燃料電池の反応ガス供給装置
【課題】遮断弁を備えることなく燃料ガスの流路を長期的に遮断できるレギュレータを備える燃料電池の反応ガス供給装置を提供することを課題とする。
【解決手段】ダイヤフラム２２と一体に上下動するステム２６の下方に、燃料遮断ばね５２によって上方に付勢されるシャフト５１が備わる。そしてシャフト５１がステム２６を上方に付勢して、ステム２６に固定される弁体２７が水素流路２４を長期的に遮断する。反応ガス供給装置１を使用する場合は、コイル５３に電流を供給してシャフト５１を磁化し、下方の固定鉄心５４に吸着してステム２６の上下動を開放する。ステム２６はダイヤフラム２２と一体に上下動して、水素流路２４を開放・閉鎖する。
【解決手段】ダイヤフラム２２と一体に上下動するステム２６の下方に、燃料遮断ばね５２によって上方に付勢されるシャフト５１が備わる。そしてシャフト５１がステム２６を上方に付勢して、ステム２６に固定される弁体２７が水素流路２４を長期的に遮断する。反応ガス供給装置１を使用する場合は、コイル５３に電流を供給してシャフト５１を磁化し、下方の固定鉄心５４に吸着してステム２６の上下動を開放する。ステム２６はダイヤフラム２２と一体に上下動して、水素流路２４を開放・閉鎖する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の燃料電池に備わる、燃料電池の反応ガス供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の燃料電池システムにおいては、酸化ガス（エア）が供給されるアノード極と燃料ガス（水素）が供給されるカソード極との圧力差（極間差圧）を一定以内の範囲に保持する必要がある。そこで、カソード極の入り口圧力を基準圧として、燃料電池のアノード供給圧力を調整するレギュレータを有するシステムがある。
【０００３】
そして、例えば特許文献１には、車両の運転状態に応じて、アノード供給圧力をカソード極の入り口圧力に対する最適な値に、感度よく制御するレギュレータの技術が開示されている。
【０００４】
しかしながら、例えばイグニッションスイッチをＯＦＦしたときなど、燃料電池への燃料ガスの流路を長期的に遮断する必要がある。レギュレータに備わるバルブを閉じることでも燃料ガスの流路を遮断できるが、例えば特許文献１に開示されたごとく、レギュレータには高い調圧精度が要求されることから、レギュレータに備わるバルブのシート力を高めることができず、燃料ガスの流路を長期的に遮断することはできない。
そのため、例えば燃料ガスの供給源（燃料タンク等）とレギュレータとの間に、燃料ガスの流路を長期的に遮断するための遮断弁を備え、この遮断弁を閉じることで燃料ガスの流路を長期的に遮断する。
【特許文献１】特開２００５−１８３３５７号公報（段落００１８〜００２４、図２参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、レギュレータのほかに遮断弁を備えることで、燃料電池システムが複雑化、かつ、大型化するという問題があり、改善の余地がある。
そこで、本発明は、応答性に優れ、遮断弁を備えることなく燃料ガスの流路を長期的に遮断できるレギュレータを備えた燃料電池の反応ガス供給装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池のカソード極に加圧されたエアを供給するコンプレッサと、前記燃料電池のアノード極に水素を供給する水素供給手段と、前記燃料電池の運転状態に応じて前記コンプレッサ及び／又はカソード極の背圧弁を制御して前記カソード極のエア圧力を調整するカソード圧力制御装置と、前記カソード極のエア圧力を基準圧として印加し、このエア圧力に基づいて前記アノード極への供給圧力を調整するレギュレータと、前記レギュレータに印加するエア圧力をエア流路から排出することにより、前記レギュレータに印加される基準圧を調整可能な圧力調整器と、を備えた燃料電池の反応ガス供給装置とした。そして、前記レギュレータに印加されるエア圧力に抗して、前記レギュレータに形成される水素流路を遮断可能とする水素遮断手段を備えたことを特徴とした。
【０００７】
請求項１に係る発明によると、レギュレータに印加されるエア圧力に抗して、水素流路を遮断することができる。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、前記レギュレータの内部空間は、ダイヤフラムによって、前記水素流路が形成される領域と、前記エア圧力が印加される信号圧室が形成される領域とに仕切られ、前記水素流路には、この水素流路を遮断するように前記ダイヤフラムに付勢されるとともに、前記信号圧室に印加されるエア圧力の上昇に伴って前記水素流路を開放するように動作する遮断弁が備わる構成とした。そして、前記水素遮断手段は、前記信号圧室に印加されるエア圧力に抗して前記水素流路を遮断するように、前記遮断弁に付勢力を与える付勢手段と、前記付勢手段が前記遮断弁に与える付勢力の伝達を遮断する付勢力遮断手段と、を備えることを特徴とした。
【０００９】
請求項２に係る発明によると、水素流路を遮断する遮断弁に、付勢手段から付勢力を与え、この付勢力でレギュレータに印加されるエア圧力に抗して、水素流路を遮断するとともに、遮断弁への付勢力の伝達を遮断することができる。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、前記付勢力遮断手段は、前記付勢手段と前記遮断弁との間に介在して、前記付勢手段の付勢力を前記遮断弁に伝達する可動鉄心と、前記可動鉄心を磁化させる磁場を発生するコイルと、前記コイルに電流を供給する電流供給手段と、前記可動鉄心が磁化したときに、前記可動鉄心を吸引する固定鉄心と、を含んだ構成とした。そして、前記電流供給手段が前記コイルに電流を供給することで、前記可動鉄心を磁化し、前記固定鉄心が、前記付勢手段の付勢力に抗して、磁化した前記可動鉄心を吸引し、前記可動鉄心が前記遮断弁から離反することで、前記付勢手段が前記遮断弁に与える付勢力の伝達を遮断することを特徴とした。
【００１１】
請求項３に係る発明によると、コイルに電流を供給することで可動鉄心を磁化し、その磁力によって、付勢手段から遮断弁に与えられる付勢力の伝達を遮断することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、応答性に優れ、遮断弁を備えることなく燃料ガスの流路を長期的に遮断できるレギュレータを備えた燃料電池の反応ガス供給装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態にかかる燃料電池の反応ガス供給装置の構成の一例を示すブロック図、図２は、本実施形態にかかるレギュレータの断面図である。
図１に示すように、燃料電池の反応ガス供給装置１は、燃料電池２、燃料電池２にエアを供給するコンプレッサ３、及び燃料電池２から排出される空気オフガスを外部に排出する背圧制御弁４を含んで構成される。
さらに、燃料電池の反応ガス供給装置１は、燃料電池２に供給される水素が加圧状態で充填される水素タンク９、水素タンク９から放出される水素を再循環するエゼクタ６、及び燃料電池２に供給する水素の圧力を調整するレギュレータ５が備わる。
そして、燃料電池２に要求されている出力（以下、要求出力）に応じて、コンプレッサ３を駆動して所定量のエアを燃料電池２に供給するとともに、背圧制御弁４を制御してカソード極でのエアの供給圧を燃料電池２の要求出力に応じた圧力に調整するＥＣＵ（Electric Control Unit）１０が備わる。なお、カソード極のエアの供給圧力の調整は、コンプレッサの出力の制御及び／又は、背圧制御弁４の制御により可能である。
【００１４】
燃料電池２は、固体高分子電解質膜の両側にアノード極とカソード極が設けられ、各電極の外側に反応ガス（水素及びエア）を供給するためのガス通路が設けられてなるセルを多数積層して構成されるスタックからなる。
