(57)【要約】【課題】燃料電池システムの部品点数削減とレイアウト性の向上を図る。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料と酸化剤を供給されて発電をする燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に供給される空気が流通する空気供給流路１１と、燃料電池スタック２から排出された空気が流通するカソードオフガス流路１２と、カソードオフガス流路１２から分岐され燃料電池スタック２から排出された空気を空気供給流路１１に戻すＥＧＲ流路１９と、燃料電池スタック２の手前の空気供給流路１１から分岐され空気供給流路１１を流通する空気をカソードオフガス流路１２に合流させるバイパス流路１８と、ＥＧＲ流路１９を遮断可能なＥＧＲ弁３２とバイパス流路１８を遮断可能なバイパス弁３１とを一体に形成してなるツインバルブ３０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】
燃料と酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化剤が流通する酸化剤供給流路と、
前記燃料電池から排出された酸化剤が流通する酸化剤排出流路と、
前記酸化剤排出流路から分岐され前記燃料電池から排出された前記酸化剤を前記酸化剤供給流路に戻す酸化剤循環流路と、
前記燃料電池の手前の前記酸化剤供給流路から分岐され該酸化剤供給流路を流通する酸化剤を前記酸化剤排出流路に合流させる酸化剤バイパス流路と、
前記酸化剤循環流路を遮断可能な循環流路弁と前記酸化剤バイパス流路を遮断可能なバイパス流路弁とを一体に形成してなるツインバルブと、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ツインバルブは、ソレノイド式アクチュエータのプランジャの移動方向の両端に前記循環流路弁と前記バイパス流路弁が設けられ、
前記ソレノイド式アクチュエータのソレノイドが非通電状態で前記循環流路弁と前記バイパス流路弁がともに閉弁し、前記ソレノイドに通電した際の前記プランジャの移動に伴い、前記循環流路弁と前記バイパス流路弁の一方の弁が開弁し、他方の弁が閉弁す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】
前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
前記酸化剤循環流路から排出されるガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
前記発電状態検出手段と前記水素濃度検出手段の少なくともいずれか一方の検出値に応じて前記ツインバルブの前記ソレノイドの通電方向を切り替え可能な制御部と、
を備え、前記制御部は、前記検出値の変化に応じて前記ツインバルブの前記ソレノイドへの通電方向決定し、通電を行う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】
燃料電池システムにおいては、酸化剤供給流路を通して燃料電池に酸化剤を供給し、燃料電池から排出された酸化剤オフガスを酸化剤オフガス流路を通して排出している。
【０００３】
ところで、前記酸化剤供給流路と前記酸化剤オフガス流路とを、酸化剤オフガス循環流路（以下、ＥＧＲ流路と略す）によって接続し、酸化剤オフガス循環流路に開閉弁（以下、ＥＧＲ弁という）を設けて、酸化剤オフガスを任意に燃料電池に供給可能にしたシステム（以下、ＥＧＲシステムという）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このＥＧＲシステムは、例えば、燃料電池システムの停止後の燃料電池の局所的膜劣化を抑制し、燃料電池の長寿命化を図るために、燃料電池システム停止前の発電中に、酸化剤オフガスを前記ＥＧＲ流路を介して酸化剤供給流路に戻し、酸化剤オフガスを燃料電池に供給することで燃料電池のカソードに供給される酸化剤濃度を低減させるのに使用されている。
【０００５】
また、別のシステムとして、酸化剤供給流路と酸化剤オフガス流路とを、バイパス流路によって接続し、バイパス流路に開閉弁（以下、バイパス弁という）を設けて、燃料電池に向かう酸化剤の一部を燃料電池をバイパスさせて酸化剤オフガス循環流路に流通可能にしたシステム（以下、酸化剤バイパスシステムという）も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
