JP2017180611A - 封止弁制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材（シール面）を損傷させることなく、凍結部分を解凍することができる封止弁制御システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１０１において、入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１は、弁座１３に、弁体１４と弁座１３との間を封止するゴムシート２１（リップ部２１ａ）が設けられているものであり、コントローラ２０１は、開弁要求がありスタック温度が５℃より低い場合に、弁体１４とゴムシート２１とが互いに接触している接点１４Ｐ，２１Ｐが離れずにゴムシート２１が弾性変形する範囲内で、入口封止弁１７４・出口統合弁１８１の開閉を微少開度で所定回数だけ繰り返す解凍制御を行い、解凍制御を実施した後、弁の実開度が解凍判定開度Ｄより小さい場合には、前回の解凍制御時の開度よりも開度を増加させて再度、解凍制御を行う。【選択図】図２４

Description

本発明は、流路を開閉する封止弁の開閉動作を制御する封止弁制御システムに関するものである。

従来技術として、特許文献１に開示されるような封止弁制御システムが存在する。この封止弁制御システムは、燃料電池スタック（燃料電池）と、燃料電池スタックの出入口に接続されて酸化剤ガスが流れるガス通路と、ガス通路を開閉するための封止弁とを備えた燃料電池システムに適用されている。そして、このシステムでは、封止弁が凍結した場合、封止弁を繰り返し開閉させることにより、弁体や弁座に付着した氷を剥離、粉砕して凍結部分を解凍させる凍結解除制御が実施されるようになっている。

ここで、封止弁として、閉弁時においてシール性を確保できる偏心弁（弁体のシール面が回転軸から偏心して配置される流量制御弁）を、本出願人が特願２０１５−２５３２５９号にて提案している。この封止弁（偏心弁）は、弁座にシール部を設け、シール部に弁体を密着させて（押し付けて）ガス通路を封止するようになっている。

特開２００５−２８５６８６号公報

しかしながら、上記した封止弁（偏心弁）のようにシール部を備えている場合、封止弁が凍結したときに、特許文献１に記載の凍結解除制御を実施すると、弁体や弁座から剥離、粉砕された氷結粒がシール面に浸入してしまい、シール部材（シール面）が損傷するおそれがある。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、封止弁が凍結した場合に、シール部材（シール面）を損傷させることなく、凍結部分を解凍することができる封止弁制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、ガスが流れるガス流路と、前記ガス流路を開閉する封止弁と、前記封止弁の開閉動作を制御する制御部とを備える封止弁制御システムにおいて、前記封止弁は、弁座又は弁体のいずれか一方に、前記弁体と前記弁座との間を封止するシール部材が設けられているものであり、前記制御部は、開弁要求があり外気温が所定温度より低い場合に、前記弁体又は前記弁座と前記シール部材とが互いに接触している接点が離れずに前記シール部材が弾性変形する範囲内で、前記封止弁の開閉を微少開度で所定回数だけ繰り返す解凍制御を行い、前記解凍制御を実施した後、前記封止弁の実開度が解凍判定開度より小さい場合には、前回の解凍制御時の開度よりも開度を増加させて再度、前記解凍制御を行うことを特徴とする。

この封止弁制御システムでは、制御部により、外気温が所定温度より低い場合に、弁体又は弁座とシール部材とが互いに接触している接点が離れずにシール部材が弾性変形する範囲内で、封止弁を微少開度で開弁と閉弁を所定回数繰り返す解凍制御が行われる。つまり、凍結のおそれがある場合に、シール部材の弾性変形域内で、封止弁が微少開度で開閉される。このような解凍制御により、弁体や弁座に付着した氷に亀裂が入り微粉砕され、微粉砕された氷結が切り離されて凍結が解消される。このとき、シール部材は弁体又は弁座に接触した状態のままであるため、微粉砕された氷結粒がシール面に浸入することを防ぐことができる。そのため、氷結粒によってシール部材（シール面）を損傷することがない。

その後、シール部材と弁体又は弁座が離間するときには、繰り返し行われる弁開閉動作によって、微粉砕された氷結粒が互いに潰し合いながら摺動していたため、氷結粒の角が丸まっている。そのため、氷結粒がシール面に浸入してもシール部材（シール面）を損傷させることがない。

一方、解凍制御が実施された後、封止弁の実開度が解凍判定開度より小さい場合、つまり凍結が解消されていない場合には、微少開度よりも開度を増加させて解凍制御が再度行われる。つまり、凍結が解除されるまで、段階的に開度が大きくされて凍結制御が実施される。このように、解凍制御を行う際の開度を徐々に大きくしていくので、凍結部分を確実に解凍することができる。

上記した封止弁制御システムにおいて、前記制御部は、外気温が低くなるにしたがって、前記所定回数を多く設定することが望ましい。

このようにすることにより、凍結の可能性が高いほど解凍制御の繰り返し開閉の回数が多くなり、封止弁が凍結していた場合に確実に解凍することができる。

上記した封止弁制御システムにおいて、前記制御部は、外気温が低くなるにしたがって、前記微少開度又は前回の開度から増加させる開度量の少なくとも一方を小さく設定することが望ましい。

ここで、シート部材は、温度が低くなるにしたがって硬くなるため、弾性変形域が小さくなる。そのため、解凍制御を実施した際に、開閉動作にシート部材の変形が追従できなくなり、シート部材が損傷するおそれがある。

そこで、この封止弁制御システムでは、外気温が低くなるにしたがって、初回の解凍制御を行う微少開度又は２回目以降の解凍制御を行う際に増加させる開度の少なくとも一方を小さく設定している。これにより、解凍制御を実施した際の開閉動作にシート部材の変形を追従させることができるので、シート部材の損傷を防止することができる。

そして、上記した封止弁制御システムにおいて、前記制御部は、前記封止弁の実開度が、前記解凍判定開度より小さい凍結粉砕判定開度を越えるまで、前記封止弁に入力する駆動制御量を瞬間的に入力する瞬時入力を繰り返す凍結粉砕制御を行い、前記凍結粉砕制御では、前記瞬時入力における前記駆動制御量を所定の上限値まで段階的に増加させていくことが望ましい。

このようにすることにより、凍結部分が粉砕されて急激に開弁（つまり、オーバーシュート）して、弁体又は弁座とシート部材との接触面が急激に引き剥がされることを防止することができる。従って、シール部材（シール面）を損傷させることなく、凍結部分を解凍することができる。なお、駆動制御量としては、例えば、封止弁に印加する駆動電流あるいは駆動電圧などが挙げられる。

また、駆動制御量を所定の上限値まで増加させて凍結粉砕制御を行っても、封止弁の実開度が凍結粉砕判定開度を越えない場合には、封止弁が閉固着して故障していると判定するようにしてもよい。

上記した封止弁制御システムは、燃料電池システムに適用することが好ましい。すなわち、上記した封止弁制御システムにおいて、前記ガス流路は、燃料電池の出入口に接続され酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路であり、前記封止弁は、前記燃料電池の入口側に配置された入口側封止弁と、前記燃料電池の出口側に配置された出口側封止弁とを含み、前記制御部は、外気温として前記燃料電池内の温度を検出し、前記入口側封止弁より前記出口側封止弁の繰り返し開閉の前記所定回数を多く設定するようにすればよい。

このように燃料電池システムに適用する場合、制御部により、入口側封止弁より出口側封止弁の繰り返し開閉を行う回数が多く設定されるため、凍結の可能性が高い出口側封止弁における解凍制御の繰り返し開閉の回数が多くなり、出口側封止弁を確実に解凍することができる。

本発明に係る封止弁制御システムによれば、封止弁が凍結した場合に、シール部材（シール面）を損傷させることなく、凍結部分を解凍することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 出口統合弁の正面図である。 出口統合弁の上面図である。 弁体が弁座に接触した閉弁状態（全閉状態）における弁部を一部破断して示した斜視図である。 弁体が弁座から最も離れた全開状態における弁部を一部破断して示した斜視図である。 流量制御弁が閉弁状態であるときの弁座、弁体及び回転軸を示す側面図である。 図６のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 図２のＣ−Ｃ断面図である。 弁ハウジングからエンドフレームを取り外した状態を示す正面図である。 モータの非駆動時において、メインギヤとリターンスプリングと中間ギヤの周辺の拡大図（一部断面図）である。 モータの非駆動時において、メインギヤに作用する力を示した模式図であり、回転軸の中心軸方向のメインギヤ側から見た図である。 図１２のＤ−Ｄ断面図に相当する図であって、弁座と弁体と回転軸と軸受とメインギヤを表した模式図である。 モータの駆動時において、メインギヤに作用する力を示した模式図であり、回転軸の中心軸方向のメインギヤ側から見た図である。 図１４のＥ−Ｅ断面図に相当する図であって、弁座と弁体と回転軸と軸受とメインギヤを表した模式図である。 図１５に対応する図であって、図１５のときよりもモータ駆動力を大きくしたときを表した図である。 モータの駆動時において、弁開度がαのときのメインギヤとリターンスプリングと中間ギヤの周辺の拡大図（一部断面図）である。 図１６に対応する図であって、図１６のときよりもモータ駆動力を大きくしたときを表した図である。 モータの駆動時において、弁開度がβのときのメインギヤとリターンスプリングと中間ギヤの周辺の拡大図（一部断面図）である。 弁開度と開口面積の関係図である。 弁体とゴムシールとの接点を示す図である。 入口封止弁に対する凍結粉砕制御のフローチャートを示す図である。 出口統合弁に対する凍結粉砕制御のフローチャートを示す図である。 入口封止弁及び出口統合弁に対する凍結解凍制御のフローチャートを示す図である。 初期微少開度とスタック温度との関係を示す図である。 制御電流とスタック温度との関係を示す図である。 開閉繰り返し数とスタック温度との関係を示す図である。 増加開度とスタック温度との関係を示す図である。 解凍制御中における弁体とゴムシートとの関係を示す図である。 解凍完了時における弁体とゴムシートとの関係を示す図である。 解凍完了後に弁体とゴムシートとが離間した状態を示す図である。 凍結粉砕制御及び凍結解凍制御のタイムチャートを示す図である。

