(57)【要約】【課題】燃料電池に設けた逆止弁のシール部に付着する異物を効果的に除去する。【解決手段】燃料電池１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路Ｌ１と、燃料電池から排出される排出ガスを燃料ガス供給通路に還流する燃料ガス還流通路Ｌ２、Ｌ３と、燃料ガス環流通路Ｌ２、Ｌ３に設けられた逆止弁２と、逆止弁２の燃料ガスの流れに対する上流側から流体を噴射する流体噴射手段１３、Ｌ７と、流体噴射手段から流体を噴射することで逆止弁の異物除去を行う流体噴射制御手段２０とを備える。【選択図】図２
2006049092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記燃料電池から排出される排出ガスを前記燃料ガス供給通路に還流する燃料ガス還流通路と、
前記燃料ガス環流通路に設けられた逆止弁と、
前記逆止弁の燃料ガスの流れに対する上流側から流体を噴射する流体噴射手段と、
前記流体噴射手段から流体を噴射することで前記逆止弁の異物除去を行う流体噴射制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の制御装置において、さらに、前記燃料ガス環流通路上に環流ポンプを備え、
前記流体噴射制御手段は前記環流ポンプによる燃料ガスの環流を停止して前記流体噴射手段から流体を噴射することで前記逆止弁の異物除去を行うことを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池の制御装置において、さらに、
前記逆止弁は、中空部を有する筒状部と、前記筒状部の中空部に前記燃料ガスを導入する通路部と、前記中空部への前記通路部の開口を含む弁座部と、前記中空部内の燃料ガスにより前記弁座部に対して閉弁方向に押圧される弁体と、前記弁座部と弁体との間で前記開口を取り囲んで配設されるシール部材とを有し、
前記流体噴射手段は、前記弁座部において前記シール部材に向かって前記流体を噴射する噴射開口を有する燃料電池の制御装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池の制御装置において、さらに、
前記流体噴射手段は、高圧ガスが導入される第１通路と液体が導入される第２通路とが合流して構成され、前記第１通路に導入される高圧ガスの流れにより第２通路から前記液体を吸い上げ、前記高圧ガスと液体とが混合した流体を生成する流体混合部を有する燃料電池の制御装置。
【請求項５】
請求項２から４のいずれかに記載の燃料電池の制御装置において、さらに、
前記逆止弁から燃料ガス供給通路に通じる燃料ガス環流通路内の圧力と
前記逆止弁から前記環流ポンプに通じる燃料ガス環流通路内の圧力との差圧を検出する差圧検出手段を備え、
前記流体噴射制御手段は、前記差圧検出手段により検出される差圧が所定差圧以下のときに前記逆止弁の異物除去を行うことを決定する燃料電池の制御装置。
【請求項６】
請求項２から４のいずれかに記載の燃料電池の制御装置において、さらに、
前記逆止弁から燃料ガス供給通路に通じる第１の燃料ガス環流通路内の圧力を検出する第１圧力センサ、および、前記逆止弁から前記環流ポンプに通じる第２の燃料ガス環流通路内の圧力を検出する第２圧力センサの少なくとも１つを備え、
前記流体噴射制御手段は、前記第１圧力センサの圧力検出値の時間変化率または第２圧力センサの圧力検出値の時間変化率から前記逆止弁の異物除去を行うか否かを決定する燃料電池の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを反応させ電気を発生する。燃料ガスは、例えば、水素は高圧の水素タンクから燃料電池の水素極の入口に供給され、反応後のガスは水素極の排出口から下流側管路に排出される。
【０００３】
燃料電池のうち、循環型のものは、水素極の排出口から排出される反応後のガスを排出口に接続される排出側管路から供給側管路（水素極の入口側に接続される管路）に循環させる環流通路を有する。その場合、供給側管路には、高圧の水素タンクからも燃料ガスである水素が供給されるため、供給側管路の燃料ガスが燃料電池本体を通らずに排出側管路に漏れ出ることを防止する必要がある。そのため、従来から、循環型の燃料電池では、供給側管路と排出側管路の間に逆止弁が設けら、排出側から供給側に向かってガスを通過させるが、逆に、供給側から排出側にはガスを通過させない構造となっている。
【０００４】
図１は、従来の逆止弁２Ａのシール部分の概略構成を示す図である。この逆止弁２Ａは、筒状の筐体２００内部に構成されている。筐体２００の右側端部側壁に入口２０１が、また、不図示の左側端部側壁には出口が設けられている。逆止弁２Ａは、筐体２００の一部を構成する固定弁体２１０と可動子２０３とにより弁が構成される。可動子２０３の右側端部は弁面２０３Ｃを構成し、弁座２０２を構成する固定弁体２１０との間にシール部剤であるＯ−リング２０７を保持する。通常状態では、可動子２０３は、スプリング２０４によって弁座２０２方向に付勢され、Ｏ−リング２０７を挟んで弁面２０３Ｃと弁座２０２とで入口２０１からの流体の流れを遮断する。
