(57)【要約】【課題】燃料電池の内部の燃料ガスが燃料ガス吸入口から逆流することを抑えることができる燃料電池システム、及び、燃料電池システムに用いられる入口側遮断弁を提供する。【解決手段】燃料ガスを燃料電池の燃料ガス吸入口に供給する入口側遮断弁が燃料ガス供給流路に接続されている。入口側遮断弁では、第１弁口３０を形成する第１弁座３１と、第１弁口３０よりも燃料ガス吸入口側に位置して第１弁口３０に対して直列の第２弁口７０を形成する第２弁座７１とを有するボディ３２が設けられている。更に、第１弁口３０を開閉可能とする第１弁体３３、第１弁体３３を開弁及び閉弁させる弁駆動部と、第２弁口７０を開閉可能とする逆止弁体７２、逆止バネ７４が設けられている。逆止バネ７４は、燃料ガスの圧力に負けて逆止弁体７２を第２弁座７１から離間させて開弁させると共に、燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したとき逆止弁体７２を第２弁座７１に圧着させて閉弁させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、
燃料ガス供給源から燃料ガスを前記燃料電池の燃料ガス吸入口に供給する燃料ガス供給流路と、
酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤ガス吸入口に供給する酸化剤ガス供給流路とを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給源からの燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス吸入口に供給する入口側遮断弁が燃料ガス供給流路に接続されており、
前記入口側遮断弁は
前記燃料ガス供給流路に連通する第１弁口を形成する第１弁座と、前記燃料ガス供給流路に連通すると共に前記第１弁口よりも前記燃料電池の前記燃料ガス吸入口側に位置して前記第１弁口に対して直列の第２弁口を形成する第２弁座とを有するボディと、
前記ボディの第１弁口を開閉可能に閉鎖する第１弁体と、
前記第１弁体を開弁及び閉弁させる第１弁体用の弁駆動部と、
前記ボディの前記第２弁口を開閉可能に閉鎖する逆止弁体と、
前記第１弁口を経て前記燃料電池の前記燃料ガス吸入口に供給される燃料ガスの圧力に負けて前記逆止弁体を前記第２弁座から離間させて開弁させると共に、前記燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したとき前記逆止弁体を前記第２弁座に圧着させて閉弁させる付勢力を発揮する逆止バネとを具備してい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において、前記逆止弁体の外周面とボディの内壁面との間の流路の流路有効断面積を相対表示で１００としたとき、前記逆止弁体及び前記逆止バネで構成される前記逆止弁構造における流路有効断面積は、相対表示で１００以上に設定されてい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において、前記逆止弁体及び前記着座部材を保持する保持軸が設けられ、前記逆止バネは前記逆止弁体及び前記着座部材間に介装されており、
前記保持軸及び前記着座部材のうちの少なくとも一方は、他方に対する潤滑性を高める固体潤滑剤層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１〜３のいずれか一項において、前記ボディは、前記燃料供給源側の配管が接続される入口開口と、前記燃料電池の前記燃料ガス吸入口側の配管が接続される出口開口とを有しており、前記入口開口の内径をＷ１とし、前記出口開口の内径をＷ２とすると、Ｗ２はＷ１よりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガス供給源からの燃料ガスを燃料ガス供給流路を経て燃料電池の燃料ガス吸入口に供給する燃料電池システムに用いられる入口側遮断弁において、
前記燃料ガス供給流路に連通する第１弁口を形成する第１弁座と、前記燃料ガス供給流路に連通すると共に第１弁口よりも前記燃料電池の前記燃料ガス吸入口側に位置して第１弁口に対して直列の第２弁口を形成する第２弁座とを有するボディと、
前記ボディの前記第１弁口を開閉可能に閉鎖する第１弁体と、
前記第１弁体を開弁及び閉弁させる第１弁体用の弁駆動部と、
前記ボディの前記第２弁口を開閉可能に閉鎖する逆止弁体と、
前記第１弁口を経て前記燃料電池の前記燃料ガス吸入口に供給される燃料ガスの圧力に負けて前記逆止弁体を前記第２弁座から離間させて開弁させると共に、燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したとき前記逆止弁体を前記第２弁座に圧着させて閉弁させる付勢力を発揮する逆止バネとを具備していることを特徴とする燃料電池システムに用いられる入口側遮断弁。
【請求項６】
