JP2011003524A - 燃料電池スタック用統合型バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池シャットダウン時に空気極に空気が流入するのを遮断してスタック内の触媒劣化の防止及びスタックの耐久性の向上を図ることができ、効果的な水の除去を通して低温始動性を向上させることができる燃料電池スタック用統合型バルブ装置を提供する。
【解決手段】燃料電池シャットダウン時、空気極に空気が入っていくのを遮断するエア遮断バルブ１０と、水を除去するための乾燥ガスパージ用でありながらエア遮断機能を兼備するバイパスバルブ２０を、所定の駆動手段により同時開閉が可能となるように同軸に連結して一つに統合させ、エア遮断バルブ１０は、２ウェイバルブとして加湿器出口と空気極入口間の空気供給ラインに形成される第１ハウジング１７と、この第１ハウジング内に回転可能に内設される第１バルブ板１８とで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池スタック用統合型バルブ装置に係り、より詳しくは、燃料電池シャットダウン時に空気流入を遮断するエア遮断バルブ及び低温始動性の改善のために、乾燥ガスパージのためのバルブを同時開閉作動できるように同軸に連結させた新しい構造の燃料電池スタック用統合型バルブ装置に関する。

燃料電池車両のスタートアップ及びシャットダウン過程で燃料電池スタックの触媒劣化が深刻に発生することが知られている。図１０に示す運転モード別触媒劣化寄与図から分かるように、アイドリング及びローディングサイクルに比べて燃料電池のスタートアップ及びシャットダウン時、スタック内の各電極（空気極及び燃料極）触媒の劣化が多く発生することが報告されている。

このような燃料電池車両の始動過程、即ち、スタートアップ及びシャットダウン過程で電極触媒に対する劣化が発生するメカニズムを図７を参照して説明する。
まず、燃料電池シャットダウン時、燃料極（ａｎｏｄｅ：水素極）１００に残存する水素と空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）２００に残存する空気（酸素及び窒素）間の化学的反応が発生して、それによりＯＣＶが発生する。このＯＣＶはスタック内の触媒担持カーボンの腐食を招くと共にスタックの耐久性の低下をもたらすため、一種の抵抗体であるＣＯＤ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）３００がスタックの両端子に連結されてＯＣＶを除去する。
それにもかかわらず、空気極に分圧による酸素が侵入して、燃料極に移るクロスオーバー現象が発生する。

その後、燃料電池のスタートアップが行われるとき、燃料電池の正常な電気生成のための反応が起きると共に、図９に示すように燃料極１００に酸素が移るクロスオーバー現象により燃料極で非正常な水の生成を招き、空気極２００出口側では炭素担持及びカーボンの腐食による触媒の離脱が発生してスタックの性能を低下させる問題点がある。
このような問題点を解決するため、一例として従来技術では図５に示すように空気極入口及び出口に各々第１及び第２エア遮断バルブ４００ａ、４００ｂを別に設置して、燃料電池の始動過程、即ち、燃料電池のシャットダウンからスタートアップの間に触媒の劣化を発生させる原因となる空気（酸素）が空気極に侵入することを遮断している。

一方、氷点下で燃料電池車両のスタートアップが容易に行われるように、シャットダウン前に燃料電池スタックの空気極内の水を凍らないようにあらかじめ除去しなければならないが、このような水の除去のための方法の一つとして空気ブロワーを利用したガスパージ法が使用されている。しかし、パージされる排出水が加湿器を通してスタックに再循環されて水の除去が完全に行われないという問題点がある。
即ち、図６（ａ）に示すように、スタックの空気極２００から排出される湿潤状態のガスを加湿器５００を通してパージしているため、加湿器５００内の湿潤状態ガスが空気ブロワー６００から供給される乾燥空気を加湿させながら、再びスタックの空気極２００に循環されて水の除去が完全に行われないという問題点がある。

