JP2010182433A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギ消費を抑えつつ、酸化剤ガス流路を封鎖する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１１０と、酸化剤ガス供給流路と、酸化剤ガス排出流路と、ノーマルオープン型の第１弁１０及び第２弁１０Ａと、第１弁１０を開閉操作する第１モータ４０と、第２弁１０Ａを開閉操作する第２モータ４０Ａと、第１モータ４０及び第２モータ４０Ａを制御するＥＣＵ１６０と、を備え、ＥＣＵ１６０は、燃料電池スタック１１０の発電中、第１弁１０及び第２弁１０Ａを開状態とすることで、カソード流路１１２を開放し、燃料電池スタック１１０の発電停止後、第１弁１０及び第２弁１０Ａを閉状態とすることで、カソード流路１１２を封鎖する燃料電池システム１００であって、第１弁１０及び第２弁１０Ａの弁体２０と係止することで、閉状態を維持する第１ソレノイド装置５０及び第２ソレノイド装置５０Ａを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス）と、酸素を含む空気（酸化剤ガス）とが供給されることで発電する燃料電池の開発が急速に進められ、例えば、燃料電池車の電力源として応用されつつある。このような燃料電池は、その内部に、水素が通流するアノード流路（燃料ガス流路）と、空気が通流するカソード流路（酸化剤ガス流路）とを有している。

ところが、燃料電池の発電停止中、つまり、燃料電池と外部負荷とが電気的に遮断された状態において、外部からカソード流路に空気が流入し、この空気（酸素）がカソードの触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）下で電極反応により消費されると、カソードの電位が上昇したり、残留する水分が分解して活性の高いＯＨラジカル等が発生する虞がある。このように、カソードの電位が上昇したり、ＯＨラジカル等が発生すると、カソードを形成するカーボンペーパの炭素（Ｃ）や触媒が酸化したり、電解質膜が分解し、燃料電池が劣化してしまう。

また、カソード流路の空気の一部は、電解質膜を透過して、アノードにクロスリークし、このクロスリークした空気が、アノードの触媒下で消費されると、アノードの電位が上昇したり、ＯＨラジカル等が発生し、アノードを形成するカーボンペーパの炭素（Ｃ）や触媒が酸化したり、電解質膜が分解し、燃料電池が劣化してしまう。

そこで、カソード流路の上流及び下流に、ソレノイドを内蔵するノーマルクローズ型の電磁弁をそれぞれ設け、燃料電池の発電停止中、前記電磁弁を閉じて、カソード流路を封鎖し、外部からカソード流路への新たな空気の流入を停止すると共に、カソードからアノードへの空気のクロスリーク量を低減させる燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００６−２２１８３６号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムは、カソード流路の上流及び下流に、ノーマルクローズ型の電磁弁を備えるので、燃料電池を発電させるため、カソード流路に空気を通流させる間、前記電磁弁のソレノイドに継続して通電し、電磁弁の開状態を維持する必要がある。すなわち、開状態を維持している間、燃料電池の発電電力やバッテリの蓄電電力が、ソレノイドで消費されることになり、非効率であった。

そこで、本発明は、電力等のエネルギ消費を抑えつつ、酸化剤ガス流路を封鎖する燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられたノーマルオープン型の第１弁と、前記酸化剤ガス排出流路に設けられたノーマルオープン型の第２弁と、前記第１弁を開閉操作する第１操作手段と、前記第２弁を開閉操作する第２操作手段と、前記第１操作手段及び前記第２操作手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の発電中、前記第１操作手段により前記第１弁を開状態とし、前記第２操作手段により前記第２弁を開状態とすることで、前記酸化剤ガス流路を開放し、前記燃料電池の発電停止後、前記第１操作手段により前記第１弁を閉状態とし、前記第２操作手段により前記第２弁を閉状態とすることで、前記酸化剤ガス流路を封鎖する燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電停止後、前記第１弁及び前記第２弁を閉状態とした後、前記第１弁及び前記第２弁の少なくとも一方の弁体と係止することで、当該一方の閉状態を維持する閉状態維持手段を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、第１弁及び第２弁はノーマルオープン型であるので、燃料電池を発電させるため、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを通流させる場合、電力等のエネルギを消費せずに、第１弁及び第２弁を開状態とできる。

