(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、簡便なシステムで燃料電池の効率低下を抑えつつ遮断弁に十分な駆動力を供給すると共に、安定した動作ができるようにする。【解決手段】大気圧室７１，８１と、燃料ガスによって加圧される加圧室７２，８２と、弁に閉弁方向の力を付勢する閉弁用ばね７３ａ，８３ａとを含み、大気圧室７１，８１と加圧室７２，８２との間の圧力差と閉弁用ばね７３ａ，８３ａの付勢力とによって遮断弁７０，８０の開閉駆動を行う。燃料電池１３の停止の際に、水素ガス供給弁４３と排出弁５５とを閉とすると共に、燃料電池１３内に残留した燃料ガスを発電反応によって消費させて加圧用水素ガス供給管６１の圧力を低下させ、遮断弁７０，８０を閉弁させる。【選択図】図１
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【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、燃料電池の酸化剤ガスの入口及び出口に設けられ、燃料電池の運転中には開弁状態に保持され、燃料電池の停止中には閉弁状態に保持される酸化剤ガス遮断弁と、を含む燃料電池システムであって、
各酸化剤ガス遮断弁は、燃料電池に供給される燃料ガスによって駆動される各弁開閉駆動機構を有する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であって、
弁開閉駆動機構は、大気に連通する大気圧室と、大気圧室と仕切られて燃料ガスによって加圧される加圧室と、弁に閉弁方向の力を付勢する閉弁用ばねとを含み、大気圧室と加圧室との間の圧力差と閉弁用ばねの付勢力とによって酸化剤ガス遮断弁の開閉駆動を行い、大気圧室と加圧室との間の圧力差が無い場合には閉弁用ばねによって酸化剤ガス遮断弁を閉弁状態に保持することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に設けられて燃料ガス供給路を開閉する燃料ガス供給弁と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路に設けられて反応後のガスを排出する排出弁と、燃料電池と燃料ガス供給弁との間に接続された加圧用燃料ガス供給路とを含み、
燃料電池の発電制御と燃料ガス供給弁及び排出弁の開閉動作を行う制御部を備え、
制御部は、燃料電池の停止の際に、燃料ガス供給弁と排出弁とを閉とすると共に、燃料電池内に残留した燃料ガスを発電反応によって消費させて加圧用燃料ガス供給路の圧力を停止の際の圧力よりも低下させ、各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させる閉弁動作手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
弁開閉駆動機構は、大気に連通する大気圧室と、大気圧室と仕切られて燃料ガスによって加圧される加圧室と、弁に開弁方向の力を付勢する開弁用ばねとを含み、大気圧室と加圧室との間の圧力差と開弁用ばねの付勢力とによって酸化剤ガス遮断弁の開閉駆動を行い、大気圧室と加圧室との間の圧力差が無い場合には開弁用ばねによって酸化剤ガス遮断弁を開弁状態に保持することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に設けられて燃料ガス供給路を開閉する燃料ガス供給弁と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路に設けられて反応後のガスを排出する排出弁と、燃料電池と燃料ガス供給弁との間に接続された加圧用燃料ガス供給路とを含み、
燃料電池の発電制御と燃料ガス供給弁及び排出弁の開閉動作を行う制御部を備え、
制御部は、燃料電池の停止の際に、燃料ガス供給弁と排出弁とを閉とすると共に、燃料電池内に残留した燃料ガスを発電反応によって消費させて加圧用燃料ガス供給路の圧力を負圧として、各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させる閉弁動作手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
加圧用燃料ガス供給路に加圧用燃料ガス供給路遮断弁を備え、
