JP2006302627A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 弁装置の開弁状態を微少な電力で維持でき、しかもシステムの異常時には即座に閉弁状態に復帰できるようにした燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池１０を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池１０に使用される流体の流路中に設けられ該流路を開閉する常閉式の弁装置と、該弁装置を開弁状態に機械的に維持するラッチ機構６５と、システムの異常時にラッチ機構を解除して弁装置を閉弁状態に復帰させる復帰手段６７とによって構成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、開弁状態を電力の消費なしに維持できる低消費電力形の弁装置を用いた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、燃料となる改質用燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、空気等の酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサと、改質器で生成された改質ガスおよびコンプレッサで圧縮された空気等の酸化剤ガスにより電気化学反応によって発電する燃料電池スタックと、それらを制御する制御装置及び各種のガス管路等から構成され、ガス管路にはガスの流通を制御する複数の電磁開閉弁が設けられている。また、燃料電池としては、改質装置を使用せず、燃料として水素を使用する場合もある。

この種の燃料電池に用いられる電磁開閉弁として、例えば、特許文献１に記載されているように、開閉弁をモータとナットスクリュウからなる開閉機構によって開閉させることにより、開弁状態を電力を消費せずに維持できるようにしたものが知られている。このものによれば、開弁状態を保持するために電流を流し続ける必要がないため、発電効率の高い燃料電池システムを実現できる。

また、例えば、特許文献２に記載されたものは、バルブ低消費電力とバルブ個数低減として改質ガスバイパスライン系に３方弁と逆止弁を用いており、このものによれば、バルブ逆止性の確保と電力低減の点で優れている。
特開２０００−３６３１１号公報（段落００５７、００６１、図２） 特開２００４−７１４７１号公報（段落００３１、図１）

しかしながら、燃料電池システムに用いられる電磁開閉弁は、停電や不慮の事故によって電源が遮断された場合に、安全性の観点より弁を即座に閉止することが望まれ、このために、ノーマルクローズ方式を採用することが一般的である。従って、特許文献１および特許文献２に記載されている電磁開閉弁においては、落雷時の停電などを考慮すると、異常時のバルブ復帰ができない点で課題を残している。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、弁装置の開弁状態を電力なしで維持でき、しかも停電等のシステムの異常時には即座に閉弁状態に復帰できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するため、燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に使用される流体の流路中に設けられ該流路を開閉する常閉式の弁装置と、該弁装置を開弁状態に機械的に維持するラッチ機構と、システムの異常時に前記ラッチ機構を解除して前記弁装置を閉弁状態に復帰させる復帰手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池および該燃料電池に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池または前記改質装置に使用される流体の流路中に設けられ該流路を開閉する常閉式の弁装置と、該弁装置を開弁状態に機械的に維持するラッチ機構と、システムの異常時に前記ラッチ機構を解除して前記弁装置を閉弁状態に復帰させる復帰手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１もしくは請求項２において、前記復帰手段は、燃料電池システムによって蓄電される蓄電装置と、システムの異常時に前記蓄電装置より電力が供給されて前記ラッチ機構を解除する電磁手段とによって構成したことを特徴とするものである。

また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、前記弁装置を、モータにて駆動される回転可能な弁体にて構成したことを特徴とするものである。

上記のように構成した請求項１に係る発明によれば、燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池に使用される流体の流路中に設けた常閉式の弁装置の開弁状態を機械的に維持するラッチ機構を設けたので、弁の開状態を微少な電力で維持することができ、発電効率の高い燃料電池システムが実現できる。しかも、システムの異常時においては、復帰手段によって弁を即座に閉状態に自動復帰することができるので、燃料電池システムの安全性を高めることができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明によれば、燃料電池および改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池または改質装置に使用される流体の流路中に設けた常閉式の弁装置の開弁状態を機械的に維持するラッチ機構を設けたので、弁の開状態を微少な電力で維持することができ、燃料電池および改質装置を備えた燃料電池システムの発電効率を高めることができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明によれば、システムの異常時においては、燃料電池システムによって蓄電される蓄電装置より電力が供給される電磁手段によりラッチ機構を解除するようにしたので、僅かな電力でラッチ機構を解除できるようになり、簡素で小形の蓄電装置の使用を可能にできる。