この酸化剤バイパスシステムは、例えば、燃料電池システムの起動時にバイパス弁を開弁して、燃料電池に供給される酸化剤の一部を燃料電池をバイパスさせて酸化剤オフガス循環流路に流すことにより、前回システム停止後から蓄積された燃料電池のアノードからカソードへの透過水素を希釈するのに使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−９０９１２号公報
【特許文献２】特開２００９−１６１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のような使用方法の場合、ＥＧＲシステムを作動させるのは（換言するとＥＧＲ弁を開弁するのは）燃料電池システムの停止直前であり、酸化剤バイパスシステムを作動させるのは（換言するとバイパス弁を開弁するのは）燃料電池システムの起動時であり、いずれの弁も燃料電池システムの発電中は閉弁させており、開弁頻度は極めて少ない。
【０００９】
ここで、前記ＥＧＲシステムと前記酸化剤バイパスシステムの両方を備える燃料電池システムを考えた場合、使用頻度が少ないとはいえ、ＥＧＲ弁とバイパス弁が必要となる。しかしながら、ＥＧＲ弁とバイパス弁をそれぞれ個別に設置すると、部品点数が増加するという課題がある。また、レイアウト上の自由度に影響を及ぼすという課題もある。
【００１０】
そこで、この発明は、ＥＧＲ弁とバイパス弁を備えつつ、部品点数の削減、レイアウト上の自由度を上げ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】
【００１１】
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、燃料と酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施形態における燃料電池スタック２）と、前記燃料電池に供給される酸化剤が流通する酸化剤供給流路（例えば、後述する実施形態における空気供給流路１１）と、前記燃料電池から排出された酸化剤が流通する酸化剤排出流路（例えば、後述する実施形態におけるカソードオフガス流路１２）と、前記酸化剤排出流路から分岐され前記燃料電池から排出された前記酸化剤を前記酸化剤供給流路に戻す酸化剤循環流路（例えば、後述する実施形態におけるＥＧＲ流路１９）と、前記燃料電池の手前の前記酸化剤供給流路から分岐され該酸化剤供給流路を流通する酸化剤を前記酸化剤排出流路に合流させる酸化剤バイパス流路（例えば、後述する実施形態におけるバイパス流路１８）と、前記酸化剤循環流路を遮断可能な循環流路弁（例えば、後述する実施形態におけるＥＧＲ弁３２）と前記酸化剤バイパス流路を遮断可能なバイパス流路弁（例えば、後述する実施形態におけるバイパス弁３１）とを一体に形成してなるツインバルブ（例えば、後述する実施形態におけるツインバルブ３０）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム（例えば、後述する実施形態における燃料電池システム１）である。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記ツインバルブは、ソレノイド式アクチュエータ（例えば、後述する実施形態におけるアクチュエータ部３３）のプランジャ（例えば、後述する実施形態におけるプランジャ４１）の移動方向の両端に前記循環流路弁と前記バイパス流路弁が設けられ、前記ソレノイド式アクチュエータのソレノイド（例えば、後述する実施形態におけるコイル３５，１０３Ａ，１０３Ｂ）が非通電状態で前記循環流路弁と前記バイパス流路弁がともに閉弁し、前記ソレノイドに通電した際の前記プランジャの移動に伴い、前記循環流路弁と前記バイパス流路弁の一方の弁が開弁し、他方の弁が閉弁することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段（例えば、後述する実施形態における電流センサ２２）と、前記酸化剤循環流路から排出されるガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段（例えば、後述する実施形態における水素センサ２１）と、前記発電状態検出手段と前記水素濃度検出手段の少なくともいずれか一方の検出値に応じて前記ツインバルブの前記ソレノイドの通電方向を切り替え可能な制御部（例えば、後述する実施形態における制御装置２０）と、を備え、前記制御部は、前記検出値の変化に応じて前記ツインバルブの前記ソレノイドへの通電方向決定し、通電を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、循環流路弁と酸化剤バイパス弁の両方を備える燃料電池システムにおいて、循環流路弁と酸化剤バイパス弁とを一体化しツインバルブという一つの部品で構成することにより、部品点数を削減することができる。また、一部品とすることで、レイアウト上の自由度も向上し、燃料電池システムの小型化が可能となる。