【０００５】
一方、筐体２００内部の中空部２１１において可動子２０３の左側の空間は差圧部を構成しており、スプリング２０４の弾性力に加えて中空部２１１内のガスにより可動子２０３を弁座２０２の方向に押圧する。したがって、中空部２１１のガス圧力が入口２０１側のガス圧力より高い場合には、可動子２０３は、弁座２０２に着座し、Ｏ−リング２０７によるシールが維持される。
【０００６】
一方、入口２０１のガス圧力が中空部２１１のガス圧力より高くなり、さらに、スプリング２０４の弾性力を上回った場合には、可動子２０３が弁座２０２から離間し、Ｏ−リング２０７によるシールが破れ、入口２０１側のガスが中空部２１１に流入することになる。流入したガスは、図１に示したＡ矢印にしたがって不図示の出口側に流れる。
【０００７】
そして、入口２０１側と中空部２１１側の差圧が所定値以下になり、スプリング２０４の弾性力がガスの差圧を上回った場合に、可動子２０３が弁座２０２に着座し、Ｏ−リング２０７によるシールが復旧する。
【０００８】
このような構成の逆止弁２Ａを燃料電池の排出ガスを循環させる循環通路に使用した場合、弁面２０３Ｃと弁座２０２の間に異物が侵入し、特に、Ｏ−リング２０７と弁面２０３Ｃとの間に異物が咬み込まれる場合がある。異物は、例えば、燃料電池を構成する多数の管路内壁から脱落した微細なチリ（例えば、数ミクロン程度の微粒子）、燃料電池スタックから遊離した高分子膜の破片、電極の一部等であると考えられる。
【０００９】
そのような異物がＯ−リング２０７と弁面２０３Ｃとの間のシール面に付着すると、Ｏ−リング２０７のシール性が劣化し、中空部２１１側から入口２０１側に向かう燃料ガスのガスの流れが発生し、逆止弁２Ａの逆止性能が低下する。その結果、燃料ガスの循環系での正常な燃料流通が維持できなくなる。この場合には、逆止弁２Ａの入口２０１側と出口側の差圧が消滅し、燃料電池水素極の入口側と出口側とがほぼ同一のガス圧力となり、燃料電池スタックの発電が維持できなくなる場合がある。
【００１０】
なお、本発明に関連する先行技術は、以下の特許文献１から４に示されている。しかし、いずれの文献でも、逆止弁２Ａのシール性を維持する技術で、燃料電池の構成に好適なものは提案されていなかった。
【特許文献１】特開２００４−１１１３２３号公報
【特許文献２】特開２００２−２５６９４３号公報
【特許文献３】特開２００４−１０３５０５号公報
【特許文献４】特開平８−１０４２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、本来の燃料電池の構成を利用して、燃料電池に設けた逆止弁のシール部に付着する異物を効果的に除去する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、前記燃料電池から排出される排出ガスを前記燃料ガス供給通路に還流する燃料ガス還流通路と、前記燃料ガス環流通路に設けられた逆止弁と、前記逆止弁の燃料ガスの流れに対する上流側から流体を噴射する流体噴射手段と、前記流体噴射手段から流体を噴射することで前記逆止弁の異物除去を行う流体噴射制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の制御装置である。
【００１３】
本燃料電池は、逆止弁の燃料ガスの流れに対する上流側から流体を噴射するので、逆止弁の異物を効果的に除去できる。
【００１４】
本燃料電池の制御装置において、さらに、前記燃料ガス環流通路上に環流ポンプを備え、前記流体噴射制御手段は前記環流ポンプによる燃料ガスの環流を停止して前記流体噴射手段から流体を噴射することで前記逆止弁の異物除去を行うようにしてもよい。本燃料電池は、環流ポンプによる燃料ガスの環流を停止した状態で逆止弁の異物除去を行うので、異物除去処理と、環流ポンプの制御とを独立にできる。したがって、異物除去処理とは無関係に環流ポンプによるガスの流れを制御できる。
【００１５】
本燃料電池の制御装置において、さらに、前記逆止弁は、中空部を有する筒状部と、前記筒状部の中空部に前記燃料ガスを導入する通路部と、中空部への前記通路部の開口を含む弁座部と、前記中空部内の燃料ガスにより前記弁座部に対して閉弁方向に押圧される弁体と、前記弁座部と弁体との間で前記開口を取り囲んで配設されるシール部材とを有し、前記流体噴射手段は、前記弁座部において前記シール部材に向かって前記流体を噴射する噴射開口を有するようにしてもよい。
【００１６】
本燃料電池は、弁座部において前記シール部材に向かって前記流体を噴射する噴射開口を有するので、シール部に付着する異物を効果的に除去できる。
【００１７】