一方、燃料電池の発電停止後、システム停止中、燃料電池内の酸化剤ガス流路を封鎖し、酸化剤ガス流路への酸化剤ガスの新たな流入を停止させる場合、第１操作手段及び第２操作手段によって第１弁及び前記第２弁を閉状態とした後、閉状態維持手段が、第１弁及び第２弁の少なくとも一方の弁体と係止することにより、この一方の閉状態を維持できる。すなわち、電力等のエネルギを消費せずに、第１弁及び第２弁の少なくとも一方の閉状態を維持できる。
なお、閉状態維持手段は、後記する実施形態のように、第１弁及び第２弁に対してそれぞれ設けられることが好ましい。また、燃料電池内の酸化剤ガス流路を封鎖することは、カソード封鎖とも称される。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記閉状態維持手段は、前記第１弁の閉状態を維持する第１閉状態維持手段と、前記第２弁の閉状態を維持する第２閉状態維持手段と、を備え、前記第１操作手段は、通電により、前記第１弁を開状態から閉状態に駆動する第１電気駆動装置を備え、前記第２操作手段は、通電により、前記第２弁を開状態から閉状態に駆動する第２電気駆動装置を備え、前記第１閉状態維持手段及び前記第２閉状態維持手段により閉状態に維持された後、前記第１電気駆動装置及び前記第２電気駆動装置への通電は停止されることを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、第１電気駆動装置によって、第１弁を開状態から閉状態に駆動し、第２電気駆動装置によって、第２弁を開状態から閉状態に駆動できる。すなわち、第１操作手段及び第２操作手段を電気駆動式とすることにより、空圧駆動式、油圧駆動式等に対して、レギュレータ、流量制御弁、切換弁等が不要となるため、システム構成を簡易・小型化できる。

また、第１閉状態維持手段によって第１弁の閉状態を維持し、第２閉状態維持手段によって第２弁の閉状態を維持できる。
そして、第１閉状態維持手段及び第２閉状態維持手段によって閉状態に維持された後、第１電気駆動装置及び第２電気駆動装置への通電は停止されるので、第１電気駆動装置及び第２電気駆動装置における電力消費を停止できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記第１弁及び前記第２弁は、閉状態におけるシール力を付与するロストモーション機構をそれぞれ備えることを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、ロストモーション機構により、第１弁及び第２弁の閉状態におけるシール力を付与できる。すなわち、ロストモーション機構によって、第１弁及び第２弁の閉状態において、弁座とこれに着座した弁体との密着を維持することができ、第１弁及び第２弁を確実に閉じた状態で維持できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記ロストモーション機構を備える前記第１弁及び前記第２弁は、弁座に着座した弁体に、その上流側の圧力が開方向に作用（付勢）するように配置されると共に、その上流側の圧力が所定圧力以上となった場合に開状態となることを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、ロストモーション機構を備える第１弁及び第２弁の弁体に、その上流側の圧力が開方向に作用（付勢）するように構成され、そして、その上流側の圧力が所定圧力以上となった場合、第１弁及び第２弁がそれぞれ開状態となる。すなわち、第１弁及び第２弁は、その上流側の圧力が所定圧力以上となった場合、この圧力を開放するリリーフ弁として機能する。

すなわち、酸化剤ガス供給流路に設けられた第１弁は、第１操作手段（第１電気駆動装置）によって開状態とする操作が実行されているにも関わらず、実際には開いてなく閉状態のままである場合（閉故障している場合）において、その上流側の圧力が所定圧力以上となったとき、開状態となる。これにより、異常昇圧によって、第１弁、酸化剤ガス供給流路を構成する配管、この配管に設けられたその他機器（例えばインタークーラ）、及び、酸化剤ガス供給手段（後記する実施形態ではコンプレッサ）が、破損・故障することを防止できる。

また、酸化剤ガス排出流路に設けられた第２弁は、第２操作手段（第２電気駆動装置）によって開状態とする操作が実行されているにも関わらず、実際には開いてなく閉状態のままである場合（閉故障している場合）において、その上流側の圧力が所定圧力以上となったとき、開状態となる。これにより、異常昇圧によって、第２弁、燃料電池、及び、酸化剤ガス排出流路を構成する配管が、破損・故障することを防止できる。
なお、第２弁が開状態となる第２所定圧力は、第１弁が開状態となる第１所定圧力以下に設定されることが好ましい。つまり、第１弁が開状態となる第１所定圧力と、第２弁が開状態となる第２所定圧力とは、異なる値でもよい。

本発明によれば、電力等のエネルギ消費を抑えつつ、酸化剤ガス流路を封鎖する燃料電池システムを提供することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本実施形態に係るノーマルオープン型の第１弁装置の側断面図であり、開状態を示している。 本実施形態に係るノーマルオープン型の第１弁装置の側断面図であり、閉状態を示している。 本実施形態に係るノーマルオープン型の第１弁装置の側断面図であり、上流側の圧力が所定圧力以上となり、リリーフ時の開状態を示している。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、燃料電池スタック１１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１１０の掃気時に掃気ガスをアノード系に導入する掃気ガス導入系と、これらを電子制御するＥＣＵ１６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。

各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１１（燃料ガス流路）、カソード流路１１２（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１１１を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１１２を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク１２１と、ノーマルクローズ型（常閉型）の遮断弁１２２と、エゼクタ１２３と、ノーマルクローズ型のパージ弁１２４と、ノーマルクローズ型の掃気ガス排出弁１２５と、を備えている。

