JP2018152283A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムに用いられる排気排水弁のシール性を向上させること。
【解決手段】燃料系排出配管３１ｂから外部への燃料オフガスの排出を規制または許容する燃料電池システム１の排気排水弁３５は、弁室Ｒに配置された弁部８２ａと、弁室Ｒを、燃料電池４に酸化剤ガスを供給する酸素系供給配管２１ａに接続された分岐管２１ｄから酸化剤ガスが供給される第一室Ｒ１と、燃料系排出配管３１ｂの一部を構成する第二室Ｒ２とに区画するように配置され、かつ、弁部８２ａに接続されるとともに、弁部８２ａの移動に応じて撓む膜状に設けられたダイヤフラム部８２ｂと、第二室Ｒ２に設けられ、弁部８２ａと接触して燃料オフガスの排出を規制し、弁部８２ａと離れて燃料オフガスの排出を許容する弁座８１ｂ３と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
特許文献１に開示された燃料電池システムに用いられる燃料電池用排気排水弁５５は、特許文献１の図１に示すように、燃料電池６の発電によって生成された燃料オフガスや水を外部に排出する燃料系排出配管５１ｂに配置されている。燃料電池用排気排水弁５５の開閉によって、燃料オフガス等の外部への排出が許容または遮断される。また、燃料電池用排気排水弁５５は、特許文献１の図２に示すように、ダイヤフラムが用いられたダイヤフラム弁である。
特許第５９４８７９２号公報
上述した特許文献１に開示された燃料電池システム１において、燃料系排出配管５１ｂにおける排気排水弁５５の二次側の部位に、流体に圧力損失を生じさせるものが配置される場合がある。例えば、特許文献１の燃料電池システムは、車両に用いられるため、フィルターを備えたマフラー等が燃料系排出配管５１ｂに配置される。この場合、このマフラー等が配置されていない場合に比べて、燃料系排出配管５１ｂにおける排気排水弁５５の二次側の部位において圧力が上昇するため、排気排水弁５５を閉状態から開状態とするようにダイヤフラム部９７ｂの一方面（下側面）を押圧する力が増加する。これに対して、ダイヤフラム部９７ｂの他方面（上側面）が大気開放されているため、ダイヤフラム部９７ｂの他方面から排気排水弁５５を開状態から閉状態とするように押圧する圧力は、大気圧にて一定である。よって、この場合、排気排水弁５５のシール性が低下することが考えられる。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池の発電によって生じた燃料オフガスおよび水の排出を制御するダイヤフラム弁である排気排水弁を備えた燃料電池システムにおいて、排気排水弁のシール性を向上させる目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとから発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する第一供給管と、燃料電池の発電によって燃料電池から導出される燃料オフガスおよび水の外部への排出を行う第一排出管と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する第二供給管と、第一排出管に配置され、排出を規制または許容する排気排水弁と、を備えた燃料電池システムであって、排気排水弁は、弁室が内側に設けられたハウジングと、弁室に配置され、第一位置と第一位置と異なる第二位置との間を第一方向に沿って移動可能に設けられた弁体と、弁室を、第一室と第一排出管の一部を構成する第二室とに区画するように配置され、かつ、弁体に接続されるとともに、弁体の移動に応じて撓む膜状に設けられたダイヤフラムと、ハウジングに第一室に連通するように設けられた第一ポートと、ハウジングに第二室に連通するように設けられ、第一排出管の一部を構成する第二ポートおよび第三ポートと、第二室における第二ポートの開口部に設けられ、弁体が第一位置に位置する場合に弁体と接触して排出を規制し、弁体が第二位置に位置する場合に弁体と離れて排出を許容する弁座と、を備え、第一端が第一供給管および第二供給管の一方に接続され、かつ、第二端が第一ポートに接続され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの一方を第一室に供給する分岐管を有する。
これによれば、分岐管は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの一方を排気排水弁の第一室に供給するため、第一室には、燃料ガスの供給圧力および酸化剤ガスの供給圧力の一方が作用する。よって、従来技術のように第一室が大気開放されている場合に比べて、第一室に作用する圧力を大きくすることができる。そして、第一室の圧力は、ダイヤフラムに対して第一方向における弁体を弁座と接触させる方向に作用する。したがって、排気排水弁のシール性を向上させることができる。
本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの概要図である。 図１に示す排気排水弁の軸方向断面図であり、排気排水弁が閉状態である場合を表している。 図１に示す排気排水弁の軸方向断面図であり、排気排水弁が開状態である場合を表している。 本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムの概要図である。
＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、車両に適用されている。燃料電池システム１は、酸素系２、燃料系３、燃料電池４、動力系５、冷却系６および制御装置７を備えている。