本燃料電池の制御装置において、さらに、前記流体噴射手段は、高圧ガスが導入される第１通路と液体が導入される第２通路とが合流して構成され、第１通路に導入される高圧
ガスの流れにより第２通路から前記液体を吸い上げ、前記高圧ガスと液体とが混合した流体を生成する流体混合部を有するものでもよい。本燃料電池は、高圧ガスと液体とが混合した流体を噴射するので、効果的に異物を除去できる。
【００１８】
本燃料電池の制御装置において、さらに、前記逆止弁から燃料ガス供給通路に通じる燃料ガス環流通路内の圧力と前記逆止弁から前記環流ポンプに通じる燃料ガス環流通路内の圧力との差圧を検出する差圧検出手段を備え、流体噴射制御手段は、前記差圧検出手段により検出される差圧が所定差圧以下のときに前記逆止弁の異物除去を行うことを決定するようにしてもよい。本発明によれば、逆止弁の両端に通じる２つの通路の圧力検出値の差圧から異物除去の必要性を判断できる。ここで、差圧検出検出手段は、２つの圧力センサで検出された圧力の差をとることで差圧を検出してもよいし、差圧検出手段として差圧センサを用いて差圧を検出してもよい。
【００１９】
本燃料電池の制御装置において、さらに、前記逆止弁から燃料ガス供給通路に通じる第１の燃料ガス環流通路内の圧力を検出する第１圧力センサ、および、前記逆止弁から前記環流ポンプに通じる第２の燃料ガス環流通路内の圧力を検出する第２圧力センサの少なくとも１つを備え、流体噴射制御手段は、前記第１圧力センサの圧力検出値の時間変化率または第２圧力センサの圧力検出値の時間変化率から前記逆止弁の異物除去を行うか否かを決定するようにしてもよい。本発明によれば、逆止弁の両端に通じる２つの通路のうちいずれか、または双方の圧力検出値の時間変化から異物除去の必要性を判断できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池の構成を利用して、燃料電池に設けた逆止弁のシール部に付着する異物を効果的に除去できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００２２】
《第１実施形態》
以下、図２から図７の図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池を説明する。
【００２３】
図２は、本燃料電池のシステム構成図である。この燃料電池は、燃料電池本体１（ＦＣともいう）と、高圧の水素を保持し、燃料電池本体１に燃料ガスである水素を供給する水素タンク１１と、水素タンク１１の高圧水素を減圧する低圧レギュレータ３と、低圧レギュレータ３の出口側に設けられ水素の供給と遮断とを制御する遮断弁１２と、遮断弁１２の出口側を燃料電池本体１の水素極入口に導入する水素供給通路Ｌ１（燃料ガス供給通路に相当）と、排出通路Ｌ８により燃料電池本体１の水素極排出口に接続され、排出ガスから水分を分離する気液分離器５と、気液分離器５で分離された水の排出を制御するオートドレイン弁８と、気液分離器５で水分を分離された排出ガスを水素供給通路Ｌ１側に送り込む水素ポンプ４と、水素ポンプ４の出力側の通路Ｌ２に設けられた逆止弁２と、逆止弁２の下流側を水素供給通路Ｌ１に接続する通路Ｌ３（Ｌ２とＬ３がガス環流通路に相当）と、通路Ｌ２と分岐する通路Ｌ５上で排出ガスの排出と遮断とを制御する遮断弁７と、本燃料電池を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０とを有している。さらに、
本燃料電池では、水素タンク１１から高圧の水素ガスが分岐通路Ｌ６および遮断弁１３を通って逆止弁２に導入されている。
【００２４】
水素タンク１１は、高圧（例えば、８気圧）の水素ガスを保持している。水素タンク１
１は、低圧レギュレータ３、遮断弁１２、および水素供給通路Ｌ１を通じて燃料電池本体１の燃料導入口に接続され、燃料電池本体１に水素を供給する。供給された水素は、燃料電池本体１の各セルの水素極に供給される。
【００２５】
燃料電池本体１は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを含むセルを直列に接続し、複数階層に積層したものから構成される。膜−電極接合体は、水素をプロトンと電子に分離する水素極と、水素極で生成されたプロトンを空気極に伝導する電解質膜と、空気極に伝導したプロトンと酸素と外部回路を通じて水素極から伝導した電子により水を生成する空気極とを含む。なお、図１では、空気極側の構成は省略されている。
【００２６】
気液分離器５は、排出ガスの水素と水分とを分離する。気液分離器５の第１の排出口には、水素ポンプ４が接続されている。気液分離器５で液滴水分が分離された水素は、水素ポンプ４により、分岐する通路Ｌ２およびＬ５に送り込まれる。ただし、通路Ｌ５の遮断弁７は通常閉弁されているので、水素ポンプ４から排出される水素を含む排出ガスは、逆止弁２を介して水素極入口に通じる水素供給通路Ｌ１に送り込まれる。したがって、燃料電池本体１、気液分離器５、水素ポンプ４および逆止弁２が水素供給通路Ｌ１、排出通路Ｌ８、通路Ｌ２、Ｌ３を通じて水素の循環路を形成する。
