JP2008243782A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のアノード系の燃料排ガス路から排出される燃料排ガスを制御するバルブを小型化および軽量化できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料ガス供給路１１と、酸化剤ガス供給路１２と、燃料ガス循環路１４と、燃料排ガス路１５と、パージ手段４１と掃気手段３０との少なくとも一方と、備えている。燃料電池システム１は、燃料排ガス路１５に直列に配置された開閉制御可能な開閉弁４２および流量調整可能な流量調整弁４３と、開閉弁４２と流量調整弁４３とを制御することにより、パージ手段４１によるパージ時のパージ流量と掃気手段３０とによる掃気時の掃気流量の少なくとも一方の制御を行う制御装置６０と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のアノードから排出される燃料排ガスの流量を調整することができる燃料電池システムに関する。

従来、車両等に搭載される燃料電池システムでは、例えば、特許文献１に開示されているように、アノード系内の不純物、および水分を走行中に排出するために、パージ弁（水素パージバルブ）が不可欠で必ず使用されている。また、燃料電池システムでは、氷点下でアノード系内が凍結して閉塞されるのを防止すると共に、イグニッションＯＦＦ時にシステム全体をエア掃気する場合、大流量のエアを掃気排出するための掃気排出弁（エア排出バルブ）が不可欠で必ず使用されている。

燃料電池システムは、システム上、パージ時のパージ流量と掃気時の掃気流量とが大きく相違しているので、パージ弁が小流量に対応したバルブから構成され、掃気排出弁が大流量に対応したバルブから構成されている。そのため、燃料電池システムでは、アノードオフガス排出系に流量特性の異なる前記２つのバルブが独立した状態で並列に配置されている。
前記２つのバルブは、共に氷点下でも使用されるため、凍結状態でも動く仕様のものとなっている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１３４８０７号公報（図１） 特開２００５−２６５０３６号公報（図２）

しかしながら、前記特許文献１等に記載された従来の燃料電池システムでは、燃料排ガス（アノードオフガス）排出用のバルブは、いずれも氷点下の環境においても作動できるように構成されているので、大きくて重く、部品点数が多いため、コストが高いという問題点があった。

従来の燃料電池システムでは、パージ時と掃気時とのそれぞれの流量特性に応じて、パージ弁と掃気排出弁との２種類のバルブを並列配置しているので、重量が重くなると共に、コストアップするため、軽量化とコストダウンとを図ることが大きな課題となっていた。

通常、アノードオフガス排出系のバルブは、水素等の燃料排ガスを完全に遮断する機能が要求され、バタフライバルブやニードル弁のような流量調整弁を使用することができないという問題点があった。

また、それらの方式の流量調整弁に凍結状態でも働くように機能を持たせるためには、流量調整弁を駆動させるアクチュエータが大型化するという問題点や、凍結防止用のヒーターの設置等が必要となって、部品点数やコストが増大するという問題点があった。

そこで、本発明は、燃料電池のアノード系の燃料排ガス路から排出される燃料排ガスを制御するバルブを小型化および軽量化できる燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に記載の燃料電池システムの発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記アノードを通過した燃料ガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料ガス循環路と、前記アノードからの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、前記燃料排ガス路からの前記燃料排ガスをパージするパージ手段と、前記アノードに掃気ガスを導入し、このアノードおよび前記燃料ガス循環路内の残留ガスを前記燃料排ガス路を通して掃気する掃気手段との少なくとも一方と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料排ガス路に直列に配置された開閉制御可能な開閉弁および流量調整可能な流量調整弁と、前記開閉弁と前記流量調整弁とを制御することにより、前記パージ手段によるパージ時のパージ流量と前記掃気手段とによる掃気時の掃気流量の少なくとも一方の制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の燃料電池システムの発明によれば、燃料排ガス路に開閉制御可能な開閉弁と流量調整可能な流量調整弁とを直列に配置して、開閉弁と流量調整弁とを制御手段で制御することにより、燃料排ガスの排出流量を調整できる。その結果、開閉弁および流量調整弁は、遮断シール性および作動差圧が低くなるため、バルブ全体を小型化することが可能となる。すなわち、燃料電池システムは、２つの異なる流量特性を持つバルブを並列に配置した従来の場合と比較して、バルブ全体を小型化および軽量化することが可能となる。
また、燃料電池システムは、パージ手段によるパージ時のパージ流量と掃気手段とによる掃気時の掃気流量の少なくとも一方の制御を行う制御手段を備えたことにより、燃料電池システムの運転条件に合わせて排出流量を任意に変えることが可能となる。その結果、燃料電池システムは、不要なパージや掃気を適宜に抑制し、燃費の向上を図ることができる。
なお、パージ手段と掃気手段とを両方設けて、パージと掃気の両方を行った場合には、燃料排ガスの排出流量の制御をさらに効率よく行うことができるので、燃費もさらに向上させることができる。

