(57)【要約】【課題】燃料電池システムの簡素化、軽量化、コストダウンを図る。【解決手段】燃料電池システムの燃料供給流路上に配置された減圧弁とその下流に配置された放出弁６を備え、放出弁６は、導入路１２と導出路１３を備えるボディ１０に第１バルブ３１と第２バルブ３２を内包し、第１バルブ３１は、ボディ１０に形成された弁シート１５と、弁シート１５に当接して導入路１２と導出路１３との連通を遮断する第１バルブ弁体１６と、第１バルブスプリング１９とを備え、第２バルブ３２は、第１バルブ弁体１６に貫通形成された圧抜き通路２２と、第１バルブ弁体１６に当接して圧抜き通路２２を遮断する第２バルブ弁体１７と、第２バルブ弁体１７を一端に備えたプランジャ１８と、第２バルブスプリング２０と、第１バルブスプリング１９を包囲するように配置されたコイル２４とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料供給源と、前記燃料供給源から前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給流路と、前記燃料供給流路上に配置された減圧弁と、前記減圧弁よりも下流の前記燃料供給流路上に配置された放出弁と、を備える燃料電池システムであって、
前記放出弁は、導入路と導出路を備えるボディと、前記ボディに内包された第１バルブと、前記ボディに内包され開弁時の流量が前記第１バルブの開弁時における流量よりも少ない第２バルブと、を有し、
前記第１バルブは、前記ボディに形成され前記導入路に連なる開口の周縁に形成された弁シートと、前記弁シートに対して当接離反可能に配置され前記弁シートに当接することで前記導入路と前記導出路との連通を遮断する第１バルブ弁体と、前記第１バルブ弁体を前記弁シートに接近する方向に付勢する第１バルブスプリングと、を備え、
前記第２バルブは、前記第１バルブ弁体に貫通形成され前記開口よりも開口径の小さい圧抜き通路と、前記第１バルブ弁体に対して当接離反可能に配置され前記第１バルブ弁体に当接することで前記圧抜き通路を遮断する第２バルブ弁体と、前記第２バルブ弁体を一端に備えたプランジャと、前記第２バルブ弁体を前記第１バルブ弁体に接近する方向へ付勢する第２バルブスプリングと、前記第１バルブスプリングを包囲するように配置され通電時に前記プランジャを前記第１バルブ弁体から離反する方向に移動させる電磁的吸引力を発生するコイルと、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記プランジャは前記第１バルブスプリングの内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記弁シートと前記第１バルブ弁体と前記第１バルブスプリングと前記プランジャと前記第２バルブスプリングと前記コイルが同心上に配置されていることを特徴とする請求項２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】
この発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧の燃料供給源（例えば、燃料タンク）から燃料電池に燃料を供給して発電を行う燃料電池システムでは、一般に、燃料供給源と燃料電池との間の燃料ガス流路上に減圧弁を設け、燃料供給源から供給される高圧の燃料ガスを減圧弁で減圧して燃料電池に供給している。また、減圧弁の調圧機能が失陥した場合の対策として、減圧弁の下流に、燃料ガス流路内のガス圧力により作動するリリーフ弁を設置し、減圧弁よりも下流の燃料ガス流路内のガス圧力が所定圧以上になるとリリーフ弁が自動的に開いて燃料ガスを排出し、燃料ガス流路内のガス圧力を低減する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
また、減圧弁のシール性が低下した場合には、減圧弁よりも下流の燃料ガス流路内のガス圧力が燃料電池の停止中に徐々に上昇していき、燃料電池に許容圧力以上の圧力が作用するという不具合が生じる。これを防止するために、燃料電池を停止する前に、減圧弁よりも上流の燃料ガス流路に設置されている遮断弁を閉じることにより燃料供給源からの燃料ガス供給を停止した状態で、燃料電池の発電を継続し、燃料ガス流路中に残留する水素ガスを消費することにより燃料ガス流路内のガス圧力を前記許容圧力以下まで低下させてから燃料電池を停止する燃料電池システムも知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１３４１３９号公報
