JP5966312B2

JP5966312B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5966312B2
Application number: JP2011235580A
Authority: JP
Inventors: 崇司三島
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: JP2013093255A

Description

本発明は、燃料電池に流通する燃料ガス流路にリリーフ弁が設けられた燃料電池システムに関する。

現在、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給によって発電を行なう燃料電池システムが提案され、自動車等様々な分野で実用化されている。このような燃料電池システムでは、例えば特許文献１に示すように、燃料ガス流路に供給される燃料ガスの過剰な圧力上昇を抑制し燃料電池の破損を防止するためにリリーフ弁を設けたものがある。特許文献１におけるリリーフ弁５０は、燃料ガス流路３１上において燃料電池内の燃料ガス圧力および流量を調整するインジェクタ３５の下流側に設けられている。そして燃料ガス流路３１内（燃料電池内）の圧力が上昇し設定圧力値を越えると、スプリングによって閉弁方向に押圧され閉弁していたリリーフ弁５０の弁体の弁部が燃料ガス流路３１内の圧力に押されて弁座から離間し開弁する。そして燃料ガスを、離間した弁部と弁座との間のすきまから外部に放出し燃料ガス流路３１内の圧力上昇を抑制して燃料電池を保護している。このとき、従来の技術では、燃料ガス流路３１の設定値以上への圧力上昇時にのみリリーフ弁５０の弁体が開弁されるため、設定値以下の圧力状態が長く続くと弁体は長期間開弁作動されることがない。これによってゴム製の弁部が弁座に固着し、開弁圧が上昇してしまう虞がある。そこで特許文献１では制御装置４によって定期的にインジェクタ３５を作動させて燃料ガスを噴射し、燃料ガス流路３１内の圧力がリリーフ弁５０の開弁圧力より若干高い圧力となるよう制御している。これによって強制的にリリーフ弁５０を開弁させ、弁部が弁座に固着するのを防止している。

特開２００８−１３０４９５号公報

上述のように、特許文献１に開示される従来の技術では、リリーフ弁５０の弁部を固着させないために、制御装置４によってインジェクタ３５を作動させ弁体を強制作動させて固着を防止している。これにより、システムが複雑化し高コストな構造になっている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、簡素で低コストな構造によって燃料電池内の圧力上昇を抑制することが可能なリリーフ構造を有する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に係る発明は、燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスが流通する供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスや生成水が流通する排出流路と、前記排出流路に設けられ前記燃料電池から排出された前記燃料オフガスや前記生成水を流通および遮断する排気排水弁と、を備えた燃料電池システムであって、前記排気排水弁は、前記燃料電池に連通する１次流通路および外部に連通する２次流通路と、前記１次流通路と前記２次流通路との間に介在し環状に形成された弁座と、前記弁座に対して進退移動し前記弁座と接離可能な弁部が形成された弁体と、前記弁体に固定された出力部材を有し、前記燃料電池システムの通常運転時には、前記弁部を閉鎖位置と離間位置との間で移動させる弁体作動装置と、前記出力部材を前記弁部が前記弁座に押圧される方向に所定の付勢力で付勢し、前記通常運転時において前記弁体作動装置が前記弁部を前記閉鎖位置に移動させた状態では、前記弁部を前記弁座に当接させ、前記１次流通路に付与される圧力が所定のリリーフ圧力を超える時には、前記弁部を前記弁座から離間させる弾性部材と、を備える。

上記の課題を解決するため、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記弁体作動装置はソレノイド弁であり前記出力部材はプランジャである。

上記のように構成した請求項１に係る発明によれば、燃料電池システムが有する排気排水弁に対し、共通の構成によって、定期的に作動される排気排水弁が本来有する燃料オフガスや生成水を流通および遮断する機能と、作動頻度が少ないリリーフ機能とを同時に実現した。リリーフ機能は燃料電池内（排出流路内）圧力、即ち燃料電池に連通する排気排水弁の１次流通路内圧力が設定したリリーフ圧力に上昇したとき弁体を該上昇したリリーフ圧力によって機械的に開弁させて圧力上昇を抑制し燃料電池を破損から保護するものである。本発明においては燃料オフガスや生成水を流通および遮断するための弁体と、圧力をリリーフするための弁体とは共用されるよう構成される。このため、排気排水弁の本来の機能である流通および遮断動作によって弁体は定期的に開閉作動が行なわれるので、使用頻度の低いリリーフ機能が作動するときにも弁体の弁部が弁座に固着しリリーフ圧力が上昇してしまう虞を低減できる。このような構成により制御装置が不要で低コスト、かつ信頼性が高いリリーフ弁を実現できる。

上記のように構成した請求項２に係る発明によれば、請求項１において、弁体作動装置はソレノイド弁であり出力部材はプランジャである。このように簡易な構造で安価なソレノイド弁を弁体作動装置として用いることで燃料オフガスや生成水の流通および遮断が簡易に制御でき、低コストで小型の排気排水弁を得ることができる。

