JP5462133B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。より詳しくは、燃料電池スタックのカソード極に連通する酸化剤ガス供給管および酸化剤ガス排出管のそれぞれにバルブが設けられた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system. More specifically, the present invention relates to a fuel cell system in which valves are provided in each of an oxidant gas supply pipe and an oxidant gas discharge pipe communicating with a cathode electrode of a fuel cell stack.
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード極（陰極）およびカソード極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜と、で構成される。
燃料電池システムでは、燃料電池スタックのアノード極に燃料ガスを供給し、カソード極に酸化剤ガスを供給し、電気化学反応により発電させる。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。
The fuel cell has, for example, a stack structure in which several tens to several hundreds of cells are stacked. Here, each cell is configured by sandwiching a membrane electrode structure (MEA) between a pair of separators. The membrane electrode structure includes two electrodes, an anode (cathode) and a cathode (anode), and these electrodes. And a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the two.
In the fuel cell system, fuel gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell stack, oxidant gas is supplied to the cathode electrode, and electric power is generated by an electrochemical reaction. Since only harmless water is generated at the time of power generation, a fuel cell system has attracted attention as a new power source for automobiles from the viewpoint of environmental impact and utilization efficiency.
ところで、燃料電池スタックによる発電が停止した後に酸化剤ガスが流入すると、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により燃料電池スタックの電位が上昇して個体高分子電解質膜が劣化するおそれがある。このため、燃料電池スタックによる発電停止時には、カソード極の上流側に連通する酸化剤ガス供給管とカソード極の下流側に連通する酸化剤ガス排出管とを共に閉じることにより、酸化剤ガスが流入しないようカソード極を封止する必要がある。 By the way, when the oxidant gas flows after the power generation by the fuel cell stack is stopped, the potential of the fuel cell stack may increase due to the chemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas, and the solid polymer electrolyte membrane may be deteriorated. For this reason, when power generation by the fuel cell stack is stopped, the oxidant gas flows in by closing both the oxidant gas supply pipe communicating with the upstream side of the cathode electrode and the oxidant gas discharge pipe communicating with the downstream side of the cathode electrode. Therefore, it is necessary to seal the cathode electrode.
より具体的には、例えば特許文献１には、酸化剤ガス供給管および酸化剤ガス排出管のそれぞれに設けられた封止バルブを１本の駆動軸で連結し、これら２つの封止バルブを同時に駆動可能にした燃料電池システムが提案されている。この技術によれば、２つの封止バルブを１つの駆動装置で駆動し、酸化剤ガス供給管および酸化剤ガス排出管を同時に閉じることができるので、これら２つの封止バルブをそれぞれの駆動装置で独立して駆動した場合と比較して、部品点数、ひいては重量およびコストなどを低減することができる。
More specifically, for example, in
ところが、燃料電池スタックによる発電中は、カソード極内における酸化剤ガスの圧力を運転状態に応じて制御する必要があるため、上記２つの封止バルブに加えて、これら２つの封止バルブとは独立して駆動できる圧力制御バルブを酸化剤ガス排出管に設ける必要がある。この場合、２つの封止バルブにより酸化剤ガス供給管および酸化剤ガス排出管を全開にすることで酸化剤ガス供給管内の圧損を出来るだけ小さくした上で、圧力制御バルブにより酸化剤ガス排出管内の流れ抵抗を調整することにより、カソード極における圧力を制御する。 However, during the power generation by the fuel cell stack, it is necessary to control the pressure of the oxidant gas in the cathode electrode according to the operating state, so in addition to the above two sealing valves, It is necessary to provide a pressure control valve in the oxidant gas discharge pipe that can be driven independently. In this case, the pressure loss in the oxidant gas supply pipe is reduced as much as possible by fully opening the oxidant gas supply pipe and the oxidant gas discharge pipe with the two sealing valves, and the pressure control valve is used to reduce the pressure loss in the oxidant gas discharge pipe. The pressure at the cathode electrode is controlled by adjusting the flow resistance.