本実施形態では、本発明の封止弁制御システムを燃料電池システムに適用した場合について説明する。そこで、本実施形態である燃料電池システムについて、図１を参照しながら詳細に説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給するシステムである。

本実施形態の燃料電池システム１０１は、図１に示すように、燃料電池スタック（燃料電池）１１１と、水素系１１２と、エア系１１３を有する。

燃料電池スタック１１１は、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスはエアである。すなわち、燃料電池スタック１１１は、水素系１１２からの水素ガスの供給と、エア系１１３からのエアの供給を受けて発電を行う。そして、燃料電池スタック１１１で発電された電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータ（図示略）に供給される。なお、燃料電池スタック１１１には、燃料電池スタック１１１内の圧力（スタック圧）を検出するスタック圧センサ１１１Ｐが備わっている。

水素系１１２は、燃料電池スタック１１１のアノード側に設けられている。この水素系１１２は、水素供給通路１２１、水素排出通路１２２、充填通路１２３を備えている。水素供給通路１２１は、水素タンク１３１から燃料電池スタック１１１へ水素ガスを供給するための通路である。水素排出通路１２２は、燃料電池スタック１１１から排出される水素ガス（以下、適宜、「水素オフガス」という。）を排出するための通路である。充填通路１２３は、充填口１５１から水素タンク１３１に水素ガスを充填するための通路である。

水素系１１２は、水素供給通路１２１において、水素タンク１３１側から順に、主止弁１３２、高圧レギュレータ１３３、中圧リリーフ弁１３４、圧力センサ１３５、インジェクタ部（燃料ガス供給部）１３６、低圧リリーフ弁１３７、圧力センサ１３８を備えている。主止弁１３２は、水素タンク１３１から水素供給通路１２１への水素ガスの供給と遮断を切り換える弁である。高圧レギュレータ１３３は、水素ガスを減圧するための圧力調整弁である。中圧リリーフ弁１３４は、水素供給通路１２１における高圧レギュレータ１３３とインジェクタ部１３６の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する弁である。圧力センサ１３５は、水素供給通路１２１における高圧レギュレータ１３３とインジェクタ部１３６の間の圧力を検出するセンサである。インジェクタ部１３６は、水素ガスの流量を調節する機構である。低圧リリーフ弁１３７は、水素供給通路１２１におけるインジェクタ部１３６と燃料電池スタック１１１の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する弁である。圧力センサ１３８は、水素供給通路１２１におけるインジェクタ部１３６と燃料電池スタック１１１の間の圧力を検出するセンサである。

また、水素系１１２は、水素排出通路１２２において、燃料電池スタック１１１側から順に、気液分離器１４１、排気排水弁１４２が配置されている。気液分離器１４１は、水素オフガス内の水分を分離する機器である。排気排水弁１４２は、気液分離器１４１からエア系１１３の希釈器１８２への水素オフガスや水分の排出と遮断を切り換える弁である。

エア系１１３は、燃料電池スタック１１１のカソード側に設けられている。このエア系１１３は、エア供給通路１６１、エア排出通路１６２、バイパス通路１６３を備えている。エア供給通路１６１は、燃料電池システム１０１の外部から燃料電池スタック１１１へ、エアを供給するための通路である。エア排出通路１６２は、燃料電池スタック１１１から排出されるエア（以下、適宜、「エアオフガス」という。）を排出するための通路である。バイパス通路１６３は、エア供給通路１６１から燃料電池スタック１１１を介さずにエア排出通路１６２へ、エアを流すための通路である。

エア系１１３は、エア供給通路１６１において、エアクリーナ１７１側から順に、コンプレッサ１７２、インタークーラ１７３、入口封止弁（上流側弁）１７４を備えている。エアクリーナ１７１は、燃料電池システム１０１の外部から取り込んだエアを清浄化する機器である。コンプレッサ１７２は、エアを燃料電池スタック１１１に供給する機器である。インタークーラ１７３は、エアを冷却する機器である。入口封止弁１７４は、燃料電池スタック１１１へのエアの供給と遮断を切り換える弁である。この入口封止弁１７４として、弁体のシール面が回転軸から偏心して配置される偏心弁が適用されている。入口封止弁１７４の詳細については、後述する。

また、エア系１１３は、エア排出通路１６２において、燃料電池スタック１１１側から順に、出口統合弁（下流側弁）１８１、希釈器１８２が配置されている。

出口統合弁１８１は、燃料電池スタック１１１からのエアオフガスの排出と遮断を切り換える弁（封止機能を有する弁）であるとともに、燃料電池スタック１１１の背圧を調整して燃料電池スタック１１１からのエアオフガスの排出量を制御する弁（調圧（流量制御）機能を有する弁）である。この出口統合弁１８１として、弁体のシール面が回転軸から偏心して配置される偏心弁が適用されている。出口統合弁１８１の詳細については、後述する。

希釈器１８２は、エアオフガス及びバイパス通路１６３を流れるエアにより、水素排出通路１２２から排出される水素オフガスを希釈する機器である。

また、エア系１１３は、バイパス通路１６３において、バイパス弁１９１を備えている。バイパス弁１９１は、バイパス通路１６３におけるエアの流量を制御する弁である。

また、燃料電池システム１０１は、システムの制御を司るコントローラ（制御部）２０１を備えている。コントローラ２０１は、燃料電池システム１０１に備わる各機器を制御するとともに各種判定を行う。なお、燃料電池システム１０１は、その他、燃料電池スタック１１１の冷却を行う冷却系（不図示）も有する。なお、本実施形態では、コントローラ２０１は、例えばＥＣＵである。

以上のような構成の燃料電池システム１０１において、水素供給通路１２１から燃料電池スタック１１１に供給された水素ガスは、燃料電池スタック１１１にて発電に使用された後、燃料電池スタック１１１から水素オフガスとして水素排出通路１２２と希釈器１８２を介して、燃料電池システム１０１の外部に排出される。また、エア供給通路１６１から燃料電池スタック１１１に供給されたエアは、燃料電池スタック１１１にて発電に使用された後、燃料電池スタック１１１からエアオフガスとしてエア排出通路１６２と希釈器１８２を介して、燃料電池システム１０１の外部に排出される。

ここで、入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１について、図２〜図２１を参照しながら説明する。入口封止弁１７４と出口統合弁１８１は同じ構成である。図２及び図３に示すように、入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１は、弁部２と駆動機構部３を備える。弁部２は、内部にエア（空気）が流れる流路１１を有する管部１２（図８参照）を備え、流路１１の中には弁座１３、弁体１４及び回転軸１５が配置されている。回転軸１５に対しては、駆動機構部３から駆動力（回転力）が伝えられる。駆動機構部３は、モータ３２と減速機構３３（図８や図９参照）を備えている。

図４及び図５に示すように、流路１１には段部１０が形成され、その段部１０に弁座１３が組み込まれている。弁座１３は、円環状をなし、中央に弁孔１６を有する。弁孔１６の縁部には、環状のシート面１７が形成されている。弁体１４は、円板状の部分を備え、その外周には、シート面１７に対応する環状のシール面１８が形成されている。弁体１４は、回転軸１５に一体的に設けられ、回転軸１５と一体的に回転する。

本実施形態では、弁座１３に、ゴムシート（シール部）２１が設けられている。そして、ゴムシート２１に、前記のシート面１７が形成されている。なお、このゴムシート２１の詳細については、後述する。

本実施形態において、入口封止弁１７４では、図４及び図５において、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５とは反対側に形成される流路１１が燃料電池スタック１１１側（エアの流れの下流側）に配置され、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５側に形成される流路１１がコンプレッサ１７２側（エアの流れの上流側）に配置されている。すなわち、入口封止弁１７４では、エアは、流路１１内において、弁体１４（回転軸１５）側から弁座１３側に向かって流れる。