上記のように構成した請求項４に係る発明によれば、弁装置を、モータにて駆動される弁体にて構成したので、流入路と流出路との連通面積が弁体の回動に連れて漸増され、改質装置の改質部およびＣＯ選択酸化部、または燃料電池のアノード電極およびカソード電極に急激に流体が突入することを防止でき、触媒の劣化、触媒粉の流出、電極の劣化、損傷を低減することができる。

以下、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態について説明する。燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１１、および燃料電池１１に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置１２を備えている。燃料電池１１のアノード電極には、改質装置１２から改質ガスが供給され、燃料電池１１のカソード電極には、外部からエア（カソードエア）がエアポンプにより供給され、燃料電池１１において改質ガス中の水素ガスとカソードエア中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。

改質装置１２は、天然ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の改質用燃料ガスおよび水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質部１３、水ポンプ２４から供給された純水を蒸発させて改質部１３に供給する水蒸気を生成する蒸発器１５、燃焼用燃料ガスと燃焼エアを混合して燃焼させ、改質部１３および蒸発器１５を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼部１４、改質部１３の下部に積層された熱交換部１６、熱交換部１６の下部に積層され改質部１３で生成され熱交換部１６で冷却された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去するＣＯシフト部１７、ＣＯシフト部１７に接続されＣＯシフト部１７から送出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去して送出口から燃料電池１１に供給するＣＯ選択酸化部１８から構成されている。ＣＯ選択酸化部１８の送出口が改質装置１２の改質ガス送出口となる。燃料電池１１の改質ガス導入口からアノード電極に導入された改質ガスは、カソード電極に導入されたカソードエア中の酸素ガスと反応して発電し水になるが、余剰の改質ガスであるアノードオフガスは燃料電池１１のアノードオフガス導出口から燃焼部１４に送られて燃焼される。

改質部１３の触媒が充填された反応室１９は、燃焼部１４の加熱室２０により包囲され、加熱室２０内に設けられたバーナ２１は、ガスポンプにより送られた燃焼用燃料ガスとエアポンプにより送られた燃焼エアを混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは加熱室２０を流れる間に反応室１９の触媒を加熱し、その後に蒸発器１５に流入して純水を蒸発させる。ガスポンプ２２により圧送された改質用燃料ガス、および蒸発器１５で生成された水蒸気が混合されて熱交換部１６に導入され、熱交換部１６で予加熱されて反応室１９に供給され、燃焼ガスによって加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスを生成する。

改質装置１２の熱交換部１６には、ガスポンプ２２から流量制御して送出される改質用燃料ガスが改質用燃料ガス流路２５を通って供給される。また、改質装置１２のＣＯ選択酸化部１８には、エアポンプ２３から流量制御して送出されるＣＯ選択酸化エアがエア流路２６を通って供給される。改質用燃料ガス流路２５およびエア流路２６には、両流路２５，２６をそれぞれ連通、閉鎖する弁装置２７、２８が介在されている。

燃料電池システムの停止時には、改質装置１２の改質ガス送出口、燃料電池１１の改質ガス導入口およびアノードオフガス導出口は遮断され、起動運転時には、改質装置１２のＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスは、改質ガス送出管３１から燃料電池１１をバイパスしてオフガス流路３２を通って燃焼部１４に送られ、通常運転時には、改質ガスは改質ガス流路３１を通って燃料電池１１に供給され、燃料電池１１から送出されるアノードオフガスはオフガス流路３２を通って燃焼部１４に送られる。このような流路を形成するために、改質ガス流路３１とオフガス流路３２には、両流路３１，３２をそれぞれ連通、閉鎖する弁装置３３、３４が介在され、また、燃料電池１１をバイパスするバイパス流路３６中には、弁装置３５が設けられている。

