JP5237778B2 - 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したときに掃気が行われる場合、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブとをそれぞれ弁開状態として前記カソードの封鎖状態を解除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１及び特許文献２に開示された従来技術では、燃料電池の発電停止後に空気入口遮断弁及び空気出口遮断弁（電磁弁）がそれぞれ弁閉状態とされることにより、カソードが封鎖された封鎖状態となるが、例えば、外気温度が低下して氷点下の環境となったとき、弁閉状態にある弁体が着座した着座部（バルブシート部）に残留する水分の凍結によって、前記弁体を着座部から離間させて弁開状態に切り換えることが困難となり、終局的には、次回のシステム起動時に弁開状態とすることができなくなり、燃料電池システムを起動させることができなくなるおそれがある。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、氷点下の環境となった場合であっても、着座部に対する弁体の凍結を防止して次回のシステム起動ができなくなることを回避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に、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第２の開閉バルブと、前記燃料電池の発電停止後に前記第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カソード封鎖手段と、前記燃料電池の発電停止後に所定条件により前記アノードに前記酸化剤ガスを供給して前記アノードを掃気する掃気手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の内部温度を検出する温度センサと、前記温度センサに対して所定時間毎に温度検出信号を発するように指示すると共に、前記温度センサからの温度検出信号が入力される燃料電池温度検出部と、前記燃料電池温度検出部で検出した温度に基づいて、前記アノードの掃気を実行するか否かの前記所定条件を判定する掃気判定部と、を備え、前記カソード封鎖手段によって前記カソードが封鎖された状態にあるとき、前記掃気判定部によって前記アノードの掃気を実行すると判定され、前記掃気手段により掃気が行われる場合には、前記カソード封鎖手段の作動を解除して前記カソードを開放状態とし、前記カソードを開放状態とした後、前記アノードの掃気中及び掃気後も前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブの弁体をそれぞれ弁開状態に保持する弁開状態保持手段が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブによって、カソードが封鎖された状態にあるときに、掃気判定部によってアノードの掃気を実行すると判定されて掃気手段によって掃気を行う場合には、前記第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブを弁閉状態から弁開状態に切り換えてカソードを開放状態とすることができる。

従って、本発明では、燃料電池内に滞留する水分（生成水）等を掃気によって排出することができるため、外気温度が低下して氷点下の環境となったときであっても、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの弁体を着座部から離間させて弁開状態に容易に切り換えることができる。この結果、本発明では、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの着座部に残留する水分（生成水）の凍結を阻止して、次回のシステム起動ができなくなることを好適に回避することができる。加えて、本発明では、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの着座部の凍結を防止する機構を設けることが不要となるため、この点において部品点数が消極的に削減されて、システムの簡素化及び小型・軽量化を達成することができる。

また、本発明は、カソードを開放状態とした後、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの弁体をそれぞれ弁開状態に保持する弁開状態保持手段が設けられることにより、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブ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。

本発明では、氷点下の環境となった場合であっても、着座部に対する弁体の凍結を防止して各開閉バルブを円滑に作動させ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、図３は、前記燃料電池システムを構成する制御系のブロック構成図である。

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。

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を設けることなく、図示しない可動コアを突出させて、前記突出した可動コアによって係止片６４を直接的に係止するように構成してもよい。

また、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。さらに、前記第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂは、前記したようなノーマルクローズタイプに限定されるものではなく、例えば、燃料電池１２の発電中に弁開状態となり、燃料電池１２の発電停止後にカソード封鎖するときに前記弁駆動機構５２を介して弁閉状態とし、その弁閉状態が図示しない固定部材（又はロック機構）等によって保持されるような、ノーマルオープンタイプの開閉バルブとしてもよい。

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。なお、本実施形態では、エア導入配管７０とエア導入弁７２とエア導出配管７４とエア導出弁７６とで、掃気手段が構成されている。

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によって弁開状態とされる。

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によって弁開状態とされる。

図３は、燃料電池システムを構成する制御系のブロック構成図である。
この制御系２０は、ＥＣＵ１００（Electronic Control Unit）、燃料電池１２の内部温度と略同一の温度を検出する温度センサ１０２等で構成されている。この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）等を含む。

