バルブ構造，氷結状態判定装置，氷結状態予測装置およびバルブ制御装置
【課題】 シート部と弁体との氷結による固着を防止する。
【解決手段】 シート部３７を、その上端がバルブボディ内流路３９の底面４０ａより上方位置となるように、シート部保持ばね４５で弾性支持する。このときシート部３７の側面に設けたバイパス通路３７ｃがバルブボディ内流路３９の水平流路４０に開口している。システム停止時には、弁体３５がシート部３７に着座して開口部３７ｅを塞いだ状態となり、燃料電池１からバルブ構造部に流れてきた水は、バイパス通路３７ｃを通過してシート部内流路３７ｄに流れ込み、下流に流れていく。このため、弁体３５が着座しているシート部３７の先端が水に漬かることを防止でき、燃料電池停止後に周囲温度が氷点下になったとしても、弁体３５とシート部３７との氷結による固着を防止できる。
【解決手段】 シート部３７を、その上端がバルブボディ内流路３９の底面４０ａより上方位置となるように、シート部保持ばね４５で弾性支持する。このときシート部３７の側面に設けたバイパス通路３７ｃがバルブボディ内流路３９の水平流路４０に開口している。システム停止時には、弁体３５がシート部３７に着座して開口部３７ｅを塞いだ状態となり、燃料電池１からバルブ構造部に流れてきた水は、バイパス通路３７ｃを通過してシート部内流路３７ｄに流れ込み、下流に流れていく。このため、弁体３５が着座しているシート部３７の先端が水に漬かることを防止でき、燃料電池停止後に周囲温度が氷点下になったとしても、弁体３５とシート部３７との氷結による固着を防止できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給するアノードラインと、燃料電池に酸化剤ガスを供給するカソードラインとの少なくともいずれか一方に流量調整用バルブ装置を設置したバルブ構造，氷結状態判定装置，氷結状態予測装置およびバルブ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池に燃料ガスを供給するアノードラインや、燃料電池に酸化剤ガスを供給するカソードラインに設けたバルブ構造部分の氷結対策として、例えば下記特許文献１に開示されているように、シート部をバルブボディ内の流路の底面より高くしたり、シート部先端を薄刃化するなどの提案がある。
【特許文献１】特開２００４−１６２８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記した従来のバルブ構造では、弁体がシート部に着座した状態で、燃料電池システムから流出する水がバルブ構造部分に流入すると、シート部および弁体が水没することがあり、この状態で氷結が発生した場合は、弁体とシート部とが氷で覆われてしまい相互の固着が発生する。
【０００４】
そこで、本発明は、シート部と弁体との氷結による固着を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給するためのアノードラインと、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するためのカソードラインとの少なくともいずれか一方に流量調整用バルブ装置を設置し、この流量調整用バルブ装置は、鉛直方向上端が開口して内部にシート部内流路を備えるシート部と、このシート部の前記開口部を開放遮断する弁体とをそれぞれ有し、前記シート部上端を、前記シート部および前記弁体を収容するバルブボディ内の流路の底面よりも鉛直方向上方に配置するとともに、前記シート部を鉛直方向上方に移動可能に押圧してシート部を弾性支持するする弾性支持手段を設け、この弾性支持手段により前記シート部を鉛直方向上方に押圧移動させた状態で、前記バルブボディ内の流路の底面より鉛直方向上方位置の前記シート部の側面に、前記バルブボディ内の流路と前記シート部内流路とを連通するバイパス通路を設け、このバイパス通路は、前記弁体が前記シート部の上端を前記弾性支持手段の弾性力に抗して鉛直方向下方に押圧して下降させたときに、前記バルブボディ内の流路の底面より鉛直方向下方に移動して閉塞されることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、バルブ構造部分に氷結の恐れがある燃料電池の停止中は、流量調整用バルブ装置におけるシート部が弾性支持手段で押し上げられる構成であり、また、シート部側面に、シート部上端がバルブボディ内の流路の底面より鉛直方向上方位置まで上昇したときに開口するバイパス通路を設けているため、燃料電池の停止後、燃料電池から排出されるガス中の水がバルブ構造部分に流れてきたとしても、その水は、バイパス通路を通ってバルブ下流に流れ、シート部に着座した弁体の水没を防ぎ、氷結による弁体とシート部との固着を回避することができる。
【０００７】
また、シート部がバルブボディに氷結した場合でも、弁体はシート部に対して固着せず上下動可能であるので、流量制御は可能である。また、弁体が弾性支持手段の弾性力に抗してシート部を押し込むことで、バイパス通路がバルブボディ内の流路の底面より鉛直方向下方に移動して閉塞されるので、弁閉時でのバイパス通路を通しての流体漏れを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図であり、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素とを反応させて電力を取り出す燃料電池１に、水素の供給を受けるアノード入口ライン３および、空気の供給を受けるカソード入口ライン５をそれぞれ接続する。
【００１０】
アノード入口ライン３には、その上流端に水素タンク７を、途中に圧力調整弁９をそれぞれ設ける。一方、カソード入口ライン５にはコンプレッサ１１を設置する。
【００１１】
また、燃料電池１には、発電に供された後に排出される水素（アノードオフガス）が流れるアノード出口ライン１３および、発電に供された後に排出される空気（カソードオフガス）が流れるカソード出口ライン１５をそれぞれ接続する。
【００１２】
アノード出口ライン１３は、途中で水素循環ライン１７に分岐させて圧力調整弁９下流のアノード入口ライン３に接続し、図示しないエゼクタポンプなどによって水素を循環させる。
【００１３】
アノード出口ライン１３の水素循環ライン１７との接続部より上流には、流量検出手段としての水素側流量計測器１９を設置する。また、アノード出口ライン１３の水素循環ライン１７との接続部より下流には、流量調整用バルブ装置としてのパージ弁２１を設置する。さらに、パージ弁２１をバイパスするパージ弁バイパス路２３にはリリーフ弁２５を設置する。
【００１４】
一方、カソード出口ライン１５には、その上流側から、流量検出手段としての空気側流量計測器２７および、流量調整用バルブ装置としての圧力調整弁２９をそれぞれ設置する。
【００１５】
本発明の第１の実施形態として、上記した燃料電池システムの構成の中で、燃料電池１に燃料ガスを供給するためのアノードラインとしてのアノード出口ライン１３に設けたパージ弁２１と、燃料電池１に酸化剤ガスを供給するためのカソードラインとしてのカソード出口ライン１５に設けた圧力調整弁２９との少なくともいずれか一方を、図２に示すようなバルブ構造とする。
【００１６】
上記したアノード出口ライン１３またはカソード出口ライン１５の途中に、バルブボディ３３を設置し、バルブボディ３３内に円板形状の弁体３５および円筒形状のシート部３７を収容する。バルブボディ３３内に形成したバルブボディ内流路３７ｄは、水平流路４０と、その下流側に位置して鉛直方向下方に延びる鉛直流路４１とをそれぞれ備える。
【００１７】
シート部３７は、鉛直流路４１内に鉛直方向に移動可能に収容し、シート部３７の下端と鉛直流路４１の内壁から突出する図示しないばね受けとの間に、シート部３７を上方に押圧する弾性支持手段としてのシート部保持ばね４５を介装する。
【００１８】
図２に示すように、シート部保持ばね４５により上方に押された状態のシート部３７の上端は、水平流路４０に突出してその底面４０ａよりも鉛直方向上方に位置し、その先端は先細となるよう内側にテーパ面３７ａを形成している。このテーパ面３７ａ近傍のシート部３７の側面には、シート部３７の下方への移動を規制するストッパ用突起３７ｂを設けている。
【００１９】
また、ストッパ用突起３７ｂより下方のシート部３７には、シート部３７がシート部保持ばね４５により上方に押された状態で水平流路４０に露出して開口するバイパス通路３７ｃを複数設けている。
【００２０】
一方、上記したシート部３７の上方のバルブボディ３３には凹部３３ａを形成し、この凹部３３ａに電磁コイル４７を収容する。そして、この電磁コイル４７内に、前記した弁体３５の上面に連結する弁軸４９を、摺動部５１にて摺動可能に収容する。
【００２１】
