(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受け、該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記反応ガスのうち酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出する酸化オフガス排出流路と、
前記酸化ガス供給流路と前記酸化オフガス排出流路とを接続するバイパス流路と、
前記酸化ガス供給流路と前記バイパス流路との分岐路に配設され、供給された前記酸化ガスを前記燃料電池に供給したり、前記バイパス流路にバイパスしたりするポペット弁を備えた三方弁と、
該三方弁の前記ポペット弁を開閉駆動する駆動装置と、
前記酸化オフガス排出流路に配置され、前記燃料電池から排出される酸化オフガスの圧力を調整する調圧弁と、
を有し、
前記三方弁は、前記酸化ガスが流入される流入通路と、前記酸化ガスを前記燃料電池側に流出する第１流出通路と、前記酸化ガスを前記バイパス流路側に流出する第２流出通路と、前記流入通路と前記第１流出通路との間に形成された第１弁座と、前記流入通路と前記第２流出通路との間に形成された第２弁座とを有し、
前記ポペット弁は、前記第１弁座および前記第２弁座に対して直角方向に移動して前記第１弁座と接離する第１弁部および前記第２弁座と接離する第２弁部を有し、
前記ポペット弁が移動する作動ストロークは、前記第１弁部の開度に応じて前記第１弁部と前記第１弁座との間を通過する空気流量が直線的に増加し、かつ前記第２弁部と前記第２弁座との間を通過する空気流量が変化しない第１作動領域と、前記第２弁部の開度に応じて前記第２弁部と前記第２弁座との間を通過する空気流量が直線的に増加し、かつ前記第１弁部と前記第１弁座との間を通過する空気流量が変化しない第２作動領域とを有する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記駆動装置は、ステッピングモータと、該ステッピングモータの回転運動を前記ポペット弁の直線運動に変換する運動変換機構とを備えている燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記調圧弁は、前記酸化オフガス排出流路から排出される前記酸化オフガスの流通を遮断または許容する遮断弁と、前記燃料電池の背圧を調整する背圧調整弁とによって構成されている燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シール性と応答性を高めた三方弁を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、システム停止後に酸化ガス給排機構に設けられた遮断弁の開弁状態を長時間持続させる燃料電池システムが記載され、特許文献２には、低効率運転時に、酸化オフガスを希釈できるとともに、燃料電池に酸化ガスを適切に供給できる燃料電池システムが記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載のものにおいては、燃料電池システムを停止させるときに、スイッチ弁（分岐流路弁）３７ａ、３８ａを開弁することにより、閉弁用分岐流路に酸化ガスを供給できるため、遮断弁３７、３８を閉弁状態に保持させることができる。また、閉弁用分岐流路に酸化ガスを貯留するためのバッファ部３７ｄ、３８ｄが設けられているため、分岐流路弁のシール性が低い場合であっても、バッファ部内に貯留された酸化ガスが遮断弁に供給されることになり、遮断弁の閉弁状態をより長時間持続させることができる。
【０００４】
一方、特許文献２に記載されたものは、低効率運転時に、バイパス弁１８が開弁するので、バイパス路１７に分流された酸化ガスによって酸化オフガスを希釈できるようになる。また、バイパス弁における流路の有効断面積を決定するための要素として、低効率運転の際の圧縮機による酸化ガスの吐出流量、吐出圧および調圧弁１６の最小開度を用いることで、燃料電池が要求する流量及び圧力の酸化ガスを燃料電池に供給することができるとともに、酸化オフガスを希釈するのに必要な流量の酸化ガスを酸化オフガスに供給できるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５１９８９号公報