制御部は加圧用燃料ガス供給路遮断弁の開閉動作を行い、
制御部は、閉弁動作手段によって各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させた後、加圧用燃料ガス供給路遮断弁を閉とし、燃料ガス供給弁を開として燃料電池に燃料ガスを供給、加圧する再加圧手段を備えること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４から６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
各酸化剤ガス遮断弁は、燃料電池側に設けられた弁座と、弁座の反燃料電池側に配置され、燃料電池の停止中に燃料電池内の負圧によって弁座に吸引される弁体を備えていること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から７に記載の燃料電池システムであって、
加圧室に供給される燃料ガスを蓄圧するバッファタンクを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路と、排出路と燃料ガス供給路とを接続する再循環路とを備え、
加圧用燃料ガス供給路は、再循環路と燃料ガス供給路との接続位置よりも燃料ガス上流側の燃料ガス供給路に接続されていること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
加圧用燃料ガス供給路に設けられた仕切弁を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の燃料電池システムであって、
再循環路の接続位置と加圧用燃料ガス供給路の接続位置との間の燃料ガス供給路に設けられた仕切弁を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
加圧室に供給される燃料ガスは、水素供給源に蓄圧された高圧燃料ガスを減圧した低圧燃料ガスであること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、燃料電池システムの構成に関し、特に遮断弁の駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料と酸化剤の電気化学反応によって発電をするもので、イオン交換膜からなる電解質の両側に燃料側極と酸化剤側極とが対向して配置された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、燃料側極に燃料を供給する燃料供給流路が形成された燃料用セパレータと、酸化剤側極に酸化剤を供給する酸化剤供給流路が形成された酸化剤用セパレータと、を備えている。燃料と酸化剤には色々なガスが用いられるが、例えば、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極側に水が生成される形式のものが多く用いられている。
【０００３】
このような燃料電池において、運転が停止した際には、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、燃料側極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側に移動し、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側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。そして、酸化剤極側の空気中の酸素が燃料極側に移動してしまうと、酸化剤極には水素と反応しない窒素分が残り、燃料極側には未反応の水素が残る。また、反応によって水素ガスと酸素ガスとが反応して水が生成されることから、停止中の燃料電池内部の圧力は低下してくる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池の停止中に燃料極と酸化剤極の各出入口を開閉弁によって封止して、クロスリークによる反応によって生成される水により電解質膜の湿潤度の低下を抑制する方法が記載されている。また、特許文献２には、燃料電池を封止する遮断弁を空気圧で駆動するシステムと、このシステムにおいてアキュムレータを介して駆動用の空気を供給する方法が記載されている。
【０００５】
