JP4017968B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素とを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記酸素を所定温度に冷却して前記カソードに供給する冷却部とを備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下、燃料電池という。）を備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤としてエアーが供給され、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、エアー中の酸素と電気化学反応を起こすことで発電エネルギが生成される。
【０００３】
このような燃料電池において、酸化剤であるエアーは、エアーコンプレッサ等によって圧縮されてカソードに供給される。この場合、圧縮に伴う発熱によりエアー温度が上昇し過ぎると、発電効率が低下することから、通常、カソードの前段に冷却部を配設し、エアーを固体高分子電解質膜の適性に即した最適な温度に制御してカソードに供給するようにしている。
【０００４】
一方、エアーの温度が低く、あるいは、燃料電池の系が必要な温度まで達しておらず、エアーコンプレッサ等によって圧縮しても十分な温度が得られない場合には、冷却部を経由させないで直接エアーをカソードに供給できることが必要である。
【０００５】
このような要請に対応するため、例えば、冷却部と並列にバイパス通路を設け、エアーコンプレッサ等によって圧縮されたエアーを、温度に応じて冷却部またはバイパス通路を経由させてカソードに供給するように構成することが考えられる。この場合、冷却部とバイパス通路とを切り替える手段として、例えば、特許文献１に開示されたスロットル制御装置を利用することができる。
【０００６】
このスロットル制御装置は、エンジンのスロットルバルブの開閉制御を電気的に行うものであり、スロットルバルブを開閉する制御モータに対する非通電時には、スロットルバルブをバックスプリングによって弁閉方向に付勢する一方、リリーフスプリングによって弁開方向に付勢した状態とすることで、スロットルバルブを一定のオープナ開度に保持する。また、エンジンをアクセルペダルが踏み込まれていないアイドリング状態とする場合には、制御モータに通電し、スロットルバルブをリリーフスプリングの弾発力に抗してオープナ開度以下のアイドリング開度に設定する。さらに、アクセルペダルが踏み込まれた場合には、バックスプリングの弾発力に抗して制御モータがスロットルバルブを弁開方向に回動する。
【０００７】
このようなスロットル制御装置を燃料電池に適用し、スロットルバルブを開閉することにより、冷却部とバイパス通路との切り替えを行うことができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３０３９７８号公報（段落［００３４］、［００３６］〜［００３８］、図１、図２、図４、図５）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されたスロットル制御装置では、制御モータに対する非通電時において、スロットルバルブが完全な弁閉状態に設定されていない。従って、完全な弁閉状態および弁開状態を得るためには、制御モータを常に駆動させておかなければならない。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、燃料電池に酸素を供給する通路を状況に応じて確実に切り替えることができ、しかも、切り替え状態を維持するために無駄な電力を消費することのない燃料電池システムを提供することを第１の目的とする。
【００１１】
また、本発明は、燃料電池に酸素を供給する通路に連通または遮断する弁体を設け、完全な弁開状態を維持するために無駄な電力を消費することのない燃料電池システムを提供することを第２の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素とを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記酸素を所定温度に冷却して前記カソードに供給する冷却部とを備える燃料電池システムにおいて、
