JP4806181B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発電を行う燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムにおいて、固体高分子膜を挟んで対向する燃料極（水素極）と酸化剤極（空気極）には、水素を含む燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）がそれぞれ供給される。そして、燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。この燃料電池ステムは、発電により水を生成するが、水が排出されず燃料電池システム内に溜まることがある。また、燃費の向上のため、燃料ガスを再循環する場合は、薄い固体高分子膜を通して燃料ガスと空気とが相互に透過し、再循環される燃料ガス中に空気が蓄積してくる。こうなると燃費や発電性能が低下したり、電極や固体高分子膜等が劣化したりするおそれがある。

このため、この燃料電池システムでは、システム内に溜まった水や残留しているガスを掃気ガスにより掃気すること（排出すること）が行われる。特許文献１には、システムの停止時などに掃気ガスとして酸化剤極用のコンプレッサから供給される空気を燃料極に供給して掃気を行うことが記載されている。
特開２００３−３３１８９３号公報（段落００１２〜００１９、図１）

ところで、酸化剤側と燃料極側とを連通させて、酸化剤極側のコンプレッサが供給する空気を掃気ガスとして燃料極を掃気する場合、前記した理由により、通常運転時に、燃料ガスと空気との混合を防止する必要がある。

そこで、本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、通常運転時における弁体の密閉性を向上させて、燃料電池の酸化剤極側に燃料ガスが漏れることを防止した燃料電池システムを提供することである。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の燃料ガス供給口に燃料ガスを供給する燃料ガス導入路と、前記燃料ガス導入路に設けられたエゼクタと、前記燃料電池の燃料ガス排出口と前記エゼクタとを連通し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環通路と、前記燃料ガス循環通路に設けられ循環する燃料ガスの逆流を防止する逆止弁と、前記燃料電池の酸化剤ガス供給口に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流通路と、前記エゼクタと前記逆止弁との間の前記燃料ガス循環通路と、前記酸化剤ガス流通路とを連通する連通路と、弁体および弁座を備えると共に前記連通路に設けられ、前記燃料電池の発電時、前記弁体を前記弁座に押し付け前記燃料ガス循環通路と前記酸化剤ガス流通路とを遮断し、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合することを阻止し、前記燃料電池の掃気時、前記弁体を前記弁座から離間させ前記酸化剤ガス流通路と前記燃料ガス導入路とを連通し、前記酸化剤ガス流通路の酸化剤ガスを掃気ガスとして前記燃料ガス導入路に導入する掃気ガス導入弁と、を備えた燃料電池システムであって、前記弁体は、前記燃料ガス循環通路および前記酸化剤ガス流通路のうちで圧力が高い高圧側流通路に連通して設けられ、前記弁座は、前記高圧側流通路より圧力の低い低圧側流通路に連通して設けられ、前記弁体の前記高圧側流路に接触する側の面積は、前記弁座の開口部の面積よりも大きいことを特徴とする。

請求項１に記載の燃料電池システムの発明によれば、燃料電池の発電時には、連通遮断手段が燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路との連通を遮断して、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合されることを阻止する。これにより、燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合したガスに電極が接触し、酸化して劣化することを防止することが可能となる。また、燃料電池システムは、連通遮断手段を備えたことにより、燃料ガスの漏れを防止するため、燃料ガスの消費を抑制できる。

また、請求項１に記載の燃料電池システムの発明によれば、燃料電池システムが作動中のときには、弁体にかかる燃料極側の圧力が、酸化剤極側の圧力より大きい。このため、例えば、掃気ガス導入弁の弁体がある側に燃料極を配置することにより、燃料極（高圧側流通路）と酸化剤極（低圧側流通路）の圧力差で、作動時に、弁体が弁座に押し付けるように働く。したがって、燃料電池システムの作動中は、弁体を強制的に開放しない限り、確実に弁体が弁座を閉塞するため、燃料ガスと酸化剤ガスが混合することがない。

