JP5017849B2

JP5017849B2 - 燃料電池システム、燃料電池のバルブシステム、及び燃料ガス供給装置

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Publication number: JP5017849B2
Application number: JP2005344687A
Authority: JP
Inventors: 昌宏竹下; 尽生石戸谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: JP2007149563A; US20090169963A1; WO2007063709A1; CN101317293B; CN101317293A; US8053129B2

Description

本発明は、ガスの流れを遮断することが可能な遮断バルブを備える燃料電池システム、燃料電池のバルブシステム、及び燃料ガス供給装置に関する。

この種の燃料電池システムの関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１においては、燃料タンクと燃料電池のアノード側とを接続するための燃料ガス供給流路に、開閉動作可能なシャットバルブが２つ設けられており、２つのシャットバルブの間に調整バルブが設けられている。燃料電池の発電を行う場合は、２つのシャットバルブを開けることで燃料タンクから燃料電池へ燃料ガスを流す。燃料タンクからの燃料ガスは、調整バルブにより調圧されてから燃料電池へ供給される。一方、燃料電池の発電を停止する場合は、２つのシャットバルブを閉じることで燃料電池への燃料ガスの供給を停止する。これによって、燃料電池の発電を停止する場合における燃料ガスのシール性能の向上を図っている。

その他にも、下記特許文献２〜４による燃料電池システムが開示されている。

特開２００５−２０１８２２号公報特開２００５−１１７０３号公報特開２００４−１７０３２１号公報特開平８−３２９９６５号公報

特許文献１においては、燃料タンクと燃料電池のアノード側とを接続するための燃料ガス供給流路に２つのシャットバルブを設けることでシール性能の向上を図っているが、シャットバルブの各々に要求される性能がシャットバルブの配設箇所に応じて異なる。一例を挙げて説明すると、燃料ガスの流れに関し上流側（燃料タンク側）に配設されたシャットバルブについては、燃料ガスの高い圧力に対してシール性能を確保することが要求される。一方、燃料ガスの流れに関し下流側（燃料電池側）に配設されたシャットバルブについては、燃料ガスの低い圧力に対してシール性能を確保することが要求される。従来においては、全ての配設箇所で要求されるシール性能を有する共通のシャットバルブを直列に設けていた。しかしながら、供給燃料ガスの高圧化（燃料ガス貯蔵手段の高圧化）に伴い、シャットバルブで要求される圧力範囲や温度範囲等が広くなった結果、シャットバルブのシール部材の材料として希少な材料を用いなければならなかったり、冗長性を持たせるために部品が大型化したりして、シャットバルブの構成の複雑化を招いていた。

本発明は、システム全体のシール性能を損なうことなく、より簡易なシャットバルブを用いた燃料電池システム、燃料電池のバルブシステム、及び燃料ガス供給装置を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システム、燃料電池のバルブシステム、及び燃料ガス供給装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のガスが流れるガス流路におけるガスの流れを遮断することが可能な第１遮断バルブと、前記ガスの流れに関し第１遮断バルブより下流側に設けられ且つ該ガスの流れを遮断することが可能な第２遮断バルブと、を備え、前記ガス流路における第１遮断バルブと第２遮断バルブとの間には、供給されたガスを減圧して出力する減圧装置が設けられ、第１遮断バルブは、第１上流側ポートと第１下流側ポートが形成された第１バルブハウジングと、第１バルブハウジングに設けられた環状の第１シール部材と、第１バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第１中心軸方向に移動する第１可動部材と、を含み、第１可動部材には、第１上流側ポートから供給されたガスの圧力を第１中心軸方向の一方側に受ける第１受圧面と、第１中心軸方向の一方側へ付勢されることで第１シール部材に当接する第１当接部が設けられ、第１当接部及び第１シール部材の当接により第１上流側ポートと第１下流側ポートの連通を遮断して前記ガスの流れを遮断することが可能であり、第２遮断バルブは、第２上流側ポートと第２下流側ポートが形成された第２バルブハウジングと、第２バルブハウジングに設けられた環状の第２シール部材と、第２バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第２中心軸方向に移動する第２可動部材と、を含み、第２可動部材には、第２上流側ポートから供給されたガスの圧力を第２中心軸方向の一方側に受ける第２受圧面と、第２中心軸方向の一方側へ付勢されることで第２シール部材に当接する第２当接部が設けられ、第２当接部及び第２シール部材の当接により第２上流側ポートと第２下流側ポートの連通を遮断して前記ガスの流れを遮断することが可能であり、第１シール部材の環状部分は、第１バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中実形状であり、第２シール部材の環状部分は、第２バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中空形状であることで、第１シール部材よりも第２シール部材の方が、同じ大きさの外力に対する変形度合が大きいことを要旨とする。