【００２７】
水素ポンプ４（環流ポンプに相当）は、水素を含む排出ガスを通路Ｌ２に送り込む。一方、水素から分離された液滴水分および排出ガスは、オートドレイン弁６を通って燃料電池外に排出される。
【００２８】
逆止弁２は、水素ポンプ４の出力側の通路Ｌ２から水素供給通路Ｌ１に通じる通路Ｌ３に向かうガスの流れを通過させるが、逆に、通路Ｌ３から通路Ｌ２に向かうガスの流れを遮断する。逆止弁２に対して通路Ｌ２側を逆止弁２の上流側と呼び、逆止弁２に対して通路Ｌ３側を逆止弁２の下流側と呼ぶ。図２に示すように、通路Ｌ３（第１の燃料ガス環流通路に相当）には、圧力センサ６Ａ（第１圧力センサに相当）が設けられ、逆止弁２の下流側の圧力Ｐ１を検出する。また、通路Ｌ２（第２の燃料ガス環流通路に相当）には、圧力センサ６Ｂ（第２圧力センサに相当）が設けられ、逆止弁２の上流側の圧力Ｐ２を検出する。
【００２９】
ＥＣＵ２０は、各種制御プログラムを実行し、遮断弁１２、１３、逆止弁２、水素ポンプ４等、本燃料電池システムの各構成要素を制御する。また、ＥＣＵ２０は、圧力センサ６Ａ、６Ｂ等燃料電池各部の状態を監視し、燃料電池の運転状態を適切な目標状態に維持する。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を含む。ＥＣＵ２０は、不図示の入出力インターフェースを介して遮断弁１２、１３、逆止弁２、水素ポンプ４等の制御回路、圧力センサ６Ａ、６Ｂ等の検出回路に接続されている。
【００３０】
図３は、逆止弁２の構造の概要を示す概略断面図である。この逆止弁２は、入口２０１から導入されるガスを出口２０９の方向に通過させるが、逆に出口２０９から入口２０１の方向にはガスを遮断する。この逆止弁２は、筒状の筐体２００に囲まれて構成される中空部２１１と、入口２０１が中空部２１１に開口する開口部を取り囲んで構成される弁座２０２と、閉弁状態で弁座２０２に着座する可動弁体２０３Ａと、可動弁体２０３Ａを弁座２０２方向に押圧するスプリング２０４と、中空部２１１に滞留するガスが可動弁体２０３Ａを閉弁方向に加圧するための逆止部２０３Ｂと、中空部２１１を取り囲んで構成されるソレノイド２１２とを有している。
【００３１】
可動弁体２０３Ａと逆止部２０３Ｂとが可動子２０３を構成し、中空部２１１を図１の左右方向に移動可能となっている。また、筐体２００は、中空部２１１から出口２０９の
方向に向かって底部２０６を有し、可動子２０３は、最大の開弁状態では、可動子２０３の左端面が底部２０６に接触する位置で停止される。また、可動子２０３は、閉弁状態では、可動弁体２０３Ａの右端面である弁面２０３ＣがＯ−リング２０７（シール部材に相当）を介して弁座２０２に着座した状態で停止する。したがって、可動子２０３は、最大の開弁状態と閉弁状態の間で中空部２１１の空間２０５部分で移動可能となっている。
【００３２】
さらに、ソレノイド２１２が励磁されると、筒状の中空部２１１を軸方向に向かう磁界が発生する。この磁界により可動子２０３は中空部２１１を図中左方向に電磁力を受ける。そして、その電磁力が右向きに付勢するスプリング２０４の弾性力および中空部２１１のガスと入口２０１のガスとの差圧を上回ったときに、可動子２０３が軸方向に左向きに移動し、可動弁体２０３Ａが弁座２０２から離間し、逆止弁２は開弁状態となる。
【００３３】
また、ソレノイド２１２への励磁がない状態では、通常は、可動子２０３は、スプリング２０４に付勢されてＯ−リング２０７を挟み込んだ状態で弁座２０２に押圧されている。なお、可動子２０３と弁座２０２とソレノイド２１２とを組み合わせた構成要素を可動弁ともいう。
【００３４】
図４は、本実施形態の逆止弁２のシール部分の概略構成を示す図である。この逆止弁２は、従来の逆止弁２Ａ（図１参照）と同様、可動子２０３の弁面２０３Ｃと弁座２０２との間にＯ−リング２０７を有している。逆止弁２が従来の逆止弁２Ａと相違するのは、水素タンク１１に通じる分岐通路Ｌ６に接続される孔路Ｌ７、Ｌ８が筐体２００内を貫通して設けられ、Ｏ−リング２０７の配置位置近傍で開口している点にある。
【００３５】
図５は、図４に示したＢ円付近の拡大図である。図５に示すように、孔路Ｌ７は、筐体２００内部を通り、Ｏ−リング２０７の近傍に延び、開口部Ｌ７ＡでＯ−リング２０７と可動子２０３の弁面２０３Ｃとの接触面に向かって開口している。
【００３６】
孔路Ｌ７は、図２に示した分岐通路Ｌ６によって遮断弁１３を介して水素タンク１１に接続される（孔路Ｌ７と遮断弁１３とが流体噴射手段に相当）。したがって、ＥＣＵ２０が遮断弁１３を開弁すると、孔路Ｌ７に高圧水素が供給され、開口部Ｌ７ＡからＯ−リング２０７と弁面２０３Ｃとの接触面の方向に高圧水素が吐出される（この処理を実行するＥＣＵ３が流体噴射制御手段に相当）。