次に、前記弁装置２７、２８、３３、３４、３５の具体的構造を図２に基づいて説明する。弁装置２７、２８、３３、３４、３５のハウジング４０には、流体を流入する流入ポート４１と、流体を流出する流出ポート４２が形成され、流入ポート４１と流出ポート４２との間には、流入ポート４１内に突出する隔壁部４３が設けられ、この隔壁部４３に平面状の弁座４４が上向きに形成されている。

ハウジング４０には軸孔４５が形成され、この軸孔４５に可動子４６が摺動可能に嵌装されている。可動子４６の先端（下端）には前記弁座４４に着座可能な弁シート４７を形成した弁体４８が設けられている。弁体４８は圧縮スプリング４９のばね力によって弁シート４７が弁座４４に着座する方向に付勢されている。ハウジング４０には可動子４６を取り巻くように電磁コイル５０が配設され、電磁コイル５０の吸引力によって弁体４８は圧縮スプリング４９のばね力に抗して移動される。

前記可動子４６の後端（上端）には、可動子４６の移動方向に沿って鋸歯状の複数の係合体５１が設けられている。各係合体５１の下面には可動子４６の移動方向に対して直角な係止面５１ａが形成され、上面には可動子４６の移動方向に対して傾斜する傾斜面５１ｂが形成されている。係合体５１には支軸５２の回りに回転可能なラチェット５３が係合され、このラチェット５３は例えば渦巻きばねのような付勢部材５４によって係合体５１の傾斜面５１ｂに当接する方向に付勢されている。ラチェット５３は可動子４６の上方向の変位に対しては、係合体５１の傾斜面５１ｂに乗り上げて付勢部材５４の付勢力に抗して揺動することにより、係合体５１の通過を許容する。これとは逆に、可動子４６の下方向の変位に対しては、ラチェット５３が係合体５１の係止面５１ａに係合することにより、前記した圧縮スプリング４９のばね力が作用しているにも係わらず、可動子４６の下方向への移動を阻止する。上記したラチェット５３、係合体５１および付勢部材５４等により、可動子４６の下方向への移動を阻止して弁を開弁状態に機械的に維持するラッチ機構６５を構成している。

ラチェット５３にはソレノイド５５が連結され、ソレノイド５５は通常図略のスプリングのばね力によって前進端位置に保持され、この状態においてはラチェット５３の一定角度範囲の揺動運動を許容している。ソレノイド５５はリレー接点装置５６を介して蓄電装置を構成するキャパシタ５７に接続されている。キャパシタ５７はＤＣ電源５９によって常に充電されており、ＤＣ電源５９には燃料電池システムによって発電された電力がＤＣ−ＤＣコンバータを介して供給されるようになっている。リレー接点装置５６は、半導体接点６０の通電によって開成され、通電切によって閉成される常閉接点で構成されている。

これにより、ソレノイド５５は、通常時においては、半導体接点６０の通電切によって閉成されるリレー接点装置５６の常閉接点を介してキャパシタ５７にて作動され、停電等のシステムの異常時においては、半導体接点６０の通電が切れるため、リレー接点装置５６が閉じ、キャパシタ５７からソレノイド５５に電力供給（通電）され、ラチェット５３を係合体５１より離脱させるようになっている。上記したソレノイド５５、キャパシタ５７および圧縮スプリング４９等によって前記ラッチ機構６５を解除して弁を閉弁状態に復帰させる復帰手段６７を構成している。なお、蓄電装置としては、上記したキャパシタ５７以外に二次電池も利用可能である。

上記した構成により、弁装置２７（２８、３３〜３５）が閉弁されている状態において、弁装置２７に開弁指令が与えられると、ＤＣ電源５９によって電磁コイル５０が通電され、電磁コイル５０の吸引力によって可動子４６が圧縮スプリング４９のばね力に抗して図２の上方向に変位される。これにより、弁体４８の弁シート４７が弁座４４より離間され、流入ポート４１と流出ポート４２が連通される。この際、可動子４６の上方向変位に伴い、係合体５１がその傾斜面５１ｂによってラチェット５３を付勢部材５４の付勢力に抗して揺動させながら通過する。