このような点を勘案して、図６（ｂ）に示すように、水の除去のための別の方法として燃料電池スタック内に空気ブロワー６００からの乾燥空気のみを供給する乾燥空気パージ方法が適用されている。特に燃料電池スタックの空気極２００内の水を効果的に除去するために、図５に示すように、加湿器入口側に加湿器バイパスバルブ４００ｃを設置して空気極に入っていく湿潤ガスをバイパスさせる方法が適用されている。

前述した湿潤状態のガスを加湿器を通してパージする方法と、乾燥空気のみを供給する乾燥空気のパージ方法の試験結果を図７（ａ）及び（ｂ）に示す。図７（ａ）及び（ｂ）に示す通り、湿潤状態のガスを加湿器を通してパージする方法は、スタック内の残存水の結氷による燃料電池セル電圧の降下により始動が不可能であることが分かる。反面、乾燥空気のみを供給する乾燥空気パージ方法は残存水の結氷によるセル電圧降下がなく、始動が可能であることが分かった。
そこで、加湿器入口側にバイパスバルブを設置して空気極から流入する湿潤ガスを外部にバイパスさせる方法がより有利であることが分かる。

このように、従来は燃料電池の始動過程で触媒の劣化を発生させる空気（酸素）が空気極に侵入するのを遮断するエア遮断バルブを空気極入口及び出口側に別に設置し、また、空気極に入っていく湿潤ガスを加湿器にバイパスさせるために加湿器入口側に別の加湿器バイパスバルブを更に設置していたが、バルブ設置空間を確保するのが困難であり、バルブ装着構造が複雑となるという問題点がある。
更に、数個のバルブを別に設置するための費用が増加する短所がある。

特開２００８−２２６５２０号公報

本発明は従来の諸般問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、燃料電池シャットダウン時に空気極に空気が流入するのを遮断してスタック内の触媒劣化の防止及びスタックの耐久性の向上を図ることができ、効果的な水の除去を通して低温始動性を向上させることができる燃料電池スタック用統合型バルブ装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、燃料電池シャットダウン時、空気極に空気が入っていくのを遮断するエア遮断バルブと、水を除去するための乾燥ガスパージ用でありながらエア遮断機能を兼備するバイパスバルブを、所定の駆動手段により同時開閉が可能となるように同軸に連結して一つに統合させることを特徴とする。

前記エア遮断バルブは、２ウェイバルブとして加湿器出口と空気極入口間の空気供給ラインに形成される第１ハウジングと、この第１ハウジング内に回転可能に内設される第１バルブ板とで構成されることを特徴とする。

前記バイパスバルブは、３ウェイバルブとして空気極出口と加湿器入口間の空気排出ラインと外気と通じる分岐ラインが互いに出会う位置に形成され、前記第１ハウジングと一直線上に位置するように形成される第２ハウジングと、この第２ハウジング内に回転可能なように内設される第２バルブ板とで構成されることを特徴とする。

前記駆動手段は、第１ハウジング内の第１バルブ板と第２ハウジング内の第２バルブ板を同軸に連結する駆動軸と、この駆動軸の一端に連結される減速ギアと、減速ギアと歯合される駆動ギアを有するモータとで構成されることを特徴とする。

前記第１ハウジング及び第２ハウジングは円筒形状に形成され、前記第１バルブ板及び第２バルブ板は各ハウジング内の表面に沿って回転するように扇形状に形成されることを特徴とする。

本発明の燃料電池スタック用統合型バルブ装置によると、空気極に空気が流入するのを遮断するエア遮断バルブと、水の除去のための乾燥ガスパージ用バイパスバルブを一つのモジュールに統合することで、スタック内の触媒劣化の防止及びスタック耐久性の向上を図ることができ、効果的な水の除去を通して低温始動性を向上させることができるのはもちろん、バルブ構成のための部品数を節減して原価節減を実現することができる。
即ち、燃料電池シャットダウン時、空気極に分圧による酸素が侵入するのを遮断して、クロスオーバー現象による空気極のカーボンの腐食による触媒離脱現象を防止することができ、それによってスタック内の触媒劣化の防止及びスタック耐久性を向上させることができる。

