(57)【要約】【課題】簡易な構造で気体流路を閉塞可能な気体流路閉塞装置を提供する。【解決手段】気体流路閉塞装置２２Ａは、気体流路の途中において、重力方向下側に延設された貯留室２２ａと、貯留室２２ａの天面２２ａ１から貯留室２２ａ内部に垂設された仕切板２２ｂと、を備え、気体流路の上流側から流れてきた気体が、貯留室２２ａ底部を介して気体流路の下流側へと流れるように構成されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体流路の途中において、重力方向下側に延設された貯留室と、
前記貯留室の天面から前記貯留室内部に垂設された仕切板と、を備え、
前記気体流路の上流側から流れてきた気体が、前記貯留室の底部を介して前記気体流路の下流側へと流れるように構成されている
ことを特徴とする気体流路閉塞装置。
【請求項２】
前記貯留室に液体を供給する液体供給機構と、
前記貯留室から前記液体を排出する液体排出機構と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の気体流路閉塞装置。
【請求項３】
前記液体供給機構は、
前記液体が貯蔵されるタンクと、
前記タンクと前記貯留室とを連通させる供給流路と、
前記供給流路を開閉させる供給制御弁と、
を備え、
前記液体排出機構は、
前記貯留室と連通する排出流路と、
前記排出流路を開閉させる排出制御弁と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の気体流路閉塞装置。
【請求項４】
前記気体流路は、燃料電池に接続されており、
前記液体は、前記燃料電池で発生した生成水である
ことを特徴とする請求項３に記載の気体流路閉塞装置。
【請求項５】
前記燃料電池のカソード流路の入口に接続された前記気体流路と、前記燃料電池の前記カソード流路の出口に接続された前記気体流路と、にそれぞれ設けられている
ことを特徴とする請求項４に記載の気体流路閉塞装置。
【請求項６】
前記タンクには、前記燃料電池で発生した前記生成水が貯蔵されており、
前記燃料電池の停止時に、前記供給制御弁が開弁して前記生成水が前記貯留室に供給されることによって、前記気体流路が遮断される
ことを特徴とする請求項５に記載の気体流路閉塞装置。
【請求項７】
前記燃料電池の始動時と、０℃以下の時に、前記排出制御弁が開弁して前記生成水が前記貯留室から排出される
ことを特徴とする請求項５に記載の気体流路閉塞装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される気体の流路及び燃料電池から排出される気体の流路を閉塞可能な気体流路閉塞装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、エンジンの始動時に、２次空気流路管内に発生する２次空気を三元触媒コンバータに導入して三元触媒の暖機を促進させる２次空気供給システムに組み込まれた流体制御弁装置が開示されている。
【０００３】
この流体制御弁装置は、電動モータと、電動モータの回転速度を減速する減速機構と、減速機構中の最終ギヤと噛合する複数のラック歯が外周面に設けられ前記最終ギヤの回転運動を直線運動に変換して弁体と一体的に変位するバルブシャフト（弁ロッド）とを備えている。この場合、電動モータを正転又は逆転させて最終ギヤとラック歯とを噛合させることにより、ラック歯を有するバルブシャフトと一体的に弁体を変位させて流体通路を開閉するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２４２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１に開示された流体制御弁装置では、最終ギヤのギヤ歯と噛合するラック歯がバルブシャフトの外周面に設けられ、弁体と一体的に変位するバルブシャフトとギヤ歯とが直接的に噛合するように構成されているため、最終ギヤの回転力の影響によってバルブシャフトの傾動や磨耗が発生するおそれがある。
【０００６】
また、前記特許文献１に開示された流体制御弁装置では、着座部（弁座）に着座して流体通路を開閉する弁体が１本のバルブシャフトのみで変位可能に支持されているため、圧力流体が弁体と弁座との離間空間を流通することによって弁体に対して周方向回りの力が付与され、前記弁体に結合されたバルブシャフトが周方向に回動し又は傾動するおそれがある。この結果、着座部に対する弁体の着座が不安定となるおそれがある
