(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池起動時の遮断弁の開弁をしやすくする燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池１３と、燃料電池１３に酸化剤ガスを供給する空気入口遮断弁４０と燃料電池１３から排出される酸化剤ガスを排出する空気出口遮断弁７０とを備える。空気入口遮断弁４０の駆動源は、空気を空気圧縮機１４により圧縮して供給し、燃料電池１３の起動時に、空気入口遮断弁４０の受圧室４９を負圧にすることにより、前記酸化剤ガスを作動室に供給し空気入口遮断弁４０の開動作を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
該燃料電池に対して、酸化剤ガスを供給する空気圧縮機と、
受圧室と作動室とを有し、前記空気圧縮機と前記燃料電池との間に配設され、前記受圧室に供給される圧力が負圧になると弁体が閉状態から開状態となり、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する空気入口遮断弁と、
燃料電池から排出される酸化剤ガスにより閉状態から開状態となる空気出口遮断弁とを備え、
前記受圧室と前記空気圧縮機を連通させ、前記燃料電池の起動時には前記空気圧縮機の駆動により前記受圧室を負圧にすることにより、前記酸化剤ガスを前記作動室に供給し、前記燃料電池の起動を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気入口遮断弁は、ハウジングと、
該ハウジング内に形成された弁座と、
該弁座に当接して酸化剤ガスのシールを行う弁体と、
前記受圧室と前記作動室とを区画し、前記受圧室の圧力により前記弁体を駆動させるダイヤフラムと、
前記ハウジングと前記弁体との間に配設され、前記弁体が閉状態となるよう付勢するバネとを備えたノーマルクローズ型のダイヤフラム式バルブであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記空気入口遮断弁は、前記受圧室を負圧にするポートを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遮断弁およびその遮断弁を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置（以下、燃料電池と称す）は、水素と酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。かかる燃料電池には、電解質膜と、これを挟持するアノード電極及びカソード電極からなる単電池を複数積層した燃料電池本体が使用されている。そして、水素含有ガスをアノード電極に供給すると共に、空気などの酸素含有ガスをカソード電極に供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して発電している。水素含有ガスとしては、天然ガスなどの炭化水素を含む原燃料を水蒸気改質して得られる改質ガスなどが使用されており、酸素含有ガスとしては空気などが使用されている。そして、付設したインバータ等で得られる直流電流を交流電流に変換して電力を回収している。
【０００３】
このような燃料電池において、燃料電池停止時に遮断弁を閉じることにより、燃料電池の内部の空気流路には酸化剤ガスである酸素を含んだ空気が残留しており、この残留空気中の酸素と水素流路内に残留している水素との反応によって、空気の体積が減少することにより、遮断弁は燃料電池の内部の空気流路に吸引される。このことから遮断弁を開ける時、大きな駆動力が必要となる。このため、特許文献１では、流体圧とダイヤフラム径を大きくすることにより大きな駆動力を得ている。また、特許文献２では、酸化剤排出口の遮断弁と酸化剤ガス流路の間に燃料電池内の酸化剤ガス流路は負圧を大気圧に開放する大気開放弁を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１８３７１３号公報