【００３７】
なお、ＥＣＵ２０は、高圧水素吐出時に、ソレノイド２１２を励磁して可動子２０３を所定距離だけ開弁方向に強制的に移動する。その結果、弁面２０３ＣがＯ−リング２０７から所定距離だけ離間し、隙間が形成される。孔路Ｌ７の開口部Ｌ７Ａは、Ｏ−リング２０７と可動子２０３の弁面２０３Ｃとの接触面に向かって開口しているので、その隙間が形成されることで開口部Ｌ７Ａから吐出される水素がＯ−リング２０７に咬み込まれている異物を除去する確実性が増す。
【００３８】
図６に、ＥＣＵ２０による高圧水素供給制御および可動弁開閉制御のタイミングと、圧力センサ６Ａの圧力Ｐ１、および圧力センサ６Ｂの圧力Ｐ２の関係を示す。図６の最上段のグラフは、高圧水素の供給を制御する制御信号を、中段は可動子２０３と弁座２０２とによる可動弁を開閉する制御信号を、また、下段は、圧力Ｐ１、Ｐ２の変化を示している。
【００３９】
すでに説明したように、圧力センサ６Ａは、逆止弁２に対して水素供給通路Ｌ１に通じる通路Ｌ３に取り付けられており、通路Ｌ３側（逆止弁下流側）の圧力Ｐ１を検出する。また、圧力センサ６Ｂは、排出通路Ｌ５から分岐する通路Ｌ２に取り付けられており、通路Ｌ２側（逆止弁上流側）の圧力Ｐ２を検出する。
【００４０】
図２に示すように、通常の運転状態では、遮断弁１２が開弁され、低圧レギュレータ３を通して所定の圧力（例えば、２気圧）に減圧された水素が水素供給通路Ｌ１に供給される。この水素は、燃料電池本体１の水素極で一部消費され、一部は気液分離器５に通じる排出通路Ｌ８に排出される。排出通路Ｌ８内の排出ガスおよび気液分離器５で水分を除去された排出ガスが増加すると、ＥＣＵ２０は、水素ポンプ４により逆止弁２の上流側（図２の通路Ｌ２、Ｌ５側）に水素を含む排出ガスを供給する。一方、本実施形態では、気液分離器５を含む排出通路Ｌ８側の排出ガスが少ない状態（例えば、排出通路Ｌ８に接続される不図示の圧力センサの検出圧力が低い状態）では、ＥＣＵ２０は、水素ポンプ４を作動しない。
【００４１】
そのような気液分離器５を含む排出通路Ｌ８側に十分な排出ガスがない状態では、低圧レギュレータ３を介して所定供給圧力で水素が水素供給通路Ｌ１側に供給されるため、逆止弁２の下流側（通路Ｌ３側）の圧力Ｐ１の方が上流側（通路Ｌ２側）の圧力より高い。このような状態では、逆止弁２の中空部２１１が差圧室を構成し、中空部２１１内のガスがＯ−リング２０７とともに可動子２０３を弁座２０２方向に押圧することから、上流側に対する下流側の差圧が維持される。しかしながら、Ｏ−リング２０７と弁面２０３Ｃとの間に異物が咬み込まれた場合、その異物付近のシール性が劣化し、逆止弁２の下流側から上流側へのガス漏れが発生する。
【００４２】
図６の下段のグラフは、排出通路Ｌ８側に十分な排出ガスがない状態、すなわち、水素ポンプ４が停止状態での逆止弁２の下流側圧力Ｐ１と上流側圧力Ｐ２の検出結果の例を示す。このグラフに示すように、時刻Ｔ０に近い通常状態では逆止弁２の下流側圧力Ｐ１は、上流側圧力Ｐ２に比べて、所定値以上の圧力差を維持している。しかし、異物の咬み込みによりＯ−リング２０７のシール性が劣化すると、上流側圧力Ｐ２が下流側圧力Ｐ１に近づいていく。そして、例えば、時刻Ｔ１には、下流側圧力Ｐ１と上流側圧力Ｐ２との圧力差は、所定の閾値ΔＰｔｈ１以下となる。
【００４３】
本実施形態の燃料電池では、水素ポンプ４停止中に、下流側圧力Ｐ１と上流側圧力Ｐ２との圧力差が閾値ΔＰｔｈ１以下になると、ＥＣＵ２０は、異物除去処理を起動する。異物除去処理では、ＥＣＵ２０は、可動子２０３を所定距離だけ開弁方向に駆動する（図６中段）。なお、可動子２０３を開弁方向に駆動することを単に可動弁の開弁という。また、ＥＣＵ２０は、遮断弁１３を開弁し、分岐通路Ｌ６および孔路Ｌ７を通じて、開口部Ｌ７ＡからＯ−リング２０７に向けて高圧水素を吐出する。
【００４４】
所定時間経過後（時刻Ｔ２）、ＥＣＵ２０は、遮断弁１２を閉弁し、高圧水素の供給を停止するとともに、ソレノイド２１２への励磁を停止し、可動子２０３を弁座２０２に着座させ、再びＯ−リング２０７によりシールする。そして、さらに所定時間経過後（時刻Ｔ３）、ＥＣＵ２０は、下流側圧力Ｐ１と上流側圧力Ｐ２との圧力差を算出する。
【００４５】
その圧力差が所定の閾値ΔＰｔｈ２以上ある場合には、ＥＣＵ２０は異物が除去されたと判断し、通常運転に戻る。圧力差が所定の閾値ΔＰｔｈ２以上ない場合には、ＥＣＵ２０は、異物の除去が不十分と判断し、再度、ソレノイド２１２の励磁による可動弁の開弁と、高圧水素の吐出を実行する。
【００４６】
図７に、本実施形態においてＥＣＵ２０が実行する異物除去処理の手順を示す。ＥＣＵ２０は、所定の制御プログラムを実行し、図７に示した制御を実行する。この処理は、排出通路Ｌ８側に十分な排出ガスがない状態（水素ポンプ４停止中）に実行される。この処理では、ＥＣＵ２０は、まず、水素供給通路Ｌ１側（通路Ｌ３（第１の燃料ガス環流通路に相当）側、逆止弁２下流側）の圧力Ｐ１を検出する（Ｓ１）。
