燃料電池システム
【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止中における遮断弁の封止性を向上させる。
【解決手段】燃料電池１３内の空気流路と大気との間に設けられる遮断弁５０，６０とを含む燃料電池システム１１において、各遮断弁５０，６０は、各弁座５８，６８と、各弁座５８，６８に当接して空気のシールを行う各弁体５６，６６とを含み、各弁体５６，６６は、燃料電池１３内の空気流路の負圧によって各弁座５８，６８の方向に吸引されるよう構成する。また、燃料電池１３内の空気流路と各遮断弁５０，６０との間に設けられ、燃料電池１３内の空気流路の負圧を大気圧に開放する大気開放弁４７を備え、燃料電池の起動の際に燃料電池１３の空気流路内の負圧を開放してから各遮断弁５０，６０を開弁する。
【解決手段】燃料電池１３内の空気流路と大気との間に設けられる遮断弁５０，６０とを含む燃料電池システム１１において、各遮断弁５０，６０は、各弁座５８，６８と、各弁座５８，６８に当接して空気のシールを行う各弁体５６，６６とを含み、各弁体５６，６６は、燃料電池１３内の空気流路の負圧によって各弁座５８，６８の方向に吸引されるよう構成する。また、燃料電池１３内の空気流路と各遮断弁５０，６０との間に設けられ、燃料電池１３内の空気流路の負圧を大気圧に開放する大気開放弁４７を備え、燃料電池の起動の際に燃料電池１３の空気流路内の負圧を開放してから各遮断弁５０，６０を開弁する。
【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構成に関し、特に遮断弁の駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料と酸化剤の電気化学反応によって発電をするもので、イオン交換膜からなる電解質の両側に燃料極と酸化剤極とが対向して配置された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、燃料極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、酸化剤極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が用いられ、電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極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、運転を停止した際には、酸化剤極側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、燃料極側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。一方、停止中の燃料電池内では、燃料ガスである水素がイオン交換膜を通って酸化剤極に移動し、逆に酸化剤ガスである空気中の酸素がイオン交換膜を通って燃料極に移動するクロスリークが発生する。このクロスリークが発生すると、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。
【０００４】
クロスリークによる水素と酸素の反応は、空気中の酸素が消費されてしまうと停止するものであるが、燃料電池の停止中に酸化剤供給流路に新たな空気が流れこむと、上記のクロスリークによる反応が継続して発生してしまう。すると、燃料電池内の酸化剤極と燃料極の電位の上昇によって燃料極と酸化剤極に含まれている触媒が劣化して触媒性能が低下し、燃料電池の性能低下につながってしまうという問題があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このような燃料電池の性能低下を防止する方法として、特許文献１には、燃料電池の酸化剤ガスの入口及び出口の管路中に駆動用の電源が遮断されると閉状態となるノーマルクローズの電磁弁を設けて、燃料電池の停止中でも酸化剤極を容易に封止する方法が記載されている。また、特許文献２には、燃料電池の遮断弁を空気圧で駆動するシステムが記載されている。
【０００６】
一方、燃料電池の遮断弁として、酸化剤ガスの流れに対して下流側から上流側に向かう方向に弁の可動部分が移動して開弁するタイプ（以下、上流方向開弁タイプと呼ぶ）のものが用いられる場合がある。このような構造の弁は、弁内のガス通路に酸化剤ガスが流れ込むと、ガスの圧力が弁の可動部分を閉弁方向に（酸化剤ガスの流れに対して上流側から下流側に向かって）加圧するものである（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２２１８３６号公報
【特許文献２】特開２０００−３７１７号公報
【特許文献３】特開２００６−２４４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
燃料電池の酸化剤入口、出口に設けられる遮断弁は、燃料電池の運転中には常に開状態を保持していることが必要な弁である。このため、運転中の開状態の保持を確保するために、特許文献１に記載されたようなノーマルクローズの弁ではなく、弁開閉用の電源、空気源などの駆動源が停止した際に弁が開状態を保持するノーマルオープンの弁が用いられることがある。このようなノーマルオープンの弁では、燃料電池の停止中に遮断弁を閉止状態に保持するために、電源あるいは空気源などの駆動源を供給する必要があるので、駆動源が停止した場合には遮断弁が開状態となったり、閉止力が弱くなったりして空気が漏れこむ可能性がある。
【０００９】
また、特許文献２に記載された従来技術のように、空気圧力によって遮断弁を駆動する場合には、空気のリークなどによって加圧室の加圧空気圧力が低下し、遮断弁が開状態となったり、閉止力が弱くなったりして空気が漏れこむ可能性がある。
【００１０】
一方、燃料電池の酸化剤ガスは湿分を含んでいることから、低温環境において燃料電池が停止状態となると酸化剤ガスの遮断弁が閉弁状態で固着または凍結することがある。遮断弁が特許文献３に記載された従来技術のような上流方向開弁タイプ弁の場合、始動のために供給される酸化剤ガスの圧力が閉弁方向に作用して開弁を妨げるため大きな駆動力が必要となる場合がある。
【００１１】
本発明は、燃料電池の停止中における遮断弁の封止性を向上させことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内の酸化剤ガス流路と大気との間に設けられる遮断弁とを含む燃料電池システムであって、前記遮断弁は、弁座と、前記弁座に当接して酸化剤ガスのシールを行う弁体とを含み、前記弁体は、閉弁状態で燃料電池内の酸化剤ガス流路の大気圧よりも低い負圧によって前記弁座の方向に吸引されること、を特徴とする。また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記弁開閉駆動機構は、前記酸化剤ガスが供給される開弁動作側圧力室と前記酸化剤ガスが供給される閉弁動作側圧力室とを含み、前記各圧力室間の圧力差によって前記遮断弁を開閉駆動することとしても好適であるし、前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路と大気との間にある全ての流路に前記遮断弁が設けられていること、としても好適である。