一方、出口統合弁１８１では、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５とは反対側に形成される流路１１が燃料電池スタック１１１側（エアの流れの上流側）に配置され、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５側に形成される流路１１が希釈器１８２側（エアの流れの下流側）に配置されている。すなわち、本実施形態では、エアは、流路１１内において、弁座１３側から弁体１４（回転軸１５）側に向かって流れる。

図６及び図７に示すように、回転軸１５の中心軸Ｌｓは、弁体１４の径方向（詳しくは、弁体１４の円板状の部分の径方向）と平行に伸び、弁孔１６の中心軸Ｐ１から弁孔１６の径方向へ偏心して配置されると共に、弁体１４のシール面１８が回転軸１５の中心軸Ｌｓから弁体１４の中心軸Ｌｖが伸びる方向へ偏心して配置されている。

また、弁体１４について回転軸１５の中心軸Ｌｓを中心に回転させることにより、弁体１４のシール面１８が、シート面１７に面接触する閉弁位置（図４参照）とシート面１７から最も離れる全開位置（図５参照）との間で移動可能となっている。

図８及び図９に示すように、金属製又は合成樹脂製の弁ハウジング３５は、流路１１及び管部１２を備えている。また、金属製又は合成樹脂製のエンドフレーム３６は、弁ハウジング３５の開口端を閉鎖している。弁体１４及び回転軸１５は、弁ハウジング３５内に設けられている。回転軸１５は、その先端部にピン１５ａを備えている。このように、ピン１５ａは、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向の一方（弁体１４側）の端部に設けられている。ピン１５ａの径は、回転軸１５におけるピン１５ａ以外の部分の径よりも小さい。なお、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向の他方（メインギヤ４１側）の端部には、基端部１５ｂが設けられている。

回転軸１５は、ピン１５ａがある先端側を自由端とし、その先端部が管部１２の流路１１に挿入されて配置されている。また、回転軸１５は、互いに離れて配置された２つの軸受である第１軸受３７と第２軸受３８を介して弁ハウジング３５に対し回転可能に片持ち支持されている。第１軸受３７と第２軸受３８は、ともにボールベアリングにより構成されている。第１軸受３７と第２軸受３８は、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向について弁体１４とメインギヤ４１との間の位置に配置され、回転軸１５を回転可能に支持している。本実施形態では、第１軸受３７が、第２軸受３８に対してメインギヤ４１側の位置に配置されている。弁体１４は、回転軸１５の先端部に形成されたピン１５ａに対して溶接により固定され、流路１１内に配置されている。

エンドフレーム３６は、弁ハウジング３５に対し複数のクリップ３９（図２及び図３参照）により固定されている。図８及び図９に示すように、回転軸１５の基端部１５ｂには、扇形ギヤを備えるメインギヤ４１が固定されている。弁ハウジング３５とメインギヤ４１との間には、リターンスプリング力Ｆｓ１（図１２参照）を発生させるリターンスプリング４０が設けられている。リターンスプリング力Ｆｓ１は、回転軸１５を閉弁方向に回転させる力であって、弁体１４を閉方向（後述する弁開度θが「０」になる方向）へ付勢する力である。

リターンスプリング４０は、線材がコイル状に巻かれて形成された弾性体である。リターンスプリング４０は、その線材の両端部において、図１１に示すように、奥側フック４０ａと、手前側フック４０ｂを備えている。奥側フック４０ａと手前側フック４０ｂは、リターンスプリング４０の周方向について約１８０°離れた位置に配置されている。奥側フック４０ａは、弁ハウジング３５側（図１１の紙面奥側）に配置され、弁ハウジング３５のスプリングフック部３５ｃ（図１９参照）に接触している。一方、手前側フック４０ｂは、メインギヤ４１側（図１１の紙面手前側）に配置され、メインギヤ４１のスプリングフック部４１ｃに接触している。

また、図８〜図１１に示すように、メインギヤ４１は、全閉ストッパ部４１ａと、歯車部４１ｂと、スプリングフック部４１ｃと、スプリングガイド部４１ｄなどを備えている。そして、メインギヤ４１の周方向（図１１の反時計方向）について、順に、全閉ストッパ部４１ａ、歯車部４１ｂ、スプリングフック部４１ｃが形成されている。メインギヤ４１は、回転軸１５と一体的に設けられ、モータ３２で発生する駆動力を受給する。全閉ストッパ部４１ａは、弁開度θが「０」であるときに、弁ハウジング３５の全閉ストッパ部３５ｂに接触する部分である。

弁開度θは、回転軸１５が中心軸Ｌｓを中心に回転したときの回転軸１５の回転角度であり、メインギヤ４１の回転角度や弁体１４の開度に相当するものである。そして、弁開度θが「０」であるときとは、言い換えると、回転軸１５の回転角度が回転軸１５の回転範囲内における最小角度であるときである。図８〜図１１は、弁開度θが「０」であるときを示している。

図１１に示すように、歯車部４１ｂは、中間ギヤ４２の小径ギヤ４２ｂと噛み合っている。スプリングフック部４１ｃは、リターンスプリング４０の手前側フック４０ｂに接触しており、手前側フック４０ｂからリターンスプリング力Ｆｓ１が加えられている（図１２参照）。

図９に示すように、スプリングガイド部４１ｄは、コイル状のリターンスプリング４０の内部に配置され、リターンスプリング４０を支持している。また、スプリングガイド部４１ｄは、回転軸１５における基端部１５ｂ側の部分にて、回転軸１５と一体的に設けられている。

図９に示すように、メインギヤ４１は、凹部４１ｅを備え、その凹部４１ｅに略円板形状をなす磁石４６が収容されている。そのため、メインギヤ４１が弁体１４及び回転軸１５と一体に回転することにより、磁石４６は回転し、磁石４６の磁界が変化する。そして、その磁石４６の磁界の変化を回転角度センサ（不図示）により検知することにより、メインギヤ４１の回転角度を弁体１４の開度として検出するようになっている。

図８に示すように、モータ３２は、弁ハウジング３５に形成された収容凹部３５ａに収容されて固定されている。モータ３２は、回転軸１５を開弁、および、閉弁方向に回転させる駆動力を発生させる。モータ３２は、弁体１４を開閉駆動するために減速機構３３を介して回転軸１５に駆動力が伝達されるようにして連結されている。すなわち、モータ３２の出力軸３２ａ（図１０参照）には、モータギヤ４３が固定されている。このモータギヤ４３は、中間ギヤ４２を介してメインギヤ４１に駆動力が伝達されるようにして連結されている。

中間ギヤ４２は、大径ギヤ４２ａと小径ギヤ４２ｂを有する二段ギヤであり、ピンシャフト４４を介して弁ハウジング３５に回転可能に支持されている。大径ギヤ４２ａの直径は、小径ギヤ４２ｂの直径よりも大きい。大径ギヤ４２ａには、モータギヤ４３が駆動連結され、小径ギヤ４２ｂには、メインギヤ４１が駆動連結されている。本実施形態では、減速機構３３を構成するメインギヤ４１と中間ギヤ４２とモータギヤ４３は、樹脂により形成されている。また、中間ギヤ４２は、モータ３２の駆動力を回転軸１５に伝達する。

詳しくは後述するが、このような構成の入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１は、図４に示すような閉弁状態（弁体１４のシール面１８の全周と弁座１３のシート面１７の全周とが接触している状態）から、モータ３２に通電させると、メインギヤ４１にギヤ歯を押す力（モータ駆動力Ｆｍ１（図１４参照））が加わり、てこの原理により弁体１４を弁座１３に向かう方向へ移動させる（図１５参照）。その後、モータ３２に印加する駆動電流が徐々に大きくなると、出力軸３２ａとモータギヤ４３が正方向（弁体１４を開弁させる方向）へ回転して、その回転が中間ギヤ４２により減速されてメインギヤ４１に伝達される。そして、リターンスプリング４０により発生する力であって閉弁方向へ付勢するリターンスプリング力Ｆｓ１に抗して、弁体１４が開弁して流路１１が開かれる（図１６及び図１８参照）。その後、弁体１４が開弁する途中でモータ３２に印加する駆動電圧が一定に維持されると、そのときの弁体１４の開度にてモータ駆動力Ｆｍ１とリターンスプリング力Ｆｓ１とが均衡して、弁体１４は所定開度に保持される。

そこで、本実施形態における入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１の作用について詳細に説明する。まず、モータ３２へ通電がなされていないモータ３２の非駆動時（モータ３２が停止しているとき）には、弁開度θが「０」の状態、すなわち、出口統合弁１８１が閉弁状態である。そして、このとき、図１１に示すように、メインギヤ４１の全閉ストッパ部４１ａは、弁ハウジング３５の全閉ストッパ部３５ｂに接触している。

