燃料電池システム及び燃料電池システム用の弁セット
【課題】空気管路にバタフライ弁と逆止弁を用いることにより、燃料電池システムを小型化する。
【解決手段】燃料電池に接続される空気出口管１４に設けられ、回転軸５４の周りに回転する第１の弁体５２を有するバタフライ弁２４と、バタフライ弁２４の下流側に設けられ、板状の第２の弁体６１を有する逆止弁２７と、を含み、逆止弁２７が閉状態でバタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させるとバタフライ弁２４の第１の弁体５２の先端６０が逆止弁２７の第２の弁体６１に当たる様に配置されている弁セット５０と、バタフライ弁２４の開度を変更する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池の始動の際に、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させ、閉弁状態の逆止弁２７の第２の弁体６１に当接させて逆止弁２７を開弁状態にする逆止弁開弁手段を有する。
【解決手段】燃料電池に接続される空気出口管１４に設けられ、回転軸５４の周りに回転する第１の弁体５２を有するバタフライ弁２４と、バタフライ弁２４の下流側に設けられ、板状の第２の弁体６１を有する逆止弁２７と、を含み、逆止弁２７が閉状態でバタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させるとバタフライ弁２４の第１の弁体５２の先端６０が逆止弁２７の第２の弁体６１に当たる様に配置されている弁セット５０と、バタフライ弁２４の開度を変更する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池の始動の際に、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させ、閉弁状態の逆止弁２７の第２の弁体６１に当接させて逆止弁２７を開弁状態にする逆止弁開弁手段を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの始動時、停止時、停止中の制御及び、燃料電池システムの空気管路に設けられる弁セットの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電するもので、イオン交換する電解質膜の両側にアノードとカソードとが対向して配置された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、アノードに燃料を供給する燃料供給流路が形成された燃料用セパレータと、カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給流路が形成された酸化剤用セパレータと、を備えている。燃料と酸化剤には色々なガスが用いられるが、例えば、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気を用い、電気化学反応によって発電がされると共にカソードに水が生成される形式のものが多く用いられている。
【０００３】
このような燃料電池において、運転が停止した際には、カソードの酸化剤供給流路中に酸化剤ガスである空気が残留しており、アノードの燃料供給流路中には燃料ガスである水素が残留した状態となっている。この状態で外部から空気が燃料電池のカソードに流入すると、発電反応とは違う化学反応によって水素と酸素が結合して水が生成される。この反応が発生すると、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の炭素が奪われることにより、電解質膜劣化してしまう場合があった。
【０００４】
このため、カソードへの空気流入を遮断する空気遮断弁を設け、燃料電池システムの停止時に空気遮断弁を閉めた状態でアノードへ水素を供給し、燃料電池本体の発電によってカソードに残留する酸素を消費させる運転を行って電解質膜の劣化を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５―１５８５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、燃料電池の空気出口側には、カソードの空気圧力を所定の圧力に調整する圧力調節弁が設けられているが、この圧力調節弁は、空気の流れを遮断する機能がない場合がほとんどで、例えば、特許文献１で提案されているように、燃料電池への空気の流入を遮断する場合には、圧力調節弁と共に遮断弁を設置する必要があった。また、遮断弁は弁体が凍結した際でも確実に動作させられるように、駆動力の大きな電磁式または空気作動式のアクチュエータを持つポペット弁が用いられることが多い。
【０００７】
しかし、大きなアクチュエータを備える弁は弁自体の他に、アクチュエータのために大きなスペースが必要となることから、燃料電池システムが大型化してしまうことがあった。他方で、自動車などに搭載する燃料電池システムは、小型、コンパクトであることが要求されていた。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池システムを小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の弁セットは、燃料電池に接続される空気管路に設けられ、空気の流れ及び圧力を調整する弁セットであって、流れ方向と交差する回転軸の周りに回転する第１の弁体を有するバタフライ弁と、バタフライ弁の下流側に設けられ、その上流と下流との圧力差によって撓む板状の第２の弁体を有する逆止弁と、を備え、各弁は、逆止弁が閉状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体に接する様に配置されていること、を特徴とする。
【００１０】
本発明の弁セットにおいて、逆止弁が閉状態の場合、逆止弁の第２の弁体の上流側の面とバタフライ弁の第１の弁体の回転中心との間の第２の弁体の上流側の面に垂直な方向の距離は、第１の弁体の先端の回転半径よりも小さいこと、としても好適であるし、逆止弁が開弁状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体の上流側面を下流方向に向かって押し出して、逆止弁を開弁させること、としても好適である。
【００１１】
本発明の弁セットにおいて、逆止弁の第２の弁体は、空気管路の流れ方向と交差し下流側に向いているフランジ面に一端が片持ち式に固定され、他端は弾性変形によってフランジ面に対して接離自在となるよう取り付けられ、逆止弁は第２の弁体の他端がフランジ面から下流側に向って移動することにより開弁すること、としても好適であるし、逆止弁の開度は空気流量が増加するに従って増加し、空気流量が所定の流量以上の場合、逆止弁の第２の弁体の上流側の面は第１の弁体の先端の回転円の下流側に位置していること、としても好適であるし、バタフライ弁の第１の弁体が全閉位置から、第１の弁体の先端が逆止弁の第２の弁体に当接する当接位置までの第１の弁体の回転角度は、所定の角度よりも大きいこと、としても好適である。
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気との電気化学反応で発電する燃料電池と、燃料電池に接続される空気管路に設けられ、流れ方向と交差する回転軸の周りに回転する第１の弁体を有するバタフライ弁と、バタフライ弁の下流側に設けられ、その上流と下流との圧力差によって撓む板状の第２の弁体を有する逆止弁と、を含み、逆止弁が閉状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体に当たる様に配置されている弁セットと、バタフライ弁の開度を変更する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池の始動の際に、バタフライ弁の第１の弁体を回転させ、閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させて逆止弁を開弁状態にする逆止弁開弁手段を有すること、を特徴とする。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池に空気を供給する空気圧縮機と、空気管路の圧力を検出する圧力検出手段と、を含み、制御部は、空気圧縮機を始動して空気管路の圧力を第１の圧力まで上昇させた後、逆止弁開弁手段によって逆止弁を開弁すること、としても好適であるし、制御部は、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後の空気管路の圧力が第２の圧力より低くなった場合には逆止弁が開弁したと判断し、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後の空気管路の圧力が第２の圧力より低くならなかった場合には逆止弁が開弁していないと判断する逆止弁開弁判断手段を含み、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後に逆止弁が開弁していないと判断した場合には、再度バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させるリトライ手段を有すること、としても好適である。
【００１４】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池を格納する格納ケースを含み、弁セットは、格納ケースの中に下流側が重力方向下側となるように配置されていること、としても好適であるし、制御部は、燃料電池の停止中にバタフライ弁の第１の弁体を回転させて逆止弁の第２の弁体に接離させ、逆止弁の開閉を行うこと、としても好適であるし、空気圧力を検出する圧力センサまたは燃料電池の温度を検出する温度センサを含み、制御部は、燃料電池の停止中に空気圧力または燃料電池の温度がそれぞれ所定の閾値よりも低くなった場合に、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて逆止弁の第２の弁体に接離させ、逆止弁の開閉を行うこと、としても好適である。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の停止の際に、第１の弁体が逆止弁の第２の弁体に接しない中間開度にバタフライ弁を開弁した状態で燃料電池を停止する停止手段を有すること、としても好適であるし、逆止弁開弁手段は、中間開度で停止しているバタフライ弁の第１の弁体を全開方向に回転させること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、燃料電池システムを小型化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す系統図である。
【図２】本発明の実施形態における弁セットの断面を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態における弁セットを構成するバタフライ弁の構造を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態における弁セットを構成する逆止弁の構造を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態における燃料電池システムの始動工程を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態における弁セットを構成するバタフライ弁の弁体の回転角度と弁体の回転速度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施形態における弁セットの断面を示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態における燃料電池システムの停止中の弁の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態における燃料電池システムの空気圧力の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態における弁セットの動作を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施形態における燃料電池システムの停止動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料に水素、酸化剤ガスに空気を用いる燃料電池１０と、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する空気系統１１０と、アノード側に水素を供給する水素系統１２０と、燃料電池１０と、空気系統１１０と水素系統１２０の運転を制御する制御部４０とを備えている。
【００１９】
