JP4657655B2 - 燃料電池システムの圧力制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池システム（その性能評価システムを含む）に用いる圧力制御装置に関する。

電気自動車は、例えば高分子電解質型等の水素を燃料とする燃料電池を動力源としている。アクセルの開度に応じて水素の流量を制御し、ひいてはエンジンモータの回転数を増減させるようになっている。水素の流量の増減に電気出力が応答良く追従するかが自動車用燃料電池の性能の１つである。高分子電解質型燃料電池では、水素の圧力を一定に保持しながら流量を可変にする必要がある。
特開２００４−１７８８９８

しかし、一般的な電磁パイロット方式の圧力制御装置では、基板やガルバノメータ等の電気装置が水素回路の直ぐ近くに配置されることになり、引火のおそれがある。
また、湿ったままの水素が通るので、バルブ装置の内部に水が溜まりやすい。
更に、バルブの摺動クリアランスにはシール用のミニＹパッキン等が設けられているが、このパッキンの摺擦熱防止用の潤滑油によってコンタミネーションを招くおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、
改質器からの水素ガスを燃料電池で反応させ、モータ駆動用の電力を得るとともに、前記燃料電池からの排出ガスを還路にて前記改質器へ戻す燃料電池システムにおける、前記排出ガスの圧力制御を行う装置であって、
（ａ）前記還路に介在されたバルブと、このバルブにパイロット圧を付与するパイロット圧室を有し、前記パイロット圧にて前記バルブが変位し、これにより前記還路の圧力を調節するバルブ装置と、
（ｂ）前記パイロット圧室へのパイロット圧路に設けられた圧力調節部材と、この圧力調節部材に接続された電磁アクチュエータと、この電磁アクチュエータに付設された制御回路とを含み、この制御回路が、前記バルブより燃料電池側の還路の圧力と指定圧力とに基づいて制御信号を出力し、この制御信号により前記電磁アクチュエータが前記圧力調節部材を駆動して前記パイロット圧を調節するパイロット装置と、
を備え、前記バルブ装置には、それより燃料電池側の還路に連なる導入路と、改質器側の還路に連なる導出路と、上下に延びるバルブ挿通孔とが形成され、前記バルブ挿通孔の側部に前記導入路が連なり、前記バルブが前記バルブ挿通孔に上下にスライド可能に挿通され、前記導入路との連通部分を含んで該連通部分より下側の前記バルブ挿通孔の内周と前記バルブの外周との間の環状の空間が前記排出ガスを下方へ流す通路になり、前記バルブ挿通孔の下端には弁座部材が設けられ、前記弁座部材に前記バルブ挿通孔に連なる弁孔が形成され、前記弁孔の下側に前記導出路が連なっており、前記バルブが、前記弁孔を上側から開度調節することを特徴とする。
これによって、水素還路上のバルブ装置には電気が通されることがなく、一方、電気を通すパイロット装置は水素還路から離して配置できる。これによって、引火のおそれを防止することができる。
前記パイロット圧用のガスは、窒素等の不活性ガスを用いるのが好ましい。

前記バルブ装置では、排出水素ガス中の水分が、バルブ装置の内部（特に導入路）に溜まるのを防止することができる。

前記バルブ装置の前記バルブ挿通孔より上側には、前記バルブに接続された第１ダイヤフラムが設けられ、この第１ダイヤフラムにて前記パイロット圧室と背圧室が上下に仕切られるように画成されており、
前記背圧室が、バルブ装置より燃料電池側の還路に連なるとともに、その底面から水抜き路が延び、この水抜き路の先端部にプラグが着脱可能に設けられていることが望ましい。
これによって、背圧室に水が溜まった場合、水抜き路から抜くことができる。

前記連通部分より上側の前記バルブ挿通孔の内周面とバルブとの間の隙間が、第２ダイヤフラムにてシールされているこのが望ましい。
これによって、シール部材用の潤滑油が不要となり、コンタミネーションを防止することができる。
前記第１ダイヤフラムは、相対的に大面積であり、前記第２ダイヤフラムは、相対的に小面積であることが好ましい。
前記第１ダイヤフラムの受圧面積は、前記弁孔の断面積に対し、十分に大きい（例えば１５０倍程度）ことが好ましい。これによって、バルブの保持力を増大させることができ、高精度の圧力制御が可能になるとともに、バルブ装置を水が通過しても圧力変動を低減することができる。