燃料電池２には、アノード極に燃料ガスとしての水素が供給され、カソード極に酸化剤ガスとしてのエアが供給され、アノード極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動して、カソード極でエアに含まれる酸素と電気化学反応を起こして発電する。
【００１５】
コンプレッサ３は大気中の空気（エア）を加圧する機能を有し、加圧されたエアは燃料電池２のカソード極に供給される。そして、エアに含まれる酸素が酸化剤として作用した後、燃料電池２から空気オフガスとして排出され、背圧制御弁４を介して大気に放出される。
【００１６】
一方、水素タンク９には、燃料ガスである水素が加圧状態で充填されている。水素タンク９から放出された加圧状態の水素は、レギュレータ５によって減圧されて、エゼクタ６で流量が調整された後、燃料電池２のアノード極に供給される。
水素は、発電に供された後、燃料電池２から水素オフガスとして排出され、水素オフガス回収路１１を通ってエゼクタ６に吸引され、水素タンク９から供給される水素と合流して再び燃料電池２に供給される。
【００１７】
ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えるマイクロコンピュータ及び周辺回路などから構成され、例えばＲＯＭに格納されるプログラムによって駆動する。ＥＣＵ１０は、燃料電池２に要求されている出力に応じて、コンプレッサ３を駆動して所定量のエアを燃料電池２に供給するとともに、背圧制御弁４を制御してカソード極におけるエアの供給圧を燃料電池２の要求出力に応じた圧力に調整する機能を有する。前記したように、カソード極におけるエア供給圧力の調整は、コンプレッサの制御及び／又は、背圧制御弁４の制御により可能である。このことから、ＥＣＵ１０は、請求項に記載のカソード圧力制御装置に相当する。さらに、後記するレギュレータ５のコイル５３（図２参照）に電流を供給する機能を有する。このことから、ＥＣＵ１０は、請求項に記載の電流供給手段となる。
【００１８】
エゼクタ６は、水素を再循環させる機能を有する部材である。本実施形態においては、水素の流量を調整する機能も有し、例えば水素供給流路の径が多段に切り換わるものが考えられる。具体的には、径の異なる複数のノズルを備えたスライド部材がスライドすることにより、ノズルのいずれかが水素ガス供給流路に接続される。これにより、エゼクタ６に供給されるガス（この場合は水素）の流量が制御される。そして、水素タンク９から放出され、燃料電池２に供給する水素の流量を調整することができる。
【００１９】
レギュレータ５は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、一例として図２に示す構成を有する。
図２に示すように、レギュレータ５の外形を形成するボディ２１の内部空間は、上下に配置される２つのダイヤフラム２２ａ、２２ｂ（２２）によって上下に仕切られている。
【００２０】
ダイヤフラム２２は、ボディ２１の内部空間を上下に仕切るように備わる膜状の部材であって、ゴムなど弾性部材や金属板などで形成される。ダイヤフラム２２の外周端近傍には、ダイヤフラム２２の外周に沿った凹部からなる折り返し２２０が形成され、ダイヤフラム２２のばね効果を高めている。そして、折り返し２２０の内側には、ダイヤフラム２２を上下に挟むように補強ボス２２１が固定される。
【００２１】
ボディ２１には２つのダイヤフラム２２ａ、２２ｂが上下に、かつ、略平行に備わり、図２に示すようにボディ２１の内部空間を上下に仕切っている。そして、上側に配置されるダイヤフラム２２ａの上側の空間には、信号圧室２３が形成され、下側に配置されるダイヤフラム２２ｂよりも下側の空間には、水素流路２４が形成される。信号圧室２３は空気導入孔２５を備えた密閉空間であり、コンプレッサ３で加圧されたエアが空気信号導入路１５を介して空気導入孔２５から導入される。
【００２２】
また、水素流路２４は、水素タンク９（図１参照）から放出された水素が通過する流路となる。本実施形態にかかるレギュレータ５においては、水素流路２４は側面視で略Ｓ字型であって、垂直部分には、流路を狭めるように周囲が突出したバルブシート部２８が形成されている。そして、バルブシート部２８の中央部分は後記する弁体２７の移動により開口して、水素流路２４より狭い流通孔３３が形成される。
【００２３】
ダイヤフラム２２ａ、２２ｂには、棒状のステム２６がダイヤフラム２２ａ、２２ｂの略中心を貫通するように固定され、ステム２６には弁体２７が固定される。弁体２７は、底部が流通孔３３より大きな径を有する円錐台状の部材であって、ステム２６と一体に水素ガス流路２４の垂直部分のバルブシート部２８より下方側を上下動し、バルブシート部２８に対して下側から着座離反する。そして、弁体２７は、ダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力によって、バルブシート部２８に下方から圧接され先端部が流通孔３３に嵌り込んで流通孔３３を閉鎖し、水素流路２４を遮断する。このように、ステム２６に固定される弁体２７が水素流路２４を遮断することから、ステム２６及び弁体２７が請求項に記載の遮断弁となる。以降、弁体２７が流通孔３３を閉鎖して水素流路２４を遮断する状態を、水素遮断状態と称する。
なお、弁体２７は、薄い円柱状であってもよい。そして、水素遮断状態のときには、バルブシート部２８の下方から圧接して、水素流路２４を遮断する構成であってもよい。
【００２４】
信号圧室２３には、ダイヤフラム２２ａを下方に付勢するバイアス設定用スプリング（弾性体）２９が設けられている。バイアス設定用スプリング２９には、図示しない付勢力調整手段が備わり、ダイヤフラム２２ａに与える付勢力を調整することができる。
【００２５】
バイアス設定用スプリング２９の付勢力調整手段は図示しないが、例えば、ボディ２１に対するバイアス設定用スプリング２９の固定位置が上下に調整できるように、バイアス設定用スプリング２９をボディ２１に固定すればよい。固定位置を下方に調整すると、バイアス設定用スプリング２９の圧縮量が大きくなって、ダイヤフラム２２ａに与える付勢力が大きくなる。一方、固定位置を上方に調整すると、バイアス設定用スプリング２９の圧縮量が小さくなって、ダイヤフラム２２ａに与える付勢力が小さくなる。
【００２６】
また、ボディ２１には、弁体２７が配置されている側の水素流路２４ａに連通する水素ガス入口３１と、弁体２７が配置されていない側の水素流路２４ｂに連通する水素ガス出口３２が設けられていて、水素ガス入口３１、水素ガス出口３２は水素供給管１３に接続されている。
【００２７】
そして、ダイヤフラム２２ａとダイヤフラム２２ｂの間に形成される領域には、大気に開放されたエア流路２３ａが開口し、このエア流路２３ａによって、ダイヤフラム２２ａとダイヤフラム２２ｂの間に形成される領域は常に大気圧に保持される。すなわち、ダイヤフラム２２ａの下方とダイヤフラム２２ｂの上方には大気圧が作用する。したがって、大気圧を基準としてダイヤフラム２２ａ及びダイヤフラム２２ｂを動作することができる。このことは、大気圧をレギュレータ５に印加されるエア圧力の基準圧として調整できることになり、レギュレータ５は請求項に記載の圧力調整器を備えることになる。
【００２８】
このように構成されるレギュレータ５では、信号圧室２３内にエアが導入されて、信号圧室２３内のエア圧力が大気圧より高くなり、さらに信号圧室２３内のエア圧力がダイヤフラム２２ａを下動させる力がダイヤフラム２２ａの弾性復元力を上回ると、ダイヤフラム２２ａは下動する。そして、信号圧室２３内のエア圧力がダイヤフラム２２ａを下動させる力が、ダイヤフラム２２ａの弾性復元力とダイヤフラム２２ｂの弾性復元力の合力よりも大きい場合は、ステム２６を下動する。弁体２７はステム２６と一体に下動するので、バルブシート部２８から離反して、流通孔３３が開放されて水素が通流する。以降、流通孔３３が開放されて水素が通流する状態を水素通流状態と称する。