実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。第１の実施形態に係る排気排水弁の構成を示す断面図である。第１の実施形態に係る排気排水弁において弁体が弁座と当接する閉鎖位置を示す図である。第１の実施形態に係る排気排水弁において弁体が弁座から離間する離間位置およびリリーフしたときの開弁状態を示す図である。第２の実施形態に係る排気排水弁の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、燃料電池システム１の構成図である。本実施形態の燃料電池システム１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。

燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化剤ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化剤ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、動力系５と、冷却系６と、制御装置７とを備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。単セルは、イオン交換膜（例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等）からなる電解質の一方の面に酸化剤極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに酸化剤極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化剤ガス流路２ａに酸化剤ガスである空気（酸素）が供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスである水素が供給される。以降の説明においては、酸化剤ガスは空気（酸素）と称し、燃料ガスは水素ガスと称す。供給された水素ガス及び空気（酸素）の電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、冷却系６によっておよそ６０〜８０℃に保持されている。

酸化剤ガス配管系３は、燃料電池２に供給される空気（酸素）が流れる酸化剤ガス供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化剤オフガス（以降、空気（酸素）オフガスと称す）が流れる酸化剤ガス排出流路１２とを有している。酸化剤ガス供給流路１１の下流端は酸化剤ガス流路２ａの上流端に連通し、酸化剤オフガス排出流路１２の上流端は酸化剤ガス流路２ａの下流端に連通している。

酸化剤ガス供給流路１１には、上流から順番にエアフィルタ１３、エアコンプレッサ１４、空気（酸素）を冷却するインタークーラ１５および三方弁１６が設けられている。

エアコンプレッサ１４は、モータおよびモータの作動によって回転駆動され空気を下流側に圧送するコンプレッサ部（いずれも図略）を有し、モータと制御装置７とが電気的に接続されている。そしてエアコンプレッサ１４は、モータが作動されることによってエアフィルタ１３を介して供給された清純な空気（酸素）を燃料電池２に向けて圧送する。このとき圧送する空気量は、制御装置７から送信される指令値による。

三方弁１６は、モータおよびモータの作動によって開閉する開閉弁（いずれも図略）を有し、モータと制御装置７とが電気的に接続されている。三方弁１６は、酸化剤ガス供給流路１１を介してインタークーラ１５に連結される吸気口１６ａ、燃料電池２の酸化剤ガス流路２ａの上流端に連結される排気口１６ｂおよびエア調圧弁１７の下流側の酸化剤ガス排出流路１２に連結される排気口１６ｃを有している。このような構成によって吸気口１６ａから流入した空気（酸素）が分岐点で分流され排気口１６ｂと排気口１６ｃとにそれぞれ排出される。このとき排気口１６ｂと排気口１６ｃとにそれぞれ分流される空気（酸素）量の分配比率は、モータによって制御される開閉弁の位置によって決定されるよう構成されている。そして開閉弁の作動量は、制御装置７からの送信される指令値によって制御される。三方弁１６の排気口１６ｃと酸化剤ガス排出流路１２との間はバイパス通路１８によって連通されている。酸化剤ガス排出流路１２に接続されるバイパス通路１８の接続点は、後に詳述する酸化剤ガス排出流路１２のエア調圧弁１７よりも下流側部位（燃料電池２が接続されていない側）に接続されている。

酸化剤オフガスが排出される酸化剤ガス排出流路１２上には、エア調圧弁１７が設けられている。エア調圧弁１７は、モータおよびモータの作動によって開閉する開閉弁（いずれも図略）を有し、モータと制御装置７とが電気的に接続されている。エア調圧弁１７は２ポートの流体制御弁であり、酸化剤ガス排出流路１２を介して燃料電池２の酸化剤ガス流路２ａの下流端に連結されるエア調圧弁吸気口１７ａと、下流側に排出するエア調圧弁排出口１７ｂとを有している。制御装置７はエア調圧弁１７の弁体の開度を調整し、燃料電池２内に残存した空気の排出量を調整することにより燃料電池２内の圧力を制御している。

一方、燃料ガス配管系４は、図１に示すように燃料電池２に供給される水素ガスが流れる燃料ガス供給流路２１（本発明の供給流路に該当する）と、燃料電池２から排出された燃料オフガス（以降、水素オフガスと称す）が流れる燃料ガス排出流路２２（本発明の排出流路に該当する）とを有している。また燃料ガス供給流路２１と、燃料ガス排出流路２２との間には水素オフガスを燃料ガス供給流路２１に環流させるための循環流路２３を有している。燃料ガス供給流路２１の下流端は燃料電池２の燃料ガス流路２ｂの上流端に連通し、燃料ガス排出流路２２の上流端は燃料ガス流路２ｂの下流端に連通している。

燃料ガス供給流路２１上には、上流から順番に水素タンク２４と、調圧弁２５とが設けられている。なお、図示しないが水素タンク２４の水素ガスの出口部には制御装置７によって開閉制御される遮断弁が設けられ、通常使用時には開弁し、未使用時および緊急時には遮断されるようになっている。