【００４７】
次に、ＥＣＵ２０は、排出通路Ｌ５側（通路Ｌ２（第２の燃料ガス環流通路に相当）側、逆止弁２上流側）の圧力Ｐ２を検出する（Ｓ２）。そして、ＥＣＵ２０は、Ｐ１とＰ２の圧力差が所定の閾値ΔＰｔｈ１を超えているか否かを判定する（Ｓ３）。
【００４８】
圧力差が閾値ΔＰｔｈ１を超えている場合には、ＥＣＵ２０は、処理を終了する。一方、圧力差が閾値ΔＰｔｈ１を超えていない場合には、ＥＣＵ２０は、逆止弁２の可動弁を開弁する（Ｓ５）。さらに、ＥＣＵ２０は、遮断弁１３を開弁し、高圧水素を開口部Ｌ７Ａから噴出させる（Ｓ６）。そして、ＥＣＵ２０は、所定の吐出期間高圧水素の噴出を維持し、その後、逆止弁２の可動弁を閉弁する（Ｓ７）。
【００４９】
次に、ＥＣＵ２０は、所定時間経過するのを待ち（Ｓ８）、水素供給通路Ｌ１側の圧力Ｐ１を検出する（Ｓ９）。また、ＥＣＵ２０は、排出通路Ｌ５側の圧力Ｐ２を検出する（Ｓ１０）。
【００５０】
そして、ＥＣＵ２０は、Ｐ１とＰ２の圧力差が所定の閾値ΔＰｔｈ２を超えているか否かを判定する（Ｓ１１）。閾値ΔＰｔｈ２としては、通常は、閾値ΔＰｔｈ１より大きい値が設定される。
【００５１】
そして、圧力差が所定の閾値ΔＰｔｈ２を超えている場合には、ＥＣＵ２０は、異物が除去されたと判断し、処理を終了する。一方、圧力差が所定の閾値ΔＰｔｈ２を超えていない場合には、ＥＣＵ２０は、制御をＳ５に戻し、再度、異物除去を実行する。
【００５２】
以上述べたように、本実施形態の燃料電池によれば、逆止弁２の下流側の圧力Ｐ１と上流側の圧力Ｐ２とを検出し、その差圧が十分ではない場合、逆止弁２の逆止性能が劣化していると判断する。そして、そのような場合には、逆止弁２のシール部を構成するＯ−リング２０７と可動子２０３の弁面２０３Ｃとの接触部付近に高圧水素を吐出し、異物除去を実行する。この場合、図６の中段あるいは図７のＳ５に示したように、逆止弁２の可動弁を所定値だけ開弁するようにしてもよい。そして、所定時間経過後、Ｐ１とＰ２との差圧が十分維持されると判断できた場合に、異物除去処理を終了する。一方、Ｐ１とＰ２との差圧が維持できないと判断できた場合に、異物除去を再度繰り返す。このような手順により、逆止弁２のシール部への異物咬み込みによる逆止性能の劣化状態から復旧することができる。
【００５３】
上述のように、本実施形態の燃料電池は、水素ポンプ４停止中に異物による逆止弁２のシール性の劣化を検出し、異物を除去した。しかし、一般には、異物除去は、このような手順には限定されない。例えば、上記と同様に、水素ポンプ４停止中に、逆止弁２下流側の圧力Ｐ１と逆止弁２上流側の圧力Ｐ２を測定し、その圧力差からシール性能の劣化を検知しておき、その後、水素ポンプ４の起動後に異物除去処理を実行する場合もある。
【００５４】
水素ポンプ４の駆動により水素ポンプ４の出力側にある逆止弁２上流側のガス圧力Ｐ２が増加し、逆止弁２上流側のガス圧力Ｐ１とスプリング２０４の弾性力との総和を超えた場合、可動弁が開弁し、逆止弁２の上流側から下流側に向かう順方向のガスの流れ発生する。このガスの流れにより異物を除去する効果を向上できる場合もある。
【００５５】
しかしながら、そのような手順を採った場合、水素ポンプ４から送り込まれるガスの流れにより、通路Ｌ３、Ｌ１および燃料電池本体１を流れる燃料ガスの速度が増加し、燃料本体１での燃料ガスの滞留時間が減少し、燃料電池本体１の発電効率の低下につながる可能性が生じる。
【００５６】
一方、本実施形態では、開口部Ｌ７Ａから高圧水素をシール部分に吐出することで異物を除去するため、敢えて水素ポンプ４を起動する必要がなく、異物除去処理とは独立して水素ポンプ４の起動と停止を制御できる。したがって、本実施形態の燃料電池では、燃料ガスである水素の燃料電池本体１での滞留時間を短縮してしまうことなく、逆止弁２のシール部分の異物を除去できる。
【００５７】
さらに、本実施形態の構成では、開口部Ｌ７Ａから局所的に高圧水素を噴射するので、水素ポンプ側から送り込まれる逆止弁２上流側からのガスの流れにより異物を除去する場合と比較して、通路Ｌ２および水素供給通路Ｌ１を通じて燃料電池本体１に供給される水素の流れの速度に対する影響が少ない（速度を速める影響が小さい）。したがって、燃料ガスである水素の燃料電池本体１での滞留時間を短縮してしまうことなく、逆止弁２のシール部分の異物を除去できる。
【００５８】
なお、上記実施形態では、異物除去処理実行時、一旦、逆止弁２の可動弁を開弁した状態で高圧水素を吐出する処理例を示した。しかし、本発明の実施は、このような処理には限定されない。すなわち、可動子２０３をＯ−リング２０７に押圧した状態で、高圧水素をシール部に吐出するようにしてもよい。燃料電池の排出ガスについては、気液分離器５で水分を除去した場合でも、通路Ｌ２、Ｌ５に排出される排出ガス中には、少量の水分が含まれるので、その水分による潤滑効果により、閉弁状態のシール部に高圧水素を吐出しても異物を除去することができるからである。