また、燃料電池の酸化剤極側と燃料極側との間に圧力差があると、膜電極アセンブリ電解質膜に不具合が生じる場合があり、酸化剤極側と燃料極側との圧力を所定の許容範囲内になるよう調節することが必要な場合がある。このため、酸化剤ガスを調節弁に導入して、酸化剤ガスと燃料ガスとの圧力を同等とするようなシステムが提案されている(特許文献３参照)。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−６１６６号公報
【特許文献２】特開２０００−３７１７号公報
【特許文献３】特開２００５−３５３３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２の従来技術は、空気圧圧縮機から燃料電池あるいは改質器に供給される空気の圧力と燃料電池から排出される改質ガス圧力又は空気圧力との差圧によって遮断弁を駆動していることから、駆動力が不足する場合がある。特に、空気側は燃料電池内の空気流路の圧力損失によって発生する差圧を遮断弁の駆動源としていることから、燃料電池の空気側の圧力損失を低下させて全体効率を上げようとすると遮断弁の駆動力が不足することとなることとなる。更に負荷によって燃料電池に流れる空気流量が少なくなると差圧が低下するため更に駆動力が小さくなってしまう。
【０００８】
特許文献３に記載の従来技術は、酸化剤ガスを圧力調節システムに導入して調節弁を駆動するものであるが、酸化剤ガスには水分が含まれる場合がありシステム構成機器に水分がたまって腐食が発生したり、燃料電池の停止後に調節弁の中に残留した酸化剤ガスが結露によって水分発生し、この結露水分が凍結してシステムの動作不良を引き起こしたりする場合がある。
【０００９】
本発明は、簡便なシステムで遮断弁に十分な駆動力を供給すると共に、安定した動作ができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の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、燃料電池の酸化剤ガスの入口及び出口に設けられ、燃料電池の運転中には開弁状態に保持され、燃料電池の停止中には閉弁状態に保持される酸化剤ガス遮断弁と、を含む燃料電池システムであって、各酸化剤ガス遮断弁は、燃料電池に供給される燃料ガスによって駆動される各弁開閉駆動機構を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、弁開閉駆動機構は、大気に連通する大気圧室と、大気圧室と仕切られて燃料ガスによって加圧される加圧室と、弁に閉弁方向の力を付勢する閉弁用ばねとを含み、大気圧室と加圧室との間の圧力差と閉弁用ばねの付勢力とによって酸化剤ガス遮断弁の開閉駆動を行い、大気圧室と加圧室との間の圧力差が無い場合には閉弁用ばねによって酸化剤ガス遮断弁を閉弁状態に保持すること、としても好適であるし、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に設けられて燃料ガス供給路を開閉する燃料ガス供給弁と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路に設けられて反応後のガスを排出する排出弁と、燃料電池と燃料ガス供給弁との間に接続された加圧用燃料ガス供給路とを含み、燃料電池の発電制御と燃料ガス供給弁及び排出弁の開閉動作を行う制御部を備え、制御部は、燃料電池の停止の際に、燃料ガス供給弁と排出弁とを閉とすると共に、燃料電池内に残留した燃料ガスを発電反応によって消費させて加圧用燃料ガス供給路の圧力を停止の際の圧力よりも低下させ、各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させる閉弁動作手段を有すること、としても好適である。