このとき、回転軸１５の周方向についての力関係を考えると、図１２に示すように、メインギヤ４１のスプリングフック部４１ｃには、リターンスプリング４０の手前側フック４０ｂからリターンスプリング力Ｆｓ１が加わっている。なお、図１２に示すように、回転軸１５の中心軸Ｌｓを原点とし、ｘ軸を水平方向とし、ｙ軸を鉛直方向とする直交座標系において、＋ｘ方向かつ＋ｙ方向を第１象限、−ｘ方向かつ＋ｙ方向を第２象限、−ｘ方向かつ−ｙ方向を第３象限、＋ｘ方向かつ−ｙ方向を第４象限とする。このとき、奥側フック４０ａおよび全閉ストッパ部４１ａは第１象限に位置するように配置され、手前側フック４０ｂおよびスプリングフック部４１ｃは第３象限に位置するように配置されている。

ここで、てこの原理において、全閉ストッパ部４１ａに支点が設定され、スプリングフック部４１ｃに力点が設定され、全閉ストッパ部４１ａとスプリングフック部４１ｃとの間の中央部に作用点が設定されるとする。すると、スプリングフック部４１ｃに加わるリターンスプリング力Ｆｓ１により、全閉ストッパ部４１ａとスプリングフック部４１ｃとの間の中央部に力Ｆｓ２が作用する。なお、（力Ｆｓ２）＝２×（リターンスプリング力Ｆｓ１）である。なお、図１２において、全閉ストッパ部４１ａとスプリングフック部４１ｃとの間の距離は「２Ｒ」としている。

このとき、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向に沿った断面における力関係を考えると、図１３に示すように、力Ｆｓ２の＋ｙ方向成分は、分力Ｆｓ３となる。なお、＋ｙ方向とは、第１軸受３７や第２軸受３８の中心軸Ｌｊ方向（ｘ方向）に対して垂直な方向であって、弁体１４に対して弁座１３方向（図１２や図１３の図面上方向）である。また、（分力Ｆｓ３）＝（力Ｆｓ２）×（ｓｉｎθ１）である。なお、図１２に示すように、角度θ１は、ｘ方向に対して、全閉ストッパ部４１ａとスプリングフック部４１ｃの配列方向がなす角度である。

そして、この分力Ｆｓ３により、スプリングガイド部４１ｄの位置では、力Ｆｓ４（反弁座方向付勢力）が＋ｙ方向に作用している。なお、（力Ｆｓ４）＝（分力Ｆｓ３）×Ｌｂ／Ｌａである。このように、力Ｆｓ４は、リターンスプリング力Ｆｓ１に起因して発生する力であって、かつ、第１軸受３７と第２軸受３８の中心軸Ｌｊに対して垂直な方向に作用する力である。なお、距離Ｌａは、ｘ方向について第１軸受３７が配置される位置から力Ｆｓ４が作用する位置までの距離である。また、距離Ｌｂは、ｘ方向について第１軸受３７が配置される位置から分力Ｆｓ３が作用する位置までの距離である。

このようにスプリングガイド部４１ｄの位置で力Ｆｓ４が＋ｙ方向に作用することにより、スプリングガイド部４１ｄと一体の回転軸１５は、第１軸受３７を支点に、図１３における時計回りに回転して傾く。これにより、てこの原理により、回転軸１５の基端部１５ｂに設けられるメインギヤ４１は＋ｙ方向に移動する一方で、回転軸１５のピン１５ａに設けられる弁体１４は−ｙ方向に移動する。そのため、弁体１４は、弁座１３から離れる方向（反弁座方向）に移動する。このようにして、モータ３２の非駆動時であって、出口統合弁１８１が閉弁状態であるときに、弁体１４は、力Ｆｓ４により、弁座１３から
離れる方向に移動する。なお、このとき、回転軸１５は、第２軸受３８により制止される。

本実施形態では、このとき、図１３に示すように、弁体１４は、弁座１３に設けられたゴムシート２１（シール部材）に接触している。詳しくは、図２１に示すように、弁体１４は、ゴムシート２１に備わるリップ部２１ａに接触している。つまり、弁体１４の接点１４Ｐとゴムシート２１の接点２１Ｐとが離れずに（ずれることなく）接触している。なお、このとき、弁体１４は、リップ部２１ａの全周に亘って接触している。リップ部２１ａは、弁体１４に押されて撓むことができるように形成されている。このようにして、弁座１３と弁体１４との間はゴムシート２１で封止（シール）されており、入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１は簡単な構成でシール性が確保されている。ここで、燃料電池システム１０１が搭載された車両の停止時において、燃料電池スタック１１１へエアを吸入させないようにするため、入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１には封止機能が要求される。そして、本実施形態では、このように要求される入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１の封止機能を得るため、弁座１３と弁体１４との間をゴムシート２１で封止する。

また、このとき、弁開度θと開口面積Ｓの関係を示す図２０において、点Ｐ１ａの位置に存在する。ここで、「入口封止弁１７４・出口統合弁１８１が閉弁状態であるとき」とは、弁開度θ（弁体１４の開度）が「０」のときであり、言い換えると、回転軸１５の回転角度が全閉のときの角度（回転軸１５の回転範囲内における最小角度）であるときである。

その後、モータ３２へ通電がなされるモータ３２の駆動時には、中間ギヤ４２の小径ギヤ４２ｂ（図１１参照）からメインギヤ４１の歯車部４１ｂ（図１１参照）に対して当該メインギヤ４１を回転させようとするモータ駆動力Ｆｍ１が作用する。このとき、回転軸１５の周方向についての力関係を考えると、図１４に示すように、モータ駆動力Ｆｍ１は、−ｙ方向に作用する。なお、−ｙ方向とは、第１軸受３７や第２軸受３８の中心軸Ｌｊ方向（ｘ方向）に対して垂直な方向であって、弁座１３に対して弁体１４が配置される方向（図１２や図１３の図面下方向）である。

そして、モータ駆動力Ｆｍ１により、回転軸１５の中心軸Ｌｓの位置では、力Ｆｍ２が−ｙ方向に作用している。さらに、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向に沿った断面における力関係を考えると、図１５に示すように、スプリングガイド部４１ｄの位置では、力Ｆｍ３（弁座方向付勢力）が−ｙ方向に作用している。なお、（力Ｆｍ３）＝（力Ｆｍ２）×Ｌｂ／Ｌａである。このように、モータ３２の駆動時に、力Ｆｍ３が発生する。この力Ｆｍ３は、モータ駆動力Ｆｍ１に起因して発生する力であって、かつ、第１軸受３７と第２軸受３８の中心軸Ｌｊに対して垂直な方向に作用する力である。そして、力Ｆｍ３は、第１軸受３７を支点として回転軸１５を回転させて傾けて、弁体１４を弁座１３に向かう方向に付勢する。

そして、図１５に示すように、力Ｆｍ３が前記の力Ｆｓ４よりも大きくなると、メインギヤ４１のスプリングガイド部４１ｄと一体の回転軸１５は、第１軸受３７を支点に図１５における反時計回りに回転して傾く。これにより、てこの原理により、メインギヤ４１は−ｙ方向に移動する一方で、弁体１４は＋ｙ方向に移動する。このようにして、弁体１４は、力Ｆｍ３により、弁座１３に向かう方向（弁座方向）に移動する。

本実施形態では、このとき、ゴムシート２１のリップ部２１ａは、弁体１４に押されて変形しているが、リップ部２１ａの変形は弾性領域内で行われ、塑性変形はしない。なお、このとき、弁開度θと開口面積Ｓの関係を示す図２０において、点Ｐ１ｂの位置に存在する。

その後、モータ３２に印加させる駆動電流が大きくなってモータ駆動力Ｆｍ１が大きくなると、回転軸１５は、第１軸受３７を支点に図１６における反時計回りにさらに回転して傾く。これにより、メインギヤ４１は−ｙ方向にさらに移動する一方で、弁体１４は＋ｙ方向にさらに移動する。このとき、回転軸１５は中心軸Ｌｓを中心に回転し、弁開度θ（回転軸１５の回転角度）が微少開度「α」になり（図１７参照）、開口面積Ｓが増加する。そして、このとき、図１７に示すように、メインギヤ４１の全閉ストッパ部４１ａは、弁ハウジング３５の全閉ストッパ部３５ｂから離れる。なお、図１６に示すように、回転軸１５は、第２軸受３８により制止される。また、このとき、弁開度θと開口面積Ｓの関係を示す図２０において、点Ｐ１ｃの位置に存在する。

その後、モータ駆動力Ｆｍ１がさらに大きくなると、回転軸１５は中心軸Ｌｓを中心にさらに回転し、図１８に示すように、弁体１４が弁座１３からさらに離れて、開口面積Ｓがさらに増加する。このとき、弁開度θが「β」になる（図１９参照）。また、このとき、弁開度θと開口面積Ｓの関係を示す図２０において、点Ｐ１ｄの位置に存在する。以上のようにして、モータ駆動力Ｆｍ１による出口統合弁１８１の開弁動作が行われる。