【００２９】
一方、信号圧室２３内のエア圧力が低くなって、信号圧室２３内のエア圧力がダイヤフラム２２ａを下動させる力が、ダイヤフラム２２ａの弾性復元力を下回ると、ダイヤフラム２２ａの補強ボス２２１ａは、ダイヤフラム２２ａの弾性復元力によって上動する。ステム２６は、補強ボス２２１ａの上動とダイヤフラム２２ｂの弾性復元力によって上動し、水素遮断状態となる。
【００３０】
なお、水素通流状態においては、弁体２７とバルブシート部２８との距離が小さいほど、すなわち通流孔３３の開度が小さいほど、流通孔３３での圧力損失が大きく、水素ガス出口３２における水素の圧力が小さくなる。一方、通流孔３３の開度が充分に大きいときは、流通孔３３での圧力損失が小さく、水素ガス入口３１における水素の圧力と略同等の圧力の水素が、水素ガス出口３２から出力される。このことから、弁体２７とバルブシート部２８との距離、すなわち通流孔３３の開度によって、水素ガス出口３２に出力される水素の圧力を調整することができる。
【００３１】
このように、ステム２６を上下動して水素ガス出口３２に出力される水素の圧力を調整することから、水素ガス出口３２に出力される水素の圧力を精度よく調整するためには、ステム２６を精度よく上下動する必要がある。そして、ステム２６はダイヤフラム２２ａの上下動とダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力によって上下動することから、それによって、ステム２６は感度よく下動する必要がある。
【００３２】
しかしながら、ステム２６が固定されるダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力を大きくした場合、もしくはシール性を高めるために図示しないスプリング等によって付加力を付与した場合、その弾性復元力もしくはスプリング等の付加力に抗してステム２６を下動するためには、信号圧室２３に導入するエアのエア圧力も高くする必要があり、微小な圧力差ではステム２６が下動しない。すなわち、信号圧室２３におけるエア圧力の微小な圧力差ではステム２６が下動しないことになる。換言すると、信号圧室２３におけるエア圧力の微小な圧力差に感度よく反応しない。したがって、信号圧室２３に導入されるエアのエア圧力の変動に対する、レギュレータ５の精度の高い調圧性を求めると、ダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力もしくはスプリング等の付加力は、あまり大きくすることができない。
【００３３】
例えば、燃料電池の反応ガス供給装置１（図１参照）を停止するときなどは、燃料電池２（図１参照）に水素が供給されないように、長期的に水素の流路を遮断することが必要である。図２に示すレギュレータ５に備わる弁体２７でも、ダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力によって、流通孔３３を閉鎖できることから、水素流路２４を遮断することができる。水素流路２４が遮断されると、反応ガス供給装置１における水素の流路は遮断されることになる。しかしながら前記の理由によって、ダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力、もしくはスプリング等の付加力は、レギュレータ５として精度の高い調圧性を求めると、あまり大きくできない。したがって、流通孔３３を閉鎖する力もあまり強くなく、経年変化等によって長期的に水素の流路を遮断することが困難となることが考えられる。
【００３４】
このため、長期的に水素の流路を遮断するように、図１に示す燃料電池の反応ガス供給装置１において、例えばレギュレータ５の上流側に、水素の流路を遮断する遮断弁を備えることが考えられる。しかしながら、遮断弁を備えると燃料電池の反応ガス供給装置１が、複雑化、かつ、大型化してしまう。さらに、遮断弁を備えることで生産コストも上昇してしまうことになる。
そこで、本実施形態においては、レギュレータ５（図２参照）に例えばソレノイドを利用した水素遮断手段を備えることで、長期的に水素流路２４（図２参照）を遮断できる構成とした。
【００３５】
図２に示すように、ボディ２１には、バルブシート部２８の鉛直下方に貫通孔２１ａが開口していて、ステム２６が貫通孔２１を貫通するように、ガイド部材２６ａを介して上下動自在に保持される。
さらに、貫通孔２１ａの下方には、上方が開口したカップ状のシャフトケース５６が固定される。このとき、シャフトケース５６の開口部が貫通孔２１ａと連通するように、シャフトケース５６は固定される。
【００３６】
シャフトケース５６の開口部内には、鉄などの磁性体で形成されるシャフト（可動鉄心）５１が上下動可能に収納されている。シャフト５１は、例えばシャフトケース５６の開口部の内径よりわずかに外径の小さな略円柱状の部材で、シャフトケース５６の開口部内を緩く上下動するように備わる。さらに、シャフトケース５６の底部には、鉄などの磁性体からなる固定鉄心５４が固定される。そして、シャフト５１と固定鉄心５４の間には、例えばコイルばねからなる燃料遮断ばね（付勢手段）５２が圧縮状態で備わり、シャフト５１を上向きに付勢している。
【００３７】
シャフト５１の上端部は、ステム２６の下端部に当接するように配置される。すなわち、燃料遮断ばね５２によって上向きに付勢されるシャフト５１が、ステム２６を上向きに付勢する構造である。このような構造によって、ステム２６に固定される弁体２７が上向きに付勢され、バルブシート部２８に圧接される。すなわち、燃料遮断ばね５２とステム２６の間にシャフト５１が介在し、燃料遮断ばね５２の付勢力をステム２６に伝達している。
【００３８】
シャフトケース５６の周囲には、絶縁材料で形成されたボビン５５に巻かれたコイル５３が備わる。そして、コイル５３には、反応ガス供給装置１（図１参照）に備わるＥＣＵ１０から電流が供給される構成とする。すなわち、固定鉄心５４、可動鉄心であるシャフト５１、コイル５３、及びＥＣＵ１０とで、図２に破線で囲んで示されるソレノイド５０を形成する。そして、ソレノイド５０が請求項に記載の付勢力遮断手段となる。
【００３９】
図３は、ソレノイドの拡大図であって、（ａ）は、シャフトが下動したことを示す図、（ｂ）は、シャフトが上動したことを示す図である。
ＥＣＵ１０からコイル５３に電流が供給されると、シャフト５１の周囲に磁場が発生する。そして、磁性体であるシャフト５１は磁場によって磁化され、固定鉄心５４に吸引されて、図３の（ａ）に示すように下動する。
ステム２６は、ダイヤフラム２２ａ、２２ｂ（図２参照）の弾性復元力によって上動していることから、シャフト５１が下動すると、ステム２６からシャフト５１が離反し、ステム２６の下端部とシャフト５１の上端部との間にクリアランスが形成される。したがって、燃料遮断ばね５２がステム２６に与える付勢力の伝達が遮断され、ステム２６はダイヤフラム２２ａ、２２ｂの上下動に伴って上下動できるようになる。
【００４０】
なお、磁化したシャフト５１が燃料遮断ばね５２に抗して、固定鉄心５４に吸引されるためには、シャフト５１に発生する磁力が固定鉄心５４を吸引する力が、燃料遮断ばね５２の付勢力より大きい必要がある。
シャフト５１に発生する磁力は、シャフト５１の周囲に発生する磁場の大きさに対応し、磁場の大きさはコイル５３の直径および巻き数に対応する。したがって、コイル５３の直径および巻き数は、燃料遮断ばね５２の付勢力を考慮して設定すればよいことになる。
【００４１】
一方、反応ガス供給装置１（図１参照）が停止してＥＣＵ１０からコイル５３への電流供給が停止されると、シャフト５１は消磁し、図３の（ｂ）に示すように、燃料遮断ばね５２の付勢力によって上動する。そして、シャフト５１の上端部がステム２６の下端部に当接し、ステム２６を上向きに付勢する。
【００４２】
