(57)【要約】【課題】耐久性を十分に確保できるバタフライバルブを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池システム１には、空気の流量を制御するバタフライバルブ４０Ａが設けられる。バタフライバルブ４０Ａは、ノーマルクローズ構造であり、筒状のハウジング４１と、バルブ本体４２と、シート部４３と、を備える。バルブ本体４２のシール面４２３は、バルブ本体４２のシャフト４２２に対してオフセットしており、バルブ本体４２をシート部４３側に向けて、バルブ本体４２のシール面４２３をシート部４３に着座させることにより、バタフライバルブ４０Ａを閉鎖し、バルブ本体４２をシート部４３の反対側に向けて、ハウジング４１の流路断面積に対するバルブ本体４２の割合を調整することにより、バタフライバルブ４０Ａの流量を制御する。【選択図】図２
2010135253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池に接続されて酸化剤ガスが流通するカソード流路と、を備え、前記カソード流路には、酸化剤ガスの流量を制御するバタフライバルブが設けられる燃料電池システムであって、
前記バタフライバルブは、ノーマルクローズ構造であり、筒状のハウジングと、当該ハウジング内に回動可能に設けられたバルブ本体と、前記ハウジングの内壁面に沿って設けられた環状のシート部と、を備え、
前記バルブ本体のシール面は、当該バルブ本体の回転軸に対してオフセットしており、
前記バルブ本体を前記シート部側に向けて、前記バルブ本体のシール面を前記シート部に着座させることにより、前記バタフライバルブを閉鎖し、
前記バルブ本体を前記シート部の反対側に向けて、前記ハウジングの流路断面積に対する前記バルブ本体の割合を調整することにより、前記バタフライバルブの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記バタフライバルブの流量を制御する場合、前記バルブ本体のシール面は、前記ハウジングの内壁面に対して非接触であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、バタフライバルブを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス流路と、を備える。
【０００３】
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、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）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。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極にアノードガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極にカソードガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。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、燃料電池が注目されている。
【０００５】
ところで、以上の燃料電池システムでは、燃料電池のカソード電極には、カソード配管を通して、カソードガスが供給される。このカソード配管を流通するカソードガスは大流量であるため、このカソード配管には、大流量の制御に適したバタフライバルブが設けられる。
燃料電池が停止した後に燃料電池に反応ガスが流入すると、反応ガスの化学反応により電位が上昇して固体高分子電解質膜が劣化するため、このバタフライバルブには、締め切り性が要求される。
【０００６】
そこで、バタフライバルブとしては、例えば、以下のような構造が提案されている（特許文献１参照）。すなわち、バタフライバルブは、筒状のハウジングと、このハウジングの内壁面に沿って設けられて軸心がずれた２つの環状のバルブシート部と、この２つのバルブシート部の間に回動可能に軸支された平盤状の弁体と、を備える。
【０００７】
このバタフライバルブによれば、弁体を回動して、弁体の延出方向をハウジングの延出方向に略垂直にすることにより、弁体の周縁部が環状のバルブシート部に密着し、バタフライバルブが閉鎖される。一方、この弁体を回動して、弁体の延出方向をハウジングの延出方向に略平行にすることにより、弁体の周縁部が環状のバルブシート部から離隔して、バタフライバルブが開放される。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２６３７２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述のバタフライバルブは、弁体の中心に回転軸が設けられている。このため、弁体を回動させて、バタフライバルブを閉鎖する場合だけではなく、バタフライバルブの流量を調整する場合にも、弁体の周縁部は常にバルブシート部に接触することになる。したがって、バルブシート部や弁体の周縁部が大きく摩耗し、耐久性を十分に確保できない、という問題があった。