調圧弁２５は、燃料電池２の燃料ガス流路２ｂ内の水素ガス圧力および流量を調整するためのものである。よって、要求される調圧性能および流量調整性能を有していればどのような構造の調圧弁でもよい。本実施形態においては、特開２００８−１３０４９５号公報に開示されているインジェクタを適用している。その構造および作動については特開２００８−１３０４９５号公報に説明されている通りであるので、詳細な説明は省略する。なお、調圧弁２５としてインジェクタを適用したときには、前記従来技術に説明されるようにインジェクタの上流側に複数個の調圧弁を設け、該複数個の調圧弁によって適正な圧力に減圧した水素ガスをインジェクタによってさらに調圧することが好ましい。これによって精度よく燃料ガス流路２ｂ内の水素ガス圧力および流量を調整できる。なお、調圧弁２５はインジェクタに限らず、酸化剤ガス排出流路１２上に設けたエア調圧弁１７と同様の構造でも良い。またダイヤフラムを利用した機械式の調圧弁でもよい（上記複数個の調圧弁も同様）。

燃料ガス排出流路２２の上流端は燃料電池２の燃料ガス流路２ｂの下流端に連通している。燃料ガス排出流路２３上には上流から順番に、気液分離器２６、排気排水弁２７および排出ガス希釈器２８が設けられている。

気液分離器２６は燃料オフガスを燃料電池２の電池反応により生成された生成水から分離する。そのため燃料電池２の燃料ガス流路２ｂの下流端から排出された燃料オフガスおよび生成水を燃料ガス流路２ｂの下流端に連結される吸入口２６ａから吸入し、生成水から燃料オフガスを分離したのちに、水素オフガスを一方の燃料ガス排出口２６ｂから排出し、生成水を他方の生成水排出口２６ｃから排出する。

後に詳述する本発明に係る排気排水弁２７は、吸入口２７ａが燃料ガス排出流路２２を介して気液分離器２６の生成水排出口２６ｂと連結されている。排気排水弁２７は、制御装置７と接続され、制御装置７からの指令によって作動することにより、気液分離器２６で回収した生成水および分離しきれなかった水素オフガスを排出口２７ｂから下流側に排出（パージ）するものである。なお、このとき排気排水弁２７の後述する１次流通路３７ａと燃料ガス排出流路２２の端部との間には、生成水を貯留するための図示しない貯留部材を有し、排気排水弁２７の１次流通部３７は該貯留部材に固定されている。

排出ガス希釈器２８は、吸入口２８ａが燃料ガス排出流路２２を介して排気排水弁２７の排出口２７ｂと連結および連通されている。また排出ガス希釈器２８の酸化剤ガス吸入口２８ｂが、エア調圧弁１７の下流側の酸化剤ガス排出流路１２と連結および連通され、排出口２８ｃが外部に連通している。排気排水弁２７から排出された、特に水素オフガスは、酸化剤ガス吸入口２８ｂを介して酸化剤ガス排出流路１２から流入した空気（酸素）および、空気（酸素）オフガスと排出ガス希釈器２８内で混合されて水素オフガスの容積比が希釈される。これによって、水素の容積比は可燃容積比を下回り安全な状態で排出口２８ｃから外部に排出される。

循環流路２３は、一端を気液分離器２６の燃料ガス排出口２６ｂに連結および連通され、他端を調圧弁２５の下流側の燃料ガス供給流路２１に連結および連通される。循環流路２３上には、水素ポンプ２９が設けられ、水素ポンプ２９は気液分離器２６によって分離された水素オフガスを加圧して燃料ガス供給流路２１へ環流させる。

ここで、本発明に係る排気排水弁２７について詳細に説明する。排気排水弁２７は、図２に示すように、弁ケーシング３１と弁機構３２と弁機構３２を駆動させる弁体作動装置３３とを備えている。
弁ケーシング３１は、ボデー部３４とカバー部３５とを有している。ボデー部３４は、例えばガラス繊維でフィラー強化されたポリフェニレンスルファイド樹脂製で、前述した貯留部材に例えばボルトにより固定されるフランジ部３６と、フランジ部３６に対して直角な方向に突設された管状の１次流通部３７と、フランジ部３６に突設されるとともに１次流通部３７の周囲に配設された管状の２次流通部３８とを備えている。フランジ部３６より２次流通部３８が突設され、２次流通部３８より先端に向かって段部を設けて１次流通部３７の外周が形成されている。１次流通部３７には気液分離器２６の燃料ガス排出口２６ｂに前述の貯留部材を介して連通する１次流通路３７ａが形成され、２次流通部３８には排出ガス希釈器２８の吸入口２８ａに連通する２次流通路３８ａが形成されている。１次流通部３７の先端側には円筒状の嵌合部が形成され、該嵌合部の基端部に周設された段部にはゴム製のＯリング５５が設けられている。２次流通部３８の先端側には円筒状の嵌合部が形成され、該嵌合部の基端部に周設された段部にはゴム製のＯリング５６が設けられている。

