(57)【要約】【課題】  燃料電池の起動性を向上する反応ガス供給装置を提供することを目的とする。【解決手段】  所定圧力に設定した反応ガスを燃料電池に供給する燃料電池の反応ガス供給装置であって、所定圧力よりも高い圧力の反応ガスが流れる一次側流路と、一次側流路に接続され、所定圧力に減圧する減圧弁と、減圧弁に接続され、減圧弁により所定圧力とされた反応ガスを燃料電池に供給する二次側流路とを備え、減圧弁は、一次側流路の反応ガスが流入する一次室と、減圧された反応ガスが流出する二次室と、一次室に流入した反応ガスの圧力に基づいて一次室側から二次室側への反応ガスの流れを絞り、二次室側が所定の圧力以上になると閉弁して、一次室側と二次室側とを気密状態に隔てる弁体と、燃料電池の低温起動時において、減圧弁の温度に感応して、気密状態を緩和し、一次室側から二次室側への反応ガスの流れを許容する低温時作動部とを備えて構成する。【選択図】        図４
2006331850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定圧力に設定した反応ガスを燃料電池に供給する燃料電池の反応ガス供給装置であって、
前記所定圧力よりも高い圧力の反応ガスが流れる一次側流路と、
前記一次側流路に接続され、前記所定圧力に減圧する減圧弁と、
前記減圧弁に接続され、該減圧弁により前記所定圧力とされた反応ガスを前記燃料電池に供給する二次側流路とを備え、
前記減圧弁は、
前記一次側流路の反応ガスが流入する一次室と、
前記減圧された反応ガスが流出する二次室と、
前記一次室に流入した反応ガスの圧力に基づいて該一次室側から前記二次室側への該反応ガスの流れを絞り、該二次室側が前記所定の圧力以上になると閉弁して、前記一次室側と二次室側とを気密状態に隔てる弁体と、
前記燃料電池の低温起動時において、前記減圧弁の温度に感応して、前記気密状態を緩和し、前記一次室側から前記二次室側への前記反応ガスの流れを許容する低温時作動部とを備えて構成した
燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の反応ガス供給装置であって、
前記減圧弁は、他の減圧弁を介することなく、前記燃料電池に前記所定圧力とされた反応ガスを供給する燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池の反応ガス供給装置であって、
前記低温時作動部は、
前記弁体と接触する弁シールと、
前記弁シールを保持する弁座と、
前記減圧弁の温度が所定温度以下の低温時に、該温度に感応して、前記弁シールと前記弁座とに間隙を形成する間隙形成部と
を備えた燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の反応ガス供給装置であって、
前記間隙形成部は、前記弁シールと前記弁座とに形成される間隙に充填され、前記所定温度でガラス転移点に至るＯリングである燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池の反応ガス供給装置であって、
前記Ｏリングは、アクリルゴム、フッ素ゴムのいずれかの材料から構成される燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項６】
請求項３に記載の燃料電池の反応ガス供給装置であって、
前記間隙形成部は、前記弁シールと前記弁座とに形成される間隙に配置され、前記所定温度で収縮するバネである燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池の反応ガス供給装置であって、さらに、
前記燃料電池の温度を、前記減圧弁の低温時作動部に伝達する熱伝達部を備えた燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池の反応ガス供給装置であって、
前記熱伝達部は、前記燃料電池内に冷媒を流して冷却し、該燃料電池を通過した当該冷媒を前記減圧弁内にも流す冷却部である燃料電池の反応ガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定圧力に設定した反応ガスを燃料電池に供給する燃料電池の反応ガス供給装置に関し、詳しくは所定の構造を備えた減圧弁を有する反応ガス供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池のシステムでは、反応ガスとしての水素ガスを貯蓄する高圧のタンクや、高圧の水素ガスを減圧する減圧弁を備え、タンクから放出された水素ガスを所定の圧力に減圧して燃料電池に供給している。こうしたシステムでは、早期に燃料電池による発電を実行可能な状態とするため、燃料電池内に所定圧力の反応ガスを均等に行き亘らせる必要がある。従来から、かかる燃料電池の起動性を向上するため、種々の技術が検討されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、氷点下のような低温時においてシステムの起動性を向上する技術が開示されている。特許文献１によると、氷点下起動用の専用の圧力制御マップを用意し、燃料電池の温度が水の凍結温度以下（氷点下）であると検出された場合には、氷点下起動用のマップによる圧力制御を行なう。かかる技術によれば、氷点下の低温時には燃料電池に供給する反応ガスの圧力を高め、燃料電池内での反応ガスの拡散性を向上することで、燃料電池の迅速な起動を行なうことができるとされている。なお、特許文献２には、反応ガスとしての水素ガスを循環するポンプを備え、燃料電池システムの起動時にポンプを駆動することで、燃料電池の起動性を向上する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４４７９５号公報