【０００７】
本願出願人は、前記事情に鑑み、弁ロッドの傾動や磨耗を防止して、着座部に対して弁体を安定して着座させることが可能な開閉バルブを発明した（特願２００９−２２９０６５、本願出願時に未公開）。
【０００８】
かかる開閉バルブは、圧力流体が導入されるインレットポート及び圧力流体が導出されるアウトレットポートがそれぞれ形成されたバルブ本体と、バルブ本体内に変位可能に設けられた弁ロッドを有し、着座部に着座することによりインレットポートとアウトレットポートとの連通を遮断し、着座部から離間することによりインレットポートとアウトレットポートとを連通させる弁体と、回転駆動源と、回転駆動源の回転駆動力が伝達されるギヤと、弁体と別個の部材からなり、ギヤと噛合するラック歯が設けられてギヤの回転運動を直線運動に変換するラック部材と、ラック部材に設けられ、弁体の弁ロッドを固定支持してラック部材の直線運動を弁体に伝達する支持部と、ラック部材の傾動を防止する傾動防止部材とを備える。
【０００９】
このように、燃料電池用の開閉バルブの高性能化が図られる一方で、簡易な構造で流路を閉塞可能な技術も求められている。
【００１０】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で気体流路を閉塞可能な気体流路閉塞装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明は、気体流路の途中において、重力方向下側に延設された貯留室と、前記貯留室の天面から前記貯留室内部に垂設された仕切板と、を備え、前記気体流路の上流側から流れてきた気体が、前記貯留室の底部を介して前記気体流路の下流側へと流れるように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、貯留室内部に液体を供給し、液体の水位が仕切板の下端を超えることにより、簡易な構成で気体流路を閉塞することができる。
【００１３】
また、本発明では、貯留室に液体を供給する液体供給機構と、貯留室から前記液体を排出する液体排出機構と、を備えることにより、簡易な構成で気体流路を閉塞したり開放したりすることができる。
【００１４】
さらに、本発明では、液体供給機構が、液体が貯蔵されるタンクと、タンクと貯留室とを連通させる供給流路と、供給流路を開閉させる供給制御弁と、を備え、液体排出機構が、貯留室と連通する排出流路と、排出流路を開閉させる排出制御弁と、を備えることにより、供給制御弁及び排出制御弁の開閉によって気体流路を閉塞したり開放したりすることができる。
【００１５】
さらにまた、本発明では、気体流路が、燃料電池に接続されており、液体は、燃料電池で発生した生成水である構成とすることにより、生成水を有効活用することができ、気体流路を閉塞するための液体を別途用意する必要を無くすことができる。
【００１６】
さらにまた、本発明では、気体流路閉塞装置が、燃料電池のカソード流路の入口に接続された気体流路と、燃料電池のカソード流路の出口に接続された気体流路と、にそれぞれ設けられていることにより、簡易な構成で燃料電池のいわゆるカソード系の気体流路を閉塞したり開放したりすることができるとともに、燃料電池のカソードを封止することによって燃料電池の耐久性を向上することができる。
【００１７】
さらにまた、本発明では、タンクには、燃料電池で発生した生成水が貯蔵されており、燃料電池の停止時に、供給制御弁が開弁して生成水が貯留室に供給されることによって、気体流路が遮断されることにより、燃料電池のいわゆるカソード系の気体流路を閉塞することができる。
【００１８】
さらにまた、本発明では、燃料電池の始動時と、０℃以下の時に、排出制御弁が開弁して生成水が貯留室から排出されることにより、燃料電池のいわゆるカソード系を開放して酸化剤ガスの供給及び排出を可能としたり、貯留室内での生成水の凍結を防止したりすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、簡易な構造で気体流路を閉塞することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る気体流路閉塞装置が組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】気体流路閉塞装置の概略縦断面図であり、（ａ）は開放状態、（ｂ）は閉塞状態を示す図である。