請求項２に記載の燃料電池システムの発明は、請求項１に記載された燃料電池システムであって、前記開閉弁は、凍結対策を施した弁装置から構成すると共に、前記流量調整弁の上流側に配置したことを特徴とする。
ここで、凍結対策とは、開閉弁を通過するガス中に含まれている水分が温度の低下によって凍結して弁体が開閉不能となることを防止するための対策であり、その構造は特に限定されない。凍結対策は、例えば、弁体装置内に水分が溜まらないようにして凍結を防止する構造や、弁体および弁座の位置をバルブ内の流路底面より高く配置して水分が溜まる可能性がある部位から弁体を離間して弁体の凍結を防止する構造、アクチュエータの内部に水が浸入するのを防止する構造等の対策が挙げられる。

請求項２に記載の燃料電池システムの発明によれば、開閉弁は、凍結対策を施した弁装置から構成すると共に、流量調整弁の上流側に配置したことにより、弁装置が停止した後に、アノード系内のガス中の水蒸気の露結、凍結により流量調整弁が作動不良になることが防止される。その結果、下流側に配置された流量調整弁は、氷点下であっても流量調整機能を保持することができる。

請求項３に記載の燃料電池システムの発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記開閉弁と前記流量調整弁とを一体に構成したことを特徴とする。

請求項３に記載の燃料電池システムの発明によれば、前記開閉弁と前記流量調整弁とを一体に構成したことにより、燃料電池システムにおけるバルブの個数および部品点数を削減して、コストの低減を図ることができる。

請求項４に記載の燃料電池システムの発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記燃料電池システムが停止する際に、前記流量調整弁を次回起動時に行うパージ流量に設定した後に前記燃料電池システムを停止させることを特徴とする。

請求項４に記載の燃料電池システムの発明によれば、燃料電池装置は、停止する際に、前記流量調整弁を次回起動時に行うパージ流量に設定した後に停止させることにより、燃料電池システムを起動した際に、流量調整弁を作動させてパージ流量を設定することを解消できる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池のアノード系の燃料排ガス路から排出される燃料排ガスを制御するバルブを小型化および軽量化できる。また、燃料排ガス路から排出される燃料排ガスの流量を小流量から大流量までの広範囲に制御することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

以下、図１を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１０の発電電力によって走行用の電動モータ（走行モータ）を回転させて走行する燃料電池自動車に搭載されるシステムである。燃料電池自動車の停止時（燃料電池１０の停止時）に、燃料電池１０に掃気ガスを供給し、燃料電池１０の燃料ガス供給路１１および酸化剤ガス供給路１２を掃気するシステムである。この燃料電池システム１は、それぞれ後記する燃料電池１０と、燃料ガス供給路１１と、酸化剤ガス供給路１２と、掃気ガス導入路１３と、燃料ガス循環路１４と、燃料排ガス路１５と、燃料排ガス希釈手段４０と、掃気手段３０と、パージ手段４１と、開閉弁４２と、流量調整弁４３と、圧力調整弁５１と、制御装置（制御手段）６０と、を備えている。なお、燃料電池システム１において、掃気手段３０とパージ手段４１とは、少なくともどちらか一方だけ備えていればよい。以下、掃気手段３０とパージ手段４１を両方備えて制御装置６０で制御する燃料電池システム１を例に挙げて説明する。