【特許文献２】特開２００２−２１６８１２号公報
【０００５】
しかしながら、こうした燃料電池の起動性を向上する技術では、燃料電池の起動時の制御が複雑となるといった問題があった。例えば、起動時に氷点下用の圧力制御を行なう技術では、燃料電池の通常の運転用の圧力制御とは別に、特別な圧力制御を実行する構成（例えば可変の減圧弁など）が必要となると共に、燃料電池の温度を検出して、適宜、圧力制御を切り換えなければならず、制御が複雑化していた。
【０００６】
また、起動時にポンプによる水素ガスの循環を利用する技術では、ポンプの回転駆動を制御する必要があるだけでなく、ポンプの動力に電力を使用するため燃料電池システム全体としてのエネルギ効率が低下するといった問題もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、こうした複雑な制御が必要となるといった問題を踏まえて、複雑な制御を必要とすることなく、燃料電池の起動性を向上する燃料電池の反応ガス供給装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池の反応ガス供給装置は、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、所定圧力に設定した反応ガスを燃料電池に供給する燃料電池の反応ガス供給装置であって、前記所定圧力よりも高い圧力の反応ガスが流れる一次側流路と、前記一次側流路に接続され、前記所定圧力に減圧する減圧弁と、前記減圧弁に接続され、該減圧弁により前記所定圧力とされた反応ガスを前記燃料電池に供給する二次側流路とを備え、前記減圧弁は、前記一次側流路の反応ガスが流入する一次室と、前記減圧された反応ガスが流出する二次室と、前記一次室に流入した反応ガスの圧力に基づいて該一次室側から前記二次室側への該反応ガスの流れを絞り、該二次室側が前記所定の圧力以上になると閉弁して、前記一次室側と二次室側とを気密状態に隔てる弁体と、前記燃料電池の低温起動時において、前記減圧弁の温度に感応して、前記気密状態を緩和し、前記一次室側から前記二次室側への前記反応ガスの流れを許容する低温時作動部とを備えて構成したことを要旨としている。
【０００９】
本発明の燃料電池の反応ガス供給装置によれば、燃料電池の低温起動時には、減圧弁の温度に感応して一次室側から二次室側への反応ガスの流れを許容する。二次室側が閉じた空間である場合には、二次室への反応ガスの流れによって、二次室側の圧力は所定圧力よりも上昇する。つまり、燃料電池の低温起動時には、所定圧力よりも高い圧力の反応ガスを燃料電池に供給する。その結果、燃料電池内では高圧のガスの流入により反応ガスの拡散が促進し、反応ガスの分布が均一化されて、適切な発電を行なえる状態となる。したがって、複雑な制御を要することなく、燃料電池の起動性を向上することができる。
【００１０】
上記の構成を有する燃料電池の反応ガス供給装置の減圧弁は、他の減圧弁を介することなく、前記燃料電池に前記所定圧力とされた反応ガスを供給するものとしても良い。
【００１１】
かかる反応ガス供給装置によれば、燃料電池の低温起動時に、所定圧力よりも高い圧力の反応ガスを確実に燃料電池に供給することができる。
【００１２】
上記の構成を有する燃料電池の反応ガス供給装置の低温時作動部は、前記弁体と接触する弁シールと、前記弁シールを保持する弁座と、前記減圧弁の温度が所定温度以下の低温時に、該温度に感応して、前記弁シールと前記弁座とに間隙を形成する間隙形成部とを備えるものとしても良い。
【００１３】
かかる反応ガス供給装置によれば、低温時には、弁シールと弁座との間に隙間を形成し、この隙間を流路として、一次室側から二次室側への反応ガスの流れを許容する。つまり、弁体と弁シールと間に形成される流路とは別の流路により、流れを許容して低温時の二次室側の圧力を上昇するものであって、弁体の開閉動作を伴うものではない。したがって、一般的な減圧弁を利用することができ、汎用性の高い部品により反応ガス供給装置を構築することができる。
【００１４】
上記の構成を有する燃料電池の反応ガス供給装置の間隙形成部は、前記弁シールと前記弁座とに形成される間隙に充填され、前記所定温度でガラス転移点に至るＯリングであるものとしても良い。
【００１５】
かかる反応ガス供給装置によれば、弁シールと弁座との隙間に充填されたＯリングを用いて、低温時に二次室側の圧力を上昇する。すなわち、低温時にＯリングがガラス転移点に至って弾性を失うことで形成された隙間から、反応ガスを二次室側へ流す。Ｏリングといった簡単な構成要素で圧力上昇の機構を構成することができ、部品点数の増加を抑えることができる。
【００１６】
上記の構成を有する燃料電池の反応ガス供給装置のＯリングは、アクリルゴム、フッ素ゴムのいずれかの材料から構成されるものとしても良い。
【００１７】
こうした低温時にガラス転移点に至る材料を用いることで、容易に装置を構成することができる。
【００１８】
上記の構成を有する燃料電池の反応ガス供給装置の間隙形成部は、前記弁シールと前記弁座とに形成される間隙に配置され、前記所定温度で収縮するバネであるものとしても良い。
【００１９】
かかる反応ガス供給装置によれば、低温時には、弁シールと弁座との隙間に配置されたバネは収縮し、流路を形成する。したがって、燃料電池に供給される反応ガスの圧力を高めることができ、燃料電池の起動性を向上することができる。
【００２０】
上記の構成を有する燃料電池の反応ガス供給装置は、さらに、燃料電池の温度を、前記減圧弁の低温時作動部に伝達する熱伝達部を備えるものとしても良い。
【００２１】