燃料電池４は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとから発電を行うものである。燃料電池４は、これに限定されるべきものではないが、複数の固体高分子型の単セルが積層されて設けられている。複数の単セルは電気的に直列に接続されている。
各々の単セルは電解質膜と、これを挟むアノード極およびカソード極（いずれも図示なし）を含んでいる。また、単セルのアノードセパレータ（図示なし）には、アノード極に対して燃料ガスを供給するためのアノード流路４１が設けられている。本実施形態において、燃料ガスは、水素を含む水素ガスである。燃料電池４の発電によって、発電に利用された燃料ガス（燃料オフガス）および水（水蒸気）がアノード流路４１から導出される。
さらに、単セルのカソードセパレータ（図示なし）には、カソード極に対して酸化剤ガスを供給するためのカソード流路４２（本発明の酸化剤ガス流路に相当）が設けられている。カソード流路４２は、燃料電池４における酸化剤ガスを流通させるものである。本実施形態において、酸化剤ガスは、空気である。燃料電池４の発電によって、発電に利用された酸化剤ガス（酸化剤オフガス）がカソード流路４２から導出される。
酸素系２は酸素系供給配管２１ａ（本発明の第二供給管に相当）、酸素系排出配管２１ｂ、バイパス配管２１ｃおよび分岐管２１ｄを備えている。
酸素系供給配管２１ａは、燃料電池４に酸化剤ガスを供給するものである。酸素系供給配管２１ａの第一端は、燃料電池システム１の外部に向けて開口している。酸素系供給配管２１ａの第二端は、燃料電池４内のカソード流路４２の第一端と接続されている。酸素系供給配管２１ａは、第一端から酸化剤ガス（空気）が導入されて、酸化剤ガスを燃料電池４に供給する。酸素系供給配管２１ａ上には、第一端から燃料電池４に向けて順に、エアフィルタ２２、エアコンプレッサ２３、インタークーラ２４および三方弁２５が配置されている。
エアフィルタ２２は、酸化剤ガスに含まれる埃等を除去するものである。エアコンプレッサ２３は、酸素系供給配管２１ａの第一端から第二端ひいては燃料電池４に向けて酸化剤ガスを圧縮して送出するものである。インタークーラ２４は、酸化剤ガスを冷却するものである。三方弁２５は、三ポートの流体制御弁である。
酸素系排出配管２１ｂは、カソード流路４２から発電に利用された酸化剤ガス（酸化剤オフガス）が導入され、酸化剤オフガスを燃料系排出配管３１ｂ（後述する）における排気排水弁３５（後述する）の二次側の部位に導出するものである。
酸素系排出配管２１ｂの第一端は、カソード流路４２の第二端が接続されている。酸素系排出配管２１ｂの第二端は、燃料系排出配管３１ｂにおける排気排水弁３５の二次側の部位に配置された排出ガス希釈器３６（後述する）に接続されている。酸素系排出配管２１ｂには、二ポートの調圧弁であるエア調圧弁２６が配置されている。
酸素系排出配管２１ｂおよびカソード流路４２によって本発明の導出管が構成されている。すなわち、導出管は、酸素系供給配管２１ａから酸化剤ガスが導入され、酸化剤ガス（酸化剤オフガス）を燃料系排出配管３１ｂにおける排気排水弁３５の二次側の部位（排出ガス希釈器３６）に導出する。
また、カソード流路４２は、酸素系供給配管２１ａおよび酸素系排出配管２１ｂに比べて流路断面積を小さくするように設けられている。よって、カソード流路４２は、導出管に設けられ、酸化剤ガスに圧力損失を生じさせものであるため、本発明の圧力損失部に相当する。なお、エア調圧弁２６も、導出管に設けられ、酸化剤ガスに圧力損失を生じさせるため、本発明の圧力損失部に相当する。
バイパス配管２１ｃは、三方弁２５と、酸素系排出配管２１ｂにおけるエア調圧弁２６の二次側の部位と接続するものである。三方弁２５から導出された酸化剤ガスが、バイパス配管２１ｃを介して、酸素系排出配管２１ｂにおけるエア調圧弁２６の二次側の部位に導出される。
また、バイパス配管２１ｃも、三方弁２５を介して酸素系供給配管２１ａから酸化剤ガスが導入され、酸素系排出配管２１ｂを介して酸化剤ガスを燃料系排出配管３１ｂにおける排気排水弁３５の二次側の部位（排出ガス希釈器３６）に導出するため、本発明の導出管に相当する。
分岐管２１ｄは、第一端が酸素系供給配管２１ａに接続され、かつ、第二端が排気排水弁３５の第一ポート８１ａ１（後述する）に接続された管である。分岐管２１ｄの第一端は、具体的には、酸素系供給配管２１ａにおけるエアコンプレッサ２３とインタークーラ２４との間の部位に接続されている。分岐管２１ｄは、酸素系供給配管２１ａから酸化剤ガスを排気排水弁３５の第一ポート８１ａ１に導出する。
燃料系３は、燃料系供給配管３１ａ（本発明の第一供給管に相当）および燃料系排出配管３１ｂ（本発明の第一排出管に相当）を備えている。
燃料系供給配管３１ａは、燃料電池４に燃料ガスを供給するものである。燃料系供給配管３１ａの第一端には、燃料タンク３２が接続されている。燃料系供給配管３１ａの第二端は、燃料電池４内のアノード流路４１の第一端と接続されている。燃料タンク３２には、燃料ガスが所定の圧力にて貯留されている。
燃料系供給配管３１ａには、遮断弁３３が配置されている。遮断弁３３は、燃料ガスの燃料電池４への供給を遮断または許容するものである。遮断弁３３が閉状態である場合、燃料ガスの燃料電池４への供給が遮断される。遮断弁３３が開状態である場合、燃料タンク３２内の圧力によって、燃料ガスが燃料系供給配管３１ａを介して燃料電池４に供給される。
燃料系排出配管３１ｂは、燃料電池４の発電によって燃料電池４から導出される燃料オフガスおよび水の外部への排出を行うものである。燃料系排出配管３１ｂの第一端は、アノード流路４１の第二端に接続されている。燃料系排出配管３１ｂの第二端は、燃料電池システム１の外部に向けて開口している。
