JP2010071379A - 弁構造および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高精度の圧力または流量制御性をもちながらも安価であり、小型で、簡素な弁構造及びこの弁構造を備える燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池システム１において、酸化剤ガスが流通する１次流路１７ａと該１次流路１７ａに連通して該１次流路１７ａより断面が小さい２次流路１７ｂとの間に弁体１９が設けられ、弁体１９が１次流路１７ａに連通する２次流路１７ｂの一端に密接して移動可能であり、かつ弁体１９の移動による有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔１９ｃを弁体１９に形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムの酸化剤ガスの圧力及び流量の制御に関する。

燃料電池では、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、水素は燃料側電極の触媒の作用によって水素イオンと電子に分離され、分離された電子が外部負荷を移動し電力として取り出される。水素イオンは電解質膜を通して酸化剤極に移動し、酸化剤側電極の触媒の作用で水素イオンと外部の負荷を回ってきた電子と酸素が結合して水が生成される。

このような、燃料電池システムにおいては、酸化剤としての空気を燃料電池システムに供給するために空気圧縮機が用いられ、空気圧縮機は、燃料ガスの供給量又は発電量に基づいて必要空気量が算出され、この必要空気流量が供給されるように空気圧縮機の回転速度を制御している。そして空気圧縮機から供給流路を通って燃料電池に圧送された空気は、排出流路に設けられた圧力調整弁や、供給流路と排出流路を接続するバイパス通路上に設けられたバイパス弁を開弁させたり閉弁させて、微妙な圧力調整や、流量調整の制御を行なっている。一般的に、流量調整を行なうバイパス弁については、用途は異なるが特許文献１に示すようなバタフライ弁や、特許文献２に示すようなポペット弁を弁体にもつバルブが利用されている。
特開２００２−５４５１２号公報 特開２００６−２５８３０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来技術では、バタフライ弁の回転角に対する有効断面積は一定ではなく、特に回転角度が小さい低開度域においては、一般的に 図９に示すような急激に変化する特性を持っている。よって低開度域において所望の圧力や流量を得るためには非常に高い精度の制御が必要となる場合もあり、これにより、制御が複雑になったり、高性能モータが必要となりコスト高を招くという問題がある。

また上記特許文献２に記載された従来技術も同様に、ポペット弁の移動量に対して開口面積が急激に変化する特性を持っており、所望の流量を得るためには非常に高い精度の制御が必要となる場合もある。これにより特許文献１と同様の問題がある。

本発明は、高精度の圧力または流量制御性をもちながらも安価であり、小型で、簡素な弁構造及びこの弁構造を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガスが流通する１次流路と、該１次流路に連通して該１次流路より断面が小さい２次流路との間に弁体が設けられ、該弁体が前記１次流路に連通する前記２次流路の一端に密接して移動可能であり、かつ前記弁体の移動による有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔が前記弁体に形成されていることである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１に記載の弁構造において、前記弁体が回転軸を有した円板状であり、前記円板に凸状に屈曲された凸状円環部が前記回転軸と、前記２次流路との間に形成されていることである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２に記載の弁構造において、前記弁体はばね鋼により形成されていることである。

請求項４に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する供給流路と、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスオフガスを排出する排出流路と、前記酸化剤ガスが前記燃料電池をバイパスして排出流路に流れるように前記供給流路と前記排出流路との間を接続するバイパス路と、前記バイパス路を流通する前記酸化剤ガスの流量を制御する制御装置と、を備え、前記供給流路または前記バイパス路に１次流路が設けられ、前記１次流路に前記１次流路より断面が小さい２次流路が連通し、前記１次流路と前記２次流路との間に弁体が設けられ、前記弁体が前記１次流路と連通する前記２次流路の一端に密接して移動可能であり、かつ前記弁体の移動による有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔が前記弁体に形成され、前記制御装置が前記弁体を移動させて前記２次流路に対する前記非対称の弁孔の位置を変化させることで前記２次流路を流通する前記酸化剤ガスの流通量を制御することである。

