JP5598249B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、遮断弁を備えた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は、システム停止時中の燃料電池の劣化を防止するために、燃料電池に流入出する流体を遮断する弁が燃料電池の入口、出口にそれぞれ設置されている。そして、この遮断弁の開閉には、弁に取り付けられたアクチュエータに空気圧や電流を供給して開閉作動させる例えば特許文献１、２に示すものが知られている。特許文献１の技術においては、燃料電池の燃料ガスの入口、出口に電気駆動式の遮断弁を設けて、制御部からの制御信号により、開閉制御している。また特許文献２の技術においては、スイッチ弁の開閉によって、コンプレッサからの圧力を遮断弁のダイヤフラム室に導入、停止することにより、遮断弁の開閉作動を行なっている。

特開２００５−２６７９６５号公報 特開２００９−１５１９９０号公報

このような遮断弁の機能としては、燃料電池システム稼働時には開弁させるとともに開弁を保持し、システム停止中は閉弁させるとともに閉弁を保持するという簡素なものであるので、できるだけ簡便な構造、および低コストとしたい。しかしながら特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、制御回路から信号（例えば電流）を出力して、遮断弁を開閉させるので、制御回路が必要であり、かつ、電流を供給するための電線が必要となる。一般に、制御回路は、遮断弁と離れて配置されるため、電線の長さは長くなってしまう。このように制御回路が必要であり、かつ電線の長さが長くなることによってコスト高ともなるとともに、大きなスペースも必要となってくる。

また特許文献２に記載の遮断弁においては、遮断弁の開閉作動のため、スイッチ弁が３個必要となり、それぞれのスイッチ弁を制御するための制御回路が必要となる。また供給圧力を発生させるためにコンプレッサも必要であり、これらのためコスト高となってしまう。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の各流路に対して好適な遮断性を有した遮断弁を備え、小型化、簡素化、コスト低減が図られた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムの発明の構成上の特徴は、燃料供給源から供給された燃料ガスを燃料導入口から燃料極に導入し燃料オフガスを燃料導出口から導出する燃料流路、圧送装置によって供給された酸化剤ガスを酸化剤導入口から酸化剤極に導入し酸化剤オフガスを酸化剤オフガス導出口から排出する酸化剤流路、及び冷却用流体を前記燃料極、及び酸化剤極に循環させる冷却流路を備えた燃料電池と、前記圧送装置と前記酸化剤導入口との間に介装され前記圧送装置と前記酸化剤流路との連通を遮断する第１遮断弁と、前記酸化剤オフガス導出口に接続された第２遮断弁と、前記冷却流路の冷却水導入口に吐出口が連通され、前記冷却流路の冷却水導出口に吸入口が連通され、駆動されることで前記冷却流路に前記燃料電池を冷却する前記冷却用流体を流動させる電気駆動の流体ポンプと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記第１または第２遮断弁の少なくとも１方の遮断弁は、第１ポートが形成された第１室、第２ポートが形成された第２室、前記第１室と前記第２室とを連通する連通穴、及び前記連通穴と対向する前記第１室の壁に形成された第１開口を備えた弁本体と、前記第１開口を閉塞する第１蓋部材と、前記連通穴の前記第２室側の開口周縁に設けられた弁座と、前記第２室内に配設され前記弁座に当接して閉状態をなし、離間されて開状態をなす弁体本体、及び前記弁体本体に一体的に設けられ軸線方向に向かって延設する弁軸を備え、前記弁本体に軸方向に移動可能に支持された弁体と、前記弁体と前記弁本体との間に介装され前記弁体本体が前記弁座に当接する方向に前記弁体を付勢する付勢部材と、前記第１蓋部材の内側に配設されて前記弁軸に内周を固定され、かつ前記第１開口を液密に閉塞して往復動可能な区画シール部材と、前記第１蓋部材と前記区画シール部材との間に形成され、前記流体ポンプの吐出口に連通されて前記冷却用流体が供給されると前記付勢部材による付勢方向と反対方向に前記弁体を付勢する加圧室と、を備えたことである。

請求項２に係る燃料電池システムの発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記少なくとも１方の遮断弁は、前記弁本体に固定され前記弁軸の一端を軸方向に往復動可能に支持する第１支持部材と、前記連通穴と対向する前記弁本体の前記第２室の壁に形成された第２開口と、前記弁本体に固定された前記部材であって、前記第２開口を気密に閉塞する第２蓋部材と、前記第２蓋部材に固定され前記弁軸の他端を軸方向に往復動可能に支持する第２支持部材と、を備えたことである。

請求項３に係る燃料電池システムの発明の構成上の特徴は、請求項１または２において、前記少なくとも１方の遮断弁は、前記遮断弁の前記加圧室と前記第１室との間に前記区画シール部材から漏出した前記加圧室内の前記冷却用流体を貯留する貯留部を備えたことである。

