JP6989669B2 - 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を供給することにより発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。特に、燃料電池車に搭載される燃料電池システムに好適なものである。

従来技術として、特許文献１に開示されるような燃料電池システムが存在する。この燃料電池システムは、燃料電池スタック（燃料電池）と、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するためのガス供給通路と、燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給を制御する上流側弁と、ガス供給通路に設けられるコンプレッサと、燃料電池スタックに供給された酸化剤ガスを排出するためのガス排出通路と、燃料電池スタックからの酸化剤ガスの排出を制御する下流側弁と、燃料電池スタックを迂回させて酸化剤ガスをガス排出通路に排出するバイパス通路と、バイパス通路に設けられたバイパス通路を流れる酸化剤ガスの流量を調節するバイパス弁とを備えている。

そして、このような燃料電池システムにおいて、下流側弁として偏心弁（弁体のシール面が回転軸から偏心して配置される流量制御弁）を適用することを、本出願人が特願２０１５−２５３２５９号にて提案している。この下流側弁は、弁座に設けたシール部に弁体を密着させて（押し付けて）ガス排出通路を封止することにより、酸化剤ガスの燃料電池への供給を停止するようになっている。

特開２０１０−１９２２５１号公報

しかしながら、上記した燃料電池システムでは、下流側弁が封止機能を有しているため、燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止する際に、燃料電池に余剰（不要）な酸化剤ガスが供給されてしまうため、その酸化剤ガスと燃料電池に既に供給された燃料ガスとが反応して発電が行われてしまう。そのため、減速時において、燃料電池で発電された電力が余剰になる場合があった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、減速時における燃料電池での不要な発電を最小限に抑えることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、
燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路と、前記酸化剤ガス供給通路に設けられて酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、前記酸化剤ガス供給通路にて前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられた上流側弁と、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路と、前記酸化剤ガス排出通路に設けられた下流側弁と、前記酸化剤ガス供給通路と前記酸化剤ガス排出通路とに接続されたバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ前記バイパス通路を流れる酸化剤ガスの流量を制御するバイパス弁と、各種制御を行う制御部と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記上流側弁は、
弁孔と前記弁孔の縁部に形成されたシート面を含む弁座と、
前記シート面に対応するシール面が外周に形成された弁体と、
前記弁体が一体的に設けられ前記弁体を回転させる回転軸と、
前記回転軸を開弁方向に回転させる駆動力を発生させる駆動機構と、を備え、
前記制御部は、減速時に前記上流側弁を全閉にする場合、前記駆動機構により前記上流側弁をシステム停止時における全閉開度位置で開度が０°である機械的全閉開度よりも大きい制御全閉開度にする制御全閉開度制御を行うことを特徴とする。

ここで、頻繁に生じる減速時において、システム停止時と同様に上流側弁が全閉にされると、シール部材が摩耗するおそれがある。そして、シール部材のシール部が摩耗してしまうと、システム停止時に、上流側弁においてシール性を確保することができなくなるおそれがある。

そこで、このようにすることにより、減速時に上流側弁を全閉にする場合、制御部により制御全閉開度制御が実施されて、駆動機構により上流側弁の開度が機械的全閉開度（開度０°）よりも大きい制御全閉開度にされる。なお、制御全閉開度とは、機械的全閉開度から数度だけ開弁された開度であって、シール部材と弁体又は弁座が接触して閉弁状態が維持されている開度である。これにより、上流側弁において、システム停止時における全閉開度位置（機械的全閉開度位置）と減速時における全閉開度位置（制御全閉開度位置）とが異なり、減速時おける全閉開度位置は、システム停止時における全閉開度位置より開き側に位置する。そのため、減速時に比べると全閉になる作動回数が非常に少ないシステム停止時における全閉開度位置でのシール部材の摩耗を大幅に抑制することができる。従って、システム停止時において上流側弁のシール性が確保される。これにより、減速時に燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止する場合に、上流側弁において酸化剤ガスを確実に封止することができるので、燃料電池への余剰（不要）な酸化剤ガスの供給を少なくすることができる。

このように、減速時とシステム停止時において全閉位置を変えると、制御全閉開度位置と機械的全閉開度位置におけるシール部材の摩耗量が異なる、つまり制御全閉開度位置におけるシール部材の摩耗が多くなるため、シール部材に段差が発生してしまうおそれがある。そして、シール部材に段差が発生すると、システム停止時に上流側弁がリターンスプリングの付勢力だけでは機械的全閉開度まで閉じないおそれがある。

そのため、上記した燃料電池システムにおいて、前記制御部は、システム停止時に、前記駆動機構により前記上流側弁の開度を強制的に前記機械的全閉開度にするゼロ開度制御を行った後、システムを停止させることが好ましい。

このようにすることにより、システム停止時には、ゼロ開度制御が実施されて駆動機構によって上流側弁の開度が強制的に機械的全閉開度（開度０°）にされた後にシステムが停止される。そのため、シール部材に段差が発生したとしても、確実に上流側弁を機械的全閉開度まで閉じることができる。従って、システム停止時において上流側弁のシール性が確保される。

また、上記した燃料電池システムにおいて、前記制御部は、減速時に前記制御全閉制御を行う際、前記制御全閉制御の実施回数が予め決められた所定回数を越えた場合、前記駆動機構により前記上流側弁の開度を強制的に前記機械的全閉開度にするゼロ開度制御を行うことが好ましい。

このようにすることにより、上流側弁の開度が制御全閉開度にされる制御全閉開度制御が、所定回数繰り返し実行される度に、ゼロ開度制御が実施されて上流側弁の開度が強制的に機械的全閉開度（開度０°）にされるため、シール部材に段差が発生することを抑制することができる。なお、所定回数としては、数百回程度を設定すれば良いが、シール部材の材質や形状を考慮して実験により段差の発生を抑制することができる最適な回数を設定することが好ましい。

さらに、上記した燃料電池システムにおいて、前記制御部は、減速時に前記上流側弁を全閉にする場合、前記制御全閉開度よりも大きい所定開度まで閉弁させ、前記上流側弁の前後差圧が一定圧より小さくなった後に、前記制御全閉開度制御を行うことが好ましい。

上流側弁を全閉にする場合、上流側弁の前後差圧が大きいままであると、その差圧によってシール部材が変形しているおそれがある。そして、シール部が変形している状態で制御全閉開度制御を行うと、シール部が変形した状態で上流側弁が制御全閉開度にされてしまう。例えば、バイパス弁の弁孔径が小さい場合に、バイパス弁を開弁してから上流側弁の前後差圧が小さくなるまでに時間がかかり、上流側弁の前後差圧が下がる前に、上流側弁が制御全閉開度にされてしまうおそれがある。そうすると、シール部が変形してしまい、シール性を確保することができなくなるおそれがある。

そのため、上流側弁を全閉にする場合、上流側弁を制御全閉開度よりも大きい所定開度まで閉弁し、上流側弁の前後差圧が一定圧以下になった後に、制御全閉開度制御を行うことにより、シール部材が変形した状態で上流側弁が制御全閉開度にされてしまうことを確実に回避することができる。これにより、シール部の変形を防止することができるため、シール性を確保することができる。なお、制御全閉開度よりも大きい所定開度は、弁体又は弁座とシール部材とが非接触状態を維持可能な最低開度（例えば５〜１５°程度）を設定すればよい。また、一定圧は、シール部材のシール部が変形しない圧力（数ｋＰａ程度）を設定すればよい。

同様に、減速終了時に上流側弁を開弁させる場合、上流側弁の前後差圧が大きいと、その差圧によってシール部材のシール部が反り返って変形するおそれがある。そして、上流側弁を開弁している際に、シール部材のシール部が反り返って変形してしまうと、シール部が異常に摩耗してしまい、シール性を確保することができなくなるおそれがある。

そこで、上記した燃料電池システムにおいて、前記制御部は、減速終了時に前記上流側弁を開弁させる場合、前記バイパス弁を開弁させた後に、前記上流側弁を開弁させて全開にすることが好ましい。

このようにすることにより、酸化剤ガス供給通路内の圧力が下がってから、つまり上流側弁の前後差圧が小さくなってから、上流側弁が開弁される。そのため、上流側弁の開弁時にシール部材のシール部が反り返って変形することを防止することができる。これにより、減速終了後に上流側弁を開弁させる時に、シール部材のシール部が異常に摩耗することを防止することができ、シール性を確保することができる。

この場合には、上記した燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記上流側弁の前後差圧が一定圧より小さくなった後に、前記上流側弁を開弁させて全開にするとよい。

このようにすることにより、減速終了後に上流側弁を開弁させる時に、シール部材のシール部が反り返って変形することを確実に回避することができる。なお、一定圧は、シール部材のシール部が変形しない圧力（数ｋＰａ程度）を設定すればよい。

