JP2007035582A - 流量制御装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの流量制御にかかる制御用電力を低下させる。
【解決手段】 本発明における流量制御装置１は、流量調整部２０と、切替弁３０と、圧力検知装置４０とからなる。圧力検知装置４０には空気の給気路Ｓと連通するエア導入室５２と燃料排出室５１との圧力差によって上下動する第２ダイアフラム４２と差圧作動弁４６とが一体で設けられ、差圧作動弁４６が制御用ポート４９を開閉可能としている。流量調整部２０には上室２２と圧力検知室６との圧力差によって上下動する第１ダイアフラム２５と弁体２４とがシャフト２６によって連結された状態で設けられ、弁体２４が供給用ポート２７を開閉可能としている。エア導入室５２内の圧力が変動すると、制御用ポート２７の開放量が変化し、制御流路Ｄを介して圧力検知室６内の圧力が変化することで、供給用ポート２７の供給量を変化させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、流量制御装置および燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料に含まれる水素と空気中の酸素とを用いて一定の割合で反応させることにより発電を行うようになっている。そのため、発電量に応じて必要とされる燃料側と空気側の供給量を計算し、それぞれの流量を制御しながら供給を行う必要がある。流量制御バルブを用いて発電を行う一般的な方法としては、下記特許文献１に記載のものが知られている。
特開２０００−１６３１３４公報

しかしながら、このものは燃料側の供給量と空気側の供給量とを個別に制御して発電量を制御するため、電気的な制御を行う部品が多く、制御に要する電力消費が無視できない程であった。こうした制御用電力は最大能力運転時であろうと通常運転時であろうと同一消費電力であるため、例えば、最大発電能力が１ｋＷ級の家庭用コージェネレーションシステムでは制御用電力として約０．０３ｋＷを必要としており、最大能力運転時（発電量１ｋＷ）には発電量の約３％に相当するに過ぎないが、定常運転時（発電量約０．３ｋＷ）には発電量の約１０％に相当し、発電効率（全発電量に対する使用可能な発電量の割合）の低下が問題となっていた。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、制御用電力を低下させることを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、燃料と空気とを用いてセル積層体で発電を行う燃料電池システム中に組み込まれ、前記燃料の供給路途上に配される流量制御装置であって、ケーシングと、このケーシング内において燃料流入側と前記セル積層体へ通じる燃料流出側との間に開口する供給用ポートと、この供給用ポートを開閉する弁体と、前記ケーシング内に設けられた圧力検知室と、この圧力検知室と前記燃料流出側との間を仕切り、圧力検知室と燃料流出側との圧力差に基づいて前記弁体の開閉動作を行わせる第１差圧作動部材とを備え、かつ前記圧力検知室内の圧力は前記空気の供給圧によって制御されている構成としたところに特徴を有する。

請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記圧力検知室は前記燃料流入側と前記燃料流出側とに対して第１および第２の連通路を介して接続され、かつ両連通路のうち前記圧力検知室と前記燃料流出側とを連通させる第２の連通路の途中には圧力検知装置が介在されるとともに、この圧力検知装置の内部には供給圧の制御された前記空気を導入するエア導入室と、前記第１および第２の連通路へ連通する燃料排出室と、両室を区画しかつ両室間に生じた差圧の大きさに基づいた撓み変位を行うとともに、前記第１差圧作動部材よりも小径に形成された第２差圧作動部材と、この第２差圧作動部材に連動し、前記燃料排出室内において前記第２の連通路へ通じる制御用ポートと、前記第２差圧作動部材に設けられて前記制御用ポートに対する開放量を制御可能な差圧作動弁とを設けたところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項２に記載のものにおいて、前記第１の連通路の途中には切替弁が配され、この切替弁には前記燃料流出側にバイパス接続された排出路が設けられ、前記燃料電池システムのＯＮ、ＯＦＦにより前記第１の連通路と前記排出路との切替が可能とされ、前記切替弁は、前記燃料電池システムの作動時には、前記第１の連通路を開放するとともに前記排出路を閉塞し、前記燃料電池システムの停止時には、前記第１の連通路を閉塞するとともに前記排出路を開放し、前記圧力検知室内の残留燃料を前記燃料流出側に排出するところに特徴を有する。

請求項４の発明は、燃料と空気とを用いてセル積層体で発電を行い、前記セル積層体に対し前記燃料を供給する燃料の供給路と前記空気を供給する空気の給気路とが設けられ、前記燃料の供給路には、前記燃料の供給路を開閉可能な遮断弁と、流量制御装置と、改質器とが配され、前記空気の給気路には、前記空気の供給圧を制御する空気圧制御装置が配された燃料電池システムであって、前記流量制御装置は、ケーシングと、このケーシング内において燃料流入側と前記セル積層体へ通じる燃料流出側との間に開口する供給用ポートと、この供給用ポートを開閉する弁体と、前記ケーシング内に設けられた圧力検知室と、この圧力検知室と前記燃料流出側との間を仕切り、圧力検知室と燃料流出側との圧力差に基づいて前記弁体の開閉動作を行わせる第１差圧作動部材とを備え、かつ前記圧力検知室内の圧力は前記空気の供給圧によって制御されているところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項４に記載のものにおいて、前記空気の給気路および／または前記燃料の供給路には、前記燃料と前記空気の流量を調整可能な校正用の絞り弁が配されているところに特徴を有する。

