CN101548423B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

出口截止阀(22)中，使阀芯(58)和阀座(80)的相互推压的推压面(A、B)相对于垂直方向倾斜，并且使驱动轴(60)可沿相对于垂直方向倾斜的方向驱动。在出口截止阀(22)中，使推压面(A、B)在流经作为气体流路的流路构成压力室(56)内的气体的上游侧变高，在气体的下游侧变低。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，具有：燃料电池，通过氧化气体和燃料气体的电化学反应进行发电；和流体控制阀，通过具有驱动轴的阀芯的轴方向的位移对气体流路内进行切断或连接。

背景技术

燃料电池系统具有：由燃料气体和氧化气体的反应气体的电化学反应来发电的燃料电池；用于向燃料电池供给反应气体的气体供给流路；用于从燃料电池排出反应气体的气体排出流路。另外，也考虑在这样的气体供给流路和气体排出流路上设置与流体控制阀对应的燃料电池用开关阀。

例如，在日本特开2004-183713号公报中记载的燃料电池用开关阀，其具备设有柱部的阀芯，能够由柱部的轴方向位移对气体流路内进行切断或连接。该燃料电池用开关阀由隔膜将内部分隔为两个室。这样的开关阀设于用于从燃料电池排出废氢的氢排出部上，使从用于向燃料电池供给空气的空气供给用通路分叉的通路与开关阀的两个室中的一个室连通。在两个室的另一个室中设有螺旋弹簧，螺旋弹簧向阀芯施力以打开另一个室并排出废氢。在使用时向一个室供给空气时，压力作用于隔膜上，阀芯抵抗螺旋弹簧的弹力而在阀座上着座，关闭另一个室。

另外，在日本特开2004-185831号公报中记载的燃料电池系统，在用于将阳极侧的燃料气体供给到燃料电池组的气体供给流路上设有压力控制部，在压力控制部的气体上游侧设有关闭阀。通过对螺线管部进行励磁，该关闭阀的与柱塞连接的阀芯远离阀座而变为开阀状态。另外，阀芯相对图的上下方向倾斜(参照日本特开2004-185831号公报的图7)。

另外，在日本特开2006-32134号公报中记载的燃料电池系统，在对阳极侧的燃料气体中的气体和液体进行分离的气液分离器上连接有气体排出管。另外，在设于该气体排出管上的排出阀中，使阀座部及阀芯部相对于重力方向、与阳极排气的排出方向相反地倾斜45度等大于0度小于90度的角度量。

另外，在日本特开2004-311222号公报中记载的燃料电池系统的除水装置，在贮水槽的下部的斜面上安装有开关阀，通过输出向开关阀的开阀信号或闭阀信号来使开关阀进行开关。

在上述的日本特开2004-183713号公报中记载的燃料电池用开关阀，没有考虑使阀芯和阀座相对于重力作用方向倾斜。因此，存在如下可能性：在燃料电池的运转时或运转停止时，包含在流经流路内部的气体中的水、水蒸气液化后的水变为滞留在阀座与阀芯接触的周边部上的状态。并且，如果滞留的水在冰点以下冻结，则存在不能顺利地进行开关阀的开关作用的可能性。

例如，在燃料电池系统中，作为在流经气体流路内的气体中包含水、水蒸气的理由，存在两个理由。第一个理由是：在为了提高燃料电池的发电效率而在气体供给流路上设有加湿器的情况下，气体通过加湿器被加湿，流经加湿器下游侧的气体中所包含的水蒸气液化。另外，在流经气体流路内的气体中包含水、水蒸气的另外的理由如下：伴随着燃料电池的发电而在燃料电池中生成水，因此存在从燃料电池排出的气体中包含水的情况。这样，如果气体中包含水、水蒸气，则变为水在阀芯和阀座的相互推压的推压面的周边部上滞留的状态，存在如下可能性：在水产生冻结的情况下，不能顺利地进行开关阀的开关作用。

与此相对，在日本特开2006-32134号公报中记载的燃料电池系统中设置的排出阀，阀座中相对于阀芯的推压面相对于重力作用方向，即相对于垂直方向倾斜。但是，阀座相对于阀芯的推压面在流经流路内部的气体的上游侧变低，在气体的下游侧变高。在阀座的推压面这样倾斜的情况下，由使用时的气体的流动，水分向推压面的上方流动，气体的流动可能变为相对于水分沿推压面的倾斜方向因重力向下方落下时的阻力。即，由重力使水分沿推压面落下的作用和由气体的流动使水分沿推压面上升的作用可能相互抵消。因此，存在不能有效地发挥如下效果的可能性：在燃料电池系统运转时，由阀座的倾斜，有效地从阀座的推压面除去水，通过防止水的冻结，即使在低温环境下也能顺利地进行阀的开关。

另外，在日本特开2004-185831号公报中记载的燃料电池系统中设置的关闭阀，相对于图的上下方向，阀芯及阀座倾斜，但是没有记载是否相对于重力作用方向倾斜。另外，即使图的上下方向是重力作用方向，即使阀芯及阀座相对于重力方向倾斜，阀座相对于阀芯的推压面在流经流路内部的气体的上游侧变低，在气体的下游侧变高。因此，存在产生与在日本特开2006-32134号公报中记载的排出阀的情况相同的不良情况的可能性。