なお、燃料遮断ばね５２の付勢力は、反応ガス供給装置１（図１参照）が停止したときに、信号圧室２３に残留するエアのエア圧力がダイヤフラム２２ａを下方に押し下げる力より大きなことが好ましい。このことによって、信号圧室２３（図２参照）にエアが残留する場合であっても、シャフト５１を介して弁体２７（図２参照）をバルブシート部２８（図２参照）に確実に圧接することができ、水素流路２４（図２参照）を確実に遮断することができる。すなわち、信号圧室２３にエアが残留する場合であっても水素流路２４を完全に遮断するのに必要な圧接力が得られるように、燃料遮断ばね５２の強さ（ばね定数と圧縮量）を決定することで、水素流路２４を長期的に遮断することができる。
また、ステム２６は、磁化したシャフト５１に吸引されないように、例えばアルミニウムや銅など非磁性体の素材で形成されることが好ましい。
【００４３】
以上、図１〜図３を参照して、反応ガス供給装置１の動作について説明したが、ソレノイド５０の形態は、図２に示す形態に限定されるものではなく、例えば図４に示すような形態であってもよい。図４はソレノイドの別の形態を示す図である。
なお、図４においては、図２に示すソレノイドと同じ部材には同じ符号を付し、説明は適宜省略する。
【００４４】
シャフトケース５６の開口部内に、上下動可能に収納されるシャフト５１は、鉄などの磁性体からなる部材であって、図４に示すように下端側が細くなった円錐状に形成される。そしてその上方には、外側に広がったフランジ部５１ａが形成される。
なお、フランジ部５１ａの外径は、シャフトケース５６の開口部の内径よりわずかに小さいことが好ましい。このことによって、シャフト５１はシャフトケース５６の開口部内を緩やかに上下動することができる。
【００４５】
シャフトケース５６の底部には、鉄などの磁性体からなる固定鉄心５４が固定される。固定鉄心５４の中央部には、円錐形の吸引孔５４ａが形成され、シャフト５１の先端部が吸引孔５４ａに嵌りこむように、シャフト５１は下動する。
【００４６】
固定鉄心５４の上側には、例えばコイルばねを用いた燃料遮断ばね５２が上下方向に圧縮するように備わり、シャフト５１は燃料遮断ばね５２の中心を貫通するように備わる。そして、燃料遮断ばね５２は、シャフト５１のフランジ部５１ａと固定鉄心５４の間で圧縮状態に保持され、シャフト５１を上向きに付勢している。
【００４７】
このように形成されるソレノイド５０においては、ＥＣＵ１０からコイル５３に電流が供給され、シャフト５１が磁化されると、先端の円錐形状の傾斜部分において吸引力が発生して固定鉄心５４に吸引される。このことは、吸引力が発生する面積が大きいことを示し、ＥＣＵ１０からコイル５３に供給する電流が少なくてもシャフト５１を吸引できるという優れた効果を奏する。
【００４８】
図２に示すように構成されるレギュレータ５においては、燃料電池の反応ガス供給装置１（図１参照）を動作する間は、ＥＣＵ１０からコイル５３に電流を供給し続けて、シャフト５１を下動させておく。シャフト５１が下動すると、ステム２６は上下動の拘束が解除され、ステム２６は信号圧室２３に導入されるエアのエア圧力に対応して上下動し、流通孔３３の開度を調整できる。したがって、信号圧室２３に導入されるエアのエア圧力に対応して水素ガス出口３２から出力される水素の圧力を精度よく調整できる。
【００４９】
そして、燃料電池の反応ガス供給装置１（図１参照）が停止すると、ＥＣＵ１０からコイル５３に供給される電流が停止されてシャフト５１は消磁し、燃料遮断ばね５２の付勢力で上動して、ステム２６を上方向に付勢する。したがって、ステム２６に固定される弁体２７も上向きに付勢され、燃料遮断ばね５２の付勢力でバルブシート部２８に圧接される。弁体２７がバルブシート部２８に圧接されると、弁体２７は流通孔３３を閉鎖することから、水素流路２４が遮断される。
【００５０】
このように、弁体２７は、燃料遮断ばね５２の付勢力で流通孔３３を閉鎖することになり、長期的に水素流路２４を遮断できる。したがって、水素の流路を遮断する遮断弁を備えることなく、長期的に水素の流路を遮断できるという優れた効果を奏する。
【００５１】
さらに、図２に示すように、本実施形態にかかるレギュレータ５は、従来使用されるダイヤフラム式のレギュレータ５をベースに構成することができ、大幅な変更が必要なく構成できるという優れた効果を奏する。
【００５２】
なお、本実施形態においては図２に示すように、シャフト５１をソレノイド５０と燃料遮断ばね５２で上下動する構成としたが、この構成に限定されるものではない。例えばシャフトケース５６の内側とシャフト５１の外側にねじを切って螺合し、シャフト５１を図示しないモータなどで回転してシャフト５１を上下動するような構成など、他の構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施形態にかかる燃料電池の反応ガス供給装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本実施形態にかかるレギュレータの断面図である。
【図３】ソレノイドの拡大図であって、（ａ）は、シャフトが下動したことを示す図、（ｂ）は、シャフトが上動したことを示す図である。
【図４】ソレノイドの別の形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 反応ガス供給装置
２ 燃料電池
３ コンプレッサ
５ レギュレータ
９ 水素タンク（水素供給手段）
１０ ＥＣＵ（カソード圧力制御装置、電流供給手段）
２２（２２ａ、２２ｂ） ダイヤフラム
２３ 信号圧室
２３ａ エア流路
２４ 水素流路
２６ ステム（遮断弁）
２７ 弁体（遮断弁）
５０ ソレノイド（付勢力遮断手段）
５１ シャフト（可動鉄心）
５２ 燃料遮断ばね（付勢手段）
５３ コイル
５４ 固定鉄心
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の燃料電池に備わる、燃料電池の反応ガス供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の燃料電池システムにおいては、酸化ガス（エア）が供給されるアノード極と燃料ガス（水素）が供給されるカソード極との圧力差（極間差圧）を一定以内の範囲に保持する必要がある。そこで、カソード極の入り口圧力を基準圧として、燃料電池のアノード供給圧力を調整するレギュレータを有するシステムがある。
【０００３】
そして、例えば特許文献１には、車両の運転状態に応じて、アノード供給圧力をカソード極の入り口圧力に対する最適な値に、感度よく制御するレギュレータの技術が開示されている。
【０００４】
しかしながら、例えばイグニッションスイッチをＯＦＦしたときなど、燃料電池への燃料ガスの流路を長期的に遮断する必要がある。レギュレータに備わるバルブを閉じることでも燃料ガスの流路を遮断できるが、例えば特許文献１に開示されたごとく、レギュレータには高い調圧精度が要求されることから、レギュレータに備わるバルブのシート力を高めることができず、燃料ガスの流路を長期的に遮断することはできない。
そのため、例えば燃料ガスの供給源（燃料タンク等）とレギュレータとの間に、燃料ガスの流路を長期的に遮断するための遮断弁を備え、この遮断弁を閉じることで燃料ガスの流路を長期的に遮断する。
【特許文献１】特開２００５−１８３３５７号公報（段落００１８〜００２４、図２参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、レギュレータのほかに遮断弁を備えることで、燃料電池システムが複雑化、かつ、大型化するという問題があり、改善の余地がある。