【００１５】
請求項２に係る発明によれば、ソレノイドの通電、非通電を制御することにより、循環流路弁の開閉及び酸化剤バイパス弁の開閉を制御することができる。
【００１６】
請求項３に係る発明によれば、発電状態検出手段と水素濃度検出手段のいずれか一方あるいは両方の検出値に応じてツインバルブのソレノイドの通電方向を切り替えて通電することで、循環流路弁と酸化剤バイパス弁の開閉をそれぞれの目的に応じて制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施形態における概略構成図である。
【図２】実施形態におけるツインバルブの縦断面図である。
【図３】前記ツインバルブのプランジャの分解斜視図である。
【図４】ＥＧＲ弁開弁時における前記ツインバルブの縦断面図である
【図５】バイパス弁開弁時における前記ツインバルブの縦断面図である
【図６】実施形態における燃料電池システムの起動から停止における制御を示すフローチャートである。
【図７】他の実施形態におけるツインバルブのアクチュエータ部を概略的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施形態を図１から図７の図面を参照して説明する。なお、この実施形態における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
図１は、実施形態における燃料電池システム１の概略構成を示した図である。
燃料電池スタック（燃料電池）２は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノードに燃料として水素（燃料）を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気（酸化剤）を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１９】
図示しない水素タンクから供給される水素は、水素供給流路３、エゼクタ４を通って燃料電池スタック２のアノードに供給される。燃料電池スタック２で消費されなかった未反応の水素は、燃料電池スタック２からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路５を通ってエゼクタ４に戻され、前記水素タンクから供給される新鮮な水素と合流し再び燃料電池スタック２のアノードに供給される。
【００２０】
空気はコンプレッサ１０によって加圧され、空気供給流路（酸化剤供給流路）１１を通って燃料電池スタック２のカソードに供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック２からカソードオフガスとして排出され、カソードオフガス流路（酸化剤排出流路）１２を通って排出される。なお、以下の説明では、燃料電池スタック２に供給される空気を供給空気と称す。
【００２１】
空気供給流路１１においてコンプレッサ１０よりも下流には、上流側から順に、インタークーラー１３と加湿器１４が設けられている。加湿器１４は、空気供給流路１１とカソードオフガス流路１２との間に架け渡されて設けられており、カソードオフガス中の水分を膜を介して供給空気に移動させることによって供給空気を加湿する、いわゆる膜加湿器で構成されている。
【００２２】
カソードオフガス流路１２において加湿器１４よりも下流には、その上流側から順に、圧力制御弁１５と希釈器１６が設けられている。
圧力制御弁１５は、燃料電池スタック２内のカソードの空気圧力を調整するために設けられている。
【００２３】
希釈器１６には、アノードオフガス流路５から分岐したアノードオフガス排出流路６が接続されている。アノードオフガス排出流路６は、制御装置３０によって制御されるパージ弁７を備えており、パージ弁７は、燃料電池スタック２の発電中において通常は閉弁しており、アノードオフガス流路５を流通するアノードオフガス中の不純物濃度が閾値を越えたときなどに一時的に開弁されて、アノードオフガスを希釈器１６に排出する。そして、この希釈器１６において、アノードオフガスはカソードオフガスによって希釈され、排出流路１７を通って外部に排出される。