電磁コイル４７は、シート部３７がシート部保持ばね４５に押されて最上部に移動した状態（氷結の可能性のある状態）を基準に、上方および下方にそれぞれ吸引力を発生することが可能な仕様とする。これは、コイルを二重に配置したダブルコイル構造で実現できる。
【００２２】
このようなバルブ構造によれば、燃料電池１の停止中は、シート部３７がシート部保持ばね４５により押し上げられて最上部に位置し、バイパス通路３７ｃが水平流路４０に開口し、弁体３５はシート部３７の上端に着座して開口部３７ｅを閉じている。そのため、燃料電池１の停止中に、燃料電池１から上記したバルブ構造部に水が流れてきても、この水は、図３に示すように、バイパス通路３７ｃを通過してシート部内流路３７ｄに流れ込み、下流に流れていく。
【００２３】
このため、弁体３５が着座しているシート部３７の先端（図１中で上端）が水に漬かることを防止でき、燃料電池１の停止後に周囲温度が氷点下になったとしても、弁体３５とシート部３７との氷結による固着を防止できる。
【００２４】
また、シート部３７自体は、鉛直方向最上部に位置する状態で氷結によりバルブボディ３３と固着するが、この状態から電磁コイル４７により弁体３５を上方に移動させることができるので、バルブストロークを充分確保でき、適正な流量制御が可能である。
【００２５】
また、シート部３７が鉛直方向最上部に位置する状態でのバルブ全閉時の漏れ量は、バイパス通路３７ｃを通過する分発生するが、氷結状態を燃料電池１の運転後に解凍してシート部３７とバルブボディ３３との固着を解消した後は、電磁コイル４７によって弁体３５を下降させ、シート部３７をバルブボディ３３の鉛直流路４１内に押し込むことで、バイパス通路３７ｃを閉塞することができ、解凍後のバルブ全閉時の漏れ量も低減できる。
【００２６】
本発明の第２の実施形態は、前記図２に示した第１の実施形態におけるシート部保持ばね４５を、温度に応じて自由長が変化するようにしている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００２７】
温度に応じて自由長が変化するシート部保持ばね４５は、例えば形状記憶合金や、バイメタルなどを使用することにより実現可能であり、ここでは周囲温度が氷結の恐れのある所定温度以下に低下した場合に、シート部３７が前記図２に示した状態となるように自由長が長くなる構成とする。このため、周囲温度が所定温度を超える場合には、図２の状態からシート部保持ばね４５が縮み、シート部３７の上部に設けたストッパ用突起３７ｂが水平流路４０の底面４０ａに当接し、バイパス通路３７ｃが鉛直流路内４１に入り込んで閉塞された状態となる。
【００２８】
第２の実施形態によるバルブ構造によれば、周囲温度が所定温度以下に低下した場合に、シート部３７を自由長が長くなったシート部保持ばね４５によって押し上げ、バイパス通路３７ｃを水平流路４０に開口させることができる。
【００２９】
このため、燃料電池１の停止中に、燃料電池１から上記したバルブ構造部に水が流れてきても、この水は、図３に示すように、バイパス通路３７ｃを通過してシート部内流路３７ｄに流れ込み、弁体３５が着座しているシート部３７の先端（図１中で上端）が水に漬かることを防止でき、燃料電池１の停止後に周囲温度が氷点下になったとしても、弁体３５とシート部３７との氷結による固着を防止できる。
【００３０】
また、氷結の恐れがない温度域では、シート部保持ばね４５はその特性により自由長が短くなって縮んでおり、バイパス通路３７ｃが鉛直流路内４１に入り込んで閉塞された状態となる。したがって、この場合には、図３の状態から電磁コイル４７によって弁体３５を鉛直流路内４１内に押し込む必要がなく、電磁コイル４７はダブルコイルとする必要がなくシングルコイルで制御可能である。
【００３１】
本発明の第３の実施形態は、前記した第２の実施形態に対し、温度に応じて自由長が変化するシート部保持ばね４５の温度特性を、氷結の恐れのある状態となる直前に、自由長が長くなってバイパス通路３７ｃを水平流路４０に開口できるように設定にする。
【００３２】
図４は、上記したシート部保持ばね４５の温度特性に対応するシート部３７の高さ特性を示す。周囲温度が５℃付近まで下がった状態で、シート部保持ばね４５の自由長が伸び始め、０℃になる直前、すなわち氷結直前の１℃〜２℃となった時点で、シート部４７の高さが最大となる。
【００３３】
これにより、氷結が発生する直前にシート部３７を押し上げてバイパス通路３７ｃをバルブボディ内流路３９に開口でき、弁体３５とシート部３７との氷結を事前に防止することができる。
【００３４】
また、氷結の恐れがない温度域では、シート部保持ばね４５はその特性により自由長が短くなって縮んでおり、バイパス通路３７ｃが鉛直流路内４１に入り込んで閉塞された状態となる。したがって、この場合には、図３の状態から電磁コイル４７によって弁体３５を鉛直流路内４１内に押し込む必要がなく、電磁コイル４７はダブルコイルとする必要がなくシングルコイルで制御可能である。
【００３５】
図５は、本発明の第４の実施形態を示す、前記図２に対応する断面図である。この実施形態は、バルブシート５３を、バルブボディ３３における鉛直流路４１の水平流路４０への開口部上に設置固定してあり、このバルブシート５３が、中心側の第１のシート部５３ａと、その外側の第２のシート部５３ｂとをそれぞれ備えている。第１のシート部５３ａおよび第２のシート部５３ｂは、鉛直方向位置すなわち図５中で上下方向位置が同一となっている。
【００３６】
第１のシート部５３ａの中心部には、バルブボディ内流路３９の水平流路４０と鉛直流路４１とを、シート部内流路として連通する内側連通路５３ｃを設け、第１のシート部５３ａと第２のシート部５３ｂとの間には、バルブボディ内流路３９の水平流路４０と鉛直流路４１とを、シート部内流路として連通する複数の外側連通路５３ｄを設けている。また、外側連通路５３ｄの水平流路４０への開口部５３ｅは、流路断面積が広くなるよう形成してある。
【００３７】
一方、弁体５５は、その下面に、第１のシート部５３ａに着座する弾性変形可能な環状の第１の突起５５ａおよび、第１の突起５５ａの外側に位置して前記第２のシート部５３ｂに着座する環状の第２の突起５５ｂをそれぞれ設けている。
【００３８】
上記した第１の突起５５ａは、弁体５５が下降する際に、第２の突起５５ｂが第２のシート部５３ｂに着座するより先に第１のシート部５３ａに着座するよう下方への突出量を第２の突起５５ｂより大きくし、かつ、第１のシート部５３ａに着座後、さらに弁体５５が下降することで弾性変形し、第２の突起５５ｂを第２のシート部５３ｂに着座させる。
【００３９】
すなわち、第１の突起５５ａが第１のシート部５３ａに着座した当初は、第２の突起５５ｂが第２のシート部５３ｂに接触しておらず、したがってこのとき、バルブボディ内流路３９の水平流路４０を流れる水は、外側連通路５３ｄを通って鉛直流路４１に流れる。
【００４０】
上記した第４の実施形態によるバルブ構造によれば、燃料電池１の通常運転時は、弁体５５を上下動させることで流量制御を行い、バルブ全閉時には、第１の突起５５ａを第１のシート部５３ａに着座させた後、第１の突起５５ａを弾性変形させて押し潰すよう電磁コイル４７を作動させ、第２の突起５５ｂも第２のシート部５３ｂに着座させる。これによりバルブ全閉時では、内側連通路５３ｃおよび外側連通路５３ｄが共に閉じた状態となり、バルブ全閉時での流体の漏れを防止する。
【００４１】
また、燃料電池１の停止後など、氷結が懸念される状態になった場合は、第１の突起５５ａを第１のシート部５３ａ着座させて弾性変形させないよう電磁コイル４７を作動させ、第２の突起５５ｂを第２のシート部５３ｂから離反させて着座させない状態とする。
【００４２】
上記した第１の突起５５ａを弾性変形させる弁体５５の動きと、第１の突起５５ａを弾性変形させない弁体５５の動きは、電磁コイル４７をダブルコイルにすることで実現可である。
【００４３】
第２の突起５５ｂを第２のシート部５３ｂから離反させて着座させない状態では、外側連通路５３ｄが開放されており、したがってこのとき、シート部５３周囲の水が、シート部５３上端の高さまで流れてきたときには、開口部５３ｅで集められて外側連通路５３ｄから鉛直流路４１に排出する。このため、第２のシート部５３ｂに着座している第１の突起５５ａへの水の付着を防止でき、第１の突起５５ａと第１のシート部５３ａとの氷結を防止することができる。
【００４４】
図６は、本発明の第５の実施形態を示す、前記図２に対応する断面図である。この実施形態は、前記図５に示した第４の実施形態の変形例で、バルブシート５７を、中心側の第１のシート部５７ａと、その外側の第２のシート部５７ｂとから構成している。
【００４５】