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路と前記遮断弁との間に設けられ、前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路の負圧を大気圧に開放する大気開放弁を有すること、としても好適であるし、前記燃料電池の起動の際に、前記大気開放弁を開とした後、前記遮断弁の開動作を行うこと、としても好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、燃料電池の停止中における遮断弁の封止性を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において燃料電池システムの系統構成を示す図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、遮断弁の開状態を示す詳細断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、遮断弁の閉状態を示す詳細断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように本実施形態の燃料電池システム１１は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気とが供給されて電気化学反応によって発電する燃料電池１３と、燃料電池１３に供給する空気を圧縮する空気圧縮機１７と、燃料電池１３に供給する空気を加湿する加湿モジュール１５とを備えている。空気圧縮機１７と加湿モジュール１５とは圧縮空気供給管２７によって接続され、加湿モジュール１５と燃料電池１３とは、加湿モジュール１５において加湿された空気を燃料電池１３の空気流路につながっている空気入口１３ａに導く空気入口管２９と燃料電池１３の空気流路につながっている空気出口１３ｂから排出された空気を加湿モジュール１５に導く空気出口管３１とによって接続され、加湿モジュール１５には空気を外部に排出する空気排出管３３が接続されている。また、圧縮空気供給管２７と空気排出管３３とを接続するバイパス管３５が設けられている。空気圧縮機１７はモータ１９によって駆動され、空気圧縮機１７によって温度が上昇した空気はインタークーラー２１によって冷却されてから加湿モジュール１５に供給される。
【００１７】
空気入口管２９には空気入口遮断弁５０が設けられ、空気出口管３１には空気出口遮断弁６０が設けられている。また、空気出口管３１の燃料電池１３の空気出口１３ｂと空気出口遮断弁６０との間には空気圧力調節弁２５が設けられ、空気圧力調節弁２５の上流側の空気出口管３１には燃料電池１３の出口空気圧力を測定する圧力センサ３７が設けられ、インタークーラー２１の出口には圧縮空気の圧力を測定する圧力センサ３４が設けられている。また、バイパス管３５にはバイパス流量調節弁２３が設けられている。空気出口遮断弁６０と燃料電池１３の空気流路につながっている空気出口１３ｂとの間には大気開放弁４７が設けられた大気開放管３２が接続されている。
【００１８】
空気入口遮断弁５０は、弁本体５０ｂと駆動部５０ａとを備えている。弁本体５０ｂはケーシングの中に弁座５８と弁体５６とを備えている。弁体５６には弁棒５７が取り付けられている。駆動部５０ａはダイヤフラム５４によって２つの圧力室に仕切られている。図１の上部の圧力室は圧縮空気供給管２７から供給される圧縮空気によって加圧されて弁体５６を閉弁方向に駆動する力を発生させる閉弁動作側圧力室５１であり、図１の下部の圧力室は圧縮空気供給管２７から供給される圧縮空気によって加圧されて弁体５６を開弁方向に駆動する力を発生させる開弁動作側圧力室５２である。ダイヤフラム５４には弁棒５７に接続されて弁体５６を駆動する駆動板５５が取り付けられ、駆動板５５の開弁動作側圧力室５２側には、開弁動作側圧力室５２の壁面に取り付けられ、駆動板５５を弁座５８と反対側に向かって押し上げて開弁方向の力を与える開弁用ばね５３が設けられている。空気出口遮断弁６０も空気入口遮断弁５０と同様の構造を有し、弁本体６０ｂと駆動部６０ａとを備え、弁本体６０ｂは弁座６８と弁体６６とを備え、駆動部６０ａはダイヤフラム６４によって閉弁方向に駆動する力を発生させる閉弁動作側圧力室６１と開弁方向に駆動する力を発生させる開弁動作側圧力室６２と、弁棒６７に接続されて弁体６６を駆動する駆動板６５と開弁用ばね６３とが設けられている。
【００１９】
圧縮空気供給管２７には、空気入口遮断弁５０と空気出口遮断弁６０の駆動用空気を供給する駆動用空気供給管３９の一端が接続され、駆動用空気供給管３９の他端は分岐して、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１、空気出口遮断弁駆動空気切換弁４４に接続されている。各切換弁４１、４４は２つの空気供給口を持ち、一方の空気供給口は各遮断弁５０，６０の閉弁動作側圧力室５１，６１と管路７１，７３とによって接続され、他方の空気供給口は各遮断弁５０，６０の開弁動作側圧力室５２，６２と管路７２，７４によって接続されている。また、各管路７１，７３には各管路７１，７３に供給された圧縮空気を大気に排出する閉弁側排出弁４２，４５が管路７５，７７を介して設けられ、各管路７２，７４には各管路７２，７４に供給された圧縮空気を大気に排出する開弁側排出弁４３，４６が管路７６，７８を介して設けられている。
【００２０】
圧縮空気供給管２７に設けられた圧力センサ３４と、燃料電池１３の空気出口１３ｂの圧力センサ３７とは制御部８０に接続され、検出信号が制御部８０に入力されるように構成されている。また、空気圧縮機１７のモータ１９と、バイパス流量調節弁２３と、空気圧力調節弁２５と、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１と、空気出口遮断弁駆動空気切換弁４４と、閉弁側排出弁４２，４５と、開弁側排出弁４３，４６と、大気開放弁４７とは制御部８０に接続され、制御部８０の指令によって動作するよう構成されている。空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１と、閉弁側排出弁４２と、開弁側排出弁４３とは空気入口遮断弁５０の弁駆動機構に含まれる弁機構を構成し、空気出口遮断弁駆動空気切換弁４４と、閉弁側排出弁４５と、開弁側排出弁４６とは空気出口遮断弁６０の弁駆動機構に含まれる弁機構を構成する。
【００２１】
以下、本実施形態の燃料電池システム１１に用いられている空気入口遮断弁５０の詳細構造について図２を参照しながら説明する。図１と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。
【００２２】
図２に示すように、弁本体５０ｂのケーシング５０ｃは空気入口管２９にそれぞれ接続された弁入口５０ｄと弁出口５０ｅを備えている。ケーシング５０ｃの内面の弁出口５０ｅ側には、弁座５８が設けられている。弁座５８はケーシング５０ｃの内面に設けられた円環状の突出部であり、その上面は弁体５６が当接して空気をシールするシール面となっている。弁本体５０ｂの上部には駆動部５０ａが取り付けられている。駆動部５０ａは駆動部ケーシング５０ｆと駆動部蓋５０ｇの間に挟みこんだダイヤフラム５４によって閉弁動作側圧力室５１と開弁動作側圧力室５２に仕切られている。
【００２３】