前記冷却部に並列に配設され、前記酸素を前記冷却部を介することなく、直接前記カソードに供給するバイパス部と、
前記冷却部と前記カソードとの間に配設され、前記酸素を前記冷却部を介して前記カソードに供給する第１通路と、前記酸素を前記バイパス部を介して前記カソードに供給する第２通路とを切り替える通路切替部とを備え、
前記通路切替部は、
前記第１通路を連通または遮断する弁体と、
前記弁体を前記第１通路の連通方向に回動付勢する第１弾性部材と、
前記第１弾性部材による前記弁体の回動位置を規制し、前記第１通路を全開状態に設定する第１規制部材と、
前記第１弾性部材の弾発力に抗して前記弁体を前記第１通路の遮断方向に回動するモータと、
前記第１通路の連通方向に対する前記弁体の回動に伴う前記第１弾性部材の弾発力によって変位し、前記第１規制部材に当接する第１位置決め部材と、
前記第１弾性部材の弾発力によって前記第１通路の連通方向に回動付勢されることで遮断状態から前記全開状態を越えて一部遮断状態となった前記弁体を、再び前記第１通路の遮断方向に回動付勢する第２弾性部材と、
前記弁体に装着され、前記第２弾性部材の弾発力により前記弁体とともに前記第１通路の遮断方向に回動し、前記第１位置決め部材に当接することで前記一部遮断状態となった前記弁体を全開状態に設定する一方、前記モータにより前記弁体を前記第１通路の遮断方向に回動する際には、第１位置決め部材に当接しながら該第１位置決め部材を前記第１通路の遮断方向に回動させる第２位置決め部材と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
この場合、酸素を冷却して供給する必要があるときには、モータを滅勢することにより、弁体が第１弾性部材の弾発力によって回動し、第１規制部材によって全開状態に設定されるため、冷却部が第１通路を介してカソードに連通される。従って、酸素は、冷却部によって所定温度に冷却されてカソードに供給され、発電が行われる。
【００１４】
一方、酸素の冷却を回避する必要があるときには、モータを付勢することにより、第１弾性部材の弾発力に抗して弁体が回動して全閉状態に設定されるため、酸素が冷却部に供給されることがなく、バイパス部から第２通路を介してカソードに供給される。従って、冷却されていない酸素がカソードに供給され、発電が行われる。
【００１５】
また、弁体が第１通路を全開状態に設定する際、第１位置決め部材を第１弾性部材の弾発力によって回動させて第１規制部材に当接させた後、前記第１通路の連通方向に回動付勢されることで遮断状態から前記全開状態を越えて一部遮断状態となった弁体を第２弾性部材によって第１通路の遮断方向に回動させ、弁体に装着された第２位置決め部材を第１位置決め部材に当接させることにより、弁体が最終的な全開状態に正確に設定される。
【００１６】
この場合、第１位置決め部材が第１規制部材に当接する際の衝撃力は、弁体が第２弾性部材の弾発力に抗して全開状態を越えて一部遮断状態（過剰全開状態）まで回動することで吸収される。
【００１７】
さらに、請求項２記載の発明では、弁体の一部遮断状態での回動位置を第２規制部材によって規制することにより、弁体が全開方向に過剰に回動する範囲を制限することができる。
【００１８】
さらにまた、請求項３記載の発明では、弁体の回動位置から第１通路の開閉状態を検出する開度センサを設けることにより、通路切替部の状態を確実に把握することができる。
【００１９】
さらに、請求項４記載の発明では、酸素を冷却部からカソードに供給する必要があるときには、モータを滅勢することにより、弁体を第１弾性部材の弾発力によって回動して全開状態とし、第１通路を連通することができる。また、カソードに対する酸素の供給を遮断するときには、モータを付勢し、第１弾性部材の弾発力に抗して弁体を回動し、第１通路を遮断することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１において、参照符号２００は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す。なお、燃料電池システム２００は、例えば、電気自動車等の車両に搭載することができる。
