JP4864072B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の発電停止後に、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブとを弁閉状態としてカソードを封鎖すると共に、前記燃料電池の発電中に、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブとを弁開状態として前記カソードを開放することが可能な燃料電池システムに関する。

例えば、特許文献１には、燃料電池の発電停止中に発生するクロスリークを抑制するため、燃料電池のカソードの出入口に空気入口遮断弁及び空気出口遮断弁をそれぞれ設け、燃料電池の発電停止後に前記空気入口遮断弁及び空気出口遮断弁をそれぞれ弁閉状態として、前記カソードを封鎖する燃料電池システムが開示されている。

この特許文献１に開示された燃料電池システムでは、エアコンプレッサで圧縮されたエアを燃料電池へ供給圧力よりも高い圧力で蓄圧するバッファタンクが設けられ、大気に連通する大気圧室と前記バッファタンクから供給されるエアによって加圧される加圧室との差圧によって、前記空気入口遮断弁及び空気出口遮断弁の弁開閉動作の切り換えを行っている。

また、特許文献２には、燃料電池のカソードの出入口に燃料電池の発電停止時において弁閉状態となるノーマルクローズタイプの電磁弁をそれぞれ設けた燃料電池システムが開示されている。
特開２００８−２１８０７２号公報 特開２００６−２２１８３６号公報

しかしながら、特許文献２に開示された従来技術では、ソレノイドに通電することによって動作する電磁弁が採用され、燃料電池の運転中に電磁弁を弁開状態とするために前記電磁弁に対する通電状態を保持することが必要となり、燃料電池システムとしての発電効率が低下するという問題がある。特に、電磁弁の開閉用に大きな通電量が必要とされる場合には、燃料電池の運転中に電磁弁を弁開状態に保持する電力量が大きくなり、燃料電池の発電効率がより一層低下する。

また、特許文献１に開示された従来技術では、バッファタンクから供給されるエア圧力（エア圧駆動）によって各遮断弁の動作切換を行っているが、例えば、燃料電池の発電中のように各遮断弁を弁開状態とする必要がある場合、何らかの原因によって各遮断弁に供給されるエア圧が変動することにより各遮断弁を弁開状態に保持する保持力が低下し、各遮断弁が弁閉状態となるおそれがある。この結果、システム内のエア圧力の異常による燃料電池システムの破損又はシステムの停止を招来するおそれがある。

さらに、特許文献１に開示された従来技術では、各遮断弁を制御する弁開閉駆動機構として、バッファタンクや、前記バッファタンクから各遮断弁へのエアの供給を切り換えるエア供給切換弁や、前記バッファタンクへエア供給を切り換える開閉弁や、バッファタンクの圧力を検出する圧力センサ等の多数の部品が必要となり、燃料電池システムの複雑化及び大型化を招くという問題がある。

さらにまた、特許文献１に開示された従来技術では、例えば、エア配管の微小リークや環境温度等によって、各遮断弁を弁開状態に保持するために必要な圧力（保持力）に圧力変化が発生しやすいため、例えば、圧力低下時におけるエア供給機構等のように、各遮断弁の弁開状態を保持するための一定の圧力（保持力）を確保するための制御機構が別途必要となる。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電効率の低下を抑制しながら、各開閉バルブの弁開状態を確実に且つ安定して保持すると共に、システムの簡素化及び小型化を達成することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられたノーマルクローズタイプの第１の開閉バルブと、前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられたノーマルクローズタイプの第２の開閉バルブと、前記第１の開閉バルブを開閉操作する第１の開閉操作手段と、前記第２の開閉バルブを開閉操作する第２の開閉操作手段と、前記燃料電池の発電停止後に前記第１の開閉操作手段及び前記第２の開閉操作手段により、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを弁閉状態として前記カソードを封鎖すると共に、前記燃料電池の発電中に前記第１の開閉操作手段及び前記第２の開閉操作手段により、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを弁開状態として前記カソードを開放するカソード封鎖可能手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記第１の開閉操作手段及び前記第２の開閉操作手段により、前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブの少なくとも一方を弁開状態とした後、前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブの少なくとも一方を弁開状態に保持するべく固定可能な部材に対して弁体を係合させる弁開状態保持手段を備え、前記第１の開閉操作手段及び第２の開閉操作手段は、通電により駆動される回転駆動源と、前記回転駆動源の駆動軸に連結されるピニオンと、前記酸化剤ガス流路に連通するインレットポート、アウトレットポート及び室を有し前記室内に前記弁体が収納されるバルブハウジングと、前記弁体に連結されて該弁体と一体的に変位し前記バルブハウジングから外部に露呈するロッド部と、前記ロッド部の外周面に設けられ前記ピニオンと噛合するラック部とを備え、前記弁開状態保持手段は、前記バルブハウジングの外部に設けられるソレノイドを有するロック機構からなり、前記ロック機構は、前記ソレノイドの励磁作用又は非励磁作用によって進退動作するロックピンと、前記ロッド部の自由端に連結され前記ロックピンによって係止可能に設けられる係止片とを備え、前記ロック機構によって前記弁開状態に保持された後は、前記回転駆動源への通電が停止されることを特徴とする。