另外，在日本特开2004-311222号公报中记载的贮水槽的下部的斜面上安装的开关阀，既不对气体流经的气体流路进行切断或连接，也不是与通过具有驱动轴的阀芯的轴方向的位移来对气体流路内进行切断或连接的流体控制阀相关的构造。

本发明的目的在于，有效地发挥如下效果：在燃料电池系统中，在运转时且在低温环境下也可顺利地进行流体控制阀的开关。

发明内容

本发明的燃料电池系统，具有：燃料电池，通过氧化气体和燃料气体之间的电化学反应进行发电；和流体控制阀，通过具有驱动轴的阀芯的轴方向的位移对气体流路内进行切断或连接，其特征在于，使阀芯和阀座的相互推压的面相对于重力作用方向倾斜，并且使阀芯及阀座的推压面在流经气体流路内的气体的上游侧变高，在气体的下游侧变低。

另外，优选的是，流体控制阀是设于从燃料电池排出的氧化气体系气体所流经的氧化气体系排出流路上的出口截止阀。

另外，进而优选在用于向燃料电池供给氧化气体的氧化气体供给流路上设置入口截止阀，入口截止阀是通过具有驱动轴的阀芯的轴方向的位移对气体流路内进行切断或连接，使阀芯和阀座的相互推压的推压面相对于重力的作用方向倾斜，并且使阀芯及阀座的推压面在流经气体流路内的气体的上游侧变低，在气体的下游侧变高，在入口截止阀及出口截止阀中，流路的燃料电池侧位于驱动轴进行驱动以使开阀状态变为闭阀状态的驱动方向的前侧。

另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，连接在流体控制阀的气体流动方向上的两侧的两个配管内部的气体至少在与流体控制阀的连接部的周边部沿水平方向流动。

另外，进而优选的是，与流体控制阀连接的上游侧配管和下游侧配管的中心轴或下表面位于水平方向上的单一的假想平面上。

根据本发明的燃料电池系统，使流体控制阀的阀芯和阀座的相互推压的推压面相对于重力作用方向倾斜，因此即使在由流经气体流路的气体中所包含的水、水蒸气液化的水附着在阀芯或阀座的推压面上的情况下，也能够使所述水沿推压面落下，能够防止水滞留在推压面上。并且，在气体流路内的气体的流动方向上使阀芯及阀座的推压面在上游侧变高，在下游侧变低，因此尽管在运转时气体流经气体流路内，可是相对于通过重力使水从推压面落下的作用，气体不会沿将水向上方推回的方向发生力的作用。即，即使在运转时，通过基于气体的流动产生的作用和重力的作用这两者，能够更有效地使水从推压面落下。因此，能够有效地发挥如下效果：在运转时且在低温环境下也能顺利地进行流体控制阀的开关。

另外，根据本发明，能够容易地使包含流体控制阀和连接于流体控制阀的两侧的配管的部分的上下方向的高度变小。即，在流体控制阀中，在阀芯沿垂直方向驱动的情况下，与流体控制阀连接的两个配管中的一个配管容易变为设有沿垂直方向延伸的连接部的配管。因此，包含流体控制阀和配管的部分的上下方向的高度容易变大。与此相对，本发明的情况下，由于构成阀芯的驱动轴的驱动方向相对于垂直方向倾斜，因此能够形成为使两个配管沿水平方向可与流体控制阀连接的构造。因此，能够容易地使包含流体控制阀和配管的部分的上下方向的高度变小。其结果是能够实现提高燃料电池系统向车辆等的搭载性。另外，在使与流体控制阀连接的两个配管的整体沿水平方向延伸的情况下，可不在配管的端部设置直角等急剧弯曲的弯曲部，容易实现降低流经气体流路内的气体的压力损失。

另外，使流体控制阀为设于从燃料电池排出的氧化气体系的气体所流经的氧化气体系排出流路上的出口截止阀，根据该构成，通过采用本发明的构成而获得的本发明的效果显著。即，由于燃料电池中伴随发电而生成的水较多流经氧化气体系排出流路，因此水更容易滞留在流路内。因此，在以往的燃料电池系统中，在氧化气体系排出流路上设有出口截止阀的情况下，在没有考虑防止滞留在出口截止阀的阀芯和阀座彼此的相互推压的推压面的周边部的水的冻结的情况下，难以顺利地进行阀的开关。与此相对，本发明的燃料电池系统具有的流体控制阀能够防止如上所述水滞留在推压面上的情况，即使在运转时，通过基于气体的流动产生的作用和重力的作用，能够有效地使水从推压面落下。因此，采用如下构成而获得的本发明的效果显著：“使阀芯和阀座的相互推压的推压面相对于重力作用方向倾斜，并且使阀芯及阀座的推压面在流经气体流路内的气体的上游侧变高，在气体的下游侧变低”。

