JP5221919B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のアノード極を掃気する手段を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、燃料電池のアノード極に水素が供給され、カソード極に空気が供給されることで、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われる。また、燃料電池システムでは、燃料電池のカソード極において水が生成されるが、この生成水が電解質膜を介してカソード極からアノード極に透過することがある。このため、燃料電池システムが氷点下に至るような低温環境下で使用された場合、運転停止中に透過した生成水が凍結するという問題があった。そこで、このような凍結を防止するために、運転停止時にカソード極とともにアノード極に空気を導入して生成水を系外に排出するという技術が提案されている。アノード極に空気を導入する手段としては、カソード極側とアノード極側とを接続する配管および掃気導入弁を設け、掃気時に掃気導入弁を開いて排水する技術が知られている。

ところで、従来の掃気導入弁においては、通常、アノード極側の圧力の方がカソード極側の圧力より高いことから、その差圧力（アノード極−カソード極）がシート（閉弁）する方向に作用するように、弁体とこれに連結しているプランジャがアノード極側に位置するように設置されている。

しかし、前記のような構造の場合、燃料電池システムの運転停止時にアノード極から拡散する残留水分によって可動体であるプランジャとそのプランジャを支持するガイドとの隙間に水分が浸入して付着して、氷点下時に氷結してプランジャが動かず、掃気導入弁が機能しなくなるという問題があった。そこで、その対策として、凍結が発生するプランジャをドライな環境であるカソード極側に位置するように配置して作動性を確保するものが提案されている（特許文献１参照）。
特願２００７−１３１３６７号（図２）

しかしながら、燃料電池システムの運転停止時に燃料電池や加湿器が多量の水分を保有している場合には、運転停止中にカソード側において水蒸気が掃気導入弁にまで拡散し、雰囲気が低温（例えば、氷点下）になることで結露、凍結して、挿入導入弁を作動さようとしてもプランジャやシャフトが凍結ロックして動かなくなるという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、挿入導入弁の低温時の作動性を確保できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池のアノード極を、カソード極へ導入するカソードガスによって掃気するアノード掃気手段を備えた燃料電池システムであって、前記アノード掃気手段は、前記カソードガスを前記アノード極に導入する掃気導入弁と、前記掃気導入弁を開閉可能に制御する掃気導入弁制御装置とを有し、前記掃気導入弁には、この掃気導入弁の可動するプランジャシャフトにおける前記カソードガスのガス通路側の領域と、前記プランジャシャフトにおけるガス通路壁部側の領域との間をシールするシール部材が設けられており、前記プランジャシャフトには、少なくとも前記シール部材に摺動する範囲に撥水コーティングが施されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池システムの運転停止中に燃料電池などから水蒸気が掃気導入弁にまで拡散したとしても、シール部材によってプランジャシャフトとこれを支持するガイド部分との間に水蒸気が浸入することがなくなるので、氷点下時における掃気導入弁の作動性を確保できる。なお、プランジャシャフトとは、シャフトとプランジャとが一体になったものを意味している。

また、請求項１に係る発明によれば、シール部材とプランジャシャフトとの摺動抵抗を軽減できる。なお、撥水コーティングを掃気導入弁閉弁時のプランジャシャフトに対してガス通路側に延長して施すことにより、表面張力によって付着する水分を軽減でき、プランジャシャフトとシール部材が凍結してロックするのをより確実に防止できる。

請求項２に係る発明は、前記プランジャシャフトは、前記アノード掃気手段によって前記カソードガスを前記アノード極に導入するときに、前記ガス通路側の方向に移動することを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、開弁時に、プランジャシャフトに付着した氷などがシール部材に乗り上げるようなことがなくなるので、シール部材の漏れや異常摩耗を引き起こすことを防止できる。