このように、発電停止中にカソード極を封止する機能と発電中にカソード極内の酸化剤ガスの圧力を制御する機能とを併せ持つ燃料電池システムを構成すると、上記特許文献１の技術を適用した従来の燃料電池システムでは、２つの封止バルブおよび１つの圧力制御バルブからなる合計３つのバルブと、２つの封止バルブと１つの圧力制御バルブとを独立して駆動するための２つの駆動手段とが必要となってしまうため、実質的にはそれほど多くの部品点数を低減することができない。
As described above, when the fuel cell system having the function of sealing the cathode electrode during power generation stop and the function of controlling the pressure of the oxidant gas in the cathode electrode during power generation is configured, the technique of
本発明は、酸化剤ガスの流路に設けられるバルブおよびその駆動手段の数をともに削減できる燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can reduce both the number of valves provided in the flow path of an oxidant gas and the number of driving means thereof.
上記目的を達成するため本発明は、燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を備えた燃料電池スタック（例えば、後述の燃料電池スタック１０）と、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給管（例えば、エア供給管２１）と、前記酸化剤極から排出される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス排出管（例えば、エア排出管２２）と、前記酸化剤ガス供給管を開閉する第１のバルブ（例えば、後述の上流バルブ３１）と、前記酸化剤ガス排出管を開閉する第２のバルブ（例えば、後述の下流バルブ３２）と、を備えた燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）を提供する。前記燃料電池システムは、前記第１のバルブおよび第２のバルブを同時に駆動する単一の駆動手段（例えば、後述のバルブ駆動装置３３）と、前記駆動手段で前記第２のバルブの開度を所定の調圧領域内で調整することにより、前記酸化剤極における酸化剤ガスの圧力を制御する制御手段（例えば、後述の制御装置５０）と、を備え、前記第２のバルブの開度が前記調圧領域内で調整されているとき、前記第１のバルブにより前記酸化剤ガス供給管内に形成される酸化剤ガスの流路の断面積は、前記第１のバルブの開度によらず、前記燃料電池スタックによる発電中の燃料電池システムに許容される範囲内に定められた所定の大きさに保たれ、かつ、前記第１のバルブで前記酸化剤ガス供給管が全閉されたとき、前記酸化剤ガス排出管は前記第２のバルブで全閉されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell stack (for example, a
本発明によれば、酸化剤ガス供給管を開閉する第１のバルブと酸化剤ガス排出管を開閉する第２のバルブとを、単一の駆動手段により同時に駆動する。また、第１のバルブで酸化剤ガス供給管が全閉されたとき、酸化剤ガス排出管は第２のバルブで全閉されるようにした。これにより、単一の駆動手段で第１、第２のバルブを同時に駆動し、酸化剤ガス供給管と酸化剤ガス排出管とを同時に全閉し、燃料電池スタックの酸化剤極を封止することができる。
また、酸化剤極における酸化剤ガスの圧力を制御するべく第２のバルブの開度を調圧領域内で調整しているとき、第１のバルブにより酸化剤ガス供給管内に形成される酸化剤ガスの流路の断面積は、上記第２のバルブと同時に駆動される第１のバルブの開度によらず、発電中の燃料電池システムに許容される範囲内に定められた所定の大きさに保たれるようにした。ここで調圧領域とは、第２のバルブの開度と酸化剤ガス排出管内の酸化剤ガスの流れ抵抗との間に概ねリニアな関係がある第２のバルブの開度の範囲であって、酸化剤極内の酸化剤ガスの圧力を精度良く制御するのに適した領域である。また、酸化剤ガス供給管を介して酸化剤ガスを供給する際、第１のバルブにより大きな圧損が生じてしまうと、酸化剤極における酸化剤ガスの圧力を効率的に制御することが困難となる。このため、燃料電池スタックによる発電中の燃料電池システムについて、酸化剤ガス供給管内における酸化剤ガスの流路の断面積に対し上述のような許容範囲が設定される。
したがって、単一の駆動手段で第１、第２のバルブを同時に駆動し第２のバルブを調圧領域内で調整することにより、酸化剤ガス供給管内における酸化剤ガスの流路の断面積を上記許容範囲内に定められた所定の大きさに保ち、酸化剤極の上流側の圧損を最小限にしながら、酸化剤極の下流側の酸化剤ガスの流れ抵抗を調整することができるので、酸化剤極内における酸化剤ガスの圧力を精度良く制御することができる。
以上のように、本発明によれば、２つのバルブおよびこれらを同時に駆動する単一の駆動手段のみにより、発電停止中に酸化剤極を封止する封止機能と、発電中に酸化剤極内の酸化剤ガスの圧力を制御する調圧機能とを併せ持つ燃料電池システムを構成することができる。したがって、従来と比較して部品点数を低減、ひいては重量およびコストを低減することができる。
According to the present invention, the first valve that opens and closes the oxidant gas supply pipe and the second valve that opens and closes the oxidant gas discharge pipe are simultaneously driven by a single driving means. Further, when the oxidant gas supply pipe is fully closed by the first valve, the oxidant gas discharge pipe is fully closed by the second valve. Thus, the first and second valves are simultaneously driven by a single driving means, the oxidant gas supply pipe and the oxidant gas discharge pipe are fully closed at the same time, and the oxidant electrode of the fuel cell stack is sealed. be able to.
