JP2009259577A

JP2009259577A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2009259577A
Application number: JP2008106763A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Fukuma; 一教福間
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: JP5328213B2

Abstract

【課題】締め切り性を十分に確保できるバタフライバルブを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０に接続されて空気が流通するエア供給配管２１およびエア排出配管２２と、を備える。エア供給配管２１およびエア排出配管２２には、空気の流量を制御するバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂが設けられる。バタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂは、ノーマルクローズ構造であり、筒状のハウジング４１と、ハウジング４１の内壁面に沿って設けられた環状のバルブシート部４２と、バルブシート部４２の一端面側に設けられた弁体４３と、弁体４３を貫通して回動可能に軸支するシャフト軸４５と、を備える。弁体４３のバルブシート部４２に着座するバルブシール面４４は、燃料電池１０側に設けられ、シャフト軸４５は、弁体４３に対して燃料電池１０と反対側にオフセットしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、バタフライバルブを備える燃料電池システムに関する。

従来より、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス流路と、を備える。

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（陽極）およびカソード電極（陰極）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。

この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空気を供給すると、電気化学反応により発電する。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、燃料電池が注目されている。

ところで、以上の燃料電池システムでは、燃料電池のカソード電極には、カソード配管を通して、カソードガスが供給される。このカソード配管を流通するカソードガスは大流量であるため、このカソード配管には、大流量の制御に適したバタフライバルブが設けられる。
ここで、燃料電池が停止した後に燃料電池に反応ガスが流入すると、反応ガスの化学反応により電位が上昇して固体高分子電解質膜が劣化するため、このバタフライバルブには、締め切り性が要求される。

そこで、バタフライバルブとしては、例えば、以下のような構造が提案されている（特許文献１参照）。すなわち、バタフライバルブは、筒状のハウジングと、このハウジングの内壁面に沿って設けられて軸心がずれた２つの環状のバルブシート部と、この２つのバルブシート部の間に回動可能に軸支された平盤状の弁体と、を備える。この弁体の回転軸は、弁体の厚さ方向の中心に設けられている。

このバタフライバルブによれば、弁体を回動して、弁体の延出方向をハウジングの延出方向に略垂直にすることにより、弁体の周縁部が環状のバルブシート部に密着し、バタフライバルブが閉鎖される。一方、この弁体を回動して、弁体の延出方向をハウジングの延出方向に略平行にすることにより、弁体の周縁部が環状のバルブシート部から離隔して、バタフライバルブが開放される。ここで、２つのバルブシート部を、軸心をずらして配置し、これら２つのバルブシート部の間に弁体を設けたので、締め切り性が向上する。

特開２００４−２６３７２３号公報

しかしながら、上述のバタフライバルブは、弁体の中心に回転軸が設けられている。このため、弁体を回動させて、この弁体の周縁部を環状のバルブシート部に着座させようとしても、弁体の回転軸が設けられた部分は、バルブシート部に十分には密着しない。したがって、上述のバタフライバルブでは締め切り性を十分に確保できない、という問題があった。

本発明は、締め切り性を十分に確保できるバタフライバルブを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応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）と、当該燃料電池に接続されてカソードガスが流通するカソード流路（例えば、後述のエア供給配管２１およびエア排出配管２２）と、を備え、前記カソード流路には、カソードガスの流量を制御するバタフライバルブ（例えば、後述のバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂ）が設けられる燃料電池システムであって、前記バタフライバルブは、ノーマルクローズ構造であり、筒状のハウジング（例えば、後述のハウジング４１）と、当該ハウジングの内壁面に沿って設けられた環状のバルブシート部（例えば、後述のバルブシート部４２）と、当該バルブシート部の一端面側に設けられた弁体（例えば、後述の弁体４３）と、当該弁体を貫通して回動可能に軸支するシャフト軸（例えば、後述のシャフト軸４５）と、を備え、前記弁体の前記バルブシート部に着座するバルブシール面（例えば、後述のバルブシール面４４）は、前記燃料電池側に設けられ、前記シャフト軸は、前記弁体に対して前記燃料電池と反対側にオフセットすることを特徴とする。

