(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開閉弁において、
筒状のメイン流路が形成された弁本体と、
前記メイン流路の対向位置に穿設された一対の嵌合孔にそれぞれ挿入されて前記メイン流路と直交するとともに、回動可能に支持されるシャフトと、
前記シャフトに固着された板状の部材であり、前記メイン流路の中心軸と直交する面に対する傾斜角に応じて、前記メイン流路の開度を設定する弁体とを有し、
前記弁本体は、当該弁本体の内部に流体を導入するとともに、当該導入された流体を前記嵌合孔を介して前記メイン流路へと流す内部流路を備え、
前記内部流路は、前記嵌合孔を介して前記メイン流路と連通するとともに前記シャフトを回動自在に支持する軸受部を収容する内部空間と、当該内部空間に外部から流体を導入する導入流路とを含み、
前記軸受部と弁本体との隙間をシールするシール部材が配設されており、
前記シール部材は、前記軸受部と前記弁本体とを熱的に分離可能な熱容量の部材で構成されていること
を特徴とする開閉弁。
【請求項２】
前記シャフトは、中空に形成されているとともに、前記内部空間と対応する位置に中空内部と連通する開口が形成されており、前記内部空間に導入された流体がシャフトの中空内部を通過可能に構成されることを特徴とする請求項１に記載された開閉弁。
【請求項３】
燃料電池システムにおいて、
反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に接続する反応ガス用のガス流路と、
前記ガス流路に配設される開閉弁とを有し、
前記開閉弁は、
筒状のメイン流路が形成されて、前記ガス流路の一部を構成する弁本体と、
前記メイン流路の対向位置に穿設された一対の嵌合孔にそれぞれ挿入されて前記メイン流路に直交するとともに、回動可能に支持されるシャフトと、
前記シャフトに固着された板状の部材であり、前記メイン流路の中心軸と直交する面に対する傾斜角に応じて、前記メイン流路の開度を設定する弁体とを有し、
前記弁本体は、システムから供給される流体を弁本体の内部に導入するとともに、当該導入された流体を前記嵌合孔を介して前記メイン流路へと流す内部流路を備え、
前記内部流路は、前記嵌合孔を介して前記メイン流路と連通するとともに前記シャフトを回動自在に支持する軸受部を収容する内部空間と、当該内部空間に外部から流体を導入する導入流路とを含み、
前記軸受部と弁本体との隙間をシールするシール部材が配設されており、
前記シール部材は、前記軸受部と前記弁本体とを熱的に分離可能な熱容量の部材で構成されていること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池は、前記反応ガスとして酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、前記反応ガスとして燃料ガスが供給される燃料極とを備え、
前記ガス流路は、前記燃料電池の酸化剤極からの排出ガスが流れる酸化剤ガス排出流路を含み、
前記開閉弁は、前記酸化剤ガス排出流路に配設されて、酸化剤ガスの圧力または流量を制御する酸化剤ガス制御弁であることを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス流路は、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路を含み、
前記酸化剤ガス供給流路は、外気を酸化剤ガスとして取り込むとともに、加圧した上で吐出するコンプレッサを備え、
前記酸化剤ガス制御弁は、前記酸化剤ガス供給流路において前記コンプレッサの下流により分岐するパージ流路を介して、前記内部流路に酸化剤ガスが供給されることを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記パージ流路は、当該流路を流れる酸化剤ガスの流量を制御するパージ制御弁をさらに備え、
前記パージ制御弁は、外気温度に基づいて、流量状態が制御されることを特徴とする請求項５に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池は、外気温度に基づいて、運転圧力が設定されることを特徴とする請求項５または６に記載された燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸化剤ガス制御弁は、外気温度と、前記燃料電池の発電電流とに基づいて、開度制限が行われることを特徴とする請求項４から７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池は、前記酸化剤ガス制御弁の開度制限に基づいて、運転圧力と発電電流とが制限されることを特徴とする請求項８に記載された燃料電池システム。
【請求項１０】
前記ガス流路は、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路を含み、
前記酸化剤ガス供給流路は、外気を酸化剤ガスとして取り込むとともに加圧した上で吐出するコンプレッサと、当該コンプレッサから吐出される酸化剤ガスを冷却する冷却装置とを有し、
前記酸化剤ガス制御弁は、前記酸化剤ガス供給流路において前記冷却装置の下流により分岐するパージ流路を介して、前記内部流路に酸化剤ガスが供給されることを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
【請求項１１】
前記冷却装置は、冷却水を循環させることにより前記酸化剤ガスを冷却する装置であり、外気温度に基づいて、冷却水の循環流量が制限されることを特徴とする請求項１０に記載された燃料電池システム。
【請求項１２】