そして、排気排水弁２７が貯留部材に取り付けられる場合に、排気排水弁２７の１次流通部３７の先端側の嵌合部は、貯留部材に設けられた嵌合穴に嵌合され、１次流通部３７の嵌合部の基端部に設けられたＯリング５５によってシールされて１次流通路３７ａが気液分離器２６の燃料ガス排出口２６ｂと連通される。また２次流通部３８の先端側の嵌合部は、貯留部材に設けられた嵌合穴に嵌合され、２次流通部３８の嵌合部の基端部に設けられたＯリング５６によってシールされて、２次流通路３８ａが排出ガス希釈器２８の吸入口２８ａに連通される。

１次流通部３７の基端側にはフランジ部３６の中央部に一端面側（図２において上方側）を開放して穿設された弁収納部３９が形成され、弁収納部３９の中央部には１次流通路３７ａが開口するとともに該１次流通路３７ａの開口の周囲には２次流通路３８ａが開口している。１次流通路３７ａの開口縁は内側に向かってテーパ状に小径となるように弁収納部３９側に突設され、該開口縁には環状の弁座４１が形成されている。弁収納部３９の周囲端面には後述する弁体のダイヤフラム部の周端部を固定する固定溝４２が周設されている。

フランジ部３６の周端側には貯留部材に取付けるための取付穴３６ａと後述する支持板を組付ける組付穴３６ｂとが設けられている。取付穴３６ａ及び組付穴３６ｂには金属製の雌ねじ部材が夫々埋設されている。

カバー部３５は、例えばナイロン系樹脂製で、円筒状の円筒部３５ａが形成されるとともに、円筒部３５ａの先端部にはコネクタを構成するコネクタ支持部３５ｂがカバー部３５の長手方向に対して直角に突設されている。コネクタ支持部３５ｂには後述するソレノイド４７に接続された端子３５ｃが設けられるとともに、図略のソケットに着脱可能に係止する係止爪３５ｄが形成されている。カバー部材の先端部にはコネクタ支持部３５ｂの取付方向に対して直角な方向に後述する支持帯体が嵌入するガイド溝３５ｅが形成されている。

弁機構３２は、弁体４３と、プランジャ４４と、前述の弁座４１とから主に構成される。
弁体４３は、例えばゴム製で、弁座４１に接離する弁部４３ａと、弁部４３ａの周囲に一体に形成されたダイヤフラム部４３ｂと、弁部４３ａの裏側に形成された係止部４３ｃとを有し、弁収納部３９に収納されている。
ダイヤフラム部４３ｂの周縁は前述の固定溝４２に嵌入固定され、これらの弁部４３ａ及びダイヤフラム部４３ｂによって、弁収納部３９は１次流通路３７ａの開口側及び２次流通路３８ａの開口側が外気に対して気密状態で隔離される。

プランジャ４４は、例えばフェライト系ステンレス製の磁性体であって、円柱状に形成され、弁体４３側の端部には弁体４３の係止部４３ｃが係止する被係止爪４４ａが形成されている。プランジャ４４において弁体４３とは反対側の端部には、有底のばね収納穴４４ｂがプランジャ４４の軸方向に沿って穿設され、後述するコイルスプリング（弾性部材）が収納される。このプランジャ４４は弁体作動装置３３の出力部材である。

弁体作動装置３３は、前述のプランジャ４４（出力部材）、プランジャをガイドするスリーブ４５、コア部材４６、ソレノイド４７、コイルスプリング４８（弾性部材）、ヨーク部材等より構成される。
スリーブ４５は、例えば非磁性体であるオーステナイト系ステンレス鋼製で、有底円筒状のガイド部４５ａとガイド部４５ａの開口端部にガイド部４５ａの軸方向に対して直角な半径方向に延在する取付フランジ部４５ｂとを有している。取付フランジ部４５ｂは、弁収納部３９の周縁に弁体４３のダイヤフラム部４３ｂを介して密着するように設けられる。ガイド部４５ａには弁体４３が固定されたプランジャ４４が摺動可能に設けられ、弁体４３の弁部４３ａが弁座４１に対して接離するようになっている。また、前記ばね収納穴４４ｂに圧縮されて収納されたコイルスプリング４８の先端部がスリーブ４５の底部分に当接するとともに、コイルスプリング４８の基端部がばね収納穴４４ｂの底部分に当接することで、プランジャ４４及び弁体４３を弁座４１に向かって付勢している。このとき弁部４３ａと弁座４１とが当接する位置を閉鎖位置という（図３参照）。

コイルスプリング４８（弾性部材）は、弁部４３ａが受圧する排気排水弁２７の１次流通路３７ａ内圧力が予め設定されたリリーフ圧力Ｐｒに到達したときに弁部４３ａが開弁されるようなばね荷重で設定され配置される。つまり、閉鎖位置において、コイルスプリング４８のセット荷重が、弁部４３ａが受圧する排気排水弁２７の１次流通路３７ａ内圧力（予め設定されたリリーフ圧力Ｐｒ）に弁部４３ａの受圧面積を乗じた値と等しくなるよう設定する。これによって、１次流通路３７ａ内圧力がリリーフ圧力Ｐｒを越えるとコイルスプリング４８は撓み始め、弁部４３ａは弁座４１から離間して１次流通路３７ａ内圧力、延いては燃料電池２内圧力の上昇を抑制することができる。なお、予め設定されるリリーフ圧力Ｐｒは、通常運転において水素オフガスや生成水を排出するときの１次流通路３７ａ内圧力よりも高い圧力で設定されるのはいうまでもない。

