JP4319494B2

JP4319494B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4319494B2
Application number: JP2003324384A
Authority: JP
Inventors: 晴男中村; 洋梅野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: JP2005093213A

Description

この発明は、燃料電池に関し、より詳しくは、燃料電池の燃料供給系およびパージ系の構造に関する。

燃料電池は、燃料として可燃性ガスである水素を使用することから、安全性と安定した燃料供給（流量調整）を確保するために、燃料供給路の途中にそれを開閉する電磁バルブやセンサ類を複数備えている。

ところで、燃料電池の運転を停止すると、電解質膜を通じて空気極から燃料極に空気が流入し、窒素などの不反応ガスが滞留することがある。また、運転中に発生した生成水が滞留し、流路や拡散膜の水詰まりを引き起こすことがある。このため、燃料電池を始動すべく燃料（水素ガス）の供給を開始しても、これら滞留物に阻害されて燃料が燃料極に行き渡らず、所望の起電力を得ることができないという不具合が生じる。

そこで、従来、燃料電池の始動時に、燃料電池内の滞留物を排出する（パージする）ことが広く行われている（例えば特許文献１参照）。尚、滞留物を排出するためのパージ用流路にも、一般に、それを開閉する電磁バルブが配置される。
特開２００１−２１６９８８号公報（段落００２７から００３２など）

上記のように、燃料供給路の開閉は電磁バルブによって行われることから、燃料電池の始動には前記電磁バルブに電力を供給するバッテリなどの外部電源が必要となる。このため、例えば燃料電池を携帯自在な発電ユニットとして使用する場合、発電ユニット全体の容積や重量が大きくなり、携帯性を低下させるという不具合があった。

また、燃料供給路には複数の電磁バルブやセンサ類が取り付けられることから、流路が複雑になり、燃料供給系に接続部（組み立て時に接続作業が必要とされる部位）が多く形成される。このため、接続部から燃料が漏洩する恐れが増加すると共に、組み立て作業が煩雑になるという不具合があった。また、組み立て作業を考慮した場合、接続部の配置位置などに制約が生じて燃料供給系をコンパクトに設計するのが困難であり、発電ユニット全体の容積や重量が大きくなるという不具合があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、始動時における燃料の供給を外部電源を使用することなく実行できるようにすると共に、燃料供給系の接続部を減少させるようにした燃料電池を提供することにある。

また、パージ用流路の開閉も電磁バルブによって行われることから、燃料電池の始動時に滞留物を排出（パージ）するには、前記電磁バルブに電力を供給するバッテリなどの外部電源が必要となる。さらに、パージ用流路は、燃料極に滞留した滞留物を排出するという性格上、燃料供給路と接続されることになるため、パージ系および燃料供給系の接続部が増加し、よってパージ系を設けると上記した不具合がより顕著になるという問題があった。

従って、この発明のさらなる目的は、始動時における滞留物の排出（パージ）を外部電源を使用することなく実行できるようにすると共に、パージ系および燃料供給系の接続部を減少させるようにした燃料電池を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料供給源を燃料極に接続する燃料供給路と、前記燃料供給路に配置されると共に、発電によって得られる電力で前記燃料供給路を開閉する燃料供給用電磁バルブとを備え、前記燃料供給用電磁バルブで調量された燃料を空気と反応させて発電する燃料電池において、前記燃料供給用電磁バルブをバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に配置されて前記バイパス路を開閉する燃料供給用手動バルブとを備え、前記燃料電池の始動時に、前記燃料供給用手動バルブを開弁し、前記燃料極に燃料を供給して発電を開始させ、次いで前記発電によって得られる電力で前記燃料供給用電磁バルブを開弁して前記燃料極への燃料の供給を継続すると共に、前記燃料供給路、前記燃料供給用電磁バルブ、前記バイパス路および前記燃料供給用手動バルブを多面体の内部に一体的に配置するように構成した。

また、請求項２にあっては、さらに、前記燃料供給路に接続されて前記燃料極の滞留物を排出するパージ用流路と、前記パージ用流路に配置されて前記パージ用流路を開閉するパージ用手動バルブとを備え、前記燃料電池の始動時に、前記パージ用手動バルブを開弁して前記滞留物を排出すると共に、前記パージ用流路および前記パージ用手動バルブを前記多面体の内部に一体的に配置するように構成した。

また、請求項３にあっては、さらに、前記燃料極から排出される未反応燃料を前記燃料供給路に還流する還流路と、前記還流路を前記燃料供給路に接続するエジェクタとを備えると共に、前記還流路および前記エジェクタを前記多面体の内部に一体的に配置するように構成した。