第１のシート部５７ａの中心部には、水平流路４０と鉛直流路４１とをシート部内流路として連通する内側連通路５７ｃを設け、第１のシート部５７ａと第２のシート部５７ｂとの間には、水平流路４０と鉛直流路４１とをシート部内流路として連通する環状の外側連通路５７ｄを設けている。このため、ここでの第１のシート部５７ａと第２のシート部５７ｂとは別体となっている。また、外側連通路５７ｄの水平流路４０への開口部５７ｅは、流路断面積が広くなるよう形成してある。
【００４６】
外側の第２のシート部５７ｂは、鉛直流路４１の水平流路４０への開口部上に設置固定してあり、一方中心側の第１のシート部５７ａは、温度により鉛直方向長さを変える円筒形状の感温部材としてのサーモワックス５９上に支持し、サーモワックス５９は、鉛直流路４１の内壁に外周面を固定した円盤状のサーモワックスホルダ６１上に固定する。
【００４７】
サーモワックス５９は、温度が低く氷結する恐れのある場合は鉛直方向上方に伸び、図６に示すように、第１のシート部５７ａを第２のシート部５７ｂより鉛直方向上方位置となるよう上昇させる。
【００４８】
サーモワックス５９およびサーモワックスホルダ６１は、第１のシート部５７ａの内側連通路５７ｃに整合して鉛直流路４１に連通する貫通孔５９ａおよび６１ａをそれぞれ中心部に備えている。また、サーモワックス５９より外側のサーモワックスホルダ６１には、サーモワックスホルダ６１を境にしてその上下流相互間を連通するバイパス通路６１ｂを複数設ける。このバイパス通路６１ｂと前記した外側連通路５７ｄとは互いに連通している。
【００４９】
上記したバルブ構造によれば、燃料電池１の停止時には、第１の突起５５ａが第１のシート部５７ａに着座し、ここで、温度が低く氷結する恐れのある場合は、サーモワックス５９が鉛直方向上方に伸び、図６に示すように、第１のシート部５７ａを第２のシート部５７ｂより高い位置に上昇させ、バルブ周囲に流れてくる水を、バイパス通路５７ｄおよびサーモワックスホルダ６１のバイパス通路６１ｂを通してバルブ下流に排出する。
【００５０】
これにより、第１のシート部５７ａと第１のシート部５７ａに着座する第１の突起５５ａとの氷結を防止し、弁体５５の開閉制御が可能となる。
【００５１】
また、燃料電池１の運転により温度が上昇した場合は、サーモワックス５９が鉛直方向下方に縮み、第１のシート部５７ａを第２のシート部５７ｂより低い位置に下降させる。このため、電磁コイル４７の作動によって弁体５５が上下動して流量制御がなされ、このときバルブ全閉時には、第２の突起５５ｂが第２のシート部５７ｂに着座してシールするため、バルブ全閉時での流体の漏れ量も低減できる。
【００５２】
したがって、この場合には、第１の突起５５ａを、弾性変形させる必要がないので弾性部材で構成する必要がない。
【００５３】
図７は、上記したサーモワックス５９の温度特性に対応する第１のシート部５７ａの高さ特性を示す。温度が５℃付近となった状態で、サーモワックス５９が伸び始めることで、第１のシート部５７ａが上昇し、２℃〜３℃となった時点で第２のシート部５７ｂより高い位置となる。その後、０℃になる直前、すなわち氷結直前の１℃〜２℃となった時点で、第１のシート部５７ａの高さが最大となる。
【００５４】
図８は、本発明の第６の実施形態を示す、前記図２に対応するバルブ断面図である。この実施形態は、前記図２に示した第１の実施形態に対し、シート部３７の外周面に螺旋状のガイド溝３７ｆを設け、このガイド溝３７ｆに先端が挿入されてガイド溝３７ｆに沿って相対移動可能ガイドピン６３を、バルブボディ３３の鉛直流路４１の内面に固定している。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５５】
このようなバルブ構造によれば、燃料電池１の通常運転時に、シート部保持ばね４５に押されて最上部に位置しているシート部３７は、電磁コイル４７の作動により、弁体３５が下降して鉛直流路４１に向かって押し込まれる。この際、ガイドピン６３がガイド溝３７ｆに対して相対移動することで、シート部３７がバルブボディ３３に対して回転するため、シート部３７を押し込んでいる弁体３５もそれに引きずられて回転する。
【００５６】
弁体３５の回転により弁軸４９も回転運動をしながら上下運動をするので、バルブ摺動部５１に挟まった異物をこじりながら外部に排出することができる。これにより、バルブ摺動部５１の摺動クリアランスより細かい目のフィルタを設けたり、あるいはバルブ摺動部５１の入口に異物侵入防止用のダイヤフラムを設けるなどの手法を採ることなく、弁軸４９の固着を防止して弁体３５の作動不良を防止することができる。
【００５７】
上記したフィルタを設けた場合には、極低温時にフィルタが氷結すると、圧損が増大、システムバランスを崩す問題がある。また、ダイヤフラムを設けた場合には、ダイヤフラムが圧力を受け弁体に作動圧と大気圧の差圧が余計に加わるため、電磁石の強化、それに伴う駆動電圧または電流の増強などが必要となる問題点があり、いずも採用するには難点がある。
【００５８】
本発明の第７の実施形態として、前記図４に示した第３の実施形態による温度特性を備えたシート部保持ばね４５を有するバルブ構造において、このバルブ構造を備えるパージ弁２１を設置しているアノード出口ライン１３の水素側流量計測装置１９または、圧力調整弁２９を設置しているカソード出口ライン１５の空気側流量計測装置２７により流体の流量を計測する。
【００５９】
周囲温度が氷結の恐れのある所定温度まで低下した状態（氷結時とする）では、シート部保持ばね４５の自由長が伸びて図２に示すシート部３７が上昇しており、逆に上記した所定温度を超えた状態（非氷結時とする）では、シート部保持ばね４５の自由長が縮んでシート部３７が下降している。したがって、上記した氷結時と非氷結時とでは、同じバルブ開度信号であっても、弁体３５のシート部３７に対するリフト量が異なることから流量も異なるものとなる。
【００６０】
図９は、上記した氷結時（破線）と非氷結時（実線）でのバルブ開度信号と流量との関係を示しており、氷結時の特性は、全閉時付近ではバイパス通路３７ｃから漏れ量があることから、非氷結時に比べて流量が多くなっているものの、開度が大きくなると、シート部３７が下方に位置する非氷結時の方が流量が大となる。
【００６１】
このような流量特性を利用し、冷機起動直後から、例えばバルブ開度信号Ｖ（診断開度）での流量を測定することで、シート部３７周辺のライン内で氷結が発生しているか発生していないかの氷結状況を判定することができる。この判定により、解凍運転から通常運転への変更タイミングを温度センサを使用することなく、また、温度センサを設けたことによる伝熱の遅れやずれの影響を考慮することなく、直接温度を推定し判定することができる。
【００６２】
すなわち、本実施形態は、燃料電池１の冷機始動時に、水素側流量計測装置１９（または空気側流量計測装置２７）の検出値とバルブ制御開度信号値とに基づいて、シート部３７周辺のライン内の氷結状態を判定することになる。
【００６３】
本発明の第８の実施形態として、前記図４に示した第３の実施形態による温度特性を備えたシート部保持ばね４５を有するバルブ構造において、このバルブ構造を備えるパージ弁２１を設置しているアノード出口ライン１３の水素側流量計測装置１９または、圧力調整弁２９を設置しているカソード出口ライン１５の空気側流量計測装置２７により流体の流量を計測する。
【００６４】
シート部３７周辺のライン内の氷結直前には、シート部保持ばね４５の自由長が伸びてシート部３７が上昇しており、逆に氷結が発生しておらず、燃料電池１の通常運転時（暖機後の運転時）では、シート部保持ばね４５の自由長が縮んでシート部３７が下降している。したがって、上記した氷結直前時と暖機後とでは、同じバルブ開度信号であっても弁体３５のリフト量が異なることから流量も異なるものとなる。
【００６５】
図１０は、上記した氷結直前（破線）と暖機後（実線）でのバルブ開度信号と流量との関係を示しており、氷結直前の特性は、バルブ全閉時付近ではバイパス通路３７ｃから漏れ量があることから、暖機後に比べて流量が多くなっているものの、開度が大きくなると、シート部３７が下方に位置する暖機後の方が流量が大となる。
【００６６】
このような流量特性を利用し、暖機後の運転から、例えばバルブ開度信号Ｖ（診断開度）での流量を測定することで、氷結直前の状態となっているのか、あるいは暖機後の状態が継続しているのかを判定することができる。この判定により、通常運転から、運転温度を上げるなどの凍結予防運転への変更タイミングを温度センサなどを使用することなく、また、温度センサを設けたことによる伝熱の遅れやずれの影響を考慮することなく、シート部３７周辺の氷結状態を予測判定することができる。
【００６７】
すなわち、本実施形態は、燃料電池１の暖機後に、水素側流量計測装置１９（または空気側流量計測装置２７）の検出値とバルブ制御開度信号値とに基づいて、シート部３７周辺のライン内が氷結するかどうかを予測判定することになる。