水素タンク１２１は、配管１２１ａ、遮断弁１２２、配管１２２ａ、エゼクタ１２３、配管１２３ａを介して、アノード流路１１１の入口に接続されている。そして、燃料電池スタック１１０を発電させるため、ＥＣＵ１６０からの指令によって遮断弁１２２が開かれると、水素が、水素タンク１２１から遮断弁１２２等を通って、アノード流路１１１に供給されるようになっている。

アノード流路１１１の出口は、配管１２３ｂを介して、エゼクタ１２３の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１１１から排出された未消費の水素を含むアノードオフガスが、エゼクタ１２３に戻された後、アノード流路１１１に再供給され、その結果、水素が循環するようになっている。なお、配管１２３ｂには、アノードオフガスに同伴する液状の水分を分離する気液分離器（図示しない）が設けられている。

配管１２３ｂの途中は、配管１２４ａ、パージ弁１２４、配管１２４ｂを介して、後記する希釈器１３３に接続されている。パージ弁１２４は、燃料電池スタック１１０の発電時に、配管１２３ｂを循環するアノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ１６０によって定期的に開かれる。

また、配管１２４ａの接続位置よりも上流側の配管１２３ｂは、配管１２５ａ、掃気ガス排出弁１２５、配管１２５ｂを介して、後記する配管１３２ｃに接続されている。掃気ガス排出弁１２５は、燃料電池スタック１１０の掃気時、詳細には、アノード流路１１１の掃気時に、コンプレッサ１３１が作動した状態で、ＥＣＵ１６０により、後記する掃気ガス導入弁１４１と共に開かれる設定となっている。

なお、燃料電池スタック１１０の掃気時とは、本実施形態では、燃料電池スタック１１０の発電停止後のシステム停止中において、温度センサ（図示しない）によって検出されるシステム温度が所定温度（例えば０℃）未満であり、この後、燃料電池スタック１１０内が凍結すると判断される時である。

このように、アノード流路１１１の上流には、遮断弁１２２及び後記する掃気ガス導入弁１４１が配置され、アノード流路１１１の下流には、パージ弁１２４、掃気ガス排出弁１２５が配置されているが、いずれの弁もノーマルクローズ型であり、燃料電池スタック１１０の発電停止中（システム停止中）、原則として、閉状態で維持され、アノード流路１１１は封鎖された状態となる。したがって、車外の空気が、掃気ガス排出弁１２５等を通って、アノード流路１１１に流入することはない。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ１３１（酸化剤ガス供給手段）と、ノーマルオープン型（常開型）の第１弁装置１と、ノーマルオープン型の第２弁装置２と、ノーマルオープン型の背圧弁１３２と、希釈器１３３と、を備えている。

コンプレッサ１３１は、配管１３１ａ、第１弁装置１、配管１３１ｂを介して、カソード流路１１２の入口に接続されている。そして、コンプレッサ１３１は、ＥＣＵ１６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管１３１ａ等を介して、カソード流路１１２に供給するようになっている。

すなわち、カソード流路１１２（酸化剤ガス流路）に向かう空気（酸化剤ガス）が通流する酸化剤ガス供給流路は、配管１３１ａと配管１３１ｂとを備えて構成され、この酸化剤ガス供給流路に、第１弁装置１が設けられている。第１弁装置１は、ＥＣＵ１６０によって制御されるノーマルオープン型の電磁弁であり、燃料電池スタック１１０の発電中（システム作動中）は開状態となり、発電停止後、つまり、発電停止中（システム停止中）は閉状態となる。
なお、第１弁装置１の具体的構造は、後で説明する。

カソード流路１１２の出口は、配管１３２ａ、第２弁装置２、配管１３２ｂ、背圧弁１３２、配管１３２ｃを介して、希釈器１３３に接続されている。そして、カソード流路１１２から排出されたカソードオフガス（酸化剤ガス）は、配管１３２ａ等を介して、希釈器１３３に排出されるようになっている。

すなわち、カソード流路１１２（酸化剤ガス流路）から排出されたカソードオフガスが通流する酸化剤ガス排出流路は、配管１３２ａと、配管１３２ｂと、配管１３２ｃと、後記する配管１３３ａとを備えて構成され、この酸化剤ガス排出流路に、第２弁装置２が設けられている。第２弁装置２は、ＥＣＵ１６０によって制御されるノーマルオープン型の電磁弁であり、燃料電池スタック１１０の発電中（システム作動中）は開状態となり、発電停止後、つまり、発電停止中（システム停止中）は閉状態となる。
なお、第２弁装置２の具体的構造は、後で説明する。

背圧弁１３２は、バタフライ弁等から構成されたノーマルオープン型の弁であって、その開度は、アクセル開度等の発電要求量に対応して、ＥＣＵ１６０により制御される。

希釈器１３３は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス（希釈用ガス）で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管１３３ａを介して、車外に排出されるようになっている。

また、配管１３１ｂと配管１３２ａとを跨ぐように加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分透過性を有する中空糸膜を複数本内蔵し、この中空糸膜を介して、カソード流路１１２に向かう空気と、カソード流路１１２から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路１１２に向かう空気を加湿するものである。