本発明に係る燃料電池システムによれば、減速時における燃料電池での不要な発電を最小限に抑えることができる。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 入口封止弁の正面図である。 入口封止弁の上面図である。 弁体が弁座に接触した閉弁状態（全閉状態）における弁部を一部破断して示した斜視図である。 弁体が弁座から最も離れた全開状態における弁部を一部破断して示した斜視図である。 流量制御弁が閉弁状態であるときの弁座、弁体及び回転軸を示す側面図である。 図６のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 図２のＣ−Ｃ断面図である。 弁ハウジングからエンドフレームを取り外した状態を示す正面図である。 モータの非駆動時において、メインギヤとリターンスプリングと中間ギヤの周辺の拡大図（一部断面図）である。 モータの非駆動時において、メインギヤに作用する力を示した模式図であり、回転軸の中心軸方向のメインギヤ側から見た図である。 図１２のＤ−Ｄ断面図に相当する図であって、弁座と弁体と回転軸と軸受とメインギヤを表した模式図である。 モータの駆動時において、メインギヤに作用する力を示した模式図であり、回転軸の中心軸方向のメインギヤ側から見た図である。 図１４のＥ−Ｅ断面図に相当する図であって、弁座と弁体と回転軸と軸受とメインギヤを表した模式図である。 図１５に対応する図であって、図１５のときよりもモータ駆動力を大きくしたときを表した図である。 モータの駆動時において、開度がαのときのメインギヤとリターンスプリングと中間ギヤの周辺の拡大図（一部断面図）である。 図１６に対応する図であって、図１６のときよりもモータ駆動力を大きくしたときを表した図である。 モータの駆動時において、開度がβのときのメインギヤとリターンスプリングと中間ギヤの周辺の拡大図（一部断面図）である。 開度と開口面積の関係図である。 ゴムシートを示す図である。 エア系の概略構成を示す図である。 閉弁中にゴムシートのシール部が反り返った状態を示す図である。 シール部が反り返ったままで全閉になった状態を示す図である。 減速時における制御内容を示すフローチャートである。 減速初期のエア系におけるエアの流れを示す図である。 減速時及びシステム停止時における制御内容を示すフローチャートである。 減速時における放電制御及び回生制御の内容を示すフローチャートである。 減速終了時及び加速／定常時の制御内容を示すフローチャートである。 機械的全閉状態と制御全閉状態における弁体とシール部との接触状態を示す図である。 開弁中にゴムシートのシール部が反り返った状態を示す図である。 制御全閉制御を実施した場合に弁体がシール部に接触・摺動する様子を示した図である。 図３２に示す丸枠部分を拡大した図である。 図３３に示す四角枠部分を拡大してシール部のみを示す図である。 段差発生抑制制御の内容を示すフローチャートである。

本発明に係る実施形態である燃料電池システムについて、図１を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、燃料電池車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給する燃料電池システムに、本発明を適用した場合について説明する。

本実施形態の燃料電池システム１０１は、図１に示すように、燃料電池スタック（燃料電池）１１１と、水素系１１２と、エア系１１３を有する。

燃料電池スタック１１１は、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスはエアである。すなわち、燃料電池スタック１１１は、水素系１１２からの水素ガスの供給と、エア系１１３からのエアの供給を受けて発電を行う。そして、燃料電池スタック１１１で発電された電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータ（図示略）に供給される。

水素系１１２は、燃料電池スタック１１１のアノード側に設けられている。この水素系１１２は、水素供給通路１２１、水素排出通路１２２、充填通路１２３を備えている。水素供給通路１２１は、水素タンク１３１から燃料電池スタック１１１へ水素ガスを供給するための通路である。水素排出通路１２２は、燃料電池スタック１１１から排出される水素ガス（以下、適宜、「水素オフガス」という。）を排出するための通路である。充填通路１２３は、充填口１５１から水素タンク１３１に水素ガスを充填するための通路である。

水素系１１２は、水素供給通路１２１において、水素タンク１３１側から順に、主止弁１３２、高圧レギュレータ１３３、中圧リリーフ弁１３４、圧力センサ１３５、インジェクタ部１３６、低圧リリーフ弁１３７、圧力センサ１３８を備えている。主止弁１３２は、水素タンク１３１から水素供給通路１２１への水素ガスの供給と遮断を切り換える弁である。高圧レギュレータ１３３は、水素ガスを減圧するための圧力調整弁である。中圧リリーフ弁１３４は、水素供給通路１２１における高圧レギュレータ１３３とインジェクタ部１３６の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する弁である。圧力センサ１３５は、水素供給通路１２１における高圧レギュレータ１３３とインジェクタ部１３６の間の圧力を検出するセンサである。インジェクタ部１３６は、水素ガスの流量を調節する機構である。低圧リリーフ弁１３７は、水素供給通路１２１におけるインジェクタ部１３６と燃料電池スタック１１１の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する弁である。圧力センサ１３８は、水素供給通路１２１におけるインジェクタ部１３６と燃料電池スタック１１１の間の圧力を検出するセンサである。

また、水素系１１２は、水素排出通路１２２において、燃料電池スタック１１１側から順に、気液分離器１４１、排気排水弁１４２が配置されている。気液分離器１４１は、水素オフガス内の水分を分離する機器である。排気排水弁１４２は、気液分離器１４１からエア系１１３の希釈器１８２への水素オフガスや水分の排出と遮断を切り換える弁である。

エア系１１３は、燃料電池スタック１１１のカソード側に設けられている。このエア系１１３は、エア供給通路１６１、エア排出通路１６２、バイパス通路１６３を備えている。エア供給通路１６１は、燃料電池システム１０１の外部から燃料電池スタック１１１へ、エアを供給するための通路である。エア排出通路１６２は、燃料電池スタック１１１から排出されるエア（以下、適宜、「エアオフガス」という。）を排出するための通路である。バイパス通路１６３は、エア供給通路１６１から燃料電池スタック１１１を介さずにエア排出通路１６２へ、エアを流すための通路である。

エア系１１３は、エア供給通路１６１において、エアクリーナ１７１側から順に、コンプレッサ１７２、インタークーラ１７３、入口封止弁（上流側弁）１７４を備えている。エアクリーナ１７１は、燃料電池システム１０１の外部から取り込んだエアを清浄化する機器である。コンプレッサ１７２は、エアを燃料電池スタック１１１に供給する機器である。インタークーラ１７３は、エアを冷却する機器である。入口封止弁１７４は、燃料電池スタック１１１へのエアの供給と遮断を切り換える封止弁である。この入口封止弁１７４として、弁体のシール面が回転軸から偏心して配置される偏心弁が適用されている。入口封止弁１７４の詳細については、後述する。

また、エア系１１３は、エア排出通路１６２において、燃料電池スタック１１１側から順に、出口統合弁（下流側弁）１８１、希釈器１８２が配置されている。

出口統合弁１８１は、燃料電池スタック１１１の背圧を調整して燃料電池スタック１１１からのエアオフガスの排出量を制御する弁（調圧（流量制御）機能を有する弁）である。この出口統合弁１８１として、入口封止弁１７４と基本的に同一構成（ゴムシート２１の構成が異なる場合がある）の偏心弁が適用されている。出口統合弁１８１の詳細については、後述する。

希釈器１８２は、エアオフガス及びバイパス通路１６３を流れるエアにより、水素排出通路１２２から排出される水素オフガスを希釈する機器である。

また、エア系１１３は、バイパス通路１６３において、バイパス弁１９１を備えている。バイパス弁１９１は、バイパス通路１６３におけるエアの流量を制御する弁である。バイパス弁１９１として、入口封止弁１７４や出口統合弁１８１とほぼ同一構成（ゴムシート２１を備えていない）の偏心弁が適用されている。バイパス弁１９１の詳細については、後述する。

また、燃料電池システム１０１は、システムの制御を司るコントローラ（制御部）２０１を備えている。コントローラ２０１は、燃料電池システム１０１に備わる各機器を制御するとともに各種判定を行う。なお、燃料電池システム１０１は、その他、燃料電池スタック１１１の冷却を行う冷却系（不図示）も有する。

以上のような構成の燃料電池システム１０１において、水素供給通路１２１から燃料電池スタック１１１に供給された水素ガスは、燃料電池スタック１１１にて発電に使用された後、燃料電池スタック１１１から水素オフガスとして水素排出通路１２２と希釈器１８２を介して、燃料電池システム１０１の外部に排出される。また、エア供給通路１６１から燃料電池スタック１１１に供給されたエアは、燃料電池スタック１１１にて発電に使用された後、燃料電池スタック１１１からエアオフガスとしてエア排出通路１６２と希釈器１８２を介して、燃料電池システム１０１の外部に排出される。