さらに、請求項１に記載の燃料電池システムの発明によれば、弁体の高圧側流通路に接触する面積が、弁座の開口部の面積より大きいことにより、弁体が高圧側流通路の圧力によって弁座に押し付けられるため、発電時に、確実に弁体が弁座を閉塞する。
このように、燃料電池システムは、例えば、バルブスプリングのばね荷重を上げることなく、確実に弁体が弁座を閉塞できることにより、ソレノイドの磁力を上げることなく、弁体の密閉性を向上させることができる。

請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガス排出口と前記逆止弁との間の前記燃料ガス循環通路に設けられ、前記燃料ガス循環通路内の燃料ガス中の水分を分離して内部に滞留するキャッチタンクを備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電時には、連通遮断手段が燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路との連通を遮断して、燃料ガスが酸化剤ガス側に漏れて混合されることを防止できる。これにより、燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合したガスが電極に流れて、電極を酸化して劣化させることを防止することができるとともに、燃料ガスの漏れを防止して燃料ガスの消費を抑制できる。

次に、図１および図２を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という）を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。

≪燃料電池システム≫
図１に示す燃料電池システム１は、例えば、燃料電池スタック（以下、「燃料電池」という）を電源として、その燃料電池２の電力で走行モータが駆動して走行する車両などに使用される。この燃料電池システム１は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発電を行う燃料電池２と、燃料ガスが流通する燃料ガス流通路３と、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路４と、燃料ガス流通路３と酸化剤ガス流通路４とを連通する連通路５と、燃料電池２の発電時に、燃料ガス流通路３と酸化剤ガス流通路４との連通を遮断する掃気ガス導入弁（連通遮断手段）６とを備えている。

≪燃料電池≫
図１に示す燃料電池２は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極２ａと酸化剤極２ｂとを対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成されている。そして、燃料電池２は、例えば、酸化剤極２ｂに供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素と、燃料極２ａに供給される燃料ガスとしての水素との電気化学反応によって電力を発生させる仕組みになっている。この水素と酸素を処理するときに、燃料電池２は、電力と熱を生成する。
なお、燃料極２ａは、一方の燃料ガス（水素）を供給される燃料ガス供給口側がエゼクタ７に接続され、他方の燃料ガス排出側がキャッチタンク８に接続されている。酸化剤極２ｂは、一方の酸化剤ガス供給口側が酸化剤ガス（酸素）としての空気を供給する空気供給部を構成するコンプレッサ１４に接続され、他方の酸化剤ガス排出側が背圧弁１５に接続されている。

≪燃料ガス流通路≫
燃料ガス流通路３は、水素などの燃料ガスを燃料ガス供給部１０から燃料極２ａの燃料ガス供給口に供給し、燃料極２ａ内の燃料ガスを燃料ガス排出口から外部に排出して流通させるための流通路である。この燃料ガス流通路３において、燃料極２ａの燃料ガス供給口側には、燃料ガス供給部１０、圧力制御部（図示せず）、エゼクタ７がそれぞれ接続され、燃料ガス排出口側には、燃料ガス循環通路３ｂを介してキャッチタンク８、逆止弁１１および排出弁１３が接続されている。燃料ガス流通路３は、後記する燃料ガス導入路３ａと、燃料ガス循環通路３ｂと、排出通路３ｃとから構成されている。

＜燃料ガス導入路＞
燃料ガス導入路３ａは、燃料ガス供給部１０からエゼクタ７を介して燃料極２ａに燃料ガスを送るための配管である。

＜燃料ガス循環通路＞
燃料ガス循環通路３ｂは、燃料電池システム１の通常運転時に、図１に太線で示すように、燃料電池２の燃料ガス排出口から排出された排出燃料ガスをキャッチタンク８、逆止弁１１およびエゼクタ７を介して再び燃料電池２の燃料ガス供給口に循環させるための配管である。この燃料ガス循環通路３ｂは、燃料極２ａに対して並列に接続されている。燃料ガス循環通路３ｂは、一端部がキャッチタンク８の下流部と排出弁１３との間の排出通路３ｃに設けられた継手部ａに接続され、他端部がエゼクタ７に接続され、中間部には後記する連通路５に接続された継手部ｂと逆止弁１１とが設けられている。なお、継手部ａ，ｂおよび後記する継手部ｃは、Ｔ字形継手からなる。

