本発明に係る実施形態である燃料電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
[第1実施形態]
まず、第1実施形態について説明する。本実施形態では、燃料電池車に搭載され、その駆動用モータ(図示略)に電力を供給する燃料電池システムに、本発明を適用した場合について説明する。
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。
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。なお、エア供給通路161は本発明の「ガス供給通路」の一例であり、エア排出通路162は本発明の「ガス排出通路」の一例である。
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封止弁である。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、絞り301、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、入口封止弁174と基本的に同一構成(ゴムシート21の構成が異なる場合がある)の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。バイパス弁191として、入口封止弁174や出口統合弁181とほぼ同一構成(ゴムシート21を備えていない)の偏心弁が適用されている。バイパス弁191の詳細については、後述する。
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。
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と絞り301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、出口統合弁181及びバイパス弁191について、図2〜図21を参照しながら説明する。なお、これらの弁は、入口封止弁174と出口統合弁181とでゴムシートの構成が異なる場合やバイパス弁191がゴムシートを備えていないことを除いて、基本的に同一構成であるため、以下では入口封止弁174を中心に説明し、適宜、出口統合弁181及びバイパス弁191についても説明する。
図2及び図3に示すように、入口封止弁174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(シール部材)21が設けられている(図21参照)。そして、ゴムシート21に、シート面17が形成されている。このゴムシート21の詳細については、後述する。なお、バイパス弁191には、ゴムシート21が備わっていないため、シート面17は弁座13に形成されている。
本実施形態では、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がコンプレッサ側(エアの流れの上流側)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、弁体14(回転軸15)側から弁座13側に向かって流れる。
なお、出口統合弁181においては、入口封止弁174とは逆に、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、出口統合弁181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。
また、バイパス弁191においては、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がエア供給通路161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がエア排出通路162側(エアの流れの下流側)に配置されている。すなわち、バイパス弁191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。
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Pv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。
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。
なお、中間ギヤ42(駆動伝達部)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(ゴムシート21)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に印加する駆動電圧(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、入口封止弁174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に備わるシール部21aに接触している。なお、このとき、弁体14は、シール部21aのシート面17の全周に亘って接触している。シール部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。そして、シール部21aは、全閉時(モータ32の非駆動時)にコンプレッサ172の動作によりエア供給通路161の圧力が上昇した場合に、弁体14のシール面18に接触する面圧が高められる形状をなしている。例えば、シール部21aとして、ビードシールやリップシール等を適用することができる。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は簡単な構成でシール性が確保されている。