The oxidant formed in the oxidant gas supply pipe by the first valve when the opening degree of the second valve is adjusted in the pressure adjustment region so as to control the pressure of the oxidant gas at the oxidant electrode. The cross-sectional area of the gas flow path is a predetermined size determined within a range allowed for the fuel cell system during power generation, regardless of the opening degree of the first valve that is driven simultaneously with the second valve. So that it can be kept. Here, the pressure adjustment region is a range of the opening degree of the second valve having a substantially linear relationship between the opening degree of the second valve and the flow resistance of the oxidant gas in the oxidant gas discharge pipe. This is a region suitable for accurately controlling the pressure of the oxidant gas in the oxidant electrode. Further, when the oxidant gas is supplied through the oxidant gas supply pipe, if a large pressure loss occurs in the first valve, it is difficult to efficiently control the pressure of the oxidant gas at the oxidant electrode. Become. For this reason, the allowable range as described above is set for the cross-sectional area of the flow path of the oxidant gas in the oxidant gas supply pipe in the fuel cell system during power generation by the fuel cell stack.
Therefore, by simultaneously driving the first and second valves with a single driving means and adjusting the second valve in the pressure regulating region, the cross-sectional area of the oxidant gas flow path in the oxidant gas supply pipe is reduced. Since the flow resistance of the oxidant gas on the downstream side of the oxidant electrode can be adjusted while maintaining the predetermined size determined within the allowable range and minimizing the pressure loss on the upstream side of the oxidant electrode, The pressure of the oxidant gas in the oxidant electrode can be controlled with high accuracy.
As described above, according to the present invention, the sealing function for sealing the oxidant electrode during power generation stop and the oxidant electrode during power generation by only two valves and a single driving means for driving them simultaneously. A fuel cell system having both a pressure adjusting function for controlling the pressure of the oxidant gas can be configured. Therefore, the number of parts can be reduced as compared with the conventional case, and the weight and cost can be reduced.