＜排出通路＞
排出通路３ｃは、前記燃料ガス導入路３ａによって燃料極２ａに供給された燃料ガスおよび酸化剤ガス（掃気ガス）を排出弁１３を介して外部に排出させるための配管である。

≪燃料ガス供給部≫
燃料ガス供給部１０は、ガスボンベからなり、燃料電池２の燃料極２ａに供給する燃料ガスが貯蔵されている。

≪エゼクタ≫
エゼクタ７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、燃料ガス供給部１０から圧力制御部（図示せず）を介して供給された燃料ガスが、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。そのノズル部からディフューザ部に向かって燃料ガス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、燃料ガス循環通路３ｂを介して燃料極２ａ側の排出燃料ガスが吸引され、燃料ガスと混合される。このエゼクタ７で混合された燃料ガスおよび排出燃料ガスは、燃料電池２の燃料ガス供給口に送られる。また、燃料電池２から排出された排出燃料ガスは、このエゼクタ７を介して燃料ガス循環通路３ｂを循環して再び燃料電池２に供給されるようになる。

≪キャッチタンク、ドレイン弁≫
キャッチタンク８は、燃料ガス流通路３内の燃料ガス中の過剰な水分（主に液体水）を分離して内部に滞留できるようにした中空のボックスであり、生成水を排出するためのドレイン弁９が設置されている。
ドレイン弁９は、このドレイン弁９を開くことにより、キャッチタンク８に滞留した生成水を外部に排出することができる。

≪逆止弁≫
逆止弁１１は、燃料ガス循環通路３ｂを流れる燃料ガスおよび掃気ガスが図１の矢印Ａ方向（キャッチタンク８の下流側からエゼクタ７方向）の１方向にのみ流して逆流することを防止するためのバルブである。この逆止弁１１は、図１に示すように、燃料ガス循環通路３ｂにおける継手部ａと継手部ｂとの間に介在される。なお、継手部ａ，ｂ間の距離は、なるべく短くする。

≪燃料ガス排出部≫
燃料ガス排出部１２は、燃料極２ａの燃料ガス排出口から排出された排出燃料ガスおよび掃気ガスを外部に排出する箇所であり、この燃料ガス排出部１２には、燃料ガスの排出を調整する排出弁１３が設置されている。この燃料ガス排出部１２は、排出弁１３を介して燃料ガス循環通路３ｂにあるキャッチタンク８の下流側に接続されている。

≪排出弁≫
排出弁１３は、燃料電池２の運転状態に応じて開閉動作が制御され、燃料ガス循環通路３ｂ内の不純物を含んだ燃料ガスおよび掃気ガス（酸化剤ガス）を外部に排出するためのバルブである。この排出弁１３は、燃料ガス流通路３において、燃料電池２の下流側に設置された継手部ａから外部に向けて設けたれた排出通路３ｃに配設されている。

≪酸化剤ガス流通路≫
酸化剤ガス流通路４は、空気などの酸化剤ガスを酸化剤極２ｂの酸化剤ガス供給口に供給し、酸化剤極２ｂ内の酸化剤ガスを酸化剤ガス排出部１６から外部に排出して流通させるための流通路である。この酸化剤ガス流通路４において、酸化剤極２ｂの酸化剤ガス供給口側には、コンプレッサ１４、放熱部および酸化剤加湿部がそれぞれ接続され、酸化剤ガス排出口側には、背圧弁１５が接続されている。また、酸化剤ガス流通路４において、燃料電池２の酸化剤ガス供給口とコンプレッサ１４との間には、後記する連通路５が接続されている。

≪コンプレッサ≫
コンプレッサ１４は、酸化剤ガスとしての空気を酸化剤ガス流通路４と連通路５に送り込むための装置であり、酸化剤ガス流通路４の上流側に設置されている。

≪酸化剤ガス排出部、背圧弁≫
酸化剤ガス排出部１６は、燃料電池２の酸化剤ガス排出口から出た酸化剤ガスを外部に排出するための箇所であり、酸化剤ガス排出部１６には、酸化剤ガスの排出を調整する背圧弁１５が設置されている。