≪燃料電池の構成≫
図１に示す燃料電池１０（燃料電池スタック）は、主として、一価の陽イオン交換型の電解質膜の両面を触媒が担持されたアノード（燃料極）１０ａおよびカソード（空気極）１０ｂで挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体）１０ｃと、ＭＥＡを挟持するセパレータとからなる単セルが、複数積層された固体高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、ＰＥＦＣ）からなる。燃料電池１０は、アノード１０ａに供給される水素等の燃料ガスと、カソード１０ｂに供給される加湿空気等の酸化剤ガスとを反応させて発電するように構成されている。

≪燃料ガス供給路の構成≫
図１に示すように、燃料ガス供給路１１は、燃料電池１０のアノード１０ａに燃料ガスタンク２１内の燃料ガスを供給するアノード系の供給路である。この燃料ガス供給路１１には、例えば、燃料ガスタンク２１と、遮断弁２２と、レギュレータ２３と、フィルタ２４と、熱交換器２５と、エゼクタ２６と、が備えられている。なお、燃料ガス供給路１１には、例えば、遮断弁２２とレギュレータ２３との間に掃気ガス供給路１７を接続してもよい。このようにすれば、図１に矢印Ａで示す燃料ガス供給路（配管２１ａから配管２６ａ間）１１の掃気が可能になり、全体の掃気ができる。

燃料ガスタンク２１は、燃料ガスとしての水素等が貯蔵されたタンクであり、配管２１ａを介して遮断弁２２に接続されている。
遮断弁２２は、燃料ガスタンク２１から流出される燃料ガスの流出を調整する電磁バルブであり、配管２２ａを介してレギュレータ２３に接続されている。遮断弁２２は、制御装置６０と電気的に接続されており、この制御装置６０によって適宜に弁体が開閉制御されるようになっている。

レギュレータ２３は、燃料ガスを所定の圧力に調整するための減圧調整弁からなり、下流側に燃料ガスを浄化するフィルタ２４が備えられている。レギュレータ２３は、制御装置６０と電気的に接続されており、この制御装置６０の駆動信号によって燃料ガスの圧力を減圧制御するようになっている。そのレギュレータ２３は、フィルタ２４および配管２４ａを介して熱交換器２５に接続されている。

熱交換器２５は、レギュレータ２３による燃料ガスの減圧時に発生した熱を熱交換して低下させるための装置であり、配管２５ａを介してエゼクタ２６に接続されている。
エゼクタ２６は、燃料電池１０のアノード１０ａから排出された未反応の水素を含むアノードオフガスを燃料ガス循環路１４に循環させるための機器であり、配管２６ａを介して燃料電池１０の燃料ガス導入口に接続されている。

≪酸化剤ガス供給路の構成≫
図１に示すように、酸化剤ガス供給路１２は、燃料電池１０のカソード１０ｂに空気等の酸化剤ガスを供給する供給路である。酸化剤ガス供給路１２は、例えば、一端側が酸化剤ガスを送るためのコンプレッサ（図示せず）や、酸化剤ガスを加湿させるための加湿器（図示せず）等に接続され、他端側が配管１２ａによってカソード１０ｂに接続されている。

≪掃気ガス導入路の構成≫
図１に示すように、掃気ガス導入路１３は、燃料電池１０の掃気時に、掃気ガス（空気等の酸化剤ガス）を、カソード系からアノード系に導くための流路であり、掃気導入弁３１を主に備えて構成されている。

＜掃気導入弁の構成＞
掃気導入弁３１は、掃気ガス導入路１３を開閉するための電磁バルブであり、燃料電池１０の発電時に、酸化剤ガス供給路１２と燃料ガス供給路１１との連通を遮断し、掃気時に、弁体を開放して酸化剤ガス供給路１２の酸化剤ガスを燃料ガス供給路（配管２６ａ）１１に導入させる電磁バルブである。この掃気導入弁３１は、制御装置６０と電気的に接続されており、この制御装置６０の駆動信号によって弁体を開いて掃気ガス導入路１３から掃気ガスをアノード系へ流すように開閉制御される。この掃気導入弁３１は、上流側が、配管３１ａを介してカソード系の前記配管１２ａに接続され、下流側が、配管３１ｂを介して、アノード系の前記配管２６ａに接続されている。

