JP2008116024A - 燃料電池用排気排水弁 - Google Patents

Abstract

【課題】低温時において、水分によりシールゴムとシート部とが凍結固着しにくく、簡易な構成の燃料電池用排気排水弁を提供する。
【解決手段】燃料電池の反応ガス供給排出流路内に設置されるバルブドレイン装置１０に設けられ、バルブホルダ４により保持されて摺動することで排出口５の開閉を行うシールゴム２と、排出口５の周囲においてシールゴム２が当接するシート部３とを有し、シールゴム２がシート部３から離間することで、排水及び排気を行う燃料電池用排気排水弁１であって、シールゴム２のシート部３側の表面には撥水性コーティング剤１４が塗布され、シールゴム２の表面に付着する水分による凍結固着を防止する。また、シート部３のシールゴム２と当接する表面には、親水性コーティング剤１７が塗布され、シート部３の表面に付着する水分による凍結固着を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用排気排水弁に係り、特に、燃料電池の反応ガス供給排出流路内に設置されるバルブドレイン装置に設けられ、バルブホルダにより保持されて摺動することで排出口の開閉を行うシールゴムと、排出口の周囲においてシールゴムが当接するシート部とを有し、シールゴムがシート部から離間することで、排水及び排気を行う燃料電池用排気排水弁に関する。

燃料電池は、燃料ガスを燃料極（アノード電極）に供給し、酸化ガスを酸化剤極（カソード電極）に供給することにより、燃料ガスと酸化ガスを電気化学的に反応させて発電する。図６に、燃料電池の燃料ガス供給排出流路及び酸化ガス供給排出流路を示す。燃料電池には、燃料電池本体３０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路３１、燃料電池本体３０から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出流路３２、燃料電池本体３０に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路３３、及び燃料電池本体３０から酸化ガスを排出するための酸化ガス排出流路３４が設けられる。本明細書では、これらの流路を総称して反応ガス供給排出流路という。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）では、通常、プロトン伝導体であるフッ素樹脂系イオン交換膜からなる電解質膜を、その両面から触媒層及びガス拡散層からなるアノードとカソードが挟みこみ、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が構成される。このＭＥＡのアノード側に、例えば水素である燃料ガスを流し、ＭＥＡのカソード側に例えば酸素である酸化ガスを流すと、両方の触媒層において化学反応が生じる。アノード側では、水素がプロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分離し、このプロトンは、水分子を伴って電解質膜中を移動する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード側に移動する。また、カソード側では、酸化剤中の酸素とアノード側から移動したプロトンと電子とが反応して水が生成される（以下、生成水という）。

燃料電池用排気排水弁は、燃料電池の反応ガス供給排出流路内に設置され水分を排出するバルブドレイン装置に設けられる。本発明に係る燃料電池用排気排水弁を有するバルブドレイン装置はこれら全てを対象とするが、特に、図６に示す、燃料ガス排出流路３２内の燃料ガス循環系４０に設置されるバルブドレイン装置を対象とする。そこで、以下に、その燃料ガス循環系４０について説明する。

燃料電池における電気化学的な反応においては、供給された総ての燃料ガスが電気化学的な反応に使用されるわけではない。そこで、燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスを再循環させる燃料ガス循環系４０が設けられ、燃料ガスの有効利用が図られている。

図６に示すように、燃料電池本体３０の燃料ガス排出口４１から排出される排出ガスは、燃料ガスとしての水素と、気体状の水蒸気と、燃料電池の電気化学的な反応により生成された生成水と、窒素とが混合した気液混合流体となる。この排出ガスに含まれる水分を除去し、燃料ガスを燃料ガス供給流路３１へと循環させるために、燃料ガス排出流路３２には気液分離器３５が配設される。さらに、気液分離器３５から気液混合流体排出流路４４によりバルブドレイン装置５０が接続される。そして、気液分離器３５により分離された排出ガスに含まれる生成水等の水分及び窒素等のガスは、バルブドレイン装置５０に設けられた燃料電池用排気排水弁５１を通じて外部に排出される。また、気液分離器３５により分離された燃料ガスはガス排出口４２から排出され、燃料ガスタンク３９から新たに供給される燃料ガスと、例えば加湿器３８で合流して混合される。そして、混合された燃料ガスは、燃料ガス供給流路３１を経由して燃料ガス供給口４３へと流通し、燃料電池本体３０へ流入して再利用される。