燃料系排出配管３１ｂには、燃料電池４に近い側から順に、気液分離器３４、排気排水弁３５（８０）および排出ガス希釈器３６が配置されている。また、燃料系排出配管３１ｂは、第一燃料系排出配管３１ｂ１、第二燃料系排出配管３１ｂ２、第三燃料系排出配管３１ｂ３、第四燃料系排出配管３１ｂ４を備えている。第一燃料系排出配管３１ｂ１は、燃料電池４と気液分離器３４とを接続する燃料系排出配管３１ｂの部位である。第二燃料系排出配管３１ｂ２は、気液分離器３４と排気排水弁３５とを接続する燃料系排出配管３１ｂの部位である。第三燃料系排出配管３１ｂ３は、排気排水弁３５と排出ガス希釈器３６とを接続する燃料系排出配管３１ｂの部位である。第四燃料系排出配管３１ｂ４は、排出ガス希釈器３６と外部とを接続する燃料系排出配管３１ｂの部位である。
気液分離器３４は、燃料オフガスと水とを分離するものである。
排気排水弁３５は、燃料系排出配管３１ｂに配置され、燃料オフガスおよび水の外部への排出を規制または許容するものである。排気排水弁３５の詳細は、後述する。
排出ガス希釈器３６は、燃料系排出配管３１ｂにおける排気排水弁３５の二次側の部位に配置されている。排出ガス希釈器３６は、排気排水弁３５から外部に排出される燃料オフガスを希釈するものである。排出ガス希釈器３６は、燃料オフガスを、酸素系排出配管２１ｂから導出される酸化剤オフガスを用いて燃料オフガスを希釈する。排出ガス希釈器３６において、酸素系排出配管２１ｂと、第三燃料系排出配管３１ｂ３と、第四燃料系排出配管３１ｂ４ひいては外部とが互いに連通している。
また、燃料系３は、燃料系循環路３１ｃ（本発明の接続管に相当）および循環ポンプ３７（本発明の燃料オフガス送出装置に相当）をさらに備えている。
燃料系循環路３１ｃは、燃料系排出配管３１ｂにおける燃料電池４と排気排水弁３５の間の部位と、燃料系供給配管３１ａとを接続するものである。燃料系循環路３１ｃは、具体的には、気液分離器３４と、燃料系供給配管３１ａにおける遮断弁３３とアノード流路４１との接続部との間の部位とを接続する。
循環ポンプ３７は、燃料系循環路３１ｃに配置され、燃料系排出配管３１ｂ（気液分離器３４）から燃料オフガスを燃料系供給配管３１ａに供給するものである。循環ポンプ３７によって、気液分離器３４からアノード流路４１に向けて燃料ガスを循環する。
動力系５は、車両を走行させるための電動モータ５１を備えている。電動モータ５１は燃料電池４の正極および負極と接続されており、燃料電池４の発電電力によって駆動される。冷却系６は水冷ポンプ６１を備えている。冷却系６は、燃料電池４内に冷却水を循環させて燃料電池４を冷却している。
制御装置７は、燃料電池システム１を統括制御するものである。制御装置７は、エアコンプレッサ２３、三方弁２５、エア調圧弁２６、遮断弁３３、循環ポンプ３７および水冷ポンプ６１と電気的に接続されている。制御装置７は車両の走行状態に応じて算出された燃料電池４の必要な発電量に基づき、これらの各構成要素の作動を制御している。
上述した構成により、車両が運転開始されると、制御装置７は、エアコンプレッサ２３を作動させてカソード流路４２へ酸化剤ガスを供給する。また、制御装置７は、遮断弁３３を開状態にし、かつ、循環ポンプ３７を駆動させて、アノード流路４１へ燃料ガスを供給する。これらによって、燃料電池４において発電が行われる。
酸素系２において、エアフィルタ２２を介して吸引された酸素を含んだ酸化剤ガスは、エアコンプレッサ２３において圧縮された後、インタークーラ２４によって冷却される。三方弁２５は、燃料電池４の発電量に基づいた制御装置７からの制御指令によって、インタークーラ２４から供給された酸化剤ガスを分流してバイパス配管２１ｃへ逃すことにより、燃料電池４への酸化剤ガスの流量を制御している。また、エア調圧弁２６は、その開度を調整し燃料電池４内に残存した酸化剤ガスの排出量を調整することにより、燃料電池４内の圧力を制御している。
アノード流路４１から排出された燃料オフガスおよび水は、気液分離器３４によって分離される。気液分離器３４によって分離された燃料オフガスは循環ポンプ３７により燃料系循環路３１ｃを介して燃料系供給配管３１ａに供給され循環される。
一方、気液分離器３４によって分離された水（液状）は排気排水弁３５が開状態になったとき、燃料オフガスとともに排出ガス希釈器３６に送られる。排出ガス希釈器３６において、燃料オフガスは、酸素系排出配管２１ｂから供給された酸化剤ガスにより希釈化された後、水とともに外部へと放出される。
次に、排気排水弁８０について図２を用いて詳細に説明する。なお、本明細書中においては、説明を簡単にするために、図２における上側および下側を、それぞれ排気排水弁８０の上方および下方とし、図２における右側および左側を、それぞれ三方弁２５の右方および左方として説明する。これらの方向は、車両における排気排水弁８０の実際の取付方向とは無関係である。
排気排水弁８０は、ハウジング８１、ダイヤフラム弁体８２および駆動部８３を備えている。
ハウジング８１は、弁室Ｒが内側に設けられたものである。ハウジング８１は、ポリフェニレンサルファイド等の合成樹脂材料にて、有底の筒状に設けられている。弁室Ｒは、ダイヤフラム弁体８２によって、第一室Ｒ１と第二室Ｒ２とに区画されている。第一室Ｒ１は、弁室Ｒの上側を構成する。第二室Ｒ２は、弁室Ｒの下側を構成する。
ハウジング８１は、第一ハウジング８１ａおよび第二ハウジング８１ｂを備えている。第一ハウジング８１ａには、第一ポート８１ａ１が設けられている。第二ハウジング８１ｂには、第二ポート８１ｂ１および第三ポート８１ｂ２が設けられている。