これにより、燃料電池システム101が搭載された車両の減速時において、燃料電池スタック111へのエアの供給を停止する場合に、入口封止弁174を全閉にすることにより、燃料電池スタック111の入口側でエアを封止することができる。従って、燃料電池スタック111へのエアの供給を停止する際に、燃料電池スタック111への余剰(不要)なエアの供給を少なくすることができるので、減速時における燃料電池スタック111での不要な発電を最小限に抑えることができる。
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のシール部21aは、弁体14に押されて変形しているが、シール部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圧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。
そして、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。
上記のような構成を出口統合弁181も有している。また、バイパス弁191は、ゴムシート21を備えていない点を除き、上記のような構成を有している。このようにエア系113では、図22に示すように、入口封止弁174、出口統合弁181及びバイパス弁191として、入口封止弁174と出口統合弁181とでゴムシートの構成が異なる場合やバイパス弁191がゴムシートを備えていないことを除いて、基本的な構成が同一である偏心弁を使用して、エア系113における弁の共通化を図っている。また、入口封止弁174、出口統合弁181及びバイパス弁191において、ゴムシート以外の構成は共通しているので、開閉制御(動作)自体は同一であるため、これらの弁を協調制御することができる。これらのことにより、燃料電池システム101のコストを低減することができるとともに、コントローラ201における弁の開閉制御を簡素化することができる。
次に、エア系113の出口統合弁181が後述する調圧制御を行うときにおいて、騒音や振動(ノイズバイブレーション、NV)が発生することを抑制する対策について説明する。
出口統合弁181は、燃料電池スタック111内の圧力を調整して、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調圧制御(以下、単に「調圧制御」という。)を行う。すなわち、出口統合弁181は、開閉弁してその開度を調整しながら、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内の圧力を調整することにより、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。なお、説明の便宜上、以下の説明において、燃料電池スタック111内の圧力を「スタック圧」といい、燃料電池スタック111からのエアオフガスの排出量を「エアオフガスの流量」という。また、燃料電池スタック111の背圧とは、後述するエア排出通路162の第1通路162a内の圧力P1である。
なお、出口統合弁181におけるエアオフガスの圧損とエアオフガスの流量との関係の一例を図31に示す。そして、出口統合弁181は、例えば、エアオフガスの圧損とエアオフガスの流量とが図31の図中に示す調圧範囲R内に収まるようにして調圧制御を行う。なお、「%」は、弁開度を示す。
ここで、エア系113が図32に示すように構成されている比較例を想定する。図32に示すように、エア排出通路162におけるエアオフガスの流れ方向の上流側(以下、単に「上流側」という。)の端部は、燃料電池スタック111に接続している。一方、エア排出通路162におけるエアオフガスの流れ方向の下流側(以下、単に「下流側」という。)の端部は、燃料電池システム101の外部(大気)に連通している。そのため、出口統合弁181が閉弁状態であるときに、エア排出通路162において出口統合弁181に対して下流側(すなわち、燃料電池スタック111とは反対側)の位置では、大気圧になっている。
このとき、スタック圧が高い圧力に制御された場合には、エア排出通路162において出口統合弁181の前後の差圧(すなわち、出口統合弁181に対して上流側の位置の圧力と出口統合弁181に対して下流側の位置の圧力との差)が大きくなる。すると、出口統合弁181の開弁時において、出口統合弁181を通過するエアオフガスの流速が大きくなる。そのため、出口統合弁181の開度が小さいときであっても、出口統合弁181を通過するエアオフガスの量が多くなってしまう。したがって、出口統合弁181により調圧制御を行うときに、調整される出口統合弁181の開度が小さくなってしまう。ゆえに、エア排出通路162内を流れるガスが出口統合弁181の弁体14に遮られ易くなるので、ガスがエア排出通路162を形成する配管の壁に衝突し易くなり、また、ガスの流れに乱れが発生し易くなる。以上より、大きな騒音や振動が発生するおそれがある。