并且，构成氧化气体系排出流路的配管容易比构成流经燃料气体系统气体的流路的配管粗。其理由是，向燃料电池供给的、空气等的氧化气体中的氧浓度相对于氢气等的燃料气体中的氢浓度减少1/5左右，即使考虑用于发电的反应所需的氧和氢的量，供给到燃料电池的氧化气体的流量相对于氢气的流量也变大。因此，构成氧化气体系排出流路的配管容易比构成流经燃料气体系统气体的流路的配管粗。因此，在以往的氧化气体系排出流路中，包含流体控制阀和配管的部分的上下方向的高度容易变大。与此相对，本发明的燃料电池系统具有的流体控制阀能够容易地使包含如上所述与流体控制阀连接的配管的部分的上下方向的高度变小。因此，通过采用“使阀芯和阀座的相互推压的推压面相对于重力作用方向倾斜”的构成而获得的本发明的效果显著。

另外，在用于向燃料电池供给氧化气体的氧化气体供给流路上设有入口截止阀，入口截止阀通过具有驱动轴的阀芯的轴方向的位移对气体流路内进行切断或连接，使阀芯和阀座的相互推压的推压面相对于重力的作用方向倾斜，并且使阀芯及阀座的推压面在流经气体流路内的气体的上游侧变低，在气体的下游侧变高，在入口截止阀及出口截止阀中，使流路的燃料电池侧位于驱动轴进行驱动以使开阀状态变为闭阀状态的驱动方向的前侧，根据该构成，能够使沿将阀芯推压到阀座上的闭阀状态的方向施加的力变大。即，通过燃料电池发电而消耗氧或氢后，流体控制阀的燃料电池侧的流路的气体量变少而变为负压。因此，能够使沿将阀芯推压到阀座上的闭阀状态的方向施加的力变大。

另外，在连接于流体控制阀的气体流动方向上的两侧的两个配管内流动的气体至少在与流体控制阀连接的连接部的周边部沿水平方向流动，根据该构成，能够容易地使包含流体控制阀和与流体控制阀连接的配管的部分的上下方向的高度变得更小。

另外，与流体控制阀连接的上游侧配管和下游侧配管的中心轴或下表面位于水平方向上的单一的假想平面上，根据该构成，能够容易地使包含流体控制阀和与流体控制阀连接的配管的部分的上下方向高度变得更小。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的基本构成的图。

图2是以开阀状态表示用于图1的燃料电池系统的出口截止阀(或入口截止阀)的构造的剖面图。

图3是表示将驱动轴的驱动方向作为垂直方向的另外的发明的出口截止阀的一个例子的与图2相同的图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式的一个例子进行说明。从图1到图2表示本实施方式，图1是本实施方式的燃料电池系统的大致构成图。燃料电池系统10具有：燃料电池组12；氧化气体供给流路14及氧化气体系排出流路16；加湿器旁通阀18；入口截止阀20；和出口截止阀22。

燃料电池组12由氧和氢的电化学反应进行发电。即，通过将作为燃料气体的氢气和作为氧化气体的空气供给到燃料电池组12，在燃料电池组12内的未图示的多个燃料电池单元中，氧和氢发生电化学反应而获得电能。燃料电池单元例如具有由阳极侧电极和阴极侧电极夹持电解质膜而构成的膜-电极组件和其两侧的隔板。

本实施方式的燃料电池系统10例如作为燃料电池车用搭载于车辆上，将燃料电池组12作为车辆行驶用马达的电源使用。当然，能够将本实施方式的燃料电池系统用于车辆行驶用以外的用途。

为了将作为氧化气体的空气供给到燃料电池组12，设有氧化气体供给流路14。在氧化气体供给流路14的气体上游侧设有空气压缩机24和中间冷却器26。由空气压缩机24加压的空气在中间冷却器26被冷却，在加湿器28被加湿后，供给到燃料电池组12的阴极侧电极侧的流路。

另外，与用于使空气通过加湿器28后供给到燃料电池组12的主路径30不同地设有加湿器旁通路径32，其在气体的流动上与主路径30平行。通过加湿器旁通路径32的空气不通过加湿器28而供给到燃料电池组12。在加湿器旁通路径32的中途设有加湿器旁通阀18。

另外，为了将空气废气从燃料电池组12排出，设有氧化气体系排出流路16，所述空气废气是供给到燃料电池组12并在各燃料电池单元供于电化学反应后的空气。通过氧化气体系排出流路16而排出的空气废气经由调压阀34送到加湿器28，其后，经由未图示的稀释器放出到大气中。调压阀34进行控制以使从燃料电池组12排出的空气的压力(背压)变为与燃料电池组12的运转状态相对应的适当的压力值。即，由调压阀34的阀开度调整与氧化气体系排出流路16内的压力传感器P2的位置对应的空气的压力。另外，加湿器28将从燃料电池组12排出后的空气中获得的水分给予供给到燃料电池组12之前的空气，实现加湿的效果。

在燃料电池组12上连接有用于供给氢气的氢气供给流路和用于排出氢气系统气体的氢气系统排出流路，但是在图1中省略图示。

另外，在氧化气体供给流路14的主路径30中在加湿器旁通路径32的上游侧连接部和加湿器28之间、以及在氧化气体系排出流路16中在比加湿器28更靠近气体下游侧之间，以在气体的流动上与燃料电池组12平行的方式连接有燃料电池旁通路径36。并且，在燃料电池旁通路径36的中途设有燃料电池旁通阀38。燃料电池旁通阀38用于控制向燃料电池组12供给的空气的压力。即，由燃料电池旁通阀38的阀开度来调整与氧化气体供给流路14的入口压力传感器P1的位置相对应的空气的压力。能够通过从空气压缩机24排出的空气的流量来调整与入口压力传感器P1位置对应的空气压力。当然，也能够同时利用燃料电池旁通阀38的阀开度和空气压缩机24的排出流量来调整与入口压力传感器P1位置对应的空气压力。