【特許文献２】特開２００７−３１７４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、この種の燃料電池システムにおいては、酸化ガスを遮断する遮断弁として、例えば、特開２００８−２２６５１３号公報に記載されているような、流体の圧力によって弁を開閉するダイヤフラム弁が用いられており、このようなダイヤフラム弁を用いたものでは、圧力によって大きな駆動力を得ることができ、燃料電池内の酸化ガス極が負圧となっても遮断弁を容易に開弁することが可能となる。
【０００７】
しかしながら、圧力駆動式の遮断弁は、弁自体の体格が大きく、車両に搭載するうえでの制約となる。しかも、特許文献１に記載されているように、閉弁状態を長期に亘って維持するためのバッファ部（アキュムレータ）を備えたものでは、アキュムレータが搭載上の制約となり、より採用が難しくなる。
【０００８】
また、特許文献２に記載されているように、低効率運転の際には、バイパス弁と調圧弁とを協調制御することにより、発電に必要な酸化ガス量を応答性よく燃料電池に供給することが可能となるが、この場合、協調制御を好適に行うためには、バイパス弁を応答性の高いバタフライ弁で構成することが好ましい。しかしながら、バタフライ弁を用いると、シール性が十分でなく、閉弁時の漏れ量が多くなって、コンプレッサの電力が無駄に消費され、燃費が悪化してしまう。また、バイパス弁と調圧弁との協調制御においては、バイパス弁の応答性も要求される。
【０００９】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、シール性と応答性を高めた三方弁を備えた燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、反応ガスの供給を受け、該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記反応ガスのうち酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出する酸化オフガス排出流路と、前記酸化ガス供給流路と前記酸化オフガス排出流路とを接続するバイパス流路と、前記酸化ガス供給流路と前記バイパス流路との分岐路に配設され、供給された前記酸化ガスを前記燃料電池に供給したり、前記バイパス流路にバイパスしたりするポペット弁を備えた三方弁と、該三方弁の前記ポペット弁を開閉駆動する駆動装置と、前記酸化オフガス排出流路に配置され、前記燃料電池から排出される酸化オフガスの圧力を調整する調圧弁とを有し、前記三方弁は、前記酸化ガスが流入される流入通路と、前記酸化ガスを前記燃料電池側に流出する第１流出通路と、前記酸化ガスを前記バイパス流路側に流出する第２流出通路と、前記流入通路と前記第１流出通路との間に形成された第１弁座と、前記流入通路と前記第２流出通路との間に形成された第２弁座とを有し、前記ポペット弁は、前記第１弁座および前記第２弁座に対して直角方向に移動して前記第１弁座と接離する第１弁部および前記第２弁座と接離する第２弁部を有し、前記ポペット弁が移動する作動ストロークは、前記第１弁部の開度に応じて前記第１弁部と前記第１弁座との間を通過する空気流量が直線的に増加し、かつ前記第２弁部と前記第２弁座との間を通過する空気流量が変化しない第１作動領域と、前記第２弁部の開度に応じて前記第２弁部と前記第２弁座との間を通過する空気流量が直線的に増加し、かつ前記第１弁部と前記第１弁座との間を通過する空気流量が変化しない第２作動領域とを有することである。
【００１２】
請求項２に係る発明の特徴は、請求項１において、前記駆動装置は、ステッピングモータと、該ステッピングモータの回転運動を前記ポペット弁の直線運動に変換する運動変換機構とを備えていることである。
【００１３】