請求項５に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する供給流路と、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスオフガスを排出する排出流路と、前記酸化剤極に供給された前記酸化剤ガスの圧力を制御する制御装置と、を備え、前記排出流路に１次流路が設けられ、前記１次流路に前記１次流路より断面が小さい２次流路が連通し、前記１次流路と前記２次流路との間に弁体が設けられ、前記弁体が前記１次流路と連通する前記２次流路の一端に密接して移動可能であり、かつ前記弁体の移動による有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔が前記弁体に形成され、前記制御装置が前記弁体を移動させて前記２次流路に対する前記非対称の弁孔の位置を変化させることで前記燃料電池を流通する前記酸化剤ガスの圧力を制御することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池システムに使用される酸化剤ガスを流通させる弁構造において、１次流路と、１次流路に連通して１次流路より断面が小さい２次流路との間に弁体が設けられ、弁体が１次流路に連通する２次流路の一端に密接して移動可能であり、かつ弁体の移動によって有効断面積が自在に得られるよう設定された非対称の弁孔が弁体に形成されている。これにより、酸化剤ガスが通過する弁孔の有効断面積を自由に設計でき、酸化剤ガスの流通量制御が容易になるとともに高性能モータによって精度よく制御する必要がないため、コスト低減が図れる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、弁構造において、弁体は回転軸を有した円板状であり、円板に凸状に屈曲された凸状円環部が回転軸と、２次流路との間に形成されている。これにより流体が１次流路から２次流路に向かって流通するとき、弁体が流体から圧力を受け、凸状円環部を支点として外周部が流体の流れ方向に向かって折り曲げられ、２次流路に押し付けられ弁体と２次流路間とのシール性が向上され、信頼性の向上が図られる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、弁構造において、弁体がばね鋼により形成されるため、弁体自身の持つばねの弾性力によって、弁座との初期の着座力が確保できシール性に寄与するため、一層信頼性が向上する。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスを供給流路から排出流路にバイパスさせる流路中の１次流路と２次流路との間に設けられる弁体が、１次流路と連通する２次流路の一端に密接して移動可能であり、かつ弁体の移動による有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔が弁体に形成されている。そして制御装置が弁体を移動させて２次流路に対する非対称の弁孔の位置を変化させることで２次流路を流通する酸化剤ガスの流通量を制御する。これにより、酸化剤ガスが通過する弁孔の有効断面積を自由に設計でき酸化剤ガスの流通量制御が容易になり、高性能モータによって精度よく制御しなくても所望の有効断面積を比較的容易に得ることができるとともに制御負荷を低減でき、大幅なコスト低減が図れる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、燃料電池システムにおいて、排出流路中の１次流路と、２次流路との間に設けられる弁体が、１次流路と連通する２次流路の一端に密接して移動可能であり、かつ弁体の移動による有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔が弁体に形成されている。そして制御装置が弁体を移動させて２次流路に対する非対称の弁孔の位置を変化させることで２次流路を流通する酸化剤ガスオフガスの流通量を制御し燃料電池の酸化剤極の圧力制御を行なう。これにより、酸化剤ガスオフガスが通過する弁孔の有効断面積を自由に設計できるため燃料電池を流通する酸化剤ガスの流通量制御による圧力制御が容易になり、高性能モータによって精度よく制御しなくても所望の有効断面積を比較的容易に得ることができるとともに制御負荷を低減でき、大幅なコスト低減が図れる。

本発明に係る第１の実施形態について図１を参照して具体的に説明する。第１の実施形態である弁構造４１は、燃料電池システム１において酸化剤ガスおよび酸化剤ガスオフガスの流通量を制御するためのものである。

図１に示すように、弁構造４１は、中心に１次流路１７ａが形成され酸化剤ガスが流通する円筒形状の１次流路部材１７と、１次流路１７ａに連通して１次流路１７ａより断面が小さい２次流路１７ｂが内径部に形成されている２次流路部材２０と、１次流路１７ａと２次流路１７ｂとの間に設けられ２次流路部材２０の一端である弁座２０ａに密接して移動可能で、有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔１９ｃが貫設された弁体１９と、弁体１９を弁体１９の回転中心で支持固定する回転軸５と、弁体１９とともに回転軸５を回転駆動するモータＭ１と、によって構成される。

弁体１９は、所定の板圧ｔｍｍの例えば高張力鋼のようなバネ鋼により形成される円板状体である。弁体１９は、中央に小判状孔１９ａが貫通されている。また弁体１９には、弁体１９の回転軸５と、２次流路１７ｂとの間の平面上の所定の位置に、凸状に屈曲された凸状円環部１９ｂが設けられている。弁体１９は、単体においては凸状円環部１９ｂを支点として、その外周部である弁体外周部１９ｄが若干、Ｆ方向に撓んだ状態で形成されている。しかし弁体１９は弁構造４１に組みつけられ、２次流路部材２０の弁座２０ａと当接された状態では初期の撓みは解消され、弁体１９の弁体外周部１９ｄは２次流路部材２０の円筒中心軸（スラスト軸）に対し直交するようになっている。つまり弁体１９と、２次流路部材２０の弁座２０ａとは弁体１９の弁体外周部１９ｄの初期撓み量分に相応する着座力が印加された状態で配設される。

弁体１９の弁体外周部１９ｄには、開弁したときの有効断面積特性を決定する弁孔１９ｃが貫設されている。弁孔１９ｃの形状は使用される目的に合わせ適合されるものである。弁孔１９ｃは回転軸５を中心とした弁体１９の回転位相に応じて、２次流路１７ｂと対向し開口される有効断面積が所望の特性で変化するように非対称な形状で形成されている。ここで本実施形態の場合、有効断面積特性（弁体の回転に応じた有効断面積の変化）と弁構造４１の弁体１９が回転軸５を中心に回転し弁体１９に開口された非対称な弁孔１９ｃと２次流路１７ｂとの間で開口される開口断面積特性（弁体の回転に応じた開口断面積の変化）は同じになる。また、弁体１９の表面部１９ｅには、弁体１９の剛性を確保し酸化剤ガスの流れによる圧力が加わったときに弁体１９の変形を防止するためのリブ１９ｆが設けられている。