請求項６の発明は、請求項４または請求項５に記載のものにおいて、前記遮断弁にはヨークが設けられ、そのヨークの一部が前記切替弁の可動軸にまで実質的に延出されることにより、この延出部分と前記可動軸とにより前記遮断弁部分で構成される磁気回路に対して並列の磁気回路が構成されるところに特徴を有する。

＜請求項１または請求項４の発明＞
請求項１によれば、空気の供給圧を利用して圧力検知室内の燃料圧力を調整するようにしたから、燃料側の供給量を自動制御することが可能である。さらに、燃料の供給路側に高価な流量制御弁や流量センサ等が不要となるから、大幅なコスト低減ができるだけでなく、これらによって消費される制御用電力をゼロにし、もって燃料使用量を低減し、発電効率を高めることができる。

＜請求項２の発明＞
請求項２によれば、定常状態から、発電量を増加させる場合には、エア導入室へ導入する空気の供給圧を増加させる。すると、圧力検知装置内において燃料排出室よりエア導入室の側の圧力が高まるため、第２差圧作動部材はこのときの圧力差に応じて燃料排出室側へ変位し、これに連動して差圧作動弁が制御用ポートに対する開放量を絞る。したがって、圧力検知室内の圧力が高められ、供給用ポートの開放量が増加する。この結果、セル積層体への燃料供給量が増加し、発電量が増加する。

上記により、エア導入室と燃料排出室との間に生じた圧力差が、圧力検知室と燃料排出側との圧力差として表れる。そのときに、請求項２によれば、第１差圧作動部材と第２差圧作動部材との間には受圧面積差が設定されているため、エア導入室の圧力変動が圧力検知室に対し増幅されて作用する。したがって、供給用ポートに対する弁体の動作制御を精度良く行わせ、もってセル積層体への燃料供給量に対する制御の精度を高めることができる。

＜請求項３の発明＞
請求項３によれば、第１の連通路の途中に切替弁を配してある。したがって、燃料電池システムの動作開始時には、切替弁が第１の連通路を開放するため、燃料流入側と圧力検知室が連通することになり、圧力検知室内への燃料の供給がなされる。この後、圧力検知室が燃料流出側よりも高圧になると、弁体を押し上げて供給用ポートを開放し、セル積層体への燃料供給がなされる。逆に、停止時には、切替弁が第１の連通路を閉塞するとともに排出路を開放するように、流路の切替がなされる。この流路の切替によって、圧力検知室内の圧力が燃料流出側へ開放されるため、圧力検知室内の圧力は急速に低下し、その結果、弁体が急速に供給用ポートを閉じる。したがって、セル積層体に対する燃料供給を直ちに停止することができる。

＜請求項５の発明＞
一般に、改質器あるいはセル積層体等が部品間のばらつきによって、改質器の改質能力やセル積層体の発電能力等に対し固有のばらつきを生じさせることがある。そのような場合において、請求項５によれば、校正のための絞り弁を初期調整することで、システム間のばらつきを解消することができる。

＜請求項６の発明＞
請求項６によれば、遮断弁のコイル部を切替弁と共用したから、切替弁に専用のコイルを設ける必要がなく、部品点数の削減が可能である。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１ないし図９によって説明する。実施形態１における流量制御装置１は、燃料（例えば、ＬＮＧ、ＬＰＧ、灯油等）中に含まれる水素と空気中の酸素を図１に示すセル積層体５で反応させて発電を行う燃料電池システム中における燃料の供給路Ｒ（図１の上段側では矢印で示されたルート）の途中に配される。尚、以下の説明において、上下方向とは図１における上下方向を基準として上側を上方とし、左右方向とは図１における左右方向を基準として左側を左方とする。

流量制御装置１は、図２に示すように、ケーシング２を有し、そのケーシング２内には入口側（図示左側）から出口側（図示右側）にかけて燃料の供給路Ｒが形成されている。燃料は、供給路Ｒの入口側に接続された燃料ポンプ（図示しない）によってケーシング２内に流入されたのち出口側から流出されると、出口側に接続された改質器９によって水素を主成分とするガスに変換され、その後セル積層体５へと送られる。ケーシング２内には、入口側から順に、遮断弁１０と流量制御装置１とが設けられている。流量制御装置１は、流量調整部２０と切替弁３０と圧力検知装置４０とから構成され、本実施形態においては、切替弁３０と圧力検知装置４０とは一体化されてケーシング２に組み付けられている。一方、空気の給気路Ｓにおいてセル積層体５の直前位置には、各燃料電池システム間のばらつきをなくす校正用の絞り弁５６が設けられ、燃料電池システムの初期稼働開始時において空気の流量を調整可能となっている。

