JP2019071234A

JP2019071234A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2019071234A
Application number: JP2017197148A
Authority: JP
Inventors: 誠武山; Makoto Takeyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2019-05-09
Also published as: CN109659585A; DE102018119956A1; US20190109339A1

Abstract

【課題】システム内で溜まった液体が凍結した場合であっても、凍結固着した弁体を確実に作動させて開弁させることができ、もって、高い信頼性を得ることのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】弁体２９Ｖａが、閉弁時において、酸化ガス排出流路２９の酸化ガス流れの上流方向に向かう面が上方を向くように鉛直面に対して傾斜して配在される。また、前記弁体２９Ｖａは、閉弁時において重力方向で下方に位置する部分が酸化ガス排出流路２９の酸化ガス流れの下流方向に向かって開くようになっている。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来から、空気等の酸化ガスと水素等の燃料ガスとの反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池（燃料電池スタック）を備えた燃料電池システムが知られている。

ところで、この種の燃料電池システムでは、一般に、燃料電池の運転終了後に、燃料電池システムの各部を制御して、燃料電池に残留する水分や、燃料電池システムの配管・弁等に付着している水分を低減させるための掃気処理（パージ処理）が実行される。これにより、燃料電池を搭載した燃料電池車両において、燃料電池内部の水分量を低減させ、低温環境下においても良好な始動性を確保するようにしている。

しかしながら、上記のような掃気処理（パージ処理）を行っても、掃気残り、燃料電池（燃料電池スタック）からの残水、結露水等により、各弁（特に、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の酸化オフガスを燃料電池から排出するための酸化ガス排出流路や燃料電池から排出された燃料オフガス（未消費の燃料ガス）を外部へ排出（大気放出）するための燃料ガス排出流路に配設される弁）の弁体や弁座周りに水が溜まり、低温環境下で弁体が凍結固着して、低温始動時に弁体が開きにくくなるおそれがある。

このような問題に対し、例えば下記特許文献１には、弁体が取り付けられた弁軸が昇降することで、弁体と弁座とが接離して開閉することにより、流路を流れる流体の流量を調整する流体制御弁において、弁軸を水平面に対して傾斜させ、弁座が形成されている部分のうち流路内の液体が自重によって溜まる部分に対応する弁体の上面の縁部に沿って壁部を形成したものが提案されている。

特許文献１に所載の従来技術によれば、弁体が弁座に接触（着座）している際に流路内の液体（例えば水）が流路の一部（例えば最下部）に溜まった場合、弁体の上面に形成された壁部が、溜まった水が弁体の上面部を越える（弁体の上面上まで浸水する）のを抑制するので、低温環境下で溜まった水が凍結した場合でも、凍結固着した弁体が作動しやすくなる。

特開２０１５−０１４３３１号公報

しかしながら、上記特許文献１に所載の従来技術では、弁体が凍結した液体（氷）側へ作動して開弁するため、弁体や弁座周りに溜まった液体が凍結してしまった場合、開弁時の弁体の作動が凍結した液体（氷）に阻害されてしまい、弁体が動かなくなる（開弁しなくなる）おそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システム内で溜まった液体が凍結した場合であっても、凍結固着した弁体を確実に作動させて開弁させることができ、もって、高い信頼性を得ることのできる燃料電池システムを提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池システムは、燃料電池から排出される反応ガスが流通する反応ガス排出流路中に、該反応ガス排出流路を開閉する弁体を有する流体制御弁が設けられた燃料電池システムであって、前記弁体は、閉弁時において、前記反応ガス排出流路の反応ガス流れの上流方向に向かう面が上方を向くように鉛直面に対して傾斜して配在されるとともに、少なくとも閉弁時において重力方向で下方に位置する部分が前記反応ガス排出流路の反応ガス流れの下流方向に向かって開くようになっていることを特徴としている。

また、本発明による燃料電池システムは、燃料電池から排出される反応ガスが流通する反応ガス排出流路中に、板状の弁体を回転軸周りで回転させることにより該反応ガス排出流路を開閉する流体制御弁が設けられた燃料電池システムであって、前記回転軸は水平方向に沿って配置されており、前記弁体は、閉弁時において、前記反応ガス排出流路の反応ガス流れの上流方向に向かう面が上方を向くように鉛直面に対して傾斜して配在されるとともに、閉弁時において重力方向で下方に位置する部分が前記反応ガス排出流路の反応ガス流れの下流方向に向かって開くようになっていることを特徴としている。