前記酸化剤ガス制御弁の内部流路に対してパージガスを供給する独立したパージガス供給手段をさらに有することを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
【請求項１３】
前記パージガス供給手段は、前記酸化剤ガス制御弁へ供給されるパージガスの圧力を調整可能であることを特徴とする請求項１２に記載された燃料電池システム。
【請求項１４】
前記パージガス供給手段は、前記燃料電池の酸化剤極からの排出ガスの圧力に基づいて、前記パージガスの圧力を制御することを特徴とする請求項１３に記載された燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開閉弁、当該開閉弁を備える燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極に供給される燃料ガス（例えば、水素）と、酸化剤極に供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、反応ガスを供給するための配管、この配管に設けられて、圧力調整または流量調整などに供される弁によって構成されている。
【０００３】
ところで、この類の燃料電池では、電気化学的な反応にともない生成水が発生することが知られている。例えば、特許文献１には、低温時に、凍結抑制の観点から、生成水をシステム外へ排出する手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１９３１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、流路に配設される開閉弁は、小さなクリアラス等を構造的に有するため、特許文献１に開示される手法を行ったとしても、クリアランスに入り込んだ生成水を取り除くことは困難である。そのため、低温時、凍結した生成水により弁が固着してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、弁の凍結を有効に抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明の開閉弁は、凍結抑制構造を備えている。具体的には、開閉弁は、筒状のメイン流路を備える弁本体と、回動可能に支持されるシャフトと、シャフトに固着された板状の部材であってメイン流路を開閉する弁体とを有している。この弁本体は、内部に流体が導入されるとともに、この内部に導入された流体が嵌合孔を介してメイン流路へと流れる内部流路を備えている。この内部流路は、嵌合孔を介してメイン流路と連通するとともにシャフトを回動自在に支持する軸受部を収容する内部空間と、当該内部空間に外部から流体を導入する導入流路とを含む。軸受部と弁本体との隙間をシールするシール部材が配設されており、シール部材は、軸受部と弁本体とを熱的に分離可能な熱容量の部材で構成されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、内部流路を経た空気が、嵌合孔とシャフトとの間に生じたクリアランスを介してメイン流路へと流れるので、メイン流路側からクリアランスに進入する生成水または水蒸気を抑制することができる。特に、氷点下では、生成水または水蒸気が、クリアランスにて凍結し、シャフトの回転が阻害される虞があるが、このような事態を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
【０００９】
燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
【００１０】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系とをさらに有している。
【００１１】
水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には水素供給弁１１が設けられており、この水素供給弁１１が開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧弁よりも下流に設けられた水素制御弁１２によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素圧力は、水素制御弁１２の開度を制御することによって調整することができる。
【００１２】
燃料極からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１から水素循環流路Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素制御弁１２よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されており、水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ１２といったガス循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ１２を駆動することにより、燃料極からの排出ガスが、水素循環流路Ｌ２を介して燃料電池スタック１の供給側へと循環させられる。また、水素循環流路Ｌ２には、排出ガス中に含まれる生成水や水蒸気を分離するための気液分離装置１４が設けられている。
【００１３】