【００２１】
この燃料電池システム２００は、例えば、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成された多数のセルを積層した燃料電池スタック２０２を含む。前記燃料電池スタック２０２には、燃料ガスである水素がアノードに供給され、酸化剤ガスである酸素を含むエアーがカソードに供給される。
【００２２】
カソードには、酸化剤供給部２０４からエアーが供給されるエアー供給口２０６と、カソード内のエアーや水を外部に排出するためのエアー排出部２０８が接続されたエアー排出口２１０とが設けられる。一方、アノードには、燃料供給部２１２から水素が供給される水素供給口２１４と、アノード内の水やエアーの一部を含む水素を希釈して外部に排出するための水素排出部２１６が接続された水素排出口２１８とが設けられる。
【００２３】
燃料電池スタック２０２では、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードにおいて酸素と電気化学反応を起こすことにより、発電エネルギが生成される。
【００２４】
エアー供給口２０６には、エアー供給用通路を介して、酸化剤供給部２０４と、冷却部２２０と、エアー通路切替部２２１（通路切替部）と、カソード加湿部２２２とが直列状態に接続される。また、冷却部２２０には、エアーバイパス部２２３（バイパス部）が並列状態に接続される。
【００２５】
水素供給口２１４には、水素供給通路を介して、燃料供給部２１２と、圧力制御部２２４と、エゼクタ２２６と、アノード加湿部２２８とが直列状態に接続される。
【００２６】
酸化剤供給部２０４は、例えば、図示しないスーパーチャージャ（圧縮機）およびこれを駆動するモータ等から構成され、燃料電池スタック２０２で酸化剤ガスとして使用されるエアーを断熱圧縮して燃料電池スタック２０２に圧送する。この断熱圧縮の際にエアーが加熱される。このように加熱されたエアーが、燃料電池スタック２０２の暖機に貢献する。
【００２７】
また、前記酸化剤供給部２０４から供給されるエアーは、例えば、燃料電池スタック２０２の負荷や図示しないアクセルペダルの操作量等に応じて所定の圧力に設定されて燃料電池スタック２０２に導入されるとともに、必要に応じて冷却部２２０によって冷却され、バイパス通路２３２を介して圧力制御部２２４にパイロット圧として供給される。
【００２８】
冷却部２２０は、例えば、図示しないインタークーラ等から構成され、流路に沿って流通する冷却水と熱交換することによって、燃料電池スタック２０２の通常運転時において前記酸化剤供給部２０４から供給されるエアーを冷却する。このため、エアーは、冷却部２２０によって所定温度に冷却される。
【００２９】
エアー通路切替部２２１は、酸化剤供給部２０４から供給されたエアーの温度に応じて、エアーを冷却部２２０で冷却し第１通路２２５を介してカソード加湿部２２２に供給するか、冷却することなく第２通路２２７を介してエアーバイパス部２２３から直接カソード加湿部２２２に供給するかの切り替えを行う弁機構である。この構成の詳細については、後述する。
【００３０】
エアー通路切替部２２１に並列状態で配設されるエアーバイパス部２２３は、例えば、エアー通路切替部２２１が閉塞され、酸化剤供給部２０４から供給されたエアーの圧力が所定値以上となったとき、バルブを開成してエアーをカソード加湿部２２２に供給する弁機構である。
【００３１】
カソード加湿部２２２は、例えば、水透過膜を備えて構成され、水分を水透過膜の一方側から他方側へ透過させることにより、前記冷却部２２０によって所定の温度に冷却されたエアーを所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６へと供給する。加湿されたエアーは燃料電池スタック２０２に供給され、該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００３２】
なお、燃料電池スタック２０２のエアー排出口２１０には、エアー排出部２０８が接続され、前記エアー排出部２０８に設けられた図示しない排出弁を通じてエアーが大気中に排気される。
【００３３】