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、弁開閉駆動機構は、大気に連通する大気圧室と、大気圧室と仕切られて燃料ガスによって加圧される加圧室と、弁に開弁方向の力を付勢する開弁用ばねとを含み、大気圧室と加圧室との間の圧力差と開弁用ばねの付勢力とによって酸化剤ガス遮断弁の開閉駆動を行い、大気圧室と加圧室との間の圧力差が無い場合には開弁用ばねによって酸化剤ガス遮断弁を開弁状態に保持すること、としても好適であるし、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に設けられて燃料ガス供給路を開閉する燃料ガス供給弁と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路に設けられて反応後のガスを排出する排出弁と、燃料電池と燃料ガス供給弁との間に接続された加圧用燃料ガス供給路とを含み、燃料電池の発電制御と燃料ガス供給弁及び排出弁の開閉動作を行う制御部を備え、制御部は、燃料電池の停止の際に、燃料ガス供給弁と排出弁とを閉とすると共に、燃料電池内に残留した燃料ガスを発電反応によって消費させて加圧用燃料ガス供給路の圧力を負圧として、各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させる閉弁動作手段を有すること、としても好適であるし、加圧用燃料ガス供給路に加圧用燃料ガス供給路遮断弁を備え、制御部は加圧用燃料ガス供給路遮断弁の開閉動作を行い、制御部は、閉弁動作手段によって各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させた後、加圧用燃料ガス供給路遮断弁を閉とし、燃料ガス供給弁を開として燃料電池に燃料ガスを供給し、加圧する再加圧手段を備えること、としても好適であるし、各酸化剤ガス遮断弁は、燃料電池側に設けられた弁座と、弁座の反燃料電池側に配置され、燃料電池の停止中に燃料電池内の負圧によって弁座に吸引される弁体を備えていること、としても好適である。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、加圧室に供給される燃料ガスを蓄圧するバッファタンクを有すること、としても好適であるし、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路と、排出路と燃料ガス供給路とを接続する再循環路とを備え、加圧用燃料ガス供給路は、再循環路と燃料ガス供給路との接続位置よりも燃料ガス上流側の燃料ガス供給路に接続されていること、としても好適であるし、加圧用燃料ガス供給路に設けられた仕切弁を有すること、としても好適であるし、再循環路の接続位置と加圧用燃料ガス供給路の接続位置との間の燃料ガス供給路に設けられた仕切弁を有すること、としても好適であるし、加圧室に供給される燃料ガスは、水素供給源に蓄圧された高圧燃料ガスを減圧した低圧燃料ガスであること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、簡便なシステムで遮断弁に十分な駆動力を供給すると共に、安定した動作を行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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１１は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気と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に供給する水素ガスを貯留する水素タンク４１と、燃料電池１３に供給する空気を圧縮する空気圧縮機１７と、燃料電池１３に供給する空気を加湿する加湿モジュール１５とを備えている。空気圧縮機１７と加湿モジュール１５とは圧縮空気供給管２７によって接続され、加湿モジュール１５と燃料電池１３とは、加湿モジュールにおいて加湿された空気を燃料電池１３の空気入口に導く空気入口管２９と燃料電池１３の空気出口から排出された空気を加湿モジュールに導く空気出口管３１とによって接続され、加湿モジュール１５には空気を外部に排出する空気排出管３３が接続されている。また、圧縮空気供給管２７と空気排出管３３とを接続するバイパス管３５が設けられ、圧縮空気供給管２７には圧力を測定する圧力センサ２６が設けられている。空気圧縮機１７はモータ１９によって駆動され、空気圧縮機１７によって温度が上昇した空気はインタークーラー２１によって冷却されてから加湿モジュール１５に供給される。
【００１６】
空気入口管２９には空気入口遮断弁７０が設けられ、空気出口管３１には空気出口遮断弁８０が設けられている。また、空気出口管３１の燃料電池１３の空気出口と空気出口遮断弁８０との間には空気圧力調節弁２５が設けられ、空気圧力調節弁２５上流側の空気出口管３１には燃料電池１３の出口空気圧力を測定する圧力センサ３７が設けられている。また、バイパス管３５にはバイパス流量調節弁２３が設けられている。