かかる反応ガス供給装置によれば、燃料電池の温度が減圧弁に伝達されることで、燃料電池の運転と共に減圧弁の温度も上昇する。所定圧力よりも高い圧力の反応ガスを燃料電池に供給していた減圧弁は、温度上昇により低温の状態を脱することで、所定圧力の反応ガスを燃料電池に供給する。したがって、燃料電池の温度に対応して反応ガスの圧力を調整し、適切な圧力の反応ガスを燃料電池に供給することができる。
【００２２】
上記の構成を有する燃料電池の反応ガス供給装置の熱伝達部は、前記燃料電池内に冷媒を流して冷却し、該燃料電池を通過した当該冷媒を前記減圧弁内にも流す冷却部であるものとしても良い。
【００２３】
かかる反応ガス供給装置によれば、燃料電池を通過した冷媒を減圧弁に流すことで、燃料電池の温度を減圧弁に伝達する。冷媒を介して、燃料電池と減圧弁との温度差を低減することで、燃料電池の温度に対応した、適切な圧力の反応ガスを燃料電池に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの全体構成：
Ｂ．第１実施例：
Ｂ−１．反応ガス供給装置の構造：
Ｂ−２．低温時の反応ガス供給装置の作用：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．変形例：
【００２５】
Ａ．燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての反応ガス供給装置を備えた燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、図示するように、車両９０に搭載されており、反応ガスである水素ガスと酸素ガスとの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池１０，水素ガスを貯蔵する水素タンク２０，水素タンク２０からの水素ガスを減圧して燃料電池１０に供給する反応ガス供給装置７２，燃料電池１０に酸素ガスを含む空気を供給するブロワ３０，燃料電池１０によって発電された電気により充電される二次電池４０，燃料電池１０によって発電された電力によって車軸５５を駆動するモータ５０，燃料電池１０を冷却する冷却装置８０，車両９０や燃料電池システム１００を全般的に制御する制御コンピュータ４００等を備えている。
【００２６】
燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素ガスを供給し、カソード側に空気を供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。この電気化学反応は発熱反応であり、発電と共に燃料電池１０の温度は上昇する。冷却装置８０は、ラジエータ８５，冷却ポンプ８８等を備え、燃料電池１０内に冷媒を循環させることで、燃料電池１０を所定範囲の温度に保持している。
【００２７】
電気化学反応により燃料電池１０で生じた電力は、燃料電池１０に接続された二次電池４０やモータ５０等の負荷機器（以下、単に負荷と呼ぶ）に供給される。こうした負荷に電力を供給する回路上には、電圧計１１０，電流計１２０，スイッチ１２５，１２６等が備えられている。
【００２８】
なお、モータ５０は、図示しないインバータを介して電源ラインに接続されており、制御コンピュータ４００は、このインバータの動作（スイッチング周波数およびデューティ）を制御することによりモータ５０を駆動し、結果的に車両９０の出力を制御している。
【００２９】
こうした燃料電池１０には、上述のように反応ガスである酸素ガスを含む空気と水素ガスとが供給されている。燃料電池１０への空気の供給は、ブロワ３０により行なわれる。ブロワ３０は、空気供給配管３４を介して燃料電池１０のカソードに接続されている。電気化学反応に供された後の空気（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、カソードオフガス配管３６を通じて外部に排出される。
【００３０】
次に、燃料電池１０への水素ガスの供給について説明する。水素タンク２０には、数十ＭＰａの圧力を有する高圧の水素ガスが貯蔵されている。水素タンク２０の水素ガス出口には開閉弁２００が設けられ、内部の弁を開くことで燃料電池１０のアノードに水素ガスを供給する。水素タンク２０から燃料電池１０までの水素ガスの流路は、水素ガスの流れの順に、水素タンク２０からの高圧の水素ガスが流れる水素供給配管２３，高圧の水素ガスを所定範囲に減圧する調圧弁２１０，反応ガス供給装置７２等から構成されている。
【００３１】
開閉弁２００が制御コンピュータ４００による指令を受けて開弁状態になると、水素タンク２０から高圧の水素ガスが水素供給配管２３に放出される。水素供給配管２３へ放出された高圧の水素ガスは、調圧弁２１０によって４００Ｋ〜２ＭＰａ程度の中圧状態に調圧される。調圧された水素ガスは、反応ガス供給装置７２に流入する。なお、水素供給配管２３上には圧力センサ３１０が設けられ、配管内を流れる水素ガスの圧力を検出している。検出された圧力は、所定のタイミングで制御コンピュータ４００に出力される。
【００３２】
反応ガス供給装置７２は、調圧弁２１０と接続して中圧状態の水素ガスが流れる一次側配管２４，中圧の水素ガスを更に減圧する減圧弁７５，減圧された水素ガスを燃料電池１０に供給する二次側配管２５等からなり、流入した水素ガスを１００Ｋ〜２５０ＫＰａ程度の低圧状態まで減圧する。こうして低圧状態に減圧された水素ガスが、燃料電池１０のアノードへ供給されている。なお、二次側配管２５上には圧力センサ３４０が設けられ、配管内を流れる水素ガスの圧力を検出している。検出された圧力は、所定のタイミングで制御コンピュータ４００に出力される。
【００３３】