図９は絞り弁９の断面を示しており、絞り弁９は本体ケース５７を有し、本体ケース５７の内部には、上室５８と下室７０とが形成されている。上室５８は、大きさの異なる３つの円孔（大径部５８Ａ、中径部５８Ｂ、小径部５８Ｃ）により構成されている。中径部５８Ｂの側面には給気路Ｓの上流側に連通する入口側開口５９が開口している。小径部５８Ｃの下面は下室７０と連通し、下室７０の側面には給気路Ｓの下流側に連通する出口側開口６０が開口している。上室５８には、同軸でニードル軸６２が配されている。ニードル軸６２は円筒状の支持部材６３に螺合した状態で本体ケース５７の上方から上室５８内に嵌合されている。支持部材６３の上面には周方向に沿って張り出し部６７が設けられ、この張り出し部６７に設けられた貫通孔６８を通じて本体ケース５７の上面にボルト６５がねじ込まれて、支持部材６３の回り止めがなされている。支持部材６３の下方にはガイド筒部６４が突出しており、ニードル軸６２の上下方向の移動を案内している。ガイド筒部６４とニードル軸６２との間はニードル軸６２の外周面に嵌着されたシールゴム７１によってシールが図られている。尚、支持部材６３と大径部５８Ａとの間にもシールゴム７２が介在し、シールが図られている。ニードル軸６２の上端には、セレーション部７７が設けられ、セレーション部７７には、絞り操作部材６６が装着されている。また、ニードル軸６２において高さ方向に関してセレーション部７７とシールゴム７１との間の外周面には、ねじ部８２が設けられている。支持部材６３の内周面においてねじ部８２と対応する位置は、ねじ部６３Ａが刻設されており、ねじ部８２と螺合可能となっている。このことによって、操作部材６６の回動操作によりニードル軸６２の昇降動作を行わせ、後述の絞り部７６に対する絞り量の調整を行うことができる。ところで、小径部５８Ｃには外周面にフランジ６９が形成された略円筒形状の弁受け６１が嵌め込まれている。弁受け６１の内部には、中心軸に沿って軸孔７４が形成されている。軸孔７４の内周面には、径方向に４箇所、中径部５８Ｂに開口する連通孔７５が設けられ、軸孔７４の途中には絞り部７６が段設されている。絞り部７６にはニードル軸６２が突入可能とされ、ニードル軸６２の突入深さによって絞り量の調整が可能となっている。

尚、本実施形態における燃料電池システムでは、改質器９とセル積層体５とが別々に設けられたＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）システムを例示して説明しているが、このシステム以外にも、セル積層体５による発電時における排熱を利用して改質を行う、いわゆる内部改質によって発電を行うＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）システム等にも適用可能である。

遮断弁１０は、コイル部１３への通電または非通電により燃料入口側からの燃料の流れを開放または閉止する電磁弁であり、コイル部１３の中心には軸心に沿って上下動可能なプランジャ１２が配されている。コイル部１３の外周にはヨーク１１が組み付けられ、コイル部１３への励磁に伴う磁気回路の一部を構成している。プランジャ１２の下端はヨーク１１の下面から下方に突出し、プランジャ１２の下端には弁部材１６が取り付けられている。ヨーク１１の下面にはシート体１７が配され、その内部にはプランジャ１２が突入されている。シート体１７の側面にはケーシング２の燃料入口側に通じるイン側開口１４が開口し、下面には次述する導入路３へ通じるアウト側開口１５が形成されている。ヨーク１１の下面にはその中心部に下向きに筒部が形成され、プランジャ１２の昇降動作を許容しているとともに、ヨーク１１の下面と弁部材１６との間には戻しばね１８が介在され、弁部材１６に対しアウト側開口１５を閉止するように作用している。すなわち、コイル部１３への通電に伴う励磁によってプランジャ１２は戻しばね１８の付勢力に抗して上昇しアウト側開口１５を開放するが、非通電によって非励磁状態になると、戻しばね１８は弁部材１６に対しアウト側開口１５を閉じるように付勢する。

また、ケーシング２内において遮断弁１０の下流側には流量調整部２０が配され、これらの間にはアウト側開口１５に通じる導入路（燃料流入側）３が形成されている。一方、ケーシング２内における流量調整部２０の下流側には改質器９に通じる導出路（燃料流出側）４が形成されている。

流量調整部２０は上蓋２１Ａと下蓋２１Ｂとによって構成された中空のケース体２１を有してなる。上蓋２１Ａには導入路３とケース体２１内を連通させる供給用ポート２７と、導出路４とケース体２１内を連通させる排出用ポート２９とが開口している。