請求項４に係る燃料電池システムの発明の構成上の特徴は、請求項３において、前記貯留部は、前記弁本体の内側から前記弁軸まで延出して前記第１室との間を区画する区画壁と、前記区画壁と前記弁軸との間に前記弁軸が軸方向に往復動可能に介装されるシール部材と、前記区画壁と前記区画シール部材との間に形成され、前記漏出した前記冷却用流体を貯留する貯留室と、前記貯留室と前記弁本体の外側との間が連通するよう前記弁本体に穿設され前記貯留した前記冷却用流体を前記弁本体の前記外側に排出する連通孔と、を備えたことである。

請求項５に係る燃料電池システムの発明の構成上の特徴は、請求項４において、前記連通孔は、前記少なくとも１方の遮断弁の燃料電池システムにおける搭載状態において前記貯留室内に開口する入口孔が前記弁本体の前記外側に開口する出口孔よりも重力方向上方に位置することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、すでに燃料電池システムで使用されている燃料電池冷却用の流体ポンプが遮断弁の作動の圧力供給源として利用されている。これにより燃料電池システムを起動する際に、流体ポンプが冷却流路へ冷却用流体の供給を開始すると、第１または第２遮断弁の少なくとも１方の遮断弁の加圧室にも流体が供給され、遮断弁を開弁する。このように複雑な制御を用いることなく低コストで第１または第２遮断弁の少なくとも１方の遮断弁を燃料電池システムの運転に同期させて開弁させ、燃料電池システムの運転に供することができる。また燃料電池システム運転中には流体ポンプの運転は継続されるので、遮断弁の開弁も保持され燃料電池システムの運転を維持できる。

また、燃料電池システムを停止する際には、流体ポンプも停止され冷却流路への冷却用流体の供給が停止する。これにより遮断弁の加圧室への流体の供給も停止されるので、遮断弁は付勢部材の付勢によって閉弁され、閉弁した遮断弁が配置された酸化剤流路が密封される。

さらに、酸化剤流路を好適に密封するために遮断弁は流体ポンプとともに燃料電池の近傍に配置され、配管を短縮でき省スペース、つまり燃料電池システムの小型化を図ることができる。またコスト低減、及び簡素化を図ることができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、第１、及び第２支持部材を設けて弁軸の両端を支持するようにしたので、弁軸は弁座に対して良好に案内され、弁体本体は弁座に対して良好に当接し通路を確実に遮断することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または２において、加圧室と第１室との間に区画シール部材から漏出した加圧室内の液体を貯留する貯留部を備えたので、漏出した加圧室内の液体が、第１室を流れる流体に混入しにくい構造となり信頼性が向上する。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項３において、貯留部は第１室との間を区画壁によって完全に分離されるので漏出した加圧室内の冷却流体が第１室に流入し第１室を流れる流体に混入するのをさらに良好に防止できる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項４において、燃料電池システムにおける搭載状態において連通孔は入口孔から出口孔に向かって流れ落ちるように配置されるので貯留室内の流体は良好に排出される。

本発明に係る遮断弁および燃料電池システムの第１の実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す遮断弁の閉弁状態を示す断面図である。 図１に示す遮断弁の開弁状態を示す断面図である。 第２の実施形態の遮断弁を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例１の遮断弁を示す断面図である。

以下、本発明による燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、燃料電池１０、圧送装置２１、燃料供給源である水素タンク１４、本発明に係る第１および第２遮断弁２２、２３、流体ポンプである冷却水ポンプ２７、ラジエータ２８、および制御装置２４を備えている。

燃料電池１０は、燃料ガスが導入される燃料流路１１と酸化剤ガスが導入される酸化剤流路１２と燃料電池１０を冷却する冷却用流体が導入されて流動する冷却流路１３とを有している。

燃料流路１１は、燃料極に燃料を供給するものであり、酸化剤流路１２は、酸化剤極に酸化剤ガスを供給するものである。冷却流路１３は燃料極、及び酸化剤極に循環させて燃料電池を冷却するものである。燃料極と酸化剤極との間には図略の電解質が介装されている。本第１の実施形態では、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。燃料電池１０は、水素ガスと空気とが化学反応して発電するものである。また冷却流路１３を流れる冷却用流体は、一般的に自動車で冷却液として使用されるＬＬＣ（ロングライフクーラント）であり、以後、冷却水とのみ称す。

圧送装置２１は、燃料電池１０の酸化剤流路１２に空気を圧送するものである。圧送装置２１は、制御装置２４からの駆動指令によって駆動されて空気を圧送し、制御装置２４からの駆動停止指令によって駆動停止されて空気の圧送を停止する。なお、駆動が停止されると、圧送装置２１の吐出口は大気に開放される。本第１の実施形態では、圧送装置２１はコンプレッサである。