請求項３に係る発明の特徴は、請求項１または請求項２において、前記調圧弁は、前記酸化オフガス排出流路から排出される前記酸化オフガスの流通を遮断または許容する遮断弁と、前記燃料電池の背圧を調整する背圧調整弁とによって構成されていることである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給流路と、酸化オフガスを排出する酸化オフガス排出流路と、酸化ガス供給流路と酸化オフガス排出流路とを接続するバイパス流路と、酸化ガス供給流路とバイパス流路との分岐路に配設されたポペット弁を備えた三方弁と、三方弁のポペット弁を開閉駆動する駆動装置と、酸化オフガス排出流路に配置され、酸化オフガスの圧力を調整する調圧弁とを有し、三方弁は、酸化ガスが流入される流入通路と、酸化ガスを燃料電池側に流出する第１流出通路と、酸化ガスをバイパス流路側に流出する第２流出通路と、流入通路と第１流出通路との間に形成された第１弁座と、流入通路と第２流出通路との間に形成された第２弁座とを有し、ポペット弁は、第１弁座および第２弁座に対して直角方向に移動して第１弁座と接離する第１弁部および第２弁座と接離する第２弁部を有している。
【００１５】
このように、酸化ガス供給流路とバイパス流路との分岐路に、遮断弁とバイパス弁を一体化した三方弁を配設したので、弁構成を簡素化することができ、しかも、三方弁がポペット弁で構成されているので、弁座との接触シール面に均一な面圧がかかりやすく、安定したシール性を確保することができる。さらに、ポペット弁を閉弁状態に長期に亘って維持するときには、駆動装置を閉弁位置で維持すればよいので、閉弁を維持するためのアキュムレータ等を必要とせず、小さな搭載スペースで燃料電池システムを車両に搭載することが可能となる。
【００１６】
また、請求項１に係る発明によれば、三方弁は、酸化ガスが流入される流入通路と、酸化ガスを燃料電池側に流出する第１流出通路と、酸化ガスをバイパス流路側に流出する第２流出通路と、流入通路と第１流出通路との間に形成された第１弁座と、流入通路と第２流出通路との間に形成された第２弁座とを有し、ポペット弁は、第１弁座と接離する第１弁部および第２弁座と接離する第２弁部を有している。
【００１７】
この構成により、バイパス流路にバイパスされるバイパス流量、すなわち、有効断面積を適宜に設定可能なため、三方弁と調圧弁との協調制御においても、バイパス側の応答性がネックとなることがない。
しかも、請求項１に係る発明によれば、ポペット弁が移動する作動ストロークは、第１弁部の開度に応じて第１弁部と第１弁座との間を通過する空気流量が直線的に増加し、かつ第２弁部と第２弁座との間を通過する空気流量が変化しない第１作動領域と、第２弁部の開度に応じて第２弁部と第２弁座との間を通過する空気流量が直線的に増加し、かつ第１弁部と第１弁座との間を通過する空気流量が変化しない第２作動領域とを有するので、第１弁部と第２弁部との両方において必要な流量を制御して、酸化ガス供給流路およびバイパス流路に供給することができる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、駆動装置は、ステッピングモータと、ステッピングモータの回転運動をポペット弁の直線運動に変換する運動変換機構とを備えているので、ポペット弁を閉弁状態に長期に亘って維持するときには、ステッピングモータによって閉弁状態を長期に亘って維持することができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、調圧弁は、酸化オフガス排出流路から排出される酸化オフガスの流通を遮断または許容する遮断弁と、燃料電池の背圧を調整する背圧調整弁とによって構成されているので、背圧調整弁によって酸化ガス供給流路の圧力を制御できるとともに、三方弁及び遮断弁によって、燃料電池の二次側を封止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概要を示す図である。
【図２】三方弁を示す断面図である。
【図３】三方弁を作動する運動変換機構を示す図である。
【図４】三方弁の作動状態を示す断面図である。
【図５】三方弁の異なる作動状態を示す断面図である。