スリーブ４５は、支持板４９を介して例えばボルトによりボデー部３４に固定される。支持板４９は、例えば磁性体である電磁ステンレス鋼製で、後述する支持帯体５３を支持する支持穴（図略）と支持板４９をボデー部３４に組付ける組付穴４９ａとスリーブ４５のガイド部４５ａが貫通する貫通穴４９ｂとが設けられている。

ソレノイド４７はボビン５４に巻回され、ボビン５４には作動穴５４ａが貫設されている。ソレノイド４７のプラス極及びマイナス極の端部は図略の電源に接続され、制御装置９の指令によって所定電流が印加される。ソレノイド４７が巻回されたボビン５４は前記カバー部３５の内周壁部に一体成型により配設されている。ボビン５４の作動穴５４ａには一端（弁体４３）側よりスリーブ４５のガイド部４５ａが挿入され、ボビン５４の作動穴５４ａの他端側より円柱状のコア部材４６が挿入されている。

コア部材４６は、例えば磁性体であるフェライト系ステンレス製で、挿入された先端部がスリーブ４５の底部分（図２においてガイド部４５ａの上端部）に当接する。コア部材４６の基端部側（図２において上端側）には係止フランジ４６ａが設けられ、ボビン５４の作動穴５４ａの一端縁（弁体の反対側）に係止される。コア部材４６の基端部は、コ字状に屈曲成型された支持帯体５３によって支持固定される。

支持帯体５３は、例えば磁性体である電磁ステンレス鋼製で、両側が直角に屈曲された中央部分には、コア部材４６の基端部が嵌入する嵌入穴５３ａが形成されている。支持帯体５３の中央部分から直角に折曲されて延在する二つの先端部には、前記支持板４９の支持穴に係合する係合爪（図略）が形成されている。支持帯体５３の幅方向を前記カバー部３５のガイド溝３５ｅに嵌合させるとともに、嵌入穴５３ａにコア部材４６の基端部を嵌入させ、そして、係合爪を支持板４９の支持穴に係合させることで、カバー部３５及びコア部材４６をボデー部３４に組付け固定する。なお、支持板４９及び支持帯体５３は、磁力線が漏れるのを防ぐヨークとしての役目を担っている。そして、弁体作動装置３３は、制御装置７の指令によって弁体４３に固定されたプランジャ４４（出力部材）を作動させ、弁部４３ａを閉鎖位置と離間位置（図４参照）との間で移動させる。

図１に示すように、動力系５は、車両を走行させるためのトラクションモータ５１を備えている。トラクションモータ５１は燃料電池２の正極および負極と接続されており、燃料電池２の発電によって駆動される。
また、冷却系６は冷却ポンプ５２を備え、燃料電池２内に冷却水を循環させて燃料電池２を冷却している。

制御装置７は、前述したようにエアコンプレッサ１４、三方弁１６、エア調圧弁１７、調圧弁２５、水素ポンプ２９、冷却ポンプ５２および排気排水弁２７等と電気的に接続されている。制御装置７は、車両に設けられたアクセル等の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ５１等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、これらシステム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ５１のほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばエアコンプレッサ１４、水素ポンプ２９、冷却ポンプ５２のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御装置７は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
次に燃料電池システム１の作動について説明する。燃料電池システム１の通常運転時においては、まず燃料電池２から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置７で演算される。そして制御装置７が演算された結果に基づいて、各アクチュエータに指令を送信し必要量の水素ガスおよび空気（酸素）をそれぞれ燃料ガス供給流路２１および酸化剤ガス供給流路１１を介して燃料電池２のアノード極とカソード極とに供給し発電が行なわれる。

酸化剤ガス配管系３においては、制御装置７によって送信された指令値に基づいてエアコンプレッサ１４の作動量が制御され、エアフィルタ１３を介して吸引された酸素を含んだ必要流量の空気が下流側に圧送される。圧送され昇温した空気（酸素）は、インタークーラ１５によって冷却される。そして、通常時においては、三方弁１６に流入した空気（酸素）は、全量、排気口１６ｂから酸化剤ガス供給流路１１を介して燃料電池２の酸化剤ガス流路２ａに供給される。酸化剤ガス流路２ａに供給された空気（酸素）は、エア調圧弁４のバルブ開度を制御することにより、燃料電池２内に残存した空気（酸素）の圧力を制御している。そして燃料電池２で反応に使用されなかった空気（酸素）はエア調圧弁１７のエア調圧弁排気口１７ｂから酸化剤ガス供給流路１１および排出ガス希釈器２８を介して外部に排出される。

なお、排出ガス希釈器２８においては、燃料ガス配管系４の燃料ガス排出流路２２を介して排出された水素オフガスと空気（酸素）とが混合され、可燃範囲外となった状態で水素オフガスおよび生成水とともに外部に排出されている。なお、低温時等において燃料電池２の昇温を行ないたい場合や、排出ガス希釈器２８に多量の空気（酸素）を供給したい場合等には、三方弁１６に流入した空気（酸素）を、排気口１６ｂおよび排気口１６ｃから分流させ、燃料電池２と排出ガス希釈器２８とに流通させる制御が実施される。

