(57)【要約】【課題】  燃料電池起動時の遮断弁の開弁をしやすくする燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム（１０）は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池（１３）と、燃料電池（１３）に酸化剤ガスを供給する空気入口遮断弁（４０）と燃料電池（１３）から排出される酸化剤ガスを排出する空気出口遮断弁（６０）とを備える。空気入口遮断弁（４０）の駆動源は、空気圧縮機（１４）として、燃料電池（１３）の起動時に、最初に空気出口遮断弁（６０）を開状態にした後、空気入口遮断弁（４０）の開動作を行う。【選択図】  図１
2011210676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料電池に酸化剤ガスを供給する空気入口遮断弁と、
燃料電池から排出される酸化剤ガスを排出する空気出口遮断弁と、
を備える燃料電池システムにおいて、
燃料電池起動時に空気出口遮断弁を開にした後、空気入口遮断弁の開動作を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気入口遮断弁および前記空気出口遮断弁は弁座と、
弁座に当接して酸化剤ガスのシールを行う弁体と、
弁体を駆動するダイヤフラムと、
弁体を閉弁に付勢するバネとを備えたノーマルクローズ型のダイヤフラム式バルブであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気入口遮断弁と前記空気出口遮断弁は、駆動源である酸化剤ガスを供給する空気圧縮機により受圧室に酸化剤ガスを流すことによりバルブを開き、酸化剤ガスの供給が停止するとバルブは前記バネの付勢力により閉状態になることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気出口遮断弁は、酸化剤ガスの供給源から酸化剤ガスが直接供給され、開弁動作側圧力室に連通して開弁を行うためのポートを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気出口遮断弁のダイヤフラム径は、前記空気入口遮断弁のダイヤフラム径と同等以上、且つ前記空気出口遮断弁のバネ定数は、前記空気入口遮断弁のバネ定数より小さい事を特徴とす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、遮断弁およびその遮断弁を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置（以下、燃料電池と称す）は、水素と酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する
発電装置である。かかる燃料電池発には、電解質膜と、これを挟持するアノード電
極及びカソード電極からなる単電池を複数積層した燃料電池本体が使用されている。そ
して、水素含有ガスをアノード電極に供給すると共に、空気などの酸素含有ガスをカソー
ド電極に供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して発電している。水素含有ガスと
しては、天然ガスなどの炭化水素を含む原燃料を水蒸気改質して得られる改質ガスなどが
使用されており、酸素含有ガスとしては空気などが使用されている。そして、付設したイ
ンバータ等で得られる直流電流を交流電流に変換して電力を回収している。
【０００３】
このような燃料電池において、運転を停止した際には、酸化剤極側の酸化剤供給流路中
に酸化剤ガスである空気が残留しており、燃料極側の燃料供給流路中には燃料ガスである
水素が残留した状態となっている。一方、停止中の燃料電池内では、燃料ガスである水素
がイオン交換膜を通って酸化剤極に移動し、逆に酸化剤ガスである空気中の酸素がイオン
交換膜を通って燃料極に移動するクロスリークが発生する。このクロスリークが発生すると、発電反応とは違う化学反応によって水素と酸素が結合して水が生成される。クロスリークによる水素と酸素の反応は、空気中の酸素が消費されてしまうと停止するものであるが、燃料電池の停止中に酸化剤供給流路に新たな空気が流れこむと、上記のクロスリークによる反応が継続して発生してしまう。すると、燃料電池内の酸化剤極と燃料極の電位の上昇によって燃料極と酸化剤極に含まれている触媒が劣化して触媒性能が低下し、燃料電池の性能低下につながってしまう。これを防止するために、特許文献１では、燃料電池の酸化剤供給口と排出口に電力で駆動するノーマルクローズ型の遮断弁を設けることにより、電力供給が断たれれば、前記燃料電池への空気（酸素）の流入を防止できるようにしている。特許文献２では、酸化剤供給口と排出口に電力で駆動するノーマルオープン型の遮断弁を設け、供給される駆動源によって遮断弁の開閉動作を行い、前記燃料電池への空気（酸素）の流入を防止できるようにしている。