【００６８】
本発明の第９の実施形態として、前記図１０に示した第８の実施形態で、シート部３７周辺のライン内が氷結すると予測したときに、氷結リスクを低減するために、図１１に示すように、電磁コイル４７に通電して弁体３５をシート部３７に着座させ、バイパス通路３７ｃに全量制御流体を流すことにより、バイパス通路３７ｃの入口近傍の流速を加速させ、この加速させた流体の力により、バルブ近傍の氷結に寄与する可能性のある水をバルブ下流に積極的に排出する。これにより、バルブ構造部分の氷結リスクを低減できる。
【００６９】
なお、この第９の実施形態による動作は、前記図５，６に示した第５，第６の各実施形態によるバルブ構造にも適用可能である。すなわち、図５，６において、シート部３７周辺のライン内が氷結すると予測したときに、電磁コイル４７に通電して弁体５５の第１の突起５５ａを第１のシート部５３ａ，５７ａに着座させ、外側連通路５３ｄ，６７ｄに全量制御流体を流す。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおけるバルブ構造を拡大して示す断面図である。
【図３】図１のバルブ構造における燃料電池の停止中の動作説明図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係わるもので、第２の実施形態のバルブ構造による温度に対するシート部の高さ特性図である。
【図５】本発明の第４の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。
【図７】第５の実施形態のバルブ構造による温度に対する第１のシート部の高さ特性図である。
【図８】本発明の第６の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。
【図９】本発明の第７の実施形態を示す、氷結時と非氷結時でのバルブ開度信号と流量との相関図である。
【図１０】本発明の第８の実施形態を示す、氷結直前と暖機後でのバルブ開度信号と流量との相関図である。
【図１１】本発明の第９の実施形態を示す、図３に対応する断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 燃料電池
１３ アノード出口ライン
１５ カソード出口ライン
１９ 水素側流量計測装置（流量検出手段）
２７ 空気側流量計測装置（流量検出手段）
２１ パージ弁（流量調整用バルブ装置）
２９ 圧力調整弁（流量調整用バルブ装置）
３５，５５ 弁体
３７，５３，５３ シート部
３７ｃ バイパス通路
３７ｄ シート部内流路
３７ｅ シート部の開口部
３７ｆ ガイド溝
３９ バルブボディ内流路
４０ａ バルブボディ内流路の底面
４５ シート部保持ばね（弾性支持手段）
５３ａ 第１のシート部
５３ｂ 第２のシート部
５３ｃ，５７ｃ 内側連通路（シート部内流路）
５３ｄ，５７ｄ 外側連通路（シート部内流路）
５５ａ 弁体の第１の突起
５５ｂ 弁体の第２の突起
５９ サーモワックス（感温部材）
６３ ガイドピン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給するアノードラインと、燃料電池に酸化剤ガスを供給するカソードラインとの少なくともいずれか一方に流量調整用バルブ装置を設置したバルブ構造，氷結状態判定装置，氷結状態予測装置およびバルブ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池に燃料ガスを供給するアノードラインや、燃料電池に酸化剤ガスを供給するカソードラインに設けたバルブ構造部分の氷結対策として、例えば下記特許文献１に開示されているように、シート部をバルブボディ内の流路の底面より高くしたり、シート部先端を薄刃化するなどの提案がある。
【特許文献１】特開２００４−１６２８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記した従来のバルブ構造では、弁体がシート部に着座した状態で、燃料電池システムから流出する水がバルブ構造部分に流入すると、シート部および弁体が水没することがあり、この状態で氷結が発生した場合は、弁体とシート部とが氷で覆われてしまい相互の固着が発生する。
【０００４】
そこで、本発明は、シート部と弁体との氷結による固着を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給するためのアノードラインと、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するためのカソードラインとの少なくともいずれか一方に流量調整用バルブ装置を設置し、この流量調整用バルブ装置は、鉛直方向上端が開口して内部にシート部内流路を備えるシート部と、このシート部の前記開口部を開放遮断する弁体とをそれぞれ有し、前記シート部上端を、前記シート部および前記弁体を収容するバルブボディ内の流路の底面よりも鉛直方向上方に配置するとともに、前記シート部を鉛直方向上方に移動可能に押圧してシート部を弾性支持するする弾性支持手段を設け、この弾性支持手段により前記シート部を鉛直方向上方に押圧移動させた状態で、前記バルブボディ内の流路の底面より鉛直方向上方位置の前記シート部の側面に、前記バルブボディ内の流路と前記シート部内流路とを連通するバイパス通路を設け、このバイパス通路は、前記弁体が前記シート部の上端を前記弾性支持手段の弾性力に抗して鉛直方向下方に押圧して下降させたときに、前記バルブボディ内の流路の底面より鉛直方向下方に移動して閉塞されることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、バルブ構造部分に氷結の恐れがある燃料電池の停止中は、流量調整用バルブ装置におけるシート部が弾性支持手段で押し上げられる構成であり、また、シート部側面に、シート部上端がバルブボディ内の流路の底面より鉛直方向上方位置まで上昇したときに開口するバイパス通路を設けているため、燃料電池の停止後、燃料電池から排出されるガス中の水がバルブ構造部分に流れてきたとしても、その水は、バイパス通路を通ってバルブ下流に流れ、シート部に着座した弁体の水没を防ぎ、氷結による弁体とシート部との固着を回避することができる。
【０００７】
また、シート部がバルブボディに氷結した場合でも、弁体はシート部に対して固着せず上下動可能であるので、流量制御は可能である。また、弁体が弾性支持手段の弾性力に抗してシート部を押し込むことで、バイパス通路がバルブボディ内の流路の底面より鉛直方向下方に移動して閉塞されるので、弁閉時でのバイパス通路を通しての流体漏れを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図であり、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素とを反応させて電力を取り出す燃料電池１に、水素の供給を受けるアノード入口ライン３および、空気の供給を受けるカソード入口ライン５をそれぞれ接続する。
【００１０】
アノード入口ライン３には、その上流端に水素タンク７を、途中に圧力調整弁９をそれぞれ設ける。一方、カソード入口ライン５にはコンプレッサ１１を設置する。
【００１１】
また、燃料電池１には、発電に供された後に排出される水素（アノードオフガス）が流れるアノード出口ライン１３および、発電に供された後に排出される空気（カソードオフガス）が流れるカソード出口ライン１５をそれぞれ接続する。
【００１２】
アノード出口ライン１３は、途中で水素循環ライン１７に分岐させて圧力調整弁９下流のアノード入口ライン３に接続し、図示しないエゼクタポンプなどによって水素を循環させる。
【００１３】
アノード出口ライン１３の水素循環ライン１７との接続部より上流には、流量検出手段としての水素側流量計測器１９を設置する。また、アノード出口ライン１３の水素循環ライン１７との接続部より下流には、流量調整用バルブ装置としてのパージ弁２１を設置する。さらに、パージ弁２１をバイパスするパージ弁バイパス路２３にはリリーフ弁２５を設置する。
【００１４】
一方、カソード出口ライン１５には、その上流側から、流量検出手段としての空気側流量計測器２７および、流量調整用バルブ装置としての圧力調整弁２９をそれぞれ設置する。
【００１５】
本発明の第１の実施形態として、上記した燃料電池システムの構成の中で、燃料電池１に燃料ガスを供給するためのアノードラインとしてのアノード出口ライン１３に設けたパージ弁２１と、燃料電池１に酸化剤ガスを供給するためのカソードラインとしてのカソード出口ライン１５に設けた圧力調整弁２９との少なくともいずれか一方を、図２に示すようなバルブ構造とする。
【００１６】