≪連通路≫
連通路５は、燃料ガス流通路３と酸化剤ガス流通路４とを連通して、酸化剤ガスを燃料ガス循環通路３ｂに送るための配管である。連通路５は、一方がコンプレッサ１４と酸化剤極２ｂの酸化剤ガス供給口との間に配置された継手部ｃに接続され、他方がエゼクタ７と逆止弁１１との間に配置された継手部ｂに接続されている。

≪掃気ガス導入弁≫
掃気ガス導入弁６は、燃料電池２の発電時に、酸化剤ガス流通路４と燃料ガス流通路３との連通を遮断し、掃気時に、弁体６９（図２参照）を開放して酸化剤ガス流通路４の酸化剤ガスを燃料ガス流通路３に導入させるバルブである。掃気ガス導入弁６は、通常運転時に、一方（導出ポート側）が燃料ガス流通路３もしくは酸化剤ガス流通路４のうちで圧力が高い高圧側流通路に接続され、他方（導入ポート側）がその高圧側流通路より圧力の低い低圧側流通路に接続されている。なお、本発明の燃料電池システム１では、掃気ガス導入弁６の燃料ガス流通路３側が酸化剤ガス流通路４側より圧力が高くなっている。この掃気ガス導入弁６は、特許請求の範囲に記載の「連通遮断手段」に相当する。

図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムに使用される掃気ガス導入弁の一例を示す断面図である。
さらに、図２を参照して掃気ガス導入弁６を詳細に説明する。
前記掃気ガス導入弁６は、図２に示すように、バルブボディ６１と、プランジャ６２と、ガイド部材６３と、プレート部材６４と、カバー部材６５と、ソレノイド６６と、ハウジング６７と、弁座６８と、弁体６９とを備えた電磁弁からなる。

バルブボディ６１は、金属製材料によって形成され、掃気ガスとしての酸化剤ガスが導入される導入ポート６１ａと、掃気ガスが燃料ガス流通路３に導出される導出ポート６１ｂと、導入ポート６１ａの弁座６８を開閉する弁体６９が駆動できるように配置される駆動空間６１ｃと、を有している。

導入ポート６１ａは、バルブボディ６１内の駆動空間６１ｃに酸化剤ガス（掃気ガス）を送るための通路であり、連通路５を介して酸化剤ガス流通路４に連通している。この導入ポート６１ａの駆動空間６１ｃ側の開口端には、弁座６８がネジ止めされている。
導出ポート６１ｂは、弁座６８から弁体６９が離間したときに、導入ポート６１ａ内の酸化剤ガスを掃気ガス導入弁６から放出する通路であり、前記継手部ｂを介してエゼクタ７に連通している。

駆動空間６１ｃは、導入ポート６１ａと常に連通した状態にあるとともに、この導入ポート６１ａと導出ポート６１ｂとの間に両者が直交するように配置された空間である。この駆動空間６１ｃの内部には、弁体６９が軸線方向に向かって上下動自在に設けられている。この駆動空間６１ｃ内には、弁体６９以外に、バルブスプリングＳＰ、ストッパ６３ａおよび前記弁座６８が設けられている。駆動空間６１ｃは、バルブボディ６１とガイド部材６３とによって形成されるとともに、バルブボディ６１とガイド部材６３との間には、シール部材が介在されて気密性が保持されている。

プランジャ６２は、ソレノイド６６に電気が流れた際に磁力によって吸引されて、下端部に設置された弁体６９を弁座６８から離間させるための磁性体金属製である。このプランジャ６２の外側には、一端が弁体６９の上面に圧接し、他端がガイド部材６３に圧接して、ソレノイド６６のＯＦＦ時に弁体６９を弁座６８に押圧させるバルブスプリングＳＰが遊嵌されている。なお、このプランジャ６２と弁体６９と弁座６８とは、同じ軸心線上に設置されている。