ここでの遮断バルブの特性については、例えばガスの流れに関し上流側から供給されるガス圧力に対するシール性能特性として表すことができる。シール部材により遮断バルブのシールを行う場合は、遮断バルブの特性を、例えばガスの流れに関し上流側から供給されるガス圧力に対するシール部材の変形特性として表すことができる。本発明によれば、遮断バルブの配設箇所に応じて各遮断バルブの特性を異ならせることで、各遮断バルブの性能をそれぞれの配設箇所で要求させる性能に適合させることができる。その結果、システム全体のシール性能を損なうことなく、遮断バルブの構成を簡易化することができる。

本発明において、第１遮断バルブは、該遮断バルブに設けられた第１当接部及び第１シール部材の当接により前記ガスの流れを遮断することが可能であり、第２遮断バルブは、該遮断バルブに設けられた第２当接部及び第１シール部材とは物理的特性が異なる第２シール部材の当接により前記ガスの流れを遮断することが可能であるものとすることもできる。例えば第１シール部材と第２シール部材とで弾性特性（弾性係数）を異ならせることができ、第２シール部材の弾性係数を第１シール部材の弾性係数よりも小さく設定することができる。また、第１シール部材と第２シール部材とで硬さ（硬度）を異ならせることもでき、第１シール部材を第２シール部材よりも硬くすることもできる。

本発明において、第１シール部材及び第２シール部材は、同じ大きさの外力に対する変形度合が互いに異なる特性を有するものとすることもできる。第１シール部材よりも第２シール部材の方が、同じ大きさの外力に対して変形しやすい、つまり、第１シール部材よりも第２シール部材の方が、同じ大きさの外力に対する変形度合が大きいことが好適である。

本発明において、第１シール部材及び第２シール部材を構成する材料が互いに異なるものとすることもできる。第１シール部材を硬質な材料で構成し、第２シール部材を軟質な材料で構成することもできる。例えば第１シール部材は樹脂製であり、第２シール部材はゴム製であることが好適である。

本発明において、第１シール部材及び第２シール部材の断面形状が互いに異なるものとすることもできる。第１シール部材の断面形状は中実形状であり、第２シール部材の断面形状は中空形状であることが好適である。

本発明において、第２シール部材は、所定のガス透過特性を有するシール部材であるものとすることもできる。第２シール部材のガス透過特性については、第２シール部材の材料の設定により所望の透過特性に設定することができる。ガス透過特性を有する材料として例えばブチルゴムを第２シール部材の材料に用いることができる。あるいは、ガス透過特性を有する材料としてシリコンゴムを第２シール部材の材料に用いることもできる。

本発明において、前記ガス流路における第１遮断バルブと第２遮断バルブとの間には、供給されたガスを減圧して出力する減圧装置が設けられているものとすることもできる。また、第１遮断バルブ及び第２遮断バルブの少なくとも一方においては、前記ガスの流れに関し上流側から供給されたガスの圧力により、該ガスの流れを遮断する方向の力が作用するものとすることもできる。

また、本発明については、燃料電池システムに関する発明の他に、燃料電池のバルブシステムに関する発明や、燃料ガス供給装置に関する発明として把握することもできる。本発明に係る燃料電池のバルブシステムは、燃料ガス供給源から燃料電池への燃料ガスの供給を制御する燃料電池のバルブシステムであって、燃料ガスが流れるガス流路における燃料ガスの流れを遮断することが可能な第１遮断バルブと、前記燃料ガスの流れに関し第１遮断バルブより下流側に設けられ且つ該燃料ガスの流れを遮断することが可能な第２遮断バルブと、を備え、前記ガス流路における第１遮断バルブと第２遮断バルブとの間には、供給された燃料ガスを減圧して出力する減圧装置が設けられ、第１遮断バルブは、第１上流側ポートと第１下流側ポートが形成された第１バルブハウジングと、第１バルブハウジングに設けられた環状の第１シール部材と、第１バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第１中心軸方向に移動する第１可動部材と、を含み、第１可動部材には、第１上流側ポートから供給された燃料ガスの圧力を第１中心軸方向の一方側に受ける第１受圧面と、第１中心軸方向の一方側へ付勢されることで第１シール部材に当接する第１当接部が設けられ、第１当接部及び第１シール部材の当接により第１上流側ポートと第１下流側ポートの連通を遮断して前記燃料ガスの流れを遮断することが可能であり、第２遮断バルブは、第２上流側ポートと第２下流側ポートが形成された第２バルブハウジングと、第２バルブハウジングに設けられた環状の第２シール部材と、第２バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第２中心軸方向に移動する第２可動部材と、を含み、第２可動部材には、第２上流側ポートから供給された燃料ガスの圧力を第２中心軸方向の一方側に受ける第２受圧面と、第２中心軸方向の一方側へ付勢されることで第２シール部材に当接する第２当接部が設けられ、第２当接部及び第２シール部材の当接により第２上流側ポートと第２下流側ポートの連通を遮断して前記燃料ガスの流れを遮断することが可能であり、第１シール部材の環状部分は、第１バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中実形状であり、第２シール部材の環状部分は、第２バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中空形状であることで、第１シール部材よりも第２シール部材の方が、同じ大きさの外力に対する変形度合が大きいことを要旨とする。