更に、本発明の統合型バルブ装置に依拠し、燃料電池シャットダウン前に乾燥空気のみが空気極に入っていくようにして、空気極内の水が外気に円滑に排出されるようにすることで、氷点下の条件でも残存数の結氷によるセル電圧の効果なく低温始動性を向上させることができる。

本発明による燃料電池スタック用統合型バルブ装置を表す斜視図である。 本発明による燃料電池スタック用統合型バルブ装置として、燃料電池のスタートアップ後の正常作動モードでのバルブ位置を表す斜視図である。 本発明による燃料電池スタック用統合型バルブ装置として、燃料電池シャットダウン時のバルブ作動位置を表す斜視図である。 本発明による燃料電池スタック用統合型バルブ装置として、燃料電池シャットダウン前に空気極内の水を除去するバルブ位置を表す斜視図である。 従来の燃料電池スタックにエア遮断バルブと、加湿器バイパスバルブが別に設置された状態を説明する概略図である。 （ａ）及び（ｂ）は湿潤ガスパージを通して水の排出を行う状態と、乾燥ガスパージを通して水の排出を行う状態を説明する概略図である。 （ａ）及び（ｂ）は湿潤ガスパージと乾燥ガスパージを通して行われる水の排出効率を説明する試験結果グラフである。 燃料電池車両の始動過程であるスタートアップ及びシャットダウン過程で電極触媒に対する劣化が発生するメカニズムを説明する概略図である。 燃料電池車両の始動過程であるスタートアップ及びシャットダウン過程で電極触媒に対する劣化が発生するメカニズムを説明する概略図である。 燃料電池車両の運転モード別触媒劣化頻度を説明するグラフである。

以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳しく説明する。
図１は本発明による燃料電池スタック用統合型バルブ装置を表す斜視図である。
燃料電池の始動過程、即ち、燃料電池のシャットダウンからスタートアップの間に触媒劣化を発生させる空気（酸素）が空気極に侵入するのを遮断するために、加湿器出口１２と燃料電池スタックの空気極入口１４との間にエア遮断バルブ１０を設置し、スタックの空気極内の水を除去するための乾燥ガスパージ用でありながら空気極に対するエア遮断機能を兼備するバイパスバルブ２０をスタックの空気極出口２４と加湿器入口２２との間に設置する。エア遮断バルブ１０とバイパスバルブ２０を同時開閉作動できるように同軸に連結して一つに統合させた点に特徴がある。

エア遮断バルブ１０は加湿器出口１２と空気極入口１４との間の空気供給ライン１６、即ち、Ｌ字形に垂直折曲される部位の空気供給ライン１６内に設置される２ウェイバルブとして、Ｌ字形に垂直折曲される部位の空気供給ライン１６に形成された円筒形の第１ハウジング１７と、この第１ハウジング１７内に回転可能なように内接されて第１ハウジング１７の内表面に沿って回転する第１バルブ板１８とで構成される。
バイパスバルブ２０は、空気極出口２４と加湿器入口２２との間の空気排出ライン２５と、外気と通じるように空気排出ライン２５から分岐された分岐ライン２６が互いに出会う位置に設置される３ウェイバルブとして、エア遮断バルブ１０の第１ハウジング１７と一直線上に位置される円筒形の第２ハウジング２７と、この第２ハウジング２７内に回転可能なように内設されて第２ハウジング２７の内表面に沿って回転する第２バルブ板２８とで構成される。

このとき、エア遮断バルブ１０の第１バルブ板及びバイパスバルブ２０の第２バルブ板２８は、円筒形に作られた第１ハウジング１７及び第２ハウジング２７の内表面に沿って容易に回転できるように扇形状で具備される。
エア遮断バルブ１０の第１バルブ板１８とバイパスバルブ２０の第２バルブ板２８は同軸に連結されて、同時に回転し開閉作動するが、その回転開閉作動のための駆動手段の一実施例は次の通りである。

