(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁力により弁体を駆動するバルブ駆動部と、流体通路を有し前記弁体が当接隔離することにより前記流体通路を開閉する弁座を備えたバルブ本体と、
前記バルブ本体に設置した発熱体と、
前記バルブ本体を収容し前記流体通路を境に外部と接続する流入流路及び流出流路を形成したハウジングと、
を備え、
前記バルブ本体は、断熱性の弾性体を介して前記ハウジングと固定することにより、前記ハウジングから断熱されていることを特徴とする燃料電池用バルブ。
【請求項２】
前記弾性体は、Ｏリングを用いた軸シールであり、前記バルブ本体の前記Ｏリング保持部の外径をバルブ本体の他の部分の外径より大きくした
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項３】
前記弾性体の硬度は、前記弾性体の硬度により決まるばね定数をｋ、前記本体の質量をｍとしたとき、固有角振動数ω0 ＝√（ｋ／ｍ）を√２倍した角振動数が可聴域の下限より低い硬度である
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項４】
前記発熱体は、前記流体通路の鉛直方向下方に設置する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項５】
前記発熱体は、前記流入流路側に設置する
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項６】
前記流体通路は、鉛直方向に延在した流路である
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項７】
前記流体通路は、第１空間を介して前記流入流路と接続し、第２空間を介して前記流出流路と接続し、前記流出流路は、前記第２空間下端から下方に傾斜した流路である
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項８】
前記流体通路は、第１空間を介して前記流入流路と接続し、第２空間を介して前記流出流路と接続し、前記流入流路は、前記第１空間下端から下方に傾斜した流路である
ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項９】
前記流体通路は、第１空間を介して前記流入流路と接続し、第２空間を介して前記流出流路と接続し、前記第１空間又は前記第２空間に前記バルブ本体に固定した前記流体通路内への異物の流入を防止するフィルタを設置する
ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項１０】
前記流体通路は、第１空間を介して前記流入流路と接続し、第２空間を介して前記流出流路と接続し、前記第１空間側の前記流体通路に前記バルブ本体に固定した前記流体通路内への異物の流入を防止するフィルタを設置する
ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項１１】
前記フィルタは、筒状である
ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項１２】
前記フィルタは、金属メッシュであり、筒の両端部をバルブ本体に溶接し固定する
ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項１３】
前記流体通路は、前記流体通路内側に突出し流体の流量を規定するオリフィスを備える  ことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項１４】
前記オリフィスは、前記弁体が閉時に当接する箇所に設置する
ことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項１５】
前記バルブ本体内の流体が通過する部位に撥水処理または親水処理を施す
ことを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項１６】
前記発熱体は、自己温度制御可能な電気ヒータである
ことを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項１７】
前記バルブ駆動部と前記流体通路とを隔絶する弾性部材とを備える
ことを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１に記載の燃料電池用バルブ。
【請求項１８】
請求項１乃至１７の何れか１に記載の燃料電池用バルブを備えた燃料電池システムであって、