【００１７】
水素タンク４１は燃料ガス供給路である水素ガス供給管４５によって燃料電池１３に接続され、燃料電池１３には空気との反応後のガスを燃料電池１３から排出するガス排出管４７が設けられている。水素ガス供給管４５には、水素タンク４１に貯留された高圧水素ガスを減圧すると共に、水素ガス供給管４５を開閉して燃料電池１３への水素ガスの供給を調節する水素ガス供給弁４３が設けられている。ガス排出管４７は、大気放出管３４に平行に設けられた希釈器５９に接続され、反応後のガスは空気によって希釈された後、大気放出管３４から排出空気と共に大気に放出される。ガス排出管４７にはガス排出管４７を開閉して反応後のガスの大気への放出を調節する排出弁５５が設けられている。
【００１８】
ガス排出管４７と水素ガス供給管４５のとの間には、燃料電池１３から排出された反応後ガスの一部を水素ガス供給管４５に再循環させる再循環管４９が設けられている。再循環管４９は、燃料電池１３と水素ガス供給弁４３との間の接続点４６と、燃料電池１３と排出弁５５との間の分岐点４８との間を接続するよう構成されている。再循環管４９には反応後ガスをガス排出管４７から水素ガス供給管４５に再循環させる循環ポンプ５１が設けられている。
【００１９】
水素ガス供給管４５の水素ガス供給弁４３と再循環管４９の接続点４６との間の分岐点４４には、空気入口遮断弁７０と空気出口遮断弁８０との駆動用水素ガスを供給する加圧用水素ガス供給管６１が接続されている。加圧用水素ガス供給管６１は、各遮断弁７０，８０の駆動用水素ガスを貯留しておくバッファタンク６３に接続され、バッファタンク６３と各遮断弁７０，８０とは、遮断弁駆動用水素ガス管６５によって接続され、遮断弁駆動用水素ガス管６５には、圧力センサ６７が取り付けられている。
【００２０】
空気入口遮断弁７０は、弁本体７０ｂと駆動部７０ａとを備えている。弁本体７０ｂはケーシングの中に弁座７８と弁体７６とを備え、弁体７６には弁棒７７が取り付けられている。駆動部７０ａはケーシングに取り付けられたダイヤフラム７４とダイヤフラム７４に接続された駆動板７５とによって２つの圧力室に仕切られている。図１の上部の圧力室は大気に連通する大気連通孔７９を備える大気圧室７１であり、図１の下部の圧力室はバッファタンク６３からの遮断弁駆動用水素ガス管６５が接続され、バッファタンク６３から供給される水素ガスによって加圧される加圧室７２となっている。駆動板７５の加圧室７２側は、弁棒７７を介して弁体７６に接続され、駆動板７５の大気圧室７１室側には大気圧室７１の壁面に取り付けられて駆動板７５を弁座７８側に向かって押し付ける閉弁用ばね７３ａが設けられている。空気出口遮断弁８０も空気入口遮断弁７０と同様の構造を有し、弁本体８０ｂと駆動部８０ａとを備え、弁本体８０ｂは弁座８８と弁体８６とを備え、駆動部８０ａは大気に連通する大気連通孔８９を備える大気圧室８１とバッファタンク６３からの遮断弁駆動用水素ガス管６５が接続される加圧室８２と、弁棒８７を介して弁体８６に接続されている駆動板８５とダイヤフラム８４と閉弁用ばね８３ａとが設けられている。
【００２１】
圧縮空気供給管２７の圧力センサ２６と、燃料電池１３の空気出口の圧力センサ３７と、遮断弁駆動用水素ガス管６５の圧力センサ６７とは制御部１００に接続され、検出信号が制御部１００に入力されるように構成されている。また、空気圧縮機１７のモータ１９と、バイパス流量調節弁２３と、空気圧力調節弁２５と、水素ガス供給弁４３と、排出弁５５と、循環ポンプ５１とは制御部１００に接続され、制御部１００の指令によって動作するよう構成されている。
【００２２】
空気入口遮断弁７０と空気出口遮断弁８０とは、バッファタンク６３から供給される水素ガス圧力が高い場合には水素ガスによって各加圧室７２，８２が加圧され、圧力によって各駆動板７５，８５が大気圧室７１，８１側に押し上げられて開状態になり、バッファタンクから供給される水素ガス圧力が低い場合には、各閉弁用ばね７３ａ，８３ａによって各駆動板７５，８５は押し下げられ、各弁体７６，８６が各弁座７８，８８に押し付けられて各空気遮断弁７０，８０は閉状態になる。このため、水素ガス圧力が無くなった場合には、各遮断弁は閉弁する。
【００２３】