【特許文献２】特開２００８−２６９８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のように、流体圧とダイヤフラム径を大きくするためにはコンプレッサーおよびバルブを大型化する必要があるが、搭載制限で問題がある。特許文献２のように、燃料電池内の酸化剤ガス流路の負圧を解除するために、酸化剤排出口の遮断弁と酸化剤ガス流路の間に電磁式の大気開放弁を設けると制御装置が必要となり、装置も大型化となる問題がある。そこで、本発明は起動時の遮断弁の開弁性向上を図る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する空気圧縮機と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する空気入口遮断弁と、燃料電池から排出される酸化剤ガスを排出する空気出口遮断弁と、を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池起動時に空気入口遮断弁に負圧と正圧を同時に印加して、空気入口遮断弁の開動作を行う構成とした。
【０００７】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池に対して、酸化剤ガスを供給する空気圧縮機と、開弁動作側圧力室（受圧室）と開弁用受圧室（作動室）とを有し、前記空気圧縮機と前記燃料電池との間に配設され、前記受圧室に供給される圧力が負圧になると弁体が閉状態から開状態となり、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する空気入口遮断弁と、燃料電池から排出される酸化剤ガスにより閉状態から開状態となる空気出口遮断弁とを備え、前記受圧室と前記空気圧縮機を連通させ、前記燃料電池の起動時には前記空気圧縮機の駆動により前記受圧室を負圧にすることにより、前記酸化剤ガスを前記作動室に供給し、前記燃料電池の起動を行うことを特徴とする。
【０００８】
この場合は、空気入口遮断弁および空気出口遮断弁は、弁座と、弁座に当接して酸化剤ガスのシールを行う弁体と、弁体を駆動するダイヤフラムと、弁体を閉弁に付勢するバネとを備えたノーマルクローズ型のダイヤフラム式バルブであると良い。
【０００９】
また、空気入口遮断弁と空気出口遮断弁は、駆動源である酸化剤ガスを供給する空気圧縮機により作動室に酸化剤ガスを流すことによりバルブを開き、酸化剤ガスの供給が停止するとバルブは前記バネの付勢力により閉状態になると良い。
【００１０】
また、空気入口遮断弁は、空気出口遮断弁よりも先に開弁を行うための酸化剤ガスを直接吸引されるポートを開弁動作側圧力室（受圧室）に備えていると良い。
【００１１】
また、酸化剤ガスを直接吸引するには空気圧縮機の酸化剤ガス吸入口および燃料電池停止時のスタック内の負圧で行うと良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の空気入口遮断弁は、受圧室に負圧を供給し、作動室にコンプレッサーからの圧を同時に供給することで大きな駆動力を発生できる。これにより、ダイヤフラム径を従来より小さくしても大きなダイヤフラムと同様の駆動力を発生できバルブを小型化できる。コンプレッサーからの負圧を常時引加する時は、弁体のバタつきが小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態１における、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す、空気入口遮断弁の開状態を示す断面図である。
【図３】図１に示す、空気入口遮断弁の閉状態を示す断面図である。
【図４】図１に示す、空気出口遮断弁の開状態を示す断面図である。
【図５】図１に示す、空気出口遮断弁の閉状態を示す断面図である。
【図６】図９に示す、空気入口遮断弁の開状態を示す断面図である。
【図７】図９に示す、空気入口遮断弁の閉状態を示す断面図である。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの実施形態２における、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図９】本発明に係る燃料電池システムの実施形態３における、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施形態１）