另外，燃料电池系统10优选在冰点以下等的低温起动时，使燃料电池组12快速升温。并且，因此，与供给到燃料电池组12的氢气的量相比，使供给到燃料电池组12的空气的量比通过与氢气产生反应而发电的匹配量少，即考虑降低阴极化学计量比，以低效率发电，而使燃料电池组12快速升温。但是，在该情况下，氢气从燃料电池组12的阳极侧的流路经由电解质膜进入阴极侧的流路，存在氧化气体系排出流路16内的氢浓度变高的可能性。上述的燃料电池旁通阀38还能够在这样的情况下形成开阀状态，用于利用未通过燃料电池组12的空气来降低氧化气体系排出流路16内的氢浓度。另外，包含在从燃料电池组12排出的氢气系统气体即所谓的氢废气中的氢的浓度可能比通常时高，上述的燃料电池旁通阀38在这样的情况下形成开阀状态，使不通过燃料电池12地送入稀释器的空气的量增多，能够用于降低被排出的气体中的氢浓度。

进而，在比氧化气体供给流路14的主路径30的加湿器28更靠近气体下游侧处和比氧化气体系排出流路16的加湿器28更靠近气体上游侧处分别设有入口截止阀20和出口截止阀22。本实施例的情况下，出口截止阀22是权利要求所述的流体控制阀，并且对应于燃料电池用开关阀。

即，出口截止阀22作为调整氧化气体系排出流路16的内部的空气的流动的流体控制阀起作用。另外，在加湿器旁通阀18、入口截止阀20和出口截止阀22上经由压力控制用流路40分别连接有三个均为电磁阀的PSV(Pressure Switching Valve：压力开关阀)。

即，在加湿器旁通阀18上连接有VbS、VbC、VbO这三个PSV。另外，在入口截止阀20上连接有ViS、ViC、ViO这三个PSV，在出口截止阀22上连接有VoS、VoC、VoO这三个PSV。这些PSV经由压力控制用流路40连接到氧化气体供给流路14的主路径30的气体上游侧，例如连接到空气压缩机24和加湿器28之间。由未图示的ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)等的控制部控制这些PSV。

根据燃料电池组12的状态等由分别对应的PSV控制加湿器旁通阀18、入口截止阀20和出口截止阀22的驱动。

接着，通过图2主要以出口截止阀22为代表说明入口截止阀20和出口截止阀22的构成及作用。入口截止阀20和出口截止阀22的构成本身是相同的。另外，在后面说明加湿器旁通阀18的构成。

如图2所示，出口截止阀22是在设置于内部的全部的压力室为相同压力的正常状态下形成阀芯打开的开阀状态的常开型的截止阀。

出口截止阀22在结合多个罩壳部件而形成的罩壳42的内部设有由分隔部44分隔的上下两个空间，通过在两个空间分别设置主隔膜46和副隔膜48，从而分别在主隔膜46的上面侧设置闭阀用压力室50、在主隔膜46的下面侧设置开阀用压力室52、在副隔膜48的上面侧设置大气压室54、在副隔膜48的下面侧设置流路构成压力室56。闭阀用压力室50、开阀用压力室52、大气压室54和流路构成压力室56相互分离，这些压力室50、52、54、56中，任何两个压力室在内部相互都不连通。

另外，主隔膜46和副隔膜48与阀芯58结合。即，在罩壳42的内部设有具有驱动轴60的阀芯58，将阀芯58可沿驱动轴60的轴方向位移地支撑在罩壳42上。阀芯58具有驱动轴60和与驱动轴60的下端部结合的圆板状的阀芯主体62。另外，驱动轴60相对于作为重力作用方向的垂直方向(图2的上下方向)倾斜，并且使驱动轴60可沿相对于垂直方向倾斜的方向驱动。与此相伴，使罩壳42中包围驱动轴60的外周及上侧的部分的整体相对于垂直方向倾斜。另外，将有底的圆筒状的筒状部件64结合在驱动轴60的中间部下端附近。

另外，在筒状部件64的底板部下表面和阀芯主体62的上表面之间夹持橡胶等的弹性体等的弹性材料制成的副隔膜48的内周侧端部，使副隔膜48的内周部与驱动轴60结合。副隔膜48的外周侧端部以由构成罩壳42的两个罩壳部件夹持的方式与罩壳42的内周部结合。由此，罩壳42内的分隔部44下侧的空间的上侧和下侧由副隔膜48分为大气压室54和流路构成压力室56。大气压室54和流路构成压力室56被气密性地切断。

另外，在副隔膜48的径方向中间部内径附近设有以沿筒状部件64的外周面被推压的方式弹性变形的隔膜侧圆筒部66。并且，副隔膜48中存在于筒状部件64的外周面和罩壳42的内表面之间、向上方变形为山形的环状的环状变形部67的下表面受到流路构成压力室56的压力。并且，环状变形部67的下表面受到流路构成压力室56的压力，从而如图2所示，使副隔膜48弹性变形并使驱动轴60位移。