＜掃気ガス導入系＞
掃気ガス導入系は、ノーマルクローズ型の掃気ガス導入弁１４１を備えている。掃気ガス導入弁１４１の上流は配管１４１ａを介して配管１３１ａに接続されており、掃気ガス導入弁１４１の下流は配管１４１ｂを介して配管１２３ａに接続されている。そして、燃料電池スタック１１０の掃気時に、コンプレッサ１３１が作動した状態で、ＥＣＵ１６０によって掃気ガス導入弁１４１が開かれると、コンプレッサ１３１からの掃気ガスが、アノード流路１１１に導入されるようになっている。

＜ＩＧ＞
ＩＧ１５１は、燃料電池システム１００（燃料電池車）の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ１５１はＥＣＵ１６０と接続されており、ＥＣＵ１６０はＩＧ１５１のオン／オフ信号を検知するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ１６０（制御手段）は、燃料電池システム１００を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。

また、ＥＣＵ１６０は、第１弁装置１の後記する第１モータ４０と、第２弁装置２の後記する第２モータ４０Ａとを制御し、後記する第１弁１０、第２弁１０Ａを開閉制御する機能を備えている。
さらに、ＥＣＵ１６０は、第１弁装置１の後記する第１ソレノイド装置５０と、第２弁装置２の後記する第２ソレノイド装置５０Ａとを制御し、第１ソレノイド装置５０、第２ソレノイド装置５０Ａによるロック／解除を制御する機能を備えている。

＜第１弁装置、第２弁装置＞
次に、第１弁装置１、第２弁装置２の具体的構造について、図２〜図４を参照して説明する。
第１弁装置１は、ノーマルオープン型の第１弁１０と、通電により第１弁１０を開閉操作する第１モータ４０（第１電気駆動装置、第１操作手段）と、第１弁１０の閉状態を維持する第１ソレノイド装置５０（第１閉状態維持手段）と、を備えている。
第２弁装置２は、ノーマルオープン型の第２弁１０Ａと、通電により第２弁１０Ａを開閉操作する第２モータ４０Ａ（第２電気駆動装置、第２操作手段）と、第２弁１０Ａの閉状態を維持する第２ソレノイド装置５０Ａ（第２閉状態維持手段）と、を備えている。
ここで、第１弁装置１と第２弁装置２との構造は同一、つまり、第１弁１０と第２弁１０Ａ、第１モータ４０と第２モータ４０Ａ、第１ソレノイド装置５０と第２ソレノイド装置５０Ａ、はそれぞれ同一の構造であるので、以下、第１弁装置１について説明し、第２弁装置２については省略する。

［第１弁］
第１弁１０は、入口ポート１２及び出口ポート１３が形成されたボディ１１（弁箱）と、入口ポート１２周りの弁座１４に対して着座／離座する弁体２０と、圧縮コイルばね３１、３２と、を備えている。

弁体２０は、入口ポート１２周りの弁座１４に対して着座／離座する本体２１と、本体２１と一体に形成され、本体２１の中心から上方に延設された第１ロッド２３と、その下端部内を第１ロッド２３がスライド自在に延び、上部がボディ１１の天壁部を貫通し外部に延びた第２ロッド２５と、を備えている。つまり、第１ロッド２３と第２ロッド２５とを備えて構成されるロッドは、伸縮自在である。

弁体２０の本体２１は円板状を呈し、本体２１が弁座１４から離座すると、第１弁１０が開状態となり、入口ポート１２と出口ポート１３とが連通するようになっている（図２、図４参照）。一方、本体２１が弁座１４に着座すると、第１弁１０が閉状態となり、入口ポート１２と出口ポート１３とが遮断されるようになっている（図３参照）。

本体２１の弁座１４側面には、ゴム製等の環状のシール部材２２が設けられている。そして、本体２１が着座した場合（第１弁１０が閉じた場合）、シール部材２２が弾性変形することで、閉状態におけるシール性が高められている。なお、シール部材２２が弁座１４に設けられた構成でもよい。

第１ロッド２３の中間部にはフランジ部２４が形成されており、フランジ部２４と第２ロッド２５との間には、圧縮コイルばね３２が介装されている。圧縮コイルばね３２は、フランジ部２４と一体である本体２１を閉方向（下方向）に付勢し、閉状態における本体２１（弁体２０）のシール力を付与している（図３参照）。

これにより、例えばシール部材２２の厚さが、使用によって小さくなったとしても、圧縮コイルばね３２が本体２１を閉方向に付勢しているので、シール部材２２を挟んで本体２１と弁座１４とが密着し、閉状態で確実に維持されるようになっている。
その他、後記するフランジ部２６や第１ソレノイド装置５０の後記する係止シャフト５１が、使用により磨耗し、フランジ部２６のロック位置が変化したとしても、圧縮コイルばね３２が本体２１を閉方向に付勢しているので、本体２１が弁座１４に良好に着座し、第１弁１０が閉状態で確実に維持されるようになっている。

