特許 6163604 流体制御弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6163604

(24)【登録日】2017年6月23日

(45)【発行日】2017年7月12日

(54)【発明の名称】流体制御弁

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20170703BHJP

   F16T 1/00 20060101ALI20170703BHJP

   F16K 51/00 20060101ALI20170703BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20170703BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 N

   H01M8/04 J

   F16T1/00 G

   F16K51/00 C

   !H01M8/10

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-506175(P2016-506175)

(86)(22)【出願日】2015年1月26日

(86)【国際出願番号】JP2015052023

(87)【国際公開番号】WO2015133200

(87)【国際公開日】20150911

【審査請求日】2016年8月25日

(31)【優先権主張番号】特願2014-45174(P2014-45174)

(32)【優先日】2014年3月7日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000143949

【氏名又は名称】株式会社鷺宮製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】特許業務法人後藤特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100075513

【弁理士】

【氏名又は名称】後藤 政喜

(74)【代理人】

【識別番号】100120260

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅昭

(74)【代理人】

【識別番号】100148231

【弁理士】

【氏名又は名称】村瀬 謙治

(72)【発明者】

【氏名】宇佐美 孝忠

(72)【発明者】

【氏名】竹田 剛

(72)【発明者】

【氏名】大河原 一郎

【審査官】 高田 基史

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭６０−７３９９９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 登録実用新案第３１１２４８８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平１１−９８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４３４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２５８０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０３５６０９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６２

Ｆ１６Ｋ ５１／００

Ｆ１６Ｔ １／００

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

湿潤ガス流路に接続され、湿潤ガスの流れを制御する流体制御弁であって、
湿潤ガスを前記流体制御弁内に導入するための導入通路と、
筒形状に形成されるとともに筒側面に孔を有し、筒側面に沿って水を吸い上げるフィルタと、
前記フィルタの上部から上方に延設される案内通路と、
前記案内通路の上部開口端として構成され、前記導入通路よりも上方に配置された弁ポートと、
前記フィルタを通過した湿潤ガスを前記弁ポートを介して前記流体制御弁内から排出するための排出通路と、
前記弁ポートを弁体によって開閉する弁部と、を備え、
前記フィルタは、前記導入通路の最下部に配置される、
流体制御弁。

【請求項2】

請求項１に記載の流体制御弁であって、
前記導入通路は、前記最下部に向かって下り傾斜するように形成される、
流体制御弁。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の流体制御弁であって、
前記流体制御弁は、燃料電池から排出される湿潤ガスとしてのアノードオフガスを、燃料電池システムの外部に排出するためのパージ弁である、
流体制御弁。

【請求項4】

請求項３に記載の流体制御弁であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスが流れる前記湿潤ガス流路としてのアノードガス排出通路と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、を備えるアノードデッドエンド型燃料電池システムである、
流体制御弁。

【請求項5】

請求項４に記載の流体制御弁であって、
前記導入通路は、湿潤ガスを前記導入通路内に導入する２つのポートを備え、
前記２つのポートの一方のポートは前記アノードガス排出通路に接続され、
前記２つのポートの他方のポートは前記バッファ部に接続される、
流体制御弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体制御弁に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１１−２５８３９６号公報は、湿潤ガス流路に配置されて湿潤ガスの流れを制御する流体制御弁の一例として、パージ弁を開示する。パージ弁は、燃料電池システムに用いられ、燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃料電池システムの外部に排出するときに開かれる。

【発明の概要】

【0003】

パージ弁等の流体制御弁は、流体の導入通路と排出通路とを連通する弁ポートを弁体によって開閉することで、流体の流れを制御する。このような流体制御弁によって水分を含む湿潤ガスの流れを制御する場合、水の浸入を考慮して、弁ポートの位置は導入通路よりも上方に配置される必要がある。

【0004】

導入通路には、流体制御弁を用いたシステムの停止後に湿潤ガス流路から水が浸入してくることがある。弁ポートを導入通路よりも下方に配置する場合、導入通路に侵入した水が重力によって弁ポートへと導かれ、低温環境下においてはシステム停止中に弁ポートや弁体を凍結させるおそれがある。システム停止中に弁ポートや弁体が凍結すると、その後のシステム起動時に湿潤ガスの流れを制御することができなくなる。

【0005】

但し、弁ポートが導入通路よりも下方に配置されている場合、システム運転中に弁ポートを開けることで、導入通路に侵入してきた水を重力を利用して弁ポートから排出通路へと排出することができる。つまり、システム運転中に弁ポートを開けるだけで、排水が可能となる。