【０００４】
また、燃料電池停止時に遮断弁を閉じることにより燃料電池内は残留した空気と水素が反応することにより、燃料電池内の酸化剤ガス流路は負圧となる。このため、起動時に遮断弁を開ける時、大きな駆動力が必要となる。このため、特許文献２では、酸化剤排出口の遮断弁と酸化剤ガス流路の間に燃料電池内の酸化剤ガス流路は負圧を大気圧に開放する大気開放弁を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２２１８３６号公報
【特許文献２】特開２００８−２６９８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２のように燃料電池の酸化剤供給口と排出口に電磁式の遮断弁を設けると、複雑で大掛かりとなってしまう。また、発電した電気をこの制御のために消費してしまう問題もある。特許文献２のように、燃料電池内の酸化剤ガス流路の負圧を解除するために、酸化剤排出口の遮断弁と酸化剤ガス流路の間に電磁式の大気開放弁を設けると、制御装置が必要となる。又、この制御のために蓄電池の電気を消費してしまう問題もある。
【０００７】
そこで、本発明は電磁式の弁を用いることなく、起動時の遮断弁の開弁性向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する空気入口遮断弁と、燃料電池から排出される酸化剤ガスを排出する空気出口遮断弁を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池起動時に空気出口遮断弁を先に開き、次に空気入口遮断弁を開く構成とした。
【０００９】
この場合は、空気入口遮断弁および空気出口遮断弁は、弁座と、弁座に当接して酸化剤ガスのシールを行う弁体と、弁体を駆動するダイヤフラムと、弁体を閉弁に付勢するバネとを備えたノーマルクローズ型のダイヤフラム式バルブであると良い。
【００１０】
また、空気入口遮断弁と空気出口遮断弁は、駆動源である酸化剤ガスを供給する空気圧縮機により受圧室に酸化剤ガスを流すことによりバルブを開き、酸化剤ガスの供給が停止するとバルブは前記バネの付勢力により閉状態になると良い。
【００１１】
また、空気出口遮断弁は、空気入口遮断弁よりも先に開弁を行うための酸化剤ガスの供給源から酸化剤ガスが直接供給されるポートを開弁動作側圧力室に備えていると良い。
【００１２】
また、空気出口遮断弁のダイヤフラム径は、空気入口遮断弁のダイヤフラム径と同等以上、且つ空気出口遮断弁のバネ定数は、空気入口遮断弁のバネ定数より小さいと良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の空気遮断弁は空気で駆動できるので、複雑な制御装置は不要である。起動時に空気出口遮断弁は負圧下にあっても開弁ポートを備えているので負圧を解除し、開弁する事ができる。
【００１４】
この場合、空気出口遮断弁には、開弁を空気入口遮断弁より先に行うための酸化剤ガスが供給源から直接供給されるポートを有する事と、空気出口遮断弁のダイヤフラム径は、空気入口遮断弁のダイヤフラム径と同等以上、且つ空気出口遮断弁のバネ定数は空気入口遮断弁のバネ定数より小さくすれば、空気出口遮断弁の開弁が先に行われ、空気の衝撃圧力によるスタック内の電解質膜の保護を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態における、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す、空気入口遮断弁の開状態を示す詳細断面図である。
【図３】図１に示す、空気入口遮断弁の閉状態を示す詳細断面図である。
【図４】図１に示す、空気出口遮断弁の開状態を示す詳細断面図である。
【図５】図１に示す、空気出口遮断弁の閉状態を示す詳細断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気が供給されて電気化学反応によって発電する燃料電池１３と、燃料電池１３に供給する空気を圧縮する空気圧縮器１４と、燃料電池１３に供給する空気を加湿する加湿器１２を備えている。空気圧縮器１４と加湿器１２は圧縮空気供給管２１によって接続され、加湿器１２と燃料電池１３とは、加湿器１２において加湿された空気を燃料電池１３の空気流路につながっている空気入口１３ａに導く空気入口管２２と燃料電池１３の空気流路につながっている空気出口１３ｂから排出された空気を加湿器１２に導く空気出口管２４とによって接続され、加湿器１２には空気を外部に排出する空気排出管２３が接続されている。空気入口管２２には空気入口遮断弁４０が設けられ、空気出口管２４には空気出口遮断弁６０が設けられている。また、空気入口管２２と空気出口遮断弁６０を接続するバイパス管２５が設けられている。空気圧縮器１４の出口には圧縮空気の圧力を測定する圧力センサ３１が設けられている。