本発明によれば、第１の開閉操作手段及び前記第２の開閉操作手段により、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの少なくとも一方を弁開状態とした後、前記第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの少なくとも一方を弁開状態に保持する弁開状態保持手段を設けることにより、各開閉バブルを駆動する各開閉操作手段の保持力に依存することがなく、燃料電池の発電効率の低下を抑制しながら第１の開閉バルブ及び／又は第２の開閉バルブの弁体を弁開状態に確実に且つ安定して保持することができる。

また、本発明によれば、弁駆動機構をモータ等の回転駆動源による電気駆動式とすることにより、空気圧駆動方式と比較して、レギュレータ、複数のエア流量制御弁、エア切換弁等によって構成される複雑なエア駆動圧力制御システムが不要となるため、各弁体を作動させるシステムの簡素化・小型軽量化を達成することができる。また、ロック機構によって弁開状態に保持された後は、回転駆動源への通電を停止することにより、消費電力を削減して省エネルギ化を達成することができる。

さらに、本発明では、カソード封鎖可能手段によってカソードが封鎖されたとき、弁閉状態にある第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブが、前記封鎖されたカソード内の負圧によって弁閉方向に吸引されるように構成されるとよい。

本発明によれば、各開閉バルブの弁体に対して弁閉方向に負圧が作用するように燃料電池内の流路方向を設定することで、弁体を着座部の方向に向かって押圧する、例えば、ばね部材のばね力を低減することができると共に、弁体を弁閉状態から弁開状態に切り換えるときに弁体に付与される必要駆動荷重を軽減することができる。

本発明では、燃料電池の発電効率の低下を抑制しながら、各開閉バルブの弁開状態を確実に且つ安定して保持すると共に、システムの簡素化及び小型化を達成することが可能な燃料電池システムを得ることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図、図２は、前記燃料電池システムを構成する第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの概略縦断面図である。なお、本実施形態では、以下に燃料電池自動車を例示して説明しているが、これに限定されるものでなく、例えば、船舶や航空機等、又は業務用や家庭用の定置式等に適用することができる。

図１に示されるように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池１２、アノード系１４、カソード系１６、アノード掃気系１８、制御系２０を備えて構成されている。

燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）からなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しないセパレータで挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。

ＭＥＡは、電解質膜（固定高分子膜）、これを挟持するカソード及びアノード等を備える。前記カソード及びアノードは、例えば、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持された電極触媒層からなる。また、各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路２２及びカソード流路２４が形成されている。

このような燃料電池１２では、アノードに水素（反応ガス、燃料ガス）が供給され、一方、カソードに酸素を含むエア（反応ガス、酸化剤ガス）が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１２が発電可能な状態となる。

前記燃料電池１２は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、前記外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１２が発電するようになっている。なお、前記外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置、後記するエアポンプ２６等である。

アノード系１４は、水素タンク２８、遮断弁３０、パージ弁３２、配管ａ１〜ａ５等によって構成される。

水素タンク２８は、高純度の水素を高圧で圧縮したものであり、配管ａ１を介して下流側の遮断弁３０と接続されている。前記遮断弁３０は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ２を介して下流側の燃料電池１２のアノード流路２２の入口と接続されている。

パージ弁３２は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ３を介して上流側の燃料電池１２のアノード流路２２の出口と接続されている。また、入口側の配管ａ２と出口側の配管ａ３には、燃料電池１２のアノードの出口から排出された未反応の水素をアノードの入口側に戻す配管ａ４がそれぞれ接続されている。

なお、配管ａ４から配管ａ２への合流部には、図示しないエゼクタが設けられ、水素タンク２８から導出される水素の流れによって生じる負圧によって、配管ａ４から戻るガス（水素）を吸引するように構成されている。また、パージ弁３２は、配管ａ５を介して下流側の希釈器３４と接続されている。

