JP6185296B2 - Purge valve - Google Patents

Purge valve Download PDF

Info

Publication number
JP6185296B2
JP6185296B2 JP2013124502A JP2013124502A JP6185296B2 JP 6185296 B2 JP6185296 B2 JP 6185296B2 JP 2013124502 A JP2013124502 A JP 2013124502A JP 2013124502 A JP2013124502 A JP 2013124502A JP 6185296 B2 JP6185296 B2 JP 6185296B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
flow path
cooling water
channel
purge valve
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013124502A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2015002009A (en
Inventor
孝忠 宇佐美
孝忠 宇佐美
佐藤 祐一
祐一 佐藤
剛 竹田
剛 竹田
一彦 大澤
一彦 大澤
大河原 一郎
一郎 大河原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Saginomiya Seisakusho Inc
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd, Saginomiya Seisakusho Inc filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2013124502A priority Critical patent/JP6185296B2/en
Publication of JP2015002009A publication Critical patent/JP2015002009A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6185296B2 publication Critical patent/JP6185296B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

この発明は、燃料電池システムに用いられるパージ弁に関する。   The present invention relates to a purge valve used in a fuel cell system.

特許文献1には、L字状のウォータージャケット流路が形成されたパージ弁が開示されている。そして、特に氷点下などの低温環境下で燃料電池システムを起動するときに、パージ弁に冷却水を流すことで、パージ弁を暖機する。このようにすることで、パージ通路の一部が凍結していたとしても、この凍結が解消される、としている。   Patent Document 1 discloses a purge valve in which an L-shaped water jacket channel is formed. Then, when starting the fuel cell system particularly in a low temperature environment such as below freezing point, the purge valve is warmed up by flowing cooling water through the purge valve. By doing so, even if a part of the purge passage is frozen, this freezing is eliminated.

特許第4687679号公報Japanese Patent No. 4687679

本件発明者らは、低温起動時のパージ弁の暖機について鋭意研究を進めている。パージ弁に流すことができる冷却水の流量には、さまざまな要因が影響する。たとえば、低温起動時に冷却水ポンプが吐出可能な流量に影響を受ける。またパージ弁以外に暖機する部品(たとえばカソード調圧弁)との流量割り当てにも影響を受ける。このような要因によって、パージ弁に流す流量が決められてしまう。特許文献1の手法では、パージ弁に流す冷却水の流量が少ない場合には、十分な暖機性能が得られない。   The inventors of the present invention are diligently researching the warm-up of the purge valve at the time of cold start. Various factors affect the flow rate of the cooling water that can flow to the purge valve. For example, it is affected by the flow rate that the cooling water pump can discharge at low temperature startup. It is also affected by the flow rate allocation with parts other than the purge valve that warm up (for example, the cathode pressure regulating valve). Due to such factors, the flow rate of the purge valve is determined. In the method of Patent Document 1, when the flow rate of cooling water flowing through the purge valve is small, sufficient warm-up performance cannot be obtained.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、パージ弁に流す冷却水の流量が少ない場合であっても凍結による作動不良を防止可能なパージ弁を提供することである。   The present invention has been made paying attention to such conventional problems. An object of the present invention is to provide a purge valve that can prevent malfunction due to freezing even when the flow rate of cooling water flowing through the purge valve is small.

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。   The present invention solves the above problems by the following means.

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
本発明によるパージ弁のひとつの態様は、燃料電池スタックからのアノードオフガスを大気にパージするためにアノードオフガス流路に設けられるパージ弁である。そして、パージガスが流れるパージ弁流路、パージ弁の温度を調整する冷却水が流れるウォータージャケット流路が形成されたハウジングと、前記パージ弁流路を開閉してパージガス量を調整する弁体と、を含む。そして、ウォータージャケット流路が、上流部品を冷却する冷却水を流す冷却水流路に接続される。また、前記ウォータージャケット流路の流路断面積は、接続される冷却水流路の流路断面積が小さい。
The present invention solves the above problems by the following means.
One aspect of the purge valve according to the present invention is a purge valve provided in the anode offgas flow path for purging the anode offgas from the fuel cell stack to the atmosphere. And a purge valve channel through which purge gas flows, a housing in which a water jacket channel through which cooling water for adjusting the temperature of the purge valve flows is formed, a valve body for opening and closing the purge valve channel and adjusting the purge gas amount, including. The water jacket flow path is connected to a cooling water flow path for flowing cooling water for cooling the upstream components. Further, the cross-sectional area of the water jacket channel is small in the cross-sectional area of the connected cooling water channel.

この態様によれば、ハウジングに形成されるウォータージャケット流路の流路断面積は、接続される冷却水流路の流路断面積よりも小さい。そのため、ウォータージャケット流路を流れる冷却水は、冷却水流路を流れる冷却水よりも速くなる。速度が速いほうが、冷却水と流路面との界面での熱交換が活発になり、熱伝達率が大きくなるので、冷却水の熱がパージ弁のハウジングに伝わりやすく、冷却水の熱を効率的に利用できる。   According to this aspect, the channel cross-sectional area of the water jacket channel formed in the housing is smaller than the channel cross-sectional area of the connected cooling water channel. Therefore, the cooling water flowing through the water jacket flow path is faster than the cooling water flowing through the cooling water flow path. The higher the speed, the more the heat exchange at the interface between the cooling water and the flow path surface, and the higher the heat transfer coefficient, the easier it is for the heat of the cooling water to be transferred to the housing of the purge valve. Available to:

本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。   Embodiments of the present invention and advantages of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明によるパージ弁を用いる燃料電池システムについて説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a fuel cell system using a purge valve according to the present invention. 図2は、燃料電池スタックを説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a fuel cell stack. 図3は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the reaction of the electrolyte membrane in the fuel cell stack. 図4は、パージ弁の外観斜視図である。FIG. 4 is an external perspective view of the purge valve. 図5は、パージ弁の縦断面図である。FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the purge valve. 図6は、ハウジングに形成されるウォータージャケット流路を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing a water jacket channel formed in the housing. 図7は、ウォータージャケット流路の平面図である。FIG. 7 is a plan view of the water jacket channel. 図8は、第2実施形態のパージ弁を示す縦断面図である。FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing the purge valve of the second embodiment.

はじめに実施形態の理解を容易にするために、図1を参照して、本発明によるパージ弁を用いる燃料電池システムについて説明する。   First, in order to facilitate understanding of the embodiment, a fuel cell system using a purge valve according to the present invention will be described with reference to FIG.

燃料電池システム1は、燃料電池スタック100にアノードガスを脈動供給する発電システムである。燃料電池システム1は、燃料電池スタック100と、カソードガス給排装置3と、アノードガス給排装置4と、スタック冷却装置6と、コントローラー7と、を備える。   The fuel cell system 1 is a power generation system that supplies pulsating anode gas to the fuel cell stack 100. The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 100, a cathode gas supply / discharge device 3, an anode gas supply / discharge device 4, a stack cooling device 6, and a controller 7.

燃料電池スタック100には、複数枚の発電セル10が積層されている。燃料電池スタック100は、アノードガス及びカソードガスが供給されて、車両の駆動に必要な電力(たとえばモーターを駆動するために必要な電力)を発電する。   A plurality of power generation cells 10 are stacked on the fuel cell stack 100. The fuel cell stack 100 is supplied with the anode gas and the cathode gas, and generates electric power necessary for driving the vehicle (for example, electric power necessary for driving the motor).

カソードガス給排装置3は、カソードガス供給流路31と、フィルター32と、カソードコンプレッサー33と、カソードガス排出流路35と、カソード調圧弁36と、を備える。   The cathode gas supply / discharge device 3 includes a cathode gas supply channel 31, a filter 32, a cathode compressor 33, a cathode gas discharge channel 35, and a cathode pressure regulating valve 36.

カソードガス供給流路31は、燃料電池スタック100に供給するカソードガスが流れる通路である。   The cathode gas supply channel 31 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 100 flows.

フィルター32は、カソードガスとしての空気(外気)から異物を取り除く。フィルター32を通過したカソードガスが、カソードガス供給流路31を流れる。   The filter 32 removes foreign matter from the air (outside air) as the cathode gas. The cathode gas that has passed through the filter 32 flows through the cathode gas supply channel 31.

カソードコンプレッサー33は、カソードガス供給流路31の途中に配置される。   The cathode compressor 33 is disposed in the middle of the cathode gas supply channel 31.