電磁コイル５０の吸引力によって可動子４６が所定量変位されると、電磁コイル５０への通電が停止される。これにより、可動子４６が圧縮スプリング４９のばね力によって下方に移動せんとするが、前記係合体５１の係止面５１ａがラチェット５３に係止して可動子４６の移動が阻止される。従って、弁装置２７は半導体接点６０への通電電力のみの微少な電力で開弁状態に維持される。

上記した弁装置２７（２８、３３〜３５）の開弁状態において、弁装置２７に閉弁指令が与えられると、半導体接点６０が通電切されてリレー接点装置５６が閉成され、キャパシタ５７によってソレノイド５５が通電される。この通電によってソレノイド５５は図略のスプリングのばね力に抗して後退され、ラチェット５３を付勢部材５４の付勢力に抗して揺動し、係合体５１より離脱させる。これにより、可動子４６は圧縮スプリング４９のばね力によって下方に移動され、弁体４８の弁シート４７が弁座４４に着座して、流入ポート４１と流出ポート４２との連通を遮断する。

ところで、図１に示す燃料電池システムの稼動中で、弁装置２７、２８、３３、３４、３５が半導体接点６０への通電電力のみの微少な電力で開弁状態に維持されている状態において、停電等によって電源の供給が停止された場合には、燃料電池システムを停止モードにして、弁装置２７、２８、３３、３４、３５をフェイルセーフのために閉弁する必要がある。

この場合には、停電等によって電源の供給が停止されると、半導体接点６０が通電切となり、リレー接点装置５６が閉成されるため、キャパシタ５７によりリレー接点装置５６を介してソレノイド５５が通電され、ソレノイド５５が駆動される。これにより、ラチェット５３を付勢部材５４の付勢力に抗して揺動させ、係合体５１より離脱させる。従って、可動子４６の下方向移動が可能となり、可動子４６は圧縮スプリング４９のばね力によって下方に移動され、弁体４８の弁シート４７が弁座４４に着座して、流入ポート４１と流出ポート４２との連通が遮断される。

このように、弁装置２７、２８、３３、３４、３５の通常の開閉時においては、これら弁装置を開弁時には電磁コイル５０に通電するとともに、閉弁時にはソレノイド５５に通電するだけでよく、開弁中は半導体接点６０への通電電力のみの微少な電力でその開弁状態を維持できる。

その結果、弁装置２７、２８、３３、３４、３５を開閉するための消費電力を大幅に低減することができ、発電効率の高い燃料電池システムを実現できる。しかも、停電等のシステムの異常時に際しても、ラチェット５３をソレノイド５５によって係合体５１より離脱させるだけでの僅かな電力で弁装置２７、２８、３３、３４、３５を即座に閉弁することができ、簡素で小形の蓄電装置（キャパシタ５７）で賄えるようになる。

なお、上記した構成の弁装置は、本実施の形態の使用箇所に制限されることなく、パージ用の不活性ガス管路等ガス管路の開閉が必要な箇所に使用することもできる。

次に、上記実施の形態における燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムの停止時は、弁装置２７、２８、３３、３４、３５は遮断位置に保持され、流入ポート４１と流出ポート４２との連通を遮断している。これにより、改質装置１２の改質部１３およびＣＯ選択酸化部１８に夫々接続された改質用燃料ガス流路２５およびエア流路２６が遮断され、ＣＯ選択酸化部１８の送出口、および燃料電池１１のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口およびアノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口が閉鎖され、改質装置１２および燃料電池１１が外部から遮断される。

燃料電池システムの起動運転が指令されると、弁装置２７、２８が開弁され、ガスポンプ２２により流量制御して送出される改質用燃料ガスが弁装置２７の流入ポート４１および流出ポート４２を通って改質装置２１の改質部１３に熱交換部１６を介して供給されるとともに、エアポンプ２３により流量制御して送出されるＣＯ選択酸化エアが弁装置２８の流入ポート４１および流出ポート４２を通ってＣＯ選択酸化部１８に供給される。