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に燃料電池システム１の概略構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１は、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池スタック１０と、この燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素ガスや酸化剤ガスとしてのエア（空気）を供給および排出する供給装置２０と、これら燃料電池スタック１０および供給装置２０などを制御する制御装置５０と、を有する。燃料電池スタック１０は、燃料極としてのアノード極（陰極）に水素ガスが供給され、酸化剤極としてのカソード極（陽極）に酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。この燃料電池システム１は、例えば、燃料電池スタック１０で発電した電力を動力源として走行する燃料電池車両に搭載される。
<First Embodiment>
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a first embodiment of the invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a
The
供給装置２０は、圧縮エアを生成するエアポンプ２４と、燃料電池スタック１０のカソード極の上流側に接続されエアポンプ２４で圧縮したエアが流通する酸化剤ガス供給管としてのエア供給管２１と、燃料電池スタック１０のカソード極の下流側に接続されカソード極から排出されるエアが流通する酸化剤ガス排出管としてのエア排出管２２と、を備える。この他、供給装置２０は、燃料電池スタック１０のアノード極に水素ガスを供給する図示しない水素供給管、燃料電池スタック１０のアノード極から水素ガスを排出する図示しない水素排出管、および水素供給管を介して水素ガスを供給する水素タンクなどを備える。
The
エア供給管２１およびエア排出管２２には、加湿器２３と、カソードバルブシステム３と、が設けられている。加湿器２３は、エア排出管２２を流通するエアに含まれる水分を回収し、この回収した水分を、エア供給管２１を流通するエアに加える。カソードバルブシステム３は、エア供給管２１およびエア排出管２２を開閉する。以下、詳細に説明するように、このカソードバルブシステム３は、燃料電池スタック１０にエアが流入しないようにカソード極を封止する封止機能と、カソード極内におけるエアの圧力を制御する調圧機能との２つの機能を備える。
The
図２は、カソードバルブシステム３の構成を示す断面図である。
カソードバルブシステム３は、エア供給管２１を開閉する上流バルブ３１と、エア排出管２２を開閉する下流バルブ３２と、これらバルブ３１，３２を同時に駆動する単一の駆動手段としてのバルブ駆動装置３３と、を含んで構成される。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the
The
バルブ駆動装置３３は、エア供給管２１およびエア排出管２２を貫通する棒状のシャフト３３１と、このシャフト３３１に連結されたモータやソレノイドなどのアクチュエータ３３２と、制御装置からの制御信号に基づいてアクチュエータ３３２に通電し、シャフト３３１を回転駆動するＰＤＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）３３３と、を備える。
The valve driving device 33 includes a rod-shaped
上流バルブ３１は、円盤状のディスク３１１と、このディスク３１１の一端面側に設けられてシャフト３３１が貫通する貫通孔３１３が形成されたシャフト貫通部３１２と、を備える。上流バルブ３１は、シャフト３３１が貫通する貫通孔３１３が、ディスク３１１の中心から所定間隔オフセットして形成された、いわゆる１軸偏心のバタフライバルブである。
The
下流バルブ３２は、円盤状のディスク３２１と、このディスク３２１の一端面側に設けられてシャフト３３１が貫通する貫通孔３２３が形成されたシャフト貫通部３２２と、を備える。下流バルブ３２は、シャフト３３１が貫通する貫通孔３２３がディスク３２１の中心から所定間隔オフセットして形成された、いわゆる１軸偏心のバタフライバルブである。
The
これらバルブ３１，３２は、それぞれ、エア供給管２１およびエア排出管２２内に回転可能に設けられている。以下では、エア供給管２１の一部、より具体的には、エア供給管２１のうち上流バルブ３１の可動範囲を含む破線で囲った部分を上流バルブ収容部２１１という。またエア排出管２２の一部、より具体的には、エア排出管２２のうち下流バルブ３２の可動範囲を含む破線で囲った部分を下流バルブ収容部２２１という。
These
これらバルブ収容部２１１，２２１には、シャフト３３１が挿通される３つの貫通孔２１２，２１３，２２２が設けられている。また、これら貫通孔２１２，２１３，２２２には、シャフト３３１を回転可能に支持する３つの軸受け２１４，２１５，２２３の他、エア供給管２１およびエア排出管２２内を流通するエアがシャフト３３１と貫通孔２１２，２１３，２２２との隙間を伝って漏れるのを防ぐシール部材が設けられている。