カソードガス排出流路35は、燃料電池スタック100から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出流路35は、燃料電池スタック100のカソード排出口22bに接続されるとともに、下流端が大気に開放する。   The cathode gas discharge channel 35 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 100 flows. The cathode gas discharge channel 35 is connected to the cathode discharge port 22b of the fuel cell stack 100, and the downstream end is opened to the atmosphere.

カソード調圧弁36は、カソードガス排出流路35に配置される。カソード調圧弁36は、カソードコンプレッサー33から供給されるカソードガスを所望の圧力に調節する。カソード調圧弁36の構造は公知であるので、詳細な説明は省略するが、ハウジングに内蔵されたバタフライタイプの弁体が、モーターで駆動される。カソード調圧弁36の開度は、コントローラー7によって制御される。またカソード調圧弁36の内部には、ウォータージャケットが形成されている。後述のように、このウォータージャケットに冷却水が導入されることで、凍結によるカソード調圧弁36の固着が防止される。   The cathode pressure regulating valve 36 is disposed in the cathode gas discharge channel 35. The cathode pressure regulating valve 36 adjusts the cathode gas supplied from the cathode compressor 33 to a desired pressure. Since the structure of the cathode pressure regulating valve 36 is known, a detailed description is omitted, but a butterfly type valve element built in the housing is driven by a motor. The opening degree of the cathode pressure regulating valve 36 is controlled by the controller 7. A water jacket is formed in the cathode pressure regulating valve 36. As will be described later, by introducing cooling water into the water jacket, the cathode pressure regulating valve 36 is prevented from sticking due to freezing.

アノードガス給排装置4は、高圧タンク41と、アノードガス供給流路42と、アノード調圧弁43と、アノードガス排出流路45と、パージガス流路46と、パージ弁47と、バッファータンク400と、を備える。   The anode gas supply / discharge device 4 includes a high pressure tank 41, an anode gas supply channel 42, an anode pressure regulating valve 43, an anode gas discharge channel 45, a purge gas channel 46, a purge valve 47, and a buffer tank 400. .

高圧タンク41は、燃料電池スタック100に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。   The high pressure tank 41 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 100 in a high pressure state.

アノードガス供給流路42は、高圧タンク41のアノードガスを燃料電池スタック100に供給するための通路である。アノードガス供給流路42は、高圧タンク41と、燃料電池スタック100のアノード供給口21aと、に接続される。   The anode gas supply channel 42 is a passage for supplying the anode gas of the high-pressure tank 41 to the fuel cell stack 100. The anode gas supply channel 42 is connected to the high-pressure tank 41 and the anode supply port 21 a of the fuel cell stack 100.

アノード調圧弁43は、アノードガス供給流路42に設けられる。アノード調圧弁43は、高圧タンク41から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節する。アノード調圧弁43は、連続的又は段階的に開度が調節される電磁弁である。アノード調圧弁43の開度は、コントローラー7によって制御される。   The anode pressure regulating valve 43 is provided in the anode gas supply channel 42. The anode pressure regulating valve 43 adjusts the anode gas discharged from the high pressure tank 41 to a desired pressure. The anode pressure regulating valve 43 is an electromagnetic valve whose opening degree is adjusted continuously or stepwise. The opening degree of the anode pressure regulating valve 43 is controlled by the controller 7.

アノードガス排出流路45は、燃料電池スタック100のアノード排出口21bと、バッファータンク400と、に接続される。アノードガス排出流路45には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノード側へ透過してきた窒素や水蒸気などの不活性ガスと、の混合ガス(以下「アノードオフガス」という)が流れる。   The anode gas discharge channel 45 is connected to the anode discharge port 21 b of the fuel cell stack 100 and the buffer tank 400. The anode gas discharge channel 45 has a mixed gas (hereinafter referred to as “anode offgas”) of excess anode gas that has not been used in the electrode reaction and an inert gas such as nitrogen or water vapor that has permeated from the cathode side to the anode side. Flows).

バッファータンク400は、アノードガス排出流路45を流れたアノードオフガスを一旦蓄える。燃料電池スタック100の内部のアノード圧が低下すれば、バッファータンク400のアノードガスが逆流して燃料電池スタック100に供給される。   The buffer tank 400 temporarily stores the anode off gas that has flowed through the anode gas discharge passage 45. When the anode pressure inside the fuel cell stack 100 decreases, the anode gas in the buffer tank 400 flows backward and is supplied to the fuel cell stack 100.

パージガス流路46は、アノードガス排出流路45と、カソードガス排出流路35と、に接続される。   The purge gas passage 46 is connected to the anode gas discharge passage 45 and the cathode gas discharge passage 35.

パージ弁47は、パージガス流路46に設けられる。パージ弁47は、全開又は全閉に調節される電磁弁である。パージ弁47は、コントローラー7によって制御される。パージ弁47が開かれると、バッファータンク400のアノードオフガスが、パージガス流路46を流れて、カソードガス排出流路35のカソードオフガスと混合して外気へ排出される。このように、アノードオフガスをカソードオフガスに混合させて外気に排出することで、外気排出ガス中のアノードガス濃度が可燃濃度よりも低くしている。   The purge valve 47 is provided in the purge gas flow path 46. The purge valve 47 is an electromagnetic valve that is adjusted to be fully open or fully closed. The purge valve 47 is controlled by the controller 7. When the purge valve 47 is opened, the anode off-gas in the buffer tank 400 flows through the purge gas passage 46, mixes with the cathode off-gas in the cathode gas discharge passage 35, and is discharged to the outside air. In this way, the anode off gas is mixed with the cathode off gas and discharged to the outside air, so that the anode gas concentration in the outside air exhaust gas is lower than the flammable concentration.

またバッファータンク400のアノードオフガスを外気へ排出することで、バッファータンク400内のアノードガス濃度を調節する。バッファータンク400内のアノードガス濃度(水素濃度)が低すぎると、アノードガスを脈動供給する運転において電極反応に使用されるアノードガスが不足する。このようになっては、発電効率が低下するとともに、燃料電池が劣化するおそれがある。一方で、バッファータンク400内のアノードガス濃度(水素濃度)が高すぎると、パージガス流路46を介してアノードオフガス中の不活性ガスとともに外気へ排出されるアノードガスの量が多くなるので、燃費が悪化する。そこで、バッファータンク400内のアノードガス濃度が、発電効率及び燃費を考慮して適切な値になるように、パージ弁47が開閉される。   Moreover, the anode gas concentration in the buffer tank 400 is adjusted by discharging the anode off-gas from the buffer tank 400 to the outside air. If the anode gas concentration (hydrogen concentration) in the buffer tank 400 is too low, the anode gas used for the electrode reaction is insufficient in the operation of supplying the anode gas in a pulsating manner. If it does in this way, while generating efficiency falls, there exists a possibility that a fuel cell may deteriorate. On the other hand, if the anode gas concentration (hydrogen concentration) in the buffer tank 400 is too high, the amount of the anode gas discharged to the outside air together with the inert gas in the anode off-gas through the purge gas flow path 46 increases. Gets worse. Therefore, the purge valve 47 is opened and closed so that the anode gas concentration in the buffer tank 400 becomes an appropriate value in consideration of power generation efficiency and fuel consumption.

パージ弁47の内部には、後述するようにウォータージャケットが形成されており、燃料電池スタック100を冷却する冷却水が循環する。これにより、凍結による固着が防止される。   A water jacket is formed inside the purge valve 47 as will be described later, and cooling water for cooling the fuel cell stack 100 circulates. This prevents sticking due to freezing.

スタック冷却装置6は、燃料電池スタック100を冷却し、燃料電池スタック100を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置6は、冷却水循環流路61と、ラジエーター62と、バイパス流路63と、三方弁64と、冷却水ポンプ65と、PTC(Positive Temperature Coefficient)ヒーター66と、冷却水調圧弁流路67と、冷却水パージ弁流路68と、を備える。   The stack cooling device 6 is a device that cools the fuel cell stack 100 and maintains the fuel cell stack 100 at a temperature suitable for power generation. The stack cooling device 6 includes a cooling water circulation passage 61, a radiator 62, a bypass passage 63, a three-way valve 64, a cooling water pump 65, a PTC (Positive Temperature Coefficient) heater 66, and a cooling water pressure regulating valve passage. 67 and a cooling water purge valve flow path 68.