また、起動運転時においては、弁装置３３，３４が閉状態とされ、バイパス流路３６中の弁装置３５が開状態とされており、改質部１３からＣＯシフト部１７およびＣＯ選択酸化部１８を介して導出される改質ガスは、燃料電池１１に供給されないでバイパス流路３６を通って燃焼部１４に供給され、燃焼部１４で燃焼される。運転に伴って、改質ガス中の一酸化炭素が所定量以下となると、弁装置３３，３４が開状態とされるとともに、弁装置３５が閉状態とされ、改質部１３から導出される一酸化炭素の含有率の低い改質ガスは燃料電池１１に供給され、燃料電池システムは定常運転を開始する。

燃焼用燃料ガスおよび燃焼エアが燃焼部１４に供給されると、これら燃焼用燃料ガスおよび燃焼エアはバーナ２１にて燃焼され、生成された燃焼ガスが加熱室２０を流れて改質部１３の触媒を加熱するとともに、蒸発器１５で水蒸気を生成する。ガスポンプ２２により供給された改質用燃料ガス、および蒸発器１５で生成された水蒸気が混合されて熱交換部１６に導入され、熱交換部１６で予加熱されて改質部１３に供給され、燃焼ガスによって加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスが生成される。改質部１３から導出された改質ガスは、ＣＯシフト部１７、およびエアポンプ２３からＣＯ選択酸化エアが供給されるＣＯ選択酸化部１８により一酸化炭素ガスの濃度を低減される。

そして、燃料電池システムの定常運転時においては、弁装置２７、２８、３３、３４、３５はラッチ機構６５により、半導体接点６０への通電電力のみの微少な電力で開弁状態に維持されるが、停電等によって電源の供給が停止されると、燃料電池システムは停止モードとなり、各弁装置２７、２８、３３、３４、３５が復帰手段６７により、フェイルセーフのために閉弁される。

上記した第１の実施の形態においては、弁装置２７、２８、３３、３４、３５をオン、オフ制御によって開閉する例について述べたが、本発明は、弁座４４の開度を調整して流入ポート４１から流出ポート４２に流通する流体の流量を制御する流量制御弁にも応用可能である。この場合には、開度調整すべき分解能に応じて係合体５１の配列ピッチを設定することにより、各開度位置において上記と同様に半導体接点６０への通電電力のみの微少な電力で開弁状態を維持可能である。

図３ないし図６は、本発明の第２の実施の形態を示すもので、この第２の実施の形態は、第１の実施の形態における弁装置３３、３４、３５に代えて、モータにて駆動されるボール弁からなる弁装置７０と逆止弁８０にて構成した点が第１の実施の形態と異なっている。従って、以下においては相違点のみを中心に説明し、同一構成部分ついては同一の参照番号を付してその説明を省略する。

図５および図６において、弁装置７０の弁ハウジング７１の内孔には、シート部材７２が一体的に固定され、シート部材７２に形成された球状の弁孔７３内に断面円形のボール弁体７４が回転軸線７５回りに回転可能に密嵌合されている。シート部材７２は回転軸線７５と直角な平面によって球状弁孔７３の中央で上下に二分割され、ボール弁体７４は上下のシート部材７２ａ，７２ｂに挟まれて球状弁孔７３内に密嵌合されている。弁ハウジング７１および上下のシート部材７２ａ，７２ｂには、回転軸線７５と直交する面内にボール弁体７４の中心に向かって３つの流路７７，７８、７９が貫通して穿設されている。第１流路７７は、図３に示すように、ＣＯ選択酸化部１８より供給される改質ガスを流入する流入ポートをなし、第２流路７８は、燃料電池１１のアノード電極に改質ガスを供給する流出ポートを、また、第３流路７９は、ＣＯ選択酸化部１８より供給される改質ガスをバイパスして燃焼部１４に供給する流出ポートをなす。第３流路７９と燃料電池１１を接続するオフガス流路３２には、燃料電池１１からバーナ２１側への流通のみを許容する逆止弁８０が介挿されている。ボール弁体７４には、回転軸線７５と直交する面内に、ボール弁体７４の中心部で直角に交差する流通路８１、８２が設けられている。