この発明によれば、シャフト軸を、弁体に対して燃料電池と反対側にオフセットさせた。したがって、弁体の延出方向をハウジングの延出方向に略垂直にすると、弁体がバルブシート部に十分に密着するので、締め切り性を十分に確保できる。その結果、一つのバタフライバルブで、カソード流路の圧力を制御する機能と、燃料電池が停止した後にカソード流路を締め切る機能と、の両方の機能を有するので、小型化および軽量化を実現できる。よって、車両搭載性を向上でき、低コスト化できる。また、弁体の延出方向をハウジングの延出方向に略垂直にしてバタフライバルブを閉じても、シャフト軸と弁体のバルブシール面とは離間しているため、バタフライバルブからカソードガスが漏れるのを防止できる。

この場合、前記ハウジングの内壁面には、前記バルブシート部を保持する第１弾性体（例えば、後述のゴムリング４２１）が設けられ、当該第１弾性体は、前記弁体が前記バルブシート部に着座すると、前記弁体を調芯することが好ましい。

従来のバタフライバルブでは、弁体を回動して配管の開閉を繰り返すことにより、バルブシート部が磨耗し、その結果、バタフライバルブの耐久性が低下する、という問題があった。また、締め切り性を向上しようとすると、弁体やバルブシート部を高精度で組み付ける必要があるが、これら弁体やバルブシート部を高精度で組み付けようとすると、生産性が低下する、という問題があった。

しかしながら、この発明によれば、ハウジングの内壁面にバルブシート部を保持する第１弾性体を設け、弁体がバルブシート部に着座すると、この第１弾性体により、弁体の芯ずれを吸収して調芯させた。よって、バルブシート部の摩耗を低減でき、バタフライバルブの耐久性を向上できる。
また、第１弾性体により弁体を調芯させたので、弁体やバルブシート部を高精度で組み付ける必要がなく、生産性が低下するのを防止できる。

この場合、前記弁体と前記シャフト軸との間には、第２弾性体（例えば、後述のゴムリング４５１）が設けられ、当該第２弾性体は、前記弁体が前記バルブシート部に着座すると、前記弁体を調心することが好ましい。

この発明によれば、弁体とシャフト軸との間に第２弾性体を設け、弁体が前記バルブシート部に着座すると、この第２弾性体により、弁体の芯ずれを吸収して調芯させた。よって、バルブシート部の摩耗を低減でき、バタフライバルブの耐久性を向上できる。

この場合、前記ハウジングの内部には、前記バルブシート部を保持する第３弾性体（例えば、後述のスプリング４６）が設けられ、当該第３弾性体は、前記バルブシート部を前記弁体に向かって付勢することが好ましい。

この発明によれば、ハウジングの内部にバルブシート部を保持する第３弾性体を設け、この第３弾性体により、バルブシート部を弁体に向かって付勢した。よって、弁体がバルブシート部に着座すると、弁体とバルブシート部とが密着するので、バタフライバルブの締め切り性をさらに向上できる。

本発明によれば、シャフト軸を、弁体に対して燃料電池と反対側にオフセットさせた。したがって、弁体の延出方向をハウジングの延出方向に略垂直すると、弁体がバルブシート部に十分に密着するので、締め切り性を十分に確保できる。その結果、一つのバタフライバルブで、カソード流路の圧力を制御する機能と、燃料電池が停止した後にカソード流路を締め切る機能と、の両方の機能を有するので、小型化および軽量化を実現できる。よって、車両搭載性を向上でき、低コスト化できる。また、弁体の延出方向をハウジングの延出方向に略垂直にしてバタフライバルブを閉じても、シャフト軸と弁体のバルブシール面とは離間しているため、バタフライバルブからカソードガスが漏れるのを防止できる。

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。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）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（陰極）側にカソードガスとしての酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するカソードガス流路としてのエア供給配管２１と、燃料電池１０のカソード電極側から空気を排出するカソードガス流路としてのエア排出配管２２と、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を流通する空気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を流通する空気に加える。

エア供給配管２１およびエア排出配管２２のうち加湿器２３を挟んで燃料電池１０と反対側の部分には、それぞれ、空気の流量を制御するバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂが設けられる。
制御装置３０は、これらバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂを開閉する。

