(57)【要約】【課題】燃料電池のエア系に設置するバルブの簡素化を図る。【解決手段】燃料電池システム１０では、燃料電池２０４に空気を供給する供給路２０６と、燃料電池２０４から空気を排出する排出路２０８と、供給路２０６から排出路２０８に空気を迂回させるバイパス路２１０とが設けられている。そして、供給路２０６とバイパス路２１０との分岐点には、三方バルブ１４が設置され、排出路２０８とバイパス路２１０との分岐点には、三方バルブ１６が設置される。三方バルブ１４，１６は、それぞれ、供給路２０６と排出路２０８を閉口するシャット機構と、供給路２０６と排出路２０８の流量を調整する調圧機構とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に酸化ガスを供給する供給路と、
燃料電池から酸化ガスを排出する排出路と、
供給路の途上と排出路の途上とを結び、供給路から排出路へと酸化ガスを流すバイパス路と、
供給路とバイパス路との分岐点に設けられ、燃料電池及びバイパス路に流れ込む酸化ガス量を調整する第１の三方弁と、
排出路とバイパス路との分岐点に設けられ、燃料電池及びバイパス路から流れ出る酸化ガス量を調整する第２の三方弁と、
を備える、ことを特徴とする酸化ガス流路システム。
【請求項２】
請求項１に記載の酸化ガス流路システムにおいて、
第１の三方弁は、供給路を閉口して、燃料電池に酸化ガスを供給しない機構を備える、
または、第２の三方弁は、排出路を閉口して、燃料電池から酸化ガスを排出しない機構を備える、ことを特徴とする酸化ガス流路システム。
【請求項３】
請求項１に記載の酸化ガス流路システムにおいて、
第１の三方弁は、燃料電池に流れ込む酸化ガス量を少なくとも複数段階に調整する機構を備える、
または、第２の三方弁は、燃料電池から流れ出る酸化ガス量を少なくとも複数段階に調整する機構を備える、ことを特徴とする酸化ガス流路システム。
【請求項４】
請求項１に記載の酸化ガス流路システムにおいて、
第１の三方弁は、バイパス路を閉口して、バイパス路に酸化ガスを流さない機構を備える、
または、第２の三方弁は、バイパス路を閉口して、バイパス路から酸化ガスを排出しない機構を備える、ことを特徴とする酸化ガス流路システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸化ガス流路システムと、
前記燃料電池と、
を備える、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、燃料電池に関する技術、特に燃料電池に対する酸化ガスの供給・排出技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、典型的な燃料電池システムにおける構成を示す概略図である。図示した燃料電池システム２００は、エア系システム２０２と、燃料電池２０４とを含んでいる。燃料電池２０４は、図示していない水素系システムから燃料ガスとしての水素ガスの供給・排出を受けると共に、このエア系システム２０２から酸化ガスとしての空気の供給・排出を受け、水素ガスと酸素ガスとを化学反応させて電力（電気エネルギ）を取り出す装置である。燃料電池システム２００は、例えば燃料電池車に搭載され、取り出されたエネルギは車両駆動用のモータに供給される。
【０００３】
エア系システム２０２は、燃料電池２０４に供給する空気が流される供給路２０６と、燃料電池２０４から排出される空気が流される排出路２０８とを備える。また、供給路２０６と排出路２０８との間には、両者を結ぶバイパス路２１０が設けられている。そして、バイパス路２１０よりも燃料電池２０４側には、供給路２０６及び排出路２０８にまたがって加湿モジュール２１２が設けられており、燃料電池２０４へ供給される空気に対し加湿処理等を行う。
【０００４】