第一ハウジング８１ａは、ハウジング８１の上側を構成し、上下両端を開放された筒状に形成されている。第二ハウジング８１ｂは、ハウジング８１の下側を構成し、上方を開放された有底の筒状に形成されている。第一ハウジング８１ａと第二ハウジング８１ｂとは、例えばネジ等によって結合されている。
第一ポート８１ａ１は、第一ハウジング８１ａに第一室Ｒ１に連通するように設けられたものである。第一ポート８１ａ１は、第一ハウジング８１ａの周側壁から径方向外側に向けて延びる筒状に設けられている。第一ポート８１ａ１には、分岐管２１ｄの第二端が接続されている（図１参照）。これにより、分岐管２１ｄは、酸素系供給配管２１ａから酸化剤ガスを第一ポート８１ａ１ひいては第一室Ｒ１に供給する。
第二ポート８１ｂ１は、第二ハウジング８１ｂに第二室Ｒ２に連通するように設けられ、燃料系排出配管３１ｂの一部を構成するものである。第二ポート８１ｂ１は、第二ハウジング８１ｂの底壁を上下方向に貫通する筒状に設けられている。第二ポート８１ｂ１は、第二室Ｒ２に燃料オフガスおよび水を導入するように、第二燃料系排出配管３１ｂ２が接続されている（図１参照）。
第三ポート８１ｂ２は、第二ハウジング８１ｂに第二室Ｒ２に連通するように設けられ、燃料系排出配管３１ｂの一部を構成するものである。第三ポート８１ｂ２は、第二ハウジング８１ｂの周側壁から径方向外側に向けて延びる筒状に設けられている。第三ポート８１ｂ２は、第二室Ｒ２から燃料オフガスおよび水を導出するように第三燃料系排出配管３１ｂ３が接続されている（図１参照）。
このように、排気排水弁８０は、燃料オフガスおよび水を第二ポート８１ｂ１から導入して第三ポート８１ｂ２から導出するように、燃料系排出配管３１ｂに配置されている。すなわち、排気排水弁８０において、燃料電池４から排出された燃料オフガスおよび水は、第二ポート８１ｂ１、第二室Ｒ２および第三ポート８１ｂ２の順に流れる。第二ポート８１ｂ１、第二室Ｒ２および第三ポート８１ｂ２は、燃料系排出配管３１ｂの一部を構成する。
ダイヤフラム弁体８２は、弁部８２ａ（本発明の弁体に相当）およびダイヤフラム部８２ｂ（本発明のダイヤフラムに相当）を備えている。弁部８２ａとダイヤフラム部８２ｂとは、合成ゴム材料等の弾性部材によって一体に形成されている。
弁部８２ａは、弁室Ｒに配置され、第一位置Ｐ１と第一位置Ｐ１と異なる第二位置Ｐ２との間を上下方向（本発明の第一方向に相当）に沿って移動可能に設けられたものである。弁部８２ａは、ダイヤフラム弁体８２の中央部に設けられている。第一位置Ｐ１は、弁部８２ａと弁座８１ｂ３（後述する）とが接触する位置である。第二位置Ｐ２は、弁部８２ａと弁座８１ｂ３とが離れた位置である（図３参照）。弁部８２ａの下端面８２ａ１は、弁座８１ｂ３に接触可能に、平面状に設けられている。
弁座８１ｂ３は、第二室Ｒ２における第二ポート８１ｂ１の開口部に設けられている。第二ポート８１ｂ１の開口部は、上方に向けて径を小さくするテーパ状に形成されている。弁座８１ｂ３は、第二ポート８１ｂ１の開口部の先端部に環状に形成されている。弁座８１ｂ３は、弁部８２ａが第一位置Ｐ１に位置した場合に弁部８２ａと接触して燃料オフガスおよび水の外部への排出を規制する。また、弁座８１ｂ３は、弁部８２ａが第二位置Ｐ２に位置した場合に弁部８２ａと離れて燃料オフガスおよび水の外部への排出を許容する（詳細は後述する）。
ダイヤフラム部８２ｂは、弁部８２ａに接続されるとともに、弁部８２ａの移動に応じて撓む膜状に設けられている。ダイヤフラム部８２ｂの中央部に弁部８２ａが、ダイヤフラム部８２ｂと一体的に設けられている。ダイヤフラム部８２ｂの外周縁は、第一ハウジング８１ａの周側壁と第二ハウジング８１ｂの周側壁との間に配置されている。このように、ダイヤフラム部８２ｂは、弁室Ｒを、第一室Ｒ１と燃料系排出配管３１ｂの一部を構成する第二室Ｒ２とに区画するように配置される。また、これにより、ダイヤフラム部８２ｂは、第一ハウジング８１ａと第二ハウジング８１ｂとの間を気密かつ液密にシールする。
駆動部８３は、通電されることにより、弁部８２ａを上下方向に移動させるものである。駆動部８３は、例えばネジ等によってハウジング８１に固定されている。駆動部８３は、コイル部８３ａ、カバー部８３ｂ、コア部材８３ｃ、保持部材８３ｄ、スリーブ８３ｅ、プランジャ８３ｆおよびスプリング８３ｇを備えている。
コイル部８３ａは、筒状のボビン８３ａ１およびボビン８３ａ１の外周面に導線が筒状に巻かれたソレノイドコイル８３ａ２によって構成されている。コイル部８３ａは、ソレノイドコイル８３ａ２が通電されることにより、磁場を形成する。カバー部８３ｂは、駆動部８３の外郭を形成するものである。カバー部８３ｂは、例えばナイロン系の樹脂材料によって形成されている。
コア部材８３ｃは、例えばフェライト系ステンレス鋼等の磁性体によって形成されている。コア部材８３ｃは、柱部８３ｃ１および鍔部８３ｃ２によって形成されている。柱部８３ｃ１は、柱状に設けられ、コイル部８３ａの内側における上側の部位に配置されている。鍔部８３ｃ２は、柱部８３ｃ１の側面から径方向に突出する鍔状に形成され、コイル部８３ａの上側に接触するように配置されている。
保持部材８３ｄは、例えば電磁ステンレス鋼等の磁性体によって形成されている。保持部材８３ｄは、ネジ等によって駆動部８３に固定され、コア部材８３ｃを保持するものである。保持部材８３ｄおよびコア部材８３ｃは、磁束が流れる磁気回路を構成するヨークとして機能する。
スリーブ８３ｅは、円筒部８３ｅ１および鍔部８３ｅ２を備えている。円筒部８３ｅ１および鍔部８３ｅ２は、例えばオーステナイト系ステンレス鋼等の非磁性体によって、一体に形成されている。