ガイド部材６３は、バルブボディ６１の上部に配設されて、その内部にプランジャ６２が軸線方向に沿って進退自在に設けられて、ソレノイド６６のボビンとプレート部材６４とともにプランジャ６２を移動自在に支持している。このガイド部材６３には、弁座６８から離間した弁体６９を抑止するためのストッパ６３ａが設けられている。

プレート部材６４は、磁性金属製材料によって環状に形成され、ガイド部材６３とソレノイド６６との間に一体的に連結されている。プレート部材６４の中央部には、プランジャ６２を移動自在に挿設するための貫通孔が軸線方向に沿って穿設されている。
カバー部材６５は、ガイド部材６３の上部にプレート部材６４を介して配設されて、外周部には、ソレノイド６６のコイルに電流を供給するためのコネクタ部６５ａが設けられている。
ソレノイド６６は、コイルが巻回されたボビンと、このボビン内に移動自在に設けられたプランジャ６２とからなり、前記カバー部材６５の内部に配設されている。
ハウジング６７は、カバー部材６５およびソレノイド６６の外部を、シール材を介して覆うように装着されている。

弁座６８は、駆動空間６１ｃ内の弁体６９の下方に配置され、駆動空間６１ｃの下面から上方に向かって所定長だけ突出するように形成されるとともに、その中央部には、導入ポート６１ａの端部が配置されている。

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムに使用される掃気ガス導入弁の弁体と弁座との関係を示す模式図である。
図２に示すように、弁体６９は、弁座６８を開閉する部材であり、弁座６８およびストッパ６３ａに当接する箇所に、合成ゴムなどのパッキンからなる緩衝材６９ａ，６９ｂを表面と面一に設置している。図３に示すように、この弁体６９は、燃料ガス流通路（高圧側流通路）３内の燃料ガスに接触する側の面積Ｓ１が、弁座６８の開口部の面積Ｓ２より大きく形成されている。

バルブスプリングＳＰは、弁体６９に上面とガイド部材６３との間に介在されたコイルばねであり、ばね力（弾性力Ｆ２）によって弁体６９を弁座６８に押し付ける方向に付勢している。このバルブスプリングＳＰは、円柱状のプランジャ６２に遊嵌されるとともに、円筒状のストッパ６３ａ内に遊挿されていることにより支持されている（図２参照）。

≪動作≫
次に、図１〜図３を参照しながら燃料電池システム１の動作について説明する。
図１に示すように、燃料電池２は、燃料ガス供給部１０からエゼクタ７を介して燃料ガス流通路３から供給される燃料ガス（水素）と、コンプレッサ１４から酸化剤ガス流通路４によって供給される酸化剤ガス（酸素）との電気化学反応によって電力および熱を発生する。

燃料電池システム１の定常運転時には、掃気ガス導入弁６および排出弁１３が図示しない制御装置によって閉められている。このため、図１に太線で示すように、エゼクタ７から燃料極２ａに送られた燃料ガスが、キャッチタンク８、逆止弁１１、エゼクタ７を介して、燃料ガス循環通路３ｂを通って、再び燃料極２ａに戻るように矢印Ａ方向に循環される。このようにして燃料ガスの消費が削減されている。

なお、図２に示す掃気ガス導入弁６は、制御装置（図示せず）によってソレノイド６６がＯＦＦしている非励磁状態にあることにより、バルブスプリングＳＰの弾性力Ｆ２により弁体６９が弁座６８に押し付けられて閉塞されているため閉まっている。導出ポート６１ｂの圧力Ｐは、排出弁１３が閉まって、エゼクタ７によって燃料ガスが燃料ガス循環通路３ｂを循環されていることにより、導入ポート６１ａの圧力Ｑより、例えば、４倍の高さになっている（図１参照）。そして、弁体６９の燃料ガス流通路３内の燃料ガスに接触する側の面積Ｓ１は、弁座６８の開口部の面積Ｓ２より大きく形成されている。