燃料供給部２１２は、例えば、燃料電池に対する燃料として水素を供給する図示しない水素ガスボンベからなり、燃料電池スタック２０２のアノードに供給する水素が貯蔵される。
【００３４】
圧力制御部２２４は、例えば、空気式の比例圧力制御弁からなり、バイパス通路２３２を介して供給されるエアーの圧力をパイロット圧（パイロット信号圧）として、圧力制御部２２４の出口側圧力である二次側圧力を前記パイロット圧に対応した所定範囲の圧力に設定している。
【００３５】
エゼクタ２２６は、図示しないノズル部とディフューザ部とから構成され、圧力制御部２２４から供給された水素がノズル部を通過する際に加速されてディフューザ部に向かって噴射される。ノズル部からディフューザ部に向かって水素が高速で流通する際、ノズル部とディフューザ部との間に設けられた副流室内で負圧が発生し、循環用通路２３０を介してアノードの排出ガスが吸引される。前記エゼクタ２２６で混合された水素および排出ガスは、アノード加湿部２２８へと供給される。
【００３６】
アノード加湿部２２８は、例えば、水透過膜を備えて構成され、水分を水透過膜の一方側から他方側へ透過させることにより、エゼクタ２２６から導出された水素を所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２の水素供給口２１４へと供給する。加湿された水素は燃料電池スタック２０２に供給され、該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００３７】
燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８には、例えば、図示しない排出制御弁を有する水素排出部２１６が循環用通路２３０を介して接続される。排出制御弁は、燃料電池スタック２０２の運転状態に応じて開閉動作が制御され、例えば、図示しない貯留タンクによって分離された排出ガス中の過剰な水等が燃料電池システム２００の外部に排出される。
【００３８】
次に、図２および図３に基づいてエアー通路切替部２２１の構成を詳細に説明する。
【００３９】
エアー通路切替部２２１は、冷却部２２０とカソード加湿部２２２とを連通または遮断する第１通路２２５が形成されたボデイ２５０と、シール部材２５２を介してボデイ２５０に装着される蓋部材２５４とを備える。
【００４０】
ボデイ２５０には、駆動源であるモータ２５６が組み込まれる。モータ２５６の駆動軸２５８には、駆動ギア２６０が固定され、駆動ギア２６０には、ボデイ２５０および蓋部材２５４間に植設されたアイドルシャフト２６２に係合するアイドルギア２６４の大径ギア部２６５が噛合する。
【００４１】
また、ボデイ２５０には、弁体２６６が固定され、第１通路２２５を貫通するバルブシャフト２６８が装着される。第１通路２２５に配設される弁体２６６は、第１通路２２５の断面形状に対応した円形形状を呈し、ねじ部材２７０ａ、２７０ｂによりバルブシャフト２６８に固定される。バルブシャフト２６８は、一端部および他端部側がベアリング２７２ａ、２７２ｂを介してボデイ２５０に軸支される。
【００４２】
ベアリング２７２ａには、第１通路２２５からボデイ２５０の外部へのガス漏れを防止するためのカラー２７４が装着される。また、ベアリング２７２ｂの両側部には、第１通路２２５からボデイ２５０の内部へのガス漏れを防止するためのカラー２７６および２７８が装着される。さらに、カラー２７６に隣接してバルブシャフト２６８には、シール部材２８０が装着される。シール部材２８０は、第１通路２２５側に傾斜した状態でバルブシャフト２６８を周回する第１リップ部２８２ａと、カラー２７６側に傾斜した状態でバルブシャフト２６８を周回する第２リップ部２８２ｂとを有する。これらの第１リップ部２８２ａおよび第２リップ部２８２ｂにより、第１通路２２５からのボデイ２５０へのガス漏れおよび蓋部材２５４側から第１通路２２５への不純物、例えば、ベアリング２７２ｂの潤滑グリース等の侵入を確実に阻止することができる。
【００４３】
蓋部材２５４側に延在するバルブシャフト２６８の他端部側外周部には、第１位置決め部材２８４が装着される。第１位置決め部材２８４は、バルブシャフト２６８に対して回動可能に装着されており、外周部にフランジ部２８６が形成される。一方、ベアリング２７２ｂが装着されるボデイ２５０のボス部２８８の外周部には、断面Ｌ字状のばね受け部材２９０が配設される。