前記弁体は、閉弁時において、前記反応ガス排出流路の反応ガス流れの上流方向に向かう面が鉛直面に対して10〜45度の範囲内で傾斜して配在されていることが好ましい。

前記反応ガス排出流路は、前記燃料電池の排出口から前記流体制御弁まで常に下方に向かって傾斜するように配置されていることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス排出流路中に配設されて当該反応ガス排出流路を開閉する流体制御弁の弁体が、閉弁時において、反応ガス排出流路の反応ガス流れの上流方向に向かう面が上方を向くように鉛直面に対して傾斜して配在されるので、反応ガス排出流路を流れてきた掃気残り、燃料電池（燃料電池スタック）からの残水、結露水等の液体は、その自重によって、弁体の閉弁時において重力方向で下方に位置する部分に溜まりやすくなる。また、前記弁体は、少なくとも閉弁時において重力方向で下方に位置する部分が反応ガス排出流路の反応ガス流れの下流方向に向かって開くようになっているので、ここで溜まった液体が凍結した場合であっても、前記弁体は反応ガス排出流路の反応ガス流れの下流方向に沿って凍結した液体（氷）を剥がす方向に動く（開弁する）ことができ、開弁時の弁体の動きが凍結した液体（氷）に阻害されなくなる。そのため、凍結固着した弁体を確実に作動させて開弁させることができ、反応ガス排出流路中に配設された流体制御弁の開閉性（開弁性）を確保することができる。

本発明による燃料電池システムのシステム構成図である。本発明による燃料電池システムの主要部分を示す要部背面図である。図２のＦ−Ｆ矢視線に従う断面図であり、調圧弁の閉弁時を示す図である。図２のＦ−Ｆ矢視線に従う断面図であり、調圧弁の開弁時を示す図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

まず、本発明による燃料電池を備えた燃料電池システムのシステム構成を、図１を用いて概説する。

図１に示される燃料電池システム１は、例えば、単位セルである燃料電池セルを複数個積層させて構成された燃料電池（燃料電池スタック）１０と、燃料電池１０に空気等の酸化ガスを供給する酸化ガス供給系２０と、燃料電池１０に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系３０とを備えている。

例えば、固体高分子型燃料電池１０の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（アノード電極）およびカソード側触媒層（カソード電極）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

酸化ガス供給系２０は、例えば、燃料電池１０（のカソード電極）に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路（配管）２５と、燃料電池１０に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の酸化オフガスを燃料電池１０から排出する酸化ガス排出流路（配管）２９と、酸化ガス供給流路２５を介して供給される酸化ガスを燃料電池１０を介さずに（バイパスして）酸化ガス排出流路２９へと流通させるバイパス流路２６とを有する。酸化ガス供給系２０の各流路は、例えば、ゴムホースや金属製のパイプ等によって構成することができる。

酸化ガス供給流路２５には、上流側から、エアクリーナ２１、エアコンプレッサ（ターボコンプレッサ）（以下、単にコンプレッサと称する）２２、インタクーラ２３等が備えられ、酸化ガス排出流路２９には、マフラ２８等が備えられている。なお、酸化ガス供給流路２５（のエアクリーナ２１）には、例えば、図示を省略する大気圧センサ、エアフローメータ等が設けられる。

酸化ガス供給流路２５において、エアクリーナ２１は、大気中から取り込む酸化ガス（空気等）中の塵埃を除去する。

コンプレッサ２２は、前記エアクリーナ２１を介して導入された酸化ガスを圧縮し、圧縮された酸化ガスをインタクーラ２３へ圧送する。

インタクーラ２３は、コンプレッサ２２から圧送されて導入された酸化ガスを通過させるときに、例えば冷媒との熱交換によって冷却し、燃料電池１０（のカソード電極）に供給する。

また、酸化ガス供給流路２５には、インタクーラ２３と燃料電池１０との間の酸化ガスの流れを遮断するための入口弁２５Ｖが設けられている。なお、入口弁２５Ｖは、インタクーラ２３から燃料電池１０へ向かう酸化ガスの流れによって開弁して酸化ガスを流し、燃料電池１０からインタクーラ２３へ向かう酸化ガスの流れによって閉弁して酸化ガスの流れを遮断する逆止弁であってもよい。