請求項５において、前記逆止弁体の外周面とボディの内壁面との間の流路の流路有効断面積を相対表示で１００としたとき、前記逆止弁体及び前記逆止バネで構成される前記逆止弁構造における流路有効断面積は、相対表示で１００以上に設定されていることを特徴とする燃料電池システムに用いられる入口側遮断弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料オフガス排出用の遮断弁を有する燃料電池システム、及び、燃料電池システムに用いられる入口側遮断弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、一般的には、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、燃料ガス供給源から燃料ガスを燃料電池の燃料ガス吸入口に供給する燃料ガス供給流路と、酸化剤ガスを燃料電池の空気吸入口に供給する空気供給流路とを有する（特開平１１−１８５７８９号公報等）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１８５７８９号公報
【０００４】
上記した燃料電池システムによれば、事情により燃料ガス供給流路における燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下することがある。このようなとき、燃料電池内に供給された燃料ガスが燃料ガス吸入口から逆流するおそれがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、燃料電池の内部の燃料ガスが燃料ガス吸入口から逆流することを抑えることができる燃料電池システム、及び、燃料電池システムに用いられる入口側遮断弁を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係る燃料電池システムは、
燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、
燃料ガス供給源から燃料ガスを燃料電池の燃料ガス吸入口に供給する燃料ガス供給流路と、
酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤ガス吸入口に供給する酸化剤ガス供給流路とを有する燃料電池システムにおいて、
燃料ガス供給源からの燃料ガスを前記燃料電池の燃料ガス吸入口に供給する入口側遮断弁が燃料ガス供給流路に接続されており、
入口側遮断弁は
燃料ガス供給流路に連通する第１弁口を形成する第１弁座と、燃料ガス供給流路に連通すると共に第１弁口よりも燃料電池の燃料ガス吸入口側に位置して第１弁口に対して直列の第２弁口を形成する第２弁座とを有するボディと、
ボディの第１弁口を開閉可能に閉鎖する第１弁体と、
第１弁体を開弁及び閉弁させる第１弁体用の弁駆動部と、
ボディの第２弁口を開閉可能に閉鎖する逆止弁体と、
第１弁口を経て燃料電池の燃料ガス吸入口に供給される燃料ガスの圧力に負けて逆止弁体を第２弁座から離間させて開弁させると共に、燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したとき逆止弁体を第２弁座に圧着させて閉弁させる付勢力を発揮する逆止バネとを具備していることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の運転時には、燃料ガス供給源から燃料ガスは、燃料ガス供給流路、開弁状態の入口側遮断弁を経て燃料電池の燃料ガス吸入口に供給される。このとき、燃料ガスは第１弁口を経て逆止弁体に当たり、逆止バネの付勢力が燃料ガスの圧力に打ち負け、即ち、燃料ガスの圧力が逆止バネの付勢力に打ち勝ち、逆止弁体を開弁させ、第２弁口を開放させる。従って燃料ガスは、開放状態の第１弁口及び第２弁口を経て、燃料電池の燃料ガス吸入口に供給される。同様に酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路を経て燃料電池の酸化剤ガス吸入口に供給される。これにより燃料電池で発電が行われる。
【０００８】
本発明によれば、事情により燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したとき、逆止バネの付勢力が打ち勝ち、逆止バネの付勢力により逆止弁体を第２弁座に圧着させて閉弁させる。このため事情により燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したときであっても、燃料電池の内部の燃料ガスが燃料ガス吸入口から逆流することが抑えられる。
【０００９】
（２）本発明に係る燃料電池システムに用いられる入口側遮断弁は、
燃料ガス供給源からの燃料ガスを燃料ガス供給流路を経て燃料電池の燃料ガス吸入口に供給する燃料電池システムに用いられる入口側遮断弁において、
燃料ガス供給流路に連通する第１弁口を形成する第１弁座と、燃料ガス供給流路に連通すると共に第１弁口よりも燃料電池の燃料ガス吸入口側に位置して第１弁口に対して直列の第２弁口を形成する第２弁座とを有するボディと、
ボディの第１弁口を開閉可能に閉鎖する第１弁体と、
第１弁体を開弁及び閉弁させる第１弁体用の弁駆動部と、