【００４４】
第１位置決め部材２８４のフランジ部２８６とばね受け部材２９０との間には、全開用コイルスプリング２９２（第１弾性部材）が配設される。全開用コイルスプリング２９２は、弁体２６６を開弁方向に回動させ、第１通路２２５を全開状態に保持するもので、一端部が第１位置決め部材２８４に係合し、他端部がばね受け部材２９０を介してボデイ２５０に係合する。
【００４５】
第１位置決め部材２８４の外周部の所定部位には、図３に示すように、フランジ部２８６から外方向に突出する緩衝レバー部２９４が形成される。一方、ボデイ２５０には、緩衝レバー部２９４の回動域の所定部位に全開ストッパねじ２９６（第１規制部材）が配設される。全開ストッパねじ２９６は、全開用コイルスプリング２９２の弾発力により第１位置決め部材２８４が回動し、緩衝レバー部２９４が全開ストッパねじ２９６の端部に当接することで、弁体２６６の回動位置を第１通路２２５の全開位置に規制する部材として機能する。
【００４６】
バルブシャフト２６８の他端部には、バルブギア２９８が係合する。バルブギア２９８は、外周部の一部にギア部３００を有し、このギア部３００がアイドルギア２６４の小径ギア部２６７に噛合する。第１位置決め部材２８４に対向するバルブギア２９８の内周面には、ばね受け部材３０２が配設される。一方、バルブギア２９８に対向する第１位置決め部材２８４には、周回する溝部３０４が形成される。ばね受け部材３０２と溝部３０４との間には、緩衝用コイルスプリング３０６（第２弾性部材）が配設される。緩衝用コイルスプリング３０６は、弁体２６６を過剰全開状態から閉弁方向に回動させ、第１通路２２５を全開状態とするもので、一端部がバルブギア２９８に係合し、他端部が第１位置決め部材２８４の緩衝レバー部２９４に係合する。
【００４７】
バルブギア２９８の外周部の所定部位には、図３に示すように、第１位置決め部材２８４のフランジ部２８６の回動域に突出する第２位置決め部材３０８が配設される。この場合、バルブギア２９８の閉弁方向に対する回動域は、緩衝レバー部２９４によって規制される。
【００４８】
また、バルブギア２９８におけるギア部３００の回動域には、弁体２６６の過剰全開位置を規制する過剰全開ストッパ３１０（第２規制部材）が配設される。過剰全開ストッパ３１０は、ボデイ２５０の一部として形成されており、この過剰全開ストッパ３１０にギア部３００の係止部３１２が当接することで、弁体２６６の過剰全開位置が規制される。
【００４９】
さらに、バルブギア２９８の蓋部材２５４側には、凹部３１４が形成されており、この凹部３１４の内周部には、マグネット３１６ａ、３１６ｂが対向して配置される。一方、蓋部材２５４には、バルブギア２９８の凹部３１４に臨入するセンサ部３１８（開度センサ）が配設される。センサ部３１８には、マグネット３１６ａ、３１６ｂの磁界を検出するホール素子等からなる検出素子３２０がカバー部材３２１を介して配設される。検出素子３２０は、マグネット３１６ａ、３１６ｂの位置を検出することで、弁体２６６の開度を検知する。
【００５０】
本実施形態の燃料電池システム２００およびそれに適用されるエアー通路切替部２２１は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について説明する。
【００５１】
先ず、供給されるエアーの温度が低く、あるいは、燃料電池システム２００の系が必要な温度まで達しておらず、従って、エアーを冷却することなく燃料電池スタック２０２に供給する必要がある場合について説明する。
【００５２】
この場合、酸化剤供給部２０４によって圧縮加熱されたエアーを冷却部２２０を回避して第２通路２２７からエアーバイパス部２２３側に導くため、エアー通路切替部２２１を構成する弁体２６６を全閉状態に設定し、第１通路２２５を遮断する。
【００５３】
エアー通路切替部２２１は、図２および図６に示すように、弁体２６６が全開状態に設定されており、この状態からモータ２５６が付勢される。モータ２５６が付勢されると、駆動軸２５８に装着された駆動ギア２６０が矢印Ａ方向に回動し（図３参照）、駆動ギア２６０に噛合する大径ギア部２６５を介してアイドルギア２６４が矢印Ａ方向に回動する。アイドルギア２６４の回動は、小径ギア部２６７に噛合するギア部３００を介してバルブギア２９８を矢印Ａ方向に回動させる。