燃料電池と、前記燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段と前記燃料電池を接続する水素供給流路と、前記燃料電池から排出される水素を再度前記燃料電池に供給する循環流路と、前記循環流路に設置した循環ポンプと、前記循環流路に設置し前記循環流路外に水素を排出する前記燃料電池用バルブと、前記循環ポンプと前記燃料電池用バルブを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記発熱体作動時に前記循環ポンプの回転数を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
前記燃料電池システム停止時に、
前記制御装置は、前記発熱体を作動させ、前記循環ポンプの回転数を上昇させた後、前記燃料電池用バルブを開く
ことを特徴とする請求項１８記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用バルブ及びこれを用いた燃料電池システムに係り、特に、湿潤ガスの通路を開閉するパージ弁に好適な燃料電池用バルブ、及びこの燃料電池用バルブを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池用バルブは、水素が導入される第１ポートが第１バルブボディの側部に形成され、第１ポートより上方には、温水を流通させることにより第１ポートの近傍を加温するための温水通路が形成されていた。また、第１バルブボディの内部には、弁機構部の弁体と対向する位置に上方に向かった窪み部を設け、弁体が着座部より離間した際に所定間隔のクリアランスが確保されいた。さらに、ソレノイド部の可動コアには、シャフトガイドの凹部と対向した凸部に弾性材料からなる弾性部材が装着されていた。これにより、反応ガスを排気する電磁弁の低温下における弁体の凍結を防止していた。（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−１５３１７７号公報（第８頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の燃料電池用バルブは、凝縮水等までも完全に除去することはできない。従って、低温環境下ではバルブが凍結してしまい、温水によってバルブを加温し解凍するには時間が掛かるという問題点がある。
【０００４】
そこで、本発明は、凍結しても迅速に解凍し得る燃料電池用バルブ及びこれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明は、電磁力により弁体を駆動するバルブ駆動部と、流体通路を有し弁体が当接隔離することにより流体通路を開閉する弁座を備えたバルブ本体と、バルブ本体に設置した発熱体と、バルブ本体を収容し流体通路を境に外部と接続する流入流路及び流出流路を形成したハウジングと、を備え、バルブ本体は、断熱性の弾性体を介してハウジングと固定することにより、ハウジングから断熱されている燃料電池用バルブとした。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、電磁力により弁体を駆動するバルブ駆動部と、流体通路を有し弁体が当接隔離することにより流体通路を開閉する弁座を備えたバルブ本体と、バルブ本体に設置した発熱体と、が熱的に一体構造となる。また、バルブ本体は、バルブ本体を収容し流体通路を境に外部と接続する流入流路及び流出流路を形成したハウジングとは熱的に離間した構造となる。従って、発熱体の熱は、バルブ本体を集中的に加熱できるので、凍結しても迅速に解凍することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【０００８】
まず図１のシステム構成図を参照して、本発明に係る燃料電池用バルブが適用される燃料電池システムを説明する。燃料電池システム１０１は、燃料ガスが供給されるアノード（燃料極）１０２と酸化剤ガスが供給されるカソード（酸化剤極）１０３とを備える固体高分子型燃料電池本体であるスタック１０４を備える。
【０００９】
燃料ガスとしての水素ガスは、高圧水素ガスとして水素タンク１０５に貯留される。水素タンク１０５から供給される高圧水素ガスは、水素圧力調整弁１０６により燃料電池の運転圧力まで減圧され、水素供給流路１０７，１０８を介してアノード１０２へ供給される。アノード１０２で消費されなかった水素ガス（アノードオフガス）は、水素循環流路１１０及び水素循環ポンプ１１１により水素供給流路１０８へ戻され、水素供給流路１０７から供給される新規水素と混合されて再度アノード１０２へ供給される。水素循環流路１１０は、排出流路１１２で外部と連通し、排出流路１１２は、電磁弁を用いたパージ弁１１３により開閉される。
【００１０】
酸化剤ガスとしての空気は、図示しないエアフィルタを介してコンプレッサ１１６に取り込まれる。コンプレッサ１１６は、圧縮した空気を空気供給流路１１７を介してカソード１０３へ供給する。カソード１０３で一部の酸素が反応に使用された残りの空気は、空気排出流路１１９から排出される。空気排出流路１１９には、カソード１０３の空気圧を調整する空気圧力調整弁１２０が配置されている。尚、図示しないが燃料電池システム１０１は、スタック１０４の温度を適温に保つための冷却系を備えている。
