(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、燃料電池の下流に配される酸化剤ガス流路に設けられた背圧制御弁であって、
前記酸化剤ガス流路の一部を構成する管状部材と、該管状部材の内部に配置され、横断面方向に延びる軸線回りに回動させられる弁体とを具備し、
前記管状部材が略水平方向に沿って配置されるとともに、
該管状部材の内面に親水処理が施されている燃料電池システムの背圧制御弁。
【請求項２】
燃料電池システムにおいて、燃料電池の下流に配される酸化剤ガス流路に設けられた背圧制御弁であって、
前記酸化剤ガス流路の一部を構成する管状部材と、該管状部材の内部に配置され、横断面方向に延びる軸線回りに回動させられる弁体とを具備し、
前記管状部材が略鉛直方向に沿って配置されるとともに、
該管状部材の内面に撥水処理が施されている燃料電池システムの背圧制御弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムの背圧制御弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置してなる電極構造体を、一対のセパレータで挟持して構成された平板状の単セルを、その厚さ方向に複数積層して構成されているものがある。
【０００３】
各単セルでは、アノード電極に対向配置されるアノード側セパレータの一面に燃料ガス（例えば、水素）の流路が設けられ、カソード電極に対向配置されるカソード側セパレータの一面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）の流路が設けられている。また、隣接する単セルの隣接するセパレータ間には、冷却媒体（例えば、水）の流路が設けられている。
【０００４】
一般に、酸化剤ガス流路への酸化剤ガスの供給は、該酸化剤ガス流路に設けられているスーパーチャージャを起動するとともに、燃料電池よりも下流側の酸化剤ガス流路に配されている背圧制御弁を開くことにより行われる。すなわち、燃料電池へ供給される酸化剤ガスの流量および燃料電池へ供給される酸化剤ガスの圧力は、スーパーチャージャの回転数と背圧制御弁の開度とによって制御されるようになっている。
前記背圧制御弁は、例えば、バタフライ弁であって、複数の単セルを水平方向に積層してなる燃料電池から、その積層方向、すなわち、水平方向に貫通してきた水平な酸化剤ガス流路に設けられている。
【０００５】
そして、アノード電極の電極反応面に燃料ガスである水素を供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード電極に移動する。この間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極においては、酸化剤ガスである空気が供給されているため、水素イオン、電子、および空気中の酸素が反応して、水が生成される。
【０００６】
かかる生成水は、燃料電池内の酸化剤ガス流路において主に発生する。燃料電池システムが停止されて、低温状態に放置されると、上述した生成水が凍結し、再始動が困難になるので、燃料電池システムの停止時には、生成水は、可能な限り燃料電池システムの各部から放出しておく必要がある。
そして、このような生成水の排出作業は、例えば、背圧制御弁を全開にして、スーパーチャージャから供給される酸化剤ガスによって酸化剤ガス流路全体を掃気することにより行われていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スーパーチャージャから大流量の酸化剤ガスを供給した場合に、流路断面積の比較的小さい燃料電池内の酸化剤ガス流路では、高い流速を確保することができるので、生成水が効果的に排出されるが、酸化剤ガス流路の最後尾に配される背圧制御弁の近傍では、流路断面積が比較的大きく確保されているために、十分な流速を得ることができず、燃料電池側から排出されてきた生成水の一部が残留するという不都合がある。
【０００８】
そして、背圧制御弁の近傍に生成水が残留した場合には、燃料電池システム停止後の低温放置によって、残留した水が凍結して氷塊が形成され、その後の再始動時に、該氷塊が背圧制御弁の弁体に接触して、背圧制御弁の適正な動作が阻害される不都合が考えられる。
【０００９】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、低温始動時においても適正に動作可能な燃料電池システムの背圧制御弁を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池の下流に配される酸化剤ガス流路に設けられた背圧制御弁であって、前記酸化剤ガス流路の一部を構成する管状部材と、該管状部材の内部に配置され、横断面方向に延びる軸線回りに回動させられる弁体とを具備し、前記管状部材が略水平方向に沿ってに配置されるとともに、該管状部材の内面に親水処理が施されている燃料電池システムの背圧制御弁を提案している。