本発明によれば、水素の還路に介在されるバルブ装置には電気が通されることがなく、電気を通すパイロット装置は水素還路から離して配置でき、引火のおそれを防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、電気自動車用燃料電池システムを示したものである。この燃料電池システムは、改質器１と高分子電解質型燃料電池３を基本構成として備えている。
改質器１は、含水素原料のメタノールを改質して水素を生成する。この生成ガスには、水素の他、二酸化炭素や微量の一酸化炭素も含まれている。一酸化炭素は、反応器２で酸化又は選択除去される。反応器２を通過後のガスは、燃料電池３へ供給される。燃料電池３は、供給水素と、別途取り込んだ空気中の酸素を反応させ、電力を得る。この電力によってエンジンモータ４が駆動される。燃料電池３からの水素を含む排ガスは、還路５を経て改質器１へ戻される。燃料電池システムには、この還路５の流量変動にかかわらず圧力を所定にすべく、圧力制御装置Ｍが設けられている。

図２に示すように、圧力制御装置Ｍは、還路５に介在されたバルブ装置１０と、還路５から離して配置されたパイロット装置２０を備えている。
図３に示すように、バルブ装置１０は、ボディ１１と、このボディ１１に収容されたシャフト１２を有している。ボディ１１の一側部には、入口ポート１０ａと出口ポート１０ｄが設けられている。入口ポート１０ａに、還路５の前段路部分５ａが接続されている。ボディ１１には、入口ポート１０ａから延びる導入路１０ｂと、その下側に並行して設けられた導出路１０ｃとが形成されている。この導出路１０ｃに出口ポート１０ｄが接続され、この出口ポート１０ｄから還路５の後段路部分５ｂが延びている。

ボディ１１には、上下に延びる軸線に沿って上から順次、ばね収容室１０ｅ、パイロット圧室１０ｆ、背圧室１０ｇ、バルブ挿通孔１０ｈ、弁座収容孔１０ｋ、弁下部孔１０ｍが形成されている。

ばね収容室１０ｅとパイロット圧室１０ｆと背圧室１０ｇに、上記シャフト１２が上下動可能に収容されている。シャフト１２の上端部分は、ばね収容室１０ｅに配置されている。このばね収容室１０ｅ内のシャフト１２の上端部分に圧縮ばね１７が外挿されている。圧縮ばね１７の上端部は、シャフト１２の上端フランジに突き当たり、下端部は、ばね収容室１０ｅの底部に突き当たっている。この圧縮ばね１７によって、シャフト１２が上へ付勢されている。

ボディ１１の上端部には、パイロットポート１０ｐが設けられている。このパイロットポート１０ｐが、ばね収容室１０ｅを介してパイロット圧室１０ｆに連なっている。

パイロット圧室１０ｆ及び背圧室１０ｇは、大径をなしており、そこに大面積の第１ダイヤフラム１５が配されている。この第１ダイヤフラム１５の受圧面積は、後述する弁孔１４ａの断面積に対し、十分に大きく、例えば１５０倍程度である。第１ダイヤフラム１５の外周部は、ボディ１１に固定され、中央部は、シャフト１２に固定されている。この第１ダイヤフラム１５によってパイロット圧室１０ｆと背圧室１０ｇが上下に仕切られている。

背圧室１０ｇは、背圧路１０ｎを介して導入路１０ｂに連なっている。
ボディ１１には、背圧室１０ｇから下側へ延びる水抜き路１０ｑが形成されている。ボディ１１の側部には、水抜き路１０ｑのボディ外面側の端部を塞ぐプラグ１８が設けられている。

背圧室１０ｇの下部には、小面積の第２ダイヤフラム１６が配されている。第２ダイヤフラム１６の外周部は、ボディ１１に固定され、中央部は、シャフト１２に固定されている。この第２ダイヤフラム１６によって背圧室１０ｇの底面が画成され、ひいては、背圧室１０ｇとバルブ挿通孔１０ｈとが隔てられている。