ボディの第２弁口を開閉可能に閉鎖する逆止弁体と、
第１弁口を経て燃料電池の燃料ガス吸入口に供給される燃料ガスの圧力に負けて逆止弁体を第２弁座から離間させて開弁させると共に、燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したとき逆止弁体を第２弁座に圧着させて閉弁させる付勢力を発揮する逆止バネとを具備していることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明によれば、燃料電池の運転時には、燃料ガス供給源から燃料ガスは、燃料ガス供給流路、開弁状態の入口側遮断弁を経て燃料電池の燃料ガス吸入口に供給される。このとき、燃料ガスは第１弁口を経て逆止弁体に当たり、逆止バネの付勢力が燃料ガスの圧力に打ち負け、即ち、燃料ガスの圧力が逆止バネの付勢力に打ち勝ち、逆止弁体を開弁させ、第２弁口を開放させる。従って燃料ガスは、開放状態の第１弁口及び第２弁口を経て、燃料電池の燃料ガス吸入口に供給される。
【００１１】
本発明によれば、事情により燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したとき、逆止バネの付勢力が燃料ガスの圧力に打ち勝ち、逆止バネの付勢力により逆止弁体を第２弁座に圧着させて閉弁させる。このため燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したときであっても、燃料電池の内部の燃料ガスが燃料ガス吸入口から逆流することが抑えられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい形態によれば、逆止弁体の外周面とボディの内壁面との間の流路の流路有効断面積を相対表示で１００としたとき、逆止弁体及び逆止バネで構成される逆止弁構造における流路有効断面積は、相対表示で１００以上に設定されていることが好ましい。これにより燃料ガスが逆止弁構造を通過するときにおいて、燃料ガスの絞りを低減または解消でき、燃料ガスの圧力損失の低減を図るのに有利となる。ここで、逆止弁構造における流路有効断面積としては、相対表示で１００〜１５０の範囲内、１００〜１３０の範囲内、あるいは１００〜１１０の範囲内に設定されていることが好ましい。
【００１３】
本発明の好ましい形態によれば、第２弁口よりも燃料電池の燃料ガス吸入口側に位置して設けられガス透過口を有する着座部材が設けられていることが好ましい。この場合、逆止弁体及び着座部材は保持軸に保持されており、逆止バネは逆止弁体及び着座部材間に介装されている形態を例示できる。保持軸及び着座部材のうちの少なくとも一方は、他方に対する潤滑性を高める固体潤滑剤層を有する形態を例示できる。固体潤滑剤層により保持軸と着座部材との間における潤滑性が確保され、逆止弁体の開弁作動性及び閉弁作動性は良好に確保される。
【００１４】
本発明の好ましい形態によれば、ボディは、燃料供給源側の配管が接続される入口開口と、燃料電池の燃料ガス吸入口側の配管が接続された出口開口とを有しており、入口開口の内径をＷ１とし、出口開口の内径をＷ２とすると、Ｗ２はＷ１よりも大きく設定されている形態を例示できる。これにより燃料ガスの圧力損失の低減を図るのに有利となる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。本実施例に係る燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気により発電する燃料電池１０と、燃料供給源１１からの燃料ガス（一般的には水素含有ガス）を燃料電池１０の燃料ガス吸入口１０ａに供給する燃料ガス供給流路１２と、酸化剤ガスとしての空気（酸素含有ガス）を加湿器１４を介して燃料電池１０の空気吸入口１０ｅに供給する酸化剤ガス供給流路としての空気供給通路１３とを有する。
【００１６】
燃料ガス供給流路１２には、燃料電池１０の燃料ガス吸入口１０ａへの燃料ガスの流れを遮断可能な入口側の第１遮断弁２が設けられている。
【００１７】
更に、燃料電池１０のオフガス吐出口１０ｃから、発電後の燃料オフガスが燃料電池１０外に吐出する燃料オフガス流路１５が設けられている。燃料オフガス流路１５には、燃料オフガスの流れを遮断させる出口側の第２遮断弁９００が設けられている。燃料オフガス流路１５の先端部１５ａは逆止弁１９を介して燃料ガス供給流路１２に接続されて、燃料ガス供給流路１２に合流して合流部１２ｘを形成している。
【００１８】
燃料オフガス流路１５は、燃料電池１０のオフガス吐出口１０ｃから吐出された燃料成分を含む燃料オフガスを、再利用のため、合流部１２ｘおよび燃料ガス供給流路１２を介して燃料電池１０の燃料ガス吸入口１０ａに帰還させる機能を有する。即ち、燃料電池１０の発電出力を高めるためには、燃料電池１００の内部においてオフガス吐出口１０ｃの近傍の部位においても発電反応を良好に行うことが好ましい。このため、燃料電池１０のオフガス吐出口１０ｃ付近の燃料オフガスは、発電可能な燃料成分を完全消費しているのではなく、燃料成分を残留させていることが好ましい。このため燃料電池１０のオフガス吐出口１０ｃから吐出された燃料オフガスは、発電可能な燃料成分を残留させている。このため燃料電池１０の運転時には、オフガス吐出口１０ｃから吐出された発電可能な燃料成分を含む燃料オフガスを、出口側の第２遮断弁９００、燃料オフガス流路１５、合流部１２ｘに流入させる帰還処理を行い、燃料電池１０の燃料ガス吸入口１０ａに再び吸い込むことにより、燃料ガスの燃料成分の再利用を図り、燃料成分の消費効率を高めることができる。