円筒部８３ｅ１は、コイル部８３ａの内側における下側の部位に配置されている。円筒部８３ｅ１は、下方を開放する円筒状に形成されている。円筒部８３ｅ１は、プランジャ８３ｆを上下方向に往復運動可能に収容する。
鍔部８３ｅ２は、円筒部８３ｅ１の下端から径方向外側に向けて全周に亘って突出する鍔状に形成されている。鍔部８３ｅ２は、カバー部８３ｂの下側面と第一ハウジング８１ａの上側面との間に配置されている。また、鍔部８３ｅ２と第一ハウジング８１ａとの間にＯリング等の環状の弾性体Ｄが配置されている。弾性体Ｄは、スリーブ８３ｅと第一ハウジング８１ａとの間を気密かつ液密にシールする。
プランジャ８３ｆは、例えばフェライト系ステンレス鋼の磁性体によって形成され、円筒部８３ｅ１内に上下方向に往復運動可能に収納されている。プランジャ８３ｆは、円柱部８３ｆ１、突出部８３ｆ２および凹部８３ｆ３を備えている。
円柱部８３ｆ１は、上側部がコイル部８３ａの内側に位置するように配置されている。また、円柱部８３ｆ１の外周面と円筒部８３ｅ１の内周面とが摺動可能に接触するように、円柱部８３ｆ１および円筒部８３ｅ１が形成されている。また、円柱部８３ｆ１の上端面が円筒部８３ｅ１の上側壁の内面８３ｅ３（以下、接触面８３ｅ３とする。）と接触可能に配置されている。円柱部８３ｆ１の上端面と接触面８３ｅ３とが接触する位置が、弁部８２ａの第二位置Ｐ２に相当する（図３参照）。
突出部８３ｆ２は、円柱部８３ｆ１の下端面から下方に突出するように設けられている。突出部８３ｆ２は、全体が弁部８２ａの内部に位置するように配置される。また、突出部８３ｆ２が弁部８２ａから外れないように、突出部８３ｆ２の下端部が径方向外側に向けて延びる鍔状に形成されている。また、これにより、プランジャ８３ｆの移動に伴って弁部８２ａが移動する。
凹部８３ｆ３は、円柱部８３ｆ１の上端面から下方に向けて凹むように設けられている。凹部８３ｆ３の内側かつ凹部８３ｆ３の底面と接触面８３ｅ３との間にスプリング８３ｇが配置されている。スプリング８３ｇは、プランジャ８３ｆを下方に向けて付勢するものである。
次に、排気排水弁８０の動作について説明する。はじめに、排気排水弁８０が閉状態である場合ついて説明する。排気排水弁８０の閉状態は、図２に示すように、弁部８２ａと弁座８１ｂ３とが接触して、燃料オフガスおよび水の外部への排出を規制する状態である。コイル部８３ａが通電されていない非通電状態である場合、排気排水弁８０が閉状態となる。
コイル部８３ａが非通電状態である場合、プランジャ８３ｆに対して下方に向けて作用する力は、ダイヤフラム部８２ｂの上側面８２ｂ１に作用する圧力によって生じる力である第一荷重と、スプリング８３ｇによって生じる力であるスプリング荷重との和である。
第一ポート８１ａ１が分岐管２１ｄに接続されているため、第一室Ｒ１ひいてはダイヤフラム部８２ｂの上側面８２ｂ１には、コンプレッサによって供給される酸化剤ガスの圧力（酸化剤ガスの供給圧力）が作用する。よって、第一荷重は、酸化剤ガスの供給圧力と、ダイヤフラム部８２ｂの有効受圧面積とを乗じたものである。ダイヤフラム部８２ｂの有効受圧面積は、ダイヤフラム部８２ｂにおける屈曲している部位の最下点を結んだ径方向内側の範囲を、上下方向に直交する平面に投影したときの面積である。ダイヤフラム部８２ｂの有効受圧面積は、具体的には、直径をＡとする円の面積である。
一方、プランジャ８３ｆに対して上方に向けて作用する力は、弁部８２ａの下端面８２ａ１に作用する圧力によって生じる力である第二荷重と、ダイヤフラム部８２ｂの下側面８２ｂ２に作用する力である第三荷重との和である。
第二ポート８１ｂ１が第二燃料系排出配管３１ｂ２、気液分離器３４および第一燃料系排出配管３１ｂ１を介してアノード流路４１に接続しているため、第二ポート８１ｂ１内ひいては弁部８２ａの下端面８２ａ１には、アノード流路４１から排出される燃料オフガスの圧力（燃料オフガスの排出圧力）が作用する。よって、第二荷重は、燃料オフガスの排出圧力と、弁部８２ａの下端面８２ａ１の有効受圧面積とを乗じたものである。弁部８２ａの下端面８２ａ１の有効受圧面積は、弁部８２ａの下端面８２ａ１における弁座８１ｂ３と接触する部位の径方向内側の範囲の面積である。
また、第三ポート８１ｂ２が第三燃料系排出配管３１ｂ３、排出ガス希釈器３６および第四燃料系排出配管３１ｂ４を介して外部に接続しているため、第二室Ｒ２ひいてはダイヤフラム部８２ｂの下側面８２ｂ２には、大気圧が作用する。よって、第三荷重は、大気圧と、ダイヤフラム部８２ｂの有効受圧面積とを乗じたものである。上述したように、第一荷重は、酸化剤ガスの供給圧力にダイヤフラム部８２ｂの有効受圧面積を乗じたものである。酸化剤ガスの供給圧力は、大気圧より高いため、第一荷重は、第三荷重より大きい。
排気排水弁８０が閉状態である場合、プランジャ８３ｆに作用する合力は、第一荷重とスプリング力との和から、第二荷重と第三荷重との和を差し引いたものである。また、この合力は、弁部８２ａを第一位置Ｐ１に位置させるとともに、弁部８２ａと弁座８１ｂ３とが接触して燃料オフガスおよび水の外部への排出を規制する力であるシール力に相当する。
従来技術のように、第一室Ｒ１が大気開放されている場合、第一室Ｒ１および第二室Ｒ２の圧力が共に大気圧であるため、第一荷重と第三荷重とが等しくなる。これに対して、本第一実施形態においては、上述したように、第一室Ｒ１に酸化剤ガスの供給圧力が作用していることにより、第一荷重が第三荷重より大きいため、シール力が増加する。
コイル部８３ａが通電されて通電状態となった場合、排気排水弁８０が閉状態から、図３に示すように、燃料オフガスおよび水の外部への排出を許容する状態である開状態となる。
コイル部８３ａが通電されることにより発生する磁界によってプランジャ８３ｆを上方向に引き上げる第四荷重が作用する。この第四荷重がシール力より大きくなるように駆動部８３の諸元が設定されている。