回転軸５は、モータＭ１と弁体１９とに、両端が固定され、モータＭ１の回転力を弁体１９に伝達するものである。回転軸５は、先端部５ａが弁体１９の中央部に設けられた小判状孔１９ａを貫通し、突出した先端部５ａと弁体１９がナット３８によって螺着され固定されている。またモータＭ１は図示しないブラケットを介し、１次流路部材１７の流路内壁に固定されている。

２次流路部材２０は、両端が開口された円筒形状をなし、円筒内部に、開口された弁体１９の弁孔１９ｃを通過した酸化剤ガスが通過する２次流路１７ｂが形成されている。２次流路部材２０は、円筒上面である一端側の円環部がシール部である弁座２０ａを形成し、他端は１次流路部材１７の上流側１７ａと下流側１７ｃとを隔てる円板状の隔壁２９と気密に接続され、２次流路部材２０内の２次流路１７ｂを通過した酸化剤ガスが隔壁２９を通過してさらに下流側の１７ｃに流れるようになっている。

隔壁２９の円板外径は１次流路部材１７の内径と略同一径に形成され、上流部１７ａから下流部１７ｃへの漏れがないように１次流路部材１７の内周部と気密に固定されている。

上記のように構成された弁構造４１は、弁体１９がモータＭ１によって回転軸５を介して弁座２０ａ上を密接して回転移動される。そして回転位相に応じて２次流路１７ｂと対向する弁孔１９ｃの位置を変化させ有効断面積を変化させる。このとき弁体１９と弁座２０ａは、１次流路１７ａと２次流路１７ｂとの絞り部を形成するため、弁体１９の酸化剤ガスの流れ方向における前後には差圧が生じ、該差圧の大きさに応じて弁体１９は弁座２０ａに押し付けられ、シール力が確保される。

なお、第１の実施形態においては、図１に示すように、１次流路１７ａ内において弁体１９より下流方向に回転軸５およびモータＭ１を配置した。しかしこれに限らず、回転軸５およびモータＭ１を弁体１９より上流側に配置してもよく（図略）、これについても同様の効果が得られる。

また、第１の実施形態においては、１次流路部材１７および２次流路部材２０は円筒形状にて構成したが、これに限らず角柱形状や、半円形状等のものであってもよい。

上述の説明から明らかなように、第１の実施形態においては燃料電池システムに適用される酸化剤ガスを流通させる弁構造４１は、１次流路１７ａと、１次流路１７ａに連通して１次流路１７ａより断面が小さい２次流路１７ｂとの間に弁体１９が設けられ、弁体１９が１次流路１７ａに連通する２次流路１７ｂを形成する２次流路部材２０の一端である弁座２０ａに密接して移動可能であり、かつ弁体１９の移動によって有効断面積が自在に得られるよう設定された非対称の雲形形状の弁孔１９ｃが弁体１９に形成されている。このように、弁孔１９ｃを自由曲線で成り立つ形状に設計することで、酸化剤ガスが通過する弁孔１９ｃの有効断面積を自由に設定でき、酸化剤ガスの流通量制御が容易になるとともに高性能モータによって精度よく制御する必要がなく安価なモータが採用できるため、コスト低減が図れる。なお、第１の実施形態における弁孔１９ｃは自由曲線からなる雲形形状で設計しているが、有効断面積の設定によっては直線を使って設計する場合もあり得る。

また、第１の実施形態においては、弁構造４１において、弁体１９は回転軸５を有した円板状であり、円板に凸状に屈曲された凸状円環部１９ｂが回転軸５と、第２流路１７ｂとの間に形成されている。これにより流体が１次流路１７ａから２次流路１７ｂに向かって流通するとき、弁体１９が流体から圧力を受け、凸状円環部１９ｂを支点として弁体外周部１９ｄが流体の流れ方向に向かって折り曲げられ、２次流路部材２０の一端である弁座２０に押し付けられ弁体と２次流路部材２０とのシール性が向上されて、信頼性の向上が図られる。

また、第１の実施形態においては、弁構造４１において、弁体１９がばね鋼により形成されるため、弁体自身の持つばねの弾性力によって、弁座との初期の着座力が確保できシール性に寄与するため、一層信頼性が向上する。

さらに、第１の実施形態においては、簡易な構造であるため小型化が図られ、１次流路部材１７内に収容することが可能であり、低コスト化が図られる。

また、第１の実施形態に対し、第２の実施形態として、図２に示すように２次流路部材２０を１次流路部材１７の外に配置し、モータＭ１及び回転軸５も１次流路部材１７の外部に配置する構成としてもよくこれによっても第１の実施形態と同様の効果を得られる。

次に弁構造における第３の実施形態について図３及び図８に基づき説明する。第１の実施形態においては１次流路部材１７の内部に弁構造４１が設けられた。しかし、第３の実施形態では第１の実施形態においての２次流路部材２０を２次流路部材３０とし、１次流路部材１７の外部に配置して、図３に示す弁構造３２のように構成する。弁構造３２は主に酸化剤ガスを分岐させる流路で使用される。第３の実施形態については、第１の実施形態に対し変更点のみ説明し、同一部分の説明は省略する。

