(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池システムの始動初期に燃料電池スタックに注入された水素を外部空で希釈して、規制値以下の濃度で排出させることができる、燃料電池システム用空気バルブ装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム用空気バルブ装置は、燃料電池スタックのカソードに接続され燃料電池スタックへ注入される空気が流動する入口側空気通路１１及び燃料電池スタックから排出される空気が流動する出口側空気通路１３が形成されたバルブボディー１０と、前記入口側空気通路及び前記出口側空気通路を連通させてバイパス空気通路２１が形成されたバイパスボディー２０と、一面で前記入口側空気通路及び前記出口側空気通路を開閉し、且つ、他面で前記バイパス空気通路を開閉するために前記バルブボディーに回動自在に設置されたバルブフラップ３０と、を含む。【選択図】図６
2018098170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのカソードに接続され、燃料電池スタックへ注入される空気が流動する入口側空気通路及び燃料電池スタックから排出される空気が流動する出口側空気通路が形成されたバルブボディーと、
前記入口側空気通路及び前記出口側空気通路を連通させてバイパス空気通路が形成されたバイパスボディーと、
一面で前記入口側空気通路及び前記出口側空気通路を開閉し、且つ他面で前記バイパス空気通路を開閉するために、前記バルブボディーに回動自在に設置されたバルブフラップと、
を含んでなることを特徴とする燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項２】
前記バイパスボディーは、前記バルブフラップを基準に、燃料電池スタックへ注入される空気が流入する方向で前記入口側空気通路と前記出口側空気通路に連通することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項３】
前記バルブボディーに設置されたバルブモーターと、
前記バルブボディーに軸回転可能に設置されて前記バルブモーターの作動に連動し、前記バルブフラップが固定されるように結合されたバルブシャフトと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項４】
前記バルブフラップは、
一面で前記入口側空気通路と前記出口側空気通路とをそれぞれ開閉し、
他面で前記バイパス空気通路を開閉することができるように複数個から構成され、
それぞれの前記バルブフラップは、
前記バルブシャフトに結合されたバルブプレートと、前記バルブプレートをカバーリングするゴム材質のプレートカバーと、から構成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項５】
前記バルブフラップの他面に該当するプレートカバーには、前記バイパスボディーの隔壁と接触して前記バイパス空気通路を取り囲む第１シール突起が一体に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項６】
前記第１シール突起には、前記バイパスボディーの隔壁と接触する領域のうちの一部に、少なくとも一つのシール溝が形成されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項７】
前記バルブフラップの一面に該当するプレートカバーには、前記バルブボディーの隔壁と接触して前記入口側空気通路と前記出口側空気通路とを取り囲む第２シール突起が一体に形成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項８】
前記バルブボディーは、前記バルブフラップが回転可能に設置され、外形的形状をなすメインボディーと、前記バルブフラップの密閉時にバルブフラップと接触し、燃料電池スタックに面着されるサブボディーと、から構成され、
前記バイパスボディーは、前記メインボディーに結合されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項９】
前記サブボディー及び前記バイパスボディーは、気密性能の向上のために、前記メインボディーよりも粗度が高いことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項１０】
前記サブボディー及び前記バイパスボディーは、前記バルブフラップによる破損を防止することができるように、前記メインボディーよりも硬度が高いことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項１１】
前記バルブボディーは、前記バルブフラップが回転可能に設置され、外形的形状をなすメインボディーと、前記バルブフラップの密閉時にバルブフラップと接触し燃料電池スタックに面着されるサブボディーと、から構成され、
前記バイパスボディーは、前記メインボディーに一体に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム用空気バルブ装置。
【請求項１２】
燃料電池システム用空気バルブ装置の制御方法であって、
燃料電池スタックへ供給される空気がカソード側へ注入されるのを遮断し、水素が燃料電池スタックのアノード側へ注入されるのを遮断する始動停止段階と、