コイル部８３ａが通電されることにより、プランジャ８３ｆが上方向に移動して、弁部８２ａが第二位置Ｐ２に位置する。これにより、弁部８２ａと弁座８１ｂ３とが離れて、第二室Ｒ２を介して第二ポート８１ｂ１と第三ポート８１ｂ２とが連通する。これにより、アノード流路４１から排出された燃料オフガスと水とが、燃料系排出配管３１ｂを介して、外部に排出される。
本第一実施形態によれば、燃料電池システム１は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとから発電を行う燃料電池４と、燃料電池４に燃料ガスを供給する燃料系供給配管３１ａと、燃料電池４の発電によって燃料電池４から導出される燃料オフガスおよび水の外部への排出を行う燃料系排出配管３１ｂと、燃料電池４に酸化剤ガスを供給する酸素系供給配管２１ａと、燃料系排出配管３１ｂに配置され、燃料オフガスおよび水の外部への排出を規制または許容する排気排水弁８０と、を備えている。排気排水弁８０は、弁室Ｒが内側に設けられたハウジング８１と、弁室Ｒに配置され、第一位置Ｐ１と第一位置Ｐ１と異なる第二位置Ｐ２との間を上下方向に沿って移動可能に設けられた弁部８２ａと、弁室Ｒを、第一室Ｒ１と燃料系排出配管３１ｂの一部を構成する第二室Ｒ２とに区画するように配置され、かつ、弁部８２ａに接続されるとともに、弁部８２ａの移動に応じて撓む膜状に設けられたダイヤフラム部８２ｂと、ハウジング８１に第一室Ｒ１に連通するように設けられた第一ポート８１ａ１と、ハウジング８１に第二室Ｒ２に連通するように設けられ、燃料系排出配管３１ｂの一部を構成する第二ポート８１ｂ１および第三ポート８１ｂ２と、第二室Ｒ２における第二ポート８１ｂ１の開口部に設けられ、弁部８２ａが第一位置Ｐ１に位置する場合に弁部８２ａと接触して排出を規制し、弁部８２ａが第二位置Ｐ２に位置する場合に弁部８２ａと離れて排出を許容する弁座８１ｂ３と、を備え、第一端が酸素系供給配管２１ａに接続され、かつ、第二端が第一ポート８１ａ１に接続され、酸化剤ガスを第一室Ｒ１に供給する分岐管２１ｄを有する。
これによれば、分岐管２１ｄは、酸化剤ガスを排気排水弁８０の第一室Ｒ１に供給するため、第一室Ｒ１には、酸化剤ガスの供給圧力が作用する。よって、従来技術のように第一室Ｒ１が大気開放されている場合に比べて、第一室Ｒ１に作用する圧力を大きくすることができる。そして、第一室Ｒ１の圧力は、ダイヤフラム部８２ｂに対して第一方向における弁部８２ａを弁座８１ｂ３と接触させる方向（下方向）に作用する。よって、弁部８２ａと弁座８１ｂ３とが接触して燃料オフガスおよび水の外部への排出を規制する力であるシール力が増加する。したがって、排気排水弁８０のシール性を向上させることができる。
また、燃料電池システム１は、酸素系供給配管２１ａから酸化剤ガスが導入され、酸化剤ガスを燃料系排出配管３１ｂにおける排気排水弁８０の二次側の部位に導出する導出管（カソード流路４２、酸素系排出配管２１ｂおよびバイパス配管２１ｃ）と、導出管に設けられ、酸化剤ガスに圧力損失を生じさせる圧力損失部（カソード流路４２およびエア調圧弁２６）と、をさらに備えている。排気排水弁８０は、燃料オフガスおよび水を第二ポート８１ｂ１から導入して第三ポート８１ｂ２から導出するように、燃料系排出配管３１ｂに配置されている。分岐管２１ｄは、第一端が酸素系供給配管２１ａに接続され、酸化剤ガスを第一室Ｒ１に供給する。
これによれば、導出管から導出された酸化剤ガスの圧力値は、圧力損失部によって酸化剤ガスの供給圧力値より低くなっている。よって、排気排水弁８０が閉状態である場合、導出管を通って第三燃料系排出配管３１ｂ３、第二室Ｒ２ひいてはダイヤフラム部８２ｂの下側面８２ｂ２に酸化剤ガス（酸化剤オフガス）の圧力が作用するときにおいても、この酸化剤ガスの圧力値は、分岐管２１ｄを通って第一室Ｒ１ひいてはダイヤフラム部８２ｂの上側面８２ｂ１に対して作用する酸化剤ガスの供給圧力値より低くなる。これにより、プランジャ８３ｆひいては弁部８２ａに下方に向けて作用する第一荷重は、プランジャ８３ｆひいては弁部８２ａに上方に向けて作用する第三荷重より確実に大きくなる。したがって、排気排水弁８０のシール性を確実に向上させることができる。
また、圧力損失部は、燃料電池４における酸化剤ガスを流通させるカソード流路４２である。
これによれば、酸化剤ガスがカソード流路４２を通過するときに、酸化剤ガスの圧力値が確実に低下する。よって、排気排水弁８０のシール性をさらに確実に向上させることができる。
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システム１について、上述した第一実施形態と異なる部分を主として説明する。上述した第一実施形態の分岐管２１ｄは、第一端が酸素系供給配管２１ａに接続され、かつ、第二端が第一ポート８１ａ１に接続され、酸化剤ガスを第一室Ｒ１に供給している。これに対して、本第二実施形態の分岐管１３１ｄは、図４に示すように、第一端が燃料系供給配管３１ａに接続され、かつ、第二端が第一ポート８１ａ１に接続され、燃料ガスを第一室Ｒ１に供給する。
分岐管１３１ｄの第一端は、具体的には、燃料系供給配管３１ａにおける遮断弁３３と、燃料系循環路３１ｃとの接続部との間に接続されている。分岐管１３１ｄの第二端は、排気排水弁８０の第一ポート８１ａ１に接続されている。これにより、分岐管１３１ｄは、燃料系供給配管３１ａから燃料ガスを第一室Ｒ１に供給する。よって、第一室Ｒ１ひいてはダイヤフラム部８２ｂの上側面８２ｂ１には、燃料タンク３２内の圧力によって供給される燃料ガスの圧力（燃料ガスの供給圧力）が作用する。これにより、プランジャ８３ｆに対して下方に向けて作用する第一荷重は、燃料ガスの供給圧力と、ダイヤフラム部８２ｂの有効受圧面積とを乗じたものである。