【図６】第１弁部及び第２弁部における開度と有効断面積の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は燃料電池システムの概要を示すもので、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受け、この反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池５と、酸化ガスとしての空気を燃料電池５に供給する酸化ガス配管系７と、燃料電池反応後の酸化オフガスを排出する酸化オフガス配管系９と、燃料ガスとしての水素を燃料電池５に供給する図略の水素ガス配管系を有する。排出系として、燃料電池反応後の水素オフガスと生成水を排出する水素・水排出通路１５と、水素オフガスと生成水を酸化オフガスで希釈して排出する希釈部１７を有する。
【００２２】
燃料電池５は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
【００２３】
酸化ガス配管系７は、フィルタ１９を介して大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ２１と、コンプレッサ２１から圧送された酸化ガスの熱を冷ますインタークーラ２３と、酸化ガスを燃料電池５に供給するための酸化ガス供給流路（空気供給流路）１１とを有する。また、酸化オフガス配管系９は、燃料電池５から排出される酸化オフガスを希釈部１７に向けて排出するための酸化オフガス排出流路（空気排出流路）１３を有する。場合によっては、酸化ガス供給流路１１および酸化オフガス排出流路１３には、コンプレッサ２１から圧送された酸化ガスを燃料電池５から排出された酸化オフガスを用いて水分交換等して加湿する加湿器が設けられてもよい。
【００２４】
酸化ガス供給流路１１には、燃料電池５への酸化ガスの供給を遮断または許容する三方弁２が設けられ、酸化オフガス排出流路１３には、燃料電池５からの酸化オフガスの排出を遮断または許容する遮断弁２５が設けられている。また、酸化オフガス排出流路１３には、遮断弁２５の上流側に燃料電池５の背圧を調整する背圧調整弁２７が設けられている。場合によっては、遮断弁２５と背圧調整弁２７は１つの弁体で構成されてもよい。これら遮断弁２５と背圧調整弁２７とによって調圧弁を構成している。
【００２５】
酸化ガス供給流路１１と酸化オフガス排出流路１３との間には、酸化ガス供給流路１１に供給された酸化ガスを酸化オフガス排出流路１３にバイパスさせるためのバイパス流路２９が接続されている。酸化ガス供給流路１１とバイパス流路２９との分岐点には、三方弁２が設置されている。  三方弁２は、後述するように、コンプレッサ２１から圧送された酸化ガスを、燃料電池５に供給したり、バイパス流路２９を介して酸化オフガス排出流路１３側にバイパスさせるものである。
【００２６】
なお、図１中の３１、３３は、コンプレッサ２１から圧送された酸化ガスの圧力および燃料電池５から排出された酸化オフガスの圧力を検出する圧力センサである。
【００２７】
三方弁２は、図２に示すように、ケーシング４と、ポペット弁６と、ポペット弁６を開閉駆動する駆動装置８とを備えている。ケーシング４は、流入口１０が形成された流入通路１２と、第１流出口１４が形成された第１流出通路１６と、第２流出口１８が形成された第２流出通路２０とを備えている。流入通路１２は図１におけるコンプレッサ２１側の酸化ガス供給流路１１に連通し、第１流出通路１６は燃料電池５側の酸化ガス供給流路１１に連通している。また、第２流出通路２０はバイパス流路２９に連通している。
【００２８】
流入通路１２は、図２において水平方向に延在し、流入通路１２の流入口１０の開口端周縁には嵌合溝２２が設けられている。流入通路１２の流入口１０の反対側にはポペット弁６が作動する作動室２４が設けられ、作動室２４の下方には第１開口部２６が設けられている。第１開口部２６には第１流出通路１６が流入通路１２に対して直角に設けられている。第１流出通路１６は流入通路１２や作動室２４とは別体に設けられ、一端部にはフランジ部２８が形成されており、このフランジ部２８が第１開口部２６の内周縁に嵌合されるようになっている。第１流出通路１６を取り外し可能として作動室２４を大きく開口することで、第１開口部２６はポペット弁６の組み付け作業穴としての役割を担っている。フランジ部２８と第１開口部２６の内周縁との間は図略のシール材によりシールされ、図略のボルト及びナットにより組み付け固定される。第１流出通路１６の作動室側の開口周縁には第１弁座３０が設けられている。