ここで、入口封止弁１７４、出口統合弁１８１及びバイパス弁１９１について、図２〜図２１を参照しながら説明する。なお、これらの弁は、入口封止弁１７４と出口統合弁１８１とでゴムシートの構成が異なる場合やバイパス弁１９１がゴムシートを備えていないことを除いて、基本的に同一構成であるため、以下では入口封止弁１７４を中心に説明し、適宜、出口統合弁１８１及びバイパス弁１９１についても説明する。

図２及び図３に示すように、入口封止弁１７４は、弁部２と駆動機構部３を備える。弁部２は、内部にエア（空気）が流れる流路１１を有する管部１２（図８参照）を備え、流路１１の中には弁座１３、弁体１４及び回転軸１５が配置されている。回転軸１５に対しては、駆動機構部３から駆動力（回転力）が伝えられる。駆動機構部３は、モータ３２と減速機構３３（図８や図９参照）を備えている。

図４及び図５に示すように、流路１１には段部１０が形成され、その段部１０に弁座１３が組み込まれている。弁座１３は、円環状をなし、中央に弁孔１６を有する。弁孔１６の縁部には、環状のシート面１７が形成されている。弁体１４は、円板状の部分を備え、その外周には、シート面１７に対応する環状のシール面１８が形成されている。弁体１４は、回転軸１５に一体的に設けられ、回転軸１５と一体的に回転する。

本実施形態では、弁座１３に、ゴムシート（シール部材）２１が設けられている（図２１参照）。そして、ゴムシート２１に、シート面１７が形成されている。このゴムシート２１の詳細については、後述する。なお、バイパス弁１９１には、ゴムシート２１が備わっていないため、シート面１７は弁座１３に形成されている。

本実施形態では、図４及び図５において、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５とは反対側に形成される流路１１が燃料電池スタック１１１側（エアの流れの下流側）に配置され、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５側に形成される流路１１がコンプレッサ側（エアの流れの上流側）に配置されている。すなわち、本実施形態では、エアは、流路１１内において、弁体１４（回転軸１５）側から弁座１３側に向かって流れる。

なお、出口統合弁１８１においては、入口封止弁１７４とは逆に、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５とは反対側に形成される流路１１が燃料電池スタック１１１側（エアの流れの上流側）に配置され、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５側に形成される流路１１が希釈器１８２側（エアの流れの下流側）に配置されている。すなわち、出口統合弁１８１では、エアは、流路１１内において、弁座１３側から弁体１４（回転軸１５）側に向かって流れる。

また、バイパス弁１９１においては、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５とは反対側に形成される流路１１がエア供給通路１６１側（エアの流れの上流側）に配置され、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５側に形成される流路１１がエア排出通路１６２側（エアの流れの下流側）に配置されている。すなわち、バイパス弁１９１では、エアは、流路１１内において、弁体１４（回転軸１５）側から弁座１３側に向かって流れる。

図６及び図７に示すように、回転軸１５の中心軸Ｌｓは、弁体１４の径方向（詳しくは、弁体１４の円板状の部分の径方向）と平行に伸び、弁孔１６の中心軸Ｐ１から弁孔１６の径方向へ偏心して配置されると共に、弁体１４のシール面１８が回転軸１５の中心軸Ｌｓから弁体１４の中心軸Ｌｖが伸びる方向へ偏心して配置されている。

また、弁体１４について回転軸１５の中心軸Ｌｓを中心に回転させることにより、弁体１４のシール面１８が、シート面１７に面接触する閉弁位置（図４参照）とシート面１７から最も離れる全開位置（図５参照）との間で移動可能となっている。

図８及び図９に示すように、金属製又は合成樹脂製の弁ハウジング３５は、流路１１及び管部１２を備えている。また、金属製又は合成樹脂製のエンドフレーム３６は、弁ハウジング３５の開口端を閉鎖している。弁体１４及び回転軸１５は、弁ハウジング３５内に設けられている。回転軸１５は、その先端部にピン１５ａを備えている。このように、ピン１５ａは、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向の一方（弁体１４側）の端部に設けられている。ピン１５ａの径は、回転軸１５におけるピン１５ａ以外の部分の径よりも小さい。なお、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向の他方（メインギヤ４１側）の端部には、基端部１５ｂが設けられている。

回転軸１５は、ピン１５ａがある先端側を自由端とし、その先端部が管部１２の流路１１に挿入されて配置されている。また、回転軸１５は、互いに離れて配置された２つの軸受である第１軸受３７と第２軸受３８を介して弁ハウジング３５に対し回転可能に片持ち支持されている。第１軸受３７と第２軸受３８は、ともにボールベアリングにより構成されている。第１軸受３７と第２軸受３８は、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向について弁体１４とメインギヤ４１との間の位置に配置され、回転軸１５を回転可能に支持している。本実施形態では、第１軸受３７が、第２軸受３８に対してメインギヤ４１側の位置に配置されている。弁体１４は、回転軸１５の先端部に形成されたピン１５ａに対して溶接により固定され、流路１１内に配置されている。

エンドフレーム３６は、弁ハウジング３５に対し複数のクリップ３９（図２及び図３参照）により固定されている。図８及び図９に示すように、回転軸１５の基端部１５ｂには、扇形ギヤを備えるメインギヤ４１が固定されている。弁ハウジング３５とメインギヤ４１との間には、リターンスプリング力Ｆｓ１を発生させるリターンスプリング４０が設けられている。リターンスプリング力Ｆｓ１は、回転軸１５を閉弁方向に回転させる力であって、弁体１４を閉弁方向へ付勢する力である。

リターンスプリング４０は、線材がコイル状に巻かれて形成された弾性体である。リターンスプリング４０は、その線材の両端部において、図１１に示すように、奥側フック４０ａと、手前側フック４０ｂを備えている。奥側フック４０ａと手前側フック４０ｂは、リターンスプリング４０の周方向について約１８０°離れた位置に配置されている。奥側フック４０ａは、弁ハウジング３５側（図１１の紙面奥側）に配置され、弁ハウジング３５のスプリングフック部３５ｃ（図１９参照）に接触している。一方、手前側フック４０ｂは、メインギヤ４１側（図１１の紙面手前側）に配置され、メインギヤ４１のスプリングフック部４１ｃに接触している。

また、図８〜図１１に示すように、メインギヤ４１は、全閉ストッパ部４１ａと、歯車部４１ｂと、スプリングフック部４１ｃと、スプリングガイド部４１ｄなどを備えている。そして、メインギヤ４１の周方向（図１１の反時計方向）について、順に、全閉ストッパ部４１ａ、歯車部４１ｂ、スプリングフック部４１ｃが形成されている。メインギヤ４１は、回転軸１５と一体的に設けられ、モータ３２で発生する駆動力を受給する。全閉ストッパ部４１ａは、開度θが「０」であるときに、弁ハウジング３５の全閉ストッパ部３５ｂに接触する部分である。なお、メインギヤ４１は、本発明における「駆動力受給部」の一例である。

図８に示すように、モータ３２は、弁ハウジング３５に形成された収容凹部３５ａに収容されて固定されている。モータ３２は、回転軸１５を開弁、および、閉弁方向に回転させる駆動力を発生させる。モータ３２は、弁体１４を開閉駆動するために減速機構３３を介して回転軸１５に駆動力が伝達されるようにして連結されている。すなわち、モータ３２の出力軸３２ａ（図１０参照）には、モータギヤ４３が固定されている。このモータギヤ４３は、中間ギヤ４２を介してメインギヤ４１に駆動力が伝達されるようにして連結されている。

中間ギヤ４２は、大径ギヤ４２ａと小径ギヤ４２ｂを有する二段ギヤであり、ピンシャフト４４を介して弁ハウジング３５に回転可能に支持されている。大径ギヤ４２ａの直径は、小径ギヤ４２ｂの直径よりも大きい。大径ギヤ４２ａには、モータギヤ４３が駆動連結され、小径ギヤ４２ｂには、メインギヤ４１が駆動連結されている。本実施形態では、減速機構３３を構成するメインギヤ４１と中間ギヤ４２とモータギヤ４３は、樹脂により形成されている。