燃料電池１０の酸化剤流路１２に酸化剤ガスを導入する酸化剤導入口１２ａは、酸化剤供給管２５を介して圧送装置２１の吐出口に接続されている。酸化剤供給管２５の途中には、酸化剤供給管２５を開閉する本発明に係る第１遮断弁２２が設けられている。燃料電池１０の酸化剤導入口１２ａは、第１遮断弁２２の第１ポート３１ａ１に連通しており、圧送装置２１の吐出口は、第１遮断弁２２の第２ポート３１ｂ１に連通している。

燃料電池１０の酸化剤流路１２から酸化剤オフガスを導出する酸化剤オフガス導出口１２ｂは、酸化剤オフガス排出管２６を介して大気に開放されている。酸化剤オフガス排出管２６の途中には、酸化剤オフガス排出管２６を開閉する本発明に係る第２遮断弁２３が設けられている。燃料電池１０の酸化剤オフガス導出口１２ｂは、第２遮断弁２３の第１ポート３１ａ１に連通しており、第２遮断弁２３の第２ポート３１ｂ１は大気に開放されている。なお、本第１の実施形態において第１遮断弁２２、第２遮断弁２３は同じ構成であり遮断弁３０として以後説明する。

図１に示すように、燃料供給源としての高圧（例えば３５ＭＰａ）の水素タンク１４からは、燃料供給管１５を通って燃料ガスである水素ガスが燃料電池１０の燃料流路１１に供給される。水素タンク１４と燃料流路１１の燃料導入口１１ａとの間には上流から順番に電磁弁である元弁１６、調圧弁１７、および電磁弁である遮断弁１８が設けられている。燃料電池１０が起動されるのに伴い制御装置２４の指令によって元弁１６が駆動されて開弁し水素タンク１４から供給流路２２に水素ガスが流出する。流出した水素ガスは、調圧弁１７で減圧され、制御装置２４の指令によって開弁した遮断弁１８を経て、燃料電池２の燃料流路１１に導入されたのち、燃料極に供給される。なお、調圧弁１７は１つでなく、段階的に減圧するため２個を越えて直列に配置してもよい。

燃料流路１１の燃料導出口１１ｂからは使用されずに残った水素ガスが制御装置２４の指令によって開弁した遮断弁１９を介して水素オフガス排出管２０を通り、図略の水素希釈器を介して大気に排出される。なお、遮断弁１８、遮断弁１９は本実施形態においてはノーマルクローズ型の電磁遮断弁である。

冷却水ポンプ２７は、燃料電池１０の近傍に配置され、燃料電池１０が起動されるのに伴い制御装置２４からの指令によって駆動され燃料電池１０の冷却流路１３に冷却水を圧送して流動させる。また燃料電池１０の運転が停止されるのに伴い、冷却水ポンプ２７も運転が停止され冷却流路１３への冷却水の供給を停止する。そして冷却水ポンプ２７の運転が停止されると冷却水ポンプ２７の吐出口２７ａは大気圧になる。

燃料電池１０の冷却流路１３に冷却水を導入する冷却水導入口１３ａは冷却水ポンプ２７の吐出口２７ａと冷却水供給管２９を介して接続されている。燃料電池１０の冷却流路１３から冷却水を排出する冷却水導出口１３ｂはラジエータ２８の導入口２８ａに冷却水排出管３６を介して接続されている。そしてラジエータ２８の排出口２８ｂは冷却水ポンプ２７の吸入口２７ｂに連結管３７を介して接続されている。このように冷却水ポンプ２７、冷却水供給管２９、冷却流路１３、冷却水排出管３６、ラジエータ２８、及び連結管３７によって冷却水の循環回路が形成されている。

ラジエータ２８は本実施形態においては空冷式のラジエータであり、導入口２８ａから導入した冷却水の熱を外気に放出して冷却し温度の低下した冷却水を再び冷却水ポンプ２７に供給する。ただしラジエータ２８は空冷式に限らず、水冷式等、どのような方式のものでもよい。

冷却水供給管２９の途中からは、第１分岐管４１が分岐され第１遮断弁２２の加圧室Ｒに接続されている。これにより冷却水ポンプ２７の吐出口２７ａと加圧室Ｒとが連通されている。

また第１分岐管４１の途中からは第２分岐管４２が分岐され第２遮断弁２３の加圧室Ｒに接続されている。これにより冷却水ポンプ２７の吐出口２７ａと加圧室Ｒとが連通されている。

第１遮断弁２２は、図２、図３に示すように、前述のとおり遮断弁３０である。図２は、遮断弁３０の閉状態を示し、図３は、遮断弁３０の開状態を示している。遮断弁３０は、弁本体３１、弁体３２、区画シール部材としてのダイヤフラム３３、第１蓋部材３４、支持部材としての第１支持部材３５、第２支持部材３８、付勢部材としてのばね３９、第２蓋部材４３、および加圧室Ｒを備えている。

