燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
【課題】低コスト化及び軽量化を実現することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池１１１と、燃料電池１１１に反応ガスを出入りさせる反応ガス供給通路１０１及び反応ガス排出通路１０２と、反応ガス供給通路１０１に接続されて反応ガスを供給する反応ガス供給部１１２と、反応ガス供給通路１０１に接続されて掃気ガスとして酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部１１３と、反応ガス排出通路１０２に設けられて当該反応ガス排出通路１０２を開閉するパイロットキック式電磁弁１と、反応ガス供給部１１２、酸化剤ガス供給部１１３及びパイロットキック式電磁弁１の駆動を制御する制御部１２１と、を備えており、パージ時には、パイロットキック式電磁弁１から反応ガスを第一の流量で排出させ、掃気時には、パイロットキック式電磁弁１から酸化剤ガスを第一の流量よりも多い第二の流量で排出させる。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池１１１と、燃料電池１１１に反応ガスを出入りさせる反応ガス供給通路１０１及び反応ガス排出通路１０２と、反応ガス供給通路１０１に接続されて反応ガスを供給する反応ガス供給部１１２と、反応ガス供給通路１０１に接続されて掃気ガスとして酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部１１３と、反応ガス排出通路１０２に設けられて当該反応ガス排出通路１０２を開閉するパイロットキック式電磁弁１と、反応ガス供給部１１２、酸化剤ガス供給部１１３及びパイロットキック式電磁弁１の駆動を制御する制御部１２１と、を備えており、パージ時には、パイロットキック式電磁弁１から反応ガスを第一の流量で排出させ、掃気時には、パイロットキック式電磁弁１から酸化剤ガスを第一の流量よりも多い第二の流量で排出させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両等に搭載される燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転停止時に、燃料電池のアノード側に残留する水分を掃気する（システム系外に追い出す）ために、燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガスを掃気ガスとして用いてアノード側を掃気する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる技術においては、燃料電池のアノード側の下流には掃気排出弁が設けられており、アノード側を掃気する際には、かかる掃気排出弁が開弁される。
【０００３】
また、燃料電池の運転時に、燃料電池のアノード側に存在する水分、窒素等の不純物を排出する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。かかる技術においては、燃料電池のアノード側の下流にはパージ弁が設けられており、アノード側の不純物を排出する際にはかかるパージ弁が開弁される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２８８００７号公報
【特許文献２】特開２００６−３２４０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、前記した掃気排出弁は掃気ガスを大流量で流すのに対して、前記したパージ弁は反応ガスを小流量で流すものであり、望まれる流量特性が異なるため、これらは別体のバルブとして燃料電池システムに並列に組み込まれている。これに対して、燃料電池システムにおいては、低コスト化及び軽量化が望まれている。
【０００６】
本発明は、前記した問題を解決すべく創案されたものであり、低コスト化及び軽量化を実現することが可能な燃料電池システム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】
【０００７】
前記課題を解決するため、本願発明の燃料電池システムは、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記反応ガスを出入りさせる反応ガス流路と、前記反応ガス流路における前記燃料電池の上流側に接続されて前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記反応ガス流路における前記燃料電池の上流側に接続されて反応に供しない掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と、前記反応ガス流路における前記燃料電池の下流側に設けられて前記反応ガス流路を開閉するバルブと、前記反応ガス供給部、前記掃気ガス供給部及び前記バルブの駆動を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記バルブは、前記反応ガス流路の上流側と連通する導入ポートと、前記反応ガス流路の下流側と連通する導出ポートと、を有するバルブボディと、前記バルブボディ内に設けられて前記制御部の制御に基づいて移動する可動部材と、前記導入ポートと前記導出ポートとの間に設けられ、前記可動部材に形成されたパイロット弁座に着座及び離座可能な第一弁部と、前記バルブボディに形成されたメイン弁座に着座及び離座可能な第二弁部と、を有する弁体と、前記弁体に形成され、当該弁体の上流側と下流側を導通させるパイロット通路と、を備え、前記制御部は、前記反応ガス流路内の反応ガスを新鮮な反応ガスに置換する際には、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給している状態において、前記バルブの駆動を制御して前記弁体の前記第二弁部を前記メイン弁座に着座させつつ前記第一弁部を前記パイロット弁座から離座させることによって、前記パイロット通路を介して第一の流量の前記反応ガスを排出させ、前記反応ガス流路内の反応ガスを掃気ガスに置換する際には、前記反応ガス供給部の駆動を停止させることによって前記反応ガスの供給が中止されている状態において、前記バルブの駆動を制御して前記第二弁部を前記メイン弁座から離座させ、続いて前記掃気ガス供給部を駆動させることによって前記掃気ガスの供給を開始し、前記第一の流量よりも多い第二の流量の前記掃気ガスを排出させることを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によると、従来のパージ弁及び掃気排出弁の機能を一つのバルブによって実現することが可能となる。
【０００９】
また、本願発明の燃料電池システムの制御方法は、前記バルブの前記第一弁部が前記パイロット弁座に着座するとともに前記第二弁部が前記メイン弁座に着座することによって前記バルブが閉弁された状態において、前記制御部が、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給する燃料電池運転ステップと、前記燃料電池運転ステップの後に、前記反応ガス供給部の駆動を停止させることによって前記反応ガスの供給が中止されている状態において、前記制御部が、前記バルブの駆動を制御して前記第二弁部を前記メイン弁座から離座させ、続いて前記掃気ガス供給部を駆動させることによって前記掃気ガスの供給を開始し、第二の流量の前記掃気ガスを排出させる掃気ステップと、を含み、前記燃料電池運転ステップは、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給している状態において、前記制御部が、前記バルブの駆動を制御して前記弁体の前記第二弁部を前記メイン弁座に着座させたまま前記第一弁部を前記パイロット弁座から離座させることによって、前記パイロット通路を介して第一の流量の前記反応ガスを排出させるパージステップを含むことを特徴とする。