空気系統１１０は、燃料電池１０に空気を供給する空気圧縮機１１と、空気圧縮機１１の吐出空気を燃料電池１０に供給する空気供給管１２と、空気供給管１２に設けられた入口空気遮断弁２１と、入口空気遮断弁２１と燃料電池１０の空気入口とを接続する空気入口管１３と、燃料電池１０の空気出口に接続された空気出口管１４と、空気出口管１４に接続されたバタフライ弁２４と、バタフライ弁２４の下流側に直結された逆止弁２７と、逆止弁２７の下流側に接続される空気排出管１５と、空気排出管１５に接続された希釈器１６と、一端が希釈器１６に接続され、他端が大気に開放されている大気放出管１７と、を備えている。バタフライ弁２４と逆止弁２７とは弁セット５０を構成し、バタフライ弁２４はモータ２５によって内部の弁体が回転駆動され、バタフライ弁２４には弁体の回転角度する角度センサ２６が取り付けられている。また、空気入口管１３には空気圧力を検出する圧力センサ２３が取り付けられている。
【００２０】
入口空気遮断弁２１は空気供給管１２から分岐した作動空気管１８から作動空気が供給されるアクチュエータ２２によって開閉動作を行うよう構成されている。作動空気は、作動空気管１８に設けられたパイロット弁１９，２０を開閉することによってアクチュエータ２２に供給される。
【００２１】
水素系統１２０は、図示しない水素タンクから燃料電池１０に水素を供給する水素供給管３０と、燃料電池１０の水素出口管３１と、水素出口管３１と水素供給管３０とを接続する水素循環管３２と、水素循環管３２に取り付けられた水素ポンプ３３と、水素出口管３１から分岐して希釈器１６に接続される水素排出管３４と、水素排出管３４に取り付けられた水素排出弁３５とを備えている。
【００２２】
燃料電池１０と、空気入口管１３と、空気出口管１４と、バタフライ弁２４と、逆止弁２７と、空気排出管１５と、希釈器１６と、水素供給管３０と、水素出口管３１と、水素循環管３２と、水素ポンプ３３と、水素排出弁３５と、水素排出管３４とは、保温性のケーシング３６の中に格納されており、燃料電池１０の熱によってバタフライ弁２４、逆止弁２７が凍結しにくいよう構成されている。このため、燃料電池１０を車両の床下に搭載した場合でも別途防水ケーシングを設ける必要がなく、燃料電池システム１００を小型化できる。また、燃料電池１０には、その温度を検出する温度センサ２８が取り付けられている。
【００２３】
制御部４０は、内部の信号処理を行うＣＰＵと、制御プログラムや制御データを格納するメモリとを備えるコンピュータである。燃料電池１０、空気圧縮機１１、パイロット弁１９，２０、バタフライ弁２４を駆動するモータ２５、水素排出弁３５は、それぞれ制御部４０に接続され、制御部４０の指令によって駆動されるよう構成されている。また、圧力センサ２３、温度センサ２８は、角度センサ２６は制御部４０に接続され、それぞれのセンサ２３，２８，２６で検出したデータは制御部４０に入力されるよう構成されている。
【００２４】
図２に示すように、燃料電池１０から重力方向下側に向かって略垂直に延びる空気出口管１４は、バタフライ弁２４のケーシングを兼用する構造となっており、その内面１４ａには第１の弁体５２の先端６０、６０’と接して空気をシールするシール部１４ｂが設けられている。シール部１４ｂは第１の弁体５２の外周に沿った形状に設けられており、図３に示すように第１の弁体５２が円板状である場合には、シール部１４ｂも円環状となっている。図３に示すように、バタフライ弁２４は、流れ方向である空気出口管１４の中心線１４ｃと直交する方向の回転軸５４の周りに回転する第１の弁体５２と、回転軸５４に同軸に配置され、第１の弁体５２とモータ２５とを接続し、モータ２５の回転力を第１の弁体５２に伝達するシャフト５３と、を備えている。
【００２５】
図２に示すように、空気出口管１４の下流側には空気出口管１４の外周方向に突出するフランジ５１が設けられている。フランジ５１の合わせ面５１ａは開口５６を持つ平面で、逆止弁２７の弁座を兼用しており、その表面には板状の第２の弁体６１の根元６６が固定ボルト６２によって固定されている。フランジ５１の合わせ面５１ａは第２の弁体６１の根元６６側が高く、先端６７側が低くなるような傾斜がつけられ、燃料電池１０の停止中に燃料電池１０からの水滴が落下してきた場合、水滴が逆止弁２７の弁座となっている合わせ面５１ａの全面に溜まらず、重力方向下側となる先端６７側に溜まるよう構成されている。このため、滞留した水が凍結した場合であっても、合わせ面５１ａと第２の弁体６１との固着面積が少なくなる。また、後で説明するように、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させて逆止弁２７の第２の弁体６１に衝突させて逆止弁２７を開弁する際に、第１の弁体５２の衝突する側が低くなっているので、水滴が凍結した場合でも、第１の弁体５２が衝突して大きな開弁力を第２の弁体６１に及ぼすことが出来るよう構成されている。また、バタフライ弁２４の下流側が重力方向下側となるように配置されているので、燃料電池１０の停止の際に第１の弁体５２と空気出口管１４のシール部１４ｂ或いは内面１４ａとの間に水が滞留して、第１の弁体５２と空気出口管１４とが凍結固着することを抑制することが出来るよう構成されている。
【００２６】
図２に示すように、第２の弁体６１の先端６７側にある空気出口管１４のシール部１４ｂは、第１の弁体５２の先端６０の移動線である円５９に沿ってフランジ５１の合わせ面５１ａに向かって角度θ2だけ延びている。これによって、本実施形態は、弁空気流量が少ない場合のバタフライ弁２４の入口と出口との間の圧力差を大きくすることが出来、低流量の場合で燃料電池１０の空気流路の圧力を高く保持して運転することが出来る。また、第２の弁体６１の根元６６側の空気出口管１４の内面１４ａにはフランジ５１の合わせ面５１ａに向かう半径の大きな曲面５７が設けられている。
【００２７】
図４に示すように、逆止弁２７の第２の弁体６１は、燃料電池１０側の空気圧力が希釈器１６側の空気圧力よりも高くなると圧力差によって下流側である希釈器１６側に符号６１ｂで示すように撓み、合わせ面５１ａに固定されていない先端６７がフランジ５１の合わせ面５１ａから離れることによって第２の弁体６１が開口５６を開放し、開弁する。また、第２の弁体６１は、合わせ面５１ａ側に湾曲するような初期変位を与えたバネ材を固定ボルト６２で合わせ面５１ａに固定しているので、燃料電池１０側の空気圧力と希釈器１６側の空気圧力との間に圧力差がない場合には、その付勢力によって合わせ面５１ａに密着して符号６１ａで示すように合わせ面５１ａの開口５６を塞ぎ、空気をシールする。このように、逆止弁２７は下流に向かって開弁する構造となっていることから、従来技術のポペット弁のように誤閉弁によって燃料電池システム１００が運転できなくなることを抑制することが出来るよう構成されている。
【００２８】
図２に示すように、空気排出管１５は、上流側に外周に向って突出するフランジ６３を備えており、フランジ６３はボルト５８によって空気出口管１４のフランジ５１に取り付けられている。フランジ６３と空気排出管１５との間には、第２の弁体６１が下流側に撓むことが出来るスペースを取るためのテーパ状の接続部６５が設けられている。そして、空気排出管１５は、その中心線１５ｃが空気出口管１４の中心線１４ｃから第２の弁体６１の先端６７側に向かう方向に傾斜するように配置され、第２の弁体６１が開弁した際に空気がスムースに空気出口管１４から空気排出管１５に向って流れることが出来るよう構成されている。
【００２９】
図２に示すように、第１の弁体５２は回転軸５４の周りに回転し、その先端６０，６０’の回転半径はＲとなっている。このため、第１の弁体５２の先端６０、６０’は、回転軸５４を中心とする円５９に沿って移動する。一方、フランジ５１の合わせ面５１ａに垂直方向の回転軸５４と合わせ面５１ａとの距離Ｄは、回転半径Ｒより小さくなっている。このため、第１の弁体５２が回転軸５４の回りに回転するとその先端６０は、合わせ面５１ａよりも下流側に突出することとなる。一方、燃料電池１０側の空気圧力と希釈器１６側の空気圧力との間に圧力差がない場合には、逆止弁２７は閉弁状態となり、第２の弁体６１の上流側の面は合わせ面５１ａに密着する。このため、逆止弁２７が閉弁状態の場合には、第２の弁体６１の上流側の面と垂直方向の回転軸５４と第２の弁体６１の上流側の面との距離は距離Ｄと等しく、回転半径Ｒより小さくなっている。このため、逆止弁２７が閉弁状態で、バタフライ弁２４の第１の弁体５２が符号５２ａで示す全閉位置から角度θ1だけ反時計周りに符号５２ｂで示す位置まで回転すると、第１の弁体５２の先端６０は第２の弁体６１の上流側の面に接することとなる。そして、第１の弁体５２の中心線５５が符号５５ｃで示す第２の弁体６１の上流側の面と垂直となる位置まで第１の弁体５２が回転すると、第１の弁体５２は符号５２ｃで示す位置となり、回転半径Ｒと距離Ｄとの距離差分だけ先端６０で第２の弁体６１を下流側に押し出す。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００に用いられる弁セット５０は、バタフライ弁２４と逆止弁２７とが一体で、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側の面に当接させてバタフライ弁２４の開弁力で第２の弁体６１を下流方向に押し出すことが出来るよう構成されていることから、容易に逆止弁２７を開弁させることが出来る。また、バタフライ弁２４はモータ２５によって駆動されることから、氷点下で凍結固着を解除するような大きな開弁力が必要な場合に、モータ２５のコイルの抵抗が少なくなりモータ２５のトルクが増加し、大きな開弁力が得られるよう構成されている。さらに、逆止弁２７の開閉にアクチュエータが不要となることから、開弁応答が早い上、燃料電池システム１００を小型化することができるよう構成されている。
【００３１】
以上のように構成された燃料電池システム１００の始動の際の動作について説明する。燃料電池システム１００の停止中は、入口空気遮断弁２１と、バタフライ弁２４とは全閉で、空気圧縮機１１と水素ポンプ３３とは停止しているものとして以下説明する。図２に示すように、バタフライ弁２４が全閉の場合、第１の弁体５２は、略垂直に下に向かって延びる空気出口管１４の中心線１４ｃと略垂直な水平方向に向いた符号５２ａで示す位置にある。この位置での第１の弁体５２の中心線は符号５５ａで示されており、第１の弁体５２と同様、空気出口管１４の中心線１４ｃと略垂直な水平方向に向いている。
【００３２】
燃料電池システム１００の始動スイッチがオンとなると、図５のステップＳ１０１に示すように、制御部４０は、空気圧縮機１１を始動する。すると、空気供給管１２と作動空気管１８の空気圧力が上昇してくるので、制御部４０は、図５のステップＳ１０２に示すように、パイロット弁１９を開として作動空気をアクチュエータ２２に流入させ、入口空気遮断弁２１を開とする。入口空気遮断弁２１が開となると空気入口管１３から燃料電池１０のカソード側の空気流路に空気が流入し、空気出口管１４まで燃料電池１０の空気流路が加圧される。この際、バタフライ弁２４は、まだ全閉なのでバタフライ弁２４の下流にある逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側の面は加圧されていない。そして、図５のステップＳ１０３に示すように、制御部４０は空気入口管１３に設けられた圧力センサ２３によって空気圧力Ｐを検出し、その値と第１の圧力Ｐ1と比較する。第１の圧力Ｐ1は、燃料電池１０の通常運転圧力としても良いし、通常運転圧力より少し高い圧力としてもよい。ただし、燃料電池１０の空気流路の最大許容圧力よりも低い圧力である。制御部４０は、空気圧力Ｐが第１の圧力Ｐ1まで上昇するまでは燃料電池１０の空気流路が加圧されていないと判断し、図５のステップＳ１０３に示すように空気圧力が第１の圧力Ｐ1に上昇するまで待機する。そして、制御部４０は、空気圧力Ｐが第１の圧力Ｐ1よりも高くなったら、燃料電池１０の空気流路が加圧されたと判断し、図５のステップＳ１０４に示すように、バタフライ弁２４を開弁する指令を出力する。
【００３３】
この指令によって、バタフライ弁２４を駆動するモータ２５が回転を開始し、第１の弁体５２が図２に示す反時計方向に向かって回転を開始する。回転を開始すると、第１の弁体５２の第２の弁体６１の根元６６側、図２の上では第１の弁体５２の右側の先端６０’が、空気出口管１４の内面１４ａと離れ始め、空気が第１の弁体５２の下流側に流入し始める。この際、第１の弁体５２の第２の弁体６１の先端６７側、図２の上では第１の弁体５２の左側の先端６０は、空気出口管１４の内面のシール部１４ｂと接触しているため、先端６０側からは空気が第１の弁体５２の下流側には流入してこない。そして、第１の弁体５２が図２に示す角度θ2だけ回転すると、第１の弁体５２の左側の先端６０は、空気出口管１４の内面のシール部１４ｂから離れるため、先端６０側から空気が第１の弁体５２の下流側に流入し始める。
【００３４】
空気が第１の弁体５２の下流側に流入し始めると逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側（燃料電池１０側）の面には、次第に空気圧力が掛かり始める。一方、第２の弁体６１の下流側（希釈器１６側）は大気に開放されていることから、逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側（燃料電池１０側）の空気圧力と下流側（希釈器１６側）の空気圧力との圧力差は次第に大きくなってくる。そして、この圧力差によって第２の弁体６１を下流方向に撓ませる力が第２の弁体６１をフランジ５１の合わせ面５１ａに密着させようとする付勢力よりも大きくなると、第２の弁体６１は、弁座である合わせ面５１ａの表面から離れ、下流側に向って撓み始める。
【００３５】