【0006】

一方、弁ポートを導入通路よりも上方に配置する場合、システム運転中に弁ポートを開けただけでは、水を重力によって排出することができない。

【0007】

そのため、弁ポートが導入通路よりも上方に配置されている場合、例えば、導入通路は、重力方向下向きに凸となるように湾曲形成され、湾曲部に水が溜まるように構成される。湾曲部に水が溜まっていくと、溜まった水によって導入通路は塞がれた状態となる。このような閉塞状態になってから弁ポートを開き、湿潤ガスを用いて導入通路を塞いでいた水を一気に押し出すことで、水が弁ポートから排出通路へ排出される。

【0008】

しかしながら、この方法では、水によって導入通路を完全に塞いでからでないと排水することができない。そのため、流体制御弁を含むシステムがフェールによって強制停止した場合等には、湾曲部に溜めていた水がシステム停止中に凍結し、導入通路が閉塞状態のままとなるおそれがある。このような場合には、システム再起動時に湿潤ガスの流れを制御することができなくなる。

【0009】

本発明の目的は、導入通路を水で塞ぐことなく排水することが可能な流体制御弁を提供することである。

【0010】

本発明のある態様によれば、湿潤ガス流路に配置されて湿潤ガスの流れを制御する流体制御弁が提供される。流体制御弁は、湿潤ガスを流体制御弁内に導入するための導入通路と、導入通路を流れる湿潤ガス中の異物を除去するメッシュを有するフィルタと、導入通路よりも上方に配置された弁ポートを有し、フィルタを通過した湿潤ガスを弁ポートを介して流体制御弁内から排出するための排出通路と、弁ポートを弁体によって開閉する弁部と、を備える。この流体制御弁において、フィルタは導入通路の最下部に配置される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の一実施形態による燃料電池の概略斜視図である。

【図2】図２は、図１の燃料電池のII−II断面図である。

【図3】図３は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。

【図4】図４は、燃料電池スタック、パージ弁及びバッファタンクの位置関係を示す斜視図である。

【図5】図５は、本発明の一実施形態によるパージ弁の概略断面図である。

【図6】図６は、本発明の他の実施形態による燃料電池システムの概略図である。

【図7A】図７Ａは、比較例によるパージ弁の導入通路における水の流れの一例について説明する図である。

【図7B】図７Ｂは、比較例によるパージ弁の導入通路における水の流れの一例について説明する図である。

【図7C】図７Ｃは、比較例によるパージ弁の導入通路における水の流れの一例について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面等を参照し、本発明の実施形態について説明する。

【0013】

燃料電池は、燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とによって電解質膜を挟んで構成されている。燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。

【0014】

アノード電極：２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ・・・(１)
カソード電極：４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ ・・・(２)
これら（１）（２）の電極反応によって、燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

【0015】

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池１０のII−II断面図である。

【0016】

図１及び図２に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１を挟むように配置されるアノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３と、を備える。

【0017】

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。

【0018】

電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

【0019】

アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成される。ガス拡散層１１２ｂは、例えば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。

【0020】

アノード電極１１２と同様に、カソード電極１１３も触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。触媒層１１３ａは電解質膜１１１とガス拡散層１１３ｂとの間に配置され、ガス拡散層１１３ｂは触媒層１１３ａとカソードセパレータ１３との間に配置される。

【0021】

アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２のガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する側にアノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。

【0022】

カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３のガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する側にカソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。

【0023】

アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、アノードガス流路１２１を流れるアノードガスの流れ方向とカソードガス流路１３１を流れるカソードガスの流れ方向とが互いに逆向きとなるように構成されている。なお、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、これらガスの流れ方向が同じ向きに流れるように構成されてもよい。

【0024】

このような燃料電池１０を自動車用電源として使用する場合、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタック２として使用する。そして、燃料電池スタック２にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。

【0025】

以下、図３及び図４を参照して、本発明の一実施形態による燃料電池システム１について説明する。

【0026】

図３は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。図４は、燃料電池スタック２、パージ弁３６及びバッファタンク３７の位置関係を示す斜視図である。

【0027】

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、アノードガス供給装置３と、コントローラ４と、を備える。

【0028】

燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池１０を積層した積層電池であり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック２は、車両の駆動に必要な電力、例えばモータを駆動するために必要な電力を発電する。

