(57)【要約】【課題】外気温が氷点下まで低下したとしても、弁の凍結を抑制、もしくは解消することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２０への空気供給路７１に設けられ、弁体を燃料電池２０に近づける方向に揺動することで空気供給路７１を遮断し、同弁体を燃料電池２０から遠ざける方向に揺動することで空気供給路７１を開くスィング式の遮断弁Ｂ１１と、燃料電池２０から排出される酸素オフガスの排出路７２に設けられ、弁体を燃料電池２０に近づける方向に揺動することで排出路７２を遮断し、同弁体を燃料電池２０から遠ざける方向に揺動することで排出路７２を開くスィング式の遮断弁Ｂ２１とを備える燃料電池システムを採用する。【選択図】図１
2008047354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に供給される反応ガスの供給路に設けられ、弁体を前記燃料電池に近づける方向に揺動することで前記供給路を遮断し、同弁体を前記燃料電池から遠ざける方向に揺動することで前記供給路を開く第１のスィング式遮断弁と、
前記燃料電池から排出される反応オフガスの排出路に設けられ、弁体を前記燃料電池に近づける方向に揺動することで前記排出路を遮断し、同弁体を前記燃料電池から遠ざける方向に揺動することで前記排出路を開く第２のスィング式遮断弁と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１のスィング式遮断弁および前記第２のスィング式遮断弁が、それぞれ酸化ガスの供給路および酸化オフガスの排出路に設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記供給路および前記排出路のいずれか一方、もしくは双方に、各路に設けられたスィング式遮断弁が全開されたときに同遮断弁の弁体が収納される収納部が形成されている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２のスィング式遮断弁よりも上流側の前記排出路に、圧力調整弁が設けられている請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１のスィング式遮断弁の前記弁体を駆動する弁駆動部、および第２のスィング式遮断弁の前記弁体を駆動する弁駆動部のいずれか一方、もしくは双方に、リンクレバーが設けられている請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の遮断弁よりも下流側の前記供給路、および前記第２の遮断弁よりも上流側の前記排出路のいずれか一方、もしくは双方に、前記燃料電池内で生成された水を捕らえる生成水捕捉部が形成されている請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１の遮断弁および前記第２の遮断弁のいずれか一方、もしくは双方は、各遮断弁の弁体の駆動軸を前記弁体よりも重力方向の下側に配置するように固定されている請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムには、酸化ガスとしての空気（外気）を燃料電池に供給するための供給路、および燃料電池から空気オフガスを排出するための排出路の双方に、遮断弁を備えるものが知られている（例えば、下記の特許文献１を参照）。この燃料電池システムにおいては、アイドル停止時に、燃料電池の空気流路内に空気を密閉することにより、再起動時の圧力上昇に要する時間を大幅に短縮し、以後の起動時に短時間で燃料電池から電力を取り出すねらいがある。
【特許文献１】特開２００１−１２９４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の燃料電池システムにおいては、上記の遮断弁として、ポペット弁やボール弁、ゲート弁等が採用される場合があるが、これらの弁を採用した場合、システム停止時に外気温が氷点下まで低下すると、弁の可動部分が凍結してしまうことがある。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、外気温が氷点下まで低下したとしても、弁の凍結を抑制、もしくは解消することが可能な燃料電池システムの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給される反応ガスの供給路に設けられ、弁体を前記燃料電池に近づける方向に揺動することで前記供給路を遮断し、同弁体を前記燃料電池から遠ざける方向に揺動することで前記供給路を開く第１のスィング式遮断弁と、前記燃料電池から排出される反応オフガスの排出路に設けられ、弁体を前記燃料電池に近づける方向に揺動することで前記排出路を遮断し、同弁体を前記燃料電池から遠ざける方向に揺動することで前記排出路を開く第２のスィング式遮断弁とを備える。