【００１０】
かかる構成によると、パージステップにおいて反応ガス流路内の反応ガスを新鮮な反応ガスに置換することと、掃気ステップにおいて反応ガス流路内の反応ガスを反応に供しない掃気ガスに置換することを一つのバルブによって実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反応ガス流路内の反応ガスを新鮮な反応ガスに置換することと、反応ガス流路内の反応ガスを反応に供しない掃気ガスに置換することを一つのバルブによって実現し用いることができるので、燃料電池システムの低コスト化及び軽量化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るパイロットキック式電磁弁を模式的に示す図であり、閉弁状態を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るパイロットキック式電子弁を模式的に示す図であり、第一の開弁状態を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るパイロットキック式電磁弁を模式的に示す図であり、第二の開弁状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。同様の部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。かかる燃料電池システム１００は、例えば、自動車等の車両に搭載される。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１１１と、燃料電池１１１に対して反応ガスとしての水素ガスを供給する反応ガス供給部１１２と、燃料電池１１１に対して酸化剤ガス（酸素）を供給する酸化剤ガス供給部１１３と、燃料電池１１１から排出された反応ガスを、燃料電池１１１から排出された酸化剤ガスによって希釈する希釈器１１４と、を備えている。
【００１５】
燃料電池１１１は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、図示しない燃料電池自動車等の車両に搭載される。この燃料電池１１１は、複数の単セルが積層して構成されたスタック本体（図示せず）を有しており、反応ガスとして水素ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含むエアが供給されるカソードと、を備えている。
【００１６】
反応ガス供給部１１２は、内部に高圧の水素ガスが充填された水素タンク（図示せず）と、水素ガスの供給を制御するための遮断弁（図示せず）と、を備えている。反応ガス供給部１１２と燃料電池１１１との間には、反応ガス供給通路１０１が設けられており、反応ガス供給通路１０１中には、エゼクタ１１５が配設されている。エゼクタ１１５は、燃料電池１１１から排出された未反応の反応ガスをフィードバックさせる循環通路１０５と接続されており、燃料電池１１１からフィードバックされた未反応の反応ガスを反応ガス供給部１１２から供給される反応ガスに混合させて、燃料電池１１１のアノードに供給する装置である。
【００１７】
酸化剤ガス供給部１１３は、酸化剤ガスとしての圧縮エアを生成するエアコンプレッサ（図示せず）と、生成された圧縮エアを加湿する加湿器（図示せず）と、を備えている。酸化剤ガス供給部１１３と燃料電池１１１との間には、酸化剤ガス供給通路１０３が設けられている。
【００１８】
燃料電池１１１と希釈器１１４との間には、燃料電池１１１のアノードから排出された反応ガスを希釈器１１４に送る反応ガス排出通路１０２が設けられている。なお、反応ガス排出通路１０２において、循環通路１０５との分岐の下流側には、パイロットキック式電磁弁１が設けられいる。
【００１９】
燃料電池１１１と希釈器１１４との間には、燃料電池１１１のカソードから排出された酸化剤ガスを希釈器１１４に送る酸化剤ガス排出通路１０４が設けられている。また、酸化剤ガス供給通路１０３と反応ガス供給通路１０１との間には、酸化剤ガス導入通路１０６が設けられている。酸化剤ガス導入通路１０６には、掃気導入弁１１６が設けられている。掃気導入弁１１６は、常閉型の電磁弁であり、酸化剤ガスを掃気ガスとして燃料電池１１１のアノード及び反応ガス排出通路１０２に供給する際に開弁される。
【００２０】
なお、反応ガス供給通路１０１及び反応ガス排出通路１０２の組み合わせが、特許請求の範囲における「反応ガス流路」の一例であり、酸化剤ガス供給部１１３、酸化剤導入通路１０６及び掃気導入弁１１６の組み合わせが、特許請求の範囲における「掃気ガス供給部」の一例である。
【００２１】
燃料電池システム１００は、制御部１２１をさらに備えている。制御部１２１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力回路から構成されており、イグニッションスイッチ１２２からの出力等に基づいて、反応ガス供給部１１２、酸化剤ガス供給部１１３、掃気導入弁１１６及びパイロットキック式電磁弁１の駆動を制御する。
【００２２】
＜パイロットキック式電磁弁１＞
パイロットキック式電磁弁１は、常閉型の電磁弁であり、図２に示すように、バルブボディ１０と、コイル２０と、可動コア３０と、スプリング４０と、パイロット弁体５０と、メイン弁体６０と、を備えている。後記するように、メイン弁体６０は、第一弁部６１及び第二弁部６２を備えている。
【００２３】
≪バルブボディ１０≫
バルブボディ１０は、酸化剤ガス又は掃気ガス（エア）が導入される導入ポート１０ａと、導入された酸化剤ガス又は掃気ガス（エア）が外部へと排出される導出ポート１０ｂと、を有する。バルブボディ１０は、金属製材料（例えば、ステンレス鋼）から形成されており、その内部にパイロット弁体５０及びメイン弁体６０が変位自在（ここでは、図の上下方向に変位自在）に設けられている。
【００２４】
導入ポート１０ａは、酸化剤ガス又は掃気ガスとしての酸化剤ガスが供給される通路であり、バルブボディ１０の内部に形成されるパイロット室１０ｃと連通している。
【００２５】
導出ポート１０ｂは、パイロット室１０ｃ内の酸化剤ガス又は掃気ガスとして酸化剤ガスが導出される通路であり、連通室１０ｃの底壁１０ｃ１に形成された孔部１０ｄを介してパイロット室１０ｃと連通している。この底壁１０ｃ１の上面は、メイン弁体６０の第二弁部６２が着座及び離座するメイン弁座１０ｅとして機能している。孔部１０ｄの開口面積は、後記する掃気ステップにおいて必要な流量（第二の流量）で酸化剤ガスを流すことが可能な大きさに設定されている。
【００２６】
≪コイル２０、可動コア３０、スプリング４０≫
コイル２０は、バルブボディ１０の外周に巻回されている。可動コア３０は、磁性体からなる金属製材料によって円柱状に形成されている。スプリング４０は、バルブボディ１０と可動コア３０の上端部との間に介装された付勢手段であり、スプリング４０の弾発力は、可動コア３０を下方（閉弁方向）に付勢している。
≪パイロット弁体５０≫