請求項３に係る発明は、前記カソードガスを加湿して前記カソード極に導入する加湿器を備え、前記掃気導入弁は、前記加湿器をバイパスしたバイパス路に設けられ、前記掃気導入弁が閉弁しているときに前記プランジャシャフトが前記カソードガス雰囲気中に曝されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、燃料電池システムの運転停止中に燃料電池のカソード極側に残留する水分の拡散は加湿器で遮断され、加湿器に残留する水分の拡散は加湿器上流の空気流入口から拡散する乾燥したカソードガス（空気）によって緩和される。

請求項４に係る発明は、前記掃気導入弁の弁体は、前記プランジャシャフトの天地方向に対して上方に設けられ、前記シール部材は、前記プランジャシャフトの天地方向に対して下方に設けられていることを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、プランジャシャフトに付着した水は下方へ伝い流れ、シール部材によってプランジャシャフトとガス通路壁部との間の隙間に水が流れ込まなくなるので、凍結による掃気導入弁の作動不良を防止できる。

請求項５に係る発明は、前記掃気導入弁は、前記プランジャシャフトの進出により開弁し、前記プランジャシャフトの後退により閉弁し、前記掃気導入弁の弁体には、前記掃気導入弁の少なくとも閉弁時に、前記アノード極側のガス圧が閉弁方向に作用する第１受圧部と、開弁方向に作用する第２受圧部とを設けたことを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、発電時において通常はアノード極側のガス圧がカソード極側のガス圧より高い状態にあるので、その差圧力によって弁体がガスをシールする方向に作用させることが可能になる。その結果、弁体に設けるスプリング力の軽減が可能になり、掃気導入弁を開弁させるのに過大な推力が不要になる。

本発明によれば、挿入導入弁の低温時の作動性を確保できる燃料電池システムを提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は本実施形態の燃料電池システムに用いられる掃気導入弁の構造を示す断面図、図３はプランジャシャフトの撥水コーティングの領域を示す模式図であり、（ａ）は閉弁時、（ｂ）は開弁時、図４は掃気導入弁の動作を示す断面図であり、（ａ）は開弁時、（ｂ）は閉弁時、図５は掃気導入弁の作用を示す模式図であり、（ａ）は閉弁時、（ｂ）は開弁時、（ｃ）は比較例である。なお、本実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車、船舶、航空機、家庭用の定置式電源などに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、アノード掃気系４０、ＥＣＵ（制御部）１００などを備えて構成されている。

前記燃料電池１０は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜１１を、触媒を含むアノード極１２と、触媒を含むカソード極１３とで挟んで構成した膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）を有し、さらに膜電極接合体を導電性のセパレータ１４，１５で挟んで構成して単セルを構成し、この単セルを厚み方向に複数直列に接続して積層した構造を有している。また、セパレータ１４には、アノード極１２と対向する面に水素（燃料ガス）が流通するアノード流路１４ａが形成され、セパレータ１５には、カソード極１３と対向する面に空気（酸化剤ガス）が流通するカソード流路１５ａが形成されている。なお、図１は、説明の便宜上、単セルの状態を模式的に図示している。

前記アノード系２０は、燃料電池１０に対して水素を供給し、かつ、燃料電池１０から水素を排出する系であり、水素タンク２１、遮断弁２２、レギュレータ２３、エゼクタ２４、排出弁２５、配管２６ａ〜２６ｆなどを含んで構成されている。

前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。

前記遮断弁２２は、例えば電磁作動式のものであり、水素タンク２１の出口近傍に設けられ、配管２６ａを介して水素タンク２１と接続されている。

前記レギュレータ２３は、配管２６ｂを介して遮断弁２２と接続され、水素タンク２１から供給された高圧の水素ガスを所定の圧力に減圧する機能を有している。

前記エゼクタ２４は、配管２６ｃを介してレギュレータ２３と接続され、燃料電池１０のアノード流路１４ａの出口から排出された未反応の水素を、配管２６ｅ，２６ｆ，２６ｄを介して燃料電池１０のアノード流路１４ａの入口に戻して再循環させるための真空ポンプの一種である。

