JP2015002009A - パージ弁 - Google Patents

Abstract

【課題】凍結による作動不良を防止可能なパージ弁を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１００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４７であって、パージガスが流れるガス流路４７１〜４７３、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４８０が形成されたハウジング４７０と、ガス流路４７１〜４７３を開閉してパージガス量を調整する弁体４７５と、を含み、ウォータージャケット流路４８０の流路断面積は、接続される冷却水流路６８１，６８２の流路断面積よりも小さい。
【選択図】図６

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。

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。

特許第４６８７６７９号公報

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。

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。

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、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よりも小さい。

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。

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。

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。 図２は、燃料電池スタックを説明する図である。 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。 図４は、パージ弁の外観斜視図である。 図５は、パージ弁の縦断面図である。 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。 図７は、ウォータージャケット流路の平面図である。 図８は、第２実施形態のパージ弁を示す縦断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図４は、パージ弁の外観斜視図である。

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。

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。

図５は、パージ弁の縦断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に本実施形態の作用効果について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

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

Claims (8)

1. 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、
   パージ弁。
2. 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。
3. 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。
4. 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、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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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、
   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からなり、
   前記パージ弁の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。

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