(57)【要約】【課題】低温雰囲気下でも、カソードガスの流量を低コストで確実に制御できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、反応ガスの反応により発電する燃料電池１０と、燃料電池１０に接続されて空気が流通するエア供給配管２１、エア排出配管２２と、エア排出配管２２に設けられ空気の流量を制御するメインバルブ４０と、エア排出配管２２のうちメインバルブ４０の上流側および下流側をバイパスするバイパス配管２５と、バイパス配管２５に設けられて、メインバルブ４０の制御可能な最大の流量よりも少ない所定流量を制御するサブバルブ４１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】
反応ガスの反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池に接続されてカソードガスが流通するカソード流路と、前記カソード流路に設けられ前記カソードガスの流量を制御するメインバルブと、を備える燃料電池システムであって、
前記カソード流路のうち前記メインバルブの上流側および下流側をバイパスするバイパス流路と、
当該バイパス流路に設けられて、前記メインバルブの制御可能な最大の流量よりも少ない所定流量を制御するサブバルブと、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記サブバルブは、前記バイパス流路に接続される通路と、この通路を開閉可能に設けられたバルブ部と、当該バルブ部を駆動する駆動部と、を備え、
前記バルブ部と前記駆動部とは、シール部により隔離され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】
前記サブバルブには、前記バルブ部を加温する加温装置が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記サブバルブが制御可能な所定流量は、前記燃料電池システムの起動時のアイドリングに必要な流量以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記カソード流路の内部には、前記バイパス流路を流通して前記カソード流路に合流するカソードガスを前記メインバルブ側に案内するガス案内手段が設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソード流路は、前記燃料電池のカソード電極側にカソードガスを供給するカソード供給流路と、前記燃料電池のカソード電極側からカソードガスが排出されるカソード排出流路と、をさらに備え、
前記バイパス流路は、前記カソード排出流路をバイパスしており、
前記バイパス流路のサブバルブよりも上流側は、分岐されて、前記カソード供給流路に接続されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記メインバルブは、ノーマルクローズ構造であることを特徴とする請求項１から６のいずれか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】
本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、低温雰囲気下で起動可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス流路と、この反応ガス流路を流れる反応ガスの流量を制御するバルブを備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜と、で構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。
【０００５】
燃料電池のカソード電極には、カソード配管を通して、カソードガスが供給される。このカソード配管には、カソードガスの流量を制御するために、バルブが設けられる。
燃料電池が停止した後にこの燃料電池に反応ガスが流入すると、反応ガスの化学反応により固体高分子電解質膜が劣化するため、このバルブとしては、締め切り性が高いノーマルクローズ構造のバタフライ形式のバルブが用いられる。
【０００６】
ところで、上述した燃料電池システムでは、発電を停止した後、低温雰囲気下で放置すると、燃料電池システム内の水分が結露して、凍結する場合がある。この場合、燃料電池システムを再起動しようとしても、上述のバタフライ形式のバルブでは、バルブが閉じた状態で凍結するため、燃料電池を起動できないおそれがあった。
【０００７】
そこで、この問題を解決するため、例えば、ポペット形式のバルブを採用することが提案されている。