【特許文献２】特開２００５−３３２６４８号公報
【特許文献３】特開２００７−１６５２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、本出願人は、減圧弁のシール性が低下して下流のガス圧力が上昇した場合にも、減圧弁よりも下流であって燃料電池よりも上流の燃料ガス流路上に配置されたデバイス（以下、中圧デバイスと言う）の作動を確保するために、減圧弁よりも下流の燃料ガス流路に電磁駆動式の圧抜き弁を設けた燃料電池システムを考えている。この燃料電池システムでは、減圧弁のシール性低下により燃料ガスが微小リークし、燃料電池の停止中に減圧弁よりも下流のガス圧力が、中圧デバイスの常用最大圧力よりも上昇した場合に、燃料電池システム起動時に前記圧抜き弁を開弁させることにより、燃料ガス流路内のガス圧力を中圧デバイスの常用最大圧力よりも低下させ、中圧デバイスを確実に作動させるようにしている。
【０００６】
ところで、前記リリーフ弁は減圧弁の故障対策としてのデバイスであり、圧抜き弁は減圧弁のシール不良による微小リーク対策としてのデバイスであり、それぞれ目的が異なるため、圧抜き弁の作動圧（開弁圧）およびガス流量をリリーフ弁の作動圧（開弁圧）およびガス流量よりも小さくしたいという要求がある。
しかしながら、減圧弁と中圧デバイスとの間の燃料ガス流路に圧抜き弁とリリーフ弁をそれぞれ別々に設けると、燃料電池システムが複雑になり、重量増大、コストアップを招く。
【０００７】
そこで、この発明は、減圧弁とその下流で圧力を減ずる弁を有しながら、システムの簡素化、軽量化、コストダウンを図ることができる燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、燃料供給源（例えば、後述する実施例における水素タンク２）と、前記燃料供給源から前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給流路（例えば、後述する実施例における水素供給流路３）と、前記燃料供給流路上に配置された減圧弁（例えば、後述する実施例における減圧弁５）と、前記減圧弁よりも下流の前記燃料供給流路上に配置された放出弁（例えば、後述する実施例における放出弁６）と、を備える燃料電池システムであって、
前記放出弁は、導入路（例えば、後述する実施例における導入路１２）と導出路（例えば、後述する実施例における導出路１３）を備えるボディ（例えば、後述する実施例におけるボディ１０）と、前記ボディに内包された第１バルブ（例えば、後述する実施例における第１バルブ３１）と、前記ボディに内包され開弁時の流量が前記第１バルブの開弁時における流量よりも少ない第２バルブ（例えば、後述する実施例における第２バルブ３２）と、を有し、
前記第１バルブは、前記ボディに形成され前記導入路に連なる開口（例えば、後述する実施例における開口１４）の周縁に形成された弁シート（例えば、後述する実施例における弁シート１５）と、前記弁シートに対して当接離反可能に配置され前記弁シートに当接することで前記導入路と前記導出路との連通を遮断する第１バルブ弁体（例えば、後述する実施例における第１バルブ弁体１６）と、前記第１バルブ弁体を前記弁シートに接近する方向に付勢する第１バルブスプリング（例えば、後述する実施例における第１バルブスプリング１９）と、を備え、
前記第２バルブは、前記第１バルブ弁体に貫通形成され前記開口よりも開口径の小さい圧抜き通路（例えば、後述する実施例における圧抜き通路２２）と、前記第１バルブ弁体に対して当接離反可能に配置され前記第１バルブ弁体に当接することで前記圧抜き通路を遮断する第２バルブ弁体（例えば、後述する実施例における第２バルブ弁体１７）と、前記第２バルブ弁体を一端に備えたプランジャ（例えば、後述する実施例におけるプランジャ１８）と、前記第２バルブ弁体を前記第１バルブ弁体に接近する方向へ付勢する第２バルブスプリング（例えば、後述する実施例における第２バルブスプリング２０）と、前記第１バルブスプリングを包囲するように配置され通電時に前記プランジャを前記第１バルブ弁体から離反する方向に移動させる電磁的吸引力を発生するコイル（例えば、後述する実施例におけるコイル２４）と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記プランジャは前記第１バルブスプリングの