また、本発明に係る燃料ガス供給装置は、燃料ガス供給源からガス流路を介して燃料電池に用いる燃料ガスを供給することが可能な燃料ガス供給装置であって、前記ガス流路における燃料ガスの流れを遮断することが可能な第１遮断バルブと、前記燃料ガスの流れに関し第１遮断バルブより下流側に設けられ且つ該燃料ガスの流れを遮断することが可能な第２遮断バルブと、を備え、前記ガス流路における第１遮断バルブと第２遮断バルブとの間には、供給された燃料ガスを減圧して出力する減圧装置が設けられ、第１遮断バルブは、第１上流側ポートと第１下流側ポートが形成された第１バルブハウジングと、第１バルブハウジングに設けられた環状の第１シール部材と、第１バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第１中心軸方向に移動する第１可動部材と、を含み、第１可動部材には、第１上流側ポートから供給された燃料ガスの圧力を第１中心軸方向の一方側に受ける第１受圧面と、第１中心軸方向の一方側へ付勢されることで第１シール部材に当接する第１当接部が設けられ、第１当接部及び第１シール部材の当接により第１上流側ポートと第１下流側ポートの連通を遮断して前記燃料ガスの流れを遮断することが可能であり、第２遮断バルブは、第２上流側ポートと第２下流側ポートが形成された第２バルブハウジングと、第２バルブハウジングに設けられた環状の第２シール部材と、第２バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第２中心軸方向に移動する第２可動部材と、を含み、第２可動部材には、第２上流側ポートから供給された燃料ガスの圧力を第２中心軸方向の一方側に受ける第２受圧面と、第２中心軸方向の一方側へ付勢されることで第２シール部材に当接する第２当接部が設けられ、第２当接部及び第２シール部材の当接により第２上流側ポートと第２下流側ポートの連通を遮断して前記燃料ガスの流れを遮断することが可能であり、第１シール部材の環状部分は、第１バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中実形状であり、第２シール部材の環状部分は、第２バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中空形状であることで、第１シール部材よりも第２シール部材の方が、同じ大きさの外力に対する変形度合が大きいことを要旨とする。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

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の概略を示す図である。本実施形態に係る燃料電池システムの構成は、大きく分けて、燃料電池１８と、燃料電池１８へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、制御装置３０と、に分けられる。燃料ガス供給装置の構成は、大きく分けて、燃料ガスを貯蔵する燃料ガス供給源と、燃料ガス供給源から燃料電池１８への燃料ガスの供給を制御するバルブシステムと、に分けられる。このバルブシステムは、開閉動作可能なシャットバルブ１４，２４を備える。

燃料ガス供給源として設けられた燃料タンク１０は、その内部に燃料ガスを貯蔵する。ここでの燃料ガスとしては、水素（Ｈ₂）ガスを用いることができる。燃料タンク１０の出口部は、燃料タンク１０と燃料電池１８のアノード側１８Ａとを接続するための燃料ガス供給流路１２に接続されている。

燃料ガス供給流路１２には、燃料タンク１０側から燃料電池１８側へ順に、シャットバルブ（第１遮断バルブ）１４、レギュレータ（減圧バルブ）１６、及びシャットバルブ（第２遮断バルブ）２４が設けられている。つまり、シャットバルブ２４が、燃料ガスの流れる方向に関してシャットバルブ１４よりも下流側に設けられており、レギュレータ１６が、シャットバルブ１４とシャットバルブ２４の間に設けられている。なお、シャットバルブ１４については、燃料タンク１０の出口部に設けることもできる。

シャットバルブ１４，２４がともに開いているときは、燃料ガス供給流路１２における燃料ガスの流れ、つまり燃料タンク１０から燃料電池１８への燃料ガスの流れが許容される。このときは、燃料タンク１０からシャットバルブ１４を介してレギュレータ１６に燃料ガスが供給される。レギュレータ１６は、この供給された燃料ガスを減圧してシャットバルブ２４を介して燃料電池１８のアノード側１８Ａへ出力する。また、酸化剤供給流路２２を通って燃料電池１８のカソード側１８Ｃに酸化剤ガスが供給される。ここでの酸化剤ガスとしては、例えば空気を用いることができる。

一方、シャットバルブ１４が閉じているときは、燃料ガス供給流路１２における燃料タンク１０から燃料電池１８への燃料ガスの流れがシャットバルブ１４にて遮断される。そして、シャットバルブ２４が閉じているときも、燃料ガス供給流路１２における燃料ガスの流れがシャットバルブ２４にて遮断される。本実施形態では、２つのシャットバルブ１４，２４を設けることで、シャットバルブ１４，２４を閉じる場合における燃料ガスのシール性能の向上を図っている。なお、シャットバルブ１４，２４の開閉動作については、制御装置３０が出力する制御指令信号により制御することができる。