そこで、本発明は、応答性に優れ、遮断弁を備えることなく燃料ガスの流路を長期的に遮断できるレギュレータを備えた燃料電池の反応ガス供給装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池のカソード極に加圧されたエアを供給するコンプレッサと、前記燃料電池のアノード極に水素を供給する水素供給手段と、前記燃料電池の運転状態に応じて前記コンプレッサ及び／又はカソード極の背圧弁を制御して前記カソード極のエア圧力を調整するカソード圧力制御装置と、前記カソード極のエア圧力を基準圧として印加し、このエア圧力に基づいて前記アノード極への供給圧力を調整するレギュレータと、前記レギュレータに印加するエア圧力をエア流路から排出することにより、前記レギュレータに印加される基準圧を調整可能な圧力調整器と、を備えた燃料電池の反応ガス供給装置とした。そして、前記レギュレータに印加されるエア圧力に抗して、前記レギュレータに形成される水素流路を遮断可能とする水素遮断手段を備えたことを特徴とした。
【０００７】
請求項１に係る発明によると、レギュレータに印加されるエア圧力に抗して、水素流路を遮断することができる。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、前記レギュレータの内部空間は、ダイヤフラムによって、前記水素流路が形成される領域と、前記エア圧力が印加される信号圧室が形成される領域とに仕切られ、前記水素流路には、この水素流路を遮断するように前記ダイヤフラムに付勢されるとともに、前記信号圧室に印加されるエア圧力の上昇に伴って前記水素流路を開放するように動作する遮断弁が備わる構成とした。そして、前記水素遮断手段は、前記信号圧室に印加されるエア圧力に抗して前記水素流路を遮断するように、前記遮断弁に付勢力を与える付勢手段と、前記付勢手段が前記遮断弁に与える付勢力の伝達を遮断する付勢力遮断手段と、を備えることを特徴とした。
【０００９】
請求項２に係る発明によると、水素流路を遮断する遮断弁に、付勢手段から付勢力を与え、この付勢力でレギュレータに印加されるエア圧力に抗して、水素流路を遮断するとともに、遮断弁への付勢力の伝達を遮断することができる。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、前記付勢力遮断手段は、前記付勢手段と前記遮断弁との間に介在して、前記付勢手段の付勢力を前記遮断弁に伝達する可動鉄心と、前記可動鉄心を磁化させる磁場を発生するコイルと、前記コイルに電流を供給する電流供給手段と、前記可動鉄心が磁化したときに、前記可動鉄心を吸引する固定鉄心と、を含んだ構成とした。そして、前記電流供給手段が前記コイルに電流を供給することで、前記可動鉄心を磁化し、前記固定鉄心が、前記付勢手段の付勢力に抗して、磁化した前記可動鉄心を吸引し、前記可動鉄心が前記遮断弁から離反することで、前記付勢手段が前記遮断弁に与える付勢力の伝達を遮断することを特徴とした。
【００１１】
請求項３に係る発明によると、コイルに電流を供給することで可動鉄心を磁化し、その磁力によって、付勢手段から遮断弁に与えられる付勢力の伝達を遮断することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、応答性に優れ、遮断弁を備えることなく燃料ガスの流路を長期的に遮断できるレギュレータを備えた燃料電池の反応ガス供給装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態にかかる燃料電池の反応ガス供給装置の構成の一例を示すブロック図、図２は、本実施形態にかかるレギュレータの断面図である。
図１に示すように、燃料電池の反応ガス供給装置１は、燃料電池２、燃料電池２にエアを供給するコンプレッサ３、及び燃料電池２から排出される空気オフガスを外部に排出する背圧制御弁４を含んで構成される。
さらに、燃料電池の反応ガス供給装置１は、燃料電池２に供給される水素が加圧状態で充填される水素タンク９、水素タンク９から放出される水素を再循環するエゼクタ６、及び燃料電池２に供給する水素の圧力を調整するレギュレータ５が備わる。
そして、燃料電池２に要求されている出力（以下、要求出力）に応じて、コンプレッサ３を駆動して所定量のエアを燃料電池２に供給するとともに、背圧制御弁４を制御してカソード極でのエアの供給圧を燃料電池２の要求出力に応じた圧力に調整するＥＣＵ（Electric Control Unit）１０が備わる。なお、カソード極のエアの供給圧力の調整は、コンプレッサの出力の制御及び／又は、背圧制御弁４の制御により可能である。
【００１４】
燃料電池２は、固体高分子電解質膜の両側にアノード極とカソード極が設けられ、各電極の外側に反応ガス（水素及びエア）を供給するためのガス通路が設けられてなるセルを多数積層して構成されるスタックからなる。
燃料電池２には、アノード極に燃料ガスとしての水素が供給され、カソード極に酸化剤ガスとしてのエアが供給され、アノード極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動して、カソード極でエアに含まれる酸素と電気化学反応を起こして発電する。
【００１５】
コンプレッサ３は大気中の空気（エア）を加圧する機能を有し、加圧されたエアは燃料電池２のカソード極に供給される。そして、エアに含まれる酸素が酸化剤として作用した後、燃料電池２から空気オフガスとして排出され、背圧制御弁４を介して大気に放出される。
【００１６】
一方、水素タンク９には、燃料ガスである水素が加圧状態で充填されている。水素タンク９から放出された加圧状態の水素は、レギュレータ５によって減圧されて、エゼクタ６で流量が調整された後、燃料電池２のアノード極に供給される。
水素は、発電に供された後、燃料電池２から水素オフガスとして排出され、水素オフガス回収路１１を通ってエゼクタ６に吸引され、水素タンク９から供給される水素と合流して再び燃料電池２に供給される。
【００１７】
ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えるマイクロコンピュータ及び周辺回路などから構成され、例えばＲＯＭに格納されるプログラムによって駆動する。ＥＣＵ１０は、燃料電池２に要求されている出力に応じて、コンプレッサ３を駆動して所定量のエアを燃料電池２に供給するとともに、背圧制御弁４を制御してカソード極におけるエアの供給圧を燃料電池２の要求出力に応じた圧力に調整する機能を有する。前記したように、カソード極におけるエア供給圧力の調整は、コンプレッサの制御及び／又は、背圧制御弁４の制御により可能である。このことから、ＥＣＵ１０は、請求項に記載のカソード圧力制御装置に相当する。さらに、後記するレギュレータ５のコイル５３（図２参照）に電流を供給する機能を有する。このことから、ＥＣＵ１０は、請求項に記載の電流供給手段となる。
【００１８】
エゼクタ６は、水素を再循環させる機能を有する部材である。本実施形態においては、水素の流量を調整する機能も有し、例えば水素供給流路の径が多段に切り換わるものが考えられる。具体的には、径の異なる複数のノズルを備えたスライド部材がスライドすることにより、ノズルのいずれかが水素ガス供給流路に接続される。これにより、エゼクタ６に供給されるガス（この場合は水素）の流量が制御される。そして、水素タンク９から放出され、燃料電池２に供給する水素の流量を調整することができる。
【００１９】
レギュレータ５は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、一例として図２に示す構成を有する。
図２に示すように、レギュレータ５の外形を形成するボディ２１の内部空間は、上下に配置される２つのダイヤフラム２２ａ、２２ｂ（２２）によって上下に仕切られている。
【００２０】
ダイヤフラム２２は、ボディ２１の内部空間を上下に仕切るように備わる膜状の部材であって、ゴムなど弾性部材や金属板などで形成される。ダイヤフラム２２の外周端近傍には、ダイヤフラム２２の外周に沿った凹部からなる折り返し２２０が形成され、ダイヤフラム２２のばね効果を高めている。そして、折り返し２２０の内側には、ダイヤフラム２２を上下に挟むように補強ボス２２１が固定される。