【００１９】
なお、前記した燃料電池１０の入口側の第１遮断弁２，燃料電池１０の出口側の第２遮断弁９００は、通常時には閉弁されて遮断作用を発揮しており、燃料電池１０の非運転時には閉弁し、燃料電池１０の運転時には開弁する。
【００２０】
図２は入口側の第１遮断弁２の内部構造を示す。図２に示すように、入口側の第１遮断弁２は、燃料電池１０に供給される発電前の燃料ガスが流れる円形の第１弁口３０をもつリング状の弁座３１をもつボディ３２と、第１弁口３０を開閉可能な円盤状の第１弁体３３と、第１弁体３３が第１弁口３０を閉鎖する閉弁方向（矢印Ｕ２方向）に第１弁体３３を付勢する付勢バネ３４と、第１弁体３３を閉弁方向及び開弁方向に作動させる駆動部３５とを備えている。駆動部３５及び付勢バネ３４は弁駆動部を形成する。
【００２１】
第１遮断弁２のボディ３２は金属または硬質樹脂で形成されており、縦軸形の弁座３１をもつ第１ボディ３２ａと、第１ボディ３２ａに結合された第２ボディ３２ｂと、第１ボディ３２ａに結合された第３ボディ３２ｃとを有する。第１弁口３０は縦方向に延びる軸芯Ｐ１をもち、第１ボディ３２ａに連接された縦軸形のリング状の弁座３１の一端（上端）に形成されている。
【００２２】
第１弁体３３は第１弁口３０と同軸的に設けられており、リング状の弁座３１の先端部（上端部）に着座可能とされている。リング状の弁座３１のうち第１弁口３０よりも下流には円形状の第２弁口３６が形成されている。第２弁口３６は燃料電池１０の燃料ガス吸入口１０ａに連通する
駆動部３５は入口側の第１遮断弁２の開弁力を発生させるものであり、励磁電流が通電可能な巻線で形成されたソレノイド部４０と、ソレノイド部４０により包囲されソレノイド部４０により励磁される固定鉄心４１と、固定鉄心４１に対して接近（矢印Ｕ１方向）または離間（矢印Ｕ２方向）するように第１弁口３０の軸芯Ｐ１に沿って移動する可動鉄心４２とをもつ。可動鉄心４２の一端部である下端部４２ｄには、副弁体５９が固定されている。副弁体５９は第１弁口３０に対向する位置に設けられており、ゴムや軟質樹脂等の弾性材料または金属で形成されている。副弁体５９は第１弁口３０の軸芯Ｐ１に沿って移動可能とされている。
【００２３】
ソレノイド部４０に励磁電流が通電されて、固定鉄心４１が励磁されると、可動鉄心４２が一方向（矢印Ｕ１方向）に固定鉄心４１に向けて移動する。ソレノイド部４０に励磁電流が断電されて、固定鉄心４１が消磁されると、付勢バネ３４により可動鉄心４２が他方向（矢印Ｕ２方向）に移動し、固定鉄心４１から離間する。
【００２４】
図３に示すように、付勢バネ３４は、可動鉄心４２の周囲を包囲するコイルバネ形状をなしており、可動鉄心４２の外径方向に突出した突出座部４２ａと、ボディ３２にシール部材４６を介して固定された固定プレート４４との間に介装されている。固定プレート４４は、ソレノイド部４０を保持する保持部４０ｋによりボディ３２に固定されており、付勢バネ３４の保持性が確保されている。
【００２５】
図３に示すように、付勢バネ３４は、通常の状態では、突出座部４２ａを介して可動鉄心４２を他方向（矢印Ｕ２方向）に付勢している。つまり付勢バネ３４は、副弁体５９が副弁口５８を閉鎖する方向（閉弁方向）に可動鉄芯４２を付勢し、これにより第１弁体３３が第１弁口３０を閉鎖する方向（閉弁方向）に第１弁体３３を付勢している。
【００２６】
図３に示すように、入口側の第１遮断弁２の第１弁体３３は、ボディ３２の第２ボディ３２ｂから延設された環状の延設部３２ｅで形成された案内孔３２ｆ内において、第１弁口３０の軸芯Ｐ１に沿って移動可能に設けられている。
【００２７】
図３に示すように、この第１弁体３３は、副弁体５９に対面するように副弁体５９の下方にこれと対面するように配置された金属製の筒形状をなす中心弁体５０と、中心弁体５０の軸長方向の中間域に保持され円盤状をなす弾性弁体５１と、弾性材料で形成された変形可能な膜状のダイヤフラム５２と、リング形状をなす第１バネ着座部材５３と、リング形状をなす第２バネ着座部材５４と、第１バネ着座部材５３と第２バネ着座部材５４とに着座して保持された中間バネ５５とを有する。
【００２８】
弾性弁体５１は、中心弁体５０の外周面５０ｏよりも外径方向に延設されており、ゴムや軟質樹脂等の弾性材料を基材として形成されている。第２バネ着座部材５４は、第２ボディ３２ｂの段部３２ｘに着座されて固定されている。このように第２バネ着座部材５４は第２ボディ３２ｂに固定されているため、中間バネ５５は第１バネ着座部材５３を矢印Ｕ１方向に付勢して第１バネ着座部材５３を持ち上げており、ひいては弾性弁体５１の姿勢を安定化させている。この結果、中間バネ５５は下記の差圧ΔＰが小さなときであっても、弾性弁体５１の開弁動作を高める機能を奏する。なお中間バネ５５の付勢力は、付勢バネ３４の付勢力よりも小さく設定されている。