燃料ガス配管系４においては、制御装置７によって、水素タンク２４の遮断弁が開弁される。それとともに、制御装置７によって送信された指令値に基づいて、調圧弁２５のバルブ開度が制御される。これにより水素ガスが、燃料ガス供給流路２１を介して燃料電池２の燃料ガス流路２ｂに要求流量および要求圧力で供給される。なお、前述したように、このとき調圧弁２５の上流側においては、図示しない複数の調圧弁によって水素ガスが減圧され、該減圧された水素ガスが調圧弁２５に供給されているものとする。そして、このようにカソード側とアノード側とに供給された空気（酸素）および水素ガスによって、発電が行われる。

燃料ガス排出流路２２には、燃料電池２で発電のための反応に使用されなかった水素オフガスと、発電のための反応によって生成された生成水が排出される。気液分離器２６に導入される前の生成水は、水蒸気とミスト状のものが混ざっている。水素オフガスおよび生成水は気液分離器２６に導入される。気液分離器２６に導入された水蒸気は凝縮し、ミスト状生成水は凝集して図示しない貯留部に貯留され、生成水が水素オフガスから分離される。排気排水弁２７が開弁すると貯留された生成水が水素オフガスの圧力により排出ガス希釈器２８側に排出される。このとき、排出された生成水には水素オフガスが混入している。

生成水から分離された水素オフガスは気液分離器２６の燃料ガス排出口２６ｂから水素ポンプ２９の作動によって圧縮され循環流路２３を介して燃料ガス供給流路２１に環流され、再度燃料電池２に供給される。これによりムダに水素ガスを捨てることがなく燃費の向上を図ることができる。

また分離後の少量の水素オフガスを含む生成水は、自重によって重力方向下方に移動し気液分離器２６の生成水排出口２６ｃから燃料ガス排出流路２２を介して排気排水弁２７の１次流通路３７ａに流入する。なお、このとき排気排水弁２７の１次流通路３７ａと、上流側にある燃料ガス排出流路２２の端部との間には上述したように、生成水を貯留するための貯留部材（図略）を有し、排気排水弁２７の１次流通路３７ａは該貯留部材に固定されている。

そして、一定量の生成水が貯留部材に貯留されると、制御装置７の指令によって排気排水弁２７の弁体が開弁され、生成水を下流側に排出し排出ガス希釈器２８を介して外部に放出する。通常運転時において、１次流通路３７ａに付与される圧力Ｐｏは事前の評価で取得されている。そしてＰｏに弁体４３が受圧する受圧面積を乗じた力の大きさ（付勢力）より大きくなるよう設定されている、弁体４３を閉鎖位置に向って付勢するコイルスプリング４８の付勢力によって弁体４３が開弁することはない。これによって弁体４３は、制御装置７によってコイルに電流が印加された場合だけ弁体４３が開弁し生成水を弁体４３と弁座４１との間から排出することができる。このとき排気排水弁２７が生成水を排出するタイミングは任意に設定すればよい。例えば一定時間毎に排出してもよいし、貯留された生成水の水位を所定の水位センサによって確認し、水位が一定値に達したときに排出するよう制御してもよい。
そして生成水とともに排出される分離しきれなかった少量の水素オフガスは排出ガス希釈器２８で空気（酸素）によって希釈され安全な状態で外部に放出される。

次に、制御装置７の指令によって排気排水弁２７の弁体が開弁されていない排出待機状態において、燃料電池２内の圧力が所定の値（リリーフ圧力）を超えて上昇した場合について説明する。調圧弁２５の不完全な閉弁等によって、燃料電池２内の圧力が所定の値（リリーフ圧力Ｐｒ）を超えて上昇したときには、上昇した圧力は、燃料ガス排出流路２２を通って、気液分離器２６、排気排水弁２７が固定される貯留部材および排気排水弁２７の１次流通路内の圧力を上昇させる。これにより、排気排水弁２７の弁体４３は受圧面積に、上昇した圧力を乗じた大きさの付勢力を弁体４３が開弁する方向に向って受ける。そして、このとき、上昇した圧力が弁体４３を閉鎖位置に向って付勢するコイルスプリング４８の付勢力よりも大きいとコイルスプリング４８は撓み始め、弁体４３は弁座４１から離間し閉鎖位置から開弁する。そして上昇した圧力を、２次流通路３８ａ側を介して下流側に排出する。これによって、燃料電池２内の圧力は下降し破損等を良好に防止することができる。

