためのパージ流路に該排ガスを排出する第２導出ポートとを設けている。

そして、導入ポートと第１導出ポートとが連通する際、すなわち、燃料ガス循環流路が燃料ガス供給流路に連通する際、第２導出ポートが閉塞され、燃料電池から排出される排ガスは、前記燃料ガス供給流路の途上に戻される。一方、導入ポートと第２導出ポートとが連通する際、すなわち、燃料ガス循環流路がパージ流路に連通する際、第１導出ポートが閉塞され、燃料電池から排出される排ガスは、余剰な水分等と共に前記パージ流路に廃棄される。

また、本発明の請求項２に係る燃料電池システムの弁機構では、排ガスが導入される導入ポート、排ガスを燃料電池に戻す第１導出ポート、および前記排ガスを廃棄するためのパージ流路に該排ガスを排出する第２導出ポートが設けられる本体部を備えている。第１および第２導出ポートには、第１および第２弁座が設けられるとともに、前記第１および第２弁座には、駆動部の作用下に変位する弁体が選択的に着座する。

本発明によれば、弁機構が、実質的に３ポート弁を構成しており、ポートの切り換え操作を行うだけで、パージ時に燃料ガスの逆流を確実に阻止することができる。従って、従来の逆止弁が不要になり、燃料電池システム全体の構成が有効に簡素化されるとともに、経済的である。

しかも、弁機構は、燃料ガス循環流路の途上に配置されている。このため、弁機構は、燃料ガス循環流路を流れる比較的高温の排ガスに、常時、曝されており、システム起動時の凍結を防止するとともに、特に低温始動時に前記弁機構の解氷が迅速に遂行される。これにより、システム始動が効率的に行われる。

また、弁機構は、実質的に３ポート弁を構成するだけでよく、簡単かつ経済的な構成で、逆止弁を不要にすることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム２０の概略構成図である。

燃料電池システム２０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック２２を備える。この燃料電池スタック２２は、複数の発電セル２４を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート２６ａ、２６ｂが配置されており、前記エンドプレート２６ａ、２６ｂが図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。

発電セル２４は、例えば、固体高分子電解質膜２８ａの両側にアノード側電極２８ｂとカソード側電極２８ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２８と、前記電解質膜・電極構造体２８を挟持する一対のセパレータ３０、３２とを備える。アノード側電極２８ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２８ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。

エンドプレート２６ａには、発電セル２４に水素ガスを供給するための水素供給口３４ａと、前記発電セル２４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック２２から排出するための水素排出口３４ｂとが設けられる。エンドプレート２６ｂには、発電セル２４に空気を供給するための空気供給口３６ａと、前記発電セル２４から排出される未使用の酸素を含む空気を燃料電池スタック２２から排出するための空気排出口３６ｂとが設けられる。

燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２に水素ガスを供給する水素供給流路（燃料ガス供給流路）３８と、前記燃料電池スタック２２から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路３８の途上に戻して該燃料電池スタック２２に供給するための水素循環流路（燃料ガス循環流路）４０とを備える。

水素供給流路３８には、高圧水素を貯留する水素タンク４２と、前記水素タンク４２から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ４４と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック２２に供給するとともに、水素循環流路４０から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック２２に戻すためのエゼクタ４６とが配設される。

水素循環流路４０には、本実施形態に係る弁機構４８と、必要に応じてポンプ５０とが配設される。弁機構４８は、図２に示すように、本体部５２と駆動部５４とを備える。本体部５２には、排ガスが導入される導入ポート５６、前記排ガスを水素供給流路３８の途上から燃料電池スタック２２に戻す第１導出ポート５８、および前記排ガスを廃棄するためのパージ流路６０に該排ガスを排出する第２導出ポート６２が設けられる。

導入ポート５６には、網目状のフィルタ６３が装着されている。第１および第２導出ポート５８、６２には、第１および第２弁座６４、６６が設けられるとともに、前記第１および第２弁座６４、６６には、駆動部５４の作用下に変位する弁体６８が選択的に着座する。

駆動部５４は、例えば、ソレノイド部６９を備え、このソレノイド部６９の励磁作用下にシャフト７０が軸線方向（矢印Ｂ方向）に進退変位する。シャフト７０の端部には、第１ばね部材７１が係合するとともに、前記シャフト７０の途上には、防塵用のダイヤフラム７２が装着される。シャフト７０の小径端部には、弁体６８が装着される。

弁体６８の上面には、円板状の第１弾性部材７４が固着され、この第１弾性部材７４は、第１弁座６４に着座した際に弾性変形して確実なシールを行う。弁体６８の下面には、環状の第２弾性部材７６が固着され、この第２弾性部材７６は、第２弁座６６に着座した際に弾性変形して確実なシールを行う。弁体６８の上部には、第２ばね部材７８が係合している。

図１に示すように、燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２に空気を供給する空気供給流路８０と、前記燃料電池スタック２２から排出される未使用の空気を含む排ガスを、外部に廃棄するための空気排出流路８２とを備える。空気供給流路８０には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（またはポンプ）８４が設けられる。

このように構成される燃料電池システム２０の動作について、弁機構４８との関連で以下に説明する。

図１に示すように、水素タンク４２から水素供給流路３８に供給される水素ガスは、レギュレータ４４を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ４６を通って燃料電池スタック２２の水素供給口３４ａに供給される。水素供給口３４ａに供給された水素は、各発電セル２４を構成するアノード側電極２８ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口３４ｂから水素循環流路４０に排出される。