供給路２０６には、バイパス路２１０よりも下流側（燃料電池２０４側）かつ加湿モジュール２１２よりも上流側にシャットバルブ２１４が設置されている。同様にして、排出路２０８には、バイパス路２１０よりも上流側（燃料電池２０４側）かつ加湿モジュール２１２よりも下流側にシャットバルブ２１６が設置されている。シャットバルブ２１４，２１６は、それぞれ供給路２０６と排出路２０８を全開または全閉するバルブ（弁）である。また、排出路２０８には、加湿モジュール２１２の上流側に、調圧バルブ２１８が設けられている。調圧バルブ２１８は、開口量を多段階または無限段階に調整されるバルブであり、燃料電池２０４に供給される空気量を調整する役割を果たす。さらに、バイパス路２１０には、バイパスバルブ２２０が設けられている。バイパスバルブ２２０は、その開口動作により、燃料電池２０４を経ることなく、供給路２０６から排出路２０８へと空気を流し出す弁である。
【０００５】
燃料電池２０４の停止中、すなわち発電を行わない状態では、シャットバルブ２１４，２１６が閉じられ、燃料電池２０４への新たな空気の流入が防止される。そして、燃料電池２０４の起動時には、供給路２０６の上流に設けられた圧縮機が駆動されて、高圧の空気を供給路２０６に流し込む。このとき、シャットバルブ２１４，２１６と、バイパスバルブ２２０が開口される。これにより、空気の一部は燃料電池２０４に流されて本格的な起動の準備に用いられ、残る空気はバイパス路２１０を通って速やかに排出される。燃料電池２０４の通常運転時には、バイパスバルブ２２０が閉口され、また、発電量に応じて調圧バルブ２１８の開閉量が変えられる。これにより、供給路２０６を通って燃料電池２０４に供給され、さらに排出路２０８を経て排出される空気量が制御される。
【０００６】
なお、下記特許文献１には、燃料電池システムのエア系において、一つの三方弁と一つの調圧弁を設ける構成が記載されている。具体的には、三方弁を空気供給路とバイパス路との分岐に設け、調圧弁を排出路の上流側に設けている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１５８２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図９に示した技術では、調圧バルブ、バイパスバルブ、及び二つのシャットバルブの計四つのバルブを使用してエアを制御しており、コスト高が避けられない。他方、上記特許文献１の技術では、利用するバルブは二つのみであるものの、両バルブは種類が異なるため、部品の簡素化を図ることができない。また、設置されている三方弁は、燃料電池への供給とバイパス路への迂回を択一的に選択するものであり、細かな流量制御を行うものではない。
【０００９】
本発明の目的は、燃料電池のエア系に設置するバルブの簡素化を図ることにある。
【００１０】
本発明の別の目的は、燃料電池のエア系に対し、新たな流れ制御を可能とするバルブを導入することにある。
【００１１】
本発明のさらに別の目的は、燃料電池のエア系に対し、簡素化とデュアルシステム化を両立させたバルブを導入することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の酸化ガス流路システムは、燃料電池に酸化ガスを供給する供給路と、燃料電池から酸化ガスを排出する排出路と、供給路の途上と排出路の途上とを結び、供給路から排出路へと酸化ガスを流すバイパス路と、供給路とバイパス路との分岐点に設けられ、燃料電池及びバイパス路に流れ込む酸化ガス量を調整する第１の三方弁と、排出路とバイパス路との分岐点に設けられ、燃料電池及びバイパス路から流れ出る酸化ガス量を調整する第２の三方弁と、を備える。
【００１３】
この酸化ガス流路システムは、燃料電池に対する酸化ガスの供給及び排出を担うシステムである。酸化ガスは、燃料電池のカソードに供給され、別途アノードに供給される燃料ガスを酸化させる気体である。酸化ガスとしては、しばしば、（酸素を含んだ）空気が使用される。酸化ガス流路システムには、酸化ガスが流される流路として、供給路、排出路及びバイパス路が設けられている。そして、第１の三方弁と第２の三方弁によって、これらの流路を流れる酸化ガス量が調整される。ここで、第１の三方弁は、供給路の上流から流れ込む酸化ガスを燃料電池側に流す量、及びバイパス路へ流す量を調整する弁である。また、第２の三方弁は、排出路の下流に向かって、供給路の上流（燃料電池側）から流れ込む量、及びバイパス路から流れ込む量を調整する弁である。
【００１４】