燃料電池１８においては、アノード側１８Ａに供給された燃料ガス（水素ガス）がアノードの触媒作用によりプロトン（Ｈ⁺）及び電子（ｅ^-）へと解離する。解離したプロトンは電解質膜中を移動し、電子は外部負荷を通ってカソードに移動し、カソードの触媒作用でカソード側１８Ｃに供給された酸化剤ガス（空気）に含まれる酸素と反応して水を生成する。この燃料ガスと酸化剤ガスを用いた電気化学反応により、電気エネルギーが生成される。電気化学反応に供された後の燃料排ガスは、アノード側１８Ａから燃料排ガス流路２６へ排出され、電気化学反応に供された後の酸化剤排ガスは、カソード側１８Ｃから酸化剤排ガス流路２８へ排出される。

ここでのシャットバルブ１４，２４の構成例を図２Ａ、図２Ｂに示す。なお、図２Ａは、シャットバルブ１４が開いている状態を示しており、図２Ｂは、シャットバルブ２４が閉じている状態を示している。

シャットバルブ１４は、図２Ａに示すように、バルブハウジング３１、可動部材３２、電磁コイル３３、ばね３４、及びシール部材（第１シール部材）３５を備える。バルブハウジング３１には、燃料タンク１０と連通する上流側ポート３１ａと、レギュレータ１６と連通する下流側ポート３１ｂと、が形成されている。さらに、バルブハウジング３１には、可動部材３２が当接するためのシート部３１ｃが形成されており、このシート部３１ｃに環状のシール部材３５が設けられている。

可動部材３２は、バルブハウジング３１の内部でその中心軸３６に平行な方向（以下、中心軸方向とする）に移動することで、上流側ポート３１ａと下流側ポート３１ｂの連通を開閉する。電磁コイル３３が電磁力を発生していない場合は、可動部材３２がばね３４の復元力により中心軸方向の一方側（図２Ａの下側）へ付勢されていることで、可動部材３２に設けられた当接部（第１当接部）３２ａがシール部材３５（シート部３１ｃ）に当接している。この当接部３２ａとシール部材３５との当接によって、上流側ポート３１ａと下流側ポート３１ｂの連通、つまり燃料ガス供給流路１２における燃料ガスの流れが遮断される。すなわち、この場合は、シャットバルブ１４が閉じている。さらに、可動部材３２は、燃料ガスの流れに関し上流側のポートである上流側ポート３１ａから供給された燃料ガスの圧力を、その受圧面３２ｂにて中心軸方向の一方側に受ける。つまり、可動部材３２は、上流側ポート３１ａから供給された燃料ガスの圧力によっても、中心軸方向の一方側（シール部材３５側）へ付勢されている。このように、可動部材３２には、ばね３４の復元力及び上流側ポート３１ａから供給された燃料ガスの圧力により、燃料ガス供給流路１２における燃料ガスの流れを遮断する方向の力が作用する。

一方、電磁コイル３３が電磁力を発生している場合は、可動部材３２が電磁力により中心軸方向の他方側（図２Ａの上側）へ吸引されていることで、可動部材３２の当接部３２ａがシール部材３５（シート部３１ｃ）から離れている。この場合は、上流側ポート３１ａと下流側ポート３１ｂが連通している。すなわち、シャットバルブ１４が開いている。なお、電磁コイル３３の電磁力については、制御装置３０が出力する制御指令信号により制御することができる。

図２Ｂに示すように、シャットバルブ２４も、シャットバルブ１４と同様に、バルブハウジング４１、可動部材４２、電磁コイル４３、ばね４４、及びシール部材（第２シール部材）４５を備える。バルブハウジング４１には、レギュレータ１６と連通する上流側ポート４１ａと、燃料電池１８と連通する下流側ポート４１ｂと、が形成されている。さらに、バルブハウジング４１には、可動部材４２が当接するためのシート部４１ｃが形成されており、このシート部４１ｃに環状のシール部材４５が設けられている。

可動部材４２は、バルブハウジング４１の内部でその中心軸４６に平行な方向（中心軸方向）に移動することで、上流側ポート４１ａと下流側ポート４１ｂの連通を開閉する。電磁コイル４３が電磁力を発生していない場合は、可動部材４２がばね４４の復元力により中心軸方向の一方側（図２Ｂの下側）へ付勢されていることで、可動部材４２に設けられた当接部（第２当接部）４２ａがシール部材４５（シート部４１ｃ）に当接している。さらに、可動部材４２は、燃料ガスの流れに関し上流側のポートである上流側ポート４１ａから供給された燃料ガスの圧力を、その受圧面４２ｂにて中心軸方向の一方側（シール部材４５側）に受ける。したがって、上流側ポート４１ａから供給された燃料ガスの圧力によっても、可動部材４２の当接部４２ａがシール部材４５に当接する。この場合は、シャットバルブ２４が閉じており、燃料ガス供給流路１２における燃料ガスの流れが遮断される。このように、可動部材４２には、ばね４４の復元力及び上流側ポート４１ａから供給された燃料ガスの圧力により、燃料ガス供給流路１２における燃料ガスの流れを遮断する方向の力が作用する。一方、電磁コイル４３が電磁力を発生している場合は、可動部材４２が電磁力により中心軸方向の他方側（図２Ｂの上側）へ吸引されていることで、可動部材４２の当接部４２ａがシール部材４５（シート部４１ｃ）から離れている。この場合は、シャットバルブ２４が開いている。なお、電磁コイル４３の電磁力についても、制御装置３０が出力する制御指令信号により制御することができる。