【００５４】
バルブギア２９８が矢印Ａ方向に回動すると、それに軸支されたバルブシャフト２６８が回動し、弁体２６６が閉弁方向に回動する。この場合、バルブシャフト２６８を図６の状態から矢印Ａ方向に９０゜回動させることにより、弁体２６６は、第１通路２２５を完全に遮断する全閉状態に設定される（図４参照）。なお、センサ部３１８に配設された検出素子３２０は、マグネット３１６ａ、３１６ｂによる磁界を検出することにより、第１通路２２５が全閉状態に設定されたことを検知する。
【００５５】
ここで、バルブシャフト２６８に対して回動可能な状態で装着された第１位置決め部材２８４の緩衝レバー部２９４には、バルブギア２９８に植設された第２位置決め部材３０８が係合しているため、第１位置決め部材２８４は、バルブギア２９８とともに矢印Ａ方向に９０゜回動する。このとき、一端部がボデイ２５０に係合し、他端部が第１位置決め部材２８４に係合する全開用コイルスプリング２９２は、第１位置決め部材２８４が回動することで弾発力が蓄勢される。
【００５６】
以上のようにして、第１通路２２５がエアー通路切替部２２１を構成する弁体２６６によって遮断されることにより、燃料電池システム２００の酸化剤供給部２０４とカソード加湿部２２２とがエアーバイパス部２２３を介して直接連通される。
【００５７】
そこで、酸化剤供給部２０４に供給されたエアーは、第２通路２２７からエアーバイパス部２２３を介してカソード加湿部２２２に供給され、加湿されて燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６からカソードに供給される。一方、燃料供給部２１２から供給された水素は、圧力制御部２２４、エゼクタ２２６およびアノード加湿部２２８を介して燃料電池スタック２０２の水素供給口２１４からアノードに供給される。そして、燃料電池スタック２０２において発電が行われる。
【００５８】
次に、供給されるエアーの温度が上昇し、あるいは、燃料電池システム２００の系が必要以上の温度まで上昇し、冷却が必要となった場合について説明する。
【００５９】
この場合、酸化剤供給部２０４によって圧縮加熱されたエアーを冷却部２２０に導いて冷却するため、エアー通路切替部２２１を構成する弁体２６６を全開状態に設定し、第１通路２２５を連通する。
【００６０】
エアー通路切替部２２１は、図４に示すように、弁体２６６が全閉状態に設定されており、この状態からモータ２５６が滅勢される。モータ２５６が滅勢されると、バルブギア２９８が回動自在な状態となるため、蓄勢されていた全開用コイルスプリング２９２の弾発力により第１位置決め部材２８４が矢印Ｂ方向に回動する。このとき、第１位置決め部材２８４の緩衝レバー部２９４に係合する第２位置決め部材３０８を介してバルブギア２９８も矢印Ｂ方向に回動する。従って、バルブシャフト２６８を介して弁体２６６が開弁方向に回動する。
【００６１】
第１位置決め部材２８４が全開用コイルスプリング２９２の弾発力によって矢印Ｂ方向に所定角度回動すると、緩衝レバー部２９４が全開ストッパねじ２９６に当接するため、第１位置決め部材２８４の矢印Ｂ方向への回動が阻止される。一方、バルブギア２９８は、慣性力によってさらに矢印Ｂ方向に回動するため、バルブシャフト２６８に装着された弁体２６６は、第１通路２２５の全開状態からさらに回動し、過剰全開状態となる（図５参照）。
【００６２】
この場合、第１位置決め部材２８４の緩衝レバー部２９４に係合していた第２位置決め部材３０８が慣性力によって緩衝レバー部２９４から離間するため、緩衝レバー部２９４が全開ストッパねじ２９６に当接した際の衝撃力のモータ２５６側に対する伝達が好適に緩和される。なお、バルブギア２９８の係止部３１２の回動域には、過剰全開ストッパ３１０が配設されているため、所定角度以上のバルブギア２９８の回動も阻止される。
【００６３】