すなわち、ポペット形式のバルブは、オフセットして配置された反応ガスの通路と、これら通路同士の間に設けられたシート部と、通路の延出方向に対して垂直に移動することによりシート部に対して接離可能な弁体と、を備える。シート部の弁体が着座する部分は、これら通路の下端よりも上方に配置される（特許文献１、２参照）。
【０００８】
このポペット形式のバルブによれば、通路に水が溜まって低温雰囲気下で凍結しても、この水は弁体の着座面まで到達しないため、燃料電池を起動できる。
【特許文献１】特開２００４−１６２８７８号公報
【特許文献２】特開２００６−１５３１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、カソード配管に流通するカソードガスは大流量であるため、上述のポペット形式のバルブをカソード配管に取り付けようとすると、バルブの重量やコストが増大する、という問題があった。
【００１０】
本発明は、低温雰囲気下でも、大流量のカソードガスを低コストで確実に制御できる燃料電池システム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】
本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応ガスの反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、当該燃料電池に接続されてカソードガスが流通するカソード流路（例えば、後述のエア供給配管２１、エア排出配管２２）と、前記カソード流路に設けられ前記カソードガスの流量を制御するメインバルブ（例えば、後述のメインバルブ４０）と、を備える燃料電池システムであって、前記カソード流路のうち前記メインバルブの上流側および下流側をバイパスするバイパス流路（例えば、後述のバイパス配管２５）と、当該バイパス流路に設けられて、前記メインバルブの制御可能な最大の流量よりも少ない所定流量を制御するサブバルブ（例えば、後述のサブバルブ４１）と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、カソード流路にメインバルブの上流側および下流側をバイパスするバイパス流路を設け、さらに、このバイパス流路にサブバルブを設けた。
したがって、燃料電池を低温雰囲気下で起動する場合、サブバルブを解凍して、このサブバルブを開放する。これにより、バイパス流路を通してカソードガスが流通するので、必要最低限の流量のカソードガスが燃料電池に供給される。すると、燃料電池が発電して暖機されるので、その後、メインバルブを解凍して、このメインバルブを開放するとともに、サブバルブを閉鎖する。これにより、燃料電池に大流量のカソードガスが供給される。
【００１３】
燃料電池を低温雰囲気下で起動する際、大流量のカソードガスが必要になるのは、燃料電池を暖機した後である。そこで、本発明では、サブバルブを解凍して燃料電池を暖機した後にメインバルブを開放して、大流量のカソードガスを燃料電池に供給した。よって、低温雰囲気下でも、燃料電池を確実に起動でき、その後の大流量のカソードガスを確実に制御できる。
【００１４】
また、メインバルブとしてバタフライ形式のバルブを用いることができるので、低コストである。
【００１５】
この場合、前記サブバルブは、前記バイパス流路に接続される通路と、この通路を開閉可能に設けられたバルブ部と、当該バルブ部を駆動する駆動部と、を備え、前記バルブ部と前記駆動部とは、シール部により隔離されることが好ましい。
【００１６】
この発明によれば、駆動部とバルブ部とを、シール部により隔離した。このため、カソードガスに含まれる水蒸気が駆動部に進入するのを防止できる。したがって、サブバルブを、低温雰囲気下で凍結するのを防止できる。
【００１７】
この場合、前記サブバルブには、前記バルブ部を加温する加温装置が設けられることが好ましい。
【００１８】
従来では、燃料電池を起動する際、カソード配管のバルブを直ちに開放する必要があるが、このバルブは大型であるため、解凍に要する時間が長くなっていた。その結果、起動時間が長くなり、商品性が低下するという問題があった。
しかしながら、この発明によれば、サブバルブに、バルブ部を加温する加温装置を設けた。サブバルブは、メインバルブの制御可能な最大の流量よりも少ない所定流量のカソードガスを制御するものであり、メインバルブに比べて小型となる。よって、このサブバルブが凍結しても、このサブバルブを短時間で解凍でき、起動時間が長くなるのを防止できる。また、サブバルブを小型にできるので、車両搭載性を向上でき、その結果、商品性を向上できる。
【００１９】