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内での不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。窒素量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１からの出力が低下するといった不都合が生じるため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内の窒素量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路Ｌ２には、内部を流れる循環ガスを外部に排出する不純物排出流路Ｌ３が設けられている。不純物排出流路Ｌ３は、その他方の端部が、後述する空気排出流路Ｌ５に接続されており、循環ガスは、燃料電池スタック１の酸化剤極からの排出ガスによって希釈された上で、大気に放出される。この不純物排出流路Ｌ３には、不純物排出弁１５が設けられており、この不純物排出弁１５の開き量を調整することにより、不純物排出流路Ｌ３を介して排出される窒素量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する窒素量が、発電性能を維持できるように管理される。
【００１４】
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、コンプレッサ２０によって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ４には、アフタークーラー２１、加湿装置２２が設けられており、コンプレッサ２０から供給（吐出）される空気は、アフタークーラー２１によって燃料電池スタック１での反応に適した温度まで冷却されるとともに、加湿装置２２によって燃料電池スタック１での反応に適した湿度まで加湿される。酸化剤極からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ５を介して外部に排出される。この空気排出流路Ｌ５は、上述した加湿装置２２を経由して配設されている。加湿装置２２では、酸化剤極からの排出ガスと、コンプレッサ２０からの空気との間で水分の交換を行うことで、コンプレッサ２０からの空気に対する加湿が行われる。
【００１５】
アフタークーラー（冷却装置）２１は、冷却水が循環する閉ループ状の冷却流路が接続されており、この冷却流路には、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ２３が設けられている。この冷却水循環ポンプ２３を動作させることにより、冷却流路内の冷却水が循環する。また、冷却流路には、ラジエータおよびファンで構成される冷却ユニット２４が設けられている。アフタークーラー２１において、空気との熱交換により温度が上昇した冷却水は、冷却流路を経由して、冷却ユニット２４に流れて冷却される。
【００１６】
また、空気排出流路Ｌ５には、加湿装置２２よりも下流側に、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力または流量を調整する空気制御弁３０が設けられている。空気制御弁３０には、空気供給流路Ｌ４においてコンプレッサ２０の下流側から分岐したパージ流路Ｌ６が接続しており、このパージ流路Ｌ６には、この流路を流れる空気の流量を制御するパージ制御弁２５が設けられている。
【００１７】
図２は、空気制御弁３０の構造を模式的に示す断面図であり、図３は、空気制御弁３０の要部を模式的に示す拡大断面図である。空気制御弁３０は、開度が調整可能な開閉弁であり、本実施形態の特徴の一つとして、凍結抑制構造を備えている。空気制御弁３０は、弁本体３１と、シャフト３２と、弁体３３とを主体に構成されている。弁本体３１は、空気排出流路Ｌ５に配設されて流路の一部を構成しており、空気排出流路Ｌ５を連通する筒状のメイン流路を内部に備えている。シャフト３２は、弁本体３１におけるメイン流路の対向位置に穿設される一対の嵌合孔３８に対して、両端部がそれぞれ挿入されてメイン流路と直交するように配置される。シャフト３２の一方の端部は、弁本体３１の内部を貫通して外部へと延出し、シャフト３２を回転させるモータ等の駆動手段３５が接続されている。板状の弁体３３は、シャフト３２に固着されており、メイン流路の中心軸と直交する面に対する傾斜角に応じて、メイン流路の開度を設定する。
【００１８】
弁本体３１の内部には、嵌合孔３８を介してメイン流路と連通する内部空間３７が形成されており、この内部空間３７には、シャフト３２を回動可能に支持する軸受部３４が収容されている。軸受部３４と弁本体３１との間には、両者のクリアランスをシールするシール部材３６が設けられている。シール部材３６は、図３に示すように、例えば、機械的なシール部材であり、弁本体３１側に配設される固定リング３６ａと、軸受部３４側に配設される回転リング３６ｂとで構成されている。固定リング３６ａと回転リング３６ｂとの間の摺動面には、約１〜３μｍの隙間がある。
【００１９】
また、弁本体３１には、内部空間３７に流体を導入するための導入流路３９が形成されており、この導入流路３９には、図１に示すパージ流路Ｌ６が接続されている。シャフト３２と嵌合孔３８との間のクリアランスは、数１０μｍ〜数１００μｍであり、パージ流路Ｌ６を介して導入流路３９から導入された空気（パージガス）は、内部空間３７および嵌合孔３８（具体的には、シャフト３２と嵌合孔３８との間のクリアランス）を通じて、シール部材３６のシール漏れ分だけ、メイン流路へと流れる。ここで、シール部材３６における摺動面の隙間は約１〜３μｍであり、これを通じて流量が数１０ｍＬ／ｍｉｎ程度に絞られる。そのため、パージ流路Ｌ６に迂回する空気によって、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力または流量に影響が生じるといった事態が抑制される。
【００２０】
