(57)【要約】【課題】  低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力の条件をバランスよく満たした開閉弁を用いることで、システム効率を高めることのできる燃料電池システムを提案する。【解決手段】  本発明の燃料電池システム（１０）は燃料ガスを貯蔵する燃料貯蔵装置（２０）と、燃料電池と燃料ガス貯蔵装置（２０）を接続する燃料ガス供給路（３１）と、燃料ガス供給路（３１）上に設けられ燃料ガス供給路（３１）の開度を調整する開閉弁（４３）とを備える。開閉弁（４３）は少なくとも燃料貯蔵装置（２０）から放出される燃料ガスの圧力を利用して開閉駆動される差圧弁である。燃料ガスの圧力で差圧弁を開閉制御するので大きな動作電力を必要とせずに弁の開閉を行うことが可能となり、低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力の条件をバランスよく満たすことができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを貯蔵する反応ガス供給源と、燃料電池と前記反応ガス供給源を接続する反応ガス供給路と、前記反応ガス供給路上に設けられ前記反応ガス供給路の開度を調整する開閉弁とを備え、前記開閉弁は少なくとも前記反応ガス供給源から放出される反応ガスの圧力を利用して開閉駆動される差圧弁である、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、前記差圧弁は前記反応ガス供給路から分岐して前記差圧弁の信号圧室に連通するバイパス流路を伝播する反応ガスの圧力によって開閉駆動される、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、前記反応ガス供給路には反応ガスの圧力を減圧するためのレギュレータが配設されており、前記バイパス流路は前記レギュレータよりも上流側の前記反応ガス供給路から分岐配管されている、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、前記反応ガス供給源は反応ガスを高圧状態で貯蔵する高圧ガスタンクである、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反応ガス系統に開閉弁を備えた燃料電池システムに関し、特に、システム効率を高めるための改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両などの電源装置として、燃料ガスと酸化ガスの酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池システムが用いられている。この種の燃料電池システムにおいては、例えば、特開２００３−１７８７７９号公報に開示されているように、ガス配管系統（燃料ガス系統、酸化ガス系統）に各種の遮断弁が用いられているが、その多くは電磁遮断弁である。ガス配管系統に配設される遮断弁としては、システム効率を高めるために、低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力（低動作電力）であることがバランスよく要求される。
【特許文献１】特開２００３−１７８７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、低圧力損失かつ大流量の流量特性を満たすには弁流路を大きく確保する必要がある。弁流路を大きくとると、弁の開閉部分に加わる流体の圧力が大きくなるので、弁を開閉駆動するための駆動力が大きくなる。弁の締め切り性や応答性を向上させるためにも大きな駆動力を必要とするが、弁の駆動力を大きくすると補機電力が増大するので、燃費は悪化し、システム効率は低下する。
【０００４】
例えば、電動モータを用いて弁の開閉を行うと、小型化が難しく、しかも良好な応答性が得られない。電磁石で弁を開閉させる直動電磁弁を用いると、低圧力損失かつ大流量を確保するには弁が大型になってしまい、駆動力も大きくなる。パイロット式電磁弁は小型ではあるが、動作時の弁前後の差圧が小さいと良好な締め切り性と応答性を得ることができず、更に逆流も防げない。エア駆動弁は小型であるものの、エア駆動弁に信号圧を供給するためのエアコンプレッサが必要となり、装置の大型化と補機電力の増大を招くので好ましくない。
【０００５】
そこで、本発明は低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力の条件をバランスよく満たした開閉弁を用いることで、システム効率を高めることのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、反応ガスを貯蔵する反応ガス供給源と、燃料電池と反応ガス供給源を接続する反応ガス供給路と、反応ガス供給路上に設けられ反応ガス供給路の開度を調整する開閉弁とを備え、開閉弁は少なくとも反応ガス供給源から放出される反応ガスの圧力を利用して開閉駆動される差圧弁である。反応ガスの圧力で差圧弁を開閉制御するので、大きな動作電力を必要とせずに弁の開閉を行うことが可能となり、低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力の条件をバランスよく満たすことができる。