【００２９】
作動室２４の第１流出通路１６の反対側には第２流出通路２０に開口する第２開口部３２が設けられ、第２開口部３２は第１弁座３０の開口部である第１流出口１４より小径でかつ第１流出口１４と同軸に設けられている。第２開口部３２の作動室側の開口周縁には第２弁座３４が第１弁座３０に対向して設けられている。第２流出通路２０は第１流出通路１６に対して直角に設けられている。ケーシング４には、第２流出通路２０の奥部においてポペット弁６を支持する弁軸３６が嵌挿される弁体支持部３８が第２流出通路に対して直角に突設され、弁体支持部３８は第２開口部３２の中心を貫通している。
【００３０】
ポペット弁６は、例えば金属製で円盤状の板材が中央部において下方に凸になるように折り曲げて形成され、円縁部４０と漏斗状壁部４２とを有している。ポペット弁６は中央部において弁軸３６の先端部にカシメにより固定されている。ポペット弁６の円縁部４０の表面には、ゴム製のシール部材４４が被設されている。シール部材４４の下部外周縁には第１弁座３０と当接する第１弁部としての第１シール部４６が凸設され、シール部材４４の上部内周縁には第２弁座３４と当接する第２弁部としての第２シール部４８が凸設されている。弁体支持部３８の外周にはポペット弁６の上部と弁体支持部３８の基端部との間で圧縮されるコイルばね５０が設けられている。
【００３１】
上記した弁軸３６、円縁部４０、漏斗状壁部４２、シール部材４４ならびに第１および第２シール部４６、４８等によって、ポペット弁６を構成している。
【００３２】
駆動装置８は、ステッピングモータ５６と、ステッピングモータ５６の回転運動を変換してポペット弁６を直動運動させる運動変換機構５２とを備えている。運動変換機構５２は、図３に示すように、円筒部材５４と弁軸３６とによって主に構成されている。円筒部材５４は、ステッピングモータ５６の駆動軸５８に上部が例えばキー部材等で相対回転不能に組付けられ、下部にはステッピングモータ５６の駆動軸５８と同軸となる雌ねじ部６０が形成されている。ケーシング４には運動変換機構５２のハウジング５５が固定されている。ハウジング５５と円筒部材５４との間には軸受６２が設けられ、円筒部材５４が回転自在に支承されている。弁軸３６は上部に雄ねじ部６４が形成され、円筒部材５４の雌ねじ部６０に螺合されている。弁軸３６の中間位置には、軸の対称位置の２面に面取り６６が所定の長さに亘って施され、ケーシング４の弁体支持部３８に対して相対回転不能かつ上下方向に相対移動可能になっている。これにより、ステッピングモータ５６の駆動軸５８が回転すると、円筒部材５４が回転し、弁体支持部３８に回転不能にガイドされた弁軸３６がねじの作用によって上下に移動する。この弁軸３６の先端に組付けられたポペット弁６は、第１シール部（第１弁部）４６が第１弁座３０と当接する第１閉鎖位置（図２参照）と、第２シール部（第２弁部）４８が第２弁座３４と当接する第２閉鎖位置（図４参照）との間の作動ストロークＳＬを移動する。
【００３３】
次に、上記のように構成された燃料電池システム１の作動を説明する。まず、燃料電池５の停止中においては、三方弁２を構成するポペット弁６は、図２に示すように、燃料電池５に向かう酸化ガス供給流路１１を閉弁するように作動される。また、酸化オフガス排出流路１３の遮断弁２５も閉弁される。したがって、燃料電池５に対して空気が供給されない状態となっている。他方、コンプレッサ２１側の酸化ガス供給流路１１からバイパス流路２９を経て希釈部１７に至る経路は開弁されている。
【００３４】
また、三方弁２は、低温起動時に燃料電池５を暖機する際に、空気をバイパスさせるために用いられる他、燃料電池５に供給される空気の圧力を調整する際にも補助的に用いられる。例えば、低温起動時には、まず酸化オフガス排出流路１３の遮断弁２５が開弁して燃料電池５内の負圧を開放する。次いで三方弁２が燃料電池５側の酸化ガス供給流路１１への流路を開弁する。この際、負圧が事前に開放されることによって小さな駆動力で開弁することができる。