バイパス流路２６は、一端が酸化ガス供給流路２５（のインタクーラ２３もしくはその下流側）に接続され、他端が酸化ガス排出流路２９に接続されている。言い換えれば、酸化ガス供給流路２５（のインタクーラ２３もしくはその下流側）から、酸化ガス排出流路２９に向けて、バイパス流路２６が分岐接続されている。バイパス流路２６には、コンプレッサ２２によって圧送され、インタクーラ２３によって冷却されて排出された酸化ガスが、燃料電池１０をバイパスして酸化ガス排出流路２９へ向けて流れる。このバイパス流路２６には、酸化ガス排出流路２９へ向けて流れる酸化ガスを遮断して当該バイパス流路２６を流れる酸化ガスの流量を調整するためのバイパス弁２６Ｖが設けられている。

酸化ガス排出流路２９において、マフラ２８は、酸化ガス排出流路２９に流れる酸化オフガス（排出ガス）を、例えば、気相と液相とに分離して外部に排出する。

また、酸化ガス排出流路２９には、燃料電池１０に供給される酸化ガスの背圧を調整するための調圧弁２９Ｖが設けられる。調圧弁２９Ｖの下流側に、前記したバイパス流路２６が接続されている。

一方、燃料ガス供給系３０は、例えば、水素等の高圧の燃料ガスを貯留する水素タンク等の燃料ガス供給源３１と、燃料ガス供給源３１からの燃料ガスを燃料電池１０（のアノード電極）へ供給する燃料ガス供給流路（配管）３５と、燃料電池１０から排出された燃料オフガス（未消費の燃料ガス）を燃料ガス供給流路３５に還流させる循環流路３６と、循環流路３６に分岐接続されて循環流路３６内の燃料オフガスを外部へ排出（大気放出）する燃料ガス排出流路（配管）３９とを有する。燃料ガス供給系３０の各流路は、例えば、ゴムホースや金属製のパイプ等によって構成することができる。

燃料ガス供給流路３５には、例えば、燃料ガスの圧力を測定する圧力計（不図示）等が設けられるとともに、燃料ガス供給流路３５を開閉して燃料電池１０へ向けて流れる燃料ガスを遮断するための遮断弁３５Ｖと、燃料ガス供給流路３５を流れる燃料ガスの圧力を調整（減圧）するためのレギュレータ３４と、調圧された燃料ガスを燃料電池１０へ向けて供給するためのインジェクタ３３とが設けられる。遮断弁３５Ｖを開くと、燃料ガス供給源３１に貯留された高圧の燃料ガスが燃料ガス供給源３１から燃料ガス供給流路３５に流出し、レギュレータ３４やインジェクタ３３により調圧（減圧）されて、燃料電池１０（のアノード電極）に供給される。

循環流路３６には、上流側（燃料電池１０側）から、気液分離器３７、循環ポンプ（水素ポンプともいう）３８等が備えられている。

気液分離器３７は、循環流路３６に流れる燃料ガス（水素等）に含まれる生成水を気液分離して貯留する。この気液分離器３７から分岐して、燃料ガス排出流路３９が設けられている。

循環ポンプ３８は、気液分離器３７で気液分離した燃料オフガスを圧送して燃料ガス供給流路３５へ循環させる。

燃料ガス排出流路３９には、燃料ガス排出流路３９を開閉して、気液分離器３７で分離した生成水と燃料電池１０から排出された燃料オフガスの一部を排出するためのパージ弁３９Ｖが設けられる。

燃料ガス排出流路３９のパージ弁３９Ｖの開閉調整を経て排出される燃料オフガスは、酸化ガス排出流路２９を流れる酸化オフガスと混合され、マフラ２８を介して外部に大気放出される。

上記構成を有する燃料電池システム１は、酸化ガス供給系２０によって燃料電池１０（のカソード電極）に供給された空気等の酸化ガスと、燃料ガス供給系３０によって燃料電池１０（のアノード電極）に供給された水素等の燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う。