内側に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記弁シートと前記第１バルブ弁体と前記第１バルブスプリングと前記プランジャと前記第２バルブスプリングと前記コイルが同心上に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、第１バルブを、減圧弁の調圧機能が失陥した場合に燃料供給流路内の燃料を逃がして燃料供給流路内の圧力を低減するリリーフ弁として機能させることができ、第２バルブを、減圧弁のシール性が低下した場合に燃料供給流路内の燃料を逃がして燃料供給流路内の圧力を低減する圧抜き弁として機能させることができる。つまり、１つの放出弁がリリーフ弁と圧抜き弁の２つの機能を有するので、燃料電池システムの構成を簡素化することができ、その結果、燃料電池システムの軽量化、コストダウンを図ることができる。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、放出弁を小型にすることができる。
請求項３に係る発明によれば、放出弁をさらに小型にすることができるとともに、圧力バランスに優れた放出弁を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムに設置される放出弁の断面図である。
【図３】前記放出弁の第２バルブが開弁した状態を示す断面図である。
【図４】前記放出弁の第１バルブが開弁した状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池システムの概略構成図であり、この実施例１における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載されて駆動源としてのモータ等に電力を供給する態様である。
図１において符号１は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池スタック（燃料電池）を示している。燃料電池スタック１は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。
【００１５】
燃料電池スタック１には、高圧の水素を貯蔵する水素タンク（燃料供給源）２から水素供給流路（燃料供給流路）３を介して所定圧力および所定流量の水素が供給されるとともに、図示しない空気供給装置を介して酸素を含む空気が所定圧力および所定流量で供給される。
水素タンク２は、長手方向の両端が略半球状の筒状をなし、その長手方向の一端の開口部２ａに主止弁４が取り付けられており、開口２ａは主止弁４によって塞がれている。主止弁４は水素タンク２の内部と水素供給流路３とを連通・遮断する弁である。
【００１６】
水素供給流路３には、その上流側から、減圧弁５、放出弁６、中圧デバイス７が設けられている。水素タンク２から放出される高圧（例えば、３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａ等）の水素は、主止弁４および減圧弁５によって所定の圧力（例えば、１ＭＰ以下）に減圧されて中圧デバイス７に供給される。ここで、中圧デバイス７とは、減圧弁５と燃料電池スタック１との間に配置されるデバイスの総称であり、エゼクタ、インジェクタ、加湿器などが含まれる。エゼクタは、燃料電池スタック１から排出される水素オフガスを循環利用するために水素オフガスを再び水素供給流路３に戻すデバイスであり、インジェクタは燃料電池スタック１に供給する水素流量を調整するデバイスであり、加湿器は燃料電池スタック１に供給される水素を加湿するデバイスである。中圧デバイス７としていずれのデバイスが組み込まれるかは燃料電池システムの全体構成により決定される。
水素供給流路３には、減圧弁５よりも上流側と、減圧弁５とリリーフ弁６との間に、それぞれ圧力センサ８，９が設けられている。
【００１７】
次に、放出弁６について図２から図４の図面を参照して詳述する。なお、以下の説明において、上下方向は図２から図４における図中上下方向とする。
放出弁６はボディ１０を備え、ボディ１０の内部には円筒状のバルブ収納孔１１が形成されている。ボディ１０の下面にはバルブ収納孔１１に連なりバルブ収納孔１１よりも小径の内径を有する断面円形の導入路１２が開口し、ボディ１０の上面にはバルブ収納孔１１に連なりバルブ収納孔１１よりも小径の内径を有する断面円形の導出路１３が開口している。導入路１２は、燃料電池システムにおいて減圧弁５と中圧デバイス７との間の水素供給流路３に接続され、導入路１２には減圧弁５よりも下流の水素ガスの圧力が導通する。