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気が供給されて電気化学反応によって発電する燃料電池１３と、燃料電池１３に供給する空気を圧縮する空気圧縮器１４と、燃料電池１３に供給するため圧縮された空気を加湿する加湿器１２を備えている。空気圧縮器１４と加湿器１２は圧縮空気供給管２１によって接続され、加湿器１２と燃料電池１３とは、加湿器１２において加湿された空気を燃料電池１３の空気流路につながっている空気入口１３ａに導く空気入口管２２と燃料電池１３の空気流路につながっている空気出口１３ｂから排出された空気を加湿器１２に導く空気出口管２４とによって接続され、加湿器１２には空気を外部に排出する空気排出管２３が接続されている。燃料電池１３の手前の空気入口管２２には空気入口遮断弁４０が設けられ、加湿器１２の手前の空気出口管２４には空気出口遮断弁７０が設けられている。また、圧縮空気供給管２１には圧縮空気供給管２１の圧力を検知する圧力センサ３１が設けられている。空気圧縮器１４と、圧力センサ３１は制御装置１１に電気的に接続され、制御装置１１の指令によって動作するように構成されている。
【００１５】
以下、本実施形態の燃料電池システム１０に用いられている空気入口遮断弁４０の詳細構造について図２を参照しながら説明する。図１と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。空気入口遮断弁４０は金属、硬質樹脂またはセラミックス製のハウジング４１を有する。ハウジング４１は、連結された第１ハウジング４１ａと第２ハウジング４１ｂと第３ハウジング４１ｃを有し、互いに固定されている。第３ハウジング４１ｃは、空気入口管２２にそれぞれ接続された弁入口５７と弁出口５９を備えている。弁入口５７と弁出口５９と連通する開弁用受圧室（作動室）４６を第１中空室４５および第２中空室５０に仕切るための仕切壁５３と第２ハウジング４１ｂを有する。第３ハウジング４１ｃの内面の弁出口５９側には、弁座６０が設けられている。弁座６０は円形の弁体５８が当接してシールするシール面となっている。第１中空室４５および第２中空室５０は弁軸４８の軸長方向において（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）直列に併設されている。
【００１６】
図２に示すように仕切壁５３のほぼ中央領域には、弁軸挿通孔５４が形成されている。
【００１７】
弁軸挿通孔５４は、弁軸４８を挿通するための仕切壁５３を厚み方向に貫通する。弁軸４８は長軸状をなしており、ハウジング４１の仕切壁５３の弁軸挿通孔５４に移動可能に挿通されている。弁軸挿通孔５４の内壁面と弁軸４８の外壁面との間には、リング形状をなすシール部材５１が介在している。弁軸４８の先端部には、移動に伴い、弁出口５９を開閉させるための弁体５８が鍔状に形成されている。弁体５８は弁座６０に着座可能である。
【００１８】
図２に示すように第１ダイヤフラム５５、第２ダイヤフラム５６は、ゴムや樹脂等の高分子材料で形成された変形可能な膜状とされている。なお、第１ダイヤフラム５５、第２ダイヤフラム５６には、必要に応じて、ガスバリヤ性を高めるためのバリヤ層や補強させるための補強層が、埋設されていても良い。図２に示すように第１ダイヤフラム５５のダイヤフラム外端部５５ａは、ハウジング４１に保持されている。すなわち、第１ダイヤフラム５５の厚肉状のダイヤフラム外端部５５ａは、ハウジング４１の第１ハウジング４１ａと第２ハウジング４１ｂとの挟持されて保持されている。第１ダイヤフラム５５のダイヤフラム内端部４７ａは駆動板４３ａにより弁軸４８に保持されている。
【００１９】
図２に示すように第１ダイヤフラム５５は、気体圧（流体圧）の受圧に伴い弁軸４８を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動させるための開弁動作側圧力室（受圧室）４９と、第１中空室４５を仕切る。第１中空室４５は第１ダイヤフラム５５の受圧に伴い、圧力が高くなることを防止する排気管５２ａが設けられている。図２に示すように第２ダイヤフラム５６は、気体圧（流体圧）の受圧に伴い弁軸４８を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動させるための開弁用受圧室（作動室）４６と、第２中空室５０を仕切る。第２中空室５０は第２ダイヤフラム５６の受圧に伴い、圧力が高くなることを防止する排気管５２ｂが第２ハウジング４１ｂに設けられている。第２ダイヤフラム５６は、コンボリューションとも呼ばれる径方向に突出した膨出部５６ｍを持つ。膨出部５６ｍは、突部５６ｒを形成しつつ、弁軸４８の軸芯Ｐ１の回りで、リング状に配置されており、圧力に応じて表裏反転可能とされている。ここで、コンボリューションを有するダイヤフラムを搭載するバルブによれば、基本的には、第２ダイヤフラム５６については、膨出部５６ｍの頂点５６ｘよりも径内側の受圧面積が、第２ダイヤフラム５６の有効受圧面積（Ｓｉ１）とされている。
【００２０】