【0029】

燃料電池スタック２のカソードガス給排装置及び燃料電池スタック２を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、発明の理解を容易にするために図示を省略した。なお、燃料電池システム１においてはカソードガスとして空気を使用している。

【0030】

アノードガス供給装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、調圧弁３３と、圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、パージ弁３６と、バッファタンク３７と、パージ通路３８と、を備える。

【0031】

高圧タンク３１は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

【0032】

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端部は高圧タンク３１に接続され、他端部は燃料電池スタック２のアノードガス入口部２１に接続される。

【0033】

調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２に供給する。調圧弁３３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁である。調圧弁３３の開度はコントローラ４によって制御される。

【0034】

圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２を流れるアノードガスの圧力を検出する。燃料電池システム１では、圧力センサ３４で検出されたアノードガスの圧力は、各アノードガス流路１２１とバッファタンク３７とを含むアノード系全体の圧力（アノード圧力）として使用される。

【0035】

アノードガス排出通路３５は、燃料電池スタック２から排出されたアノードオフガスを流す通路である。アノードオフガスは、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へと透過してきた窒素や水分（水蒸気や液水）等の不純ガスと、を含む混合ガスである。アノードガス排出通路３５の一端部は燃料電池スタック２のアノードガス出口部２２に接続され、他端部はパージ弁３６に接続される。燃料電池スタック２から排出されるアノードオフガスは水分を含む湿潤ガスであり、アノードガス排出通路３５は湿潤ガスが流れる湿潤ガス流路である。燃料電池システム１では重力を利用した排水を実現するため、図４に示すようにアノードガス排出通路３５の他端部の位置は一端部の位置よりも低くなるように設定されている。

【0036】

パージ弁３６は、パージ通路３８へのアノードオフガスの排出状態（例えば排出／非排出）を制御する流体制御弁である。パージ弁３６の詳細な構造については図５を参照して後述するので、以下では簡単に説明する。

【0037】

図３に示すように、パージ弁３６の内部には、導入通路３６１及び排出通路３６４が形成されている。導入通路３６１の一端部はアノードガス排出通路３５に接続され、他端部はバッファタンク３７に接続される。排出通路３６４は、導入通路３６１とパージ通路３８とを連結するように接続される。導入通路３６１と排出通路３６４との間には、コントローラ４によって開閉される弁部３６５が設けられる。弁部３６５を開閉することで、導入通路３６１から排出通路３６４へのアノードオフガスの排出状態、つまりパージ通路３８へのアノードオフガスの排出状態が制御される。

【0038】

バッファタンク３７は、アノードガス排出通路３５及びパージ弁３６の導入通路３６１を通過したアノードオフガスを一旦蓄える。バッファタンク３７に蓄えられたアノードオフガスは、パージ弁３６の弁部３６５を開くことで導入通路３６１から排出通路３６４へと流れ出し、パージ通路３８に排出される。

【0039】

パージ通路３８の一端部は、パージ弁３６の排出通路３６４に接続される。パージ通路３８に排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス中の水素希釈のために例えばカソードガスの排出通路等に合流させられて、最終的に燃料電池システム１の外部に排出される。

【0040】

コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

【0041】

コントローラ４には、前述した圧力センサ３４の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ４１や出力電圧を検出する電圧センサ４２、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ４３等の、燃料電池システム１の運転状態を検出するための各種の信号が入力される。

【0042】

コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態に基づいて調圧弁３３を制御し、燃料電池スタック２に供給するアノードガスの流量及び圧力を制御する。また、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へと透過してきた不純ガスを燃料電池システム１の外部に排出するため、必要に応じてパージ弁３６の弁部３６５を開いてアノードオフガスをパージ通路３８に排出する。

【0043】

図５は、湿潤ガスの流れを制御する流体制御弁としてのパージ弁３６の概略断面図である。

【0044】

図５に示すように、パージ弁３６は、ハウジング３６０と、導入通路３６１と、フィルタ３６２と、案内通路３６３と、排出通路３６４と、弁部３６５と、を備える。

【0045】

導入通路３６１は、ハウジング３６０内に形成される通路である。導入通路３６１の一端部を構成する第１ポート３６１ａはアノードガス排出通路３５に接続され、他端部を構成する第２ポート３６１ｂはバッファタンク３７に接続される。導入通路３６１は、導入通路３６１内に侵入してきた水が導入通路３６１の特定箇所に向かって流下するような形状として形成されている。より詳細には、導入通路３６１は、一端部及び他端部から中央部分に向けて通路が下り傾斜し、中央部分が下向きに湾曲するような形状に形成されている。したがって、導入通路３６１の中央部分は重力方向下向きに凸となるように構成されている。このように導入通路３６１を構成することで、導入通路３６１の中央部分に向かって水が流下するようになり、当該中央部分に水が溜まりやすくなる。以下、導入通路３６１内において水が溜まる部分のことを「水溜め部」と称する。