【００１１】
この発明に係る背圧制御弁によれば、燃料電池の下流に配される背圧制御弁の管状部材を略水平に配置することによって、燃料電池システム全体を、高さ寸法を抑制したレイアウトに構成することができる。
【００１２】
この場合において、背圧制御弁を開放して、燃料電池の酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給することにより、燃料電池内部において生成された水が酸化剤ガス流路を通して流動させられ、燃料電池の下流に配置された背圧制御弁を通過して外部に放出される。この際に、背圧制御弁の管状部材が水平に配置されているために、酸化剤ガス流路を排出されてきた生成水が、背圧制御弁近傍に残留することがある。しかしながら、管状部材の内面には親水処理が施されているので、該管状部材の内面に付着している水滴の表面張力が低減され、水滴は、管状部材の表面に、小さい接触角を形成して付着する。
【００１３】
したがって、酸化剤ガス流路からの生成水の排出が十分に行われずに、背圧制御弁近傍に水滴が残留した場合であっても、この水滴が凍結することによって形成される氷塊が、管状部材の内面から半径方向内方に高く突出することが防止され、該氷塊が、再始動時に、管状部材を閉鎖する弁体に接触して、その回動を妨げる不都合を未然に防止することができる。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池の下流に配される酸化剤ガス流路に設けられた背圧制御弁であって、前記酸化剤ガス流路の一部を構成する管状部材と、該管状部材の内部に配置され、横断面方向に延びる軸線回りに回動させられる弁体とを具備し、前記管状部材が略鉛直方向に沿ってに配置されるとともに、該管状部材の内面に撥水処理が施されている燃料電池システムの背圧制御弁を提案している。
【００１５】
この発明に係る背圧制御弁によれば、該背圧制御弁を構成する管状部材が略鉛直方向に沿って配されることにより、該管状部材の内面に残留する水滴には、該内面に沿って略鉛直下方に落下する重力が作用する。しかも、管状部材の内面には、撥水処理が施されているので、管状部材の内面に付着している水滴は、該表面張力を増加させられて、その接触角を増大させられることにより、管状部材の内面との接触面積を低減させられている。したがって、水滴は、その重力によって管状部材の内面を伝って落下させられ易くなり、再始動時に回動させられる弁体の動作範囲に、該弁体と接触する氷塊が形成されることを防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る背圧制御弁について、添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る背圧制御弁は、図１に示される燃料電池システム１に設けられる。この燃料電池システム１は、燃料電池２と、該燃料電池２内に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路４とを具備している。
【００１７】
前記燃料ガス流路３には、主として、加圧状態の燃料ガスを供給する燃料ガス源５（高圧タンク）と、該燃料ガス源５からの燃料ガスの燃料ガス流路３への供給・停止を切り替える遮断弁６と、前記燃料ガス流路３をループ状に構成して燃料ガスを循環させるエゼクタ７と、燃料電池２の出口側流路３ａを流れる燃料ガスによって入口側流路３ｂを流れる燃料ガスを加湿する加湿器８とが設けられている。
【００１８】
遮断弁６が開放されて燃料ガス源５から供給された燃料ガスが燃料ガス流路３に供給されると、加湿器８によって適度に加湿された後に、燃料電池２内に供給される。燃料電池２内における発電が開始されると、燃料ガスが消費され、残った燃料ガスが燃料電池２から排出される。排出された燃料ガスは、再度、加湿器８を通過させられて、新たな燃料ガスに湿分を付与した後に、エゼクタ７によって、新たな燃料ガスと合流させられて、再度燃料電池２内に供給されるようになっている。
【００１９】
一方、前記酸化剤ガス流路４には、主として、酸化剤ガスを取り込んで供給するスーパーチャージャ９と、加湿器１０と、背圧制御弁１１とが設けられ、該背圧制御弁１１は、酸化剤ガス流路４の出口位置近傍に配置されている。すなわち、スーパーチャージャ９によって酸化剤ガス流路４内に取り込まれた酸化剤ガスは、加湿器１０を通過させられることにより加湿された後に燃料電池２内に入り、燃料電池２内における発電によって消費された残りが、再度加湿器１０を通過させられる際に、新たな酸化剤ガスに湿分を付与した後に、背圧制御弁１１を通過させられて大気に放出されるようになっている。そして、スーパーチャージャ９の回転数制御と併せて、背圧制御弁１１の開度を調整することにより、酸化剤ガス流路４内を流れる酸化剤ガスの流量および酸化剤ガスの圧力を調節することができるようになっている。