なお、モータ３２は、本発明における「駆動機構」の一例である。また、中間ギヤ４２（駆動伝達部）は、モータ３２の駆動力を回転軸１５に伝達する。

詳しくは後述するが、このような構成の入口封止弁１７４は、図４に示すような閉弁状態（弁体１４のシール面１８の全周と弁座１３（ゴムシート２１）のシート面１７の全周とが接触している状態）から、モータ３２に通電させると、メインギヤ４１にギヤ歯を押す力（モータ駆動力Ｆｍ１（図１４参照））が加わり、てこの原理により弁体１４を弁座１３に向かう方向へ移動させる（図１５参照）。その後、モータ３２に印加する駆動電圧（電流）が徐々に大きくなると、出力軸３２ａとモータギヤ４３が正方向（弁体１４を開弁させる方向）へ回転して、その回転が中間ギヤ４２により減速されてメインギヤ４１に伝達される。そして、リターンスプリング４０により発生する力であって閉弁方向へ付勢するリターンスプリング力Ｆｓ１に抗して、弁体１４が開弁して流路１１が開かれる（図１６及び図１８参照）。その後、弁体１４が開弁する途中でモータ３２に印加する駆動電圧が一定に維持されると、そのときの弁体１４の開度にてモータ駆動力Ｆｍ１とリターンスプリング力Ｆｓ１とが均衡して、弁体１４は所定開度に保持される。

そこで、本実施形態における入口封止弁１７４の作用について詳細に説明する。まず、モータ３２へ通電がなされていないモータ３２の非駆動時（モータ３２が停止しているとき）には、開度θが「０」の状態、すなわち、入口封止弁１７４が全閉（機械的全閉開度）になっている。そして、このとき、図１１に示すように、メインギヤ４１の全閉ストッパ部４１ａは、弁ハウジング３５の全閉ストッパ部３５ｂに接触している。

このとき、回転軸１５の周方向についての力関係を考えると、図１２に示すように、メインギヤ４１のスプリングフック部４１ｃには、リターンスプリング４０の手前側フック４０ｂからリターンスプリング力Ｆｓ１が加わっている。なお、図１２に示すように、回転軸１５の中心軸Ｌｓを原点とし、ｘ軸を水平方向とし、ｙ軸を鉛直方向とする直交座標系において、＋ｘ方向かつ＋ｙ方向を第１象限、−ｘ方向かつ＋ｙ方向を第２象限、−ｘ方向かつ−ｙ方向を第３象限、＋ｘ方向かつ−ｙ方向を第４象限とする。このとき、奥側フック４０ａおよび全閉ストッパ部４１ａは第１象限に位置するように配置され、手前側フック４０ｂおよびスプリングフック部４１ｃは第３象限に位置するように配置されている。

ここで、てこの原理において、全閉ストッパ部４１ａに支点が設定され、スプリングフック部４１ｃに力点が設定され、全閉ストッパ部４１ａとスプリングフック部４１ｃとの間の中央部に作用点が設定されるとする。すると、スプリングフック部４１ｃに加わるリターンスプリング力Ｆｓ１により、全閉ストッパ部４１ａとスプリングフック部４１ｃとの間の中央部に力Ｆｓ２が作用する。なお、（力Ｆｓ２）＝２×（リターンスプリング力Ｆｓ１）である。なお、図１２において、全閉ストッパ部４１ａとスプリングフック部４１ｃとの間の距離は「２Ｒ」としている。

このとき、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向に沿った断面における力関係を考えると、図１３に示すように、力Ｆｓ２の＋ｙ方向成分は、分力Ｆｓ３となる。なお、＋ｙ方向とは、第１軸受３７や第２軸受３８の中心軸Ｌｊ方向（ｘ方向）に対して垂直な方向であって、弁体１４に対して弁座１３方向（図１２や図１３の図面上方向）である。また、（分力Ｆｓ３）＝（力Ｆｓ２）×（ｓｉｎθ１）である。なお、図１２に示すように、角度θ１は、ｘ方向に対して、全閉ストッパ部４１ａとスプリングフック部４１ｃの配列方向がなす角度である。

そして、この分力Ｆｓ３により、スプリングガイド部４１ｄの位置では、力Ｆｓ４（反弁座方向付勢力）が＋ｙ方向に作用している。なお、（力Ｆｓ４）＝（分力Ｆｓ３）×Ｌｂ／Ｌａである。このように、力Ｆｓ４は、リターンスプリング力Ｆｓ１に起因して発生する力であって、かつ、第１軸受３７と第２軸受３８の中心軸Ｌｊに対して垂直な方向に作用する力である。なお、距離Ｌａは、ｘ方向について第１軸受３７が配置される位置から力Ｆｓ４が作用する位置までの距離である。また、距離Ｌｂは、ｘ方向について第１軸受３７が配置される位置から分力Ｆｓ３が作用する位置までの距離である。

このようにスプリングガイド部４１ｄの位置で力Ｆｓ４が＋ｙ方向に作用することにより、スプリングガイド部４１ｄと一体の回転軸１５は、第１軸受３７を支点に、図１３における時計回りに回転して傾く。これにより、てこの原理により、回転軸１５の基端部１５ｂに設けられるメインギヤ４１は＋ｙ方向に移動する一方で、回転軸１５のピン１５ａに設けられる弁体１４は−ｙ方向に移動する。そのため、弁体１４は、弁座１３から離れる方向（反弁座方向）に移動する。このようにして、モータ３２の非駆動時であって、出口統合弁１８１が閉弁状態であるときに、弁体１４は、力Ｆｓ４により、弁座１３から離れる方向に移動する。なお、このとき、回転軸１５は、第２軸受３８により制止される。

本実施形態では、このとき、図１３に示すように、弁体１４は、弁座１３に設けられたゴムシート２１（シール部材）に接触している。詳しくは、図２１に示すように、弁体１４は、ゴムシート２１に備わるシール部２１ａに接触している。なお、このとき、弁体１４は、シール部２１ａのシート面１７の全周に亘って接触している。シール部２１ａは、弁体１４に押されて撓むことができるように形成されている。そして、シール部２１ａは、入口封止弁１７４の上流側圧力が下流側圧力よりも大きくなる（前後差圧が大きくなる）にしたがって弁体１４のシール面１８に接触する面圧が高められる形状をなしている。例えば、シール部２１ａとして、ビードシールやリップシール等を適用することができる。このようにして、弁座１３と弁体１４との間はゴムシート２１で封止（シール）されており、入口封止弁１７４は簡単な構成でシール性が確保されている。

これにより、燃料電池システム１０１が搭載された車両の減速時において、燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止する場合に、入口封止弁１７４を全閉にしてエア供給通路１６１の圧力を高める、あるいは燃料電池スタック１１１のスタック圧を下げることにより、燃料電池スタック１１１の入口側でエアを封止することができる。従って、燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止する際に、燃料電池スタック１１１への余剰（不要）なエアの供給を少なくすることができるので、減速時における燃料電池スタック１１１での不要な発電を最小限に抑えることができる。

また、このとき、開度θと開口面積Ｓの関係は図２０に示す点Ｐ１ａの様になる。ここで、「入口封止弁１７４が全閉（機械的全閉）状態であるとき」とは、開度θ（弁体１４の開度）が「０」のときであり、言い換えると、回転軸１５の回転角度が全閉のときの角度（回転軸１５の回転範囲内における最小角度）であるときである。

その後、モータ３２へ通電がなされるモータ３２の駆動時には、中間ギヤ４２の小径ギヤ４２ｂ（図１１参照）からメインギヤ４１の歯車部４１ｂ（図１１参照）に対して当該メインギヤ４１を回転させようとするモータ駆動力Ｆｍ１が作用する。このとき、回転軸１５の周方向についての力関係を考えると、図１４に示すように、モータ駆動力Ｆｍ１は、−ｙ方向に作用する。なお、−ｙ方向とは、第１軸受３７や第２軸受３８の中心軸Ｌｊ方向（ｘ方向）に対して垂直な方向であって、弁座１３に対して弁体１４が配置される方向（図１２や図１３の図面下方向）である。

そして、モータ駆動力Ｆｍ１により、回転軸１５の中心軸Ｌｓの位置では、力Ｆｍ２が−ｙ方向に作用している。さらに、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向に沿った断面における力関係を考えると、図１５に示すように、スプリングガイド部４１ｄの位置では、力Ｆｍ３（弁座方向付勢力）が−ｙ方向に作用している。なお、（力Ｆｍ３）＝（力Ｆｍ２）×Ｌｂ／Ｌａである。このように、モータ３２の駆動時に、力Ｆｍ３が発生する。この力Ｆｍ３は、モータ駆動力Ｆｍ１に起因して発生する力であって、かつ、第１軸受３７と第２軸受３８の中心軸Ｌｊに対して垂直な方向に作用する力である。そして、力Ｆｍ３は、第１軸受３７を支点として回転軸１５を回転させて傾けて、弁体１４を弁座１３に向かう方向に付勢する。