図２に示すように第１ダイヤフラム５５と第１ハウジング４１ａとの間には、第１ダイヤフラム５５の閉弁動作をアシストするための閉弁用の付勢バネ４４ａが設けられている。この付勢バネ４４ａは、コイル状をなしており、開弁動作側圧力室（受圧室）４９に弁軸４８の外周側において便軸４８と同軸的に配置されている。
【００２１】
図２に示すように第２ダイヤフラム５６と第２ハウジング４１ｂとの間には、第２ダイヤフラム５６の閉弁動作をアシストするための閉弁用の付勢バネ４４ｂが設けられている。この付勢バネ４４ｂは、コイル状をなしており、第２中空室５０に弁軸４８の外周側において便軸４８と同軸的に配置されている。付勢バネ４４ｂのバネ定数を（ＩＳc）とする。
【００２２】
次に空気出口遮断弁７０の詳細構造について図４を参照しながら説明する。図１と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。空気出口遮断弁７０は金属、硬質樹脂またはセラミックス製のハウジング７１を有する。ハウジング７１は、連結された第１ハウジング７１ａと第２ハウジング７１ｂとを有する。ハウジング７１は、空気出口管２４にそれぞれ接続された弁入口８６と弁出口８５を備えている。弁入口８６と弁出口８５とを連通する開弁用受圧室（作動室）８８を複数の第１中空室７２および第２中空室７７に仕切るための仕切壁７６とを有する。第２ハウジング８１ｂの内面の弁出口７６側には、弁座８７が設けられている。弁座８７は弁体８４が当接して空気をシールするシール面となっている。第１中空室７２および第２中空室７７は弁軸７３の軸長方向において（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）直列に併設されている。
【００２３】
図４に示すように仕切壁７６のほぼ中央領域には、弁軸挿通孔７５が形成されている。弁軸挿通孔７５は、弁軸７３を挿通するための仕切壁７６を厚み方向に貫通する。弁軸７３は長軸状をなしており、ハウジング７１の仕切壁７６の弁軸挿通孔７５に移動可能に挿通されている。弁軸７３の先端部には、移動に伴い、弁出口８５を開閉させるための弁体８４が鍔状に形成されている。弁体８４は弁座８７に着座可能である。
【００２４】
図４に示すようにダイヤフラム８０はゴムや樹脂等の高分子材料で形成された変形可能な膜状とされている。なお、ダイヤフラム８０には、必要に応じて、ガスバリヤ性を高めるためのバリヤ層や補強させるための補強層が、埋設されていても良い。
【００２５】
図４に示すようにダイヤフラム８０のダイヤフラム外端部８０ａは、ハウジング８１に保持されている。すなわち、ダイヤフラム８０の厚肉状のダイヤフラム外端部８０ａは、ハウジング８１の第１ハウジング７１ａと第２ハウジング７１ｂとの挟持されて保持されている。ダイヤフラム８０のダイヤフラム内端部８０ｂは、駆動板８１により弁軸７３に保持されている。
【００２６】
図４に示すようにダイヤフラム８０は、気体圧（流体圧）の受圧に伴い弁軸７３を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動させるための開弁用受圧室（作動室）８８と、第２中空室７７を仕切る。第２中空室７７はダイヤフラム８０の受圧に伴い、圧力が高くなることを防止する排気管７９が設けられている。
【００２７】
図４に示すようにダイヤフラム８０と仕切壁７６との間には、ダイヤフラム８０の閉弁動作をアシストするための閉弁用の付勢バネ７８が設けられている。この付勢バネ７８は、コイル状をなしており、第２中空室７７に弁軸７３の外周側において弁軸７３と同軸的に配置されている。付勢バネ７８のバネ定数を（ＯＳc）とする。
【００２８】
空気出口遮断弁７０の付勢バネ７８のバネ定数を（ＯＳc）の方が空気入口遮断弁４０の付勢バネ４４ｂのバネ定数を（ＩＳc）より小さく設定されている。本実施例によれば、ＯＳｃ／ＩＳｃ＝０．２０〜０．８０の範囲内、０．５０〜０．８０の範囲内、０．６０〜０．７９の範囲内、０．６５〜０．７８の範囲内に設定されていることが好ましい。
【００２９】
（燃料電池システム停止時）
燃料電池システム１０の停止の際には、制御装置１１の指令により、空気圧縮機１４を停止することにより、空気入口遮断弁４０と空気出口遮断弁７０が共に閉となると、閉弁用付勢バネ４４ｂ、７８で弁体５８、８４は弁座６０、８７をシールする。空気出口遮断弁７０の付勢バネ７８のバネ定数は、空気入口遮断弁４０の付勢バネ４４ｂのバネ定数より小さく設定されているので、空気入口遮断弁４０が先に閉じてから空気出口遮断弁７０が閉じる。これにより、燃料電池１３内の酸化剤ガスである空気の圧力上昇による電解質膜への破れを防止できる。また、燃料電池１３は外気と遮断され、酸化剤ガスである空気が流入しなくなる。しかし、燃料電池１３の内部の空気流路には酸化剤ガスである酸素を含んだ空気が残留しており、この残留空気中の酸素と水素流路内に残留している水素との反応によって、空気の体積が減少することにより、燃料電池１３の空気流路の圧力は負圧に低下してくる。そのため、空気入口遮断弁４０と空気出口遮断弁７０の弁体５８、８４は弁座６０、８７により強くシールされる。