燃料電池スタックへ供給される空気をカソード側へ注入せずにバイパスさせて排出させ、水素を燃料電池スタックのアノード側へ注入する始動第１段階と、
燃料電池スタックへ供給される空気の一部をカソード側へ注入しながら、燃料電池スタックへ供給される空気の他の一部をバイパスさせて排出させ、燃料電池スタック内の水素をバイパスされる空気に希釈して排出させる始動第２段階と、
燃料電池スタックへ供給される空気からバイパスされて排出される空気を遮断しながら、空気をカソード側へ注入する運転段階とを含んでなることを特徴とする燃料電池システム用空気バルブ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム用空気バルブ装置及びその制御方法に係り、より詳しくは、燃料電池システムの始動初期に燃料電池スタックに注入された水素を外部空気で希釈して排出させることができる、燃料電池システム用空気バルブ装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、空気中の酸素と燃料である水素との化学反応によって電気と水を発生させる装置であり、水素燃料電池車両は、燃料電池システムで発生した電気を駆動源として使用する車両である。
燃料電池システムには、電気エネルギーを生成する燃料電池スタックが含まれて構成され、前記燃料電池スタックは、空気が供給されるカソード（ｃａｔｈｏｄｅ、空気極、酸素極、還元極）、水素が供給されるアノード（ａｎｏｄｅ、燃料極、水素極、酸化極）、及びカソードとアノードとの間の電解質膜を含む。
【０００３】
燃料電池システムが運転中であるとき、外部空気はフィルター、ブロワー及び膜加湿器を通過しながら湿気の含有された加湿空気になり、燃料電池スタックのカソード側には加湿空気が供給される。  燃料電池スタックのアノード側に供給された水素は、触媒により水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分離され、これらのうち水素イオンのみが電解質膜を通過してカソードへ伝達されるとともに、電子は導体である気体拡散層と分離板とを介してカソードへ伝達される。
【０００４】
前記カソードでは、電解質膜を介して供給された水素イオン、分離板を介して伝達された電子、及び空気中の酸素が出会って水を生成し、この際、水素イオンの移動に起因して、外部導線を通じた電子の流れが発生することにより電気が生成される。
従って、燃料電池システムは、運転中であるとき膜加湿器を通過した加湿空気が燃料電池スタックのカソード側へ供給されるべきであり、燃料電池システムの運転が終了するときカソード側への加湿空気の流入が遮断されるべきであるので、このために、燃料電池スタックのカソード側に、空気の流れを制御する空気バルブ装置が装着される。
【０００５】
前記空気バルブ装置は、カソード側へ連結される入口側及び出口側の空気通路に設置され、燃料電池システムの停止時にカソード側への加湿空気の流入を完全に遮断してこそ、燃料電池スタックの耐久性を確保することができる。
一方、水素燃料電池車両を運行するために始動をかけると、水素がアノード側に注入され、次いで空気圧縮機が駆動して空気がカソード側へ注入される。この際、燃料電池スタックの内部にパージされた水素が空気と十分に希釈されず、注入圧力によって出口側の空気通路まで流出する現象が発生する。これにより、出口側の空気通路を介して排出される排出ガス中の水素濃度が一時的に上昇して法規を満たさなくなる現象が発生した。
【０００６】
上記の背景技術として説明した事項は、本発明の背景に対する理解増進のためのものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者に既に知られている従来技術に該当することを認めるものと受け入れられてはならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１５７４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、燃料電池システムの始動初期に燃料電池スタックに注入された水素を、外部空気と希釈して排出させることができる、燃料電池システム用空気バルブ装置及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム用空気バルブ装置は、燃料電池スタックのカソードに接続され、燃料電池スタックへ注入される空気が流動する入口側空気通路、及び燃料電池スタックから排出される空気が流動する出口側空気通路が形成されたバルブボディーと、前記入口側空気通路と前記出口側空気通路とを連通させてバイパス空気通路が形成されたバイパスボディーと、一面で前記入口側空気通路と前記出口側空気通路を開閉し、且つ他面で前記バイパス空気通路を開閉するために、バルブボディーに回動自在に設置されたバルブフラップと、を含んでなる。
【００１０】
前記バイパスボディーは、前記バルブフラップを基準に、燃料電池スタックへ注入される空気が流入する方向で前記入口側空気通路と前記出口側空気通路に連通することを特徴とする。
前記バルブボディーに設置されたバルブモーターと、前記バルブボディーに軸回転可能に設置されて前記バルブモーターの作動に連動し、前記バルブフラップが固定されるように結合されたバルブシャフトと、を更に含む。
【００１１】