第１の三方弁と第２の三方弁は、必ずしも同じ構造をもつ必要はない。しかし、部品点数を減少させる観点からは、同じ構造をもつ（同形状とする）方が望ましい。また、第１の三方弁と第２の三方弁の構造は様々に設計可能である。例えば、板状の弁体で流路の一部または全部を塞ぐことで流れを制御する構造を採用してもよいし、各流路を繋ぎうる流路が内部に形成された回転体を分岐点に設置してその角度を変えることで流れを制御するようにしてもよい。弁の切り替えは、典型的には、燃料電池システムの運転を制御する制御部からの指令に基づいて行われる。
【００１５】
この構成によれば、二つの三方弁によって、燃料電池における酸化ガスの供給・排出システムを構築しうる。すなわち、他のバルブは特に設けずとも燃料電池へのエア供給を行うことが可能となる。特に、二つの三方弁を同形状とすることで、部品点数の減少を図ることができ、低コスト化が実現する。
【００１６】
本発明の酸化ガス流路システムの一態様においては、第１の三方弁は、供給路を閉口して、燃料電池に酸化ガスを供給しない機構を備える、または、第２の三方弁は、排出路を閉口して、燃料電池から酸化ガスを排出しない機構を備える。すなわち、一方または両方の三方弁に対し、燃料電池に新たな酸化ガスを供給しないというシャット機構を設ける。両方の三方弁に設けた場合には、シャットの確実性を高めるとともに、一方の弁に故障が発生した場合にもシャットを実現できるというデュアルシステムの利点も確保できる。閉口は、供給路の上流側または排出路の下流側（三方弁に流れ込む流路側）に対して行ってもよいし、三方弁よりも燃料電池よりの流路側に対して行ってもよい。シャット機構は、通常、燃料電池の停止時に用いられる。
【００１７】
本発明の酸化ガス流路システムの一態様においては、第１の三方弁は、燃料電池に流れ込む酸化ガス量を少なくとも複数段階に調整する機構を備える、または、第２の三方弁は、燃料電池から流れ出る酸化ガス量を少なくとも複数段階に調整する機構を備える。すなわち、一方または両方の三方弁に対し、燃料電池に流す酸化ガス量を調整する調圧機構を設ける。両方の三方弁に設けた場合には、両弁の調整によるきめ細かな制御が可能となる他、一方の弁の調圧機構に障害が生じた際に他方の弁の調圧機構に切り替えて調圧を続行するデュアルシステムを構築することができる。調圧機構は、例えば、供給路または排出路の開口量を変化させることで実現可能であり、その開口量は、少なくとも２段階、典型的には多段階あるいは無限段階に設定される。あるいは、調圧機構は、供給路または排出路の開口量を一定としたまま、バイパス路の開口量を変化させることで実現されてもよいし、供給路または排出路の開口量とバイパス路の開口量をともに変化させることで実現されてもよい。調圧機構は、通常、燃料電池の運転時に発電量を制御するために使用される。
【００１８】
本発明の酸化ガス流路システムの一態様においては、第１の三方弁は、バイパス路を閉口して、バイパス路に酸化ガスを流さない機構を備える、または、第２の三方弁は、バイパス路を閉口して、バイパス路から酸化ガスを排出しない機構を備える。すなわち、一方または両方の三方弁に対し、バイパス路をシャットする機構を設ける。これにより、バイパス路に専用のバイパスバルブを設ける必要がなくなる。両方の三方弁に設けた場合には、シャットの確実性を高められる他、一方の弁に故障が発生した場合にも他方の弁を用いてシャットできるというデュアルシステムを構築できる利点も生じる。シャット機構は、通常、燃料電池の運転時に用いられる。また、バイパス路の開口は、通常、燃料電池の起動時に用いられる。開口は、一段階（通常は全開）でのみ実施できるようにしてもよいが、複数段階（典型的には多段階や無限段階）で実施できるようにしてもよい。
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、前記酸化ガス流路システムと、前記燃料電池と、を備える。
【００２０】