燃料電池１８により発電を行う場合は、制御装置３０は、シャットバルブ１４，２４へ制御指令信号を出力することで、電磁コイル３３，４３に電磁力を発生させてシャットバルブ１４，２４を開ける。シャットバルブ１４，２４が開くと、燃料タンク１０の内部に高圧（例えば３５ＭＰａ程度）で蓄えられた燃料ガスがレギュレータ１６により設定圧力（例えば０．２ＭＰａ程度）まで減圧されてから燃料電池１８のアノード側１８Ａに供給される。燃料電池１８は、アノード側１８Ａに供給された燃料ガスとカソード側１８Ｃに供給された酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により、電気エネルギーを生成する。

一方、燃料電池１８による発電を停止する場合は、制御装置３０は、シャットバルブ１４，２４への制御指令信号の出力を停止することで、電磁コイル３３，４３による電磁力の発生を停止させてシャットバルブ１４，２４を閉じる。ここでは、シャットバルブ１４，２４を同時に閉じてもよいし、シャットバルブ１４を閉じてから所定時間経過した後にシャットバルブ２４を閉じてもよい。シャットバルブ１４，２４が閉じると、燃料ガス供給流路１２における燃料ガスの流れが遮断され、燃料タンク１０から燃料電池１８への燃料ガスの供給が停止される。その結果、燃料電池１８による電気エネルギーの生成が停止される。本実施形態では、燃料電池１８による発電を停止する場合に、２つのシャットバルブ１４，２４を閉じることで、燃料ガスのシール性能の向上が図られる。

シャットバルブ１４においては、可動部材３２の当接部３２ａとシール部材３５との密着によりシールが行われ、ばね３４の復元力及び上流側ポート３１ａからの燃料ガスの圧力により可動部材３２の当接部３２ａをシール部材３５へ密着させる力を発生させている。同様に、シャットバルブ２４においても、可動部材４２の当接部４２ａとシール部材４５との密着によりシールが行われ、ばね４４の復元力及び上流側ポート４１ａからの燃料ガスの圧力により可動部材４２の当接部４２ａをシール部材４５へ密着させる力を発生させている。シャットバルブ２４の上流側ポート４１ａにおける燃料ガスの圧力は、シャットバルブ１４の上流側ポート３１ａにおける燃料ガスの圧力よりも低くなるため、シャットバルブ２４において可動部材４２の当接部４２ａをシール部材４５へ密着させる力は、シャットバルブ１４において可動部材３２の当接部３２ａをシール部材３５へ密着させる力よりも小さくなる。

このように、シャットバルブ１４においては、可動部材３２の当接部３２ａとシール部材３５との密着力がシャットバルブ２４よりも大きいため、シール部材３５を構成する材料としてゴム等の軟質な材料を用いると、シール部材３５が塑性変形しやすくなり、シール部材３５の耐久性が低下しやすくなる。シール部材３５の要求性能としては、大きい外力が作用しても塑性変形しにくいことが要求される。一方、シャットバルブ２４においては、可動部材４２の当接部４２ａとシール部材４５との密着力がシャットバルブ１４よりも小さいため、シール部材４５を構成する材料として樹脂等の硬質な材料を用いると、可動部材４２の当接部４２ａとシール部材４５との密着が不十分となりやすく、シール性能が低下しやすくなる。シール部材４５の要求性能としては、小さい外力でもシール性能を確保できることが要求される。このように、本実施形態では、シャットバルブ１４，２４の各々において要求されるシール性能が異なる。

そこで、本実施形態では、シール部材３５を塑性変形しにくい硬質な材料で構成し、シール部材４５を弾性変形しやすい軟質な材料で構成する。例えばシール部材３５を樹脂製とし、シール部材４５を樹脂より軟らかいゴム製とする。これによって、シール部材３５，４５は、同じ大きさの外力に対する弾性変形度合（歪み）が互いに異なる特性を有し、シール部材３５よりもシール部材４５の方が、同じ大きさの外力に対する弾性変形度合（歪み）が大きくなる。つまり、シール部材４５の弾性係数が、シール部材３５の弾性係数よりも小さく設定され、シール部材３５よりもシール部材４５の方が、同じ大きさの外力に対して弾性変形しやすくなる。このように、本実施形態では、シール部材４５の物理的特性をシール部材３５と異ならせる。その結果、図３に示すように、シャットバルブ２４が閉じている場合における上流側ポート４１ａからの燃料ガス圧力に対するシール部材４５の歪みの特性（シャットバルブ２４のシール性能特性）は、シャットバルブ１４が閉じている場合における上流側ポート３１ａからの燃料ガス圧力に対するシール部材３５の歪みの特性（シャットバルブ１４のシール性能特性）と異なる。