前記バルブフラップは、一面で前記入口側空気通路と前記出口側空気通路をそれぞれ開閉し、他面で前記バイパス空気通路を開閉することができるように複数個から構成され、それぞれのバルブフラップは、バルブシャフトに結合されたバルブプレートと、前記バルブプレートをカバーリングするゴム材質のプレートカバーとから構成されることを特徴とする。
【００１２】
前記バルブフラップの他面に該当するプレートカバーには、バイパスボディーの隔壁と接触して前記バイパス空気通路を取り囲む第１シール突起が一体に形成されることを特徴とする。
前記第１シール突起には、前記バイパスボディーの隔壁と接触する領域のうちの一部に少なくとも一つのシール溝が形成されることを特徴とする。
【００１３】
前記バルブフラップの一面に該当するプレートカバーには、バルブボディーの隔壁と接触して前記入口側空気通路と前記出口側空気通路を取り囲む第２シール突起が一体に形成されることを特徴とする。
前記バルブボディーは、前記バルブフラップが回転可能に設置され、外形的形状をなすメインボディーと、前記バルブフラップの密閉時にバルブフラップと接触し、燃料電池スタックに面着されるサブボディーとから構成され、前記バイパスボディーは、前記メインボディーに結合されることを特徴とする。
【００１４】
前記サブボディー及び前記バイパスボディーは、気密性能の向上のためにメインボディーよりも粗度が高いことを特徴とする。
前記サブボディー及び前記バイパスボディーは、バルブフラップによる破損を防止することができるように、メインボディーよりも硬度が高いことを特徴とする。
【００１５】
前記バルブボディーは、前記バルブフラップが回転可能に設置され、外形的形状をなすメインボディーと、前記バルブフラップの密閉時にバルブフラップと接触し、燃料電池スタックに面着されるサブボディーとから構成され、前記バイパスボディーは、前記メインボディーに一体に形成できる。
【００１６】
一方、本発明が一実施形態に係る燃料電池システム用空気バルブ装置の制御方法は、燃料電池スタックへ供給される空気がカソード側へ注入されることを遮断し、水素が燃料電池スタックのアノード側へ注入されることを遮断する始動停止段階と、燃料電池スタックへ供給される空気をカソード側へ注入せずにバイパスさせて排出させ、水素を燃料電池スタックのアノード側へ注入する始動第１段階と、燃料電池スタックへ供給される空気の一部をカソード側へ注入しながら、燃料電池スタックへ供給される空気の他の一部をバイパスさせて排出させ、燃料電池スタック内の水素をバイパスされる空気に希釈して排出させる始動第２段階と、燃料電池スタックへ供給される空気からバイパスされて排出される空気を遮断しながら、空気をカソード側へ注入する運転段階とを含んでなる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の実施形態によれば、本発明の燃料電池システム用空気バルブ装置は、入口側空気通路及び出口側空気通路が連通されてバイパス空気通路が形成されたバイパスボディーと、回動動作によって入口側空気通路及び出口側空気通路と共にバイパス空気通路を選択的に開閉することができるバルブフラップと、を備え、その動作を制御することにより、始動初期に燃料電池スタックに注入された水素をバイパスさせた外部空気によって希釈して排出することができるため、排出されるガスの水素濃度を下げることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置が適用される燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置を示す平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った空気バルブ装置を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るバルブフラップを示す要部斜視図及び断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置の要部を示す要部断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置の作動状態を示す作動状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態をより詳細に説明する。
しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現できる。但し、本実施形態は、本発明の開示を完全たるものにし且つ通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に教えるために提供されるものである。図面上において、同一の符号は同一の要素を指す。
【００２０】
まず、本発明を説明するために、本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置が適用される燃料電池システムについて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置が適用された燃料電池システムを示す構成図である。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池システムは、外部空気を燃料電池スタックへ注入するためにフィルター１、空気圧縮機２、膜加湿器３、及び空気バルブ装置４が順次接続され、空気バルブ装置４が燃料電池スタック８に接続される。この際、燃料電池スタックは、空気が供給されるカソード５、水素が供給されるアノード７、及びカソード５とアノード７の間に設けられた電解質膜６を含む。