第２の弁体６１が下流側に向って撓んでいく速度が第１の弁体５２の回転速度よりも速い場合には、第１の弁体５２が角度θ2から角度θ1まで回転し、第１の弁体５２の中心線５５を符号５５ｂで示し、第１の弁体５２を符号５２ｂで示す位置まで移動する間に第２の弁体６１は符号６１ｂで示す位置まで撓み、その上流側の面は第１の弁体５２の先端６０の回転円である円５９の下流側まで移動する。このため、第１の弁体５２と第２の弁体６１は接触しない。
【００３６】
一方、第２の弁体６１が下流側に向って撓んでいく速度が第１の弁体５２の回転速度よりも遅い場合には、第１の弁体５２が角度θ1まで回転し、第１の弁体５２の中心線５５を符号５５ｂで示し、第１の弁体５２を符号５２ｂで示す位置まで移動すると第１の弁体５２は第２の弁体６１の上流側の面に接触する。そして、第１の弁体５２は第２の弁体６１を下流側に開弁させながら回転していく。そして、第１の弁体５２が所定の角度まで回転して回転が停止すると、第２の弁体６１の上流側の面は、第１の弁体５２から離れてさらに下流側に撓んで行く。そして、第２の弁体６１は、符号６１ｂで示す位置まで撓み、その上流側の面は、第１の弁体５２の先端６０の回転円である円５９の下流側まで移動し、第１の弁体５２と第２の弁体６１は接触しなくなる。このため、通常運転中にはバタフライ弁２４の第１の弁体５２と逆止弁２７の第２の弁体６１とは接触せず、調圧精度の悪化を抑制することが出来る。
【００３７】
この様に、バタフライ弁２４、逆止弁２７がそれぞれ開弁すると、燃料電池１０の空気流路とそれに接続されている空気入口管１３、空気出口管１４の空気圧力Ｐが低下してくる。制御部４０は、図５のステップＳ１０５に示すように、圧力センサ２３によって検出した空気圧力Ｐが第２の圧力Ｐ2よりも低くなるかどうかを判断する。第２の圧力Ｐ2は、第１の圧力Ｐ1よりも低い圧力で、第１の圧力Ｐ1と第２の圧力Ｐ2との差圧によって、バタフライ弁２４、逆止弁２７が開となったことを判断することが出来る程度の圧力であればよく、例えば、第１の圧力Ｐ1の９０％程度の圧力であってもよい。そして、図５のステップＳ１０６に示すように、圧力センサ２３によって検出した空気圧力Ｐが第２の圧力Ｐ2よりも低い場合には、制御部４０は、逆止弁２７が開弁したと判断し、図５のステップＳ１０７に示すように、燃料電池１０の運転を開始する。
【００３８】
しかし、燃料電池１０が停止すると燃料電池１０の空気流路の中には空気と共に発電によって生成された水分が滞留している。この水分は次第に重力下側にある空気出口管１４に落下し、重力方向下側に配置されている逆止弁２７の第２の弁体６１の先端６７側の上流側の面と弁座である合わせ面５１ａとの間に滞留する。この状態で燃料電池１０の温度が低下すると、滞留した水分は凍結し、第２の弁体６１と合わせ面５１ａとが固着してしまう。第２の弁体６１の凍結固着が発生すると、空気圧縮機１１を始動し、バタフライ弁２４を開として、第２の弁体６１の上流側の面に第１圧力Ｐ1が掛かるような状態となっても、固着力の方が空気の差圧による開弁方向の力よりも大きいため、逆止弁２７は開弁せず、第２の弁体６１は合わせ面５１ａに固着した符号６１ａで示す閉弁状態のままとなる。
【００３９】
この様に、第２の弁体６１が合わせ面５１ａに固着した状態で、図５のステップＳ１０４のようにバタフライ弁２４を開とする指令が出力されると、バタフライ弁２４のモータ２５が始動し、第１の弁体５２が図２の矢印の方向に向かって反時計周りの方向に回転を開始する。第１の弁体５２が先に符号５２ａで示す初期位置から角度θ2だけ回転して、第１の弁体５２の下流側、すなわち、第２の弁体６１の上流側、に空気が流入して、その圧力が第１の圧力Ｐ1となっても、先に説明したように、第２の弁体６１は合わせ面５１ａに固着したままで、逆止弁２７は閉の状態となっている。
【００４０】
図６に示すように、モータ２５によって回転駆動されるバタフライ弁２４の第１の弁体５２の回転速度は、回転角度が大きくなると速くなっていく。そして、弁体の回転角度が図６に示すようにある角度θ3以上になると速度Ｖ1の高速回転状態となる。この角度θ3はバタフライ弁２４の駆動用のモータ２５の出力或いは動力特性によるが、逆止弁２７の第２の弁体６１が合わせ面５１ａに密着した閉状態で、第１の弁体５２が符号５２ａで示す全閉位置から、第１の弁体５２の先端６０が第２の弁体６１の上流側の面に接触するまでの回転角度θ1よりも小さい角度となるようにモータ２５の容量が決定されている。この様に構成することで、第１の弁体５２の回転速度が速度Ｖ1の高速状態となってから第１の弁体５２が第２の弁体６１の上流側の面に衝突するようにすることが出来る。
【００４１】
第１の弁体５２が高速状態で第２の弁体６１の上流側の面に衝突すると、その衝撃力で逆止弁２７の第２の弁体６１と合わせ面５１ａとの間で凍結している氷から弁体が離脱する。そして、第２の弁体６１は第１の弁体５２の先端６０によって下流方向に向かって押し出される。第２の弁体６１の上流側の面と下流側の面との圧力差による開弁力と、第１の弁体５２の先端６０による開弁力とによって第２の弁体６１は下流方向に押し出され、開弁する。開弁すると、空気が逆止弁２７を通って希釈器１６に向って流出し、空気入口管１３、燃料電池１０の空気流路、空気出口管１４の圧力は低下する。そして、図５のステップＳ１０５に示すように、制御部４０は、圧力センサ２３によって取得した空気圧力が第２の圧力Ｐ2よりも低い場合には、図５のステップＳ１０６に示すように、逆止弁２７は開弁したものと判断し、図５のステップＳ１０７に示すように、燃料電池１０の運転を開始する。
【００４２】
一方、図５のステップＳ１０４に示すように、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させて逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側の面に衝突させても、圧力センサ２３によって検出した空気圧力が第２の圧力Ｐ2よりも低くならない場合には、制御部４０は、図５のステップＳ１０８に示すように、逆止弁２７の第２の弁体６１は、合わせ面５１ａに固着したままで、凍結固着は解除されていないと判断する。そして、制御部４０は、図５のステップＳ１０９に示すように、角度センサ２６によってバタフライ弁２４の第１の弁体５２の全閉位置からの回転角度を取得し、第１の弁体５２を符号５２ａで示す初期位置である全閉位置まで時計回りの方向に回転させる。そして、図５のステップＳ１０４に示すように、再度、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させて第２の弁体６１の上流側の面に衝突させるリトライ動作を行う。衝突させた後、制御部４０は、図５のステップＳ１０５に示すように、圧力センサ２３によって空気圧力Ｐを検出し、第２の圧力Ｐ2と比較する。そして、空気圧力Ｐが第２の圧力Ｐ2よりも低くなっていたら、逆止弁２７の凍結固着は解除され、逆止弁２７は開弁したと判断して、図５のステップＳ１０７に示すように、燃料電池１０の運転を開始する。
【００４３】
また、空気圧力Ｐが第２の圧力Ｐ2よりも低くならない場合には、図５のステップＳ１０８に示すように、逆止弁２７の凍結固着は解除されていないと判断し、制御部４０は再度、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を初期位置に戻してバタフライ弁２４の開動作を行う。制御部４０は、圧力センサ２３によって検出した空気圧力Ｐが第２の圧力Ｐ2よりも低くなり、逆止弁２７の凍結が解除されたと判断するまで、バタフライ弁２４の第２の弁体６１を回転させるリトライ動作を繰り返す。
【００４４】
上記の実施形態では、リトライ動作の際に一端バタフライ弁２４の第１の弁体５２を時計回りに回転させて初期位置である全閉位置に移動させてから再度、反時計周りに回転させることとして説明したが、第１の弁体５２が第２の弁体６１に衝突した反動で、時計周りに初期位置を越えて図２の上で時計周りに回転して停止した場合には、全閉位置まで移動させずに停止した位置から反時計周りに第１の弁体５２を回転させるようにしてもよい。
【００４５】
この様に、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１０の停止中に逆止弁２７の第２の弁体６１が凍結固着した場合であっても、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を高速回転状態で衝突させて第２の弁体６１の凍結固着を解除することが出来るので、凍結解除のために駆動力の大きなアクチュエータを備える必要がなく、燃料電池システム１００を小型化、コンパクトにすることが出来る。
【００４６】
図７を参照しながら、本発明の他の実施形態の弁セット５０について説明する。図２を参照して説明したのと同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図７に示す弁セット５０は、フランジ５１の合わせ面５１ａの傾斜方向が図２に示した実施形態と逆になっており、逆止弁２７の第２の弁体６１の先端６７側が高く、第２の弁体６１の根元６６側が低くなるよう構成されている。この様に構成されていることから、燃料電池１０の停止中の燃料電池１０から落下した水滴は、第２の弁体６１の上流側の面とフランジ５１の合わせ面５１ａの第２の弁体６１の根元６６側によって仕切られる領域に滞留水として滞留する。このため、滞留水が凍結した場合、逆止弁２７の第２の弁体６１の先端６７側は凍結しない。そして、バタフライ弁２４の第１の弁体５２によって第２の弁体６１を下流側に押し出す場合に、第２の弁体６１の固定ボルト６２と第１の弁体５２と第２の弁体６１の上流側の面の当接点との間の長さを腕の長さとするモーメント力によって、第２の弁体６１の根元６６側に凍結した氷から弁体を離脱させることが出来るので、図２を参照して説明した実施形態よりもより容易に第２の弁体６１の凍結を解除することが出来る。
【００４７】
本実施形態では、第２の弁体６１の先端６７側の合わせ面５１ａが第１の弁体５２の回転軸５４に近くなっているので、符号５２ａで示される全閉位置から第１の弁体５２の先端６０が第２の弁体６１の上流側の面に当接するまでの回転角度θ1が図２に示した実施形態よりも小さくなっている。このため、本実施形態では、バタフライ弁２４の第１の弁体５２の回転速度を素早く上昇させるように大きな駆動用のモータ２５を備えている。また、大きなモータ２５を備えず、バタフライ弁２４を開弁する際には、第１の弁体５２を一端、図７上で時計周り方向に回転させてから第２の弁体６１に向って反時計周りに回転させるようにして、第２の弁体６１に衝突するまでの第１の弁体５２の反時計周り方向への回転角度を大きくするようにして動作させるようにしてもよい。
【００４８】
本実施形態の弁セット５０を組み入れた燃料電池システム１００は先に図２に示した弁セット５０を組み入れた燃料電池システム１００と同様の効果を奏する。
【００４９】
以上説明した実施形態では、空気出口管１４は燃料電池１０から略垂直に重力方向下向きに配置されているものとして説明したが、空気出口管１４の配置は水平に配置してもよく、また、バタフライ弁２４の第１の弁体５２の回転軸５４は、図２、図７に示したように水平方向のみではなく、垂直方向を含む他の方向として構成されていてもよい。
【００５０】
次に、図８から図１０を参照して、図７に示した弁セット５０が組み込まれた燃料電池システムの燃料電池１０の停止中の動作について説明する。
【００５１】
図８のステップＳ２０１に示すように、制御部４０は、燃料電池１０の停止指令を出力する。この指令によって、図１に示す空気圧縮機１１と、水素ポンプ３３とが停止し、入口空気遮断弁２１、バタフライ弁２４が閉となる。そして、燃料電池１０の空気流路への空気の流入が停止して、図１０に示す逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側と下流側との圧力差がなくなるので、第２の弁体６１は符号６１ａで示すようにフランジ５１の合わせ面５１ａに密着し、外気が希釈器１６から燃料電池１０の方向に流れこまないようになる。
【００５２】
燃料電池１０が停止して、空気入口、出口の弁が閉となって、燃料電池１０の空気流路、空気入口管１３、空気出口管１４とが外気と遮断された状態で、燃料電池１０の温度が低下してくると、燃料電池１０の空気流路や空気入口管１３、空気出口管１４に残留している湿分は、凝縮して水滴となり、燃料電池１０の重力方向下側に配置されている弁セット５０に落下してくる。一方、湿分が凝縮することによって、燃料電池１０の空気流路、空気入口管１３、空気出口管１４の圧力は図９に示すように低下を初め、大気圧よりも低い真空状態となってくる。真空状態となると、図１０に示す逆止弁２７の第２の弁体６１は、希釈器１６の側から燃料電池１０の側に向かう力を受け、この力によって第２の弁体６１は弁座であるフランジ５１の合わせ面５１ａに押し付けられる。そして、図１０に示すように、燃料電池１０から落下してきた水滴は重力方向下側にある第２の弁体６１の根元６６側の第２の弁体６１と空気出口管１４の内面１４ａにある曲面５７によって区切られる三角形状の領域に滞留水７０として滞留してくる。
【００５３】