この場合、前記サブバルブが制御可能な所定流量は、前記燃料電池システムの起動時のアイドリングに必要な流量以上であることが好ましい。
【００２０】
この発明によれば、サブバルブが制御可能な所定流量を、燃料電池システムの起動時のアイドリングに必要な流量以上とした。よって、低温雰囲気下でも、燃料電池を確実に起動して、アイドリング状態とすることができる。
【００２１】
この場合、前記カソード流路の内部には、前記バイパス流路を流通して前記カソード流路に合流するカソードガスを前記メインバルブ側に案内するガス案内手段が設けられることが好ましい。
【００２２】
この発明によれば、カソード流路の内部に、バイパス流路を流通してカソード流路に合流するカソードガスをメインバルブ側に案内するガス案内手段を設けた。
したがって、ガス案内手段が、バイパス流路を流通したカソードガスの一部を、メインバルブ側に向かって流れるように案内する。このため、低温雰囲気下で燃料電池システムを起動する際、バイパス流路をカソードガスが流通して燃料電池を起動するとともに、メインバルブを解凍できる。
【００２３】
この場合、前記カソード流路は、前記燃料電池のカソード電極側にカソードガスを供給するカソード供給流路と、前記燃料電池のカソード電極側からカソードガスが排出されるカソード排出流路と、をさらに備え、前記バイパス流路は、前記カソード排出流路をバイパスしており、前記バイパス流路のサブバルブよりも上流側は、分岐されて、前記カソード供給流路に接続されることが好ましい。
【００２４】
この発明によれば、カソード流路を、カソード供給流路とカソード排出流路とで構成した。さらに、バイパス流路でカソード排出流路をバイパスし、このバイパス流路のサブバルブよりも上流側を分岐して、この分岐した部分をカソード供給流路に接続した。
カソード供給流路を流通するカソードガスは、圧縮されており、カソード排出流路を流通するガスよりも温度が高い。このため、カソード供給流路内のカソードガスを、バイパス流路に導入して、サブバルブを温めることにより、燃料電池システムの起動に要する時間をより短縮できる。
【００２５】
この場合、前記メインバルブは、ノーマルクローズ構造であることが好ましい。
【００２６】
この発明によれば、メインバルブをノーマルクローズ構造としたので、燃料電池の劣化を抑制できる程度に締め切り性を確保できる。例えば、燃料電池システムの掃気後に結露水が凍結しても、カソード流路を十分に締め切ることができる。
【００２７】
ところで、メインバルブをノーマルクローズ構造とすると、メインバルブを閉じて燃料電池の発電を停止した後、低温雰囲気下で起動する場合、メインバルブが閉じた状態で凍結するおそれがある。この問題を解決するため、従来では、メインバルブを表面処理したりメインバルブの駆動アクチュエータの構造を改善したりする手法が考えられるが、これらの手法の技術的難易度は高く、かつ、バルブ重量が増大したり、コストが上昇したりする、という問題がある。
しかしながら、この発明によれば、バイパス流路およびサブバルブにより、メインバルブを解凍するので、低温雰囲気下でもメインバルブを確実に開放できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、サブバルブを解凍して燃料電池を暖機した後にメインバルブを開放して、大流量のカソードガスを燃料電池に供給した。よって、低温雰囲気下でも、燃料電池を確実に起動でき、その後の大流量のカソードガスを確実に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１は、自動車に搭載され、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスやエア（空気）を供給および排出する供給装置２０と、これら燃料電池１０および供給装置を制御する制御装置３０と、を有する。
【００３０】
このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側にカソードガスとしての酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。
【００３１】
供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するカソード流路としてのエア供給配管２１と、燃料電池１０のカソード電極側から空気を排出するカソード流路としてのエア排出配管２２と、エア供給配管２１に空気を供給するエアコンプレッサ２４と、燃料電池１０のアノード電極側に水素ガスを供給する図示しない水素供給配管と、燃料電池１０のアノード電極側から水素ガスを排出する図示しない水素排出配管と、を備える。