【００２９】
図３に示すように、第１弁体３３の中心弁体５０には、前記した軸芯Ｐ１方向（縦方向）に沿って延びる副弁口５８が形成されている。副弁口５８は、第１弁口３０の開口面積よりも小さな開口面積を有する。
【００３０】
第１弁体３３の中心弁体５０の他端部である下端部に形成された雄ねじ部５０ｃに、金属ワッシャ部材５７を介してナット５６（締結手段）の雌ねじ部５６ｃを螺合し、これにより中心弁体５０の段部５０ｘに第１バネ着座部材５３、第２バネ着座部材５４、ダイヤフラム５２が係合した状態で同軸的に一体的に連結されている。このとき、第１バネ着座部材５３、第２バネ着座部材５４、ダイヤフラム５２は、前記した軸芯Ｐ１に対して同軸的配置とされている。この状態では、中心弁体５０、弾性弁体５１、ダイヤフラム５２は一体的に動作できる。
【００３１】
本実施例によれば、図３に示すように、弾性弁体５１の外径は、リング状の弁座３１の外径とほぼ対応しており、且つ、第１弁口３０の内径よりも大きく設定されている。弾性弁体５１は、第１弁口３０の軸芯Ｐ１に沿って移動してリング状の第１弁座３１に突き合わせ状態で当たり、第１弁口３０を閉鎖可能とされている。弾性弁体５１はゴムや軟質樹脂等の弾性材料を基材とするため、弾性変形するものであり、第１弁口３０を良好にシールできる。
【００３２】
ダイヤフラム５２は、ボディ３２内の空間を主室６１と副室６２とに仕切るものである。ダイヤフラム５２の外周部５２ｄは弾性弁体５１の外周面よりも外方に延設されており、第１ボディ３２ａと第２ボディ３２ｂとで挟持固定されている。主室６１は、燃料ガス供給流路１２に連通する。副室６２は、副弁口５８を介して第２弁口３６に連通する。
【００３３】
ダイヤフラム５２は、主室６１及び副室６２を連通させる適数個の絞り孔５２ｃをもつ。絞り孔５２ｃは、主室６１及び副室６２間で差圧を発生させる。絞り孔５２ｃはダイヤフラム５２の厚み方向に貫通されており、絞り孔５２ｃの前後で、つまり、主室６１及び副室６２で差圧ΔＰを形成可能である。
【００３４】
副弁口５８の入口５８ａは副室６２に連通可能である。副弁口５８の出口５８ｃは第２弁口３６に対面する。
【００３５】
前記した副弁体５９は、第１弁体３３の副弁口５８の入口５８ａを開閉可能とされている。図３に示すように、副弁体５９は副弁口５８を閉鎖するときには、副弁体５９は、軸芯Ｐ１方向に沿って移動して副弁口５８の入口５８ａに突き合わせ状態に着座する。駆動部３５により可動鉄心４２が他方向（矢印Ｕ２方向）へ移動して副弁体５９が同方向に移動するとき、副弁体５９が副弁口５８の入口５８ａに着座し、副弁口５８が閉鎖される（図３参照）。
【００３６】
図３は第１遮断弁２の第１弁体３３が第１弁口３０を閉鎖している状況を示す。図３に示すように、第１弁体３３が閉弁して第１弁口３０を閉鎖しているときには、副弁体５９が閉弁して副弁口５８を閉鎖している。燃料電池１０が運転されないときには、ソレノイド部４０には励磁電流が通電されず、付勢バネ３４の付勢力により可動鉄心４２は他方向（矢印Ｕ２方向）に移動しているため、副弁体５９が副弁口５８を閉鎖しており、ひいては第１弁体３３が閉弁して第１弁口３０が閉鎖されている。このように副弁口５８及び第１弁口３０が閉鎖されているときには、主室６１及び副室６２はダイヤフラム５２の絞り孔５２ｃを介して連通しているため、主室６１の圧力をＰＡとし、副室６２の圧力をＰＢとすると、圧力ＰＡと圧力ＰＢとはほぼ等圧とされる。
【００３７】
燃料電池１０が運転されるときには、図略の制御装置により入口側の第１遮断弁２及び出口側の第２遮断弁９００が開放される。第１遮断弁２を開放させるために、制御装置により第１遮断弁２の駆動部３５のソレノイド部４０に励磁電流が通電される。すると、固定鉄心４１が励磁され、付勢バネ３４の付勢力に抗しつつ、可動鉄心４２が突出座部４２ａ及び副弁体５９と共に一方向（上方向、矢印Ｕ１方向）に磁気吸引により移動し、図４に示すように、副弁体５９が開弁して副弁口５８が開放される。上記したように図４に示すごとく副弁口５８が開放されると、副室６２に貯留されていた燃料ガスは第１弁体３３の副弁口５８から矢印Ｃ１方向（図４参照）に流れ、第２弁口３６側に吐出される。
【００３８】
上記したように副室６２に貯留されていた燃料ガスは第１弁体３３の副弁口５８から矢印Ｃ１方向（図４参照）に流れると、副室６２の圧力ＰＢが低下し、絞り孔５２ｃの絞り作用により、主室６１の圧力ＰＡと副室６２の圧力ＰＢとの差圧ΔＰ（圧力ＰＡ−圧力ＰＢ）が増大する。これにより差圧ΔＰを減少させる方向に、つまり、副室６２の容積を小さくさせると共に主室６１の容積を増加させるように、ダイヤフラム５２が一方向（矢印Ｕ１方向）に変形する。ダイヤフラム５２は弾性弁体５１の外径よりも径大であり、ダイヤフラム５２の受圧面積が大きいため、ダイヤフラム５２を変形させる力が確保され、ダイヤフラム５２を良好に変形させることができる。
【００３９】