＜掃気手段の構成＞
掃気手段３０は、燃料電池システム１の停止時に、前記掃気導入弁３１を開いて掃気ガス導入路１３からアノード１０ａに掃気ガス（酸化剤ガス）を導入し、このアノード１０ａと燃料ガス循環路１４内の残留ガスを燃料排ガス路１５を通して掃気するものである。この掃気手段３０は、掃気ガス導入路１３と、掃気導入弁３１と、燃料ガス循環路１４と、エゼクタ２６と、後記する燃料排ガス路１５と、開閉弁４２と、流量調整弁４３と、から主に構成されている。

≪燃料ガス循環路の構成≫
図１に示すように、燃料ガス循環路１４は、アノード１０ａを通過した燃料ガスを前記燃料ガス供給路１１に戻すための循環流路であり、上流側が燃料電池１０に接続され、下流側がエゼクタ２６に接続されている。

≪燃料排ガス路の構成≫
燃料排ガス路１５は、燃料電池１０のアノード１０ａからの燃料排ガスを排出する流路である。燃料排ガス路１５には、パージ手段４１を構成する開閉弁４２、および流量調整弁４３と、燃料排ガス希釈手段４０を構成する希釈器４４と、が備えられている。なお、この燃料排ガス路１５において、この燃料排ガス路１５を開閉制御可能な開閉弁４２と、流量調整可能な流量調整弁４３とは、直列に配置されている。

≪パージ手段の構成≫
前記パージ手段４１は、燃料電池システム１の運転中に燃料ガス循環路１４内に混在する水分や、その他の不純物を適宜に外部に排出することを主な目的とするものである。このパージ手段４１は、酸化剤ガス供給路１２の酸化剤ガスを掃気ガス導入路１３から燃料ガス循環路１４に送って、燃料ガス循環路１４内のオフガスを燃料排ガス路１５へ押し出すように構成されている。パージ手段４１は、例えば、掃気ガス導入路１３と、掃気導入弁３１と、燃料ガス循環路１４と、エゼクタ２６と、燃料排ガス路１５と、開閉弁４２と、流量調整弁４３と、希釈器４４と、から主に構成されている。

＜開閉弁の構成＞
開閉弁４２は、燃料排ガスを燃料電池１０から排出する燃料排ガス路１５を開閉するための電磁バルブであり、上流側が配管１５ａによって燃料電池１０に接続され、下流側が流路４２ａによって流量調整弁４３に接続されている。開閉弁４２は、凍結対策を施した弁装置から構成されると共に、流量調整弁４３の上流側に配置されている。この開閉弁４２は、制御装置６０と電気的に接続されており、この制御装置６０の駆動信号によって弁体が開閉制御されるように構成されている。

＜流量調整弁の構成＞
流量調整弁４３は、パージ時および掃気時に、開閉弁４２から流れて来る燃料ガスの流量を調整（低減）させてから下流の希釈器４４に流すためのバルブであり、上流側が流路４２ａによって開閉弁４２に接続され、下流側が配管４３ａによって希釈器４４に接続されている。この流量調整弁４３は、制御装置６０と電気的に接続されており、この制御装置６０の駆動信号によって弁体が適宜な開度に開閉制御されるように構成されている。

≪燃料排ガス希釈手段の構成≫
燃料排ガス希釈手段４０は、燃料電池１０に接続された燃料排ガス路１５から排出された燃料排ガスを希釈器４４で希釈ガス（酸化剤ガス）に合流させることによって希釈して大気中に排出するための装置である。

＜希釈器の構成＞
希釈器４４は、水素等の燃料排ガスを、酸化剤ガス供給路１２に接続した希釈ガス導入路（図示せず）の酸化剤ガスや、酸化剤ガス排出路１６から送られて来る酸化剤ガス（カソードオフガス）等の希釈ガスによって希釈し流速を調整して配管４４ａから燃料電池自動車の外部に排出するための装置である。

≪酸化剤ガス排出路の構成≫
燃料電池１０のカソード１０ｂから排出されるカソードオフガスを排出するための流路であり、上流側がカソード１０ｂに接続され、下流側が内圧を調整するための圧力調整弁５１を介在して希釈器４４に接続されている。