弁本体３１は、第１ポート３１ａ１が形成された第１室３１ａと、第２ポート３１ｂ１が形成された第２室３１ｂと、を備えている。第１室３１ａと第２室３１ｂは隔壁３１ｃで仕切られており、隔壁３１ｃには第１室３１ａと第２室３１ｂを連通する連通穴３１ｃ１が形成されている。連通穴３１ｃ１と対向する第１室３１ａの壁３１ａ２には、第１開口３１ｄが形成され、連通穴３１ｃ１と対向する第２室３１ｂの壁３１ｂ２には、第２開口３１ｅが形成されている。連通穴３１ｃ１の第２室３１ｂ側の開口周縁には、弁座３１ｃ２が設けられている。

弁体３２は、第２室３１ｂ内に配設され弁座３１ｃ２に当接して閉状態をなし、離間されて開状態をなす弁体本体３２ａを備えている。弁体本体３２ａは、第２開口３１ｅの径よりも小径で円板状に形成されており、弁座３１ｃ２に当接する面（上面）の周縁部に環状のシール３２ａ１が凸設されている。シール３２ａ１の先端部と弁座３１ｃ２が当接することでシール性を確保している。

弁体本体３２ａの中央部には、弁軸３２ｂが貫通して一体的に設けられている。弁軸３２ｂは弁体本体３２ａに対して直交している。弁軸３２ｂは、連通穴３１ｃ１を貫通するように配設されている。弁軸３２ｂの一端（上端）は、第１開口３１ｄに向かって延設されるとともに、弁軸３２ｂの他端（下端）は、第２開口３１ｅに向かって延設されている。

弁軸３２ｂの一端部には、軸方向に延在する軸孔３２ｂ１が形成されている。その軸孔３２ｂ１に第１支持部材３５の先端部（下端部）が摺動可能に係合することで、弁軸３２ｂの一端が第１支持部材３５の先端部（下端部）により軸方向に摺動自在に支持されている。このとき相互に係合する軸孔３２ｂ１、又は第１支持部材３５の先端部のいずれか一方、または両方には軸線方向に溝が刻設されていることが好ましい。これにより軸孔３２ｂ１の底面と第１支持部材３５の先端面との間の空間部に冷却水が入り込んだ状態で弁軸３２ｂが軸方向に作動しても冷却水はいずれかの溝から良好に加圧室Ｒ内に排出されるので好適な作動が得られる。なお、後述する弁軸３２ｂの他端側についても同様に軸線方向に溝が刻設されていることが好ましい。また、弁軸３２ｂの一端部には、円板状のフランジ３２ｂ２が外嵌固定されている。フランジ３２ｂ２は弁軸３２ｂに対して直交している。フランジ３２ｂ２は、第１開口３１ｄより小径であり、第１開口３１ｄに対して弁軸３２ｂの軸方向に往復動する。

第１開口３１ｄとフランジ３２ｂ２の間は、区画シール部材であるダイヤフラム３３で閉塞されている。ダイヤフラム３３は弾性材（例えば、基布入りゴム：材質ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエンゴム））で環状に形成されている。ダイヤフラム３３の外周縁は、第１蓋部材３４の外周縁と第１開口３１ｄの外周縁の間に挟持され固定されている。ダイヤフラム３３の内周縁は、フランジ３２ｂ２の外周縁に接着などで固定されている。よって、第１支持部材３５が弁軸３２ｂの一端を支持している支持部分は、ダイヤフラム３３によって第１室３１ａから隔てられるような構造となっている。

第１蓋部材３４は、第１開口３１ｄを閉塞する部材であり、断面中央部が膨出されて下方に開放された形状に形成されている。第１蓋部材３４の外周縁は第１開口３１ｄの周縁（弁本体３１）に溶接、ねじ止めにより固定されている。第１蓋部材３４には、弁軸３２ｂの一端を軸方向に往復動可能に支持する第１支持部材３５の基端（上端）が固定されている。このように、ダイヤフラム３３は、第１蓋部材３４の内側に液密に配設され第１開口３１ｄを閉塞しかつ弁軸３２ｂに固定されて往復動が可能となっている。

また第１蓋部材３４には、第１分岐管４１が接続されて冷却水が入出する入出管３４ａが設けられている。加圧室Ｒは、このダイヤフラム３３と第１蓋部材３４とによって区画され形成されている。加圧室Ｒは、第１分岐管４１を介して圧力供給源である冷却水ポンプ２７（流体ポンプ）の吐出口２７ａと連通されている。冷却水ポンプ２７が駆動され冷却水ポンプ２７から冷却水（水圧）が加圧室Ｒに供給されると、加圧室Ｒ内の圧力が増大し、圧力はばね３９による付勢方向（図２で上方向）と反対方向に弁体３２を付勢する。一方、加圧室Ｒの圧力が減少すると、ばね３９による付勢力で付勢方向に弁体３２が付勢される。