【００３５】
上記した三方弁２では、第１閉鎖位置（図２参照）より第１シール部４６が第１弁座３０と離れて開度が大きくなる過程（図５参照）において、図６に示すように、第１シール部４６の開度に応じて第１シール部４６を通過する流体の有効断面積が直線的に増加する（第１作動領域Ａ）。この場合において、酸化ガス供給流路１１側の第２シール部４８を通過する空気の流量は変化しないので、第１シール部４６を通過する空気の流量だけを考慮して制御すればよく、酸化ガス供給流路１１における流量制御を高い精度で行うことができる。
【００３６】
続いて、燃料電池５を暖機する場合は、電力損失を大きくして燃料電池５の温度を上昇させるべく、空気ストイキ比（燃料電池５への酸化ガス供給割合）を、１．０未満（理論値）に設定した状態で燃料電池５を運転する。空気ストイキ比を低く設定して低効率運転を行うと、水素と酸素の反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（熱損失分）が積極的に増大されるため、燃料電池５を迅速に暖機することができる一方、燃料電池５のカソード極にはポンピング水素が発生する。
【００３７】
そこで、前記低効率運転を行う際には、三方弁２によってバイパス流路２９への流量を調整し、コンプレッサ２１により供給される空気の一部をバイパス流路２９に分流する。この分流されたバイパス空気によって酸化オフガス中の水素濃度が希釈されるため、水素濃度が安全な範囲にまで低減された酸化オフガスを希釈部１７から外気に排気することができる。この場合、三方弁２は全閉から全開の間で、希釈したい濃度に合わせて任意に開度を調整することができるとともに、応答性よくバイパス流路２９を開閉することができる。
【００３８】
上記の三方弁２は、第２閉鎖位置より第２シール部４８が第１弁座３４と離れて開度が大きくなる過程において、図６に示すように、第２シール部４８の開度に応じて第２シール部４８と第２弁座３４との間を通過する空気の有効断面積が直線的に増加する（第２作動領域Ｂ）。この場合において、酸化ガス供給流路１１側の第１シール部４６と第１弁座３０との間を通過する空気の流量は変化しないので、第２シール部４８と第２弁座３４との間を通過する空気の流量だけを考慮して制御すればよく、バイパス流路２９における流量制御を高い精度で行うことができる。
【００３９】
また、燃料電池５に供給される空気の圧力を補助的に調整する場合の例として、急激な圧力抜きがある。コンプレッサ２１は、多くの場合、スクロール式やルーツ式等の回転により圧力を発生させる方式が採られるが、イナーシャ（慣性）があるため急に回転を下げたり、止めることが困難である。このために、燃料電池５への酸化ガス供給流路１１の圧力を下げたいのに、追いつかない状況が発生する。その際、三方弁２によってバイパス流路２９側を開弁することで、急激に圧力を下げることができる。三方弁２は全閉から全開の間で、圧力を下げたい量に応じて任意に開度を調整することができる。また、逆に急激に圧力を上げることも可能である。
【００４０】
燃料電池５の発電を停止する場合には、酸化ガス配管系７から燃料電池５、および燃料電池５から希釈部１７のラインを適宜、排気パージ処理等をした後、コンプレッサ２１を止め、三方弁２の酸化ガス供給流路１１側を閉弁し、遮断弁２５も閉弁する。三方弁２および遮断弁２５によって、燃料電池５のカソード極をほぼ完全に封止することができる。
【００４１】
上記のように構成された燃料電池システム１によれば、三方弁２の流入通路１２に供給された酸化ガスは、開弁状態（図４参照）のポペット弁６の第１シール部（第１弁部）４６と第１弁座３０との間を通過して第１流出通路１６から流出し、或いは流入通路１２と第２流出通路２０との間に設けられたポペット弁６の開弁状態の第２シール部（第２弁部）４８と第２弁座３４との間を通過して第２流出通路２０から流出する。そして、ポペット弁６が移動する作動ストロークは、第１シール部４６の開度に応じて第１シール部４６と第１弁座３０との間を通過する空気流量が直線的に増加し、かつ第２シール部４８と第２弁座３４との間を通過する空気流量が変化しない第１作動領域Ａと、第２シール部４８の開度に応じて第２シール部４８と第２弁座３４との間を通過する空気流量が直線的に増加し、かつ第１シール部４６と第１弁座３０との間を通過する空気流量が変化しない第２作動領域Ｂと、を有する作動ストロークＳＬを備えている。