【図３】気体流路閉塞装置の概略縦断面図であり、閉塞状態から開放状態への切換状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る気体流路閉塞装置が組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。なお、本実施形態では、車両に搭載された燃料電池に組み込まれる気体流路閉塞装置を以下に例示して説明しているが、これに限定されるものでなく、例えば、船舶や航空機等、又は業務用や家庭用の定置式の燃料電池等に組み込まれる各種気体流路閉塞装置に適用することができる。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態に係る気体流路閉塞装置が組み込まれた燃料電池システム１は、燃料電池１０、図示しないアノード系、カソード系２０、制御装置３０（図２（ａ）参照）を備えて構成されている。
【００２３】
＜燃料電池＞
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ
）からなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しないセパ
レータ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。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）、これを挟持するカソード及びアノード等を備える。カソード及びアノードは、例えば、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持された電極触媒層からなる。また、各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路及びカソード流路１１が形成されている。
【００２４】
このような燃料電池１０では、アノードに水素（反応ガス、燃料ガス）が供給され、一方、カソードに酸素を含むエア（反応ガス、酸化剤ガス）が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１０が発電可能な状態となる。
【００２５】
前記燃料電池１０は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、前記外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。なお、前記外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置、後記するエアポンプ２１等である。
【００２６】
＜アノード系＞
アノード系は、図示しない水素タンク、遮断弁、パージ弁、配管等によって構成される。水素タンクは、高純度の水素を高圧で貯蔵するものであり、配管を介して下流側の遮断弁と接続されている。遮断弁は、例えば、電磁弁からなり、配管を介して下流側の燃料電池のアノード流路の入口と接続されている。パージ弁は、例えば、電磁弁からなり、配管を介して上流側の燃料電池のアノード流路の出口と接続されている。
【００２７】
＜カソード系＞
カソード系２０は、エアポンプ２１、上流側の気体流路閉塞装置２２Ａ、加湿器２３、下流側の気体流路閉塞装置２２Ｂ、背圧弁２４、希釈器２５、配管（気体流路）ｃ１〜ｃ７等によって構成されている。
【００２８】
エアポンプ２１は、例えば、図示しないモータで駆動される機械式の過給器であり、取り込んだ外気（エア）を圧縮し、酸化剤ガスとして燃料電池１２に供給する。
【００２９】
上流側の気体流路閉塞装置２２Ａは、酸化剤ガスの供給側に設けられ、配管ｃ１を介して上流側のエアポンプ２１と接続されると共に、配管ｃ２を介して下流側の加湿器２３の入口と接続されている。
【００３０】
加湿器２３は、エアポンプ２１から供給されたエアを、燃料電池１２から排出された酸化剤ガスを用いて加湿するものであって、配管ｃ３を介して燃料電池１０のカソード流路１１の入口と接続されると共に、配管ｃ４を介して燃料電池１０のカソード流路１１の出口と接続されている。
【００３１】
下流側の気体流路閉塞装置２２Ｂは、酸化剤ガスの排出側に設けられ、配管ｃ５を介して上流側の加湿器２３の出口と接続されると共に、配管ｃ６を介して下流側の背圧弁２４の入口と接続されている。