弁構造３２は、内部に１次流路４３ａが形成され酸化剤ガスが流通する下面が平面である角形状の１次流路部材４３と、１次流路４３ａに連通して１次流路４３ａより断面が小さい２次流路３０ｂが内径部に形成されている円筒形状の２次流路部材３０と、１次流路４３ａと２次流路３０ｂとの間に設けられ２次流路部材３０の一端である弁座３０ａに密接して移動可能で、有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔３５ｃが貫設された弁体３５と、弁体３５を弁体３５の回転中心で支持固定する回転軸３６と、弁体３５とともに回転軸３６を回転駆動するモータＭ２と、によって構成される。

１次流路部材４３の下方の壁の一部には、弁体３５の外周径より若干径小の貫通孔４３ｅが１次流路部材４３の内部に向かって貫通されている。貫通された貫通孔４３ｅの外周部には貫通された貫通孔４３ｅと同心円にて座繰平面部４３ｂが、１次流路部材４３の内壁から所定の深さで弁体３５の外径より若干大きく形成されて、弁体３５が該座繰平面部４３ｂに載置される。弁体３５の外周縁は座繰平面部４３ｂと重なり気密に回転摺動される（図８参照）。

弁体３５は、所定の板圧ｔｍｍの例えば高張力鋼のようなバネ鋼により形成される円板状体である。弁体３５は、中央に小判状孔３５ａが貫通されている。また弁体３５には、弁体３５の回転軸３６と、２次流路３０ｂとの間の平面上の所定の位置に、凸状に屈曲された凸状円環部３５ｂが設けられている。弁体３５は、単体においては凸状円環部３５ｂを支点として、その外周部である弁体外周部３５ｄが若干、Ｇ方向に撓んだ状態で形成されている。しかし弁体３５は組みつけられ２次流路部材３０の弁座３０ａおよび、１次流路部材４３の内周部の座繰平面部４３ｂとに当接された状態では初期の撓みは解消され、弁体外周部３５ｄは２次流路部材３０の円筒中心軸（スラスト軸）に対し直交するようになっている。つまり弁体３５と２次流路部材３０の弁座３０ａとは弁体外周部３５ｄの初期撓み量分に相応する着座力が印加された状態で配設される。

弁体３５の弁体外周部３５ｄには、弁体３５が回転され開弁したときの有効断面積特性を決定する弁孔３５ｃが設けられている。弁孔３５ｃの形状は使用される目的に合わせ適合されるものである。弁孔３５ｃは回転軸３６を中心とした弁体３５の回転位相に応じて、２次流路３０ｂと対向し開口される有効断面積が所望の特性で変化するように、直線や曲線または直線と曲線の組み合わせによる非対称な形状で形成されている。また、図３に示すように、弁体３５の表面部３５ｅには、弁体３５の剛性を確保し酸化剤ガスの流れによる圧力が加わったときに弁体３５の変形を防止するためのリブ３５ｆが設けられている。

回転軸３６は、モータＭ２と弁体３５とに、両端が固定され、モータＭ２の回転力を弁体３５に伝達するものである。回転軸３６は、先端部３６ａが弁体３５の中央部に設けられた小判状孔３５ａを貫通し、突出した先端部３６ａと弁体３５がナット３９によって螺着されている。

モータＭ２は、１次流路部材４３の内面壁に上記した弁体３５を載置するため貫通された貫通孔４３ｅに対し、１次流路部材４３の中心軸を中心に１８０度対向した位置に貫通孔４３ｃが設けられ、貫通孔４３ｃに気密に固定されている。

２次流路部材３０は、両端が開口された円筒形状をなし、円筒内部に、開口された弁体３５の弁孔３５ｃを通過した酸化剤ガスが通過する２次流路３０ｂが形成されている。２次流路部材３０は、円筒上面の一端側の円環部がシール部である弁座３０ａを形成し、他端は配管４４と気密に接続され、２次流路部材３０内の２次流路３０ｂを通過した酸化剤ガスがさらに下流の流路４４ａに流れるようになっている。また図３に示すように一端側である弁座３０ａ側には、上面３３ａの高さが弁座３０ａと同一高さになるように構成されたシール板３３が２次流路部材３０の側面に溶接され固定されている。シール板３３は、弁構造３２の弁体３５が作動されて酸化剤ガスの通過量の制御が行なわれる際、弁体３５の弁孔３５ｃの部分のうち、弁座３０ａの２次流路３０ｂと対向せず、開口部として使用されていない部分が外部と連通しないように塞ぐためのものである（図８参照）。

上記のように構成された弁構造３２は、弁体３５がモータＭ２によって回転軸３６を介して弁座３０ａ上を密接して回転移動される。そして回転位相に応じて２次流路３０ｂと対向する弁孔３５ｃの位置を変化させ開口される有効断面積を変化させる。このとき弁体３５と弁座３０ａは、１次流路４３ａと２次流路３０ｂとの絞り部を形成するため、弁体３５の酸化剤ガスの流れ方向における前後には差圧が生じ、該差圧の大きさに応じて弁体３５は弁座３０ａに押し付けられ、シール力が確保される。

なお、第３の実施形態においては、モータＭ２及び回転軸３６を、弁体３５を中心に反転させ、１次流路部材４３の外部に配置する構成としてもよく、これによっても第３の実施形態と同様の効果を得られる。このときモータＭ２は２次流路部材３０の外側面に図示しないブラケットを介して固定してやればよい。