閉弁動作側圧力室５１を構成する駆動部蓋５０ｇには、閉弁動作側圧力室５１に駆動用空気を出し入れする閉弁動作側圧力室空気座５１ａが設けられている。閉弁動作側圧力室空気座５１ａには圧縮空気を供給する管路７１が接続されている。また、開弁動作側圧力室５２を構成する駆動部ケーシング５０ｆには、開弁動作側圧力室５２に駆動用空気を出し入れする開弁動作側圧力室空気座５２ａが設けられている。この開弁動作側圧力室空気座５２ａには圧縮空気を供給する管路７２が接続されている。
【００２４】
ダイヤフラム５４の中心部には弁棒５７に接続されて弁体５６を駆動する駆動板５５が取り付けられている。駆動板５５と駆動部ケーシング５０ｆの間には開弁用ばね５３が設けられ、開弁用ばね５３は駆動板５５を開弁方向に向かって付勢している。弁棒５７の先端に取り付けられた弁体５６は、円板状で、弁座５８のシール面と対向する部分に空気をシールするシール面が設けられている。この弁体５６のシール面が弁座５８のシール面に当接すると、双方のシール面が密着して空気をシールすることができるよう構成されている。
【００２５】
弁体５６はケーシング５０ｃの中で上下に移動できるよう、ケーシング５０ｃとの間にベローシール５４ａが設けられている。空気入口遮断弁５０はベローシール５４ａによって弁本体５０ｂ側と駆動部５０ａ側とに仕切られ、ベローシール５４ａの駆動部５０ａ側の駆動部ケーシング５０ｆには、大気室空気座５９ａを通して大気に連通している大気室５９が形成されている。空気出口遮断弁６０は上記の空気入口遮断弁５０と同様の構造となっている。
【００２６】
燃料電池システム１１の運転中には、制御部８０は、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１を開側に切り換える指令と、空気入口遮断弁５０用の閉弁側排出弁４２を開とする指令と、空気入口遮断弁５０用の開弁側排出弁４３を閉とする指令とを出力する。この指令によって、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１の空気供給方向は開弁側に切り換えられ、閉弁側排出弁４２が開き、開弁側排出弁４３が閉まり、圧縮空気供給管２７から空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１、管路７２を介して圧縮空気が空気入口遮断弁５０の開弁動作側圧力室５２に供給される流路が形成され、開弁動作側圧力室５２は、内部に流入した圧縮空気が大気に排出されないように封止され、圧力を上昇させることができる。
【００２７】
空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１が開弁側に切り換えられていることから閉弁動作側圧力室５１に圧縮空気を供給する管路７１は封止された状態となり、閉弁動作側圧力室５１に接続されている管路７１に接続された管路７５に設けられた閉弁側排出弁４２が開となっているので、閉弁動作側圧力室５１は大気に連通し、内部の圧力は大気圧力を保持する状態となる。
【００２８】
また、開弁用ばね５３は弁体５６が弁棒５７によって接続された駆動板５５を弁座５８と反対側に向かって押し上げる開弁方向の力を与えていることから、図２に示すように、空気入口遮断弁５０は開弁状態に保持される。また、空気出口遮断弁６０も同様の動作によって開弁状態に保持される。また、燃料電池１３の運転中に、各遮断弁５０，６０の各閉弁側排出弁４２，４５を閉として、各閉弁動作側圧力室５１，６１と開弁動作側圧力室５２，６２との圧力差を保持しても開弁状態を保持することができる。更に、本実施形態では、各圧力室５１，５２への圧縮空気の供給が停止された場合であっても、各開弁用ばね５３，６３の開弁方向の付勢力によって各遮断弁５０，６０は開弁状態に保持されるノーマルオープンの弁として構成される。
【００２９】
燃料電池システム１１の停止の際には、制御部８０は空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１を閉側に切り換える指令と、空気入口遮断弁５０用の閉弁側排出弁４２を閉とする指令と、空気入口遮断弁５０用の開弁側排出弁４３を開とする指令とを出力する。この指令によって、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１の空気供給方向は閉弁側に切り換えられ、閉弁側排出弁４２が閉まり、開弁側排出弁４３が開く。この弁の切り換え、開閉動作によって、圧縮空気供給管２７から空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１、管路７１を介して圧縮空気が空気入口遮断弁５０の閉弁動作側圧力室５１に供給される流路が形成されると共に、閉弁動作側圧力室５１は、内部に流入した圧縮空気が大気に排出されないように封止され、圧力を上昇させることができる状態となる。
【００３０】
空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１が閉弁側に切り換えられていることから開弁動作側圧力室５２に圧縮空気を供給する管路７２は封止された状態となり、開弁動作側圧力室５２に接続されている管路７２に接続された管路７６に設けられている開弁側排出弁４３が開となっているので、開弁動作側圧力室５２は大気に連通し、内部の圧力は大気圧力状態となる。そして、運転されている空気圧縮機１７からの圧縮空気が閉弁動作側圧力室５１に供給され、各圧力室５１，５２の圧力差によって空気入口遮断弁５０の駆動板５５には弁体５６を閉弁する方向の閉弁方向力がかかる。この閉弁方向の力は、開弁用ばね５３による開弁方向の力よりも大きいので、図３に示すように、空気入口遮断弁５０の弁体５６は弁座５８に密着して閉弁状態となる。燃料電池１３の停止の際には空気出口遮断弁６０も空気入口遮断弁５０と同様の動作によって閉弁される。
【００３１】
各遮断弁５０，６０が閉となった際には、空気圧縮機１７はまだ運転されており、空気圧縮機１７からの圧縮空気は圧縮空気供給管２７から駆動用空気供給管３９、各切換弁４１，４４、管路７１，７３を介して各閉弁動作側圧力室５１，６１に供給されており、各閉弁動作側圧力室５１，６１と各開弁動作側圧力室５２，６２との間の差圧によって各弁体５６，６６には開弁用ばね５３，６３よりも大きな閉弁方向の力がかかっており、各遮断弁は閉弁状態を保持している。
【００３２】
そして、制御部８０は、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１と空気出口遮断弁駆動空気切換弁４４をそれぞれ開弁側に切り換え、各開弁側排出弁４３，４６を開とする指令を出力する。この指令によって、各切換弁４１，４４は開弁側に切り換えられ、各開弁側排出弁４３，４６は開状態が保持される。各切換弁４１，４４が開弁側に切り換えられると、各切換弁４１，４４の閉弁動作側圧力室５１，６１に接続されている管路７１，７３は封止される。各閉弁側排出弁４２，４５は閉弁状態で保持されていることから、各閉弁動作側圧力室５１，６１は内部に圧力を保ったまま封止されることとなる。これによって、各遮断弁５０，６０は閉弁用駆動空気の供給が無い状態でも保持圧力によって各遮断弁を閉状態に保持することができる状態となる。この後、制御部８０は、空気圧縮機１７を停止させる。空気圧縮機１７が停止して駆動用空気が供給されなくなっても、各遮断弁５０，６０は各閉弁動作側圧力室５１，６１の内部に保った圧力によって図３に示すような閉状態に保持されている。
【００３３】