ここで、燃料電池スタック１１１では水が生成されるため、寒冷地において、入口封止弁１７４・出口統合弁１８１が凍結するおそれがある。そして、入口封止弁１７４又は出口統合弁１８１が凍結により閉固着してしまうと、燃料電池システム１０１を起動する際に、入口封止弁１７４又は出口統合弁１８１を開弁することができず、燃料電池システム１０１を起動できないおそれがある。そのため、燃料電池システム１０１において、システム起動時に、入口封止弁１７４又は出口統合弁１８１を強制的に開弁する凍結解除制御を実施する必要がある。しかしながら、入口封止弁１７４・出口統合弁１８１に対して従来の凍結解除制御を実施すると、弁体１４や弁座１３から剥離、粉砕された氷結粒がゴムシート２１のシール面１８に浸入してしまい、ゴムシート２１（リップ部２１ａ）が損傷するおそれがある。

そこで、燃料電池システム１０１では、入口封止弁１７４・出口統合弁１８１が凍結するおそれがある場合において、以下に述べる制御（凍結粉砕制御及び凍結解凍制御）を実施している。すなわち、コントローラ２０１が、図２２〜図２４に示す制御フローチャートに基づく制御を実行する。図２２に示すフローチャートが入口封止弁１７４に対して実施される凍結粉砕制御であり、図２３に示すフローチャートが出口統合弁１８１に対して実施される凍結粉砕制御であり、図２４に示すフローチャートが入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１に対して実施される凍結解凍制御である。

まず、入口封止弁１７４に対する凍結粉砕制御について、図２２、図２５及び図２６を参照しながら説明する。コントローラ２０１は、燃料電池システム１０１の起動開始要求の有無を判断する（ステップＳ１）。そして、システムの起動開始要求が有る場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、スタック温度ＳＴＴを取り込む（ステップＳ２）。一方、システムの起動開始要求がない場合（ステップＳ１：ＮＯ）には、カウンタｍ，ｐをそれぞれ「１」（初期値）に設定する（ステップＳ２５）。

次に、スタック温度ＳＴＴが所定温度（凍結の可能性がある温度であり、例えば、本実施形態では５℃）未満であるか否かを判断する（ステップＳ３）。そして、スタック温度ＳＴＴが５℃未満である場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）には、入口封止弁１７４が凍結している可能性があるため、以下の凍結粉砕制御を実施する。なお、スタック温度ＳＴＴが５℃未満でない場合（ステップＳ３：ＮＯ）には、ステップＳ２５の処理を行う。

凍結粉砕制御では、まず、ＸＡＣＶＩＮＳフラグが「０」であるか否かを判断する（ステップＳ４）。なお、ＸＡＣＶＩＮＳフラグは、入口封止弁１７４の凍結粉砕判定フラグであり、「０」の場合には凍結粉砕が未完了であることを示し、「１」の場合には凍結粉砕が完了していることを示す。

そして、ＸＡＣＶＩＮＳフラグが「０」である場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）には、入口封止弁１７４の初期微少開度（凍結解除開度）と初期制御電流値を決定する（ステップＳ５）。一方、ＸＡＣＶＩＮＳフラグが「１」である場合（ステップＳ４：ＮＯ）には、ステップＳ２５の処理を行う。

初期微少開度と初期制御電流値の決定は、スタック温度ＳＴＴに応じて、図２５と図２６に示す関係に基づいて行われる。具体的には、入口封止弁１７４の初期微少開度が、図２５に破線で示す関係のマップデータからスタック温度ＳＴＴに対応する開度「ＩＮ＿Ａ」が決定される。初期微少開度「ＩＮ＿Ａ」は、スタック温度ＳＴＴが低くなるにしたがって小さく設定されている。

ここで、ゴムシート２１（リップ部２１ａ）は、温度が低くなるにしたがって硬くなるため、弾性変形域が小さくなる。そのため、凍結粉砕制御を実施した際に、弁体１４の開閉動作にゴムシート２１（リップ部２１ａ）の変形が追従できなくなり、ゴムシート２１が損傷するおそれがある。そこで、本実施形態では、凍結粉砕制御における初期微少開度「ＩＮ＿Ａ」を、スタック温度ＳＴＴが低くなるにしたがって小さく設定し、弁体１４の開閉動作にゴムシート２１（リップ部２１ａ）の変形が追従できるようにして、ゴムシート２１の損傷を防止している。

また、入口封止弁１７４に対する初期制御電流値（制御量）が、図２６に破線で示す関係のマップデータからスタック温度ＳＴＴに対応する電流値「ｉｎ＿ｅ」が決定される。初期制御電流値「ｉｎ＿ｅ」は、スタック温度ＳＴＴが低くなるにしたがって大きく設定されている。スタック温度ＳＴＴが低い程、入口封止弁１７４の凍結を粉砕するための駆動電流が多めに必要となるからである。なお、図２５と図２６に示す関係は、マップデータとして予めコントローラ２０１に記憶されている。

次に、入口封止弁１７４に対して閉弁保持通電を実施する（ステップＳ６）。具体的には、入口封止弁１７４のモータ３２に保持電流「ｉｎ＿ｅ０」が印加されて閉弁状態にされる。そして、このときの初期閉弁実開度ｔｉｎｓを取り込む（ステップＳ７）。続いて、入口封止弁１７４に対して瞬時通電を実施する。つまり、入口封止弁１７４のモータ３２に制御電流値「ｉｎ＿ｅ（ｍ）」をＦ［ｍｓ］だけ印加し（ステップＳ８、Ｓ９）、実開度ｔｉｎを取り込んで（ステップＳ１０）、閉弁保持通電を実施する（ステップＳ１１）。

そして、凍結粉砕が完了したか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１０で取り込んだ実開度ｔｉｎとステップＳ７で取り込んだ初期閉弁実開度ｔｉｎｓとを比較して、そのときの開度変化量が０．１ｄｅｇよりも小さいか否かで凍結粉砕の判定を行う（ステップＳ１２）。そして、開度変化量が０．１ｄｅｇ以上の場合（ステップＳ１２：ＮＯ）には、入口封止弁１７４の凍結粉砕が完了していると判定して、ＸＡＣＶＩＮＳフラグを「１」にする（ステップＳ１３）。一方、開度変化量が０．１ｄｅｇ未満の場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）には、入口封止弁１７４の凍結粉砕が未完了であると判定して、ステップＳ１５以降の処理を行い、凍結粉砕制御を継続する。

具体的には、ｍをカウントアップ（＋１）して（ステップＳ１５）、制御電流値「ｉｎ＿ｅ（ｍ）」を「ｉｎ＿ｅ（ｍ−１）+ｋｅ［ｍＡ］」に変更する（ステップＳ１６）。すなわち、前回の制御電流値に順次ｋｅ［ｍＡ］を加算していくのである。そして、前回の制御電流値にｋｅ［ｍＡ］を加算した制御電流値「ｉｎ＿ｅ（ｍ）」が最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］を越えているか否かを判断する（ステップＳ１７）。

このとき、制御電流値「ｉｎ＿ｅ（ｍ）」が最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］を越えていない場合（ステップＳ１７：ＮＯ）には、ステップＳ８の処理に戻ってそれ以降の処理を、入口封止弁１７４の凍結粉砕が完了するまで繰り返し行う。これにより、入口封止弁１７４の凍結粉砕を確実に完了することができる。

一方、制御電流値「ｉｎ＿ｅ（ｍ）」を最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］まで上げても凍結粉砕が完了せずに、制御電流値「ｉｎ＿ｅ（ｍ）」が最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］を越えた場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）には、制御電流値「ｉｎ＿ｅ（ｍ）」をガード値Ｇ［ｍＡ］とし（ステップＳ１８）、電流ガード値設定カウンタｐをカウントアップする（ステップＳ１９）。そして、電流ガード値設定カウンタｐがｐ＞２であるか否かを判断する（ステップＳ２０）。このとき、電流ガード値設定カウンタｐがｐ＞２でない場合（ステップＳ２０：ＮＯ）には、ステップＳ８の処理に戻って、制御電流値「ｉｎ＿ｅ（ｍ）」を最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］に設定してそれ以降の処理を行う。一方、電流ガード値設定カウンタｐがｐ＞２である場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、つまり、最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］での凍結粉砕制御を１回実施したが、凍結粉砕が未完了と判断された場合には、入口封止弁１７４に凍結以外の閉固着故障（ロック故障）が発生していると判定して（ステップＳ２１）、起動停止処理モードを実行する。

このように入口封止弁１７４が凍結しているおそれがある場合に、上記の凍結粉砕制御を実施するので、入口封止弁１７４が凍結していたときには、凍結部分が粉砕されて急激に開弁（つまり、オーバーシュート）して、弁体１４とゴムシート２１との接触面が急激に引き剥がされて、ゴムシート２１が損傷することを防止することができる。

続いて、出口統合弁１８１に対する凍結粉砕制御について、図２３、図２５及び図２６を参照しながら説明する。コントローラ２０１は、燃料電池システム１０１の起動開始要求の有無を判断する（ステップＳ５１）。そして、システムの起動開始要求が有る場合（ステップＳ５１：ＹＥＳ）には、スタック温度ＳＴＴを取り込む（ステップＳ５２）。一方、システムの起動開始要求がない場合（ステップＳ５１：ＮＯ）には、カウンタｍ，ｐをそれぞれ「１」（初期値）に設定する（ステップＳ７５）。