また、請求項４にあっては、さらに、前記燃料供給路内の圧力を検出する圧力センサを備えると共に、前記圧力センサを前記多面体の内部に一体的に配置するように構成した。

請求項１にあっては、燃料供給源を燃料極に接続する燃料供給路と、前記燃料供給路に配置されると共に、発電によって得られる電力で前記燃料供給路を開閉する燃料供給用電磁バルブとを備え、前記燃料供給用電磁バルブで調量された燃料を空気と反応させて発電する燃料電池において、前記燃料供給用電磁バルブをバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に配置されて前記バイパス路を開閉する燃料供給用手動バルブとを備え、前記燃料電池の始動時に、前記燃料供給用手動バルブを開弁し、前記燃料電池に燃料を供給して発電を開始させ、次いで前記発電によって得られる電力で前記燃料供給用電磁バルブを開弁して前記燃料極への燃料の供給を継続するように構成したので、始動時における燃料の供給を外部電源を使用することなく実行でき、よって外部電源を不要として発電ユニット全体の容積や重量を減少させることができる。

さらに、前記燃料供給路、前記燃料供給用電磁バルブ、前記バイパス路および前記燃料供給用手動バルブを多面体の内部に一体的に配置する、換言すれば、それらをユニット化するように構成したので、燃料供給系の接続部（組み立て時に接続作業が必要とされる部位）を減少させることができ、よって燃料が漏洩する恐れを低減することができると共に、燃料供給系の組み立て作業を簡素化することができる。また、多面体の内部に燃料供給路を自由に配置することができるため、燃料供給系をコンパクト化でき、発電ユニット全体の容積や重量を一層減少させることができる。

また、請求項２にあっては、さらに、前記燃料供給路に接続されて前記燃料極の滞留物を排出するパージ用流路と、前記パージ用流路に配置されて前記パージ用流路を開閉するパージ用手動バルブとを備え、前記燃料電池の始動時に、前記パージ用手動バルブを開弁して前記滞留物を排出するように構成したので、上記した効果に加え、始動時における滞留物の排出（パージ）を外部電源を使用することなく実行することができる。

さらに、前記パージ用流路および前記パージ用手動バルブを前記多面体の内部に一体的に配置するように構成したので、パージ系および燃料供給系の接続部を減少させることができ、よって燃料が漏洩する恐れを低減することができると共に、燃料供給系およびパージ系の組み立て作業を簡素化することができる。また、多面体の内部に燃料供給路およびパージ用流路を自由に配置することができるため、燃料供給系およびパージ系をコンパクト化でき、発電ユニット全体の容積や重量をより一層減少させることができる。

また、請求項３にあっては、さらに、前記燃料極から排出される未反応燃料を前記燃料供給路に還流する還流路と、前記還流路を前記燃料供給路に接続するエジェクタとを備えると共に、前記還流路および前記エジェクタを前記多面体の内部に一体的に配置するように構成したので、燃料供給系の接続部をさらに減少させることができ、よってそれに付随する上記効果（燃料の漏洩危惧低減、組み立て作業の簡素化、および燃料供給系のコンパクト化による発電ユニット全体の容積や重量の減少）を一層効果的に得ることができる。

また、請求項４にあっては、さらに、前記燃料供給路内の圧力を検出する圧力センサを備えると共に、前記圧力センサを前記多面体の内部に一体的に配置するように構成したので、燃料供給系の接続部をさらに減少させることができ、よってそれに付随する上記効果をより一層効果的に得ることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池を発電ユニットの一部として示す概略図である。

図１において、符号１０は、第１実施例に係る燃料電池を備えた発電ユニットを示す。発電ユニット１０は、燃料電池１２や配管類など、発電に必要な要素が携帯自在な大きさにパッケージ化されてなる。

燃料電池１２（具体的には積層体（セルスタック））は、単電池１４（セル）を複数個、具体的には７０個積層して形成され、定格出力１．０５ｋｗを発生する。尚、単電池１４は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持する空気極（カソード電極）と燃料極（アノード電極）と、各電極の外側に配置されるセパレータとからなる公知の固体高分子型燃料電池であり、詳しい説明は省略する。

燃料電池１２には、燃料電池１２に空気を供給する空気供給系２０が接続される。空気供給系２０は、空気を吸引するエアブロワ２２と、エアブロワ２２を燃料電池１２に接続する空気供給路２４とからなる。空気供給路２４は、燃料電池１２の手前で冷却空気供給路２４ａと反応空気供給路２４ｂに分岐される。

また、燃料電池１２には、燃料電池１２に燃料（水素ガス）を供給する燃料供給系３０が接続される。燃料供給系３０は、水素を高圧で封入した水素ガスボンベ３２と、水素ガスボンベ３２を燃料電池１２に接続する第１および第２の燃料供給路３４ａ，３４ｂと、バイパス路３４ｃと、還流路３４ｄと、それらの途中に配置された後述する各要素とからなる。