すなわち、第１弁１０（第２弁１０Ａ）が備え、閉状態におけるシール力を付与するロストモーション機構Ｌは、本体２１と、フランジ部２４を有する第１ロッド２３と、第２ロッド２５の下端部と、圧縮コイルばね３２とを備えて構成されている。

ボディ１１の天壁部を貫通し外部に延びる第２ロッド２５の上部の外周面には、第１モータ４０の後記するピニオン４１と係合するラック（図示しない）が形成されている。
また、第２ロッド２５の中間部には、フランジ部２６が形成されており、フランジ部２６とボディ１１との間には、圧縮コイルばね３１が介装されている。圧縮コイルばね３１は、フランジ部２６（第２ロッド２５）、第１ロッド２３及び本体２１を開方向（上方向）に付勢しており、これにより、第１弁１０（第２弁１０Ａ）はノーマルオープン型に構成されている。

圧縮コイルばね３１のばね力は、第１モータ４０の静止トルクよりも大きく設定されている。これにより、第１モータ４０への通電を停止した状態において、第１ソレノイド装置５０によるロックが解除されると、圧縮コイルばね３１が第１モータ４０の静止トルクに抗して第２ロッド２５を上方に移動させ、その結果、本体２１が弁座１４から離座し、第１弁１０が開くようになっている。
なお、第２ロッド２５が上方に移動する場合、第１ロッド２３のフランジ部２４が第２ロッド２５の下部に係止され、第１ロッド２３が第２ロッド２５から抜けないようになっている（図２参照）。

入口ポート１２には、コンプレッサ１３１からの空気（掃気時は掃気ガスとしての空気）が通流する配管１３１ａが接続されており、出口ポート１３には、配管１３１ｂが接続されている。すなわち、第１弁１０は、閉状態において、コンプレッサ１３１からの空気の圧力（上流側）の圧力によって、弁座１４に着座した本体２１（弁体２０）が開方向（図２等の上方向）に押されるように、配置されている。

言い換えると、第１弁１０の閉状態において、何らかの原因により、第１弁１０の上流側の圧力が所定圧力以上となった場合、この圧力によって開方向（上方向）に押される本体２１（弁体２０）が弁座１４から離座し、第１弁１０が開状態となるように構成されている（図４参照）。
つまり、ロストモーション機構Ｌを備える第１弁１０（第２弁１０Ａ）は、その閉状態において、上流側の圧力が所定圧力以上となった場合に開いて開状態となり、上流側の圧力を開放するリリーフ機能を備えている。

［第１モータ］
第１モータ４０（第２モータ４０Ａ）は、第１弁１０（第２弁１０Ａ）を開状態から閉状態に駆動する第１電気駆動装置（第２電気駆動装置）であり、ステッピングモータ等によって構成されている。そして、第１モータ４０にＥＣＵ１６０からの指令に従って通電されると、第１モータ４０は正回転又は逆回転で回転するようになっている。

第１モータ４０の出力軸にはピニオン４１が取り付けられており、ピニオン４１は第２ロッド２５のラック（図示しない）と係合している。そして、第１モータ４０が回転すると、第２ロッド２５が下降し、本体２１が弁座１４に着座するようになっている（図３参照）。

なお、第１モータ４０（第２モータ４０Ａ）は、システム停止後（燃料電池スタック１１０の発電停止後）に回転し、第１弁１０（第２弁１０Ａ）を開状態から閉状態にし、カソード流路１１２（図１参照）を封鎖するように構成されている。また、第１モータ４０は、ブラケット（図示しない）を介してボディ１１に固定されると共に、バッテリ（図示しない）を電源としている。

［第１ソレノイド装置］
第１ソレノイド装置５０（第２ソレノイド装置５０Ａ）は、システム停止後（燃料電池スタック１１０の発電停止後）、第１モータ４０によって第１弁１０を閉状態とした後、第２ロッド２５のフランジ部２６の上面に係止することによって、上下方向において第２ロッド２５をロックする第１ロック装置（第２ロック装置）であって、第１弁１０（第２弁１０Ａ）の閉状態を維持するものである（図３参照）。

第１ソレノイド装置５０は、ロック時にフランジ部２６に係止される係止シャフト５１と、係止シャフト５１をフランジ部２６に対して前進方向（突出方向）で付勢する圧縮コイルばね５２と、ＥＣＵ１６０からの指令に従って、通電されると係止シャフト５１を後退させるソレノイド５３と、を備えている。

すなわち、第１弁１０の閉状態において、係止シャフト５１が、第２ロッド２５のフランジ部２６に係止した状態（ロック状態）であっても、本体２１及び第１ロッド２３は第２ロッド２５に対して移動可能であり、つまり、本体２１が離座可能であり、第１弁１０の後記するリリーフ弁としての機能が確保されている。