駆動手段の一実施例では、第１ハウジング１７内の第１バルブ板１８と第２ハウジング２７内の第２バルブ板２８、即ち、扇形状の中心部（とがった部分）を同軸に連結する駆動軸３０を含む。
更に、前記第１ハウジング１７から延長された駆動軸３０の一端部には減速ギア３２が装着され、この減速ギア３２はモータ３６の軸に装着される駆動ギア３８と歯合される。
したがって、モータ３６の駆動と共に駆動ギア３８が回転すると、減速ギア３２で減速が行われた回転力が駆動軸３０に伝達され、次に駆動軸３０の回転によって第１バルブ板１８と第２バルブ板２８が同時に回転して開閉作動をする。

ここで、エア遮断バルブの第１バルブ板及びバイパスバルブの第２バルブ板が開閉作動する状況を説明する。
図２は燃料電池のスタートアップ後、正常作動モードで本発明の燃料電池スタック用統合型バルブ装置が作動する状態を表す斜視図である。
燃料電池スタートアップ後、正常な電気生成のためにスタックに水素及び空気供給が正常に行われなければならないため、加湿器出口１２と燃料電池スタックの空気極入口１４間の空気供給ライン１６を開状態に維持しなければならず、空気極出口２４と加湿器入口２２間の空気排出ライン２５も分岐ライン２６を塞ぐと同時に開状態に維持しなければならない。

従って、空気供給ライン１６の第１ハウジング１７内に設置された第１バルブ板１８は加湿器出口１２と空気極入口１４を互いに連通させる開位置（中立位置）に位置し、また、空気排出ライン２５の第２ハウジング２７内に設置された第２バルブ板２８も空気極出口２４と加湿器入口２２を互いに連通させる開位置（中立位置）に位置する。このとき第２バルブ板２８は外気と通じる分岐ライン２６を塞ぐ。
これによって、空気ブロワーから空気が加湿器で加湿された後、空気供給ライン１６に沿ってスタックの空気極に入り、燃料極の水素と反応して電気を生成する。
もちろん、スタックの空気極出口２４から排出された湿潤状態の空気は空気排出ライン２５に沿って加湿器入口２２を通して加湿器に流入し、空気ブロワーからの乾燥空気を加湿させる。

図３は燃料電池シャットダウン時、本発明の燃料電池スタック用統合型バルブ装置が作動する状態を表す斜視図である。
燃料電池のシャットダウンからスタートアップの間に触媒の劣化を発生させる空気（酸素）が空気極に侵入するのを遮断するために、燃料電池スタックの空気供給ライン１６を閉状態に維持しなければならず、空気極出口２４と加湿器入口２２間の空気排出ライン２５も閉状態に維持しなければならない。
従って、空気供給ライン１６の第１ハウジング１７内に設置された第１バルブ板１８は、前述した駆動手段の駆動により中立位置で反時計方向に９０度回転して加湿器出口１２と空気極入口１４を互いに塞ぐ閉位置に位置する。また、空気排出ライン２５の第２ハウジング２７内に設置された第２バルブ板２８も第１バルブ板１８と共に中立位置で反時計方向に９０度回転して空気極出口２４と加湿器入口２２を互いに塞ぐ閉位置に位置し、このときにも第２バルブ板２８は外気と通じる分岐ライン２６を塞ぐ。

これによって、加湿器出口１２と空気極入口１４が第１バルブ板１８により塞がれた状態でありながら、空気極出口２４と加湿器入口２２も第２バルブ板２８により塞がれた状態となることによって、燃料電池シャットダウン時、即ち、シャットダウンからスタートアップの間に空気極に分圧による酸素が侵入するのを第１バルブ板１８及び第２バルブ板２８で容易に遮断して既存のクロスオーバー現象を防止することができ、クロスオーバー現象による空気極のカーボンの腐食による触媒離脱現象を防止することができ、結局スタック内の触媒劣化の防止及びスタック耐久性を向上させることができる。