弁軸３２ｂの他端部には、軸方向に延在する軸孔３２ｂ３が形成されている。その軸孔３２ｂ３に第２支持部材３８の先端部（上端部）が摺動可能に係合することで、弁軸３２ｂの他端が第２支持部材３８の先端部（上端部）により軸方向に摺動自在に支持されている。

第２蓋部材４３は、第２開口３１ｅを閉塞する部材であり、円板状に形成されている。第２蓋部材４３の外周縁は第２開口３１ｅの周縁（弁本体３１）に溶接、ねじ止めにより固定されている。このとき第２蓋部材４３の外周縁と弁本体３１との間には弁本体３１に刻設された環状溝に埋設された例えばゴム製のＯリングが介装され、Ｏリングが第２室３１ｂと外部との間を気密にシールしている。弁本体３１に固定される第２蓋部材４３には、弁軸３２ｂの他端を軸方向に往復動可能に支持する第２支持部材３８の基端（下端）が固定されている。

また弁体本体３２ａと弁本体３１に固定される第２蓋部材４３との間には付勢部材としての圧縮コイルばねであるばね３９が縮設されている。ばね３９は、弁体本体３２ａを弁座３１ｃ２に当接させる方向（図２で上方向）に付勢するものである。

次に、このように構成された燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムが起動されると圧送装置２１が駆動されるとともに冷却水ポンプ２７の駆動が開始される。また水素タンク１４の元弁１６と燃料供給管１５に設けられた遮断弁１８とが制御装置２４によって駆動されて開弁する。これによって水素ガスが燃料電池１０の燃料流路１１に流れ、燃料極に水素ガスが供給される。

冷却水ポンプ２７の吐出口２７ａからは所定圧を有した冷却水が吐出される。吐出口２７ａから吐出された冷却水は冷却水供給管２９を介して燃料電池１０の冷却流路１３に供給され燃料電池１０の冷却を開始する。このとき冷却水ポンプ２７の吐出口２７ａから吐出された冷却水は冷却水供給管２９の途中から分岐した第１分岐管４１、及び第１分岐管４１から分岐した第２分岐管４２を介して第１、及び第２遮断弁２２、２３の各加圧室Ｒ、Ｒにも供給される。そして各加圧室Ｒ、Ｒの圧力が増加することによってダイヤフラム３３の受圧力が増加し、ばね３９の付勢力に抗して弁本体３１を下方に押し下げ、弁体本体３２ａのシール３２ａ１を弁座３１ｃ２から離間させて第１、及び第２遮断弁２２、２３を開弁させる。

燃料電池システムが起動され運転が継続されている間は常に冷却水ポンプ２７も駆動される。このように燃料電池システムの運転中には常時所定の水圧が第１、及び第２遮断弁２２、２３の各加圧室Ｒ、Ｒに供給されるので、第１、及び第２遮断弁２２、２３の開弁を保持するために特別な制御を必要とせず低コストに対応できる。

次に、燃料電池システムの通常運転を停止する停止処理がされると冷却水ポンプ２７の駆動も停止される。これによって第１、及び第２遮断弁２２、２３の各加圧室Ｒ、Ｒへの水圧の供給が停止され、各加圧室Ｒ、Ｒの圧力は大気圧まで低下する。これによって第１、及び第２遮断弁２２、２３はばね３９の付勢力によって弁本体３１が上方に押し上げられ、弁体本体３２ａのシール３２ａ１が弁座３１ｃ２に押しつけられることによって閉弁される。このような簡素な構成によって燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する必要がない運転停止時には第１、及び第２遮断弁２２、２３を閉弁して確実に酸化剤ガスの供給を停止するとともに、酸化剤流路１２を密封することができる。

上述した説明から明らかなように、本第１の実施形態においては、弁体３２を開閉させるための加圧室Ｒへの供給圧の切替えは冷却水ポンプ（流体ポンプ）２７から吐出される液体（冷却水）の吐出、及び吐出の停止という２モードによって行なわれる。このように冷却水ポンプの稼働及び運転停止によって弁体３２を開閉弁させるという簡素な構成であるので複雑な制御及び電気配線が不要となり、低コストに対応できる。

また、本第１の実施形態においては、すでに燃料電池システムで使用されている冷却用の流体ポンプ（冷却水ポンプ２７）が第１、第２遮断弁２２、２３の作動の圧力供給源として使用されている。これにより燃料電池システムを起動する際に、冷却水ポンプ２７が冷却流路１３へ冷却用流体（冷却水）の供給を開始することで、第１、第２遮断弁２２、２３の加圧室Ｒ、Ｒにも流体が供給され、開弁する。また燃料電池システム運転中には冷却水ポンプ２７の運転も継続されるので、これによって第１、第２遮断弁２２、２３の開弁状態も保持され複雑な制御を用いなくても燃料電池システムの運転が維持できる。