また、上述した第一実施形態の排気排水弁８０は、燃料オフガスおよび水を第二ポート８１ｂ１から導入して第三ポート８１ｂ２から導出するように、燃料系排出配管３１ｂに配置されている。これに対して、本第二実施形態の排気排水弁８０は、燃料オフガスおよび水を第三ポート８１ｂ２から導入して第二ポート８１ｂ１から導出するように、燃料系排出配管３１ｂに配置されている。具体的には、第三燃料系排出配管３１ｂ３が第二ポートに接続され、かつ、第二燃料系排出配管３１ｂ２が第三ポートに接続されている。すなわち、排気排水弁８０において、燃料電池４から排出された燃料オフガスおよび水は、第三ポート８１ｂ２、第二室Ｒ２および第二ポート８１ｂ１の順に流れる。
排気排水弁８０が閉状態である場合、第三ポート８１ｂ２が第二燃料系排出配管３１ｂ２、気液分離器３４および第一燃料系排出配管３１ｂ１を介して燃料電池４のアノード流路４１と接続しているため、第二室Ｒ２ひいてはダイヤフラム部８２ｂの下側面８２ｂ２には、燃料オフガスの排出圧力が作用する。よって、プランジャ８３ｆに対して上方に向けて作用する第三荷重は、燃料オフガスの排出圧力と、ダイヤフラム部８２ｂの有効受圧面積とを乗じたものである。
また、燃料オフガスが上述したように循環しているため、排気排水弁８０に導出される燃料オフガスの排出圧力値は、燃料ガスの供給圧力値より低くなる。よって、排気排水弁８０が閉状態である場合、第一荷重が第三荷重より大きい。したがって、第一室Ｒ１が大気開放されていることにより第一荷重と第三荷重とが等しくなる従来技術と比べて、本第二実施形態は、シール力が増加する。
本第二実施形態によれば、燃料電池システム１は、第一端が燃料系供給配管３１ａに接続され、かつ、第二端が第一ポート８１ａ１に接続され、燃料ガスを第一室Ｒ１に供給する分岐管１３１ｄを有する。また、燃料電池システム１は、燃料系排出配管３１ｂにおける燃料電池４と排気排水弁８０との間の部位と、燃料系供給配管３１ａとを接続する燃料系循環路３１ｃと、燃料系循環路３１ｃに配置され、燃料系排出配管３１ｂから燃料オフガスを燃料系供給配管３１ａに供給する循環ポンプ３７と、をさらに備えている。排気排水弁８０は、燃料オフガスおよび水を第三ポート８１ｂ２から導入して第二ポート８１ｂ１から導出するように、燃料系排出配管３１ｂに配置されている。分岐管１３１ｄは、第一端が燃料系供給配管３１ａに接続され、燃料ガスを第一室Ｒ１に供給する。
これによれば、燃料系供給配管３１ａの燃料ガスが分岐管１３１ｄを通って排気排水弁８０の第一室Ｒ１に供給される。また、燃料オフガスが燃料系循環路３１ｃを通って燃料ガスとして燃料系供給配管３１ａに供給される。すなわち、燃料オフガスの一部が燃料ガスとして燃料電池４、燃料系排出配管３１ｂ（第一燃料系排出配管３１ｂ１）、燃料系循環路３１ｃおよび燃料系供給配管３１ａを循環している。よって、排気排水弁８０が閉状態である場合、燃料系排出配管３１ｂ（第二燃料系排出配管３１ｂ２）を通って第二室Ｒ２ひいてはダイヤフラム部８２ｂの下側面８２ｂ２に作用する燃料オフガスの圧力値は、分岐管１３１ｄを通って第一室Ｒ１ひいてはダイヤフラム部８２ｂの上側面８２ｂ１に作用する燃料ガスの供給圧力値より低くなる。これにより、従来技術のように第一室Ｒ１が大気開放されている場合に比べて、第一荷重が第三荷重より大きくなるため、シール力が増加する。したがって、排気排水弁８０のシール性を確実に向上させることができる。
＜変形例＞
なお、上述した各実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、上述した第一実施形態において、圧力損失部は、カソード流路４２およびエア調圧弁２６であるが、これに代えて、オリフィスを用いるようにしても良い。
また、上述した第一実施形態において、排気排水弁８０は、第二ポート８１ｂ１から燃料オフガスおよび水を導入し、かつ、第三ポート８１ｂ２から燃料オフガスおよび水を導出するように、燃料系排出配管３１ｂが接続されている。具体的には、第二燃料系排出配管３１ｂ２が第二ポート８１ｂ１に接続され、かつ、第三燃料系排出配管３１ｂ３が第三ポート８１ｂ２に接続されている。これに対して、排気排水弁８０を、第三ポート８１ｂ２から燃料オフガスおよび水を導入し、かつ、第二ポート８１ｂ１から燃料オフガスおよび水を導出するように、燃料系排出配管３１ｂに接続するようにしても良い。具体的には、第二燃料系排出配管３１ｂ２が第三ポート８１ｂ２に接続され、かつ、第三燃料系排出配管３１ｂ３が第二ポート８１ｂ１に接続される。この場合、従来技術に比べてシール力が増加するように、酸化剤ガスの供給圧力、燃料ガスの供給圧力および燃料オフガスの排出圧力を調整する。
また、上述した第二実施形態において、排気排水弁８０は、第三ポート８１ｂ２から燃料オフガスおよび水を導入し、かつ、第二ポート８１ｂ１から燃料オフガスおよび水を導出するように、燃料系排出配管３１ｂが接続されている。具体的には、第二燃料系排出配管３１ｂ２が第三ポート８１ｂ２に接続され、かつ、第三燃料系排出配管３１ｂ３が第二ポート８１ｂ１に接続されている。これに対して、排気排水弁８０を、第二ポート８１ｂ１から燃料オフガスおよび水を導入し、かつ、第三ポート８１ｂ２から燃料オフガスおよび水を導出するように、燃料系排出配管３１ｂに接続するようにしても良い。具体的には、第二燃料系排出配管３１ｂ２が第二ポート８１ｂ１に接続され、かつ、第三燃料系排出配管３１ｂ３が第三ポート８１ｂ２に接続される。この場合、従来技術に比べてシール力が増加するように、酸化剤ガスの供給圧力、燃料ガスの供給圧力および燃料オフガスの排出圧力を調整する。