【０００６】
この構成によれば、スィング式遮断弁は、弁体と弁座との接触面積が、他の構造の遮断弁と比較して小さいので、弁が凍結したとしても、弁体を駆動するために必要なトルクが小さくて済む。したがって、弁の凍結を容易に解消することが可能である。
【０００７】
また、システム停止時、第１、第２のスィング式遮断弁を閉じ、燃料電池、供給路および排出路を含めて閉空間を形成することにより、燃料電池内の触媒の酸化による劣化を抑制するとともに、生成水の燃料電池内における凍結を抑制することができる。
【０００８】
このとき、各遮断弁を閉じた後も、燃料電池内では残ったガスによる反応が続いてガスが消費されるので、閉空間内は負圧になる。第１のスィング式遮断弁の弁体、および第２のスィング式遮断弁の弁体は、いずれも前記燃料電池に近づく方向に揺動することで各路を遮断する構造を備えており、閉空間内が負圧になると、どちらの弁体も閉空間に吸い寄せられるようにして弁座に密着するので、弁の密閉性が向上する。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記第１のスィング式遮断弁および前記第２のスィング式遮断弁は、それぞれ酸化ガスの供給路および酸化オフガスの排出路に設けられていても良い。
【００１０】
酸化ガスの供給路および酸化オフガスの排出路は、生成水が溜まり易く凍結の可能性の高い燃料電池のカソード側に繋がっているところ、この構成によれば、そのような酸化ガスの供給路および酸化オフガスの排出路にスィング式遮断弁が設けられるので、弁が凍結してもその解消が容易である。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記供給路および前記排出路のいずれか一方、もしくは双方に、各路に設けられたスィング式遮断弁が全開されたときに同遮断弁の弁体が収納される収納部が形成されていても良い。
【００１２】
この構成によれば、スィング式遮断弁が全開されたときに同遮断弁の弁体が収納部に収容されるので、弁体がガスの流れを阻害しない。したがって、各路を流れるガスの圧力損失の増大を抑制することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記第２のスィング式遮断弁よりも上流側の前記排出路に、圧力調整弁が設けられていても良い。
【００１４】
この構成によれば、弁が凍結した場合、圧力調整弁を適宜作動させて排出路内にガスの圧力変動を発生させ、凍結した弁に衝撃力を加えることによって弁体を駆動するためのトルクを補う。これにより、弁の凍結を容易に解消することが可能である。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記第１のスィング式遮断弁の弁体を駆動する弁駆動部、および第２のスィング式遮断弁の弁体を駆動する弁駆動部のいずれか一方、もしくは双方に、リンクレバーが設けられていても良い。
【００１６】
この構成によれば、リンクレバーを介して弁体を駆動することにより、弁体を駆動するためのトルクが増大する。これにより、弁の凍結を容易に解消することが可能である。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記第１の遮断弁よりも下流側の前記供給路、および前記第２の遮断弁よりも上流側の前記排出路のいずれか一方、もしくは双方に、前記燃料電池内で生成された水を捕らえる生成水捕捉部が形成されていても良い。
【００１８】
この構成によれば、燃料電池内で生成された水を生成水捕捉部で捕らえることにより、各スィング式遮断弁に付着する生成水の量が少なくなる。これにより、弁の凍結を抑制することができる。生成水捕捉部としては、例えば凹部の採用が可能であるが、かかる凹部以外にも水分の吸収、放出を行うような材料を配置して構成することも可能である。
【００１９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記第１の遮断弁および前記第２の遮断弁のいずれか一方、もしくは双方は、各遮断弁の弁体の駆動軸を前記弁体よりも重力方向の下側に配置するように固定されていても良い。
【００２０】