カソード系１６は、エアポンプ２６、第１の開閉バルブ３６ａ、第２の開閉バルブ３６ｂ、背圧弁３８、希釈器３４、配管（酸化剤ガス流路）ｃ１〜ｃ５等で構成されている。

エアポンプ２６は、例えば、図示しないモータで駆動される機械式の過給器であり、取り込んだ外気（エア）を圧縮して燃料電池１２に供給する。

第１の開閉バルブ３６ａは、酸化剤ガスの供給側に設けられ、配管ｃ１を介して上流側のエアポンプ２６と接続されると共に、配管ｃ２を介して下流側の燃料電池１２のカソード流路２４の入口と接続されている。第２の開閉バルブ３６ｂは、酸化剤ガスの排出側に設けられ、配管ｃ３を介して上流側の燃料電池１２のカソード流路２４の出口と接続されると共に、配管ｃ４を介して下流側の背圧弁３４と接続されている。

第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂは、それぞれ、ノーマルクローズタイプで同一構成からなるため、以下、第１の開閉バルブ３６ａの構成を詳細に説明して、第２の開閉バルブ３６ｂの説明を省略する。

この第１の開閉バルブ３６ａは、図２に示されるように、流体が導入されるインレットポート４０ａ及び流体が導出されるアウトレットポート４０ｂがそれぞれ形成されたバルブハウジング４２と、前記バルブハウジング４２の室４４内に設けられてインレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとの連通状態と非連通状態とを切り換える弁体４６と、前記弁体４６を着座部４８に向かって押圧するばね部材５０と、前記弁体４６が着座部４８から離間する方向及び着座部４８に着座する方向に沿って前記弁体４６を変位させる弁駆動機構５２（開閉操作手段）と、前記弁体４６を弁開状態に保持するロック機構５４（弁開状態保持手段）とを備える。

なお、図１に示されるように、第１の開閉バルブ３６ａには、バルブハウジング４２のインレットポート４０ａに対してエアポンプ２６に連通する配管ｃ１が接続され、アウトレットポート４０ｂに対して燃料電池１２のカソード流路２４に連通する配管ｃ２が接続される。また、第２の開閉バルブ３６ｂには、バルブハウジング４２のインレットポート４０ａに対して燃料電池１２のカソード流路２４に連通する配管ｃ３が接続され、アウトレットポート４０ｂに対して背圧弁３８に連通する配管ｃ４が接続される。この場合、第１の開閉バルブ３６ａと第２の開閉バルブ３６ｂとでは、インレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂの位置が逆転して配設される（図４参照）。

弁体４６は、円板状に形成された弁部４６ａと、前記弁部４６ａの中心に連結されるロッド部４６ｂとを有し、前記弁部４６ａの下面には、バルブハウジング４２の着座部４８に当接してシール機能を発揮する弁パッキン４６ｃが装着される。

弁駆動機構５２は、例えば、ステッピングモータ等の電気駆動手段からなる回転駆動源５６と、前記回転駆動源５６の回転駆動軸５６ａ（モータ軸）に連結されたピニオン５８と、バルブハウジング４２から露呈する弁体４６のロッド部４６ｂの外周面に設けられ前記ピニオン５８と噛合するラック部６０とを有する。なお、前記回転駆動源５６は、バルブハウジング４２に連結された図示しない固定部材によって固定される。

この場合、回転駆動源５６が回転駆動されて回転駆動軸５６ａの回転運動がピニオン５８に伝達され、前記ピニオン５８の回転運動は、ピニオン５８とラック部６０との噛合作用によって弁体４６の直線運動（昇降運動）に変換される。この結果、前記弁体４６が着座部４８に着座してアウトレットポート４０ｂを閉塞することにより、インレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとの連通が遮断された弁閉状態となり、一方、前記弁体４６が着座部４８から離間することにより、バルブハウジング４２内の室４４を介してインレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとが連通する弁開状態となる。

ロック機構５４は、内部にコイルが巻回された図示しないソレノイドと、前記ソレノイドに通電して励磁することにより固定コア側に向かって吸引される図示しない可動コアと、前記可動コアに連結され該可動コアと一体的に水平方向（矢印Ｘ方向）に沿って進退動作するロックピン６２と、弁体４６のロッド部４６ｂの一端部（自由端）に連結され前記弁体４６と一体的に変位すると共に、弁開状態となったときに前記ロックピン６４によって係止される係止片６４とを有する。図示しないソレノイド、可動コア及びロックピン６２を含むロック機構５４は、バルブハウジング４２に連結された支持部材６４によって支持される。