図２は、本発明による燃料電池システムの主要部分を背面視した図である。

以下、本発明の特徴部分である、燃料電池１０から排出された反応オフガス（酸化オフガスまたは燃料オフガス）が流通する反応ガス排出流路（酸化ガス排出流路２９または燃料ガス排出流路３９）、および、当該反応ガス排出流路を開閉して当該反応ガス排出流路を流れる反応オフガスの流量を調整する流体制御弁の配置構成について重点的に説明する。

また、以下では、主に、燃料電池システム１における酸化ガス供給系２０を構成する酸化ガス排出流路２９、および、当該酸化ガス排出流路２９に配在された流体制御弁である調圧弁２９Ｖを例にとって説明するが、本発明は、燃料ガス供給系３０を構成する燃料ガス排出流路３９、および、当該燃料ガス排出流路３９に配在された流体制御弁であるパージ弁３９Ｖ等にも適用できることは勿論である。

前述したように、図示実施形態の燃料電池システム１における酸化ガス供給系２０は、入口弁２５Ｖ等が備えられた酸化ガス供給流路２５と、調圧弁２９Ｖ等が備えられた酸化ガス排出流路２９と、バイパス弁２６Ｖが備えられたバイパス流路２６とを有する。なお、酸化ガス供給系２０の各流路は、例えば、ゴムホースや金属製のパイプ等によって構成することができる。

前記酸化ガス供給系２０を構成する各流路のうち、酸化ガス排出流路２９は、例えば車両前部に配置された燃料電池１０（の背面左側に設けられた排出口）から略鉛直下方に向けて延設されており、その燃料電池１０（の排出口）付近に調圧弁２９Ｖが配置されている。

前記調圧弁２９Ｖは、図３、４を参照すればよく分かるように、ここでは、円板状の弁体２９Ｖａを回転軸２９Ｖｂ周りで回転させることにより当該酸化ガス排出流路２９を開閉するバラフライ弁で構成される。本例では、調圧弁２９Ｖの回転軸２９Ｖｂは、水平方向に沿って（回転可能に）軸支されるとともに、弁体２９Ｖａに対して偏心配置（詳しくは、酸化ガス排出流路２９の酸化ガス流れの下流側（燃料電池１０側とは反対側）にオフセットして配置）されている。

また、前記調圧弁２９Ｖにおいて、弁体２９Ｖａ（の周縁部分）が接離する円環状の弁シート（弁座）２９Ｖｃは、鉛直面に対して傾斜して設けられており、弁体２９Ｖａは、閉弁時において、燃料電池１０側の面（言い換えれば、酸化ガス排出流路２９の酸化ガス流れの上流方向に向かう面）が上方を向くように鉛直面に対して傾斜して配在されている。

ここでは、前記したように調圧弁２９Ｖの弁体２９Ｖａや弁座２９Ｖｃ周り（詳しくは、調圧弁２９Ｖの弁体２９Ｖａや弁座２９Ｖｃの燃料電池１０側）に溜まる液体（水）の量を考慮して、閉弁時における弁体２９Ｖａ（の燃料電池１０側の面）の鉛直面に対する傾斜角は、例えば10〜45度の範囲内で設定されている（特に、図３参照）。

また、前記弁体２９Ｖａは、酸化ガス排出流路２９の外部に設けられたモータ（不図示）によって回転駆動されると、図４に示されるように、閉弁時において重力方向（鉛直方向）で下方に位置する下半部分（回転軸２９Ｖｂより下側の部分）が燃料電池１０側とは反対側（つまり、酸化ガス排出流路２９の酸化ガス流れの下流方向）に向かって開くようにされている。