These
バルブ３１，３２は、それぞれバルブ収容部２１１，２２１内においてシャフト３３１に固定されている。したがって、アクチュエータ３３２でシャフト３３１を回転することにより、２つのバルブ３１，３２を同時に駆動し、エア供給管２１およびエア排出管２２を同時に開閉することができる。また、このように２つのバルブ３１，３２を１つのシャフト３３１に固定したので、これら２つバルブ３１，３２の開度は、単一のバルブ開度θを用いて表すことができる。
The
図３は、シャフト３３１に対し略垂直な面に沿った上流バルブ収容部２１１および上流バルブ３１の断面図である。図３において、左方がエアポンプ側すなわちエアの上流側を示し、右方が下流側を示す。
図４は、シャフト３３１に対し略垂直な面に沿った下流バルブ収容部２２１および下流バルブ３２の断面図である。図４において、右方が燃料電池スタック側すなわちエアの上流側を示し、左方が下流側を示す。
なお、これら図３および図４には、シャフト３３１を時計周りに回転し、バルブ開度θを変えたときにおける上流バルブ３１の断面図を、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）として示す。より具体的には、図３の（ａ）および図４の（ａ）はバルブ開度θを０ｄｅｇ．としたときの断面を示し、図３の（ｂ）および図４の（ｂ）はバルブ開度θを９０ｄｅｇ．としたときの断面を示し、図３の（ｃ）および図４の（ｃ）はバルブ開度θを１５０ｄｅｇ．としたときの断面を示す。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the upstream
FIG. 4 is a cross-sectional view of the downstream
In FIGS. 3 and 4, cross-sectional views of the
図５は、エア供給管２１の流路断面積およびエア排出管２２の流路断面積と、バルブ開度θと、の関係を示す図である。図５において、実線はエア排出管の流路断面積を示し、破線はエア供給管の流路断面積を示す。また、図５には、燃料電池スタックによる発電中の燃料電池システムについて、エア供給管内に形成されるエアの流路断面積に対する許容範囲をハッチングで示す。すなわち、燃料電池スタックによる発電中、エアポンプにより燃料電池スタックのカソード極にエアを供給する際、エア供給管内における圧損を最小限に留めておくためには、エア供給管内におけるエアの流路断面積を、ハッチングで示す許容範囲内に留めておく必要がある。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the flow path cross-sectional area of the
以下、これら図３〜図５を参照して、上流バルブ収容部２１１および下流バルブ収容部２２１の形状と、エア供給管２１およびエア排出管２２の流路断面積との関係について説明する。
Hereinafter, the relationship between the shapes of the upstream
図３に示すように、上流バルブ収容部２１１において、エアが流入する流入部２１６の延在方向と、エアが流出する流出部２１８の延在方向との成す角は、略１５０ｄｅｇ．となっている。
As shown in FIG. 3, in the upstream
上流バルブ収容部２１１のうちエアの下流側である流出部２１８側には、ディスク３１１の外径よりも小さな内径の着座部２１９が形成されている。したがって、図３の（ａ）に示すように、バルブ開度θを０ｄｅｇ．にすると、ディスク３１１の外周面は着座部２１９の内周面に接し、すなわちディスク３１１は着座部２１９に着座し、したがってエア供給管２１は全閉される。すなわち、バルブ開度θを０ｄｅｇ．にすると、エア供給管２１を流通するエアの流路断面積は略０となる。また、図３の（ａ）および（ｂ）に示すように、バルブ開度θが０ｄｅｇ．から９０ｄｅｇ．の範囲内にある間、ディスク３１１の外周面は、着座部２１９の内周面の一部に接する。したがって、図５の破線で示すように、バルブ開度θを０ｄｅｇ．から９０ｄｅｇ．へ向けて変化させると、流路断面積は略０からその最大値へ向けて連続的に大きくなる。
A
また、上流バルブ収容部２１１のうちエアの上流側である流入部２１６側には、ディスク３１１の外径よりも十分に大きな隙間部２１７が形成されている。したがって、上述のようにバルブ開度θが９０ｄｅｇ．となりディスク３１１が着座部２１９から離座した後、バルブ開度θが９０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．の範囲内にあり、ディスク３１１が隙間部２１７内にある間、ディスク３１１と上流バルブ収容部２１１との間にはバルブ開度θによらず常に十分な隙間があるため、エアの流路断面積の大きさは、バルブ開度θによらず、上記許容範囲内に定められた最大値で略一定に保たれる（図５参照）。バルブ開度θの変化に対し、以上のように流路断面積が変化せず、エア供給管内の上流バルブにおける圧損を最小限に留めることができる上流バルブ収容部２１１の隙間部２１７の形状は、実験やシミュレーションを行うことにより設計することができる。
Further, a
図４に示すように、下流バルブ収容部２２１において、エアが流入する流入部２２６の延在方向と、エアが流出する流出部２２８の延在方向とは、略平行となっている。
As shown in FIG. 4, in the downstream