そして、図１５に示すように、力Ｆｍ３が前記の力Ｆｓ４よりも大きくなると、メインギヤ４１のスプリングガイド部４１ｄと一体の回転軸１５は、第１軸受３７を支点に図１５における反時計回りに回転して傾く。これにより、てこの原理により、メインギヤ４１は−ｙ方向に移動する一方で、弁体１４は＋ｙ方向に移動する。このようにして、弁体１４は、力Ｆｍ３により、弁座１３に向かう方向（弁座方向）に移動する。

本実施形態では、このとき、ゴムシート２１のシール部２１ａは、弁体１４に押されて変形しているが、シール部２１ａの変形は弾性領域内で行われ、塑性変形はしない。なお、このとき、開度θと開口面積Ｓの関係は図２０に示す、点Ｐ１ｂの様になる。

その後、モータ３２に印加させる駆動電圧が大きくなってモータ駆動力Ｆｍ１が大きくなると、回転軸１５は、第１軸受３７を支点に図１６における反時計回りにさらに回転して傾く。これにより、メインギヤ４１は−ｙ方向にさらに移動する一方で、弁体１４は＋ｙ方向にさらに移動する。このとき、回転軸１５は中心軸Ｌｓを中心に回転し、開度θ（回転軸１５の回転角度）が開度「０°」から僅かに開いた開度「α」になる（図１７参照）。そして、このとき、図１７に示すように、メインギヤ４１の全閉ストッパ部４１ａは、弁ハウジング３５の全閉ストッパ部３５ｂから離れる。この状態が、後述する制御全閉状態であり、開度「α」が制御全閉開度となる。制御全閉開度の詳細については後述する。なお、図１６に示すように、回転軸１５は、第２軸受３８により制止される。また、このとき、開度θと開口面積Ｓは図２０に示す点Ｐ１ｃの様になり、開口面積Ｓはほぼゼロである。

そして、モータ駆動力Ｆｍ１がさらに大きくなると、回転軸１５は中心軸Ｌｓを中心にさらに回転し、図１８に示すように、弁体１４が弁座１３から離れて、開口面積Ｓが増加して開弁される。このとき、開度θが「β」になる（図１９参照）。また、このとき、開度θと開口面積Ｓの関係は図２０に示す点Ｐ１ｄの様になる。以上のようにして、モータ駆動力Ｆｍ１による入口封止弁１７４の開弁動作が行われる。

上記のような構成を出口統合弁１８１も有している。ただし、出口統合弁１８１におけるゴムシートのシール部は、出口統合弁１８１の上流側圧力が下流側圧力よりも大きくなるにしたがって、弁体のシール面に接触する面圧が下がるようになっている。また、バイパス弁１９１は、ゴムシート２１を備えていない点を除き、上記のような構成を有している。このようにエア系１１３では、図２２に示すように、入口封止弁１７４、出口統合弁１８１及びバイパス弁１９１として、入口封止弁１７４と出口統合弁１８１とでゴムシートの構成が異なる場合やバイパス弁１９１がゴムシートを備えていないことを除いて、基本的な構成が同一である偏心弁を使用して、エア系１１３における弁の共通化を図っている。また、入口封止弁１７４、出口統合弁１８１及びバイパス弁１９１において、ゴムシート以外の構成は共通しているので、開閉制御（動作）自体は同一であるため、これらの弁を協調制御することができる。これらのことにより、燃料電池システム１０１のコストを低減することができるとともに、コントローラ２０１における弁の開閉制御を簡素化することができる。

ここで、エア系１１３における各弁には次のような性能要求がある。すなわち、入口封止弁１７４には封止要求及び低圧損要求があり、出口統合弁１８１には封止要求及び流量制御分解能要求があり、バイパス弁１９１には圧抜き要求がある。そのため、低圧損要求がある入口封止弁１７４では、所定径以上の弁孔径（弁径）が必要となる。これに対して、出口統合弁１８１及びバイパス弁１９１には、入口封止弁１７４のように低圧損要求がない。また、出口統合弁１８１の弁孔径を入口封止弁１７４の弁孔径と同じにすると、出口統合弁１８１の流量制御分解能が悪化するとともに、微少開度での流量制御が増加してゴムシート２１のシール部２１ａが摩耗しやすくなるおそれがあることが判明した。

そこで、出口統合弁１８１及びバイパス弁１９１の弁孔径を、入口封止弁１７４の弁孔径よりも小さくすることが好ましい。これにより、出口統合弁１８１における流量制御分解能の悪化とシール部２１ａの摩耗を回避するとともに、出口統合弁１８１及びバイパス弁１９１のコスト低減を図ることができるため、燃料電池システム１０１のコストをさらに低減することができる。

そして、出口統合弁１８１の弁孔径とバイパス弁１９１の弁孔径を同じにして、ゴムシート２１を除いた部品を共通化することもできる。これにより、出口統合弁１８１及びバイパス弁１９１のコスト低減をさらに図ることができるため、燃料電池システム１０１のコストを一層低減することができる。また、ゴムシート２１を含めてバイパス弁１９１の構成と出口統合弁１８１の構成を同一にして弁の共通化を図ることもできる。これにより、量産効果によって製品コストを抑えながら、燃料電池システム１０１を製造する際に組み付けミスが生じにくくなり、作業性の向上を図ることができる。

ここで、入口封止弁１７４におけるゴムシート２１のシール部２１ａが、エア供給通路１６１の圧力が上昇した場合、あるいは燃料電池スタック１１１のスタック圧が下降した場合に、弁体１４のシール面１８に接触する面圧が高められる形状をなしている。そのため、車両の減速時に燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止する場合に、エア供給通路１６１の圧力が上昇して、あるいは燃料電池スタック１１１のスタック圧が下降して、入口封止弁１７４の前後差圧が大きくなっていると、図２３に示すように、入口封止弁１７４の閉弁時にシール部２１ａが（内側へ巻き込むように）反り返った状態で弁体１４に接触するおそれがある。そして、図２４に示すように、そのような状態のままで全閉になると、シール部２１ａが異常な形状に変形した状態で弁体１４に接触するため、シール性が確保されずに漏れが発生するばかりでなく、シール部２１ａが損傷したり、シール部２１ａが異常摩耗することになる。そうすると、入口封止弁１７４でエアを封止することができなくなり、燃料電池スタック１１１へ余剰（不要）なエアが供給されてしまう。

そこで、燃料電池システム１０１では、減速時に燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止する場合において、以下に述べる制御（減速（回生）制御）を実施して、上記のようなシール部２１ａの弁体１４に対する異常接触を回避するようにしている。

具体的には、コントローラ２０１が、図２５に示す制御フローチャートに基づく制御を実行する。まず、車両が加速／定常状態から減速状態になると（ステップＳ１：ＹＥＳ）、入口封止弁１７４を全開状態から全閉（機械的全閉）にするための全閉制御を実施する（ステップＳ２）。また、出口統合弁１８１を減速前の出力（加速／定常）要求に応じた開度から全閉にするための全閉制御を実施する（ステップＳ３）。さらに、バイパス弁１９１を全閉状態から全開にするための全開制御を実施する（ステップＳ４）。これにより、減速初期では、図２６に示すように、コンプレッサ１７２から供給されるエアは、バイパス通路１６３を介して、エア供給通路１６１からエア排出通路１６２へ流れる。そのため、エア供給通路１６１の圧力が上昇することはない。

一方、加速／定常状態が維持されている場合には（ステップＳ１：ＮＯ）、入口封止弁１７４は全開状態が維持される（ステップＳ２０）。そして、そのときの出力（加速／定常）要求に応じて、出口統合弁１８１の開度とバイパス弁１９１の開度とをそれぞれ制御するとともに、コンプレッサ１７２の回転数を制御する（ステップＳ２１）。

次に、減速状態において、車両に搭載されているバッテリが充電不可であるか否かを判断する（ステップＳ５）。バッテリが充電不可である場合には（ステップＳ５：ＹＥＳ）、燃料電池スタック１１１で発電された電気を放電する必要がある。そこで、本実施形態では、減速時に燃料電池スタック１１１で余剰に発電された電気をコンプレッサ１７２で消費するために、以下のコンプレッサ放電制御を実施する。まず、ステップＳ３で全閉制御が実施された入口封止弁１７４が全閉（開度「０」）になっているか否かを判断する（ステップＳ６）。そして、入口封止弁１７４が全閉になっていることを確認すると（ステップＳ６：ＹＥＳ）、全開状態になっているバイパス弁１９１を全閉にするための全閉制御を実施する（ステップＳ７）。