冷却水循環流路61は、燃料電池スタック100を冷却するための冷却水が循環する通路である。冷却水循環流路61は、燃料電池スタック100の冷却水供給口23aと冷却水排出口23bとに接続される。以下では、冷却水循環流路61のうち、冷却水排出口23b側を上流側、冷却水供給口23a側を下流側として説明する。   The cooling water circulation passage 61 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 100 circulates. The cooling water circulation passage 61 is connected to the cooling water supply port 23 a and the cooling water discharge port 23 b of the fuel cell stack 100. In the description below, the cooling water circulation passage 61 will be described with the cooling water discharge port 23b side as the upstream side and the cooling water supply port 23a side as the downstream side.

ラジエーター62は、冷却水循環流路61に設けられる。ラジエーター62は、燃料電池スタック100から排出された冷却水を冷却する。   The radiator 62 is provided in the cooling water circulation passage 61. The radiator 62 cools the cooling water discharged from the fuel cell stack 100.

バイパス流路63は、冷却水がラジエーター62をバイパスできるようにする。バイパス流路63は、冷却水循環流路61と三方弁64とに接続される。   The bypass flow path 63 allows the cooling water to bypass the radiator 62. The bypass flow path 63 is connected to the cooling water circulation flow path 61 and the three-way valve 64.

三方弁64は、ラジエーター62よりも下流側の冷却水循環流路61に設けられる。三方弁64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、冷却水の温度が高ければ、三方弁64は、冷却水がラジエーター62を流れるように切り替える。冷却水の温度が低ければ、三方弁64は、冷却水がバイパス流路63を流れるように切り替える。   The three-way valve 64 is provided in the cooling water circulation passage 61 on the downstream side of the radiator 62. The three-way valve 64 switches the cooling water circulation path according to the temperature of the cooling water. Specifically, if the temperature of the cooling water is high, the three-way valve 64 switches so that the cooling water flows through the radiator 62. If the temperature of the cooling water is low, the three-way valve 64 switches so that the cooling water flows through the bypass channel 63.

冷却水ポンプ65は、三方弁64よりも下流側の冷却水循環流路61に設けられる。冷却水ポンプ65は、冷却水を循環させる。   The cooling water pump 65 is provided in the cooling water circulation passage 61 on the downstream side of the three-way valve 64. The cooling water pump 65 circulates cooling water.

PTCヒーター66は、バイパス流路63に設けられる。PTCヒーター66は、燃料電池スタック100の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。   The PTC heater 66 is provided in the bypass channel 63. The PTC heater 66 is energized when the fuel cell stack 100 is warmed up to raise the temperature of the cooling water.

冷却水調圧弁流路67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ージャケットに冷却水を導入するための通路である。冷却水調圧弁流路67は、送り流路671と、戻し流路672と、を含む。送り流路671は、冷却水ポンプ65の下流側の冷却水循環流路61から分岐してカソード調圧弁36のウォータージャケットに冷却水を送る通路である。戻し流路672は、カソード調圧弁36のウォータージャケットから排出された冷却水を戻す通路である。   The cooling water pressure regulating valve channel 67 is a passage for introducing cooling water into a water jacket formed inside the cathode pressure regulating valve 36 in order to prevent the cathode pressure regulating valve 36 from being stuck due to freezing. The cooling water pressure regulating valve channel 67 includes a feed channel 671 and a return channel 672. The feed passage 671 is a passage that branches from the coolant circulation passage 61 on the downstream side of the coolant pump 65 and feeds coolant to the water jacket of the cathode pressure regulating valve 36. The return flow path 672 is a path for returning the cooling water discharged from the water jacket of the cathode pressure regulating valve 36.

冷却水パージ弁流路68は、凍結によるパージ弁47の固着を防止するために、パージ弁47の内部に形成されたウォータージャケットに冷却水を導入する通路である。冷却水パージ弁流路68は、送り流路681と、戻し流路682と、を含む。送り流路681は、カソード調圧弁36から戻された冷却水を、カソード調圧弁36のウォータージャケットに送る通路である。戻し流路682は、カソード調圧弁36のウォータージャケットから排出された冷却水を、冷却水ポンプ65の上流側の冷却水循環流路61に戻す通路である。   The cooling water purge valve flow path 68 is a passage for introducing cooling water into a water jacket formed inside the purge valve 47 in order to prevent the purge valve 47 from sticking due to freezing. The cooling water purge valve channel 68 includes a feed channel 681 and a return channel 682. The feed flow path 681 is a passage that feeds the cooling water returned from the cathode pressure regulating valve 36 to the water jacket of the cathode pressure regulating valve 36. The return flow path 682 is a path for returning the cooling water discharged from the water jacket of the cathode pressure regulating valve 36 to the cooling water circulation flow path 61 on the upstream side of the cooling water pump 65.

コントローラー7は、アノード調圧弁43を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる。このように圧力を変動させる運転が脈動供給運転といわれる。またコントローラー7は、バッファータンク400内のアノードガス濃度を所望の濃度に保つように、パージ弁38の開度を調節してバッファータンク400から排出するアノードオフガスの流量を調節する。   The controller 7 periodically opens and closes the anode pressure regulating valve 43 to periodically increase and decrease the anode pressure. Such an operation that varies the pressure is called a pulsation supply operation. Further, the controller 7 adjusts the flow rate of the anode off gas discharged from the buffer tank 400 by adjusting the opening of the purge valve 38 so as to keep the anode gas concentration in the buffer tank 400 at a desired concentration.

脈動供給運転を行うことで、電解質膜111を介してカソード側からアノード側に透過してきた窒素等の不純ガスを、バッファータンク400に押し込むことができる。この結果、不純ガスがアノード流路内に蓄積されて電極反応が阻害されることを抑制でき、安定した発電を実施できる。   By performing the pulsation supply operation, an impurity gas such as nitrogen that has permeated from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane 111 can be pushed into the buffer tank 400. As a result, it is possible to suppress the impure gas from accumulating in the anode channel and hindering the electrode reaction, and stable power generation can be performed.

図2は、燃料電池スタックを説明する図であり、図2(A)は外観斜視図、図2(B)は発電セルの構造を示す分解図である。   2A and 2B are diagrams illustrating a fuel cell stack, FIG. 2A is an external perspective view, and FIG. 2B is an exploded view showing the structure of a power generation cell.

図2(A)に示されるように、燃料電池スタックは、積層された複数の発電セル10と、集電プレート20と、を備える。燃料電池スタックは、直方体である。   As shown in FIG. 2A, the fuel cell stack includes a plurality of stacked power generation cells 10 and a current collecting plate 20. The fuel cell stack is a rectangular parallelepiped.

発電セル10は、燃料電池の単位セルである。各発電セル10は、1ボルト(V)程度の起電圧を生じる。各発電セル10の構成の詳細については後述される。   The power generation cell 10 is a unit cell of a fuel cell. Each power generation cell 10 generates an electromotive voltage of about 1 volt (V). Details of the configuration of each power generation cell 10 will be described later.

集電プレート20は、一対であり、積層された複数の発電セル10の外側にそれぞれ配置される。集電プレート20は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンや金属材料などで形成される。   The current collecting plates 20 are a pair and are respectively arranged outside the plurality of stacked power generation cells 10. The current collecting plate 20 is formed of a gas impermeable conductive member such as dense carbon or a metal material.

一方の集電プレート20(図2(A)では、左手前の集電プレート20)には、短辺に沿って、アノード供給口21aと、アノード排出口21bと、カソード供給口22aと、カソード排出口22bと、冷却水供給口23aと、冷却水排出口23bとが設けられている。本実施形態では、アノード供給口21a、冷却水供給口23a及びカソード排出口22bは図中右側に設けられる。またカソード供給口22a、冷却水排出口23b及びアノード排出口21bは図中左側に設けられる。   One current collecting plate 20 (the current collecting plate 20 on the left front side in FIG. 2A) has an anode supply port 21a, an anode discharge port 21b, a cathode supply port 22a, a cathode along the short side. A discharge port 22b, a cooling water supply port 23a, and a cooling water discharge port 23b are provided. In the present embodiment, the anode supply port 21a, the cooling water supply port 23a, and the cathode discharge port 22b are provided on the right side in the drawing. The cathode supply port 22a, the cooling water discharge port 23b, and the anode discharge port 21b are provided on the left side in the drawing.