【００１１】
水素圧力センサ１０９は水素供給流路１０８内の圧力を測定する。温度センサ１１４は、水素循環流路１１０内のガス温度を測定する。温度センサ１１５は、パージ弁１１３の温度を測定する。圧力センサ１１８は、空気供給流路１１７の圧力を測定する。これらのセンサ１０９，１１４，１１５，１１８の測定値は、コントロールユニット１２３へ送られる。またコントロールユニット１２３には、外気温度を測定する外気温度センサ１２１，現在の日付及び時刻を保持するカレンダークロック１２２が接続されている。コントロールユニット１２３は、これらセンサ類の測定信号に基づいて、水素圧力調整弁１０６，水素循環ポンプ１１１，パージ弁１１３，コンプレッサ１１６、空気圧力調整弁１２０等を制御することにより、燃料電池システム全体を運転制御する。
【００１２】
コントロールユニット１２３は、例えば、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成される。
【００１３】
スタック１０４は、アノード１０２に供給された水素とカソード１０３に供給された空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電する。
【００１４】
スタック１０４から排出された未反応水素ガスは水素循環流路１１０を通って水素循環ポンプ１１１に吸引され、スタック１０４に戻る。
【００１５】
スタック１０４から排出される未反応ガス、化学反応により生成される水分は、パージ弁１１３を開けて排出流路１１２を通して外部に排出される。
【００１６】
コントロールユニット１２３は、本システムにおける各センサからの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに従い、各構成品へ指令を送り、本システムの制御を行う。
【００１７】
温度センサ１１４は、水素循環流路内の温度を検出し、検出値をコントロールユニット１２３に入力する。水素圧力センサ１０９は、スタック１０４の水素側の圧力を検出し、検出値をコントロールユニット１２３に入力する。また、コントロールユニット１２３は、水素圧力センサ１０９の検出値に基づき、水素圧力調整弁１０６を制御する。
【００１８】
空気圧力センサ１１８は、カソード１０３の空気圧力を検出し、検出値をコントロールユニット１２３に入力する。また、コントロールユニット１２３は、空気圧力センサ１１８の検出値に基づき、空気圧力調整弁１２０を制御する。
【００１９】
以上説明した構成において、コンプレッサ１１６と空気供給流路１１７が空気供給手段に相当し、空気排出流路１１９と空気圧力調整弁１２０が空気排出手段に相当し、水素タンク１０５と水素圧力調整弁１０６と水素供給流路１０７と水素供給流路１０８とが水素供給手段に相当し、水素循環流路１１０及び水素循環ポンプ１１１が水素循環手段に相当し、排出流路１１２とパージ弁１１３が水素排出手段に相当し、スタック１０４が発電手段に相当する。
【００２０】
次に、図２を参照して、図１のパージ弁１１３として使用される燃料電池用バルブの詳細を説明する。図２に断面図を示す燃料電池用バルブは、ソレノイド式バルブである。具体的には、電磁力により弁体６を駆動するバルブ駆動部（１，２，３，４）と、弁体６が当接離隔することにより流体通路を開閉する弁座３３を備えたバルブ本体７，１８と、バルブ本体７，１８を収容するとともに流体通路を境に外部と接続する流路１３（流入流路），１４（流出流路）が形成されたハウジング１２と、バルブ駆動部と流体通路とを隔絶するダイアフラム（弾性部材）５とを備える。
【００２１】
より詳しくは、高圧側室（バルブ本体１８内を第１空間とする）１９を介して流路１３と接続し、低圧側室（バルブ本体７内を第２空間とする）を介して流路１４に接続されている。また、バルブ本体７，１８と、流体に含まれる異物を除去するフィルタ９，１０と、流体通路内側に突出した凸部を備え流体の流量を規定する流量規定用オリフィス（以下、オリフィスと略す）８と、発熱体であるヒータ１１と、を一体構造としている。
【００２２】
図２において、電磁力により弁体６を駆動するバルブ駆動部は、コイル１，吸引子２，可動子３、およびコイルばね４が相当する。コイル１の内側には、それぞれ金属磁性体の吸引子２及び可動子３が設けられ、コイルばね４は可動子３を下方へ付勢している。閉弁状態ではコイルばね４が伸び方向に作用することで、可動子３が下方へ押し下げられ、可動子３の下端部に設けられた弁体６が弁座３３に当接している。
【００２３】
コイル１に通電することにより、それぞれ磁化された吸引子２と可動子３とが引き合って、可動子３と弁体６とが一体となって上方に移動する。これにより弁体６と弁座３３が離隔して開弁状態になり、流路１３、流路１４が連通する。可動子３の移動する部位はダイアフラム５によって、流体の通過する低圧室２０と隔絶されている。ダイアフラム５と弁体６とは、例えば非加硫ゴムやシリコンゴム等で一体成型されている。
【００２４】