【００５９】
また、上記実施形態では、２つの圧力センサ６Ａ、６Ｂにより逆止弁２の下流側圧力Ｐ１、上流側圧力Ｐ２を検出して、その圧力差が所定の閾値を超えているか否かにより、シール部への異物付着の有無を判定した。しかし、このような構成に代えて、逆止弁２の下流側と上流側との差圧を検出する差圧計を用い、差圧が所定の閾値を超えているか否かにより、シール部への異物付着の有無、したがって、異物除去処理の要否を判定してもよい。
【００６０】
《第２実施形態》
以下、図８の図面を参照して本発明の第２実施形態に係る燃料電池を説明する。上記第１実施形態では、逆止弁２のシール性が劣化したときにシール部に高圧水素を吐出する燃料電池について説明した。上記第１実施形態では、水素ポンプ４停止中に、逆止弁２の下流側の圧力Ｐ１と上流側の圧力Ｐ２との圧力差により、シール性の劣化を検知した。
【００６１】
本実施形態では、水素ポンプ４が稼働中か否かに拘わらず逆止弁２のシール性の劣化を検知して異物除去処理を実行する燃料電池の例を説明する。本実施形態における他の構成要素および作用は第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。また、必要に応じて図１から図７の図面を参照する。
【００６２】
水素ポンプ４稼働中は、水素ポンプ４により吸い上げられるガスによって逆止弁２の上流側の圧力Ｐ２が時間とともに増加する。したがって、単純に逆止弁２の下流側の圧力Ｐ１と上流側の圧力Ｐ２との圧力差を検知しただけでは、圧力差の減少が水素ポンプ４の出力によるものか、シール性の劣化による下流側から上流側への漏れによるものかを判断できない場合がある。
【００６３】
そこで、本実施形態では、逆止弁２の上流側の圧力Ｐ２の測定値の履歴から圧力Ｐ２の単位時間当たりの変化率を算出し、変化率が所定の範囲であればシール性の劣化はないと判断する。すなわち、水素ポンプ４の排気量に起因する変化率よりも大きな変化率で、逆止弁２の上流側の圧力Ｐ２が変化する場合には、シール性の劣化があると推定できるから
である。
【００６４】
図８は、本実施形態におけるＥＣＵ２０の処理を示すフローチャートである。この処理では、ＥＣＵ２０は、まず、通路Ｌ２側、すなわち、逆止弁２上流側の圧力Ｐ２の実測値の履歴を参照する。このような実測値の履歴は、所定期間ＥＣＵ２０内の不図示のメモリに記録しておくものとする。そして、ＥＣＵ２０が、その測定値の履歴から圧力Ｐ２の単位時間当たりの変化率ΔＰ／ΔＴを算出する（Ｓ１Ａ）。
【００６５】
次に、ＥＣＵ２０は、圧力Ｐ２の単位時間当たりの変化率ΔＰ／ΔＴが所定の閾値Ｒｔｈより小さいか否かを判定する（Ｓ３Ａ）。ここで、閾値Ｒｔｈとしては、例えば、水素ポンプを停止した状態での燃料電池運転中の圧力Ｐ２の測定値の変化から実験的に求めておけばよい。また、水素ポンプ４稼働中は、上記実験的に求めた値にさらに水素ポンプ４の排気量に基づく圧力変化を加算した値を用いればよい。
【００６６】
変化率ΔＰ／ΔＴが所定の閾値Ｒｔｈより小さい場合には、ＥＣＵ２０は、シール性の劣化はないとして異物除去処理を終了する。一方、変化率ΔＰ／ΔＴが所定の閾値Ｒｔｈより大きい場合には、ＥＣＵ２０は、第１実施形態の場合と同様、Ｓ５からＳ８の処理を実行する。これらの手順は、第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
その後、ＥＣＵ２０は、再度通路Ｌ２側、すなわち、逆止弁２上流側の圧力Ｐ２の実測値の履歴を参照し、単位時間当たりの変化率ΔＰ／ΔＴを算出する（Ｓ９Ａ）。そして、ＥＣＵ２０は、圧力Ｐ２の単位時間当たりの変化率ΔＰ／ΔＴが所定の閾値Ｒｔｈより小さいか否かを再度判定する（Ｓ１１Ａ）。変化率ΔＰ／ΔＴが所定の閾値Ｒｔｈより小さい場合には、ＥＣＵ２０は、シール性の劣化が解消されたとして異物除去処理を終了する。一方、変化率ΔＰ／ΔＴが所定の閾値Ｒｔｈより大きい場合には、ＥＣＵ２０は、制御をＳ５に戻し、異物除去処理を繰り返す。
【００６８】
以上述べたように本実施形態の燃料電池によれば、水素ポンプ４が稼働中か否かに拘わらず、逆止弁２のシール性の劣化を検知し、Ｏ−リング２０７に咬み込まれた異物を除去することができる。
【００６９】
なお、本実施形態では、逆止弁２上流側の圧力Ｐ２の実測値の履歴を参照し、単位時間当たりの変化率ΔＰ／ΔＴを算出した。しかし、そのような手順に替えて、逆止弁２下流側の圧力Ｐ１の実測値の履歴を参照し、単位時間当たりの変化率ΔＰ／ΔＴを算出してもよい。その場合には、水素タンク１１からの水素供給流量と、燃料電池本体１に流入するガス流量（以下、ガス本体流入量という）を測定しておけばよい。そして、水素供給流量とガス本体流入量により圧力Ｐ１の実測値の変化量を補正して、単位時間当たりの変化率ΔＰ／ΔＴを算出すればよい。