アノード供給口21aにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口22aに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。   As a method of supplying hydrogen as anode gas to the anode supply port 21a, for example, a method of supplying hydrogen gas directly from a hydrogen storage device or a hydrogen-containing gas reformed by reforming a fuel containing hydrogen is supplied. There are methods. Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. Examples of the fuel containing hydrogen include natural gas, methanol, and gasoline. Air is generally used as the cathode gas supplied to the cathode supply port 22a.

図2(B)に示されるように、発電セル10は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)11の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)12a及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)12bが配置される構造である。   As shown in FIG. 2B, the power generation cell 10 includes an anode separator (anode bipolar plate) 12a and a cathode separator (cathode bipolar plate) on both surfaces of a membrane electrode assembly (MEA) 11. 12b is arranged.

MEA11は、イオン交換膜からなる電解質膜111の両面に電極触媒層112が形成される。この電極触媒層112の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer;GDL)113が形成される。   In the MEA 11, electrode catalyst layers 112 are formed on both surfaces of an electrolyte membrane 111 made of an ion exchange membrane. A gas diffusion layer (GDL) 113 is formed on the electrode catalyst layer 112.

電極触媒層112は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。   The electrode catalyst layer 112 is formed of carbon black particles on which platinum is supported, for example.

GDL113は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。   The GDL 113 is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, such as carbon fiber.

アノード供給口21aから供給されたアノードガスは、このGDL113aを流れてアノード電極触媒層112(112a)と反応し、アノード排出口21bから排出される。   The anode gas supplied from the anode supply port 21a flows through this GDL 113a, reacts with the anode electrode catalyst layer 112 (112a), and is discharged from the anode discharge port 21b.

カソード供給口22aから供給されたカソードガスは、このGDL113bを流れてカソード電極触媒層112(112b)と反応し、カソード排出口22bから排出される。   The cathode gas supplied from the cathode supply port 22a flows through this GDL 113b, reacts with the cathode electrode catalyst layer 112 (112b), and is discharged from the cathode discharge port 22b.

アノードセパレーター12aは、GDL113a及びシール14aを介してMEA11の片面(図2(B)の裏面)に重ねられる。カソードセパレーター12bは、GDL113b及びシール14bを介してMEA11の片面(図2(B)の表面)に重ねられる。シール14(14a,14b)は、たとえばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム(Ethylene Propylene Diene Monomer;EPDM)、フッ素ゴムなどのゴム状弾性材である。アノードセパレーター12a及びカソードセパレーター12bは、たとえばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図2(B)に示すようにアノードセパレーター12a及びカソードセパレーター12bが重ねられて、冷却水流路が形成される。   The anode separator 12a is overlaid on one side of the MEA 11 (back side in FIG. 2B) via the GDL 113a and the seal 14a. The cathode separator 12b is stacked on one side of the MEA 11 (the surface in FIG. 2B) via the GDL 113b and the seal 14b. The seal 14 (14a, 14b) is a rubber-like elastic material such as silicone rubber, ethylene propylene diene monomer (EPDM), or fluorine rubber. The anode separator 12a and the cathode separator 12b are formed by press-molding a separator base made of metal such as stainless steel so that a reaction gas channel is formed on one surface and alternately arranged with a reaction gas channel on the opposite surface. A cooling water flow path is formed. As shown in FIG. 2B, the anode separator 12a and the cathode separator 12b are overlapped to form a cooling water flow path.

MEA11、アノードセパレーター12a及びカソードセパレーター12bには、それぞれ孔21a,21b,22a,22b,23a,23bが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口(アノード供給マニホールド)21a、アノード排出口(アノード排出マニホールド)21b、カソード供給口(カソード供給マニホールド)22a、カソード排出口(カソード排出マニホールド)22b、冷却水供給口(冷却水供給マニホールド)23a及び冷却水排出口(冷却水排出マニホールド)23bが形成される。   The MEA 11, the anode separator 12a, and the cathode separator 12b are respectively formed with holes 21a, 21b, 22a, 22b, 23a, and 23b, which are overlapped to form an anode supply port (anode supply manifold) 21a and an anode discharge port. (Anode discharge manifold) 21b, cathode supply port (cathode supply manifold) 22a, cathode discharge port (cathode discharge manifold) 22b, cooling water supply port (cooling water supply manifold) 23a and cooling water discharge port (cooling water discharge manifold) 23b Is formed.

なお図2では、表側の集電プレート20に、アノード供給口21a、アノード排出口21b、カソード供給口22a、カソード排出口22b、冷却水供給口23a、冷却水排出口23bが設けられている場合を例示したが、これには限られない。たとえば、アノード排出口21b、カソード排出口22b、冷却水排出口23bが、裏側の集電プレート20に設けられてもよい。図1のアノードガス脈動供給システムでは、そのようなタイプが用いられる。   In FIG. 2, the current collector plate 20 on the front side is provided with an anode supply port 21 a, an anode discharge port 21 b, a cathode supply port 22 a, a cathode discharge port 22 b, a cooling water supply port 23 a, and a cooling water discharge port 23 b. However, the present invention is not limited to this. For example, the anode outlet 21b, the cathode outlet 22b, and the cooling water outlet 23b may be provided on the current collecting plate 20 on the back side. Such a type is used in the anode gas pulsation supply system of FIG.

図3は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。   FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the reaction of the electrolyte membrane in the fuel cell stack.

燃料電池スタック10は、反応ガス(水素H2及び空気中の酸素O2)が供給されて発電する。燃料電池スタック10は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)が数百枚積層されて構成される。そのうちの1枚のMEAが図3(A)に示される。ここではMEAにカソードガスが供給されて(カソードイン)、対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)、対角側から排出される(アノードアウト)、という例が示されている。 The fuel cell stack 10 is supplied with reaction gas (hydrogen H 2 and oxygen O 2 in the air) to generate power. The fuel cell stack 10 is configured by stacking hundreds of membrane electrode assemblies (MEA) in which a cathode electrode catalyst layer and an anode electrode catalyst layer are formed on both surfaces of an electrolyte membrane. One of the MEAs is shown in FIG. Here, the cathode gas is supplied to the MEA (cathode in) and discharged from the diagonal side (cathode out), while the anode gas is supplied (anode in) and discharged from the diagonal side (anode out). An example is shown.

各膜電極接合体(MEA)は、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。   In each membrane electrode assembly (MEA), the following reaction proceeds in the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer according to the load to generate power.

Figure 0006185296
Figure 0006185296

図3(B)に示すように、反応ガス(空気中の酸素O2)がカソード流路を流れるにつれて上式(1-2)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにMEAからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(水素H2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のMEAを加湿する。またカソード流路の空気が電解質膜を透過してアノード流路に混入する。空気中の酸素O2は、アノード流路の水素H2と反応するが、空気中の窒素N2は、反応することなく排出される。バッファータンク400には、このようにしてカソード側からアノード側に透過してきた窒素や水蒸気などの不活性ガスと、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスとの混合ガス(アノードオフガス)が流れ込む。 As shown in FIG. 3B, the reaction of the above formula (1-2) proceeds as the reaction gas (oxygen O 2 in the air) flows through the cathode flow path, and water vapor is generated. Then, the relative humidity increases on the downstream side of the cathode channel. As a result, the relative humidity difference between the cathode side and the anode side increases. With this relative humidity difference as the driving force, water is back-diffused and the anode upstream side is humidified. This moisture further evaporates from the MEA to the anode channel, and humidifies the reaction gas (hydrogen H 2 ) flowing through the anode channel. Then, it is transported downstream of the anode and humidifies the MEA downstream of the anode. Also, the air in the cathode channel permeates the electrolyte membrane and enters the anode channel. Oxygen O 2 in the air reacts with hydrogen H 2 in the anode flow path, but nitrogen N 2 in the air is discharged without reacting. A mixed gas (anode off gas) of the inert gas such as nitrogen and water vapor that has permeated from the cathode side to the anode side in this way and the excess anode gas that has not been used for the electrode reaction flows into the buffer tank 400. .

パージ弁47が開かれると、バッファータンク400のアノードオフガスが、パージガス流路46を流れて、カソードガス排出流路35のカソードオフガスと混合して外気へ排出される。このようにして、バッファータンク400内のアノードガス濃度が調節される。   When the purge valve 47 is opened, the anode off-gas in the buffer tank 400 flows through the purge gas passage 46, mixes with the cathode off-gas in the cathode gas discharge passage 35, and is discharged to the outside air. In this way, the anode gas concentration in the buffer tank 400 is adjusted.

