JP5827751B2 - バルブ及びそのバルブを用いた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明はバルブ及びそのバルブを用いた燃料電池システムに関する。

ＪＰ２０１１−００３４０３Ａには、従来の燃料電池システムとして、カソードガス排出通路にカソード調圧弁（空気調圧弁）を設けたものがある。

カソードガス排出通路には、水蒸気を含む湿潤流体が排出される。そのため、外気温度が０℃を下回るような低温環境下では、カソードガス排出通路に設けられたカソード調圧弁が凍結して固着するという問題点があった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、凍結による弁体の固着を抑制することを目的とする。

本発明のある態様によれば、湿潤流体が流れる通路部と、通路部内に設けられる弁体と、通路部の外周面を温めるための加温媒体を流す加温媒体通路が形成されるように、通路部の外周面を覆うカバー体と、を備えるバルブが提供される。そして、そのバルブのカバー体が、上部に前記加温媒体の導入口と排出口とを有し、加温媒体が通路部の下部を経由するように加温媒体通路を形成する。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態によるカソード調圧弁の斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態によるカソード調圧弁の平面図である。 図４は、本発明の一実施形態によるカソード調圧弁の底面図である。 図５は、図３のカソード調圧弁のV-V断面図である。

以下、図面等を参照して本発明の一実施形態について説明する。

燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）及び（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図２は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、カソードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、を備える。

燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。

燃料電池スタック２にアノードガスを供給するアノードガス給排装置については、本発明の主要部ではないので、図面の煩雑を防止するために図示を省略した。アノードガスの供給方法としては、燃料電池スタック２からアノードガス排出通路に排出されたアノードオフガスを、ポンプ等によってアノードガス供給通路に戻し、再び燃料電池スタック２に供給して再利用する方法や、燃料電池スタック２から排出されたアノードオフガスをバッファタンク等に一時的に溜めておき、バッファタンクから燃料電池へと逆流させることで再利用する方法など、種々の方法を採用することができる。

カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、フィルタ３２と、カソードコンプレッサ３３と、アフタークーラ３４と、カソードガス排出通路３５と、カソード調圧弁３６と、軸パージ通路３７と、を備える。

カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック２に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路３１は、一端がフィルタ３２に接続され、他端が燃料電池スタック２のカソードガス入口孔２１に接続される。

フィルタ３２は、カソードガス供給通路３１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

カソードコンプレッサ３３は、カソードガス供給通路３１に設けられる。カソードコンプレッサ３３は、フィルタ３２を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路３１に取り込み、燃料電池スタック２に供給する。

アフタークーラ３４は、カソードコンプレッサ３３よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。アフタークーラ３４は、カソードコンプレッサ３３から排出されたカソードガスを冷却する。

カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック２から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガス（湿潤ガス）である。カソードガス排出通路３５は、一端が燃料電池スタック２のカソードガス出口孔２２に接続され、他端が開口端となっている。

カソード調圧弁３６は、カソードガス排出通路３５に設けられる。カソード調圧弁３６は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ（図示せず）によって制御される。カソード調圧弁３６の詳細な構成については、図２から図５を参照して後述する。

軸パージ通路３７は、アフタークーラ３４よりも下流のカソードガス供給通路３１から分岐して、カソード調圧弁３６の内部パージ通路３６５（図５参照）に接続される通路である。軸パージ通路３７は、乾燥ガスとしてのカソードガスをカソード調圧弁３６の内部パージ通路３６５に供給するための通路である。

スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、冷却水バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、カソード調圧弁循環通路４７と、を備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック２を冷却するための冷却水が循環する通路であって、一端が燃料電池スタック２の冷却水入口孔２３に接続され、他端が燃料電池スタック２の冷却水出口孔２４に接続される。以下では、冷却水循環通路４１のうち、冷却水出口孔２４側を上流側、冷却水入口孔２３側を下流側として説明する。

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック２から排出された冷却水を冷却する。

冷却水バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。

三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック２から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック２に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック２から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずに冷却水バイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック２に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

ＰＴＣヒータ４６は、冷却水バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック２の暖機時などに通電されて、冷却水の温度を上昇させる。