また、燃料電池システムを停止する際には、冷却水ポンプ２７も停止され冷却流路１３への冷却水の供給が停止する。これにより第１、第２遮断弁２２、２３の加圧室Ｒ、Ｒへの冷却水の供給も停止されるので、第１、第２遮断弁２２、２３は付勢部材であるばね３９の付勢力によって閉弁し、閉弁した第１、第２遮断弁２２、２３が配置された酸化剤流路１２の酸化剤導入口１２ａ、及び酸化剤オフガス導出口１２ｂを低コストに遮断できる。このように複雑な制御を用いなくても簡易且つ低コストに第１、第２遮断弁２２、２３を燃料電池システムの運転に同期させて開閉弁させ燃料電池システムの運転を開始、続行、及び停止させることができる。

また燃料電池１０の酸化剤流路１２を好適に遮断して密閉するために燃料電池１０の近傍に配置されることが好ましい第１および第２遮断弁２２、２３と、燃料電池１０の近傍に配置される冷却水ポンプ２７との間の距離は短くすることが簡易であるので配管を短縮でき省スペース、つまり燃料電池システムの小型化を図ることができるとともに、コスト低減、及び簡素化を図ることができる。

また、第２支持部材３８を設けて弁軸３２ｂの他端を支持するようにしたので、弁軸３２ｂは弁座３１ｃ２に対して良好に直角を保持し、弁軸３２ｂに固定される弁体本体３２ａのシール３２ａ１は弁座３１ｃ２に対して良好に平行を維持して弁座３１ｃ２と当接し通路を適切に遮断することができる。

また、燃料電池システムの停止中に、簡素な構成の第１および第２遮断弁２２、２３によって遮断し、燃料電池１０の酸化剤流路１２を密封することができるので、外部からの空気の流入は抑制され、燃料電池１０のカーボン劣化を低コストで抑制することができる。以上のことから遮断弁３０を備えた燃料電池システムにおいて、小型化、簡素化、コスト低減を図ることができる。

次に、第２の実施形態について図４を参照して説明する。本第２の実施形態の遮断弁５０は、上述した第１の実施形態の遮断弁３０に対し、加圧室Ｒと第１室３１ａとの間に貯留部５６を設けた点が大きく異なる。そして貯留部５６を設けたことによって第１支持部材、第２支持部材、及び弁体の軸部材形状が異なり、それ以外は第１の実施形態と同様である。よって変更点のみ説明し、同様部分については説明を省略する。また図面において第１の実施形態と同じ部品には同じ符号を付して説明する。

第２の実施形態において貯留部５６は区画シール部材としてのダイヤフラム３３のシール部からの漏洩、またはダイヤフラム３３自体を透過等して漏出してきた冷却水を、第１室３１ａに混入させないために貯留するものである。

貯留部５６は、区画壁５７、第１支持部材を兼用するシール部材５８、貯留室５９、及び連通孔６１を有している。

区画壁５７は、図４に示すように第１室３１ａを構成する壁３１ａ２の内側から弁軸５２ｂ近傍に至るまで内方に延出し第１室３１ａとの間を区画している。

シール部材５８は区画壁５７と弁軸５２ｂとの間に弁軸５２ｂが軸方向に往復動可能に介装されている。シール部材５８は弁軸５２ｂと区画壁５７との間を冷却水が通過できないように配設されている。シール部材５８は円環状を呈し、図４に示す円環の断面がＸ状のリップによって形成されている。これにより上方、又は下方からの圧力がシール部材５８に加わってもＸ状のリップが上下、いずれからの圧力に対しても弁軸５２ｂ及び区画壁５７の内周面に押しつけられて良好にシールすることができる。そしてシール部材５８は弁軸５２ｂの一端を支持する機能を有し、第１の実施形態における第１支持部材３５に相当する。また、弁軸５２ｂの他端を支持する第２支持部材５４は第２蓋部材５３に一体的に固定されている。第２支持部材５４には軸孔５４ａが穿設され、弁軸５２ｂの他端が軸孔５４ａに挿入されて軸方向に摺動可能に支持されている。

貯留室５９は、区画壁５７と区画シール部材としてのダイヤフラム３３との間に形成され、ダイヤフラム３３から漏出した冷却水を貯留するための空間である。
そして貯留室５９に貯留された冷却水を、貯留室５９内から弁本体３１の外側に良好に排出するために連通孔６１が設けられている。

呼吸孔としての機能も有する連通孔６１は弁本体３１に穿設され、本実施形態においては図４に示すように貯留室５９に開口された連通孔６１の入口（入口孔）が貯留室５９の下方に位置し、弁本体３１の外側に開口する連通孔６１の出口（出口孔）が遮断弁５０の実際の搭載状態において入口よりも重力方向において下方に位置するような傾きを有して穿設されている。このような貯留部５６を有しているので、遮断弁５０は、ダイヤフラム３３が経時変化してシール性が劣化し加圧室Ｒの冷却水がダイヤフラム３３のシール部から第１室方向に漏出したり、ダイヤフラム３３自身を透過して漏出したりしても貯留室５９で確実に保持され、その後連通孔６１を介して弁本体３１の外側に排出されるので、第１室３１ａに冷却水が混入することはない。