ケース体２１内には同ケース体２１内を上室２２と下室（圧力検知室６）とに区画する第１ダイアフラム（第１差圧作動部材）２５が組み込まれている。この第１ダイアフラム２５は良好な可撓性を有するゴム材よりなる円形状の薄膜板を有し、その外周縁は弛み部分を介したうえで上蓋２１Ａと下蓋２１Ｂとによって挟持されている。この弛み部分により、第１ダイアフラム２５は、上下方向に変位可能となっている。第１ダイアフラム２５の中心部上面には円形の第１補強板２３が取り付けられている。また、第１ダイアフラム２５の中心には上方に向けてシャフト２６が立設されている。その上端には供給用ポート２７を開閉する弁体２４が固定されている。さらに、上蓋２１Ａにおいて供給用ポート２７の下方にはガイド部材２８が固定されている。このガイド部材２８の中心には上下方向に延びる円筒状の案内筒が設けられており、シャフト２６をスライド可能に挿通している。また、シャフト２６とガイド部材２８との間にはリターンスプリング３９が介在されていて、弁体２４に対し供給用ポート２７を閉止する方向に付勢している。

また、ケーシング２の外面には切替弁３０と圧力検知装置４０とが並設されている。これら切替弁３０と圧力検知装置４０のそれぞれの下部構造は共用化され、流路連絡部材５０としてケーシング２内に埋め込まれている。

切替弁３０は、圧力検知室６と導入路３及び導出路４とのそれぞれの連通路の切替えを行うものであり、外部電源に接続された励磁コイル３７を有している。また、励磁コイル３７の中心には軸心に沿って上下動可能な可動軸３８が配され、励磁コイル３７の通電による励磁に伴いアッパスプリング３５に抗して上動し、非通電によりアッパスプリング３５のばね力によって下動する。一方、可動軸３８の下方であって流路連絡部材５０内には切替室５４が形成されている。この切替室５４は導出路４に対し排出路Ｃを介して連通し、また、切替室５４の他の面には中継室５５へ通じる切替ポート３３が開口している。さらに、切替室５４内には支持軸３１が切替ポート３３を同軸で貫いた状態で収容されるとともに、この支持軸３１の下端には切替ポート３３を開閉可能なバルブ３２が装着されている。さらにまた、支持軸３１にはロアスプリング３６が巻装されていて、バルブ３２が切替ポート３３を閉止するように付勢している。但し、励磁コイル３７への通電時には可動軸３８と支持軸３１とは図５に示すように離間状態にあるが、非通電時にはロアスプリング３６のばね力より強力なばね力に設定されたアッパスプリング３５のばね力によって可動軸３８の下動と共に支持軸３１も押し下げられ、もって切替ポート３３を開放可能としている。また、中継室５５は導入路３に対し誘導路Ｂを介して連通しているが、上記した非通電時においてバルブ３２が切替ポート３３を開放したときに、これと同時に誘導路Ｂと中継室５５とをつなぐ小孔３４を閉止するようになっている。

上記した中継室５５はつなぎ流路Ａを介して圧力検知装置４０側において圧力検知室６に通じる流路へ通じている。このつなぎ流路Ａは、流路連絡部材５０内に配される鉛直路Ｅとケーシング２内に配される制御流路Ｄとを介して、圧力検知室６に連通している。尚、ケース体２１において制御流路Ｄと連通する箇所には固定オリフィス１９が配されている。かくして、制御流路Ｄ、鉛直路Ｅ、つなぎ流路Ａ及び誘導路Ｂによって圧力検知室６と導入路３とを接続する第１の連通路が構成されている。

圧力検知装置４０は上部側の構造部として本体部４１を備え、ここには空気の給気路Ｓと接続されたエア導入管（図１における圧力導入管）Ｆが装着されている。但し、給気路Ｓ途上においてエア導入管Ｆとの分岐部分より上流側にはセル積層体５及びエア導入管Ｆへ送られる空気圧を調整可能な昇圧装置（空気圧制御装置）７が配されている。本体部４１にはその内部をエア導入室５２と燃料排出室５１とに区画する第２ダイアフラム（第２差圧作動部材）４２が設けられている。

この第２ダイアフラム４２は良好な可撓性を有するゴム材よりなるドーナツ形の薄膜板を有し、その外周縁は弛み部分を介したうえで、本体部４１と流路連絡部材５０とによって挟持されている。そして、上記した弛み部分により、第２ダイアフラム４２は、上下方向に変位可能となっている。第２ダイアフラム４２の中心には差圧作動弁４６が第２ダイアフラム４２と一体で設けられている。差圧作動弁４６の上面はボス状に形成され、その下面は平面状に形成されている。この差圧作動弁４６には円形のかつ所定の剛性を有する第２補強板４３が上方から嵌着されている。また、差圧作動弁４６の上面には調整ばね４４の一端が嵌着され、他端は本体部４１内の上部にねじ止めされたばね力調整部材４７に当接されており、そのねじ込み量を調整することで第２ダイアフラム４２を押し下げる方向の付勢力を調整可能としている。