パイロット弁体５０は、可動コア３０の下部に一体に形成されており、パイロット弁座部５１と、係止部５２と、を備えている。
【００２７】
パイロット弁座部５１は、パイロット弁体５０の下面に形成されており、後記するメイン弁体６０の第一弁部６１が着座及び離座することが可能な弁座である。係止部５２は、パイロット弁座部５１から下方に立設されており、その先端部には、後記するメイン弁体６１の係止部６４と係脱可能な内向きの突起が形成されている。また、後記するように、パイロット弁座部５１と係止部５２とで形成される領域内には、メイン弁体６０の第一弁部６１及び係止部６４が収容されている。なお、可動コア３０及びパイロット弁体５０の組み合わせが、特許請求の範囲における「可動部材」の一例である。
【００２８】
≪メイン弁体６０≫
メイン弁体６０は、特許請求の範囲における「弁体」の一例であって、パイロット弁体５０と導出ポート１０ｂとの間に設けられており、第一弁部６１と、第二弁部６２と、パイロット通路６３と、係止部６４と、流路６５と、を備えている。
【００２９】
第一弁部６１は、メイン弁体６０の上面に形成されており、前記したパイロット弁座部５１に着座及び離座する。第一弁部６１がパイロット弁座部５１に着座した状態では、パイロット通路６３の上側開口が閉塞される。
【００３０】
第二弁部６２は、メイン弁体６０の下面に形成されており、前記したメイン弁座部１０ｅに着座及び離座する。第二弁部６２がメイン弁座部１０ｅに着座した状態では、孔部１０ｄの上側開口が閉塞される。
【００３１】
パイロット通路６３は、メイン弁体６０の上流側と下流側とを導通させる通路であり、その上側開口は第一弁部６１に形成され、その下側開口は第二弁部６２に形成されている。パイロット通路６３の下側開口は、第二弁部６２がメイン弁座部１０ｅに着座した状態において、孔部１０ｄと連通している。パイロット通路６３の開口面積は、後記するパージステップにおいて必要な流量（第一の流量）で反応ガスを流すことが可能な大きさに設定されている。かかる第一の流量は、前記した第二の流量よりも少ない。
【００３２】
係止部６４は、前記したパイロット弁体５０の係止部５２と係脱可能な外向きの突起である。メイン弁体６０の第一弁部６１及び係止部６４は、パイロット弁体５０のパイロット弁座部５１及び係止部５２によって区画された領域に収容されている。かかる係止部６４は、制御部１２１による駆動制御によって可動コア５０が上方に移動した際に、パイロット弁体５０の係止部５２に係止される。
【００３３】
流路６５は、係止部６４に形成された切欠き又は孔であり、パイロット弁体の係止部５２とメイン弁体６０の係止部６４とが互いに係止された状態（図３参照）において、その上流側から下流側へのガスの流れを可能としている。
【００３４】
＜動作例＞
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００の動作例について、図１〜図４を参照して説明する。
【００３５】
パイロットキック式電磁弁１は、常閉型の電磁弁であるので、初期状態としては、図２に示すように、スプリング４０がパイロット弁体５０及びメイン弁体６０を下方（閉弁方向）に付勢しており、第一弁部６１がパイロット弁座部５１に着座するとともに第二弁部６２がメイン弁座部１０ｅに着座している。すなわち、パイロットキック式電磁弁１は、反応ガス等の流れを遮断する閉弁状態となっている。また、反応ガス供給部１１２及び酸化剤ガス供給部１１３の駆動は停止しており、掃気導入弁１１６は閉弁状態となっている。
【００３６】
≪燃料電池運転ステップ≫
かかる初期状態においてイグニッションスイッチ１２２からＯＮ信号が出力されると、制御部１２１は、反応ガス供給部１１２の遮断弁を開弁させることによって、反応ガスを燃料電池１１１のアノードに供給するとともに、酸化剤ガス供給部１１３のエアコンプレッサを駆動することによって、酸化剤ガスを燃料電池１１１のカソードに供給する。ここで、パイロットキック式電磁弁１は閉弁状態であるため、反応ガス排出通路１０２に排出された未反応の反応ガスは、循環通路１０５及びエゼクタ１１５を介して反応ガス供給通路１０１に戻されて再度燃料電池１１１に供給される。
【００３７】
≪パージステップ≫
燃料電池運転ステップにおいて、反応ガス供給通路１０１、燃料電池１１１のアノード及び反応ガス排出通路１０２内の反応ガスを新鮮な反応ガスに置換するために、パージステップが所定間隔ごとに行われる。すなわち、燃料電池運転ステップとパージステップとが繰り返される。
【００３８】
パージステップにおいて、制御部１２１は、図示しない電源部を駆動してコイル２０に通電することによってコイル２０を励磁させる。励磁作用下においては、磁束が、コイル２０から可動コア３０へと向かい、再びコイル２０へと復帰して周回するように発生する。そして、図３に示すように、可動コア３０がスプリング４０の弾発力に抗して軸線方向に沿って上方（開弁方向）へと変位し、メイン弁体６０の第一弁部６１がパイロット弁体５０のパイロット弁座５１から離座する。
【００３９】
なお、パイロットキック式電磁弁１は、下記式を満たすように設計されている。
Ｇ＝Ｃ・Ａ・［Ｐ１・ρ・２κ／（κ−１）・｛（Ｐ２／Ｐ１）２／κ−（Ｐ２／Ｐ１）（κ＋１）／κ｝］１／２
ここで、Ｇはパイロット通路６３の体積流量、Ｃはパイロット通路６３の流量係数、Ａはパイロット通路６３の開口面積、Ｐ１はパイロット通路６３よりも上流の圧力、Ｐ２はパイロット通路６３よりも下流の圧力、ρはガス密度、κは比熱比である。
【００４０】
ここで、パイロット弁体５０の係止部５２とメイン弁体６０の係止部６４とが互いに係止することによって、可動コア３０が上方（開弁方向）に移動しようとする力（吸引力）が、メイン弁体６０の第二弁部６２をメイン弁座１０ｅから離座させようとする方向に作用する。しかし、パイロットキック式電磁弁１は、吸引力が、［スプリング４０の弾発力］＋［Ｐ１とＰ２の差圧］×［孔部１０ｄの開口面積］よりも小さくなるように設定されており、反応ガスを供給し続けている状態では、メイン弁体６０の第二弁部６２は、メイン弁座部１０ｅに着座したままの状態を維持する。したがって、パージステップにおいて、パイロットキック式電磁弁１は、パイロット通路６３を介して第一の流量の反応ガスを排出する。
【００４１】
≪掃気ステップ≫
燃料電池運転ステップの終了後、すなわち、燃料電池１００の運転停止時には、燃料電池１１１のアノード及び反応ガス排出通路１０２内の反応ガスを掃気ガスに置換するために、掃気ステップが行われる。掃気ステップにおいて、イグニッションスイッチ１２２からＯＦＦ信号が出力されると、制御部１２１は、反応ガス供給部１１２の遮断弁を閉弁させることによって反応ガスの供給を中止するとともに、図示しない電源部を駆動してコイル２０に通電することによってコイル２０を励磁させる。すると、図３に示すように、可動コア３０がスプリング４０の弾発力に抗して軸線方向に沿って上方（開弁方向）へと変位し、メイン弁体６０の第一弁部６１がパイロット弁体５０のパイロット弁座５１から離座する。かかる状態において、反応ガス供給通路１０１、燃料電池１１１のアノード及び反応ガス排出通路１０２に残留していた反応ガスがパイロット通路６３を介して排出されると、パイロット通路６３よりも上流の圧力Ｐ１とパイロット通路６３よりも下流の圧力Ｐ２との差圧が小さくなり、可動コア３０が上方に移動しようとする力（吸引力）が、［スプリング４０の弾発力］＋［Ｐ１とＰ２の差圧］×［孔部１０ｄの開口面積］よりも大きくなる。そのため、図４に示すように、メイン弁体６０の第二弁部６２がメイン弁座部１０ｅから離座する。続いて、制御部１２１は、酸化剤ガス供給部１１１のエアコンプレッサを駆動させる（通常、燃料電池運転ステップにおいて駆動されたままとなっている）とともに掃気導入弁１１６を開弁させることによって、掃気ガスとしての酸化剤ガスの供給を開始する。酸化剤ガスの供給開始のタイミングに関しては、反応ガスの供給を中止してからパイロットキック式電磁弁１の第二弁部６２が離座するのに要する時間を予め測定しておき、測定された時間を制御部１２１に記憶させておくことにより、制御部１２１は、測定された時間に基づいて酸化剤ガス供給部１１１のエアコンプレッサを駆動させるとともに掃気導入弁１１６を開弁させることが望ましい。したがって、掃気ステップにおいて、パイロットキック式電磁弁１は、開口面積がパイロット通路６３よりもはるかに大きい孔部１０ｄを介して第二の流量の酸化剤ガスを掃気ガスとして排出する。制御部１２１は、例えば所定時間経過後に酸化剤ガス供給部１１１のエアコンプレッサの駆動を停止させるとともに掃気導入弁１０６及びパイロットキック式電磁弁１を閉弁させることによって、掃気ステップを終了させる。