これにより、エア供給通路１６１の圧力が上昇する前に入口封止弁１７４が全閉になるため、シール部２１ａが弁体１４のシール面１８に正常に接触（着座）する。その後、バイパス弁１９１が全閉になってエア供給通路１６１の圧力が上昇する。そのため、入口封止弁１７４の閉弁時にシール部２１ａが反り返ることを確実に防止することができる。従って、入口封止弁１７４の閉弁時に、シール部２１ａが反り返った状態で弁体１４のシール面１８に接触（着座）することなく、弁体１４のシール面１８に正常に接触（着座）させることができる。よって、減速時に燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止する場合に、入口封止弁１７４においてエアを確実に封止することができるので、燃料電池スタック１１１への余剰（不要）なエアの供給を少なくすることができる。その結果として、以下に述べるコンプレッサ放電制御の実施時間を短縮することができる。

そして、バイパス弁１９１が全閉になると、コンプレッサ１７２のコンプレッサ圧（Ｐｉｎ）及びコンプレッサ回転数（ｃｐｒｐｍ）を取り込む（ステップＳ８）。次に、コンプレッサ圧（Ｐｉｎ）が放電目標圧Ａより小さい（Ｐｉｎ＜Ａ）か否かを判断する（ステップＳ９）。このとき、コンプレッサ圧（Ｐｉｎ）が放電目標圧Ａより小さい場合には（ステップＳ９：ＹＥＳ）、バイパス弁１９１を閉弁制御してコンプレッサ圧（Ｐｉｎ）を上げる（ステップＳ１０）。一方、コンプレッサ圧（Ｐｉｎ）が放電目標圧Ａ以上である場合には（ステップＳ９：ＮＯ）、バイパス弁１９１を開弁制御してコンプレッサ圧（Ｐｉｎ）を下げる（ステップＳ１１）。

次に、コンプレッサ回転数（ｃｐｒｐｍ）が放電目標回転数Ｂより小さい（ｃｐｒｐｍ＜Ｂ）か否かを判断する（ステップＳ１２）。このとき、コンプレッサ回転数（ｃｐｒｐｍ）が放電目標回転数Ｂより小さい場合には（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、コンプレッサ１７２の回転数を上げる（ステップＳ１３）。一方、コンプレッサ回転数（ｃｐｒｐｍ）が放電目標回転数Ｂ以上である場合には（ステップＳ１２：ＮＯ）、コンプレッサ１７２の回転数を下げる（ステップＳ１４）。

このようにして、コンプレッサ圧及びコンプレッサ回転数をそれぞれ放電目標圧Ａ及び放電目標回転数Ｂ付近に制御して、燃料電池スタック１１１で余剰に発電された電気を効率よくコンプレッサ１７２で放電することができる。なお、放電目標圧Ａ及び放電目標回転数Ｂは、燃料電池スタック１１１で余剰に発電された電気をコンプレッサ１７２で作動音が考慮された上で効率良く消費（放電）することができるように実験により予め求められた値である。

一方、バッテリが充電可能である場合には（ステップＳ５：ＮＯ）、回生ブレーキ制御を実施して、燃料電池スタック１１１で発電された電気をバッテリに充電する（ステップＳ３０）。また、補機類発電要求が無いか否かを判断する（ステップＳ３１）。補機類発電要求が無い場合には（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、回生ブレーキ要求に応じてコンプレッサ１７２の回転数を制御する。これにより、コンプレッサ１７２は、一定回転数を維持しているため、その後に加速要求があった場合でも、燃料電池スタック１１１で必要出力に応じた発電をもたつきなく行うことができる。なお、コンプレッサ１７２が一定回転数を維持していても、バイパス弁１９１が開弁されているため、コンプレッサ１７２の負荷（電力消費）は小さい。

そして、補機類発電要求が有る場合には（ステップＳ３１：ＮＯ）、補機類発電要求に応じて、出口統合弁１８１の開度とバイパス弁１９１の開度とをそれぞれ制御するとともに、コンプレッサ１７２の回転数を制御する（ステップＳ３３）。

以上、詳細に説明したように本実施形態に係る燃料電池システム１０１によれば、入口封止弁１７４として、上流側圧力が下流側圧力よりも大きくなるにしたがって弁体１４のシール面１８に接触する面圧が高められる形状のシール部２１ａを備えるゴムシート２１を有する偏心弁を使用している。そのため、燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止させる際、入口封止弁１７４を全閉にすることにより、燃料電池スタック１１１の入口側でエアを封止することができる。従って、燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止する際に、燃料電池スタック１１１への余剰（不要）なエアの供給を少なくすることができる。これにより、減速時における燃料電池スタック１１１での不要な発電を最小限に抑えることができる。

そして、コントローラ２０１は、減速時に燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止する場合、入口封止弁１７４を閉弁させるとともにバイパス弁１９１を開弁させ、入口封止弁１７４が全閉になった後にバイパス弁１９１を閉弁させる。

そのため、ゴムシート２１のシール部２１ａが弁体１４のシール面１８に正常に接触（着座）した状態で、エア供給通路１６１の圧力が上昇するため、入口封止弁１７４の閉弁時にシール部２１ａが反り返ることを確実に防止することができる。これにより、燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止する際に、エアを確実に封止することができる。

ここで、入口封止弁１７４では、システム停止時や減速時に全閉にする際、弁体１４のシール面１８がゴムシート２１のシール部２１ａを摺りながら、弁体１４が弁座１３に着座する。そのため、シール部２１ａの摩耗が進行していくと、入口封止弁１７４のシール性を確保することができなくなってしまうおそれがある。そして、システム停止時において、入口封止弁１７４のシール性を確保することができなくなると、システム停止時における燃料電池スタック１１１の密閉度が低下し、燃料電池スタック１１１内で反応が起こり、燃料電池スタック１１１内で酸化による劣化が生じてしまう。

そこで、燃料電池システム１０１において、減速時又はシステム停止時に燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止する場合、燃料電池スタック１１１の劣化防止のために、上記の制御を基本とした以下に述べる制御を実施して、システム停止時において入口封止弁１７４のシール性を確保することができるように、シール部２１ａの摩耗を抑制することが好ましい。

具体的には、コントローラ２０１が、図２７〜図２９に示す制御フローチャートに基づく制御を実行すればよい。まず、コントローラ２０１は、図２７に示すように、燃料電池スタック１１１の作動要求が継続しているか否かを判断する（ステップＳ５０）。燃料電池スタック１１１の作動要求が継続している場合には（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、コントローラ２０１は、車両が加速／定常状態から減速状態になったか否かを判断する（ステップＳ５１）。

車両が加速／定常状態から減速状態になると（ステップＳ５１：ＹＥＳ）、コントローラ２０１は、放電解除フラグが「０」であるか否かを判断する（ステップS５２）。放電解除フラグは、「０」の場合に放電要求があることを示し、「１」の場合に放電要求がないことを示す。なお、放電要求は、減速時に燃料電池スタック１１１で発電された電気をバッテリに充電することができない場合に生じる。

そして、放電解除フラグが「０」である場合には（ステップＳ５２：ＹＥＳ）、コントローラ２０１は、バイパス弁１９１を全閉状態から全開にするための全開制御を実施する（ステップＳ５３）。これにより、入口封止弁１７４にコンプレッサ１７２のコンプレッサ圧が作用しなくなるため、入口封止弁１７４の前後差圧が小さくなる。なお、放電解除フラグが「１」である場合には（ステップＳ５２：ＮＯ）、コントローラ２０１は、後述するステップＳ９０〜Ｓ９３の処理を実施する。

また、出口統合弁１８１を減速前の出力（加速／定常）要求に応じた開度から制御全閉開度αにする制御全閉開度制御を実施する（ステップＳ５４）。なお、このステップＳ５４の処理は省略することもできるが、ステップＳ５３の処理に加えてステップＳ５４の処理を行うことにより、どちらか一方の弁が故障（バイパス弁閉故障又は出口統合弁開故障）した場合であっても、入口封止弁１７４の前後差圧を小さくすることができる。

さらに、コントローラ２０１は、入口封止弁１７４の開度を全開状態から所定開度γに閉じる閉弁制御を実施する（ステップＳ５５）。なお、所定開度γとしては、弁体１４がシール部２１ａに接触する少し手前の開度（例えば、５〜１５°程度）を設定すればよい。本実施形態では、所定開度γをγ＝１０°に設定している。

次に、コントローラ２０１は、コンプレッサ１７２のコンプレッサ圧（Ｐｉｎ）とスタック圧ｐｓｔａｃｋを取り込み（ステップＳ５６）、入口封止弁１７４の前後差圧ΔＰＩＮ（＝Ｐｉｎ−ｐｓｔａｃｋ）を算出する（ステップＳ５７）。そして、この前後差圧ΔＰＩＮが所定圧Ｐより小さくなると（ステップＳ５８：ＹＥＳ）、コントローラ２０１は、入口封止弁１７４の開度を制御全閉開度にする制御全閉開度制御を実施する（ステップＳ５９）。つまり、コントローラ２０１は、モータ３２を制御して入口封止弁１７４を制御全閉開度αまで閉じていく。これにより、入口封止弁１７４の開度が、所定開度γから制御全閉開度αとなる。