【００２１】
ボディ２１には２つのダイヤフラム２２ａ、２２ｂが上下に、かつ、略平行に備わり、図２に示すようにボディ２１の内部空間を上下に仕切っている。そして、上側に配置されるダイヤフラム２２ａの上側の空間には、信号圧室２３が形成され、下側に配置されるダイヤフラム２２ｂよりも下側の空間には、水素流路２４が形成される。信号圧室２３は空気導入孔２５を備えた密閉空間であり、コンプレッサ３で加圧されたエアが空気信号導入路１５を介して空気導入孔２５から導入される。
【００２２】
また、水素流路２４は、水素タンク９（図１参照）から放出された水素が通過する流路となる。本実施形態にかかるレギュレータ５においては、水素流路２４は側面視で略Ｓ字型であって、垂直部分には、流路を狭めるように周囲が突出したバルブシート部２８が形成されている。そして、バルブシート部２８の中央部分は後記する弁体２７の移動により開口して、水素流路２４より狭い流通孔３３が形成される。
【００２３】
ダイヤフラム２２ａ、２２ｂには、棒状のステム２６がダイヤフラム２２ａ、２２ｂの略中心を貫通するように固定され、ステム２６には弁体２７が固定される。弁体２７は、底部が流通孔３３より大きな径を有する円錐台状の部材であって、ステム２６と一体に水素ガス流路２４の垂直部分のバルブシート部２８より下方側を上下動し、バルブシート部２８に対して下側から着座離反する。そして、弁体２７は、ダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力によって、バルブシート部２８に下方から圧接され先端部が流通孔３３に嵌り込んで流通孔３３を閉鎖し、水素流路２４を遮断する。このように、ステム２６に固定される弁体２７が水素流路２４を遮断することから、ステム２６及び弁体２７が請求項に記載の遮断弁となる。以降、弁体２７が流通孔３３を閉鎖して水素流路２４を遮断する状態を、水素遮断状態と称する。
なお、弁体２７は、薄い円柱状であってもよい。そして、水素遮断状態のときには、バルブシート部２８の下方から圧接して、水素流路２４を遮断する構成であってもよい。
【００２４】
信号圧室２３には、ダイヤフラム２２ａを下方に付勢するバイアス設定用スプリング（弾性体）２９が設けられている。バイアス設定用スプリング２９には、図示しない付勢力調整手段が備わり、ダイヤフラム２２ａに与える付勢力を調整することができる。
【００２５】
バイアス設定用スプリング２９の付勢力調整手段は図示しないが、例えば、ボディ２１に対するバイアス設定用スプリング２９の固定位置が上下に調整できるように、バイアス設定用スプリング２９をボディ２１に固定すればよい。固定位置を下方に調整すると、バイアス設定用スプリング２９の圧縮量が大きくなって、ダイヤフラム２２ａに与える付勢力が大きくなる。一方、固定位置を上方に調整すると、バイアス設定用スプリング２９の圧縮量が小さくなって、ダイヤフラム２２ａに与える付勢力が小さくなる。
【００２６】
また、ボディ２１には、弁体２７が配置されている側の水素流路２４ａに連通する水素ガス入口３１と、弁体２７が配置されていない側の水素流路２４ｂに連通する水素ガス出口３２が設けられていて、水素ガス入口３１、水素ガス出口３２は水素供給管１３に接続されている。
【００２７】
そして、ダイヤフラム２２ａとダイヤフラム２２ｂの間に形成される領域には、大気に開放されたエア流路２３ａが開口し、このエア流路２３ａによって、ダイヤフラム２２ａとダイヤフラム２２ｂの間に形成される領域は常に大気圧に保持される。すなわち、ダイヤフラム２２ａの下方とダイヤフラム２２ｂの上方には大気圧が作用する。したがって、大気圧を基準としてダイヤフラム２２ａ及びダイヤフラム２２ｂを動作することができる。このことは、大気圧をレギュレータ５に印加されるエア圧力の基準圧として調整できることになり、レギュレータ５は請求項に記載の圧力調整器を備えることになる。
【００２８】
このように構成されるレギュレータ５では、信号圧室２３内にエアが導入されて、信号圧室２３内のエア圧力が大気圧より高くなり、さらに信号圧室２３内のエア圧力がダイヤフラム２２ａを下動させる力がダイヤフラム２２ａの弾性復元力を上回ると、ダイヤフラム２２ａは下動する。そして、信号圧室２３内のエア圧力がダイヤフラム２２ａを下動させる力が、ダイヤフラム２２ａの弾性復元力とダイヤフラム２２ｂの弾性復元力の合力よりも大きい場合は、ステム２６を下動する。弁体２７はステム２６と一体に下動するので、バルブシート部２８から離反して、流通孔３３が開放されて水素が通流する。以降、流通孔３３が開放されて水素が通流する状態を水素通流状態と称する。
【００２９】
一方、信号圧室２３内のエア圧力が低くなって、信号圧室２３内のエア圧力がダイヤフラム２２ａを下動させる力が、ダイヤフラム２２ａの弾性復元力を下回ると、ダイヤフラム２２ａの補強ボス２２１ａは、ダイヤフラム２２ａの弾性復元力によって上動する。ステム２６は、補強ボス２２１ａの上動とダイヤフラム２２ｂの弾性復元力によって上動し、水素遮断状態となる。
【００３０】
なお、水素通流状態においては、弁体２７とバルブシート部２８との距離が小さいほど、すなわち通流孔３３の開度が小さいほど、流通孔３３での圧力損失が大きく、水素ガス出口３２における水素の圧力が小さくなる。一方、通流孔３３の開度が充分に大きいときは、流通孔３３での圧力損失が小さく、水素ガス入口３１における水素の圧力と略同等の圧力の水素が、水素ガス出口３２から出力される。このことから、弁体２７とバルブシート部２８との距離、すなわち通流孔３３の開度によって、水素ガス出口３２に出力される水素の圧力を調整することができる。
【００３１】
このように、ステム２６を上下動して水素ガス出口３２に出力される水素の圧力を調整することから、水素ガス出口３２に出力される水素の圧力を精度よく調整するためには、ステム２６を精度よく上下動する必要がある。そして、ステム２６はダイヤフラム２２ａの上下動とダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力によって上下動することから、それによって、ステム２６は感度よく下動する必要がある。
【００３２】
しかしながら、ステム２６が固定されるダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力を大きくした場合、もしくはシール性を高めるために図示しないスプリング等によって付加力を付与した場合、その弾性復元力もしくはスプリング等の付加力に抗してステム２６を下動するためには、信号圧室２３に導入するエアのエア圧力も高くする必要があり、微小な圧力差ではステム２６が下動しない。すなわち、信号圧室２３におけるエア圧力の微小な圧力差ではステム２６が下動しないことになる。換言すると、信号圧室２３におけるエア圧力の微小な圧力差に感度よく反応しない。したがって、信号圧室２３に導入されるエアのエア圧力の変動に対する、レギュレータ５の精度の高い調圧性を求めると、ダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力もしくはスプリング等の付加力は、あまり大きくすることができない。
【００３３】
例えば、燃料電池の反応ガス供給装置１（図１参照）を停止するときなどは、燃料電池２（図１参照）に水素が供給されないように、長期的に水素の流路を遮断することが必要である。図２に示すレギュレータ５に備わる弁体２７でも、ダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力によって、流通孔３３を閉鎖できることから、水素流路２４を遮断することができる。水素流路２４が遮断されると、反応ガス供給装置１における水素の流路は遮断されることになる。しかしながら前記の理由によって、ダイヤフラム２２ａ、２２ｂの弾性復元力、もしくはスプリング等の付加力は、レギュレータ５として精度の高い調圧性を求めると、あまり大きくできない。したがって、流通孔３３を閉鎖する力もあまり強くなく、経年変化等によって長期的に水素の流路を遮断することが困難となることが考えられる。