流路連絡部材５０において、差圧作動弁４６の下面中心部と対応する位置には円筒状部４８が突出され、その上端には差圧作動弁４６に対する弁座が形成されている。また、円筒状部４８の内部には軸心に沿って鉛直路Ｅが形成され、上端は制御用ポート４９として開口している。さらに、鉛直路Ｅは前記したつなぎ流路Ａ及び制御流路Ｄにそれぞれ連通している。一方、第２ダイアフラム４２の下面側には調整ばね４４と同芯でバランサースプリング４５が配されている。この実施形態では、バランサースプリング４５の方が調整ばね４４のばね力よりも大きくなるように設定されている。但し、このばね力差は差圧作動弁４６、第２ダイアフラム４２及び第２補強板４３の自重等にほぼ見合う大きさに設定されている。したがって、第２ダイアフラム４２の昇降動作は専らエア導入室５２と燃料排出室５１との間の圧力差のみに依存することになる。また、発電量が一定となった状態（定常状態）では、エア導入室５２と燃料排出室５１との圧力差が調整ばね４４とバランサースプリング４５とのばね力の差とバランスし、このときの圧力差にほぼ比例して差圧作動弁４６を制御用ポート４９から所定高さだけ浮かせて所定の開放量を保持できるようにしてある。さらに、この所定の開放量に応じて、圧力検知室６内の圧力が所定の圧力に設定されるようになっている。

上記した燃料排出室５１は検知流路Ｇを介して導出路４へ通じており、かつ検知流路Ｇの導出路４寄りの位置には、可変オリフィス８が配されている。このため、定常状態では導出路４内を流れる燃料により検知流路Ｇ内の燃料が吸引され、燃料排出室５１内の燃料は検知流路Ｇを通じて導出路４へと排出される。なお、制御流路Ｄ、鉛直路Ｅ及び検知流路Ｇによって圧力検知室６と導出路４とを接続する第２の連通路が構成されている。

本実施形態は以上のような構造であって、続いてその作用を説明する。
まずは、燃料電池システムの再稼働させる前の状態について説明する。遮断弁１０については、弁部材１６がアウト側開口１５を閉止している。切替弁３０については、バルブ３２が切替ポート３３を開放し、小孔３４を閉止している。流量調整部２０については、圧力検知室６内が減圧された状態にあるため（その理由は改めて後述する。）、弁体２４が供給用ポート２７を閉止している。圧力検知装置４０については、差圧作動弁４６が制御用ポート４９を閉止している。

次に、燃料電池システムを稼働させて燃料の供給圧が一定となる定常状態に至るまでの状態について説明する。
燃料電池システムを稼働させると、遮断弁１０のコイル部１３への通電に伴う励磁によってプランジャ１２は戻しばね１８の付勢力に抗して上昇しアウト側開口１５を開放する。また、切替弁３０の可動軸３８は励磁コイル３７の通電による励磁に伴いアッパスプリング３５に抗して上動する。支持軸３１は可動軸３８による押し下げ状態から解放され、ロアスプリング３６によって押し上げられると、バルブ３２が切替ポート３３を閉止するとともに小孔３４を開放する。

上記の状態で、燃料が図示しない燃料ポンプによって入口側から供給路Ｒ内に送り込まれると、燃料は遮断弁１０のイン側開口１４、アウト側開口１５を経由して導入路３内へ到達する。一方、空気は、昇圧装置７によって供給圧が制御された状態で、セル積層体５に向けて供給されるとともにエア導入管Ｆを介してエア導入室５２内へと送られる。

稼働開始時には、弁体２４が供給用ポート２７を閉止した状態にあり、燃料は誘導路Ｂ、小孔３４を通って切替弁３０の中継室５５内に送られ、その後つなぎ流路Ａ、鉛直路Ｅ内に送られる。ここで、第２ダイアフラム弁４２が制御用ポート４９を閉止した状態にあるため、燃料は鉛直路Ｅおよび制御流路Ｄを通って圧力検知室６内に送られる。すると、圧力検知室６は上室２２と比べて圧力が高くなるため、第１ダイアフラム２５が押し上げられて、弁体２４が供給用ポート２７を全開にする。そのため燃料は供給用ポート２７から上室２２内に流入し排出用ポート２９を通過して導出路４へと流れることになる。燃料は改質器９を経由してセル積層体５へと送られると共に、導出路４内で排出用ポート２９から出口側に向かう燃料の流れにより検知流路Ｇ内の燃料が吸引される。したがって、第２ダイアフラム４２はエア導入室５２側から受ける圧力に加えて、検知流路Ｇを介して燃料排出室５１内が減圧された状態となるから、制御用ポート４９は閉止状態に保持される。これにより、つなぎ流路Ａから鉛直路Ｅ内に送り込まれた燃料は、制御流路Ｄを通じて圧力検知室６側へ一方的に送り込まれることになるが、弁体２４が供給用ポート２７を全開にした状態では第１ダイアフラム２５の上方への変位が規制された状態にあるため、圧力検知室６内の圧力は上昇する。このとき、つなぎ流路Ａよりも先の空間（制御流路Ｄ、鉛直路Ｅ及び圧力検知室６とからなる空間）は閉じられた系となっているから、同一圧力となる。そして、この空間内の圧力（圧力検知室６内の圧力）が、制御用ポート４９を閉止する差圧作動弁４６にかかる圧力よりも大きくなると、差圧作動弁４６が押し上げられて制御用ポート４９を開放し、前記空間内の燃料が抜かれて一気に燃料排出室５１へ流れ込むと同時に検知流路Ｇを通じて導出路４へと排出される。このとき、差圧作動弁４６が一時的に大きく押し上げられて制御用ポート４９は大きな開放量となるが、上記の圧抜きに伴って差圧作動弁４６に対する押上力が減少して制御用ポート４９の開放量が絞られ、第２ダイアフラム４２が燃料排出室５１とエア導入室５２との圧力差に応じた開放位置で安定する（定常状態）。このようにして制御用ポート４９に対する開放量が安定することに伴い、圧力検知室６内の圧力も減少した後に定常化される。