【００３２】
エアコンプレッサ２４は、エア供給配管２１を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。エアコンプレッサ２４は、空気を圧縮してエア供給配管２１に送出し、燃料電池１０に供給する。
【００３３】
エア供給配管２１およびエア排出配管２２には、加湿器２３が設けられる。この加湿器２３は、エア排出配管２２を流通する空気に含まれる水分を回収し、この回収した水分を、エア供給配管２１を流通する空気に加える。
【００３４】
エア供給配管２１の加湿器２３の上流側には、空気の流量を制御するバルブ４２が設けられる。
エア排出配管２２の加湿器２３の下流側には、空気の流量を制御する背圧制御弁としてのバタフライ形式のメインバルブ４０が設けられる。このエア排出配管２２には、メインバルブ４０の上流側および下流側をバイパスするバイパス流路としてのバイパス配管２５が設けられ、このバイパス配管２５には、ポペット形式のサブバルブ４１が設けられる。このサブバルブ４１の構造については、後に詳述する。
【００３５】
メインバルブ４０は、通電しない状態では閉弁しており、通電することにより開弁するノーマルクローズ構造である。
【００３６】
サブバルブ４１には、加温装置７０が設けられ、この加温装置７０は、サブバルブ４１に接続された温水配管７１に温水を供給することでサブバルブ４１を加温する。
制御装置３０は、これらメインバルブ４０、サブバルブ４１、エアコンプレッサ２４、加温装置７０を制御する。
【００３７】
図２は、サブバルブ４１の断面図である。
サブバルブ４１は、ポペット形式のバルブであり、このサブバルブ４１が制御可能な流量は、メインバルブ４０が制御可能な最大流量の１０％〜１５％程度である。
サブバルブ４１は、第１ポート５１から第２ポート５２に至る通路が形成された本体部５０と、通路を開閉可能なバルブ部としての弁機構部５３と、弁機構部５３を駆動する駆動部としてのソレノイド部６１と、本体部５０の下部に一体的に連結されてソレノイド部６１を収容するケーシング６０と、を有する。
【００３８】
本体部５０の内部には、第１ポート５１に連通する通路としての第１通路５１１と、この第１通路５１１に略平行にかつオフセットして設けられ第２ポート５２に連通する通路としての第２通路５１２と、を備える。第１ポート５１および第２ポート５２には、上述のエア排出配管２２が接続される。
【００３９】
弁機構部５３は、第１通路５１１と第２通路５１２とを仕切るとともに貫通孔５４１が形成された平板状のシート部５４と、このシート部５４の貫通孔５４１に挿通されて本体部５０のシャフト支持部５６に摺動可能に支持されたシャフト５７と、このシャフト５７の先端に設けられた弁体５５と、を備える。
【００４０】
シャフト５７と本体部５０との間には、弾性変形可能なシール部としてのダイアフラム５８が設けられている。
【００４１】
ソレノイド部６１は、シャフト５７を進退させることで、弁体５５をシート部５４の表面に対して接離させて、シート部５４の貫通孔５４１を開閉する。
【００４２】
本体部５０の弁機構部５３の近傍には、温水が流通する温水通路５９が形成される。温水通路５９には、上述の温水配管７１が接続される。
【００４３】
図３は、エア排出配管２２とバイパス配管２５との接続部分の断面図である。
エア排出配管２２とバイパス配管２５との接続部分には、ガス案内手段としてのガイド板２２１が形成される。ガイド板２２１は、エア排出配管２２の内壁面からメインバルブ４０側に傾斜して延出している。
【００４４】
以上の燃料電池システム１を起動する手順は、以下のようになる。
燃料電池システム１は、低温雰囲気下で凍結しているものとする。そこで、まず、制御装置３０により加温装置７０を起動して、温水配管７１に温水を供給する。これにより、サブバルブ４１が解凍される。
【００４５】
次に、制御装置３０によりサブバルブ４１を開放する。これにより、バイパス配管２５を通してエアが排出されるので、燃料電池１０の起動時のアイドリングに必要最低限の流量の空気が燃料電池１０に供給されることとなり、燃料電池１０が発電して暖機される。
このとき、ガイド板２２１により、バイパス配管２５を流通する空気をメインバルブ４０に案内して、メインバルブ４０を解凍する。
【００４６】
次に、制御装置３０によりメインバルブ４０を開放するとともに、サブバルブ４１を閉鎖して、燃料電池１０に大流量の空気を供給して、燃料電池１０を起動する。
ここで、メインバルブ解凍後は、メインバルブ４０の開度を制御することで、燃料電池１０に空気を供給する。
【００４７】
本実施形態によれば、次のような効果がある。