次に、スタック温度ＳＴＴが所定温度（本実施形態では５℃）未満であるか否かを判断する（ステップＳ５３）。そして、スタック温度ＳＴＴが５℃未満である場合（ステップＳ５３：ＹＥＳ）には、出口統合弁１８１が凍結している可能性があるため、以下の凍結粉砕制御を実施する。なお、スタック温度ＳＴＴが５℃未満でない場合（ステップＳ５３：ＮＯ）には、ステップＳ７５の処理を行う。

凍結粉砕制御では、まず、ＸＡＣＶＯＵＴＳフラグが「０」であるか否かを判断する（ステップＳ５４）。なお、ＸＡＣＶＯＵＴＳフラグは、出口統合弁１８１の凍結粉砕判定フラグであり、「０」の場合には凍結粉砕が未完了であることを示し、「１」の場合には凍結粉砕が完了していることを示す。

そして、ＸＡＣＶＯＵＴＳフラグが「０」である場合（ステップＳ５４：ＹＥＳ）には、出口統合弁１８１の初期微少開度（凍結解除開度）と初期制御電流値を決定する（ステップＳ５５）。一方、ＸＡＣＶＯＵＴＳフラグが「１」である場合（ステップＳ５４：ＮＯ）には、ステップＳ７５の処理を行う。

初期微少開度と初期制御電流値の決定は、スタック温度ＳＴＴに応じて、図２５と図２６に示す関係に基づいて行われる。具体的には、出口統合弁１８１の初期微少開度が、図２５に実線で示す関係のマップデータからスタック温度ＳＴＴに対応する開度「ＯＵＴ＿Ｂ」が決定される。初期微少開度「ＯＵＴ＿Ｂ」は、スタック温度ＳＴＴが低くなるにしたがって小さく設定されている。これにより、弁体１４の開閉動作にゴムシート２１（リップ部２１ａ）の変形が追従できるようにして、ゴムシート２１の損傷を防止している。

また、出口統合弁１８１に対する初期制御電流値（制御量）が、図２６に実線で示す関係のマップデータからスタック温度ＳＴＴに対応する電流値「ｏｕｔ＿ｅ」が決定される。初期制御電流値「ｏｕｔ＿ｅ」は、スタック温度ＳＴＴが低くなるにしたがって大きく設定されている。スタック温度ＳＴＴが低い程、出口統合弁１８１の凍結を粉砕するための駆動電流が多めに必要となるからである。なお、図２５と図２６に示す関係は、マップデータとして予めコントローラ２０１に記憶されている。

次に、出口統合弁１８１に対して閉弁保持通電を実施する（ステップＳ５６）。具体的には、出口統合弁１８１のモータ３２に保持電流「ｏｕｔ＿ｅ０」が印加されて閉弁状態にされる。そして、このときの初期閉弁実開度ｔｏｕｔｓを取り込む（ステップＳ５７）。続いて、出口統合弁１８１に対して瞬時通電を実施する。つまり、出口統合弁１８１のモータ３２に制御電流値「ｏｕｔ＿ｅ（ｍ）」をＦ［ｍｓ］だけ印加し（ステップＳ５８，Ｓ５９）、実開度ｔｏｕｔを取り込んで（ステップＳ６０）、閉弁保持通電を実施する（ステップＳ６１）。

そして、凍結粉砕が完了したか否かを判定する。具体的には、ステップＳ６０で取り込んだ実開度ｔｏｕｔとステップＳ５７で取り込んだ初期閉弁実開度ｔｏｕｔｓとを比較して、そのときの開度変化量が０．１ｄｅｇよりも小さいか否かで凍結粉砕の判定を行う（ステップＳ６２）。そして、開度変化量が０．１ｄｅｇ以上の場合（ステップＳ６２：ＮＯ）には、出口統合弁１８１の凍結粉砕が完了していると判定して、ＸＡＣＶＯＵＴＳフラグを「１」にする（ステップＳ６３）。一方、開度変化量が０．１ｄｅｇ未満の場合（ステップＳ６２：ＹＥＳ）には、出口統合弁１８１の凍結粉砕が未完了であると判定して、ステップＳ６５以降の処理を行い、凍結粉砕制御を継続する。

具体的には、ｍをカウントアップ（＋１）して（ステップＳ６５）、制御電流値「ｏｕｔ＿ｅ（ｍ）」を「ｏｕｔ＿ｅ（ｍ−１）+ｋｅ［ｍＡ］」に変更する（ステップＳ６６）。すなわち、前回の制御電流値に順次ｋｅ［ｍＡ］を加算していくのである。そして、前回の制御電流値にｋｅ［ｍＡ］を加算した制御電流値「ｏｕｔ＿ｅ（ｍ）」が最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］を越えているか否かを判断する（ステップＳ６７）。

このとき、制御電流値「ｏｕｔ＿ｅ（ｍ）」が最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］を越えていない場合（ステップＳ６７：ＮＯ）には、ステップＳ５８の処理に戻ってそれ以降の処理を、出口統合弁１８１の凍結粉砕が完了するまで繰り返し行う。これにより、出口統合弁１８１の凍結粉砕を確実に完了することができる。

一方、制御電流値「ｏｕｔ＿ｅ（ｍ）」を最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］まで上げても凍結粉砕が完了せずに、制御電流値「ｏｕｔ＿ｅ（ｍ）」が最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］を越えた場合（ステップＳ６７：ＹＥＳ）には、制御電流値「ｏｕｔ＿ｅ（ｍ）」をガード値Ｇ［ｍＡ］とし（ステップＳ６８）、電流ガード値設定カウンタｐをカウントアップする（ステップＳ６９）。そして、電流ガード値設定カウンタｐがｐ＞２であるか否かを判断する（ステップＳ７０）。このとき、電流ガード値設定カウンタｐがｐ＞２でない場合（ステップＳ７０：ＮＯ）には、ステップＳ５８の処理に戻って、制御電流値「ｏｕｔ＿ｅ（ｍ）」を最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］に設定してそれ以降の処理を行う。一方、電流ガード値設定カウンタｐがｐ＞２である場合（ステップＳ７０：ＹＥＳ）、つまり、最大電流ガード値Ｇ［ｍＡ］での凍結粉砕制御を１回実施したが、凍結粉砕が未完了と判断された場合には、出口統合弁１８１に凍結以外の閉固着故障（ロック故障）が発生していると判定して（ステップＳ７１）起動停止処理モードを実行する。

このように出口統合弁１８１が凍結しているおそれがある場合に、上記の凍結粉砕制御を実施するので、出口統合弁１８１が凍結していたときには、凍結部分が粉砕されて急激に開弁（つまり、オーバーシュート）して、弁体１４とゴムシート２１との接触面が急激に引き剥がされて、ゴムシート２１が損傷することを防止することができる。

次に、上記の凍結粉砕制御が実施された後、以下の凍結解凍制御が実施される。そこで、凍結解凍制御について、図２４、図２５、図２７〜図３１を参照しながら説明する。まず、コントローラ２０１は、燃料電池システム１０１の起動開始要求の有無を判断する（ステップＳ１０１）。そして、システムの起動開始要求が有る場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）には、スタック温度ＳＴＴを取り込む（ステップＳ１０２）。一方、システムの起動開始要求がない場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）には、この処理を一旦終了する。

そして、スタック温度ＳＴＴが所定温度（凍結の可能性がある温度であり、例えば、本実施形態では５℃）未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。スタック温度ＳＴＴが５℃未満である場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）には、入口封止弁１７４・出口統合弁１８１が凍結している可能性があるため、以下の凍結解凍制御を実施する。なお、スタック温度ＳＴＴが５℃未満でない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）には、この処理を一旦終了する。

凍結解凍制御では、まず、ＸＡＣＶＯフラグが「０」であるか否かを判断する（ステップＳ５４）。なお、ＸＡＣＶＯフラグは、入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１の凍結解凍判定フラグであり、「０」の場合には入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１の少なくとも一方において凍結解凍が未完了であることを示し、「１」の場合には入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１の両方において凍結解凍が完了していることを示す。

そして、ＸＡＣＶＯフラグが「０」である場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）には、入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１のそれぞれについて、凍結解凍制御を行う際における初期微少開度、開閉回数及び増加開度を決定する（ステップＳ１０５）。一方、ＸＡＣＶＯフラグが「１」である場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）には、この処理を一旦終了する。

初期微少開度、開閉回数及び増加開度の決定は、スタック温度ＳＴＴに応じて、図２５、図２７及び図２８に示す関係に基づいて行われる。具体的には、入口封止弁１７４と出口統合弁１８１の各初期微少開度が、図２５に破線と実線で示す関係のマップデータからスタック温度ＳＴＴに対応する開度「ＩＮ＿Ａ」と「ＯＵＴ＿Ｂ」が決定される。初期微少開度「ＩＮ＿Ａ」「ＯＵＴ＿Ｂ」は、スタック温度ＳＴＴが低くなるにしたがって小さく設定されている。これにより、弁体１４の開閉動作にゴムシート２１（リップ部２１ａ）の変形が追従できるようにして、ゴムシート２１の損傷を防止している。