【００４２】
なお、従来のパージ弁は、小流量の反応ガスを排出するに際して高速応答性が要求される（例えば、数百ｍｓｅｃ）弁であり、従来の掃気排出弁は、大流量の掃気ガスを排出するに際して高速応答性が要求されない（例えば、数ｓｅｃ）弁である。これに対して、本発明の実施形態に係るパイロットキック式電磁弁１は、従来のパージ弁における高速応答による小流量の反応ガスの排出と、従来の掃気排出弁における低速応答による大容量の掃気ガスの排出と、を一つのパイロットキック式電磁弁１によって実現することができる。また、パイロットキック式電磁弁１の第二弁部６２の離座を、酸化剤ガス供給部１１３のエアコンプレッサがＯＦＦの状態で行うので、第二弁部６２の離座をエアコンプレッサがＯＮの状態で行う場合と比べて、コイル２０を小さくすることができ、さらには消費電力も小さくすることができる。したがって、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池システムの低コスト化及び軽量化を実現することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、本発明は、自動車だけではなく、建物等に定置される燃料電池システムにも適用可能である。また、燃料電池システム１００は、システムの温度を測定する温度センサを備え、制御部１２１が、かかる温度センサの測定結果に基づいて、反応ガス供給通路１０１、燃料電池１１１のアノード及び反応ガス排出通路１０２に残留した水分が凍結するおそれがある場合（例えば、温度センサの測定結果が０度以下となった場合）にのみ、掃気ステップを実行する構成であってもよい。
【００４４】
また、掃気ステップにおいて、制御部１２１は、第二弁部６２の離座後に掃気導入弁１１６を開弁させるが、この際に第二弁部６２の離座をタイマを用いて推定する以外に、圧力Ｐ１，Ｐ２を検出する圧力センサからの出力に基づいて、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差圧がゼロになった場合、圧力Ｐ１が急上昇した場合、圧力Ｐ２が急降下した場合等に第二弁部６２が離座したと推定し、酸化剤ガス供給部１１３のエアコンプレッサを駆動させるとともに掃気導入弁１１６を開弁させることによって、掃気ガスとしての酸化剤ガスの供給を開始する構成であってもよい。それ以外にも、機械的なスイッチ等によって第二弁部６２の離座を検出し、かかる検出結果に基づいて制御部１２１が酸化剤ガス供給部１１３のエアコンプレッサを駆動させるとともに掃気導入弁１１６を開弁させることによって、掃気ガスとしての酸化剤ガスの供給を開始する構成であってもよい。また、掃気ガスとして酸化剤ガス以外のガスを使用する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１ パイロットキック式電磁弁（バルブ）
１０ バルブボディ
１０ａ 導入ポート
１０ｂ 導出ポート
１０ｅ メイン弁座
３０ 可動コア（可動部材）
５１ パイロット弁座
６０ メイン弁体（弁体）
６１ 第一弁部
６２ 第二弁部
６３ パイロット通路
１００ 燃料電池システム
１０１ 反応ガス供給通路（反応ガス流路）
１０２ 反応ガス排出通路（反応ガス流路）
１１１ 燃料電池
１１２ 反応ガス供給部
１１３ 酸化剤ガス供給部（掃気ガス供給部）
１１６ 掃気導入弁（掃気ガス供給部）
１２１ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両等に搭載される燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転停止時に、燃料電池のアノード側に残留する水分を掃気する（システム系外に追い出す）ために、燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガスを掃気ガスとして用いてアノード側を掃気する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる技術においては、燃料電池のアノード側の下流には掃気排出弁が設けられており、アノード側を掃気する際には、かかる掃気排出弁が開弁される。
【０００３】
また、燃料電池の運転時に、燃料電池のアノード側に存在する水分、窒素等の不純物を排出する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。かかる技術においては、燃料電池のアノード側の下流にはパージ弁が設けられており、アノード側の不純物を排出する際にはかかるパージ弁が開弁される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２８８００７号公報
【特許文献２】特開２００６−３２４０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、前記した掃気排出弁は掃気ガスを大流量で流すのに対して、前記したパージ弁は反応ガスを小流量で流すものであり、望まれる流量特性が異なるため、これらは別体のバルブとして燃料電池システムに並列に組み込まれている。これに対して、燃料電池システムにおいては、低コスト化及び軽量化が望まれている。
【０００６】
本発明は、前記した問題を解決すべく創案されたものであり、低コスト化及び軽量化を実現することが可能な燃料電池システム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】
【０００７】