バルブ挿通孔１０ｈには、ロッド状のバルブ１３が挿通されている。バルブ１３は、シャフト１２の下端部に一体に垂設され、シャフト１２と一体に上下動するようになっている。
バルブ挿通孔１０ｈの下側部分に、上記導入路１０ｂが連なっている。

この導入路１０ｂ連通部分より下側の弁座収容孔１０ｋには、リング状の弁座部材１４が嵌め込まれている。この弁座部材１４の中心孔が、弁孔１４ａになっている。弁孔１４ａの上端は、バルブ挿通孔１０ｈを介して導入路１０ｂに連なり、弁孔１４ａの下端は、弁下部孔１０ｍに連なっている。バルブ１３が上昇すると、弁孔１４ａの開度が大きくなる。図４に示すように、バルブ１３が下降して弁座部材１４に着座すると、弁孔１４ａが閉じられるようになっている。
弁下部孔１０ｍの下端部に導出路１０ｃが連なっている。

次に、パイロット装置２０について説明する。このパイロット装置２０は、例えば特開平１０−１９８４３４号公報に記載された装置と同様のものが用いられている（詳細構造は同文献を参照）。すなわち、図２に概略的に示すように、パイロット装置２０は、ケーシング２１を備えている。ケーシング２１には、圧力制御室２１ａが形成され、この圧力制御室２１ａ内に一対のノズル２２，２３が対峙するように配置されている。一方のノズル２２は、正圧路４１を介してパイロット圧供給源（正圧源）としての窒素ガスタンク４０に接続されている。このタンク４０の窒素ガス圧が、正圧路４１を経てノズル２２から圧力制御室２１ａに導入されるようになっている。他方のノズル２３は、大気圧になっているが、負圧源に接続されていてもよい。
圧力制御室２１ａから出力路４２が延び、バルブ装置１０のパイロットポート１０ｐひいてパイロット圧室１０ｆに連なっている。
正圧路４１と圧力制御室２１ａと出力路４２とより特許請求の範囲の「パイロット圧路」が構成されている。

両ノズル２２，２３どうし間には、圧力調節部材としてフラッパ２４が配置されている。フラッパ２４は、回転軸２５ａに偏心して取り付けられている。この回転軸２５ａは、ノズル２２，２３の間のちょうど中央を通っている。この回転軸２５ａに電磁アクチュエータ２５が接続されている。電磁アクチュエータ２５は、電磁石によって回転軸２５ａを回転駆動させるものである。

電磁アクチュエータ２５には、回路基板が付設され、この基板に電磁アクチュエータ２５を駆動する制御回路２６が搭載されている。この制御回路２６は、例えば特開平７−２９５６５７号公報に記載のように構成されている（詳細は同文献を参照）。概説すると、制御回路２６は、前段路部分５ａに設けた圧力センサ３０による検出圧力信号およびその微分信号等の和と、自動車の制御装置からの指定圧力信号との差分をとり、この差分に基づいて制御信号すなわち電磁アクチュエータ２５への駆動電流を生成するようになっている。

圧力制御装置Ｍは、以下のように動作する。
燃料電池３からの排出水素ガスは、還路５の前段路部分５ａを通ってバルブ装置１０の入口ポート１０ａへ導かれる。そこから導入路１０ｂ、弁孔１４ａ、弁下部孔１０ｍ、導出孔１０ｃの順に経て、出口ポート１０ｄから出され、後段路部分５ｂを通って改質器１へ送られる。
導入路１０ｂのガス圧（ひいては前段路部分５ａのガス圧）は、背圧路１０ｎを介して背圧室１０ｇに導入される。これによって、第１ダイヤフラム１５に上向きの背圧が働く。また、シャフト１２の上端部には圧縮ばね１７による上向きのばね力が働く。これによって、シャフト１２が押し上げられ、ひいてはバルブ１３が上方へ変位される。これによって、弁孔１４ａが開き、上記排出水素ガスの流通が確保される。