ハウジング１２には、低圧室側バルブ本体７と高圧室側バルブ本体１８とが一体となったバルブ本体を納める略円筒状の空間が設けられ、この空間に流体が流入する流路１３と流出する流路１４とがそれぞれ接続している。
【００２５】
低圧室側バルブ本体７に設けられた雌ねじ部３５と高圧室側バルブ本体１８に設けられた雄ねじ部３６とを螺合して一体に接続される。また、高圧室側バルブ本体１８から弁体６へ向かう途中にバルブの流量規定をするオリフィス８を備える。
【００２６】
オリフィス８の下方に、異物を取り除くための面形状で金属メッシュ状の上流側フィルタ９が溶接等により、高圧室側バルブ本体１８に取り付けられる。
【００２７】
この際、異物を取り除くための上流側フィルタ９は弁体６よりも上流であれば、オリフィス８よりも下流に存在しても良い。
【００２８】
低圧室側バルブ本体７の周囲には、異物を取り除くための筒形状で金属メッシュ状の下流側フィルタ１０が設けられ、筒の両端部を溶接等により低圧室側バルブ本体７に取り付けられる。フィルタ９、１０は想定される異物の最小サイズより細かい目を備える。そして、想定使用期間中、或いは、燃料電池システムの寿命となる総運転時間に発生する異物の量が全てフィルタの付着しても目詰まりにより支障が生じない表面積を設定する。これにより、使用期間中、フィルタ９、１０を清掃又は交換する必要が無くなる。
【００２９】
高圧室側バルブ本体１８及び低圧室側バルブ本体７は、ともに金属で構成される。高圧室側バルブ本体１８は、内部に流体が通過する横穴３７を複数個有する。低圧室側バルブ本体７は、内部に流体が通過する横穴３４を複数個有する。これにより、水が溜まりやすい部位である上流フィルタ９、下流フィルタ１０、オリフィス８、弁体６とが金属接触にて接続された状態となる。
【００３０】
低圧室側バルブ本体７の内部には、開弁時に低圧室２０と連通される鉛直方向の流路３２を有する。高圧室側バルブ本体１８、低圧室側バルブ本体７内の流路の表面に撥水、あるいは親水処理を施すことにより、燃料電池用バルブ内に進入した水分を流路１３、または流路１４へと排出することができる。これにより、燃料電池用バルブ内に留まる水分量を減少させることができる。なお、ヒータ１１から距離が離れた位置に配置されヒータ１１の熱が伝わりにくい可動子３の摺動部は、ダイアフラム５により、流体流路と隔絶されているため、水分は入らず解凍の必要はない。
【００３１】
高圧室側バルブ本体１８の下方には、雌ねじ部３８が設けられ、電気式のヒータ１１の雄ねじ部３９が螺合され一体化される。ヒータ１１には、ヒータ給電線４０が接続され、運転停止時に凍結が予測される場合、或いは運転開始時に解凍が必要な場合に、コントロールユニットから通電される。
【００３２】
ヒータ１１は例えば、ＰＴＣ（正温度係数サーミスタ）ヒータのような自己温度制御型のものを使用する。これにより、温度検知手段及び検知した温度に基づくヒータ制御手段を備えなくても、燃料電池用バルブの過加熱を防止できる。
【００３３】
高圧室側バルブ本体１８と低圧室側バルブ本体７は、外部とバルブの上流、バルブ上流とバルブ下流、バルブ下流と外部とを、Ｏリング１５、１６、１７によってシール性を保持されながら、流路を有するハウジング１２に締結される。このため低圧室側バルブ本体７にフランジ形状部を持たせ、ハウジング１２の上面にボルト穴を設け、ボルト３１により締結する。ハウジング１２内の流路１３及び流路１４は、燃料電池用バルブから、下り勾配の流路とする。
【００３４】
上記の構成において、流体の流れる方向を逆方向にしても、燃料電池用バルブとして使用することができる。具体的には、流路１３から流体を排出し、流路１４から流体を流入するように、流体の流れる方向を逆方向にし、高圧室１９側が圧力が低く、低圧室２０側が圧力が低くなるようする。
【００３５】
以上、本実施例では、ヒータ１１を備えたバルブ本体７、１８を熱的に一体構造とし、ハウジング１２とは別体で固定した。これより、ヒータ１１での熱がハウジングに逃げずに、バルブ本体７、１８に効率的に伝えることができる。従って、バルブで最も流路径が小さい流路３２や、弁体６と弁座３３の接触部を迅速に解凍することができる。
【００３６】
また、流路３２を鉛直方向に延在した流路とした。そして、その流路３２の重力方向下方にヒータ１１を配置した。これにより、流路３２内の液水は下方に滴下し、ヒータ１１近傍に液水が溜まる。従って、ヒータ１１近傍に液水を溜めることで、バルブ全体での解凍時間を短縮できる。
【００３７】
また、高圧室１９側の流路１３及び低圧室２０側の流路１４をバルブ本体７、１８との隣接部から下方に傾斜させた。より詳しくは、バルブ本体１８内の高圧室１９（第１空間）の下端から下方に傾斜させた流路１３とし、バルブ本体７内の低圧室２０（第２空間）の下端から下方に傾斜させた流路１４とした。これにより、凝縮水等はバルブ外への排出が促進される。従って、凍結箇所が低減でき、さらに解凍時間が短縮できる。
【００３８】