空気入口遮断弁５０及び空気出口遮断弁６０が共に閉となると、燃料電池１３は外気と遮断され、酸化剤ガスである空気が流入しなくなる。しかし、燃料電池１３の内部の空気流路には酸化剤である酸素を含んだ空気が残留しており、この残留空気中の酸素と水素流路内に残留している水素との反応によって空気の体積が減少することにより、燃料電池１３の空気流路の圧力は負圧に低下してくる。
【００３４】
図３に示すように、燃料電池１３内部の空気流路の圧力が負圧となると、燃料電池１３の空気入口遮断弁５０の弁体５６は大気圧状態にある大気室５９と弁出口５０ｅにかかる燃料電池１３の空気流路の負圧との圧力差によって、燃料電池１３の空気流路側にある各弁座５８方向に吸引される。負圧がある程度大きくなり、弁体５６を弁座５８に吸引することによる閉弁方向の力が開弁用ばね５３による開弁方向の力よりも大きくなると、弁体５６のシール面が対向する弁座５８シート面に当接する力が大きくなり、弁体５６は負圧のみによって閉弁状態を保持することができる様になる。従って、燃料電池１３の停止中に駆動用空気のリークによって、閉弁動作側圧力室５１の圧力が低下しても、空気入口遮断弁５０は燃料電池１３の空気流路の負圧により閉弁状態を保つことができる。また、燃料電池１３の負圧によって空気入口遮断弁５０の閉状態が保持されていることから電力など燃料電池１３の停止中に閉弁を保持するための駆動力を必要としない。空気出口遮断弁６０も上記と同様に、燃料電池１３の空気流路の負圧によって弁体６６が弁座６８に当接して空気をシールして閉弁状態を保持することができる。
【００３５】
本実施形態では、ノーマルオープンの弁であっても、燃料電池１３の停止中には、各閉弁動作側圧力室５１，６１の中に保持した圧力と燃料電池１３の負圧による弁体５６，６６の吸引力によって閉弁状態の保持を行えることから、燃料電池の１３停止中における各遮断弁５０，６０の封止性を向上させることができるという効果を奏する。また、各遮断弁５０，６０は燃料電池１３の空気流路の負圧により弁体５６，６６を吸引して閉弁状態を保つことができ、停止中に駆動用空気のリークがあっても封止状態を保持することができ、封止性を向上させることができる。また、閉弁状態を保持するために電力などの動力を必要としないことから燃料電池を効率的に運用することができるという効果を奏する。
【００３６】
以上述べた、本実施形態では、燃料電池１３の停止後の残留水素と残量空気の反応による燃料電池１３の空気流路中の圧力低下によって、燃料電池１３の空気流路が負圧となることを利用して遮断弁５０，６０の封止性を向上させることとしたが、各遮断弁５０，６０を閉とした後、燃料電池１３の空気流路から空気を吸引するなどして、空気流路を負圧とし、その負圧を利用して各遮断弁５０，６０の封止性を向上させることとしてもよい。
【００３７】
次に、本実施形態の燃料電池システム１１において、停止中の燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧の状態からの起動について説明する。燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧の状態では、空気入口遮断弁５０は図３に示すように、負圧によって弁体５６が弁座５８側に当接し、密着し、弁入口５０ｄは大気圧状態となっている。
【００３８】
図１に示す制御部８０は、まず、大気開放弁４７を開とする指令を出力する。そして、この指令によって、大気開放弁４７が開となる。大気開放弁４７が開となると大気開放弁４７から大気開放管３２を通して空気が燃料電池１３の空気流路と各遮断弁５０，６０によって封止されている負圧領域に侵入し、燃料電池１３の空気流路の負圧が低下してくる。燃料電池１３の空気流路の負圧が低下すると、負圧による弁体５６の弁座５８への吸引力が低下し、弁体５６にかかる閉弁方向の力が小さくなってくる。一方、弁体５６が接続されている弁棒５７に取り付けられた駆動板５５には開弁用ばね５３からの開弁方向の力がかかっている。弁体５６にかかる開弁用ばね５３の開弁方向の力の大きさが負圧による閉弁方向の力よりも大きくなると、弁体５６は開弁方向に移動し、弁座５８と弁体５６の各シート面が離れ、空気をシールすることができなくなる。すると、弁入口５０ｄからも空気が燃料電池１３の空気流路に流れ込んで、更に負圧が低下して閉弁方向の力が小さくなる。このため、空気入口遮断弁５０の弁体５６にはより大きな開弁方向の力がかかり、空気入口遮断弁５０は開弁する。空気出口遮断弁６０も、上記と同様に開弁する。
【００３９】
空気入口遮断弁５０の弁体５６と弁座５８とが停止中に固着している場合でも、大気開放弁４７を開とすることによって、燃料電池１３の空気流路の圧力を大気圧とし、燃料電池１３の空気流路の負圧による閉弁方向の力を略ゼロとすることができるので、開弁動作側圧力室５２の加圧圧力が低い状態でも開弁することが可能となる。
【００４０】
このように本実施形態では、燃料電池１３の空気流路が停止中に負圧となった場合でも、各遮断弁５０，６０の開弁性を向上させることができるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００４１】
１１ 燃料電池システム、１３ 燃料電池、１３ａ 空気入口、１３ｂ 空気出口、１５ 加湿モジュール、１７ 空気圧縮機、１９ モータ、２１ インタークーラー、２３ バイパス流量調節弁、２５ 空気圧力調節弁、２７ 圧縮空気供給管、２９ 空気入口管、３１ 空気出口管、３２ 大気開放管、３３ 空気排出管、３４ 圧力センサ、３５ バイパス管、３７ 圧力センサ、３９ 駆動用空気供給管、４１ 空気入口遮断弁駆動空気切換弁、４２，４５ 閉弁側排出弁、４３，４６ 開弁側排出弁、４４ 空気出口遮断弁駆動空気切換弁、４７ 大気開放弁、５０ 空気入口遮断弁、５０ａ，６０ａ 駆動部、５０ｂ，６０ｂ 弁本体、５０ｃ ケーシング、５０ｄ 弁入口、５０ｅ 弁出口、５０ｆ 駆動部ケーシング、５０ｇ 駆動部蓋、５１，６１ 閉弁動作側圧力室、５１ａ 閉弁動作側圧力室空気座、５２，６２ 開弁動作側圧力室、５２ａ 開弁動作側圧力室空気座、５３，６３ 開弁用ばね、５４，６４ ダイヤフラム、５４ａ ベローシール、５５，６５ 駆動板、５６，６６ 弁体、５７，６７ 弁棒、５８，６８ 弁座、５９ 大気室、５９ａ 大気室空気座、６０ 空気出口遮断弁、７１〜７８ 管路、８０ 制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの構成に関し、特に遮断弁の駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料と酸化剤の電気化学反応によって発電をするもので、イオン交換膜からなる電解質の両側に燃料極と酸化剤極とが対向して配置された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、燃料極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、酸化剤極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が用いられ、電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極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、運転を停止した際には、酸化剤極側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、燃料極側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。一方、停止中の燃料電池内では、燃料ガスである水素がイオン交換膜を通って酸化剤極に移動し、逆に酸化剤ガスである空気中の酸素がイオン交換膜を通って燃料極に移動するクロスリークが発生する。このクロスリークが発生すると、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。