下流バルブ収容部２２１のうち上流側である流入部２２６側には、ディスク３２１の外径よりも小さな内径の第１着座部２２７が形成されている。したがって、図４の（ａ）に示すようにバルブ開度θを０ｄｅｇ．にすると、ディスク３２１の外周面は第１着座部２２７の内周面に接し、すなわちディスク３２１は第１着座部２２７に着座し、したがってエア排出管２２は全閉される。すなわち、バルブ開度θを０ｄｅｇ．にし、上記上流バルブでエア供給管を全閉したとき、このとき同時にエア排出管２２は下流バルブ３２で全閉される。また、図４の（ａ）および（ｂ）に示すように、バルブ開度θが０ｄｅｇ．から９０ｄｅｇ．の範囲内にある間、ディスク３２１の外周面は、第１着座部２２７の内周面の一部に接する。したがって、図５の実線で示すように、バルブ開度θを０ｄｅｇ．から９０ｄｅｇ．へ向けて変化させると、流路断面積は略０からその最大値へ向けて連続的に大きくなる。
A
また、下流バルブ収容部２２１のうち下流側である流出部２２８側も同様に、ディスク３２１の外径よりも小さな内径の第２着座部２２９が形成されている。この第２着座部２２９は、バルブ開度θを１８０ｄｅｇ．にすると、ディスク３２１が着座するように形成されている。したがって、上述のようにバルブ開度θが９０ｄｅｇ．となりディスク３２１が第１着座部２２７から離座した後、バルブ開度θが９０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．の範囲内にある間、ディスク３２１の外周面は、第２着座部２２９の内周面の少なくとも一部に接する。このため、図５の実線で示すように、バルブ開度θを９０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．へ向けて変化させると、流路断面積は最大値から再び略０へ向けて連続的に小さくなる（図５参照）。
Similarly, a
以上のように、バルブ開度θに対する流路断面積の変化は、エア供給管２１とエア排出管２２とで異なった振る舞いを示す。
特に、バルブ開度θが９０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．の範囲内にあるとき、エア排出管２２内の流路断面積はバルブ開度θに比例して大きくなる。すなわち、０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．までの下流バルブの可動範囲内のうち、上記９０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．の範囲は、バルブ開度θとエア排出管内の流れ抵抗との間に概ねリニアな関係があるため、カソード極内のエアの圧力を制御するための調圧領域として利用するのに適している。
また、バルブ開度θが上記９０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．の範囲内にある間、エア供給管内の流路断面積はバルブ開度θによらず最大値で略一定に保たれるため、したがって上流バルブにおける圧損は最小となる。
したがって、９０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．を調圧領域とし、バルブ開度θをこの調圧領域内で調整することにより、カソード極の上流側の圧損を最小限にしながら、カソード極の下流側のエアの流れ抵抗を調整することができるので、カソード極内におけるエアの圧力を精度良く制御することができる。
As described above, the change in the flow path cross-sectional area with respect to the valve opening degree θ exhibits different behaviors in the
In particular, the valve opening θ is 90 deg. To 180 deg. Is within the range, the flow passage cross-sectional area in the
Further, the valve opening θ is 90 deg. To 180 deg. In this range, the cross-sectional area of the flow path in the air supply pipe is kept substantially constant at the maximum value regardless of the valve opening θ, so that the pressure loss in the upstream valve is minimized.
Therefore, 90 deg. To 180 deg. By adjusting the valve opening degree θ in this pressure adjustment region, the air flow resistance downstream of the cathode electrode can be adjusted while minimizing the pressure loss upstream of the cathode electrode. Therefore, the air pressure in the cathode electrode can be controlled with high accuracy.