【０００７】
差圧弁に駆動用ガスを供給するには、例えば、反応ガス供給路から分岐して差圧弁の信号圧室に連通するバイパス流路を配管し、このバイパス流路を伝播する反応ガスの圧力によって差圧弁を開閉駆動する構成が好ましい。かかる構成により、反応ガスの圧力を信号圧として差圧弁に伝播させることができる。
【０００８】
ここで、反応ガス供給路には反応ガスの圧力を減圧するためのレギュレータが配設されており、バイパス流路はレギュレータよりも上流側の反応ガス供給路から分岐配管されているのが望ましい。バイパス流路を反応ガス供給路のレギュレータの上流側より分岐させることで、駆動用ガスを高圧に調整することができ、反応ガス供給路との差圧を利用して差圧弁を開閉制御できる。
【０００９】
反応ガス供給源としては、例えば、反応ガスを高圧状態で貯蔵する高圧ガスタンクが好適である。高圧の反応ガスを差圧弁の駆動用ガスとして利用することで、差圧弁を開閉制御できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、反応ガスの圧力で差圧弁を開閉制御するので、大きな動作電力を必要とせずに弁の開閉を行うことが可能となり、低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力の条件をバランスよく満たすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本実施形態の燃料電池システム１０の燃料ガス系統を中心とするシステム構成図である。同システムの燃料ガス系統には、主として、燃料ガス（反応ガス）を貯蔵する燃料貯蔵装置（反応ガス供給源）２０と、燃料貯蔵装置２０に貯蔵された燃料ガスを燃料電池（セルスタック）に供給するための燃料ガス供給路（反応ガス供給路）３１と、燃料ガス供給路３１を流れる燃料ガスを遮断する差圧弁４３と、燃料ガス供給路３１から分岐して差圧弁４３の信号圧室に連通するバイパス流路（分岐流路又は迂回流路）３２が配設されている。差圧弁４３は開閉弁又は遮断弁として機能する。燃料貯蔵装置２０は燃料ガスを高圧に圧縮して貯蔵するための装置であり、例えば、燃料ガスを３００気圧〜７００気圧程度の圧力で充填する高圧水素タンク（高圧ガスタンク）などが好適である。燃料ガス供給路３１には、高圧に圧縮された燃料ガスを中圧（中間圧力）に減圧するための中圧レギュレータ（中圧減圧弁）４１と、中圧に減圧された燃料ガスを更に低圧（通常運転圧力）に減圧するための低圧レギュレータ（低圧減圧弁）４２と、上述した差圧弁４３の各々が上流から下流にかけて順に配設されている。説明の便宜上、燃料ガス供給路３１のうち中圧レギュレータ４１の上流側の流路を３１ａ、中圧レギュレータ４１と低圧レギュレータ４２の間の流路を３１ｂ、低圧レギュレータ４２と差圧弁４３の間の流路を３１ｃ、差圧弁４３の下流側の流路を３１ｄとし、各々の流路３１ａ〜３１ｄのガス圧をＰ１〜Ｐ４とする。
【００１２】
図２に示すように、差圧弁４３はボディ７１の内部空間がダイヤフラム７２によって上下２つの内部空間に画成されており、一方は信号圧室７３、他方は燃料ガス供給路３１である。信号圧室７３はバイパス流路３２より伝播される燃料ガス（駆動用ガス）の圧力を導入するための導入孔８３が形成された密閉空間である。燃料ガス供給路３１はボディ７１に形成された入口ポート８１と出口ポート８２を連通するガス流路であり、その流路には弁体７４を着座させるための弁座７５が形成されている。入口ポート８１は燃料ガス流路３１ｃに連通し、出口ポート８２は燃料ガス流路３１ｄに連通する。弁体７４が弁座７５に着座（閉弁）することによって燃料ガス供給路３１は遮断され、弁体７４が弁座７５から離間（開弁）することによって燃料ガス供給路３１はスルー状態になる。弁体７４はスプリング７６，７７によって弁座７５に押し付けられる方向に付勢されている。信号圧室７３に導入される燃料ガスの圧力（信号圧）が低圧の場合にはスプリング７６，７７の付勢力に抗して弁体７４を弁座７５から離間する方向に押し上げることが出来ないため、差圧弁４３は閉弁する。一方、信号圧室７３に導入される燃料ガスの圧力が高圧の場合にはスプリング７６，７７の付勢力に抗して弁体７４を弁座７５から離間することが出来るため、差圧弁４３は開弁する。このような差圧弁４３としては、燃料ガスの流路面積を大きく確保することにより低圧力損失のバルブとして構成するのが望ましい。また、差圧弁４３としては、燃料ガス供給路３１の開度を「全閉」と「全開」との間でその開度を目標開度に調整するリニア弁でもあってもよく、全開（連通）／全閉（遮断）の２位置に切り換え可能な２位置開閉弁であってもよい。
【００１３】