シャットバルブ１４が閉じている状態では、上流側ポート３１ａからの燃料ガスの供給圧力が高く、可動部材３２の当接部３２ａとシール部材３５との密着力が大きくなるが、シール部材３５の弾性係数が大きく設定されていることで、シール部材３５の変形量（歪み）が抑制される。したがって、シール部材３５に作用する外力が大きくても、シール部材３５の耐久性を確保することができる。

一方、シャットバルブ２４が閉じている状態では、上流側ポート３１ａからの燃料ガスの供給圧力が低く、可動部材４２の当接部４２ａとシール部材４５との密着力が小さくなるが、シール部材４５の弾性係数が小さく設定されていることで、シールに必要なシール部材４５の変形量（歪み）を確保することができる。したがって、シール部材４５に作用する外力が小さくても、シール性能を十分に確保することができる。

このように、本実施形態では、シャットバルブ２４の上流側ポート４１ａからの燃料ガス圧力に対するシール性能特性（シール部材４５の変形特性）を、シャットバルブ１４の上流側ポート３１ａからの燃料ガス圧力に対するシール性能特性（シール部材３５の変形特性）と異ならせることで、各シャットバルブ１４，２４のシール性能をそれぞれの配設箇所で要求される性能に適合させることができる。本実施形態によれば、全ての配設箇所で要求されるシール性能を満たすようにシャットバルブ１４，２４を設計する必要がないため、バルブシステム全体構成の簡易化を実現することができるとともに所望の燃料ガスのシール性能を実現することができる。なお、特許文献１〜４においては、シャットバルブの配設箇所に応じてシャットバルブの性能を異ならせることについては何ら示されていない。

また、シャットバルブ１４，２４が閉じている状態でシャットバルブ１４に微少漏れが生じた場合は、燃料ガス供給流路１２におけるシャットバルブ１４，２４間の圧力が上昇する。本実施形態では、シール部材４５を所定のガス透過特性を有する材料（ゴム）で構成することもでき、これによって、シャットバルブ１４，２４間の圧力上昇を抑えることができる。シール部材４５のガス透過特性（ガス透過係数）については、シール部材４５の材料の設定により所望の透過特性（透過係数）に設定することができる。例えばガス透過係数の小さい材料（ゴム）としてブチルゴムをシール部材４５の材料に用いることができる。あるいは、ブチルゴムよりもガス透過係数の大きい材料（ゴム）としてシリコンゴムをシール部材４５の材料に用いることもできる。

以上の本実施形態の説明では、シール部材３５，４５を構成する材料を互いに異ならせることで、シャットバルブ１４，２４のシール性能特性を互いに異ならせるものとした。ただし、本実施形態では、シール部材３５，４５の断面形状を互いに異ならせることによっても、シャットバルブ１４，２４のシール性能特性を互いに異ならせることができる。例えば図４Ａに示すように、シール部材３５の環状部分の断面形状を中実形状に構成し、図４Ｂに示すように、シール部材４５の環状部分の断面形状を中空部４５ａが形成された中空形状に構成する。このシール部材３５，４５の構成によっても、同じ大きさの外力に対する弾性変形度合（歪み）が、シール部材３５よりシール部材４５の方が大きくなる（シール部材４５の弾性係数がシール部材３５の弾性係数より小さく設定される）。なお、図４Ａ、図４Ｂは、中心軸３６（４６）を含む平面で切断した断面を示している。

また、本実施形態では、シャットバルブ２４が閉じている状態でのばね４４の付勢力を、シャットバルブ１４が閉じている状態でのばね３４の付勢力と異ならせることによっても、シャットバルブ１４，２４のシール性能特性を互いに異ならせることができる。例えばシャットバルブ２４が閉じている状態でのばね４４の付勢力を、シャットバルブ１４が閉じている状態でのばね３４の付勢力よりも大きく設定する。この構成によっても、シャットバルブ１４が閉じている状態でのシール部材３５の変形量（歪み）を抑制することができるとともにシャットバルブ２４が閉じている状態でのシール部材４５の変形量（歪み）を増大させることができる。したがって、シール部材３５の耐久性を確保することができるとともにシールに必要なシール部材４５の変形量を確保することができる。