ソレノイドに対して電流の供給が停止された非通電状態では、ロックピン６２が矢印Ｘ１方向に所定長だけ突出した状態にあって、前記ロックピン６２と係止片６４とが係合可能な状態にある。また、ソレノイドに対して電流が供給された通電状態では、ソレノイドの励磁作用によって可動コアが吸引されてロックピン６２が矢印Ｘ２方向に縮退することにより、前記ロックピン６２と係止片６４とが離間した非係合状態となる。

なお、前記ロックピン６４は、弁体４６が上昇して弁開状態となったとき、前記弁体４６に係合して弁開状態を保持する固定可能な部材として機能するものである。

さらに、弁駆動機構５２の回転駆動源５６及びロック機構５４の図示しないソレノイドは、例えば、高圧バッテリとは別個に設けられた図示しない低圧バッテリの電力によってそれぞれ駆動される。

背圧弁３８は、燃料電池１２のカソードの圧力を調整する機能を有し、弁開度の調節が可能なバタフライ弁（常開型）等で構成されている。また、背圧弁３８は、配管ｃ５を介して希釈器３４と接続されている。

希釈器３４は、パージ弁３２から排出された未消費の水素を、カソードから排出されたカソードオフガスによって希釈して車外に排出するものである。なお、カソード系１６には、エアポンプ２６から供給された空気を加湿する図示しない加湿器が配管ｃ１に設けられている。

アノード掃気系１８は、エア導入配管７０、エア導入弁７２、エア導出配管７４、エア導出弁７６等で構成されている。

エア導入配管７０は、エアポンプ２６からのエア（掃気ガス、酸化剤ガス）をアノードに導入する流路を構成し、上流側の端部が配管ｃ１と接続され、下流側の端部が配管ａ２と接続されている。エア導入弁７２は、エア導入配管７０の流路上に設けられ、燃料電池１２の発電停止後のアノード掃気時にＥＣＵ１００によって開弁される。

エア導出配管７４は、アノードから排出されたエア（掃気ガス）をカソード系１６に戻す流路を構成し、上流側の端部が配管ａ３と接続され、下流側の端部が背圧弁３８の下流側の配管ｃ５と接続されている。エア導出弁７６は、エア導出配管７４の流路上に設けられ、アノード掃気時にＥＣＵ１００によって開弁される。

制御系２０は、ＥＣＵ１００（Electronic Control Unit）、燃料電池１２の温度を検出する温度センサ１０２、タイマ１０４等で構成されている。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、掃気制御プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成される。また、ＥＣＵ１００は、遮断弁３０、パージ弁３２、第１の開閉バルブ３６ａ、第２の開閉バルブ３６ｂ、エア導入弁、エア導出弁をそれぞれ開閉制御すると共に、第１及び第２の開閉バルブ３６ａ、３６ｂにそれぞれ設けられた弁駆動機構５２、ロック機構５４をそれぞれ制御する。さらに、ＥＣＵ１００は、エアポンプ２６のモータの回転速度を制御し、背圧弁３８の弁開度を調整する。さらにまた、ＥＣＵ１００は、温度センサ１０２によって燃料電池１２の発電停止（ＩＧ−ＯＦＦ）からの経過時間（発電停止時間）等を計測する。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。図３は、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの動作説明に供される図であり、図３（ａ）は、各開閉バルブの弁閉状態を示す概略縦断面図、図３（ｂ）は、各開閉バルブの弁開状態を示す縦断面図、図３（ｃ）は、各開閉バルブが弁開状態に保持されたロック状態を示す縦断面図である。

先ず、燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されて、燃料電池１２の発電が停止されている場合について説明する。

運転者によってイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されている場合、ＥＣＵ１００からの制御信号によって、遮断弁３０が閉じられて燃料電池１２側への水素の供給が停止されていると共に、エアポンプ２６の図示しないモータの駆動が停止されて燃料電池１２側へのエアの供給が停止されている。また、燃料電池１２の発電停止中は、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂが弁閉状態となり、燃料電池１２のカソードが封鎖されている。

換言すると、燃料電池１２の発電停止中において、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂは、ノーマルクローズタイプのバルブからなり、図３（ａ）に示されるように、ばね部材５０のばね力によって弁体４６が着座部４８に対して着座するように押圧されている。従って、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂは、インレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとの連通が遮断された弁閉状態となる。その際、弁駆動機構５２の回転駆動源５６は、非通電状態にあると共に、ロック機構５４のソレノイドは、非通電状態（非励磁状態）にある。