水素ガスボンベ３２は、手動のボンベバルブ３６を介してレギュレータ３８に接続され、レギュレータ３８は、第１の燃料供給路３４ａを介してエジェクタ４０に接続される。エジェクタ４０は、第２の燃料供給路３４ｂを介して燃料電池１２の各燃料極の入口側に接続される。

第１の燃料供給路３４ａの途中には、それを開閉する第１の燃料供給用電磁バルブ４２と第２の燃料供給用電磁バルブ４４が配置される。また、第１の燃料供給路３４ａの途中において、第１の燃料供給用電磁バルブ４２と第２の燃料供給用電磁バルブ４４よりも下流には、圧力センサ４６が配置される。圧力センサ４６は、第１の燃料供給路３４ａの内部圧力に応じた信号を出力する。

さらに、第１の燃料供給路３４ａには、第１の燃料供給用電磁バルブ４２と第２の燃料供給用電磁バルブ４４をバイパスするバイパス路３４ｃが接続される。バイパス路３４ｃの途中には、それを開閉する燃料供給用手動バルブ４８が配置される。バイパス路３４ｃにおいて、燃料供給用手動バルブ４８より上流側を上流側バイパス路３４ｃ１とし、下流側を下流側バイパス路３４ｃ２とする。

また、燃料電池１２の各燃料極の出口側（排出側）には還流路３４ｄが接続され、還流路３４ｄは、前記したエジェクタ４０に接続される。

燃料電池１２には、さらに空気排出系５０が接続される。空気排出系５０は、エキゾーストマニホールド５２と、燃料電池１２をエキゾーストマニホールド５２に接続する空気排出路５４とからなる。空気排出路５４は、冷却空気排出路５４ａと反応空気排出路５４ｂに分岐されて燃料電池１２に接続されると共に、それらはエキゾーストマニホールド５２の手前で１つの流路に集合させられる。

また、前記したエジェクタ４０には、パージ系６０が接続される。パージ系６０は、エジェクタ４０をエキゾーストマニホールド５２に接続するパージ用流路６２を備え、パージ用流路６２の途中には、それを開閉するパージ用手動バルブ６４が配置される。パージ用流路６２において、パージ用手動バルブ４８より上流側を上流側パージ用流路６２１とし、下流側を下流側パージ用流路６２２とする。

上記の構成において、第１および第２の燃料供給路３４ａ，３４ｂ、バイパス路３４ｃ、還流路３４ｄ、エジェクタ４０、第１および第２の燃料供給用電磁バルブ４２，４４、圧力センサ４６、燃料供給用手動バルブ４８、パージ用流路６２およびパージ用手動バルブ６４は、バルブユニット７０（多面体）の内部に一体的に配置される。

尚、図１において、燃料や滞留物の流路となる各流路を太い実線で示し、空気の流路となる各流路を２重線で示した。

図１の説明を続けると、燃料電池１２の出力端子には、出力回路８０が接続される。出力回路８０は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８２およびリレー８４を介して図示しない外部機器に接続されると共に、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ８６を介してＥＣＵ８８に接続される。ＥＣＵ８８には、外部からオン・オフ自在な運転スイッチ９０が接続されると共に、前記したリレー８４が接続される。また、ＥＣＵ８８には、圧力センサ４６の信号が入力される。

次いで、上記した構成を前提に燃料電池１２の始動動作について説明する。図２は、燃料電池１２の始動動作を示すフロー・チャートである。

図２に示すように、先ず、燃料供給用手動バルブ４８を開弁する（Ｓ１０）。燃料供給用手動バルブ４８が開弁されることにより、バイパス路３４ｃが開放されて燃料電池１２に燃料の供給が開始される（Ｓ１２）。

Ｓ１０からＳ１２の動作について図１を参照して詳説すると、水素ガスボンベ３２に封入された高圧の水素は、ボンベバルブ３６が手動で開弁されることによってレギュレータ３８に供給される。レギュレータ３８で減圧、調圧された燃料は、燃料供給用手動バルブ４８が開弁されることによってバイパス路３４ｃを介してエジェクタ４０に供給され、さらに第２の燃料供給路３４ｂを介して燃料電池１２の燃料極に供給される。尚、図１に示す第１および第２の燃料供給用電磁バルブ４２，４４は、燃料電池１２の非運転時に燃料が外部に流出するのを防止するため、燃料電池１２の運転終了時に全て閉弁されているものとする。換言すれば、第１および第２の燃料供給用電磁バルブ４２，４４は、いずれもノーマル・クローズ型（非通電時に閉弁する）の電磁バルブである。