また、本実施形態では、可動部材４２の受圧面４２ｂの面積を可動部材３２の受圧面３２ｂの面積と異ならせることによっても、シャットバルブ１４，２４のシール性能特性を互いに異ならせることができる。例えば可動部材４２の受圧面４２ｂの面積を可動部材３２の受圧面３２ｂの面積よりも大きく設定する。この構成によっても、シャットバルブ１４が閉じている状態でのシール部材３５の変形量（歪み）を抑制することができるとともにシャットバルブ２４が閉じている状態でのシール部材４５の変形量（歪み）を増大させることができる。また、本実施形態では、シャットバルブ１４において可動部材３２の当接部３２ａをシール部材３５へ密着させる力（燃料ガス供給流路１２における燃料ガスの流れを遮断する力）を、上流側ポート３１ａからの燃料ガスの圧力を利用することなくばね３４の復元力のみによって発生させてもよい。この構成によっても、シャットバルブ１４が閉じている状態でのシール部材３５の変形量（歪み）を抑制することができる。

なお、本実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料ガスの漏れ検査を行うこともできる。図５に示すように、燃料ガスの漏れ検査を行うことが可能な燃料電池システムでは、ガス圧力を検出する圧力センサ１５が燃料ガス供給流路１２におけるシャットバルブ１４，２４間（以下、検査対象区間とする）、より具体的には、シャットバルブ１４とレギュレータ１６との間の位置に設けられている。圧力センサ１５により検出された検査対象区間のガス圧力Ｐは、制御装置３０に入力される。以下、制御装置３０により燃料ガスの漏れ検査を行う処理について、図６のフローチャートを用いて説明する。

燃料ガスの漏れ検査を行う場合は、制御装置３０は、シャットバルブ１４，２４への制御指令信号の出力を停止することで、シャットバルブ１４，２４を閉じる（ステップＳ１０１）。ここでは、まずシャットバルブ１４を閉じ、圧力センサ１５により検出されるガス圧力Ｐを設定圧力Ｐ１まで低下させてからシャットバルブ２４を閉じる。次に、制御装置３０は、シャットバルブ２４を閉じてから所定時間ｔ０経過した後に、検査対象区間のガス圧力Ｐ２を圧力センサ１５から取得する（ステップＳ１０２）。次に、制御装置３０は、所定時間ｔ０における検査対象区間のガス圧力変化Ｐ２−Ｐ１が設定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。検査対象区間のガス圧力変化Ｐ２−Ｐ１が設定範囲の上限値Ｐｍａｘ（上限値は正の値）よりも大きい場合は、制御装置３０は、シャットバルブ１４に漏れが生じていると判定する（ステップＳ１０４）。また、検査対象区間のガス圧力変化Ｐ２−Ｐ１が設定範囲の下限値−Ｐｍｉｎ（下限値は負の値）よりも大きい場合は、制御装置３０は、シャットバルブ２４及び検査対象区間のガス流路の少なくとも一方に漏れが生じていると判定する（ステップＳ１０５）。一方、検査対象区間のガス圧力変化Ｐ２−Ｐ１が設定範囲内にある場合は、制御装置３０は、シャットバルブ１４，２４及び検査対象区間のガス流路に漏れが生じていないと判定する（ステップＳ１０６）。このように、本実施形態では、制御装置３０は、シャットバルブ１４，２４を閉じるよう制御した場合におけるシャットバルブ１４，２４間（検査対象区間）の圧力変化に基づいてガス漏れ判定を行うことができる。なお、前述の設定圧力Ｐ１を変更しながら図６のフローチャートによる処理を繰り返して実行することで、ガス漏れ判定を行ってもよい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す図である。シャットバルブの構成例を示す図である。シャットバルブの構成例を示す図である。シャットバルブのシール性能特性の一例を示す図である。シール部材の構成例を示す図である。シール部材の構成例を示す図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムの他の構成の概略を示す図である。制御装置により燃料ガスの漏れ検査を行う処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０燃料タンク、１２燃料ガス供給流路、１４，２４シャットバルブ、１６レギュレータ、１８燃料電池、３０制御装置、３５，４５シール部材。