さらに、本例では、調圧弁２９Ｖの弁体２９Ｖａや弁座２９Ｖｃ周りに溜めた液体（水）が燃料電池１０側へ逆流するのを防止すべく、燃料電池１０（の排出口）から調圧弁２９Ｖ（の弁体２９Ｖａ）までの酸化ガス排出流路２９（図３、４における符号２９ａで示す部分）が、常に下方に向かって傾斜するように配置されている。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、酸化ガス排出流路２９中に配設されて当該酸化ガス排出流路２９を開閉する調圧弁２９Ｖの弁体２９Ｖａが、閉弁時において、酸化ガス排出流路２９の酸化ガス流れの上流方向に向かう面が上方を向くように鉛直面に対して傾斜して配在されるので、酸化ガス排出流路２９を流れてきた掃気残り、燃料電池（燃料電池スタック）１０からの残水、結露水等の液体は、その自重によって、弁体２９Ｖａの閉弁時において重力方向で下方に位置する部分に溜まりやすくなる（特に、図３参照）。また、前記弁体２９Ｖａは、閉弁時において重力方向で下方に位置する下半部分が酸化ガス排出流路２９の酸化ガス流れの下流方向に向かって開くようになっているので、ここで溜まった液体が凍結した場合であっても、前記弁体２９Ｖａは酸化ガス排出流路２９の酸化ガス流れの下流方向に沿って凍結した液体（氷）を剥がす方向に動く（開弁する）ことができ、開弁時の弁体２９Ｖａの動きが凍結した液体（氷）に阻害されなくなる（特に、図４参照）。そのため、凍結固着した弁体２９Ｖａを確実に作動させて開弁させることができ、酸化ガス排出流路２９中に配設された調圧弁２９Ｖの開閉性（開弁性）を確保することができる。

また、前記弁体２９Ｖａは、閉弁時において、酸化ガス排出流路２９の酸化ガス流れの上流方向に向かう面が鉛直面に対して10〜45度の範囲内で傾斜して配在されるので、通常使用時に想定される液体（水）が溜まったとしても、その水位が回転軸２９Ｖｂ以下となり、前記弁体２９Ｖａを確実に作動させることができる。

また、酸化ガス排出流路２９は、燃料電池１０（の排出口）から調圧弁２９Ｖ（の弁体２９Ｖａ）まで常に下方に向かって傾斜するように配置されるので、燃料電池１０からの排水性を確保しつつ、燃料電池１０への残水戻り（逆流）を防止して当該燃料電池１０を保護（例えば、セル閉塞を防止）することができる。

なお、上記実施形態では、酸化ガス排出流路２９に配在された流体制御弁である調圧弁２９Ｖが、回転軸２９Ｖｂが円板状の弁体２９Ｖａの（上下方向の）略中央に設けられたバラフライ弁で構成される場合を例示したが、当該流体制御弁としては、これに限定されず、例えば、回転軸２９Ｖｂを弁体２９Ｖａの（上下方向の）中央以外（例えば、弁体２９Ｖａの上端もしくはその近傍等）に設けてもよいし、ポペット弁（上記特許文献１等参照）等を用いてもよいことは詳述するまでもない。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…燃料電池システム、１０…燃料電池（燃料電池スタック）、２９…酸化ガス排出流路、２９Ｖ…調圧弁（流体制御弁）、２９Ｖａ…弁体、２９Ｖｂ…回転軸、２９Ｖｃ…弁シート（弁座）

Claims

燃料電池から排出される反応ガスが流通する反応ガス排出流路中に、該反応ガス排出流路を開閉する弁体を有する流体制御弁が設けられた燃料電池システムであって、
前記弁体は、閉弁時において、前記反応ガス排出流路の反応ガス流れの上流方向に向かう面が上方を向くように鉛直面に対して傾斜して配在されるとともに、少なくとも閉弁時において重力方向で下方に位置する部分が前記反応ガス排出流路の反応ガス流れの下流方向に向かって開くようになっている、燃料電池システム。
燃料電池から排出される反応ガスが流通する反応ガス排出流路中に、板状の弁体を回転軸周りで回転させることにより該反応ガス排出流路を開閉する流体制御弁が設けられた燃料電池システムであって、
前記回転軸は水平方向に沿って配置されており、
前記弁体は、閉弁時において、前記反応ガス排出流路の反応ガス流れの上流方向に向かう面が上方を向くように鉛直面に対して傾斜して配在されるとともに、閉弁時において重力方向で下方に位置する部分が前記反応ガス排出流路の反応ガス流れの下流方向に向かって開くようになっている、燃料電池システム。
前記弁体は、閉弁時において、前記反応ガス排出流路の反応ガス流れの上流方向に向かう面が鉛直面に対して10〜45度の範囲内で傾斜して配在されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記反応ガス排出流路は、前記燃料電池の排出口から前記流体制御弁まで常に下方に向かって傾斜するように配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。