【０００４】
クロスリークによる水素と酸素の反応は、空気中の酸素が消費されてしまうと停止するものであるが、燃料電池の停止中に酸化剤供給流路に新たな空気が流れこむと、上記のクロスリークによる反応が継続して発生してしまう。すると、燃料電池内の酸化剤極と燃料極の電位の上昇によって燃料極と酸化剤極に含まれている触媒が劣化して触媒性能が低下し、燃料電池の性能低下につながってしまうという問題があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このような燃料電池の性能低下を防止する方法として、特許文献１には、燃料電池の酸化剤ガスの入口及び出口の管路中に駆動用の電源が遮断されると閉状態となるノーマルクローズの電磁弁を設けて、燃料電池の停止中でも酸化剤極を容易に封止する方法が記載されている。また、特許文献２には、燃料電池の遮断弁を空気圧で駆動するシステムが記載されている。
【０００６】
一方、燃料電池の遮断弁として、酸化剤ガスの流れに対して下流側から上流側に向かう方向に弁の可動部分が移動して開弁するタイプ（以下、上流方向開弁タイプと呼ぶ）のものが用いられる場合がある。このような構造の弁は、弁内のガス通路に酸化剤ガスが流れ込むと、ガスの圧力が弁の可動部分を閉弁方向に（酸化剤ガスの流れに対して上流側から下流側に向かって）加圧するものである（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２２１８３６号公報
【特許文献２】特開２０００−３７１７号公報
【特許文献３】特開２００６−２４４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
燃料電池の酸化剤入口、出口に設けられる遮断弁は、燃料電池の運転中には常に開状態を保持していることが必要な弁である。このため、運転中の開状態の保持を確保するために、特許文献１に記載されたようなノーマルクローズの弁ではなく、弁開閉用の電源、空気源などの駆動源が停止した際に弁が開状態を保持するノーマルオープンの弁が用いられることがある。このようなノーマルオープンの弁では、燃料電池の停止中に遮断弁を閉止状態に保持するために、電源あるいは空気源などの駆動源を供給する必要があるので、駆動源が停止した場合には遮断弁が開状態となったり、閉止力が弱くなったりして空気が漏れこむ可能性がある。
【０００９】
また、特許文献２に記載された従来技術のように、空気圧力によって遮断弁を駆動する場合には、空気のリークなどによって加圧室の加圧空気圧力が低下し、遮断弁が開状態となったり、閉止力が弱くなったりして空気が漏れこむ可能性がある。
【００１０】
一方、燃料電池の酸化剤ガスは湿分を含んでいることから、低温環境において燃料電池が停止状態となると酸化剤ガスの遮断弁が閉弁状態で固着または凍結することがある。遮断弁が特許文献３に記載された従来技術のような上流方向開弁タイプ弁の場合、始動のために供給される酸化剤ガスの圧力が閉弁方向に作用して開弁を妨げるため大きな駆動力が必要となる場合がある。
【００１１】
本発明は、燃料電池の停止中における遮断弁の封止性を向上させことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内の酸化剤ガス流路と大気との間に設けられる遮断弁とを含む燃料電池システムであって、前記遮断弁は、弁座と、前記弁座に当接して酸化剤ガスのシールを行う弁体とを含み、前記弁体は、閉弁状態で燃料電池内の酸化剤ガス流路の大気圧よりも低い負圧によって前記弁座の方向に吸引されること、を特徴とする。また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記弁開閉駆動機構は、前記酸化剤ガスが供給される開弁動作側圧力室と前記酸化剤ガスが供給される閉弁動作側圧力室とを含み、前記各圧力室間の圧力差によって前記遮断弁を開閉駆動することとしても好適であるし、前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路と大気との間にある全ての流路に前記遮断弁が設けられていること、としても好適である。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路と前記遮断弁との間に設けられ、前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路の負圧を大気圧に開放する大気開放弁を有すること、としても好適であるし、前記燃料電池の起動の際に、前記大気開放弁を開とした後、前記遮断弁の開動作を行うこと、としても好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、燃料電池の停止中における遮断弁の封止性を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において燃料電池システムの系統構成を示す図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、遮断弁の開状態を示す詳細断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、遮断弁の閉状態を示す詳細断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように本実施形態の燃料電池システム１１は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気とが供給されて電気化学反応によって発電する燃料電池１３と、燃料電池１３に供給する空気を圧縮する空気圧縮機１７と、燃料電池１３に供給する空気を加湿する加湿モジュール１５とを備えている。空気圧縮機１７と加湿モジュール１５とは圧縮空気供給管２７によって接続され、加湿モジュール１５と燃料電池１３とは、加湿モジュール１５において加湿された空気を燃料電池１３の空気流路につながっている空気入口１３ａに導く空気入口管２９と燃料電池１３の空気流路につながっている空気出口１３ｂから排出された空気を加湿モジュール１５に導く空気出口管３１とによって接続され、加湿モジュール１５には空気を外部に排出する空気排出管３３が接続されている。また、圧縮空気供給管２７と空気排出管３３とを接続するバイパス管３５が設けられている。空気圧縮機１７はモータ１９によって駆動され、空気圧縮機１７によって温度が上昇した空気はインタークーラー２１によって冷却されてから加湿モジュール１５に供給される。
【００１７】
空気入口管２９には空気入口遮断弁５０が設けられ、空気出口管３１には空気出口遮断弁６０が設けられている。また、空気出口管３１の燃料電池１３の空気出口１３ｂと空気出口遮断弁６０との間には空気圧力調節弁２５が設けられ、空気圧力調節弁２５の上流側の空気出口管３１には燃料電池１３の出口空気圧力を測定する圧力センサ３７が設けられ、インタークーラー２１の出口には圧縮空気の圧力を測定する圧力センサ３４が設けられている。また、バイパス管３５にはバイパス流量調節弁２３が設けられている。空気出口遮断弁６０と燃料電池１３の空気流路につながっている空気出口１３ｂとの間には大気開放弁４７が設けられた大気開放管３２が接続されている。