そして、ソレノイド５３に通電されると、ソレノイド５３の近傍に配置された固定コア（図示しない）によって磁力が発生し、この固定コアに、係止シャフト５１に一体で構成された可動コア（図示しない）が吸引されることで、係止シャフト５１が後退するようになっている。このように係止シャフト５１が後退すると、係止シャフト５１がフランジ部２６に係止せず、第２ロッド２５（弁体２０）が上下方向において移動可能となる。
なお、第１ソレノイド装置５０は、第１モータ４０と同様に、ブラケット５４を介してボディ１１に固定されると共に、バッテリ（図示しない）を電源としている。

≪燃料電池システムの作用効果≫
次に、燃料電池システム１００の作用効果について説明する。

＜システム作動中（燃料電池スタックの発電中）＞
まず、燃料電池システム１００の作動中（燃料電池スタック１１０の発電中）について説明する。
ＥＣＵ１６０は、カソード流路１１２に空気を通流させるため、第１弁装置１（第１弁１０）及び第２弁装置（第２弁１０Ａ）を開状態とし、カソード流路１１２を開放している。

第１弁装置１について、図２を参照して具体的に説明すると、ＥＣＵ１６０は、第１モータ４０及び第１ソレノイド装置５０への通電を停止し、圧縮コイルばね３１によって弁体２０を弁座１４から離座させ、ノーマルオープン型の第１弁１０を開状態としている。すなわち、ノーマルオープン型である第１弁１０は、電力等のエネルギを消費せずに、開状態で維持されている。第２弁装置２（第２弁１０Ａ）についても同様である。

＜システム停止時（燃料電池スタックの発電停止時）＞
次に、燃料電池システム１００の停止時（燃料電池スタック１１０の発電停止時）について説明する。
燃料電池車を停止させるため、運転者がＩＧ１５１をオフすると、このオフ信号を検知したＥＣＵ１６０は、燃料電池スタック１１０の発電を停止させ、燃料電池システム１００を停止させる。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、燃料電池スタック１１０の出力端子に接続された電力制御装置（図示しない）を制御し、燃料電池スタック１１０からの電流の取り出しを停止し、燃料電池スタック１１０の発電を停止する。そして、ＥＣＵ１６０は、遮断弁１２２を閉じ、アノード流路１１１への水素の供給を停止し、コンプレッサ１３１を停止し、カソード流路１１２への空気の供給を停止する。

その後、ＥＣＵ１６０は、第１弁装置１の第１弁１０と、第２弁装置２の第２弁１０Ａとを閉じる。
第１弁装置１について、図２、図３を参照して、具体的に説明すると、ＥＣＵ１６０は、第１ソレノイド装置５０のソレノイド５３に通電し、フランジ部２６に対して係止シャフト５１を後退させる。そして、ＥＣＵ１６０は、係止シャフト５１が後退した状態で、第１モータ４０に通電し、ピニオン４１を回転させ（矢印Ａ１参照）、第２ロッド２５（弁体２０）を下降させる（矢印Ａ２参照）。

なお、第２ロッド２５の下降の程度、つまり、第１モータ４０の回転角は、第１弁１０の閉状態において、シール部材２２を弾性変形させ、そのシール力を発揮させると共に、圧縮コイルばね３２がやや縮退し、使用によりシール部材２２の厚さが小さくなっても、縮退した圧縮コイルばね３２により本体２１が弁座１４に付勢され、第１弁１０が確実に閉じるように設定される。

そうすると、弁体２０の本体２１が弁座１４に着座し、入口ポート１２と出口ポート１３とが遮断され、第１弁１０が閉状態となる。
第１弁１０が閉状態となった後、ＥＣＵ１６０は、第１ソレノイド装置５０のソレノイド５３への通電を停止する。そうすると、係止シャフト５１が、圧縮コイルばね５２によってフランジ部２６に対して前進した後（矢印Ａ３参照）、フランジ部２６の上面に係止し、第１弁１０が閉状態で維持、つまり、ロックされる。このように第１弁１０を開状態で維持した後、ＥＣＵ１６０は第１モータ４０への通電を停止する。

このようにして、燃料電池スタック１１０の発電停止後（システム停止後）、発電停止中（システム停止中）において、第１弁装置１の第１弁１０と、第２弁装置２の第２弁１０Ａとが閉状態となり、カソード流路１１２が封鎖されるので、車外の空気が、第１弁１０又は第２弁１０Ａを通って、カソード流路１１２に新たに流入することはない。
これにより、ＭＥＡを構成するカソード又はアノードの電位の上昇や、ＯＨラジカル等の発生が抑制され、カソード又はアノードの劣化や、電解質膜の分解が抑制される。その結果、燃料電池スタック１１０の劣化が抑制され、その耐久性が高められている。

また、第１モータ４０（第２モータ４０Ａ）によって、第１弁１０（第２弁１０Ａ）を閉状態とした後、第１ソレノイド装置５０（第２ソレノイド装置５０Ａ）の係止シャフト５１をフランジ部２６に係止するので、第１弁１０（第２弁１０Ａ）を閉状態で維持できる。