この結果、図５に示すように、ダイヤフラム５２と一体的な第１弁体３３の弾性弁体５１が一方向（上方向，矢印Ｕ１方向）に移動して第１弁座３１から離れ、第１弁口３０を開放させる。このように第１遮断弁２の第１弁口３０が開放されると、燃料供給源１１から搬送された燃料ガスは、第１遮断弁２の第１弁口３０から矢印Ｅ１方向（図５参照）に第２弁口３６側に流入する。
【００４０】
ところで、車載用の燃料電池１０等のように、燃料電池１０の発電出力を高めるときには、大流量の燃料ガスを燃料電池１０に供給するものである。この点本実施例によれば、第１弁口３０が開放されたときには、燃料ガスは第１弁口３０の外周面の全周から流入することができるため、大流量の燃料ガスを第１弁口３０に流入させることができる利点が得られる。しかもこのように燃料ガスの大流量の流入性を確保できるものの、第１弁体３３の弾性弁体５１が一方向（上方向，矢印Ｕ１方向）に移動するストロークは小さくて済む。よって駆動部３５による可動鉄心４２の移動ストロークを短くでき、第１遮断弁２の小型化に貢献できる。
【００４１】
本実施例によれば、図２に示すように、入口側の第１遮断弁２のボディ３２は、燃料供給源１１側の燃料ガス供給流路１２を構成する配管９０が嵌合されて接続される入口開口３２ｍと、燃料電池１０の燃料ガス吸入口１０ａ側の配管９１が嵌合されて接続される出口開口３２ｎとを有する。入口開口３２ｍの内径をＷ１とし、出口開口３２ｎの内径をＷ２とすると、Ｗ２はＷ１よりも大きく設定されている。従って、燃料供給源１１側の配管９０の内径はＷ１とされ、燃料ガス吸入口１０ａ側の配管９１の内径はＷ２とされている。具体的にはＷ２／Ｗ１＝１．０２〜１．３０の範囲とされている。なお、燃料ガス吸入口１０ａ側の配管９１には圧力センサ９４が装備されている。
【００４２】
次に入口側の第１遮断弁２の逆止構造について説明する。図２〜図６に示すように、逆止構造は、入口側の第１遮断弁２のボディ３２内に燃料ガス供給流路１２及び第１弁口３０に連通するように形成された第２弁口３６を形成するリング状の第２弁座７１と、第２弁口３６を開閉可能に閉鎖する円盤状の逆止弁体７２と、逆止弁体７２を閉弁方向（矢印Ｘ２方向）に付勢して逆止弁体７２を第２弁座７１に圧着させて閉弁させる付勢力を発揮する逆止バネ７４とを有する。
【００４３】
第２弁口３６は、第１弁口３０よりも下流側、つまり、燃料ガス吸入口１０ａ側に位置するように、第１弁口３０に対して直列に配置されている。第２弁口３６の軸芯Ｐ２に沿った断面（図２参照）において、第２弁口３６の軸芯Ｐ２は、第１弁口３０の軸芯Ｐ１と交差する方向、殊に直交する方向とされている。逆止弁体７２は、ゴムや樹脂などの弾性材料で形成されており、逆止弁体７２の背面側に着座板７３を有する。
【００４４】
更に図２に示すように、第２弁口３６の下流には着座部材８０が設けられている。着座部材８０は、第１ボディ３２ａと第３ボディ３２ｃとで挟持されて固定されている。着座部材８０は、第２弁口３６よりも燃料電池１０の燃料ガス吸入口１０ａ側に位置している。図７に示すように、着座部材８０は逆止弁体７２と同軸的な円盤形状をなしており、軸孔８０ｐをもつボス部８１と、ボス部８１の外周側において厚み方向に貫通すると共に内縁８２ａ，外縁８２ｂをもつ複数個のガス透過口８２と、径方向へのびる接続部８４とを有する。ガス透過口８２は第２弁口３６，燃料ガス吸入口１０ａに連通する。
【００４５】
図３に示すように、逆止弁体７２の軸孔７２ｐは保持軸８５に挿通されて係止されている。着座部材８０の軸孔８０ｐは、保持軸８５に第２弁口３６の軸芯Ｐ２方向に沿ってスライド可能に挿通されており、着座部材８０は保持軸８５の外周側に位置している。そして、保持軸８５の先端部の雄ねじ部８５ｔにナット部材８７（締結部材）の雌ねじ部８７ｔを螺着させることにより、逆止弁体７２及び着座部材８０は保持軸８５の外周に一体的に保持されている。逆止弁体７２、逆止バネ７４、着座部材８０及び保持軸８５は、逆止弁構造を構成している。
【００４６】
図３に示すように、逆止バネ７４はコイルバネであり、着座板７３と着座部材８０との間に介装されており、逆止弁体７２を閉弁方向（矢印Ｘ２方向）に付勢し、逆止弁体７２を第２弁座７１に圧着させて閉弁させる。
【００４７】
ところで、燃料ガス供給流路１２の燃料ガスの圧力が設定値未満であると、第１弁口３０が開放されたとしても、逆止バネ７４の付勢力が燃料ガスの圧力に打ち勝ち、逆止バネ７４の付勢力により逆止弁体７２が矢印Ｘ２方向に移動し、第２弁座７１に圧着する。この結果、第２弁口３６は閉鎖状態に維持される。
【００４８】
これに対して燃料電池１０の運転時のように、燃料ガス供給流路１２の燃料ガスの圧力が設定値以上であると、図６に示すように、矢印Ｅ２方向に流れる燃料ガスの圧力が逆止バネ７４の付勢力に打ち勝ち、つまり、逆止バネ７４の付勢力が燃料ガスの圧力に負け、逆止バネ７４が弾性収縮し、逆止弁体７２は保持軸８５と共に燃料電池１０の燃料ガス吸入口１０ａに向けて矢印Ｘ１方向に後退して開弁する。このとき着座部材８０はボディ３２に固定されたままである。
【００４９】