バルブ収納孔１１における下端面には導入路１２に連なる断面円形の開口１４が形成されており、この開口１４の周縁は弁シート１５となっている。
【００１８】
バルブ収納孔１１には、第１バルブ弁体１６と、一端に第２バルブ弁体１７を有するプランジャ１８と、第１バルブスプリング１９と、第２バルブスプリング２０とが収容されている。
第１バルブ弁体１６は円柱状をなし、弁シート１５に当接離反可能に収容されていて、バルブ収納孔１１の上端面との間に配置された第１バルブスプリング１９によって、弁シート１５に接近する方向に付勢されている。第１バルブ弁体１６はその下面に開口１４の全てを覆うことができる大きさのシール部材２１を備えている。図２に示すようにシール部材２１が弁シート１５に当接したときに開口１４が塞がれて、導入路１２とバルブ収納孔１１との連通が遮断され、その結果、導入路１２と導出路１３との連通が遮断される。一方、図４に示すようにシール部材２１が弁シート１５から離反したときに開口１４が開かれ、開口１４を介して導入路１２とバルブ収納孔１１とが連通し、その結果、導入路１２と導出路１３とが連通する。第１バルブ弁体１６には、その上面からシール部材２１の下面に貫通する圧抜き通路２２が形成されている。圧抜き通路２２の内径は、開口１４の内径よりも十分に小さい。
なお、導出路１３内には、ボディ１０の一部として、図２において紙面に直交する方向に梁１０ａが架け渡され、第２バルブスプリング２０の一端がこの梁１０ａに接することで、ちょうどバルブ収納孔１１の上端面で前記一端が止められている。
【００１９】
プランジャ１８は円柱状をなし、第１バルブ弁体１６の上側であって第１バルブスプリング１９の内側に配置されている。プランジャ１８の下部は第２バルブ弁体１７となっていて、第２バルブ弁体１７はその下面に圧抜き通路２２全体を覆うことができる大きさのシール部材２５を備えている。プランジャ１８および第２バルブ弁体１７は、第１バルブ弁体１６に接近離反可能に配置され、ボディ１０の梁１０ａとの間に配置された第２バルブスプリング２０によって、第１バルブ弁体１６に接近する方向に付勢されている。図１に示すようにシール部材２５が第１バルブ弁体１６に当接したときに圧抜き通路２２が塞がれる。一方、図３に示すようにシール部材２５が第１バルブ弁体１６から離反したときに圧抜き通路２２の上端開口が開かれ、導入路１２とバルブ収納孔１１とが圧抜き通路２２を介して連通し、その結果、導入路１２と導出路１３とが連通する。
なお、プランジャ１８および第２バルブ弁体１７は、シール部材２５を除いて磁性体で構成されている。
【００２０】
また、ボディ１０の外周部であってバルブ収納孔１１の外側には、コイル収容凹部２３が環状に形成されており、このコイル収容凹部２３には、第１バルブスプリング１９を包囲するように、ソレノイドを構成するコイル２４が配置されている。
なお、この実施例では、バルブ収納孔１１、導入路１２、導出路１３、開口１４、弁シート１５、第１バルブ弁体１６、第２バルブ弁体１７、プランジャ１８、第１バルブスプリング１９、第２バルブスプリング２０、圧抜き通路２２、コイル２４は、全て同心上に配置されている。
また、この実施例において、開口１４、弁シート１５、第１バルブ弁体１６、第１バルブスプリング１９により第１バルブ３１が構成され、第２バルブ弁体１７、プランジャ１８、第２バルブスプリング２０、圧抜き通路２２、コイル２４により第２バルブ３２が構成されており、第１バルブ３１と第２バルブ３２はボディ１０に内包されていると言える。
【００２１】
このように構成された放出弁６は、前述したリリーフ弁の機能と圧抜き弁の機能を備えている。
初めに、放出弁６が圧抜き弁として機能する場合を、図３の図面を参照して説明する。
今、減圧弁５のシール性が低下したため、燃料電池システムの停止中に燃料ガスが減圧弁５の上流側から下流側に微小リークしているものとする。