また、入口封止弁１７４と出口統合弁１８１の各開閉回数が、図２７に破線と実線で示す関係のマップデータからスタック温度ＳＴＴに対応する回数「ａ」と「ｂ」が決定される。開閉回数「ａ」「ｂ」は、スタック温度ＳＴＴが低くなるにしたがって多く設定されている。これにより、凍結の可能性が高くなるスタック温度ＳＴＴが低いほど、解凍制御における繰り返し開閉の回数が多くなるため、確実に凍結部分を解凍することができる。

さらに、入口封止弁１７４と出口統合弁１８１における各増加開度が、図２８に破線と実線で示す関係のマップデータからスタック温度ＳＴＴに対応する増加開度「α」と「β」が決定される。増加開度「ΔＡ」「ΔＢ」は、スタック温度ＳＴＴが低くなるにしたがって小さく設定されている。これにより、弁体１４の開閉動作にゴムシート２１（リップ部２１ａ）の変形が追従できるようにして、ゴムシート２１の損傷を防止している。

そして、入口封止弁１７４の初期微少開度「ＩＮ＿Ａ」より出口統合弁１８１の初期微少開度「ＯＵＴ＿Ｂ」を小さく設定するとともに、入口封止弁１７４の増加開度「ΔＡ」より出口統合弁１８１の増加開度「ΔＢ」を小さく設定している。これにより、凍結の可能性が高い出口統合弁１８１における弁体１４の開閉動作にゴムシート２１（リップ部２１ａ）の変形が確実に追従できるようにして、ゴムシート２１の損傷を防止している。

また、入口封止弁１７４の開閉回数「ａ」より出口統合弁１８１の開閉回数「ｂ」を多く設定している。これにより、凍結の可能性が高い出口統合弁１８１における解凍制御の繰り返し開閉の回数が多くなり、出口統合弁１８１が凍結した際、確実に解凍することができる。

その後、コントローラ２０１は、入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１に対してそれぞれ凍結解凍制御を実施する。入口封止弁１７４に対して、ＸＡＣＶＩＮフラグが「０」であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。なお、ＸＡＣＶＩＮフラグは、入口封止弁１７４の解凍判定フラグであり、「０」の場合には凍結解凍が未完了であることを示し、「１」の場合には凍結解凍が完了していることを示す。

そして、ＸＡＣＶＩＮフラグが「０」である場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）には、入口封止弁１７４を開度「Ｉｎｏｐｅｎ（ｎ）＝ＩＮ＿Ａ＋ΔＡ×（ｎ−１）」で開閉し（ステップＳ１１２）、そのときの開閉回数「Ｃ」を取り込む（ステップＳ１１３）。なお、ｎは開度設定カウンタであり、初期値が「１」である。その後、開閉回数「Ｃ」がステップＳ１０５で決定した開閉回数「ａ」に達するまでステップＳ１１１〜Ｓ１１３の処理を繰り返し行う（ステップＳ１１３）。

このとき、図２９に示すように、弁体１４の接点１４Ｐとゴムシート２１の接点２１Ｐとが離れずに（ずれることなく）、ゴムシート２１が弾性変形する範囲内で、入口封止弁１７４を開度「Ｉｎｏｐｅｎ（ｎ）」で所定回数「ａ」だけ開閉させる。このような解凍制御により、弁体１４や弁座１３に付着した氷に亀裂が入り微粉砕され、微粉砕された氷結が切り離されて凍結が解消される。このとき、ゴムシート２１は弁体１４に接触した状態のままであるため、微粉砕された氷結粒がシール面１８に浸入することを防ぐことができる。そのため、氷結粒によってゴムシート２１（シール面１８）を損傷することがない。

なお、ＸＡＣＶＩＮフラグが「１」である場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）には、この処理を一旦終了する。

開閉回数「Ｃ」がステップＳ１０５で決定した開閉回数「ａ」に達すると（ステップＳ１１３：ＹＥＳ）、開度設定カウンタｎをカウントアップ（＋１）して（ステップＳ１１４）、開閉回数「Ｃ」をリセットする（ステップＳ１１５）。そして、凍結解除制御実施時における入口封止弁１７４の実開度Ｉｎｏｐｅｎが、解凍判定開度Ｄを越えたか否かを判断する（ステップＳ１１６）。このとき、入口封止弁１７４の実開度Ｉｎｏｐｅｎが、解凍判定開度Ｄを越えた場合（ステップＳ１１６：ＹＥＳ）には、入口封止弁１７４は解凍されたと判定してＸＡＣＶＩＮフラグを「１」にする（ステップＳ１１７）。

このとき、図３０に示すように、弁体１４の接点１４Ｐとゴムシート２１の接点２１Ｐとが離れて（ずれて）、ゴムシート２１の弾性変形する範囲内で、入口封止弁１７４が開度「Ｉｎｏｐｅｎ（ｎ）」で所定回数「ａ」だけ開閉させられている。そのため、微粉砕された氷結粒が互いに潰し合いながら摺動していたため、氷結粒の角が丸まっている。従って、その後、図３１に示すように、弁体１４の接点１４Ｐとゴムシート２１の接点２１Ｐとが完全に離れた際、氷結粒がシール面１８に浸入してもゴムシート２１（シール面１８）を損傷させることがない。

一方、入口封止弁１７４の実開度Ｉｎｏｐｅｎが、解凍判定開度Ｄを越えていない場合（ステップＳ１１６：ＮＯ）には、この処理を一旦終了する。そして、再度、上記の処理が実施される。つまり、入口封止弁１７４の開度をΔＡだけ増加させて解凍制御が再度行われる。このように入口封止弁１７４の凍結が解凍されるまで、段階的に開度が大きくされて凍結制御が実施される。このようにして、入口封止弁１７４の解凍制御を行う際の開度を徐々に大きくしていくので、凍結部分を確実に解凍することができる。なお、解凍判定開度Ｄは、弁体１４の接点１４Ｐとゴムシート２１の接点２１Ｐが離れたことを確認することができる開度であり、数ｄｅｇに設定されている。

また、上記処理と並行して、コントローラ２０１は、出口統合弁１８１に対して、ＸＡＣＶＯＵＴフラグが「０」であるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。なお、ＸＡＣＶＯＵＴフラグは、出口統合弁１８１の解凍判定フラグであり、「０」の場合には凍結解凍が未完了であることを示し、「１」の場合には凍結解凍が完了していることを示す。

そして、ＸＡＣＶＯＵＴフラグが「０」である場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）には、出口統合弁１８１を開度「Ｏｕｔｏｐｅｎ（ｎ）＝ＯＵＴ＿Ｂ＋ΔＢ×（ｎ−１）」で開閉し（ステップＳ１２１）、そのときの開閉回数「Ｃ」を取り込む（ステップＳ１２３）。その後、開閉回数「Ｃ」がステップＳ１０５で決定した開閉回数「ｂ」に達するまでステップＳ１２１〜Ｓ１２３の処理を繰り返し行う（ステップＳ１２３）。

このとき、図２９に示すように、弁体１４の接点１４Ｐとゴムシート２１の接点２１Ｐとが離れずに（ずれることなく）、ゴムシート２１が弾性変形する範囲内で、入口封止弁１７４を開度「Ｏｕｔｏｐｅｎ（ｎ）」で所定回数「ｂ」だけ開閉させる。このような解凍制御により、弁体１４や弁座１３に付着した氷に亀裂が入り微粉砕され、微粉砕された氷結が切り離されて凍結が解消される。このとき、ゴムシート２１は弁体１４に接触した状態のままであるため、微粉砕された氷結粒がシール面１８に浸入することを防ぐことができる。そのため、氷結粒によってゴムシート２１（シール面１８）を損傷することがない。

なお、ＸＡＣＶＯＵＴフラグが「１」である場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）には、この処理を一旦終了する。

開閉回数「Ｃ」がステップＳ１０５で決定した開閉回数「ｂ」に達すると（ステップＳ１２３：ＹＥＳ）、開度設定カウンタｎをカウントアップ（＋１）して（ステップＳ１２４）、開閉回数「Ｃ」をリセットする（ステップＳ１２５）。そして、凍結解除制御実施時における出口統合弁１８１の実開度Ｏｕｔｏｐｅｎが、解凍判定開度Ｄを越えたか否かを判断する（ステップＳ１２６）。このとき、出口統合弁１８１の実開度Ｏｕｔｏｐｅｎが、解凍判定開度Ｄを越えた場合（ステップＳ１２６：ＹＥＳ）には、出口統合弁１８１は解凍されたと判定してＸＡＣＶＯＵＴフラグを「１」にする（ステップＳ１２７）。