また、ヒータ１１を高圧室１９側に設置した。そして、ヒータ１１を流路３２の重力方向下方に設置した。これにより、高圧室側から低圧室側に流れる際に積極的にガスに含まれる水分を除去でき、凍結箇所をヒータ１１近傍に集中できる。従って、温度が高い箇所に凍結を集中できるので、バルブ全体として解凍時間が短縮できる。
【００３９】
また、バルブ本体７、１８をＯリング１５、１６、１７を介してハウジング１２と固定した。これにより、ヒータ１１の熱がハウジング１２に逃げることをさらに低減できる。
【００４０】
また、高圧室側バルブ本体１８と低圧室側バルブ本体７との間に、双方に接続させ、例えば、円柱状に上流フィルタ９を設置した。これにより、弁体６と弁座３３の接触部を外周から暖機できる。従って、必要な構成を用いて、さらに解凍時間を短縮できる。
【００４１】
また、下流フィルタ１０を、流路３２の重力方向下方に接続した。これにより、異物の除去しつつ、流路３２下方側から流路３２を暖機できる。従って、必要な構成を用いて、さらに解凍時間を短縮できる。
【００４２】
また、オリフィス８を、流路３２内に設置した。これにより、流量規定しつつ、流路３２の径の中心まで伝熱できる。従って、必要な構成を用いて、さらに解凍時間を短縮できる。
【００４３】
また、本実施例の燃料電池用バルブは、車両が氷点下環境に長時間放置され、燃料電池用バルブ内で、水が凍結した際でも、水が溜まりやすい部位である上流フィルタ９、下流フィルタ１０、オリフィス８、弁体６にはヒータ１１の熱が効果的に伝達される。そのため、省電力で、短時間にて氷が解凍可能となる。従って、スタック１０４から排出される未反応ガス、反応にて生成される水分を排出する動作を迅速に行える。
【００４４】
本実施例に記載の燃料電池用バルブは、図１のパージ弁１１３のみならず、燃料電池システム中のどの部位の流体排出用バルブ及び流体切り替え用バルブとして使用できる。
【実施例２】
【００４５】
図３は、本発明に係る燃料電池用バルブの実施例２を説明する縦断面図である。本実施例の燃料電池用バルブが適用される燃料電池システムは、実施例１と同様な図１に示した燃料電池システムである。実施例２は、バルブ本体とハウジングとの間に断熱性の弾性体を挟んで固定したことを特徴とする。このために、実施例１ではハウジングに低圧室側バルブ本体７を取り付けるためのフランジ形状を低圧室側バルブ本体と一体としていたが、図３の実施例２では分離し、低圧室側バルブ本体７ｂと蓋２３とを別体としている。
【００４６】
そして、低圧室側バルブ本体７ｂと高圧室側バルブ本体１８ｂを締結したものが、ハウジング１２と直接、接触しないように、上下に断熱性の弾性体２１、２２を設ける。ハウジング１２内の流路１３、流路１４は燃料電池用バルブから、下り勾配の流路とする。弾性体２１、２２には、例えばシート状のゴムを用いる。低圧室側バルブ本体７ｂの上側に、金属製の蓋２３を設け、蓋２３と低圧室側バルブ本体７ｂとの間に弾性体２１を挟みこんだ状態でボルト３１により締結する。これにより低圧室側バルブ本体７ｂ及び高圧室側バルブ本体１８ｂとハウジング１２とが金属接触しなくなり、バルブ本体とハウジングとの間の熱伝導性及び振動伝達性を実施例１よりも低下させることができる。
【００４７】
ここで、燃料電池用バルブが発生する音響振動について考察する。一般に電磁バルブは、開弁時の音響振動よりも閉弁時の音響振動の方が大きい。これは、閉弁時に弁体６が弁座３３に衝突して発生する加振力により、バルブ本体、またはハウジング、或いはこれら両者が振動するためである。開弁時には、弁体６が弁座３３から離れるために、バルブ本体、またはハウジング、或いは両者の振動は小さい。図１，図２の燃料電池用バルブにおいて、開弁時に、吸引子２と可動子３とが衝突しないような形状、或いはコイルばね４及びダイヤフラム５の特性となっていれば、開弁時の音響振動は、閉弁時の音響振動に対して無視できる程度となる。従って、燃料電池用バルブの音響振動対策は、閉弁時の音響振動対策が主眼となる。
【００４８】
本実施例においては、低圧室側バルブ本体７ｂ及び高圧室側バルブ本体１８ｂと、ハウジング１２との間には、弾性体２１，２２が設けられている。従って、閉弁時に弁体６が弁座３３に衝突して発生する加振力により振動するのは、低圧室側バルブ本体７ｂと高圧室側バルブ本体１８ｂとが一体となったバルブ本体と考えることができる。
【００４９】
そこで、図７に示すように、低圧室側バルブ本体７ｂの質量と高圧室側バルブ本体１８ｂの質量とを合わせたバルブ本体質量をｍ、弾性体２１及び弾性体２２のゴム硬度に応じて定まるばね係数をｋとしたとき、バルブ本体の固有角振動数ω0 は、ω0 ＝√（ｋ／ｍ）となる。
【００５０】
従って閉弁時の加振力により発生する音響振動を耳障りにしないために、上記固有角振動数ω0 の√２倍を周波数に換算した値が可聴周波数の下限（１６〜２０Ｈｚ）以下となるよなばね定数ｋを持つゴム硬度となるように、弾性体２１及び弾性体２２のゴム硬度を設定する。この関係を式で表せば、次の式（１）となる。
【００５１】
１／（（√２）π）×√（ｋ／ｍ）≦１６        …（１）