上述の説明から明らかなように本実施形態においては、燃料電池システムが有する排気排水弁２７に対し、共通の構成によって、定期的に作動される、本来排気排水弁２７が有する燃料オフガスや生成水を流通および遮断する機能と、作動頻度が少ないリリーフ機能とを実現した。リリーフ機能は燃料電池２内（排出流路内）圧力、即ち燃料電池に連通する排気排水弁２７の１次流通路３７ａ内圧力が設定したリリーフ圧力Ｐｒに上昇したとき弁体４３を該上昇した圧力によって機械的に開弁させて圧力上昇を抑制し燃料電池２を破損から保護するものである。このとき燃料オフガスや生成水を流通および遮断するための弁体４３と、圧力をリリーフするための弁体４３とは共用されるよう構成されている。このため、排気排水弁２７の本来の機能である流通および遮断動作によって弁体４３は定期的に開閉作動が行なわれるので、使用頻度の低いリリーフ機能が作動するときにも弁体４３の弁部４３ａが弁座４１に固着しリリーフ圧力が上昇してしまう虞を低減できる。このような構成により制御装置が不要で低コスト、かつ信頼性が高いリリーフ機能を実現できる。

また本実施形態においては、弁体作動装置３３はソレノイド４７を利用した電磁弁（ソレノイド弁）であり出力部材はプランジャ４４である。このように簡易な構造で安価なソレノイド４７を弁体作動装置３３に用いることで燃料オフガスや生成水の流通および遮断が簡易に制御でき、低コストで小型の排気排水弁を得ることができる。

次に、第２の実施形態について、図５に基づき説明する。第１の実施形態においては、弁体作動装置としてソレノイド４７を利用した。しかし、第２の実施形態では、空気圧の制御によって弁体を作動させるダイヤフラム式の制御弁を弁体作動装置として適用する。排気排水弁以外は、第１の実施形態と同様であるので、同様部分については説明を省略する。また、同様の構成については同じ符号を付して説明する。

第２の実施形態に係る排気排水弁６７は、ボデー６４と、弁体作動装置７３と、弁機構７２とを有している。
ボデー６４は１次流通路７７ａおよび２次流通路７８ａと、１次流通路７７ａと２次流通路７８ａとを分離する弁座８１とを有している。１次流通路７７ａは、燃料ガス排出流路２２を介して気液分離器２６の生成水排出口２６ｂと連結されている。また２次流通路７８ａは下流側の排出ガス希釈器２８に連通されている。

弁体作動装置７３はダイヤフラム室６１と、弁軸６３（出力部材）と、弾性部材であるコイルスプリング８８と、を有している。
ダイヤフラム室６１は、円環状を呈するゴム製のダイヤフラム６２と、ダイヤフラム６２の中央部でダイヤフラム６２を固定するダイヤフラム固定部材６５と、図５において上方からダイヤフラム６２の外周部をボデー６４との間で気密に挟持する上蓋６８とによって囲繞され形成されている。上蓋６８には外気と連通する吸排気パイプ６８ａが設けられ、吸排気パイプ６８ａは３方弁の２つのポートを介してエアコンプレッサと接続されている（いずれも図示しない）。３方弁のもう一つのポートは大気に解放されている。

エアコンプレッサは、制御装置７に接続され、制御装置７の指令によって所定圧力Ｐｄの空気を３方弁に圧送する。３方弁は、制御装置７に接続され制御装置７の指令によって、図略のバルブが２位置で切替えられる。これによってエアコンプレッサから圧送された所定圧力Ｐｄの空気をダイヤフラム室６１に流通させること、および大気解放用のポートを介してダイヤフラム室６１を大気に解放することが選択できるようになっている。

出力部材である弁軸６３はダイヤフラム固定部材６５の中央部に固定される。また弁軸６３の下端は円板状の弁体８３の中央に固定されている。
ダイヤフラム室６１内には弾性部材であるコイルスプリング８８が配設されている。コイルスプリング８８の一端はダイヤフラム固定部材６５の上面に当接し、他端が上蓋６８の内面に当接し支持されている。これにより、コイルスプリング８８はダイヤフラム固定部材６５および弁軸６３を図５において下方に付勢し弁体８３の後述する弁部８３ａを後述する弁座８１に押圧している（この状態を閉鎖状態という）。

また通常、燃料電池システムが作動し、閉鎖状態を維持する場合には、ダイヤフラム室６１内にはエアコンプレッサの作動によって前述の所定圧力Ｐｄの空気圧が付与され、ダイヤフラム室６１内は所定圧力Ｐｄで加圧される。これによってダイヤフラム６２およびダイヤフラム固定部材６５が該所定圧力Ｐｄを受圧する。所定圧力Ｐｄはダイヤフラム固定部材６５および弁軸６３を上記と同様に図５において下方に所定の付勢力で付勢し弁体８３の弁部８３ａを弁座８１に押圧している。

このように、閉鎖状態においては、コイルスプリング８８および所定圧力Ｐｄによって生じる合計の付勢力によって弁体８３が下方に付勢されている。このとき、コイルスプリング８８のセット荷重および所定圧力Ｐｄの大きさは、コイルスプリング８８および所定圧力Ｐｄによる下方への付勢力が、予め設定されるリリーフ圧力Ｐｒが１次流通路７７ａに付与された時に、リリーフ圧力Ｐｒに弁体８３の受圧面積を乗じて算出される弁体８３の開弁方向への付勢力よりも小さくなるよう設定される。さらに、コイルスプリング８８のセット荷重は、ダイヤフラム室６１内に所定圧力Ｐｄが付与されない状態において、１次流通路７７ａ内の水素オフガスの通常圧力Ｐｃによって弁部８３ａが弁座８１から離間し開弁できる荷重となるよう設定されている。