以下、本実施形態の燃料電池システム１１の動作について説明する。燃料電池システム１１が停止状態にある場合には、燃料電池１３の空気入口遮断弁７０と空気出口遮断弁８０は閉となって燃料電池１３の空気側極は外気と遮断されている。また、水素側極は外気及び水素タンク４１と遮断された状態となっている。
【００２４】
燃料電池システム１１の起動指令が出されると、制御部１００は空気圧縮機１７のモータ１９を起動して空気圧縮機１７の回転数を増加させていくと共にバイパス流量調節弁２３を開として、空気圧縮機１７から圧縮空気供給管２７に供給された圧縮空気をバイパス管３５から空気排出管３３に流し、大気放出管３４から大気に放出する。
【００２５】
また、燃料電池の起動指令によって、制御部１００は水素ガス供給弁４３を開けて、高圧の水素タンク４１に貯留された水素ガスを減圧しつつ燃料電池１３の水素極側に注入し、その圧力を運転圧力に向かって上昇させていく。燃料電池１３の水素側極が水素ガスによって加圧されると、水素ガス供給管４５に接続されている加圧用水素ガス供給管６１、バッファタンク６３、遮断弁駆動用水素ガス管６５にも水素が注入され、その圧力が上昇していく。そして、この水素は遮断弁駆動用水素ガス管６５から各遮断弁７０，８０の各加圧室７２，８２に入って、その圧力を上昇させていく。加圧室７２，８２の圧力が上昇するにつれて大気圧室７１，８１との間に圧力差ができ、この圧力差が大きくなるにつれて駆動板７５，８５にかかる開弁方向の力が大きくなっていく。そして、加圧室７２，８２と大気圧室７１，８１との圧力差によって駆動板７５にかかる開弁方向の力が、閉弁用ばね７３ａ，８３ａの閉弁方向の力よりも大きくなると、各遮断弁７０，８０は開弁する。
【００２６】
各遮断弁７０，８０が開弁すると、空気圧縮機１７によって圧縮された圧縮空気は燃料電池１３の内部に流入してくる。各遮断弁７０，８０が開いて空気が燃料電池１３に流入することができるようになると、制御部１００はバイバス流量調節弁２３の開度を絞ると共に空気圧力調節弁２５の開度を上げて、燃料電池１３の空気側極の圧力制御を空気圧力調節弁２５に引き渡し、空気圧力調節弁２５によって空気側極の圧力制御を行う。
【００２７】
水素側極、空気側極ともに加圧されると、制御部１００は燃料電池１３の発電を出力要求に応じた発電出力となるように制御して、運転を続けていく。水素側極の圧力は水素ガス供給弁４３によって調節される。燃料電池１３の負荷によっては、水素ガス供給弁４３が閉まる場合もあるが、各遮断弁７０，８０の駆動用の水素ガスはバッファタンク６３を介して供給されていることから、安定した圧力の駆動用水素ガスが供給され、各遮断弁７０，８０を開状態に保持することができる。
【００２８】
燃料電池１３の停止指令が出されると、制御部１００は、水素ガス供給弁４３を閉として燃料電池１３への水素ガスの注入を停止すると共に、排出弁５５を閉として外気と水素側極とを遮断する。また、制御部１００は、空気圧力調節弁２５を閉として燃料電池１３への空気の流入を停止すると共に、バイパス流量調節弁２３を開として空気圧縮機１７によって圧縮された空気をバイパス管３５から空気排出管３３に流すようにする。燃料電池１３の空気側極の圧力はバイパス流量調節弁２３によって制御される。
【００２９】
燃料電池１３への水素ガス、空気の流入を停止させた後、制御部１００は燃料電池１３の水素側極に残留している水素と空気とを反応させて、水素側極の圧力を低下させる水素消費運転を行う。水素側極は、水素ガス供給弁４３、排出弁５５が閉となって封止状態となっていることから、水素消費運転によって残留している水素が消費されると、水素側極の圧力が低下してくる。燃料電池１３の水素側極は水素ガス供給管４５、加圧用水素ガス供給管６１と連通しているので、加圧用水素ガス供給管６１の圧力も低下してくる。更に加圧用水素ガス供給管６１の圧力が低下すると、バッファタンク６３、遮断弁駆動用水素ガス管６５の圧力も低下し、それに伴って、各遮断弁７０，８０の各加圧室７２，８２の圧力が低下してくる。そして、各加圧室７２，８２と各大気圧室７１，８１との間の差圧による開弁方向力が閉弁用ばね７３ａ，８３ａの閉弁方向の力よりも小さくなってくると、各遮断弁７０，８０は閉弁する。各遮断弁７０，８０が閉となると、制御部１００は水素消費運転を停止する。
【００３０】