本実施例の反応ガス供給装置７２を構成する減圧弁７５は、高圧(中圧)の一次側の水素ガスを入力し、予め設定した所定の圧力に減圧して二次側に出力するダイヤフラムタイプの減圧弁である。ダイヤフラムタイプの減圧弁は、一次側の圧力に応じてダイヤフラムが変動することで、一次側から二次側へ流れる水素ガスの流量を調整し、一次側の圧力が変動しても二次側の圧力をほぼ設定した所定圧力に保つ。本実施例の減圧弁７５は、燃料電池１０の起動時の温度が低温である場合に、二次側の圧力を予め設定した所定圧力よりも高い圧力とする機構を備えている。つまり、低温時には、燃料電池１０に供給する水素ガスの圧力を上昇することができる。なお、この減圧弁７５を中心とした反応ガス供給装置７２の構造および、その作用については、後に詳しく説明する。
【００３４】
燃料電池１０のアノード側の出口には、アノードオフガス配管２６が接続され、この流路上には気液分離器６０が配置されている。アノードオフガス中には、電解質膜を介してカソード側から透過してくる水分が含まれる場合がある。気液分離器６０は、アノードオフガス中に含まれるこうした水分を分離して取り除く。
【００３５】
気液分離器６０には、水素循環配管２８とパージ弁２４０とが接続され、水素循環配管２８上には循環装置７０が配置されている。アノードオフガス中には、水分以外にも、燃料電池１０による発電に供しきれなかった水素ガスが残存している場合がある。こうした水素ガスを、循環装置７０によって水素循環配管２８を介して、再度、燃料電池１０に供給することで、効率的に水素ガスを利用することができる。
【００３６】
パージ弁２４０は、制御コンピュータ４００による制御によって定期的に開弁される。アノードオフガスには、前述したように水分やカソードから電解質膜を介して透過する空気中の窒素等の不純物が含まれるため、これらを、定期的に外部に排出するためである。なお、制御コンピュータ４００は、アノードオフガス中の不純物の濃度を測定もしくは燃料電池の発電量等から推定して、パージ弁２４０を開弁するものとしてもよい。
【００３７】
制御コンピュータ４００は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマ，入出力ポート等を備えている。ＲＯＭには、車両９０や燃料電池システム１００の運転を制御するためのプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、これらのプログラムをＲＡＭに展開して実行する。入出力ポートには、圧力センサ３１０，３４０，電流計１２０，電圧計１１０，開閉弁２００，パージ弁２４０，ブロワ３０，スイッチ１２５，１２６等が接続されている。制御コンピュータ４００は、こうした各種センサやアクチュエータなどと接続し、燃料電池１０に要求される発電量を適切に出力するよう、燃料電池システム１００全体を制御している。
【００３８】
Ｂ．第１実施例：
Ｂ−１．反応ガス供給装置の構造：
第１実施例としての反応ガス供給装置７２は、上述の通り、一次側配管２４，減圧弁７５，二次側配管２５などから構成されている。ここでは、反応ガス供給装置７２の要部である減圧弁７５の構造について説明する。
【００３９】
図２は、第１実施例の反応ガス供給装置７２の減圧弁７５の概略構成を示す断面図である。図示するように、この減圧弁７５は、二次側の圧力を検出するダイヤフラム１３０，ダイヤフラム１３０を付勢する圧縮バネであるコイルスプリング１３２，主にコイルスプリング１３２を収納するハウジングＡ１４０，コイルスプリング１３２によるダイヤフラム１３０への付勢力を調節する調節ネジ部１５０，ダイヤフラム１３０に固定されたコイルスプリング座１３５，コイルスプリング座１３５に固定されたダイヤフラム１３０の動作に伴って上下動する弁部１６０，主に弁部１６０を収納するハウジングＢ１７０，弁部１６０と当接することで一次側から二次側への水素ガスの漏れを防止するシール部１８０，弁部１６０をコイルスプリング１３２に抗して付勢するスプリング１９０等から構成されている。
【００４０】
ハウジングＡ１４０は略円筒形状を有しており、その一端はハウジングＢ１７０と、他端は調節ネジ部１５０と、それぞれ接合されている。ハウジングＡ１４０には、円筒内部と外部（大気）とを連通する大気孔１４１が設けられている。こうした大気孔１４１を設けることで、ハウジングＡ１４０内は大気圧に保たれる。
【００４１】
このハウジングＡ１４０の一端は、調節ネジ部１５０と締結されている。調節ネジ部１５０は、コイルスプリング１３２によるダイヤフラム１３０への付勢力を増減する調節ボルト１５１を備えており、調節ボルト１５１の締め込み量を調整することで、二次側の圧力を所定の値に設定することができる。
【００４２】
他方、ハウジングＡ１４０の他端は、ハウジングＢ１７０と締結されている。ハウジングＢ１７０の内部には、水素ガスを入力する一次側流路１７１と、所定圧力に減圧した水素ガスを出力する二次側流路１７２と、弁部１６０，シール部１８０等を組み込む空間等が形成されている。この空間に弁部１６０およびシール部１８０を組み込むことで、ハウジングＢ１７０内には弁部１６０とシール部１８０とで囲まれる一次室１７５が形成される。この一次室１７５と一次側流路１７１とは、後述する弁部１６０の連通孔１６３を介して連通している。
【００４３】
こうしたハウジングＡ１４０とハウジングＢ１７０との接合面には、ダイヤフラム１３０が挟持されている。ハウジングＢ１７０側には、このダイヤフラム１３０とハウジングＢ１７０とシール部１８０の端面とによって囲まれる二次室１７８が形成される。二次側流路１７２は、こうして形成された二次室１７８と連通している。
【００４４】
なお、ハウジングＡ１４０とハウジングＢ１７０との接合部にはメタルシールを用い、ダイヤフラム１３０を介した水素ガスの外部への漏れを防いでいる。また、ハウジングＢ１７０の一次側流路１７１と二次側流路１７２とには、それぞれ配管用継手１９５，１９６が螺合されている。配管用継手１９５には一次側配管２４が、配管用継手１９６には二次側配管２５が、それぞれ接続され、反応ガス供給装置７２として燃料電池システム１００内に組み込まれている。