【００３２】
背圧弁２４は、燃料電池１０のカソードの圧力を調整する機能を有し、弁開度の調節が可能なバタフライ弁（常開型）等で構成されているものであって、配管ｃ６を介して上流側の気体流路閉塞装置２２Ｂの出口と接続されると共に、配管ｃ７を介して下流側の希釈器２５の入口と接続されている。
【００３３】
希釈器２５は、燃料電池１０から排出された水素ガスを、燃料電池１０から排出された酸化剤ガスによって希釈するものであって、配管ｃ７を介して上流側の背圧弁２４の出口と接続されると共に、配管ｂ１を介して燃料電池１０のアノード流路の出口と接続されている。すなわち、希釈器２５は、カソード系２０の一部であると共に、アノード系の一部であるともいえる。希釈器２５内で希釈された水素ガスは、外部へ排気される。
【００３４】
また、希釈器２５は、燃料電池１０で発生した生成水が貯蔵されるタンクでもある。かかる生成水は、燃料電池１０のアノード流路における生成水が配管ｂ１を介して希釈器２５へ排出されるドレイン時、及び、燃料電池１０のアノード流路に残留した水素ガスが生成水と共に配管ｂ１を介して希釈器２５へパージされる水素パージ時に、燃料電池１０のアノード流路から希釈器２５へ供給されて貯蔵される。また、燃料電池１０のカソード流路１１から排出された酸化剤ガスに含まれる水分のうち、加湿器２３において加湿に用いられなかった水分も、希釈器２５へ供給されて生成水として貯蔵される。
【００３５】
≪気体流路閉塞装置≫
本発明の実施形態に係る気体流路閉塞装置２２Ａ，２２Ｂは、同一構成からなるため、以下、気体流路閉塞装置２２Ａの構成を詳細に説明して、気体流路閉塞装置２２Ｂの説明を省略する。
【００３６】
図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る気体流路閉塞装置の概略縦断面図である。図２（ａ）に示すように、気体流路閉塞装置２２は、貯留室２２ａ及び仕切板２２ｂと、タンク２２ｃ、供給流路２２ｄ及び供給制御弁２２ｅから構成された液体供給機構と、排出流路２２ｆ及び排出制御弁２２ｇから構成された液体排出機構と、を備える。
【００３７】
≪貯留室及び仕切板≫
貯留室２２ａは、略水平方向に配設された配管ｃ１，ｃ２間において、重力方向下方に延設されている。
【００３８】
仕切板（遮断板ともいう）２２ｂは、貯留室２２ａの天面２２ａ１の下面から、貯留室２２ａ内部に垂設されている。仕切板２２ｂの上端は、貯留室２２ａの天面２２ａに気密に取り付けられており、仕切板２２ｂの両側端は、貯留室２２ａの側面に気密に取り付けられている。仕切板２２ｂの下端は、配管ｃ１，ｃ２の下端よりも下方に位置している共に、仕切板２２ｂの下端と貯留室２２ａの底面２２ａ２との間には空隙が設けられており、開放時において、配管ｃ１から貯留室２２ａ内部に流れてきた気体は、貯留室２２ａの底部を介して配管ｃ２へと流れるように構成されている。
【００３９】
≪液体供給機構≫
液体供給機構は、貯留室２２ａに液体Ｌを供給するものであって、タンク２２ｃ、供給流路２２ｄ及び供給制御弁２２ｅを備える。タンク２２ｃは、貯留室２２ａの重力方向上方に設けられており、その内部には、液体Ｌが貯蔵される。供給流路２２ｄは、タンク２２ｃの底部と貯留室２２ａの上部とを連通させる配管である。供給流路２２ｄの貯留室２２ａ側開口は、貯留室２２ａの天面２２ａ１における仕切板２２ｂ近傍に形成されている。供給制御弁２２ｅは、供給流路２２ｄを開閉させる常閉型の電磁弁である。本実施形態において、タンク２２ｃとして前記した希釈器２５が用いられており、液体Ｌとして燃料電池１０の生成水が用いられる。
【００４０】
≪液体排出機構≫
液体排出機構は、貯留室２２ａから液体Ｌを排出するものであって、排出流路２２ｆ及び排出制御弁２２ｇを備える。排出流路２２ｆは、貯留室２２ａの底部と連通する配管である。排出制御弁２２ｇは、排出流路２２ｆを開閉させる常閉型の電磁弁である。
【００４１】
＜制御装置＞
制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、入出力回路等から構成されており、供給制御弁２２ｅ及び排出制御弁２２ｇの駆動を制御する。
【００４２】
＜動作例＞
続いて、気体流路閉塞装置２２Ａの動作例について、図２，３を参照して説明する。なお、初期状態として、燃料電池１０が運転中であり、図２（ａ）に示すように、供給制御弁２２ｅ及び排出制御弁２２ｇがともに閉弁状態で貯留室２２ａ内に液体Ｌが存在していないものとする。