【0046】

フィルタ３６２は、導入通路３６１の中央部分における最下部、すなわち導入通路３６１の水溜め部に配置される。フィルタ３６２は例えば円筒形状に形成されており、円筒側面には多数の小孔が形成されたメッシュ３６２ａが設けられる。メッシュ３６２ａとしては、金属等の棒線を織って金網としたものや、金属板等に孔を空けたものなどがある。フィルタ３６２は、メッシュ３６２ａによってアノードオフガス中の異物を除去し、下流に配置された弁部３６５での異物の噛み込み等を防止する。

【0047】

案内通路３６３は、ハウジング３６０内に形成される通路である。案内通路３６３は、フィルタ３６２の上面側（上部）から上方に延びるように形成される。案内通路３６３は、フィルタ３６２を通過したアノードオフガスを、フィルタ３６２の上方に導くための通路である。案内通路３６３の上端は、開口端として形成されており、弁座として機能する弁ポート３６８を構成する。このように弁ポート３６８は、導入通路３６１よりも上方に配置されている。

【0048】

排出通路３６４は、ハウジング３６０内に形成される通路である。排出通路３６４の一端部は弁ポート３６８を介して案内通路３６３の上端に連通しており、他端部はパージ通路３８に接続されている。

【0049】

弁部３６５は、駆動部３６６と、弁体３６７と、を備える。弁部３６５の駆動部３６６は弁体３６７を駆動し、弁体３６７は駆動部３６６の駆動力に基づいて弁ポート３６８を開閉する。

【0050】

駆動部３６６は、固定鉄心３６６ａと、可動鉄心３６６ｂと、コイル３６６ｃと、を備える。また、駆動部３６６は、固定鉄心３６６ａと可動鉄心３６６ｂとの間に、可動鉄心３６６ｂを固定鉄心３６６ａから離れる方向（図中下方向）に付勢するスプリング３６６ｄを備える。コイル３６６ｃに対して通電が行われると、固定鉄心３６６ａ及び可動鉄心３６６ｂが磁化し、互いの吸引力によって可動鉄心３６６ｂは固定鉄心３６６ａに近づく方向（図中上方向）に駆動される。

【0051】

弁体３６７は、弁棒部３６７ａと、ダイアフラム３６７ｂと、を備える。弁棒部３６７ａは、インサートナットを介して可動鉄心３６６ｂに固定され、可動鉄心３６６ｂと共に移動する。ダイアフラム３６７ｂは、弁棒部３６７ａの先端に配置される。ダイアフラム３６７ｂの外縁部分はハウジング３６０に固定され、中央部分は弁棒部３６７ａに固定される。

【0052】

上記のように構成されるパージ弁３６の弁部３６５は、コイル非通電時には、可動鉄心３６６ｂがスプリング３６６ｄによって図中下方向に付勢された状態となる。そのため、コイル非通電時は弁棒部３６７ａも図中下方向に付勢された状態となり、ダイアフラム３６７ｂによって弁ポート３６８（案内通路３６３の上端）は閉じられた状態となる。

【0053】

これに対して、コイル通電時には、可動鉄心３６６ｂは、固定鉄心３６６ａによる吸い上げられるため、スプリング３６６ｄの付勢力に抗して図中上方向に移動することになる。これにより、可動鉄心３６６ｂと共に弁棒部３６７ａが図中上方向に移動し、ダイアフラム３６７ｂが弁ポート３６８から離れて弁ポート３６８が開いた状態となる。

【0054】

次に、本実施形態によるパージ弁３６の作用効果について説明する。

【0055】

パージ弁３６の導入通路３６１には、燃料電池システム１の停止後もアノードガス排出通路３５から水が浸入してくることがある。そのため、弁ポート３６８を導入通路３６１よりも下方に配置すると、導入通路３６１に侵入してきた水が重力によって弁ポート３６８へと導かれ、低温環境下での燃料電池システム１の停止中に弁ポート３６８や弁体３６７が凍結する。これを回避するため、本実施形態によるパージ弁３６では、弁ポート３６８は導入通路３６１よりも上方に配置される。