これに伴い、第１ダイアフラム２５は下降し上室２２と圧力検知室６とが圧力バランスした高さ位置で停止してこの位置で供給用ポート２７の開放量を安定化させる。

次に、定常状態から発電量を増加させる場合について説明する。
定常状態から発電量を増加させるには、空気の供給圧を増加させてエア導入室５２内の圧力を増加させる。エア導入室５２内の圧力が増加すると、圧力検知装置４０内において燃料排出室５１よりエア導入室５２の側の圧力が高まるため、第２ダイアフラム４２はこのときの圧力差に応じて燃料排出室５１側へ変位し、制御用ポート４９に対する開放量が絞られると、圧力検知室６内の圧力が高められて所定の圧力に増圧される。すると、圧力検知室６と上室２２との圧力差によって第１ダイアフラム２５が上昇するとともに弁体２４が押し上げられて、供給用ポート２７の開放量が増加する。供給用ポート２７の開放量が増加し、上室２２内の圧力が高まって圧力検知室６内の圧力と等しくなると、第１ダイアフラム２５の上昇が停止し、定常状態へと移行する。こうして、セル積層体５への燃料供給量が増えると、発電量が増加する。

続いて、定常状態から発電量を減少させる場合について説明する。
定常状態から発電量を減少させるには、空気の供給圧を減少させてエア導入室５２内の圧力を減少させる。すると、圧力検知装置４０内において燃料排出室５１よりエア導入室５２の側の圧力が低くなるため、第２ダイアフラム４２はこのときの圧力差に応じてエア導入室５２側へ変位し、制御用ポート４９に対する開放量が増加するため、圧力検知室６内の圧力が低下して所定の圧力に減圧される。すると、圧力検知室６と上室２２との圧力差によって第１ダイアフラム２５が降下するとともに弁体２４が押し下げられて、供給用ポート２７の開放量が低下する。供給用ポート２７の開放量が低下し、上室２２内の圧力が低下して圧力検知室６内の圧力と等しくなると、第１ダイアフラム２５の降下が停止し、定常状態へと移行する。こうして、セル積層体５への燃料供給量が減ると、発電量が減少する。

最後に、燃料電池システムを停止させる場合について説明する。
燃料電池システムを停止させると、遮断弁１０のコイル部１３への非通電により非励磁状態となり、戻しばね１８は弁部材１６に対しアウト側開口１５を閉じるように付勢する。また、切替弁３０は励磁コイル３７の非通電時にはロアスプリング３６のばね力より強力なばね力に設定されたアッパスプリング３５のばね力によって可動軸３８の下動と共に支持軸３１も押し下げられ、バルブ３２が切替ポート３３を開放し、誘導路Ｂと中継室５５とをつなぐ小孔３４を閉止する。

上記の状態で、燃料が図示しない排出ポンプによってケーシング２の出口側から排出されると、圧力検知室６内の残留燃料は制御流路Ｄ、鉛直路Ｅ及びつなぎ流路Ａを経由して切替室５４内へ送られ、さらに排出路Ｃ、検知流路Ｇ及び導出路４を通じて出口側へと排出される。すると、圧力検知室６内の圧力は急速に低下し、上室２２と圧力検知室６との圧力差によって第１ダイアフラム２５が降下し、弁体２４が供給用ポート２７を急速に閉止する。これにて、導入路３内の残留燃料を全量排出するまでもなくセル積層体５に対する燃料供給を直ちに停止することができる。尚、燃料排出室５１内の圧力についても急速に低下することになるため、エア導入室５２と燃料排出室５１との圧力差によって第２ダイアフラム４２が降下し、差圧作動弁４６が制御用ポート４９を閉止する。一方、空気側では、昇圧装置７への非通電によってセル積層体５に対する供給が停止される。