前記排出弁２５は、例えば電磁作動式のものであり、配管２６ｅに設けられている。この排出弁２５は、例えば定期的に開弁されることによって、循環経路（アノード流路１４ａ、配管２６ｄ〜２６ｆ）内に蓄積された不純物を排出して、水素濃度の低下を防止している。なお、不純物とは、カソード極１３から固体高分子電解質膜１１を透過した空気に含まれる窒素や、生成水などを意味している。

前記カソード系３０は、空気（酸素）を燃料電池１０のカソード極１３に供給し、かつ、カソード極１３からカソードオフガスを排出する系であり、エアコンプレッサ３１、加湿器３２、背圧制御弁３３、配管３４ａ〜３４ｄなどを備えて構成されている。

前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、外部に連通する空気流入口３１ａから取り込んで圧縮した空気を燃料電池１０のカソード極１３に向けて供給する機能を有している。

前記加湿器３２は、カソードオフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池１０に供給されるカソードガス（空気）を加湿する機能を有している。この加湿器３２は、例えば、複数の水透過性の膜を束ねてケースに収容した中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内側と外側のうちの一側にエアコンプレッサ３１からの空気を流通させ、他側に燃料電池１０のカソード流路１５ａの出口から排出されたカソードオフガス（湿潤な空気や生成水など）を流通させることにより、エアコンプレッサ３１から供給されるカソードガスを加湿するようになっている。

なお、加湿される前のカソードガスの入口となる加湿器３２のカソードガス導入口３２ａは、配管３４ａを介してエアコンプレッサ３１と接続されている。また、加湿されたカソードガスの出口となる加湿器３２のカソードガス排出口３２ｂは、配管３４ｂを介して燃料電池１０のカソード流路１５ａの入口と接続されている。また、カソードオフガスが導入される加湿器３２のカソードオフガス導入口３２ｃは、配管３４ｃを介して燃料電池１０のカソード流路１５ａの出口と接続されている。また、カソードオフガスが排出される加湿器３２のカソードオフガス排出口３２ｄは、配管３４ｄを介して後記する背圧制御弁３３と接続されている。

前記背圧制御弁３３は、例えばバタフライ弁で構成され、カソード系３０内の圧力を適宜調節する機能を有している。

前記アノード掃気系４０は、バイパス配管４１、掃気導入弁４２などを備えて構成されている。

前記バイパス配管４１は、エアコンプレッサ３１から取り込んだ空気を、燃料電池１０のアノード極１２に導入する流路であり、一端（上流側）が加湿器３２の上流側の配管３４ａと接続され、他端（下流側）が燃料電池１０のアノード流路１４ａの入口に接続された配管２６ｄと接続されている。すなわち、バイパス配管４１は、加湿器３２をバイパスした空気（カソードガス、掃気ガス）をアノード極１２に供給するようになっている。

前記掃気導入弁４２は、バイパス配管４１の途中に設けられ、燃料電池システム１の運転停止時におけるアノード掃気時に開弁することにより、エアコンプレッサ３１からの空気をアノード極１２に供給できるようになっている。また、掃気導入弁４２は、後記するＥＣＵ（掃気導入弁制御装置）１００によって開閉制御される。なお、本実施形態では、前記したバイパス配管４１と掃気導入弁４２とＥＣＵ１００とで、アノード掃気手段が構成されている。

図２に示すように、掃気導入弁４２は、筐体４３、プランジャシャフト４４、弁体４５、コア部材４６、ソレノイド４７、スプリング４８，４９、シール部材５０などで構成されている。なお、図２は、掃気導入弁４２が閉弁している状態を示している。