図７に、従来の燃料電池用排気排水弁を含むバルブドレイン装置全体の概略構成を示す。バルブドレイン装置５０は、気液分離器締結フランジ５７により気液混合流体排出流路４４と接続する。また、気液分離器３５から流入する気液混合流体を、燃料電池用排気排水弁５１を通じて排出口５５から排出する。燃料電池用排気排水弁５１は、バルブホルダ５４により保持されて摺動することで排出口５５の開閉を行うシールゴム５２と、排出口５５の周囲においてシールゴム５２が当接するシート部５３とを有し、シールゴム５２がシート部５３から離間することで、排水及び排気を行う。

上述したように、このバルブドレイン装置５０は、燃料電池本体３０から排出される生成水等の水分の排出を行うため、例えば冬季などの低温時には、この水分がシールゴム５２又はシート部５３に固着凍結する場合がある。このため、このバルブドレイン装置５０には、バイパス流路（図示せず）と流通するガスパージ用フランジ５６が設けられ、シールゴム５２とシート部５３が低温時に固着凍結した場合に、例えば窒素ガスなどを外部に排出する。このことで、循環させる燃料ガスの水素濃度を上げ、燃料電池本体３０の発電に支障が発生しない。

また、このシールゴム５２には、低温時であってもゴム自体が固まらないエチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）が採用され低温対策が採られている。

一方、特許文献１には、燃料電池システムにおいて、燃料ガス排出経路内の気液分離器に接続される排出バルブが開示されている。

特開２００５−３０２７０８号公報

上述したように、従来から燃料電池用排気排水弁には冬季などの低温時に対する各種の対策が採用されている。しかし、水分を排出するバルブドレイン装置の燃料電池用排気排水弁において、シールゴムとシート部がその水分により凍結固着してしまう場合がある。排気排水弁は、通常は閉じた状態で放置されている。その放置中に燃料電池用排気排水弁内に流れ込んだ水分が気温の低下により凍結すると、その車両の始動時にシールゴムが凍結固着により摺動しなくなる場合がある。また、掃気が不十分な場合に水分が燃料電池用排気排水弁の周囲に残り、その水分が気温の低下により凍結すると、その車両の始動時にシールゴムが凍結固着により摺動しなくなる場合がある。

また、このシールゴムとシート部との凍結固着により、凍結が解凍されるまで燃料ガス循環系において窒素ガス等が燃料ガス排出経路から排出できなくなり、燃料ガス供給経路へと循環し燃料電池本体へと流入してしまう。この場合、ガスパージ用フランジをバイパス流路として窒素ガス等の排出に用いなければならず、燃料ガス排出流路が複雑な構成となる。

本願の目的は、かかる課題を解決し、低温時にシールゴムとシート部とが水分により凍結固着しにくい燃料電池用排気排水弁を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池用排気排水弁は、燃料電池の反応ガス供給排出流路内に設置されるバルブドレイン装置に設けられ、バルブホルダにより保持されて摺動することで排出口の開閉を行うシールゴムと、排出口の周囲においてシールゴムが当接するシート部とを有し、シールゴムがシート部から離間することで、排水及び排気を行う燃料電池用排気排水弁であって、シールゴムのシート部側の表面には撥水性を有するコーティング剤が塗布され、シールゴムの表面に付着した水分による凍結固着を防止することを特徴とする。

また、燃料電池用排気排水弁は、シート部のシールゴムと当接する表面に親水性を有するコーティング剤が塗布されることが好ましい。

また、燃料電池用排気排水弁は、シールゴムのシート部側であって排水口に面する部分が突出していることが好ましい。

また、燃料電池用排気排水弁は、シールゴムのシート部側であって排水口に面する部分が、排水口の中央部に向かって傾斜して突出していることが好ましい。

さらに、燃料電池用排気排水弁は、シールゴムのシート部側であって排水口に面する部分には、突起が設けられていることが好ましい。

上記構成により、燃料電池用排気排水弁は、シールゴムのシート部側の表面に撥水性を有するコーティング剤を塗布し、シールゴムの表面に付着する水分によりシールゴムとシート部とが凍結固着を防止することが可能となる。

これにより、従来設けられていたガスパージ用のバイパス流路が不要となり、燃料電池用排気排水弁を簡易な構成とすることが可能となる。

以上のように、本発明に係る燃料電池用排気排水弁によれば、低温時にシールゴムとシート部とが水分により凍結固着しにくく、簡易な構成の燃料電池用排気排水弁を提供することが可能となる。

以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。

図１に、燃料電池用排気排水弁を含むバルブドレイン装置１０の１つの実施形態の概略構成を示す

図１を用いて、バルブドレイン装置１０の機能を説明する。このバルブドレイン装置１０は、電磁コイル１３の操作力により弁の開閉を行なう直動式電磁弁である。電磁コイル１３に通電されると鉄製のコア８が帯電し、これによりスリーブ９及びダイアフラム１１を介してプランジャ１２が図１の矢印の方向に摺動する。このプランジャ１２の摺動は、さらにバルブホルダ４に伝達され、バルブホルダ４と接着されたシールゴム２が図１の矢印の方向に摺動する。このシールゴム２には、撥水コーティング剤１４が塗布される。一方、排出口５の周囲においてシールゴム２が当接するシート部３は、バルブドレイン装置１０に固定されている。