この構成によれば、燃料電池内で生成された水は、重力方向の下側に配置された弁体の駆動軸およびその周辺に付着し、駆動軸から離れた部分には付着しない。ところで、スィング式遮断弁の弁体は、凍結個所が駆動軸から近いほど、弁体を駆動するために必要なトルクが小さくて済む。したがって、弁の凍結を容易に解消することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池システムによれば、外気温が氷点下まで低下したとしても、弁の凍結を抑制、もしくは解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００２３】
図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、空気流路７１を遮断する遮断弁（第１のスィング式遮断弁）Ｂ１１、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。
【００２４】
エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。遮断弁Ｂ１１の構造については後述する。
【００２５】
燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス）は、排出路７２を経て外部に放出される。排出路７２には、圧力調整弁Ａ４、排出路７２を遮断する遮断弁（第２のスィング式遮断弁）Ｂ２１、及び加湿器Ａ２１が設けられている。圧力調整弁Ａ４には、いわゆるバタフライ弁が採用されており、モータによって駆動され、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。遮断弁Ｂ２１は、圧力調整弁Ａ４よりも下流側の空気排出路７２に配置されている。遮断弁Ｂ２１の構造についても後述する。
【００２６】
制御部５０は、コンプレッサＡ３を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００２７】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００２８】
水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。
【００２９】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料ガスのオフガス）として水素循環路７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。
【００３０】
遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００３１】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって加湿器Ａ２１の下流側の排出路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池２０から排出された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００３２】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。また、ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００３３】
燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００３４】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００３５】
遮断弁Ｂ１１は、図２に示すように、矩形の板状の弁体１１０と、弁体１１０のある一辺に沿って固定された駆動軸１１１と、弁座１１２とを備えている。弁座１１２の座面はコンプレッサＡ３に向けて形成されている。遮断弁Ｂ１１は、弁体１１０を燃料電池２０に近づける方向に揺動させ、弁座１１２の座面に密着させることにより空気供給路７１を遮断する。
【００３６】
また、弁体１１０を燃料電池２０から遠ざける方向に揺動させ、弁座１１２の座面から離間させることにより空気供給路７１を開く。弁体１１０は、駆動軸１１１に接続された図示しない駆動部によって駆動する。駆動部は、制御部５０によって制御される。
【００３７】
遮断弁Ｂ１１を内包するブロック１１３には、遮断弁Ｂ１１が全開されたときに弁体１１０が収納される収納部１１４が、空気の流路に面して形成されている。収納部１１４は、弁体１１０の形状にほぼ一致する凹所であって、弁体１１０が収納部１１４に収納されると、弁体１１０によって空気の流れが阻害されることはない。
【００３８】