燃料電池１０の温度がさらに低下すると、燃料電池１０の空気流路と空気入口管１３と空気出口管１４の圧力は、閾値Ｐ3よりも低くなってくる。図８のステップＳ２０２に示すように、制御部４０は、圧力センサ２３によって空気圧力Ｐを取得し、その空気圧力Ｐを閾値Ｐ3と比較する。そして、空気圧力Ｐが閾値Ｐ3よりも低くなったら、図８のステップＳ２０３に示すようにバタフライ弁２４を開弁する指令を出力する。
【００５４】
この指令によって、モータ２５を始動して、図１０に示すように符号５２ａで示す全閉位置で停止していたバタフライ弁２４の第１の弁体５２を反時計周りに回転させる。第１の弁体５２が図１０に符号５２ｂで示すように角度θ1だけ回転すると、第１の弁体５２の先端６０は符号６１ｂの位置にある第２の弁体６１の上流側の面に当たる。そして、さらに第１の弁体５２が回転すると、第１の弁体５２は合わせ面５１ａに密着している第２の弁体６１の上流側の面を下流に向かって押し出す。すると、第２の弁体６１と合わせ面５１ａとの間に隙間が開き、空気が希釈器１６側から真空状態の燃料電池１０側に入り込んでくる。すると、図９に示すように、圧力センサ２３によって検出される空気圧力Ｐは閾値Ｐ3から大気圧力まで上昇する。
【００５５】
制御部４０は、図８のステップＳ２０４に示すように、圧力センサ２３によって取得した空気圧力Ｐが閾値Ｐ3から上昇したら、図８のステップＳ２０５に示すように、逆止弁２７が開弁したものと判断する。空気出口管１４の空気圧力Ｐが大気圧になると、逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側の圧力と下流側の圧力との圧力差がなくなり、第２の弁体６１を合わせ面５１ａに押し付けている力が低下するので、バタフライ弁２４の第１の弁体５２は逆止弁２７の第２の弁体６１を下流側に押し開きやすくなり、図１０の符号５２ｃで示す全開位置まで回転して、第２の弁体６１を符号６１ｂで示す位置まで下流側に向って押し広げる。すると、第２の弁体６１と合わせ面５１ａとの間に滞留している滞留水７０が重力によって重力方向下側に配置されている希釈器１６側に流れでる。
【００５６】
制御部４０は、図８のステップＳ２０５で逆止弁２７が開弁したと判断したら、図８のステップＳ２０６に示すように、所定の時間Δｔだけバタフライ弁２４を全開状態に保ち、逆止弁２７の開状態を保持する。この所定の時間Δｔは、図１０に示す滞留水７０が逆止弁２７の第２の弁体６１の希釈器１６側に流れ出るのに必要な時間であって、例えば、１分から２分程度の時間としてもよい。
【００５７】
制御部４０は、所定の時間Δｔが経過したら、図８のステップＳ２０７に示すように、バタフライ弁２４を閉とする指令を出力する。この指令によって、モータ２５が回転し、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を図１０で時計周りの方向に回転させ、図１０に符号５２ａで示す全閉位置まで移動させ、バタフライ弁２４を全閉として空気出口管１４に滞留した滞留水７０の排水動作を終了する。
【００５８】
バタフライ弁２４が全閉となって燃料電池の空気流路、空気入口管１３、空気出口管１４が大気と遮断されると、再び燃料電池１０の温度低下によって燃料電池１０の圧力が低下を始める。しかし、燃料電池１０の空気流路内には湿分がほとんどなくなっていることから、空気圧力Ｐの低下はゆっくりしたものとなる。
【００５９】
また、制御部４０は、図８のステップＳ２０３でバタフライ弁２４の開指令を出力した後、図８のステップＳ２０４に示すように、空気圧力Ｐが閾値Ｐ3よりも上昇してこない場合には、図８のステップＳ２０８に示すように、逆止弁２７の第２の弁体６１が凍結によって弁座である合わせ面５１ａに固着しているものと判断し、図８のステップＳ２０９に示すように、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を初期位置である全閉位置に移動させ、図８のステップＳ２０３に示すように、再度バタフライ弁２４を開とするリトライ動作を行う。そして、圧力センサ２３によって検出した空気圧力Ｐが閾値Ｐ3から上昇してくるまでリトライ動作を繰り返し、空気圧力Ｐが閾値Ｐ3よりも上昇したら、逆止弁２７が開弁したと判断して、図８のステップＳ２０６に示すように、バタフライ弁２４の全開状態を所定時間Δｔだけ継続して滞留水７０を排出した後、バタフライ弁２４を全閉状態に戻す。
【００６０】
以上説明した本発明の実施形態は、燃料電池システム１００の停止中にバタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させて逆止弁２７を開弁して空気出口管１４の内部に滞留した滞留水７０を排出することが出来るので、滞留水７０が空気出口管１４の内部で凍結して逆止弁２７やバタフライ弁２４が固着してしまうことを抑制することができる。
【００６１】
上記の実施形態では、圧力センサ２３によって検出した空気圧力Ｐが閾値Ｐ3に低下した際にバタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させることとして説明したが、燃料電池１０に取り付けた温度センサ２８によって燃料電池１０の温度の低下を検出し、所定の温度以下となったらバタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させて逆止弁２７を開とする様にしてもよい。
【００６２】
図１１を参照しながら、燃料電池１０の停止の際のバタフライ弁２４の他の動作について説明する。図１１のステップＳ３０１に示すように、燃料電池システム１００の停止指令が出力されると、制御部４０は、図１１のステップＳ３０２に示すように、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を図７の上で時計周りとなる閉弁方向に回転させる。また、制御部４０は図１に示す角度センサ２６によって第１の弁体５２の図７に符号５２ａで示す全閉位置からの回転角度θを取得する。そして、制御部４０は、図１１のステップＳ３０３に示すように、第１の弁体５２の回転角度θが、第１の弁体５２の先端６０が第２の弁体６１の内面に接する角度θ1よりも小さく、第１の弁体５２の先端６０がシール部１４ｂに接する角度θ2よりも大きくなる位置まで回転するまで待機する。そして、図１１のステップＳ３０４に示すように、第１の弁体の回転角度θがθ1とθ2との間の角度となったら第１の弁体５２の回転を停止し、図１１のステップＳ３０５に示すように、バタフライ弁２４の第１の弁体５２の回転角度θを保持し、バタフライ弁２４を中間開度状態に保持する。
【００６３】
これによって、燃料電池１０の停止中にバタフライ弁２４の第１の弁体５２の先端６０，６０’が空気出口管１４の内面１４ａ或いはシール部１４ｂと離れた状態とし、燃料電池１０の停止中に燃料電池１０から落下してきた水滴が第１の弁体５２と空気出口管１４との間で凍結固着することを抑制することができる。
【００６４】
この様に、バタフライ弁２４の開度を中間開度として燃料電池１０を停止した場合、燃料電池１０の再起動の際には、第１の弁体５２を中間開度の位置から図７に符号５２ｃで示す全開方向に向けて反時計周りに回転させて、逆止弁２７を開弁させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 燃料電池、１１ 空気圧縮機、１２ 空気供給管、１３ 空気入口管、１４ 空気出口管、１４ａ 内面、１４ｂ シール部、１４ｃ，１５ｃ，５５ 中心線、１５ 空気排出管、１６ 希釈器、１７ 大気放出管、１８ 作動空気管、１９，２０ パイロット弁、２１ 入口空気遮断弁、２２ アクチュエータ、２３ 圧力センサ、２４ バタフライ弁、２５ モータ、２６ 角度センサ、２７ 逆止弁、２８ 温度センサ、３０ 水素供給管、３１ 水素出口管、３２ 水素循環管、３３ 水素ポンプ、３４ 水素排出管、３５ 水素排出弁、３６ ケーシング、４０ 制御部、５０ 弁セット、５１，６３ フランジ、５１ａ 合わせ面、５２ 第１の弁体、５３ シャフト、５４ 回転軸、５６ 開口、５７ 曲面、５８ ボルト、５９ 円、６０，６０’，６７ 先端、６１ 第２の弁体、６２ 固定ボルト、６５ 接続部、６６ 根元、７０ 滞留水、１００ 燃料電池システム、１１０ 空気系統、１２０ 水素系統。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの始動時、停止時、停止中の制御及び、燃料電池システムの空気管路に設けられる弁セットの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電するもので、イオン交換する電解質膜の両側にアノードとカソードとが対向して配置された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、アノードに燃料を供給する燃料供給流路が形成された燃料用セパレータと、カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給流路が形成された酸化剤用セパレータと、を備えている。燃料と酸化剤には色々なガスが用いられるが、例えば、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気を用い、電気化学反応によって発電がされると共にカソードに水が生成される形式のものが多く用いられている。
【０００３】
このような燃料電池において、運転が停止した際には、カソードの酸化剤供給流路中に酸化剤ガスである空気が残留しており、アノードの燃料供給流路中には燃料ガスである水素が残留した状態となっている。この状態で外部から空気が燃料電池のカソードに流入すると、発電反応とは違う化学反応によって水素と酸素が結合して水が生成される。この反応が発生すると、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の炭素が奪われることにより、電解質膜劣化してしまう場合があった。
【０００４】
このため、カソードへの空気流入を遮断する空気遮断弁を設け、燃料電池システムの停止時に空気遮断弁を閉めた状態でアノードへ水素を供給し、燃料電池本体の発電によってカソードに残留する酸素を消費させる運転を行って電解質膜の劣化を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５―１５８５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、燃料電池の空気出口側には、カソードの空気圧力を所定の圧力に調整する圧力調節弁が設けられているが、この圧力調節弁は、空気の流れを遮断する機能がない場合がほとんどで、例えば、特許文献１で提案されているように、燃料電池への空気の流入を遮断する場合には、圧力調節弁と共に遮断弁を設置する必要があった。また、遮断弁は弁体が凍結した際でも確実に動作させられるように、駆動力の大きな電磁式または空気作動式のアクチュエータを持つポペット弁が用いられることが多い。
【０００７】
しかし、大きなアクチュエータを備える弁は弁自体の他に、アクチュエータのために大きなスペースが必要となることから、燃料電池システムが大型化してしまうことがあった。他方で、自動車などに搭載する燃料電池システムは、小型、コンパクトであることが要求されていた。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池システムを小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の弁セットは、燃料電池に接続される空気管路に設けられ、空気の流れ及び圧力を調整する弁セットであって、流れ方向と交差する回転軸の周りに回転する第１の弁体を有するバタフライ弁と、バタフライ弁の下流側に設けられ、その上流と下流との圧力差によって撓む板状の第２の弁体を有する逆止弁と、を備え、各弁は、逆止弁が閉状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体に接する様に配置されていること、を特徴とする。
【００１０】
本発明の弁セットにおいて、逆止弁が閉状態の場合、逆止弁の第２の弁体の上流側の面とバタフライ弁の第１の弁体の回転中心との間の第２の弁体の上流側の面に垂直な方向の距離は、第１の弁体の先端の回転半径よりも小さいこと、としても好適であるし、逆止弁が開弁状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体の上流側面を下流方向に向かって押し出して、逆止弁を開弁させること、としても好適である。
【００１１】
本発明の弁セットにおいて、逆止弁の第２の弁体は、空気管路の流れ方向と交差し下流側に向いているフランジ面に一端が片持ち式に固定され、他端は弾性変形によってフランジ面に対して接離自在となるよう取り付けられ、逆止弁は第２の弁体の他端がフランジ面から下流側に向って移動することにより開弁すること、としても好適であるし、逆止弁の開度は空気流量が増加するに従って増加し、空気流量が所定の流量以上の場合、逆止弁の第２の弁体の上流側の面は第１の弁体の先端の回転円の下流側に位置していること、としても好適であるし、バタフライ弁の第１の弁体が全閉位置から、第１の弁体の先端が逆止弁の第２の弁体に当接する当接位置までの第１の弁体の回転角度は、所定の角度よりも大きいこと、としても好適である。