なお、燃料電池１０の常用運転領域のとき、矢印Ｘ１方向に後退した逆止弁体７２は、図６に示すように着座部材８０のボス部８１の端面に当接するように設定されている。常用運転領域は燃料電池１０において燃料ガスの流量の頻度が高い領域を意味する。例えば、車両に搭載される燃料電池システムの場合には車両走行速度が２０〜１００ｋｍ／ｈｒの範囲内であることを意味する。
【００５０】
本実施例によれば、図６に示すように、燃料電池１０の燃料ガス吸入口１０ａに向けて矢印Ｘ１方向に後退して逆止弁体７２が開弁するときには、着座部材８０をボディ３２に固定させたまま、逆止弁体７２と共に保持軸８５が矢印Ｘ１方向に後退する。このため保持軸８５及び着座部材８０の相対的なスライドは容易であることが好ましい。この点本実施例によれば、図６に示すように、保持軸８５の外周面には摩擦面積を低減させる溝８５ｆ（凹部）が形成されており、更に着座部材８０のうち少なくとも軸孔８０ｐの内周面、保持軸８５の外周面には、それぞれ、潤滑性を高める固体潤滑剤層８３が形成されている。これにより保持軸８５及び着座部材８０のスライド性が良好に確保され、逆止弁体７２の閉弁作動及び開弁作動が円滑となる。なお、固体潤滑剤層８３としては潤滑性を有するものであればよく、フッ素樹脂系、黒鉛系、二流化モリブデン系を例示できる。固体潤滑剤層８３としては、着座部材８０及び保持軸８５のうちの一方に形成しても良い。
【００５１】
図６は、逆止弁体７２が開弁作動して第２弁口３６が開放された状態を示す。図６において第２弁口３６の流路をＳ１（図６参照）とする。また図６に示すように、逆止弁体７２の前端面７２ｉと第２弁座７１とで形成されるリング状の流路をＳ２とする。逆止弁体７２の着座板７３の外周面７２ｈとボディ３２の内壁面３２ｉとで形成されるリング状の流路をＳ３とする。すると、図６に示すように、燃料ガスは、逆止弁体７２の前端面７２ｉに衝突すると共に、流路Ｓ１→流路Ｓ２→流路Ｓ３→着座部材８０のガス透過口８２→配管９１、燃料ガス吸入口１０ａの順に流れる。図６に示すように、前記した流路Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は第２弁口３６の軸芯Ｐ２の周りに形成されているため、燃料ガスは逆止弁体７２の前端面７２ｉに衝突し、逆止弁体７２の保持軸８５の周囲に分散して流れるため、燃料ガスは前記軸芯Ｐ２の周方向に分散して流れることができる。
【００５２】
ところで、燃料ガス供給流路１２から供給される燃料ガスの圧力が事情により設定圧よりも低下することがある。例えば、燃料ガス供給流路１２が破損等したときである。この点本実施例によれば、燃料ガス供給流路１２から供給される燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したとき、逆止バネ７４の付勢力により逆止弁体７２を第２弁座７１に圧着させて自動的に且つ強制的に閉弁させる（図２参照）。このため燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したときであっても、燃料電池１０の内部の燃料ガスが燃料ガス吸入口１０ａから逆流することが抑えられる。即ち、燃料電池１０の燃料ガス吸入口１０ａからの燃料ガスの放出が抑えられる。
【００５３】
本実施例によれば、図６において、第２弁口３６の流路Ｓ１の流路有効断面積をＡｒｅａ１とする。逆止弁体７２の軸端面７２ｉと第２弁座７１とで形成されるリング状の流路Ｓ２の流路有効断面積をＡｒｅａ２とする。逆止弁体７２の着座板７３の外周面７２ｈとボディ３２の内壁面３２ｉとで形成されるリング状の流路Ｓ３の流路有効断面積をＡｒｅａ３とする。そして着座部材８０の複数のガス透過口８２の合計流路有効断面積をＡｒｅａ４とする。
【００５４】
ここで本実施例によれば、前記したリング形状の流路Ｓ３の流路有効断面積Ａｒｅａ３を相対表示で１００としたとき、前記した逆止弁体７２及び逆止バネ７４で構成される逆止弁構造における各部の流路の流路有効断面積Ａｒｅａ１，２，４としては、燃料電池１０の常用領域において、相対表示で１００以上に設定されている。例えば１００〜１５０または１００〜１２０に設定されている。
【００５５】
殊に、流路Ｓ３の流路有効断面積Ａｒｅａ３を相対表示で１００としたとき、流路有効断面積Ａｒｅａ１，Ａｒｅａ２，Ａｒｅａ４は、相対表示で１００以上（例えば１００〜１４０，１００〜１２０）に設定されている。このため図６に示す逆止構造を燃料ガスが流れるとき、燃料ガスの絞り現象が低減され、燃料ガスの流れが円滑となる。故に、燃料ガスが逆止弁構造を流れるとき、燃料ガスの圧力損失の低減を図るのに有利となる。なお、図６に示すように、着座部材８０のボス部８１の外周側は流路有効断面積が増加しているが、流路有効断面積が減少しているのではないので、絞りよる圧力損失の問題は発生しない。
【００５６】
この場合、Ａｒｅａ３≒Ａｒｅａ１≒Ａｒｅａ２≒Ａｒｅａ４、あるいは、Ａｒｅａ３＝Ａｒｅａ１＝Ａｒｅａ２＝Ａｒｅａ４に設定することができる。なお、第２弁口３６の流路有効断面積Ａｒｅａ１は、保持軸８５が存在しない状態における第２弁口３６の流路全面積Ａｒｅａ８から、保持軸８５の軸端面の面積Ａｒｅａ９を引いた値とする。
【００５７】