【００４５】
ハウジングＢ１７０内に組み込まれる弁部１６０は、円筒形状部分の端部に略円錐形状部分を設けた弁体１６１と、弁体１６１の円錐形状部分の先端とダイヤフラム１３０とを接続する弁棒１６２とを、一体で形成した構造であり、円筒形状部分の内部にはスプリング１９０が配置されている。すなわち、弁部１６０とダイヤフラム１３０とコイルスプリング座１３５とは、ダイヤフラム１３０の検出圧力に応じて、一体で弁棒１６２の軸方向に進退動作を行なう。なお、弁部１６０の円筒形状部分には、円筒外形の数箇所に内円筒と外円筒とを連通する連通孔１６３が設けられており、入力した水素ガスはこの連通孔１６３を通過する。
【００４６】
ハウジングＢ１７０内に組み込まれるシール部材１８０は、一次室１７５と二次室１７８との間に配置されている。シール部１８０は、弁体１６１の円錐形状部分と当接する弁シール１８１と、ハウジングＢ１７０に係合して弁シール１８１を保持する弁座１８２と、弁シール１８１と弁座１８２との間に設けられたＯリング１８３とから構成されている。弁シール１８１および弁座１８２には、その中心に一次室１７５と二次室１７８とを連通する穴部が形成されており、その穴部の略中心を弁棒１６２が貫通して配置されている。ダイヤフラム１３０と連動して弁部１６０が弁棒１６２の軸方向に移動し、弁体１６１の円錐形状部分と弁シール１８１と距離が狭まると、一次室１７５から二次室１７８への流路の開口面積が減少し、水素ガスの流れが絞られる。以下、弁体１６１の円錐形状部分と弁シール１８１と穴部とから形成される流路を、絞り流路１８５と呼ぶ。
【００４７】
こうした構造の減圧弁７５において、水素ガスが流入する前の初期状態では、ダイヤフラム１３０，弁部１６０，スプリング１９０は、コイルスプリング１３２により、図示する軸方向の下方に付勢され、絞り流路１８５の開口面積は最大となっている。この状態の減圧弁７５の一次側流路１７１に、水素タンク２０から放出され、調圧弁２１０を介して中圧に減圧された水素ガスが流入すると、水素ガスは弁部１６０の連通孔１６３から一次室１７５に流れると共に、弁部１６０を上方に押し上げる。弁部１６０の押し上げによって開口面積は若干減少するものの、この段階では、絞り流路１８５は閉じられていない（閉弁されていない）。
【００４８】
一次室１７５に流入した中圧の水素ガスは、開口されている絞り流路１８５を通過し、二次室１７８へ流入する。二次室１７８に中圧の水素ガスが流入すると、水素ガスの圧力により、ダイヤフラム１３０は、水素ガスの圧力とコイルスプリング１３２の付勢力等とがほぼ釣り合う位置まで上方に押し上げられる。ダイヤフラム１３０の上方への移動に連動して、弁部１６０は上方へ移動し、絞り流路１８５の開口面積を減少する。二次室１７８の水素ガスの圧力がコイルスプリング１３２により設定した所定圧力を超える場合には、ダイヤフラム１３０と共に弁部１６０が更に上方へ移動し、閉弁する。
【００４９】
図３は、第１実施例の減圧弁における弁部の閉弁状態を示す模式図である。図示するように、閉弁状態では、弁部１６０(弁体１６１)の円錐形状部分と弁シール１８１とが当接することで、一次室１７５から二次室１７８への水素ガスの流れは、ほぼ遮断される。弁座１８２と弁シール１８１との間の隙間に流れ込む水素ガスも、Ｏリング１８３の作用により二次室１７８に漏れ出すことはほとんどない。
【００５０】
図３の下段には、Ｏリング１８３部分（図３のＡ部分）を拡大した断面図を示している。弁座１８２と弁シール１８１との係合面の面精度は高いものの、表面粗さや製作誤差などによりわずかながら隙間が存在する。弁座１８２と弁シール１８１との係合面に配置されたＯリング１８３は、この隙間に流れ込んだ水素ガスの圧力を受けて変形し、わずかな隙間を埋めることで、二次室１７８への水素ガスの漏れを防いでいる。本実施例では、Ｏリング１８３の材質としてアクリルゴムを使用している。アクリルゴムは、使用可能な温度範囲は−１５℃〜１５０℃程度であり、燃料電池システム１００の適切な運転温度（数十℃）範囲（以下、この温度範囲を通常時と呼ぶ）では、Ｏリング１８３の弾性が失われることはなく、二次室１７８への水素ガスの流れを遮断している。
【００５１】
このように、通常時の閉弁状態では、一次室１７５は気密状態に保持され、二次室１７８への水素ガスの流入を抑え、二次室１７８側の圧力の所定値以上の上昇を抑えることができる。なお、閉弁後に、二次室１７８の圧力が所定圧力を下回る場合、例えば、減圧弁７５の下流の燃料電池１０内の反応により水素ガスが消費されたような場合には、再度、コイルスプリング１３２による付勢力でダイヤフラム１３０と共に弁部１６０が下方へ移動して開弁し、一次室１７５から二次室１７８へ水素ガスが流入する。こうしたダイヤフラム１３０，弁部１６０の作用により、二次室１７８と連通した二次側流路１７２から出力される水素ガスの圧力は、所定範囲の圧力に設定される。
【００５２】
Ｂ−２．低温時の反応ガス供給装置の作用：
上述した減圧弁７５の作用は、燃料電池システム１００の通常時におけるものであるが、燃料電池システム１００自体は−３０℃から−２０℃程度の氷点下でも起動する。こうした−３０℃から−２０℃程度の低温時には、本実施例の減圧弁７５は通常時と異なる作用をする。
【００５３】
図４は、本実施例の減圧弁７５における低温時の弁部の閉弁状態を示す模式図である。図３の通常時と同様、閉弁状態では、弁部１６０(弁体１６１)の円錐形状部分と弁シール１８１とが当接することで、一次室１７５から二次室１７８への水素ガスの流れは、ほぼ遮断される。しかし、低温時では、弁座１８２と弁シール１８１との係合面の隙間に流れ込んだ水素ガスは、Ｏリング１８３を通過して、わずかに二次室１７８へ流れる。