【００４２】
そのため、第１作動領域Ａで空気流量の制御を行うと、第２シール部４８での空気流量が連動して減少或いは増加するようなことがない状態で、第１シール部４６の空気流量の制御を正確に行うことができる。また、第２作動領域Ｂで空気流量の制御を行うと、第１シール部４６での空気流量が連動して減少或いは増加するようなことがない状態で、第２シール部４８の空気流量の制御を正確に行うことができる。このように、第１シール部４６と第２シール部４８との両方において必要な流量を制御して酸化ガス供給流路１１及びバイパス流路２９に供給することができる。
【００４３】
ポペット弁６は、第１弁座３０及び第２弁座３４に対して直角方向に移動して、第１弁座３０及び第２弁座３４に当接するので、各弁座３０，３４に対して均一に面圧がかかりやすく、安定した封止（閉鎖）作用を維持することができ、バタフライ弁等に比してシール性を高めることができるとともに、第２弁座３４の有効断面積を適宜設定することにより高い応答性を確保することができる。
【００４４】
また、ポペット弁６は、ステッピングモータ５６によって閉弁状態を維持できるので、閉弁を維持するためのアキュムレータ等を必要とせず、燃料電池システム１を小さな搭載スペースで設置することが可能となる。なお、ステッピングモータ駆動にすると、開弁時の駆動力不足が懸念されるが、大きな駆動力が必要となる燃料電池５内の酸化極が負圧環境の場合は、燃料電池５の二次側（酸化オフガス排出側）に配設された遮断弁２５の方を先行して開弁することにより、負圧を解除することができるので、ポペット弁６の開弁に大きな駆動力を必要とせず、ステッピングモータ５６によって応答性よく開弁することができる。従って、従来の圧力駆動式のように弁体の構造を大きくする必要がないので、三方弁２、延いては燃料電池システム１の小型化及び軽量化を図ることができる。
【００４５】
上記した実施の形態によれば、酸化ガス供給流路１１とバイパス流路２９との分岐路に、遮断弁とバイパス弁を一体化した三方弁２を配設したので、弁構成を簡素化することができる。しかも、三方弁２がポペット弁６で構成されているので、第１及び第２弁座３０、３４との接触シール面に均一な面圧がかかりやすく、シール性を向上することができる。さらに、閉弁状態に長期に亘って維持するときには、ステッピングモータ５６を閉弁位置に維持すればよいので、閉弁を維持するためのアキュムレータ等を必要とせず、小さな搭載スペースで燃料電池システム１を車両に搭載することが可能となる。
【００４６】
上記した実施の形態においては、ポペット弁６の駆動装置８としてステッピングモータ５６を用いた例について説明したが、駆動装置８としてはステッピングモータに限定されず、位置制御可能な例えばサーボモータであってもよい。また、ポペット弁６は金属製と説明したが、ゴム等の弾性体であってもよい。
【００４７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１…燃料電池システム、２…三方弁、５…燃料電池、６…ポペット弁、８…駆動装置、１１…酸化ガス供給流路、１２…流入通路、１３…酸化オフガス排出流路、１６…第１流出通路、２０…第２流出通路、２５…遮断弁（調圧弁）、２７…背圧調整弁（調圧弁）、２９…バイパス流路、３０…第１弁座、３４…第２弁座、４６…第１弁部（第１シール部）、４８…第２弁部（第２シール部）、５２…運動変換機構、５６…ステッピングモータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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