図１を参照するに、コントロールユニット４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。コントロールユニット４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このコントロールユニット４０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素制御弁１２、水素循環ポンプ１２、不純物排出弁１５、コンプレッサ２０、アフタークーラー２１、空気制御弁３０、冷却水循環ポンプ２３、電力取出装置３、パージ制御弁２５といった種々の要素を制御する。
【００２１】
本実施形態との関係において、コントロールユニット４０は、以下に示す機能を担っている。具体的には、コントロールユニット４０は、外気温度に基づいて、空気制御弁３０が凍結するようなシーンであるかを判定する凍結判定を行う。そして、凍結判定がなされた場合、コントロールユニット４０は、空気制御弁３０に対して、システムから流体（本実施形態では、空気）を供給し、空気排出流路Ｌ５から空気制御弁３０のクリアランスに進入する生成水または水蒸気をパージする凍結抑制処理を行う。
【００２２】
コントロールユニット４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。水素圧力センサ４１は、水素供給流路Ｌ１の燃料電池スタック１の入口近傍に設けられており、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素圧力を検出する。空気流量センサ４２は、コンプレッサ２０によって取り込まれる空気の流量、すなわち、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気流量を検出する。空気圧力センサ４３は、空気供給流路Ｌ４の燃料電池スタック１の入口近傍に設けられており、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気圧力を検出する。外気温度センサ４４は、外気温度を検出し、冷却水温度センサ４５は、アフタークーラー２１に供給される冷却水の温度を検出する。
【００２３】
また、燃料電池スタック１には、図示しな電力取出装置が接続されている。この電力取出装置は、コントロールユニット４０によって制御され、燃料電池スタック１における発電電流を取り出すことにより、燃料電池スタック１において発電された電力を、車両を駆動する電動モータ（図示せず）などに供給する。燃料電池スタック１から取り出す発電電流は、電力取出装置３によって検出されており、この情報が電力取出装置３からコントロールユニット４０に入力されている。
【００２４】
ここで、本実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を説明する前に、空気制御弁３０にかかる凍結抑制の概念について説明する。図４は、コンプレッサ２０の吐出圧と、パージ流路Ｌ６を経て空気制御弁３０に供給される空気温度（以下「弁空気温度」という）との対応関係を外気温度毎に示す説明図である。同図に示すように、コンプレッサ２０の吐出圧、すなわち、システムの運転圧力（燃料電池スタック１におけるガス圧力）を調整することにより、弁空気温度を変化させることができる。例えば、外気温度がマイナス２０℃の場合には、起動直後のシステムの運転圧力を１２０ｋＰａに制御することにより、弁空気温度は１０℃程度となる。このため、パージ流路Ｌ６から空気制御弁３０に供給される空気、具体的には、導入流路３９、内部空間３７および嵌合孔３８を介してメイン流路へと流れる空気により、空気排出流路Ｌ５側から嵌合孔３８とシャフト３２との間のクリアランスへ進入する水が抑制されるとともに、シャフト３２および弁体３３が加熱され、当該クリアランスにおける水蒸気及び凝縮水の凍結が抑制される。
【００２５】
図５は、燃料電池スタック１の発電電流に対応した運転圧力を示す説明図である。また、外気温に応じて設定される、空気制御弁３０の凍結を抑制する弁空気温度に対応する運転圧力（Ｐ１）が、発電電流に対応する運転圧力（Ｐ２）よりも高い場合には、燃料電池スタック１の運転圧力が前者の値（Ｐ１）に設定される。これにより、燃料電池スタック１の運転圧力が、発電電流に対応する運転圧力（Ｐ２）よりも高く制御されるので、燃料電池スタック１の発電性能に影響を与えることなく、空気制御弁３０の凍結を抑制することができる。
【００２６】
図６は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。上述した凍結抑制概に基づいて、以下、燃料電池システムの制御方法である弁凍結抑制処理の手順を説明する。このフローチャートに示す処理は、所定周期で呼び出され、コントロールユニット４０によって実行される。まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、外気温度センサ４４から外気温度Ｔｉが読み込まれる。
【００２７】
ステップ１１（Ｓ１１）において、外気温度Ｔｉが判定温度Ｔth1よりも小さいか否かが判断される。この判定温度Ｔth1は、空気制御弁３０が凍結しない程度の外気温度の下限値を示すものであり、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている（例えば、Ｔth1＝０℃）。ステップ１１において肯定判定された場合、すなわち、外気温度Ｔｉが判定温度Ｔth1よりも小さい場合には（Ｔｉ＜Ｔth1）、ステップ１２（Ｓ１２）に進む。一方、ステップ１１において否定判定された場合、すなわち、外気温度Ｔｉが判定温度Ｔth1以上の場合には（Ｔｉ≧Ｔth1）、ステップ１７（Ｓ１７）に進む。
【００２８】