【００３０】
（燃料電池システム起動時）
次に、本実施例の燃料電池システム１０において、停止中の燃料電池１３の空気流路の圧力が、負圧の状態からの起動について説明する。燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧の状態では、空気入口遮断弁４０は図３に示すように、負圧によって弁体５８が弁座６０に当接、密着し、弁入口５７は大気開放状態になっている。また、空気出口遮断弁７０は図５に示すように、負圧によって弁体８４が弁座８７に当接、密着し、弁出口８５は大気開放状態になっている。図１に示す制御装置１１は、まず、空気圧縮機１４を駆動する指令を出力する。そして、この指令によって空気入口遮断弁４０から空気圧縮機１４へバイパス管２７を通じて空気が流れる。このバイパス管２７は図２に示す空気入口遮断弁４０のポート４２とを連通している。このポート４２から空気が空気圧縮機１４に吸入され、開弁動作側圧力室（受圧室）４９は負圧になる。このことにより、空気入口管２２にそれぞれ接続された弁入口５７からの空気供給圧は大きくなり、第２ダイヤフラム５６ｂは大きな開弁圧を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に受圧する。
【００３１】
この結果、第２ダイヤフラム５６ｂが開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると共に、弁軸４８が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動し、弁座６０に着座していた弁体５８が弁座６０から離間し、弁体５８が開弁し、弁出口５９と弁入口５７が連通する。これにより、空気が燃料電池１３の空気流路と各遮断弁４０、７０によって封止されている負圧領域に侵入し、燃料電池１３の空気流路の負圧が低下してくる。また、空気出口遮断弁７０の付勢バネ７８のバネ定数は空気入口遮断弁４０の付勢バネ４４ｂのバネ定数より小さく設定されているので、空気出口１３ｂからの空気圧でダイヤフラム８０は大きな開弁圧を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に受圧する。この結果、ダイヤフラム８０が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると共に、弁軸７３が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動し、弁座８７に着座していた弁体８４が弁座８７から離間し、弁体８４が開弁し、大気開放状態の弁出口８５と弁入口８６が連通する。このように、燃料電池システム１０起動時は、空気入口遮断弁４０の開弁動作側圧力室（受圧室）４９を負圧にすることにより、空気圧縮機１４からの空気供給圧を高くでき、空気入口遮断弁４０の開弁を容易にできる。開弁動作側圧力室（受圧室）４９を負圧にして空気圧縮機１４から高い空気供給圧を供給できるので弁体５８のバタつきが小さくできる
（実施形態２）
本発明の好適な実施形態２について図面を参照しながら説明する。図１と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図８に示すように実施形態２の燃料電池システム１０は空気入口遮断弁４０の開弁動作側圧力室（受圧室）４９の負圧を、燃料電池システム停止時に燃料電池１３の空気流路内に発生する負圧から供給する点が実施形態１と異なる。燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気とが供給されて電気化学反応によって発電する燃料電池１３と、燃料電池１３に供給する空気を圧縮する空気圧縮機１４と、燃料電池１３に供給する空気を加湿する加湿器１２とを備えている。空気圧縮機１４と加湿器１２とは圧縮空気供給管２１によって接続され、加湿器１２と燃料電池１３とは、加湿器１２において加湿された空気を燃料電池１３の空気流路につながっている空気入口１３ａに導く空気入口管２２と燃料電池１３の空気流路につながっている空気出口１３ｂから排出された空気を加湿器１２に導く空気出口管２４とによって接続され、加湿器１２には空気を外部に排出する空気排出管２３が接続されている。