各遮断弁７０，８０が閉弁すると、燃料電池１３の空気側極は大気と遮断された状態となるが、燃料電池１３の空気側極に残留している空気と水素側極に残留している水素とが更に反応することによって、空気側極、水素側極共に圧力が低下し、空気側極、水素側極共にその圧力が負圧となる。各遮断弁７０，８０の各弁座７８，８８は燃料電池１３の側に設けられており、燃料電池１３の空気側極が負圧となると、その負圧によって弁体７６，８６が弁座７８，８８に吸引、吸着され、閉弁用ばね７３ａ，８３ａの閉弁方向の力とあいまって各遮断弁７０，８０は閉弁状態に保持される。
【００３１】
本実施形態は、高圧の水素タンク４１に貯留されている水素ガスの圧力を利用して各遮断弁７０，８０の加圧室７２，８２の圧力を上昇させて各遮断弁７０，８０を開弁させるようにし、燃料電池１３停止の際の水素消費運転によって各遮断弁７０，８０の加圧室７２，８２の圧力を低下させて各遮断弁７０，８０を閉弁させる様に構成していることから、各遮断弁７０，８０を開閉するための駆動用ガスを開閉するような弁が不要となり、簡便な構成で各遮断弁７０，８０の開閉動作を行うことができるという効果を奏する。また、開弁状態を保持するための動力や閉弁状態を保持するための動力も必要なく、燃料電池システム１１の効率の低下を抑えることができるという効果を奏する。また、高圧状態の水素タンク４１の圧力を減圧して駆動用ガスとして用いていることから、駆動圧力を自由に設定することができ、十分な駆動力を確保することができる。更に、バッファタンク６３を設けることによって、圧力変動を抑え安定した駆動圧力とすることができるという効果を奏する。
【００３２】
本実施形態は、加圧用水素ガス供給管６１の接続位置を再循環管４９の水素ガス供給管４５への接続点４６よりも上流の分岐点４４としていることから、再循環管４９の中に空気側極から入り込んだ水分が各遮断弁７０，８０の加圧用水素ガス供給管６１に入り込むことが少ない構成となっている。このため、各遮断弁７０，８０の加圧室７２，８２には乾燥した水素ガスを駆動用ガスとして供給することができ、低温の際の結露などによって各遮断弁７０，８０が凍結して動作不良を起こすことを低減し、燃料電池システム１１の動作を安定させることができるという効果を奏する。
【００３３】
図２に示すように、この効果をより効果的にするために再循環管４９と水素ガス供給管４５との接続点４６と加圧用水素ガス供給管６１の分岐点４４との間に仕切弁５７を設けて、再循環管４９のガスが加圧用水素ガス供給管６１に入り込まないように構成してもよい。また、加圧用水素ガス供給管６１に設けた仕切弁５６、又は、遮断弁駆動用水素ガス管６５に設けた仕切弁５８によって、再循環管４９のガスが各加圧室７２，８２に入り込まないように構成してもよい。これらの各仕切弁５６，５７，５８は制御部１００に接続され、各遮断弁７０，８０の開閉動作が終了したら閉とし、起動の際に開とするように構成してもよい。
【００３４】
本発明の他の実施形態について、図３を参照しながら説明する。図１と同様の部位には同様の符号を付して説明は省略する。図３に示した他の実施形態は、先に説明した実施形態の各遮断弁７０，８０に設けられていた閉弁用ばね７３ａ，８３ａに代わって、開弁用ばね７３ｂ，８３ｂが設けられているものである。各開弁用ばね７３ｂ，８３ｂはそれぞれ一端が各加圧室７２，８２の壁面に当接し、他の一端は各駆動板７５，８５に当接するように取り付けられ、各駆動板７５，８５を開弁方向に向かって押し上げる力を与えるように構成されている。
【００３５】
本実施形態の空気入口遮断弁７０と空気出口遮断弁８０とは、バッファタンク６３から供給される水素ガス圧力が負圧の場合には水素ガスによって各加圧室７２，８２が負圧状態になり、負圧力によって各駆動板７５，８５が弁体７６，８６を弁座７８，８８に押しつけて閉状態になり、バッファタンク６３から供給される水素ガス圧力が正圧の場合には、各開弁用ばね７３ｂ，８３ｂ及び正圧力によって各駆動板７５，８５が押し上げられて各空気遮断弁７０，８０は開状態になる。このため、水素ガス圧力が無くなった場合には、各遮断弁は開弁する。
【００３６】