【００１０】
本発明は、耐久性を十分に確保できるバタフライバルブを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応ガスの反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、当該燃料電池に接続されて酸化剤ガスが流通するカソード流路（例えば、後述のエア供給配管２１およびエア排出配管２２）と、を備え、前記カソード流路には、酸化剤ガスの流量を制御するバタフライバルブ（例えば、後述のバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ、４０Ｅ）が設けられる燃料電池システムであって、前記バタフライバルブは、ノーマルクローズ構造であり、筒状のハウジング（例えば、後述のハウジング４１）と、当該ハウジング内に回動可能に設けられたバルブ本体（例えば、後述のバルブ本体４２）と、前記ハウジングの内壁面に沿って設けられた環状のシート部（例えば、後述のシート部４３）と、を備え、前記バルブ本体のシール面（例えば、後述のシール面４２３）は、当該バルブ本体の回転軸（例えば、後述のシャフト４２２）に対してオフセットしており、前記バルブ本体を前記シート部側に向けて、前記バルブ本体のシール面を前記シート部に着座させることにより、前記バタフライバルブを閉鎖し、前記バルブ本体を前記シート部の反対側に向けて、前記ハウジングの流路断面積に対する前記バルブ本体の割合を調整することにより、前記バタフライバルブの流量を制御することを特徴とする。
【００１２】
この場合、前記バタフライバルブの流量を制御する場合、前記バルブ本体のシール面は、前記ハウジングの内壁面に対して非接触であることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、バルブ本体のシール面を、バルブ本体の回転軸に対してオフセットさせる。そして、バタフライバルブを閉鎖する場合には、バルブ本体をシート部側に向けて、バルブ本体のシール面をシート部に着座させる。一方、バタフライバルブの流量を制御する場合には、バルブ本体をシート部の反対側に向けて、ハウジングの流路断面積に対するバルブ本体の割合を調整する。
よって、バタフライバルブの流量を調整する場合、弁体の一部がシート部に接触しないから、従来のようにシート部や弁体の周縁部が摩耗するのを防止して、耐久性を十分に確保できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、バタフライバルブの流量を調整する場合、弁体の一部がシート部に接触しないから、従来のようにシート部や弁体の周縁部が摩耗するのを防止して、耐久性を十分に確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム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、自動車に搭載され、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスやエア（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１０および供給装置２０を制御する制御装置３０と、を有する。
【００１６】
このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。
【００１７】
供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に酸化剤ガスとしての空気を供給するカソード流路としてのエア供給配管２１と、燃料電池１０のカソード電極側から空気を排出するカソード流路としてのエア排出配管２２と、燃料電池１０のアノード電極側に水素ガスを供給する図示しない水素供給配管と、燃料電池１０のアノード電極側から水素ガスを排出する図示しない水素排出配管と、を備える。
エア供給配管２１は、図示しないエアポンプに接続されている。
【００１８】
エア供給配管２１およびエア排出配管２２には、加湿器２３が設けられる。この加湿器２３は、エア排出配管２２を流通する空気に含まれる水分を回収し、この回収した水分を、エア供給配管２１を流通する空気に加える。
【００１９】