【００５４】
図４の下段には、Ｏリング１８３部分（図４のＢ部分）を拡大した断面図を示している。上述のように本実施例ではアクリルゴム製のＯリング１８３を使用しているため、−２０℃程度の低温時にはＯリング１８３はガラス転移点に至り、その弾性を失う。その結果、Ｏリング１８３は、中圧の水素ガスの圧力を受けてもほとんど変形せず、隙間を充填しない。換言すると、低温時においてＯリング１８３に、弁座１８２と弁シール１８１との係合面の隙間を充填する働きをさせない。
【００５５】
こうした材料のＯリング１８３により減圧弁７５を構成することで、二次室１７８側が所定圧力となって弁が閉じても、絞り流路１８５とは別の流路（弁座１８２と弁シール１８１との係合面の隙間に）から、水素ガスを二次室１７８側へ流すことができる。閉弁後、徐々に中圧の水素ガスは二次室１７８側へ流れ、二次室１７８，二次側流路１７２の圧力は、予め設定した所定圧力よりも上昇する。
【００５６】
図５は、本実施例の減圧弁７５の圧力流量特性を示した説明図である。図中の横軸は減圧弁７５を流れる流量を、縦軸は設定される二次側の圧力を、それぞれ示し、破線Ｂは通常時の特性を、実線Ｊは低温時の特性を、それぞれ示している。
【００５７】
図示するように、通常時、低温時ともに、流量の増大に伴ってわずかに二次側圧力が低下するが、入力した水素ガスの圧力をほぼ一定の二次側圧力に調整する。流量の増大に伴って二次側圧力がわずかに低下するのは、流量増大に伴い流路内での摩擦等、圧力損失が増大するためである。
【００５８】
通常時には、減圧弁７５は大流量から極小流量の範囲まで二次側圧力を所定圧力に調整する。なお、流量がゼロに近づいた場合に二次側圧力がやや上昇するのは、絞り流路１８５からのわずかな漏れのためである。
【００５９】
他方、低温時には、減圧弁７５は、大流量から所定の流量の範囲まで二次側圧力を所定圧力に調整するが、流量が所定量よりも下回ると徐々に二次側圧力を所定圧力以上に上昇させる。これは、上述の低温時における絞り流路１８５とは別の流路（別流路と呼ぶ）からの水素ガスの流入によるものである。なお、この別流路からの流量は極わずかであるため、低温時であっても、所定量以上の流量が絞り流路１８５を流れる場合には全体の流量に占める別流路の流量の割合は低く、全体の二次側圧力は通常時とほぼ同等に調整される。
【００６０】
こうした特性を備えた減圧弁７５において、氷点下である低温時から徐々に減圧弁７５の温度（特に、Ｏリング１８３付近の温度）が上昇していくと、図示する実線Ｊから破線Ｂに特性が変化していく。つまり、この減圧弁７５を備えた反応ガス供給装置７２により燃料電池１０に水素ガスを供給すると、低温時には、小流量で二次側圧力を上昇させるが、燃料電池１０の発電等により燃料電池システム１００全体の温度が上昇してくると、小流量でも二次側圧力を所定圧力に調整する。
【００６１】
こうした圧力流量特性は、閉弁状態の際における弁部１６０の弁シール１８１への押し付け力や、弁部１６０，シート部１８０における面粗度、もしくは、燃料電池１０の起動可能な温度、燃料電池１０が許容可能な分圧など、種々の要因に基づいて設定される。本実施例の減圧弁７５は、こうした要因を踏まえて、所定温度（低温時）に、実線の圧力流量特性を備えるように、コイルスプリング１３２，スプリング１９０のバネ定数などを設定している。
【００６２】
以上の第１実施例の減圧弁７５を備えた反応ガス供給装置７２によれば、−２０℃程度の氷点下である低温時には、Ｏリング１８３の作用により一次室１７５の気密状態を緩和し、コイルスプリング１３２による設定圧力よりも二次室１７８の水素ガスの圧力を高める。特に、減圧弁７５を流れる水素ガスの流量が少ない場合には、燃料電池１０に流れ込む水素ガスの圧力を大きく上昇させることができる。水素ガスの流量が極わずかである起動時の燃料電池１０内には、設定圧力よりも高い圧力の水素ガスが押し込まれ、燃料電池１０内で水素ガスの拡散が促進される。その結果、早期に燃料電池１０内の水素ガスを均一に分散させることができ、低温時の燃料電池１０の起動性を向上することができる。
【００６３】
また、燃料電池１０の起動後、電気化学反応により燃料電池システム１００の温度は徐々に上昇するため、減圧弁７５の圧力流量特性は通常時の特性に徐々に近づく。したがって、減圧弁７５に、低温時に積極的に気密状態を緩和する別流量を設けていても、燃料電池システム１００の通常の運転時に影響を及ぼすことはない。
【００６４】
本実施例の反応ガス供給装置によれば、起動時や、温度変化に応じて、特に供給する水素ガスの圧力の制御を必要としない。したがって、複雑な圧力制御を要せず、比較的簡単な構造で燃料電池システム１００の起動性を向上することができる。
【００６５】
第１実施例では、Ｏリング１８３材料にアクリルゴムを使用するものとしたが、例えばフッ素ゴムなど、燃料電池システム１００が起動する最低温度（−３０℃から−２０℃程度）よりも少し高い温度（例えば、−１５℃）以下で、弾性が低下するシール材料であれば、同様の作用効果を奏する。
【００６６】
なお、低温時における第１実施例の反応ガス供給装置７２の作用により上昇した水素ガスの圧力は、二次側配管２５の圧力センサ３４０により検出され、所定のタイミングで制御コンピュータ４００に出力されている。この検出値を入力した制御コンピュータ４００は、検出値が予め設定した所定圧力を超えると判断すると、スイッチ１２５，１２６をＯＮ状態とし、燃料電池１０を負荷に接続する。負荷への接続により、燃料電池１０では、電気化学反応による発電が促進され、反応ガスである水素ガスが消費される。その結果、反応ガス供給装置７２は、その減圧弁７５の開度を増加させ、消費した水素ガスを補うように作用する。こうして滞りなく燃料電池システム１００の運転が行なわれる。