另外，在副隔膜48的径方向中间部外径附近设有以沿设于罩壳42的内表面上的圆筒面部被推压的方式弹性变形的第二隔膜侧圆筒部70。并且，驱动轴60从图2所示的开阀状态向下方位移时，以将第二隔膜侧圆筒部70的上部从罩壳42的圆筒面部剥离的方式发生弹性变形。

流路构成压力室56构成氧化气体系排出流路16(图1)(对于入口截止阀20是氧化气体供给流路14)的一部分，由阀芯58切断或连接上游侧和下游侧。另外，在大气压室54上连接有使一端与大气连通的大气连通管72，大气压力室54向大气开放。

另外，在阀芯58的上端部，将结合两个大致圆板状部件而成的压紧部件74结合于其上，在构成压紧部件74的两个大致圆板状部件之间，以夹持橡胶等弹性体等的弹性材料制成的主隔膜46的内周侧端部的方式将主隔膜46结合到压紧部件74的外周部。主隔膜46的外周侧端部以由构成罩壳42的两个罩壳部件进行夹持的方式结合到罩壳42的内周部。由此，罩壳42内的分隔部44上侧的空间的上侧和下侧通过主隔膜46分隔为闭阀用压力室50和开阀用压力室52。闭阀用压力室50和开阀用压力室52被气密性地切断。另外，在闭阀用压力室50和开阀用压力室52上分别连接有给排管76。

进而，在压紧部件74的下表面和分隔部44之间设有作为弹力给予单元的螺旋弹簧78，沿斜上方向即沿成为开阀状态的方向给予阀芯58弹力。阀芯58通过向斜下方向位移，阀芯主体62的下表面在阀座80上着座，切断流路。即，由驱动轴60的轴方向的位移来切断或连接流路内部。另外，包含主隔膜46的驱动轴60上侧的部分的受压面积的直径与包含副隔膜48的驱动轴60下侧的部分的受压面积的直径相比足够大。

另外，在罩壳42中，在流路构成压力室56的气体上游侧和气体下游侧设有入口侧连接部82和出口侧连接部84。入口侧连接部82使阀芯58侧相对于垂直方向倾斜，连接侧端部(图2的右端部)使连接面86朝向水平方向。另外，出口侧连接部84使整体相对于垂直方向向与入口侧连接部82的阀芯58侧相反的方向倾斜，并且使连接侧端部(图2的左端部)的连接面88朝向水平方向。在入口截止阀20的情况下，入口侧连接部82和出口侧连接部84与出口截止阀22的情况相反。

另外，在出口截止阀22及入口截止阀20的气体的流动方向上与两侧连接的两个配管90内流动的气体至少在与出口截止阀22或入口截止阀20之间的连接部的周边部沿水平方向流动。进而，使与出口截止阀22及入口截止阀20的气体上游侧和下游侧连接的两个配管90的下表面位于水平方向上的单一的假想平面α上。

进而，出口截止阀22使阀芯主体62和阀座80之间的相互推压的推压面A、B相对于垂直方向、即相对于重力作用方向倾斜，并且使推压面A、B在流经气体流路、即流经流路构成压力室56内的气体的上游侧(图2的右侧)变高，在气体的下游侧(图2的左侧)变低。与此相对，入口截止阀20也使阀芯主体62和阀座80之间的相互推压的推压面A、B相对于垂直方向倾斜，但是使推压面A、B在流经流路构成压力室56内的气体的上游侧(图2的左侧)变低，在气体下游侧(图2的右侧)变高。

在这样的出口截止阀22中，闭阀用压力室50经由给排管76(图2)，与作为PSV的VoC侧的压力控制用流路40连接。另外，开关阀压力室52经由给排管76，与作为PSV的VoO侧的压力控制用流路40连接。通过驱动轴60的轴方向的位移，主隔膜46的中央部分以沿斜上斜下方向弯曲的方式位移。当然，也可以采用主隔膜46的整体沿斜上斜下方向位移的构成。

在出口截止阀22中，通过驱动轴60的位移，阀芯58向上方驱动时开阀，作为氧化气体系的气体的空气废气从入口92向出口94流动。因此，从氧化气体系排出流路16的上游侧向加湿器28侧排出空气废气。另一方面，通过驱动轴60的位移，阀芯58向下方驱动时闭阀，空气废气从氧化气体系排出流路16的上游侧向加湿器28的流动被切断。

在入口切断阀20的情况下，相对于出口切断阀22，入口92及出口94相反。并且，由驱动轴60的位移向上方驱动阀芯58时开阀，从氧化气体供给流路14的上游侧向燃料电池组12排出空气。另一方面，由驱动轴60的位移向下方驱动阀芯58时闭阀，空气从氧化气体供给流路14的上游侧向燃料电池组12的流动被切断。

由三个PSV控制驱动轴60的轴方向的位移。即，在出口截止阀22的情况下，由VoS、VoC、VoO这三个PSV来控制开阀用压力室52和闭阀用压力室50的压力。另外，在入口截止阀20的情况下，由ViS、ViC、ViO这三个PSV来控制开阀用压力室52和闭阀用压力室50的压力。