これにより、図８に示すように可聴周波数帯域が防振領域となり、燃料電池用バルブの音響振動が抑制される。このような断熱性の弾性体２１及び２２を配置する。これにより、高圧室側バルブ本体７ｂ及び低圧室側バルブ本体１８ｂがハウジング１２に対して上下方向に移動することを規制しつつ、バルブの閉弁時の振動・衝撃がハウジング１２から車両に伝わることを防止可能となる。
【００５２】
また本実施例では、ハウジング１２と、高圧室側バルブ本体７ｂ及び低圧室側バルブ本体１８ｂとの間隔を大きくとることにより、実施例１よりも熱伝導性を低下させている。すなわち図３において、高圧室側バルブ本体７ｂ及び低圧室側バルブ本体１８ｂがＯリング１６，１５，１７ｂを保持するＯリング保持部４１、４２、４３を各バルブ本体の側面よりも径を大きくした形状としている。このように、バルブ本体のＯリング保持部４１、４２、４３の径を大きくすることにより、高圧室１９と低圧室２０と外部とのシール性を保ちながら、高圧室側バルブ本体１８ｂ及び低圧室側バルブ本体７ｂと、ハウジング１２とのクリアランスを大きく取れる。このクリアランスを大きくすることにより、高圧室側バルブ本体１８ｂ、低圧室側バルブ本体７ｂから、ハウジング１２への熱移動を抑制でき、高圧室側バルブ本体１８ｂ、低圧室側バルブ本体７ｂを効果的に加熱・保温することができる。
【００５３】
高圧室側バルブ本体１８ｂを筒状のフィルタ９ｂを上下から金属ブロックで挟みこみ、溶接等によって接続した形状とする。フィルタ９ｂのような筒状のフィルタを用いることで、実施例１の面形状のフィルタ９の場合よりも表面積を大きく取ることできる。また、鉛直方向に配置されることにより、水分が自重で下方に向かう。このことから、水分がフィルタ９ｂに溜まったときでも、凍結して閉塞しない領域を確保できるようになる。
【００５４】
オリフィス８ｂは低圧室側バルブ本体７ｂの弁座３３と一体で形成される構造とする。より詳しくは、弁体６が閉時に当接する箇所に設置している。高圧室側バルブ本体１８ｂの内部は空洞とし、高圧室側バルブ本体１８のような横方向の流路は設けない。このような構造としたことにより、上流側の流路１３から流入した水分はオリフィス８ｂより下流には行きにくいため、低圧室２０に流入する量はわずかな量となる。また、低圧室２０に流入したわずかな水分は下流側の流路１４から排出される。さらに、オリフィス８ｂの下流には、水分が溜まる領域が無くなる。
【００５５】
上流側の流路１３から流入した水分で、低圧室２０へと流れなかった分は、燃料電池システム停止後、自重によりオリフィス８ｂから下へ落ち、流路１３へと流れる。これにより、バルブ内で水分が残留する部分はオリフィス８ｂ、フィルタ９ｂ、１０が主となる。上流側フィルタ９ｂの表面に、フィルタ９ｂの上下のブロックにかけて、上下方向に線形状にて、例えば溶接ビードのような金属をさらに配置すると、下方のヒータ１１からの熱が通過する面積を増加させることができる。また、高圧室側バルブ本体７ｂと低圧室側バルブ本体１８ｂの接続面を、面積が同等となるように設定し、隙間無く接続することで、下方からのヒータ１１の熱が通過する面積を増加させることができる。また、流路３２下方で凍結した箇所はヒータ１１の熱を下方及び側方から氷に伝えることができる。
【００５６】
また本実施例では、ハウジング１２の上下に、例えば発泡ゴムで構成される断熱材２４、２５を設置する。これにより、ヒータ１１からの入熱が燃料電池用バルブから消散することを防止できるようになることから、ヒータ加熱時の昇温時間短縮、保温時間拡大が可能となる。
【００５７】
上記の構成で、バルブの流路１３とバルブの流路１４、高圧室１９と低圧室２０を逆にしても、燃料電池用バルブとして使用することができる。しかし、バルブ上流から流れ込む水分はオリフィス８ｂを通過する際に減少するので、バルブ下流の方が、水分量が少なくなる。流路１３を上流とした場合、高圧室２０の下面に水が溜まりやすくなり、低圧室２１側には水分が流れ込まなくなる。また、高圧室側バルブ本体１８ｂには下面から直接、ヒータ１１が接続されているため、凍結可能性のある部位は、バルブ下側の方が良いため、流路１３を上流側とした方が良い。また、上記の効果を得るためには、燃料電池用バルブを図３の上側を鉛直上になるように配置することが好ましい。
【００５８】
以上のような構成にすることにより、ヒータ１１から高圧室側バルブ本体１８へと伝わる熱が、ハウジング１２へと逃げることなく、低圧室側バルブ本体７ｂへと効果的に伝えることが可能となる。これにより、凍結可能性の高い箇所である、金属メッシュ上のフィルタ９ｂ、１０、弁体６、オリフィス８ｂを短時間で解凍できるようになり、燃料電池スタック１０４から排出される未反応ガス、反応にて生成される水分を排出する動作を行える。
【００５９】
また本実施例に記載の燃料電池用バルブは、パージ弁１１３に限らず、燃料電池システム中のどの部位の流体排出用バルブ、流体切り替え用バルブとして使用できる。
【実施例３】
【００６０】