このバルブ装置１０に対してパイロット装置２０がパイロット操作を行なう。すなわち、バルブ装置１０より燃料電池３側の還路部分５ａの圧力が、圧力センサ３０で検出され、パイロット装置２０の制御回路２６に入力される。併せて、制御回路２６には、自動車の制御装置からアクセル状態等に基づく指定圧力信号が入力される。制御回路２６は、これら入力信号の差分等に基づく駆動電流を生成し、これを電磁アクチュエータ２５に出力する。この駆動電流が電磁アクチュエータ２５のコイルに通電され、回転軸２５ａの回転角度が調節される。ひいてはフラッパ２４のノズル２２，２３間における位置が調節される。このフラッパ２４の位置に応じて、ノズル２２から圧力制御室２１ａへの窒素ガスの導入圧力が決まる。この圧力が、パイロット圧として出力路４２を介してバルブ装置１０のパイロットポート１０ｐへ導かれ、更に、ばね収容室１０ｅを介してパイロット圧室１０ｆへ導入される。

これによって、第１ダイヤフラム１５に下向きのパイロット圧が働く。この下向きのパイロット圧と上記上向きの背圧及びばね力とが均衡するように、シャフト１２ひいてはバルブ１３の上下位置が調節され、これにより、弁孔１４ａの開度が調節される。この結果、還路５のガス流量が調節されることにより、前段路部分５ａの圧力が指定圧力になるように制御される。

圧力制御装置Ｍによれば、還路５上のバルブ装置１０には電気が通されることがない。一方、電気を通すパイロット装置２０は、還路５から十分離して配置できる。これによって、引火のおそれを防止することができる。パイロット圧用のガスとして不活性の窒素を用いているので、安全性を一層確保できる。

バルブ装置１０には、通路１０ｂ，１４ａ，１０ｍ，１０ｃが上から下へ順次配置されているので、そこを、湿った水素ガスが通って水分の凝縮が起きても、水が溜まらないようにすることができる。凝縮した水は、下側の導出路１０ｃに落ちてくるが、バルブ１３の動作に影響を与えることはない。
一方、湿った水素ガスは、背圧室１０ｇにも導入されるため、この背圧室１０ｇ内に水が溜まることがある。そこで、定期メンテナンス等の際にプラグ１８を外し、水抜き路１０ｑを開放する。これによって、背圧室１０ｇに溜まった水を簡単に抜き取ることができる。更に、パイロット圧を導入してバルブ１３を弁座部材１４に着座させ、弁孔１４ａ全閉するとともに、入口ポート１０ａから窒素ガスを導入することにすれば、この窒素ガスで背圧室１０ｇの水を押し出すことができ、確実に水抜きすることができる。

バルブ挿通孔１０ｈと背圧室１０ｇは、第２ダイヤフラム１６にて確実に仕切ることができる。これによって、導入路１０ｂのガスが、バルブ挿通孔１０ｈの内周面とバルブ１３の間のクリアランスを介して背圧室１０ｇに入るのを確実に防止することができる。したがって、上記クリアランスにミニＹパッキン等の、バルブ１３と摺擦するシール部材を設ける必要がなく、そのようなシール部材用の潤滑油が不要となる。よって、完全な禁油処理を施すことができ、水素ガスがコンタミネーションを来たすことはない。

第１ダイヤフラム１５と弁孔１４ａは、約１５０：１の面積比になっているので、バルブ１３に対して十分な保持力を発揮することができる。これによって、バルブ１３位置ひいては弁孔１４ａの開度の分解能を高めることができ、微小な圧力変化にも十分に対応することができ、高精度の圧力制御が可能になる。また、バルブ装置１０を水が通過しても圧力変動を低減することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その精神に反しない限りにおいて種々の改変をなすことができる。
本発明の対象になる電気自動車用燃料電池システムは、性能評価を行なうためのものであってもよく、電気自動車そのものに搭載されるものであってもよい。
さらに、本発明は、電気自動車に限られず、種々の燃料電池システムに適用できる。