バルブドレイン装置１０は、気液分離器締結フランジ７を有し、図６に示すように気液分離器３５から伸びる気液混合流体排出流路４４と接続する。そして、気液分離器３５から燃料ガスとしての水素と、気体状の水蒸気と、燃料電池の電気化学的な反応により生成された生成水と、窒素とが混合した気液混合流体が流入する。また、気液分離器３５から流入した気液混合流体は、燃料電池用排気排水弁１を通じて排出口５から排出される。なお、本実施形態では、図７に示す従来技術において、バイパス流路（図示せず）に接続するためのガスパージ用フランジ５６は不要となる。

図２に、燃料電池用排気排水弁１の拡大された断面の詳細を示す。燃料電池用排気排水弁１は、バルブホルダ４により保持されて摺動する円盤状のシールゴム２と、排出口５の周囲においてシールゴム２が当接するシート部３とから構成される。また、本実施形態では、シールゴム２のシート部３側の表面には撥水性コーティング剤１４が塗布される。シート部３とは、排水口５の周囲部分であって、シールゴム２と当接する円環状の部分をいう。この円環状の部分は、シールゴム２と密着してバルブを閉鎖しなければならない。従って、シール性を確保するだけの面積が必要となる。また、電磁コイル１３の操作力による面圧に耐えなければならず、ある程度の面積を要する。

図２（ａ）は、燃料電池用排気排水弁１が閉じている状態を示し、図２（ｂ）は、燃料電池用排気排水弁１が開いている状態を示す。燃料電池用排気排水弁１は、通常は図２（ａ）のように閉じている。この状態で気液分離器３５から流入した水分（図２において小円で表す）及び窒素等のガスは流入口１５に貯留する。プランジャ１２が電磁コイル１３によって吸引されると図２（ｂ）に示すように、シールゴム２がシート部３から離間し間隙１６が発生する。この離間する幅（ｄ）は、通常約０．９ｍｍ程度である。これにより、水分（図２において小円で表す）及び窒素等のガスは、この間隙１６を通過して排出口５から排水又は排気される。

図２（ａ）の状態で放置されている場合、シールゴム２とシート部３との間隙１６に付着した水分が気温の低下により凍結すると、その車両の始動時にシールゴム２とシート部３とが凍結固着する。また、掃気が不十分な場合に水分がシールゴム２又はシート部３の周囲に残り、その水分が気温の低下により凍結すると、その車両の始動時にシールゴム２とシート部３とが凍結固着する。なお、このシールゴム２には、低温時であってもゴムが固まらないエチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）が用いられる。本実施形態では、この凍結固着を防止するために、シールゴム２のシート部３側における円盤状の表面に撥水性コーティング剤１４が塗布される。これにより、図２（ｂ）の状態で、シールゴム２とシート部３との間隙１６を通過する際に、シールゴム２の表面に付着した水分は、撥水性コーティング剤１４により、排水口５へと滴下する。

ここで、撥水性コーティング剤１４とは、そのコーティングされた表面に滴下された水をはじく性質を有し、滴下された水を水滴状にする剤をいう。つまり、シールゴム２の表面に付着した水分は、撥水性コーティング剤１４によりはじかれ、水滴状となる。さらに、シールゴム２のシート部３側の表面は重力方向に向いていることから、水滴となって落下する。これにより、シールゴム２の表面に付着する水分によりシールゴム２とシート部３とが凍結固着を防止することが可能となる。

図３に、本発明に係る他の実施形態を示す。本実施形態では、シート部３のシールゴム２と当接する円環状の表面には、親水性コーティング剤１７が塗布される。これにより、図２（ｂ）の状態で、シールゴム２とシート部３との間隙１６を通過する際に、シート部３の表面に付着した水分は、親水性コーティング剤１７により、シート部３から外周へと滑り落ちる。これは、図３に示すように、シート部３は、外周部１９より一段せり上がった位置にあり、シート部３と外周部１９とは、傾斜部１８により高さ調節されている。この傾斜により、シート部３に付着した水分は、シート部３に付着せずに流され、傾斜部１８に流れ落ち外周部１９へと向かう。