カソード調圧弁循環通路４７は、凍結によるカソード調圧弁３６の固着を防止するために、カソード調圧弁３６の内部に形成されたウォータジャケット３６３（図２〜図４参照）に冷却水を導入するための通路である。カソード調圧弁循環通路４７は、燃料電池スタック２の冷却水出口孔２４近傍の冷却水循環通路４１から分岐してカソード調圧弁３６のウォータジャケット３６３に冷却水を導入する導入通路４７１と、カソード調圧弁３６のウォータジャケット３６３から排出された冷却水を、再び燃料電池スタック２の冷却水出口孔２４近傍の冷却水循環通路４１に戻す戻し通路４７２と、を備える。

ここで、本実施形態のように燃料電池システム１を車両に搭載する場合は、外気温度が０℃を下回るような低温環境下においても、燃料電池システム１を確実かつ早期に始動させることが求められる。

燃料電池システム１の停止後、燃料電池スタック２やカソードガス排出通路３５、カソード調圧弁３６を乾燥させずに放置しておくと、低温環境下では、発電時の電極反応によって生じた水（以下「生成水」という。）が燃料電池スタック２やカソード調圧弁３６の内部で凍結するおそれがある。そこで本実施形態では、燃料電池システム１が停止された後に、次回の零下始動に備えてカソードコンプレッサ３３を駆動して燃料電池スタック２やカソード調圧弁３６の内部の水分をシステム外部に排出する停止後乾燥運転を実施している。

そのため、燃料電池システム１の始動時には、基本的に燃料電池スタック２やカソード調圧弁３６の内部は乾燥した状態となっている。

しかしながら、燃料電池システム１の始動後は発電時の電極反応によって生成水が生じる。そして、燃料電池スタック２の内部温度は、電極反応によって発生した熱によって、外気温から徐々に上昇していく。

したがって、燃料電池システム１の始動からしばらく経過して燃料電池スタック２の内部温度が０℃以上になると、徐々に燃料電池スタック２の内部から液体となった生成水がカソードガス排出通路３５に流れ出す。

このときにカソード調圧弁３６の内部温度が０℃未満だと、カソードガス排出通路３５に流れ出してきた生成水がカソード調圧弁３６の内部で凍結し、カソード調圧弁３６が固着したり、カソード調圧弁３６の開閉動作を妨げたりするおそれがある。

そこで本実施形態では、燃料電池システム１の起動後にカソードガス排出通路３５に流れ出してきた生成水がカソード調圧弁３６に到達する前に、カソード調圧弁３６の内部温度を０℃以上にすべくカソード調圧弁３６の内部にウォータジャケット３６３を形成し、そのウォータジャケットに冷却水を循環させることとしたのである。

以下、図２から図５を参照して、本実施形態によるカソード調圧弁３６の詳細な構成について説明する。

図２は、本実施形態によるカソード調圧弁３６の斜視図である。図３は、本実施形態によるカソード調圧弁３６の平面図である。図４は、本実施形態によるカソード調圧弁３６の底面図である。

図２から図４に示すように、カソード調圧弁３６は、メインボディ３６１と、ボディカバー３６２と、を備える。

メインボディ３６１は、両端が開口した円筒状の通路である。燃料電池スタック２から排出されてカソードガス排出通路３５を流れてきたカソードオフガスは、メインボディ３６１の一方（図２及び図３では図中上側、図４では図中下側）の開口端からメインボディ３６１の内部通路３６１ａに流入する。そして、メインボディ３６１の内部通路３６１ａに流入したカソードオフガスは、メインボディ３６１の他方（図２及び図３では図中下側、図４では図中上側）の開口端からカソードガス排出通路３５に流出する。

ボディカバー３６２は、メインボディ３６１の外周面３６１ｂとの間に冷却水を流すためのウォータジャケット３６３が形成されるように、メインボディ３６１の外周面３６１ｂ全体を覆うものであり、メインボディ３６１と一体形成される。

ボディカバー３６２は、カソード調圧弁３６をカソードガス排出通路３５に取り付けたときに重力方向上側となる面（以下「上面」という。）３６２ｃに、冷却水導入口３６２ａと冷却水排出口３６２ｂとを備える。