エア供給配管２１およびエア排出配管２２のうち加湿器２３を挟んで燃料電池１０と反対側の位置には、それぞれ、空気の流量を制御するバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂが設けられる。
制御装置３０は、これらバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂを開閉する。
【００２０】
図２は、バタフライバルブ４０Ａの縦断面の斜視図である。図３は、バタフライバルブ４０Ａの一部の横断面図である。以下、バタフライバルブ４０Ａについて説明するが、バタフライバルブ４０Ｂも、このバタフライバルブ４０Ａと同様の構造である。
バタフライバルブ４０Ａの一端側（図２中左側）は、燃料電池１０に接続され、他端側（図２中右側）は、エアポンプに接続されている。
【００２１】
バタフライバルブ４０Ａは、ノーマルクローズ構造であり、筒状のハウジング４１と、このハウジング４１内に回動可能に設けられたバルブ本体４２と、ハウジング４１の内壁面に沿って設けられた円環状のシート部４３と、ハウジング４１の内部に設けられてシート部４３を保持するスプリング４４と、を備える。
本実施形態では、バルブ本体４２は、ステンレス鋼または非鉄金属で形成され、シート部４３は、樹脂またはゴムで形成される。なお、これに限らず、バルブ本体４２を樹脂またはゴムで形成し、シート部４３をステンレスまたは非鉄金属で形成してもよい。
【００２２】
このハウジング４１は、円筒形状のハウジング本体４１１と、このハウジング本体４１１の両端側に設けられた継手４１２と、を備え、ハウジング４１内の空気の流路は、直線状に延びている。
ハウジング本体４１１の内壁面には、周方向に沿って段差４１３が形成され、ハウジング４１の段差４１３よりも一端側（つまり燃料電池１０側）の内径は、ハウジング４１の段差４１３よりも他端側（つまりエアポンプ側）の内径よりも、大きくなっている。
また、ハウジング４１の段差４１３よりも他端側の内壁面には、一対の軸受４１４が設けられている。
【００２３】
バルブ本体４２は、円盤形状の弁体４２１と、この弁体４２１を回動可能に軸支する回転軸としてのシャフト４２２と、を備える。
弁体４２１の外径は、シート部４３の外径よりも小さく、シート部４３の内径よりも僅かに大きくなっている。また、弁体４２１の一端面は、シール面４２３となっており、弁体４２１の他端面側つまりシール面４２３の反対側には、貫通孔４２４が形成されている。
【００２４】
シャフト４２２は、弁体４２１に形成された貫通孔４２４を貫通して、ハウジング４１に設けられた一対の軸受４１４に回動可能に支持される。このシャフト４２２は、図示しない駆動手段により回動される。
このシャフト４２２と弁体４２１の貫通孔４２４との間には、ゴムリング４２５が設けられている。
【００２５】
以上のように、弁体４２１の一端面はシール面４２３であり、シャフト４２２は弁体４２１の他端面側に設けられているので、シール面４２３は、シャフト４２２に対してオフセットしていることになる。
【００２６】
シート部４３は、ハウジング４１の段差４１３よりも一端側の内壁面に嵌合されている。
シート部４３の外周面には、周方向に沿って延びる凹部４３１が形成され、この凹部４３１には、シート部４３を保持するゴムリング４３２が設けられている。すなわち、ゴムリング４３２は、ハウジング４１の内壁面に沿って設けられている。
【００２７】
スプリング４４は、ハウジング４１の段差４１３よりも一端側に設けられ、円環状の支持部４４１を介して、シート部４３を段差４１３に向かって付勢している。
【００２８】
以上のバタフライバルブ４０Ａは、以下のように動作する。
まず、バタフライバルブ４０Ａを締め切る場合、図４（ａ）に示すように、バルブ本体４２を回動して、バルブ本体４２のシール面４２３をシート部４３側に向けて、バルブ本体４２のシール面４２３をシート部４３に着座させる。
ここで、バルブ本体４２がシート部４３に着座すると、バルブ本体４２は、ゴムリング４２５およびゴムリング４３２により調芯されるとともに、シート部４３は、スプリング４４によりバルブ本体４２に向かって付勢されて気密性が向上する。
【００２９】
一方、バタフライバルブ４０Ａの流量を制御する場合、図４（ｂ）に示すように、バルブ本体４２を回動して、バルブ本体４２のシール面４２３をシート部４３の反対側に向ける。そして、バルブ本体４２の角度を調整することで、ハウジング４１の流路断面積に対するバルブ本体４２の割合を調整する。
【００３０】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）バルブ本体４２のシール面４２３を、バルブ本体４２のシャフト４２２に対してオフセットさせる。そして、バタフライバルブ４０Ａを閉鎖する場合には、バルブ本体４２をシート部４３側に向けて、バルブ本体４２のシール面４２３をシート部４３に着座させる。一方、バタフライバルブ４０Ａの流量を制御する場合には、バルブ本体４２をシート部４３の反対側に向けて、ハウジング４１の流路断面積に対するバルブ本体４２の割合を調整する。