【００１７】
以下、本実施形態の燃料電池システム１０に用いられている空気入口遮断弁４０の詳細構造について図２を参照しながら説明する。図１と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。空気入口遮断弁４０は金属、硬質樹脂またはセラミックス製のボディ４１を有する。ボディ４１は、連結された第１ボディ４１ａと第２ボディ４１ｂとを有する。ボディ４１は、空気入口管２２にそれぞれ接続された弁入口５５と弁出口５６を備えている。弁入口５５と弁出口５６と連通する開弁用受圧室５８を複数の第１中空室４２および第２中空室４７に仕切るための仕切壁４６とを有する。第２ボディ４１ｂの内面の弁出口５６側には、弁座５７が設けられている。弁座５７は弁体５４が当接してシールするシール面となっている。第１中空室４２および第２中空室４７は弁軸４３の軸長方向において（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）直列に併設されている。
【００１８】
図２に示すように仕切壁４６のほぼ中央領域には、弁軸挿通孔４５が形成されている。
【００１９】
弁軸挿通孔４５は、弁軸４３を挿通するための仕切壁４６を厚み方向に貫通する。弁軸４３は長軸状をなしており、ボディ４１の仕切壁４６の弁軸挿通孔４５に移動可能に挿通されている。弁軸挿通孔４５の内壁面と弁軸４３の外壁面との間には、リング形状をなすシール部材４４が介在している。弁軸４３の先端部には、移動に伴い、弁出口５６を開閉させるための弁体５４が鍔状に形成されている。弁体５４は弁座５７に着座可能である。
【００２０】
図２に示すようにダイヤフラム５０は、ゴムや樹脂等の高分子材料で形成された変形可能な膜状とされている。なお、ダイヤフラム５０には、必要に応じて、ガスバリヤ性を高めるためのバリヤ層や補強させるための補強層が、埋設されていても良い。図２に示すようにダイヤフラム５０のダイヤフラム外端部５２は、ボディ４１に保持されている。すなわち、ダイヤフラム５０の厚肉状のダイヤフラム外端部５２は、ボディ４１の第１ボディ４１ａと第２ボディ４１ｂとの挟持されて保持されている。ダイヤフラム５０のダイヤフラム内端部５３は、駆動板５１により弁軸４３に保持されている。
【００２１】
図２に示すようにダイヤフラム５０は、気体圧（流体圧）の受圧に伴い弁軸４３を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動させるための開弁用受圧室５８と、第２中空室４７を仕切る。第２中空室４７はダイヤフラム５０の受圧に伴い、圧力が高くなることを防止する排気管４９が設けられている。ダイヤフラム５０は、コンボリューションとも呼ばれる膨出部５０ｍを持つ。膨出部５０ｍは、突部５０ｒを形成しつつ、弁軸４３の軸芯Ｐ１の回りで、リング状に配置されており、圧力に応じて表裏反転可能とされている。ここで、コンボリューションを有するダイヤフラムを搭載するバルブによれば、基本的には、ダイヤフラム５０については、膨出部５０ｍの頂点５０ｘよりも径内側の受圧面積が、ダイヤフラム５０の有効受圧面積（Ｓｉ）とされている。
【００２２】
図２に示すようにダイヤフラム５０と仕切壁４６との間には、ダイヤフラム５０の閉弁動作をアシストするための閉弁用の付勢バネ４８が設けられている。この付勢バネ４８は、コイル状をなしており、第２中空室４７に弁軸４３の外周側において弁軸４３と同軸的に配置されている。付勢バネ４８のバネ定数を（ＩＳｃ）とする。
【００２３】
次に空気出口遮断弁６０の詳細構造について図４を参照しながら説明する。図１と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。空気出口遮断弁６０は金属、硬質樹脂またはセラミックス製のボディ６１を有する。ボディ６１は、連結された第１ボディ６１ａと第２ボディ６１ｂとを有する。ボディ６１は、空気出口管２４にそれぞれ接続された弁出口７６と弁入口７８を備えている。弁入口７８と弁出口７６とを連通する開弁用受圧室７５を開弁動作側圧力室７０に仕切るための仕切壁７３とを有する。開弁動作側圧力室７０には、バイパス管２５と接続された駆動用空気を出し入れするポート７１が設けられている。第２ボディ６１ｂの内面の弁出口７８側には、弁座７９が設けられている。弁座７９は弁体７７が当接して空気をシールするシール面となっている。