図２フロー・チャートの説明に戻ると、次いでパージ用手動バルブ６４を開弁する（Ｓ１４）。パージ用手動バルブ６４が開弁されることにより、パージ用流路６２が開放されて燃料電池１２内の滞留物（不反応ガスや生成水）が外部へと排出される（パージされる。Ｓ１６）。これにより、燃料電池１２に供給された燃料は燃料極に行き渡り、燃料電池１２は運転を始動する（発電を開始する。Ｓ１８）。

燃料電池１２が発電を開始すると、その電力の供給を受けたＥＣＵ８８が動作を開始する（Ｓ２０）。ＥＣＵ８８は、第１の燃料供給用電磁バルブ４２と第２の燃料供給用電磁バルブ４４を開弁させて（Ｓ２２）第１の燃料供給路３４ａを開放する（Ｓ２４）と共に、その他の補機も起動させる（Ｓ２６）。

Ｓ１４からＳ２４の動作について図１を参照して詳説すると、パージ用手動バルブ６４が開弁されてパージ用流路６２が開放されることで、燃料電池１２の燃料極に滞留した滞留物は、燃料極に供給された燃料によって燃料電池１２内から押し出された後、還流路３４ｄ、エジェクタ４０、パージ用流路６２およびエキゾーストマニホールド５２を介して外部に排出される。

燃料電池１２の各単電池１４では、滞留物が排出されることによって燃料が燃料極に行き渡り、かかる燃料が空気極に存在する空気（酸素）と電気化学反応を生じることにより、発電が開始される。

燃料電池１２の発電が開始されると、その電力は出力回路８０に設けられた第２のＤＣ−ＤＣコンバータ８６で適宜な大きさの直流電圧に変換された後、ＥＣＵ８８に動作電源として供給される。

電力の供給を受けて起動させられたＥＣＵ８８は、第１の燃料供給用電磁バルブ４２と第２の燃料供給用電磁バルブ４４を開弁して燃料を調量する。第１の燃料供給用電磁バルブ４２と第２の燃料供給用電磁バルブ４４で調量された燃料は、第１の燃料供給路３４ａ、エジェクタ４０および第２の燃料供給路３４ｂを介して燃料電池１２の燃料極に供給される。

ＥＣＵ８８は、さらに、電磁バルブ以外のその他の補機、具体的にはエアブロワ２２を動作させ、空気供給路２４に空気を流入させる。エアブロワ２２を介して空気供給路２４に流入された空気は、冷却供給路２４ａと反応供給路２４ｂに所定の割合で分配された後、冷却供給路２４ａを介して各単電池１４に冷却用の空気として供給されると共に、反応供給路２４ｂを介して各空気極に反応用の空気として供給される。

各単電池１４の冷却に使用された冷却空気、および空気極を通過した反応空気は、それぞれ冷却空気排出路５４ａと反応空気排出路５４ｂを介して燃料電池１２内から流出した後、エキゾーストマニホールド５２を介して外部へと排出される。

図２フロー・チャートの説明に戻ると、ＥＣＵ８８が起動して第１の燃料供給用電磁バルブ４２と第２の燃料供給用電磁バルブ４４が開弁されると、燃料供給用手動バルブ４８を開弁する必要がなくなる。このため、ＥＣＵ８８は、燃料電池１２の発電が開始されてＥＣＵ８８が起動したこと、換言すれば、外部機器への電力供給の準備が整ったことを操作者に報知する（Ｓ２８）。かかる報知を受けて燃料供給用手動バルブ４８とパージ用手動バルブ６４が閉弁された（Ｓ３０，Ｓ３２）後は、通常の運転状態（ＥＣＵ８８による制御）へと移行する（Ｓ３４）。

Ｓ２８からＳ３４の動作について図１を参照して詳説すると、ＥＣＵ８８は、燃料電池１２の発電が開始されてＥＣＵ８８が起動したこと、換言すれば、外部機器への電力供給の準備が整ったことを、音声や表示などの適宜な報知手段（図示せず）を介して操作者に報知する。

そして、外部機器への電力供給の準備が整ったことを知った操作者によって燃料供給用手動バルブ４８とパージ用手動バルブ６４が閉弁され、バイパス路３４ｃとパージ用流路６２が閉鎖されると、燃料電池１２は通常の運転状態へと移行する。尚、燃料極１２に供給された燃料のうち、空気との電気化学反応に供されなかった未反応燃料は、還流路３４ｄおよびエジェクタ４０を介して第２の燃料供給路３４ｂに還流され、再度燃料極に供給される。