冷却水導入口３６２ａは、ウォータジャケット３６３内に冷却水を導入するための入口であって、前述した導入通路４７１が接続される。冷却水導入口３６２ａは、メインボディ３６１の他方の開口端側、つまり、内部通路３６１ａの下流側となる開口端側に形成される。冷却水導入口３６２ａは、その開口面積が、冷却水排出口３６２ｂの開口面積よりも小さくなるように形成される。

冷却水排出口３６２ｂは、ウォータジャケット３６３内に導入した冷却水を排出するための出口であって、前述した戻し通路４７２に接続される。冷却水排出口３６２ｂは、冷却水導入口３６２ａの形成部位を除くボディカバー３６２の上面３６２ｃのほぼ全面に形成される。

ボディカバー３６２の上面３６２ｃに形成された冷却水導入口３６２ａからウォータジャケット３６３に導入された冷却水は、図４に矢印で示すように、メインボディ３６１の外周面３６１ａの円周方向に流れてボディカバー３６２の上面３６２ｃに形成された冷却水排出口３６２ｂから排出される。つまり、冷却水導入口３６２ａからウォータジャケット３６３に導入された冷却水は、重力方向下側へとメインボディ３６１の図中左側を円周方向に流れ、次にメインボディ３６１の下側を円周方向に流れる。その後、重力方向上側へとメインボディ３６１の図中右側を円周方向に流れて冷却水排出口３６２ｂから排出される。

これにより、メインボディ３６１の内部で生成水が溜まりやすいメインボディ３６１の下側を冷却水によって温めることができる。よって、メインボディ３６１の内部で生成水が凍結するのを抑制できる。

図５は、図３のカソード調圧弁３６のV-V断面図である。

図５に示すように、メインボディ３６１の内部には、バタフライバルブ３８が取り付けられる。バタフライバルブ３８は、シャフト３８１と、弁体３８２と、を備える。

シャフト３８１は、メインボディ３６１の左右に取り付けられた一対のベアリング３８３によって、メインボディ３６１に対して回転自在に支持される。

弁体３８２は、メインボディ３６１の内部通路３６１ａと略同等の径を有する円板形状をしており、メインボディ３６１の内部通路３６１ａに位置するように、シャフト３８１に取り付けられる。弁体３８２は、シャフト３８１と一体となって回転する。これにより、メインボディ３６１の内部通路３６１ａを流れるカソードオフガスの流量が制御され、燃料電池スタック２に供給されるカソードガスの圧力が制御される。

ここで、図５に示すように、メインボディ３６１とシャフト３８１との間には、シャフト３８１が回転できるように微小な隙間５が形成されている。燃料電池システム１の運転中にこの隙間５に生成水が浸入してしまうと、前述した停止後乾燥運転を実施したとしても、この隙間５に侵入した生成水を除去するのは難しい。メインボディ３６１とシャフト３８１との間の隙間５に侵入した生成水が凍結すると、シャフト３８１が回転できずに弁体３８２が固着するおそれがある。

そこで本実施形態では、メインボディ３６１の下側の外周面３６１ｂから下方に突出する２本のバルジ３６４をメインボディ３６１に設け、このバルジ３６４の内部にメインボディ３６１とシャフト３８１との間の隙間５に連通する内部パージ通路３６５を形成した。内部パージ通路３６５は、軸パージ通路３７に接続されており、カソードガスが圧送される。これにより、軸パージ通路３７を流れてきたカソードガスが、内部パージ通路３６５を介してメインボディ３６１とシャフト３８１との間の隙間５からメインボディ３６１の内部通路３６１ａに導入されるので、メインボディ３６１とシャフト３８１との間の隙間５に生成水が浸入してくるのを抑制できる。

メインボディ３６１とシャフト３８１との間の隙間５と、ベアリング３８３と、の間は、Ｏリング３８４によってシールされる。

以上説明した通り、本実施形態によるカソード調圧弁３６は、カソードオフガス（湿潤流体）が流れるメインボディ３６１と、メインボディ３６１の内部に設けられる弁体３８２と、メインボディ３６１の外周面３６１ｂを温めるための冷却水（加熱媒体）を流すウォータジャケット３６３が形成されるようにメインボディ３６１の外周面３６１ｂを覆うボディカバー３６２と、を備える。そして、ボディカバー３６２は、重力方向上側となるその上面３６２ｃに冷却水導入口３６２ａと冷却水排出口３６２ｂとを有し、冷却水がボディカバー３６２の重力方向下側部分を経由するようにウォータジャケット３６３を形成する。