空気入口管２２には空気入口遮断弁４０が設けられ、空気出口管２４には空気出口遮断弁７０が設けられている。また、空気入口管２２と空気入口遮断弁４０を接続するバイパス管２６が設けられている。バイパス管２６には圧力スイッチバルブ３２が設けられている。また圧縮空気供給管には圧力センサ３１が設けられている。空気圧縮機１４と圧力センサ３１と圧力スイッチバルブ３２とは制御装置１１に接続され、制御装置１１の指令によって動作するように構成されている。空気入口遮断弁４０と空気出口遮断弁７０の構造は実施形態１と同じである。
【００３２】
（燃料電池システム停止時）
燃料電池システム停止時の動作は実施形態１と同じである。
【００３３】
（燃料電池システム起動時）
次に本実施形態の燃料電池システム１０において、停止中の燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧の状態からの起動について説明する。燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧の状態では、空気入口遮断弁４０は図３に示すように、負圧によって弁体５８が弁座６０に当接密着し、弁入口５７は大気開放状態になっている。また空気出口遮断弁７０は図５に示すように負圧によって弁体８４が弁座８７に当接密着し、弁出口８５は大気開放状態になっている。図８に示す制御装置１１は、まず圧力スイッチバルブ３２を開とする指令を出力し、次に空気圧縮機１４を駆動する指令を出力する。そして、この指令によって燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧のため、空気入口遮断弁４０から燃料電池１３の空気流路へバイパス管２６を通じて空気が流れる。バイパス管２６は図４に示す空気入口遮断弁４０のポート２６に連通している。このポート２６から空気が燃料電池１３の空気流路に吸入され、開弁動作側圧力室（受圧室）４９は負圧になる。このことにより、空気入口管２２にそれぞれ接続された弁入口５７からの空気供給圧は大きくなり、第２ダイヤフラム５６は大きな開弁圧を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に受圧する。後の動作は実施形態１と同じである。空気入口遮断弁４０の開弁動作側圧力室（受圧室）４９へ負圧を供給する手段として、実施形態１、２以外に真空ポンプを用いても良い。
【００３４】
（実施形態３）
本発明の好適な実施形態３について図面を参照しながら説明する。図１と同様の部分は同様の符号を付して説明は省略する。図９に示すように実施形態３の燃料電池システム１０は空気入口遮断弁１００に負圧を供給するポートが無い点が実施形態１と２と異なる。
【００３５】
燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気が供給されて電気化学反応によって発電する燃料電池１３と、燃料電池１３に供給する空気を圧縮する空気圧縮器１４と、燃料電池１３に供給する空気を加湿する加湿器１２を備えている。空気圧縮器１４と加湿器１２は圧縮空気供給管２１によって接続され、加湿器１２と燃料電池１３とは、加湿器１２において加湿された空気を燃料電池１３の空気流路につながっている空気入口１３ａに導く空気入口管２２と燃料電池１３の空気流路につながっている空気出口１３ｂから排出された空気を加湿器１２に導く空気出口管２４とによって接続され、加湿器１２には空気を外部に排出する空気排出管２３が接続されている。空気入口管２２には空気入口遮断弁１００が設けられ、空気出口管２４には空気出口遮断弁７０が設けられている。圧縮空気供給管には圧力センサ３１が設けられている。空気圧縮器１４と、圧力センサ３１とは制御装置１１に接続され、制御装置１１の指令によって動作するように構成されている。以下、実施形態３の燃料電池システム１０に用いられる空気入口遮断弁１００の詳細構造について図６を参照しながら説明する。
【００３６】