如图1所示的VoS(或ViS)是3WAY、即三通阀式的PSV，将闭阀用压力室50和开阀用压力室52中的一侧的压力室选择性地与空气压缩机24的气体上游侧连接，对另一侧的压力室和空气压缩机24的气体上游侧之间进行切断。另外，VoC、VoO、ViC、ViO均为二通式的PSV，作为排气用阀，即作为释放压力用阀起作用。另外，VoS(或ViS)根据通电状态改变流路的连接状态。VoS(或ViS)在未通电的状态(非通电状态)下，连接空气压缩机24的气体排出侧和开阀用压力室52。另外，VoS(或ViS)在通电后的状态(通电状态)下连接空气压缩机24的气体排出侧和闭阀用压力室50。另外，ViC、ViO、VoC、VoO均在非通电状态下关闭阀，在通电状态下打开阀。

在图1至图2中，表示VoS(ViS)、VoC(ViC)、VoO(ViO)的多个三角形中，涂黑的三角形表示切断流路的状态，白色的三角形表示连接流路的状态。

在使出口截止阀22(或入口截止阀20)从闭阀状态如图2所示打开的情况下，在VoS(或ViS)(图1)为非通电状态下，使VoC(ViC)为开阀状态，使闭阀用压力室50向大气开放。并且，由空气压缩机24(图1)，通过开阀用压力室52侧的给排管76(图2)及压力控制用流路40向开阀用压力室52导入压力上升后的空气。由此，在开阀用压力室52的压力和闭阀用压力室50的压力(大气压)之间产生压力差。

另外，由于也向流路构成压力室56导入从空气压缩机24通过氧化气体供给流路14的上游侧部分而升压后的空气，因此在流路构成压力室56的压力和与大气连通的大气压力室54的压力之间产生压力差。流路构成压力室56的压力施加到副隔膜48的环状变形部67的下表面。因此，副隔膜48推起筒状部件64，如图2所示，驱动轴60向上方位移，环状变形部67变为较大变形的状态。其结果，驱动轴60通过由在流路构成压力室56和大气压力室54之间的压力差向上方作用于驱动轴60的第一力F1与由在闭阀用压力室50和开阀用压力室52之间的压力差向上方作用于驱动轴60的第二力F2这双方的F1、F2、和螺旋弹簧80的弹力而向上方驱动。出口截止阀22如图2所示处于完全开阀状态，使VoC(ViC)为闭阀状态，对闭阀用压力室50和大气之间进行切断。另外，在该状态下压紧部件74的上表面实现抵靠在罩壳42的内表面的上部的制动器的作用。

另一方面，在从图2所示的出口截止阀22的打开状态开始进行关闭的情况下，使VoS(或ViS)为通电状态，由空气压缩机24升压后的空气经由给排管76及压力控制用流路40导入闭阀用压力室50。另外，使VoO(ViO)为开阀状态，将开阀用压力室52向大气开放。其结果是，由在闭阀用压力室50的压力和开阀用压力室52的压力(大气压)之间产生的压力差，朝向下方的第三力F3作用于驱动轴60。另一方面，如图2所示，向流路构成压力室56也导入由空气压缩机24升压后的空气，因此，由在流路构成压力室56的压力和与大气连通的大气压室54的压力之间产生压力差，与第三力F3反方向的朝向上方的第四力F4作用于驱动轴60上。但是，在本实施方式的情况下，使包含主隔膜46的驱动轴60上侧的部分的受压面积的直径比包含副隔膜48的驱动轴60下侧的部分的受压面积的直径足够大。因此，能够使驱动轴60抵抗第四力F4和螺旋弹簧78的弹力而向下方位移，使阀芯主体62在阀座80上着座。

在出口截止阀22处于完全关闭的状态下，使VoS(或ViS)为非通电状态，切断闭阀用压力室50和空气压缩机24之间的连接，并将闭阀用压力室50内的空气的压力维持一定。并且，在该状态下，使VoO(ViO)为闭阀状态，切断开阀用压力室52和大气。对于入口截止阀20也同样地进行开关作用。

另一方面，加湿器旁通阀18(图1)是在设于内部的全部的压力室全部为相同压力的通常状态下成为阀芯58关闭的闭阀状态的常闭型截止阀。省略加湿器旁通阀18的详细构造的图示，但是与图2所示的入口截止阀20或出口截止阀22构造相同，具有将螺旋弹簧78(参照图2)设于筒状部件64的底板部上表面和分隔部44下表面之间的构造。加湿器旁通阀18也可以在压紧部件74(参照图2)等的、固定于阀芯58的上端部的部件的上表面和罩壳42的下表面之间设置螺旋弹簧，构成常闭型的截止阀。

另外，加湿器旁通阀18与入口截止阀20的情况相同，使阀芯主体62和阀座80之间的相互推压的推压面A、B(参照图2)相对于垂直方向倾斜，并且使推压面A、B在流经流路构成压力室56(参照图2)内的气体的上游侧(图2的左侧)变低，在气体的下游侧(图2的右侧)变高。

另外，加湿器旁通阀18，如图1所示，分别在PSV的VbC侧的压力控制用流路40上连接闭阀用压力室50，在PSV的VbO侧的压力控制用流路40连接开阀用压力室52。

阀芯58通过驱动轴60的位移被向上方驱动后开阀，从加湿器旁通路径32的上游侧向燃料电池组12侧排出空气。另一方面，阀芯58通过驱动轴60的位移被向下方驱动后闭阀，切断从加湿器旁通路径32的上游侧向燃料电池组12的空气流动。