なお、制御全閉開度αは、機械的全閉開度（開度０°）より僅かに大きく、弁体１４がシール部２１ａに接触して閉弁状態が維持される開度であって、例えば、数度に設定すれば良い。本実施形態では、制御全閉開度αをα＝３°に設定している。また、所定圧Ｐは、ゴムシート２１のシール部２１ａが確実に変形しない圧力（数ｋＰａ程度）を設定すればよい。

このとき、バイパス弁１９１が全開にされているため、基本的には入口封止弁１７４の前後差圧ΔＰＩＮは小さくなっている。しかしながら、例えば、バイパス弁１９１の弁孔径を小さくした場合等に、バイパス弁１９１を開弁してから入口封止弁１７４の前後差圧ΔＰＩＮが小さくなるまでに時間がかかり、入口封止弁１７４の前後差圧ΔＰＩＮが下がる前に、入口封止弁１７４が制御全閉開度αにされてしまうおそれがある。そうすると、シール部２１ａが変形している状態で入口封止弁１７４が制御全閉となるおそれがある。

そのため、入口封止弁１７４を制御全閉にする場合、上記のように、まず入口封止弁１７４を所定開度γまで閉弁し、入口封止弁１７４の前後差圧ΔＰＩＮが一定圧Ｐより小さくなった後に、制御全閉開度制御を行うことにより、シール部２１ａが変形した状態で入口封止弁１７４が制御全閉にされてしまうことを確実に回避することができる。

その後、コントローラ２０１は、ステップＳ５９で制御全閉開度制御が実施された入口封止弁１７４の開度が制御全閉開度αになったか否かを判断する（ステップＳ６０）。そして、入口封止弁１７４の開度が制御全閉開度αになったことを確認すると（ステップＳ６０：ＹＥＳ）、入口封止弁１７４の制御全閉フラグを「１」して（ステップＳ６１）、全開状態になっているバイパス弁１９１を全閉にするための全閉制御を実施する（ステップＳ６２）。これにより、入口封止弁１７４のシール部２１ａに対してコンプレッサ１７２のコンプレッサ圧が作用して、シール部２１ａが弁体１４に押しつけられる。そのため、入口封止弁１７４において、開度が制御全閉開度αに制御されても、シール性を確保することができる。従って、減速時に燃料電池スタック１１１へのエアの供給を停止する際、入口封止弁１７４を機械的全閉にせずに制御全閉としても、入口封止弁１７４でエアを封止することができる。

このように、入口封止弁１７４では、減速時における全閉開度（制御全閉開度）が、システム停止時における全閉開度（機械的全閉開度）と異なっている。そのため、図３０に示すように、システム停止時における機械的全閉開度状態での弁体１４とシール部２１ａとの接点端ＣＰ１の位置と、減速時における制御全閉開度状態での弁体１４とシール部２１ａとの接点端ＣＰ２の位置とが異なる。そして、入口封止弁１７４が全閉にされる作動回数の多い減速時における全閉開度位置（制御全閉開度位置：開度θ＝α）でのシール部２１ａの摩耗は生じてしまうが、減速時に比べると大幅に作動回数の少ないシステム停止時における全閉開度位置（機械的全閉位置：開度θ＝０）でのシール部２１ａの摩耗を大幅に抑制することができる。従って、システム停止時における入口封止弁１７４のシール性を確保することができる。なお、入口封止弁１７４において、制御全閉開度位置でシール部２１ａの摩耗が生じたとしても、減速時にはコンプレッサ１７２のコンプレッサ圧によりシール部２１ａが弁体１４に押しつけられるため、シール性を確保することができる。

そして、図２８に示すように、放電要求がある場合には（ステップＳ８０：ＹＥＳ）、コントローラ２０１は、コンプレッサ１７２のコンプレッサ圧（Ｐｉｎ）及びコンプレッサ回転数（ｃｐｒｐｍ）を取り込む（ステップＳ８１）。次に、コンプレッサ圧（Ｐｉｎ）が放電目標圧Ａより小さい（Ｐｉｎ＜Ａ）か否かを判断する（ステップＳ８２）。このとき、コンプレッサ圧（Ｐｉｎ）が放電目標圧Ａより小さい場合には（ステップＳ８２：ＹＥＳ）、バイパス弁１９１を閉弁制御してコンプレッサ圧（Ｐｉｎ）を上げる（ステップＳ８３）。一方、コンプレッサ圧（Ｐｉｎ）が放電目標圧Ａ以上である場合には（ステップＳ８２：ＮＯ）、バイパス弁１９１を開弁制御してコンプレッサ圧（Ｐｉｎ）を下げる（ステップＳ８４）。

次に、コントローラ２０１は、コンプレッサ回転数（ｃｐｒｐｍ）が放電目標回転数Ｂより小さい（ｃｐｒｐｍ＜Ｂ）か否かを判断する（ステップＳ８５）。このとき、コンプレッサ回転数（ｃｐｒｐｍ）が放電目標回転数Ｂより小さい場合には（ステップＳ８５：ＹＥＳ）、コンプレッサ１７２の回転数を上げる（ステップＳ８６）。一方、コンプレッサ回転数（ｃｐｒｐｍ）が放電目標回転数Ｂ以上である場合には（ステップＳ８５：ＮＯ）、コンプレッサ１７２の回転数を下げる（ステップＳ８７）。

このような放電制御により、コンプレッサ圧及びコンプレッサ回転数をそれぞれ放電目標圧Ａ及び放電目標回転数Ｂ付近に制御して、燃料電池スタック１１１で余剰に発電された電気を効率よくコンプレッサ１７２で放電することができる。

一方、放電要求がない場合、言い換えるとバッテリが充電可能である場合には（ステップＳ８０：ＮＯ）、コントローラ２０１は、放電解除フラグを「１」にする（ステップＳ８８）。そして、補機類発電要求が無いか否かを判断する（ステップＳ９０）。補機類発電要求が無い場合には（ステップＳ９０：ＹＥＳ）、回生ブレーキ制御を実施して、燃料電池スタック１１１で発電された電気をバッテリに充電するために、回生ブレーキ要求に応じて、バイパス弁１９１を開弁しコンプレッサ１７２の回転数を制御する。なお、コンプレッサ１７２が一定回転数を維持していても、バイパス弁１９１が開弁されているため、コンプレッサ１７２の負荷（電力消費）は小さい。

そして、補機類発電要求が有る場合には（ステップＳ９０：ＮＯ）、コントローラ２０１は、入口封止弁１７４の制御全閉フラグが「０」であるか否かを判断する（ステップＳ９２）。入口封止弁１７４の制御全閉フラグが「０」である場合には（ステップＳ９２：ＹＥＳ）、補機類発電要求に応じて、出口統合弁１８１の開度とバイパス弁１９１の開度とをそれぞれ制御するとともに、コンプレッサ１７２の回転数を制御する（ステップＳ９３）。なお、入口封止弁１７４の制御全閉フラグが「１」である場合には（ステップＳ９２：ＮＯ）、後述するステップＳ７０以降の処理を行う。

図２７に戻って、加速／定常状態が維持されている場合、又は減速が終了した場合には（ステップＳ５１：ＮＯ）、コントローラ２０１は、図２９に示すように、入口封止弁１７４の制御全閉フラグが「１」であるか否かを判断する（ステップＳ７０）。制御全閉フラグが「１」である場合には（ステップＳ７０：ＹＥＳ）、減速制御からの復帰制御を行う。すなわち、コントローラ２０１は、バイパス弁１９１を全閉状態から全開にするための全開制御を実施する（ステップＳ７１）。このとき、出口統合弁１８１については制御全閉開度制御が継続される（ステップＳ７２）。なお、ステップＳ７２の処理は、ステップＳ５４の処理を省略する場合には不要となる。

このとき、入口封止弁１７４の前後差圧ΔＰＩＮが大きいと、その差圧によってゴムシート２１のシール部２１ａが反り返って変形するおそれがある。そして、図３１に示すように、入口封止弁１７４を開弁していくときに、ゴムシート２１のシール部２１ａが反り返って変形してしまうと、シール部２１ａが異常に摩耗するおそれがある。そして、シール部２１ａが異常に摩耗すると、入口封止弁１７４が全閉時においてシール性を確保することができなくなる。