図４は本発明による燃料電池スタック用統合型バルブ装置のまた別の作動例として、燃料電池シャットダウン前に燃料電池スタックの空気極内の水を除去する状態を表す斜視図である。
氷点下の条件で燃料電池車両のスタートアップが容易に行われるようにシャットダウン前に、燃料電池スタックの空気極内の水を凍らないようにあらかじめ除去しなければならないが、乾燥空気のみをスタックに供給して水の排出が容易に行われるようにする。
従って、空気供給ライン１６の第１ハウジング１７内に設置された第１バルブ板１８は前述した駆動手段の駆動により中立位置で時計方向に９０度回転して加湿器出口１２と空気極入口１４を互いに連通させる開状態を継続して維持する。また、空気排出ライン２５の第２ハウジング２７内に設置された第２バルブ板２８は第１バルブ板１８と共に中立位置で時計方向に９０度回転して空気極出口２４と加湿器入口２２を互いに塞ぐ閉位置を維持し、空気極出口２４と分岐ライン２６を連通させる位置に移動する。

これによって、空気ブロワーから乾燥空気が加湿器を通過し、第２バルブ板２８が加湿器入口２２を遮断した状態であるため、乾燥空気は湿潤空気を受容できなかった加湿器を通過して乾燥状態を維持しながら通過する。継続して空気供給ライン１６に沿ってスタックの空気極に入っていく乾燥空気の入力により空気極内の残存する水が空気極出口２４に容易に排出され、次に空気極出口２４から排出された水が分岐ライン２６を通して外気に排出される。
このとき、加湿器入口２２が第２バルブ板２８により塞がった状態であるため、空気極出口からの湿潤空気は加湿器に入ることができず、分岐ライン２６を通して外気に排出される。
このように、本発明の第１バルブ板１８及び第２バルブ板２８の開閉作動により、乾燥空気のみが空気極に入っていき水の排出が円滑に行われるようにすることで、氷点以下の条件でも残存数の結氷によるセル電圧の降下なく低温始動性を向上させることができる。

１０ エア遮断バルブ
１２ 加湿器出口
１４ 空気極入口
１６ 空気供給ライン
１７ 第１ハウジング
１８ 第１バルブ板
２０ バイパスバルブ
２２ 加湿器入口
２４ 空気極出口
２５ 空気排出ライン
２６ 分岐ライン
２７ 第２ハウジング
２８ 第２バルブ板
３０ 駆動軸
３２ 減速ギア
３６ モータ
３８ 駆動ギア

Claims (5)

1. 燃料電池シャットダウン時、空気極に空気が入っていくのを遮断するエア遮断バルブと、水を除去するための乾燥ガスパージ用でありながらエア遮断機能を兼備するバイパスバルブを、所定の駆動手段により同時開閉が可能となるように同軸に連結して一つに統合させることを特徴とする燃料電池スタック用統合型バルブ装置。
2. 前記エア遮断バルブは、２ウェイバルブとして加湿器出口と空気極入口間の空気供給ラインに形成される第１ハウジングと、この第１ハウジング内に回転可能に内設される第１バルブ板とで構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック用統合型バルブ装置。
3. 前記バイパスバルブは、３ウェイバルブとして空気極出口と加湿器入口間の空気排出ラインと外気と通じる分岐ラインが互いに出会う位置に形成され、前記第１ハウジングと一直線上に位置するように形成される第２ハウジングと、この第２ハウジング内に回転可能なように内設される第２バルブ板とで構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック用統合型バルブ装置。
4. 前記駆動手段は、第１ハウジング内の第１バルブ板と第２ハウジング内の第２バルブ板を同軸に連結する駆動軸と、この駆動軸の一端に連結される減速ギアと、減速ギアと歯合される駆動ギアを有するモータとで構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック用統合型バルブ装置。
5. 前記第１ハウジング及び第２ハウジングは円筒形状に形成され、前記第１バルブ板及び第２バルブ板は各ハウジング内の表面に沿って回転するように扇形状に形成されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池スタック用統合型バルブ装置。

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