燃料電池システムの運転が停止され、零下環境で放置されると、アノードオフガス中の水分が凍結してパージ弁47の作動が阻害されるおそれがある。そこで、本実施形態では、パージ弁47の内部に、ウォータージャケットが形成される。そして、燃料電池スタック100を冷却する冷却水を循環させる。このようにすることで、凍結による固着が防止される。以下では、パージ弁47の具体的な構造について説明する。   If the operation of the fuel cell system is stopped and left in a sub-zero environment, the moisture in the anode off-gas may freeze and the operation of the purge valve 47 may be hindered. Therefore, in this embodiment, a water jacket is formed inside the purge valve 47. Then, cooling water for cooling the fuel cell stack 100 is circulated. In this way, sticking due to freezing is prevented. Hereinafter, a specific structure of the purge valve 47 will be described.

図4は、パージ弁の外観斜視図である。   FIG. 4 is an external perspective view of the purge valve.

パージ弁47は、ハウジング470の内部に、後述するウォータージャケット流路480が形成されている。ウォータージャケット流路480の一端に、冷却水パージ弁流路68の送り流路681が接続される。ウォータージャケット流路480の他端に、冷却水パージ弁流路68の戻し流路682が接続される。   In the purge valve 47, a water jacket channel 480 described later is formed inside the housing 470. A feed flow path 681 of the cooling water purge valve flow path 68 is connected to one end of the water jacket flow path 480. A return flow path 682 of the cooling water purge valve flow path 68 is connected to the other end of the water jacket flow path 480.

またハウジング470には、ボルト穴470aが形成されている。この穴470aは、後述するウォータージャケット流路の上方流路481及び下方流路482の間を通るように形成される。パージ弁47は、ボルト穴470aを貫通するボルトによって、燃料電池スタック100の筐体などに固定される。   The housing 470 is formed with a bolt hole 470a. The hole 470a is formed so as to pass between an upper channel 481 and a lower channel 482 of a water jacket channel described later. The purge valve 47 is fixed to the casing of the fuel cell stack 100 or the like by a bolt that penetrates the bolt hole 470a.

図5は、パージ弁の縦断面図である。   FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the purge valve.

パージ弁47は、ハウジング470と、弁体475と、を含む。ハウジング470には、入口流路471と、出口流路472と、接続流路473と、が形成される。入口流路471は、ハウジング470の下方に形成される。出口流路472は、ハウジング470の上方に形成される。入口流路471及び出口流路472には、パージガス流路46が接続される。接続流路473は、入口流路471と出口流路472とを結んで形成される。接続流路473は、入口流路471や出口流路472に比べて細い。このようにすれば、接続流路473を流れるガスの流速が十分に速くなり、水分が重力に逆らって接続流路473を上昇させることができる。接続流路473と出口流路472との境に、座面474がある。弁体475が上昇して座面474から離れると、接続流路473と出口流路472とが連通し、パージガスが、入口流路471→接続流路473→出口流路472と流れて、パージガス流路46に排出される。   The purge valve 47 includes a housing 470 and a valve body 475. In the housing 470, an inlet channel 471, an outlet channel 472, and a connection channel 473 are formed. The inlet channel 471 is formed below the housing 470. The outlet channel 472 is formed above the housing 470. A purge gas channel 46 is connected to the inlet channel 471 and the outlet channel 472. The connection channel 473 is formed by connecting the inlet channel 471 and the outlet channel 472. The connection channel 473 is narrower than the inlet channel 471 and the outlet channel 472. In this way, the flow velocity of the gas flowing through the connection channel 473 is sufficiently high, and the connection channel 473 can be raised against moisture against gravity. There is a seating surface 474 at the boundary between the connection channel 473 and the outlet channel 472. When the valve body 475 rises and separates from the seat surface 474, the connection channel 473 and the outlet channel 472 communicate with each other, and the purge gas flows from the inlet channel 471 → the connection channel 473 → the outlet channel 472, and the purge gas It is discharged to the flow path 46.

このように弁体475と座面474との当接部分が、重力方向上方に設けられることで、弁体475と座面474との当接部分に水分が残留しにくくなっているものの、それでも水分が残留する可能性がある。   As described above, the contact portion between the valve body 475 and the seat surface 474 is provided above the gravity direction, so that moisture hardly remains in the contact portion between the valve body 475 and the seat surface 474. Water may remain.

また流路の壁面に水分が付着して残留する可能性もある。水分が凍結した状態で、パージしては、十分なパージが実行できないおそれがある。   In addition, moisture may remain on the wall surface of the channel. If purging with moisture frozen, there is a risk that sufficient purging cannot be performed.

そこで、本実施形態では、ハウジング470に、燃料電池スタック100を冷却する冷却水が流れるウォータージャケット流路480(上方流路481及び下方流路482)が形成される。下方流路482の流路断面積は、上方流路481の流路断面積よりも小さい。   Therefore, in the present embodiment, the water jacket channel 480 (the upper channel 481 and the lower channel 482) through which the cooling water for cooling the fuel cell stack 100 flows is formed in the housing 470. The channel cross-sectional area of the lower channel 482 is smaller than the channel cross-sectional area of the upper channel 481.

図6は、ハウジング470に形成されるウォータージャケット流路480を示す斜視図である。   FIG. 6 is a perspective view showing a water jacket channel 480 formed in the housing 470.

上述のように、ウォータージャケット流路480は、ハウジング470の内部に形成されているが、図6では、ウォータージャケット流路480の形状が、より明確になるように、ハウジング470を省略して示した。   As described above, the water jacket channel 480 is formed inside the housing 470, but in FIG. 6, the housing 470 is omitted so that the shape of the water jacket channel 480 becomes clearer. It was.

ウォータージャケット流路480は、冷却水パージ弁流路68の送り流路681及び戻し流路682に接続されて冷却水が流れる。ウォータージャケット流路480は、上方流路481と、下方流路482と、を含む。   The water jacket channel 480 is connected to the feed channel 681 and the return channel 682 of the cooling water purge valve channel 68 so that the cooling water flows. The water jacket channel 480 includes an upper channel 481 and a lower channel 482.

上方流路481は、2本の流路に分岐して形成される。上方流路481は、冷却水パージ弁流路68よりも細い。すなわち上方流路481の流路断面積は、冷却水パージ弁流路68の流路断面積よりも小さい。また下方流路482の流路断面積も、冷却水パージ弁流路68の流路断面積よりも小さい。また上方流路481の流路断面積と下方流路482の流路断面積とを合わせた面積は、冷却水パージ弁流路68の流路断面積よりも小さい。   The upper channel 481 is formed by branching into two channels. The upper flow path 481 is narrower than the cooling water purge valve flow path 68. That is, the cross-sectional area of the upper flow path 481 is smaller than the cross-sectional area of the cooling water purge valve flow path 68. The flow passage cross-sectional area of the lower flow passage 482 is also smaller than the flow passage cross-sectional area of the cooling water purge valve flow passage 68. In addition, the total area of the channel cross-sectional area of the upper channel 481 and the channel cross-sectional area of the lower channel 482 is smaller than the channel cross-sectional area of the cooling water purge valve channel 68.

図7はウォータージャケット流路の平面図であり、図7(A)は上方流路を示し、図7(B)は下方流路を示す。   FIG. 7 is a plan view of the water jacket channel, FIG. 7 (A) shows the upper channel, and FIG. 7 (B) shows the lower channel.

上方流路481は、図7(A)に示されるように、2本の流路に分岐して形成される。これら2本の流路は、流路幅が同じである。2本の流路の間には、ハウジング470の鋳鉄が存在しており、中央に接続流路473が貫通する。   As shown in FIG. 7A, the upper flow path 481 is formed by branching into two flow paths. These two channels have the same channel width. Cast iron of the housing 470 exists between the two flow paths, and the connection flow path 473 penetrates through the center.

下方流路482は、図7(B)に示されるように、途中で、接続流路473が貫通するエリアがくり抜かれた形状である。このエリアの周囲の流路幅が非常に狭くなっている。   As shown in FIG. 7B, the lower flow path 482 has a shape in which an area through which the connection flow path 473 penetrates is cut out. The flow path width around this area is very narrow.