【００２２】
また、空気バルブ装置４には、燃料電池スタック８からの排出ガスが排気される排気ダクト９が接続される。
従って、外部空気は、フィルター１、空気圧縮機２及び膜加湿器３を順次通過しながら湿気を含有した加湿空気となり、空気バルブ装置４を介して選択的に燃料電池スタック８のカソード５側へ供給されるか、或いは排気ダクト９へバイパスされて排気される。
一方、水素は、燃料電池スタック８のアノード７側へ供給されその一部が空気バルブ装置４の作動によって、排気ダクト９を介して外部に排気される。
【００２３】
次に、本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置を説明する。
図２は本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置を示す斜視図であり、図３は本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置を示す平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ線に沿った空気バルブ装置を示す断面図であり、図５は本発明の一実施形態に係るバルブフラップを示す要部斜視図及び断面図であり、図６は本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置の要部を示す要部断面図である。また、図７は本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置の作動状態を示す作動状態図である。
【００２４】
図２〜７に示すように、本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置４は、燃料電池スタック８のカソード５に接続される入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３が形成されたバルブボディー１０と、バイパス空気通路２１が形成されたバイパスボディー２０と、前記入口側空気通路１１、出口側空気通路１３、及びバイパス空気通路２１の開閉のためにバルブボディー１０に回動自在に設置されたバルブフラップ３０と、を含んでなる。
【００２５】
本実施形態に係る空気バルブ装置４は、バタフライ型のバルブ装置であって、ソレノイド型に比べてコストが低いという利点がある。
前記バルブボディー１０には、燃料電池スタック８のカソード５側に接続され、燃料電池スタック８へ注入される空気が流動する入口側空気通路１１、及び燃料電池スタック８から排出される空気が流動する出口側空気通路１３が形成される。前記入口側空気通路１１と前記出口側空気通路１３とは一つのバルブボディー１０に形成されるので、バルブ装置の個数及び全体サイズの縮小を図ることができると共に、コストダウンを図ることができる。
【００２６】
一方、前記バルブボディー１０は、バルブフラップ３０が回転可能に設置されるものであって、バルブ装置の外形的形状をなすメインボディー１０ａと、前記バルブフラップ３０の密閉時にバルブフラップ３０と接触するサブボディー１０ｂと、から構成される。前記メインボディー１０ａと前記サブボディー１０ｂとは、互いに分離可能に結合された構造を持つ。
【００２７】
この際、前記サブボディー１０ｂは、メインボディー１０ａよりも高い粗度及び硬度を有することを特徴とする。
つまり、前記メインボディー１０ａは、軽量化のためにアルミダイキャストで製作され、前記サブボディー１０ｂは、メインボディー１０ａよりも高い粗度及び硬度の確保のためにステンレス鋼で製作されるか、或いはアルミニウムハードアノダイジング（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）処理して製作される。
【００２８】
前記サブボディー１０ｂは、バルブフラップ３０との気密性能の向上（漏洩防止）のために、メインボディー１０ａよりも高い粗度を有することを特徴とする。
バルブフラップ３０と直接接触するサブボディー１０ｂは、バルブフラップ３０の密閉時に入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３の気密性能を決定する重要な構成要素であって、前記サブボディー１０ｂをメインボディー１０ａと同様にアルミダイカストのみで製作すると、入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３の粗度管理が容易でないために、入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３の気密保持性能が低くなるという欠点が発生する。
【００２９】
よって、本実施形態では、その欠点を予防するために、サブボディー１０ｂをステンレス鋼で製作するか、或いはアルミニウムハードアノダイジング（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）で後処理して製作することにより、サブボディー１０ｂがメインボディー１０ａよりも高い粗度を確保することができるようにする。
【００３０】
また、前記サブボディー１０ｂは、バルブフラップ３０による破損を防止することができるように、メインボディー１０ａよりも高い硬度を有することを特徴とする。