上記したアノード出口ライン１３またはカソード出口ライン１５の途中に、バルブボディ３３を設置し、バルブボディ３３内に円板形状の弁体３５および円筒形状のシート部３７を収容する。バルブボディ３３内に形成したバルブボディ内流路３７ｄは、水平流路４０と、その下流側に位置して鉛直方向下方に延びる鉛直流路４１とをそれぞれ備える。
【００１７】
シート部３７は、鉛直流路４１内に鉛直方向に移動可能に収容し、シート部３７の下端と鉛直流路４１の内壁から突出する図示しないばね受けとの間に、シート部３７を上方に押圧する弾性支持手段としてのシート部保持ばね４５を介装する。
【００１８】
図２に示すように、シート部保持ばね４５により上方に押された状態のシート部３７の上端は、水平流路４０に突出してその底面４０ａよりも鉛直方向上方に位置し、その先端は先細となるよう内側にテーパ面３７ａを形成している。このテーパ面３７ａ近傍のシート部３７の側面には、シート部３７の下方への移動を規制するストッパ用突起３７ｂを設けている。
【００１９】
また、ストッパ用突起３７ｂより下方のシート部３７には、シート部３７がシート部保持ばね４５により上方に押された状態で水平流路４０に露出して開口するバイパス通路３７ｃを複数設けている。
【００２０】
一方、上記したシート部３７の上方のバルブボディ３３には凹部３３ａを形成し、この凹部３３ａに電磁コイル４７を収容する。そして、この電磁コイル４７内に、前記した弁体３５の上面に連結する弁軸４９を、摺動部５１にて摺動可能に収容する。
【００２１】
電磁コイル４７は、シート部３７がシート部保持ばね４５に押されて最上部に移動した状態（氷結の可能性のある状態）を基準に、上方および下方にそれぞれ吸引力を発生することが可能な仕様とする。これは、コイルを二重に配置したダブルコイル構造で実現できる。
【００２２】
このようなバルブ構造によれば、燃料電池１の停止中は、シート部３７がシート部保持ばね４５により押し上げられて最上部に位置し、バイパス通路３７ｃが水平流路４０に開口し、弁体３５はシート部３７の上端に着座して開口部３７ｅを閉じている。そのため、燃料電池１の停止中に、燃料電池１から上記したバルブ構造部に水が流れてきても、この水は、図３に示すように、バイパス通路３７ｃを通過してシート部内流路３７ｄに流れ込み、下流に流れていく。
【００２３】
このため、弁体３５が着座しているシート部３７の先端（図１中で上端）が水に漬かることを防止でき、燃料電池１の停止後に周囲温度が氷点下になったとしても、弁体３５とシート部３７との氷結による固着を防止できる。
【００２４】
また、シート部３７自体は、鉛直方向最上部に位置する状態で氷結によりバルブボディ３３と固着するが、この状態から電磁コイル４７により弁体３５を上方に移動させることができるので、バルブストロークを充分確保でき、適正な流量制御が可能である。
【００２５】
また、シート部３７が鉛直方向最上部に位置する状態でのバルブ全閉時の漏れ量は、バイパス通路３７ｃを通過する分発生するが、氷結状態を燃料電池１の運転後に解凍してシート部３７とバルブボディ３３との固着を解消した後は、電磁コイル４７によって弁体３５を下降させ、シート部３７をバルブボディ３３の鉛直流路４１内に押し込むことで、バイパス通路３７ｃを閉塞することができ、解凍後のバルブ全閉時の漏れ量も低減できる。
【００２６】
本発明の第２の実施形態は、前記図２に示した第１の実施形態におけるシート部保持ばね４５を、温度に応じて自由長が変化するようにしている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００２７】
温度に応じて自由長が変化するシート部保持ばね４５は、例えば形状記憶合金や、バイメタルなどを使用することにより実現可能であり、ここでは周囲温度が氷結の恐れのある所定温度以下に低下した場合に、シート部３７が前記図２に示した状態となるように自由長が長くなる構成とする。このため、周囲温度が所定温度を超える場合には、図２の状態からシート部保持ばね４５が縮み、シート部３７の上部に設けたストッパ用突起３７ｂが水平流路４０の底面４０ａに当接し、バイパス通路３７ｃが鉛直流路内４１に入り込んで閉塞された状態となる。
【００２８】
第２の実施形態によるバルブ構造によれば、周囲温度が所定温度以下に低下した場合に、シート部３７を自由長が長くなったシート部保持ばね４５によって押し上げ、バイパス通路３７ｃを水平流路４０に開口させることができる。
【００２９】
このため、燃料電池１の停止中に、燃料電池１から上記したバルブ構造部に水が流れてきても、この水は、図３に示すように、バイパス通路３７ｃを通過してシート部内流路３７ｄに流れ込み、弁体３５が着座しているシート部３７の先端（図１中で上端）が水に漬かることを防止でき、燃料電池１の停止後に周囲温度が氷点下になったとしても、弁体３５とシート部３７との氷結による固着を防止できる。
【００３０】
また、氷結の恐れがない温度域では、シート部保持ばね４５はその特性により自由長が短くなって縮んでおり、バイパス通路３７ｃが鉛直流路内４１に入り込んで閉塞された状態となる。したがって、この場合には、図３の状態から電磁コイル４７によって弁体３５を鉛直流路内４１内に押し込む必要がなく、電磁コイル４７はダブルコイルとする必要がなくシングルコイルで制御可能である。
【００３１】
本発明の第３の実施形態は、前記した第２の実施形態に対し、温度に応じて自由長が変化するシート部保持ばね４５の温度特性を、氷結の恐れのある状態となる直前に、自由長が長くなってバイパス通路３７ｃを水平流路４０に開口できるように設定にする。
【００３２】
図４は、上記したシート部保持ばね４５の温度特性に対応するシート部３７の高さ特性を示す。周囲温度が５℃付近まで下がった状態で、シート部保持ばね４５の自由長が伸び始め、０℃になる直前、すなわち氷結直前の１℃〜２℃となった時点で、シート部４７の高さが最大となる。
【００３３】
これにより、氷結が発生する直前にシート部３７を押し上げてバイパス通路３７ｃをバルブボディ内流路３９に開口でき、弁体３５とシート部３７との氷結を事前に防止することができる。
【００３４】
また、氷結の恐れがない温度域では、シート部保持ばね４５はその特性により自由長が短くなって縮んでおり、バイパス通路３７ｃが鉛直流路内４１に入り込んで閉塞された状態となる。したがって、この場合には、図３の状態から電磁コイル４７によって弁体３５を鉛直流路内４１内に押し込む必要がなく、電磁コイル４７はダブルコイルとする必要がなくシングルコイルで制御可能である。
【００３５】
図５は、本発明の第４の実施形態を示す、前記図２に対応する断面図である。この実施形態は、バルブシート５３を、バルブボディ３３における鉛直流路４１の水平流路４０への開口部上に設置固定してあり、このバルブシート５３が、中心側の第１のシート部５３ａと、その外側の第２のシート部５３ｂとをそれぞれ備えている。第１のシート部５３ａおよび第２のシート部５３ｂは、鉛直方向位置すなわち図５中で上下方向位置が同一となっている。
【００３６】
第１のシート部５３ａの中心部には、バルブボディ内流路３９の水平流路４０と鉛直流路４１とを、シート部内流路として連通する内側連通路５３ｃを設け、第１のシート部５３ａと第２のシート部５３ｂとの間には、バルブボディ内流路３９の水平流路４０と鉛直流路４１とを、シート部内流路として連通する複数の外側連通路５３ｄを設けている。また、外側連通路５３ｄの水平流路４０への開口部５３ｅは、流路断面積が広くなるよう形成してある。
【００３７】
一方、弁体５５は、その下面に、第１のシート部５３ａに着座する弾性変形可能な環状の第１の突起５５ａおよび、第１の突起５５ａの外側に位置して前記第２のシート部５３ｂに着座する環状の第２の突起５５ｂをそれぞれ設けている。
【００３８】
上記した第１の突起５５ａは、弁体５５が下降する際に、第２の突起５５ｂが第２のシート部５３ｂに着座するより先に第１のシート部５３ａに着座するよう下方への突出量を第２の突起５５ｂより大きくし、かつ、第１のシート部５３ａに着座後、さらに弁体５５が下降することで弾性変形し、第２の突起５５ｂを第２のシート部５３ｂに着座させる。
【００３９】
すなわち、第１の突起５５ａが第１のシート部５３ａに着座した当初は、第２の突起５５ｂが第２のシート部５３ｂに接触しておらず、したがってこのとき、バルブボディ内流路３９の水平流路４０を流れる水は、外側連通路５３ｄを通って鉛直流路４１に流れる。
【００４０】
上記した第４の実施形態によるバルブ構造によれば、燃料電池１の通常運転時は、弁体５５を上下動させることで流量制御を行い、バルブ全閉時には、第１の突起５５ａを第１のシート部５３ａに着座させた後、第１の突起５５ａを弾性変形させて押し潰すよう電磁コイル４７を作動させ、第２の突起５５ｂも第２のシート部５３ｂに着座させる。これによりバルブ全閉時では、内側連通路５３ｃおよび外側連通路５３ｄが共に閉じた状態となり、バルブ全閉時での流体の漏れを防止する。