例えば、導入ポート６１ａ内の酸化剤ガス（掃気ガス）の圧力Ｑによって弁体６９をプランジャ６２側に押し上げる力をｆ、弁体６９が導出ポート６１ｂ内の燃料ガスの圧力Ｐによって弁体６９を弁座６８側に押し付ける力をＦ１、弁体６９の燃料ガス流通路３内の燃料ガスに接触する側の面積をＳ１（図３参照）、弁座６８の開口部の面積をＳ２（図３参照）とすると、
Ｆ１＝Ｓ１×Ｐ
ｆ＝Ｓ２×Ｑ
となる。そして、
Ｓ１＞Ｓ２
Ｐ＞Ｑ
であるため、
Ｆ１＞ｆ
となる。さらに、弁体６９は、力Ｆ１と同じ力の方向であるバルブスプリングＳＰに弾性力Ｆ２が付勢されているため、掃気ガス導入弁６がＯＦＦのときに、弁体６９が強い力でしっかりと弁座６８を閉塞して、導入ポート６１ａと導出ポート６１ｂとの間が遮断されている。

そして、図１に示す燃料電池２の発電状態を停止して、燃料ガス循環通路３ｂ内の燃料ガスの圧力が低下したときに、図示しないセンサと制御装置によって、排出弁１３および掃気ガス導入弁６が開かれる。そうすると、燃料ガス循環通路３ｂ内の燃料ガスが排出通路３ｃおよび排出弁１３を通って排出弁１３から外部に排出される。

図２に示す掃気ガス導入弁６は、制御装置からソレノイド６６に通電されることにより、コイルが励磁され、コイルの磁力によりプランジャ６２がバルブスプリングＳＰの弾性力Ｆ２に抗して弁体６９を弁座６８から離間する方向に移動させる。弁体６９は、緩衝材６９ａがガイド部材６３のストッパ６３ａに当接して静止する。

その結果、掃気ガス導入弁６がオフ状態からオン状態（弁開状態）へと切り換わる。すると、図１に示すコンプレッサ１４からの酸化剤ガス（掃気ガス）が、酸化剤ガス流通路４および連通路５を通って導入ポート６１ａから駆動空間６１ｃ内に流れ込み、導出ポート６１ｂから継手部ｂ、エゼクタ７、燃料極２ａ、キャッチタンク８および排出弁１３を通って燃料ガス排出部１２から外部に排出されて、循環していた燃料ガスが押し出されるようにして掃気される。

燃料ガスの掃気が完了して、燃料電池２による発電状態の通常の状態に復帰させる場合、制御装置によって燃料ガス供給部１０からエゼクタ７を介して燃料極２ａに燃料ガスが送られるとともに、掃気ガス導入弁６および排出弁１３が遮断される。そして、再び、燃料極２ａから排出された燃料ガスが、キャッチタンク８、逆止弁１１、エゼクタ７を介して燃料極２ａに戻る燃料ガスの循環が行われる。

このとき、掃気ガス導入弁６は、制御装置によってソレノイド６６がＯＦＦ状態になるため、弁体６９およびプランジャ６２がバルブスプリングＳＰの弾性力Ｆ２によって弁座６８側に移動して、弁体６９の緩衝材６９ｂが弁座６８に圧接して弁座６８が閉塞される。そうすると、導入ポート６１ａが遮断されて、酸化剤ガス（掃気ガス）が燃料ガス循環通路３ｂ側に流れなくなり、掃気が停止される。

以上のように、本実施形態では、燃料電池２の発電時に、掃気ガス導入弁６が燃料ガス流通路３と酸化剤ガス流通路４との連通を遮断して、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合されることを阻止する。これにより、燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合したガスに燃料極２ａが接触し、酸化して劣化することを防止することができる。

また、燃料電池システム１が作動中のとき、図２に示す掃気ガス導入弁６の導出ポート６１ｂ（燃料極２ａ）側の圧力Ｐが、導入ポート６１ａ（酸化剤極２ｂ）側の圧力Ｑより大きく、その圧力差で、弁体６９が弁座６８に押し付けられるように働く。したがって、燃料電池システム１の作動中は、弁体６９を開放しない限り、確実に弁体６９が弁座６８を閉塞することができるため、燃料ガス流通路３の燃料ガスと、酸化剤ガス流通路４および連通路５の酸化剤ガスとが混合することがない。