ステップ１２において、コンプレッサ圧力Ｐｉと、電流対応圧力Ｐｄとが比較される。ここで、コンプレッサ圧力Ｐｉは、外気温度Ｔｉに基づいて、弁空気温度が水素制御弁１２の凍結抑制温度（例えば、０℃）よりも大きくなるように決定される、コンプレッサ２０の吐出圧力である。このコンプレッサ圧力Ｐｉを決定する前提として、実験やシミュレーションを通じて、コンプレッサ圧力と弁空気温度との対応関係を外気温度毎に取得することにより（例えば、図４参照）、これらの関係を規定したマップや演算式がコントロールユニット４０に保持されている。そして、コントロールユニット４０は、図７に示すように、外気温度Ｔｉおよび凍結抑制温度に基づいて、コンプレッサ圧力Ｐｉを決定する。
【００２９】
一方、電流対応圧力Ｐｄは、燃料電池スタック１から取り出す発電電流に対応して決定される、燃料電池スタック１の運転圧力である。この電流対応圧力Ｐｄを決定する前提として、実験やシミュレーションを通じて、燃料電池スタック１の運転圧力と発電電流との対応関係を取得することにより（例えば、図５参照）、これらの関係を規定したマップや演算式がコントロールユニット４０に保持されている。コントロールユニット４０は、図８に示すように、燃料電池スタック１から取り出す発電電流に基づいて、電流対応圧力Ｐｄを決定する。
【００３０】
このような演算を経て、コンプレッサ圧力Ｐｉが電流対応圧力Ｐｄよりも大きいか否かが判断される。このステップ１２において肯定判定された場合、すなわち、コンプレッサ圧力Ｐｉが電流対応圧力Ｐｄよりも大きい場合には（Ｐｄ＜Ｐｉ）、ステップ１３（Ｓ１３）に進む。一方、ステップ１２において否定判定された場合、すなわち、コンプレッサ圧力Ｐｉが電流対応圧力Ｐｄ以下の場合には（Ｐｄ≧Ｐｉ）、ステップ１４（Ｓ１４）に進む。
【００３１】
ステップ１３において、燃料電池スタック１の運転圧力の目標値である目標運転圧力Ｐｔが、コンプレッサ圧力Ｐｉに設定される。これ対して、ステップ１４では、目標運転圧力Ｐｔが、電流対応圧力Ｐｄに設定される。ステップ１５（Ｓ１５）において、パージ制御弁２５が開状態に制御される。
【００３２】
ステップ１６（Ｓ１６）において、燃料電池スタック１の運転圧力が、目標運転圧力Ｐｔに基づいて制御される。具体的には、空気圧力センサ４３によって検出される空気圧力が、目標運転圧力Ｐｔとなるように、空気制御弁３０の開度およびコンプレッサ２０の駆動量が制御される。また、水素圧力センサ４１によって検出される水素圧力が、空気圧力センサ４３によって検出される空気圧力となるように、水素制御弁１２の開度が制御される。
【００３３】
ステップ１７において、目標運転圧力Ｐｔが、電流対応圧力Ｐｄに設定される。そして、ステップ１８（Ｓ１８）において、パージ制御弁２５が閉状態に制御され、上述したステップ１６に進む。
【００３４】
このように本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１に接続する反応ガス用のガス流路（本実施形態では、空気排出流路Ｌ５）に開閉弁（本実施形態では、酸化剤極に供給される空気の圧力または流量を制御する空気制御弁３０）を備えており、この空気制御弁３０は、凍結抑制構造を備えている。具体的には、空気制御弁３０は、筒状のメイン流路を備える弁本体３１と、回動可能に支持されるシャフト３２と、シャフト３２に固着されており、メイン流路を開閉する板状の弁体３３とを有している。この弁本体３１は、内部に流体（本実施形態では、空気供給流路Ｌ４においてコンプレッサ２０の下流から分岐した空気）を導入するとともに、この内部に導入された流体が嵌合孔３８を介してメイン流路へと流れる内部流路を備えている。本実施形態において、内部流路は、嵌合孔３８を介してメイン流路と連通するとともにシャフト３２を回動自在に支持する軸受部３４を収容する内部空間３７と、この内部空間３７に流体を導入する導入流路３９とで構成されている。
【００３５】
かかる構成によれば、内部流路を経た空気が、嵌合孔３８とシャフト３２との間に生じたクリアランスを介してメイン流路へと流れるので、メイン流路側からクリアランスに進入する生成水または水蒸気を抑制することができる。特に、氷点下での起動直後の運転では、生成水または水蒸気が、熱容量が大きい弁本体３１に接することでクリアランスにて凍結し、シャフト３２の回転が阻害される虞があるが、本実施形態によれば、このような事態を抑制することができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、コンプレッサ２０により温度が上昇した空気が空気制御弁３０に供給されるので、シャフト３２および弁体３３を加熱することができる。これにより、システム運転中における凍結の抑制効果の向上を図ることができる。
【００３７】
また、本実施形態において、空気制御弁３０へと空気を導入するパージ流路Ｌ６には、この流路を流れる空気の流量を制御するパージ制御弁２５（流量制御弁）が設けられており、このパージ制御弁２５は、外気温度に基づいて、開閉状態が制御される。かかる構成によれば、空気制御弁３０が凍結しないようなシーン、すなわち、パージ流路Ｌ６から空気制御弁３０に対して空気を供給する必要がない場合には、これを停止させることができるので、コンプレッサ２０の回転数を不必要に上昇させるといった事態を抑制することができる。
【００３８】
また、本実施形態において、燃料電池スタック１は、外気温度Ｔｉに基づいて、運転圧力が設定される。かかる構成によれば、空気制御弁３０の凍結を抑制できる範囲で、燃料電池スタック１の運転圧力を設定することができるので、空気制御弁３０の凍結を有効に抑制することができる。なお、本実施形態では、ステップ１２の処理において、電流対応圧力Ｐｄと、コンプレッサ圧力Ｐｉとを比較しているが、この処理をスキップして、目標運転圧力Ｐｔを一義的にコンプレッサ圧力Ｐｉに設定してもよい。