【００４１】
また、燃料電池１の停止後など、氷結が懸念される状態になった場合は、第１の突起５５ａを第１のシート部５３ａ着座させて弾性変形させないよう電磁コイル４７を作動させ、第２の突起５５ｂを第２のシート部５３ｂから離反させて着座させない状態とする。
【００４２】
上記した第１の突起５５ａを弾性変形させる弁体５５の動きと、第１の突起５５ａを弾性変形させない弁体５５の動きは、電磁コイル４７をダブルコイルにすることで実現可である。
【００４３】
第２の突起５５ｂを第２のシート部５３ｂから離反させて着座させない状態では、外側連通路５３ｄが開放されており、したがってこのとき、シート部５３周囲の水が、シート部５３上端の高さまで流れてきたときには、開口部５３ｅで集められて外側連通路５３ｄから鉛直流路４１に排出する。このため、第２のシート部５３ｂに着座している第１の突起５５ａへの水の付着を防止でき、第１の突起５５ａと第１のシート部５３ａとの氷結を防止することができる。
【００４４】
図６は、本発明の第５の実施形態を示す、前記図２に対応する断面図である。この実施形態は、前記図５に示した第４の実施形態の変形例で、バルブシート５７を、中心側の第１のシート部５７ａと、その外側の第２のシート部５７ｂとから構成している。
【００４５】
第１のシート部５７ａの中心部には、水平流路４０と鉛直流路４１とをシート部内流路として連通する内側連通路５７ｃを設け、第１のシート部５７ａと第２のシート部５７ｂとの間には、水平流路４０と鉛直流路４１とをシート部内流路として連通する環状の外側連通路５７ｄを設けている。このため、ここでの第１のシート部５７ａと第２のシート部５７ｂとは別体となっている。また、外側連通路５７ｄの水平流路４０への開口部５７ｅは、流路断面積が広くなるよう形成してある。
【００４６】
外側の第２のシート部５７ｂは、鉛直流路４１の水平流路４０への開口部上に設置固定してあり、一方中心側の第１のシート部５７ａは、温度により鉛直方向長さを変える円筒形状の感温部材としてのサーモワックス５９上に支持し、サーモワックス５９は、鉛直流路４１の内壁に外周面を固定した円盤状のサーモワックスホルダ６１上に固定する。
【００４７】
サーモワックス５９は、温度が低く氷結する恐れのある場合は鉛直方向上方に伸び、図６に示すように、第１のシート部５７ａを第２のシート部５７ｂより鉛直方向上方位置となるよう上昇させる。
【００４８】
サーモワックス５９およびサーモワックスホルダ６１は、第１のシート部５７ａの内側連通路５７ｃに整合して鉛直流路４１に連通する貫通孔５９ａおよび６１ａをそれぞれ中心部に備えている。また、サーモワックス５９より外側のサーモワックスホルダ６１には、サーモワックスホルダ６１を境にしてその上下流相互間を連通するバイパス通路６１ｂを複数設ける。このバイパス通路６１ｂと前記した外側連通路５７ｄとは互いに連通している。
【００４９】
上記したバルブ構造によれば、燃料電池１の停止時には、第１の突起５５ａが第１のシート部５７ａに着座し、ここで、温度が低く氷結する恐れのある場合は、サーモワックス５９が鉛直方向上方に伸び、図６に示すように、第１のシート部５７ａを第２のシート部５７ｂより高い位置に上昇させ、バルブ周囲に流れてくる水を、バイパス通路５７ｄおよびサーモワックスホルダ６１のバイパス通路６１ｂを通してバルブ下流に排出する。
【００５０】
これにより、第１のシート部５７ａと第１のシート部５７ａに着座する第１の突起５５ａとの氷結を防止し、弁体５５の開閉制御が可能となる。
【００５１】
また、燃料電池１の運転により温度が上昇した場合は、サーモワックス５９が鉛直方向下方に縮み、第１のシート部５７ａを第２のシート部５７ｂより低い位置に下降させる。このため、電磁コイル４７の作動によって弁体５５が上下動して流量制御がなされ、このときバルブ全閉時には、第２の突起５５ｂが第２のシート部５７ｂに着座してシールするため、バルブ全閉時での流体の漏れ量も低減できる。
【００５２】
したがって、この場合には、第１の突起５５ａを、弾性変形させる必要がないので弾性部材で構成する必要がない。
【００５３】
図７は、上記したサーモワックス５９の温度特性に対応する第１のシート部５７ａの高さ特性を示す。温度が５℃付近となった状態で、サーモワックス５９が伸び始めることで、第１のシート部５７ａが上昇し、２℃〜３℃となった時点で第２のシート部５７ｂより高い位置となる。その後、０℃になる直前、すなわち氷結直前の１℃〜２℃となった時点で、第１のシート部５７ａの高さが最大となる。
【００５４】
図８は、本発明の第６の実施形態を示す、前記図２に対応するバルブ断面図である。この実施形態は、前記図２に示した第１の実施形態に対し、シート部３７の外周面に螺旋状のガイド溝３７ｆを設け、このガイド溝３７ｆに先端が挿入されてガイド溝３７ｆに沿って相対移動可能ガイドピン６３を、バルブボディ３３の鉛直流路４１の内面に固定している。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５５】
このようなバルブ構造によれば、燃料電池１の通常運転時に、シート部保持ばね４５に押されて最上部に位置しているシート部３７は、電磁コイル４７の作動により、弁体３５が下降して鉛直流路４１に向かって押し込まれる。この際、ガイドピン６３がガイド溝３７ｆに対して相対移動することで、シート部３７がバルブボディ３３に対して回転するため、シート部３７を押し込んでいる弁体３５もそれに引きずられて回転する。
【００５６】
弁体３５の回転により弁軸４９も回転運動をしながら上下運動をするので、バルブ摺動部５１に挟まった異物をこじりながら外部に排出することができる。これにより、バルブ摺動部５１の摺動クリアランスより細かい目のフィルタを設けたり、あるいはバルブ摺動部５１の入口に異物侵入防止用のダイヤフラムを設けるなどの手法を採ることなく、弁軸４９の固着を防止して弁体３５の作動不良を防止することができる。
【００５７】
上記したフィルタを設けた場合には、極低温時にフィルタが氷結すると、圧損が増大、システムバランスを崩す問題がある。また、ダイヤフラムを設けた場合には、ダイヤフラムが圧力を受け弁体に作動圧と大気圧の差圧が余計に加わるため、電磁石の強化、それに伴う駆動電圧または電流の増強などが必要となる問題点があり、いずも採用するには難点がある。
【００５８】
本発明の第７の実施形態として、前記図４に示した第３の実施形態による温度特性を備えたシート部保持ばね４５を有するバルブ構造において、このバルブ構造を備えるパージ弁２１を設置しているアノード出口ライン１３の水素側流量計測装置１９または、圧力調整弁２９を設置しているカソード出口ライン１５の空気側流量計測装置２７により流体の流量を計測する。
【００５９】
周囲温度が氷結の恐れのある所定温度まで低下した状態（氷結時とする）では、シート部保持ばね４５の自由長が伸びて図２に示すシート部３７が上昇しており、逆に上記した所定温度を超えた状態（非氷結時とする）では、シート部保持ばね４５の自由長が縮んでシート部３７が下降している。したがって、上記した氷結時と非氷結時とでは、同じバルブ開度信号であっても、弁体３５のシート部３７に対するリフト量が異なることから流量も異なるものとなる。
【００６０】
図９は、上記した氷結時（破線）と非氷結時（実線）でのバルブ開度信号と流量との関係を示しており、氷結時の特性は、全閉時付近ではバイパス通路３７ｃから漏れ量があることから、非氷結時に比べて流量が多くなっているものの、開度が大きくなると、シート部３７が下方に位置する非氷結時の方が流量が大となる。
【００６１】
このような流量特性を利用し、冷機起動直後から、例えばバルブ開度信号Ｖ（診断開度）での流量を測定することで、シート部３７周辺のライン内で氷結が発生しているか発生していないかの氷結状況を判定することができる。この判定により、解凍運転から通常運転への変更タイミングを温度センサを使用することなく、また、温度センサを設けたことによる伝熱の遅れやずれの影響を考慮することなく、直接温度を推定し判定することができる。
【００６２】
すなわち、本実施形態は、燃料電池１の冷機始動時に、水素側流量計測装置１９（または空気側流量計測装置２７）の検出値とバルブ制御開度信号値とに基づいて、シート部３７周辺のライン内の氷結状態を判定することになる。
【００６３】
本発明の第８の実施形態として、前記図４に示した第３の実施形態による温度特性を備えたシート部保持ばね４５を有するバルブ構造において、このバルブ構造を備えるパージ弁２１を設置しているアノード出口ライン１３の水素側流量計測装置１９または、圧力調整弁２９を設置しているカソード出口ライン１５の空気側流量計測装置２７により流体の流量を計測する。