遮断弁Ｂ２１は、図３に示すように、矩形の板状の弁体２１０と、弁体２１０のある一辺に沿って固定された駆動軸２１１と、弁座２１２とを備えている。弁座２１２の座面は加湿器Ａ２１に向けて形成されている。遮断弁Ｂ２１は、弁体２１０を燃料電池２０に近づける方向に揺動させ、弁座２１２の座面に密着させることにより排出路７２を遮断する。
【００３９】
また、弁体２１０を燃料電池２０から遠ざける方向に揺動させ、弁座２１２の座面から離間させることにより排出路７２を開く。弁体２１０は、駆動軸１１１に接続された図示しない駆動部によって駆動する。駆動部は、制御部５０によって制御される。
【００４０】
遮断弁Ｂ２１を内包するブロック２１３には、遮断弁Ｂ２１が全開されたときに弁体２１０が収納される収納部２１４が、空気の流路に面して形成されている。収納部２１４は、弁体２１０の形状にほぼ一致する凹所であって、弁体２１０が収納部２１４に収納されると、弁体２１０によって空気の流れが阻害されることはない。
【００４１】
上記のように構成された燃料電池システム１においては、システム停止時、遮断弁Ｂ１１，Ｂ２１を閉じ、燃料電池２０の内部、遮断弁Ｂ１１よりも下流側の空気供給路７１、および遮断弁Ｂ２１よりも上流側の排出路７２を含めて閉空間を形成することにより、燃料電池２０内に設けられた触媒の酸化による劣化を抑制するとともに、生成水の燃料電池２０内における凍結を抑制することができる。
【００４２】
このとき、各遮断弁Ｂ１１，Ｂ２１を閉じた後も、燃料電池２０内では残留する空気および水素ガスによる反応が続いて空気が消費されるので、閉空間内は負圧になる。遮断弁Ｂ１１，Ｂ２１は上記の構造を備えており、閉空間内が負圧になると、遮断弁Ｂ１１の弁体１１０および遮断弁Ｂ２１の弁体２１０は、どちらも閉空間に吸い寄せられるようにして各弁座１１２，２１２の座面に密着する。
【００４３】
つまり、両遮断弁Ｂ１１，Ｂ２１を閉じるときの弁体１１０，２１０の駆動トルクが、弁体の前後の圧力差によって生じる付勢力によって補われるので、両遮断弁Ｂ１１，Ｂ２１ともに密閉性が向上する。
【００４４】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、遮断弁Ｂ１１は、弁体１１０と弁座１１２との接触面積が、ポペット弁やボール弁、ゲート弁等の他の遮断弁と比較して小さいので、弁が凍結したとしても、弁体を駆動するために必要なトルクが小さくて済む。遮断弁Ｂ２１についても同様である。したがって、遮断弁Ｂ１１，Ｂ２１の凍結を容易に解消することが可能である。また、スィング式の遮断弁は、ガスの流路を直線的に構成できることから圧力損失の低減が図り易く、かつ開放時の流路の断面積を広く確保することが可能である。
【００４５】
本実施形態の燃料電池システム１において、空気供給路７１には生成水が溜まり易く、凍結の可能性が高い燃料電池２０のカソード側に繋がっている。本実施形態の燃料電池システム１によれば、その空気供給路７１に、上記のごとく凍結時の駆動トルクの小さい遮断弁Ｂ１１が設けられるので、遮断弁Ｂ１１が凍結してもその解消が容易である。
【００４６】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、遮断弁Ｂ１１が全開されたとき、弁体１１０が収納部１１４に収容されるので、弁体１１０が空気の流れを阻害しない。また、遮断弁Ｂ２１が全開されたとき、弁体２１０が収納部２１４に収容されるので、弁体２１０が空気オフガスの流れを阻害しない。したがって、各路を流れるガスの圧力損失が増大するのを抑制することができる。
【００４７】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、遮断弁Ｂ２１が凍結した場合、圧力調整弁Ａ４を適宜作動させて排出路７２内に空気オフガスの圧力変動を発生させ、凍結した遮断弁Ｂ２１の弁体２１０に、圧力変動に起因する衝撃力を加えることによって弁体２１０を駆動するためのトルクを補う。これにより、遮断弁Ｂ２１が凍結してもその解消が容易である。なお、圧力変動に起因する衝撃力をより効果的に弁体２１０に作用させるために、圧力調整弁Ａ４をなるべく遮断弁Ｂ２１の近くに配置することが望ましい。
【００４８】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を説明する。なお、上記第１実施形態においてすでに説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００４９】