空気入口遮断弁１００は金属、硬質樹脂またはセラミックス製のハウジング１０１を有する。ハウジング１０１は、連結された第１ハウジング１０１ａと第２ハウジング１０１ｂとを有する。ハウジング１０１は、空気入口管２２にそれぞれ接続された弁入口１１５と弁出口１１６を備えている。弁入口１１５と弁出口１１６と連通する開弁用受圧室（作動室）１１８を複数の第１中空室１０２および第２中空室１０７に仕切るための仕切壁１０６とを有する。第２ハウジング１０１ｂの内面の弁出口１１６側には、弁座１１７が設けられている。弁座１１７は弁体１１４が当接してシールするシール面となっている。第１中空室１０２および第２中空室１０７は弁軸１０３の軸長方向において（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）直列に併設されている。
【００３７】
図６に示すように仕切壁１０５のほぼ中央領域には、弁軸挿通孔１０５が形成されている。弁軸挿通孔１０５は、弁軸１０３を挿通するための仕切壁１０６を厚み方向に貫通する。弁軸１０３は長軸状をなしており、ハウジング１０１の仕切壁１０６の弁軸挿通孔１０５に移動可能に挿通されている。弁軸１０３の先端部には、移動に伴い、弁出口１１６を開閉させるための弁体１１４が鍔状に形成されている。弁体１１４は弁座１１７に着座可能である。図６に示すようにダイヤフラム１１０は、ゴムや樹脂等の高分子材料で形成された変形可能な膜状とされている。なお、ダイヤフラム１１０には、必要に応じて、ガスバリヤ性を高めるためのバリヤ層や補強させるための補強層が、埋設されていても良い。図６に示すようにダイヤフラム１１０のダイヤフラム外端部１１０ａは、ハウジング１０１に保持されている。すなわち、ダイヤフラム１１０の厚肉状のダイヤフラム外端部１１０ａは、ハウジング１０１の第１ハウジング１０１ａと第２ハウジング１０１ｂに挟持されて保持されている。ダイヤフラム内端部１１０ｂは駆動板１１１により弁軸１０３に保持されている。図６に示すようにダイヤフラム１１０は、気体圧（流体圧）の受圧に伴い弁軸１０３を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動させるための開弁用受圧室（作動室）１１８と、第２中空室１０７を仕切る。第２中空室１０７はダイヤフラム１１０の受圧に伴い、圧力が高くなることを防止する排気管１０９が第１ハウジング１０１ａに設けられている。ダイヤフラム１１０は、コンボリューションとも呼ばれる径方向に突出した膨出部１１０ｍを持つ。膨出部１１０ｍは、突部１１０ｒを形成しつつ、弁軸１０３の軸芯Ｐ３の回りで、リング状に配置されており、圧力に応じて表裏反転可能とされている。ここで、コンボリューションを有するダイヤフラムを搭載するバルブによれば、基本的には、ダイヤフラム１１０については、膨出部１１０ｍの頂点１１０ｘよりも径内側の受圧面積が、ダイヤフラム１１０の有効受圧面積（Ｓｉ２）とされている。図６に示すようにダイヤフラム１１０と仕切壁１０５との間には、ダイヤフラム１１０の閉弁動作をアシストするための閉弁用の付勢バネ１０８が設けられている。この付勢バネ１０８は、コイル状をなしており、第２中空室１０７に弁軸１０３の外周側において便軸１０３と同軸的に配置されている。付勢バネ１０８のバネ定数を（ＩＳｃ２）とする。
【００３８】
空気出口遮断弁７０の詳細構造については実施形態１、２と同じである。
【００３９】
（燃料電池システム停止時）
燃料電池システム１０停止時は動作も実施形態１と同じである。
【００４０】
（燃料電池システム起動時）
次に本実施形態の燃料電池システム１０において、停止中の燃料電池１３の空気流の圧力が負圧の状態からの起動について説明する。燃料電池１３の空気流路の圧力が負圧状態では、空気入口遮断弁１００は図７に示すように、負圧によって弁体１１４が弁座１１７に当接、密着し、弁入口１１５は大気開放状態になっている。また空気出口遮断弁７０は図５に示すように、負圧によって弁体８４が弁座８７に当接、密着し、弁出口８５は大気開放状態になっている。図９に示す制御装置１１は空気圧縮機１４を駆動する指令を出力する。このことにより、空気入口管２２に接続された空気入口遮断弁１００の弁入口１１５からの空気供給圧は大きくなり、ダイヤフラム１１０は大きな空気供給圧を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に受圧する。そして、閉弁用の付勢バネ１０８のバネ力と燃料電池１３の空気流路の負圧より空気供給圧が高くなると、弁軸１０３が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動し、弁座１１７に着座していた弁体１１４が弁座１１７から離間し、弁体１１４が開弁し、弁出口１１６と弁入口１１５が連通する。また、空気出口遮断弁７０の付勢バネ８８のバネ定数は空気入口遮断弁１００の付勢バネ１０８のバネ定数より小さく設定されているので、空気出口１３ｂからの空気圧で、ダイヤフラム８０は大きな開弁圧を開弁方向（矢印Ｙ２方向）に受圧する。