【００６７】
第１実施例の反応ガス供給装置７２を燃料電池システム１００に組み込むことで、低温起動時のみ、燃料電池１０に供給する水素ガスの圧力を上昇することができる。すなわち、予め低温起動時に必要となる圧力を見越して、通常時から燃料電池１０に供給する水素ガスの圧力を上げておく必要がなく、燃料電池システム１００全体の反応ガスの供給圧力を低減することができる。その結果、燃料電池１０内の電解質膜におけるクロスリークを抑制し、燃料電池１０の発電効率を向上することができる。
【００６８】
Ｃ．第２実施例：
図６は、第２実施例としての反応ガス供給装置の減圧弁の閉弁状態を示す模式図である。図示するように、第２実施例の反応ガス供給装置の減圧弁７６は、第１実施例の減圧弁７５のＯリング１８３に代えて、Ｃ字型の断面を有するリング状のバネ１８９を備えて構成している。その他の構成部分は、第１実施例の減圧弁７５と同一であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００６９】
図示するように、第２実施例の減圧弁７６は、弁部１６０，弁シール１８１，弁座１８２と、バネ１８９とで、一次室１７５を気密状態に保持する。このバネ１８９は、例えば第１実施例の低温時である−１５℃程度など、所定の温度以下で熱収縮率の高い材料から形成されている。
【００７０】
図６の下段におけるバネ１８９部分（Ｃ部分）の拡大断面図に示すように、通常時には、バネ１８９は弁シール１８１と弁座１８２との係合面の隙間を埋め、一次室１７５から二次室１７８側へ水素ガスの流出を抑える。これに対して、低温時には、バネ１８９は収縮し、弁シール１８１と弁座１８２との係合面の隙間を埋めることなく、一次室１７５から二次室１７８側へ水素ガスを漏らす。
【００７１】
すなわち、第１実施例のＯリング１８３と同様、低温時にバネ１８９の作用により一次室１７５の気密状態を緩和し、コイルスプリング１３２による設定圧力よりも二次室１７８の水素ガスの圧力を高める。したがって、第１実施例と同様、特別な制御を行なうことなく、燃料電池システム１００の低温時の起動性を向上し、クロスリークを低減することができる。
【００７２】
こうした特性のバネ１８９は、単一材料で形成するものとしても良いし、複合的に形成するものとしても良い。例えば、Ｃ字型の内側と外側とに熱収縮率の異なる金属材料を貼り付けてバネ１８９を形成するものとしても良い。また、所定温度で弾性係数が変化する形状記憶合金により、バネ１８９を構成するものとしても良い。かかる材料により、低温時に流れを許容して二次室側の圧力を上昇する機構を構成することで、第１実施例のＯリング１８３の場合よりも、圧力流量特性が変わる温度の設定が容易となる。つまり、氷点下のような低温時に限らず、所定温度以下での燃料電池システム１００の起動性を向上することができる。なお、形状記憶合金としては、例えばＴｉ−Ｎｉ系の合金など、設定温度に応じて相変態する合金を用いることができる。
【００７３】
また、かかる構造のバネ１８９に代えて、形状記憶合金を用いたダイヤフラム型のアクチュエータを利用するものとしても良い。例えば、Ｔｉ−Ｎｉ系の形状記憶合金の薄膜とシリコン酸化膜との二層構造からなるダイヤフラムを備えたアクチュエータを利用すれば良い。所定温度でダイヤフラムの形状が変形するように設定することで、所定温度以下での燃料電池システム１００の起動性を向上することができる。
【００７４】
Ｄ．変形例：
以上、本実施例の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【００７５】
本実施例では、燃料電池１０の低温起動時に所定値まで二次側圧力が上昇すると負荷に接続するものとして説明したが、所定値まで圧力上昇した後は、水素タンク２０の開閉弁２００を閉弁し、あるいは、パージ弁２４０を開弁し、二次側圧力の更なる上昇を抑えるものとしても良い。例えば、カソード側の空気の供給がまだ十分でないなど、燃料電池１０による発電の準備が整っていない場合に、有効な処理となる。
【００７６】
また、燃料電池１０を冷却する冷却ポンプ８８の駆動により、燃料電池１０から流れ出た冷媒を減圧弁７５のハウジングＡ１４０に流す構成を、燃料電池システム１００に加えるものとしても良い（図８参照）。反応ガス供給装置７２（特にＯリング１８３近傍）の温度は、燃料電池１０による発電により徐々に上昇するが、その温度上昇は燃料電池１０の温度上昇よりも緩やかである。反応ガス供給装置７２の減圧弁７５のハウジングＡ１４０に、燃料電池１０から熱を奪い温度が上昇した冷媒を流すことで、燃料電池１０内での発生した熱を反応ガス供給装置７２に伝達することができる。したがって、燃料電池１０と反応ガス供給装置７２との温度差を低減し、燃料電池１０の温度に応じた圧力の水素ガスを供給することができる。
【００７７】
なお、減圧弁７５のハウジングＡ１４０に冷媒を流す構成は、図２に示したハウジングＡ１４０の大気孔１４１を利用して、ハウジングＡ１４０内部に冷媒を導くものとしても良い。
【００７８】
また、図７に示すようにハウジングＢ１７０にウォータジャケット部１７９を形成した新たなハウジングＢ１７７を構成し、ウォータジャケット部１７９に冷媒を導くものとしても良い。なお、図７における減圧弁の断面図では、ウォータジャケット部１７９の理解を容易にするため、ハウジングＢ１７７のみに符号、ハッチングを付し、その他の部分については符号等を省略しているが、その他の部分は図２に示した減圧弁７５と同一である。
【００７９】