（１）サブバルブ４１を解凍して燃料電池１０を暖機した後にメインバルブ４０を開放して、大流量の空気を燃料電池１０に供給した。よって、低温雰囲気下でも、燃料電池１０を確実に起動でき、その後の大流量のカソードガスを確実に制御できる。
また、メインバルブ４０としてバタフライ形式のバルブを用いたので、低コストとなる。
【００４８】
（２）サブバルブ４１の弁機構部５３と、弁機構部５３を駆動するソレノイド部６１と、を備え、弁機構部５３とソレノイド部６１とは、ダイアフラム５８により隔離させた。よって、空気に含まれる水蒸気がソレノイド部６１に進入するのを防止できる。したがって、サブバルブ４１を、低温雰囲気下で凍結するのを防止できる。
【００４９】
（３）サブバルブ４１に、弁機構部５３を加温する加温装置７０を設けた。よって、このサブバルブ４１が凍結しても、このサブバルブ４１を短時間で解凍でき、起動時間が長くなるのを防止できる。また、サブバルブ４１を小型にできるので、車両搭載性を向上でき、その結果、商品性を向上できる。
【００５０】
（４）サブバルブ４１が制御可能な流量を、燃料電池システム１の起動時のアイドリングに必要な流量とした。よって、低温雰囲気下でも、燃料電池１０を確実に起動して、アイドリング状態とすることができる。
【００５１】
（５）エア排出配管２２の内部に、バイパス配管２５を流通してエア排出配管２２に合流する空気をメインバルブ４０側にガイド板２２１を設けた。よって、ガイド板２２１が、バイパス配管２５を流通した空気の一部を、メインバルブ４０側に向かって流れるように案内する。このため、低温雰囲気下で燃料電池システム１を起動する際、バイパス配管２５を空気が流通して燃料電池１０を起動するとともに、メインバルブ４０を解凍できる。
【００５２】
（６）メインバルブ４０をノーマルクローズ構造としたので、燃料電池１０の劣化を抑制できる程度に締め切り性を確保できる。例えば、燃料電池システムの掃気後に結露水が凍結しても、カソード流路を十分に締め切ることができる。
【００５３】
〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａの概略構成を示すブロック図である。
本実施形態では、バイパス配管２５のうちサブバルブ４１よりも上流側が分岐されて、エア供給配管２１に接続されている点が、第１実施形態と異なる。
【００５４】
すなわち、バイパス配管２５の上流側は、バイパス配管２５の分岐点２５１からエア排出配管２２に接続される部分と、分岐点２５１からエア供給配管２１に接続される部分とに分岐されている。
【００５５】
本実施形態によれば、上述の（１）〜（６）に加え、以下のような効果がある。
（７）バイパス配管２５のサブバルブ４１よりも上流側を分岐して、この分岐した部分をエア供給配管２１に接続した。よって、エア供給配管２１を流通する空気は、圧縮されており、エア排出配管２２を流通するガスよりも温度が高い。このため、エア供給配管２１内の空気を、バイパス配管２５の内部に導入して、サブバルブ４１を温めることにより、燃料電池システム１Ａの起動に要する時間をより短縮できる。
【００５６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記の実施形態では、メインバルブにバタフライバルブを用いたが、バルブの形式は適宜選択されてよく、例えば、ポペット形式のバルブやボールバルブを用いてもよい。
上記の実施形態では、加温装置７０を、サブバルブ４１に温水を供給する構成としたが、これに限らず、通電することにより発熱する電熱ヒータとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】前記実施形態に係るサブバルブの断面図である。
【図３】前記実施形態に係るエア排出配管とバイパス配管とが接続される接続部の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５８】
１        燃料電池システム
１０      燃料電池
２１      エア供給配管（カソード流路）
２２      エア排出配管(カソード流路）
２５      バイパス配管（バイパス流路）
４０      メインバルブ
４１      サブバルブ
５３      弁機構部（バルブ部）
５８      ダイアフラム(シール部）
６１      ソレノイド部（シート部）
５１１  第１通路（通路）
５１２  第２通路（通路）
【図１】
2009259642.tif 000003
【図２】
2009259642.tif 000004
【図３】
2009259642.tif 000005
【図４】
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