この結果ダイヤフラム８０が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると共に、弁軸７３が開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動し、弁座８７に着座していた弁体８４から離間し、弁体８４が開弁し、大気開放状態の弁出口８５と弁入口８６が連通する。このように、燃料電池システム１１起動時は、空気入口遮断弁１００の閉弁用の付勢バネ１０８のバネ力と燃料電池１３の空気流路の負圧より空気供給圧が高くなるまでの圧力が必要となる。
【００４１】
実施例１の空気入口遮断弁４０は開弁動作側圧力室（受圧室）４９を負圧にしているので空気圧縮機１４からの空気供給圧を高くできる。このことにより、第２ダイヤフラム５６の有効受圧面積（Ｓｉ１）を実施例３における空気入口遮断弁１００のダイヤフラム１１０の有効受圧面積（Ｓｉ２）と比べて小さくできる。本実施例によれば、Ｓｉ２／Ｓｉ１＝１．００〜２．００の範囲内、１．００〜１．５０の範囲内、１．０１〜１．４０の範囲内、１．０２〜１．３５の範囲内に設定されていることが好ましい。
【符号の説明】
【００４２】
１０                                燃料電池システム
１１                                制御装置
１２                                加湿器
１３                                燃料電池
１４                                空気圧縮機
３１                                圧力センサ
３２                                圧力スイッチバルブ
４０，１００                        空気入口遮断弁
４１，７１，１０１                  ハウジング
４２                                ポート
４３ａ，４３ｂ，８１，１１１        駆動板
４４ａ，４４ｂ，７８，１０８        付勢バネ
４５，７２                          第１中空室
４６，８８，１１８                  開弁用受圧室（作動室）
４８，７３，１０３                  弁軸
４９                                開弁動作側圧力室（受圧室）
５０，７７                          第２中空室
５１                                シール部材
５２ａ，５２ｂ，７９，１０９        排気管
５３，７６，１０６                  仕切壁
５４，７５，１０５                  弁軸挿通孔
５５，５６，８０，１１０            ダイヤフラム
５６ａ，８０ａ，１１０ａ            ダイヤフラム外端部
５６ｂ，８０ｂ，１１０ｂ            ダイヤフラム内端部
５６ｍ，１１０ｍ                    膨出部
５６ｒ，１１０ｒ                    突部
５６ｘ，１１０ｘ                    膨出部の頂点
５７，８６，１１５                  弁入口
５８，８４，１１４                  弁体
５９，８５，１１６                  弁出口
６０，８７，１１７                  弁座
７０                                空気出口遮断弁
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３                    軸芯
【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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【図８】
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【図９】
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