【００２０】
本実施形態の背圧制御弁１１は、図２に示されるように、酸化剤ガス流路４の一部を構成する管状部材１２と、該管状部材１２の内部に取り付けられた弁体１３とからなるバタフライ弁である。
前記管状部材１２は、前記燃料電池２の出口から略水平方向に沿って延びる酸化剤ガス流路４を延長して、略水平方向に配置されている。
【００２１】
前記弁体１３は、前記管状部材１２の流路断面形状と同等の形状を有する略円板状に形成されており、管状部材１２の半径方向に沿って、水平に配置されたシャフト１４回りに回動可能に設けられている。
弁体１３の回動角度は、例えば、弁体１３が鉛直方向に沿って配されることにより、管状部材１２内部の流路を閉塞する鉛直状態と、管状部材１２内部の流路を全開にする水平状態との間の略９０°の範囲でよい。
【００２２】
また、前記背圧制御弁１１を構成する管状部材１２の内面には、親水処理が施されている。符号Ａは、親水処理が施されている領域を示している。この親水処理は、例えば、酸化チタン被膜を管状部材１２の内面に形成すること等により行われる。親水処理の方法は、この酸化チタン被膜に限定されるものではなく、他の任意の方法でよい。
【００２３】
親水処理は、前記弁体１３によって閉塞される管状部材１２の長手方向位置の上流側および下流側に、それぞれ所定範囲にわたって施されている。所定範囲は、任意に設定できるが、例えば、弁体１３の半径寸法と同等でよい。
【００２４】
このように構成された本実施形態に係る背圧制御弁１１の作用について、以下に説明する。
燃料電池２による発電中には、背圧制御弁１１は、図示しない制御装置の作動によってその開度を調節されることにより、酸化剤ガス流路４を流れる酸化剤ガスの流量および圧力を調節する。
【００２５】
燃料電池２による発電が停止されると、背圧制御弁１１は全開、すなわち略水平方向に設定され、酸化剤ガス流路４に多量の酸化剤ガスを流通させることによって、燃料電池２内部で発生した水を排出する。
この場合に、排出されてきた水は、その大部分が背圧制御弁１１を通過させられて、外部に放出されることになるが、その一部が水滴として、背圧制御弁１１近傍に残留する。
【００２６】
また、この水排出動作の後には前記背圧制御弁１１を全開、すなわち、弁体１３を略水平方向に停止させることが好ましい。燃料電池２の発電停止時に背圧制御弁１１が低温に晒された場合に、水滴Ｗと接触する範囲外に弁体１３を配置しておくことができるので、水の排出の妨げにならないとともに、弁体１３が管状部材１２に固着して燃料電池の再始動時に背圧制御弁１１の動作不良が生ずることを防止することができる。
【００２７】
本実施形態の背圧制御弁１１では、該背圧制御弁１１を構成する管状部材１２の内面に親水処理が施されているので、該親水処理が施されている領域Ａの管状部材１２内面に付着した水滴Ｗは、図３に示されるように形成される。
すなわち、親水処理を施していない領域Ｂの管状部材１２内面に付着している水滴Ｗと比較すると、領域Ａでは、親水処理により、水滴Ｗの表面張力が低減され、管状部材１２の表面に対して水滴Ｗの表面がなす角度、つまり、接触角θが鋭角となり、管状部材１２表面から突出する高さ寸法が低減される。
【００２８】
したがって、仮に、燃料電池２による発電が停止した運転停止状態で、燃料電池システム１が低温状態に放置された場合には、背圧制御弁１１の近傍に残留した水が凍結することになるが、上述したように、本実施形態に係る背圧制御弁１１では、付着した水滴Ｗが管状部材１２の表面に沿って低く形成されているので、それが凍結して氷塊となっても弁体１３の動作範囲Ｘに干渉するような突出物を構成することがなく、再始動時の適正な作動が確保されることになる。
【００２９】
なお、背圧制御弁１１を、酸化剤ガス流路４を完全に密封するように使用することがない場合には、弁体１３の直径を酸化剤ガス流路４の内径寸法より小さく設定して、完全に閉鎖した状態で、弁体１３と管状部材１２との間に隙間を形成することにすれば、氷塊と弁体１３との干渉をさらに確実に回避することが可能である。
【００３０】
次に、本発明に係る背圧制御弁の第２の実施形態について、図４および図５を参照して説明する。
この実施形態に係る背圧制御弁１５は、図４に示されるように、管状部材１６が鉛直方向に沿って配されている点、および管状部材１６の内面に撥水処理が施されている点において、第１の実施形態に係る背圧制御弁１１と相違している。
【００３１】
上記撥水処理は、例えば、管状部材１６の内面の所定領域Ｃに、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂の被膜を形成したり、管状部材１６をアルミニウム材料によって構成する場合には、アルマイト処理を施したりすることにより行われる。なお、撥水処理方法は、他の任意の方法でもよい。領域Ｃの範囲は、第１の実施形態と同様に、適宜設定することができる。
【００３２】