また、第３の実施形態においては、１次流路部材４３は角形状にて構成したが、これに限らず円筒形状や、下面が平面である半円形状等のものであってもよい。

また、本発明に係る第１乃至第３の実施形態においては、各弁体１９、３５が、各弁座２０ａ、３０ａ上を摺動する際、各弁体１９、３５の弁体外周部１９ｄ、３５ｄ及び各弁座２０ａ、３０ａ上に弗素樹脂などの低μのコーティング剤を塗布しておけば、摺動抵抗が軽減される。これによりモータＭ１、Ｍ２の負荷が軽減されるので、より安価なモータを使用できコスト低減を図ることができる。

上述の説明から明らかなように、第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明に係る第１乃至第３の実施形態においては、使用目的に合わせて自在に流量特性（有効断面積特性）が得られるものである。これにより、燃料電池システムに限らずガソリンエンジン車においても利用できる。ガソリンエンジン車においては車種毎に異なる最適の吸入空気量特性を得るために、空気吸入弁でありアクセル操作に連動するスロットルボデーの弁体として利用してもよい。

さらに本発明に係る第１乃至第３の実施形態においては、各弁体１９、３５を各回転軸５、３６により回転させ各弁体１９、３５に貫設された弁孔１９ｃ、３５ｃと各２次流路１７ｂ、３０ｂと対向させ開口部を有効断面積とした。しかし、これに限らず第４の実施形態として、図４に示すように、中心に１次流路４６ａが形成され、酸化剤ガスが流通する円筒形状の１次流路部材４６と、１次流路４６ａに連通して１次流路４６ａより断面が小さい、２次流路４７ｂが内径部に形成されている２次流路部材４７と、１次流路４６ａと２次流路４７ｂとの間に設けられ２次流路部材４７の一端である弁座４７ａに密接して図４中に矢印で示す水平方向に移動可能であり、有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔４５ｂが貫設された弁体４５と、弁体４５を水平方向に移動制御する所定のモータ（図略）と、によって構成してもよく、これによっても第１乃至第３の実施形態と同様の効果が得られる。

次に本発明に係る第１の実施形態である弁構造４１を燃料電池システムに適用させた場合の、構成及び作用効果につき図面を参照して説明する。図５は、燃料電池システム１の構成図である。

燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化剤ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化剤ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、アクセル開度センサ、外気温センサ等からの検出データに基づいて運転モードを制御するとともに、燃料電池システムを流通する酸化剤ガスの流量や圧力を制御する制御装置７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。単セルは、イオン交換膜（例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等）からなる電解質の一方の面に酸化剤極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに酸化剤極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化剤ガス流路２ａに酸化剤ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電気を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。

酸化剤ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化剤ガスが流れる供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化剤ガスオフガスが流れる排出流路１２と、酸化剤ガスが燃料電池２をバイパスして流れるバイパス路４８と、を有している。

供給流路１１は燃料電池２内の酸化剤ガス流路２ａと連通し、また排出流路１２に連通している。酸化剤ガスオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

供給流路１１には、上流から順にエアクリーナ１３と、酸化剤ガス（外気）を取り込み燃料電池２の酸化剤極に供給する圧縮機１４と、圧縮機１４によって燃料電池２に圧送される酸化剤ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。加湿器１５は、供給流路１１を流れる低湿潤状態の酸化剤ガスと、排出流路１２を流れる高湿潤状態の酸化剤ガスオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化剤ガスを適度に加湿する。

排出流路１２には、上流から順に燃料電池２の酸化剤ガス流路２ａ内の圧力を検出する圧力センサＰ１と、燃料電池２の酸化剤極である酸化剤ガス流路２ａに供給される酸化剤ガスの背圧を調圧するための本発明に係る弁構造４１が適用される調圧弁１６と、加湿器１５が設けられている。なお、本発明の弁構造４１は加湿器を備えた燃料電池システムに適用しているが、これに限定するものではなく加湿器がない場合にも適用できる。

調圧弁１６は制御装置７に電気的に接続され、排出流路１２を開閉し酸化剤ガスオフガスの通過量を制御することにより燃料電池２内の酸化剤ガスの圧力制御を行なう。調圧弁１６の弁回転位相は、制御装置７によって、任意の範囲で調整可能に構成されている。調圧弁１６は、各種の動力により駆動可能に構成することができ、例えば、モータ、ソレノイドなどを用いることができる。

調圧弁１６は図１に示すように、弁構造４１と同様の構成にて１次流路部材である酸化剤ガスオフガス排出のための排出通路１２内に形成される。調圧弁１６内の有効断面積を自在に設定する非対称の弁孔１９ｃの形状は後述する要素に基づいて決定される。そして酸化剤ガスオフガスは、調圧弁１６内の１次流路１７ａ、２次流路１７ｂ、２次流路１７ｂの下流である１７ｃを通過し加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

バイパス路４８は、供給流路１１と排出流路１２とを接続し連通されている。接続の一端側であるバイパス路４８と供給流路１１との供給側接続部Ｂは、圧縮機１４と加湿器１５との間に位置している。また、接続の他端側であるバイパス路４８と排出流路１２との排出側接続部Ｃは、加湿器１５の下流側に位置している。