一方、緩衝用コイルスプリング３０６は、一端部が第１位置決め部材２８４に係合し、他端部がバルブギア２９８に係合しており、第１位置決め部材２８４の緩衝レバー部２９４が全開ストッパねじ２９６に当接して回動が阻止された後、バルブギア２９８が第１位置決め部材２８４に対して矢印Ｂ方向に回動することにより、緩衝用コイルスプリング３０６に弾発力が蓄勢される。従って、バルブギア２９８は、矢印Ｂ方向に所定角度回動した後、蓄勢された緩衝用コイルスプリング３０６の弾発力によって矢印Ａ方向に戻されることになる。そして、第２位置決め部材３０８が緩衝レバー部２９４に再び当接することにより、弁体２６６が全開状態に正確に位置決めされる（図６参照）。なお、センサ部３１８に配設された検出素子３２０は、マグネット３１６ａ、３１６ｂによる磁界を検出することにより、第１通路２２５が全開状態に設定されていることを検知する。
【００６４】
以上のようにして、第１通路２２５がエアー通路切替部２２１を構成する弁体２６６によって全開状態に設定されることにより、燃料電池システム２００の酸化剤供給部２０４とカソード加湿部２２２とが冷却部２２０を介して連通される。
【００６５】
そこで、酸化剤供給部２０４に供給されたエアーは、冷却部２２０によって所定温度に冷却され、エアー通路切替部２２１の第１通路２２５を介してカソード加湿部２２２に供給され、加湿されて燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６からカソードに供給される。一方、燃料供給部２１２から供給された水素は、圧力制御部２２４、エゼクタ２２６およびアノード加湿部２２８を介して燃料電池スタック２０２の水素供給口２１４からアノードに供給される。そして、燃料電池スタック２０２において発電が行われる。
【００６６】
なお、上述した実施形態の説明では、モータ２５６を滅勢することで弁体２６６を全閉状態から全開状態に切り替えるようにしているが、全閉状態から全開状態に至るまでモータ２５６を付勢して切り替えを行った後、モータ２５６を滅勢するようにしてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却部を介して酸素を供給する場合には、弁体を駆動するモータを滅勢状態とし、第１弾性部材の弾発力のみによって第１通路の全開状態を維持することができるため、全開状態の維持のために無駄な電力を消費することがない。
【００６８】
また、弁体を全閉状態から全開状態に切り替える場合、弁体が全開状態を越えて一部遮断状態（過剰全開状態）となるように設定されているため、弁体の回動によって生じるモータ側に対する衝撃力を緩和することができる。しかも、過剰全開状態となった弁体を第２弾性部材によって戻し、第２位置決め部材を第１位置決め部材に当接することにより、弁体を全開状態に正確に設定することができる。
【００６９】
さらに、本発明によれば、冷却部を介して酸素をカソードに供給する第１通路を連通する場合、弁体を駆動するモータを滅勢状態とし、第１弾性部材の弾発力のみによって第１通路を全開状態に維持することができるため、全開状態の維持のために無駄な電力を消費することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムを構成するエアー通路切替部の断面図である。
【図３】図２に示すエアー通路切替部の要部分解構成図である。
【図４】図２に示すエアー通路切替部において、弁体が全閉状態にあるときの側面説明図である。
【図５】図２に示すエアー通路切替部において、弁体が過剰全開状態にあるときの側面説明図である。
【図６】図２に示すエアー通路切替部において、弁体が全開状態にあるときの側面説明図である。
【符号の説明】
２００…燃料電池システム ２０２…燃料電池スタック
２２０…冷却部 ２２１…エアー通路切替部
２２３…エアーバイパス部 ２２５…第１通路
２２７…第２通路 ２５０…ボデイ
２５４…蓋部材 ２５６…モータ
２６６…弁体 ２６８…バルブシャフト
２８４…第１位置決め部材 ２９２…全開用コイルスプリング
２９４…緩衝レバー部 ２９６…全開ストッパねじ
２９８…バルブギア ３０６…緩衝用コイルスプリング
３０８…第２位置決め部材 ３１０…過剰全開ストッパ
３１２…係止部 ３１６ａ、３１６ｂ…マグネット
３１８…センサ部 ３２０…検出素子

Claims (4)

1. アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素とを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記酸素を所定温度に冷却して前記カソードに供給する冷却部とを備える燃料電池システムにおいて、
   前記冷却部に並列に配設され、前記酸素を前記冷却部を介することなく、直接前記カソードに供給するバイパス部と、
   前記冷却部と前記カソードとの間に配設され、前記酸素を前記冷却部を介して前記カソードに供給する第１通路と、前記酸素を前記バイパス部を介して前記カソードに供給する第２通路とを切り替える通路切替部とを備え、
   前記通路切替部は、
   前記第１通路を連通または遮断する弁体と、
   前記弁体を前記第１通路の連通方向に回動付勢する第１弾性部材と、
   前記第１弾性部材による前記弁体の回動位置を規制し、前記第１通路を全開状態に設定する第１規制部材と、
   前記第１弾性部材の弾発力に抗して前記弁体を前記第１通路の遮断方向に回動するモータと、
   前記第１通路の連通方向に対する前記弁体の回動に伴う前記第１弾性部材の弾発力によって変位し、前記第１規制部材に当接する第１位置決め部材と、
   前記第１弾性部材の弾発力によって前記第１通路の連通方向に回動付勢されることで遮断状態から前記全開状態を越えて一部遮断状態となった前記弁体を、再び前記第１通路の遮断方向に回動付勢する第２弾性部材と、
   前記弁体に装着され、前記第２弾性部材の弾発力により前記弁体とともに前記第１通路の遮断方向に回動し、前記第１位置決め部材に当接することで前記一部遮断状態となった前記弁体を全開状態に設定する一方、前記モータにより前記弁体を前記第１通路の遮断方向に回動する際には、第１位置決め部材に当接しながら該第１位置決め部材を前記第１通路の遮断方向に回動させる第２位置決め部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載のシステムにおいて、
   前記一部遮断状態での前記弁体の回動位置を規制する第２規制部材を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載のシステムにおいて、
   前記通路切替部は、前記第１通路の開閉状態を検出する開度センサを備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素とを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記酸素を所定温度に冷却して前記カソードに供給する冷却部とを備える燃料電池システムにおいて、
   前記冷却部と前記カソードとの間に配設され、前記酸素を前記冷却部を介して前記カソードに供給する第１通路と、
   前記第１通路を連通または遮断する弁体と、
   前記弁体を前記第１通路の連通方向に回動付勢する第１弾性部材と、
   前記第１弾性部材による前記弁体の回動位置を規制し、前記第１通路を全開状態に設定する第１規制部材と、
   前記第１弾性部材の弾発力に抗して前記弁体を前記第１通路の遮断方向に回動するモータと、
   前記第１通路の連通方向に対する前記弁体の回動に伴う前記第１弾性部材の弾発力によって変位し、前記第１規制部材に当接する第１位置決め部材と、
   前記第１弾性部材の弾発力によって前記第１通路の連通方向に回動付勢されることで遮断状態から前記全開状態を越えて一部遮断状態となった前記弁体を、再び前記第１通路の遮断方向に回動付勢する第２弾性部材と、
   前記弁体に装着され、前記第２弾性部材の弾発力により前記弁体とともに前記第１通路の遮断方向に回動し、前記第１位置決め部材に当接することで前記一部遮断状態となった前記弁体を全開状態に設定する一方、前記モータにより前記弁体を前記第１通路の遮断方向に回動する際には、第１位置決め部材に当接しながら該第１位置決め部材を前記第１通路の遮断方向に回動させる第２位置決め部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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