次に、図４乃至図６の制御フローチャートを参照して、実施例３を説明する。実施例３は、実施例１または２に記載した燃料電池用バルブを用いた燃料電池システムの実施例である。燃料電池システムの構成は、図１に示した燃料電池システムと同様である。
【００６１】
図４は、実施例３の燃料電池システムにおけるコントロールユニット１２３の起動処理の内容を説明するフローチャートである。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、コントロールユニット１２３は、パージ弁１１３の温度を温度センサ１１５から、外気温度を外気温度センサ１２１から、現在の日時をカレンダークロック１２２から、それぞれ読み込む。
【００６２】
次いでＳ１２において、コントロールユニット１２３は、凍結の有無を判定する。この判定は、例えば、パージ弁１１３の温度が１℃未満、或いは外気温度が１℃未満のときに、凍結有りと判定し、それ以外の時に凍結無しと判定する。Ｓ１２で凍結有りと判定した場合、Ｓ１４へ進む。Ｓ１２で凍結無しと判定した場合、Ｓ２２へ進む。
【００６３】
尚、図６を参照して後述するように、燃料電池システムの運転停止中に、一定時間毎にパージ弁１１３の温度および外気温度を測定し、測定した温度を温度履歴メモリへ記憶させ、燃料電池システムの起動時に、この温度履歴メモリを参照して、凍結の有無を判定することもできる。
【００６４】
Ｓ１４では、コントロールユニット１２３は、パージ弁１１３のヒータに通電を開始する。次いで、Ｓ１６でコントロールユニット１２３は、温度センサ１１５からパージ弁１１３の温度Ｔｐを読み込み、Ｓ１８でパージ弁温度Ｔｐが解凍が完了したとみなせる所定温度Ｔ０（例えば、２℃）を超えているか否かを判定する。Ｓ１８の判定がＮｏであれば、Ｓ１６へ戻る。Ｓ１８の判定がＹｅｓであれば、Ｓ２０へ進む。
【００６５】
Ｓ２０では、コントロールユニット１２３は、パージ弁１１３のヒータの通電を停止する。次いで、Ｓ２２でコントロールユニット１２３は、スタック１０４へ空気を供給するコンプレッサ１１６の運転を開始し、Ｓ２４で水素圧力調整弁１０６を開いてスタック１０４へ水素の供給を開始し、燃料電池の発電が開始される。
【００６６】
図１に示した燃料電池システムの発電中、スタック１０４から、未反応水素と、反応により生成された水分が、水素循環流路１１０へ排出される。水素循環流路１１０には、カソード１０３からアノード１０２へリークした窒素が蓄積し、水素分圧が低下すること、及び生成水が蓄積するので、間欠的にパージ弁１１３を開いて排出経路１１２より排出する。このため、パージ弁１１３内には水分が溜まる。
【００６７】
燃料電池システムの運転停止時に、後述するように一定時間、パージ弁１１３を開状態とし、それと同時に水素循環ポンプ１１１を回転させる。この操作により、パージ弁１１３上流の圧力が上がり、パージ弁１１３内に存在していた水分が排出流路１１２から排出される。この操作により、パージ弁１１３内の凍結可能性のある水分を減少させることができる。
【００６８】
また、燃料電池システム停止時に、一定時間、ヒータ１１のスイッチを入れることにより、短時間にて、パージ弁１１３内の弁体６、オリフィス８、フィルタ９、１０の温度を昇温できる。そのため、水素循環ポンプ１１１が停止し、パージ弁１１３を閉弁状態にした後、水素循環経路内の水蒸気が、パージ弁１１３内以外の部位から、凝縮し、パージ弁１１３内には凝縮水が付かなくなる。
【００６９】
図５は、実施例３の燃料電池システムにおけるコントロールユニット１２３の停止処理の内容を説明するフローチャートである。まず、Ｓ３０において、コントロールユニット１２３は、パージ弁１１３の温度を温度センサ１１５から、外気温度を外気温度センサ１２１から、現在の日時をカレンダークロック１２２から、それぞれ読み込む。
【００７０】
次いでＳ３２において、コントロールユニット１２３は、運転停止後の放置時における凍結可能性の有無を判定する。この判定は、現在の日時と、外気温度とを組み合わせて判定する。例えば、冬季且つ外気温度が５℃未満のときに、凍結可能性有りと判定し、それ以外の時に凍結可能性無しと判定する。Ｓ３２で凍結可能性有りと判定した場合、Ｓ３４へ進む。Ｓ３２で凍結可能性無しと判定した場合、コントロールユニット１２３は、Ｓ４０へ進み、パージ弁１１３を閉じて、Ｓ４２へ進む。このように放置時に凍結の可能性がない場合には、パージ弁１１３のヒータへの通電、および水素循環ポンプの回転速度上昇を行わないために、省電力化ができる。
【００７１】
Ｓ３４では、コントロールユニット１２３は、パージ弁１１３のヒータに通電を開始するとともに、水素循環ポンプ１１１の回転速度を上げてパージ弁１１３の上流圧力を高める。次いで、Ｓ３６でコントロールユニット１２３は、パージ弁１１３を開く。これにより、パージ弁１１３に付着している水滴は大部分吹き飛ばされる。次いで、Ｓ３８でコントロールユニット１２３は、所定時間が経過してパージ弁１１３が乾燥するまで待機する。この所定時間は、ヒータによりパージ弁１１３の温度が上昇し、パージ弁１１３に残留し得る水滴が乾燥するまでの時間を実験により計測し、この計測値に多少の余裕を持たせてコントロールユニット１２３に記憶させたものである。