そこで、本実施形態は、図22に示すように、エア排出通路162において出口統合弁181に対して下流側の位置に、絞り301が設けられている。そして、この絞り301は、出口統合弁181を開弁させてエア排出通路162内にエアオフガスを流すときに、エア排出通路162における出口統合弁181弁に対して下流側の通路内を昇圧させる。詳しくは、絞り301は、エア排出通路162の流路面積を絞ることにより、エア排出通路162における出口統合弁181と絞り301との間の第2通路162b内を昇圧させるものであり、絞り開度が固定された固定絞りである。このようにして、本実施形態では、エア排出通路162において、出口統合弁181に対して燃料電池スタック111とは反対側の位置に、絞り301が設けられている。なお、絞り301は、本発明の「昇圧機能部」の一例である。また、「絞り開度」とは、絞りにより絞られた流路の開度を意味する。
なお、以下の説明において、エア排出通路162における出口統合弁181に対して上流側の位置の通路を、第1通路162aという。また、エア排出通路162における出口統合弁181と絞り301との間の位置の通路を、第2通路162bという。また、エア排出通路162における絞り301に対して下流側の位置の通路を、第3通路162cという。
そして、このようにしてエア排出通路162に絞り301が設けられていることにより、出口統合弁181が調圧制御を行うときに、エア排出通路162内において燃料電池スタック111側から下流側に向かって段階的に圧力を減衰させることができる。すなわち、出口統合弁181が調圧制御を行うときに、絞り301は、エア排出通路162における第2通路162b内を昇圧させる。そのため、エア排出通路162において、絞り301に対して下流側の第3通路162cが大気圧であっても、絞り301に対して上流側の第2通路162bは大気圧よりも高い圧力になる。したがって、スタック圧(第1通路162a内の圧力)をP1とし、第2通路162b内の圧力をP2とし、第3通路162c内の圧力をP3としたときに、P1>P2>P3となる。
以上のように本実施形態の燃料電池システム101は、燃料電池スタック111と、燃料電池スタック111からエアオフガスを排出するためのエア排出通路162と、エア排出通路162に設けられる出口統合弁181と、を有する。そして、燃料電池システム101は、エア排出通路162にて出口統合弁181に対して下流側の位置に設けられ、エア排出通路162における出口統合弁181に対して下流側の第2通路162b内を昇圧させる絞り301を有する。
これにより、エア排出通路162において、出口統合弁181の前後の差圧、すなわち、出口統合弁181に対して上流側の第1通路162a内の圧力と、出口統合弁181に対して下流側の第2通路162b内の圧力との差を小さくすることができる。そのため、出口統合弁181の開弁時において出口統合弁181を通過するガスの流速を下げることができるので、出口統合弁181の開度が小さいときに出口統合弁181を通過するエアオフガスの量を抑制できる。したがって、出口統合弁181により調圧制御を行うときに、調整される出口統合弁181の開度を大きくすることができる。ゆえに、エア排出通路162内を流れるエアオフガスが出口統合弁181の弁体14に遮られることが緩和されるので、エアオフガスがエア排出通路162を形成する配管の壁に衝突することが緩和され、また、配管の壁へのエアオフガスの衝突角も緩和される。また、エアオフガスの流れに乱れが発生し難くなる。以上より、騒音や振動の発生を抑制できる。
また、出口統合弁181が調圧制御を行うときの出口統合弁181の開度の調整範囲を広く取ることができるので、エアオフガスの流量を調整する際の精度(流量分解能)が向上する。
さらに、出口統合弁181の開度が小さくなる頻度を抑制できるので、出口統合弁181において、弁体14がゴムシート21のシール部21aに接触する頻度が抑制される。そのため、ゴムシート21のシール部21aの摩耗を抑制できる。
また、絞り301は、複数設けられていてもよい。そして、このようにして絞り301を複数設けることにより、出口統合弁181が調圧制御を行うときに、エア排出通路162内において燃料電池スタック111側から下流側に向かって多段階に亘って段階的に圧力を減衰させることができる。これにより、絞り301を通過するエアオフガスの流れを滑らかにすることができる。したがって、エアオフガスが絞り301を通過するときに発生する気流音を低減できる。ゆえに、より効果的に、騒音や振動の発生を抑制できる。
また、絞り301は、エア排出通路162の流路面積を絞ることによりエア排出通路162における出口統合弁181と絞り301との間の通路内を昇圧させるものであって、絞り開度が固定された固定絞りである。これにより、エア排出通路162に絞り301を設ける際に、例えば、エア排出通路162を形成する配管についてその配管の径を絞るだけでよい。そのため、製造コストを低減できる。