次に本実施形態の作用効果について説明する。   Next, the effect of this embodiment is demonstrated.

燃料電池システムの運転が停止され、零下環境で放置されると、アノードオフガス中の水分が凍結してパージ弁47の作動が阻害されるおそれがある。そこで、本実施形態では、パージ弁47の内部に、冷却水を導入するウォータージャケットを形成した。このように構成することで、燃料電池システムの起動による燃料電池スタックの発熱を受けて昇温した冷却水がパージ弁47の内部に導入されるので、凍結による固着が防止される。特に本実施形態では、ウォータージャケット流路480のそれぞれの流路の断面積が、冷却水パージ弁流路の流路断面積よりも小さくなるように形成されている。特にウォータージャケット流路480が複数に分岐しているときには、その合計流路断面積が、冷却水パージ弁流路の流路断面積よりも小さくなるように形成されている。したがって、ウォータージャケット流路480を流れる冷却水は、冷却水パージ弁流路を流れる冷却水よりも速い。速度が速いほうが、冷却水と流路面との界面での熱交換が活発になり、熱伝達率が大きくなる。流路面との界面に流れる冷却水が層流状態であるよりも乱流状態であるほうが、冷却水と流路面との界面での熱交換が活発になり、熱伝達率が大きくなるからである。そのため冷却水の熱がパージ弁47のハウジング470に伝わりやすい。そして特に本実施形態では、接続流路473に最も近い下方流路482の流路断面積が最小であり、冷却水の速度が最も速く、冷却水と流路面との界面での熱交換が活発になる。このため、冷却水の熱を効率的に利用できる。   If the operation of the fuel cell system is stopped and left in a sub-zero environment, the moisture in the anode off-gas may freeze and the operation of the purge valve 47 may be hindered. Therefore, in this embodiment, a water jacket for introducing cooling water is formed inside the purge valve 47. With this configuration, the cooling water that has been heated in response to the heat generated by the fuel cell stack due to the activation of the fuel cell system is introduced into the purge valve 47, so that sticking due to freezing is prevented. In particular, in this embodiment, the cross-sectional area of each flow path of the water jacket flow path 480 is formed to be smaller than the cross-sectional area of the cooling water purge valve flow path. In particular, when the water jacket channel 480 is branched into a plurality, the total channel cross-sectional area is formed to be smaller than the channel cross-sectional area of the cooling water purge valve channel. Therefore, the cooling water flowing through the water jacket channel 480 is faster than the cooling water flowing through the cooling water purge valve channel. When the speed is faster, heat exchange at the interface between the cooling water and the flow path surface becomes more active, and the heat transfer coefficient becomes larger. This is because the heat exchange at the interface between the cooling water and the channel surface becomes more active and the heat transfer coefficient becomes larger when the cooling water flowing at the interface with the channel surface is in a turbulent state than in a laminar flow state. . Therefore, the heat of the cooling water is easily transmitted to the housing 470 of the purge valve 47. In particular, in this embodiment, the flow passage cross-sectional area of the lower flow passage 482 closest to the connection flow passage 473 is the smallest, the speed of the cooling water is the fastest, and heat exchange at the interface between the cooling water and the flow passage surface is active. become. For this reason, the heat of cooling water can be utilized efficiently.

なおウォータージャケット流路480の流路断面積を絞りすぎると圧損が過大になるので望ましくない。また流速が過大になってキャビテーションが生じる可能性もある。キャビテーションが生じては、熱伝達率が却って下がってしまう。そこで、このような点を考慮して、ウォータージャケット流路480の流路断面積を適宜設定すればよい。   Note that if the flow path cross-sectional area of the water jacket flow path 480 is too narrow, pressure loss becomes excessive, which is not desirable. There is also the possibility of cavitation due to excessive flow velocity. When cavitation occurs, the heat transfer coefficient decreases. Therefore, in consideration of such points, the channel cross-sectional area of the water jacket channel 480 may be set as appropriate.

また本実施形態では、冷却水ポンプ65の下流側の冷却水循環流路61から分岐した冷却水流路(冷却水調圧弁流路67、冷却水パージ弁流路68)がある。上流側の冷却水調圧弁流路67には、カソード調圧弁36が配置される。下流側の冷却水パージ弁流路68には、パージ弁47が配置される。   Further, in the present embodiment, there is a cooling water passage (a cooling water pressure regulating valve passage 67, a cooling water purge valve passage 68) branched from the cooling water circulation passage 61 on the downstream side of the cooling water pump 65. The cathode pressure regulating valve 36 is disposed in the upstream side cooling water pressure regulating valve channel 67. A purge valve 47 is disposed in the cooling water purge valve flow path 68 on the downstream side.

このような場合、零下起動時に上流部品(ここではカソード調圧弁36)に流す冷却水の流量(冷却水通路断面積)は、零下を想定した起動時の所定の部品温度と零下を想定した起動時の所定の冷却水温度とに基づいて設定される。   In such a case, the flow rate (cooling water passage cross-sectional area) of the cooling water flowing to the upstream component (here, the cathode pressure regulating valve 36) at the time of starting below zero is a predetermined part temperature at the time of starting assuming zero and the starting assuming the zero. It is set based on the predetermined cooling water temperature at the time.

カソード調圧弁36を通った冷却水は、温度が低下して下流部品(パージ弁47)に到達する。したがって、下流側では部品(パージ弁47)と冷却水温度との温度差が、上流側に比べて小さい。温度差が小さいと熱交換効率が落ちる。   The temperature of the cooling water that has passed through the cathode pressure regulating valve 36 reaches the downstream part (purge valve 47) as the temperature decreases. Therefore, the temperature difference between the component (purge valve 47) and the cooling water temperature is smaller on the downstream side than on the upstream side. If the temperature difference is small, the heat exchange efficiency decreases.

これに対して本実施形態では、パージ弁47のウォータージャケット流路480の流路断面積を、カソード調圧弁36を通る流路(冷却水調圧弁流路67)の流路断面積よりも小さくしたのである。   On the other hand, in this embodiment, the flow passage cross-sectional area of the water jacket flow passage 480 of the purge valve 47 is smaller than the flow passage cross-sectional area of the flow passage (cooling water pressure regulation valve flow passage 67) passing through the cathode pressure regulation valve 36. It was.

このようにすれば、ウォータージャケット流路480を流れる冷却水の流速が上がる。冷却水の流速が上がれば、冷却水と流路面との界面での熱交換が活発になって、熱伝達率が上がる。したがって、カソード調圧弁36を通って温度が低下したものの、まだまだ熱を持っている冷却水の熱を効率的に利用できるのである。   In this way, the flow rate of the cooling water flowing through the water jacket channel 480 increases. If the flow rate of the cooling water increases, heat exchange at the interface between the cooling water and the flow path surface becomes active, and the heat transfer coefficient increases. Therefore, although the temperature has decreased through the cathode pressure regulating valve 36, the heat of the cooling water still having heat can be used efficiently.

また本実施形態では、接続流路473を流れるガスの流速が十分に速くなるように、接続流路473は、入口流路471や出口流路472に比べて細くされている。しかしながら、このような構成では、接続流路473で水分が凍結すると、流路面積を狭める影響が大きく、十分なパージが実行できないおそれがある。   In the present embodiment, the connection channel 473 is thinner than the inlet channel 471 and the outlet channel 472 so that the flow velocity of the gas flowing through the connection channel 473 is sufficiently high. However, in such a configuration, when moisture is frozen in the connection flow path 473, there is a large effect of narrowing the flow path area, and there is a possibility that sufficient purge cannot be performed.

そこで、本実施形態では、ウォータージャケット流路480を分岐して、接続流路473の上方に上方流路481を形成し、接続流路473の下方に下方流路482を形成した。このようにしたので、接続流路473が全体的に加熱されるようになり、接続流路473での凍結が防止される。   Therefore, in this embodiment, the water jacket channel 480 is branched, the upper channel 481 is formed above the connection channel 473, and the lower channel 482 is formed below the connection channel 473. Since it did in this way, the connection flow path 473 is heated entirely, and the freezing in the connection flow path 473 is prevented.