一方、バイパス流路３２には、燃料ガス供給路３１から分岐して差圧弁４３に供給される駆動用ガスを減圧するレギュレータ（減圧弁）４４と、制御部（ＥＣＵ）５０によって開閉制御される３ポート電磁弁４５の各々が上流から下流にかけて順に配設されている。説明の便宜上、バイパス流路３２のうちレギュレータ４４の上流側の流路を３２ａ、レギュレータ４４と３ポート電磁弁４５の間の流路を３２ｂ、３ポート電磁弁４５と差圧弁４３の間の流路を３２ｃとする。３ポート電磁弁４５はポートＡ１〜Ａ３を備えており、ポートＡ１はバイパス流路３２ｂに、ポートＡ２はバイパス流路３２ｃに、ポートＡ３は駆動用ガス排気通路３３を介して燃料ガス供給路３１ｂに、それぞれ連通している。駆動用ガス排気通路３３にはバイパス流路３２から燃料ガス供給路３１に排気される駆動用ガスの逆流を防止するための逆止弁４６が配設されている。ここで、バイパス流路３２ｂ、バイパス流路３２ｃ、及び駆動用ガス排気通路３３の信号圧をＰ５〜Ｐ７とする。差圧弁４３の信号圧室に供給される信号圧Ｐ６が高圧になると、駆動用ガスが信号圧室内のスプリングの付勢力に抗して弁を押し開くことにより、差圧弁４３が開弁する。信号圧Ｐ６が低圧になると、信号圧室内のスプリングが駆動用ガスに抗して弁を閉じることにより、差圧弁４３が閉弁する。信号圧Ｐ６を高圧と低圧の二段階に調整して差圧弁４３を開閉制御するために、常時、Ｐ５（高圧）＞Ｐ２（低圧）となるように圧力調整する。本例では、燃料ガス供給路３１とバイパス流路３２の分岐点６０を中圧レギュレータ４１の上流側に設けることで、レギュレータ４１，４４の１次圧力を同一に設定し、更にギュレータ４１，４４の調圧値を調整することで、Ｐ５＞Ｐ２に設定している。
【００１４】
制御部５０は燃料電池の運転状態を制御するシステムコントローラであり、３ポート電磁弁４５の各ポートＡ１〜Ａ３の開閉制御を通じて差圧弁４３を開閉制御し、燃料ガス供給路３１を連通又は遮断する。例えば、ポートＡ１とポートＡ２を開弁し、ポートＡ３を閉弁すると、バイパス流路３２ｂとバイパス流路３２ｃは連通するので、両者のガス圧は等しくなり、Ｐ１＞Ｐ５＝Ｐ６＞Ｐ７＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４となる。差圧弁４３に供給される信号圧Ｐ６はＰ５（高圧）と等しくなるので、差圧弁４３は開弁する。一方、ポートＡ１を閉弁し、ポートＡ２とポートＡ３を開弁すると、バイパス流路３２ｃと燃料ガス供給路３１ｂは駆動用ガス排気通路３３を介して連通するので、両者のガス圧は等しくなり、Ｐ１＞Ｐ５＞Ｐ６＝Ｐ７＝Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４となる。差圧弁４３に供給される信号圧Ｐ６はＰ２（低圧）と等しくなるので、差圧弁４３は閉弁する。
【００１５】
本実施形態によれば、燃料ガスのガス圧を差圧弁４３の信号圧Ｐ６として利用することにより、少ない駆動力で弁の開閉動作を行うことができる。また、弁動作に使用した駆動用ガスは燃料ガスとして利用されるため、燃料の浪費がない。更に、差圧弁４３の流路面積を大きく確保することができるので圧力損失が低く、しかも、燃料ガス供給路３１から分岐した燃料ガスの圧力で差圧弁４３を開閉制御するので、締め切り性に優れている。以上より、差圧弁４３は低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力をバランスよく実現した開閉弁（又は遮断弁）として機能する。
【００１６】
尚、差圧弁４３は燃料ガス系統の開閉弁（又は遮断弁）として用いる他に、例えば、アノード側のスタック入口弁若しくはスタック出口弁、又は水素循環系の水素排気弁若しくは排水弁として用いることも可能であり、更にはこれらの弁と併用して用いることも可能である。また、上述の説明では、差圧弁４３を燃料ガス系統の開閉弁（又は遮断弁）として用いる場合を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、差圧弁４３を酸化ガス系統の遮断弁、カソード側のスタック入口弁或いはスタック出口弁、又は酸化ガス系統の排水弁として用いてもよく、更にはこれらの弁と併用して用いることも可能である。つまり、上述した差圧弁４３は燃料電池システム１０の全ての弁に適用できる。
【００１７】
また、差圧弁４３の信号圧Ｐ６を高圧と低圧の二段階に調整できる構成であれば、必ずしも上述の構成に限られるものではない。例えば、３ポート電磁弁４５のポートＡ３を燃料ガス供給路３１ｂに連通させることは必須ではなく、例えば、サブタンク等の他の装置内（圧力Ｐ５よりも低圧であることが必要である）に連通させるように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図２】差圧弁の断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０…燃料電池システム  ２０…燃料貯蔵装置  ３１…燃料ガス供給路  ３２…バイパス流路  ３３…駆動用ガス排気通路  ４１…中圧レギュレータ  ４２…低圧レギュレータ  ４３…差圧弁  ４４…レギュレータ  ４５…３ポート電磁弁  ５０…制御部  ６０…分岐点
【図１】
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【図２】
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