【００２４】
空気供給流路１１においてインタークーラー１３と加湿器１４との間からは、空気バイパス流路（酸化剤バイパス流路）１８が分岐しており、空気バイパス流路１８は、カソードオフガス流路１２における圧力制御弁１５と希釈器１６との間に合流している。空気バイパス流路１８の途中には、ツインバルブ３０におけるバイパス弁（バイパス流路弁）３１が設けられている。
【００２５】
バイパス弁３１は、通常は閉弁しており、燃料電池システム１の起動時に開弁して、燃料電池スタック２に向けて供給される空気の一部を、燃料電池スタック２をバイパスさせてカソードオフガス流路１２に合流させる。これにより、前回燃料電池システム１を停止してからその停止中に、燃料電池スタック２のアノードから固体高分子電解質膜を透過してカソードへ移動した透過水素がカソード側に蓄積され、この蓄積された透過水素が、燃料電池システム２の起動時に燃料電池スタック２のカソードに供給された供給空気によりカソードオフガス流路１２に押し出された場合でも、この透過水素を空気バイパス流路１８を流通してきた空気を用いて、希釈器１６において希釈することができる。これが、バイパス流路１８及びバイパス弁３１を設けた目的である。
【００２６】
カソードオフガス流路１２において燃料電池スタック２と加湿器１４の間からは、カソードオフガス循環流路（酸化剤循環流路）１９が分岐しており、カソードオフガス循環流路（以下、ＥＧＲ流路と略す）１９は、空気供給流路１１におけるコンプレッサ１０よりも上流の位置に合流している。ＥＧＲ流路１９の途中には、ツインバルブ３０における循環流路弁（以下、ＥＧＲ弁と略す）３２が設けられている。
【００２７】
ＥＧＲ弁３２は、通常は閉弁しており、燃料電池システム１の停止直前に開弁して、燃料電池スタック２から排出されたカソードオフガスの一部を、コンプレッサ１０よりも上流の空気供給流路１１に合流させる。これにより、燃料電池システム１の停止前に、新鮮な空気とカソードオフガスとが混合されたガス、つまり酸素濃度の低い空気を燃料電池スタック２に供給して発電を行うことで、燃料電池システム１の停止後における燃料電池スタック２の局所的な膜劣化を抑制し、燃料電池スタック２の長寿命化を図っている。これが、ＥＧＲ流路１９及びＥＧＲ弁３２を設けた目的である。
【００２８】
希釈器１６内の出口近傍には、これから排出されるガスの水素濃度を検出する水素センサ（水素濃度検出手段）２１が設置されており、水素センサ２１は検出した水素濃度に応じた電気信号を制御装置（制御部）２０に出力する。
燃料電池スタック２は、燃料電池スタック２から引き出される電流値を検出する電流センサ（発電状態検出手段）２２を備えており、電流センサ２２は検出した電流値に応じた電気信号を制御装置２０に出力する。
制御装置２０は、水素センサ２１、電流センサ２２の検出値等に基づいてツインバルブ３０を制御し、バイパス弁３１及びＥＧＲ弁３２の開閉を制御する。
【００２９】
ツインバルブ３０は、バイパス弁３１とＥＧＲ弁３２とを一体に形成してなり、ソレノイド式のアクチュエータによって駆動される弁である。図２、図３を参照して、ツインバルブ３０を詳述する。
ツインバルブ３０は、図２において上下方向の中央部分がアクチュエータ部３３となっていて、アクチュエータ部３３よりも下側がバイパス弁３１、上側がＥＧＲ弁３２となっている。
【００３０】
アクチュエータ部３３は、ボビン３４に保持されたコイル３５を有し、ボビン３４はその上下に配置された上ヨーク３６と下ヨーク３７によって挟持され、上ヨーク３６と下ヨーク３７はフレーム３８によって連結されている。上ヨーク３６の下面には上側永久磁石３９が設置され、下ヨーク３７の上面には下側永久磁石４０が設置されている。そして、ボビン３４の内側であって上側永久磁石３９と下側永久磁石４０とによって囲まれた空間がプランジャ室５１になっていて、プランジャ室５１にプランジャ４１が上下方向に移動可能に収容されている。
【００３１】
プランジャ４１は、円筒状のシリンダ部４２と、二つのピストン４３Ａ，４３Ｂを備えている。図３に示すように、シリンダ部４２の内部は、隔壁４５を介して上下二つのピストン室４４Ａ，４４Ｂに分かれている。
上側のピストン室４４Ａには、上側のピストン（以下、上側ピストンという）４３Ａのピストンヘッド４６Ａが上下方向へ移動可能に収納されており、ピストンヘッド４６Ａの上端面から上方に延びるピストンシャフト４７Ａが、プランジャ４１の上壁４８に形成された貫通孔４８ａを挿通している。
【００３２】