ここで、親水性コーティング剤１７とは、そのコーティングされた表面に滴下された水を拡散させる性質を有し、滴下された水を水滴状にせずにそのまま流す剤をいう。つまり、シート部３の表面に付着した水分は、親水性コーティング剤１７により流され外周部１９に貯まる。これにより、シート部３の表面に付着する水分によりシールゴム２とシート部３とが凍結固着を防止することが可能となる。

図４に、本発明に係る他の実施形態として、シールゴム２の排水口５に面する部分が、排水口５の中央部に向かって傾斜し、山形の突出部２０を形成している場合を示す。このような傾斜により、撥水性コーティング剤１４により水滴状となった水分は、重力方向に落下し、この傾斜面を伝わって突出部２０の中央付近に集まり、さらに大きな液滴となって排水口５に滴下しやすくなる。これにより、シート部３の表面に付着する水分によりシールゴム２とシート部３とが凍結固着することをさらに的確に防止することが可能となる。なお、この突出部２０の形状は、この山形の傾斜に限らず、水滴状となった水分が中央付近に集合する形状であれば良い。

図５に、本発明に係る他の実施形態として、シールゴム２のシート部３側であって排水口５に面する部分は、突起体２１が設けられている場合を示す。この場合にも、撥水性コーティング剤１４により水滴状となった水分は、重力方向に落下し、この突起体２１を荷伝わって突起体２１の中央付近に集まり、さらに大きな液滴となって排水口５に滴下する。これにより、シート部３の表面に付着する水分によりシールゴム２とシート部３とが凍結固着することをさらに的確に防止することが可能となる。

本発明に係る燃料電池用排気排水弁を含むバルブドレイン装置の１つの実施形態の概略構成を示す断面図である。 本発明に係る燃料電池用排気排水弁１つの実施形態の拡大断面図である。 本発明に係る他の実施形態として、シート部のシールゴムと当接する表面に親水性コーティング剤が塗布される場合を示す拡大断面図である。 本発明に係る他の実施形態として、シールゴムの排水口に面する部分が、排水口の中央部に向かって傾斜している場合を示す拡大断面図である。 本発明に係る他の実施形態として、シールゴムのシート部側であって排水口に面する部分に突起が設けられている場合を示す拡大断面図である。 燃料電池の燃料ガス供給排出流路及び酸化ガス供給排出流路を示す説明図である。 従来の排気排水弁を含むバルブドレイン装置全体の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１，５１ 燃料電池用排気排水弁、２，５２ シールゴム、３，５３ シート部、４，５４ バルブホルダ、５,５５ 排出口、６,５６ ガスパージ用フランジ、７，５７ 気液分離器締結フランジ、８ コア、９ スリーブ、１０,５０ バルブドレイン装置、１１ ダイアフラム、１２ プランジャ、１３ 電磁コイル、１４ 撥水性コーティング剤、１５ 流入口、１６ 間隙、１７ 親水性コーティング剤、１８ 傾斜部、１９ 外周部、２０ 突出部、２１ 突起体、３０ 燃料電池本体、３１ 燃料ガス供給流路、３２ 燃料ガス排出流路、３３ 酸化ガス供給流路、３４ 酸化ガス排出流路、３５ 気液分離器、３７ 圧縮器、３８ 加湿器、３９ 燃料ガスタンク、４０ 燃料ガス循環系、４１ 燃料ガス排出口、４２ ガス排出口、４３ 燃料ガス供給口、４４ 気液混合流体排出流路。

Claims (5)

1. 燃料電池の反応ガス供給排出流路内に設置されるバルブドレイン装置に設けられ、バルブホルダにより保持されて摺動することで排出口の開閉を行うシールゴムと、排出口の周囲においてシールゴムが当接するシート部とを有し、シールゴムがシート部から離間することで、排水及び排気を行う燃料電池用排気排水弁であって、
   シールゴムのシート部側の表面には撥水性を有するコーティング剤が塗布され、シールゴムの表面に付着した水分による凍結固着を防止することを特徴とする燃料電池用排気排水弁。
2. 請求項１に記載の燃料電池用排気排水弁において、シート部のシールゴムと当接する表面には、親水性を有するコーティング剤が塗布されることを特徴とする燃料電池用排気排水弁。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池用排気排水弁において、シールゴムのシート部側であって排水口に面する部分が突出していることを特徴とする燃料電池用排気排水弁。
4. 請求項３に記載の燃料電池用排気排水弁において、シールゴムのシート部側であって排水口に面する部分は、排水口の中央部に向かって傾斜して突出していることを特徴とする燃料電池用排気排水弁。
5. 請求項３に記載の燃料電池用排気排水弁において、シールゴムのシート部側であって排水口に面する部分には、突起が設けられていることを特徴とする燃料電池用排気排水弁。

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