【００２４】
図４に示すように仕切壁７３のほぼ中央領域には、弁軸挿通孔７４が形成されている。弁軸挿通孔７４は、弁軸６４を挿通するための仕切壁７３を厚み方向に貫通する。弁軸６４は長軸状をなしており、ボディ６１の仕切壁７３の弁軸挿通孔７４に移動可能に挿通されている。弁軸挿通孔７４の内壁面と弁軸６４と外壁面との間には、リング形状をなすシール部材７２が介在している。弁軸６４の先端部には、移動に伴い、弁入口７８を開閉させるための弁体７７が鍔状に形成されている。弁体７７は弁座７９に着座可能である。
【００２５】
図４に示すようにダイヤフラム６７はゴムや樹脂等の高分子材料で形成された変形可能な膜状とされている。なお、ダイヤフラム６７には、必要に応じて、ガスバリヤ性を高めるためのバリヤ層や補強させるための補強層が、埋設されていても良い。
【００２６】
図４に示すようにダイヤフラム６７のダイヤフラム外端部６６は、ボディ６１に保持されている。すなわち、ダイヤフラム６７の厚肉状のダイヤフラム外端部６６は、ボディ６１の第１ボディ６１ａと第２ボディ６１ｂとの挟持されて保持されている。ダイヤフラム６７のダイヤフラム内端部６９は、駆動板６８により弁軸６４に保持されている。
【００２７】
図４に示すようにダイヤフラム６７は、気体圧（流体圧）の受圧に伴い弁軸６４を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動させるための開弁用受圧室７０と、中空室６３を仕切る。中空室６３はダイヤフラム６７の受圧に伴い、圧力が高くなることを防止する排気管６２が設けられている。中空室６３および第２開弁動作側圧力室７０は弁軸６４の軸長方向において（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）直列に併設されている。ダイヤフラム６７は、コンボリューションとも呼ばれる膨出部６７ｍを持つ。膨出部６７ｍは、突部６７ｒを形成しつつ、弁軸６４の軸芯Ｐ２の回りで、リング状に配置されており、圧力に応じて表裏反転可能とされている。ここで、コンボリューションを有するダイヤフラムを搭載するバルブによれば、基本的には、ダイヤフラム６７については、膨出部６７ｍの頂点６７ｘよりも径内側の受圧面積が、ダイヤフラム６７の有効受圧面積（Ｓｏ）とされている。
【００２８】
図４に示すようにダイヤフラム６７と第１ボディ６１ａとの間には、ダイヤフラム６７の閉弁動作をアシストするための閉弁用の付勢バネ６５が設けられている。この付勢バネ６５は、コイル状をなしており、中空室６３に弁軸６４の外周側において弁軸６４と同軸的に配置されている。付勢バネ６５のバネ定数を（ＯＳｃ）とする。空気出口遮断弁６０のダイヤフラム６７の有効受圧面積（Ｓｏ）の方が、空気入口遮断弁４０のダイヤフラム５１の有効受圧面積（Ｓｉ）と同等以上に設定されている。本実施例によれば、Ｓｏ／Ｓｉ＝１．００〜２．００の範囲内、１．００〜１．５０の範囲内、１．０１〜１．４０の範囲内、１．０２〜１．３５の範囲内に設定されていることが好ましい。また、空気出口遮断弁６０の付勢バネ６５のバネ定数（ＯＳｃ）の方が、空気入口遮断弁４０の付勢バネ４８のバネ定数（ＩＳｃ）より小さく設定されている。本実施例によれば、ＯＳｃ／ＩＳｃ＝０．２０〜０．８０の範囲内、０．５０〜０．８０の範囲内、０．６０〜０．７９の範囲内、０．６５〜０．７８の範囲内に設定されていることが好ましい。
【００２９】
図４に示すようにダイヤフラム６７と第１ボディ６１ａとの間には、ダイヤフラム６７の閉弁動作をアシストするための閉弁用の付勢バネ６５が設けられている。この付勢バネ６５はコイル状をなしており、中空室６３に弁軸６４の外周側において弁軸６４と同軸的に配置されている。
【００３０】
（燃料電池システム停止時）
燃料電池システム１０の停止の際には、制御装置１１の指令により、空気圧縮機１４を停止することにより、空気入口遮断弁４０が先に空気出口遮断弁６０が次に閉となる。閉弁用付勢バネ４８、６５で弁体４４、７７は弁座５７、７９をシールする。空気出口遮断弁６０の付勢バネ６５のバネ定数は、空気入口遮断弁４０の付勢バネ４８のバネ定数より小さく設定されているので、空気入口遮断弁４０が先に閉じてから空気出口遮断弁６０が閉じる。これにより、燃料電池１３内の酸化剤ガスである空気の圧力上昇による電解質膜への破れを防止できる。また、燃料電池１３は外気と遮断され、酸化剤ガスである空気が流入しなくなる。しかし、燃料電池１３の内部の空気流路には酸化剤ガスである酸素を含んだ空気が残留しており、この残留空気中の酸素と水素流路内に残留している水素との反応によって、空気の体積が減少することにより、燃料電池１３の空気流路の圧力は負圧に低下してくる。そのため、空気入口遮断弁４０と空気出口遮断弁６０の弁体４４、７７は弁座５７、７９により強くシールされる。