【0056】

燃料電池システム１の起動時には、アノードガス流路１２１内は、システム停止中に侵入してきた空気が混入した状態となっている。そのため、システム起動時には、高圧タンク３１からアノードガスを追加供給することでアノードガス流路１２１内に存在する空気をアノードガス排出通路３５に排出する。この時、パージ弁３６の弁体３６７により弁ポート３６８を開くことで、アノードガス排出通路３５に排出された空気を含むアノードオフガスはパージ通路３８に排出される。しかしながら、燃料電池システム１の停止中に弁ポート３６８や弁体３６７が凍結してしまうと、システム再起動時に、アノードオフガスをパージ通路３８に排出することができなくなる。

【0057】

しかしながら、本実施形態のように弁ポート３６８を導入通路３６１よりも上方に配置すれば、上記した問題については解決することができる。一方、弁ポート３６８の位置を導入通路３６１よりも上方に配置すると、弁ポート３６８を開いても、燃料電池システム１の運転中に導入通路３６１内に流れ込んできた液水を重力を利用して外部に排出することができない。

【0058】

そこで、弁ポート３６８の位置を導入通路３６１よりも上方に配置する場合、システム運転中に導入通路３６１内に流れ込んできた液水を排出するため、例えば図７Ａ〜図７Ｃに示す比較例のように導入通路３６１を構成することが考えられる。つまり、フィルタ３６２よりも上流側の導入通路３６１は、重力方向下向きに凸となるように湾曲形成される。このように形成することで、導入通路３６１の一部が水溜め部として機能する。なお、導入通路３６１の通路径がアノードガス排出通路３５の通路径よりも小さく設定されることで、水溜め部は早期に水が溜まるように構成されている。

【0059】

導入通路３６１をこのような構成とすることで、システム運転中に水溜め部に水が溜まっていく。最終的には、図７Ｂに示すように、導入通路３６１は水によって完全に塞がれた状態となる。閉塞状態になった後に弁ポート３６８を開くと、導入通路３６１を塞いでいた水は、図７Ｃに示すようにアノードオフガスのガス圧により一気に押し出される。これにより、導入通路３６１内の水は、弁ポート３６８を通じて排出通路３６４に排出される。

【0060】

しかしながら、図７Ａ〜図７Ｃに示した比較例による方法では、水によって導入通路３６１を完全に塞いでからでないと排水ができない。そのため、燃料電池システム１がフェールによって強制的に停止した場合等には、システム運転中に水溜め部に溜めていた水が、システム停止中に凍結して導入通路３６１を塞ぐおそれがある。この場合には、システム再起動時にアノードオフガスをパージ通路３８に排出することができない。

【0061】

したがって、弁ポート３６８を導入通路３６１よりも上方に配置する場合、燃料電池システム１の運転中に導入通路３６１を水で塞ぐことなく、導入通路３６１内に流れ込んできた水を排出通路３６４に排出させることが望ましい。

【0062】

そこで、本実施形態では、図５に示すように、導入通路３６１の最下部となる水溜め部にフィルタ３６２が配置される。本発明者らは、このような配置とすることで、導入通路３６１を水で塞がなくても、弁ポート３６８を開いた時に導入通路３６１内の水を排出通路３６４に排出できるという知見を得た。

【0063】

この知見について説明する。本実施形態のように導入通路３６１の水溜め部にフィルタ３６２を配置すると、弁ポート３６８を開いた時の導入通路３６１の圧力（アノード圧力に相当する圧力）と排出通路３６４の圧力（大気圧に相当する圧力）との差圧によって、アノードオフガスよりも先に水溜め部の水がフィルタ３６２のメッシュ３６２ａの表面に沿って吸い上げられる。水が吸い上げられる現象は、水自体の表面張力によってメッシュ３６２ａの小孔に水膜が形成され、この水膜がメッシュ３６２ａの表面を図中上方向に形成されていくことに起因する。このようにメッシュ３６２ａの表面に沿って吸い上げられた水は、上述した差圧に基づき案内通路３６３を通じて上昇し、排出通路３６４に排出される。

【0064】

このように導入通路３６１の最下部（水溜め部）にフィルタ３６２を配置すれば、弁ポート３６８を開くだけで、水溜め部の水をアノードオフガスに先駆けて排出通路３６４に排出することができる。