ただし、連通孔６１は上記の形態に限らず、どのように設けてもよい。例えば貯留室５９内と弁本体３１の外側とを連通しているだけでもよく、貯留室５９内に貯留した冷却水が貯留室５９内に満充填されたときに連通孔６１を介して弁本体３１の外側に排出されるように、短時間では排出されないように構成されていてもよい。これによっても充分な効果が得られる。

上述の説明より、本第２の実施形態においては、貯留部５６は第１室３１ａとの間を区画壁５７によって完全に分離されるので漏出した加圧室Ｒ内の冷却水が第１室３１ａに流入し第１室３１ａを流れる流体に混入するのを適切に防止でき信頼性が向上する。

次に、第２の実施形態の遮断弁５０の変形例１について図５を参照して説明する。変形例１の遮断弁６０は、第２の実施形態の遮断弁５０の貯留部５６の形状が異なるものである。具体的には、変形例１の遮断弁６０の貯留部６６は、第２の実施形態の遮断弁５０の貯留部５６のように第１室３１ａとの間を完全には分離しておらず貯留プレート６２のみを有しているものである。このため、変形例１の遮断弁６０は第２の実施形態の遮断弁５０のように区画壁５７と弁軸３２ｂとの間のシール部材５８を有さないので弁軸３２ｂの一端の支持は第１の実施形態の遮断弁３０と同様に第１支持部材３５によって行ない、弁軸３２ｂの他端の支持は第２支持部材３８によって行なう。

貯留プレート６２は、内周と外周に鍔部を有した円環形状を呈し、加圧室Ｒと第１室３１ａとの間において外周部が弁本体３１の内側に固定され、ダイヤフラム３３から漏出した加圧室Ｒ内の冷却水を内周と外周の各鍔部の間に貯留して第１室３１ａ内への混入を抑制するものである。貯留プレート６２と弁軸３２ｂとの間にシール部材はなく、所定のクリアランスを有している。このような簡素な構成によっても漏出した加圧室Ｒ内の冷却水のうち多くを貯留することができるので第２の実施形態の遮断弁５０に対して相応の効果が得られる。

なお、本実施形態においては、本発明の遮断弁３０、５０、６０を燃料電池の酸化剤ガスの遮断に用いる第１、第２遮断弁２２、２３に使用した。しかし、これに限らず、燃料電池の燃料ガスの遮断を行なう遮断弁１８、及び遮断弁１９に使用してもよい。

また、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に適用できるが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

また、本実施形態においては、付勢部材としてコイルばねであるばね３９を使用した。しかしこれに限らず、板ばねや、ゴムや空気ばねを適用してもよい。

また、本実施形態においては、区画シール部材としてダイヤフラム３３を使用したが、これに限らずベローズやピストン等によって構成してもよい。このときピストン、及びベローズの外周部で第１開口３１ｄを閉塞し、内周部を弁軸３２ｂ、５２ｂに固定することによって構成する。

また、本実施形態においては、第１支持部材３５、５８と、第２支持部材４３、５４とによって弁軸３２ｂ、５２ｂを支持したが、これに限らず第１支持部材３５、５８、及び第２支持部材４３、５４のいずれか一方の支持部材のみによって弁軸３２ｂ、５２ｂを支持してもよい。

また、本実施形態においては、冷却用の流体としてＬＬＣを用いたが、これに限らず潤滑オイル等の各種オイルや、空気等の気体を用いてもよい。

さらに、本実施形態においては、弁体３２を付勢する付勢部材であるばね３９を弁本体３１の第２室３１ｂに設けた。しかしこれに限らずばね３９を弁本体３１の第１室３１ａに設け、図２においてばね３９の下端を弁本体３１の隔壁３１ｃの上面で支持し、ばね３９の上端を弁軸３２ｂのフランジ３２ｂ２の下面で支持してもよい。