驱动轴60的轴方向的位移与入口截止阀20、出口截止阀22的情况相同，由三个PSV即VbS、VbC、VbO进行控制。在图1中，表示VbS、VbC、VbO的多个三角形中，涂黑的三角形表示切断流路的状态，白色的三角形表示连接流路的状态。另外，VbS在非通电状态下连接空气压缩机24的气体排出侧和闭阀用压力室50，在通电状态下连接空气压缩机24的气体排出侧和开阀用压力室52。

在打开这样的加湿器旁通阀18的情况下，将由空气压缩机24升压后的空气导入开阀用压力室52，并且使闭阀用压力室50向大气开放。其结果，驱动轴60由力F1’、F2’抵抗螺旋弹簧的弹力而向上方驱动，所述力F1’、F2’是导入由空气压缩机24升压后的空气的流路构成压力室56和大气压室54(参照图2)之间的压力差而向上方作用于驱动轴60(参照图2)上的第一力F1’、和由闭阀用压力室50和开阀用压力室52之间的压力差而向上方作用于驱动轴60上的第二力F2’。然后，加湿器旁通阀18打开。

与此相对，关闭加湿器旁通阀18的情况下，使由空气压缩机24升压后的空气导入闭阀用压力室50，并且使开阀用压力室52向大气开放。并且，驱动轴60通过由在开阀用压力室52和闭阀用压力室50之间的压力差而向下方作用于驱动轴60上的力和螺旋弹簧的弹力向下方驱动。该情况下，力通过流路构成压力室56和大气压室54之间的压力差向上方作用于驱动轴60上，但是由于使包含主隔膜46(参照图2)的驱动轴60上侧的部分的受压面积的直径比包含副隔膜48(参照图2)的驱动轴60下侧的部分的受压面积的直径足够大，因此驱动轴60向下方位移。然后，加湿器旁通阀18关闭。

根据上述燃料电池系统10，在停止运转的放置期间，即分别与入口截止阀20、出口截止阀22、加湿器旁通阀18的对应全部的三个PSV为非通电状态下，能够将入口截止阀20、出口截止阀22和加湿器旁通阀18均维持在闭阀状态。因此，能够防止向燃料电池组12的阴极侧电极侧的内部的流路供给新的空气。因此，能够抑制保持构成膜-电极组件的催化剂的碳材料氧化，而抑制燃料电池组12的寿命降低。

特别是在本实施方式的情况下，如图2所示，由于使出口截止阀22的阀芯主体62和阀座80的相互推压的推压面A、B相对于垂直方向倾斜，因此即使在流经流路构成压力室56的空气废气中所包含的水、水蒸气液化后的水附着在阀座80的推压面B上的情况下，也能够使该水沿推压面B落下，能够防止水滞留在推压面B上。并且，在流路构成压力室56内的气体流动方向上，使阀座80的推压面B在上游侧(图2的右侧)高，在下游侧(图2的左侧)低。因此，虽然在运转时气体流经流路构成压力室56内，但是相对于重力使水从推压面B落下的作用，气体不会向将水向上方退回去的方向发生力的作用。即，即使在运转时，也能够通过基于气体流动的作用和重力的作用，更有效地使水从推压面B落下。因此，能够有效地发挥如下效果：在运转时在低温环境下，可顺利地进行出口截止阀22的开关。

另外，根据本实施方式，能够容易地使包含出口截止阀22、入口截止阀20、加湿器旁通阀18的各阀和与各阀的两侧连接的配管90的部分的上下方向的高度L1(图2)变小。即，与本实施方式的情况不同，也可以考虑另外的发明，如图3所示，在出口截止阀22A中，使阀芯58沿垂直方向(图3的上下方向)驱动。这样的出口截止阀22A的情况与在本实施方式中具有的出口截止阀22的情况相同，与图3的左侧的出口94(或入口92)的配管(未图示)相对的连接面88A朝向水平方向。

但是，在出口截止阀22A的情况下，伴随着阀芯58的驱动方向变为垂直方向，与入口92(或出口94)的配管90A相对的连接面86A容易变为如图所示的朝向垂直方向(图示的情况是下方)的状态。因此，包含出口截止阀22A和配管90A的部分的上下方向的高度L2(图3)容易变大。在图3的出口截止阀22A中，对与图2的出口截止阀22相同的部分标注相同的标号。

与此相对，在本实施方式的情况下，如图2所示，在出口截止阀22(入口截止阀20、加湿器旁通阀18的情况也相同)的情况下，由于使构成阀芯58的驱动轴60的驱动方向相对于垂直方向倾斜，因此能够容易地形成在出口截止阀22上可沿水平方向连接两个配管90双方的构造。因此，能够容易地使包含出口截止阀22和配管90的部分的上下方向的高度L1变小。其结果是，能实现提高燃料电池系统10向车辆上的搭载性。另外，在使与出口截止阀22连接的两个配管90的整体沿水平方向延伸的情况下，可不在配管90的出口截止阀22侧的端部设置直角等急剧弯曲的弯曲部，容易实现降低流经氧化气体系排出流路16(图1)内的空气废气的压力损失。