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気との電気化学反応で発電する燃料電池と、燃料電池に接続される空気管路に設けられ、流れ方向と交差する回転軸の周りに回転する第１の弁体を有するバタフライ弁と、バタフライ弁の下流側に設けられ、その上流と下流との圧力差によって撓む板状の第２の弁体を有する逆止弁と、を含み、逆止弁が閉状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体に当たる様に配置されている弁セットと、バタフライ弁の開度を変更する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池の始動の際に、バタフライ弁の第１の弁体を回転させ、閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させて逆止弁を開弁状態にする逆止弁開弁手段を有すること、を特徴とする。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池に空気を供給する空気圧縮機と、空気管路の圧力を検出する圧力検出手段と、を含み、制御部は、空気圧縮機を始動して空気管路の圧力を第１の圧力まで上昇させた後、逆止弁開弁手段によって逆止弁を開弁すること、としても好適であるし、制御部は、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後の空気管路の圧力が第２の圧力より低くなった場合には逆止弁が開弁したと判断し、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後の空気管路の圧力が第２の圧力より低くならなかった場合には逆止弁が開弁していないと判断する逆止弁開弁判断手段を含み、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後に逆止弁が開弁していないと判断した場合には、再度バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させるリトライ手段を有すること、としても好適である。
【００１４】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池を格納する格納ケースを含み、弁セットは、格納ケースの中に下流側が重力方向下側となるように配置されていること、としても好適であるし、制御部は、燃料電池の停止中にバタフライ弁の第１の弁体を回転させて逆止弁の第２の弁体に接離させ、逆止弁の開閉を行うこと、としても好適であるし、空気圧力を検出する圧力センサまたは燃料電池の温度を検出する温度センサを含み、制御部は、燃料電池の停止中に空気圧力または燃料電池の温度がそれぞれ所定の閾値よりも低くなった場合に、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて逆止弁の第２の弁体に接離させ、逆止弁の開閉を行うこと、としても好適である。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の停止の際に、第１の弁体が逆止弁の第２の弁体に接しない中間開度にバタフライ弁を開弁した状態で燃料電池を停止する停止手段を有すること、としても好適であるし、逆止弁開弁手段は、中間開度で停止しているバタフライ弁の第１の弁体を全開方向に回転させること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、燃料電池システムを小型化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す系統図である。
【図２】本発明の実施形態における弁セットの断面を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態における弁セットを構成するバタフライ弁の構造を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態における弁セットを構成する逆止弁の構造を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態における燃料電池システムの始動工程を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態における弁セットを構成するバタフライ弁の弁体の回転角度と弁体の回転速度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施形態における弁セットの断面を示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態における燃料電池システムの停止中の弁の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態における燃料電池システムの空気圧力の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態における弁セットの動作を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施形態における燃料電池システムの停止動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料に水素、酸化剤ガスに空気を用いる燃料電池１０と、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する空気系統１１０と、アノード側に水素を供給する水素系統１２０と、燃料電池１０と、空気系統１１０と水素系統１２０の運転を制御する制御部４０とを備えている。
【００１９】
空気系統１１０は、燃料電池１０に空気を供給する空気圧縮機１１と、空気圧縮機１１の吐出空気を燃料電池１０に供給する空気供給管１２と、空気供給管１２に設けられた入口空気遮断弁２１と、入口空気遮断弁２１と燃料電池１０の空気入口とを接続する空気入口管１３と、燃料電池１０の空気出口に接続された空気出口管１４と、空気出口管１４に接続されたバタフライ弁２４と、バタフライ弁２４の下流側に直結された逆止弁２７と、逆止弁２７の下流側に接続される空気排出管１５と、空気排出管１５に接続された希釈器１６と、一端が希釈器１６に接続され、他端が大気に開放されている大気放出管１７と、を備えている。バタフライ弁２４と逆止弁２７とは弁セット５０を構成し、バタフライ弁２４はモータ２５によって内部の弁体が回転駆動され、バタフライ弁２４には弁体の回転角度する角度センサ２６が取り付けられている。また、空気入口管１３には空気圧力を検出する圧力センサ２３が取り付けられている。
【００２０】
入口空気遮断弁２１は空気供給管１２から分岐した作動空気管１８から作動空気が供給されるアクチュエータ２２によって開閉動作を行うよう構成されている。作動空気は、作動空気管１８に設けられたパイロット弁１９，２０を開閉することによってアクチュエータ２２に供給される。
【００２１】
水素系統１２０は、図示しない水素タンクから燃料電池１０に水素を供給する水素供給管３０と、燃料電池１０の水素出口管３１と、水素出口管３１と水素供給管３０とを接続する水素循環管３２と、水素循環管３２に取り付けられた水素ポンプ３３と、水素出口管３１から分岐して希釈器１６に接続される水素排出管３４と、水素排出管３４に取り付けられた水素排出弁３５とを備えている。
【００２２】
燃料電池１０と、空気入口管１３と、空気出口管１４と、バタフライ弁２４と、逆止弁２７と、空気排出管１５と、希釈器１６と、水素供給管３０と、水素出口管３１と、水素循環管３２と、水素ポンプ３３と、水素排出弁３５と、水素排出管３４とは、保温性のケーシング３６の中に格納されており、燃料電池１０の熱によってバタフライ弁２４、逆止弁２７が凍結しにくいよう構成されている。このため、燃料電池１０を車両の床下に搭載した場合でも別途防水ケーシングを設ける必要がなく、燃料電池システム１００を小型化できる。また、燃料電池１０には、その温度を検出する温度センサ２８が取り付けられている。
【００２３】
制御部４０は、内部の信号処理を行うＣＰＵと、制御プログラムや制御データを格納するメモリとを備えるコンピュータである。燃料電池１０、空気圧縮機１１、パイロット弁１９，２０、バタフライ弁２４を駆動するモータ２５、水素排出弁３５は、それぞれ制御部４０に接続され、制御部４０の指令によって駆動されるよう構成されている。また、圧力センサ２３、温度センサ２８は、角度センサ２６は制御部４０に接続され、それぞれのセンサ２３，２８，２６で検出したデータは制御部４０に入力されるよう構成されている。
【００２４】
図２に示すように、燃料電池１０から重力方向下側に向かって略垂直に延びる空気出口管１４は、バタフライ弁２４のケーシングを兼用する構造となっており、その内面１４ａには第１の弁体５２の先端６０、６０’と接して空気をシールするシール部１４ｂが設けられている。シール部１４ｂは第１の弁体５２の外周に沿った形状に設けられており、図３に示すように第１の弁体５２が円板状である場合には、シール部１４ｂも円環状となっている。図３に示すように、バタフライ弁２４は、流れ方向である空気出口管１４の中心線１４ｃと直交する方向の回転軸５４の周りに回転する第１の弁体５２と、回転軸５４に同軸に配置され、第１の弁体５２とモータ２５とを接続し、モータ２５の回転力を第１の弁体５２に伝達するシャフト５３と、を備えている。
【００２５】
図２に示すように、空気出口管１４の下流側には空気出口管１４の外周方向に突出するフランジ５１が設けられている。フランジ５１の合わせ面５１ａは開口５６を持つ平面で、逆止弁２７の弁座を兼用しており、その表面には板状の第２の弁体６１の根元６６が固定ボルト６２によって固定されている。フランジ５１の合わせ面５１ａは第２の弁体６１の根元６６側が高く、先端６７側が低くなるような傾斜がつけられ、燃料電池１０の停止中に燃料電池１０からの水滴が落下してきた場合、水滴が逆止弁２７の弁座となっている合わせ面５１ａの全面に溜まらず、重力方向下側となる先端６７側に溜まるよう構成されている。このため、滞留した水が凍結した場合であっても、合わせ面５１ａと第２の弁体６１との固着面積が少なくなる。また、後で説明するように、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させて逆止弁２７の第２の弁体６１に衝突させて逆止弁２７を開弁する際に、第１の弁体５２の衝突する側が低くなっているので、水滴が凍結した場合でも、第１の弁体５２が衝突して大きな開弁力を第２の弁体６１に及ぼすことが出来るよう構成されている。また、バタフライ弁２４の下流側が重力方向下側となるように配置されているので、燃料電池１０の停止の際に第１の弁体５２と空気出口管１４のシール部１４ｂ或いは内面１４ａとの間に水が滞留して、第１の弁体５２と空気出口管１４とが凍結固着することを抑制することが出来るよう構成されている。
【００２６】
図２に示すように、第２の弁体６１の先端６７側にある空気出口管１４のシール部１４ｂは、第１の弁体５２の先端６０の移動線である円５９に沿ってフランジ５１の合わせ面５１ａに向かって角度θ2だけ延びている。これによって、本実施形態は、弁空気流量が少ない場合のバタフライ弁２４の入口と出口との間の圧力差を大きくすることが出来、低流量の場合で燃料電池１０の空気流路の圧力を高く保持して運転することが出来る。また、第２の弁体６１の根元６６側の空気出口管１４の内面１４ａにはフランジ５１の合わせ面５１ａに向かう半径の大きな曲面５７が設けられている。
【００２７】
図４に示すように、逆止弁２７の第２の弁体６１は、燃料電池１０側の空気圧力が希釈器１６側の空気圧力よりも高くなると圧力差によって下流側である希釈器１６側に符号６１ｂで示すように撓み、合わせ面５１ａに固定されていない先端６７がフランジ５１の合わせ面５１ａから離れることによって第２の弁体６１が開口５６を開放し、開弁する。また、第２の弁体６１は、合わせ面５１ａ側に湾曲するような初期変位を与えたバネ材を固定ボルト６２で合わせ面５１ａに固定しているので、燃料電池１０側の空気圧力と希釈器１６側の空気圧力との間に圧力差がない場合には、その付勢力によって合わせ面５１ａに密着して符号６１ａで示すように合わせ面５１ａの開口５６を塞ぎ、空気をシールする。このように、逆止弁２７は下流に向かって開弁する構造となっていることから、従来技術のポペット弁のように誤閉弁によって燃料電池システム１００が運転できなくなることを抑制することが出来るよう構成されている。
【００２８】
図２に示すように、空気排出管１５は、上流側に外周に向って突出するフランジ６３を備えており、フランジ６３はボルト５８によって空気出口管１４のフランジ５１に取り付けられている。フランジ６３と空気排出管１５との間には、第２の弁体６１が下流側に撓むことが出来るスペースを取るためのテーパ状の接続部６５が設けられている。そして、空気排出管１５は、その中心線１５ｃが空気出口管１４の中心線１４ｃから第２の弁体６１の先端６７側に向かう方向に傾斜するように配置され、第２の弁体６１が開弁した際に空気がスムースに空気出口管１４から空気排出管１５に向って流れることが出来るよう構成されている。
【００２９】