【００６４】
シート部３７周辺のライン内の氷結直前には、シート部保持ばね４５の自由長が伸びてシート部３７が上昇しており、逆に氷結が発生しておらず、燃料電池１の通常運転時（暖機後の運転時）では、シート部保持ばね４５の自由長が縮んでシート部３７が下降している。したがって、上記した氷結直前時と暖機後とでは、同じバルブ開度信号であっても弁体３５のリフト量が異なることから流量も異なるものとなる。
【００６５】
図１０は、上記した氷結直前（破線）と暖機後（実線）でのバルブ開度信号と流量との関係を示しており、氷結直前の特性は、バルブ全閉時付近ではバイパス通路３７ｃから漏れ量があることから、暖機後に比べて流量が多くなっているものの、開度が大きくなると、シート部３７が下方に位置する暖機後の方が流量が大となる。
【００６６】
このような流量特性を利用し、暖機後の運転から、例えばバルブ開度信号Ｖ（診断開度）での流量を測定することで、氷結直前の状態となっているのか、あるいは暖機後の状態が継続しているのかを判定することができる。この判定により、通常運転から、運転温度を上げるなどの凍結予防運転への変更タイミングを温度センサなどを使用することなく、また、温度センサを設けたことによる伝熱の遅れやずれの影響を考慮することなく、シート部３７周辺の氷結状態を予測判定することができる。
【００６７】
すなわち、本実施形態は、燃料電池１の暖機後に、水素側流量計測装置１９（または空気側流量計測装置２７）の検出値とバルブ制御開度信号値とに基づいて、シート部３７周辺のライン内が氷結するかどうかを予測判定することになる。
【００６８】
本発明の第９の実施形態として、前記図１０に示した第８の実施形態で、シート部３７周辺のライン内が氷結すると予測したときに、氷結リスクを低減するために、図１１に示すように、電磁コイル４７に通電して弁体３５をシート部３７に着座させ、バイパス通路３７ｃに全量制御流体を流すことにより、バイパス通路３７ｃの入口近傍の流速を加速させ、この加速させた流体の力により、バルブ近傍の氷結に寄与する可能性のある水をバルブ下流に積極的に排出する。これにより、バルブ構造部分の氷結リスクを低減できる。
【００６９】
なお、この第９の実施形態による動作は、前記図５，６に示した第５，第６の各実施形態によるバルブ構造にも適用可能である。すなわち、図５，６において、シート部３７周辺のライン内が氷結すると予測したときに、電磁コイル４７に通電して弁体５５の第１の突起５５ａを第１のシート部５３ａ，５７ａに着座させ、外側連通路５３ｄ，６７ｄに全量制御流体を流す。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおけるバルブ構造を拡大して示す断面図である。
【図３】図１のバルブ構造における燃料電池の停止中の動作説明図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係わるもので、第２の実施形態のバルブ構造による温度に対するシート部の高さ特性図である。
【図５】本発明の第４の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。
【図７】第５の実施形態のバルブ構造による温度に対する第１のシート部の高さ特性図である。
【図８】本発明の第６の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。
【図９】本発明の第７の実施形態を示す、氷結時と非氷結時でのバルブ開度信号と流量との相関図である。
【図１０】本発明の第８の実施形態を示す、氷結直前と暖機後でのバルブ開度信号と流量との相関図である。
【図１１】本発明の第９の実施形態を示す、図３に対応する断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 燃料電池
１３ アノード出口ライン
１５ カソード出口ライン
１９ 水素側流量計測装置（流量検出手段）
２７ 空気側流量計測装置（流量検出手段）
２１ パージ弁（流量調整用バルブ装置）
２９ 圧力調整弁（流量調整用バルブ装置）
３５，５５ 弁体
３７，５３，５３ シート部
３７ｃ バイパス通路
３７ｄ シート部内流路
３７ｅ シート部の開口部
３７ｆ ガイド溝
３９ バルブボディ内流路
４０ａ バルブボディ内流路の底面
４５ シート部保持ばね（弾性支持手段）
５３ａ 第１のシート部
５３ｂ 第２のシート部
５３ｃ，５７ｃ 内側連通路（シート部内流路）
５３ｄ，５７ｄ 外側連通路（シート部内流路）
５５ａ 弁体の第１の突起
５５ｂ 弁体の第２の突起
５９ サーモワックス（感温部材）
６３ ガイドピン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガスを供給するためのアノードラインと、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するためのカソードラインとの少なくともいずれか一方に流量調整用バルブ装置を設置し、この流量調整用バルブ装置は、鉛直方向上端が開口して内部にシート部内流路を備えるシート部と、このシート部の前記開口部を開放遮断する弁体とをそれぞれ有し、前記シート部上端を、前記シート部および前記弁体を収容するバルブボディ内の流路の底面よりも鉛直方向上方に配置するとともに、前記シート部を鉛直方向上方に移動可能に押圧してシート部を弾性支持するする弾性支持手段を設け、この弾性支持手段により前記シート部を鉛直方向上方に押圧移動させた状態で、前記バルブボディ内の流路の底面より鉛直方向上方位置の前記シート部の側面に、前記バルブボディ内の流路と前記シート部内流路とを連通するバイパス通路を設け、このバイパス通路は、前記弁体が前記シート部の上端を前記弾性支持手段の弾性力に抗して鉛直方向下方に押圧して下降させたときに、前記バルブボディ内の流路の底面より鉛直方向下方に移動して閉塞されることを特徴とするバルブ構造。
【請求項２】
前記弾性支持手段は、温度に応じて自由長が変化することを特徴とする請求項１に記載のバルブ構造。
【請求項３】
前記弾性支持手段は、前記流量調整用バルブ装置が氷結の可能性のある所定温度以下で、自由長が長くなって前記シート部の上端を前記バルブボディ内の流路の底面より鉛直方向上方に移動させることを特徴とする請求項２に記載のバルブ構造。
【請求項４】
燃料電池に燃料ガスを供給するためのアノードラインと、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するためのカソードラインとの少なくともいずれか一方に流量調整用バルブ装置を設置し、この流量調整用バルブ装置は、鉛直方向上端が開口して内部にシート部内流路を備えるシート部と、このシート部の前記開口部を開放遮断する弁体とをそれぞれ有し、前記シート部上端を、前記シート部および前記弁体を収容するバルブボディ内の流路の底面よりも鉛直方向上方に配置し、前記シート部は、前記バルブボディ内の流路に前記シート部内流路として連通する内側連通路を備える第１のシート部と、この第１のシート部に対し、前記バルブボディ内の流路に前記シート部内流路として連通する外側連通路を間に挟んでその外側に位置する第２のシート部とをそれぞれ備え、前記弁体には、前記第１のシート部に着座する第１の突起および、前記第２のシート部に着座する第２の突起をそれぞれ設け、前記第１の突起は、前記第２の突起より先に着座しかつ、着座後弾性変形して前記第２の突起を着座させることを特徴とするバルブ構造。
【請求項５】
燃料電池に燃料ガスを供給するためのアノードラインと、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するためのカソードラインとの少なくともいずれか一方に流量調整用バルブ装置を設置し、この流量調整用バルブ装置は、鉛直方向上端が開口して内部にシート部内流路を備えるシート部と、このシート部の前記開口部を開放遮断する弁体とをそれぞれ有し、前記シート部上端を、前記シート部および前記弁体を収容するバルブボディ内の流路の底面よりも鉛直方向上方に配置し、前記シート部は、前記バルブボディ内の流路に前記シート部内流路として連通する内側連通路を備える第１のシート部と、この第１のシート部に対し、前記バルブボディ内の流路に前記シート部内流路として連通する外側連通路を間に挟んでその外側に位置する第２のシート部とをそれぞれ備え、前記弁体には、前記第１のシート部に着座する第１の突起および、前記第２のシート部に着座する第２の突起をそれぞれ設け、前記第１のシート部は、前記流量調整用バルブ装置が氷結の可能性のある所定温度以下で、前記第２のシート部より鉛直方向上方に変位させる感温部材を介して前記バルブボディに設置し、前記所定温度以下で前記第１の突起が前記第１のシート部に着座する一方、前記所定温度を越えたときに、前記第１のシート部が前記第２のシート部より鉛直方向下方に変位して、前記第２の突起が前記第２のシート部に着座することを特徴とするバルブ構造。