本実施形態の燃料電池システムに具備される遮断弁（第１のスィング式遮断弁）Ｂ１２は、図４及び図５に示すように、板状の弁体１１０と、弁体１１０のある端縁に固定された駆動軸１１１と、弁座１１２とを備えている。弁体１１０の駆動軸１１１は、遮断弁Ｂ１２が所定の位置に取り付けられたとき、駆動軸１１１が全閉状態の弁体１１０よりも重力方向の下側になるように配置されている。
【００５０】
遮断弁Ｂ１２を内包するブロック１１３には、収納部１１４が形成されている。また、ブロック１１３には、弁体１１０よりも下流側に位置して、余剰の生成水を捕らえるトラップとしての凹部（生成水捕捉部）１１５が形成されている。凹部１１５は、遮断弁Ｂ１２が所定の位置に取り付けられたとき、重力方向の下側になる面に形成されている。
【００５１】
弁座１１２には、図６に示すように、弁座１１２の開口の縁に沿って環状の突出壁１２０が形成されている。突出壁１２０の先端は、断面がくさび形になるように形成されており、弁体１１０との接触面は円形の細い線のようになる。一方、突出壁１２０の先端に突き当たる弁体１１０の側面には、ゴム等の弾性変形可能な材料からなるシート１２１が貼り付けられている。
【００５２】
突出壁１２０の先端に突き当たると、突出壁１２０の先端が鋭利に形成されていることから、シート１２１に作用する単位面積当たりの押圧力が増大し、突出壁１２０の先端が食い込むようにシート１２１の表面が変形する。
【００５３】
弁体１１０は、駆動軸１１１に接続された図示しない駆動部１３０によって駆動される。駆動部１３０は、図４及び図５に示すように、アクチュエータ１３１と、アクチュエータ１３１と駆動軸１１１とを連結するリンクレバー１３２とを備えている。アクチュエータ１３１は、ケーシング１３３と、ケーシング１３３の内部を２つの空間に区画するダイヤフラム１３４と、ダイヤフラム１３４を付勢するコイルバネ１３５と、ダイヤフラム１３４に接続されたプッシュロッド１３６とを備えている。
【００５４】
ケーシング１３３には、コンプレッサＡ３からバイパスされた抽気管１３７が接続されている。抽気管１３７は、ケーシング１３３の一方の内部空間１３３ａに連通している。ダイヤフラム１３４は、一方の内部空間１３３ａを拡大し他方の内部空間１３３ｂを縮小させる方向にも、一方の内部空間１３３ａを縮小し他方の内部空間１３３ｂを拡大させる方向にも変位可能である。
【００５５】
コイルバネ１３５は、ケーシング１３３の他方の内部空間１３３ｂに配設され、ダイヤフラム１３４を、一方の内部空間１３３ａを縮小し他方の内部空間１３３ｂを拡大させる方向に付勢している。
【００５６】
プッシュロッド１３６の基端は、他方の内部空間１３３ｂに面したダイヤフラム１３４の側面に揺動可能に接続されており、プッシュロッド１３６の先端は、ケーシング１３３に形成された孔を通じてケーシング１３３の外に突き出している。プッシュロッド１３６の先端には、リンクレバー１３２の一端が回動自在に連結されている。リンクレバー１３２の他端は、駆動軸１１１に剛に接続されている。
【００５７】
上記のように構成された遮断弁Ｂ１２を備える燃料電池システムにおいては、システムが起動されると、コンプレッサＡ３によって加圧された空気が抽気管１３７を通じてケーシング１３３の一方の内部空間１３３ａに流入し、ダイヤフラム１３４をコイルバネ１３５の付勢力に抗して押圧する。これにより、ダイヤフラム１３４は一方の内部空間１３３ａを拡大し他方の内部空間１３３ｂを縮小させる方向に変位する。
【００５８】
ダイヤフラム１３４が変位すると、プッシュロッド１３６を介してリンクレバー１３２が押推され、リンクレバー１３２に剛に接続された駆動軸１１１が回転する。そして、システムの起動当初は全閉状態であった弁体１１０が揺動し、収納部１１４に収納されて遮断弁Ｂ１２が全開する。
【００５９】
システムが停止されると、コンプレッサＡ３による空気の加圧が止むことによりダイヤフラム１３４を押圧する力が弱まり、相対的にコイルバネ１３５の付勢力が強まるので、ダイヤフラム１３４は一方の内部空間１３３ａを縮小し他方の内部空間１３３ｂを拡大させる方向に変位する。
【００６０】
ダイヤフラム１３４が反対方向に変位すると、プッシュロッド１３６を介してリンクレバー１３２が引っ張られ、リンクレバー１３２に剛に接続された駆動軸１１１が逆方向に回転する。そして、システムの稼動時には全閉状態であった弁体１１０が揺動し、弁座１１２の座面に当接して遮断弁Ｂ１２が全閉する。
【００６１】
本実施形態の燃料電池システムによれば、突出壁１２０の先端が鋭利に形成されていることから、突出壁１２０の先端にシート１２１が突き当たると、シート１２１に作用する単位面積当たりの押圧力が増大し、突出壁１２０の先端が食い込むようにシート１２１の表面が変形する。これにより、遮断弁Ｂ１２の密閉性が向上する。