ボール弁体７４には回転軸線７５上に弁軸８３が上シート部材７２ａを貫通して突設されている。弁軸８３には減速歯車８４、８５からなる減速機構８６を介してモータ８７の軸８７ａ（図４参照）が連結され、モータ８７によってボール弁体７４は３つの角度位置に回転位置決めされるようになっている。ボール弁体７４の第１の角度位置においては、図６（Ａ）に示すように、直角の流通路８１、８２がシート部材７２によって共に閉鎖される遮断状態を形成し、第２の角度位置においては、図６（Ｂ）に示すように、直角の流通路８１、８２が流路７７、７９にそれぞれ連通する第１連通状態を形成し、第３の角度位置においては、図６（Ｃ）に示すように、直角の流通路８１、８２が流路７７、７８にそれぞれ連通する第２連通状態を形成する。

弁軸８３と弁ハウジング７１との間には、図４に示すように、捩りコイルバネ８８が介在され、ボール弁体７４はモータ８７の無勢状態では捩りコイルバネ８８のバネ力により図６（Ａ）に示す遮断位置に回動可能である。ボール弁体７４はモータ８７の図４における反時計回りの回転により減速機構８６を介して捩りコイルバネ８８のバネ力に抗して遮断位置から連通位置に回動される。

前記モータ軸８７ａ上には、円周上に鋸歯を形成したラチェットホイール９０が取付けられている。ラチェットホイール９０には前述した実施の形態で述べたと同様なラチェット５３が係合され、このラチェット５３は例えば渦巻きばねのような付勢部材５４によってラチェットホイール９０の鋸歯に当接する方向に付勢されている。これによってラチェット５３は、ラチェットホイール９０の反時計方向の回転を許容するが、時計方向の回転は阻止するようになっている。

ラチェット５３にはソレノイド５５が連結され、ソレノイド５５は図略のスプリングのばね力によって通常前進端位置に保持され、この状態においてはラチェット５３の一定角度範囲の揺動運動を許容している。なお、ソレノイド５５を制御する構成については、第１の実施の形態と同一であるので、その説明は省略する。

かかる第２の実施の形態においては、燃料電池システムの停止時は、弁装置２７、２８は遮断位置に保持されて、流入ポート４１と流出ポート４２との連通を遮断しているとともに、弁装置７０は図６（Ａ）に示すように、第１、第２および第３流路７７、７８、７９がそれぞれボール弁体７４によって閉塞されている。そして、燃料電池システムの起動時においては、弁装置７０のボール弁体７４がモータ８７により捩りコイルバネ８８のバネ力に抗して図６（Ｂ）に示す起動運転位置に回動され、第１流路７７および第３流路７９が互いに連通され、第２流路７８はボール弁体７４により閉塞される。これにより、ＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスが燃焼部１４にバイパスされ、ＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値より高い起動運転時は、ＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスは燃焼部１１にバイパスされて燃焼される。なお、燃焼部１４にバイパスされる改質ガスは、逆止弁８０によって燃料電池１１への逆流を阻止される。

ＣＯ選択酸化部１８の触媒温度が所定値以上となったことが検出され、システムが安定状態となりＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値以下に減少すると、起動運転から通常運転に切替えるために、弁装置７０のボール弁体７４がモータ８７により捩りコイルバネ８８のバネ力に抗して図６（Ｃ）に示す通常運転位置に回動され、第１流路７７および第２流路７８が互いに連通されて、ＣＯ選択酸化部１８から送出された改質ガスが改質ガス流路４１を通って燃料電池１１に供給され、燃料電池１１から送出されるアノードオフガスがオフガス流路３２中に設けられた逆止弁８０を介して燃焼部１４に送られる。

上記した第２の実施の形態においても、第１の実施の形態で述べたと同様に、燃料電池システムの定常運転時においては、弁装置２７、２８、７０はラッチ機構６５により、半導体接点６０への通電電力のみの微少な電力で開弁状態に維持されるが、停電等によって電源の供給が停止されると、燃料電池システムは停止モードとなり、各弁装置２７、２８、７０は復帰手段６７により閉弁される。