さらに、弁体６９の燃料ガス（高圧側流通路）に接触する側の面積Ｓ１が、弁座６８の開口部の面積Ｓ２より大きいことにより、弁体６９が燃料ガス（高圧側流通路）の圧力によって弁座６８に押し付けられるため、確実に弁体６９が弁座６８を閉塞する。

ところで、前記した特許文献１の燃料電池システムでは、燃料極通路切換弁の入口側（酸化剤ガス側）をバルブオープン側に配置し、出口側（燃料側）をバルブクローズ側に配置した場合、通常の運転時の圧力バランスでは燃料極通路切換弁を開放する方向に圧力が働く。これにより、弁体が開放側に押圧されるため、酸化剤ガス側に燃料ガスが漏れ易く、弁体の密閉性に問題点がある。

これに対して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１は、前記したように、例えば、バルブスプリングＳＰのばね荷重（弾性力Ｆ２）を上げることなく、確実に弁体６９が弁座６８を閉塞できることにより、弁体６９の密閉性を向上させることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。

≪参考例≫
図４は、参考例に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
図１に示す掃気ガス導入弁６を、図４に示すように、酸化剤ガス流通路４および連通路５側（低圧流通路側）から燃料ガス流通路３（高圧流通路側）の一方向にのみ流れる逆止弁Ｂ１に変更したものである。
また、図１に示す排出弁１３を、図４に示すように、燃料ガス流通路３から燃料ガス排出部１２（外部）側の一方向にのみ流れる逆止弁Ｂ２に変更したものである。
このように、逆止弁Ｂ１を設けることにより、簡単な構成で燃料ガスが酸化剤ガス側に漏れることを防止できる。そして、逆止弁Ｂ１，Ｂ２を設けることにより、燃料ガス循環系の燃料ガスの循環と空気掃気が可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムに使用される掃気ガス導入弁の一例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムに使用される掃気ガス導入弁の弁体と弁座との関係を示す模式図である。 参考例に係る燃料電池システムを示すブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 燃料ガス流通路（高圧側流通路）
４ 酸化剤ガス流通路（低圧側流通路）
５ 連通路
６ 掃気ガス導入弁（連通遮断手段）
６８ 弁座
６９ 弁体
Ｓ１ 高圧側流通路に接触する弁の面積
Ｓ２ 弁座の開口部の面積
Ｂ１，Ｂ２ 逆止弁

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料ガス供給口に燃料ガスを供給する燃料ガス導入路と、
   前記燃料ガス導入路に設けられたエゼクタと、
   前記燃料電池の燃料ガス排出口と前記エゼクタとを連通し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環通路と、
   前記燃料ガス循環通路に設けられ循環する燃料ガスの逆流を防止する逆止弁と、
   前記燃料電池の酸化剤ガス供給口に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流通路と、
   前記エゼクタと前記逆止弁との間の前記燃料ガス循環通路と、前記酸化剤ガス流通路とを連通する連通路と、
   弁体および弁座を備えると共に前記連通路に設けられ、前記燃料電池の発電時、前記弁体を前記弁座に押し付け前記燃料ガス循環通路と前記酸化剤ガス流通路とを遮断し、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合することを阻止し、前記燃料電池の掃気時、前記弁体を前記弁座から離間させ前記酸化剤ガス流通路と前記燃料ガス導入路とを連通し、前記酸化剤ガス流通路の酸化剤ガスを掃気ガスとして前記燃料ガス導入路に導入する掃気ガス導入弁と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記弁体は、前記燃料ガス循環通路および前記酸化剤ガス流通路のうちで圧力が高い高圧側流通路に連通して設けられ、
   前記弁座は、前記高圧側流通路より圧力の低い低圧側流通路に連通して設けられ、
   前記弁体の前記高圧側流路に接触する側の面積は、前記弁座の開口部の面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス排出口と前記逆止弁との間の前記燃料ガス循環通路に設けられ、前記燃料ガス循環通路内の燃料ガス中の水分を分離して内部に滞留するキャッチタンクを備えることを特徴とする燃料電池システム。

Images