【００３９】
なお、上述した実施形態において、シール部材３６は、軸受部３４と弁本体３１とが熱的に分離されるような熱容量の部材から選択されることが好ましい。この場合、シャフト３２およびその近傍を集中的に加熱できるため、弁本体３１全体を加熱する為に必要な熱量以下で凍結を抑制することができる。
【００４０】
なお、図６に示した凍結抑制処理は、システムの運転中において常時実施してもよいが、システムの起動時に、あるいは、システムの停止時に実行してもよい。かかる手法であっても、起動直後の運転において、生成水または水蒸気が熱容量が大きい弁本体３１に接することでクリアランスにて凍結するといった事態を抑制することができる。
【００４１】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、空気制御弁３０の開度を制限することである。なお、システム構成については第１の実施形態と同様であり、また、制御方法についても基本的な流れは同じであるため、以下相違点を中心に説明を行い、重複する説明は省略する。
【００４２】
まず、ステップ１３（またはステップ１４）に続くステップ２０（Ｓ２０）において、コンプレッサ２０からの空気流量と、目標運転圧力Ｐｔとに基づいて、空気制御弁３０の開度α（図１０参照）の目標値である目標開度βが算出される。空気制御弁３０の開度αは、メイン流路の中心軸と直交する面を基準とした弁体３３のなす角（傾斜角）である。
【００４３】
ステップ２１（Ｓ２１）において、目標開度βが最小開度γ以上であるか否かが判断される。この最小開度γは、外気温度と、燃料電池スタック１の発電電流とに応じて、当該運転時に空気制御弁３０に要求される開度αの最小値である。実験やシミュレーションを通じて、外気温度および燃料電池スタック１の発電電流と最小開度γとの関係を取得することにより、コントロールユニット４０は、これをマップや演算式として保持している。このステップ２１において肯定判定された場合、すなわち、目標開度βが最小開度γ以上の場合には（β＞γ）、第１の実施形態に示すステップ１５の処理に進む。一方、このステップ２１において否定判定された場合、すなわち、目標開度βが最小開度γよりも小さい場合（β≦γ）、ステップ２２（Ｓ２２）に進む。
【００４４】
ステップ２２において、目標運転圧力Ｐｔが最小ガス圧力Ｐｍに設定される。この最小ガス圧力Ｐｍは、ステップ１３（またはステップ１４）において設定された目標運転圧力Ｐｔを、空気制御弁３０の最小開度γ以上で実現でき、かつ、コンプレッサ２０の吐出圧力が圧力Ｐｉ以上を満たす圧力のうち、最小の圧力である。
【００４５】
ステップ２３（Ｓ２３）において、図１１に示すように、ステップ２２において新たに設定された目標運転圧力Ｐｔに基づいて、この圧力に対応する電流Ｉｍを求める。これにより、燃料電池スタック１の発電電流が、求められた電流Ｉｍを最大値として制限される。
【００４６】
このように本実施形態において、空気制御弁３０は、外気温度Ｔｉと、燃料電池スタック１の発電電流とに基づいて、開度制限が行われる。かかる構成によれば、弁体３３と弁本体３１のボア部が近接しない範囲の開度にて調圧・流量制御を行うことができるので、システムの運転中に弁体３３とボア部との間が凍結するといった事態を抑制することができる。
【００４７】
また、本実施形態において、燃料電池スタック１は、空気制御弁３０の開度制限に基づいて、運転圧力と発電電流とが制限される。これにより、空気制御弁３０の凍結を抑制可能な範囲内において、燃料電池スタック１の運転を安定的に継続することができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。第３の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、空気制御弁３０に導入される空気の始点である。なお、システム構成については第１の実施形態と基本的に同様であり、また、制御方法についても流れは同じであるため、以下相違点を中心に説明を行い、重複する説明は省略する。
【００４９】
同図に示すように、本実施形態では、パージ流路Ｌ６は、空気供給流路Ｌ４においてアフタークーラー２１の下流側から分岐して、空気制御弁３０へと接続されている。なお、本実施形態では、パージ流路Ｌ６には、パージ制御弁２５は設けられていない。これは、アフタークーラー２１の下流からの空気を空気制御弁３０に供給することで、温度が過剰に上昇した空気が空気制御弁３０に供給されることがないため、空気を空気制御弁３０に常に供給することができるからである。
【００５０】
ただし、外気温度が低い状態（例えば、０℃以下）において放置された後に起動する場合には、アフタークーラー２１内の冷却水が外気温相当に低下している可能性がある。起動時、アフタークーラー２１を通過した空気温度は外気温度相当となり、これが空気制御弁３０に供給されてしまう虞がある。そのため、このようなケースでは、起動時、冷却水循環ポンプ２３を停止させたままとすることで、冷却水をコンプレッサ２０によって昇温された空気によってアフタークーラー２１内の温度を上げることで、低温の空気がパージ流路Ｌ６を介して空気制御弁３０供給されるといった事態を抑制する。
【００５１】