一方、スーパーチャージャ８４を介して空気供給流路８０に空気が供給される。この空気は、空気供給口３６ａから各発電セル２４のカソード側電極２８ｃに供給され、未使用の空気を含む排ガスが、空気排出口３６ｂから空気排出流路８２に排出される。これにより、各発電セル２４では、アノード側電極２８ｂに供給される水素と、カソード側電極２８ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。

水素循環流路４０に排出された排ガスは、弁機構４８の導入ポート５６に導入される。弁機構４８では、図２に示すように、ソレノイド部６９が滅勢されており、弁体６８が矢印Ｂ１方向に付勢されて、第２弾性部材７６が第２弁座６６に着座している。従って、導入ポート５６は、第１導出ポート５８に連通する一方、第２導出ポート６２が閉塞されている。

このため、導入ポート５６に導入される排ガスは、第１導出ポート５８から水素循環流路４０を通ってエゼクタ４６に供給される。図１に示すように、排ガスは、エゼクタ４６の吸引作用下に、水素供給流路３８の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック２２内に燃料ガスとして供給される。

次いで、水素循環流路４０に進入した窒素や過剰な水分をこの水素循環流路４０から排出（パージ）する際には、弁機構４８を構成する駆動部５４が付勢される。すなわち、図３に示すように、ソレノイド部６９の励磁作用下に、シャフト７０が矢印Ｂ２方向に変位する。これにより、シャフト７０の小径部先端に装着されている弁体６８が矢印Ｂ２方向に移動し、第２弾性部材７６は第２弁座６６から離間する一方、第１弾性部材７４は第１弁座６４に着座する。

従って、導入ポート５６と第２導出ポート６２とが連通する一方、第１導出ポート５８が閉塞される。このため、導入ポート５６に導入された排ガスは、第２導出ポート６２からパージ流路６０に排出され、この排ガスに混在する窒素や水分が廃棄される。

この場合、本実施形態では、導入ポート５６と第２導出ポート６２とが連通する際、すなわち、水素循環流路４０がパージ流路６０に連通する際、弁体６８が第１弁座６４に着座して第１導出ポート５８が閉塞されている（図３参照）。これにより、水素循環流路４０の排ガスをパージする際に、水素タンク４２からエゼクタ４６を介して弁機構４８に水素ガスが逆流することを確実に阻止することができる。従って、実質的に３ポート弁を構成する弁機構４８を用いるだけで、従来の逆止弁が不要になり、燃料電池システム２０全体の構成が有効に簡素化されるとともに、前記燃料電池システム２０を経済的に得ることが可能になるという効果がある。

しかも、弁機構４８は、水素循環流路４０の途上に配置されている。このため、弁機構４８は、水素循環流路４０を流れる比較的高温の排ガスに、常時、曝されており、燃料電池システム２０の起動時に前記弁機構４８に凍結が惹起されることがない。特に、低温始動時には、弁機構４８の解氷が迅速に遂行され、燃料電池システム２０の始動が効率的に行われるという利点が得られる。

さらに、第２弁座６６の開口面積を絞ることにより、パージ流路６０に排出される排ガスの流量調整機能を有することができる。また、第２弁座６６には、常に、高温の排ガスが触れているため、前記第２弁座６６は、水の凍結による作動不良を良好に阻止することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施形態に係る弁機構の断面図である。 前記弁機構の動作を説明する断面図である。 特許文献１に係る流量制御バルブの断面図である。 前記流量制御バルブを組み込む燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

２０…燃料電池システム ２２…燃料電池スタック
２４…発電セル ２６ａ、２６ｂ…エンドプレート
２８…電解質膜・電極構造体 ３０、３２…セパレータ
３４ａ…水素供給口 ３４ｂ…水素排出口
３８…水素供給流路 ４０…水素循環流路
４２…水素タンク ４４…レギュレータ
４６…エゼクタ ４８…弁機構
５２…本体部 ５４…駆動部
５６…導入ポート ５８、６２…導出ポート
６０…パージ流路 ６４、６６…弁座
６８…弁体 ７４、７６…弾性部材

Claims (2)

1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路の途上に戻して該燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス循環流路の途上に配設される弁機構を備え、
   前記弁機構は、前記燃料電池から前記燃料ガス循環流路に排出された前記排ガスが導入される導入ポートと、
   前記排ガスを前記燃料ガス供給流路に戻す第１導出ポートと、
   前記排ガスを廃棄するためのパージ流路に該排ガスを排出する第２導出ポートと、
   を設けるとともに、
   前記導入ポートと前記第１導出ポートとが連通する際に前記第２導出ポートが閉塞される一方、前記導入ポートと前記第２導出ポートとが連通する際に前記第１導出ポートが閉塞されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路を備える燃料電池システムを構成し、前記燃料ガス循環流路の途上に配設される弁機構であって、
   前記排ガスが導入される導入ポート、前記排ガスを前記燃料電池に戻す第１導出ポート、および前記排ガスを廃棄するためのパージ流路に該排ガスを排出する第２導出ポートが設けられる本体部と、
   前記第１および第２導出ポートに設けられる第１および第２弁座と、
   駆動部の作用下に一方向に変位する際に前記第１弁座に着座し、かつ他方向に変位する際に前記第２弁座に着座する弁体と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの弁機構。
   
   

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