また、反応ガス供給装置７２における二次側配管２５の長さを短く、あるいは、二次側配管２５を廃止し、反応ガス供給装置７２を直接、燃料電池１０と接するように配置するものとしても良い。こうすることで、燃料電池１０の発熱を反応ガス供給装置７２に伝達し、燃料電池１０の温度に応じた圧力の水素ガスを供給することができる。
【００８０】
本実施例の反応ガス供給装置は、流量計等と組み合わせて、水素ガスの漏れ検出を行なうこともできる。図８は、水素ガスの漏れ検出を行なう燃料電池システムの概略構成図である。図示するように、この燃料電池システム１０１は、第１実施例の反応ガス供給装置７２の上流側である一次側配管２４上に水素流量計１３３を配置したこと以外は、図１に示した構成とほぼ同様である。したがって、同一符号を付して説明は省略する。
【００８１】
図８に示した燃料電池システム１０１は、水素流量計１３３の検出値である積算流量から、圧力センサ３４０の検出値に基づく圧力上昇に寄与した分の流量を差し引くことで、水素ガスの漏れを検出する。つまり、一次側配管２４の水素流量計１３３の積算流量は、減圧弁７５下流の燃料電池１０に（正確には、減圧弁７５から燃料電池１０内を経て、パージ弁２４０までに）供給された水素ガスの総量であり、この総量から減圧弁７５下流の圧力を上昇するために使用した流量を除いた分が漏れ量となる。なお、減圧弁７５下流の圧力を上昇するために使用した流量は、減圧弁７５下流の流路の容積Ｖに上昇した圧力ΔＰを乗じることで、算出することができる。
【００８２】
水素ガスの漏れ検出を行なうシステムに、本実施例の反応ガス供給装置７２を用いることで、所定温度以下の起動時に弁部１６０が閉じていても、わずかな水素ガスを流すことができる。したがって、燃料電池１０の起動時における二次側圧力の上昇の際に、併せて水素ガスの漏れ検出を行なうことができ、効率的な燃料電池システム１００を構築することができる。
【００８３】
また、本実施例では、弁座１８２側に弁シール１８１を設け、低温時に弁座１８２と弁シール１８１との間に別流路を形成するものとしたが、必ずしもこの別流路を設ける必要はない。例えば、図９に示すように、図２の減圧弁７２の弁体１６１と弁座１８２との形状を一部変更し、新たな弁体１６５にＯリング１８３と同等の材質のシール部材３８０を備えて弁部１６６を形成する。つまり、弁部１６６と一体で上下動するシール部材３８０が、新たな弁座１８７に当接することで一次室１７５と二次室１７８とを気密状態に隔てる。この場合、低温時には、シール部材３８０が弾性を失って弁座１８７との間に隙間を形成することで、閉弁状態であっても、二次室１７８側に水素ガスを流すことができ、燃料電池１０の低温起動性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の一実施例としての反応ガス供給装置を備えた燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例の反応ガス供給装置の減圧弁の概略構成を示す断面図である。
【図３】第１実施例の減圧弁における弁部の閉弁状態を示す模式図である。
【図４】本実施例の減圧弁における低温時の弁部の閉弁状態を示す模式図である。
【図５】本実施例の減圧弁の圧力流量特性を示した説明図である。
【図６】第２実施例としての反応ガス供給装置の減圧弁における弁部の閉弁状態を示す模式図である。
【図７】減圧弁に冷媒を流す構成の一例である。
【図８】水素ガスの漏れ検出を行なう燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】変形例の減圧弁の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０...燃料電池
２０...水素タンク
２３...水素供給配管
２４...一次側配管
２５...二次側配管
２６...アノードオフガス配管
２８...水素循環配管
３０...ブロワ
３４...空気供給配管
３６...カソードオフガス配管
４０...二次電池
５０...モータ
５５...車軸
６０...気液分離器
７０...循環装置
７２...反応ガス供給装置
７５，７６...減圧弁
８０...冷却装置
８５...ラジエータ
８８...冷却ポンプ
９０...車両
１００，１０１...燃料電池システム
１１０...電圧計
１２０...電流計
１２５，１２６...スイッチ
１３０...ダイヤフラム
１３２...コイルスプリング
１３３...水素流量計
１３５...コイルスプリング座
１４０...ハウジングＡ
１４１...大気孔
１５０...調節ネジ部
１５１...調節ボルト
１６０，１６６...弁部
１６１，１６５...弁体
１６２...弁棒
１６３...連通孔
１７０，１７７...ハウジングＢ
１７１...一次側流路
１７２...二次側流路
１７５...一次室
１７８...二次室
１７９...ウォータジャケット部
１８０...シール部
１８１...弁シール
１８２，１８７...弁座
１８３...Ｏリング
１８５...絞り流路
１８９...バネ
１９０...スプリング
１９５，１９６...配管用継手
２００...開閉弁
２１０...調圧弁
２４０...パージ弁
３１０，３４０...圧力センサ
３８０...シール部材
４００...制御コンピュータ
【図１】
2006331850.tif 000003
【図２】
2006331850.tif 000004
【図３】
2006331850.tif 000005
【図４】
2006331850.tif 000006
【図５】
2006331850.tif 000007
【図６】
2006331850.tif 000008
【図７】
2006331850.tif 000009
【図８】
2006331850.tif 000010
【図９】
2006331850.tif 000011