図２に示すように、第１の弁体５２は回転軸５４の周りに回転し、その先端６０，６０’の回転半径はＲとなっている。このため、第１の弁体５２の先端６０、６０’は、回転軸５４を中心とする円５９に沿って移動する。一方、フランジ５１の合わせ面５１ａに垂直方向の回転軸５４と合わせ面５１ａとの距離Ｄは、回転半径Ｒより小さくなっている。このため、第１の弁体５２が回転軸５４の回りに回転するとその先端６０は、合わせ面５１ａよりも下流側に突出することとなる。一方、燃料電池１０側の空気圧力と希釈器１６側の空気圧力との間に圧力差がない場合には、逆止弁２７は閉弁状態となり、第２の弁体６１の上流側の面は合わせ面５１ａに密着する。このため、逆止弁２７が閉弁状態の場合には、第２の弁体６１の上流側の面と垂直方向の回転軸５４と第２の弁体６１の上流側の面との距離は距離Ｄと等しく、回転半径Ｒより小さくなっている。このため、逆止弁２７が閉弁状態で、バタフライ弁２４の第１の弁体５２が符号５２ａで示す全閉位置から角度θ1だけ反時計周りに符号５２ｂで示す位置まで回転すると、第１の弁体５２の先端６０は第２の弁体６１の上流側の面に接することとなる。そして、第１の弁体５２の中心線５５が符号５５ｃで示す第２の弁体６１の上流側の面と垂直となる位置まで第１の弁体５２が回転すると、第１の弁体５２は符号５２ｃで示す位置となり、回転半径Ｒと距離Ｄとの距離差分だけ先端６０で第２の弁体６１を下流側に押し出す。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００に用いられる弁セット５０は、バタフライ弁２４と逆止弁２７とが一体で、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側の面に当接させてバタフライ弁２４の開弁力で第２の弁体６１を下流方向に押し出すことが出来るよう構成されていることから、容易に逆止弁２７を開弁させることが出来る。また、バタフライ弁２４はモータ２５によって駆動されることから、氷点下で凍結固着を解除するような大きな開弁力が必要な場合に、モータ２５のコイルの抵抗が少なくなりモータ２５のトルクが増加し、大きな開弁力が得られるよう構成されている。さらに、逆止弁２７の開閉にアクチュエータが不要となることから、開弁応答が早い上、燃料電池システム１００を小型化することができるよう構成されている。
【００３１】
以上のように構成された燃料電池システム１００の始動の際の動作について説明する。燃料電池システム１００の停止中は、入口空気遮断弁２１と、バタフライ弁２４とは全閉で、空気圧縮機１１と水素ポンプ３３とは停止しているものとして以下説明する。図２に示すように、バタフライ弁２４が全閉の場合、第１の弁体５２は、略垂直に下に向かって延びる空気出口管１４の中心線１４ｃと略垂直な水平方向に向いた符号５２ａで示す位置にある。この位置での第１の弁体５２の中心線は符号５５ａで示されており、第１の弁体５２と同様、空気出口管１４の中心線１４ｃと略垂直な水平方向に向いている。
【００３２】
燃料電池システム１００の始動スイッチがオンとなると、図５のステップＳ１０１に示すように、制御部４０は、空気圧縮機１１を始動する。すると、空気供給管１２と作動空気管１８の空気圧力が上昇してくるので、制御部４０は、図５のステップＳ１０２に示すように、パイロット弁１９を開として作動空気をアクチュエータ２２に流入させ、入口空気遮断弁２１を開とする。入口空気遮断弁２１が開となると空気入口管１３から燃料電池１０のカソード側の空気流路に空気が流入し、空気出口管１４まで燃料電池１０の空気流路が加圧される。この際、バタフライ弁２４は、まだ全閉なのでバタフライ弁２４の下流にある逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側の面は加圧されていない。そして、図５のステップＳ１０３に示すように、制御部４０は空気入口管１３に設けられた圧力センサ２３によって空気圧力Ｐを検出し、その値と第１の圧力Ｐ1と比較する。第１の圧力Ｐ1は、燃料電池１０の通常運転圧力としても良いし、通常運転圧力より少し高い圧力としてもよい。ただし、燃料電池１０の空気流路の最大許容圧力よりも低い圧力である。制御部４０は、空気圧力Ｐが第１の圧力Ｐ1まで上昇するまでは燃料電池１０の空気流路が加圧されていないと判断し、図５のステップＳ１０３に示すように空気圧力が第１の圧力Ｐ1に上昇するまで待機する。そして、制御部４０は、空気圧力Ｐが第１の圧力Ｐ1よりも高くなったら、燃料電池１０の空気流路が加圧されたと判断し、図５のステップＳ１０４に示すように、バタフライ弁２４を開弁する指令を出力する。
【００３３】
この指令によって、バタフライ弁２４を駆動するモータ２５が回転を開始し、第１の弁体５２が図２に示す反時計方向に向かって回転を開始する。回転を開始すると、第１の弁体５２の第２の弁体６１の根元６６側、図２の上では第１の弁体５２の右側の先端６０’が、空気出口管１４の内面１４ａと離れ始め、空気が第１の弁体５２の下流側に流入し始める。この際、第１の弁体５２の第２の弁体６１の先端６７側、図２の上では第１の弁体５２の左側の先端６０は、空気出口管１４の内面のシール部１４ｂと接触しているため、先端６０側からは空気が第１の弁体５２の下流側には流入してこない。そして、第１の弁体５２が図２に示す角度θ2だけ回転すると、第１の弁体５２の左側の先端６０は、空気出口管１４の内面のシール部１４ｂから離れるため、先端６０側から空気が第１の弁体５２の下流側に流入し始める。
【００３４】
空気が第１の弁体５２の下流側に流入し始めると逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側（燃料電池１０側）の面には、次第に空気圧力が掛かり始める。一方、第２の弁体６１の下流側（希釈器１６側）は大気に開放されていることから、逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側（燃料電池１０側）の空気圧力と下流側（希釈器１６側）の空気圧力との圧力差は次第に大きくなってくる。そして、この圧力差によって第２の弁体６１を下流方向に撓ませる力が第２の弁体６１をフランジ５１の合わせ面５１ａに密着させようとする付勢力よりも大きくなると、第２の弁体６１は、弁座である合わせ面５１ａの表面から離れ、下流側に向って撓み始める。
【００３５】
第２の弁体６１が下流側に向って撓んでいく速度が第１の弁体５２の回転速度よりも速い場合には、第１の弁体５２が角度θ2から角度θ1まで回転し、第１の弁体５２の中心線５５を符号５５ｂで示し、第１の弁体５２を符号５２ｂで示す位置まで移動する間に第２の弁体６１は符号６１ｂで示す位置まで撓み、その上流側の面は第１の弁体５２の先端６０の回転円である円５９の下流側まで移動する。このため、第１の弁体５２と第２の弁体６１は接触しない。
【００３６】
一方、第２の弁体６１が下流側に向って撓んでいく速度が第１の弁体５２の回転速度よりも遅い場合には、第１の弁体５２が角度θ1まで回転し、第１の弁体５２の中心線５５を符号５５ｂで示し、第１の弁体５２を符号５２ｂで示す位置まで移動すると第１の弁体５２は第２の弁体６１の上流側の面に接触する。そして、第１の弁体５２は第２の弁体６１を下流側に開弁させながら回転していく。そして、第１の弁体５２が所定の角度まで回転して回転が停止すると、第２の弁体６１の上流側の面は、第１の弁体５２から離れてさらに下流側に撓んで行く。そして、第２の弁体６１は、符号６１ｂで示す位置まで撓み、その上流側の面は、第１の弁体５２の先端６０の回転円である円５９の下流側まで移動し、第１の弁体５２と第２の弁体６１は接触しなくなる。このため、通常運転中にはバタフライ弁２４の第１の弁体５２と逆止弁２７の第２の弁体６１とは接触せず、調圧精度の悪化を抑制することが出来る。
【００３７】
この様に、バタフライ弁２４、逆止弁２７がそれぞれ開弁すると、燃料電池１０の空気流路とそれに接続されている空気入口管１３、空気出口管１４の空気圧力Ｐが低下してくる。制御部４０は、図５のステップＳ１０５に示すように、圧力センサ２３によって検出した空気圧力Ｐが第２の圧力Ｐ2よりも低くなるかどうかを判断する。第２の圧力Ｐ2は、第１の圧力Ｐ1よりも低い圧力で、第１の圧力Ｐ1と第２の圧力Ｐ2との差圧によって、バタフライ弁２４、逆止弁２７が開となったことを判断することが出来る程度の圧力であればよく、例えば、第１の圧力Ｐ1の９０％程度の圧力であってもよい。そして、図５のステップＳ１０６に示すように、圧力センサ２３によって検出した空気圧力Ｐが第２の圧力Ｐ2よりも低い場合には、制御部４０は、逆止弁２７が開弁したと判断し、図５のステップＳ１０７に示すように、燃料電池１０の運転を開始する。
【００３８】
しかし、燃料電池１０が停止すると燃料電池１０の空気流路の中には空気と共に発電によって生成された水分が滞留している。この水分は次第に重力下側にある空気出口管１４に落下し、重力方向下側に配置されている逆止弁２７の第２の弁体６１の先端６７側の上流側の面と弁座である合わせ面５１ａとの間に滞留する。この状態で燃料電池１０の温度が低下すると、滞留した水分は凍結し、第２の弁体６１と合わせ面５１ａとが固着してしまう。第２の弁体６１の凍結固着が発生すると、空気圧縮機１１を始動し、バタフライ弁２４を開として、第２の弁体６１の上流側の面に第１圧力Ｐ1が掛かるような状態となっても、固着力の方が空気の差圧による開弁方向の力よりも大きいため、逆止弁２７は開弁せず、第２の弁体６１は合わせ面５１ａに固着した符号６１ａで示す閉弁状態のままとなる。
【００３９】
この様に、第２の弁体６１が合わせ面５１ａに固着した状態で、図５のステップＳ１０４のようにバタフライ弁２４を開とする指令が出力されると、バタフライ弁２４のモータ２５が始動し、第１の弁体５２が図２の矢印の方向に向かって反時計周りの方向に回転を開始する。第１の弁体５２が先に符号５２ａで示す初期位置から角度θ2だけ回転して、第１の弁体５２の下流側、すなわち、第２の弁体６１の上流側、に空気が流入して、その圧力が第１の圧力Ｐ1となっても、先に説明したように、第２の弁体６１は合わせ面５１ａに固着したままで、逆止弁２７は閉の状態となっている。
【００４０】
図６に示すように、モータ２５によって回転駆動されるバタフライ弁２４の第１の弁体５２の回転速度は、回転角度が大きくなると速くなっていく。そして、弁体の回転角度が図６に示すようにある角度θ3以上になると速度Ｖ1の高速回転状態となる。この角度θ3はバタフライ弁２４の駆動用のモータ２５の出力或いは動力特性によるが、逆止弁２７の第２の弁体６１が合わせ面５１ａに密着した閉状態で、第１の弁体５２が符号５２ａで示す全閉位置から、第１の弁体５２の先端６０が第２の弁体６１の上流側の面に接触するまでの回転角度θ1よりも小さい角度となるようにモータ２５の容量が決定されている。この様に構成することで、第１の弁体５２の回転速度が速度Ｖ1の高速状態となってから第１の弁体５２が第２の弁体６１の上流側の面に衝突するようにすることが出来る。
【００４１】
第１の弁体５２が高速状態で第２の弁体６１の上流側の面に衝突すると、その衝撃力で逆止弁２７の第２の弁体６１と合わせ面５１ａとの間で凍結している氷から弁体が離脱する。そして、第２の弁体６１は第１の弁体５２の先端６０によって下流方向に向かって押し出される。第２の弁体６１の上流側の面と下流側の面との圧力差による開弁力と、第１の弁体５２の先端６０による開弁力とによって第２の弁体６１は下流方向に押し出され、開弁する。開弁すると、空気が逆止弁２７を通って希釈器１６に向って流出し、空気入口管１３、燃料電池１０の空気流路、空気出口管１４の圧力は低下する。そして、図５のステップＳ１０５に示すように、制御部４０は、圧力センサ２３によって取得した空気圧力が第２の圧力Ｐ2よりも低い場合には、図５のステップＳ１０６に示すように、逆止弁２７は開弁したものと判断し、図５のステップＳ１０７に示すように、燃料電池１０の運転を開始する。
【００４２】
一方、図５のステップＳ１０４に示すように、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させて逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側の面に衝突させても、圧力センサ２３によって検出した空気圧力が第２の圧力Ｐ2よりも低くならない場合には、制御部４０は、図５のステップＳ１０８に示すように、逆止弁２７の第２の弁体６１は、合わせ面５１ａに固着したままで、凍結固着は解除されていないと判断する。そして、制御部４０は、図５のステップＳ１０９に示すように、角度センサ２６によってバタフライ弁２４の第１の弁体５２の全閉位置からの回転角度を取得し、第１の弁体５２を符号５２ａで示す初期位置である全閉位置まで時計回りの方向に回転させる。そして、図５のステップＳ１０４に示すように、再度、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させて第２の弁体６１の上流側の面に衝突させるリトライ動作を行う。衝突させた後、制御部４０は、図５のステップＳ１０５に示すように、圧力センサ２３によって空気圧力Ｐを検出し、第２の圧力Ｐ2と比較する。そして、空気圧力Ｐが第２の圧力Ｐ2よりも低くなっていたら、逆止弁２７の凍結固着は解除され、逆止弁２７は開弁したと判断して、図５のステップＳ１０７に示すように、燃料電池１０の運転を開始する。
【００４３】