また、このように構成される背圧制御弁１５は、例えば、図５に示されるように燃料電池２の出口に接続される配管１７をクランク状に曲げ、その配管１７の全体的な高さ寸法を燃料電池２の高さ寸法以下に抑えることにすれば、鉛直方向に沿って配置することにしても、燃料電池システム１８全体の高さ寸法を増大させることなく配置することができる。なお、レイアウトが許せば、クランク状に配管を形成することは必ずしも必要ではない。
【００３３】
このように構成された本実施形態に係る背圧制御弁１５によれば、該背圧制御弁１５を開放して燃料電池２から生成水を排出したときに、排出しきれずに酸化剤ガス流路４内に残留した水が背圧制御弁１５の近傍に付着しても、該背圧制御弁１５を構成する管状部材１６が略鉛直方向に沿って配置されているので、水滴Ｗには、管状部材１６の内面に沿って鉛直下方に向かう重力が作用する。さらに、管状部材１６の内面には撥水処理が施されているので、該内面に接触する水滴Ｗは、その表面張力を高められて、接触角が鈍角となるまで増大させられる。
【００３４】
その結果、水滴Ｗと管状部材１６内面との接触面積が小さくなり、水滴Ｗの管状部材内１６面への付着力が低下させられる。
上述したように、水滴Ｗには、鉛直下方に向かう重力が作用しているので、水滴Ｗは管状部材１６の内面に沿って鉛直下方に落下させられ、弁体１３の近傍から排除されることになる。
【００３５】
すなわち、酸化剤ガス流路４内に生成水が残留しても、弁体１３と接触する位置には残留せず、低温状態に配されることにより酸化剤ガス流路４内に形成される氷塊が弁体１３の動作範囲Ｘに干渉することがない。したがって、再始動時に、弁体１３を適正に作動させることができる。
【００３６】
また、この水排出動作の後には前記背圧制御弁１１を全開、すなわち、弁体１３を略水平方向に停止させることにより、燃料電池２の発電停止時に背圧制御弁１１が低温に晒された場合に、水滴Ｗと接触する範囲外に弁体１３を配置しておくことができるので、水の排出の妨げにならないとともに、弁体１３が管状部材１２に固着して燃料電池の再始動時に背圧制御弁１１の動作不良が生ずることを防止することができる。
【００３７】
なお、上記実施形態においては、管状部材１２，１６を水平または鉛直方向に配置した場合について説明したが、これらの方向に厳密に限定されるものではなく、これに近い所定の範囲で管状部材１２，１６を傾斜させた場合に適用しても、同等の効果を達成することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は以下の効果を奏する。
（１）  請求項１記載の発明に係る燃料電池システムの背圧制御弁によれば、該背圧制御弁の近傍に、燃料電池において生成された水が付着しても、該水が凍結した場合に形成される氷塊が背圧制御弁を構成する管状部材の内面から弁体の動作範囲内に突出することを防止できるので、低温状態からの再始動時においても適正な流量制御を行うことができるという効果を奏する。特に、氷塊を解凍させるヒータのような外部機器を設ける必要がないので、簡易かつコストの低い構造で、低温状態における始動性の改善を図ることができる。
【００３９】
（２）  請求項２記載の発明に係る燃料電池システムの背圧制御弁によれば、燃料電池において生成された水が酸化剤ガス流路内に残留しても、管状部材の鉛直配置と内面の撥水処理とによって、背圧制御弁の弁体近傍には水滴が付着することを防止することができる。したがって、低温状態に配置されて水滴が凍結しても、その氷塊が弁体と干渉することがなく、低温状態からの再始動時においても適正な流量制御を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】   この発明の第１の実施形態に係る背圧制御弁を有する燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。
【図２】   図１の背圧制御弁を示す縦断面図である。
【図３】   図１の背圧制御弁の弁体近傍に水滴が付着した状態を示す縦断面図である。
【図４】   この発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの背圧制御弁を示す縦断面図である。
【図５】   図４の背圧制御弁を備えた燃料電池システムの酸化剤ガス配管の形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１，１８  燃料電池システム
２  燃料電池
４  酸化剤ガス流路
１１，１５  背圧制御弁
１２，１６  管状部材
１３  弁体
１４  シャフト（軸線）
【図１】
0003995898.tif 000002
【図２】
0003995898.tif 000003
【図３】
0003995898.tif 000004
【図４】
0003995898.tif 000005
【図５】
0003995898.tif 000006