燃料電池１２が通常の運転状態に移行した後に運転スイッチ９０が手動で操作（オン）されると、ＥＣＵ８８は、出力回路８０に設けられたリレー８４を動作させて第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８２と外部機器を導通させる。これにより、燃料電池１２で発電された電力は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ８２で適宜な大きさの直流電圧に変換された後、リレー８４を介して外部機器へと供給される。

また、ＥＣＵ８８は、圧力センサ４６の出力に基づいて燃料が漏洩していないか判定し、燃料が漏洩していると判定したときは音声や表示などの適宜な報知手段（図示せず）を介して操作者に報知する。

このように、この発明の第１実施例に係る燃料電池１２にあっては、第１の燃料供給路３４ａを開閉する第１の燃料供給用電磁バルブ４２と第２の燃料供給用電磁バルブ４４と、それらをバイパスするバイパス路３４ｃと、それを開閉する燃料供給用手動バルブ４８とを備えると共に、燃料電池１２の始動時に、前記燃料供給用手動バルブ４８を開弁して燃料電池１２に燃料を供給するように構成したので、燃料電池１２を始動させる際の燃料の供給を外部電源を使用することなく実行することができる。

さらに、パージ用流路６２と、それを開閉するパージ用手動バルブ６４とを備え、燃料電池１２の始動時に、前記パージ用手動バルブ６４を開弁して燃料電池１２内の滞留物を外部に排出する（パージする）ように構成したので、始動時における滞留物のパージを外部電源を使用することなく実行することができる。このため、外部電源を不要とすることができ、発電ユニット１０の容積および重量を減少させることができる。

次いで、図３から図６を参照して前記したバルブユニット７０について詳説する。

図３は、バルブユニット７０の平面図であり、図４はバルブユニット７０の側面図である。また、図５は図３のＶ−Ｖ線断面図であり、図６は図４のVI−VI線断面図である。

図３および図４に示すように、バルブユニット７０は、多面体（具体的には略直方体）のケース７０Ａを備える。ケース７０Ａの内部には、図５および図６に示すように、第１および第２の燃料供給路３４ａ，３４ｂ、バイパス路３４ｃ、還流路３４ｄ、エジュクタ４０、第１および第２の燃料供給用電磁バルブ４２，４４、圧力センサ４６、燃料供給用手動バルブ４８、パージ用流路６２およびパージ用手動バルブ６４が一体的に配置される。

以下、図５および図６を参照し、ケース７０Ａの内部に配置された各構成について詳説する。

先ず、各流路の配置について説明すると、図５および図６に示すように、Ｘ方向（具体的には−Ｘ方向）に向けて形成された第１の燃料供給路３４ａは、途中でＹ方向（−Ｙ方向）へと屈曲され（この部位を第１屈曲部位３４ａ１とする）、第１の燃料供給用電磁バルブ４２の１次室４２ａに連通される。さらに、第１の燃料供給路３４ａは、第１の燃料供給用電磁バルブ４２の２次室４２ｂからＹ方向（＋Ｙ方向）に向けて形成され、第２の燃料供給用電磁バルブ４４の１次室４４ａに連通される。そして、第１の燃料供給路３４ａはさらに第２の燃料供給用電磁バルブ４４の２次室４４ｂからＹ方向（−Ｙ方向）に向けて形成されると共に、途中でＸ方向（−Ｘ方向）へと屈曲され（この部位を第２屈曲部位３４ａ２とする）、エジェクタ４０に連通される。

また、第１の燃料供給路３４ａにおいて、第１の屈曲部位３４ａ１からは、Ｚ方向（−Ｚ方向）に向けてバイパス路３４ｃ（具体的には、上流側バイパス路３４ｃ１）が形成される。上流側バイパス路３４ｃ１は、燃料供給用手動バルブ４８の１次室４８ａに連通される。また、燃料供給用手動バルブ４８の２次室４８ｂからは、下流側バイパス路３４ｃ２がＸＺ方向（−Ｘ，−Ｚ方向）に向けて形成され、第１の燃料供給用電磁バルよりも下流の第１の燃料供給路３４ａと所定の角度をなして連通される。

また、第１の燃料供給路３４ａにおいて、前記下流側バイパス路３４ｃ２が連通された部位の付近には、分岐流路３４ａ３が形成され。分岐流路３４ａ３の終端には、油圧センサ４６が取り付けられる。

エジェクタ４０には、Ｚ方向（−Ｚ方向）に向けて形成された還流路３４ｄが連通される。また、エジェクタ４０からは、Ｘ方向（−Ｘ方向）に向けて第２の燃料供給路３４ｂが形成されると共に、Ｚ方向（−Ｚ方向）に向けてパージ用流路６２（具体的には、上流側パージ流路６２１が形成される。