【００１８】
空気入口遮断弁５０は、弁本体５０ｂと駆動部５０ａとを備えている。弁本体５０ｂはケーシングの中に弁座５８と弁体５６とを備えている。弁体５６には弁棒５７が取り付けられている。駆動部５０ａはダイヤフラム５４によって２つの圧力室に仕切られている。図１の上部の圧力室は圧縮空気供給管２７から供給される圧縮空気によって加圧されて弁体５６を閉弁方向に駆動する力を発生させる閉弁動作側圧力室５１であり、図１の下部の圧力室は圧縮空気供給管２７から供給される圧縮空気によって加圧されて弁体５６を開弁方向に駆動する力を発生させる開弁動作側圧力室５２である。ダイヤフラム５４には弁棒５７に接続されて弁体５６を駆動する駆動板５５が取り付けられ、駆動板５５の開弁動作側圧力室５２側には、開弁動作側圧力室５２の壁面に取り付けられ、駆動板５５を弁座５８と反対側に向かって押し上げて開弁方向の力を与える開弁用ばね５３が設けられている。空気出口遮断弁６０も空気入口遮断弁５０と同様の構造を有し、弁本体６０ｂと駆動部６０ａとを備え、弁本体６０ｂは弁座６８と弁体６６とを備え、駆動部６０ａはダイヤフラム６４によって閉弁方向に駆動する力を発生させる閉弁動作側圧力室６１と開弁方向に駆動する力を発生させる開弁動作側圧力室６２と、弁棒６７に接続されて弁体６６を駆動する駆動板６５と開弁用ばね６３とが設けられている。
【００１９】
圧縮空気供給管２７には、空気入口遮断弁５０と空気出口遮断弁６０の駆動用空気を供給する駆動用空気供給管３９の一端が接続され、駆動用空気供給管３９の他端は分岐して、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１、空気出口遮断弁駆動空気切換弁４４に接続されている。各切換弁４１、４４は２つの空気供給口を持ち、一方の空気供給口は各遮断弁５０，６０の閉弁動作側圧力室５１，６１と管路７１，７３とによって接続され、他方の空気供給口は各遮断弁５０，６０の開弁動作側圧力室５２，６２と管路７２，７４によって接続されている。また、各管路７１，７３には各管路７１，７３に供給された圧縮空気を大気に排出する閉弁側排出弁４２，４５が管路７５，７７を介して設けられ、各管路７２，７４には各管路７２，７４に供給された圧縮空気を大気に排出する開弁側排出弁４３，４６が管路７６，７８を介して設けられている。
【００２０】
圧縮空気供給管２７に設けられた圧力センサ３４と、燃料電池１３の空気出口１３ｂの圧力センサ３７とは制御部８０に接続され、検出信号が制御部８０に入力されるように構成されている。また、空気圧縮機１７のモータ１９と、バイパス流量調節弁２３と、空気圧力調節弁２５と、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１と、空気出口遮断弁駆動空気切換弁４４と、閉弁側排出弁４２，４５と、開弁側排出弁４３，４６と、大気開放弁４７とは制御部８０に接続され、制御部８０の指令によって動作するよう構成されている。空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１と、閉弁側排出弁４２と、開弁側排出弁４３とは空気入口遮断弁５０の弁駆動機構に含まれる弁機構を構成し、空気出口遮断弁駆動空気切換弁４４と、閉弁側排出弁４５と、開弁側排出弁４６とは空気出口遮断弁６０の弁駆動機構に含まれる弁機構を構成する。
【００２１】
以下、本実施形態の燃料電池システム１１に用いられている空気入口遮断弁５０の詳細構造について図２を参照しながら説明する。図１と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。
【００２２】
図２に示すように、弁本体５０ｂのケーシング５０ｃは空気入口管２９にそれぞれ接続された弁入口５０ｄと弁出口５０ｅを備えている。ケーシング５０ｃの内面の弁出口５０ｅ側には、弁座５８が設けられている。弁座５８はケーシング５０ｃの内面に設けられた円環状の突出部であり、その上面は弁体５６が当接して空気をシールするシール面となっている。弁本体５０ｂの上部には駆動部５０ａが取り付けられている。駆動部５０ａは駆動部ケーシング５０ｆと駆動部蓋５０ｇの間に挟みこんだダイヤフラム５４によって閉弁動作側圧力室５１と開弁動作側圧力室５２に仕切られている。
【００２３】
閉弁動作側圧力室５１を構成する駆動部蓋５０ｇには、閉弁動作側圧力室５１に駆動用空気を出し入れする閉弁動作側圧力室空気座５１ａが設けられている。閉弁動作側圧力室空気座５１ａには圧縮空気を供給する管路７１が接続されている。また、開弁動作側圧力室５２を構成する駆動部ケーシング５０ｆには、開弁動作側圧力室５２に駆動用空気を出し入れする開弁動作側圧力室空気座５２ａが設けられている。この開弁動作側圧力室空気座５２ａには圧縮空気を供給する管路７２が接続されている。
【００２４】
ダイヤフラム５４の中心部には弁棒５７に接続されて弁体５６を駆動する駆動板５５が取り付けられている。駆動板５５と駆動部ケーシング５０ｆの間には開弁用ばね５３が設けられ、開弁用ばね５３は駆動板５５を開弁方向に向かって付勢している。弁棒５７の先端に取り付けられた弁体５６は、円板状で、弁座５８のシール面と対向する部分に空気をシールするシール面が設けられている。この弁体５６のシール面が弁座５８のシール面に当接すると、双方のシール面が密着して空気をシールすることができるよう構成されている。
【００２５】
弁体５６はケーシング５０ｃの中で上下に移動できるよう、ケーシング５０ｃとの間にベローシール５４ａが設けられている。空気入口遮断弁５０はベローシール５４ａによって弁本体５０ｂ側と駆動部５０ａ側とに仕切られ、ベローシール５４ａの駆動部５０ａ側の駆動部ケーシング５０ｆには、大気室空気座５９ａを通して大気に連通している大気室５９が形成されている。空気出口遮断弁６０は上記の空気入口遮断弁５０と同様の構造となっている。
【００２６】
燃料電池システム１１の運転中には、制御部８０は、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１を開側に切り換える指令と、空気入口遮断弁５０用の閉弁側排出弁４２を開とする指令と、空気入口遮断弁５０用の開弁側排出弁４３を閉とする指令とを出力する。この指令によって、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１の空気供給方向は開弁側に切り換えられ、閉弁側排出弁４２が開き、開弁側排出弁４３が閉まり、圧縮空気供給管２７から空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１、管路７２を介して圧縮空気が空気入口遮断弁５０の開弁動作側圧力室５２に供給される流路が形成され、開弁動作側圧力室５２は、内部に流入した圧縮空気が大気に排出されないように封止され、圧力を上昇させることができる。
【００２７】
空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１が開弁側に切り換えられていることから閉弁動作側圧力室５１に圧縮空気を供給する管路７１は封止された状態となり、閉弁動作側圧力室５１に接続されている管路７１に接続された管路７５に設けられた閉弁側排出弁４２が開となっているので、閉弁動作側圧力室５１は大気に連通し、内部の圧力は大気圧力を保持する状態となる。