次に、本実施形態の燃料電池システム１１の動作について説明する。燃料電池システム１１が停止状態にある場合には、燃料電池１３の空気入口遮断弁７０と空気出口遮断弁８０は閉となって燃料電池１３の空気側極は外気と遮断されている。また、水素側極は外気及び水素タンク４１と遮断された状態となっている。燃料電池１３の空気側極と水素側極はそれぞれ負圧となっていることから、各遮断弁７０，８０の各加圧室７２，８２も負圧となって弁体に閉弁方向の力を与え、燃料電池１３の空気側極の負圧によって各弁体７６，８６は各弁座７８，８８に吸引されて閉弁方向の力がかかっている。そしてこれらの閉弁方向の力が開弁用ばね７３ｂ，８３ｂの開方向の力よりも大きくなっているため、弁は閉弁状態となっている。
【００３７】
燃料電池システム１１が起動されると、空気側極、水素側極共に加圧されることから、各遮断弁７０，８０の加圧室７２，８２の圧力が正圧となって駆動板７５，８５には開弁方向の力がかかる。この開弁方向の力と開弁用ばね７３ｂ，８３ｂによる開弁方向の力が、各弁体７６，８６にかかる閉弁方向の力よりも大きくなると各遮断弁７０，８０は開弁する。開弁すると、空気が燃料電池１３の空気側極に流入し、空気側極も正圧となって、弁体７６，８６にも開弁方向の力が加わる。これによって、燃料電池システムが運転されている間は各遮断弁７０，８０が開状態に保持される。
【００３８】
先に述べた実施形態と同様に。燃料電池１３の停止の際には、水素ガス供給弁４３と排出弁５５を閉として燃料電池１３の水素消費運転を行い、水素側極の圧力を低下させる。そして、本実施形態では、遮断弁駆動用水素ガス管６５に設けられた圧力センサ６７よって検出される圧力が負圧となるまで燃料電池１３の水素消費運転を行う。そして、遮断弁駆動用水素ガス管６５の負圧が所定の負圧よりも低い圧力となった場合には、制御部１００は各遮断弁７０，８０が閉弁されたと判断して、水素消費運転を停止する。
【００３９】
本実施形態も先に述べた実施形態と同様の効果を奏する。
【００４０】
また、本実施形態において、加圧用水素ガス供給管６１に遮断弁駆動用水素ガス供給遮断弁を取り付けて、水素側極に連通した遮断弁駆動用水素ガス管６５が負圧となるまで水素消費運転を行って各遮断弁７０，８０を閉弁した後に、加圧用水素ガス供給管６１に取り付けた遮断弁駆動用水素ガス供給遮断弁を閉弁して各遮断弁７０，８０の加圧室７２，８２の負圧状態を保持できるようにし、水素ガス供給弁４３を開として水素側極を再加圧してから停止するようにしても良い。このように、燃料電池１３の水素側極を再加圧して停止後の水素側極の水素濃度を高めておくことにより、低水素による燃料電池１３の性能劣化を防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において燃料電池システムの系統構成を示す図である。
【図２】図１の実施形態の変形例の系統構成を示す図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの他実施形態において、燃料電池システムの系統構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１  燃料電池システム、１３  燃料電池、１５  加湿モジュール、１７  空気圧縮機、１９  モータ、２１  インタークーラー、２３  バイバス流量調節弁、２５  空気圧力調節弁、２６，３７，６７  圧力センサ、２７  圧縮空気供給管、２９  空気入口管、３１  空気出口管、３３  空気排出管、３４  大気放出管、３５  バイパス管、４１  水素タンク、４３  水素ガス供給弁、４４  分岐点、４５  水素ガス供給管、４６  接続点、４７  ガス排出管、４８  分岐点、４９  再循環管、５１  循環ポンプ、５５  排出弁、５６〜５８  仕切弁、５９  希釈器、６１  加圧用水素ガス供給管、６３  バッファタンク、６５  遮断弁駆動用水素ガス管、７０  空気入口遮断弁、７０ａ，８０ａ  駆動部、７０ｂ，８０ｂ  弁本体、７１，８１  大気圧室、７２，８２  加圧室、７３ａ，８３ａ  閉弁用ばね、７３ｂ，８３ｂ  開弁用ばね、７４，８４  ダイヤフラム、７５，８５  駆動板、７６，８６  弁体、７７，８７  弁棒、７８，８８  弁座、７９，８９  大気連通孔、８０  空気出口遮断弁、１００  制御部。
【図１】
2008251315.tif 000003
【図２】
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【図３】
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