【0065】

本実施形態によるパージ弁３６は、アノードガス排出通路３５に接続されてアノードオフガスの流れを制御する。パージ弁３６は、アノードオフガスをパージ弁３６内に導入する導入通路３６１と、導入通路３６１を流れるアノードオフガス中の異物を除去するメッシュ３６２ａを有するフィルタ３６２と、導入通路３６１よりも上方に位置する弁ポート３６８を有し、フィルタ３６２を通過したアノードオフガスを弁ポート３６８を介してパージ弁３６内から排出する排出通路３６４と、弁ポート３６８を弁体３６７によって開閉する弁部３６５と、を備える。

【0066】

このパージ弁３６においては、フィルタ３６２は導入通路３６１の最下部に配置される。これにより、導入通路３６１の最下部（水溜り部）に溜まった水をフィルタ３６２のメッシュ３６２ａの表面に沿って吸い上げ、メッシュ３６２ａにより吸い上げた水を弁ポート３６８を開いたときの導入通路３６１の圧力と排出通路３６４の圧力との差圧を利用して排出通路３６４に排出することができる。

【0067】

そのため、燃料電池システム１の運転中に導入通路３６１を完全に水で塞がなくても、弁ポート３６８を開くことで導入通路３６１の最下部に溜まった水を排出通路３６４に排出することができる。したがって、仮に燃料電池システム１がフェールによって強制停止した場合であっても、システム再起動時に導入通路３６１が凍結した水によって完全に塞がれた状態となることを抑制できる。

【0068】

本実施形態によるパージ弁３６によれば、比較例のように導入通路３６１を完全に水で塞がなくてもよいので、水を溜まりやすくするために導入通路３６１の通路径をアノードガス排出通路３５の通路径よりも小さくする必要がない。そのため、本実施形態によるパージ弁３６を燃料電池システム１に使用した場合には、以下の通り、燃料電池システム１の性能を向上させることができる。

【0069】

すなわち、アノードガス排出通路３５に排出されたアノードオフガスをアノードガス供給通路３２に戻さずにバッファタンク３７へと押し込む本実施形態のようなアノードデッドエンド型の燃料電池システム１であれば、導入通路３６１の通路径を小さくする必要がない。そのため、アノードオフガスをバッファタンク３７に押し込む際の導入通路３６１での圧力損失の増加を抑制できる。したがって、アノードオフガスをバッファタンク３７に押し込む際のアノード圧力を低く抑えることができるので、燃費を向上させることができる。また、アノードガス供給通路３２や燃料電池スタック２等の部品にかかる圧力を低く抑えることもできるので、部品の耐久性も向上させることができる。

【0070】

一方、図６に示すように、アノードガス排出通路３５とアノードガス供給通路３２とを接続する循環通路３９に設けた循環ポンプ４０によってアノードオフガスをアノードガス供給通路３２に戻す循環型の燃料電池システム１であれば、パージ弁３６を介してアノードオフガスを排出するときの導入通路３６１での圧力損失の増加を抑制できる。したがって、単位時間当たりのアノードオフガスの排出流量を多くすることができ、パージ弁開弁時間を短くして無駄にアノードオフガス中の水素が排出されるのを抑制することができる。なお、このような循環型の燃料電池システム１の場合は、パージ弁３６の第２ポート３６１ｂについては閉塞させておけば良い。

【0071】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0072】

例えば、上記実施形態では、導入通路３６１の中央部分が重力方向下向きに凸となるように、一端部及び他端部のそれぞれから中央部分に向けて導入通路３６１を傾斜させていた。しかしながら、導入通路３６１は、導入通路３６１内の水が導入通路３６１の特定箇所に向かって流下するような形状とすれば良いので、導入通路３６１の形状はこれに限られるものではない。例えば、導入通路３６１の一部分をお椀状にくり抜いて重力方向に傾斜した曲面を形成することで、そのくり抜いた部分を水溜め部としても良い。

【0073】

上記実施形態では、流体制御弁の一例として、燃料電池システム１に用いられるパージ弁について説明した。流体制御弁の使用は燃料電池システムに限定されるものではなく、流体制御弁は湿潤ガスを利用したシステム全般において採用され得る。

【0074】

本願は２０１４年３月７日に日本国特許庁に出願された特許出願Ｎｏ．２０１４−４５１７４に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】