【００３４】
このため、長期的に水素の流路を遮断するように、図１に示す燃料電池の反応ガス供給装置１において、例えばレギュレータ５の上流側に、水素の流路を遮断する遮断弁を備えることが考えられる。しかしながら、遮断弁を備えると燃料電池の反応ガス供給装置１が、複雑化、かつ、大型化してしまう。さらに、遮断弁を備えることで生産コストも上昇してしまうことになる。
そこで、本実施形態においては、レギュレータ５（図２参照）に例えばソレノイドを利用した水素遮断手段を備えることで、長期的に水素流路２４（図２参照）を遮断できる構成とした。
【００３５】
図２に示すように、ボディ２１には、バルブシート部２８の鉛直下方に貫通孔２１ａが開口していて、ステム２６が貫通孔２１を貫通するように、ガイド部材２６ａを介して上下動自在に保持される。
さらに、貫通孔２１ａの下方には、上方が開口したカップ状のシャフトケース５６が固定される。このとき、シャフトケース５６の開口部が貫通孔２１ａと連通するように、シャフトケース５６は固定される。
【００３６】
シャフトケース５６の開口部内には、鉄などの磁性体で形成されるシャフト（可動鉄心）５１が上下動可能に収納されている。シャフト５１は、例えばシャフトケース５６の開口部の内径よりわずかに外径の小さな略円柱状の部材で、シャフトケース５６の開口部内を緩く上下動するように備わる。さらに、シャフトケース５６の底部には、鉄などの磁性体からなる固定鉄心５４が固定される。そして、シャフト５１と固定鉄心５４の間には、例えばコイルばねからなる燃料遮断ばね（付勢手段）５２が圧縮状態で備わり、シャフト５１を上向きに付勢している。
【００３７】
シャフト５１の上端部は、ステム２６の下端部に当接するように配置される。すなわち、燃料遮断ばね５２によって上向きに付勢されるシャフト５１が、ステム２６を上向きに付勢する構造である。このような構造によって、ステム２６に固定される弁体２７が上向きに付勢され、バルブシート部２８に圧接される。すなわち、燃料遮断ばね５２とステム２６の間にシャフト５１が介在し、燃料遮断ばね５２の付勢力をステム２６に伝達している。
【００３８】
シャフトケース５６の周囲には、絶縁材料で形成されたボビン５５に巻かれたコイル５３が備わる。そして、コイル５３には、反応ガス供給装置１（図１参照）に備わるＥＣＵ１０から電流が供給される構成とする。すなわち、固定鉄心５４、可動鉄心であるシャフト５１、コイル５３、及びＥＣＵ１０とで、図２に破線で囲んで示されるソレノイド５０を形成する。そして、ソレノイド５０が請求項に記載の付勢力遮断手段となる。
【００３９】
図３は、ソレノイドの拡大図であって、（ａ）は、シャフトが下動したことを示す図、（ｂ）は、シャフトが上動したことを示す図である。
ＥＣＵ１０からコイル５３に電流が供給されると、シャフト５１の周囲に磁場が発生する。そして、磁性体であるシャフト５１は磁場によって磁化され、固定鉄心５４に吸引されて、図３の（ａ）に示すように下動する。
ステム２６は、ダイヤフラム２２ａ、２２ｂ（図２参照）の弾性復元力によって上動していることから、シャフト５１が下動すると、ステム２６からシャフト５１が離反し、ステム２６の下端部とシャフト５１の上端部との間にクリアランスが形成される。したがって、燃料遮断ばね５２がステム２６に与える付勢力の伝達が遮断され、ステム２６はダイヤフラム２２ａ、２２ｂの上下動に伴って上下動できるようになる。
【００４０】
なお、磁化したシャフト５１が燃料遮断ばね５２に抗して、固定鉄心５４に吸引されるためには、シャフト５１に発生する磁力が固定鉄心５４を吸引する力が、燃料遮断ばね５２の付勢力より大きい必要がある。
シャフト５１に発生する磁力は、シャフト５１の周囲に発生する磁場の大きさに対応し、磁場の大きさはコイル５３の直径および巻き数に対応する。したがって、コイル５３の直径および巻き数は、燃料遮断ばね５２の付勢力を考慮して設定すればよいことになる。
【００４１】
一方、反応ガス供給装置１（図１参照）が停止してＥＣＵ１０からコイル５３への電流供給が停止されると、シャフト５１は消磁し、図３の（ｂ）に示すように、燃料遮断ばね５２の付勢力によって上動する。そして、シャフト５１の上端部がステム２６の下端部に当接し、ステム２６を上向きに付勢する。
【００４２】
なお、燃料遮断ばね５２の付勢力は、反応ガス供給装置１（図１参照）が停止したときに、信号圧室２３に残留するエアのエア圧力がダイヤフラム２２ａを下方に押し下げる力より大きなことが好ましい。このことによって、信号圧室２３（図２参照）にエアが残留する場合であっても、シャフト５１を介して弁体２７（図２参照）をバルブシート部２８（図２参照）に確実に圧接することができ、水素流路２４（図２参照）を確実に遮断することができる。すなわち、信号圧室２３にエアが残留する場合であっても水素流路２４を完全に遮断するのに必要な圧接力が得られるように、燃料遮断ばね５２の強さ（ばね定数と圧縮量）を決定することで、水素流路２４を長期的に遮断することができる。
また、ステム２６は、磁化したシャフト５１に吸引されないように、例えばアルミニウムや銅など非磁性体の素材で形成されることが好ましい。
【００４３】
以上、図１〜図３を参照して、反応ガス供給装置１の動作について説明したが、ソレノイド５０の形態は、図２に示す形態に限定されるものではなく、例えば図４に示すような形態であってもよい。図４はソレノイドの別の形態を示す図である。
なお、図４においては、図２に示すソレノイドと同じ部材には同じ符号を付し、説明は適宜省略する。
【００４４】
シャフトケース５６の開口部内に、上下動可能に収納されるシャフト５１は、鉄などの磁性体からなる部材であって、図４に示すように下端側が細くなった円錐状に形成される。そしてその上方には、外側に広がったフランジ部５１ａが形成される。
なお、フランジ部５１ａの外径は、シャフトケース５６の開口部の内径よりわずかに小さいことが好ましい。このことによって、シャフト５１はシャフトケース５６の開口部内を緩やかに上下動することができる。
【００４５】
シャフトケース５６の底部には、鉄などの磁性体からなる固定鉄心５４が固定される。固定鉄心５４の中央部には、円錐形の吸引孔５４ａが形成され、シャフト５１の先端部が吸引孔５４ａに嵌りこむように、シャフト５１は下動する。
【００４６】
固定鉄心５４の上側には、例えばコイルばねを用いた燃料遮断ばね５２が上下方向に圧縮するように備わり、シャフト５１は燃料遮断ばね５２の中心を貫通するように備わる。そして、燃料遮断ばね５２は、シャフト５１のフランジ部５１ａと固定鉄心５４の間で圧縮状態に保持され、シャフト５１を上向きに付勢している。
【００４７】
このように形成されるソレノイド５０においては、ＥＣＵ１０からコイル５３に電流が供給され、シャフト５１が磁化されると、先端の円錐形状の傾斜部分において吸引力が発生して固定鉄心５４に吸引される。このことは、吸引力が発生する面積が大きいことを示し、ＥＣＵ１０からコイル５３に供給する電流が少なくてもシャフト５１を吸引できるという優れた効果を奏する。
【００４８】
図２に示すように構成されるレギュレータ５においては、燃料電池の反応ガス供給装置１（図１参照）を動作する間は、ＥＣＵ１０からコイル５３に電流を供給し続けて、シャフト５１を下動させておく。シャフト５１が下動すると、ステム２６は上下動の拘束が解除され、ステム２６は信号圧室２３に導入されるエアのエア圧力に対応して上下動し、流通孔３３の開度を調整できる。したがって、信号圧室２３に導入されるエアのエア圧力に対応して水素ガス出口３２から出力される水素の圧力を精度よく調整できる。
【００４９】