【００３１】
（燃料電池システム起動時）
次に、本実施例の燃料電池システム１０において、停止中の燃料電池１３の空気流路の圧力が、負圧の状態からの起動について説明する。燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧の状態では、空気入口遮断弁４０は図３に示すように、負圧によって弁体５４が弁座５７に当接、密着し、弁入口５５は大気開放状態になっている。また、空気出口遮断弁６０は図５に示すように、負圧によって弁体７７が弁座７９に当接、密着し、弁出口７６は大気開放状態になっている。
【００３２】
図１に示す制御装置１１は、まず、空気圧縮機１４を駆動する指令を出力する。この指令によってバイパス管２５に空気が流れる。このバイパス管２５は図４に示す空気出口遮断弁６０のポート７１に連通している。このポート７１から空気を開弁動作側圧力室７０に開弁圧として供給する。空気出口遮断弁６０のダイヤフラム６７の有効受圧面積は、空気入口遮断弁４０のダイヤフラム５０の有効受圧面積と同等以上、且つ空気出口遮断弁６０の付勢バネ６５のバネ定数は、空気入口遮断弁４０の付勢バネ４８のバネ定数より小さく設定されているので、ポート７１からの空気圧が小さくても、ダイヤフラム６７は大きな開弁圧を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に受圧する。
【００３３】
この結果、ダイヤフラム６７が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると共に、弁軸６４が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動し、弁座７９に着座していた弁体７７が弁座から離間し、弁体７７が開弁し、大気開放状態の弁出口７６と弁入口７８が連通する。これにより、空気が燃料電池１３の空気流路と各遮断弁４０、６０によって、封止されている負圧領域に侵入し、燃料電池１３の空気流路の負圧が低下してくる。燃料電池１３の空気流路の負圧が低下すると、負圧による弁体５４、７７の弁座５７、７９の吸引力が低下し、弁体５４、７７にかかる閉弁方向の力が小さくなってくる。この状態で、空気圧縮機１４からの空気を空気供給管２２を通して、空気入口遮断弁４０の開弁動作側圧力室５８の開弁圧として供給する。そして、ダイヤフラム５０が開弁圧を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に受圧する。この結果、ダイヤフラム５０が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると共に、弁軸４３が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動し、弁座５７に着座していた弁体５４が弁座５７から離間し、弁体５４が開弁し、弁入口５５と弁出口５６が連通する。
【００３４】
このように、燃料電池システム１０起動時は、空気出口遮断弁６０を先に開けてから、空気入口遮断弁４０を後で開けることにより、燃料電池１３内の酸化剤ガスである空気の衝撃圧力によるスタック内の電解質膜の保護を図ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０        燃料電池システム
１１        制御装置
１２        加湿器
１３        燃料電池
１４        空気圧縮機
３１        圧力センサ
４０        空気入口遮断弁
４１        ボディー
４２        第１中空室
４３        弁軸
４７        第２中空室
４８        付勢バネ
５１        ダイヤフラム
５４        弁体
５７        弁座
５８        開弁用受圧室
６０        空気出口遮断弁
６１        ボディー
６３        中空室
６４        弁軸
６５        開弁用受圧室
６７        ダイヤフラム
７０        開弁動作側圧力室
７１        ポート
７７        弁体
【図１】
2011210676.tif 000003
【図２】
2011210676.tif 000004
【図３】
2011210676.tif 000005
【図４】
2011210676.tif 000006
【図５】
2011210676.tif 000007