図２は、バタフライバルブ４０Ａの縦断面の斜視図である。以下、バタフライバルブ４０Ａについて説明するが、バタフライバルブ４０Ｂもこのバタフライバルブ４０Ａと同様の構造である。
バタフライバルブ４０Ａは、ノーマルクローズ構造であり、筒状のハウジング４１と、当該ハウジング４１の内壁面に沿って設けられた円環状のバルブシート部４２と、バルブシート部４２の一端面側に設けられた円盤形状の弁体４３と、この弁体４３を貫通して回動可能に軸支するシャフト軸４５（図３参照）と、ハウジング４１の内部に設けられてバルブシート部４２を保持する第３弾性体としてのスプリング４６と、を備える。

ハウジング４１の一端側は、エア供給配管２１を介して燃料電池１０に接続され、ハウジング４１の他端は、エア供給配管２１を介して図示しないエアポンプに接続される。

ハウジング４１は、円筒形状のハウジング本体４１１と、このハウジング本体４１１の両端側に設けられた継手４１２と、を備える。
ハウジング本体４１１の内壁面には、周方向に沿って段差４１３が形成され、ハウジング４１の段差４１３よりも一端側の内径は、ハウジング４１の段差４１３よりも他端側の内径よりも、大きくなっている。また、ハウジング４１の段差４１３よりも他端側の内壁面には、一対の軸受４１４が互いに対向して設けられている（図３参照）。

バルブシート部４２は、ハウジング４１の段差４１３よりも一端側の内壁面に嵌合されている。

バルブシート部４２の外周面には、周方向に沿って延びる凹部４２２が形成され、この凹部４２２には、バルブシート部４２を保持する第１弾性体としてのゴムリング４２１が設けられている。すなわち、ゴムリング４２１は、ハウジング４１の内壁面に設けられている。

図３は、バタフライバルブ４０Ａの弁体４３の横断面図である。
弁体４３は、円盤形状の本体４３１と、この本体４３１の一端面側に設けられてシャフト軸４５が貫通する貫通孔４３３が形成されたシャフト貫通部４３２と、を備える。

この弁体４３は、弁体４３のシャフト貫通部４３２とは反対側の面が燃料電池１０側を向くように、配置される。この弁体４３の本体４３１の燃料電池１０側の周縁は、バルブシール面４４となっている。

バルブシート部４２および弁体４３のうちの一方は、ステンレス鋼または非鉄金属で形成され、他方は、樹脂またはゴムで形成される。

シャフト軸４５は、弁体４３の貫通孔４３３を貫通して設けられ、ハウジング４１の一対の軸受４１４に回動可能に支持される。このシャフト軸４５は、図示しない駆動手段により、弁体４３とともに回動する。つまり、シャフト軸４５は、弁体４３に対して、燃料電池１０と反対側にオフセットしている。

シャフト軸４５のうち弁体４３の貫通孔４３３に対向する部分には、第２弾性体としての一対の環状のゴムリング４５１が嵌め込まれており、これにより、弁体４３とシャフト軸４５との間には、ゴムリング４５１が設けられることになる。

スプリング４６は、ハウジング４１の段差４１３よりも一端側に設けられ、円環状の支持部４７を介して、バルブシート部４２を段差４１３に向かって付勢している。

以上のバタフライバルブ４０Ａは、以下のように動作する。
図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、弁体４３を回動して、弁体４３の延出方向をハウジング４１の延出方向に略垂直にすることにより、弁体４３のバルブシール面４４が環状のバルブシート部４２に着座し、バタフライバルブ４０Ａが閉鎖される。
このとき、弁体４３がバルブシート部４２に着座すると、ゴムリング４２１およびゴムリング４５１は、弁体４３を調芯する。また、スプリング４６により、バルブシート部４２を弁体４３に向かって付勢する。

一方、この弁体４３を回動して、弁体４３の延出方向をハウジング４１の延出方向に略平行にすることにより、弁体４３の周縁部がバルブシート部４２から離隔して、バタフライバルブ４０Ａが開放される。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）シャフト軸４５を、弁体４３に対して燃料電池１０と反対側にオフセットさせた。したがって、弁体４３の延出方向をハウジング４１の延出方向に略垂直にすると、弁体４３がバルブシート部４２に十分に密着するので、締め切り性を十分に確保できる。その結果、一つのバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂで、配管２１、２２の圧力を制御する機能と、燃料電池１０が停止した後に配管２１、２２を締め切る機能と、の両方の機能を有するので、小型化および軽量化を実現できる。よって、車両搭載性を向上でき、低コスト化できる。また、弁体４３の延出方向をハウジング４１の延出方向に略垂直にしてバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂを閉じても、シャフト軸４５と弁体４３のバルブシール面４４とは離間しているため、バタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂから空気が漏れるのを防止できる。