そこで、コントローラ２０１は、コンプレッサ１７２のコンプレッサ圧（Ｐｉｎ）とスタック圧ｐｓｔａｃｋを取り込み（ステップＳ７３）、入口封止弁１７４の前後差圧ΔＰＩＮ（＝Ｐｉｎ−ｐｓｔａｃｋ）を算出する（ステップＳ７４）。この前後差圧ΔＰＩＮが所定圧Ｐより小さくなると（ステップＳ７５：ＹＥＳ）、コントローラ２０１は、入口封止弁１７４の開度を制御全閉開度から全開にする全開制御を行う（ステップＳ７６）。その後、コントローラ２０１は、入口封止弁１７４の制御全閉フラグを「０」にして（ステップＳ７７）、放電解除フラグを「０」にする（ステップＳ７８）。

これにより、入口封止弁１７４の前後差圧ΔＰＩＮが小さくなってから、入口封止弁１７４が開弁されるため、入口封止弁１７４の開弁時にゴムシート２１のシール部２１ａが反り返って変形することを確実に防止することができる。従って、減速終了後に入口封止弁１７４を開弁させる時に、ゴムシート２１のシール部２１ａが異常に摩耗することを防止することができ、入口封止弁１７４のシール性を確保することができる。

なお、制御全閉フラグが「０」である場合、言い換えると加速／定常状態が維持されている場合には（ステップＳ７０：ＮＯ）、入口封止弁１７４は全開状態が維持されており、コントローラ２０１は、そのときの出力（加速／定常）要求に応じて、出口統合弁１８１の開度とバイパス弁１９１の開度とをそれぞれ制御するとともに、コンプレッサ１７２の回転数を制御する（ステップＳ７９）。

図２７に戻って、燃料電池スタック１１１の作動要求が継続していない、つまりシステムの停止要求がある場合には（ステップＳ５０：ＮＯ）、コントローラ２０１は、ステップＳ１００以降の処理を実施して燃料電池システム１０１を停止させる。

ここで、減速時に制御全閉開度制御が実施されると、弁体１４とシール部２１ａとが摺動する回数が、システム停止時における機械的全閉開度位置よりも、図３２に示す減速時における制御全閉開度位置で大幅に多くなる。そのため、図３３に示すように、制御全閉開度位置において弁体１４とシール部２１ａとが接触・摺動する部分（網掛け部分）でシール部２１ａが摩耗していくので、図３４に示すように、シール部２１ａに段差Ｄが発生してしまうおそれがある。そして、シール部２１ａに段差Ｄが発生すると、システム停止時に入口封止弁１７４がリターンスプリング４０の付勢力（リターンスプリング力Ｆｓ１）だけでは機械的全閉開度（開度「０°」）まで閉じないおそれがある。

そこで、システム停止時には、コントローラ２０１は入口封止弁１７４に対して、以下に述べるゼロ開度制御を実施して、システム停止時において入口封止弁１７４を確実に全閉（機械的全閉開度）にする。

すなわち、コントローラ２０１は、バイパス弁１９１を全閉状態から全開にするための全開制御を実施する（ステップＳ１００）。また、入口封止弁１７４の開度を、モータ３２によって強制的に「０°」にするゼロ開度制御を実施して、入口封止弁１７４を全閉（機械的全閉）にする（ステップＳ１０１）。同様に、出口統合弁１８１に対してもゼロ開度制御を実施して、出口統合弁１８１を全閉にする（ステップＳ１０２）。

その後、コントローラ２０１は、コンプレッサ１７２を停止させ、回転数が「０」になると（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、バイパス弁１９１を全開から全閉にする全閉制御を実施し（ステップＳ１０４）、燃料電池システム１０１を停止させる（ステップＳ１０５）。

このようにして燃料電池システム１０１を停止することにより、シール部２１ａに段差Ｄが生じたとしても、モータ３２によって入口封止弁１７４を確実に機械的全閉開度まで閉じることができる。そして、上記したように機械的全閉位置におけるシール部２１ａの摩耗が大幅に抑制されている。従って、システム停止時において入口封止弁１７４のシール性が確保される。また、本実施形態では、出口統合弁１８１においても入口封止弁１７４と同様にゼロ開度制御を実施するため、システム停止時において出口統合弁１８１のシール性も確保される。そのため、システム停止時における燃料電池スタック１１１の密閉度を高めることができるので、燃料電池スタック１１１内で反応が起こり難くなり、燃料電池スタック１１１内での酸化による劣化を抑制することができる。

ここで、シール部２１ａに段差が発生し難くするために、コントローラ２０１は、減速時に以下に述べる段差発生抑制制御をさらに実施してもよい。すなわち、図３５に示すように、コントローラ２０１は、減速時に入口封止弁１７４に対する制御全閉開度制御を実施した後（ステップＳ５０〜Ｓ６２）、システム起動後からの制御全閉開度制御の実施回数カウンタｎ（ｉ）をカウントアップする（ステップＳ６５）。そして、制御全閉開度制御の実施回数カウンタｎ（ｉ）が、所定回数Ｃを越えた場合に（ステップＳ６６：ＹＥＳ）、入口封止弁１７４に対してゼロ開度制御を実施し（ステップＳ６７）、実施回数カウンタｎ（ｉ）をリセットする（ステップＳ６８）。一方、制御全閉開度制御の実施回数カウンタｎ（ｉ）が、所定回数Ｃを越えていない場合には（ステップＳ６６：ＮＯ）、コントローラ２０１は、ステップＳ６７，Ｓ６８の処理を実施せずにステップＳ８０の処理を行う。

なお、所定回数Ｃとしては、数百回程度を設定すれば良い。この所定回数Ｃは、ゴムシート２１の形状等により最適値が異なるため、実験により段差の発生を効果的に抑制することができる回数を設定することが好ましい。

このような制御を実施することにより、燃料電池システム１０１において、入口封止弁１７４に対して制御全閉開度制御が所定回数繰り返し実行される度に、ゼロ開度制御が実施されて入口封止弁１７４の開度が強制的に０°にされるため、シール部２１ａに段差Ｄが発生することを抑制することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施形態では、ゴムシート２１は弁座１３に設けられているが、ゴムシート２１は弁体１４に設けられていてもよい。
また、回転軸１５が第１軸受３７と弁体１４の反対側に別途設けられる軸受とにより両持ち支持されていてもよい。

２ 弁部
３ 駆動機構部
１１ 流路
１３ 弁座
１４ 弁体
１５ 回転軸
３２ モータ
３７ 第１軸受
３８ 第２軸受
４０ リターンスプリング
４１ メインギヤ
１０１ 燃料電池システム
１１１ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１３ エア系
１６１ エア供給通路
１６２ エア排出通路
１６３ バイパス通路
１７２ コンプレッサ
１７４ 入口封止弁
１８１ 出口統合弁
１９１ バイパス弁
２０１ コントローラ

Claims (6)

1. 燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路と、前記酸化剤ガス供給通路に設けられて酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、前記酸化剤ガス供給通路にて前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられた上流側弁と、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路と、前記酸化剤ガス排出通路に設けられた下流側弁と、前記酸化剤ガス供給通路と前記酸化剤ガス排出通路とに接続されたバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ前記バイパス通路を流れる酸化剤ガスの流量を制御するバイパス弁と、各種制御を行う制御部と、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記上流側弁は、
   弁孔と前記弁孔の縁部に形成されたシート面を含む弁座と、
   前記シート面に対応するシール面が外周に形成された弁体と、
   前記弁体が一体的に設けられ前記弁体を回転させる回転軸と、
   前記回転軸を開弁方向に回転させる駆動力を発生させる駆動機構と、を備え、
   前記制御部は、減速時に前記上流側弁を全閉にする場合、前記駆動機構により前記上流側弁をシステム停止時における全閉開度位置で開度が０°である機械的全閉開度よりも大きい制御全閉開度にする制御全閉開度制御を行う
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載する燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、システム停止時に、前記駆動機構により前記上流側弁の開度を強制的に前記機械的全閉開度にするゼロ開度制御を行った後、システムを停止させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載する燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記制御全閉開度制御の実施回数が予め決められた所定回数を越えた場合に、前記駆動機構により前記上流側弁を強制的に前記機械的全閉開度にするゼロ開度制御を行う
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１に記載する燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、減速時に前記上流側弁を全閉にする場合、前記制御全閉開度よりも大きい所定開度まで閉弁させ、前記上流側弁の前後差圧が一定圧より小さくなった後に、前記制御全閉開度制御を行う
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１に記載する燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、減速終了時に前記上流側弁を開弁させる場合、前記バイパス弁を開弁させた後に、前記上流側弁を開弁させて全開にする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５に記載する燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記上流側弁の前後差圧が一定圧より小さくなった後に、前記上流側弁を開弁させて全開にする
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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