≪制御装置（制御手段）の構成≫
前記制御装置６０は、前記以外に、開閉弁４２と流量調整弁４３とを制御することにより、パージ手段４１によるパージ時のパージ流量と、掃気手段３０による掃気時の掃気流量との制御を行う機能を備えている。また、制御装置６０は、燃料電池システム１が停止する際に、流量調整弁４３を次回起動時に行うパージ流量に設定した後に停止するように構成されている。制御装置６０は、イグニッションスイッチ（図示せず）に接続されて、このイグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦに連動して作動するようになっている。この制御装置６０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等から構成されている。

さらに説明すると、例えば、燃料電池１０を構成するいずれかの単セルのセル電圧の低下により、燃料オフガス中の水分量（つまり、アノード１０ａ内の水分量）や異種ガスの濃度が高いと推定される場合（パージ時）、制御装置６０は、開閉弁４２および流量調整弁４３を開き、この水分量の高い燃料オフガスを配管４３ａを介して希釈器４４に送る機能を備えている。

一方、各単セルのセル電圧が良好な値であることにより、燃料オフガス中の水分量が適切と推定される場合（燃料循環時）、制御装置６０は、開閉弁４２および流量調整弁４３を閉じて、燃料オフガスが燃料ガス循環路１４からエゼクタ２６に戻され、燃料ガスが循環して効率的よく利用されるように制御する機能を備えている。
ただし、水素パージの方式は、このようなセル電圧に基づく方式に限定されず、その他の方式であっても構わない。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、図１を参照して、燃料電池システム１の動作について説明する。
まず、燃料電池１０の電力の発生について説明する。
図１に示すように、燃料電池１０は、燃料ガスが燃料ガスタンク２１から燃料ガス供給路１１、およびこの燃料ガス供給路１１に設置されたエゼクタ２６等の機器を介して供給される燃料ガス（水素）と、コンプレッサ（図示せず）から酸化剤ガス供給路１２によって供給される酸化剤ガス（酸素）との電気化学反応によって電力および熱を発生する。

次に、燃料電池システム１の定常運転時の状態を説明する。
燃料電池システム１の定常運転時には、掃気導入弁３１、開閉弁４２、および流量調整弁４３が制御装置６０によって閉められている。このため、エゼクタ２６からアノード１０ａに送られた燃料ガスは、燃料ガス循環路１４を通って、再びアノード１０ａに戻るように循環される。このようにして燃料ガスの無駄な消費が削減されている。

次に、パージ時の状態について説明する。
走行中に、図１に示す開閉弁４２および流量調整弁４３が開かれてパージがあると、燃料排ガスは、燃料電池１０から燃料排ガス路１５、開閉弁４２、流量調整弁４３、および希釈器４４を介して燃料電池システム１の外部へ排出される。

このとき、開閉弁４２から排出される燃料排ガスの流量は、その下流に配置された流量調整弁４３が、制御装置６０からの駆動信号で作動させることによって調整される。その燃料排ガスは、さらに、希釈器４４によって流速が抑制されて流れるようになる。また、その希釈器４４では、酸化剤ガス排出路１６からカソードオフガス（希釈ガス）が流れ込んで合流して、水素等の燃料排ガスが混合および希釈されてから配管４４ａから外部に排気される。

掃気時の状態について説明する。
そして、燃料電池１０の発電状態を停止して、燃料ガス循環路１４内の燃料ガスの圧力が低下したときに、センサ（図示せず）と制御装置６０とによって、掃気導入弁３１、開閉弁４２、および流量調整弁４３が開かれる。すると、燃料ガス循環路１４内の燃料ガスが燃料排ガス路１５、開閉弁４２、流量調整弁４３、および希釈器４４を通って配管４４ａから外部に排出される。

すなわち、掃気導入弁３１は、制御装置６０からの駆動信号により、ＯＮ状態に切り換わって開弁される。すると、コンプレッサ（図示せず）からの酸化剤ガス（掃気ガス）が、酸化剤ガス供給路１２および掃気ガス導入路１３を通って燃料ガス供給路１１に流れ込み、アノード１０ａ、燃料排ガス路１５、開閉弁４２、流量調整弁４３、および希釈器４４を通って外部に排出されて、燃料ガス循環路１４を循環していた燃料オフガス（残留ガス）が押し出されるようにして掃気される。