【００７０】
また、遮断弁１２を閉弁して、水素供給がない状態で逆止弁２下流側の圧力Ｐ１を測定し、その変化率（減少率）が所定の閾値を超えたか否かによりシール性の劣化を判定してもよい。また、燃料電池本体１に流入する水素を遮断する不図示の入口弁を設けておき、その入口弁を閉弁した状態で逆止弁２下流側の圧力Ｐ１を測定し、その変化率（減少率）が所定の閾値を超えたか否かによりシール性の劣化を判定してもよい。
【００７１】
上記第１実施形態および第２実施形態のいずれにおいても、圧力センサ６Ａ、６Ｂ等の検出圧力値からシール性の劣化を検知し、異物除去処理を実行した。しかし、本発明の実施は、このような手順に限定されるものではなく、シール性の劣化とは無関係に異物除去処理を実行してもよい。例えば、ＥＣＵ２０が所定のインターバルで図７または図８に示したＳ６のステップ、または、Ｓ５からＳ７までのステップを実行すればよい。
【００７２】
《第３実施形態》
以下、図９の図面を参照して本発明の第３実施形態に係る燃料電池を説明する。上記第１実施形態または第２実施形態では、逆止弁２のシール性が劣化したときにシール部に高圧水素を吐出する燃料電池について説明した。本実施形態では、そのような場合に、高圧水素とともに、気液分離器５で排出ガスから分離された水を吐出する燃料電池について説明する。本実施形態における他の構成要素および作用は第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。また、必要に応じて図１から図７の図面を参照する。
【００７３】
図９は、第３実施形態に係る燃料電池のシステム構成図である。この燃料電池は、逆止弁２の孔路Ｌ７に接続される分岐通路Ｌ６上にノズル１４（流体混合部に相当）が設けられている。ノズル１４は、高圧水素が通過するガス通路と水が導入される液体通路とがＴ字状に接続される接続部を有する。ノズル１４のガス通路に高圧水素を通過させると液体通路部分に負圧が発生し、液体通路内の水がガス通路内に吸い上げられ、高圧水素と混合される。そして、水と高圧水素とが混合された流体が逆止弁２の孔路Ｌ７（図４、図５参照）に排出され、開口部Ｌ７ＡからＯ−リング２０７と弁面２０３Ｃのなすシール部に吐出される。ノズル１４の液体通路は、図８に示すように、気液分離器５の水排出側（水貯蔵部に通じる開口部）に液体通路Ｌ１０により接続すればよい。
【００７４】
このような構成の燃料電池において、図６、図７に示したような異物除去処理を実行することで、第１実施形態の場合と同様と、シール部の異物を除去できる。さらに、本実施形態の構成では、高圧水素とともに水を吐出するため、異物除去の効果をさらに高めることができる。また、第１実施形態の図６の中段、あるいは、図７のＳ５に示したように、必ずしも可動弁を開弁する必要はない。すなわち、液滴による潤滑効果により、可動子２０３がＯ−リング２０７を押圧した状態でも、効率よく異物を除去できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】従来の逆止弁のシール部分の概略構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池のシステム構成図である。
【図３】第１実施形態に係る逆止弁の構造の概要を示す概略断面図である。
【図４】第１実施形態に係る逆止弁のシール部分の概略構成を示す図である。
【図５】シール部分の拡大図
【図６】高圧水素供給制御および可動弁開閉制御のタイミングと、圧力センサの検出値との関係を示す図である。
【図７】第１実施形態に係る異物除去処理の手順を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態に係る異物除去処理の手順を示すフローチャートである。
【図９】第３実施形態に係る燃料電池のシステム構成図である。
【符号の説明】
【００７６】
１  燃料電池本体
２  逆止弁
３  低圧レギュレータ
４  水素ポンプ
５  気液分離器
６Ａ、６Ｂ  圧力センサ
７  排出弁
８  オートドレイン弁
１１  水素タンク
１２、１３  遮断弁
１４  ノズル
Ｌ１  水素供給通路
Ｌ２、Ｌ３、Ｌ５  通路
Ｌ６  分岐通路
Ｌ８  排出通路
【図１】
2006049092.tif 000003
【図２】
2006049092.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006049092.tif 000006
【図５】
2006049092.tif 000007
【図６】
2006049092.tif 000008
【図７】
2006049092.tif 000009
【図８】
2006049092.tif 000010
【図９】
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