バイパス路４８には、自在に有効断面積の設定が可能な本発明に係る弁構造４１が適用されるバイパス弁１８が設けられている。バイパス弁１８は、各種の動力により駆動可能に構成することができ、例えば、モータ、ソレノイドなどを用いることができる。

バイパス弁１８は制御装置７に接続されており、バイパス路４８を開閉し流量の制御を行なう。なお、以下の説明では、バイパス弁１８の開弁により、バイパス路４８の上流側１７ａを通ってバイパス弁１８の下流側１７ｂへとバイパスされる酸化剤ガスを「バイパスエア」と称呼する。

バイパス弁１８は、図１に示すように、調圧弁１６と同様に本発明に係る第１の実施形態である弁構造４１と同様の構成にて１次流路部材であるバイパス路４８内に形成される。バイパス弁１８内の流路の有効断面積は、後述する要素に基づいて決定されている。

次に燃料ガス配管系４は図５に示すように、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される燃料ガスである水素ガスが流れる供給流路２２と、供給流路２２に設けられている、上流から順番に元弁２６と、調圧弁２７と、遮断弁２８と、燃料電池２の燃料ガス流路２ｂと、水素オフガスが排出される排出流路２３と、パージ弁３３と、パージ路２５とから構成されている。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給流路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７で減圧され、遮断弁２８を経て、燃料電池２の燃料ガス流路２ｂに供給されたのち、未使用の水素ガスは水素オフガス排出流路２３を通り、パージ弁３３を通過しパージ路２５から図略の水素希釈器を介して大気に排出される。

制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する暖機運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置７は、ガス系統（３、４）に用いられる圧力センサ（Ｐ１）、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ５１の検出信号等が入力され、各構成要素（圧縮機１４の駆動モータＭ３、調圧弁１６及びバイパス弁１８など）に制御信号を出力する。また、制御装置７は、低温始動時など燃料電池２を暖機する必要がある場合には、ＲＯＭに格納されている各種マップを利用して暖機運転を行う。

次にシステムの動作について説明する。本燃料電池システム１を用いた図示しない車両においては、イグニッションがＯＮされることにより燃料電池システムが起動され、制御装置７をはじめ各補機類に電力が投入される。そして、所定の位置に設けられた温度センサ５１によって、外気温度が検出され検出されたデータが制御装置７に送信される。

制御装置７は送信された検出温度に基づき、通常運転を行なうべきか、暖機運転を行なうべきかを判断する（暖機運転を行なう条件は例えば０℃以下）。

通常運転を行なうと判断したとき、制御装置７は燃料電池２での必要 な発電量を導出し、導出された発電量に基づいて燃料電池２に供給すべ き酸化剤ガスの供給量を導出する。

制御装置７は、導出された必要酸化剤ガス量に基づき、圧縮機１４のモータＭ３の回転数を制御し、必要量の酸化剤ガスを燃料電池２の酸化剤極に供給する。燃料電池２に供給される酸化剤ガスの圧力および流量は、燃料電池２の排出流路１２に設けられた調圧弁１６を構成する弁体１９の回転位相と、圧縮機１４の吐出圧とによって決定される（バイパス弁１８は閉弁されている）。そして所定の圧力に制御された燃料電池２の酸化剤極の酸化剤ガスと、水素極に供給された所定の圧力の水素とが、交換膜を介して反応し発電する。

次に、寒冷環境において燃料電池システム１を起動する場合、もしくは低温時に、暖機運転モードが達成されるための弁孔１９ｃの形状決めの詳細について説明する。

まず図６を参照して、排出流路１２内の流路の有効断面積及びバイパス弁１８内の流路の有効断面積について説明する。ここで本発明の弁構造４１の有効断面積は、調圧弁１６又はバイパス弁１８の弁体１９が回転軸５を中心に回転し弁体１９に開口された非対称な弁孔１９ｃと２次流路１７ｂとの間で開口される開口断面積と相関を有する。有効断面積は、暖機運転を行なうために燃料電池２への適切な量の酸化剤ガスの供給を行なうため、暖機運転時の圧縮機１４による酸化剤ガスの吐出流量及び吐出圧と、調圧弁１６の回転位相とバイパス路１７のバイパス弁１８の回転位相との関係に基づいて決定される。以下、暖機運転時の要求値を考慮して具体的に説明する。

暖機運転の際、燃料電池２への酸化剤ガスの目標流量は、燃料電池２が暖機運転を行うのに必要な流量となるように、制御装置７に記憶させた暖機運転の目標値から任意に設定される。

また、暖機運転の際、バイパス弁１８の下流側である２次流路１７ｂへと流すバイパスエアの目標流量は、ＲＯＭに格納したマップから暖機運転の目標値と対応するデータを読み出すことで設定される。

したがって、暖機運転の際には、圧縮機１４から吐出されて供給側接続部Ｂに至る酸化剤ガスの目標流量（つまり、圧縮機１４が目標とする酸化剤ガスの吐出流量）は、燃料電池２への酸化剤ガスの目標流量と、バイパスエアの目標流量とを合計した値となる。そして、各目標流量を達成するための調圧弁１６の有効断面積及びバイパス弁１８の有効断面積は、図６のように決まる。