よって、バタフライバルブ４０Ａの流量を調整する場合、バルブ本体４２の弁体４２１の一部がシート部４３に接触しないから、従来のようにシート部４３や弁体４２１の周縁部が摩耗するのを防止して、耐久性を十分に確保できる。
【００３１】
〔第２実施形態〕
本実施形態では、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、バタフライバルブ４０Ｃのハウジング４１Ｃ内の流路が途中で屈曲している点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、ハウジング４１Ｃ内の流路は、ハウジング４１Ｃのバルブ本体４２よりも他端側で屈曲している。
【００３２】
以上のバタフライバルブ４０Ｃは、以下のように動作する。
バタフライバルブ４０Ｃを締め切る場合、図５（ａ）に示すように、バルブ本体４２を回動して、バルブ本体４２のシール面４２３をシート部４３側に向けて、バルブ本体４２のシール面４２３をシート部４３に着座させる。
【００３３】
一方、バタフライバルブ４０Ｃの流量を制御する場合、図５（ｂ）に示すように、バルブ本体４２を回動して、バルブ本体４２のシール面４２３をハウジング４１Ｃ内の屈曲した流路に対向させる。そして、バルブ本体４２の角度を調整することで、ハウジング４１の流路断面積に対するバルブ本体４２の割合を調整する。
【００３４】
本実施形態によれば、（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（２）バタフライバルブ４０Ｃを締め切った状態から、バルブ本体４２を図５中右回転させて、流量を制御する状態に移行する。あるいは、バタフライバルブ４０Ｃの流量を制御する状態から、バルブ本体４２を図５中左回転させて、バタフライバルブ４０Ａを締め切った状態に移行する。このようにバルブ本体４２を動作させることにより、バルブ本体４２の回転範囲を狭くできるので、バタフライバルブ４０Ｃの応答性を向上できる。
【００３５】
（３）バタフライバルブ４０Ｃを締め切った状態から、バルブ本体４２を図５中左回転させて、流量を制御する状態に移行する。あるいは、バタフライバルブ４０Ｃの流量を制御する状態から、バルブ本体４２を図５中右回転させて、バタフライバルブ４０Ａを締め切った状態に移行する。このようにバルブ本体４２を動作させることにより、バルブ本体４２の圧力損失を低減できる。
【００３６】
〔第３実施形態〕
本実施形態では、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、バタフライバルブ４０Ｄの弁体４２１Ｄの外径がシート部４３の外径よりも大きい点が、第１実施形態と異なる。
【００３７】
以上のバタフライバルブ４０Ｄは、以下のように動作する。
バタフライバルブ４０Ｄを締め切る場合、図６（ａ）に示すように、バルブ本体４２を回動して、バルブ本体４２のシール面４２３をシート部４３側に向けて、このシール面４２３をシート部４３に着座させる。
【００３８】
一方、バタフライバルブ４０Ｃの流量を制御する場合、図６（ｂ）に示すように、バルブ本体４２を回動して、バルブ本体４２のシール面４２３をシート部４３の反対側に向ける。そして、バルブ本体４２の角度を調整することで、ハウジング４１の流路断面積に対するバルブ本体４２のシール面４２３の割合を調整する。
【００３９】
本実施形態によれば、上述の（１）と同様の効果がある。
【００４０】
〔第４実施形態〕
本実施形態では、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、バタフライバルブ４０Ｅのハウジング４１Ｅの形状、バルブ本体４２Ｅの形状、およびシート部４３の形状が異なる。
【００４１】
すなわち、ハウジング４１Ｅのバルブ本体４２Ｅが収納される空間は、断面円形状となっている。
また、バルブ本体４２Ｅは断面扇形状であり、これにより、シール面４２３Ｅは断面円弧形状となっている。このバルブ本体４２Ｅは、回転自在であり、バルブ本体４２Ｅのシール面４２３Ｅとハウジング４１Ｅの内壁面との間には、所定の隙間が形成されるようになっている。
また、シート部４３Ｅは、ハウジング４１Ｅのバルブ本体４２Ｅが収納される空間に僅かに突出している。
【００４２】
以上のバタフライバルブ４０Ｅは、以下のように動作する。
バタフライバルブ４０Ｅを締め切る場合、図７（ａ）に示すように、バルブ本体４２Ｅを回動して、バルブ本体４２Ｅのシール面４２３Ｅをシート部４３Ｅ側に向けて、このシール面４２３Ｅをシート部４３Ｅの突出した部分に着座させる。