上流側パージ流路６２１は、パージ用手動バルブ６４の１次室６４ａに連通される。パージ用手動バルブ６４の２次室６４ｂからは、下流側パージ用流路６２２がＸ方向（−Ｘ方向）に向けて形成される。尚、上記において各流路の方向とは、燃料あるいは滞留物の流れ方向を意味している。

次いで、各バルブの構造および開閉動作について詳説すると、図５に示すように、燃料供給用手動バルブ４８の１次室４８ａと２次室４８ｂの間には、バルブ部４８ｃが介在する。バルブ部４８ｃは、燃料電池１２の運転が停止し、かつ操作部４８ｄが操作者によって操作（押圧）されていないとき、第１のバネ４８ｅによって操作部４８ｄの方向へ付勢され、１次室４８ａと２次室４８ｂを区画する隔壁に設けられた孔４８ｆを封鎖する。即ち、燃料電池１２の運転が停止し、かつ操作部４８ｄが操作者によって押圧されていないときは、バイパス路３４ｃ（より具体的には、下流側バイパス路３４ｃ２）に燃料は流入されない。尚、燃料電池１２の運転が停止しているときは、図１に示す第１の燃料供給用電磁バルブ４２および第２の燃料供給用電磁バルブ４４も閉弁されているため、第１の燃料供給路３４ａにも燃料は流入しない、換言すれば、燃料電池１２には燃料が供給されない。

一方、操作者によって操作部４８ｄが押圧されると、第２のバネ４８j、ダイヤフラム４８ｈおよび突起４８ｉを介してバルブ部４８ｃが押圧され、第１のバネ４８ｄの付勢力に抗する方向へと移動する。これにより、孔４８ｆが開口されて１次室４８ａと２次室４８ｂが連通され、下流側バイパス路３４ｃ２に水素ガスが流入する。即ち、燃料電池１２にバイパス路３４ｃを介して燃料が供給される。

燃料電池１２に燃料が供給されて発電が開始されると、第１の燃料供給用電磁バルブ４２と第２の燃料供給用電磁バルブ４４のバルブ部４２ｃ，４４ｃ（図６に示す）が駆動され、それぞれの１次室４２ａ，４４ａと２次室４２ｂ，４４ｂが連通される。これにより、燃料電池１２に第１の燃料供給路３４ａを介して燃料が供給される。

また、第１の燃料供給路３４ａに燃料が流入することによって燃料供給用手動バルブ４８の２次室４８ｂ内の圧力が設定値以上に大きくなると、第２のバネ４８ｇがその圧力に屈して収縮する。これにより、バルブ部４８ｃの押圧が解除され、バルブ部４８ｃは第１のバネ４８ｅの付勢力によって孔４８ｆを再度封鎖する。これにより、第１の燃料供給用電磁バルブ４２および第２の燃料供給用電磁バルブ４４が開弁された後に操作部４８ｄが押圧され続けた場合であっても、燃料が下流側バイパス路３４ｃ２に流入することがない。

パージ用手動バルブ６４も、燃料供給用手動バルブ４８と同様に構成される。即ち、パージ用手動バルブ６４も、１次室６４ａと２次室６４ｂの間にはバルブ部６４ｃが介在させられる。バルブ部６４ｃは、燃料電池１２の運転が停止し、かつ操作部６４ｄが操作者によって操作（押圧）されていないとき、第１のバネ６４ｅによって操作部６４ｄの方向へ付勢され、１次室６４ａと２次室６４ｂを区画する隔壁に設けられた孔６４ｆを封鎖する。即ち、燃料電池１２の運転が停止し、かつ操作部６４ｄが操作者によって押圧されていないときは、パージ用流路６２は開放されない。

一方、操作者によって操作部６４ｄが押圧されると、第２のバネ６４ｇ、ダイヤフラム６４ｈおよび突起６４ｉを介してバルブ部６４ｃが押圧され、第１のバネ６４ｄの付勢力に抗する方向へと移動する。これにより、孔６４ｆが開口されて１次室６４ａと２次室６４ｂが連通され、パージ用流路６２が開放される。即ち、燃料電池１２内の滞留物が、パージ用流路６２を介して外部へと排出される。尚、燃料供給用手動バルブ４８の操作部４８ｄとパージ用手動バルブ６４の操作部６４ｄは、操作性を考慮して同一面に近接して配置するようにした。