さらに、係止シャフト５１をフランジ部２６に係止し、第１弁１０（第２弁１０Ａ）を閉状態で維持した後、第１モータ４０（第２モータ４０Ａ）への通電を停止するので、第１モータ４０（第２モータ４０Ａ）における電力消費を停止し、その電源であるバッテリ（図示しない）の残量を確保できる。
さらにまた、第１弁１０（第２弁１０Ａ）を閉状態で維持する場合、第１ソレノイド装置５０（第２ソレノイド装置５０Ａ）への通電も停止するので、第１ソレノイド装置５０（第２ソレノイド装置５０Ａ）における電力消費も停止できる。

また、第１弁１０（第２弁１０Ａ）は、ロストモーション機構Ｌを備え、圧縮コイルばね３２によって、本体２１が弁座１４に付勢される構成であるので、使用によって例えばシール部材２２の厚さが小さくなったとしても、本体２１が弁座１４に確実に着座する。これにより、第１弁１０（第２弁１０Ａ）は、確実に閉状態となることができ、その信頼性は高められている。

なお、システム停止中において、燃料電池スタック１１０のカソード流路１１２を掃気する場合、ＥＣＵ１６０は、第１ソレノイド装置５０（第２ソレノイド装置５０Ａ）によるロックを解除し、第１弁１０（第２弁１０Ａ）を開いた後、コンプレッサ１３１を作動し、コンプレッサ１３１からの掃気ガスでカソード流路１１２を掃気する。そして、カソード流路１１２の掃気後、第１弁１０（第２弁１０Ａ）を閉じる。

＜システム起動時（燃料電池スタックの発電開始時）＞
次に、燃料電池システム１００の起動時（燃料電池スタック１１０の発電開始時）について説明する。
燃料電池車を走行させるため、運転者がＩＧ１５１をオンすると、このオン信号を検知したＥＣＵ１６０は、第１弁装置１及び第２弁装置２を開く。
第１弁装置１について、図２、図３を参照して、具体的に説明すると、ＥＣＵ１６０は、第１ソレノイド装置５０のソレノイド５３に通電し、フランジ部２６に対して、係止シャフト５１を後退させ、第２ロッド２５（弁体２０）のロックを解除する。そうすると、圧縮コイルばね３１が、フランジ部２６及び弁体２０を、第１モータ４０の静止トルクに抗して、上方に押し上げる。

その結果、弁体２０の本体２１が弁座１４から離座し、第１弁装置１（第１弁１０）が開状態となる（図２参照）。その後、ＥＣＵ１６０は、第１ソレノイド装置５０のソレノイド５３への通電を停止する。

その後、ＥＣＵ１６０は、遮断弁１２２を開き、アノード流路１１１に水素を供給すると共に、コンプレッサ１３１を作動させ、カソード流路１１２に空気を供給する。そして、ＥＣＵ１６０は、アクセル等からの発電要求量に対応して、燃料電池スタック１１０の発電を開始させる。

＜第１弁装置、第２弁装置の閉故障時＞
次に、図４を参照して、第１弁装置１、第２弁装置２の閉故障時、つまり、第１弁装置１、第２弁装置２にＥＣＵ１６０から開指令が入力されているにも関わらず、第１弁装置１、第２弁装置２が、実際には開いてなく、閉じたまま故障している場合について説明する。
なお、このような第１弁装置１、第２弁装置２の閉故障は、例えば、第１ソレノイド装置５０、第２ソレノイド装置５０Ａが故障し、第２ロッド２５のロックが解除されない場合や、第１モータ４０（第２モータ４０Ａ）が誤作動し、弁体２０が閉方向に移動した場合等に生じる。

例えば、システム起動時やカソード流路１１２の掃気時において、第１弁装置１及び第２弁装置２を開く制御をしたことによって、第１弁装置１及び第２弁装置２は開いていると判断するＥＣＵ１６０が、コンプレッサ１３１を作動させると、第１弁装置１の上流側の空気の圧力が上昇し始める。このように圧力上昇する空気は、閉状態のままの弁体２０の本体２１を開方向（上方向）に押している。

そして、第１弁装置１（第１弁１０）の上流側の空気の圧力が第１所定圧力以上になると、図４に示すように、第２ロッド２５がロックされたままの状態で、圧縮コイルばね３２が縮退し、本体２１が弁座１４から離座し（矢印Ａ４参照）、第１弁１０が開状態となる。すなわち、ロストモーション機構Ｌを備える第１弁１０がリリーフ弁として機能し、第１弁１０の上流側の圧力が開放される。

これにより、第１弁１０の上流の機器（コンプレッサ１３１、コンプレッサ１３１の下流のインタークーラ等）や、配管１３１ａ等が、異常昇圧によって、破損・故障することを防止できる。
なお、第１弁１０が開状態となる前記第１所定圧力は、事前試験等により求められ、第１弁１０の上流の機器等が、破損・故障しない圧力に設定される。