これにより、冷却水導入口３６２ａからウォータジャケット３６３に導入された冷却水は、メインボディ３６１の外周面３６１ｂに沿って重力方向下側に流れた後、メインボディ３６１の外周面３６１ｂに沿って重力方向上側に流れて、冷却水排出口３６２ｂから排出される。そのため、メインボディ３６１の外周面３６１ｂ全体を冷却水によって温めることができるので、メインボディ３６１の内部に設けられる弁体３８２が凍結によって固着するのを抑制することができる。

特にメインボディ３６１の内部に、シャフト３８１を回転させることでメインボディ３６１の内部の内部通路３６１ａを開閉するバタフライバルブ３８を取り付ける場合、バタフライバルブ３８の弁体３８２の外縁部はメインボディ３６１の内部通路３６１ａとほぼ接した状態となる。したがって、メインボディ３６１の外周面３６１ｂ全体を冷却水によって温めることで、弁体３８２の外縁部とメインボディ３６１の内部通路３６１ａとの間の生成水が凍結して弁体３８２が固着するのを効果的に抑制することができる。

また、メインボディ３６１の外周面３６１ｂ全体を冷却水によって温めることで、メインボディ３６１の内部で特に生成水が溜まりやすい内部通路３６１ａの下側を確実に温めることができる。したがって、生成水が凍結した氷によって弁体３８２の開閉動作が妨げられるのを抑制できる。

また、ボディカバー３６２の上面３６２ｃに冷却水排出口３６２ｂを形成することで、冷却水内に混入した空気がウォータジャケット３６３内に溜まるのを抑制することができる。これにより、冷却水によって効率的にメインボディ３６１を温めることができる。ウォータジャケット３６３内に空気が溜まると、その空気が邪魔をして冷却水によってメインボディ３６１を温めることができなくなるからである。

また、ボディカバー３６２の同じ面、すなわち上面３６２ｃに冷却水導入口３６２ａと冷却水排出口３６２ｂとを形成したので、冷却水導入口３６２ａに冷却水を導く導入通路４７１及び冷却水排出口３６２ｂから排出した冷却水が流れる戻し通路４７２を接続する際のレイアウトが容易となる。言い換えれば、ボディカバー３６２の異なる面に冷却水導入口３６２ａと冷却水排出口３６２ｂとをそれぞれ形成すると、導入通路４７１及び戻し通路４７２を接続する際のレイアウトが煩雑となる。

さらに、冷却水導入口３６２ａからウォータジャケット３６３に導入された冷却水は、燃料電池スタック２から排出された冷却水であり、その温度は燃料電池スタック２の内部温度と同等と考えることができる。したがって、燃料電池システム１の起動後にカソードガス排出通路３５に流れ出してきた生成水がカソード調圧弁３６に到達するときには、カソード調圧弁３６の内部温度を燃料電池スタック２の内部温度相当（少なくとも０℃以上）まで上昇させておくことができる。よって、燃料電池システム１の起動後にカソードガス排出通路３５に流れ出してきた生成水が、カソード調圧弁３６の内部（メインボディ３６１の内部）で凍結するのを抑制できる。

また、本実施形態によるカソード調圧弁３６は、冷却水導入口３６２ａの開口面積が、冷却水排出口３６２ｂの開口面積よりも小さい。

前述したように、メインボディ３６１の内部で特に生成水が溜まりやすいのは、内部通路３６１ａの下側である。冷却水導入口３６２ａの開口面積が大きいと、冷却水導入口３６２ａ近傍のメインボディ３６１との間で熱交換が積極的に行われてしまい、冷却水がメインボディ３６１の下側の外周面３６１ｂに到達したときの冷却水の熱量が相対的に少なくなってしまう。これに対し、冷却水導入口３６２ａの開口面積を相対的に小さくすることで、冷却水導入口３６２ａ近傍のメインボディ３６１との間で行われる熱交換量を少なくし、メインボディ３６１の下側の外周面３６１ｂを比較的高温の冷却水で温めることができる。よって、メインボディ３６１の内部で生成水が凍結するのをより確実に抑制することができる。