そして、燃料電池の反応ガス供給装置１（図１参照）が停止すると、ＥＣＵ１０からコイル５３に供給される電流が停止されてシャフト５１は消磁し、燃料遮断ばね５２の付勢力で上動して、ステム２６を上方向に付勢する。したがって、ステム２６に固定される弁体２７も上向きに付勢され、燃料遮断ばね５２の付勢力でバルブシート部２８に圧接される。弁体２７がバルブシート部２８に圧接されると、弁体２７は流通孔３３を閉鎖することから、水素流路２４が遮断される。
【００５０】
このように、弁体２７は、燃料遮断ばね５２の付勢力で流通孔３３を閉鎖することになり、長期的に水素流路２４を遮断できる。したがって、水素の流路を遮断する遮断弁を備えることなく、長期的に水素の流路を遮断できるという優れた効果を奏する。
【００５１】
さらに、図２に示すように、本実施形態にかかるレギュレータ５は、従来使用されるダイヤフラム式のレギュレータ５をベースに構成することができ、大幅な変更が必要なく構成できるという優れた効果を奏する。
【００５２】
なお、本実施形態においては図２に示すように、シャフト５１をソレノイド５０と燃料遮断ばね５２で上下動する構成としたが、この構成に限定されるものではない。例えばシャフトケース５６の内側とシャフト５１の外側にねじを切って螺合し、シャフト５１を図示しないモータなどで回転してシャフト５１を上下動するような構成など、他の構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施形態にかかる燃料電池の反応ガス供給装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本実施形態にかかるレギュレータの断面図である。
【図３】ソレノイドの拡大図であって、（ａ）は、シャフトが下動したことを示す図、（ｂ）は、シャフトが上動したことを示す図である。
【図４】ソレノイドの別の形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 反応ガス供給装置
２ 燃料電池
３ コンプレッサ
５ レギュレータ
９ 水素タンク（水素供給手段）
１０ ＥＣＵ（カソード圧力制御装置、電流供給手段）
２２（２２ａ、２２ｂ） ダイヤフラム
２３ 信号圧室
２３ａ エア流路
２４ 水素流路
２６ ステム（遮断弁）
２７ 弁体（遮断弁）
５０ ソレノイド（付勢力遮断手段）
５１ シャフト（可動鉄心）
５２ 燃料遮断ばね（付勢手段）
５３ コイル
５４ 固定鉄心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソード極に加圧されたエアを供給するコンプレッサと、
前記燃料電池のアノード極に水素を供給する水素供給手段と、
前記燃料電池の運転状態に応じて前記コンプレッサ及び／又はカソード極の背圧弁を制御して前記カソード極のエア圧力を調整するカソード圧力制御装置と、
前記カソード極のエア圧力を基準圧として印加し、このエア圧力に基づいて前記アノード極への供給圧力を調整するレギュレータと、
前記レギュレータに印加するエア圧力をエア流路から排出することにより、前記レギュレータに印加される基準圧を調整可能な圧力調整器と、を備えた燃料電池の反応ガス供給装置において、
前記レギュレータに印加されるエア圧力に抗して、前記レギュレータに形成される水素流路を遮断可能とする水素遮断手段を備えたことを特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項２】
前記レギュレータの内部空間は、ダイヤフラムによって、前記水素流路が形成される領域と、前記エア圧力が印加される信号圧室が形成される領域とに仕切られ、前記水素流路には、この水素流路を遮断するように前記ダイヤフラムに付勢されるとともに、前記信号圧室に印加されるエア圧力の上昇に伴って前記水素流路を開放するように動作する遮断弁が備わり、
前記水素遮断手段は、前記信号圧室に印加されるエア圧力に抗して前記水素流路を遮断するように、前記遮断弁に付勢力を与える付勢手段と、
前記付勢手段が前記遮断弁に与える付勢力の伝達を遮断する付勢力遮断手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項３】
前記付勢力遮断手段は、前記付勢手段と前記遮断弁との間に介在して、前記付勢手段の付勢力を前記遮断弁に伝達する可動鉄心と、
前記可動鉄心を磁化させる磁場を発生するコイルと、
前記コイルに電流を供給する電流供給手段と、
前記可動鉄心が磁化したときに、前記可動鉄心を吸引する固定鉄心と、を含んで構成され、
前記電流供給手段が前記コイルに電流を供給することで、前記可動鉄心を磁化し、
前記固定鉄心が、前記付勢手段の付勢力に抗して、磁化した前記可動鉄心を吸引し、前記可動鉄心が前記遮断弁から離反することで、前記付勢手段が前記遮断弁に与える付勢力の伝達を遮断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項１】
燃料電池のカソード極に加圧されたエアを供給するコンプレッサと、
前記燃料電池のアノード極に水素を供給する水素供給手段と、
前記燃料電池の運転状態に応じて前記コンプレッサ及び／又はカソード極の背圧弁を制御して前記カソード極のエア圧力を調整するカソード圧力制御装置と、
前記カソード極のエア圧力を基準圧として印加し、このエア圧力に基づいて前記アノード極への供給圧力を調整するレギュレータと、
前記レギュレータに印加するエア圧力をエア流路から排出することにより、前記レギュレータに印加される基準圧を調整可能な圧力調整器と、を備えた燃料電池の反応ガス供給装置において、
前記レギュレータに印加されるエア圧力に抗して、前記レギュレータに形成される水素流路を遮断可能とする水素遮断手段を備えたことを特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項２】
前記レギュレータの内部空間は、ダイヤフラムによって、前記水素流路が形成される領域と、前記エア圧力が印加される信号圧室が形成される領域とに仕切られ、前記水素流路には、この水素流路を遮断するように前記ダイヤフラムに付勢されるとともに、前記信号圧室に印加されるエア圧力の上昇に伴って前記水素流路を開放するように動作する遮断弁が備わり、
前記水素遮断手段は、前記信号圧室に印加されるエア圧力に抗して前記水素流路を遮断するように、前記遮断弁に付勢力を与える付勢手段と、
前記付勢手段が前記遮断弁に与える付勢力の伝達を遮断する付勢力遮断手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項３】
前記付勢力遮断手段は、前記付勢手段と前記遮断弁との間に介在して、前記付勢手段の付勢力を前記遮断弁に伝達する可動鉄心と、
前記可動鉄心を磁化させる磁場を発生するコイルと、
前記コイルに電流を供給する電流供給手段と、
前記可動鉄心が磁化したときに、前記可動鉄心を吸引する固定鉄心と、を含んで構成され、
前記電流供給手段が前記コイルに電流を供給することで、前記可動鉄心を磁化し、
前記固定鉄心が、前記付勢手段の付勢力に抗して、磁化した前記可動鉄心を吸引し、前記可動鉄心が前記遮断弁から離反することで、前記付勢手段が前記遮断弁に与える付勢力の伝達を遮断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−６８６４８（Ｐ２００９−６８６４８Ａ）
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３９８１８（Ｐ２００７−２３９８１８）
【出願日】平成１９年９月１４日（２００７．９．１４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１４日（２００７．９．１４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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