【請求項６】
前記シート部は、前記弁体により前記弾性支持手段の弾性力に抗して鉛直方向下方に押圧されて下降する際に回転し、この回転に伴って前記弁体が回転することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のバルブ構造。
【請求項７】
前記シート部の外周面と前記バルブボディの内周面とのいずれか一方に螺旋状のガイド溝を設け、いずれか他方に前記ガイド溝に挿入されてガイド溝に沿って相対移動可能なガイドピンを設けたことを特徴とする請求項６に記載のバルブ構造。
【請求項８】
請求項３に記載のバルブ構造による前記流量調整用バルブ装置を設けた前記アノードラインと前記カソードラインとの少なくともいずれか一方に、流量検出手段を設け、前記燃料電池の冷機始動時に、前記流量検出手段の検出値とバルブ開度制御信号値とに基づいて、前記いずれかの一方のライン内の氷結状態を判定することを特徴とする氷結状態判定装置。
【請求項９】
請求項３に記載のバルブ構造による前記流量調整用バルブ装置を設けた前記アノードラインと前記カソードラインとの少なくともいずれか一方に、流量検出手段を設け、前記燃料電池の暖機後に、前記流量検出手段の検出値とバルブ開度制御信号値とに基づいて、前記いずれか一方のライン内が氷結状態となるのを予測することを特徴とする氷結状態予測装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の氷結状態予測装置により、前記いずれか一方のライン内が氷結状態となるのを予測したときに、前記弁体を前記シート部に着座させて、前記バルブボディ内の流路を流れる流体を、前記バイパス通路を通して前記シート部内流路に流し、前記バイパス通路近傍の流体の流速を加速させることを特徴とするバルブ制御装置。
【請求項１】
燃料電池に燃料ガスを供給するためのアノードラインと、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するためのカソードラインとの少なくともいずれか一方に流量調整用バルブ装置を設置し、この流量調整用バルブ装置は、鉛直方向上端が開口して内部にシート部内流路を備えるシート部と、このシート部の前記開口部を開放遮断する弁体とをそれぞれ有し、前記シート部上端を、前記シート部および前記弁体を収容するバルブボディ内の流路の底面よりも鉛直方向上方に配置するとともに、前記シート部を鉛直方向上方に移動可能に押圧してシート部を弾性支持するする弾性支持手段を設け、この弾性支持手段により前記シート部を鉛直方向上方に押圧移動させた状態で、前記バルブボディ内の流路の底面より鉛直方向上方位置の前記シート部の側面に、前記バルブボディ内の流路と前記シート部内流路とを連通するバイパス通路を設け、このバイパス通路は、前記弁体が前記シート部の上端を前記弾性支持手段の弾性力に抗して鉛直方向下方に押圧して下降させたときに、前記バルブボディ内の流路の底面より鉛直方向下方に移動して閉塞されることを特徴とするバルブ構造。
【請求項２】
前記弾性支持手段は、温度に応じて自由長が変化することを特徴とする請求項１に記載のバルブ構造。
【請求項３】
前記弾性支持手段は、前記流量調整用バルブ装置が氷結の可能性のある所定温度以下で、自由長が長くなって前記シート部の上端を前記バルブボディ内の流路の底面より鉛直方向上方に移動させることを特徴とする請求項２に記載のバルブ構造。
【請求項４】
燃料電池に燃料ガスを供給するためのアノードラインと、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するためのカソードラインとの少なくともいずれか一方に流量調整用バルブ装置を設置し、この流量調整用バルブ装置は、鉛直方向上端が開口して内部にシート部内流路を備えるシート部と、このシート部の前記開口部を開放遮断する弁体とをそれぞれ有し、前記シート部上端を、前記シート部および前記弁体を収容するバルブボディ内の流路の底面よりも鉛直方向上方に配置し、前記シート部は、前記バルブボディ内の流路に前記シート部内流路として連通する内側連通路を備える第１のシート部と、この第１のシート部に対し、前記バルブボディ内の流路に前記シート部内流路として連通する外側連通路を間に挟んでその外側に位置する第２のシート部とをそれぞれ備え、前記弁体には、前記第１のシート部に着座する第１の突起および、前記第２のシート部に着座する第２の突起をそれぞれ設け、前記第１の突起は、前記第２の突起より先に着座しかつ、着座後弾性変形して前記第２の突起を着座させることを特徴とするバルブ構造。
【請求項５】
燃料電池に燃料ガスを供給するためのアノードラインと、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するためのカソードラインとの少なくともいずれか一方に流量調整用バルブ装置を設置し、この流量調整用バルブ装置は、鉛直方向上端が開口して内部にシート部内流路を備えるシート部と、このシート部の前記開口部を開放遮断する弁体とをそれぞれ有し、前記シート部上端を、前記シート部および前記弁体を収容するバルブボディ内の流路の底面よりも鉛直方向上方に配置し、前記シート部は、前記バルブボディ内の流路に前記シート部内流路として連通する内側連通路を備える第１のシート部と、この第１のシート部に対し、前記バルブボディ内の流路に前記シート部内流路として連通する外側連通路を間に挟んでその外側に位置する第２のシート部とをそれぞれ備え、前記弁体には、前記第１のシート部に着座する第１の突起および、前記第２のシート部に着座する第２の突起をそれぞれ設け、前記第１のシート部は、前記流量調整用バルブ装置が氷結の可能性のある所定温度以下で、前記第２のシート部より鉛直方向上方に変位させる感温部材を介して前記バルブボディに設置し、前記所定温度以下で前記第１の突起が前記第１のシート部に着座する一方、前記所定温度を越えたときに、前記第１のシート部が前記第２のシート部より鉛直方向下方に変位して、前記第２の突起が前記第２のシート部に着座することを特徴とするバルブ構造。
【請求項６】
前記シート部は、前記弁体により前記弾性支持手段の弾性力に抗して鉛直方向下方に押圧されて下降する際に回転し、この回転に伴って前記弁体が回転することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のバルブ構造。
【請求項７】
前記シート部の外周面と前記バルブボディの内周面とのいずれか一方に螺旋状のガイド溝を設け、いずれか他方に前記ガイド溝に挿入されてガイド溝に沿って相対移動可能なガイドピンを設けたことを特徴とする請求項６に記載のバルブ構造。
【請求項８】
請求項３に記載のバルブ構造による前記流量調整用バルブ装置を設けた前記アノードラインと前記カソードラインとの少なくともいずれか一方に、流量検出手段を設け、前記燃料電池の冷機始動時に、前記流量検出手段の検出値とバルブ開度制御信号値とに基づいて、前記いずれかの一方のライン内の氷結状態を判定することを特徴とする氷結状態判定装置。
【請求項９】
請求項３に記載のバルブ構造による前記流量調整用バルブ装置を設けた前記アノードラインと前記カソードラインとの少なくともいずれか一方に、流量検出手段を設け、前記燃料電池の暖機後に、前記流量検出手段の検出値とバルブ開度制御信号値とに基づいて、前記いずれか一方のライン内が氷結状態となるのを予測することを特徴とする氷結状態予測装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の氷結状態予測装置により、前記いずれか一方のライン内が氷結状態となるのを予測したときに、前記弁体を前記シート部に着座させて、前記バルブボディ内の流路を流れる流体を、前記バイパス通路を通して前記シート部内流路に流し、前記バイパス通路近傍の流体の流速を加速させることを特徴とするバルブ制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−２４２３２７（Ｐ２００６−２４２３２７Ａ）
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−６０８２９（Ｐ２００５−６０８２９）
【出願日】平成１７年３月４日（２００５．３．４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月４日（２００５．３．４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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