上側ピストン４３Ａのピストンシャフト４７Ａは、上側永久磁石３９及び上ヨーク３６を挿通して、更に上方に延びている。上ヨーク３６よりも上方に突出したピストンシャフト４７Ａの先端には、ＥＧＲ弁３２の弁体６０が固定されている。また、ピストンシャフト４７Ａには、上ヨーク３６よりも上側であってＥＧＲ弁３２の弁体６０よりも下側に、ダイヤフラム支持部４９Ａが形成されている。
【００３３】
一方、下側のピストン室４４Ｂには、下側のピストン（以下、下側ピストンという）４３Ｂのピストンヘッド４６Ｂが上下方向へ移動可能に収納されており、図３に示すようにピストンヘッド４６Ｂの下端面から下方に延びるピストンシャフト４７Ｂが、プランジャ４１の下壁５０に形成された貫通孔５０ａを挿通している。
【００３４】
下側ピストン４３Ｂのピストンシャフト４７Ｂは、下側永久磁石４０及び下ヨーク３７を挿通して、更に下方に延びている。下ヨーク３７よりも下方に突出したピストンシャフト４７Ｂの先端には、バイパス弁３１の弁体８０が固定されている。また、ピストンシャフト４７Ｂには、下ヨーク３７よりも下側であってバイパス弁３１の弁体８０よりも上側に、ダイヤフラム支持部４９Ｂが形成されている。
【００３５】
ＥＧＲ弁３２は、上ヨーク３６の上側に設置された第１ボディ６１と、第１ボディ６１の上側に設置された第２ボディ６２と、第１ボディ６１と第２ボディ６２との間に挟装された弁座部材６３とを備えている。
第１ボディ６１の内部には下流側空気室６４が形成されており、下流側空気室６４に連通する出口通路６５が第１ボディ６１の一端面に開口している。下流側空気室６４には、前述した上側ピストン４３Ａのダイヤフラム支持部４９Ａが収容されている。ダイヤフラム支持部４９Ａと第１ボディ６１の下端部は環状のダイヤフラム６６によって連結されており、このダイヤフラム６６は、下流側空気室６４の底部を形成し、下流側空気室６４内の空気がアクチュエータ部３３側へ漏洩しないようにシールしている。
【００３６】
第２ボディ６２の内部には上流側空気室６７が形成されており、上流側空気室６７に連通する入口通路６８が第２ボディ６２の一端面に開口している。上流側空気室６７には、前述した弁体６０が上下方向へ移動可能に収容されている。
弁座部材６３は、弁座６９と、弁座６９の内側に形成された空気通路７０を備えている。弁体６０は弁座６９の上側に位置し、弁座６９に着座離反可能となっている。空気通路７０は、弁体６０が弁座６９から離反したときに、上流側空気室６７と下流側空気室６４とを連通し、入口通路６８から流入した空気を出口通路６５へと流通させる。
弁体６０と第２ボディ６２の天板部との間には、弁体６０を弁座６９に着座させる方向（すなわち閉弁方向）に付勢するスプリング７１が設置されている。
【００３７】
バイパス弁３１は、下ヨーク３７の下側に設置された第１ボディ８１と、第１ボディ８１の下側に設置された第２ボディ８２と、第１ボディ８１と第２ボディ８２との間に挟装された弁座部材８３とを備えている。
第１ボディ８１の内部には下流側空気室８４が形成されており、下流側空気室８４に連通する出口通路８５が第１ボディ８１の一端面に開口している。下流側空気室８４には、前述した下側ピストン４３Ｂのダイヤフラム支持部４９Ｂが収容されている。ダイヤフラム支持部４９Ｂと第１ボディ８１の上端部は環状のダイヤフラム８６によって連結されており、このダイヤフラム８６は、下流側空気室８４の天井部を形成し、下流側空気室８４内の空気がアクチュエータ部３３側へ漏洩しないようにシールしている。
【００３８】
第２ボディ８２の内部には上流側空気室８７が形成されており、上流側空気室８７に連通する入口通路８８が第２ボディ８２の一端面に開口している。上流側空気室８７には、前述した弁体８０が上下方向へ移動可能に収容されている。
弁座部材８３は、弁座８９と、弁座８９の内側に形成された空気通路９０を備えている。弁体８０は弁座８９の下側に位置し、弁座８９に着座離反可能となっている。空気通路９０は、弁体８０が弁座８９から離反したときに、上流側空気室８７と下流側空気室８４とを連通し、入口通路８８から流入した空気を出口通路８５へと流通させる。
弁体８０と第２ボディ８２の底板部との間には、弁体８０を弁座８９に着座させる方向（すなわち閉弁方向）に付勢するスプリング９１が設置されている。
【００３９】
なお、図３に示すように、プランジャ４１のシリンダ部４２は、縦割りに二分割された第１シリンダ部４２ａと第２シリンダ部４２ｂとから構成されている。第１シリンダ部４２ａの上下のピストン室４４Ａ，４４Ｂに上側ピストン４３Ａ及び下側ピストン４３Ｂを挿入した後、第１シリンダ部４２ａに第２シリンダ部４２ｂを合わせて両者を結合することによりプランジャ４１を完成することができる。この場合の結合手段は、溶接、嵌合、締結等、適宜の手段が採用可能である。