また、水分の凍結は、特に、座面474と弁体475との当接部分で防止したい。そこで、本実施形態では、出口流路472が、接続流路473の座面部分から、下方に形成される。このようにすれば、水分が流下しやすくなり、接続流路473の座面部分に水分が残留しにくくなる。しかしながら、このような構造であると、出口流路472が邪魔になって、ウォータージャケット流路480の上方流路481を、接続流路473の座面部分に近づけることが難しくなる。そこで、本実施形態は、ウォータージャケット流路480の上方流路481を、下方流路482よりも太くした。このようにすることで、上方流路481の熱容量が大きくなり、座面部分から離れていても、座面部分に冷却水の熱が伝わりやすくなる。   In addition, it is particularly desirable to prevent moisture from freezing at the contact portion between the seating surface 474 and the valve body 475. Therefore, in the present embodiment, the outlet channel 472 is formed below the seat surface portion of the connection channel 473. In this way, moisture easily flows down, and moisture hardly remains on the seating surface portion of the connection channel 473. However, with such a structure, the outlet channel 472 becomes an obstacle, and it is difficult to bring the upper channel 481 of the water jacket channel 480 close to the seat surface portion of the connection channel 473. Therefore, in the present embodiment, the upper channel 481 of the water jacket channel 480 is made thicker than the lower channel 482. By doing so, the heat capacity of the upper flow path 481 is increased, and the heat of the cooling water is easily transmitted to the seat surface portion even if it is away from the seat surface portion.

また本実施形態では、ハウジング470にボルト穴470aが形成されている。このボルト穴470aは、ウォータージャケット流路480の上方流路481及び下方流路482の間を通る。このような構造であるので、ボルト穴470aが空気層(断熱部)となり、冷却水の熱の無用な拡散が防止される。したがって、接続流路473の近くを冷却水の熱で効率よく暖めることができる。   In the present embodiment, a bolt hole 470 a is formed in the housing 470. The bolt hole 470 a passes between the upper channel 481 and the lower channel 482 of the water jacket channel 480. Since it is such a structure, the bolt hole 470a becomes an air layer (heat insulation part), and unnecessary diffusion of the heat of the cooling water is prevented. Therefore, the vicinity of the connection flow path 473 can be efficiently warmed by the heat of the cooling water.

また本実施形態では、冷却水ポンプ65から出た冷却水は、カソード調圧弁36に導入されてから、パージ弁47に供給される。カソード調圧弁36は、始動時に作動が制御されるので、カソード調圧弁の凍結を早期に解消する必要がある。しかしながら、やみくもに冷却水の流量や温度が上げられては、燃費が悪化してしまう。そこで、カソード調圧弁36に対する要求が満足できるように、冷却水の流量や温度が設計される。カソード調圧弁36には、モーターも内蔵されている。したがって、カソード調圧弁36はサイズが大きい。   In the present embodiment, the cooling water discharged from the cooling water pump 65 is introduced into the cathode pressure regulating valve 36 and then supplied to the purge valve 47. Since the operation of the cathode pressure regulating valve 36 is controlled at the time of starting, it is necessary to eliminate the freezing of the cathode pressure regulating valve at an early stage. However, if the flow rate or temperature of the cooling water is increased unnecessarily, the fuel efficiency will deteriorate. Therefore, the flow rate and temperature of the cooling water are designed so that the requirements for the cathode pressure regulating valve 36 can be satisfied. The cathode pressure regulating valve 36 also includes a motor. Therefore, the cathode pressure regulating valve 36 is large in size.

冷却水は、カソード調圧弁36を通ると、温度が低下するものの、まだまだ熱を持っている。本実施形態は、このような冷却水を利用してパージ弁47を暖機するのである。なお図1に示されたシステムでは、パージ弁47が2つあるので、カソード調圧弁36から出た冷却水は、2つの冷却水パージ弁流路68に分岐する。そのため、パージ弁47を流れる冷却水の流量は、カソード調圧弁36を流れる冷却水の流量よりも少ない。本実施形態では、カソード調圧弁36を流れて温度が低下しているとともに、流量が少ない冷却水を効率よく利用してパージ弁47を暖機しようというものである。   When the cooling water passes through the cathode pressure regulating valve 36, the temperature decreases, but still has heat. In this embodiment, the purge valve 47 is warmed up using such cooling water. In the system shown in FIG. 1, since there are two purge valves 47, the cooling water exiting from the cathode pressure regulating valve 36 is branched into two cooling water purge valve channels 68. Therefore, the flow rate of the cooling water flowing through the purge valve 47 is smaller than the flow rate of the cooling water flowing through the cathode pressure regulating valve 36. In the present embodiment, the temperature of the purge valve 47 flows through the cathode pressure regulating valve 36, and the purge valve 47 is warmed up by efficiently using cooling water with a low flow rate.

そこで、パージ弁47のウォータージャケット流路480の断面積が、冷却水パージ弁流路の流路断面積よりも小さくしておくことで、流速を上げる。このようにすることで、冷却水と流路面との界面での熱交換を活発にさせることができ、冷却水の熱を効率的に利用できるのである。   Therefore, the flow velocity is increased by keeping the cross-sectional area of the water jacket flow path 480 of the purge valve 47 smaller than the cross-sectional area of the cooling water purge valve flow path. By doing in this way, the heat exchange in the interface of a cooling water and a flow-path surface can be made active, and the heat of a cooling water can be utilized efficiently.

このように、カソード調圧弁36のほうがパージ弁47よりも大型であり、冷却水の温度や流量を設定にあたり、まずカソード調圧弁36を考慮して、冷却水を供給し、使われなかった熱をパージ弁47の暖機に用いるようにしたことで、エネルギー効率を向上できるのである。   As described above, the cathode pressure regulating valve 36 is larger than the purge valve 47, and in setting the temperature and flow rate of the cooling water, the cooling water is first supplied in consideration of the cathode pressure regulating valve 36, and the heat that has not been used. As a result, the energy efficiency can be improved.

(第2実施形態)
図8は、第2実施形態のパージ弁を示す縦断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing the purge valve of the second embodiment.

この実施形態では、ウォータージャケット流路480の上方流路481がさらに分岐している。第1実施形態では、上方流路481が左右に2本に分岐していたが、この第2実施形態では、左右に分岐するとともに、さらに上下にも分岐している。これらの流路断面積の合計が、第1実施形態の上方流路と同じ又は小さい。   In this embodiment, the upper channel 481 of the water jacket channel 480 is further branched. In the first embodiment, the upper flow path 481 is bifurcated into two on the left and right. In the second embodiment, the upper channel 481 is bifurcated on the left and right, and further on the upper and lower sides. The sum total of these channel cross-sectional areas is the same as or smaller than the upper channel of the first embodiment.

このように構成されると、上方流路481のうち上に位置する流路を、接続流路473の座面部分に近づけることができる。このため、座面の凍結を一層防止しやすくなる。また流路断面積が小さくされれば、熱容量が小さくなるものの、座面に近づけることができるので、この点でも、座面の凍結を防止しやすくなる。また流路断面積が小さくなることで、冷却水の速度が速くなる。したがって、冷却水と流路面との界面での熱交換が活発になる。このため、冷却水の熱を効率的に利用できる。   With this configuration, the upper channel of the upper channel 481 can be brought closer to the seating surface portion of the connection channel 473. For this reason, it becomes easier to prevent the seat surface from freezing. Further, if the flow path cross-sectional area is reduced, the heat capacity is reduced, but it can be brought closer to the seating surface. In this respect as well, it becomes easy to prevent the seating surface from freezing. Further, the flow rate of the cooling water is increased by reducing the cross-sectional area of the flow path. Therefore, heat exchange at the interface between the cooling water and the flow path is activated. For this reason, the heat of cooling water can be utilized efficiently.

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。   The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.

たとえば、上記実施形態では、ハウジングに形成されたボルト穴が空気層となって、断熱部として機能するが、そのような構造には限られない。他にも穴を形成してもよいし、断熱性の部材が存在してもよい。   For example, in the above embodiment, the bolt hole formed in the housing serves as an air layer and functions as a heat insulating portion, but is not limited to such a structure. In addition, a hole may be formed or a heat insulating member may be present.

またウォータージャケット流路の形状は例示に過ぎない。   The shape of the water jacket channel is merely an example.