ここで、燃料電池１２が始動して第１の燃料供給用電磁バルブ４２と第２の燃料供給用電磁バルブ４４が開弁され、第１の燃料供給路３４ａに燃料が流入してパージ用手動バルブ６４の２次室６４ｂ内の圧力が設定値以上に大きくなると、第２のバネ６４ｇがその圧力に屈して収縮する。これにより、バルブ部６４ｃの押圧が解除され、バルブ部６４ｃは第１のバネ６４ｅの付勢力によって孔６４ｆを再度封鎖する。即ち、パージ用流路６２が閉鎖される。これにより、第１の燃料供給用電磁バルブ４２および第２の燃料供給用電磁バルブ４４が開弁された後に操作部６４ｄが押圧され続けた場合であっても、パージ用流路６２を介して燃料が外部へと排出されることがない。

このように、この実施例に係る燃料電池１２にあっては、バルブユニット７０の内部に第１および第２の燃料供給路３４ａ，３４ｂと、バイパス路３４ｃと、還流路３４ｄと、第１および第２の燃料供給用電磁バルブ４２，４４と、燃料供給用手動バルブ４８とを一体的に配置し、ユニット化するように構成したことから、燃料供給系３０の接続部（組み立て時に接続作業が必要とされる部位）を減少させることができ、よって燃料が漏洩する恐れを低減することができると共に、燃料供給系３０の組み立て作業を簡素化することができる。また、ケース７０Ａの内部において、各流路をＸ，Ｙ，Ｚ方向に（３次元的に）自由に配置することができるため、燃料供給系３０をコンパクト化して発電ユニット１０全体の容積や重量を一層減少させることができる。尚、バルブユニット７０は別体で構成されるため、その内部において各流路を自由に配置しても、燃料供給系３０の組み立て作業が煩雑化することはない。

また、燃料供給系３０のみならず、パージ系６０を構成するパージ用流路６２およびパージ用手動バルブ６４もケース７０Ａの内部に一体的に配置する、換言すれば、それらを一体化あるいはユニット化するようにしたので、燃料供給系３０およびパージ系６０の接続部を減少させることができ、よって燃料が漏洩する恐れを低減することができると共に、燃料供給系３０およびパージ系６０の組み立て作業を簡素化することができる。また、燃料供給系３０およびパージ系６０をコンパクト化することができ、発電ユニット１０全体の容積や重量をより一層減少させることができる。

また、エジェクタ４０や圧力センサ４６もケース７０Ａの内部に一体的に配置するように構成したので、燃料供給系３０の接続部をさらに減少させることができ、よってそれに付随する上記効果（燃料の漏洩危惧低減、組み立て作業の簡素化、および燃料供給系３０のコンパクト化による発電ユニット１０全体の容積や重量の減少）を一層効果的に得ることができる。

尚、図３から図６に示すように、ケース７０Ａからは、第１の燃料供給路３４ａと、第２の燃料供給路３４ｂと、パージ用流路６２（上流側パージ用流路６２１と下流側パージ用流路６２２）のそれぞれの端部が外方に向けて突出される。これらは、燃料供給系３０およびパージ系６０を組み立てるときに他の流路との接続が必要とされる部位（接続部）である。即ち、この実施例にあっては、燃料供給系３０とパージ系６０を合わせ、接続部は４箇所のみである。

これに対し、ユニットバルブ７０を形成しない場合は、各バルブ、エジェクタ、センサと各流路の連通部分の多くが接続部となることから、この実施例の２倍ないし３倍の接続部が存在することになる。

以上の如く、この発明の第１実施例にあっては、燃料供給源（水素ガスボンベ３２）を燃料極に接続する燃料供給路（第１および第２の燃料供給路３４ａ，３４ｂ）と、前記燃料供給路（第１の燃料供給路３４ａ）に配置されると共に、発電によって得られる電力で前記燃料供給路（３４ａ）を開閉する燃料供給用電磁バルブ（第１および第２の燃料供給用電磁バルブ４２，４４）とを備え、前記燃料供給用電磁バルブ（４２，４４）で調量された燃料を空気と反応させて発電する燃料電池（１２）において、前記燃料供給用電磁バルブ（４２，４４）をバイパスするバイパス路（３４ｃ）と、前記バイパス路（３４ｃ）に配置されて前記バイパス路（３４ｃ）を開閉する燃料供給用手動バルブ（４８）とを備え、前記燃料電池（１２）の始動時に、前記燃料供給用手動バルブ（４８）を開弁し、前記燃料極に燃料を供給して発電を開始させ、次いで前記発電によって得られる電力で前記燃料供給用電磁バルブ（４２，４４）を開弁して前記燃料極への燃料の供給を継続すると共に、前記燃料供給路（３４ａ，３４ｂ）、前記燃料供給用電磁バルブ（４２，４４）、前記バイパス路（３４ｃ）および前記燃料供給用手動バルブ（４８）を多面体（バルブユニット７０）の内部に一体的に配置するように構成した。