【００４０】
このように構成されたツインバルブ３０では、コイル３５に電流を流さない非通電状態では、図２に示すように、ＥＧＲ弁３２の弁体６０がスプリング７１のばね力により弁座６９に着座し、ＥＧＲ弁３２は閉弁状態となる。また、バイパス弁３１の弁体８０がスプリング９１のばね力により弁座８９に着座し、バイパス弁３１は閉弁状態となる。すなわち、このツインバルブ３０は、ソレノイドを構成するコイル３５に電流が流れていない非通電状態では、バイパス弁３１とＥＧＲ弁３２が両方とも閉弁状態となる。そして、この状態において、プランジャ４１のシリンダ部４２はプランジャ室５１の上下方向中央に位置し、上側ピストン４３Ａのピストンヘッド４６Ａと下側ピストン４３Ｂのピストンヘッド４６Ｂがシリンダ部４２の隔壁４５に当接する。
【００４１】
そして、図４に示すように、コイル３５に軸方向の上方から見て反時計回り方向に電流を流した通電状態では、プランジャ４１のシリンダ部４２を図中上方に引き付ける力が発生し、シリンダ部４２が上側ピストン４３Ａとともに上昇する。そして、この引き付け力がＥＧＲ弁３２のスプリング７１のばね力に打ち勝って、ＥＧＲ弁３２の弁体６０を弁座６９から離反させる。これにより、ＥＧＲ弁３２は開弁状態となる。そして、ＥＧＲ弁３２は、シリンダ部４２が上側永久磁石３９に磁着されて当接したときに全開となる。一方、このとき、下側ピストン４３Ｂは、シリンダ部４２が上昇しても停止しており、下側ピストン４３Ｂのピストンヘッド４６Ｂが下側のピストン室４４Ｂ内においてシリンダ部４２に対して相対移動するだけとなる。その結果、バイパス弁３１は閉弁状態に保持される。
つまり、このツインバルブ３０では、コイル３５に軸方向の上方から見て反時計回り方向に電流を流した通電状態では、ＥＧＲ弁３２が開弁状態となり、バイパス弁３１が閉弁状態となる。
【００４２】
また、図５に示すように、コイル３５に軸方向の上方から見て時計回り方向に電流を流した通電状態では、プランジャ４１のシリンダ部４２を図中下方に引き付ける力が発生し、シリンダ部４２が下側ピストン４３Ｂとともに下降する。そして、この引き付け力がバイパス弁３１のスプリング９１のばね力に打ち勝って、バイパス弁３１の弁体８０を弁座８９から離反させる。これにより、バイパス弁３１は開弁状態となる。そして、バイパス弁３１は、シリンダ部４２が下側永久磁石４０に磁着されて当接したときに全開となる。一方、このとき、上側ピストン４３Ａは、シリンダ部４２が下降しても停止しており、上側ピストン４３Ａのピストンヘッド４６Ａが上側のピストン室４４Ａ内においてシリンダ部４２に対して相対移動するだけとなる。その結果、ＥＧＲ弁３２は閉弁状態に保持される。
つまり、このツインバルブ３０では、コイル３５に軸方向の上方から見て時計回り方向に電流を流した通電状態では、バイパス弁３１が開弁状態となり、ＥＧＲ弁３２が閉弁状態となる。
【００４３】
このように、このツインバルブ３０では、コイル３５に電流が流れていない非通電状態とすることにより、バイパス弁３１とＥＧＲ弁３２の両方を閉弁状態にすることができ、コイル３５に流す電流の向きを制御することにより、バイパス弁３１とＥＧＲ弁３２の一方だけを開弁状態とし、他方を閉弁状態にすることができる。
【００４４】
そして、この実施形態では、ツインバルブ３０におけるバイパス弁３１の入口通路８８に空気バイパス流路１８の上流側（空気供給流路１１に接続される側）が接続され、出口通路８５に空気バイパス流路１８の下流側（カソードオフガス流路１２に接続される側）が接続され、ＥＧＲ弁３２の入口通路６８にＥＧＲ流路１９の上流側（カソードオフガス流路１２に接続される側）が接続され、出口通路６５にＥＧＲ流路１９の下流側（コンプレッサ１０の上流に接続される側）が接続されている。
【００４５】
次に、この燃料電池システム１の起動から停止における制御の概略を、ツインバルブ３０の作動を中心として、図６のフローチャートに従って説明する。図６のフローチャートに示す制御ルーチンは、制御装置３０によって実行される。
【００４６】
ステップＳ１０１において、燃料電池システム１の起動指令信号を入力すると、ステップＳ１０２に進み、ツインバルブ３０のバイパス弁３１を開弁すべく、コイル３５に電流を流す。コイル３５に流す電流の向き（通電方向）については前述した通りであるので、説明を省略するが、通電方向の制御は制御装置２０によって行われる。これにより、ツインバルブ３０のバイパス弁３１を開弁するとともに、ＥＧＲ弁３２の閉弁状態を維持する。