また、本実施形態によるカソード調圧弁３６では、冷却水導入口３６２ａを、メインボディ３６１内（内部通路３６１ａ）を流れるカソードオフガスの流れ方向下流側のボディカバー３６２の上面３６２ｃに形成した。

内部通路３６１ａの下流側（メインボディ３６１内におけるカソードオフガスの排出側）は、圧力損失によって内部通路３６１ａを流れるカソードオフガスの圧力が上流側と比べて低くなる。そのため、内部通路３６１ａの上流側よりも下流側の方が生成水の凍結が起きやすい。したがって、冷却水導入口３６２ａを内部通路３６１ａの下流側に設けることで、内部通路３６１ａの下流側を高温の冷却水で積極的に温めることができるので、生成水の凍結をより確実に抑制することができる。

また、本実施形態によるカソード調圧弁３６は、メインボディ３６１の下部から下方に突出するバルジ３６４と、バルジ３６４の内部に形成され、メインボディ３６１とシャフト３８１との隙間５に連通するとともに、カソードガス（乾燥流体）が供給される内部パージ通路３６５と、を備える。このように、導入通路４７１や戻し通路４７２が接続されるボディカバー３６２の上面３６２ｃ側とは反対側、すなわちメインボディ３６１の下側から軸パージ通路３７が接続されるように内部パージ通路３６５を形成したので、導入通路４７１や戻し通路４７２、軸パージ通路３７を全て同一面から接続する場合と比較して、メインボディ３６１、ひいてはカソード調圧弁３６の小型化を図ることができる。また、レイアウトの自由度も向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本願は、２０１２年８月２日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−１７２１４５号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (6)

1. 湿潤流体が流れる通路部と、
   前記通路部内に設けられる弁体と、
   前記通路部の外周面を温めるための加温媒体を流す加温媒体通路が形成されるように、前記通路部の外周面を覆うカバー体と、
   を備えるバルブであって、
   前記カバー体は、
   上部に前記加温媒体の導入口と排出口とを有し、
   前記加温媒体が前記通路部の下部を経由するように前記加温媒体通路を形成し、
   前記導入口の開口面積は、前記排出口の開口面積よりも小さい、
   バルブ。
2. 請求項１に記載のバルブであって、
   前記導入口は、前記通路部を流れる湿潤流体の流れ方向下流側の、前記カバー体の上部に設けられる、
   バルブ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のバルブであって、
   前記弁体は、
   前記通路部を、前記通路部の軸方向と直行する方向に貫通する回転軸に取り付けられ、前記回転軸を回転させることで前記通路部を開閉する、
   バルブ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載のバルブであって、
   前記通路部の下部から下方に突出するバルジと、
   前記バルジの内部に形成され、前記通路部と前記回転軸との隙間に連通するとともに、乾燥流体が供給される内部パージ通路と、
   を備えるバルブ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載したバルブを用いた燃料電池システムであって、
   アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する冷却水が循環する冷却水循環通路と、
   前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが流れるカソードガス排出通路と、
   を備え、
   前記バルブは、
   前記カソードガス排出通路に設けられ、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を制御する圧力制御弁であり、
   前記加温媒体は、
   前記冷却水循環通路から分岐させて前記導入口から導入される冷却水である、
   燃料電池システム。
6. 請求項４に記載のバルブを用いた燃料電池システムであって、
   アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する冷却水が循環する冷却水循環通路と、
   前記燃料電池に供給するカソードガスが流れるカソードガス供給通路と、
   前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが流れるカソードガス排出通路と、
   を備え、
   前記バルブは、
   前記カソードガス排出通路に設けられ、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を制御する圧力制御弁であり、
   前記加温媒体は、
   前記冷却水循環通路から分岐させて前記導入口から導入される冷却水であり、
   前記乾燥流体は、
   前記カソードガス供給通路から分岐させて前記内部パージ通路から導入されるカソードガスである、
   燃料電池システム。

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