さらに、前記燃料供給路（３４ａ，３４ｂ）に接続されて前記燃料極の滞留物を排出するパージ用流路（６２）と、前記パージ用流路（６２）に配置されて前記パージ用流路（６２）を開閉するパージ用手動バルブ（６４）とを備え、前記燃料電池（１２）の始動時に、前記パージ用手動バルブ（６４）を開弁して前記滞留物を排出すると共に、前記パージ用流路（６２）および前記パージ用手動バルブ（６４）を前記多面体（７０）の内部に一体的に配置するように構成した。

さらに、前記燃料極から排出される未反応燃料を前記燃料供給路（第２の燃料供給路３４ｂ）に還流する還流路（３４ｄ）と、前記還流路（３４ｄ）を前記燃料供給路（３４ｂ）に接続するエジェクタ（４０）とを備えると共に、前記還流路（３４ｄ）および前記エジェクタ（４０）を前記多面体（７０）の内部に一体的に配置するように構成した。

さらに、前記燃料供給路（第１の燃料供給路３４ａ）内の圧力を検出する圧力センサ（４６）を備えると共に、前記圧力センサ（４６）を前記多面体（７０）の内部に一体的に配置するように構成した。

尚、上記において、燃料供給用手動バルブ４８の操作部４８ｄとパージ用手動バルブ６４の操作部６４ｄを一体的に形成し、それらの動作を連動させるようにしても良い。

また、燃料供給用電磁バルブを２個備えるようにしたが、１個であっても良いし、３個以上備えるようにしても良い。さらに、パージ用流路６２にパージ用の電磁バルブを配置し、燃料電池１２が通常運転を開始した後に、定期的にパージを実行するようにしても良い。尚、燃料供給用電磁バルブを３個以上にした場合やパージ用流路６２に電磁バルブを設けた場合も、それらをバルブユニット７０の内部に一体的に収容する（ユニット化）すべきなのは言うまでもない。

また、圧力センサ４６を第１の燃料供給路３４ａに取り付けるようにしたが、燃料の圧力を計測することができれば、第２の燃料供給路３４ｂなど、他の流路であっても良い。

この発明の第１実施例に係る燃料電池を発電ユニットの一部として示す概略図である。図１に示す燃料電池の始動動作を示すフロー・チャートである。図１に示すバルブユニットの平面図である。図１に示すバルブユニットの側面図である。図３のＶ−Ｖ線断面図である。図４のVI−VI線断面図である。

符号の説明

１２燃料電池
３４ａ第１の燃料供給路
３４ｂ第２の燃料供給路
３４ｃバイパス路
３４ｄ還流路
４０エジェクタ
４２第１の燃料供給用電磁バルブ
４４第２の燃料供給用電磁バルブ
４６圧力センサ
４８燃料供給用手動バルブ
６２パージ用流路
６４パージ用手動バルブ
７０バルブユニット（多面体）

Claims

燃料供給源を燃料極に接続する燃料供給路と、前記燃料供給路に配置されると共に、発電によって得られる電力で前記燃料供給路を開閉する燃料供給用電磁バルブとを備え、前記燃料供給用電磁バルブで調量された燃料を空気と反応させて発電する燃料電池において、前記燃料供給用電磁バルブをバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に配置されて前記バイパス路を開閉する燃料供給用手動バルブとを備え、前記燃料電池の始動時に、前記燃料供給用手動バルブを開弁し、前記燃料極に燃料を供給して発電を開始させ、次いで前記発電によって得られる電力で前記燃料供給用電磁バルブを開弁して前記燃料極への燃料の供給を継続すると共に、前記燃料供給路、前記燃料供給用電磁バルブ、前記バイパス路および前記燃料供給用手動バルブを多面体の内部に一体的に配置するように構成したことを特徴とする燃料電池。
さらに、前記燃料供給路に接続されて前記燃料極の滞留物を排出するパージ用流路と、前記パージ用流路に配置されて前記パージ用流路を開閉するパージ用手動バルブとを備え、前記燃料電池の始動時に、前記パージ用手動バルブを開弁して前記滞留物を排出すると共に、前記パージ用流路および前記パージ用手動バルブを前記多面体の内部に一体的に配置するように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
さらに、前記燃料極から排出される未反応燃料を前記燃料供給路に還流する還流路と、前記還流路を前記燃料供給路に接続するエジェクタとを備えると共に、前記還流路および前記エジェクタを前記多面体の内部に一体的に配置するように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
さらに、前記燃料供給路内の圧力を検出する圧力センサを備えると共に、前記圧力センサを前記多面体の内部に一体的に配置するように構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。