次に、ステップＳ１０３に進み、コンプレッサ１０を作動して、空気を空気供給流路１１、インタークーラー１３、加湿器１４を介して燃料電池スタック２のカソードに供給するとともに、空気供給流路１１を流通する空気の一部を、バイパス流路１８、バイパス弁３１を通してカソードオフガス流路１２に合流させる。
【００４７】
燃料電池スタック２のカソード側には、前回燃料電池システム１を停止してからその停止中に、燃料電池スタック２のアノードから固体高分子電解質膜を透過してカソードへ移動した透過水素が蓄積されている場合がある。したがって、燃料電池システム１の起動時に燃料電池スタック２のカソードから排出されるカソードオフガスは、水素濃度が高い場合があり、これをそのまま系外に排出するのは好ましくない。しかしながら、この燃料電池システム１では、起動時に、空気供給流路１１を流通する空気の一部を、バイパス流路１８、バイパス弁３１を通してカソードオフガス流路１２に合流させているので、燃料電池スタック２のカソードから水素濃度の比較的に高いカソードオフガスが排出された場合にも、このカソードオフガスと、バイパス流路１８を流通してきた水素を殆ど含まない新鮮な空気とを、希釈器１６において混合することができ、水素濃度の高いカソードオフガスを希釈して水素濃度を低下させることができる。
【００４８】
ステップＳ１０４では、希釈器１６に設置された水素センサ２１により希釈器１６から排出されるガスの水素濃度を検出し、検出値が予め設定された規定値Ａより小さいか否かを判定する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」である場合には、希釈器１６から排出されるガスの水素濃度が規定値Ａ以上となるので、ステップＳ１０２に戻り、バイパス弁３１の開弁状態を保持して、カソードオフガスに対する希釈処理を継続する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」である場合には、希釈器１６から排出されるガスの水素濃度が規定値Ａを下回ったので、ステップＳ１０５に進み、カソードオフガスに対する希釈処理を終了するために、ツインバルブ３０のコイル３５への通電を停止して非通電状態とし、バイパス弁３１を閉弁する。なお、コイル３５を非通電状態にするので、ＥＧＲ弁３２も閉弁状態に維持される。
次に、ステップＳ１０６に進み、燃料電池スタック２に負荷に応じた量の水素及び空気を供給して、通常発電運転に移行する。
【００４９】
次に、ステップＳ１０７に進み、燃料電池システム１の停止指令信号を入力したか否かを判定する。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」である場合には、ステップＳ１０５に戻り、通常発電運転を継続する。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」である場合には、ステップＳ１０８に進み、ツインバルブ３０のＥＧＲ弁３２を開弁すべく、コイル３５に電流を流す。コイル３５に流す電流の向きについては前述した通りであるので、説明を省略するが、通電方向の制御は制御装置２０によって行われる。これにより、ツインバルブ３０のＥＧＲ弁３２を開弁するとともに、バイパス弁３１の閉弁状態を維持する。なお、燃料電池スタック２のアノードへの水素供給は継続する。
【００５０】
ＥＧＲ弁３２が開弁されると、燃料電池スタック２から排出されたカソードオフガスの一部が、ＥＧＲ流路１９、ＥＧＲ弁３２を通って、コンプレッサ１０よりも上流の空気供給流路１１に合流する。その結果、燃料電池システム１の発電停止前に、新鮮な空気と燃料電池スタック２から排出されたカソードオフガスとが混合されたガス、つまり酸素濃度の低い空気を燃料電池スタック２のカソードに供給して低効率発電を行うことができる。これにより、燃料電池システム１の停止後における燃料電池スタック２の局所的な膜劣化を抑制し、燃料電池スタック２の長寿命化を図ることができる。
【００５１】
次に、ステップＳ１０９に進み、電流センサ２２により、燃料電池スタック２から引き出される電流値を検出し、検出された電流値が予め設定した規定値Ｂより小さいか否かを判定する。
ステップＳ１０９における判定結果が「ＮＯ」である場合には、低効率発電の終了点に達していないので、ステップＳ１０８に戻り、低効率発電を継続する。