このとき、図３０に示すように、弁体１４の接点１４Ｐとゴムシート２１の接点２１Ｐとが離れて（ずれて）、ゴムシート２１の弾性変形する範囲内で、入口封止弁１７４が開度「Ｏｕｔｏｐｅｎ（ｎ）」で所定回数「ｂ」だけ開閉させられている。そのため、微粉砕された氷結粒が互いに潰し合いながら摺動していたため、氷結粒の角が丸まっている。従って、その後、図３１に示すように、弁体１４の接点１４Ｐとゴムシート２１の接点２１Ｐとが完全に離れた際、氷結粒がシール面１８に浸入してもゴムシート２１（シール面１８）を損傷させることがない。

一方、出口統合弁１８１の実開度Ｏｕｔｏｐｅｎが、解凍判定開度Ｄを越えていない場合（ステップＳ１２６：ＮＯ）には、この処理を一旦終了する。そして、再度、上記の処理が実施される。つまり、出口統合弁１８１の開度をΔＢだけ増加させて解凍制御が再度行われる。このように出口統合弁１８１の凍結が解凍されるまで、段階的に開度が大きくされて凍結制御が実施される。このようにして、出口統合弁１８１の解凍制御を行う際の開度を徐々に大きくしていくので、凍結部分を確実に解凍することができる。

そして、出口統合弁１８１の実開度Ｏｕｔｏｐｅｎが、解凍判定開度Ｄを越えた後、ＸＡＣＶＩＮフラグが「１」になっているか否かを判定する（ステップＳ１２８）。ＸＡＣＶＩＮフラグが「１」になっている場合（ステップＳ１２８：ＹＥＳ）には、ＸＡＣＶＯフラグを「１」にする（ステップＳ１２９）。これで、入口封止弁１７４及び出口統合弁１８１の両方について凍結解凍が終了したことになる。一方、ＸＡＣＶＩＮフラグが「０」の場合（ステップＳ１２８：ＮＯ）には、この処理を一旦終了する。

上記の制御フローチャートに基づく制御が実行されることにより、例えば、図３２に示すような制御タイムチャートで表される制御が実行される。なお、図３２には、凍結の可能性が高い出口統合弁１８１についてのみ示している。図３２に示すように、時刻Ｔ１にて起動開始要求がなされると、スタック温度ＳＴＴが５℃未満であるので、凍結粉砕制御が実施される。すなわち、出口統合弁１８１に対して、時刻Ｔ１で保持電流「ｏｕｔ＿ｅ０」が印加された後、時刻Ｔ２で駆動電流「ｏｕｔ＿ｅ」が時刻Ｔ３まで印加される。つまり、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までが瞬時通電時間Ｆ［ｍｓ］となる。その後、出口統合弁１８１に対して印加する駆動電流として、ｋｅ［ｍＡ］が順次加算された駆動電流値での瞬時通電が繰り返される。そして、時刻Ｔ４で凍結粉砕判定開度である「０．１ｄｅｇ」を越えたため、時刻Ｔ５で凍結粉砕制御が終了する。このとき、ＸＡＣＶＯＵＴＳフラグが「１」になる。

そして、時刻Ｔ５から出口統合弁１８１に対して凍結解凍制御が実施される。すなわち、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７まで１回目の凍結解凍制御が行われる。このときには、出口統合弁１８１の実開度Ｏｕｔｏｐｅｎが解凍判定開度Ｄを越えない。そのため、時刻Ｔ８から時刻Ｔ９まで、１回目の凍結解凍制御が実施された開度に増加開度ΔＢが加算された開度にて、２回目の凍結解凍制御が行われる。このときにも、出口統合弁１８１の実開度Ｏｕｔｏｐｅｎが解凍判定開度Ｄを越えない。そのため、時刻Ｔ１０から時刻Ｔ１１まで、２回目の凍結解凍制御が実施された開度に増加開度ΔＢが加算された開度にて、３回目の凍結解凍制御が行われる。そして、この３回目の凍結解凍制御において、出口統合弁１８１の実開度Ｏｕｔｏｐｅｎが解凍判定開度Ｄを越えたため、時刻Ｔ１２で出口統合弁１８１に対する凍結解凍制御が終了する。このようにして、凍結が解除された出口統合弁１８１に対し、時刻Ｔ１２以降は通常の開閉制御が実施される。

以上、詳細に説明したように本実施形態に係る燃料電池システム１０１によれば、コントローラ２０１は、スタック温度ＳＴＴが５℃より低い場合に、弁体１４とゴムシート２１とが互いに接触している接点１４Ｐ，２１Ｐが離れずにゴムシート２１が弾性変形する範囲内で、入口封止弁１７４、出口統合弁１８１に対して、それぞれ微少開度ＩＮ＿Ａ，ＩＮ＿Ｂで開弁と閉弁を所定回数ａ，ｂだけ繰り返す解凍制御を実施する。これにより、弁体１４や弁座１３に付着した氷に亀裂が入り微粉砕され、微粉砕された氷結が切り離されて凍結が解消される。このとき、ゴムシート２１は弁体１４に接触した状態のままであるため、微粉砕された氷結粒がシール面１８に浸入することを防ぐことができる。そのため、氷結粒によってゴムシート２１（シール面１８）を損傷することがない。

その後、ゴムシート２１と弁体１４が離間するときには、繰り返し行われる弁開閉動作によって、微粉砕された氷結粒が互いに潰し合いながら摺動していたため、氷結粒の角が丸まっている。そのため、氷結粒がシール面１８に浸入してもゴムシート２１（シール面１８）を損傷させることがない。

一方、コントローラ２０１は、解凍制御を実施した後、入口封止弁１７４、出口統合弁１８１の実開度Ｉｎｏｐｅｎ，Ｏｕｔｏｐｅｎが解凍判定開度Ｄより小さい場合には、それぞれ微少開度から開度をΔＡ，ΔＢだけ増加させて解凍制御を再度実施する。つまり、凍結が解除されるまで、段階的に開度が大きくされて凍結制御が実施される。このように、解凍制御を行う際の開度を徐々に大きくしていくので、凍結部分を確実に解凍することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施形態では、ゴムシート２１は弁座１３に設けられているが、ゴムシート２１は弁体１４に設けられていてもよい。
また、上記した実施形態では、封止弁として偏心弁を例示しているが、封止弁としてポペット弁を使用するシステムにも本発明を適用することができる。
さらに、上記した実施形態では、本発明を燃料電池システムに適用した場合について例示したが、本発明はガス流路を封止する封止弁を備えるシステム（例えば、ＥＧＲシステムなど）にも適用することができる。

１３ 弁座
１４ 弁体
１４Ｐ 接点
１８ シール面
２１ ゴムシート
２１ａ リップ部
２１Ｐ 接点
１０１ 燃料電池システム
１１１ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１１Ｐ スタック圧センサ
１１３ エア系
１６１ エア供給通路
１６２ エア排出通路
１７４ 入口封止弁
１８１ 出口統合弁
２０１ コントローラ

Claims (5)

1. ガスが流れるガス流路と、前記ガス流路を開閉する封止弁と、前記封止弁の開閉動作を制御する制御部とを備える封止弁制御システムにおいて、
   前記封止弁は、
   弁座又は弁体のいずれか一方に、前記弁体と前記弁座との間を封止するシール部材が設けられているものであり、
   前記制御部は、
   開弁要求があり外気温が所定温度より低い場合に、前記弁体又は前記弁座と前記シール部材とが互いに接触している接点が離れずに前記シール部材が弾性変形する範囲内で、前記封止弁の開閉を微少開度で所定回数だけ繰り返す解凍制御を行い、
   前記解凍制御を実施した後、前記封止弁の実開度が解凍判定開度より小さい場合には、前回の解凍制御時の開度よりも開度を増加させて再度、前記解凍制御を行う
   ことを特徴とする封止弁制御システム。
2. 請求項１に記載する封止弁制御システムにおいて、
   前記制御部は、外気温が低くなるにしたがって、前記所定回数を多く設定する
   ことを特徴とする封止弁制御システム。
3. 請求項１に記載する封止弁制御システムにおいて、
   前記制御部は、外気温が低くなるにしたがって、前記微少開度又は前回の開度から増加させる開度量の少なくとも一方を小さく設定する
   ことを特徴とする封止弁制御システム。
4. 請求項１から請求項３に記載するいずれか１つの封止弁制御システムにおいて、
   前記制御部は、
   前記封止弁の実開度が、前記解凍判定開度より小さい凍結粉砕判定開度を越えるまで、前記封止弁に入力する駆動制御量を瞬間的に入力する瞬時入力を繰り返す凍結粉砕制御を行い、
   前記凍結粉砕制御では、前記瞬時入力における前記駆動制御量を所定の上限値まで段階的に増加させていく
   ことを特徴とする封止弁制御システム。
5. 請求項１から請求項４に記載するいずれか１つの封止弁制御システムにおいて、
   前記ガス流路は、燃料電池の出入口に接続され酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路であり、
   前記封止弁は、
   前記燃料電池の入口側に配置された入口側封止弁と、
   前記燃料電池の出口側に配置された出口側封止弁とを含み、
   前記制御部は、
   外気温として前記燃料電池内の温度を検出し、
   前記入口側封止弁より前記出口側封止弁の繰り返し開閉の前記所定回数を多く設定する
   ことを特徴とする封止弁制御システム。

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