また上記実施形態では、冷却水をまずカソード調圧弁に流して、その後、パージ弁に流している。すなわち、カソード調圧弁とパージ弁との位置関係が直列状態である。しかしながらこのような位置関係には限られない。冷却水を分岐させてカソード調圧弁に流すとともに、パージ弁に流すようにしてもよい。すなわち、カソード調圧弁とパージ弁との位置関係が並列状態であってもよい。そのようなシステムに、上述のパージ弁を適用しても、冷却水の熱を効率的に利用してパージ弁を効率よく暖機できる。   In the above embodiment, the cooling water is first supplied to the cathode pressure regulating valve and then to the purge valve. That is, the positional relationship between the cathode pressure regulating valve and the purge valve is in series. However, the positional relationship is not limited to this. The cooling water may be branched and allowed to flow to the cathode pressure regulating valve and to the purge valve. That is, the positional relationship between the cathode pressure regulating valve and the purge valve may be in a parallel state. Even if the above-described purge valve is applied to such a system, the purge valve can be efficiently warmed up by efficiently using the heat of the cooling water.

上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。   The above embodiments can be appropriately combined.

47 パージ弁
470 ハウジング
471〜473 ガス流路
475 弁体
480 ウォータージャケット流路
68,681,682 冷却水流路
47 Purge valve 470 Housing 471-473 Gas flow path 475 Valve body 480 Water jacket flow path 68, 681, 682 Cooling water flow path

Claims (8)

燃料電池スタックからのアノードオフガスを大気にパージするためにアノードオフガス流路に設けられるパージ弁であって、
パージガスが流れるガス流路、パージ弁の温度を調整する冷却水が流れるウォータージャケット流路が形成されたハウジングと、
前記ガス流路を開閉してパージガス量を調整する弁体と、
を含み、
前記ウォータージャケット流路が、上流部品を冷却する冷却水を流す冷却水流路に接続され、
前記ウォータージャケット流路の流路断面積は、前記冷却水流路の流路断面積よりも小さい、
パージ弁。
A purge valve provided in the anode off gas flow path for purging the anode off gas from the fuel cell stack to the atmosphere,
A housing in which a gas passage through which purge gas flows, a water jacket passage through which cooling water for adjusting the temperature of the purge valve flows, and
A valve body that opens and closes the gas flow path to adjust the purge gas amount;
Including
The water jacket flow path is connected to a cooling water flow path for flowing cooling water for cooling the upstream components;
The flow path cross-sectional area of the water jacket passage is smaller than the flow path cross-sectional area of the cooling water flow path,
Purge valve.
請求項1に記載のパージ弁において、
前記ウォータージャケット流路の流路断面積は、前記ガス流路に最も近いところが最小である、
パージ弁。
The purge valve according to claim 1, wherein
The channel cross-sectional area of the water jacket channel is the smallest at the point closest to the gas channel,
Purge valve.
請求項1又は請求項2に記載のパージ弁において、
前記ウォータージャケット流路は、前記ガス流路の上流側を通過する流路と、下流側を通過する流路とを含むように、複数本に分岐する、
パージ弁。
The purge valve according to claim 1 or 2,
The water jacket channel branches into a plurality of channels so as to include a channel that passes the upstream side of the gas channel and a channel that passes the downstream side,
Purge valve.
請求項3に記載のパージ弁において、
前記ガス流路は、パージガスが重力方向下から上に流れるように形成され、
前記ウォータージャケット流路は、前記ガス流路の下部を通過する流路と、上部を通過する流路とを含む、
パージ弁。
The purge valve according to claim 3,
The gas flow path is formed such that the purge gas flows upward from below in the direction of gravity,
The water jacket passage includes a flow path through the lower portion of the gas flow path, and a flow path through the upper,
Purge valve.
請求項4に記載のパージ弁において、
前記弁体は、前記ガス流路の上端の弁座に当接し、
前記ウォータージャケット流路のうち前記ガス流路の上部を通過する流路の最小流路断面積は、下部を通過する流路の最小流路断面積に比べて大きい、
パージ弁。
The purge valve according to claim 4, wherein
The valve body abuts on the valve seat at the upper end of the gas flow path,
Minimum flow path cross-sectional area of the flow path through the upper portion of the gas flow path of the water jacket passage is larger than the minimum flow path cross-sectional area of the flow path through the bottom,
Purge valve.
請求項3から請求項5までのいずれか1項に記載のパージ弁において、
分岐した前記ウォータージャケット流路の間に形成される断熱部をさらに含む、
パージ弁。
In the purge valve according to any one of claims 3 to 5,
Further comprising a heat insulating portion formed between the bifurcated the water jacket passage,
Purge valve.
請求項6に記載のパージ弁において、
前記断熱部は、ボルトが挿通する穴である、
パージ弁。
The purge valve according to claim 6, wherein
The heat insulating part is a hole through which a bolt is inserted.
Purge valve.
請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載のパージ弁において、
前記冷却水流路は、冷却水ポンプの下流側の冷却水循環流路から分岐し途中にカソード調圧弁が設けられる冷却水調圧弁流路と、前記冷却水調圧弁流路に連続し途中にパージ弁が設けられる冷却水パージ弁流路と、を有し
前記ウォータージャケット流路の流路断面積は、前記冷却水調圧弁流路の流路断面積よりも小さい、
パージ弁。
The purge valve according to any one of claims 1 to 7,
The cooling water flow path is branched from a cooling water circulation flow path on the downstream side of the cooling water pump, a cooling water pressure regulation valve flow path provided with a cathode pressure regulation valve in the middle, and a purge valve in the middle of the cooling water pressure regulation valve flow path anda cooling water purge valve passage which is provided with,
The channel cross-sectional area of the water jacket channel is smaller than the channel cross-sectional area of the cooling water pressure regulating valve channel,
Purge valve.
JP2013124502A 2013-06-13 2013-06-13 Purge valve Active JP6185296B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013124502A JP6185296B2 (en) 2013-06-13 2013-06-13 Purge valve

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013124502A JP6185296B2 (en) 2013-06-13 2013-06-13 Purge valve

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015002009A JP2015002009A (en) 2015-01-05
JP6185296B2 true JP6185296B2 (en) 2017-08-23

Family

ID=52296448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013124502A Active JP6185296B2 (en) 2013-06-13 2013-06-13 Purge valve

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6185296B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6491585B2 (en) 2015-10-21 2019-03-27 本田技研工業株式会社 Fuel cell system
JP6483598B2 (en) * 2015-12-21 2019-03-13 本田技研工業株式会社 Fuel cell system

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4326683B2 (en) * 2000-11-07 2009-09-09 株式会社日本自動車部品総合研究所 Catalytic combustion heating device
JP2005127616A (en) * 2003-10-23 2005-05-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Heat exchanger and fuel cell power generation type heat exchanger
JP4437696B2 (en) * 2004-04-26 2010-03-24 三菱電機株式会社 Catalytic reactor
JP2006153177A (en) * 2004-11-30 2006-06-15 Keihin Corp Solenoid valve for fuel cell
JP4687679B2 (en) * 2007-03-28 2011-05-25 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP2009259642A (en) * 2008-04-17 2009-11-05 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system
KR20130004320A (en) * 2010-03-04 2013-01-09 파나소닉 주식회사 Hydrogen generator and fuel cell power generation system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015002009A (en) 2015-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4670544B2 (en) Fuel cell system
CN101227005B (en) Thermally integrated fuel cell humidifier for rapid warm-up
JP4644064B2 (en) Fuel cell system
CN100379065C (en) Fuel-cell generating system capable of starting and operating in low-temperature environment
JP6149475B2 (en) Fuel cell system
JP3699063B2 (en) Fuel cell and control method thereof
JP4758741B2 (en) Fuel cell system
JP6083472B2 (en) FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM
JP2004039357A (en) Solid polymer fuel cell
JP2000164231A (en) Solid high molecular fuel cell system
JP5737395B2 (en) Fuel cell system
JP6079227B2 (en) Fuel cell system
JP6185296B2 (en) Purge valve
JP2002305014A (en) Fuel cell
JP2010129482A (en) Fuel cell separator, fuel cell stack, and fuel cell system
JP5508915B2 (en) Fuel cell system
JP6155870B2 (en) Fuel cell system
JP4016668B2 (en) Fuel cell system and fuel cell vehicle
JP6307536B2 (en) Low temperature startup method for fuel cell system
JP2009140614A (en) Fuel cell
JP5772248B2 (en) Fuel cell system
JP6094214B2 (en) Fuel cell system
JP6028347B2 (en) Fuel cell system
JP2014154425A (en) Fuel cell system
JP5112804B2 (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160328

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20161205

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170221

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170420

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170704

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170727

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6185296

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150