燃料電池１２のカソードがノーマルクローズタイプの第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂによって封鎖されることにより、燃料電池１２の発電停止中において、カソード流路２４内に新たなエアが流れ込むことが好適に阻止され、クロスリークの発生を防止して燃料電池１２の性能低下を阻止することができる。

次に、運転者によって燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）されて燃料電池システム１０が運転中である場合には、ＥＣＵ１００によって第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂがそれぞれ弁開状態とされてカソードの封鎖状態が解除されると共に、遮断弁３０が弁開状態とされて水素タンク２８からアノードに水素が供給されると共に、エアポンプ２６が駆動されてカソードにエア（空気）が供給されて、燃料電池１２の発電が行われる。

なお、燃料電池システム１０の運転中において、エア導入弁７２及びエア導出弁７６は、それぞれ弁閉状態とされ、パージ弁３２は、適宜弁開状態とされて、配管ａ２、ａ３、ａ４及びアノード流路２２からなるアノード循環系に蓄積した窒素等の不純物や生成水を排出する。窒素や生成水は、電解質膜を介してカソードからアノードを透過したものである。

ここで、カソードの封鎖状態を解除したときにおける、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの弁閉状態から弁開状態及びロック状態への切換動作について、以下詳細に説明する。

先ず、ＥＣＵ１００は、運転者によって燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）されたことを検知したとき、図３（ｂ）に示されるように、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂにおいて、ロック機構５４のソレノイドに通電してソレノイドの励磁作用によって図示しない可動コアと一体的にロックピン６２を縮退する方向（矢印Ｘ２方向）に変位させた後、弁駆動機構５２の回転駆動源５６に通電してピニオン５８を反時計回り方向（矢印方向）に回転させ、前記ピニオン５８とラック部６０との噛合作用によって弁体４６をばね部材５０のばね力に打ち勝って上方に変位させる。

この結果、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの弁体４６は、回転駆動源５６の回転力がピニオン５８及びラック部６０の噛合作用によって直線運動に変換され、それぞれ、着座部４８から所定間隔離間し、インレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとが室４４を介して連通した弁開状態となる。

このようにして第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂが弁開状態となった後、ＥＣＵ１００は、ロック機構５４のソレノイドへの通電を停止して前記ソレノイドを非励磁状態とすることにより、図示しない復帰ばねによって可動コア及びロックピン６２が伸張して矢印Ｘ１方向に向かって所定長だけ突出し、図３（ｃ）に示されるように、前記ロックピン６２が弁体４６の自由端に連結された係止片６４を係止することにより、弁開状態に保持されたロック状態となる。

第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂが、ロック機構５４によって弁開状態に保持された後、ＥＣＵ１００は、弁駆動機構５２の回転駆動源５６に制御信号を出力して、前記回転駆動源５６に対する通電を停止する。この結果、弁開状態に保持されたロック状態では、回転駆動源５６に対する電力の供給を削減して、省電力化を達成することができる。

また、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂのロック状態を解除する場合、ＥＣＵ１００は、ロック機構５４のソレノイドに通電しソレノイドの励磁作用によって可動コア及びロックピン６２を縮退方向（矢印Ｘ２方向）に一体的に変位させることにより、ロックピン６２による係止片６４の係止状態が解除され、弁体４６がばね部材５０のばね力によって押圧されて着座部４８に着座した弁閉状態に復帰する。

なお、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂがそれぞれ弁閉状態となってカソードが封鎖された状態では、図４に示されるように、封鎖されたカソード内でエア（酸素）が消費されて負圧が発生し、前記発生した負圧によって弁体４６を着座部４８側へ吸引することができる。

このように、弁体４６の弁閉方向に負圧が作用するように燃料電池１２の流路方向を設定することで、弁体４６を着座部４８の方向に向かって押圧するばね部材５０のばね力を低減することができると共に、弁体４６を弁閉状態から弁開状態に切り換えるときに弁体４６に付与される必要駆動荷重を軽減することができる。

本実施形態では、弁駆動機構５２によって弁体４６が駆動されて弁開状態となったときに前記弁体４６を弁開状態に保持するロック機構５４を設けることにより、前記弁体４６を駆動する弁駆動機構５２の弁体保持力に依存することがなく、燃料電池１２の発電効率の低下を抑制しながら第１の開閉バルブ３６ａ及び／又は第２の開閉バルブ３６ｂの弁開状態を確実に且つ安定して保持することができる。