更に本実施例によれば、前述したように、入口側の第１遮断弁２のボディ３２の入口開口３２ｍの内径をＷ１とし、出口開口３２ｎの内径をＷ２とすると、Ｗ２はＷ１よりも大きく設定されている。従って、燃料供給源１１側の配管９０の内径はＷ１とされ、燃料ガス吸入口１０ａ側の配管９１の内径はＷ２とされている（Ｗ２＞Ｗ１）。このため燃料ガスが第１遮断弁２の逆止構造を流れるときにおける圧力損失の低減を図るのに有利となる。
【００５８】
加えて本実施例によれば、図２に示すように、第１弁口３０と第２弁口３６とは共通のボディ３２内に組み込まれているため、第１遮断弁２の小型化に有利であるばかりか、ボディ３２のうち第１弁口３０と第２弁口３６と距離を短縮でき、ひいてはボディ３２のうち第１弁口３０と第２弁口３６との間の室３２ｋの室容積を小さくすることができる。この結果、第１弁口３０及び第２弁口３６の開放後の閉鎖に伴い、ボディ３２の室３２ｋ内に燃料ガスが残留するときであっても、その残留量を少なくすることができる利点が得られる。更に入口側の圧力が設定値より低下しても、ボディ３２の室３２ｋの室容積が小さいため、ガスが逆流する量を低減できる。
【００５９】
（その他）
上記した実施例においては、第１弁口３０は上下方向に貫通していても良いし、斜め方向、横方向に貫通していても良い。本実施例においては、弾性弁体５１、逆止弁体７２は、ゴムや軟質樹脂等の弾性材料を基材として形成されているが、金属で形成されていても良い。本実施例においては、駆動部３５は、ソレノイド部４０と固定鉄心４１と可動鉄心４２とをもつが、これに限定されず、要するに入口側の第１遮断弁２の第１弁口３０を開放させ得るものであれば良い。逆止バネ７４はコイルバネとされているが、これに限らず、板バネ、皿バネでもよく、要するに、逆止弁体７２を閉弁方向に付勢し、逆止弁体７２を第２弁座７１に圧着させて閉弁させるものであれば良い。
【００６０】
燃料電池１０は車両搭載用でも、定置用でも良い。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。発明の実施の形態、実施例に記載の語句は一部であっても、請求項に記載できるものである。
【００６１】
【発明の効果】
事情により燃料電池に供給される燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下することがある。例えば、燃料ガス供給流路の破損等に起因するときである。この点本発明に係る燃料電池システム及び入口側遮断弁によれば、燃料ガス供給流路の燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したとき、逆止バネの付勢力により逆止弁体を第２弁座に圧着させて閉弁させ第２弁口を自動的且つ強制的に閉鎖させることができる。このため燃料ガス供給流路の燃料ガスの圧力が設定圧よりも低下したときであっても、燃料電池の内部の燃料ガスが燃料ガス吸入口から逆流することが抑えられる。これにより燃料電池からの燃料ガスの放出が抑えられる。
【００６２】
更に本発明に係る燃料電池システム及び入口側遮断弁によれば、第１弁口と第２弁口とは共通のボディ内に組み込まれているため、入り口側の遮断弁の小型化に有利であるばかりか、ボディのうち第１弁口と第２弁口と距離を短縮でき、ひいてはボディのうち第１弁口と第２弁口との間の室の室容積を小さくすることができる。この結果、第１弁口及び第２弁口の閉鎖に伴い、ボディの室内に燃料ガスが残留するときであっても、その残留量を少なくすることができる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムを示す全体図である。
【図２】燃料電池システムに使用されている第１遮断弁の第１弁口及び第２弁口の双方が閉弁されている状態を模式的に示す全体の断面図である。
【図３】燃料電池システムに使用されている第１遮断弁の第１弁口及び第２弁口が閉鎖している状態を模式的に示す要部の断面図である。
【図４】燃料電池システムに使用されている第１遮断弁の第２弁口が閉鎖した状態で、第１弁口が閉鎖していると共に副弁口が開放している状態を模式的に示す要部の断面図である。
【図５】燃料電池システムに使用されている第１遮断弁の第２弁口が閉鎖した状態で、第１弁口及び副弁口が開放している状態を模式的に示す要部の断面図である。
【図６】燃料電池システムに使用されている第１遮断弁の第２弁口が開弁している状態を模式的に示す要部の断面図である。
【図７】第１遮断弁の着座部材の正面図である。
【符号の説明】
図中、１０は燃料電池、１３は空気供給流路（酸化剤ガス供給流路）１５は燃料オフガス流路、１７は処理流路、３は第２遮断弁、３０は第１弁口、３３は第１弁体、３２ｍは入口開口、３２ｎは出口開口、３４は付勢バネ（弁駆動部）、３５は駆動部（弁駆動部）３６は第２弁口、７１は第２弁座、７２は逆止弁体、７４は逆止バネ、８０は着座部材、８２はガス透過口、８３は固体潤滑剤層を示す。
【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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