１０…燃料電池、１１…燃料流路、１１ａ…燃料導入口、１１ｂ…燃料導出口、１２…酸化剤流路、１２ａ…酸化剤導入口、１２ｂ…酸化剤オフガス導出口、１３…冷却流路、１３ａ…冷却水導入口、１３ｂ…冷却水導出口、２１…圧送装置、２２、２３…第１および第２遮断弁、２４…制御装置、２５…酸化剤供給管、２６…酸化剤オフガス排出管、２７…流体ポンプ（冷却水ポンプ）、２７ａ…吐出口、２７ｂ…吸入口、２８…ラジエータ、２９…冷却水供給管、３０、５０、６０…遮断弁、３１…弁本体、３１ａ１…第１ポート、３１ａ…第１室、３１ｂ１…第２ポート、３１ｂ…第２室、３１ｃ…隔壁、３１ｃ１…連通穴、３１ａ２…壁、３１ｃ２…弁座、３１ｄ…第１開口、３１ｅ…第２開口、３２、５２…弁体、３２ａ…弁体本体、３２ｂ、５２ｂ…弁軸、３２ｂ１…軸孔、３２ｂ２、５２ｂ２…フランジ、３２ｂ３…軸孔、３３…区画シール部材（ダイヤフラム）、３４…第１蓋部材、３４ａ…入出管、３５、５８…第１支持部材、３６…冷却水排出管、３７…連結管、３８、５４…第２支持部材、５４ａ…軸孔、３９…付勢部材（ばね）、４１…第１分岐管、４２…第２分岐管、４３、５３…第２蓋部材、５６、６６…貯留部、５７…区画壁、５８…シール部材、５９…貯留室、６１…連通孔、６２…貯留プレート、Ｒ…加圧室。

Claims (5)

1. 燃料供給源から供給された燃料ガスを燃料導入口から燃料極に導入し燃料オフガスを燃料導出口から導出する燃料流路、圧送装置によって供給された酸化剤ガスを酸化剤導入口から酸化剤極に導入し酸化剤オフガスを酸化剤オフガス導出口から排出する酸化剤流路、及び冷却用流体を前記燃料極、及び酸化剤極に循環させる冷却流路を備えた燃料電池と、
   前記圧送装置と前記酸化剤導入口との間に介装され前記圧送装置と前記酸化剤流路との連通を遮断する第１遮断弁と、
   前記酸化剤オフガス導出口に接続された第２遮断弁と、
   前記冷却流路の冷却水導入口に吐出口が連通され、前記冷却流路の冷却水導出口に吸入口が連通され、駆動されることで前記冷却流路に前記燃料電池を冷却する前記冷却用流体を流動させる電気駆動の流体ポンプと、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記第１または第２遮断弁の少なくとも１方の遮断弁は、
   第１ポートが形成された第１室、第２ポートが形成された第２室、前記第１室と前記第２室とを連通する連通穴、及び前記連通穴と対向する前記第１室の壁に形成された第１開口を備えた弁本体と、
   前記第１開口を閉塞する第１蓋部材と、
   前記連通穴の前記第２室側の開口周縁に設けられた弁座と、
   前記第２室内に配設され前記弁座に当接して閉状態をなし、離間されて開状態をなす弁体本体、及び前記弁体本体に一体的に設けられ軸線方向に向かって延設する弁軸を備え、前記弁本体に軸方向に移動可能に支持された弁体と、
   前記弁体と前記弁本体に固定された部材との間、又は前記弁本体と前記弁体に固定された部材との間に介装され前記弁体本体が前記弁座に当接する方向に前記弁体を付勢する付勢部材と、
   前記第１蓋部材の内側に配設されて前記弁軸に内周を固定され、かつ前記第１開口を液密に閉塞して往復動可能な区画シール部材と、
   前記第１蓋部材と前記区画シール部材との間に形成され、前記流体ポンプの吐出口に連通されて前記冷却用流体が供給されると前記付勢部材による付勢方向と反対方向に前記弁体を付勢する加圧室と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記少なくとも１方の遮断弁は、
   前記弁本体に固定され前記弁軸の一端を軸方向に往復動可能に支持する第１支持部材と、
   前記連通穴と対向する前記弁本体の前記第２室の壁に形成された第２開口と、
   前記弁本体に固定された前記部材であって、前記第２開口を気密に閉塞する第２蓋部材と、
   前記第２蓋部材に固定され前記弁軸の他端を軸方向に往復動可能に支持する第２支持部材と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記少なくとも１方の遮断弁は、
   前記遮断弁の前記加圧室と前記第１室との間に前記区画シール部材から漏出した前記加圧室内の前記冷却用流体を貯留する貯留部を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３において、前記貯留部は、
   前記弁本体の内側から前記弁軸まで延出して前記第１室との間を区画する区画壁と、
   前記区画壁と前記弁軸との間に前記弁軸が軸方向に往復動可能に介装されるシール部材と、
   前記区画壁と前記区画シール部材との間に形成され、前記漏出した前記冷却用流体を貯留する貯留室と、
   前記貯留室と前記弁本体の外側との間が連通するよう前記弁本体に穿設され前記貯留した前記冷却用流体を前記弁本体の前記外側に排出する連通孔と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４において、前記連通孔は、前記少なくとも１方の遮断弁の燃料電池システムにおける搭載状態において前記貯留室内に開口する入口孔が前記弁本体の前記外側に開口する出口孔よりも重力方向上方に位置することを特徴とする燃料電池システム。

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