この燃料電池システムでは、システム起動時に圧力センサ９により減圧弁５の下流のガス圧力を検出する。そして、この検出圧力が、中圧デバイス７の常用最大圧力よりも大きいときには、図示しない制御装置が放出弁６のコイル２４に電流を流す。すると、コイル２４への通電により発生する電磁的吸引力により、第２バルブ３２のプランジャ１８が第２バルブスプリング２０の付勢力に抗して上方に引き付けられる。これにより、第２バルブ弁体１７が第１バルブ弁体１６から離反し、第２バルブ弁体１７のシール部材２５により塞がれていた第１バルブ弁体１６の圧抜き通路２２が開通する。その結果、導入路１２が、圧抜き通路２２およびバルブ収納孔１１を介して導出路１３に連通し、導出路１３に接続されたリリーフ配管５０を介して、水素供給流路３内の水素ガスが排出される。これにより、減圧弁５よりも下流の水素供給流路３内のガス圧力を中圧デバイス７の常用最大圧力よりも低下させることができ、中圧デバイス７を確実に作動させることができる。つまり、放出弁６の第２バルブ３２が圧抜き弁として機能する。
【００２２】
ここで、減圧弁５よりも下流の水素供給流路３内のガス圧力を中圧デバイス７の常用最大圧力よりも低下させるための水素ガス排出流量は、大流量を必要としないので、内径の小さい圧抜き通路２２でも十分に流量を確保することができる。
なお、コイル２４に電流を流したときに発生する電磁的吸引力では第１バルブ弁体１６が上方に引き付けられないように、予めコイル２４や第１バルブスプリング１９が設計されている。
また、リリーフ配管５０から排出された水素ガスは図示しない処理装置によって希釈あるいは燃焼等される。
【００２３】
次に、放出弁６がリリーフ弁として機能する場合を、図４の図面を参照して説明する。
減圧弁５の調圧機能が失陥した場合には、減圧弁５の下流の水素供給流路３内のガス圧力が上昇し、中圧デバイス７の常用最大圧力よりも大きくなる。
そして、この大きなガス圧力が放出弁６の導入路１２を介して第１バルブ弁体１６に印加されると、第１バルブ弁体１６と第２バルブ弁体１７が一体となって、第１バルブスプリング１９および第２バルブスプリング２０の付勢力に抗して上方に押し上げられる。これにより、第１バルブ弁体１６のシール部材２１が弁シート１５から離反し、第１バルブ弁体１６によって塞がれていたボディ１０の開口１４が開かれる。その結果、導入路１２が開口１４およびバルブ収納孔１１を介して導出路１３に連通し、導出路１３に接続されたリリーフ配管５０を介して、水素供給流路３内の水素ガスが排出される。つまり、放出弁６の第１バルブ３１がリリーフ弁として機能する。
【００２４】
なお、減圧弁５の調圧機能が失陥したときには、前述した減圧弁５のシール性低下時に水素ガスを排出する場合に比較して、大流量の水素ガスを一気に排出する必要があるが、開口径の大きな開口１４を通して排出しているので十分に流量を確保することができる。
【００２５】
この実施例の燃料電池システムでは、放出弁６の第１バルブ３１がリリーフ弁として機能し、放出弁６の第２バルブ３２が圧抜き弁として機能し、つまり、１つの放出弁６がリリーフ弁と圧抜き弁の機能を有するので、燃料電池システムの構成を簡素化することができる。その結果、燃料電池システムの軽量化、コストダウンを図ることができる。
【００２６】
また、第２バルブ３２のプランジャ１８を第１バルブ３１の第１バルブスプリング１９の内側に配置しているので、放出弁６を小型にすることができる。
また、第１バルブ３１の弁シート１５、第１バルブ弁体１６、第１バルブスプリング１９と、第２バルブ３２のプランジャ１８、第２バルブスプリング２０、コイル２４を全て同心上に配置しているので、放出弁６をさらに小型にすることができるとともに、圧力バランスに優れた放出弁６を実現することができる。
【００２７】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、燃料電池システムは車両用に限るものではなく、定置用であってもよい。また、燃料供給源は水素タンクに限るものではなく、水素製造装置（燃料ガス改質装置）であってもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１  燃料電池スタック（燃料電池）
２  水素タンク（燃料供給源）
３  水素供給流路（燃料供給流路）
５  減圧弁
６  放出弁
１０  ボディ
１２  導入路
１３  導出路
１４  開口
１５  弁シート
１６  第１バルブ弁体
１７  第２バルブ弁体
１８  プランジャ
１９  第１バルブスプリング
２０  第２バルブスプリング
２１  圧抜き通路
２４  コイル
３１  第１バルブ
３２  第２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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