このように、本実施形態においては、エア導入室５２と燃料排出室５１との間の圧力差に応じて、制御用ポート４９が所定の開放量に制御され、この開放量に基づいて圧力検知室６内の圧力が制御され、その結果、圧力検知室６と上室２２との間の圧力差として表れ、かつ第１ダイアフラム２５と第２ダイアフラム４２との間には受圧面積差が設定されているため、エア導入室５２の圧力変動が圧力検知室６に対し増幅されて作用する。したがって、空気の給気路Ｓにおける微小な圧力変動に対し、供給用ポート２７に対する弁体２４の動作制御を精度良く行わせ、もってセル積層体５への燃料供給量に対する制御の精度を高めることができる。

また、本実施形態では、空気の供給圧をエア導入室５２内に直接取り込んで、差圧作動弁４６に制御用ポート４９を開閉するように作用させ、圧力検知室６内の燃料圧力を調整することで供給用ポート２７を開閉するようにしている。したがって、少なくとも圧力検知室６に対する圧力制御を圧力検知装置４０に空気を取り込むという機械的な制御によって行うこととし、切替弁３０以外は電気的な制御手段を用いないから、流量制御に必要な制御用電力を大幅に低減することが可能となり、もって燃料消費量を低減し、発電効率を高めることが可能である。

さらに、改質器９の改質能力やセル積層体５の発電能力等の部品間におけるばらつきについては、校正用の絞り弁５６によって燃料あるいは空気の供給量を初期調整しておくことで、例えば発電量の設定を行う制御盤に表示された設定値と実際の発電量とで差異が生じないようにすることが可能である。

＜実施形態２＞
本発明の実施形態２を図１０および図１１によって説明する。実施形態２における流量制御装置１は、図１０に示すように、実施形態１のものにおける切替弁３０の励磁コイル３７をなくし、遮断弁１０のコイル部１３を遮断弁１０と切替弁３０とで共用するようにしたものであり、その他重複する構造については説明を省略する。

本実施形態においては、実施形態１で開示されたものとは、切替弁３０と圧力検知装置４０の配置が入れ替えられて、切替弁３０が遮断弁１０に隣接する位置に配されている。可動軸３８の上面には、同軸でコアヨーク７８が配されている。コアヨーク７８と可動軸３８とは、スリーブ８０内に収容され、スリーブ８０の下端は流路連絡部材５０に固定されている。尚、コアヨーク７８はスリーブ８０の上端位置で固定されている。

遮断弁１０のヨーク１１のうちコイル部１３の上面と対向する面から切替弁３０に向けてフレームヨーク７９が延出され、コアヨーク７８にほぼ当接した状態とされている。遮断弁１０のヨーク１１のうちコイル部１３の下面と対向する面から切替弁３０に向けてプレートヨーク８１が延出され、スリーブ８０の下端部を挿通させている。

通電状態では、図１１に示すように、コイル部１３が励磁されて磁束が発生し遮断弁１０側にはヨーク１１を通じて磁気回路が構成される。また、切替弁３０側にはプレートヨーク８１、可動軸３８、フレームヨーク７９を通じて前記遮断弁１０側に構成される磁気回路に対して並列の磁気回路が構成される。したがって、コアヨーク７８と可動軸３８との間には吸引力が働いて、可動軸３８はアッパスプリング３５のばね力に抗してコアヨーク７８側に引き寄せられる。非通電状態では、コイル部１３が非励磁状態となって磁束がなくなり、コアヨーク７８と可動軸３８との間の吸引力が働かなくなるため、可動軸３８はアッパスプリング３５のばね力を受けて下動する。

以上のように、本実施形態では遮断弁１０のコイル部１３を切替弁３０と共用したから、切替弁３０に専用のコイルを設ける必要がなく部品点数を削減可能である。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）本実施形態においては、燃料が圧力検知室６内に流入する流路と圧力検知室６内から流出する流路とが一体となった流路（制御流路Ｄおよび鉛直路Ｅ）を例示したが、圧力検知室６には流入側と流出側をそれぞれ別に設けてもよい。

（２）本実施形態においては、差圧作動弁４６が第２ダイアフラム４２に一体に形成されたものを示したが、第１ダイアフラム２５と同様に、別体構成にしてこれらを組み付けた関係にしてもよい。

（３）本実施形態では、圧力検知室６に燃料を導入したが、この圧力検知室６に空気を直接導入し、制御された空気圧に基づいて供給用ポート２７に対する開放量を制御するようにしてもよい。

（４）実施形態２では、フレームヨーク７９およびプレートヨーク８１がヨーク１１と一体で形成されているものを示したが、ヨーク１１と別体で設けたものを接続する構成としてもよい。

燃料電池システムの工程図 実施形態１における発電容量最大時の流量制御装置の断面図 その流量調整部の拡大断面図 その圧力検知装置の拡大断面図 その切替弁の拡大断面図 実施形態１における発電容量最小時の流量制御装置の断面図 その流量調整部の拡大断面図 その圧力検知装置の拡大断面図 絞り弁の断面図 実施形態２における流量制御装置の断面図 その磁束の流れを示す拡大断面図