図６は、燃料電池２の酸化剤ガス供給圧力である一次圧（横軸）と、調圧弁１６及びバイパス弁１８内の流路の有効断面積（縦軸）と、の関係を表すグラフである。

横軸の一次圧は、圧縮機１４による酸化剤ガスの吐出圧に相当する。また、ここでは、調圧弁１６は、二次側圧力（下流側圧力）が圧力Ｐ_１となるように設定される。圧力Ｐ_１は、例えば１００ｋＰａ前後である。

曲線Ｌ１は、調圧弁１６が上記目標流量を達成するために所定の回転位相になったときの、調圧弁１６内の流路の有効断面積を示している。また、曲線Ｌ２は、調圧弁１６及びバイパス弁１８が上記目標流量を達成するためにそれぞれ所定の回転位相になったときの、調圧弁１６内の流路の有効断面積とバイパス弁１８内の流路の有効断面積とを合計した合計有効断面積を示している。したがって、ある一次圧における合計有効断面積から調圧弁１６内の流路の有効断面積を減算した値が、バイパス弁１８が上記目標流量を達成するために所定の回転位相のときの、バイパス弁１８内の流路の有効断面積の値となり、曲線Ｌ３が１次圧が変動したときに所定の流量を得るためのバイパス弁１８内の流路の有効断面積を示している。

よって本発明に係る調圧弁１６においては、モータＭ１により回転される弁体１９の各回転位相における、弁体１９の弁孔１９ｃと２次流路１７ｂとが対向し開口された部分である有効断面積が、図６に示す曲線Ｌ１の横軸（１次圧）を、弁体１９のモータＭ１による弁体１９の回転位相と読替えて求めた曲線Ｌ１´の特性と、略一致するように弁孔１９ｃの形状が決定される。

また本発明に係るバイパス弁１８においても、調圧弁１６と同様にモータＭ１により回転される弁体１９の各回転位相における、弁体１９の弁孔１９ｃと２次流路１７ｂとが対向し開口された部分である有効断面積が、図５に示す曲線Ｌ３の横軸（１次圧）を、弁体１９のモータＭ１による弁体１９の回転位相と読替えて求めた曲線Ｌ３´の特性と、略一致するように弁孔１９ｃの形状が決定される。

具体的には、各曲線Ｌ１´、Ｌ３´の左端を弁体１９の開弁率１００％（全開）とし、右端を開弁率０％（全閉）としている。開弁率１００％とは図７の（ｃ）に示す状態をいう。開弁率０％とは、図７の（ａ）に示す状態をいい、弁孔１９ｃと２次流路１７ｂとが全く対向せず開口していない状態をいう。そして（ｂ）が中間開弁率（５０％）の状態を表わす。そして各曲線Ｌ１´、Ｌ３´において各回転位相率に対応する有効断面積を求め、各弁体１９の弁孔１９ｃの形状が形成されている。

このように有効断面積を決定する弁孔１９ｃの形状が自由に設計できるので、暖機運転を行なうために圧縮機１４の回転制御が頻繁におこなわれても、圧縮機１４の変動後の流量又は圧力に対応する調圧弁１６の圧力（有効断面積）を、容易に得ることができる。具体的には排出流路１２に設けられた圧力センサＰ１により検出される燃料電池２の酸化剤極の圧力をもとに、制御装置７によって弁体１９の回転制御がされ、所望の圧力を応答性よく得ることができる。またバイパス弁１８も、同様の理由によって調圧弁１６の変動後の圧力（有効断面積）に対応する流量（有効断面積）を容易に得ることができる。

さらに、本燃料電池システム１においては、バイパス路４８のバイパス弁１８に替えて、本発明に係る第３の実施形態である弁構造３２を適用してもよい。このときは図３に示すように１次流路部材４３を供給流路１１とし、配管４４を排出流路１２と置き換えてやることにより適用できる。本適用においても上述したバイパス弁１８と同様の効果が得られる。

なお、本発明に係る第１乃至第４の実施形態の弁構造を適用した燃料電池システムにおいては、図５に示すようにバイパス路４８は、供給流路１１と排出流路１２とを連通し、バイパス路４８と供給流路１１との供給側接続部Ｂは、圧縮機１４と加湿器１５との間に位置している。また、バイパス路４８と排出流路１２との排出側接続部Ｃは、加湿器１５の下流側に位置している。そしてバイパス弁１８はバイパス路４８上に配置されている。しかし、これに限らず図１の２点鎖線で示すように、バイパス弁１８と同様の構造をもつバイパス弁３７を、供給流路１１上で、加湿器１５と、燃料電池２との間に設けられた接続点Ｄと、排出流路１２上で、調圧弁１６と加湿器１５との間に設けられた接続点Ｅと、を接続するバイパス路４２上に設けても良い。これによっても同様の効果が得られる。