なお、燃料ガスの流路についても、酸化ガスの流路と同様に二つの三方弁を導入しうる。しかし、燃料ガスの流路では、タンクに貯蔵していた燃料ガスを適切な圧力まで減圧する機構が設けられるなど、しばしば、酸化ガス流路とは異なる流路構成が採用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を説明する図である。この図は、図９に対応する図であり、図９と同一の構成には同一の番号を付して説明を簡略化する。図示した燃料電池システム１０は、エア系システム１２と、燃料電池２０４とを含んでいる。エア系システム１２が、供給路２０６、排出路２０８、バイパス路２１０、及び加湿モジュール２１２を備える点は、図９の場合と同様である。しかし、この燃料電池システム１０には、図９の構成に含まれたシャットバルブ２１４，２１６、調圧バルブ２１８、バイパスバルブ２２０は設けられておらず、代わりに三方バルブ１４，１６が設けられている。
【００２２】
三方バルブ１４は、供給路２０６とバイパス路２１０との分岐点に設置され、供給路２０６の上流から流れ込む空気を、燃料電池２０４側とバイパス路２１０側へどの程度流すか定めている。同様に、三方バルブ１６は、排出路２０８とバイパス路２１０との分岐点に設置され燃料電池２０４側からの空気と、バイパス路２１０からの空気をどの程度排出路２０８の下流側に流すかを決定している。制御部１８は、燃料電池システム１０の各構成要素の制御を司る装置であり、演算機能を備えたハードウエアとその動作を規定するソフトウエア（プログラム）を用いて構築されうる。そして、三方バルブ１４，１６は、制御部１８によって、燃料電池２０４の運転状態に応じたの開閉制御をうける。
【００２３】
続いて、図２乃至図５を用いて、三方バルブ１４の構成例を説明する。各図においては、図１と同一の構成には同一の番号を付して説明を簡略化する。
【００２４】
図２は、三方バルブ１４の断面図である。三方バルブ１４は、直方体形状の中空のケース２０を備えており、このケース２０の三面には上流側の供給路に接続される入口パイプ２２、下流側（燃料電池側）の供給路に接続される出口パイプ２４、及びバイパス路に接続される出口パイプ２６が取り付けられている。そして、ケース２０内には、弁体２８がシャフト３０に取り付けられている。弁体２８は、ステッピングモータ３２により駆動されて、その位置を細かに変えることができる。
【００２５】
例えば、弁体２８は、図示したように、出口パイプ２４を閉口し、かつ出口パイプ２６を全開することができる。このとき、入口パイプ２２から流入する空気３４は、全て出口パイプ２６から空気３８となって流れ出る。また、弁体２８は、符号２８ｂで示す位置に配置されて、出口パイプ２４，２６をそれぞれ半開することができる。このとき、入口パイプ２２から流入する空気３４は、出口パイプ２４から流れ出る空気３６と出口パイプ２６から流れ出る空気３８とに分けられる。さらに、弁体２８は、符号２８ｃで示す位置に配置されて、出口パイプ２４を全開し、かつ出口パイプ２６を閉口することができる。このとき、入口パイプ２２から流入する空気３４は、全て出口パイプ２４から空気３６となって流れ出る。
【００２６】
図３乃至図５は、三方バルブ１４におけるこの三つの状態を示した斜視図である。図３は、弁体２８が出口パイプ２４を閉口した状態を表している。そして、図４は、弁体２８が出口パイプ２４，２６を半開している状態を表し、図５は、弁体２８が出口パイプ２６を閉口した状態を表している。なお、図３及び図５の状態では、閉口した弁体２８の隙間から漏れ出す空気をなるべく少量とすることが望ましい。そこで、弁体２８と出口パイプ２４，２６との接触部分をシールするシール部材を、弁体２８と出口パイプ２４，２６の一方または両方に設けることが有効となる。また、図４の状態では、弁体２８は入口パイプ２２から直進する空気によって強い風圧を受けるため、その根元のシャフトには大きなトルクが作用する。したがって、弁体２８の設置にあたっては、安定して固定できるような十分な強度を確保しておく必要がある。もちろん、図示した例は、三方バルブ１４の一例にすぎず、他の構成を採用することでこの課題を解決してもよい。
【００２７】
続いて、図６乃至図８を用いて、図１に示した燃料電池システム１０の流れ制御を説明する。各図においては、図１と同一の構成には同一の番号を付して説明を簡略化する。    
【００２８】