（２）ハウジング４１の内壁面にバルブシート部４２を保持するゴムリング４２１を設け、弁体４３がバルブシート部４２に着座すると、このゴムリング４２１により、弁体４３芯ずれを吸収して調芯させた。よって、バルブシート部４２の摩耗を低減でき、バタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂの耐久性を向上できる。
また、ゴムリング４２１により弁体４３を調芯させたので、弁体４３やバルブシート部４２を高精度で組み付ける必要がなく、生産性が低下するのを防止できる。

（３）弁体４３とシャフト軸４５との間にゴムリング４５１を設け、弁体４３がバルブシート部４２に着座すると、このゴムリング４５１により、弁体４３の芯ずれを吸収して調芯させた。よって、バルブシート部４２の摩耗を低減でき、バタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂの耐久性を向上できる。

（４）ハウジング４１の内部にバルブシート部４２を保持するスプリング４６を設け、このスプリング４６により、バルブシート部４２を弁体４３に向かって付勢した。よって、弁体４３がバルブシート部４２に着座すると、弁体４３とバルブシート部４２とが密着するので、バタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂの締め切り性をさらに向上できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、バタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂを、エア供給配管２１およびエア排出配管２２のうち加湿器２３を挟んで燃料電池１０と反対側の部分に設けたが、これに限らない。すなわち、図５に示すように、燃料電池システム１Ａのバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂを、エア供給配管２１およびエア排出配管２２のうち加湿器２３と燃料電池１０との間の部分に設けてもよい。

また、本実施形態では、バタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂについて、ハウジング４１の内壁面にバルブシート部４２を保持するゴムリング４２１を設けるとともに、弁体４３とシャフト軸４５との間にゴムリング４５１を設けたが、これに限らない。すなわち、ゴムリング４２１およびゴムリング４５１のうちどちらか一方のみを設けて、弁体４３を調芯してもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。前記実施形態に係るバタフライバルブの縦断面の斜視図である。前記実施形態に係るバタフライバルブの横断面の断面図である。前記実施形態に係る弁体とバルブシート部との相対位置の変化を説明するための斜視図である。本発明の変形例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
２０供給装置
２１エア供給配管（カソード流路）
２２エア排出配管（カソード流路）
４０Ａ、４０Ｂバタフライバルブ
４１ハウジング
４２バルブシート部
４３弁体
４４バルブシール面
４５シャフト軸
４６スプリング（第３弾性体）
４２１ゴムリング（第１弾性体）
４５１ゴムリング（第２弾性体）

Claims

反応ガスの反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池に接続されてカソードガスが流通するカソード流路と、を備え、前記カソード流路には、カソードガスの流量を制御するバタフライバルブが設けられる燃料電池システムであって、
前記バタフライバルブは、ノーマルクローズ構造であり、筒状のハウジングと、当該ハウジングの内壁面に沿って設けられた環状のバルブシート部と、当該バルブシート部の一端面側に設けられた弁体と、当該弁体を貫通して回動可能に軸支するシャフト軸と、を備え、
前記弁体の前記バルブシート部に着座するバルブシール面は、前記燃料電池側に設けられ、
前記シャフト軸は、前記弁体に対して前記燃料電池と反対側にオフセットすることを特徴とする燃料電池システム。
前記ハウジングの内壁面には、前記バルブシート部を保持する第１弾性体が設けられ、
当該第１弾性体は、前記弁体が前記バルブシート部に着座すると、前記弁体を調芯することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記弁体と前記シャフト軸との間には、第２弾性体が設けられ、
当該第２弾性体は、前記弁体が前記バルブシート部に着座すると、前記弁体を調心することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記ハウジングの内部には、前記バルブシート部を保持する第３弾性体が設けられ、
当該第３弾性体は、前記バルブシート部を前記弁体に向かって付勢することを特徴とする請求項１から３いずれか記載の燃料電池システム。