上述の説明から明らかなように、本発明に係る第１乃至第４の実施形態を適用した燃料電池システムにおいては、酸化剤ガスまたは酸化剤ガスオフガスを流通させる流路中の各１次流路１７ａ、４３ａ、４６ａと各２次流路１７ｂ、３０ｂ、４７ｂとの間に設けられる各弁体１９、３５、４５が、各１次流路１７ａ、４３ａ、４６ａと連通する各２次流路１７ｂ、３０ｂ、４７ｂを形成する各２次流路部材２０、３０、４７の一端である弁座２０ａ、３０ａ、４７ａに密接して移動可能であり、かつ各弁体１９、３５、４５の移動による有効断面積を自在に設定した非対称の各弁孔１９ｃ、３５ｃ、４５ｂが各弁体１９、３５、４５に形成されている。そして制御装置７が各弁体１９、３５、４５を移動させて各２次流路１７ｂ、３０ｂ、４７ｂに対する非対称の各弁孔１９ｃ、３５ｃ、４５ｂの位置を変化させることで各２次流路１７ｂ、３０ｂ、４７ｂを流通する酸化剤ガスまたは酸化剤ガスオフガスの流通量を制御し、流量または圧力制御を行なう。これにより、各弁孔１９ｃ、３５ｃ、４５ｂの有効断面積を自由に設計でき酸化剤ガスの流通量制御が容易になるため高性能モータによって精度よく制御しなくても所望の有効断面積を比較的容易に得ることができるとともに制御負荷を低減でき、大幅なコスト低減が図れる。

なお、本実施形態を適用する燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

第１の実施形態に係る弁構造図の分解斜視断面図である。 第２の実施形態に係る弁構造図の斜視透視図である。 第３の実施形態に係るバイパス弁構造図の断面図である。 第４の実施形態に係る弁構造図の斜視透視図である。 本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。 燃料電池の酸化剤ガス供給圧力である一次圧と調圧弁又はバイパス弁内の流路の有効断面積との関係を表すグラフである。 流量を制御する弁体の回転と弁座との相関関係を表す図である。 図３の断面８−８の２次流路部材上面図である。 従来技術に係るバタフライ弁を用いたバイパス弁の弁体開度−有効断面積の関係を表すグラフである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化剤ガス配管系、４…燃料ガス配管系、５…回転軸、７…制御装置、１１…供給流路、１２…排出流路、１４…圧縮機、１５…加湿器、１６…調圧弁、１７…１次流路部材、１７ａ…１次流路、１７ｂ…２次流路、１８…バイパス弁、１９…弁体、１９ｃ…弁孔、２０…２次流路部材、２０ａ…弁座、２９…隔壁、３０…２次流路部材、３２…弁構造、３０ｂ…２次流路、３５…弁体、３５ｃ…弁孔、３６…回転軸、４１…弁構造、４３…１次流路部材、４３ａ…１次流路、４５…弁体、４５ｂ…弁孔、４６…１次流路部材、４６ａ…１次流路、４７…２次流路部材、４７ｂ…２次流路、４８…バイパス路、５１…外気温センサ、Ｍ１…モータ、Ｍ２…モータ。

Claims (5)

1. 燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池システムにおいて、
   前記酸化剤ガスが流通する１次流路と、
   該１次流路に連通して該１次流路より断面が小さい２次流路との間に弁体が設けられ、
   該弁体が前記１次流路に連通する前記２次流路の一端に密接して移動可能であり、かつ前記弁体の移動による有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔が前記弁体に形成されていることを特徴とする弁構造。
2. 請求項１に記載の弁構造において、前記弁体が回転軸を有した円板状であり、前記円板に凸状に屈曲された凸状円環部が前記回転軸と、 前記２次流路との間に形成されていることを特徴とする弁構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の弁構造において、前記弁体はばね鋼により形成されていることを特徴とする弁構造。
4. 燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する供給流路と、
   前記燃料電池から排出される酸化剤ガスオフガスを排出する排出流路と、
   前記酸化剤ガスが前記燃料電池をバイパスして排出流路に流れるように前記供給流路と前記排出流路との間を接続するバイパス路と、
   前記バイパス路を流通する前記酸化剤ガスの流量を制御する制御装置と、を備え、
   前記供給流路または前記バイパス路に１次流路が設けられ、前記１次流路に前記１次流路より断面が小さい２次流路が連通し、前記１次流路と前記２次流路との間に弁体が設けられ、
   前記弁体が前記１次流路と連通する前記２次流路の一端に密接して移動可能であり、かつ前記弁体の移動による有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔が前記弁体に形成され、
   前記制御装置が前記弁体を移動させて前記２次流路に対する前記非対称の弁孔の位置を変化させることで前記２次流路を流通する前記酸化剤ガスの流通量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
5. 燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する供給流路と、
   前記燃料電池から排出される酸化剤ガスオフガスを排出する排出流路と、
   前記酸化剤極に供給された前記酸化剤ガスの圧力を制御する制御装置と、を備え、
   前記排出流路に１次流路が設けられ、前記１次流路に前記１次流路より断面が小さい２次流路が連通し、前記１次流路と前記２次流路との間に弁体が設けられ、
   前記弁体が前記１次流路と連通する前記２次流路の一端に密接して移動可能であり、かつ前記弁体の移動による有効断面積を自在に設定した非対称の弁孔が前記弁体に形成され、
   前記制御装置が前記弁体を移動させて前記２次流路に対する前記非対称の弁孔の位置を変化させることで前記燃料電池を流通する前記酸化剤ガスの圧力を制御することを特徴とする燃料電池システム。

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