前記ＥＣＵ１００は、図３に示されるように、温度センサ１０２に対して所定時間毎に温度検出信号を発するように指示すると共に、前記温度センサ１０２からの温度検出信号が入力される燃料電池温度検出部１００ａと、前記燃料電池温度検出部１００ａで検出した温度に基づいて、前記燃料電池１２内部の氷点下対策掃気を実行するか否かを判定する氷点下対策掃気判定部１００ｂとを有する。

この場合、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７２、エア導出弁７４の弁体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。

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、図４に示されるフローチャート（適宜、図１を参照）に基づいてその動作について説明する。

図４は、燃料電池システムの掃気制御を示すフローチャート、図５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５（ａ）は、各開閉バルブの弁閉状態を示す概略縦断面図、図５（ｂ）は、各開閉バルブの弁開状態を示す縦断面図、図５（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、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が開放状態にあると共に、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、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。

次に、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の発電が停止した後、掃気制御される場合について説明する。

ＥＣＵ１００は、運転者によってイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されたことを検知すると、エアポンプ２６の駆動をそのまま継続した状態で、カソード側にエアを、例えば、所定時間だけ供給する。これにより、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器３４内に残留している水素が希釈されて車外（外部）に排出される。また、このときカソードに残留している水分（液滴）も車外に排出される。そして、ＥＣＵ１００は、遮断弁３０を弁閉状態として、アノードへの水素の供給を停止すると共に、エアポンプ２６の駆動を停止して、カソードへのエアの供給を停止し、燃料電池１２の発電を停止させる。また、ＥＣＵ１００は、燃料電池１２と外部負荷との電気的な接続を遮断する。

そして、図４のステップＳ１において、ＥＣＵ１００は、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂのそれぞれに制御信号を送給して、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの弁体４６をそれぞれ弁閉状態とし、燃料電池１２のカソードを封鎖する。

この場合、本実施形態では、図５（ａ）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がノーマルクローズタイプのバルブで構成され、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。

ステップＳ２において、燃料電池温度検出部１００ａは、温度センサ１０２を介して燃料電池１２の温度を検出する。前記温度センサ１０２によって温度を検出するタイミングは、前記燃料電池温度検出部１００ａで設定される。燃料電池１２の温度を検出した後、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、ＥＣＵ１００は、氷点下対策掃気判定部１００ｂにより、燃料電池１２の氷点下対策掃気を実行するか否かを判定する。この氷点下対策掃気とは、燃料電池１２の温度が氷点下となったときに、燃料電池１２内の水分（生成水）が凍結するおそれがあるとして、アノード及びカソードにエア（掃気ガス）を供給して、前記アノード及びカソード等に残留する水分（生成水）を吹き飛ばして車外に排出する処理をいう。

具体的には、ステップＳ３において温度センサ１０２で検知された燃料電池１２の温度が氷点下（０℃以下）になっていないときには（Ｎｏ）、未だ燃料電池１２内に滞留している生成水が凍結することがないためステップＳ２へ戻り、一方、燃料電池１２の温度が氷点下になったときには（Ｙｅｓ）、生成水が凍結するおそれがあるため、ステップＳ４へ進む。

ステップＳ４において、ＥＣＵ１００は、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂに制御信号を送給し、前記第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの弁体４６を弁閉状態から弁開状態へ切り換えて、カソードの封鎖状態を解除する。

具体的に詳述すると、ＥＣＵ１００は、図５（ｂ）に示されるように、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に切り換わる。

ステップＳ５において、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５（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、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの弁体４６がそれぞれ弁開状態に保持されたロック状態とする。