また、空気圧力Ｐが第２の圧力Ｐ2よりも低くならない場合には、図５のステップＳ１０８に示すように、逆止弁２７の凍結固着は解除されていないと判断し、制御部４０は再度、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を初期位置に戻してバタフライ弁２４の開動作を行う。制御部４０は、圧力センサ２３によって検出した空気圧力Ｐが第２の圧力Ｐ2よりも低くなり、逆止弁２７の凍結が解除されたと判断するまで、バタフライ弁２４の第２の弁体６１を回転させるリトライ動作を繰り返す。
【００４４】
上記の実施形態では、リトライ動作の際に一端バタフライ弁２４の第１の弁体５２を時計回りに回転させて初期位置である全閉位置に移動させてから再度、反時計周りに回転させることとして説明したが、第１の弁体５２が第２の弁体６１に衝突した反動で、時計周りに初期位置を越えて図２の上で時計周りに回転して停止した場合には、全閉位置まで移動させずに停止した位置から反時計周りに第１の弁体５２を回転させるようにしてもよい。
【００４５】
この様に、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１０の停止中に逆止弁２７の第２の弁体６１が凍結固着した場合であっても、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を高速回転状態で衝突させて第２の弁体６１の凍結固着を解除することが出来るので、凍結解除のために駆動力の大きなアクチュエータを備える必要がなく、燃料電池システム１００を小型化、コンパクトにすることが出来る。
【００４６】
図７を参照しながら、本発明の他の実施形態の弁セット５０について説明する。図２を参照して説明したのと同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図７に示す弁セット５０は、フランジ５１の合わせ面５１ａの傾斜方向が図２に示した実施形態と逆になっており、逆止弁２７の第２の弁体６１の先端６７側が高く、第２の弁体６１の根元６６側が低くなるよう構成されている。この様に構成されていることから、燃料電池１０の停止中の燃料電池１０から落下した水滴は、第２の弁体６１の上流側の面とフランジ５１の合わせ面５１ａの第２の弁体６１の根元６６側によって仕切られる領域に滞留水として滞留する。このため、滞留水が凍結した場合、逆止弁２７の第２の弁体６１の先端６７側は凍結しない。そして、バタフライ弁２４の第１の弁体５２によって第２の弁体６１を下流側に押し出す場合に、第２の弁体６１の固定ボルト６２と第１の弁体５２と第２の弁体６１の上流側の面の当接点との間の長さを腕の長さとするモーメント力によって、第２の弁体６１の根元６６側に凍結した氷から弁体を離脱させることが出来るので、図２を参照して説明した実施形態よりもより容易に第２の弁体６１の凍結を解除することが出来る。
【００４７】
本実施形態では、第２の弁体６１の先端６７側の合わせ面５１ａが第１の弁体５２の回転軸５４に近くなっているので、符号５２ａで示される全閉位置から第１の弁体５２の先端６０が第２の弁体６１の上流側の面に当接するまでの回転角度θ1が図２に示した実施形態よりも小さくなっている。このため、本実施形態では、バタフライ弁２４の第１の弁体５２の回転速度を素早く上昇させるように大きな駆動用のモータ２５を備えている。また、大きなモータ２５を備えず、バタフライ弁２４を開弁する際には、第１の弁体５２を一端、図７上で時計周り方向に回転させてから第２の弁体６１に向って反時計周りに回転させるようにして、第２の弁体６１に衝突するまでの第１の弁体５２の反時計周り方向への回転角度を大きくするようにして動作させるようにしてもよい。
【００４８】
本実施形態の弁セット５０を組み入れた燃料電池システム１００は先に図２に示した弁セット５０を組み入れた燃料電池システム１００と同様の効果を奏する。
【００４９】
以上説明した実施形態では、空気出口管１４は燃料電池１０から略垂直に重力方向下向きに配置されているものとして説明したが、空気出口管１４の配置は水平に配置してもよく、また、バタフライ弁２４の第１の弁体５２の回転軸５４は、図２、図７に示したように水平方向のみではなく、垂直方向を含む他の方向として構成されていてもよい。
【００５０】
次に、図８から図１０を参照して、図７に示した弁セット５０が組み込まれた燃料電池システムの燃料電池１０の停止中の動作について説明する。
【００５１】
図８のステップＳ２０１に示すように、制御部４０は、燃料電池１０の停止指令を出力する。この指令によって、図１に示す空気圧縮機１１と、水素ポンプ３３とが停止し、入口空気遮断弁２１、バタフライ弁２４が閉となる。そして、燃料電池１０の空気流路への空気の流入が停止して、図１０に示す逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側と下流側との圧力差がなくなるので、第２の弁体６１は符号６１ａで示すようにフランジ５１の合わせ面５１ａに密着し、外気が希釈器１６から燃料電池１０の方向に流れこまないようになる。
【００５２】
燃料電池１０が停止して、空気入口、出口の弁が閉となって、燃料電池１０の空気流路、空気入口管１３、空気出口管１４とが外気と遮断された状態で、燃料電池１０の温度が低下してくると、燃料電池１０の空気流路や空気入口管１３、空気出口管１４に残留している湿分は、凝縮して水滴となり、燃料電池１０の重力方向下側に配置されている弁セット５０に落下してくる。一方、湿分が凝縮することによって、燃料電池１０の空気流路、空気入口管１３、空気出口管１４の圧力は図９に示すように低下を初め、大気圧よりも低い真空状態となってくる。真空状態となると、図１０に示す逆止弁２７の第２の弁体６１は、希釈器１６の側から燃料電池１０の側に向かう力を受け、この力によって第２の弁体６１は弁座であるフランジ５１の合わせ面５１ａに押し付けられる。そして、図１０に示すように、燃料電池１０から落下してきた水滴は重力方向下側にある第２の弁体６１の根元６６側の第２の弁体６１と空気出口管１４の内面１４ａにある曲面５７によって区切られる三角形状の領域に滞留水７０として滞留してくる。
【００５３】
燃料電池１０の温度がさらに低下すると、燃料電池１０の空気流路と空気入口管１３と空気出口管１４の圧力は、閾値Ｐ3よりも低くなってくる。図８のステップＳ２０２に示すように、制御部４０は、圧力センサ２３によって空気圧力Ｐを取得し、その空気圧力Ｐを閾値Ｐ3と比較する。そして、空気圧力Ｐが閾値Ｐ3よりも低くなったら、図８のステップＳ２０３に示すようにバタフライ弁２４を開弁する指令を出力する。
【００５４】
この指令によって、モータ２５を始動して、図１０に示すように符号５２ａで示す全閉位置で停止していたバタフライ弁２４の第１の弁体５２を反時計周りに回転させる。第１の弁体５２が図１０に符号５２ｂで示すように角度θ1だけ回転すると、第１の弁体５２の先端６０は符号６１ｂの位置にある第２の弁体６１の上流側の面に当たる。そして、さらに第１の弁体５２が回転すると、第１の弁体５２は合わせ面５１ａに密着している第２の弁体６１の上流側の面を下流に向かって押し出す。すると、第２の弁体６１と合わせ面５１ａとの間に隙間が開き、空気が希釈器１６側から真空状態の燃料電池１０側に入り込んでくる。すると、図９に示すように、圧力センサ２３によって検出される空気圧力Ｐは閾値Ｐ3から大気圧力まで上昇する。
【００５５】
制御部４０は、図８のステップＳ２０４に示すように、圧力センサ２３によって取得した空気圧力Ｐが閾値Ｐ3から上昇したら、図８のステップＳ２０５に示すように、逆止弁２７が開弁したものと判断する。空気出口管１４の空気圧力Ｐが大気圧になると、逆止弁２７の第２の弁体６１の上流側の圧力と下流側の圧力との圧力差がなくなり、第２の弁体６１を合わせ面５１ａに押し付けている力が低下するので、バタフライ弁２４の第１の弁体５２は逆止弁２７の第２の弁体６１を下流側に押し開きやすくなり、図１０の符号５２ｃで示す全開位置まで回転して、第２の弁体６１を符号６１ｂで示す位置まで下流側に向って押し広げる。すると、第２の弁体６１と合わせ面５１ａとの間に滞留している滞留水７０が重力によって重力方向下側に配置されている希釈器１６側に流れでる。
【００５６】
制御部４０は、図８のステップＳ２０５で逆止弁２７が開弁したと判断したら、図８のステップＳ２０６に示すように、所定の時間Δｔだけバタフライ弁２４を全開状態に保ち、逆止弁２７の開状態を保持する。この所定の時間Δｔは、図１０に示す滞留水７０が逆止弁２７の第２の弁体６１の希釈器１６側に流れ出るのに必要な時間であって、例えば、１分から２分程度の時間としてもよい。
【００５７】
制御部４０は、所定の時間Δｔが経過したら、図８のステップＳ２０７に示すように、バタフライ弁２４を閉とする指令を出力する。この指令によって、モータ２５が回転し、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を図１０で時計周りの方向に回転させ、図１０に符号５２ａで示す全閉位置まで移動させ、バタフライ弁２４を全閉として空気出口管１４に滞留した滞留水７０の排水動作を終了する。
【００５８】
バタフライ弁２４が全閉となって燃料電池の空気流路、空気入口管１３、空気出口管１４が大気と遮断されると、再び燃料電池１０の温度低下によって燃料電池１０の圧力が低下を始める。しかし、燃料電池１０の空気流路内には湿分がほとんどなくなっていることから、空気圧力Ｐの低下はゆっくりしたものとなる。
【００５９】
また、制御部４０は、図８のステップＳ２０３でバタフライ弁２４の開指令を出力した後、図８のステップＳ２０４に示すように、空気圧力Ｐが閾値Ｐ3よりも上昇してこない場合には、図８のステップＳ２０８に示すように、逆止弁２７の第２の弁体６１が凍結によって弁座である合わせ面５１ａに固着しているものと判断し、図８のステップＳ２０９に示すように、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を初期位置である全閉位置に移動させ、図８のステップＳ２０３に示すように、再度バタフライ弁２４を開とするリトライ動作を行う。そして、圧力センサ２３によって検出した空気圧力Ｐが閾値Ｐ3から上昇してくるまでリトライ動作を繰り返し、空気圧力Ｐが閾値Ｐ3よりも上昇したら、逆止弁２７が開弁したと判断して、図８のステップＳ２０６に示すように、バタフライ弁２４の全開状態を所定時間Δｔだけ継続して滞留水７０を排出した後、バタフライ弁２４を全閉状態に戻す。
【００６０】
以上説明した本発明の実施形態は、燃料電池システム１００の停止中にバタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させて逆止弁２７を開弁して空気出口管１４の内部に滞留した滞留水７０を排出することが出来るので、滞留水７０が空気出口管１４の内部で凍結して逆止弁２７やバタフライ弁２４が固着してしまうことを抑制することができる。
【００６１】
上記の実施形態では、圧力センサ２３によって検出した空気圧力Ｐが閾値Ｐ3に低下した際にバタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させることとして説明したが、燃料電池１０に取り付けた温度センサ２８によって燃料電池１０の温度の低下を検出し、所定の温度以下となったらバタフライ弁２４の第１の弁体５２を回転させて逆止弁２７を開とする様にしてもよい。
【００６２】
図１１を参照しながら、燃料電池１０の停止の際のバタフライ弁２４の他の動作について説明する。図１１のステップＳ３０１に示すように、燃料電池システム１００の停止指令が出力されると、制御部４０は、図１１のステップＳ３０２に示すように、バタフライ弁２４の第１の弁体５２を図７の上で時計周りとなる閉弁方向に回転させる。また、制御部４０は図１に示す角度センサ２６によって第１の弁体５２の図７に符号５２ａで示す全閉位置からの回転角度θを取得する。そして、制御部４０は、図１１のステップＳ３０３に示すように、第１の弁体５２の回転角度θが、第１の弁体５２の先端６０が第２の弁体６１の内面に接する角度θ1よりも小さく、第１の弁体５２の先端６０がシール部１４ｂに接する角度θ2よりも大きくなる位置まで回転するまで待機する。そして、図１１のステップＳ３０４に示すように、第１の弁体の回転角度θがθ1とθ2との間の角度となったら第１の弁体５２の回転を停止し、図１１のステップＳ３０５に示すように、バタフライ弁２４の第１の弁体５２の回転角度θを保持し、バタフライ弁２４を中間開度状態に保持する。
【００６３】
これによって、燃料電池１０の停止中にバタフライ弁２４の第１の弁体５２の先端６０，６０’が空気出口管１４の内面１４ａ或いはシール部１４ｂと離れた状態とし、燃料電池１０の停止中に燃料電池１０から落下してきた水滴が第１の弁体５２と空気出口管１４との間で凍結固着することを抑制することができる。
【００６４】