前記筐体４３は、エアコンプレッサ３１からの掃気ガスとしてのカソードガスが導入される掃気ガス導入口４３ａと、前記カソードガスが排出される掃気ガス排出口４３ｂとを有している。掃気ガス導入口４３ａは、上流側のバイパス配管４１と接続され、カソード極１３側の配管３４ａ（図１参照）と連通するように構成されている。掃気ガス排出口４３ｂは、下流側のバイパス配管４１と接続され、アノード極１２側の配管２６ｄ（図１参照）と連通し、前記掃気ガス導入口４３ａより天地方向上部に位置するように構成されている。また、筐体４３の内部には、後記する弁体４５が接することで閉弁し、離れることで開弁する弁座４３ｃが設けられている。

前記プランジャシャフト４４は、棒状のシャフト４４ａの基端部に、鉄などの磁性体で形成されたプランジャ４４ｂが固定されて構成されている。このプランジャシャフト４４は、天地方向上部に後記する弁体４５が取り付けられ、シャフト４４ａの上部が、後記するコア部材４６から突出して、空気が流通するガス通路Ｓ１側の領域に露出するように配置されている。なお、筐体４３やコア部材４６によって囲まれるプランジャシャフト４４が露出する周囲の領域が、掃気導入弁４２におけるガス通路Ｓ１側の領域に相当する。

前記弁体４５は、第１受圧部４５ａと第２受圧部４５ｂとを有し、前記プランジャシャフト４４の先端に固定されている。第１受圧部４５ａは、アノード側（アノード極１２側）の気体に接する部分全体であり、第２受圧部４５ｂは、カソード側（カソード極１３側）の気体に接する部分全体である。また、弁体４５は、前記弁座４３ｃが当接する当接部４５ｃ１や、先端部（上端部）４５ｃ２などが弾性部材４５ｃで形成されている。なお、弁体４５の形状は、一例であり、本実施形態に限定されるものではない。

前記コア部材４６は、その一部がガス通路Ｓ１の一部を構成し、プランジャシャフト４４のシャフト４４ａが摺動可能に挿通される軸穴部４６ａを有している。なお、プランジャシャフト４４（シャフト４４ａ）が挿通されるコア部材４６の軸穴部４６ａが、掃気導入弁４２におけるガス通路壁部側の領域に相当する。

前記ソレノイド（コイル）４７は、プランジャシャフト４４の基端側の周囲に設けられ、通電（ＯＮ）することにより、プランジャシャフト４４が天地方向上側に向かって押されて開弁し、非通電（ＯＦＦ）とすることにより、後退して閉弁するようになっている。

前記スプリング４８は、プランジャ４４ｂの下端と筐体４３との間に設けられ、プランジャ４４ｂ（弁体４５）を開弁方向（図示上方向）に付勢するように構成されている。

前記スプリング４９は、弁体４５と筐体４３との間に設けられ、弁体４５を閉弁方向（図示下方向）に付勢するように構成されている。

このように本実施形態では、筐体４３の天地方向の略中央に掃気ガス導入口４３ａに連通するガス通路Ｓ１が設けられ、弁座４３ｃを挟んで掃気ガス導入口４３ａの上側に掃気ガス排出口４３ｂが設けられ、弁体４５で仕切られた空間のカソード極１３側にプランジャシャフト４４の一部（上部）が位置するように構成されている。

前記シール部材５０は、天然ゴムや合成ゴムなどの弾性材料で形成され、コア部材４６にかけて凹構造を持たないリップシール構造のものである。このシール部材５０は、貫通孔５０ａを有するリング形状であり、プランジャシャフト４４を貫通孔５０ａに挿通した状態で、コア部材４６に固着されている。また、シール部材５０の上端部にはリップ部５０ｂが形成されており、このリップ部５０ｂがコア部材４６の上面から突出するように配置されて、プランジャシャフト４４の周面を押圧することで気密性が確保されるようになっている。これにより、ガス通路Ｓ１内の水蒸気などがプランジャシャフト４４（シャフト４４ａ）と軸穴部４６ａとの隙間に浸入するのを防止できるようになっている。