また、上述した各実施形態において、燃料系３において、燃料オフガスが循環するように燃料系循環路３１ｃおよび循環ポンプ３７が設けられているが、これに代えて、燃料系循環路３１ｃおよび循環ポンプ３７を設けないようにしても良い。この場合、第二実施形態においては、圧力損失部としてオリフィスを燃料系排出配管３１ｂに設けるようにしても良い。また、アノード流路４１を圧力損失部として構成するように流路断面積を設定するようにしても良い。
また、上述した各実施形態において、本発明の弁体とダイヤフラムとが、ダイヤフラム弁体８２として一体に設けられているが、これに代えて、弁体とダイヤフラムとを別体に設けるようにしても良い。例えば、ダイヤフラム部８２ｂにプランジャ８３ｆを貫通させて、プランジャ８３ｆの下端部に弁体を設けると良い。
また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、分岐管２１ｄ，１３１ｄおよび導出管の配置や、ハウジング８１、弁部８２ａ（弁体）、ダイヤフラム部８２ｂ（ダイヤフラム）、弁座８１ｂ３の形状、並びに、駆動部８３におけるプランジャ８３ｆの駆動方式を変更するようにしても良い。
１…燃料電池システム、４…燃料電池、２１ａ…酸素系供給配管（第二供給管）、２１ｂ…酸素系排出配管、２１ｃ…バイパス配管、２１ｄ，１３１ｄ…分岐管、３１ａ…燃料系供給配管（第一供給管）、３１ｂ…燃料系排出配管（第一排出管）、３１ｃ…燃料系循環路（接続管）、３５（８０）…排気排水弁、３７…循環ポンプ（燃料オフガス送出装置）、４１…アノード流路、４２…カソード流路（酸化剤ガス流路）、８１…ハウジング、８１ａ…第一ハウジング、８１ａ１…第一ポート、８１ｂ…第二ハウジング、８１ｂ１…第二ポート、８１ｂ２…第三ポート、８１ｂ３…弁座、８２…ダイヤフラム弁体、８２ａ…弁部（弁体）、８２ｂ…ダイヤフラム部（ダイヤフラム）、Ｐ１…第一位置、Ｐ２…第二位置、Ｒ…弁室、Ｒ１…第一室、Ｒ２…第二室。

Claims (4)

  1. 水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとから発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する第一供給管と、
    前記燃料電池の発電によって前記燃料電池から導出される燃料オフガスおよび水の外部への排出を行う第一排出管と、
    前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する第二供給管と、
    前記第一排出管に配置され、前記排出を規制または許容する排気排水弁と、を備えた燃料電池システムであって、
    前記排気排水弁は、
    弁室が内側に設けられたハウジングと、
    前記弁室に配置され、第一位置と前記第一位置と異なる第二位置との間を第一方向に沿って移動可能に設けられた弁体と、
    前記弁室を、第一室と前記第一排出管の一部を構成する第二室とに区画するように配置され、かつ、前記弁体に接続されるとともに、前記弁体の移動に応じて撓む膜状に設けられたダイヤフラムと、
    前記ハウジングに前記第一室に連通するように設けられた第一ポートと、
    前記ハウジングに前記第二室に連通するように設けられ、前記第一排出管の一部を構成する第二ポートおよび第三ポートと、
    前記第二室における前記第二ポートの開口部に設けられ、前記弁体が前記第一位置に位置する場合に前記弁体と接触して前記排出を規制し、前記弁体が前記第二位置に位置する場合に前記弁体と離れて前記排出を許容する弁座と、を備え、
    第一端が前記第一供給管および前記第二供給管の一方に接続され、かつ、第二端が前記第一ポートに接続され、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの一方を前記第一室に供給する分岐管を有する燃料電池システム。
  2. 前記第二供給管から前記酸化剤ガスが導入され、前記酸化剤ガスを前記第一排出管における前記排気排水弁の二次側の部位に導出する導出管と、
    前記導出管に設けられ、前記酸化剤ガスに圧力損失を生じさせる圧力損失部と、をさらに備え、
    前記排気排水弁は、前記燃料オフガスおよび前記水を前記第二ポートから導入して前記第三ポートから導出するように、前記第一排出管に配置され、
    前記分岐管は、第一端が前記第二供給管に接続され、前記酸化剤ガスを前記第一室に供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記圧力損失部は、前記燃料電池における前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路である請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第一排出管における前記燃料電池と前記排気排水弁との間の部位と、前記第一供給管とを接続する接続管と、
    前記接続管に配置され、前記第一排出管から前記燃料オフガスを前記第一供給管に供給する燃料オフガス送出装置と、をさらに備え、
    前記排気排水弁は、前記燃料オフガスおよび前記水を前記第三ポートから導入して前記第二ポートから導出するように、前記第一排出管に配置され、
    前記分岐管は、第一端が前記第一供給管に接続され、前記燃料ガスを前記第一室に供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
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