前記課題を解決するため、本願発明の燃料電池システムは、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記反応ガスを出入りさせる反応ガス流路と、前記反応ガス流路における前記燃料電池の上流側に接続されて前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記反応ガス流路における前記燃料電池の上流側に接続されて反応に供しない掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と、前記反応ガス流路における前記燃料電池の下流側に設けられて前記反応ガス流路を開閉するバルブと、前記反応ガス供給部、前記掃気ガス供給部及び前記バルブの駆動を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記バルブは、前記反応ガス流路の上流側と連通する導入ポートと、前記反応ガス流路の下流側と連通する導出ポートと、を有するバルブボディと、前記バルブボディ内に設けられて前記制御部の制御に基づいて移動する可動部材と、前記導入ポートと前記導出ポートとの間に設けられ、前記可動部材に形成されたパイロット弁座に着座及び離座可能な第一弁部と、前記バルブボディに形成されたメイン弁座に着座及び離座可能な第二弁部と、を有する弁体と、前記弁体に形成され、当該弁体の上流側と下流側を導通させるパイロット通路と、を備え、前記制御部は、前記反応ガス流路内の反応ガスを新鮮な反応ガスに置換する際には、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給している状態において、前記バルブの駆動を制御して前記弁体の前記第二弁部を前記メイン弁座に着座させつつ前記第一弁部を前記パイロット弁座から離座させることによって、前記パイロット通路を介して第一の流量の前記反応ガスを排出させ、前記反応ガス流路内の反応ガスを掃気ガスに置換する際には、前記反応ガス供給部の駆動を停止させることによって前記反応ガスの供給が中止されている状態において、前記バルブの駆動を制御して前記第二弁部を前記メイン弁座から離座させ、続いて前記掃気ガス供給部を駆動させることによって前記掃気ガスの供給を開始し、前記第一の流量よりも多い第二の流量の前記掃気ガスを排出させることを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によると、従来のパージ弁及び掃気排出弁の機能を一つのバルブによって実現することが可能となる。
【０００９】
また、本願発明の燃料電池システムの制御方法は、前記バルブの前記第一弁部が前記パイロット弁座に着座するとともに前記第二弁部が前記メイン弁座に着座することによって前記バルブが閉弁された状態において、前記制御部が、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給する燃料電池運転ステップと、前記燃料電池運転ステップの後に、前記反応ガス供給部の駆動を停止させることによって前記反応ガスの供給が中止されている状態において、前記制御部が、前記バルブの駆動を制御して前記第二弁部を前記メイン弁座から離座させ、続いて前記掃気ガス供給部を駆動させることによって前記掃気ガスの供給を開始し、第二の流量の前記掃気ガスを排出させる掃気ステップと、を含み、前記燃料電池運転ステップは、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給している状態において、前記制御部が、前記バルブの駆動を制御して前記弁体の前記第二弁部を前記メイン弁座に着座させたまま前記第一弁部を前記パイロット弁座から離座させることによって、前記パイロット通路を介して第一の流量の前記反応ガスを排出させるパージステップを含むことを特徴とする。
【００１０】
かかる構成によると、パージステップにおいて反応ガス流路内の反応ガスを新鮮な反応ガスに置換することと、掃気ステップにおいて反応ガス流路内の反応ガスを反応に供しない掃気ガスに置換することを一つのバルブによって実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反応ガス流路内の反応ガスを新鮮な反応ガスに置換することと、反応ガス流路内の反応ガスを反応に供しない掃気ガスに置換することを一つのバルブによって実現し用いることができるので、燃料電池システムの低コスト化及び軽量化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るパイロットキック式電磁弁を模式的に示す図であり、閉弁状態を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るパイロットキック式電子弁を模式的に示す図であり、第一の開弁状態を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るパイロットキック式電磁弁を模式的に示す図であり、第二の開弁状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。同様の部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。かかる燃料電池システム１００は、例えば、自動車等の車両に搭載される。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１１１と、燃料電池１１１に対して反応ガスとしての水素ガスを供給する反応ガス供給部１１２と、燃料電池１１１に対して酸化剤ガス（酸素）を供給する酸化剤ガス供給部１１３と、燃料電池１１１から排出された反応ガスを、燃料電池１１１から排出された酸化剤ガスによって希釈する希釈器１１４と、を備えている。
【００１５】
燃料電池１１１は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、図示しない燃料電池自動車等の車両に搭載される。この燃料電池１１１は、複数の単セルが積層して構成されたスタック本体（図示せず）を有しており、反応ガスとして水素ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含むエアが供給されるカソードと、を備えている。
【００１６】
反応ガス供給部１１２は、内部に高圧の水素ガスが充填された水素タンク（図示せず）と、水素ガスの供給を制御するための遮断弁（図示せず）と、を備えている。反応ガス供給部１１２と燃料電池１１１との間には、反応ガス供給通路１０１が設けられており、反応ガス供給通路１０１中には、エゼクタ１１５が配設されている。エゼクタ１１５は、燃料電池１１１から排出された未反応の反応ガスをフィードバックさせる循環通路１０５と接続されており、燃料電池１１１からフィードバックされた未反応の反応ガスを反応ガス供給部１１２から供給される反応ガスに混合させて、燃料電池１１１のアノードに供給する装置である。
【００１７】
酸化剤ガス供給部１１３は、酸化剤ガスとしての圧縮エアを生成するエアコンプレッサ（図示せず）と、生成された圧縮エアを加湿する加湿器（図示せず）と、を備えている。酸化剤ガス供給部１１３と燃料電池１１１との間には、酸化剤ガス供給通路１０３が設けられている。
【００１８】
燃料電池１１１と希釈器１１４との間には、燃料電池１１１のアノードから排出された反応ガスを希釈器１１４に送る反応ガス排出通路１０２が設けられている。なお、反応ガス排出通路１０２において、循環通路１０５との分岐の下流側には、パイロットキック式電磁弁１が設けられいる。
【００１９】
燃料電池１１１と希釈器１１４との間には、燃料電池１１１のカソードから排出された酸化剤ガスを希釈器１１４に送る酸化剤ガス排出通路１０４が設けられている。また、酸化剤ガス供給通路１０３と反応ガス供給通路１０１との間には、酸化剤ガス導入通路１０６が設けられている。酸化剤ガス導入通路１０６には、掃気導入弁１１６が設けられている。掃気導入弁１１６は、常閉型の電磁弁であり、酸化剤ガスを掃気ガスとして燃料電池１１１のアノード及び反応ガス排出通路１０２に供給する際に開弁される。
【００２０】
なお、反応ガス供給通路１０１及び反応ガス排出通路１０２の組み合わせが、特許請求の範囲における「反応ガス流路」の一例であり、酸化剤ガス供給部１１３、酸化剤導入通路１０６及び掃気導入弁１１６の組み合わせが、特許請求の範囲における「掃気ガス供給部」の一例である。