【００４３】
≪閉塞動作≫
燃料電池１０が停止すると、制御装置３０は、供給制御弁２２ｅを第一の所定時間だけ開弁させた後、閉弁させる。ここで、第一の所定時間は、貯留室２２ａ内の液体（生成水）Ｌの水位が仕切板２２ｂの下端を超え、かつ、貯留室２２ａ内の液体Ｌが配管ｃ１，ｃ２に流れ込まないような時間に設定されている。これにより、図２（ｂ）に示すように、所定量の液体Ｌがタンク２２ｃから供給流路２２ｄを介して貯留室２２ａ内に供給される。貯留室２２ａ内に供給された液体Ｌは、仕切板２２ｂの表面を伝わって落下し、貯留室２２ａの底部に貯められる。液体Ｌの供給が終了した状態において、仕切板２２ｂの下端が液体Ｌに浸かっているため、気体流路は閉塞され、配管ｃ１から配管ｃ２への酸化剤ガスの流れは遮断される。これにより、簡易な構成で、気体流路閉塞装置２２Ａにおいて燃料電池１０への酸化剤ガスの供給を防ぐとともに、気体流路閉塞装置２２Ｂにおいて燃料電池１０からの酸化剤ガスの排出を防ぐことができる。
【００４４】
≪開放動作≫
続いて、燃料電池１０が始動すると、制御装置３０は、排出制御弁２２ｇを第二の所定時間だけ開弁させた後、閉弁させる。ここで、第二の所定時間は、貯留室２２ａ内及び排出流路２２ｆの排出制御弁２２ｇよりも上流側の液体Ｌが排出されるのに十分な時間に設定されている。これにより、図３に示すように、貯留室２２ａ内の液体Ｌが排出流路２２ｆを介して外部へ排出され、図２（ａ）に示すように、貯留室２２ａ内及び排出流路２２ｆの排出制御弁２２ｇよりも上流側に液体Ｌが存在していない状態となる。かかる状態において、気体流路は開放され、配管ｃ１から配管ｃ２への酸化剤ガスの流れは許容される。これにより、簡易な構成で、気体流路閉塞装置２２Ａにおいて燃料電池１０への酸化剤ガスの供給が可能となるとともに、気体流露閉塞装置２２Ｂにおいて燃料電池１０からの酸化剤ガスの排出が可能となる。
【００４５】
また、外気温度を検出する温度センサ４０によって検出された温度が０℃以下である場合にも、制御装置３０は、排出制御弁２２ｇを第二の所定時間だけ開弁させた後閉弁させる。これにより、液体（生成水）Ｌが貯留室２２ａ内において凍結することを防止することができる。
【００４６】
本発明の実施形態に係る気体流路閉塞装置２２Ａ，２２Ｂは、簡易な構成で気体流路を閉塞することができる。また、気体流路閉塞装置２２Ａ，２２Ｂは、モータ駆動式ポペット弁を用いずに済むので、燃料電池システム１の軽量化及び低コスト化を実現することができる。また、気体流路閉塞装置２２Ａ，２２Ｂは、燃料電池１０のカソードを封止することによって燃料電池１０の耐久性を向上することができる。また、気体流路閉塞装置２２Ａ，２２Ｂは、高低差を用いて液体Ｌを移動させるので、液体Ｌを移動させるためのポンプ等が不要である。また、気体流路閉塞装置２２Ａ，２２Ｂは、燃料電池１０で発生した生成水を有効活用することができ、気体流路を閉塞するための液体Ｌを別途用意する必要が無い。また、気体流路閉塞装置２２Ａ，２２Ｂは、貯留室２２ａ内での生成水の凍結を防止することができる。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、排出制御弁２２ｇは、常開型の電磁弁であってもよい。また、仕切板２２ｂは、前記したものに限定されず、上下端及び両側端が貯留室２２ａに気密に取り付けられていると共に、配管ｃ１，ｃ２（又は配管ｃ５，ｃ６）の貯留室２２ａとの接続部の内面下端よりも下方に穴が形成されている構成であってもよい。この場合には、貯留室２２ａ内に液体Ｌが供給されて穴が塞がれることによって、気体流路が閉塞される。
【符号の説明】
【００４８】
１０    燃料電池                    １１    カソード流路
２２Ａ，２２Ｂ  気体流路閉塞装置    ２２ａ  貯留室
２２ｂ  仕切板                      ２２ｃ  タンク
２２ｄ  供給流路                    ２２ｅ  供給制御弁
２２ｆ  排出流路                    ２２ｇ  排出制御弁
ｃ１，ｃ２  配管（気体流路）        Ｌ      液体（生成水）
【図１】
2012202548.tif 000003
【図２】
2012202548.tif 000004
【図３】
2012202548.tif 000005