また、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、プランジャシャフト４４のシャフト４４ａの表面には、フッ素樹脂などの撥水剤によって撥水コーティングＲ（ドットで示した部分）が施されている。この撥水コーティングＲを施す領域は、少なくともプランジャシャフト４４の可動範囲Ｑ、すなわち、シャフト４４ａとシール部材５０とが摺動する範囲である。なお、本実施形態における撥水コーティングＲは、閉弁時において、摺動する範囲（可動範囲Ｑ）に加えて、ガス通路Ｓ１側（天地方向上側）に延長して施されている。

前記ＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、各種回路などで構成され、掃気導入弁制御装置を備えて構成されている。なお、この掃気導入弁制御装置は、アノード掃気開始時に掃気導入弁４２を開弁し、アノード掃気終了時に掃気導入弁４２を閉弁するように制御する。また、ＥＣＵ１００は、遮断弁２２、排出弁２５、エアコンプレッサ３１、背圧制御弁３３、掃気導入弁４２と接続され、遮断弁２２、排出弁２５および掃気導入弁４２をそれぞれ適宜開閉し、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を適宜調節し、背圧制御弁３３の弁開度を適宜調節する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について図４（適宜、図１）を参照して説明する。まず、燃料電池システム１の運転中においては、ＥＣＵ１００によって、遮断弁２２が開かれており、これにより燃料電池１０のアノード極１２に水素タンク２１から減圧された水素が供給される。また、ＥＣＵ１００によって、エアコンプレッサ３１が駆動されており、燃料電池１０のカソード極１３に加湿器３２で加湿された空気（酸素）が供給される。これにより、燃料電池１０内のアノード極１２では、触媒の作用により水素から電子が離れて外部負荷（図示せず）を通ってカソード極１３に移動することで発電が行われる。また、カソード極１３では、触媒の作用により透過した水素イオンと、外部負荷を移動してきた電子と、空気中の酸素との反応により水が生成される。なお、生成水は、加湿器３２に供給された後に系外（外部）に排出される。

ところで、燃料電池１０の発電時には、燃料電池１０のカソード極１３で生成された水が固体高分子電解質膜１１を透過してアノード極１２に移動することがある。このため、燃料電池システム１の運転が停止された後、残留した生成水が凍結すると判断される場合には、掃気を実行する。すなわち、ＥＣＵ１００によって掃気導入弁４２および排出弁２５が開弁されるとともにエアコンプレッサ３１からカソードガスが、バイパス配管４１を介してアノード極１２に供給される。なお、このとき掃気導入弁４２では、ソレノイド４７がＯＮされると、プランジャシャフト４４のプランジャ４４ｂが天地方向上側に移動することで弁体４５が上方に押されて図４（ａ）に示す状態になり、カソードガスが図４（ａ）の矢印で示すように流れるようになる。

これにより、アノード極１２の表面を含むアノード流路１４ａ、配管２６ｄ〜２６ｆなどに残留している生成水が吹き飛ばされて、排出弁２５を通って系外に排出される。なお、このとき系外に高濃度の水素が排出されないように、排出弁２５から排出された水素は、カソード極１３から排出されたカソードオフガスなどで希釈して排出されるようになっている。アノード掃気終了後は、ＥＣＵ１００によって、掃気導入弁４２および排出弁２５が閉じられ、エアコンプレッサ３１の駆動が停止される。なお、掃気処理はアノード極１２側のみではなく、カソード極１３側も別々または同時に行なわれる。

また、アノード掃気終了後の運転停止時においては、燃料電池１０の内部（ＭＥＡの内部）に多量の水分が残留していると、その残留した生成水が燃料電池１０から掃気導入弁４２まで拡散することがある。しかし、本実施形態では、シール部材５０によって、シャフト４４ａとコア部材４６の軸穴部４６ａとの隙間（摺動部）や、プランジャ４４ｂとこれをガイドするガイド部との隙間に水蒸気が浸入することがないので、氷点下時における作動性が確保される。