【００４３】
一方、バタフライバルブ４０Ｅの流量を制御する場合、図７（ｂ）に示すように、バルブ本体４２Ｅを回動して、バルブ本体４２Ｅのシール面４２３Ｅをシート部４３Ｅの反対側に向ける。そして、バルブ本体４２Ｅの角度を調整することで、ハウジング４１Ｅの流路断面積に対するバルブ本体４２Ｅのシール面４２３Ｅの割合を調整する。
【００４４】
本実施形態によれば、（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（４）バタフライバルブ４０Ｃの流量を制御する際、図７（ｂ）に示すように、供給されるエアは、バルブ本体４２Ｅの外壁面とハウジング４１Ｅの内壁面との間の隙間を流れることになる。よって、バタフライバルブ４０Ｃによる抵抗が大きくなるので、少流量で流路抵抗の大きい制御を行うことができる。
【００４５】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、第１実施形態では、バタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂを、エア供給配管２１およびエア排出配管２２のうち加湿器２３を挟んで燃料電池１０と反対側の部分に設けたが、これに限らない。すなわち、図８に示すように、燃料電池システム１Ａのバタフライバルブ４０Ａ、４０Ｂを、エア供給配管２１およびエア排出配管２２のうち加湿器２３と燃料電池１０との間の部分に設けてもよい。
【００４６】
また、各実施形態では、バタフライバルブ４０Ａ〜４０Ｅについて、ハウジング４１の内壁面にシート部４３を保持するゴムリング４３２を設けるとともに、バルブ本体４２の弁体４２１とシャフト４２２との間にゴムリング４２５を設けたが、これに限らない。すなわち、ゴムリング４３２およびゴムリング４２５のうちどちらか一方のみを設けてもよい。
【００４７】
また、各実施形態では、バタフライバルブ４０Ａ〜４０Ｅの一端側を燃料電池１０に接続し、他端側をエアポンプに接続したが、これに限らず、一端側をエアポンプに接続し、他端側を燃料電池に接続してもよい。
【００４８】
また、燃料電池システムのエア供給配管に本発明のバタフライバルブを設けた場合、燃料電池システムの停止後にエア供給配管を封止して、外気と遮断してもよい。このようにすれば、一つのバタフライバルブで、燃料電池の発電中には空気の流量を制御でき、燃料電池の停止後には、バタフライバルブによりカソード電極に至るエア供給配管を封止して、燃料電池の劣化を防止できる。よって、エア供給配管を封止するためのバルブを別途設ける必要がなくなり、システムを小型化、軽量化、低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】前記実施形態に係るバタフライバルブの縦断面の斜視図である。
【図３】前記実施形態に係るバタフライバルブの一部の横断面図である。
【図４】前記実施形態に係るバタフライバルブの動作を説明するための図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのバタフライバルブの動作を説明するための図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムのバタフライバルブの動作を説明するための図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムのバタフライバルブの動作を説明するための図である。
【図８】本発明の変形例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１        燃料電池システム
１０      燃料電池
２１      エア供給配管（カソード流路）
２２      エア排出配管（カソード流路）
４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ、４０Ｅ      バタフライバルブ
４１      ハウジング
４２      バルブ本体
４３      シート部
４２２    シャフト（回転軸）
４２３    シール面
【図１】
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【図２】
2010135253.tif 000004
【図３】
2010135253.tif 000005
【図４】
2010135253.tif 000006
【図５】
2010135253.tif 000007
【図６】
2010135253.tif 000008
【図７】
2010135253.tif 000009
【図８】
2010135253.tif 000010