また、本実施形態の燃料電池システム101は、燃料電池スタック111にエアを供給するためのエア供給通路161と、燃料電池スタック111を迂回してエア供給通路161とエア排出通路162との間を連通させるためのバイパス通路163と、を有する。そして、絞り301は、エア排出通路162にてバイパス通路163との接続部COに対してエアオフガスの流れ方向の上流側の位置に設けられている。
これにより、エア供給通路161内のエアを、バイパス通路163を介して、エア排出通路162における絞り301よりもエアオフガスの流れ方向の下流側の位置に排出することができる。そのため、絞り301の影響を受けることなく、エア供給通路161内の圧力を下げることができる。したがって、例えば、エア供給通路161のエアをバイパス通路163から抜いて入口封止弁174の前後の差圧を小さくすることにより、入口封止弁174の閉弁時にゴムシート21のシール部21aが異常な形状に変形した状態で弁体14に接触することを抑制できるので、シール部21aの摩耗を抑制できる。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明するが、第1実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に述べる。
(第1実施例)
まず、第2実施形態における第1実施例について説明する。本実施例では、図23に示すように、エア排出通路162において出口統合弁181に対して下流側の位置に、可変ベンチュリ302が設けられている。この可変ベンチュリ302は、第1実施形態の絞り301と同様に、エア排出通路162の流路面積を絞ることにより、エア排出通路162における出口統合弁181と可変ベンチュリ302との間の第2通路162b内を昇圧させるものである。そして、可変ベンチュリ302は、第1実施形態の絞り301と異なり、絞り開度を変更可能な可変絞りである。このようにして、本実施形態では、エア排出通路162において、出口統合弁181に対して燃料電池スタック111とは反対側の位置に、可変ベンチュリ302が設けられている。なお、可変ベンチュリ302は、本発明の「昇圧機能部」の一例である。
そして、本実施例では、制御部321(図24と図25参照)が、燃料電池スタック111に供給されるエアの流量(以下、「スタック供給空気量」という。)に応じて、可変ベンチュリ302の絞り開度を変更する制御を行う。
図24と図25に示すように、可変ベンチュリ302は、弁体311と、スプリング312と、ダイアフラム313と、第1圧力室314と、第2圧力室315と、コンプレッサ連通路316と、VSV317(バキュームスイッチングバルブ)と、大気連通路318と、フィルタ319と、大気孔320と、制御部321などを有する。
弁体311は、ダイアフラム313と一体に形成されており、スプリング312により付勢されている。第1圧力室314と第2圧力室315は、ダイアフラム313により仕切られている。コンプレッサ連通路316は、不図示のコンプレッサとVSV317に連通している。大気連通路318は、フィルタ319を介して大気に連通し、また、VSV317に連通している。大気孔320は、大気と第2圧力室315に連通している。制御部321は、例えば中央処理装置(CPU)や各種メモリ等を備え、VSV317の動作を制御する。
このような構成の可変ベンチュリ302において、制御部321は、VSV317を「ON」にしてコンプレッサ(不図示)によりコンプレッサ連通路316とVSV317を介してエアを第1圧力室314内に供給して、第1圧力室314内を正圧(大気圧よりも高い圧力)にする。これにより、図24に示すように、弁体311が図24の下方向へ向かって移動してエア排出通路162の流路面積が小さくなる(絞る)ので、可変ベンチュリ302の絞り開度が小さくなる。一方、制御部321は、VSV317を「OFF」にしてフィルタ319と大気連通路318とVSV317を介して第1圧力室314内を大気と連通させることにより、第1圧力室314内を大気圧にする。これにより、図25に示すように、弁体311が図25の上方向へ向かって移動してエア排出通路162の流路面積が大きくなるので、可変ベンチュリ302の絞り開度が大きくなる。
そこで、本実施例では、制御部321は、このような可変ベンチュリ302を用いて図26に示すような制御フローによる制御を行う。図26に示すように、まず、制御部321は、(単位時間当たりの)スタック供給空気量S_Gaを取り込む(ステップS1)。次に、制御部321は、スタック供給空気量S_Gaに応じたVSV317の制御デューティ(Duty)値kdutyを求める(ステップS2)。このとき、図27に示すスタック供給空気量S_Gaと制御デューティ値kdutyとの関係を示したマップ図を用いる。ここで、図27に示すマップ図においては、スタック供給空気量S_Gaが多くなるほど、制御デューティ値kdutyが小さくなるように規定されている。なお、VSV317の制御デューティ値kdutyとは、単位時間当たりの実質的なVSV317の開弁時間を意味する。次に、制御部321は、VSV317を制御デューティ値kdutyで制御する(ステップS3)。