【００２８】
また、開弁用ばね５３は弁体５６が弁棒５７によって接続された駆動板５５を弁座５８と反対側に向かって押し上げる開弁方向の力を与えていることから、図２に示すように、空気入口遮断弁５０は開弁状態に保持される。また、空気出口遮断弁６０も同様の動作によって開弁状態に保持される。また、燃料電池１３の運転中に、各遮断弁５０，６０の各閉弁側排出弁４２，４５を閉として、各閉弁動作側圧力室５１，６１と開弁動作側圧力室５２，６２との圧力差を保持しても開弁状態を保持することができる。更に、本実施形態では、各圧力室５１，５２への圧縮空気の供給が停止された場合であっても、各開弁用ばね５３，６３の開弁方向の付勢力によって各遮断弁５０，６０は開弁状態に保持されるノーマルオープンの弁として構成される。
【００２９】
燃料電池システム１１の停止の際には、制御部８０は空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１を閉側に切り換える指令と、空気入口遮断弁５０用の閉弁側排出弁４２を閉とする指令と、空気入口遮断弁５０用の開弁側排出弁４３を開とする指令とを出力する。この指令によって、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１の空気供給方向は閉弁側に切り換えられ、閉弁側排出弁４２が閉まり、開弁側排出弁４３が開く。この弁の切り換え、開閉動作によって、圧縮空気供給管２７から空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１、管路７１を介して圧縮空気が空気入口遮断弁５０の閉弁動作側圧力室５１に供給される流路が形成されると共に、閉弁動作側圧力室５１は、内部に流入した圧縮空気が大気に排出されないように封止され、圧力を上昇させることができる状態となる。
【００３０】
空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１が閉弁側に切り換えられていることから開弁動作側圧力室５２に圧縮空気を供給する管路７２は封止された状態となり、開弁動作側圧力室５２に接続されている管路７２に接続された管路７６に設けられている開弁側排出弁４３が開となっているので、開弁動作側圧力室５２は大気に連通し、内部の圧力は大気圧力状態となる。そして、運転されている空気圧縮機１７からの圧縮空気が閉弁動作側圧力室５１に供給され、各圧力室５１，５２の圧力差によって空気入口遮断弁５０の駆動板５５には弁体５６を閉弁する方向の閉弁方向力がかかる。この閉弁方向の力は、開弁用ばね５３による開弁方向の力よりも大きいので、図３に示すように、空気入口遮断弁５０の弁体５６は弁座５８に密着して閉弁状態となる。燃料電池１３の停止の際には空気出口遮断弁６０も空気入口遮断弁５０と同様の動作によって閉弁される。
【００３１】
各遮断弁５０，６０が閉となった際には、空気圧縮機１７はまだ運転されており、空気圧縮機１７からの圧縮空気は圧縮空気供給管２７から駆動用空気供給管３９、各切換弁４１，４４、管路７１，７３を介して各閉弁動作側圧力室５１，６１に供給されており、各閉弁動作側圧力室５１，６１と各開弁動作側圧力室５２，６２との間の差圧によって各弁体５６，６６には開弁用ばね５３，６３よりも大きな閉弁方向の力がかかっており、各遮断弁は閉弁状態を保持している。
【００３２】
そして、制御部８０は、空気入口遮断弁駆動空気切換弁４１と空気出口遮断弁駆動空気切換弁４４をそれぞれ開弁側に切り換え、各開弁側排出弁４３，４６を開とする指令を出力する。この指令によって、各切換弁４１，４４は開弁側に切り換えられ、各開弁側排出弁４３，４６は開状態が保持される。各切換弁４１，４４が開弁側に切り換えられると、各切換弁４１，４４の閉弁動作側圧力室５１，６１に接続されている管路７１，７３は封止される。各閉弁側排出弁４２，４５は閉弁状態で保持されていることから、各閉弁動作側圧力室５１，６１は内部に圧力を保ったまま封止されることとなる。これによって、各遮断弁５０，６０は閉弁用駆動空気の供給が無い状態でも保持圧力によって各遮断弁を閉状態に保持することができる状態となる。この後、制御部８０は、空気圧縮機１７を停止させる。空気圧縮機１７が停止して駆動用空気が供給されなくなっても、各遮断弁５０，６０は各閉弁動作側圧力室５１，６１の内部に保った圧力によって図３に示すような閉状態に保持されている。
【００３３】
空気入口遮断弁５０及び空気出口遮断弁６０が共に閉となると、燃料電池１３は外気と遮断され、酸化剤ガスである空気が流入しなくなる。しかし、燃料電池１３の内部の空気流路には酸化剤である酸素を含んだ空気が残留しており、この残留空気中の酸素と水素流路内に残留している水素との反応によって空気の体積が減少することにより、燃料電池１３の空気流路の圧力は負圧に低下してくる。
【００３４】
図３に示すように、燃料電池１３内部の空気流路の圧力が負圧となると、燃料電池１３の空気入口遮断弁５０の弁体５６は大気圧状態にある大気室５９と弁出口５０ｅにかかる燃料電池１３の空気流路の負圧との圧力差によって、燃料電池１３の空気流路側にある各弁座５８方向に吸引される。負圧がある程度大きくなり、弁体５６を弁座５８に吸引することによる閉弁方向の力が開弁用ばね５３による開弁方向の力よりも大きくなると、弁体５６のシール面が対向する弁座５８シート面に当接する力が大きくなり、弁体５６は負圧のみによって閉弁状態を保持することができる様になる。従って、燃料電池１３の停止中に駆動用空気のリークによって、閉弁動作側圧力室５１の圧力が低下しても、空気入口遮断弁５０は燃料電池１３の空気流路の負圧により閉弁状態を保つことができる。また、燃料電池１３の負圧によって空気入口遮断弁５０の閉状態が保持されていることから電力など燃料電池１３の停止中に閉弁を保持するための駆動力を必要としない。空気出口遮断弁６０も上記と同様に、燃料電池１３の空気流路の負圧によって弁体６６が弁座６８に当接して空気をシールして閉弁状態を保持することができる。
【００３５】
本実施形態では、ノーマルオープンの弁であっても、燃料電池１３の停止中には、各閉弁動作側圧力室５１，６１の中に保持した圧力と燃料電池１３の負圧による弁体５６，６６の吸引力によって閉弁状態の保持を行えることから、燃料電池の１３停止中における各遮断弁５０，６０の封止性を向上させることができるという効果を奏する。また、各遮断弁５０，６０は燃料電池１３の空気流路の負圧により弁体５６，６６を吸引して閉弁状態を保つことができ、停止中に駆動用空気のリークがあっても封止状態を保持することができ、封止性を向上させることができる。また、閉弁状態を保持するために電力などの動力を必要としないことから燃料電池を効率的に運用することができるという効果を奏する。
【００３６】
以上述べた、本実施形態では、燃料電池１３の停止後の残留水素と残量空気の反応による燃料電池１３の空気流路中の圧力低下によって、燃料電池１３の空気流路が負圧となることを利用して遮断弁５０，６０の封止性を向上させることとしたが、各遮断弁５０，６０を閉とした後、燃料電池１３の空気流路から空気を吸引するなどして、空気流路を負圧とし、その負圧を利用して各遮断弁５０，６０の封止性を向上させることとしてもよい。
【００３７】