【００６２】
ダイヤフラム式のアクチュエータ１３１は、コンプレッサＡ３の出力が同じでも、ケーシング１３３の容量に比例してプッシュロッド１３６の押推力を強めることができる。したがって、弁体１１０の駆動トルクに余裕をもたせることが可能である。また、ダイヤフラム式のアクチュエータ１３１は、ギヤ等の機構を持たないので、作動音が小さく静粛性に優れる。
【００６３】
本実施形態の燃料電池システムによれば、リンクレバー１３２を介して弁体１１０を駆動することにより、弁体１１０を駆動するためのトルクが増大する。これにより、弁の凍結を容易に解消することが可能である。
【００６４】
本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池２０内で生成された水を、遮断弁Ｂ１２に流れ込む前に凹部１１５で捕らえることにより、遮断弁Ｂ１２に付着する生成水の量が少なくなる。これにより、弁の凍結を抑制することができる。さらに、凹部１１５による生成水の捕捉と、システム終了制御に含まれる終了時掃気とを組み合わせれば、遮断弁Ｂ１２内の残水量を大幅に少なくすることが可能になり、弁の凍結抑制をより確実にすることができる。
【００６５】
本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池２０内で生成された水は、重力方向の下側に配置された弁体１１０の駆動軸１１１およびその周辺に付着し、駆動軸１１１から離れた部分にはほとんど付着しない。ところで、スィング式遮断弁の弁体は、凍結個所が駆動軸から近いほど、弁体を駆動するために必要なトルクが小さくて済むことから、駆動軸１１１およびその周辺に付着した生成水が凍って弁が凍結しても、これを容易に解消することができる。
【００６６】
さらに、本実施形態の燃料電池システムによれば、上記第１実施形態と同様に、触媒の劣化抑制等の効果が得られる。
【００６７】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を説明する。なお、上記の各実施形態においてすでに説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００６８】
本実施形態の燃料電池システムに具備される遮断弁（第２のスィング式遮断弁）Ｂ２２は、図７及び図８に示すように、矩形の板状の弁体２１０と、弁体２１０のある一辺に沿って固定された駆動軸２１１と、弁座２１２とを備えている。弁体２１０の駆動軸２１１は、遮断弁Ｂ２２が所定の位置に取り付けられたとき、駆動軸２１１が全閉状態の弁体２１０よりも重力方向の下側になるように配置されている。
【００６９】
遮断弁Ｂ２２を内包するブロック２１３には、収納部２１４が形成されている。また、ブロック２１３には、弁体２１０よりも下流側に位置して、余剰の生成水を捕らえるトラップとしての凹部（生成水捕捉部）２１５が形成されている。凹部２１５は、遮断弁Ｂ２２が所定の位置に取り付けられたとき、重力方向の下側になる面に形成されている。
【００７０】
弁座２１２の形状は、第２実施形態の弁座１１２と同じであり（図６参照）、弁座２１２に突き当たる弁体２１０の側面２１０ａには、第２実施形態と同じくゴム等の弾性変形可能な材料からなるシート２２１が貼り付けられている。これにより、弁体２１０と弁座２１２との間においても第２実施形態と同様の作用が生じ、遮断弁Ｂ２２の密閉性が向上する。
【００７１】
弁体２１０は、捻りコイルバネ２３０によって常時弁座２１２に押し当てられるように付勢されている。また、弁体２１０の中央には、空気オフガスの流れ方向に向けて球面状に突き出すように形成された球面部２１６が、弁座２１２の開口に一致するように形成されている。球面部２１６が形成されることにより、圧力調整弁Ａ４に面する弁体２１０の一方の側面２１０ａには、凹みが形成される。
【００７２】
上記のように構成された遮断弁Ｂ２２を備える燃料電池システムにおいては、システムが起動されると、コンプレッサＡ３によって加圧された空気が空気供給路７１を通じて燃料電池２０に流れ込み、空気オフガス（または空気）が排出路７１に流れ込む。そして、圧力調整弁Ａ４が開かれると、排出路７２に流れ込んだ空気オフガスは、弁体２１０の一方の側面２１０ａに作用し、捻りコイルバネ２３０の付勢力に抗して弁体２１０を押圧する。
【００７３】