【００２１】
燃料電池システム１００は、制御部１２１をさらに備えている。制御部１２１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力回路から構成されており、イグニッションスイッチ１２２からの出力等に基づいて、反応ガス供給部１１２、酸化剤ガス供給部１１３、掃気導入弁１１６及びパイロットキック式電磁弁１の駆動を制御する。
【００２２】
＜パイロットキック式電磁弁１＞
パイロットキック式電磁弁１は、常閉型の電磁弁であり、図２に示すように、バルブボディ１０と、コイル２０と、可動コア３０と、スプリング４０と、パイロット弁体５０と、メイン弁体６０と、を備えている。後記するように、メイン弁体６０は、第一弁部６１及び第二弁部６２を備えている。
【００２３】
≪バルブボディ１０≫
バルブボディ１０は、酸化剤ガス又は掃気ガス（エア）が導入される導入ポート１０ａと、導入された酸化剤ガス又は掃気ガス（エア）が外部へと排出される導出ポート１０ｂと、を有する。バルブボディ１０は、金属製材料（例えば、ステンレス鋼）から形成されており、その内部にパイロット弁体５０及びメイン弁体６０が変位自在（ここでは、図の上下方向に変位自在）に設けられている。
【００２４】
導入ポート１０ａは、酸化剤ガス又は掃気ガスとしての酸化剤ガスが供給される通路であり、バルブボディ１０の内部に形成されるパイロット室１０ｃと連通している。
【００２５】
導出ポート１０ｂは、パイロット室１０ｃ内の酸化剤ガス又は掃気ガスとして酸化剤ガスが導出される通路であり、連通室１０ｃの底壁１０ｃ１に形成された孔部１０ｄを介してパイロット室１０ｃと連通している。この底壁１０ｃ１の上面は、メイン弁体６０の第二弁部６２が着座及び離座するメイン弁座１０ｅとして機能している。孔部１０ｄの開口面積は、後記する掃気ステップにおいて必要な流量（第二の流量）で酸化剤ガスを流すことが可能な大きさに設定されている。
【００２６】
≪コイル２０、可動コア３０、スプリング４０≫
コイル２０は、バルブボディ１０の外周に巻回されている。可動コア３０は、磁性体からなる金属製材料によって円柱状に形成されている。スプリング４０は、バルブボディ１０と可動コア３０の上端部との間に介装された付勢手段であり、スプリング４０の弾発力は、可動コア３０を下方（閉弁方向）に付勢している。
≪パイロット弁体５０≫
パイロット弁体５０は、可動コア３０の下部に一体に形成されており、パイロット弁座部５１と、係止部５２と、を備えている。
【００２７】
パイロット弁座部５１は、パイロット弁体５０の下面に形成されており、後記するメイン弁体６０の第一弁部６１が着座及び離座することが可能な弁座である。係止部５２は、パイロット弁座部５１から下方に立設されており、その先端部には、後記するメイン弁体６１の係止部６４と係脱可能な内向きの突起が形成されている。また、後記するように、パイロット弁座部５１と係止部５２とで形成される領域内には、メイン弁体６０の第一弁部６１及び係止部６４が収容されている。なお、可動コア３０及びパイロット弁体５０の組み合わせが、特許請求の範囲における「可動部材」の一例である。
【００２８】
≪メイン弁体６０≫
メイン弁体６０は、特許請求の範囲における「弁体」の一例であって、パイロット弁体５０と導出ポート１０ｂとの間に設けられており、第一弁部６１と、第二弁部６２と、パイロット通路６３と、係止部６４と、流路６５と、を備えている。
【００２９】
第一弁部６１は、メイン弁体６０の上面に形成されており、前記したパイロット弁座部５１に着座及び離座する。第一弁部６１がパイロット弁座部５１に着座した状態では、パイロット通路６３の上側開口が閉塞される。
【００３０】
第二弁部６２は、メイン弁体６０の下面に形成されており、前記したメイン弁座部１０ｅに着座及び離座する。第二弁部６２がメイン弁座部１０ｅに着座した状態では、孔部１０ｄの上側開口が閉塞される。
【００３１】
パイロット通路６３は、メイン弁体６０の上流側と下流側とを導通させる通路であり、その上側開口は第一弁部６１に形成され、その下側開口は第二弁部６２に形成されている。パイロット通路６３の下側開口は、第二弁部６２がメイン弁座部１０ｅに着座した状態において、孔部１０ｄと連通している。パイロット通路６３の開口面積は、後記するパージステップにおいて必要な流量（第一の流量）で反応ガスを流すことが可能な大きさに設定されている。かかる第一の流量は、前記した第二の流量よりも少ない。
【００３２】
係止部６４は、前記したパイロット弁体５０の係止部５２と係脱可能な外向きの突起である。メイン弁体６０の第一弁部６１及び係止部６４は、パイロット弁体５０のパイロット弁座部５１及び係止部５２によって区画された領域に収容されている。かかる係止部６４は、制御部１２１による駆動制御によって可動コア５０が上方に移動した際に、パイロット弁体５０の係止部５２に係止される。
【００３３】
流路６５は、係止部６４に形成された切欠き又は孔であり、パイロット弁体の係止部５２とメイン弁体６０の係止部６４とが互いに係止された状態（図３参照）において、その上流側から下流側へのガスの流れを可能としている。
【００３４】
＜動作例＞
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００の動作例について、図１〜図４を参照して説明する。
【００３５】
パイロットキック式電磁弁１は、常閉型の電磁弁であるので、初期状態としては、図２に示すように、スプリング４０がパイロット弁体５０及びメイン弁体６０を下方（閉弁方向）に付勢しており、第一弁部６１がパイロット弁座部５１に着座するとともに第二弁部６２がメイン弁座部１０ｅに着座している。すなわち、パイロットキック式電磁弁１は、反応ガス等の流れを遮断する閉弁状態となっている。また、反応ガス供給部１１２及び酸化剤ガス供給部１１３の駆動は停止しており、掃気導入弁１１６は閉弁状態となっている。
【００３６】
≪燃料電池運転ステップ≫
かかる初期状態においてイグニッションスイッチ１２２からＯＮ信号が出力されると、制御部１２１は、反応ガス供給部１１２の遮断弁を開弁させることによって、反応ガスを燃料電池１１１のアノードに供給するとともに、酸化剤ガス供給部１１３のエアコンプレッサを駆動することによって、酸化剤ガスを燃料電池１１１のカソードに供給する。ここで、パイロットキック式電磁弁１は閉弁状態であるため、反応ガス排出通路１０２に排出された未反応の反応ガスは、循環通路１０５及びエゼクタ１１５を介して反応ガス供給通路１０１に戻されて再度燃料電池１１１に供給される。
【００３７】
≪パージステップ≫
燃料電池運転ステップにおいて、反応ガス供給通路１０１、燃料電池１１１のアノード及び反応ガス排出通路１０２内の反応ガスを新鮮な反応ガスに置換するために、パージステップが所定間隔ごとに行われる。すなわち、燃料電池運転ステップとパージステップとが繰り返される。
【００３８】
パージステップにおいて、制御部１２１は、図示しない電源部を駆動してコイル２０に通電することによってコイル２０を励磁させる。励磁作用下においては、磁束が、コイル２０から可動コア３０へと向かい、再びコイル２０へと復帰して周回するように発生する。そして、図３に示すように、可動コア３０がスプリング４０の弾発力に抗して軸線方向に沿って上方（開弁方向）へと変位し、メイン弁体６０の第一弁部６１がパイロット弁体５０のパイロット弁座５１から離座する。
【００３９】
なお、パイロットキック式電磁弁１は、下記式を満たすように設計されている。
Ｇ＝Ｃ・Ａ・［Ｐ１・ρ・２κ／（κ−１）・｛（Ｐ２／Ｐ１）２／κ−（Ｐ２／Ｐ１）（κ＋１）／κ｝］１／２