次に、本実施形態の燃料電池システム１１において、停止中の燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧の状態からの起動について説明する。燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧の状態では、空気入口遮断弁５０は図３に示すように、負圧によって弁体５６が弁座５８側に当接し、密着し、弁入口５０ｄは大気圧状態となっている。
【００３８】
図１に示す制御部８０は、まず、大気開放弁４７を開とする指令を出力する。そして、この指令によって、大気開放弁４７が開となる。大気開放弁４７が開となると大気開放弁４７から大気開放管３２を通して空気が燃料電池１３の空気流路と各遮断弁５０，６０によって封止されている負圧領域に侵入し、燃料電池１３の空気流路の負圧が低下してくる。燃料電池１３の空気流路の負圧が低下すると、負圧による弁体５６の弁座５８への吸引力が低下し、弁体５６にかかる閉弁方向の力が小さくなってくる。一方、弁体５６が接続されている弁棒５７に取り付けられた駆動板５５には開弁用ばね５３からの開弁方向の力がかかっている。弁体５６にかかる開弁用ばね５３の開弁方向の力の大きさが負圧による閉弁方向の力よりも大きくなると、弁体５６は開弁方向に移動し、弁座５８と弁体５６の各シート面が離れ、空気をシールすることができなくなる。すると、弁入口５０ｄからも空気が燃料電池１３の空気流路に流れ込んで、更に負圧が低下して閉弁方向の力が小さくなる。このため、空気入口遮断弁５０の弁体５６にはより大きな開弁方向の力がかかり、空気入口遮断弁５０は開弁する。空気出口遮断弁６０も、上記と同様に開弁する。
【００３９】
空気入口遮断弁５０の弁体５６と弁座５８とが停止中に固着している場合でも、大気開放弁４７を開とすることによって、燃料電池１３の空気流路の圧力を大気圧とし、燃料電池１３の空気流路の負圧による閉弁方向の力を略ゼロとすることができるので、開弁動作側圧力室５２の加圧圧力が低い状態でも開弁することが可能となる。
【００４０】
このように本実施形態では、燃料電池１３の空気流路が停止中に負圧となった場合でも、各遮断弁５０，６０の開弁性を向上させることができるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００４１】
１１ 燃料電池システム、１３ 燃料電池、１３ａ 空気入口、１３ｂ 空気出口、１５ 加湿モジュール、１７ 空気圧縮機、１９ モータ、２１ インタークーラー、２３ バイパス流量調節弁、２５ 空気圧力調節弁、２７ 圧縮空気供給管、２９ 空気入口管、３１ 空気出口管、３２ 大気開放管、３３ 空気排出管、３４ 圧力センサ、３５ バイパス管、３７ 圧力センサ、３９ 駆動用空気供給管、４１ 空気入口遮断弁駆動空気切換弁、４２，４５ 閉弁側排出弁、４３，４６ 開弁側排出弁、４４ 空気出口遮断弁駆動空気切換弁、４７ 大気開放弁、５０ 空気入口遮断弁、５０ａ，６０ａ 駆動部、５０ｂ，６０ｂ 弁本体、５０ｃ ケーシング、５０ｄ 弁入口、５０ｅ 弁出口、５０ｆ 駆動部ケーシング、５０ｇ 駆動部蓋、５１，６１ 閉弁動作側圧力室、５１ａ 閉弁動作側圧力室空気座、５２，６２ 開弁動作側圧力室、５２ａ 開弁動作側圧力室空気座、５３，６３ 開弁用ばね、５４，６４ ダイヤフラム、５４ａ ベローシール、５５，６５ 駆動板、５６，６６ 弁体、５７，６７ 弁棒、５８，６８ 弁座、５９ 大気室、５９ａ 大気室空気座、６０ 空気出口遮断弁、７１〜７８ 管路、８０ 制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内の酸化剤ガス流路と大気との間に設けられる遮断弁とを含む燃料電池システムであって、
前記遮断弁は、弁座と、前記弁座に当接して酸化剤ガスのシールを行う弁体とを含み、
前記弁体は、閉弁状態で燃料電池内の酸化剤ガス流路の大気圧よりも低い負圧によって前記弁座の方向に吸引されること、
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であって、
前記弁開閉駆動機構は、前記酸化剤ガスが供給される開弁動作側圧力室と前記酸化剤ガスが供給される閉弁動作側圧力室とを含み、前記各圧力室間の圧力差によって前記遮断弁を開閉駆動すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路と大気との間にある全ての流路に前記遮断弁が設けられていること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路と前記遮断弁との間に設けられ、前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路の負圧を大気圧に開放する大気開放弁を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の起動の際に、前記大気開放弁を開とした後、前記遮断弁の開動作を行うこと、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池内の酸化剤ガス流路と大気との間に設けられる遮断弁とを含む燃料電池システムであって、
前記遮断弁は、弁座と、前記弁座に当接して酸化剤ガスのシールを行う弁体とを含み、
前記弁体は、閉弁状態で燃料電池内の酸化剤ガス流路の大気圧よりも低い負圧によって前記弁座の方向に吸引されること、
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であって、
前記弁開閉駆動機構は、前記酸化剤ガスが供給される開弁動作側圧力室と前記酸化剤ガスが供給される閉弁動作側圧力室とを含み、前記各圧力室間の圧力差によって前記遮断弁を開閉駆動すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路と大気との間にある全ての流路に前記遮断弁が設けられていること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路と前記遮断弁との間に設けられ、前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路の負圧を大気圧に開放する大気開放弁を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の起動の際に、前記大気開放弁を開とした後、前記遮断弁の開動作を行うこと、
を特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−９４５３４（Ｐ２０１２−９４５３４Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２９８（Ｐ２０１２−１２９８）
【出願日】平成２４年１月６日（２０１２．１．６）
【分割の表示】特願２００７−１０８７９３（Ｐ２００７−１０８７９３）の分割
【原出願日】平成１９年４月１８日（２００７．４．１８）
【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２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月６日（２０１２．１．６）
【分割の表示】特願２００７−１０８７９３（Ｐ２００７−１０８７９３）の分割
【原出願日】平成１９年４月１８日（２００７．４．１８）
【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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