次に、掃気が完了した場合を説明する。
燃料ガスの掃気が完了して、燃料電池１０による発電状態の通常の状態に復帰させる場合、制御装置６０によって遮断弁２２およびレギュレータ２３が開弁されて燃料ガス供給路１１からエゼクタ７を介してアノード１０ａに燃料ガスが送られると共に、掃気導入弁３１、開閉弁４２、流量調整弁４３が遮断される。そして、再び、アノード１０ａから排出された燃料ガスが、燃料ガス循環路１４、エゼクタ２６を介してアノード１０ａに戻る燃料ガスの循環が行われる。

このとき、開閉弁４２および流量調整弁４３は、制御装置６０のＯＦＦ信号によって閉弁状態になることにより、燃料排ガス路１５が遮断されて、酸化剤ガス（掃気ガス）が燃料ガス循環路１４側に流れなくなり、掃気が停止される。

燃料電池システム１の停止時について説明する。
制御装置６０は、燃料電池システム１が停止する際に、前記流量調整弁４３を次回起動時に行うパージ流量に設定した後に燃料電池システム１を停止させるように駆動制御する。このため、燃料電池システム１を起動した際に、流量調整弁４３を作動させてパージ流量を設定することを解消される。

以上のように、本実施形態では、燃料排ガス路１５に、開閉弁４２と、流量調整可能な流量調整弁４３とを直列に配置したことにより、開閉弁４２と流量調整弁４３とによって、燃料排ガス路１５を流れる排ガスの排出流量を調整できると共に、確実に燃料排ガス路１５を閉塞することもできる。その結果、開閉弁４２および流量調整弁４３は、遮断シール性が向上されて作動差圧が低くなるため、バルブ全体を小型化および軽量化することが可能となる。

燃料電池システム１は、凍結対策を施した開閉弁４２を流量調整弁４３の上流側に配置したことにより、開閉弁４２および流量調整弁４３が停止した後に、アノード系内のガス中の水蒸気の露結、凍結により流量調整弁４３が作動不良になることが防止され、氷点下であっても流量調整機能を保持することができる。

さらに、燃料電池システム１は、パージ手段４１によるパージ時のパージ流量と掃気手段３０とによる掃気時の掃気流量の制御を制御装置６０の駆動信号で作動する流量調整弁４３で行うことにより、燃料電池システム１の運転条件に合わせて排出流量を任意に変えることが可能となる。その結果、燃料電池システム１は、不要なパージを抑制し、燃費の向上を図ることができる。

≪変形例≫
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。

図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す図であり、開閉弁と流量調整弁とを一体にした複合弁を示す断面図である。
前記した実施形態では、図１に示すように、燃料排ガス路１５に開閉弁４２と流量調整弁４３とを直列に配置した場合について説明したが、これに限定されず、図２に示すように、開閉弁４６（４２）と流量調整弁４７（４３）とを一体に構成した複合弁４５としてもよい。

この場合、複合弁４５は、例えば、ソレノイド駆動式の開閉弁４６のバルブボディ４６１と、ステップモータ駆動式の流量調整弁４７のバルブボディ４７１とを固定して一体にしている。複合弁４５は、開閉弁４６側に設けられて燃料電池１０（図１参照）に接続される配管１５ａが接続される導入流路４６２と、流量調整弁４７側に設けて希釈器４４（図１参照）に接続される配管４３ａが接続される導出流路４７２と、が連通するように設けられている。

開閉弁４６は、例えば、ソレノイド４６７のコイルに制御装置６０（図１参照）からの駆動電流が流れた際の発生する磁力によって弁体４６４を備えたプランジャ４６６を作動させて４６４を開閉させる電磁弁である。この開閉弁４６は、前記バルブボディ４６１と、バルブボディ４６１によって形成された導入流路４６２と、導入流路４６２内に設けられた弁座４６３と、弁座４６３を開閉する弁体４６４と、弁体４６４を弁座４６３に押圧して閉塞させるための弁ばね４６５と、先端に弁体４６４を設けたプランジャ４６６と、プランジャ４６６を作動させるソレノイド４６７と、プランジャ４６６を進退自在に支持するガイド部材４６８と、中心側をプランジャ４６６に固定して外週側をガイド部材４６８に固定したダイヤフラムＤと、ハウジング４６９と、を備えて構成されている。