ここで、Ｇはパイロット通路６３の体積流量、Ｃはパイロット通路６３の流量係数、Ａはパイロット通路６３の開口面積、Ｐ１はパイロット通路６３よりも上流の圧力、Ｐ２はパイロット通路６３よりも下流の圧力、ρはガス密度、κは比熱比である。
【００４０】
ここで、パイロット弁体５０の係止部５２とメイン弁体６０の係止部６４とが互いに係止することによって、可動コア３０が上方（開弁方向）に移動しようとする力（吸引力）が、メイン弁体６０の第二弁部６２をメイン弁座１０ｅから離座させようとする方向に作用する。しかし、パイロットキック式電磁弁１は、吸引力が、［スプリング４０の弾発力］＋［Ｐ１とＰ２の差圧］×［孔部１０ｄの開口面積］よりも小さくなるように設定されており、反応ガスを供給し続けている状態では、メイン弁体６０の第二弁部６２は、メイン弁座部１０ｅに着座したままの状態を維持する。したがって、パージステップにおいて、パイロットキック式電磁弁１は、パイロット通路６３を介して第一の流量の反応ガスを排出する。
【００４１】
≪掃気ステップ≫
燃料電池運転ステップの終了後、すなわち、燃料電池１００の運転停止時には、燃料電池１１１のアノード及び反応ガス排出通路１０２内の反応ガスを掃気ガスに置換するために、掃気ステップが行われる。掃気ステップにおいて、イグニッションスイッチ１２２からＯＦＦ信号が出力されると、制御部１２１は、反応ガス供給部１１２の遮断弁を閉弁させることによって反応ガスの供給を中止するとともに、図示しない電源部を駆動してコイル２０に通電することによってコイル２０を励磁させる。すると、図３に示すように、可動コア３０がスプリング４０の弾発力に抗して軸線方向に沿って上方（開弁方向）へと変位し、メイン弁体６０の第一弁部６１がパイロット弁体５０のパイロット弁座５１から離座する。かかる状態において、反応ガス供給通路１０１、燃料電池１１１のアノード及び反応ガス排出通路１０２に残留していた反応ガスがパイロット通路６３を介して排出されると、パイロット通路６３よりも上流の圧力Ｐ１とパイロット通路６３よりも下流の圧力Ｐ２との差圧が小さくなり、可動コア３０が上方に移動しようとする力（吸引力）が、［スプリング４０の弾発力］＋［Ｐ１とＰ２の差圧］×［孔部１０ｄの開口面積］よりも大きくなる。そのため、図４に示すように、メイン弁体６０の第二弁部６２がメイン弁座部１０ｅから離座する。続いて、制御部１２１は、酸化剤ガス供給部１１１のエアコンプレッサを駆動させる（通常、燃料電池運転ステップにおいて駆動されたままとなっている）とともに掃気導入弁１１６を開弁させることによって、掃気ガスとしての酸化剤ガスの供給を開始する。酸化剤ガスの供給開始のタイミングに関しては、反応ガスの供給を中止してからパイロットキック式電磁弁１の第二弁部６２が離座するのに要する時間を予め測定しておき、測定された時間を制御部１２１に記憶させておくことにより、制御部１２１は、測定された時間に基づいて酸化剤ガス供給部１１１のエアコンプレッサを駆動させるとともに掃気導入弁１１６を開弁させることが望ましい。したがって、掃気ステップにおいて、パイロットキック式電磁弁１は、開口面積がパイロット通路６３よりもはるかに大きい孔部１０ｄを介して第二の流量の酸化剤ガスを掃気ガスとして排出する。制御部１２１は、例えば所定時間経過後に酸化剤ガス供給部１１１のエアコンプレッサの駆動を停止させるとともに掃気導入弁１０６及びパイロットキック式電磁弁１を閉弁させることによって、掃気ステップを終了させる。
【００４２】
なお、従来のパージ弁は、小流量の反応ガスを排出するに際して高速応答性が要求される（例えば、数百ｍｓｅｃ）弁であり、従来の掃気排出弁は、大流量の掃気ガスを排出するに際して高速応答性が要求されない（例えば、数ｓｅｃ）弁である。これに対して、本発明の実施形態に係るパイロットキック式電磁弁１は、従来のパージ弁における高速応答による小流量の反応ガスの排出と、従来の掃気排出弁における低速応答による大容量の掃気ガスの排出と、を一つのパイロットキック式電磁弁１によって実現することができる。また、パイロットキック式電磁弁１の第二弁部６２の離座を、酸化剤ガス供給部１１３のエアコンプレッサがＯＦＦの状態で行うので、第二弁部６２の離座をエアコンプレッサがＯＮの状態で行う場合と比べて、コイル２０を小さくすることができ、さらには消費電力も小さくすることができる。したがって、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池システムの低コスト化及び軽量化を実現することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、本発明は、自動車だけではなく、建物等に定置される燃料電池システムにも適用可能である。また、燃料電池システム１００は、システムの温度を測定する温度センサを備え、制御部１２１が、かかる温度センサの測定結果に基づいて、反応ガス供給通路１０１、燃料電池１１１のアノード及び反応ガス排出通路１０２に残留した水分が凍結するおそれがある場合（例えば、温度センサの測定結果が０度以下となった場合）にのみ、掃気ステップを実行する構成であってもよい。
【００４４】
また、掃気ステップにおいて、制御部１２１は、第二弁部６２の離座後に掃気導入弁１１６を開弁させるが、この際に第二弁部６２の離座をタイマを用いて推定する以外に、圧力Ｐ１，Ｐ２を検出する圧力センサからの出力に基づいて、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差圧がゼロになった場合、圧力Ｐ１が急上昇した場合、圧力Ｐ２が急降下した場合等に第二弁部６２が離座したと推定し、酸化剤ガス供給部１１３のエアコンプレッサを駆動させるとともに掃気導入弁１１６を開弁させることによって、掃気ガスとしての酸化剤ガスの供給を開始する構成であってもよい。それ以外にも、機械的なスイッチ等によって第二弁部６２の離座を検出し、かかる検出結果に基づいて制御部１２１が酸化剤ガス供給部１１３のエアコンプレッサを駆動させるとともに掃気導入弁１１６を開弁させることによって、掃気ガスとしての酸化剤ガスの供給を開始する構成であってもよい。また、掃気ガスとして酸化剤ガス以外のガスを使用する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１ パイロットキック式電磁弁（バルブ）
１０ バルブボディ
１０ａ 導入ポート
１０ｂ 導出ポート
１０ｅ メイン弁座
３０ 可動コア（可動部材）
５１ パイロット弁座
６０ メイン弁体（弁体）
６１ 第一弁部
６２ 第二弁部
６３ パイロット通路
１００ 燃料電池システム
１０１ 反応ガス供給通路（反応ガス流路）
１０２ 反応ガス排出通路（反応ガス流路）
１１１ 燃料電池
１１２ 反応ガス供給部
１１３ 酸化剤ガス供給部（掃気ガス供給部）
１１６ 掃気導入弁（掃気ガス供給部）
１２１ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記反応ガスを出入りさせる反応ガス流路と、
前記反応ガス流路における前記燃料電池の上流側に接続されて前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記反応ガス流路における前記燃料電池の上流側に接続されて反応に供しない掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と、
前記反応ガス流路における前記燃料電池の下流側に設けられて前記反応ガス流路を開閉するバルブと、