【００７２】
Ｓ３８で所定時間が経過すると、コントロールユニット１２３は、Ｓ４２へ進む。Ｓ４２では、コントロールユニット１２３は、水素圧力調整弁１０６を閉じ、水素循環ポンプ１１１を停止させ、コンプレッサ１１６を停止させる。次いで、コントロールユニット１２３は、Ｓ４４でパージ弁１１３のヒータの通電を停止する。次いで、コントロールユニット１２３は、Ｓ４６でパージ弁１１３を閉じて、運転停止処理を終了する。
【００７３】
図６は、燃料電池システムの運転停止状態におけるコントロールユニットの処理内容を説明する制御フローチャートである。まずＳ５０において、コントロールユニット１２３は、燃料電池システムの起動要求が有るか無いかを判定する。この起動要求は、例えば、燃料電池システムの始動スイッチが操作されたとき、あるいはアイドリングストップが解除されたときに発せられる信号とする。Ｓ５０の判定で起動要求が有れば、例えば、図４に示したような燃料電池システムの起動処理へ移行する。Ｓ５０の判定で起動要求が無ければ、Ｓ５２へ進み、所定時間（温度履歴測定周期、例えば５分）が経過したか否かを判定する。Ｓ５２の判定で所定時間が経過していなければ、Ｓ５０へ戻る。Ｓ５２の判定で所定時間が経過していれば、この所定時間をカウントするタイマをリセットして、Ｓ５４へ移る。
【００７４】
Ｓ５４では、コントロールユニット１２３は、パージ弁１１３の温度を温度センサ１１５から、外気温度を外気温度センサ１２１から、それぞれ読み込む。次いで、Ｓ５６でコントロールユニット１２３は、パージ弁の温度および外気温度を温度履歴メモリへ記憶させ、Ｓ５０へ戻る。こうして、燃料電池システムの停止状態において、パージ弁１１３の温度および外気温度を所定時間毎に測定した結果を温度履歴メモリへ記憶し、起動時の凍結判定に使用することができる。
【００７５】
なお、燃料電池システム起動時においては、燃料電池システムの水素循環流路１１０の圧力を、水素循環ポンプ１１１を作動させる等して高い状態（例えば、外気や低圧室側に対して）でヒータを作動させる。この場合、ヒータ１１を高圧室１９（流入流路１３）側に設置する。これにより、ヒータ１１と弁体６に囲まれた空間（第１空間）はガス密度が高くなり、熱伝達が向上する。従って、流路３２及び弁座３３と弁体６との接触部での解凍時間がさらに短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る燃料電池用バルブが適用される燃料電池システムを説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用バルブの実施例１を説明する縦断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池用バルブの実施例２を説明する縦断面図である。
【図４】燃料電池システムの起動時の制御フローチャートである。
【図５】燃料電池システムの運転停止時の制御フローチャートである。
【図６】燃料電池システムの停止状態における制御フローチャートである。
【図７】バルブ本体の振動モデルを説明する図である。
【図８】バルブ本体の振動特性例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７７】
１  ：コイル
２  ：吸引子
３  ：可動子
４  ：コイルばね
５  ：ダイアフラム
６  ：弁体
７  ：低圧室側バルブ本体
８  ：オリフィス
９  ：フィルタ
１０：フィルタ
１１：ヒータ
１２：ハウジング
１３：流路
１４：流路
１５：Ｏリング
１６：Ｏリング
１７：Ｏリング
１８：高圧室側バルブ本体
１９：高圧室
２０：低圧室
２１：弾性体
２２：弾性体
２３：蓋
２４：断熱材
２５：断熱材
１０１：燃料電池システム
１０２：アノード
１０３：カソード
１０４：スタック
１０５：水素タンク
１０６：水素圧力調整弁
１０７：水素供給流路
１０８：水素供給流路
１０９：水素圧力センサ
１１０：水素循環流路
１１１：水素循環ポンプ
１１２：排出流路
１１３：パージ弁
１１４：温度センサ
１１５：温度センサ
１１６：コンプレッサ
１１７：空気供給流路
１１８：空気圧力センサ
１１９：空気排出流路
１２０：空気圧力調整弁
１２１：外気温度センサ
１２２：カレンダークロック
１２３：コントロールユニット
【図１】
0005396704.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005396704.tif 000006
【図６】
0005396704.tif 000007
【図７】
0005396704.tif 000008
【図８】
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