另外，如本实施方式所述，在将本发明适用于设于氧化气体系排出流路16上的出口截止阀22中情况下，通过采用本发明的构成而获得的本发明的效果显著。即，氧化气体系排出流路16中，由于伴随着在燃料电池组12中发电所生成的水较多流过，因此水更容易滞留在氧化气体系排出流路16内。因此，在以往的燃料电池系统中，在氧化气体系排出流路上设置出口截止阀的情况下，在没有考虑任何防止在阀座相对于阀芯的推压面的周边部上滞留的水的冻结的情况下，难以顺利地进行阀的开关。

与此相对，本实施方式的出口截止阀22能够如上所述防止水滞留在阀座80的推压面B上，并且，在运转时，通过基于气体的流动的作用和重力的作用这两者，能够有效地使水从推压面B落下。因此，通过采用如下构成而获得的本发明的效果显著：“使阀芯58和阀座80的相互推压的推压面A、B相对于垂直方向倾斜，并且使阀芯58及阀座80的推压面A、B在流经流路构成压力室56内的气体的上游侧变高，在气体的下游侧变低”。

并且，构成氧化气体系排出流路16的配管90如上述的发明效果部分所进行的说明，容易比构成燃料气体系统气体流经的流路的配管粗。因此，在以往的燃料电池系统中，在氧化气体系排出流路16上设置出口截止阀的情况下，包含出口截止阀和配管的部分的上下方向的高度容易变大。与此相对，本实施方式的出口截止阀22(图2)如上所述能够容易地使包含与出口截止阀22连接的配管90的部分的上下方向的高度L1变小。因此，通过采用如下构成而获得的本发明的效果显著：“使阀芯58和阀座80的的相互推压的推压面A、B相对于垂直方向倾斜”。

另外，本实施方式的情况下，使入口截止阀20与出口截止阀22的构成相同，并且使阀芯58和阀座80的相互推压的推压面A、B在流经流路构成压力室56内的气体的上游侧变低，在气体的下游侧变高，进而，在入口截止阀20及出口截止阀22中，使流路的燃料电池组12侧(图2的右侧)位于以从开阀状态变为闭阀状态的驱动轴60驱动的方向的前侧。因此，通过燃料电池组12发电而消耗氧或氢，入口截止阀20及出口截止阀22的燃料电池组12侧变为负压，能够使向形成阀芯推压到阀座80上的闭阀状态的方向施加的力变大。

另外，在出口截止阀22(入口截止阀20、加湿器旁阀18的情况也相同)的气体的流动方向上的两侧连接的两个配管90的内部中流动的气体至少在与出口截止阀22的连接部的周边部沿水平方向流动，因此能够容易地使包含出口截止阀22、与出口截止阀22连接的配管90的部分的上下方向高度L1更小。

进而，使与出口截止阀22(入口截止阀20、加湿器旁通阀18的情况也相同)的气体上游侧和气体下游侧连接的两个配管90的下表面位于水平方向上的单一的假想平面α上。因此能够容易地使包含出口截止阀22和与出口截止阀22连接的配管90的部分的上下方向的高度L1进一步变小。在上述各阀22、20、18中，在使与气体上游侧和下游侧连接的两个配管的中心轴位于水平方向上的单一的假想平面上的情况下，也能够使包含各阀22、20、18和所连接的配管的部分的上下方向的高度变小。

另外，本发明的燃料电池系统具有的流体控制阀不限于适用于上述出口截止阀22中的情况，例如，本发明也能够适用于作为燃料电池用开关阀使用的构造中，所述燃料电池用开关阀设置在用于从燃料电池组12排出作为燃料气体系统气体的氢气的燃料气体系统排出流路上。

本发明例如作为燃料电池车用搭载在车辆上，在将燃料电池组用作车辆行驶用马达的电源的燃料电池系统中使用。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，具有：

燃料电池，通过氧化气体和燃料气体的电化学反应进行发电；

入口截止阀，设置在在用于向燃料电池供给氧化气体的氧化气体供给流路上，通过具有驱动轴的阀芯的轴方向的位移对气体流路内进行切断或连接；和

出口截止阀，设置在从燃料电池排出的氧化气体系气体所流经的氧化气体系排出流路上，通过具有驱动轴的阀芯的轴方向的位移对气体流路内进行切断或连接，

入口截止阀使阀芯和阀座的相互推压的推压面相对于重力作用方向倾斜，并且使阀芯及阀座的推压面在流经气体流路内的气体的上游侧变低，在气体的下游侧变高，

出口截止阀使阀芯和阀座的相互推压的推压面相对于重力作用方向倾斜，并且使阀芯及阀座的推压面在流经气体流路内的气体的上游侧变高，在气体的下游侧变低。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，

在入口截止阀及出口截止阀中，流路的燃料电池侧位于驱动轴进行驱动以使开阀状态变为闭阀状态的驱动方向的前侧。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统，

连接在入口截止阀及出口截止阀中的至少一个阀的气体流动方向上的两侧的两个配管内流动的气体，至少在与一个阀连接的连接部的周边部沿水平方向流动。

4.如权利要求1所述的燃料电池系统，

与入口截止阀及出口截止阀中的至少一个阀连接的上游侧配管和下游侧配管的中心轴或下表面位于水平方向上的单一的假想平面上。

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