Claims

燃料電池と、
燃料電池のガスが流れるガス流路におけるガスの流れを遮断することが可能な第１遮断バルブと、
前記ガスの流れに関し第１遮断バルブより下流側に設けられ且つ該ガスの流れを遮断することが可能な第２遮断バルブと、
を備え、
前記ガス流路における第１遮断バルブと第２遮断バルブとの間には、供給されたガスを減圧して出力する減圧装置が設けられ、
第１遮断バルブは、第１上流側ポートと第１下流側ポートが形成された第１バルブハウジングと、第１バルブハウジングに設けられた環状の第１シール部材と、第１バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第１中心軸方向に移動する第１可動部材と、を含み、
第１可動部材には、第１上流側ポートから供給されたガスの圧力を第１中心軸方向の一方側に受ける第１受圧面と、第１中心軸方向の一方側へ付勢されることで第１シール部材に当接する第１当接部が設けられ、第１当接部及び第１シール部材の当接により第１上流側ポートと第１下流側ポートの連通を遮断して前記ガスの流れを遮断することが可能であり、
第２遮断バルブは、第２上流側ポートと第２下流側ポートが形成された第２バルブハウジングと、第２バルブハウジングに設けられた環状の第２シール部材と、第２バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第２中心軸方向に移動する第２可動部材と、を含み、
第２可動部材には、第２上流側ポートから供給されたガスの圧力を第２中心軸方向の一方側に受ける第２受圧面と、第２中心軸方向の一方側へ付勢されることで第２シール部材に当接する第２当接部が設けられ、第２当接部及び第２シール部材の当接により第２上流側ポートと第２下流側ポートの連通を遮断して前記ガスの流れを遮断することが可能であり、
第１シール部材の環状部分は、第１バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中実形状であり、第２シール部材の環状部分は、第２バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中空形状であることで、第１シール部材よりも第２シール部材の方が、同じ大きさの外力に対する変形度合が大きいことを特徴とする燃料電池システム。
燃料ガス供給源から燃料電池への燃料ガスの供給を制御する燃料電池のバルブシステムであって、
燃料ガスが流れるガス流路における燃料ガスの流れを遮断することが可能な第１遮断バルブと、
前記燃料ガスの流れに関し第１遮断バルブより下流側に設けられ且つ該燃料ガスの流れを遮断することが可能な第２遮断バルブと、
を備え、
前記ガス流路における第１遮断バルブと第２遮断バルブとの間には、供給された燃料ガスを減圧して出力する減圧装置が設けられ、
第１遮断バルブは、第１上流側ポートと第１下流側ポートが形成された第１バルブハウジングと、第１バルブハウジングに設けられた環状の第１シール部材と、第１バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第１中心軸方向に移動する第１可動部材と、を含み、
第１可動部材には、第１上流側ポートから供給された燃料ガスの圧力を第１中心軸方向の一方側に受ける第１受圧面と、第１中心軸方向の一方側へ付勢されることで第１シール部材に当接する第１当接部が設けられ、第１当接部及び第１シール部材の当接により第１上流側ポートと第１下流側ポートの連通を遮断して前記燃料ガスの流れを遮断することが可能であり、
第２遮断バルブは、第２上流側ポートと第２下流側ポートが形成された第２バルブハウジングと、第２バルブハウジングに設けられた環状の第２シール部材と、第２バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第２中心軸方向に移動する第２可動部材と、を含み、
第２可動部材には、第２上流側ポートから供給された燃料ガスの圧力を第２中心軸方向の一方側に受ける第２受圧面と、第２中心軸方向の一方側へ付勢されることで第２シール部材に当接する第２当接部が設けられ、第２当接部及び第２シール部材の当接により第２上流側ポートと第２下流側ポートの連通を遮断して前記燃料ガスの流れを遮断することが可能であり、
第１シール部材の環状部分は、第１バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中実形状であり、第２シール部材の環状部分は、第２バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中空形状であることで、第１シール部材よりも第２シール部材の方が、同じ大きさの外力に対する変形度合が大きいことを特徴とする燃料電池のバルブシステム。
燃料ガス供給源からガス流路を介して燃料電池に用いる燃料ガスを供給することが可能な燃料ガス供給装置であって、
前記ガス流路における燃料ガスの流れを遮断することが可能な第１遮断バルブと、
前記燃料ガスの流れに関し第１遮断バルブより下流側に設けられ且つ該燃料ガスの流れを遮断することが可能な第２遮断バルブと、
を備え、
前記ガス流路における第１遮断バルブと第２遮断バルブとの間には、供給された燃料ガスを減圧して出力する減圧装置が設けられ、
第１遮断バルブは、第１上流側ポートと第１下流側ポートが形成された第１バルブハウジングと、第１バルブハウジングに設けられた環状の第１シール部材と、第１バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第１中心軸方向に移動する第１可動部材と、を含み、
第１可動部材には、第１上流側ポートから供給された燃料ガスの圧力を第１中心軸方向の一方側に受ける第１受圧面と、第１中心軸方向の一方側へ付勢されることで第１シール部材に当接する第１当接部が設けられ、第１当接部及び第１シール部材の当接により第１上流側ポートと第１下流側ポートの連通を遮断して前記燃料ガスの流れを遮断することが可能であり、
第２遮断バルブは、第２上流側ポートと第２下流側ポートが形成された第２バルブハウジングと、第２バルブハウジングに設けられた環状の第２シール部材と、第２バルブハウジングの内部でその中心軸に平行な方向である第２中心軸方向に移動する第２可動部材と、を含み、
第２可動部材には、第２上流側ポートから供給された燃料ガスの圧力を第２中心軸方向の一方側に受ける第２受圧面と、第２中心軸方向の一方側へ付勢されることで第２シール部材に当接する第２当接部が設けられ、第２当接部及び第２シール部材の当接により第２上流側ポートと第２下流側ポートの連通を遮断して前記燃料ガスの流れを遮断することが可能であり、
第１シール部材の環状部分は、第１バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中実形状であり、第２シール部材の環状部分は、第２バルブハウジングの中心軸を含む平面で切断した断面の形状が中空形状であることで、第１シール部材よりも第２シール部材の方が、同じ大きさの外力に対する変形度合が大きいことを特徴とする燃料ガス供給装置。