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。

ステップＳ６において、ＥＣＵ１００は、燃料電池１２の氷点下対策掃気を実行する。具体的には、ＥＣＵ１００からエア導入弁７２及びエア導出弁７６に制御信号をそれぞれ送給し、前記エア導入弁７２及びエア導出弁７６の弁体をそれぞれ弁開状態とする。そして、ＥＣＵ１００は、エアポンプ２６を駆動してエア（掃気ガス）を燃料電池１２のアノード流路２２へ供給し、アノード流路２２内に滞留していた生成水を掃気ガスで吹き飛ばす。このとき掃気ガスに置換されることで排出されたガスには、アノードオフガスも含まれる。アノード流路２２及びカソード流路２４から排出された生成水及び滞留ガスは、希釈器３４に導入され、その後、車外へと排出される。

なお、前記氷点下対策掃気を実行した場合には、燃料電池１２内の生成水及び滞留ガスを共に排出することができる。また、アノード及びカソードがエア（掃気ガス）によって掃気された後では、アノード及びカソードで電極反応が発生することがなく、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの弁体４６がロック状態に保持されていても、クロスリークの発生が阻止されており、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂによってカソードを封鎖状態とする必要がない。

次に、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について説明する。

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。この結果、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂのロック状態が解除されて弁開状態から弁閉状態に切り換わる。

本実施形態では、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂによって、カソードが封鎖された状態にあるときに、氷点下対策掃気からなる掃気制御を行う場合、前記第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂを弁閉状態から弁開状態に切り換えてカソードを開放状態とすることができる。

従って、本実施形態では、燃料電池内に滞留する生成水や滞留ガス等を掃気によって排出することができるため、外気温度が低下して氷点下の環境となったときであっても、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの弁体４６を着座部４８から離間させて弁開状態に容易に切り換えることができる。この結果、本実施形態では、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの着座部４８に残留する生成水（水分）の凍結を阻止して、次回のシステム起動ができなくなることを好適に回避することができる。さらに、本実施形態では、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの着座部４８の凍結を防止する機構を設けることが不要となるため、この点において部品点数が消極的に削減されて、システムの簡素化及び小型・軽量化を達成することができる。

このように、本実施形態では、氷点下の環境となった場合であっても、着座部４８に対する弁体４６の凍結を防止して各開閉バルブ３６ａ、３６ｂを円滑に作動させることが可能な燃料電池システム１０を得ることができる。

また、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、前記弁駆動機構５２を圧力駆動機構で構成した場合には圧力供給の異常、電気駆動の場合は電力供給異常等）が発生した場合であっても、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの故障が発生しないため、燃料電池システム１０の圧力異常によるシステム破損、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による弁開状態の保持力が不要となるため、例えば、圧力駆動の場合は圧力供給制御機構が不要となり、電気駆動の場合は電力を削減することができる。

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。 前記燃料電池システムを構成する制御系のブロック構成図である。 前記燃料電池システムの掃気制御を示すフローチャートである。 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。

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
５４ ロック機構（弁開状態保持手段）
７０ エア導入配管
７２ エア導入弁
７４ エア導出配管
７６ エア導出弁
１００ ＥＣＵ（カソード封鎖手段）
ｃ１〜ｃ５ 配管（酸化剤ガス流路）

Claims (1)

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第２の開閉バルブと、
   前記燃料電池の発電停止後に前記第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カソード封鎖手段と、
   前記燃料電池の発電停止後に所定条件により前記アノードに前記酸化剤ガスを供給して前記アノードを掃気する掃気手段と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の内部温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサに対して所定時間毎に温度検出信号を発するように指示すると共に、前記温度センサからの温度検出信号が入力される燃料電池温度検出部と、
   前記燃料電池温度検出部で検出した温度に基づいて、前記アノードの掃気を実行するか否かの前記所定条件を判定する掃気判定部と、
   を備え、
   前記カソード封鎖手段によって前記カソードが封鎖された状態にあるとき、前記掃気判定部によって前記アノードの掃気を実行すると判定され、前記掃気手段により掃気が行われる場合には、前記カソード封鎖手段の作動を解除して前記カソードを開放状態とし、
   前記カソードを開放状態とした後、前記アノードの掃気中及び掃気後も前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブの弁体をそれぞれ弁開状態に保持する弁開状態保持手段が設けられることを特徴とする燃料電池システム。

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