図６は、燃料電池２０４の停止中における三方バルブ１４，１６の流れ制御を説明する図である。この状態では、供給路２０６側の三方バルブ１４の弁体２８は、図３に示したように、燃料電池２０４に向かう供給路２０６を閉口するように設置されている。また、同様にして、排出路２０８側の三方バルブ１６では、弁体５０は排出路２０８の燃料電池２０４側を閉口するように設置されている。したがって、この状態では、燃料電池２０４に対しては空気が供給されない。他方、供給路２０６からバイパス路２１０を経て排出路２０８に至る経路は開口されており、供給路２０６の上流側の圧縮機が駆動されたならば（通常は停止している）、その空気はバイパス路２１０を経由して排出路２０８から速やかに排出される。
【００２９】
図７は、燃料電池２０４の起動時における三方バルブ１４，１６の流れ制御を説明する図である。起動時には、三方バルブ１４の弁体２８は、図４に示したように、燃料電池２０４に向かう供給路２０６とバイパス路２１０とをともに半開するように配置される。また、同様にして、三方バルブ１６においても、弁体５０は排出路２０８の燃料電池２０４側とバイパス路２１０とを半開するように配置される。このため、供給路２０６の上流側の圧縮機から送出される空気の一部は燃料電池２０４に供給された後に排出され、残りの空気はバイパス路２１０を通って速やかに排出される。
【００３０】
図８は、燃料電池２０４の運転中における三方バルブ１４，１６の流れ制御を説明する図である。運転中には、三方バルブ１４の弁体２８は、図５に示したように、バイパス路２１０を閉口した状態にある。他方、三方バルブ１６の弁体５０は、排出路２０８の燃料電池２０４側とバイパス路２１０とを半開するように調整されている。したがって、この状態では、供給路２０６から供給される圧縮空気は全て燃料電池２０４に流入し、かつ、排出路２０８を経て排出される。ただし、その量は、弁体５０による排出路２０８の開き具合によって変化する。つまり、三方バルブ１６は、調圧バルブとして機能しており、燃料電池２０４の発電量に応じて供給する酸素量を調整している。なお、ここに示した制御の代わりに、三方バルブ１４を調圧バルブとして動作させ、三方バルブ１６はバイパス路２１０を閉口するようにしてもよい。
【００３１】
以上においては、燃料電池の各状態での代表的な制御態様を示したが、必要に応じてこの他の流れ制御を行うことも可能である。例えば、寒冷地においては、燃料電池内の凍結に対処するため、起動時や停止時に特別な流れ制御を行ってもよい。また、二つある三方バルブのうちの一方に動作不良が現れた場合に、正常に動作する他方の三方バルブを主体的に用いることで、所望の制御を継続することができる。このような例としては、図８に示した運転状態において、三方バルブ１４の調圧バルブ機能に障害が発生した場合に、代わりに三方バルブ１６を調圧バルブとして動作させる態様を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】燃料電池システムの構成例を示す概略図である。
【図２】三方バルブの構成例を示す断面図である。
【図３】三方バルブの動作態様を示す斜視図である。
【図４】三方バルブの動作態様を示す斜視図である。
【図５】三方バルブの動作態様を示す斜視図である。
【図６】燃料電池の停止時の状態を示す模式図である。
【図７】燃料電池の起動時の状態を示す模式図である。
【図８】燃料電池の運転時の状態を示す模式図である。
【図９】燃料電池システムの参考的な構成例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０，２００  燃料電池システム、１２，２０２  エア系システム、１４，１６  三方バルブ、１８  制御部、２０  ケース、２２  入口パイプ、２４，２６  出口パイプ、２８，５０  弁体、３０  シャフト、３２  ステッピングモータ、２０４  燃料電池、２０６  供給路、２０８  排出路、２１０  バイパス路、２１２  加湿モジュール、２１４，２１６  シャットバルブ、２１８  調圧バルブ、２２０  バイパスバルブ。
【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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