これにより、システムの起動当初は全閉状態であった弁体２１０が揺動し、収納部２１４に収納されて遮断弁Ｂ２２が全開する。システムが停止されると、コンプレッサＡ３による空気の加圧が止むことにより弁体２１０を押圧する力が弱まり、相対的に捻りコイルバネ２３０の付勢力が強まる。これにより、システムの稼動時には全閉状態であった弁体２１０が揺動し、弁座２１２の座面に当接して遮断弁Ｂ２２が全閉する。
【００７４】
本実施形態の燃料電池システムによれば、弁体２１０の開閉が、電力を使用する機構ではなく、捻りコイルバネ２３０の付勢力とコンプレッサＡ３による空気の押し込み圧力とのバランスを変化させることによって実現される。したがって、構造が単純で信頼性が高い。また、部品数が少ないため遮断弁Ｂ２２が軽量である。
【００７５】
本実施形態の燃料電池システムによれば、圧力調整弁Ａ４に面する弁体２１０の一方の側面２１０ａには球面部２１６による凹みが形成されているので、コンプレッサＡ３から供給される加圧空気の受圧面積が拡大する。これにより、弁体２１０に作用する押圧力の総和が増大するので、弁体２１０を捻りコイルバネ２３０の付勢力に抗して揺動させる動作を容易に行わせることができる。
【００７６】
本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池２０内で生成された水を、遮断弁Ｂ２２に流れ込む前に凹部２１５で捕らえることにより、遮断弁Ｂ２２に付着する生成水の量が少なくなる。これにより、弁の凍結を抑制することができる。さらに、凹部２１５による生成水の捕捉と、システム終了制御に含まれる終了時掃気とを組み合わせれば、遮断弁Ｂ２２内の残水量を大幅に少なくすることが可能になり、弁の凍結抑制をより確実にすることができる。
【００７７】
本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池２０内で生成された水は、重力方向の下側に配置された弁体２１０の駆動軸２１１およびその周辺に付着し、駆動軸２１１から離れた部分にはほとんど付着しない。ところで、スィング式遮断弁の弁体は、凍結個所が駆動軸から近いほど、弁体を駆動するために必要なトルクが小さくて済むことから、駆動軸２１１およびその周辺に付着した生成水が凍って弁が凍結しても、これを容易に解消することができる。
【００７８】
さらに、本実施形態の燃料電池システムによれば、上記第１実施形態と同様に、触媒の劣化抑制等の効果が得られる。
【００７９】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態を説明する。なお、上記の各実施形態においてすでに説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００８０】
本実施形態の燃料電池システムに具備される遮断弁（第２のスィング式遮断弁）Ｂ２３は、図９に示すように、矩形の板状の弁体２１０と、弁体２１０のある一辺に沿って固定された駆動軸２１１と、弁座２１２とを備えている。弁体２１０の駆動軸２１１は、遮断弁Ｂ２２が所定の位置に取り付けられたとき、駆動軸２１１が全閉状態の弁体２１０よりも重力方向の下側になるように配置されている。
【００８１】
遮断弁Ｂ２３を内包するブロック２１３には、収納部２１４が形成されている。また、ブロック２１３には、弁体２１０よりも下流側に位置して、余剰の生成水を捕らえるトラップとしての凹部２１５が形成されている。凹部２１５は、遮断弁Ｂ２２が所定の位置に取り付けられたとき、重力方向の下側になる面に形成されている。
【００８２】
弁体２１０は、駆動軸２１１に接続された駆動部２４０によって駆動される。駆動部２４０は、アクチュエータ２４１と、アクチュエータ２４１と駆動軸２１１とを連結するリンクレバー２４２とを備えている。アクチュエータ２４１は、サーボモータ等、自らの回転量を検知する手段を有する駆動源２４３と、駆動源２４３の出力軸に固定されたブラケット２４４と、ブラケット２４４に接続されたプッシュロッド２４５とを備えている。
【００８３】
駆動源２４３は、制御部５０によって制御される。プッシュロッド２４５の一端は、ブラケット２４４の先端に回動自在に連結され、プッシュロッド２４５の他端は、リンクレバー２４２の一端に回動自在に連結されている。リンクレバー２４２の他端は、駆動軸２１１に剛に接続されている。
【００８４】
本実施形態の燃料電池システムには、圧力調整弁Ａ４は設けられていない。遮断弁Ｂ２３は、自らの回転量を検知可能な駆動源２４２を有するアクチュエータ２４１によって駆動され、弁体２１０の開度が自在に変更可能であって、圧力調整弁としての機能を兼ね備えている。
【００８５】