流量調整弁４７は、例えば、ステップモータ４７４のコイル４７５に制御装置６０（図１参照）からの駆動電流で回転するロータ４７６がねじ機構を介してニードル弁体４７３を作動させることによって、複合弁４５内を流れる燃料排ガスの流量を調整する弁装置である。この流量調整弁４７は、前記バルブボディ４７１と、バルブボディ４７１によって形成された導出流路４７２と、導出流路４７２内に設けられてこの導出流路４７２の流路の流量を調整するためのニードル弁体４７３と、ステップモータ４７４のコイル４７５と、このコイル４７５の磁力で回転してねじ機構を介してニードル弁体４７３を進退させるステップモータ４７４のロータ４７６と、を備えて構成されている。

このように、開閉弁４６を流量調整弁４７とを一体にした複合弁４５としたことにより、バルブの個数、およびバルブ全体の部品点数を削減して重量を軽量化すると共に、小型化およびコストの低減を図ることができる。

また、複合弁４５は、図２に示すように、弁座４６３を開閉する弁体４６４が、導入流路４６２の流路底面、および導出流路４７２の流路底面より高い位置に配置されていることにより、排ガス中の水分がバルブボディ４６１，４７１内に溜まることがあったとしても浸水しないように設けられている。すなわち、複合弁４５には、凍結対策を施されている。

さらに、開閉弁４６は、導出流路４７２内において、プランジャ４６６とガイド部材４６８との隙間からプランジャ４６６の駆動部内の空間Ｓに水が浸入しないようにするために、前記ダイヤフラムＤを備えている。このように、上下動するプランジャ４６６と、プランジャ４６６を進退自在に支持するガイド部材４６８との間にダイヤフラムＤを設けたことにより、プランジャ４６６の駆動部に水が付着して凍ることが阻止されるため、凍結によってプランジャ４６６が動かなくなることを解消できる。

流量調整弁４７は、ニードル弁体４７３が、ステップモータ４７４によって回転するロータ４７６と当該ニードル弁体４７３との間に設けられてねじ機構によって上下動して弁体の開度が調整される。このため、流量調整弁４７は、喩え、ニードル弁体４７３が凍結したとしても、比較的小さなステップモータ４７４のトルクでニードル弁体４７３を駆動させることができる機能を備えている。

なお、前記実施形態では、車両用の燃料電池システム１を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機等のその他の燃料電池システムであっても構わない。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す図であり、開閉弁と流量調整弁とを一体にした複合弁を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１０ａ アノード
１０ｂ カソード
１１ 燃料ガス供給路
１２ 酸化剤ガス供給路
１４ 燃料ガス循環路
１５ 燃料排ガス路
３０ 掃気手段
４０ 燃料排ガス希釈手段
４１ パージ手段
４２，４６ 開閉弁
４３，４７ 流量調整弁
４４ 希釈器
４５ 複合弁
６０ 制御装置（制御手段）

Claims (4)

1. アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
   前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
   前記アノードを通過した燃料ガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料ガス循環路と、
   前記アノードからの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、
   前記燃料排ガス路からの前記燃料排ガスをパージするパージ手段と、前記アノードに掃気ガスを導入し、このアノードおよび前記燃料ガス循環路内の残留ガスを前記燃料排ガス路を通して掃気する掃気手段との少なくとも一方と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料排ガス路に直列に配置された開閉制御可能な開閉弁および流量調整可能な流量調整弁と、
   前記開閉弁と前記流量調整弁とを制御することにより、前記パージ手段によるパージ時のパージ流量と前記掃気手段とによる掃気時の掃気流量の少なくとも一方の制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記開閉弁は、凍結対策を施した弁装置から構成すると共に、前記流量調整弁の上流側に配置したことを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
3. 前記開閉弁と前記流量調整弁とを一体に構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記燃料電池システムが停止する際に、前記流量調整弁を次回起動時に行うパージ流量に設定した後に前記燃料電池システムを停止させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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