仮に、弁体４６を駆動させる弁駆動機構５２に故障等（例えば、本実施形態の電気駆動の場合における電力供給異常や、前記弁駆動機構５２を図示しないエア圧力駆動機構で構成した場合にはエア圧力供給の異常等）が発生した場合であっても、ロック機構５４によって弁開状態に保持された弁体４６が弁閉状態へ切り換わることがないため、燃料電池システム１０の圧力異常によるシステム破損又はシステム停止を防止することができる。

また、弁駆動機構５２による弁開状態における弁体４６の保持力が不要となるため、電気駆動方式の場合は弁開状態となったときに回転駆動源５６への電力の供給を停止して消費電力を削減することができ、例えば、弁駆動機構５２を圧力駆動方式とした場合には圧力供給制御機構が不要となり、各開閉バルブ３６ａ、３６ｂの部品点数を削減して製造コストを低減することができる。

さらに、本実施形態では、弁駆動機構５２をモータ等の回転駆動源５６による電気駆動式とすることにより、空気圧駆動方式と比較して、レギュレータ、複数のエア流量制御弁、エア切換弁等によって構成される複雑なエア駆動圧力制御システムが不要となるため、弁体４６を作動させるシステムの簡素化・小型軽量化を達成することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 前記燃料電池システムを構成する第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの概略縦断面図である。 第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの動作説明に供される図であり、（ａ）は、各開閉バルブの弁閉状態を示す概略縦断面図、（ｂ）は、各開閉バルブの弁開状態を示す縦断面図、（ｃ）は、各開閉バルブが弁開状態に保持されたロック状態を示す縦断面図である。 第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの各弁体が燃料電池で発生した負圧によって吸引される状態を示す概略縦断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
３６ａ 第１の開閉バルブ
３６ｂ 第２の開閉バルブ
４６ 弁体
５２ 弁駆動機構（第１及び第２の開閉操作手段、電気駆動手段）
５４ ロック機構（弁開状態保持手段）
６２ ロックピン（固定可能な部材）
１００ ＥＣＵ（カソード封鎖可能手段）
ｃ１〜ｃ５ 配管（酸化剤ガス流路）

Claims (2)

1. アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出する酸化剤ガス流路と、
   前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられたノーマルクローズタイプの第１の開閉バルブと、
   前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられたノーマルクローズタイプの第２の開閉バルブと、
   前記第１の開閉バルブを開閉操作する第１の開閉操作手段と、
   前記第２の開閉バルブを開閉操作する第２の開閉操作手段と、
   前記燃料電池の発電停止後に前記第１の開閉操作手段及び前記第２の開閉操作手段により、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを弁閉状態として前記カソードを封鎖すると共に、前記燃料電池の発電中に前記第１の開閉操作手段及び前記第２の開閉操作手段により、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを弁開状態として前記カソードを開放するカソード封鎖可能手段と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記第１の開閉操作手段及び前記第２の開閉操作手段により、前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブの少なくとも一方を弁開状態とした後、前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブの少なくとも一方を弁開状態に保持するべく固定可能な部材に対して弁体を係合させる弁開状態保持手段を備え、
   前記第１の開閉操作手段及び第２の開閉操作手段は、通電により駆動される回転駆動源と、前記回転駆動源の駆動軸に連結されるピニオンと、前記酸化剤ガス流路に連通するインレットポート、アウトレットポート及び室を有し前記室内に前記弁体が収納されるバルブハウジングと、前記弁体に連結されて該弁体と一体的に変位し前記バルブハウジングから外部に露呈するロッド部と、前記ロッド部の外周面に設けられ前記ピニオンと噛合するラック部とを備え、
   前記弁開状態保持手段は、前記バルブハウジングの外部に設けられるソレノイドを有するロック機構からなり、前記ロック機構は、前記ソレノイドの励磁作用又は非励磁作用によって進退動作するロックピンと、前記ロッド部の自由端に連結され前記ロックピンによって係止可能に設けられる係止片とを備え、
   前記ロック機構によって前記弁開状態に保持された後は、前記回転駆動源への通電が停止されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記カソード封鎖可能手段によって前記カソードが封鎖されたとき、弁閉状態にある前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブは、前記封鎖されたカソード内の負圧によって弁閉方向に吸引されることを特徴とする燃料電池システム。

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