図１に戻って、燃料電池スタック１０により発電している間、制御装置５０は、燃料電池スタック１０や図示しない車両の運転状態などに応じて、エアポンプ２４およびカソードバルブシステム３により燃料電池スタック１０のカソード極内におけるエアの圧力を制御する。より具体的には、エアポンプ２４によりエア供給管２１を介してカソード極内にエアを供給しつつ、バルブ駆動装置３３でバルブ開度θを上記調圧領域内で調整することにより、カソード極におけるエアの圧力を制御する。
また、燃料電池スタック１０による発電を停止している間、制御装置５０は、エア供給管２１およびエア排出管２２を介してカソード極内にエアが流入し、燃料電池スタック１０が劣化するのを防止するため、カソードバルブシステム３によりア供給管２１およびエア排出管２２を全閉し、カソード極を封止する。より具体的には、バルブ駆動装置３３でバルブ開度θを０ｄｅｇ．に調整することにより、カソード極を封止する。
Returning to FIG. 1, while the
In addition, while the power generation by the
以上、説明した本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）本実施形態によれば、単一のバルブ駆動装置３３で上流バルブ３１および下流バルブ３２を同時に駆動し、エア供給管２１およびエア排出管２２を全閉し、燃料電池スタック１０のカソード極を封止することができる。また、単一のバルブ駆動装置３３で上流バルブ３１および下流バルブ３２を同時に駆動し下流バルブ３２を調圧領域内で調整することにより、エア供給管２１内におけるエアの流路断面積をその最大値で略一定に保ち、カソード極の上流側の圧損を最小限にしながら、カソード極の下流側のエアの流れ抵抗を調整することができるので、カソード極内におけるエアの圧力を精度良く制御することができる。
以上のように、本実施形態によれば、２つのバルブ３１，３２およびこれらを同時に駆動する単一のバルブ駆動装置３３のみにより、発電停止中にカソード極を封止する封止機能と、発電中にカソード極内のエアの圧力を制御する調圧機能とを併せ持つ燃料電池システム１を構成することができる。したがって、従来と比較して部品点数を低減、ひいては重量およびコストを低減することができる。
As described above, according to the present embodiment described above, the following effects are obtained.
(1) According to the present embodiment, the
As described above, according to the present embodiment, the sealing function for sealing the cathode electrode during the stoppage of power generation by only the two
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態について、図面を参照して説明する。以下の説明において、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
Second Embodiment
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図６は、シャフト３３１に対し略垂直な面に沿った上流バルブ収容部２１１Ａおよび上流バルブ３１の断面図である。本実施形態は、エア供給管２１Ａの上流バルブ収容部２１１Ａの形状が第１実施形態と異なる。図６において、左方がエアポンプ側すなわちエアの上流側を示し、右方が下流側を示す。図６の（ａ）はバルブ開度θを０ｄｅｇ．としたときの断面を示し、図６の（ｂ）はバルブ開度θを９０ｄｅｇ．としたときの断面を示し、図６の（ｃ）はバルブ開度θを１５０ｄｅｇ．としたときの断面を示す。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the upstream
図６に示すように、上流バルブ収容部２１１Ａにおいて、エアが流入する流入部２１６Ａの延在方向と、エアが流出する流出部２１８の延在方向との成す角は、略９０ｄｅｇ．となっている。
上流バルブ収容部２１１Ａのうちエアの上流側である流入部２１６Ａ側には、ディスク３１１の外径よりも十分に大きな隙間部２１７Ａが形成されている。したがって、バルブ開度θが９０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．の範囲内にあり、ディスク３１１が隙間部２１７Ａ内にある間、ディスク３１１と上流バルブ収容部２１１Ａとの間にはバルブ開度θによらず常に十分な隙間があるため、エアの流路断面積の大きさはバルブ開度θによらずその最大値で略一定に保たれる。
本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果がある。
As shown in FIG. 6, in the upstream
A
According to the present embodiment, there are the same effects as in the first embodiment.
＜第３実施形態＞
以下、本発明の第３実施形態について、図面を参照して説明する。以下の説明において、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
<Third Embodiment>
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図７は、シャフト３３１に対し略垂直な面に沿った上流バルブ収容部２１１Ｂおよび上流バルブ３１の断面図である。本実施形態は、エア供給管２１Ｂの上流バルブ収容部２１１Ｂの形状が第１実施形態と異なる。図７において、左方がエアポンプ側すなわちエアの上流側を示し、右方が下流側を示す。図７の（ａ）はバルブ開度θを０ｄｅｇ．としたときの断面を示し、図７の（ｂ）はバルブ開度θを９０ｄｅｇ．としたときの断面を示し、図７の（ｃ）はバルブ開度θを１５０ｄｅｇ．としたときの断面を示す。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the upstream
図７に示すように、上流バルブ収容部２１１Ｂにおいて、エアが流入する流入部２１６Ａの延在方向と、エアが流出する流出部２１８の延在方向とは略平行となっている。
上流バルブ収容部２１１Ｂのうちエアの上流側である流入部２１６Ｂ側には、ディスク３１１の外径よりも十分に大きな隙間部２１７Ｂが形成されている。したがって、バルブ開度θが９０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．の範囲内にあり、ディスク３１１が隙間部２１７Ｂ内にある間、ディスク３１１と上流バルブ収容部２１１Ｂとの間にはバルブ開度θによらず常に十分な隙間があるため、エアの流路断面積の大きさはバルブ開度θによらずその最大値で略一定に保たれる。
本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果がある。
As shown in FIG. 7, in the upstream
A
According to the present embodiment, there are the same effects as in the first embodiment.