図１３および図１４は、コンプレッサ２０によって供給される空気流量毎に、アフタークーラー２１の出口における空気温度の経時的な推移を示す説明図である。なお、図１３は、コンプレッサ２０の吐出圧力が２００ｋＰａに設定され、図１４は、コンプレッサ２０の吐出圧力が１５０ｋＰａに設定されている。例えば、前回のシステム停止時に、３０００ＮＬ／ｍｉｎの空気流量をコンプレッサ２０から供給していた場合には、空気制御弁３０の開度αを、コンプレッサ２０の吐出圧力を最大２００ｋＰａに設定できる値に設定しておく。起動時、外気温度Ｔｉに基づいて、温度変化マップを選択し、コンプレッサ２０からの空気流量を３０００ＮＬ／ｍｉｎを生成する。温度変化マップから、アフタークーラー２１の出口における空気温度が０℃以上になる時間Ｔwが得られるため、コンプレッサ２０において空気流量を３０００ＮＬ／ｍｉｎで供給開始してから時間Ｔｗの間は、この状態を保持する。これにより、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００５２】
（第４の実施形態）
図１５は、本発明の第４の実施形態にかかる空気制御弁３０の構造を模式的に示す断面図である。第４の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、空気制御弁３０に構造にある。なお、システム構成については第１の実施形態と基本的に同様であり、また、制御方法についても流れは同じであるため、以下相違点を中心に説明を行い、重複する説明は省略する。
【００５３】
空気制御弁３０において、シャフト３２は、内部が中空に形成されており、弁本体３１に形成される内部空間３７に対応する部位には、開口３２ａが形成されている。これにより、シャフト３２を介して両サイドに位置する一対の内部空間が連通された状態となっている。また、本実施形態では、一方の導入流路３９は封止され、他方の導入流路３９のみにパージ流路Ｌ６が接続した構成となっている。
【００５４】
かかる構成によれば、シャフト３２および弁体３３の昇温をより効率良く行うことができる。
【００５５】
（第５の実施形態）
図１６は、本発明の第５の実施形態にかかる空気制御弁３０の構造を模式的に示す断面図である。第５の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、空気制御弁３０の構造にある。なお、システム構成については第１の実施形態と基本的に同様であり、また、制御方法についても流れは同じであるため、以下相違点を中心に説明を行い、重複する説明は省略する。
【００５６】
本実施形態の空気制御弁３０は、弁本体３１の内部に、一方の導入流路３９と他方の導入流路３９とを連通する連通路３０ａが形成されている。この連通路３０ａは、加工を容易に行うためには、弁本体３１の外部からドリルを用いて形成することができる。このケースでは、弁本体３１の外部からプラグ３９ｂで塞ぎ、通路を密閉することが好ましい。ただし、鋳造などの手法により、弁本体３１の外部に開口しないように、連通路３０ａを形成してもよく、このケースでは、プラグ３９ｂを省略することができる。
【００５７】
このように、連通路３０ａにより、一方の導入流路３９に導入された空気（パージガス）が他方の導入流路３９にも分岐供給することができる。これにより、導入流路３９と接続するパージ流路Ｌ６の接続数を減らすことができるので、車両搭載用の燃料電池システムのように、そのレイアウトに空間効率の向上を求められるようなケースにおいて、弁本体３１やパージ流路Ｌ６を容易にレイアウトすることができる。
【００５８】
（第６の実施形態）
図１７は、本発明の第６の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。第６の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、空気制御弁３０に導入される空気を独立した供給源で行うことである。なお、システム構成については第１の実施形態と基本的に同様であり、また、制御方法についても流れは同じであるため、以下相違点を中心に説明を行い、重複する説明は省略する。
【００５９】
図１７に示すように、パージ流路Ｌ６には、空気系とは独立した要素であるブロア２８が設けられている。このブロア２８より、空気制御弁３０に対する空気（パージガス）を供給することができ、ブロア２８の吐出圧に応じて空気制御弁３０へ供給されるガス圧力を設定することができる。また、本実施形態では、空気排出流路Ｌ５における加湿装置２２の後段に、酸化剤極から排出される排出ガスの圧力を検出する排ガス圧力センサ４６が設けられている。排ガス圧力センサ４６によって検出される排出ガスの圧力は、コントロールユニット４０によって読み込まれる。
【００６０】
このような構成において、コントロールユニット４０は、外気温度Ｔｉに基づいて凍結判定がなされた場合には、パージ流路Ｌ６を介してブロア２８から空気を空気制御弁３０に対して供給する。この場合、コントロールユニット４０は、図１８に示すように、排ガス圧力センサ４６による検出結果、すなわち、酸化剤極から排出される排出ガスの圧力Ｌ３に基づいて、この圧力Ｌ１に予め設定された所定圧力ΔＰを加算した圧力Ｌ２となるように、ブロア２８の吐出圧力を制御する。同図において、実線Ｌ１は、燃料電池システムの運転圧力を示している。この所定圧力ΔＰは、空気制御弁３０において、ブロア２８からの空気が、空気制御弁３０の内部を通過してメイン流路側へと流れる程度の圧力勾配となるように、実験やシミュレーションを通じてその最適値が設定されている。
【００６１】
このように本実施形態によれば、燃料電池システムの空気系には寄与しない、すなわち、空気系と独立して設けられるブロア２８によって、空気制御弁３０に対するパージガスが供給される。かかる構成によれば、コンプレッサ２０よりも低電力でパージガスを供給することができるとともに、燃料電池スタック１への空気供給に対する制御性の向上を図ることができる。これにより、エネルギー効率の向上を図りつつ、空気制御弁３０においてメイン流路側からクリアランスに進入する生成水または水蒸気を抑制することができる。