上記した第２の実施の形態によれば、弁装置を開閉するための消費電力を大幅に低減することができ、発電効率の高い燃料電池システムを実現できるとともに、停電等のシステムの異常時に際しても、弁装置を即座に閉弁することができる。しかも、第１の実施の形態に比較して、３つの弁装置３３〜３５で開閉していた流路を、ボール弁タイプの１つの弁装置７０と、１つの逆止弁８０によって構成することができ、弁個数の削減を可能にできる。また、ボール弁で構成されているので、第１および第２流路７７、７８の連通面積はボール弁体７４の回動に連れて漸増するので、多量の改質ガスが急に燃料電池１１に吸込まれることを防止でき、改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が増大することがない。

上記した実施の形態においては、モータにて駆動されるボール弁によって３方弁を構成した例について述べたが、ボール弁に平行な２つの連通路を形成し、一方を改質用燃料ガス流路２５に、他方をエア流路２６にそれぞれ連通させるようにすれば、１個の弁装置の切換えによって、改質用燃料ガス流路２５およびエア流路２６の開閉を達成することができる。また、ボール弁に単に１つの連通路を形成して、単一の流路の開閉や流量調整用として用いることも可能であり、さらには、ボール弁以外にも、弁体として円筒形状など回転可能な形状であれば適用可能であり、弁体としてボール弁に限定されるものではない。

また、上記した実施の形態で述べた改質装置は、改質用燃料として天然ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の改質用燃料ガスを使用して改質ガスを生成するものであるが、灯油等の炭化水素系の液体燃料を気化して使用したり、メタノール等のアルコール系の液体燃料を気化して使用して改質ガスを生成するものでもよい。また、改質装置を設けずに、純水素などの水素を含む燃料を燃料電池の燃料極に供給してもよい。

本発明の第１の実施の形態を示す燃料電池システムの概要図である。 図１の燃料電池システムに用いられる弁装置の断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す燃料電池システムの概要図である。 図３の燃料電池システムに用いられる弁装置の概要図である。 図４の弁装置の断面図である。 図５のＸ−Ｘ線に沿って切断した断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１２…改質装置、１３…改質部、１４…燃焼部、１５…蒸発器、１６…熱交換部、１７…ＣＯシフト部、１８…ＣＯ選択酸化部、１９…反応室、２０…加熱室、２１…バーナ、２２…ガスポンプ、２３…エアポンプ、２４…水ポンプ、２５…改質用燃料ガス流路、２６…エア流路、２７、２８、３３、３４、３５、７０…弁装置、３１…改質ガス流路、３２…オフガス流路、３６…バイパス流路、４０、７１…弁ハウジング、４１…流入ポート、４２…流出ポート、４４…弁座、４６…可動子、４７…弁シート、４８…弁体、４９…圧縮スプリング、５０…電磁コイル、５１…係合体、５３…ラチェット、５４…付勢部材、５５…ソレノイド、５６…リレー接点装置、５７…キャパシタ、５９…ＤＣ電源、６０…半導体接点、６５…ラッチ機構、６７…復帰手段、７２…シート部材、７３…弁孔、７４…ボール弁体、７７、７８、７９…流路、８０…逆止弁、８１、８２…流通路、８３…弁軸、８６…減速機構、８７…モータ、８８…捩りコイルバネ、９０…ラチェットホイール。

Claims (4)

1. 燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に使用される流体の流路中に設けられ該流路を開閉する常閉式の弁装置と、該弁装置を開弁状態に機械的に維持するラッチ機構と、システムの異常時に前記ラッチ機構を解除して前記弁装置を閉弁状態に復帰させる復帰手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池および該燃料電池に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池または前記改質装置に使用される流体の流路中に設けられ該流路を開閉する常閉式の弁装置と、該弁装置を開弁状態に機械的に維持するラッチ機構と、システムの異常時に前記ラッチ機構を解除して前記弁装置を閉弁状態に復帰させる復帰手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記復帰手段は、燃料電池システムによって蓄電される蓄電装置と、システムの異常時に前記蓄電装置より電力が供給されて前記ラッチ機構を解除する電磁手段とによって構成したことを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記弁装置を、モータにて駆動される回転可能な弁体にて構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。

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