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、上流、下流バルブとして、シャフトが貫通する貫通孔がディスクの中心から一端面側へオフセットして形成された１軸偏心のバタフライバルブを用いたが、上流、下流バルブの種類はこれに限るものではない。これら上流、下流バルブには、図８に示すように、シャフト３３１の貫通孔３２３Ｃが、ディスク３２１Ｃの中心軸ａから間隔εだけオフセットして形成された、いわゆる２軸偏心のバタフライバルブ３２Ｃを用いてもよい。この他、上流、下流バルブには、ディスクに対しシャフトが偏心していないバタフライバルブや、球状の弁体を備えるボールバルブなどを用いてもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made.
For example, in the above embodiment, the uniaxial eccentric butterfly valve in which the through hole through which the shaft passes is offset from the center of the disk to the one end surface side is used as the upstream and downstream valves. The type is not limited to this. As these upstream and downstream valves, as shown in FIG. 8, a so-called biaxial
１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２１…エア供給管（酸化剤ガス供給管）
２１１，２１１Ａ，２１１Ｂ…上流バルブ収容部
２２…エア排出管（酸化剤ガス排出管）
２２１…下流バルブ収容部
３…カソードバルブシステム
３１…上流バルブ（第１のバルブ）
３２…下流バルブ（第２のバルブ）
３３…バルブ駆動装置（駆動装置）
５０…制御装置（制御手段）
DESCRIPTION OF
211, 211A, 211B ... Upstream
221 ...
32 ... Downstream valve (second valve)
33 ... Valve drive device (drive device)
50. Control device (control means)
Claims (1)
前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給管と、
前記酸化剤極から排出される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス排出管と、
前記酸化剤ガス供給管を開閉する第１のバルブと、
前記酸化剤ガス排出管を開閉する第２のバルブと、を備えた燃料電池システムであって、
前記第１のバルブおよび第２のバルブを同時に駆動する単一の駆動手段と、
前記駆動手段で前記第２のバルブの開度を所定の調圧領域内で調整することにより、前記酸化剤極における酸化剤ガスの圧力を制御する制御手段と、を備え、
前記第２のバルブの開度が前記調圧領域内で調整されているとき、前記第１のバルブにより前記酸化剤ガス供給管内に形成される酸化剤ガスの流路の断面積は、前記第１のバルブの開度によらず、前記燃料電池スタックによる発電中の燃料電池システムに許容される範囲内に定められた所定の大きさに保たれ、かつ、前記第１のバルブで前記酸化剤ガス供給管が全閉されたとき、前記酸化剤ガス排出管は前記第２のバルブで全閉されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack including a fuel electrode supplied with fuel gas and an oxidant electrode supplied with oxidant gas;
An oxidant gas supply pipe through which an oxidant gas supplied to the oxidant electrode flows;
An oxidant gas discharge pipe through which an oxidant gas discharged from the oxidant electrode flows;
A first valve for opening and closing the oxidant gas supply pipe;
A fuel cell system comprising a second valve for opening and closing the oxidant gas discharge pipe,
A single drive means for simultaneously driving the first valve and the second valve;
Control means for controlling the pressure of the oxidant gas at the oxidant electrode by adjusting the opening of the second valve within a predetermined pressure adjustment region by the drive means;
When the opening degree of the second valve is adjusted in the pressure adjusting region, the cross-sectional area of the oxidant gas flow path formed in the oxidant gas supply pipe by the first valve is Regardless of the opening of the first valve, the oxidizer is maintained at a predetermined size determined within a range allowed for the fuel cell system during power generation by the fuel cell stack, and the first valve The fuel cell system, wherein when the gas supply pipe is fully closed, the oxidant gas discharge pipe is fully closed by the second valve.
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