バルブボディー１０におけるバルブフラップ３０との直接接触部位（入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３が形成された部位）は、冬季は空気に含有された湿気によって氷結が発生し、氷結が発生すると、バルブフラップ３０との接触時に微細な破損が発生するという欠点がある。
【００３１】
よって、本実施形態では、このような欠点を予防するために、サブボディー１０ｂをステンレス鋼で製作するか或いはアルミニウムハードアノダイジング（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）で後処理して製作することにより、サブボディー１０ｂがメインボディー１０ａよりも高い硬度を確保することができるようにしたのである。
【００３２】
前記バイパスボディー２０は、前記メインボディー１０ａに結合され、その内部に前記入口側空気通路１１と出口側空気通路１３とを連通させるバイパス空気通路２１が形成される。それ故に、外部から入口側空気通路１１を介して供給される空気が、バルブフラップ３０の回動によって、選択的に、燃料電池スタック８のカソード５側へ供給されることなくバイパス空気通路２１を介して出口側空気通路１３へ直接に流出（バイパス）して排気できるようにする。このために、前記バイパスボディー２０は、入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３のうち、バルブフラップ３０を基準に外部空気が流入する側に配置されることが好ましい。
前記バイパスボディー２０は、サブボディー１０ｂと同様に、メインボディー１０ａよりも高い粗度及び硬度を有することが好ましい。
【００３３】
一方、前述した実施形態のようにバイパスボディー２０をメインボディー１０ａに結合するのではなく、バイパスボディー２０とメインボディー１０ａとを一体に形成することができる。
【００３４】
前記バルブフラップ３０は、一面で前記入口側空気通路１１と出口側空気通路１３とを開閉し、他面で前記バイパス空気通路２１、正確には、入口側空気通路１１に連通する部分のバイパス空気通路２１と、出口側空気通路１３に連通する部分のバイパス空気通路２１と、をそれぞれ独立して同時に開閉させることができるように複数個から構成される。
即ち、前記複数個のバルブフラップ３０は、入口側空気通路１１と出口側空気通路１３とを同時に開閉させるか、或いは、入口側空気通路１１に連通する部分のバイパス空気通路２１と出口側空気通路１３に連通する部分のバイパス空気通路２１とを同時に開閉させるように構成される。
【００３５】
また、本発明に係る空気バルブ装置４は、前記メインボディー１０ａに設置されたバルブモーター４０、前記メインボディー１０ａに軸回転可能に設置され、複数個のバルブフラップ３０が固定されるように結合されたバルブシャフト５０、及び前記バルブモーター４０とバルブシャフト５０とを接続してバルブモーター４０の動力をバルブシャフト５０へ伝達するバルブギア６０を更に含む。
【００３６】
前記バルブシャフト５０は、メインボディー１０ａ内に設置されるが、空気の流動抵抗を無くすために、入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３の外部に位置するように設置される。また、前記バルブフラップ３０は、バルブシャフト５０の回転時に、サブボディー１０ｂに形成された入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３の端部、並びに入口側空気通路１１に連通する部分のバイパス空気通路２１及び出口側空気通路１３に連通する部分のバイパス空気通路２１の端部の両方の端部を完全に覆う形態で備えられる。
【００３７】
よって、バルブシャフト５０の回転動作によりバルブフラップ３０が回動して入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３を密閉させるか、或いはバイパス空気通路２１を密閉させる。もちろん、バルブシャフト５０の回転動作によって入口側空気通路１１、出口側空気通路１３、及びバイパス空気通路２１をすべて開放することもできる。
【００３８】
前記バルブフラップ３０は、バルブシャフト５０に結合されたスチールまたはプラスチック材質のバルブプレート３１と、前記バルブプレート３１をカバーし、、サブボディー１０ｂとの接触時に騒音及び衝撃を吸収し、空気通路１１、１３、２１との気密性を向上させるゴム材質のプレートカバー３２と、から構成される。
【００３９】
特に、プレートカバー３２は、サブボディー１０ｂに形成される入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３の端部、並びに入口側空気通路１１に連通する部分のバイパス空気通路２１及び出口側空気通路１３に連通する部分のバイパス空気通路２１の端部の両方の端部を密閉させて閉状態を維持し、且つ燃料電池システムが要求する気密性能も確保しなければならない。
【００４０】
このため、前記バルブフラップ３０の他面に該当するプレートカバー３２には、バイパスボディー２０の隔壁と接触して前記バイパス空気通路２１を取り囲む第１シール突起３２ａが一体に形成される。
前記バルブフラップ３０の一面に該当するプレートカバー３２には、バルブボディー１０の隔壁と接触して前記入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３を取り囲む第２シール突起３２ｂが一体に形成される。