上記のように構成された遮断弁Ｂ２３を備える燃料電池システムにおいては、システムが起動されると、制御部５０によってアクチュエータ２４１が駆動され、ブラケット２４４が所定量だけ回動する。ブラケット２４４が回動すると、プッシュロッド２４５を介してリンクレバー２４２が引っ張られ、リンクレバー２４２に剛に接続された駆動軸２１１が回転する。そして、システムの起動当初は全閉状態であった弁体２１０が揺動し、遮断弁Ｂ２３が所定量だけ開く。以後、遮断弁Ｂ２３は制御部５０によって開度を制御され、圧力調整弁として機能する。
【００８６】
システムが停止されると、制御部５０によってアクチュエータ２４１が駆動され、ブラケット２４４が、システムの起動当初とは逆方向に回動する。ブラケット２４４が逆方向に回動すると、プッシュロッド２４５を介してリンクレバー２４２が押推され、リンクレバー２４２に剛に接続された駆動軸２１１が回転する。そして、弁体２１０が揺動し、弁座２１２の座面に当接して遮断弁Ｂ２３が全閉する。
【００８７】
本実施形態の燃料電池システムによれば、弁体２１０の開閉が、サーボモータ等の駆動源２４２を有するアクチュエータ２４１と、ブラケット２４４、プッシュロッド２４５およびリンクレバー２４２からなる単純なリンク機構とによって実現される。したがって、構造が単純で信頼性が高い。また、部品数が少ないため遮断弁Ｂ２３が軽量である。さらに、ギヤ機構を持たないので、作動音が小さく静粛性に優れる。
【００８８】
本実施形態の燃料電池システムによれば、遮断弁Ｂ２３が、圧力調整弁としての機能を兼ね備えているので、システム停止時に弁体２１０が閉じていない場合、駆動源２４３の回転量に基づいて弁体２１０の異常を検出し、警告を発することが可能である。
【００８９】
本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池２０内で生成された水を、遮断弁Ｂ２３に流れ込む前に凹部２１５で捕らえることにより、第３実施形態と同様に、弁の凍結を抑制することができる。さらに、凹部２１５による生成水の捕捉と、システム終了制御に含まれる終了時掃気とを組み合わせ、遮断弁Ｂ２３内の残水量を大幅に少なくして弁の凍結抑制をより確実にすることができる。
【００９０】
本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池２０内で生成された水は、重力方向の下側に配置された弁体２１０の駆動軸２１１およびその周辺に付着し、駆動軸２１１から離れた部分にはほとんど付着しない。したがって、第３実施形態と同様に、駆動軸２１１およびその周辺に付着した生成水が凍って弁が凍結しても、これを容易に解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図２】図１に示す空気供給路の遮断弁の構造を示す断面図である。
【図３】図１に示す排出路の遮断弁の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムに具備される遮断弁の構造を示す断面図である。
【図５】図４に示す遮断弁のV−V線に沿う断面図である。
【図６】図４に示す遮断弁の要部を示す拡大断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムに具備される遮断弁の構造を示す断面図である。
【図８】図７に示す遮断弁のVIII−VIII線に沿う断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムに具備される遮断弁の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１…燃料電池システム、７１…空気供給路、７２…排出路、Ｂ１１…遮断弁（第１のスィング式遮断弁）、Ｂ１２…遮断弁（第１のスィング式遮断弁）、１１０…弁体、１１１…駆動軸、１１２…弁座、１１４…収納部、１１５…凹部（生成水捕捉部）、Ｂ２１…遮断弁（第２のスィング式遮断弁）、Ｂ２２…遮断弁（第２のスィング式遮断弁）、Ｂ２３…遮断弁（第２のスィング式遮断弁）、２１０…弁体、２１１…駆動軸、２１２…弁座、２１４…収納部、２１５…凹部（生成水捕捉部）、１３１…アクチュエータ、１３２，２４２…リンクレバー
【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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【図８】
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【図９】
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