これと同様に、第２弁装置２（第２弁１０Ａ）が閉故障している場合において、その上流側の圧力が第２所定圧力以上になると、第２弁１０Ａが開状態となり、リリーフ弁とし機能し（図４参照）、その上流側の圧力が開放される。これにより、燃料電池スタック１１０、配管１３１ｂ、１３２ａ、及び配管１３１ｂ、１３２ａを跨ぐように設けられている加湿器（図示しない）等が、異常昇圧によって、破損・故障することを防止できる。

なお、第２弁１０Ａが開状態となる前記第２所定圧力は、事前試験等により求められ、第２弁１０Ａの上流の機器（燃料電池スタック１１０等）や配管１３２ａ等が、破損・故障しない圧力であって、第１弁１０が開状態となる前記第１所定圧力以下に設定されることが好ましい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。

前記した実施形態では、弁体２０が電動式の第１モータ４０の回転力によって、開状態から閉状態となる構成を例示したが、その他に例えば、閉状態とする場合にソレノイドに通電し、このソレノイドで弁体２０を作動させる構成でもよい。また、油圧式のモータで作動させる構成でもよい。

前記した実施形態では、係止シャフト５１がソレノイド５３によって進退する構成を例示したが、その他に係止シャフト５１にラックを形成し、このラックに係合するピニオンを有する電動式のモータで進退させる構成でもよい。

前記した実施形態では、係止シャフト５１が第２ロッド２５のフランジ部２６に係止する構成を例示したが、ロストモーション機構Ｌを備えない第１弁１０、第２弁１０Ａであれば、例えば、係止シャフト５１が本体２１の上面に係止する構成でもよい。

前記した実施形態では、係止シャフト５１が第２ロッド２５のフランジ部２６の上面に係止する構成を例示したが、係止構造はこれに限定されず、例えば、第２ロッド２５の係止穴に係止シャフト５１が差し込まれることで係止する構成でもよい。その他、カム等が第２ロッド２５に係止する構成でもよい。

前記した実施形態では、第１弁装置１及び第２弁装置２が、第１ソレノイド装置５０、第２ソレノイド装置５０Ａをそれぞれ備える構成を例示したが、いずれか一方が備える構成でもよい。
前記した実施形態では、第１弁１０及び第２弁１０Ａが、ロストモーション機構Ｌをそれぞれ備える構成を例示したが、いずれか一方が備える構成でもよい。

前記した実施形態では、燃料電池システム１００が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。

１ 第１弁装置
２ 第２弁装置
１０ 第１弁
１０Ａ 第２弁
２０ 弁体
４０ 第１モータ（第１電気駆動装置、第１操作手段）
４０Ａ 第２モータ（第２電気駆動装置、第２操作手段）
５０ 第１ソレノイド装置（第１閉状態維持手段）
５０Ａ 第２ソレノイド装置（第２閉状態維持手段）
１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１１ アノード流路（燃料ガス流路）
１１２ カソード流路（酸化剤ガス流路）
１３１ａ、１３１ｂ 配管（酸化剤ガス供給流路）
１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３３ａ 配管（酸化剤ガス排出流路）
１６０ ＥＣＵ（制御手段）
Ｌ ロストモーション機構

Claims (4)

1. 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
   前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
   前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス供給流路に設けられたノーマルオープン型の第１弁と、
   前記酸化剤ガス排出流路に設けられたノーマルオープン型の第２弁と、
   前記第１弁を開閉操作する第１操作手段と、
   前記第２弁を開閉操作する第２操作手段と、
   前記第１操作手段及び前記第２操作手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池の発電中、前記第１操作手段により前記第１弁を開状態とし、前記第２操作手段により前記第２弁を開状態とすることで、前記酸化剤ガス流路を開放し、前記燃料電池の発電停止後、前記第１操作手段により前記第１弁を閉状態とし、前記第２操作手段により前記第２弁を閉状態とすることで、前記酸化剤ガス流路を封鎖する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の発電停止後、前記第１弁及び前記第２弁を閉状態とした後、前記第１弁及び前記第２弁の少なくとも一方の弁体と係止することで、当該一方の閉状態を維持する閉状態維持手段を備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記閉状態維持手段は、前記第１弁の閉状態を維持する第１閉状態維持手段と、前記第２弁の閉状態を維持する第２閉状態維持手段と、を備え、
   前記第１操作手段は、通電により、前記第１弁を開状態から閉状態に駆動する第１電気駆動装置を備え、
   前記第２操作手段は、通電により、前記第２弁を開状態から閉状態に駆動する第２電気駆動装置を備え、
   前記第１閉状態維持手段及び前記第２閉状態維持手段により閉状態に維持された後、前記第１電気駆動装置及び前記第２電気駆動装置への通電は停止される
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１弁及び前記第２弁は、閉状態におけるシール力を付与するロストモーション機構をそれぞれ備える
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ロストモーション機構を備える前記第１弁及び前記第２弁は、弁座に着座した弁体が上流側の圧力によって開方向に押されるように、配置されると共に、その上流側の圧力が所定圧力以上となった場合に開状態となる
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
   

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