本発明の圧力制御装置を搭載した電気自動車用燃料電池システムの概略回路図である。 上記圧力制御装置の概略回路図である。 上記圧力制御装置のバルブ装置を、バルブが上限位置（弁孔が全開）の状態で示す縦断面図である。 上記圧力制御装置のバルブ装置を、バルブが着座し弁孔が全閉の状態で示す縦断面図である。

符号の説明

Ｍ 圧力制御装置
１ 改質器
３ 燃料電池
４ エンジンモータ
５ 水素還路
５ａ 前段路部分（バルブより燃料電池側の還路）
５ｂ 後段路部分（バルブより改質器側の還路）
１０ バルブ装置
１０ａ 入口ポート
１０ｂ 導入路
１０ｃ 導出路
１０ｄ 出口ポート
１０ｅ ばね収容室
１０ｆ パイロット圧室
１０ｇ 背圧室
１０ｈ バルブ挿通孔
１０ｋ 弁座収容孔
１０ｍ 弁下部孔
１０ｎ 背圧路
１０ｐ パイロットポート
１０ｑ 水抜き路
１１ ボディ
１２ シャフト
１３ バルブ
１４ 弁座部材
１４ａ 弁孔
１５ 第１ダイヤフラム
１６ 第２ダイヤフラム
１７ 圧縮ばね
１８ プラグ
２０ パイロット装置
２１ ケーシング
２１ａ 圧力制御室
２２，２３ ノズル
２４ フラッパ（圧力調節部材）
２５ 電磁アクチュエータ
２５ａ 回転軸
２６ 制御回路
３０ 圧力センサ
４０ 窒素ガスタンク（パイロット圧供給源）
４１ 正圧路（パイロット装置より供給源側のパイロット圧路）
４２ 出力路（パイロット装置よりバルブ装置側のパイロット圧路）

Claims (3)

1. 改質器からの水素ガスを燃料電池で反応させ、モータ駆動用の電力を得るとともに、前記燃料電池からの排出ガスを還路にて前記改質器へ戻す燃料電池システムの圧力制御装置において、
   （ａ）前記還路に介在されたバルブと、このバルブにパイロット圧を付与するパイロット圧室を有し、前記パイロット圧にて前記バルブが変位し、これにより前記還路の圧力を調節するバルブ装置と、
   （ｂ）前記パイロット圧室へのパイロット圧路に設けられた圧力調節部材と、この圧力調節部材に接続された電磁アクチュエータと、この電磁アクチュエータに付設された制御回路とを含み、この制御回路が、前記バルブより燃料電池側の還路の圧力と指定圧力とに基づいて制御信号を出力し、この制御信号により前記電磁アクチュエータが前記圧力調節部材を駆動して前記パイロット圧を調節するパイロット装置と、
   を備え、前記バルブ装置には、それより燃料電池側の還路に連なる導入路と、改質器側の還路に連なる導出路と、上下に延びるバルブ挿通孔とが形成され、前記バルブ挿通孔の側部に前記導入路が連なり、前記バルブが前記バルブ挿通孔に上下にスライド可能に挿通され、前記導入路との連通部分を含んで該連通部分より下側の前記バルブ挿通孔の内周と前記バルブの外周との間の環状の空間が前記排出ガスを下方へ流す通路になり、前記バルブ挿通孔の下端には弁座部材が設けられ、前記弁座部材に前記バルブ挿通孔に連なる弁孔が形成され、前記弁孔の下側に前記導出路が連なっており、前記バルブが、前記弁孔を上側から開度調節することを特徴とする圧力制御装置。
2. 前記バルブ装置の前記バルブ挿通孔より上側には、前記バルブに接続された第１ダイヤフラムが設けられ、この第１ダイヤフラムにて前記パイロット圧室と背圧室が上下に仕切られるように画成されており、
   前記背圧室が、バルブ装置より燃料電池側の還路に連なるとともに、その底面から水抜き路が延び、この水抜き路の先端部にプラグが着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧力制御装置。
3. 前記連通部分より上側の前記バルブ挿通孔の内周面とバルブとの間の隙間が、第２ダイヤフラムにてシールされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力制御装置。

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