ステップＳ１０９における判定結果が「ＹＥＳ」である場合には、低効率発電の終了点に達したので、ステップＳ１１０に進み、燃料電池システム１を停止する。つまり、コンプレッサ１０を停止して燃料電池スタック２への空気の供給を停止するとともに、燃料電池スタック２への水素供給を停止し、また、ツインバルブ３０のコイル３５への通電を停止して非通電状態とし、バイパス弁３１及びＥＧＲ弁３２を閉弁する。
【００５２】
この実施形態の燃料電池システム１によれば、バイパス弁３１とＥＧＲ弁３２とを一体化してツインバルブ３０という一つの部品で構成しているので、部品点数を削減することができる。また、一部品とすることで、レイアウト上の自由度も向上し、燃料電池システムの小型化が可能となる。
また、前述したように、ツインバルブ３０のコイル３５を非通電とすることによってバイパス弁３１とＥＧＲ弁３２の両方を閉弁状態とすることができる。また、コイル３５に流す電流の通電方向を切り換えるだけで、バイパス弁３１とＥＧＲ弁３２の一方を開弁させ、他方を閉弁することができるので、コイル３５が一つで済み、ツインバルブ３０を小型化することができる。
【００５３】
さらに、この実施形態の燃料電池システム１によれば、水素センサ２１の検出値に応じて、ツインバルブ３０のコイル３５への通電方向を切り換えることにより、バイパス弁３１を開閉制御することができ、電流センサ２２の検出値に応じて、ツインバルブ３０のコイル３５への通電方向を切り換えることにより、ＥＧＲ弁３２を開閉制御することができる。
【００５４】
なお、前述した実施形態では、ツインバルブ３０に設けられたコイル３５が一つだけであり、一つのコイル３５をバイパス弁３１とＥＧＲ弁３２の作動用のソレノイドとして共有させたが、バイパス弁３１とＥＧＲ弁３２を作動するためのそれぞれ専用のコイルを備える構成とすることも可能である。
【００５５】
図７は、その一例を示すアクチュエータ部３３の概略構成図である。プランジャ４１の構成については前述した実施形態のものと同じであるので同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。また、ＥＧＲ弁３２の弁体６０が着座する弁座６９及び空気通路７０、バイパス弁３１の弁体８０が着座する弁座８９及び空気通路９０は簡略化して示している。
【００５６】
図７において、符号１００はフレーム、符号１０１はボビン、符号１０２は永久磁石、符号１０３ＡはＥＧＲ弁３２を作動するためのコイル、符号１０３Ｂはバイパス弁３１を作動するためのコイル、符号１０４Ａ，１０４Ｂはベースを示している。
ボビン１０１には、その上下方向の中央に永久磁石１０２が配置されており、永久磁石１０２よりも上側にＥＧＲ弁３２専用のコイル１０３Ａが配置され、永久磁石１０２よりも下側にバイパス弁３１専用のコイル１０３Ｂが配置されている。なお、永久磁石１０２は、プランジャ４１を中立位置（バイパス弁３１とＥＧＲ弁３２が共に閉弁状態となる位置をいう）に保持するためのものである。
【００５７】
このアクチュエータ部３３の場合にも、コイル１０３Ａ，１０３Ｂに電流を流さない非通電状態では、バイパス弁３１とＥＧＲ弁３２が共に閉弁状態に維持される。そして、コイル１０３Ａに軸方向の上方から見て反時計回りに電流を流した通電状態では、プランジャ４１のシリンダ部４２が上側ピストン４３Ａとともに上昇して、弁体６０が弁座６９から離反し、ＥＧＲ弁３２が開弁する。このとき、バイパス弁３１は閉弁状態を維持する。また、コイル１０３Ｂに軸方向の上方から見て時計回りに電流を流した通電状態では、プランジャ４１のシリンダ部４２が下側ピストン４３Ｂとともに下降して、バイパス弁３１の弁体８０が弁座８９から離反し、バイパス弁３１が開弁する。このとき、ＥＧＲ弁３２は閉弁状態を維持する。
【符号の説明】
【００５８】
１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック（燃料電池）
１１  空気供給流路（酸化剤供給流路）
１２  カソードオフガス流路（酸化剤排出流路）
１８  空気バイパス流路（酸化剤バイパス流路）
１９  ＥＧＲ流路（酸化剤循環流路）
２０  制御装置（制御部）
２１  水素センサ（水素濃度検出手段）
２２  電流センサ（発電状態検出手段）
３０  ツインバルブ
３１  バイパス弁（バイパス流路弁）
３２  ＥＧＲ弁（循環流路弁）
３３  アクチュエータ部（ソレノイド式アクチュエータ）
３５，１０３Ａ，１０３Ｂ  コイル（ソレノイド）
４１  プランジャ
【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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