【００６２】
また、本実施形態によれば、空気制御弁３０におけるメイン流路の圧力、すなわち、燃料電池スタック１の酸化剤極から排出される空気の圧力に基づいて、ブロア２８から供給される空気の圧力が設定される。これにより、必要最低限の空気をブロア２８から供給することができるので、低電力でシステムを稼働することができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、独立したパージガスを供給する手段としてブロア２８を例示しているが本発明はこれに限定されない。例えば、図１９に示すように、ブロア２８に代えて、空気タンク２９およびパージ制御弁２５によって代替してもよい。このケースでは、空気制御弁３０に供給される空気の圧力を把握するために、パージ流路Ｌ６の空気制御弁３０よりも前段に、圧力センサ４７を設けることが好ましい。
【００６４】
以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、凍結抑制構造付きの開閉弁を、空気制御弁３０に対する適用として説明したが、これ以外の部位に使用される開閉弁に対して適用することも可能である。例えば、図２０に示すように、燃料電池スタック１の酸化剤極の入口側と出口側とにそれぞれ密閉用の開閉弁２６，２７を備えるシステム構造では、かかる開閉弁２６，２７に対して、上述した凍結抑制構造を適用してもよい。
【００６５】
また、上述した実施形態では、導入流路３９を内部空間３７に接続し、この内部空間３７からシール部材３６のクリアランスを経由させて嵌合孔３８に空気を供給しているが、図２１に示すように、弁本体３１の嵌合孔３８に直接的に通じる導入流路（内部流路）３９を形成し、これにより空気を導入してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２】空気制御弁３０の構造を模式的に示す断面図
【図３】空気制御弁３０の要部を模式的に示す拡大断面図
【図４】コンプレッサ２０の吐出圧とパージ流路Ｌ６を経て空気制御弁３０に供給される弁空気温度との対応関係を外気温度毎に示す説明図
【図５】燃料電池スタック１の発電電流に対応した運転圧力を示す説明図
【図６】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャート
【図７】外気温度Ｔｉおよび凍結抑制温度に基づくコンプレッサ圧力Ｐｉの説明図
【図８】燃料電池スタック１から取り出す発電電流に基づく電流対応圧力Ｐｄの説明図
【図９】第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャート
【図１０】空気制御弁３０の開度αの説明図
【図１１】目標運転圧力Ｐｔに対応する電流Ｉｍの説明図
【図１２】第３の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図１３】アフタークーラー２１の出口における空気温度の経時的な推移を示す説明図
【図１４】アフタークーラー２１の出口における空気温度の経時的な推移を示す説明図
【図１５】第４の実施形態にかかる空気制御弁３０の構造を模式的に示す断面図
【図１６】第５の実施形態にかかる空気制御弁３０の構造を模式的に示す断面図
【図１７】第６の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図１８】ブロア２８の吐出圧力を示す説明図
【図１９】第６の実施形態にかかる燃料電池システムの変形例を示すブロック図
【図２０】開閉弁の他の適用例について示す説明図
【図２１】空気制御弁３０の別の形態を示す説明図
【符号の説明】
【００６７】
１    燃料電池スタック
３    電力取出装置
１０    燃料タンク
１１    燃料供給弁
１２    水素制御弁
１２    水素循環ポンプ
１４    気液分離装置
１５    不純物排出弁
２０    コンプレッサ
２１    アフタークーラー
２２    加湿装置
２３    冷却水循環ポンプ
２４    冷却ユニット
２５    パージ制御弁
２６    開閉弁
２７    開閉弁
２８    ブロア
２９    空気タンク
３０    空気制御弁
３１    弁本体
３２    シャフト
３２ａ    開口
３３    弁体
３４    軸受部
３５    駆動手段
３６    シール部材
３６ａ    固定リング
３６ｂ    回転リング
３７    内部空間
３８    嵌合孔
３９    導入流路
３９ａ  連通路
３９ｂ  プラグ
４０    コントロールユニット
４１    水素圧力センサ
４２    空気流量センサ
４３    空気圧力センサ
４４    外気温度センサ
４５    冷却水温度センサ
４６    排ガス圧力センサ
【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】
0004905330.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004905330.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0004905330.tif 000016
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
0004905330.tif 000020
【図２０】
0004905330.tif 000021
【図２１】
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