そして、制御部321は、図26に示すような制御フローを行うことにより、エアオフガスの流量に応じて、可変ベンチュリ302の絞り開度を変更することができる。すなわち、制御部321は、スタック供給空気量S_Gaが少なく、エアオフガスの流量が少ない低流量時においては、図24に示すように、可変ベンチュリ302の絞り開度を小さくする。その一方、制御部321は、スタック供給空気量S_Gaが多く、エアオフガスの流量が多い高流量時においては、図25に示すように、可変ベンチュリ302の絞り開度を大きくする。
以上のように本実施例の可変ベンチュリ302は、エア排出通路162の流路面積を絞ることにより、エア排出通路162における出口統合弁181と可変ベンチュリ302との間の第2通路162b内を昇圧させるものであって、絞り開度を変更可能な可変絞りである。そして、制御部321は、スタック供給空気量S_Gaに応じて、可変ベンチュリ302の絞り開度を変更する。
これにより、エアオフガスの流量に応じて、可変ベンチュリ302の絞り開度を変更できる。そのため、可変ベンチュリ302を通過するエアオフガスの流れを滑らかにすることができる。したがって、エアオフガスが可変ベンチュリ302を通過するときに発生する気流音を低減できる。ゆえに、より効果的に、騒音や振動の発生を抑制できる。
(第2実施例)
次に、第2実施形態における第2実施例について説明する。本実施例では、図28に示すように、エア排出通路162において出口統合弁181に対して下流側の位置に、可変ベンチュリ303が設けられている。この可変ベンチュリ303は、第1実施形態の絞り301と同様に、エア排出通路162の流路面積を絞ることにより、エア排出通路162における出口統合弁181と可変ベンチュリ303との間の第2通路162b内を昇圧させるものである。そして、可変ベンチュリ303は、第1実施形態の絞り301と異なり、絞り開度を変更可能な可変絞りである。このようにして、本実施形態では、エア排出通路162において、出口統合弁181に対して燃料電池スタック111とは反対側の位置に、可変ベンチュリ303が設けられている。なお、可変ベンチュリ303は、本発明の「昇圧機能部」の一例である。
そして、本実施例では、エア排出通路162における出口統合弁181と可変ベンチュリ303との間の第2通路162b内の圧力に応じて、可変ベンチュリ303の絞り開度が変更される。
図29と図30に示すように、可変ベンチュリ303は、第2実施形態における第1実施例の可変ベンチュリ302と異なる点として、主に、スプリング322と、連通路323と、大気孔324などを有する。スプリング322は、弁体311を付勢している。連通路323は、エア排出通路162における出口統合弁181と可変ベンチュリ303との間の第2通路162bと、第2圧力室315とに連通している。大気孔324は、第1圧力室314と大気とに連通している。
そして、本実施例では、このような構成の可変ベンチュリ303がエア排出通路162に設けられていることにより、以下のように作用する。まず、エア排出通路162における第2通路162b内の圧力が低く、エアオフガスの流量が少ない低流量時においては、第2圧力室315内の圧力が低くなる。これにより、図29に示すように、弁体311が図29の下方向に移動するので、可変ベンチュリ303の絞り開度が小さくなる。一方、エア排出通路162における第2通路162b内の圧力が高く、エアオフガスの流量が多い高流量時においては、第2圧力室315内の圧力が高くなる。これにより、図30に示すように、弁体311が図30の上方向に移動するので、可変ベンチュリ303の絞り開度が大きくなる。
以上のように本実施例の可変ベンチュリ303は、エア排出通路162の流路面積を絞ることにより、エア排出通路162における出口統合弁181と可変ベンチュリ303との間の第2通路162b内を昇圧させるものであって、絞り開度を変更可能な可変絞りである。そして、エア排出通路162における出口統合弁181と可変ベンチュリ303との間の第2通路162b内の圧力に応じて、可変ベンチュリ303の絞り開度が変更される。
これにより、エアオフガスの流量に応じて、可変ベンチュリ303の絞り開度が変更される。そのため、可変ベンチュリ303を通過するエアオフガスの流れを滑らかにすることができる。したがって、エアオフガスが可変ベンチュリ303を通過するときに発生する気流音を低減できる。ゆえに、より効果的に、騒音や振動の発生を抑制できる。
また、可変ベンチュリ302や可変ベンチュリ303は、複数設けられていてもよい。そして、このようにして可変ベンチュリ302や可変ベンチュリ303を複数設けることにより、出口統合弁181が調圧制御を行うときに、エア排出通路162内において燃料電池スタック111側から下流側に向かって多段階に亘って段階的に圧力を減衰させることができる。これにより、可変ベンチュリ302や可変ベンチュリ303を通過するエアオフガスの流れをより滑らかにすることができる。したがって、エアオフガスが可変ベンチュリ302や可変ベンチュリ303を通過するときに発生する気流音をより低減できる。ゆえに、より効果的に、騒音や振動の発生を抑制できる。
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。