弁機構７２は、弁体８３と、弁座８１とを有している。弁体８３にはゴム製の前述した弁部８３ａが下面外周部に円環状に形成されている。弁座８１は、図５に示すように弁部８３ａと当接するようボデー６４に形成されている。

次に、弁部８３ａを弁座８１から離間させる開弁時の制御について説明する。開弁時には制御装置７の指令によって３方弁が作動され、３方弁の大気解放用ポートとダイヤフラム室６１とが連通される。これによって、ダイヤフラム室６１が大気に解放されて減圧され、ダイヤフラム固定部材６５、弁軸６３および弁体８３はコイルスプリング８８のセット荷重のみによって下方に付勢されている状態になる。このような状態において、前述したように１次流通路７７ａ内の水素オフガスの圧力が通常の圧力Ｐｃを有していると、弁体８３が圧力Ｐｃを受圧し、圧力Ｐｃによる受圧力がコイルスプリング８８のセット荷重に打ち勝って弁体８３を開弁させ１次流通路７７ａと２次流通路７８ａとを連通させる。これによって１次流通路７７ａ内の水素オフガスおよび生成水は水素オフガスの圧力Ｐｃによって押し出され弁部８３ａと弁座８１との間および２次流通路７８ａを介して下流に排出される。なお、このとき弁軸６３はガイド穴６３ａを有しガイド穴６３ａがダイヤフラムの上蓋６８に固定されたガイド軸６６にガイドされて上下に移動する。

また、燃料電池システムが作動中であり、閉鎖状態が維持されるよう制御されている状態において、１次流通路７７ａにリリーフ圧Ｐｒを越える圧力が付与されると、弁体８３は、弁体８３の受圧面積に、上昇した圧力を乗じた大きさの付勢力を弁体８３が開弁する方向に向って受ける。そして、このとき、リリーフ圧Ｐｒを越える圧力によって発生した弁体８３を開弁させる付勢力は、前述したようにコイルスプリング８８および所定圧力Ｐｄによって発生する弁体８３を閉鎖位置に向って付勢する付勢力よりも大きいので、コイルスプリング８８が撓み始め、ダイヤフラム室６１内が圧縮されながら、弁体８３の弁部８３ａは弁座８１から離間し閉鎖位置から開弁する。これによって１次流通路７７ａで上昇した圧力が、２次流通路７８ａ側を介して下流側に排出され、燃料電池２内の圧力が下降し破損等を良好に防止することができる。このように第２の実施形態においても、排気排水機能とリリーフ機能とを同時に備えた排気排水弁が実現でき、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第１の実施形態に係る弁体作動装置は、ソレノイド弁に限らない。例えばステッピングモータやＤＣモータのように回転駆動するモータを使用し、回転運動を直線方向への移動に変換して弁体の開閉制御を行なってもよい。

また、本実施形態においては、弾性部材としてコイルスプリングを適用した。しかし、この態様に限らず、弾性部材は、スプリングワッシャや板ばねを複数枚、積層したものでもよいし、空気ばねを使用してもよい。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化剤ガス配管系、４…燃料ガス配管系、５…動力系、６…冷却系、７…制御装置、１１…酸化剤ガス供給流路、１２…酸化剤ガス排出流路、２１…燃料ガス供給流路、２２…燃料ガス排出流路、２３…循環流路、２７、６７…排気排水弁、３３、７３…弁体作動装置、３７ａ、７７ａ…１次流通路、３８ａ、７８ａ…２次流通路、４１、８１…弁座、４３、８３…弁体、４４…出力部材（プランジャ）、４７…ソレノイド、４８、８８…弾性部材（コイルスプリング）、６２…ダイヤフラム、６３…出力部材（弁軸）。

Claims

燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記燃料ガスが流通する供給流路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスや生成水が流通する排出流路と、
前記排出流路に設けられ前記燃料電池から排出された前記燃料オフガスや前記生成水を流通および遮断する排気排水弁と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記排気排水弁は、
前記燃料電池に連通する１次流通路および外部に連通する２次流通路と、
前記１次流通路と前記２次流通路との間に介在し環状に形成された弁座と、
前記弁座に対して進退移動し前記弁座と接離可能な弁部が形成された弁体と、
前記弁体に固定された出力部材を有し、前記燃料電池システムの通常運転時には、前記弁部を閉鎖位置と離間位置との間で移動させる弁体作動装置と、
前記出力部材を前記弁部が前記弁座に押圧される方向に所定の付勢力で付勢し、前記通常運転時において前記弁体作動装置が前記弁部を前記閉鎖位置に移動させた状態では、前記弁部を前記弁座に当接させ、前記１次流通路に付与される圧力が所定のリリーフ圧力を超える時には、前記弁部を前記弁座から離間させる弾性部材と、を備える燃料電池システム。
請求項１において、
前記弁体作動装置はソレノイド弁であり前記出力部材はプランジャである燃料電池システム。