前記反応ガス供給部、前記掃気ガス供給部及び前記バルブの駆動を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記バルブは、
前記反応ガス流路の上流側と連通する導入ポートと、前記反応ガス流路の下流側と連通する導出ポートと、を有するバルブボディと、
前記バルブボディ内に設けられて前記制御部の制御に基づいて移動する可動部材と、
前記導入ポートと前記導出ポートとの間に設けられ、前記可動部材に形成されたパイロット弁座に着座及び離座可能な第一弁部と、前記バルブボディに形成されたメイン弁座に着座及び離座可能な第二弁部と、を有する弁体と、
前記弁体に形成され、当該弁体の上流側と下流側を導通させるパイロット通路と、
を備え、
前記制御部は、
前記反応ガス流路内の反応ガスを新鮮な反応ガスに置換する際には、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給している状態において、前記バルブの駆動を制御して前記弁体の前記第二弁部を前記メイン弁座に着座させつつ前記第一弁部を前記パイロット弁座から離座させることによって、前記パイロット通路を介して第一の流量の前記反応ガスを排出させ、
前記反応ガス流路内の反応ガスを掃気ガスに置換する際には、前記反応ガス供給部の駆動を停止させることによって前記反応ガスの供給が中止されている状態において、前記バルブの駆動を制御して前記第二弁部を前記メイン弁座から離座させ、続いて前記掃気ガス供給部を駆動させることによって前記掃気ガスの供給を開始し、前記第一の流量よりも多い第二の流量の前記掃気ガスを排出させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記バルブの前記第一弁部が前記パイロット弁座に着座するとともに前記第二弁部が前記メイン弁座に着座することによって前記バルブが閉弁された状態において、前記制御部が、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給する燃料電池運転ステップと、
前記燃料電池運転ステップの後に、前記反応ガス供給部の駆動を停止させることによって前記反応ガスの供給が中止されている状態において、前記制御部が、前記バルブの駆動を制御して前記第二弁部を前記メイン弁座から離座させ、続いて前記掃気ガス供給部を駆動させることによって前記掃気ガスの供給を開始し、第二の流量の前記掃気ガスを排出させる掃気ステップと、
を含み、
前記燃料電池運転ステップは、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給している状態において、前記制御部が、前記バルブの駆動を制御して前記弁体の前記第二弁部を前記メイン弁座に着座させたまま前記第一弁部を前記パイロット弁座から離座させることによって、前記パイロット通路を介して第一の流量の前記反応ガスを排出させるパージステップを含む
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１】
反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記反応ガスを出入りさせる反応ガス流路と、
前記反応ガス流路における前記燃料電池の上流側に接続されて前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記反応ガス流路における前記燃料電池の上流側に接続されて反応に供しない掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と、
前記反応ガス流路における前記燃料電池の下流側に設けられて前記反応ガス流路を開閉するバルブと、
前記反応ガス供給部、前記掃気ガス供給部及び前記バルブの駆動を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記バルブは、
前記反応ガス流路の上流側と連通する導入ポートと、前記反応ガス流路の下流側と連通する導出ポートと、を有するバルブボディと、
前記バルブボディ内に設けられて前記制御部の制御に基づいて移動する可動部材と、
前記導入ポートと前記導出ポートとの間に設けられ、前記可動部材に形成されたパイロット弁座に着座及び離座可能な第一弁部と、前記バルブボディに形成されたメイン弁座に着座及び離座可能な第二弁部と、を有する弁体と、
前記弁体に形成され、当該弁体の上流側と下流側を導通させるパイロット通路と、
を備え、
前記制御部は、
前記反応ガス流路内の反応ガスを新鮮な反応ガスに置換する際には、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給している状態において、前記バルブの駆動を制御して前記弁体の前記第二弁部を前記メイン弁座に着座させつつ前記第一弁部を前記パイロット弁座から離座させることによって、前記パイロット通路を介して第一の流量の前記反応ガスを排出させ、
前記反応ガス流路内の反応ガスを掃気ガスに置換する際には、前記反応ガス供給部の駆動を停止させることによって前記反応ガスの供給が中止されている状態において、前記バルブの駆動を制御して前記第二弁部を前記メイン弁座から離座させ、続いて前記掃気ガス供給部を駆動させることによって前記掃気ガスの供給を開始し、前記第一の流量よりも多い第二の流量の前記掃気ガスを排出させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記バルブの前記第一弁部が前記パイロット弁座に着座するとともに前記第二弁部が前記メイン弁座に着座することによって前記バルブが閉弁された状態において、前記制御部が、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給する燃料電池運転ステップと、
前記燃料電池運転ステップの後に、前記反応ガス供給部の駆動を停止させることによって前記反応ガスの供給が中止されている状態において、前記制御部が、前記バルブの駆動を制御して前記第二弁部を前記メイン弁座から離座させ、続いて前記掃気ガス供給部を駆動させることによって前記掃気ガスの供給を開始し、第二の流量の前記掃気ガスを排出させる掃気ステップと、
を含み、
前記燃料電池運転ステップは、前記反応ガス供給部を駆動させることによって前記反応ガスを供給している状態において、前記制御部が、前記バルブの駆動を制御して前記弁体の前記第二弁部を前記メイン弁座に着座させたまま前記第一弁部を前記パイロット弁座から離座させることによって、前記パイロット通路を介して第一の流量の前記反応ガスを排出させるパージステップを含む
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１８２４５０（Ｐ２０１０−１８２４５０Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２６４５（Ｐ２００９−２２６４５）
【出願日】平成２１年２月３日（２００９．２．３）
【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２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月３日（２００９．２．３）
【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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