この様に、バタフライ弁２４の開度を中間開度として燃料電池１０を停止した場合、燃料電池１０の再起動の際には、第１の弁体５２を中間開度の位置から図７に符号５２ｃで示す全開方向に向けて反時計周りに回転させて、逆止弁２７を開弁させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 燃料電池、１１ 空気圧縮機、１２ 空気供給管、１３ 空気入口管、１４ 空気出口管、１４ａ 内面、１４ｂ シール部、１４ｃ，１５ｃ，５５ 中心線、１５ 空気排出管、１６ 希釈器、１７ 大気放出管、１８ 作動空気管、１９，２０ パイロット弁、２１ 入口空気遮断弁、２２ アクチュエータ、２３ 圧力センサ、２４ バタフライ弁、２５ モータ、２６ 角度センサ、２７ 逆止弁、２８ 温度センサ、３０ 水素供給管、３１ 水素出口管、３２ 水素循環管、３３ 水素ポンプ、３４ 水素排出管、３５ 水素排出弁、３６ ケーシング、４０ 制御部、５０ 弁セット、５１，６３ フランジ、５１ａ 合わせ面、５２ 第１の弁体、５３ シャフト、５４ 回転軸、５６ 開口、５７ 曲面、５８ ボルト、５９ 円、６０，６０’，６７ 先端、６１ 第２の弁体、６２ 固定ボルト、６５ 接続部、６６ 根元、７０ 滞留水、１００ 燃料電池システム、１１０ 空気系統、１２０ 水素系統。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に接続される空気管路に設けられ、空気の流れ及び圧力を調整する弁セットであって、
流れ方向と交差する回転軸の周りに回転する第１の弁体を有するバタフライ弁と、
バタフライ弁の下流側に設けられ、その上流と下流との圧力差によって撓む板状の第２の弁体を有する逆止弁と、を備え、
各弁は、逆止弁が閉状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体に接する様に配置されていること、
を特徴とする弁セット。
【請求項２】
請求項１に記載の弁セットであって、
逆止弁が閉状態の場合、逆止弁の第２の弁体の上流側の面とバタフライ弁の第１の弁体の回転中心との間の第２の弁体の上流側の面に垂直な方向の距離は、第１の弁体の先端の回転半径よりも小さいこと、
を特徴とする弁セット。
【請求項３】
請求項１または２に記載の弁セットであって、
逆止弁が開弁状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体の上流側面を下流方向に向かって押し出して、逆止弁を開弁させること、
を特徴とする弁セット。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の弁セットであって、
逆止弁の第２の弁体は、空気管路の流れ方向と交差し下流側に向いているフランジ面に一端が片持ち式に固定され、他端は弾性変形によってフランジ面に対して接離自在となるよう取り付けられ、逆止弁は第２の弁体の他端がフランジ面から下流側に向って移動することにより開弁すること、
を特徴とする弁セット。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか１項に記載の弁セットであって、
逆止弁の開度は空気流量が増加するに従って増加し、
空気流量が所定の流量以上の場合、逆止弁の第２の弁体の上流側の面は第１の弁体の先端の回転円の下流側に位置していること、
を特徴とする弁セット。
【請求項６】
請求項２から５のいずれか１項に記載の弁セットであって、
バタフライ弁の第１の弁体が全閉位置から、第１の弁体の先端が逆止弁の第２の弁体に当接する当接位置までの第１の弁体の回転角度は、所定の角度よりも大きいこと、
を特徴とする弁セット。
【請求項７】
燃料ガスと空気との電気化学反応で発電する燃料電池と、
燃料電池に接続される空気管路に設けられ、流れ方向と交差する回転軸の周りに回転する第１の弁体を有するバタフライ弁と、バタフライ弁の下流側に設けられ、その上流と下流との圧力差によって撓む板状の第２の弁体を有する逆止弁と、を含み、逆止弁が閉状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体に当たる様に配置されている弁セットと、
バタフライ弁の開度を変更する制御部と、を備え、
制御部は、
燃料電池の始動の際に、バタフライ弁の第１の弁体を回転させ、閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させて逆止弁を開弁状態にする逆止弁開弁手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池に空気を供給する空気圧縮機と、
空気管路の圧力を検出する圧力検出手段と、を含み、
制御部は、
空気圧縮機を始動して空気管路の圧力を第１の圧力まで上昇させた後、逆止弁開弁手段によって逆止弁を開弁すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
制御部は、
バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後の空気管路の圧力が第２の圧力より低くなった場合には逆止弁が開弁したと判断し、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後の空気管路の圧力が第２の圧力より低くならなかった場合には逆止弁が開弁していないと判断する逆止弁開弁判断手段を含み、
バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後に逆止弁が開弁していないと判断した場合には、再度バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させるリトライ手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池を格納する格納ケースを含み、
弁セットは、格納ケースの中に下流側が重力方向下側となるように配置されていること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
制御部は、
燃料電池の停止中にバタフライ弁の第１の弁体を回転させて逆止弁の第２の弁体に接離させ、逆止弁の開閉を行うこと、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
空気圧力を検出する圧力センサまたは燃料電池の温度を検出する温度センサを含み、
制御部は、
燃料電池の停止中に空気圧力または燃料電池の温度がそれぞれ所定の閾値よりも低くなった場合に、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて逆止弁の第２の弁体に接離させ、逆止弁の開閉を行うこと、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項７から１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
制御部は、
燃料電池の停止の際に、第１の弁体が逆止弁の第２の弁体に接しない中間開度にバタフライ弁を開弁した状態で燃料電池を停止する停止手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池システムであって、
逆止弁開弁手段は、中間開度で停止しているバタフライ弁の第１の弁体を全開方向に回転させること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池に接続される空気管路に設けられ、空気の流れ及び圧力を調整する弁セットであって、
流れ方向と交差する回転軸の周りに回転する第１の弁体を有するバタフライ弁と、
バタフライ弁の下流側に設けられ、その上流と下流との圧力差によって撓む板状の第２の弁体を有する逆止弁と、を備え、
各弁は、逆止弁が閉状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体に接する様に配置されていること、
を特徴とする弁セット。
【請求項２】
請求項１に記載の弁セットであって、
逆止弁が閉状態の場合、逆止弁の第２の弁体の上流側の面とバタフライ弁の第１の弁体の回転中心との間の第２の弁体の上流側の面に垂直な方向の距離は、第１の弁体の先端の回転半径よりも小さいこと、
を特徴とする弁セット。
【請求項３】
請求項１または２に記載の弁セットであって、
逆止弁が開弁状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体の上流側面を下流方向に向かって押し出して、逆止弁を開弁させること、
を特徴とする弁セット。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の弁セットであって、
逆止弁の第２の弁体は、空気管路の流れ方向と交差し下流側に向いているフランジ面に一端が片持ち式に固定され、他端は弾性変形によってフランジ面に対して接離自在となるよう取り付けられ、逆止弁は第２の弁体の他端がフランジ面から下流側に向って移動することにより開弁すること、
を特徴とする弁セット。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか１項に記載の弁セットであって、
逆止弁の開度は空気流量が増加するに従って増加し、
空気流量が所定の流量以上の場合、逆止弁の第２の弁体の上流側の面は第１の弁体の先端の回転円の下流側に位置していること、
を特徴とする弁セット。
【請求項６】
請求項２から５のいずれか１項に記載の弁セットであって、
バタフライ弁の第１の弁体が全閉位置から、第１の弁体の先端が逆止弁の第２の弁体に当接する当接位置までの第１の弁体の回転角度は、所定の角度よりも大きいこと、
を特徴とする弁セット。
【請求項７】
燃料ガスと空気との電気化学反応で発電する燃料電池と、
燃料電池に接続される空気管路に設けられ、流れ方向と交差する回転軸の周りに回転する第１の弁体を有するバタフライ弁と、バタフライ弁の下流側に設けられ、その上流と下流との圧力差によって撓む板状の第２の弁体を有する逆止弁と、を含み、逆止弁が閉状態でバタフライ弁の第１の弁体を回転させると、その先端が逆止弁の第２の弁体に当たる様に配置されている弁セットと、
バタフライ弁の開度を変更する制御部と、を備え、
制御部は、
燃料電池の始動の際に、バタフライ弁の第１の弁体を回転させ、閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させて逆止弁を開弁状態にする逆止弁開弁手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池に空気を供給する空気圧縮機と、
空気管路の圧力を検出する圧力検出手段と、を含み、
制御部は、
空気圧縮機を始動して空気管路の圧力を第１の圧力まで上昇させた後、逆止弁開弁手段によって逆止弁を開弁すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
制御部は、
バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後の空気管路の圧力が第２の圧力より低くなった場合には逆止弁が開弁したと判断し、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後の空気管路の圧力が第２の圧力より低くならなかった場合には逆止弁が開弁していないと判断する逆止弁開弁判断手段を含み、
バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させた後に逆止弁が開弁していないと判断した場合には、再度バタフライ弁の第１の弁体を回転させて閉弁状態の逆止弁の第２の弁体に当接させるリトライ手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池を格納する格納ケースを含み、
弁セットは、格納ケースの中に下流側が重力方向下側となるように配置されていること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
制御部は、
燃料電池の停止中にバタフライ弁の第１の弁体を回転させて逆止弁の第２の弁体に接離させ、逆止弁の開閉を行うこと、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
空気圧力を検出する圧力センサまたは燃料電池の温度を検出する温度センサを含み、
制御部は、
燃料電池の停止中に空気圧力または燃料電池の温度がそれぞれ所定の閾値よりも低くなった場合に、バタフライ弁の第１の弁体を回転させて逆止弁の第２の弁体に接離させ、逆止弁の開閉を行うこと、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項７から１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
制御部は、
燃料電池の停止の際に、第１の弁体が逆止弁の第２の弁体に接しない中間開度にバタフライ弁を開弁した状態で燃料電池を停止する停止手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池システムであって、
逆止弁開弁手段は、中間開度で停止しているバタフライ弁の第１の弁体を全開方向に回転させること、
を特徴とする燃料電池システム。
【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２０１０−２７７８０１（Ｐ２０１０−２７７８０１Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２８４２０（Ｐ２００９−１２８４２０）
【出願日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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