【００４１】
よって、バルブフラップ３０がバイパス空気通路２１を密閉させる間には、第１シール突起３２ａによって気密性が向上し、バルブフラップ３０が入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３を密閉させる間には、第２シール突起３２ｂによって気密性が向上する。
【００４２】
一方、前記第１シール突起３２ａには、前記バイパスボディー２０の隔壁と接触する領域のうちの一部に少なくとも一つのシール溝３２ｃが形成される。よって、バルブフラップ３０がバイパス空気通路２１を密閉させる間には、高圧の空気が第１シール突起３２ａの周辺に流入してシール溝３２ｃを通過しながら、第１シール突起３２ａを加圧して第１シール突起３２ａとバイパスボディー２０の隔壁との接触面における押し付け量を増加させて気密性能を更に向上させる。
【００４３】
次に、前述のように構成された空気バルブ装置を、燃料電池システムの作動時に制御する方法について、図面を参照して説明する。
図７は本発明の一実施形態に係る空気バルブ装置の作動状態を示す作動状態図である。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム用空気バルブ装置の制御方法は、始動停止段階、始動第１段階、始動第２段階及び運転段階に大別される。
【００４４】
ここで、停止段階は、バルブフラップ３０が入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３を遮断している状態（図７の「Ａ」の位置）であって、外部空気が燃料電池スタック８のカソード５側へ注入されるのが遮断される。もちろん、空気圧縮機２も作動しない状態であり、水素が燃料電池スタック８のアノード７側へ注入されるのも遮断される。
【００４５】
また、始動第１段階は、バルブフラップ３０が入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３の双方を遮断している状態で、空気圧縮機２を駆動して、外部空気をバイパス空気通路２１へ供給して流動（バイパス）するようにする。この際、水素を燃料電池スタック８のアノード７側へ注入して燃料電池スタック８の内部を水素でパージする。
【００４６】
そして、始動第２段階では、バルブフラップ３０が所定角度回動して入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３と共にバイパス空気通路２１を開放した状態（図７の「Ｂ」の位置）であって、燃料電池スタック８とバイパス空気通路２１へ同時に空気が供給される。すると、燃料電池スタック８の内部にパージされた水素が出口側空気通路１３を介して排出されながら、バイパス空気通路２１へ流動する空気と混合されて水素の濃度が希釈された状態で排気される。これにより、始動初期に排気されるガスの水素濃度を下げることができるという効果がある。
【００４７】
更に、運転段階は、バルブフラップ３０を回動して入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３を完全に開放しながらバイパス空気通路２１を遮断している状態（図７の「Ｃ」の位置）であって、空気が入口側空気通路１１及び出口側空気通路１３へ流動し、バイパス空気通路２１へ流動するのが遮断される。
【００４８】
次に、比較例及び実施例によって本発明の効果を説明する。
比較例は、始動初期に空気のバイパスが適用されていない一般な燃料電池システムの運転モデルであり、実施例は、始動初期に空気のバイパスを適用した本発明に係る燃料電池システムの運転モデルである。以下に、比較例及び実施例の駆動の際に空気圧縮機の駆動程度（回転数  ｒｐｍ）に応じて排出される水素濃度を測定し、その結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
2018098170.tif 000003
【００５０】
表１から分かるように、実施例の場合、空気圧縮機の回転数が３５ｒｐｍ以上であれば水素ピーク（ｐｅａｋ）濃度が３．３〜３．１％（法令が規定する水素ピーク濃度４％以下を満足する）であることを確認した。
これに対し、比較例の場合、空気圧縮機を用いた過給時（回転数４０ｒｐｍ）にのみ水素ピーク濃度が４％以下を満足する。（消耗動力の増加、燃費低下）
【００５１】
本発明を添付図面及び前述した好適な実施形態を参照して説明したが、本発明は、それに限定されず、後述する特許請求の範囲によって限定される。従って、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、後述する特許請求の範囲の技術的思想を逸脱することなく、本発明を多様に変更及び修正することができる。
【符号の説明】
【００５２】
４    空気バルブ装置
１０    バルブボディー
１１    入口側空気通路
１３    出口側空気通路
２０    バイパスボディー
２１    バイパス空気通路
３０    バルブフラップ
４０    バルブモーター
５０    バルブシャフト
【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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【図７】
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