符号の説明

Ａ…つなぎ流路（第１の連通路の一部を構成する流路）
Ｂ…誘導路（第１の連通路の一部を構成する流路）
Ｃ…排出路
Ｄ…制御流路（第１および第２の連通路に共用されている流路）
Ｅ…鉛直路（第１および第２の連通路に共用されている流路）
Ｇ…検知流路（第２の連通路の一部を構成する流路）
Ｒ…燃料の供給路
Ｓ…空気の給気路
１…流量制御装置
２…ケーシング
３…導入路（燃料流入側）
４…導出路（燃料流出側）
５…セル積層体
６…圧力検知室
９…改質器
１０…遮断弁
１１…ヨーク
２４…弁体
２５…第１ダイアフラム（第１差圧作動部材）
２７…供給用ポート
３０…切替弁
３３…切替ポート
３８…可動軸
４０…圧力検知装置
４２…第２ダイアフラム（第２差圧作動部材）
４６…差圧作動弁
４９…制御用ポート
５１…燃料排出室
５２…エア導入室
５６…絞り弁

Claims (6)

1. 燃料と空気とを用いてセル積層体で発電を行う燃料電池システム中に組み込まれ、前記燃料の供給路途上に配される流量制御装置であって、
   ケーシングと、このケーシング内において燃料流入側と前記セル積層体へ通じる燃料流出側との間に開口する供給用ポートと、この供給用ポートを開閉する弁体と、前記ケーシング内に設けられた圧力検知室と、この圧力検知室と前記燃料流出側との間を仕切り、圧力検知室と燃料流出側との圧力差に基づいて前記弁体の開閉動作を行わせる第１差圧作動部材とを備え、
   かつ前記圧力検知室内の圧力は前記空気の供給圧によって制御されていることを特徴とする流量制御装置。
2. 前記圧力検知室は前記燃料流入側と前記燃料流出側とに対して第１および第２の連通路を介して接続され、かつ両連通路のうち前記圧力検知室と前記燃料流出側とを連通させる第２の連通路の途中には圧力検知装置が介在されるとともに、
   この圧力検知装置の内部には供給圧の制御された前記空気を導入するエア導入室と、前記第１および第２の連通路へ連通する燃料排出室と、両室を区画しかつ両室間に生じた差圧の大きさに基づいた撓み変位を行うとともに、前記第１差圧作動部材よりも小径に形成された第２差圧作動部材と、この第２差圧作動部材に連動し、前記燃料排出室内において前記第２の連通路へ通じる制御用ポートと、前記第２差圧作動部材に設けられて前記制御用ポートに対する開放量を制御可能な差圧作動弁とを設けたことを特徴とする請求項１記載の流量制御装置。
3. 前記第１の連通路の途中には切替弁が配され、この切替弁には前記燃料流出側にバイパス接続された排出路が設けられ、前記燃料電池システムのＯＮ、ＯＦＦにより前記第１の連通路と前記排出路との切替が可能とされ、
   前記切替弁は、前記燃料電池システムの作動時には、前記第１の連通路を開放するとともに前記排出路を閉塞し、
   前記燃料電池システムの停止時には、前記第１の連通路を閉塞するとともに前記排出路を開放し、前記圧力検知室内の残留燃料を前記燃料流出側に排出することを特徴とする請求項２記載の流量制御装置。
4. 燃料と空気とを用いてセル積層体で発電を行い、
   前記セル積層体に対し前記燃料を供給する燃料の供給路と前記空気を供給する空気の給気路とが設けられ、前記燃料の供給路には、前記燃料の供給路を開閉可能な遮断弁と、流量制御装置と、改質器とが配され、前記空気の給気路には、前記空気の供給圧を制御する空気圧制御装置が配された燃料電池システムであって、
   前記流量制御装置は、ケーシングと、このケーシング内において燃料流入側と前記セル積層体へ通じる燃料流出側との間に開口する供給用ポートと、この供給用ポートを開閉する弁体と、前記ケーシング内に設けられた圧力検知室と、この圧力検知室と前記燃料流出側との間を仕切り、圧力検知室と燃料流出側との圧力差に基づいて前記弁体の開閉動作を行わせる第１差圧作動部材とを備え、かつ前記圧力検知室内の圧力は前記空気の供給圧によって制御されていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記空気の給気路および／または前記燃料の供給路には、前記燃料と前記空気の流量を調整可能な校正用の絞り弁が配されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記遮断弁にはヨークが設けられ、そのヨークの一部が前記切替弁の可動軸にまで実質的に延出されることにより、この延出部分と前記可動軸とにより前記遮断弁部分で構成される磁気回路に対して並列の磁気回路が構成されることを特徴とする請求項４または請求項５記載の燃料電池システム。

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