また、本実施形態によれば、シール部材５０がリップシール構造でコア部材（保持部）にかけて凹構造を持たないので、シール部材５０廻りに水が溜まらず、氷点下時における作動性を確保可能となる。

また、本実施形態によれば、図３に示すように、プランジャシャフト４４の可動範囲Ｑに撥水コーティングが施されているので、プランジャシャフト４４とシール部材５０との摺動抵抗を軽減できる。さらに、本実施形態では、撥水コーティングが可動範囲Ｑに対してガス通路Ｓ１側に延びて形成されているので、掃気導入弁４２の閉弁時に表面張力によってプランジャシャフト４４に付着する水分を軽減することができ、プランジャシャフト４４とシール部材５０とが凍結ロックするのを防止することが可能になる。

また、本実施形態によれば、図５（ａ），（ｂ）に示すように、掃気導入弁４２が閉弁状態から開弁状態に移行する場合において、プランジャシャフト４４の可動範囲Ｑが開弁時にガス通路Ｓ１側に移動するように構成されているので、掃気導入弁４２の閉弁時にプランジャシャフト４４に付着している氷や霜が（図５（ａ）参照）、プランジャシャフト４４が開弁時にシール部材５０に乗り上げることがなく（図５（ｂ）参照）、シール部材５０の漏れや異常な摩耗を引き起こすのを防止できる。これに対して、図５（ｃ）の比較例で示すように、図５（ａ）の状態において、プランジャシャフト４４がガス通路Ｓ１側とは反対方向（図示下方向）に作動した場合には、プランジャシャフト４４に付着した氷や霜がシール部材５０に乗り上げたり、プランジャシャフト４４とシール部材５０との間に噛み込んだりして、シール部材５０の漏れや異常な摩耗を引き起こすおそれがある。

また、本実施形態によれば、掃気導入弁４２の閉弁時に、プランジャシャフト４４がカソードガス雰囲気に曝されるように構成されているので（図４（ｂ）参照）、燃料電池システム１の運転停止中に燃料電池１０内部からの水分の拡散は加湿器３２で遮断され、加湿器３２に残留する水分の拡散は加湿器３２上流の空気流入口３１ａから拡散する乾燥したカソードガス（空気）によって緩和される。よって、掃気導入弁４２まで拡散する水蒸気を低減できるので、掃気導入弁４２の氷点下時における作動性をより確実に確保できる。

また、本実施形態によれば、掃気導入弁４２の弁体４５がプランジャシャフト４４の天地方向上方に設けられ、シール部材５０がプランジャシャフト４４の天地方向下方に設けられているので、プランジャシャフト４４に付着した水は下方へ伝い流れ、シール部材５０によってプランジャシャフト４４と軸穴部４６ａ（ガス通路壁部）との間に流れ込むことがないので、掃気導入弁４２の氷点下時における作動不良を防止できる。

また、本実施形態では、プランジャシャフト４４が弁体４５を押し出すことで開弁する構造とし、発電時には通常アノード極１２側のガス圧Ｐａ（図４（ｂ）参照）がカソード極１３側のガス圧Ｐｃ（図４（ｂ）参照）よりも高い状態に制御され、その差圧（Ｐａ−Ｐｃ＞０）によって弁体４５がシール（遮断）される方向に作用するので、高いガス遮断能力もしくはシール性を確保するために必要なスプリング４９のバネ力を小さなものにすることが可能になる。これにより、掃気導入弁４２を開弁する際にプランジャシャフト４４を小さい推力で駆動させることができるようになり、掃気導入弁４２の小型化が可能になる。

なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、シール部材５０に替えて、図６に示すシール部材６０としてもよい。すなわち、このシール部材６０は、シャフト４４ａに形成されたつば部４４ｃ、リング部６１、シール部６２およびコイルバネ６３によって構成されている。リング部６１は、シャフト４４に挿通され、シャフト４４ａに沿って摺動可能に構成されている。シール部６２は、ゴムなどの弾性材料によってリング状に形成され、リング部６１の下面に突出して設けられている。コイルバネ６３は、シャフト４４ａに挿通され、リング部６１の上面と、つば部４４ｃとの間に介装され、シール部６２を備えたリング部６１をコア部材４６に向けて付勢するように作用している。なお、コイルバネ６３のばね力は、前記スプリング４９のばね力よりも弱く設定され、弁体４５（図２参照）のシート性が確保されるように構成されている。

また、シール部材５０，６０に替えて、図７に示すシール部材７０としてもよい。すなわち、このシール部材７０は、シャフト４４ａに形成されたつば部４４ｄ、およびシール部７１によって構成されている。シール部７１は、ゴムなどの弾性材料によって蛇腹状に形成されたものであり、シャフト４４ａに挿通された状態において、上端がつば部４４ｄに固定され、下端がコア部材４６の上面に固定されている。なお、蛇腹によるばね力も、前記と同様に、スプリング４９のばね力よりも弱く設定され、弁体４５（図２参照）のシート性が確保されるように構成されている。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 本実施形態の燃料電池システムに用いられる掃気導入弁の構造を示す断面図である。 掃気挿入弁のプランジャシャフトに施される撥水コーティングの領域を示す模式図であり、（ａ）は閉弁時、（ｂ）は開弁時である。 掃気導入弁の動作を示す断面図であり、（ａ）は閉弁時、（ｂ）は開弁時である。 掃気導入弁の作用を示す模式図であり、（ａ）は閉弁時、（ａ）は開弁時、（ｃ）は比較例である。 本実施形態におけるシール部材の変形例を示す断面図である。 本実施形態におけるシール部材の他の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１２ アノード極
１３ カソード極
３２ 加湿器
４０ アノード掃気手段
４１ バイパス配管（バイパス路）
４２ 掃気導入弁
４４ プランジャシャフト
４５ 弁体
４５ａ 第１受圧部
４５ｂ 第２受圧部
４６ａ 軸穴部（ガス通路壁部）
１００ ＥＣＵ（掃気導入弁制御装置）
５０，６０，７０ シール部材
Ｑ 可動範囲
Ｒ 撥水コーティング
Ｓ１ ガス通路

Claims (5)

1. 燃料電池のアノード極を、カソード極へ導入するカソードガスによって掃気するアノード掃気手段を備えた燃料電池システムであって、
   前記アノード掃気手段は、前記カソードガスを前記アノード極に導入する掃気導入弁と、前記掃気導入弁を開閉可能に制御する掃気導入弁制御装置とを有し、
   前記掃気導入弁には、この掃気導入弁の可動するプランジャシャフトにおける前記カソードガスのガス通路側の領域と、前記プランジャシャフトにおけるガス通路壁部側の領域との間をシールするシール部材が設けられており、
   前記プランジャシャフトには、少なくとも前記シール部材に摺動する範囲に撥水コーティングが施されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記プランジャシャフトは、前記アノード掃気手段によって前記カソードガスを前記アノード極に導入するときに、前記ガス通路側の方向に移動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。
3. 前記カソードガスを加湿して前記カソード極に導入する加湿器を備え、
   前記掃気導入弁は、前記加湿器をバイパスしたバイパス路に設けられ、前記掃気導入弁が閉弁しているときに前記プランジャシャフトが前記カソードガス雰囲気中に曝されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記掃気導入弁の弁体は、前記プランジャシャフトの天地方向に対して上方に設けられ、前記シール部材は、前記プランジャシャフトの天地方向に対して下方に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記掃気導入弁は、前記プランジャシャフトの進出により開弁し、前記プランジャシャフトの後退により閉弁し、前記掃気導入弁の弁体には、前記掃気導入弁の少なくとも閉弁時に、前記アノード極側のガス圧が閉弁方向に作用する第１受圧部と、前記カソード極側のガス圧が開弁方向に作用する第２受圧部とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

Images